機(jī)器人觸覺交互研究

 人類與外界的(de)交互，包括認知和(hé)改造兩個方面，前者是後者的(de)前提。對于前者，認知本質上是對時空的(de)直觀。具體說，任何一(yī)個外界的(de)事物，都是時間和(hé)空間的(de)具體形式體現----可(kě)以用一(yī)組時間空間參數描述。時空的(de)無窮組合，也便造就了外界的(de)多樣性。對于這些組合的(de)認知，人類有(yǒu)多個通道(dào)進行(xíng)直觀----視(shì)覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺。這種簡潔高(gāo)效的(de)直觀方式也導緻了一(yī)個問題：一(yī)個人和(hé)一(yī)個事物之間在時空上存在一(yī)定距離(lí)，就無法做(zuò)到多個通道(dào)同時直觀，以此限制了人對外界的(de)認知水平。目前，從成熟度看，對五種通道(dào)的(de)研究大緻有(yǒu)三個梯隊：視(shì)覺、聽覺為(wèi)第一(yī)梯隊，我們的(de)模仿已十分成熟----各類商(shāng)業化的(de)視(shì)聽産品；觸覺是第二梯隊，處于成長(cháng)期；嗅覺、味覺，處于第三梯隊，該方面的(de)研究相對較少。事實上有(yǒu)研究表明，觸覺是生物體最原始的(de)感覺通道(dào)，甚至早于視(shì)覺功能進化，直至今日，人類嬰兒探索世界的(de)主要方式仍是觸覺行(xíng)為(wèi)。可(kě)見，觸覺研究落後的(de)原因不是說不重要，而是不簡單。觸覺研究的(de)困難存在于觸覺實現的(de)各個環節中：觸覺機(jī)理(lǐ)複雜、觸覺數據難以獲取、觸覺系統真再現實度低(dī)、觸覺應用數量少。本文從觸覺感知機(jī)理(lǐ)、觸覺建模及渲染、觸覺再現系統和(hé)展望四個方面展開論述。

 1.觸覺感知機(jī)理(lǐ)

 觸覺作為(wèi)一(yī)個通道(dào)，其輸入是觸摸物體時觸覺感受器的(de)空間變化、震動，其輸出是各類感覺，如(rú)硬度、形狀、粗糙度、紋理(lǐ)、彈性、濕度、黏性；其實現的(de)方式是通過各種操作，如(rú)觸摸、按壓、拿捏、滑動[1]等。目前，關于人體觸覺感知較為(wèi)成熟的(de)是四通道(dào)理(lǐ)論，即人體對外界的(de)觸覺感知由皮膚內(nèi)的(de)4種機(jī)械式刺激感受器共同完成, 包括 Ruffini小體、Meissner小體、Merkel盤和(hé)Pacinian小體。4種觸摸感受器所在皮膚組織的(de)位置和(hé)對觸覺刺激的(de)響應均不相同, 其中, Ruffini小體感知彈性,Meissner小體感知凸起邊緣, 物體外形、紋理(lǐ)造成的(de)壓力及低(dī)頻的(de)振動刺激一(yī)般由位于皮膚上皮層和(hé)真皮層之間的(de)Merkel小體感知, 而高(gāo)頻振動刺激則由皮膚最深處的(de)Pacinian小體感知。

 2.觸覺建模及渲染

 此部分實際上是為(wèi)了解決這兩個問題：1，如(rú)何獲得數據？2，如(rú)何對真實表面的(de)感覺進行(xíng)描述和(hé)數學(xué)建模？

 針對問題1，這裏主要涉及兩個方面：數據采集和(hé)數據壓縮。數據采集：數據采集主要是通過各種信号采集設備實現，物體的(de)結構可(kě)以通過傳統的(de)三維掃描識别和(hé)軟件來實現，但單純的(de)幾何建模無法獲取像觸感等其他物理(lǐ)交互屬性。如(rú)清華大學(xué)孫富春教授團隊研制的(de)觸覺手套，可(kě)以采集人手的(de)指尖與手掌操作過程的(de)觸覺信息。同時觸覺信号的(de)采集往往包含位置、角度、速度、力等多維信息,因此, 在進行(xíng)觸覺再現的(de)信号建模等處理(lǐ)之前, 需要對采集的(de)原始觸覺數據進行(xíng)壓縮或降維。

 針對問題2，目前建模渲染主要有(yǒu)兩種方式：基于觸覺數據和(hé)基于視(shì)覺數據。基于觸覺數據：物體材質的(de)觸覺信息包括材質的(de)紋理(lǐ)輪廓、摩擦力、振動信号等, 觸覺再現即是模拟、重建材質表面觸覺信息的(de)過程。基于真實的(de)觸覺交互數據可(kě)以構建物體表面的(de)紋理(lǐ)或幾何輪廓模型, 或通過參數化建模等方式計算材質表面的(de)觸覺信号,實現虛拟物體表面的(de)觸覺再現。基于視(shì)覺數據：觸覺數據需要通過專門的(de)采集設備進行(xíng)收集和(hé)處理(lǐ), 數據獲取要求高(gāo), 目前得到的(de)觸覺數據規模小。相比觸覺數據集, 自(zì)然圖像和(hé)紋理(lǐ)圖像有(yǒu)大量的(de)公開數據集可(kě)以獲取, 這些圖像中往往包含豐富的(de)視(shì)覺和(hé)觸覺特征。基于圖像特征提取的(de)觸覺再現從圖片的(de)灰度、深度等信息獲取圖像中紋理(lǐ)表面的(de)輪廓和(hé)特征, 将圖像幾何信息映射到觸覺信息後實現觸覺渲染。 

