Haptisk teknik

En huvudmonterad display från 1980-talet och handskar med tråd på NASA Ames Research Center

Haptisk teknologi (även kinestetisk kommunikation eller 3D touch ) är teknik som kan skapa en upplevelse av beröring genom att applicera krafter , vibrationer eller rörelser på användaren. Dessa teknologier kan användas för att skapa virtuella objekt i en datorsimulering , för att styra virtuella objekt och för att förbättra fjärrkontrollen av maskiner och enheter ( telerobotics ). Haptiska enheter kan inkludera taktila sensorer som mäter krafter som utövas av användaren på gränssnittet. Ordet haptisk , från grekiskan : ἁπτικός ( haptikos ), betyder "taktil, som hänför sig till känseln". Enkla haptiska enheter är vanliga i form av spelkontroller , joysticks och rattar .

Haptisk teknologi underlättar undersökningen av hur det mänskliga känseln fungerar genom att tillåta skapandet av kontrollerade haptiska virtuella objekt. De flesta forskare särskiljer tre sensoriska system relaterade till beröringssinne hos människor: kutan , kinestetisk och haptisk . Alla uppfattningar som förmedlas av kutan och kinestetisk sensibilitet kallas för taktisk perception. Beröringssinnet kan klassificeras som passivt och aktivt, och termen "haptisk" förknippas ofta med aktiv beröring för att kommunicera eller känna igen föremål.

Historia

En av de tidigaste tillämpningarna av haptisk teknologi var i stora flygplan som använder servomekanismsystem för att styra kontrollytor. I lättare flygplan utan servosystem , när flygplanet närmade sig ett stall , kändes den aerodynamiska buffringen (vibrationerna) i pilotens kontroller. Detta var en användbar varning för ett farligt flygtillstånd. Servosystem tenderar att vara "envägs", vilket innebär att yttre krafter som appliceras aerodynamiskt på kontrollytorna inte uppfattas vid kontrollerna, vilket resulterar i avsaknaden av denna viktiga sensoriska signal . För att komma till rätta med detta simuleras de saknade normalkrafterna med fjädrar och vikter. Anfallsvinkeln mäts och när den kritiska stopppunkten närmar sig kopplas en stickshaker in som simulerar responsen från ett enklare kontrollsystem . Alternativt kan servokraften mätas och signalen riktas till ett servosystem på styrningen, även känd som kraftåterkoppling . Force feedback har implementerats experimentellt i vissa grävmaskiner och är användbar vid schaktning av blandat material såsom stora stenar inbäddade i silt eller lera. Det låter föraren "känna" och arbeta runt osynliga hinder.

På 1960-talet utvecklade Paul Bach-y-Rita ett synsubstitutionssystem med hjälp av en 20x20-array av metallstavar som kunde höjas och sänkas, vilket producerade taktila "prickar" analogt med pixlarna på en skärm. Människor som satt i en stol utrustad med den här enheten kunde identifiera bilder från mönstret av prickar som petades in i ryggen.

Det första amerikanska patentet för en taktil telefon beviljades Thomas D. Shannon 1973. Ett tidigt taktilt kommunikationssystem mellan människa och maskin konstruerades av A. Michael Noll vid Bell Telephone Laboratories, Inc. i början av 1970-talet och ett patent utfärdades för hans uppfinning 1975.

Aura Interactor väst

1994 utvecklades Aura Interactor- västen. Västen är en bärbar force-feedback-enhet som övervakar en ljudsignal och använder elektromagnetisk manöverteknik för att omvandla basljudvågor till vibrationer som kan representera sådana handlingar som ett slag eller spark. Västen ansluts till ljudutgången på en stereo, TV eller video och ljudsignalen återges genom en högtalare inbäddad i västen.

Jensens Tap-in-enhet

1995 utvecklade Thomas Massie systemet PHANToM (Personal Haptic inNTerface Mechanism). Den använde fingerborgsliknande behållare i änden av datoriserade armar i vilka en persons fingrar kunde föras in, så att de kunde "känna" ett föremål på en datorskärm.

År 1995 beskrev norska Geir Jensen en haptisk anordning för armbandsur med en hudtappmekanism, kallad Tap-in. Armbandsuret skulle ansluta till en mobiltelefon via Bluetooth , och tryckfrekvensmönster skulle göra det möjligt för bäraren att svara på uppringare med utvalda korta meddelanden.

2015 lanserades Apple Watch . Den använder hudtrycksavkänning för att leverera aviseringar och varningar från klockbärarens mobiltelefon.

