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触摸屏技术：一种触觉的体验 |
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作者：Peter Cleaveland |
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虽然我们大多数人利用视觉与听觉与计算机交互，但某些情况下，最合适使用的是触觉。今天，计算机技术正越来越多地认识到这一点，并开始采用触觉技术。
触觉在希腊语中的意思是“抓或摸”，这里是指设备产生可被感觉到（而不是被看到或听到）的输出的能力。触觉输出通常是力或振动。那到底是多大的力呢？“我们较小的设备能产生3－4牛顿（约0.67－0.90磅）的力，而我们一些较大的设备则能产生高达30牛顿（约6.7磅）以上的力。” SensAble Technologies公司的触觉设备与工具包产品专家Ben Landon表示。 
图1：SensAble Technologies 公司的 Omni 装置
提供带力反馈的六自由度位置传感
为何使用触觉?
触觉的两类重要应用是虚拟现实（包括游戏与医学培训）和远程操作（或遥控操作）。尽管触觉在电脑游戏中的使用率很高，但它也同样可以应用于工业中。例如，触觉让使用者能触摸和感觉到计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）及类似系统中的对象。探针可向设计软件发送数字反馈信号，而所有电子操控与制动系统则能为操作者或驾驶员提供实际的反馈，从而避免了直接连接或动力辅助机械连接环节的重量与复杂性。
通过为经验不足的员工提供“虚拟”培训，医学应用中采用触觉技术能够防止患者受到误操作。触觉医学培训系统可以令人惊讶地真实再现打针或插入腹腔镜的感觉，同时在屏幕上查看结果，如果操作错误，还会听到患者的抱怨。它可用于牙科等手术的培训。
“医生现在的学习方式令人恐怖，”Novint Technologies公司首席执行官 Tom Anderson表示，“他们在真实患者身上所做的前50次手术都是在学习。”Novint拥有一台硬膜外模拟器和一台牙科模拟器，都获得了用户的积极评价。Immersion公司的工业与游戏副总裁兼总经理Michael Levin透露，其公司约有800套用于培训学生如何插入IV 针头的静脉注射平台已投入使用。
触觉还用在医学植入设计方面，SensAble Technologies公司总裁兼首席运营官Bob Steingart表示。CT扫描仪的数据为体元的形式（3-D或体积象素），SensAble公司的设备也采用相同的格式。“想象一下某人的颅骨上有一个洞，”Steingart说，“你将从CT机、CAT扫描或MRI中的一个模型开始，目标是提出填充那个洞的修补方案。凭借我们的体元及虚拟人体系统（颅骨模型也采用体元形式），您可以非常迅速地给出严丝合缝的人造部件方案。输出结果通常被传送到一台快速成型机上，有时则传送到一部铣床。”
SensAble公司的Landon表示，触觉也可用于提高数据的可视化程度，使用户能浏览海量数据（如岩石地层的地震成像等），并提供一个额外的通信渠道。“你不单拥有颜色和时间，还拥有相应的力，帮你了解数据到底是怎样一回事，”他说。
旋钮、鼠标、操纵杆
触觉最简单的示例或许就是一个旋钮，类似于调谐收音机的旋钮。通过在电机或刹车上配备这种旋钮，就可能拥有各种制动装置、硬性制动甚至弹性制动。并且所有这些功能都可根据需要更改。
触觉鼠标提供力、振动或同时提供二者，作为软件对用户输入的响应。从游戏到理疗，它们的应用非常广；且目前正在研究供盲人使用的作为计算机输入设备的触觉鼠标。以这种方式使用鼠标的一个问题是：必须具备跟踪绝对位置的某些措施；设计使用杆或绳连接到底座。
逆向机器人技术：空中的手柄
在三维领域中，触觉相当于“逆向机器人技术”。机器人允许虚拟世界（软件）操纵真实的对象；而触觉设备则允许人们操纵虚拟的对象并感觉其仿佛是真实存在的。例如，用户握住连接到武器系统的手柄等（某些系统使用手套或“套环”装置）。