 3.觸覺再現系統

 觸覺再現研究目的(de)在于設計出優異的(de)觸覺再現系統以提高(gāo)人機(jī)交互的(de)效率，優異主要體現在：真實的(de)觸覺再現、高(gāo)效的(de)人機(jī)交互和(hé)豐富的(de)感知體驗。目前觸覺再現系統按交互形式主要分為(wèi)觸摸屏系統、觸覺筆(bǐ)系統、可(kě)穿戴系統、主動表面和(hé)空氣觸覺系統。如(rú)清華大學(xué)史元春教授團隊針對現有(yǒu)觸覺圖形顯示器進行(xíng)交互技術和(hé)用戶體驗的(de)研究[3]。其從盲人觸覺這一(yī)應用領域入手，對比目前主流的(de)觸摸屏，通過實驗分析了觸摸屏工作方式和(hé)點陣幅面對盲人交互體驗的(de)影響，最終得出了一(yī)套觸覺顯示器的(de)交互體驗原則：符合盲人用戶的(de)自(zì)身認知、合理(lǐ)使用隐喻、使用場景多樣, 以及成本控制。如(rú)在shadow靈巧手操控中，數據手套指尖穿戴振動器，将shadow靈巧手的(de)觸覺反饋給人手，以此增加遙操作機(jī)器人的(de)沉浸感。

 4.展望

 目前的(de)觸覺再現技術可(kě)實現的(de)真實感和(hé)交互性有(yǒu)限, 複雜感知機(jī)理(lǐ)和(hé)高(gāo)開發成本增加了該領域的(de)研究難度。面對觸覺再現技術的(de)發展現狀, 結合觸覺再現系統的(de)應用需求, 未來觸覺再現技術的(de)突破發展有(yǒu)望從觸覺感知機(jī)理(lǐ)、觸覺數據建模、觸覺反饋系統和(hé)觸覺交互應用幾個方向共同展開：

 (1) 觸覺感知機(jī)理(lǐ)的(de)深入思考

 由于缺乏系統的(de)方法和(hé)多項技術發展阻礙, 尚未有(yǒu)系統且完整的(de)理(lǐ)論表述觸覺感知的(de)各項影響因素。人體觸覺感知機(jī)制的(de)研究需要綜合多門學(xué)科(kē)、從多個角度展開探索。

 (2) 觸覺建模算法的(de)不斷探索

 觸覺感知會受到神經生理(lǐ)組織、交互方式等多方面的(de)影響, 準确提取和(hé)記錄觸覺交互過程中相關參數, 尋找并構建更精确的(de)觸覺計算模型, 有(yǒu)助于提高(gāo)觸覺再現信号的(de)準确性和(hé)真實度。目前采集的(de)真實觸覺數據量及其可(kě)反映的(de)物體觸覺屬性有(yǒu)限, 而且數據在采集、建模、傳輸和(hé)再現過程中均有(yǒu)部分觸覺信息損失。未來在觸覺數據的(de)提取和(hé)記錄方面, 需要設計低(dī)本、多維度的(de)觸覺數據采集系統, 構建統一(yī)的(de)觸覺數據采集和(hé)處理(lǐ)标準；在增加觸覺數據采集數量和(hé)維度的(de)基礎上, 提升觸覺信号傳輸速率和(hé)信息保真率, 降低(dī)觸覺數據處理(lǐ)和(hé)分析過程中的(de)信息損失。在觸覺數據建模方面, 針對簡單數學(xué)模型無法準确建模的(de)觸覺信号, 基于深度學(xué)習技術練 更複雜的(de)網絡模型, 能夠對觸覺數據進行(xíng)更精确的(de)特征提取和(hé)建模處理(lǐ); 此外, 針對觸覺技術研發 成本高(gāo)的(de)問題, 通過結合大數據技術建立和(hé)發布大規模開放式觸覺數據集, 能夠極大程度地(dì)促進虛拟觸覺再現技術的(de)飛(fēi)躍。

 (3) 觸覺再現系統的(de)創新設計

 目前, 傳統的(de)觸覺再現系統正在向更多交互維度、更大操作空間等趨勢發展, 然而這些系統依然面臨着便攜性差、真實感弱、觸覺反饋強度有(yǒu)限、不同維度性能差異大等問題。開發基于移動終端及可(kě)穿戴式觸覺再現系統、增加觸覺再現系統的(de)觸覺信息将是觸覺再現技術的(de)重要發展方向之一(yī)。

 (4) 觸覺交互應用的(de)協同發展

 由于觸覺反饋方式和(hé)系統的(de)限制, 觸覺交互應用開發成本高(gāo), 而觸覺交互系統的(de)增強效果還停留在簡單的(de)振動碰撞模拟, 觸覺再現技術帶來的(de)交互體驗和(hé)效率優化價值難以評判。