Typer av mekanisk beröringsavkänning

Människans avkänning av mekanisk belastning i huden hanteras av mekanoreceptorer . Det finns ett antal typer av mekanoreceptorer men de som finns i fingerdynan är vanligtvis indelade i två kategorier. Snabbverkande (FA) och långsamverkande (SA). SA-mekanoreceptorer är känsliga för relativt stora spänningar och vid låga frekvenser medan FA-mekanoreceptorer är känsliga för mindre spänningar vid högre frekvenser. Resultatet av detta är att SA-sensorer i allmänhet kan detektera texturer med amplituder större än 200 mikrometer och FA-sensorer kan detektera texturer med amplituder mindre än 200 mikrometer ner till cirka 1 mikrometer, även om viss forskning tyder på att FA bara kan upptäcka texturer som är mindre än fingeravtrycket våglängd. FA-mekanoreceptorer uppnår denna höga upplösning av avkänning genom att känna av vibrationer som produceras av friktion och en interaktion av fingeravtrycksstrukturen som rör sig över fin ytstruktur.

Genomförande

Se underavsnitten under ansökningar för exempel.

Haptisk återkoppling

Haptisk återkoppling (ofta förkortad till bara haptik) är kontrollerade vibrationer med bestämda frekvenser och intervall för att ge en känsla som representerar en handling i spelet; detta inkluderar "stötar", "slag" och "knackning" på ens hand eller fingrar.

Majoriteten av elektroniken som erbjuder haptisk återkoppling använder vibrationer, och de flesta använder en typ av excentrisk roterande massa (ERM) ställdon, bestående av en obalanserad vikt fäst vid en motoraxel. När axeln roterar får denna oregelbundna massa att snurra ställdonet och den anslutna enheten att skaka. Piezoelektriska ställdon används också för att producera vibrationer och erbjuder ännu mer exakt rörelse än LRA, med mindre buller och i en mindre plattform, men kräver högre spänningar än ERM och LRA.

Rumble

Rumble är en form av haptik, rumble vibrerar bara stadigt vid olika frekvenser.

Tvinga feedback

Force feedback-enheter använder motorer för att manipulera rörelsen av ett föremål som innehas av användaren. En vanlig användning är i videospel och simulatorer för bilkörning, som vrider på ratten för att simulera krafter som upplevs vid kurvtagning av ett riktigt fordon. Direktdrivna hjul, som introducerades 2013, är baserade på servomotorer och är den mest avancerade typen av kraftåterkopplings-racinghjul för styrka och trohet.

2007 släppte Novint Falcon , den första 3D-pekenhet för konsumenter med högupplöst tredimensionell kraftåterkoppling. Detta möjliggjorde haptisk simulering av objekt, texturer, rekyl, momentum och den fysiska närvaron av objekt i spel.

Luftvirvelringar

Luftvirvelringar är munkformade luftfickor som består av koncentrerade luftbyar. Fokuserade luftvirvlar kan ha kraften att blåsa ut ett ljus eller störa papper från några meter bort. Både Microsoft Research (AirWave) och Disney Research (AIREAL) har använt luftvirvlar för att leverera beröringsfri haptisk feedback.

Ultraljud

Fokuserade ultraljudsstrålar kan användas för att skapa en lokaliserad känsla av tryck på ett finger utan att röra något fysiskt föremål. Fokuspunkten som skapar känslan av tryck genereras genom att individuellt kontrollera fasen och intensiteten för varje givare i en rad ultraljudsgivare. Dessa strålar kan också användas för att leverera sensationer av vibrationer och för att ge användare möjligheten att känna virtuella 3D-objekt.

En annan form av taktil återkoppling är resultatet av aktiv beröring när en människa skannar (för fingret över en yta) för att få information om en ytas struktur. En betydande mängd information om en ytstruktur på mikrometerskalan kan samlas in genom denna åtgärd eftersom vibrationer till följd av friktion och textur aktiverar mekanoreceptorer i den mänskliga huden. Mot detta mål kan plattorna fås att vibrera med en ultraljudsfrekvens vilket minskar friktionen mellan plattan och huden.

Ansökningar

Bil

Med introduktionen av stora pekskärmskontrollpaneler i fordons instrumentpaneler, används haptisk återkopplingsteknik för att ge bekräftelse på pekkommandon utan att föraren behöver ta blicken från vägen. Ytterligare kontaktytor, till exempel ratten eller sätet, kan också ge haptisk information till föraren, till exempel ett varnande vibrationsmönster när det är nära andra fordon.

Konst

Haptiska teknologier har utforskats inom virtuell konst, såsom ljudsyntes eller grafisk design . Det gör lite lös vision och animation . Haptisk teknologi användes för att förbättra befintliga konstverk i Tate Sensorium-utställningen 2015. I musikskapandet introducerade den svenska synthesizertillverkaren Teenage Engineering en haptisk subwoofermodul för sin OP-Z-synt som låter musiker känna basfrekvenserna direkt på sitt instrument.