触觉设备可能是三自由度（3 DOF）：分别传感 X、Y 和 Z 轴；或六自由度：还可传感转动、倾斜和摇摆。（自由度表示一个变量或空间中可用的选项数。）系统检测手柄位置，并通过内置电机和制动器向用户提供力和振动。当光标遇到虚拟对象时，操作者会感觉到阻力，可能是硬的（对于坚硬的物体）、软的或是有弹性的。适当时手柄还会发生振动，例如，模拟用户将触针在粗糙表面上滑动的感觉等。触觉手套可用于理疗，帮助中风患者增强力量及改善机能。
日本丰桥理工大学的研究人员一直在研究使用触觉操纵杆来控制起重机，以防止发生碰撞。许多地方也在进行将力反馈增加到外科手术机器人上（它们是真正的遥控机器人）的工作。在极小的尺寸范围也有工作在进行，意图将力维触觉设备和扫描电子显微镜进行集成，在操纵纳米级对象时提供触感。 
图2：触觉触摸屏通过在屏幕四角使用电磁执行机构，
以振动触摸覆盖层（图片由Immersion 公司提供）。
触摸屏的推出
最近触觉被结合到触摸屏中。传统触摸屏可以将控制输入放在屏幕表面上的任何位置，而触觉则使用户真正感觉到它们。按下一个按钮，你将感觉到按钮的动作（并通常可听到“咔嗒”声）。虚拟按钮可以是任何尺寸和形状，并可位于屏幕上的任何位置，其对触摸的响应方式也多种多样。 
图3：Novint Falcon的早期版本具有三自由度，售价约为100美元
2005年12月，大众汽车公司（Volkswagen AG）授权将Immersion公司的触觉技术用在汽车仪表盘上。与只能感觉到虚拟控制面板的坚硬表面不同的是，司机还能感觉到按钮的按下和放开，就像真实的按钮与开关那样。在一份调查中，当为用户提供带触觉和不带触觉的触摸屏选择时，反馈表明用户极为偏爱触觉功能；且如果他们只能选择一种，则会首选触觉功能，Levin表示。
触感的产生方式有几种。也许最直接的一种就是在显示屏上建立一个活动的凸块阵列，这样表面将具有实际所需的形状。尽管这种方法很有效，但它既复杂又昂贵。更简单的方法是在屏幕的每个角上都放置一个电磁执行机构，在触摸屏覆盖层上产生受控的侧向移动。研究表明：关键参数不是移动距离而是加速度，因此实际仅需要移动0.1至0.2 毫米，从而有可能让显示器密封符合NEMA 4标准。
尽管触觉在游戏和培训应用中迅速获得了采纳，但在工业中的广泛应用还有待时日。简化将触觉集成到接口中的工作，是推动该技术在工业设置中应用的重要因素。
大多数触觉公司都提供一组API（应用程序接口）和其他软件以帮助进行开发。Immersion公司目前正在开发一款带小型电路板、一组执行机构和指导手册的集成套件。电路板具有预编程触觉效果；其他内容则可下载并放到闪存中。SensAble Technologies公司也为其设备提供了触觉工具包。
成本下降也会推动触觉技术的采用。Novint公司生产的3 DOF Falcon是低端价位的产品，预计售价介于150-200 美元之间。尽管该设备针对消费应用领域设计，但经验表明，某些消费电子产品正在打入相对稳定的工业和商业市场，且如果它们以零售消费量来制造和销售的话，其售价将非常诱人。关于坚固程度，Novint公司的Anderson表示，这款产品的“设计允许用户对其使劲拍击。而且你一定还希望它能坚持更长的时间，例如，特别是在人们玩视频游戏时。”
SensAble公司的Phantom Omni（幻影全景）是一个安装在底座上的6 DOF机械臂，底座放在桌面上，带触觉套装软件的售价约为 2,400 美元。在触摸屏方面，Immersion公司的显示屏最大尺寸为19 英寸，且触觉反馈设备与触摸屏的售价大致相等。
尽管刚刚起步，但触觉技术在工业中有着光明的应用前景。虽然鼠标可能不会消失（Novint公司用捕食老鼠的猛禽Falcon——猎鹰命名其触觉产品），但它会发现自己并不是人们工作中的唯一工具。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/14/2007) |
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