Flyg

Force-feedback kan användas för att öka efterlevnaden av ett säkert flygområde och på så sätt minska risken för att piloter kommer in i farliga flygtillstånd utanför de operativa gränserna samtidigt som piloternas slutgiltiga auktoritet bibehålls och deras situationsmedvetenhet ökar .

Medicin och tandvård

Haptiska gränssnitt för medicinsk simulering utvecklas för utbildning i minimalt invasiva procedurer som laparoskopi och interventionell radiologi , och för utbildning av tandläkarstudenter. A Virtual Haptic Back (VHB) integrerades framgångsrikt i läroplanen vid Ohio University College of Osteopathic Medicine . Haptisk teknologi har möjliggjort utvecklingen av telenärvarokirurgi , vilket gör det möjligt för expertkirurger att operera patienter på avstånd. När kirurgen gör ett snitt känner de taktil och motståndsfeedback som om de arbetar direkt på patienten.

Haptisk teknologi kan också ge sensorisk feedback för att lindra åldersrelaterade försämringar i balanskontroll och förebygga fall hos äldre och balansnedsatta. Haptic Cow och Horse används i veterinärutbildning.

Mobil enheter

Vibramotor för LG Optimus L7 II

Taktil haptisk återkoppling är vanlig i mobila enheter . I de flesta fall tar detta formen av vibrationsrespons vid beröring. Alpine Electronics använder en haptisk återkopplingsteknik som heter PulseTouch på många av deras bilnavigering och stereoenheter med pekskärm. Nexus One har haptisk feedback, enligt deras specifikationer. Samsung lanserade först en telefon med haptics 2007.

Ythaptik hänvisar till produktionen av variabla krafter på en användares finger när den interagerar med en yta som en pekskärm.

Anmärkningsvärda introduktioner inkluderar:

Tanvas använder en elektrostatisk teknologi för att styra krafterna i planet som upplevs av en fingertopp, som en programmerbar funktion av fingrets rörelse. TPaD Tablet Project använder en ultraljudsteknik för att modulera den uppenbara halkan hos en glaspekskärm.
2013 tilldelades Apple Inc. patentet för ett haptiskt återkopplingssystem som är lämpligt för multitouch-ytor. Apples amerikanska patent för en "Metod och apparat för lokalisering av haptisk återkoppling" beskriver ett system där minst två ställdon är placerade under en multitouch-ingångsenhet, vilket ger vibrationsåterkoppling när en användare kommer i kontakt med enheten. Specifikt tillhandahåller patentet ett manöverdon för att inducera en återkopplingsvibration, medan åtminstone ett annat manöverdon använder sina vibrationer för att lokalisera den haptiska upplevelsen genom att förhindra den första uppsättningen vibrationer från att fortplanta sig till andra områden av anordningen. Patentet ger exemplet på ett "virtuellt tangentbord", men det noteras också att uppfinningen kan appliceras på vilket multitouch-gränssnitt som helst. Apples iPhones (och MacBooks ) med "Taptic Engine", åstadkommer sina vibrationer med ett linjärt resonansaktuator (LRA), som förflyttar en massa på ett ömsesidigt sätt med hjälp av en magnetisk talspole, liknande hur AC-elektriska signaler översätts till rörelse i konen på en högtalare . LRA:er kan ge snabbare svarstider än ERM:er och kan därför överföra mer exakta haptiska bilder.

Neurorehabilitering

För personer med motorisk dysfunktion i övre extremiteterna kan robotenheter som använder haptisk feedback användas för neurorehabilitering. Robotenheter, såsom sluteffektorer, och både jordade och ojordade exoskelett har designats för att hjälpa till att återställa kontrollen över flera muskelgrupper. Haptisk feedback som appliceras av dessa robotenheter hjälper till att återställa sensoriska funktioner på grund av dess mer uppslukande natur.

Pussel

Haptiska pussel har tagits fram för att undersöka målorienterad haptisk utforskning, sökning, inlärning och minne i komplexa 3D-miljöer. Målet är att både möjliggöra flerfingrade robotar med känsel, och få fler insikter i mänskligt meta-lärande.

Personliga datorer

2008 började Apple Inc.:s MacBook och MacBook Pro att införliva en "Tactile Touchpad"-design med knappfunktionalitet och haptisk feedback inbyggd i spårningsytan. Produkter som Synaptics ClickPad följde.

Under 2015 introducerade Apple " Force Touch "-styrplattor på 2015 års MacBook Pro som simulerar klick med en "Taptic Engine".

Robotik

Haptisk feedback är avgörande för att utföra komplexa uppgifter via telenärvaro . Shadow Hand , en avancerad robothand, har totalt 129 beröringssensorer inbäddade i varje led och fingerdyna som vidarebefordrar information till operatören. Detta gör att uppgifter som att skriva kan utföras på avstånd. En tidig prototyp kan ses i NASAs samling av humanoida robotar, eller robonauter .

Sensorisk substitution

I december 2015 demonstrerade David Eagleman en bärbar väst som "översätter" tal och andra ljudsignaler till serier av vibrationer, vilket gjorde det möjligt för hörselskadade att "känna" ljud på sin kropp, den har sedan dess gjorts kommersiellt som ett armband.

Plats

Användningen av haptisk teknologi kan vara användbar i rymdutforskning , inklusive besök på planeten Mars , enligt nyhetsrapporter.

Taktila elektroniska displayer

En taktil elektronisk display är en displayenhet som levererar text och grafisk information med hjälp av känseln. Enheter av detta slag har utvecklats för att hjälpa blinda eller döva användare genom att tillhandahålla ett alternativ till syn- eller hörselsensation.

Teleoperatörer och simulatorer

Teleoperatörer är fjärrstyrda robotverktyg. När operatören får feedback om de inblandade krafterna kallas detta haptisk teleoperation . De första elektriskt manövrerade teleoperatorerna byggdes på 1950-talet vid Argonne National Laboratory av Raymond Goertz för att fjärrhantera radioaktiva ämnen. Sedan dess har användningen av kraftåterkoppling blivit mer utbredd i andra typer av teleoperatörer, såsom fjärrstyrda undervattensutforskningsenheter.

Enheter som medicinska simulatorer och flygsimulatorer ger idealiskt den kraftåterkoppling som skulle kännas i verkligheten. Simulerade krafter genereras med hjälp av haptiska operatörskontroller, vilket gör att data som representerar beröringsförnimmelser kan sparas eller spelas upp.

Teledildonics

Haptisk feedback används inom teledildonics , eller "sex-teknologi", för att fjärransluta sexleksaker och tillåta användare att engagera sig i virtuellt sex eller tillåta en fjärrserver att kontrollera sin sexleksak. Termen myntades första gången av Ted Nelson 1975, när han diskuterade framtiden för kärlek, intimitet och teknologi. ^{[ citat behövs ]} Under de senaste åren har teledildonics och sexteknologi expanderat till att omfatta leksaker med en tvåvägskoppling som tillåter virtuell sex genom kommunikation av vibrationer, tryck och förnimmelser. Många "smarta" vibratorer möjliggör en enkelriktad anslutning antingen mellan användaren eller en fjärrpartner för att tillåta kontroll över leksaken.

Videospel

Rumble-paket för kontroller, som detta Dreamcast Jump Pack, ger haptisk feedback genom användarnas händer

Haptisk feedback används ofta i arkadspel , särskilt racing-videospel . 1976 Segas motorcykelspel Moto-Cross , även känt som Fonz , det första spelet som använde haptisk feedback, vilket fick styret att vibrera under en kollision med ett annat fordon. Tatsumis TX-1 introducerade force feedback till bilkörningsspel 1983. Spelet Earthshaker! lade till haptisk feedback till ett flipperspel 1989.

Enkla haptiska enheter är vanliga i form av spelkontroller , joysticks och rattar. Tidiga implementeringar tillhandahölls genom valfria komponenter, som Nintendo 64- kontrollerns Rumble Pak 1997. Samma år släpptes Microsoft SideWinder Force Feedback Pro med inbyggd feedback av Immersion Corporation . Många konsolkontroller och joysticks har inbyggda återkopplingsenheter, som är motorer med obalanserade vikter som snurrar och får den att vibrera, inklusive Sonys DualShock - teknik och Microsofts Impulse Trigger- teknik. Vissa bilrattkontroller är till exempel programmerade att ge en "känsla" av vägen. När användaren gör en sväng eller accelererar, svarar ratten genom att motstå svängar eller glida utom kontroll.

Anmärkningsvärda introduktioner inkluderar:

2013: Steam Machines mikrokonsoler från Valve , inklusive en ny Steam Controller-enhet som använder viktade elektromagneter som kan leverera ett brett utbud av haptisk feedback via enhetens styrplattor. Dessa kontrollers återkopplingssystem är användarkonfigurerbara. Även 2013 introducerades det första direktdrivna hjulet för simracing .
2014: En ny typ av haptisk kudde som svarar på multimediaingångar från LG Electronics.
2015: Steam Controller med HD Haptics, med haptiska kraftaktuatorer på båda sidor av regulatorn, från Valve.
2017: Nintendo Switch 's Joy-Con introducerade HD Rumble-funktionen, utvecklad med Immersion Corporation och med hjälp av Alps ställdon.
2018: Razer Nari Ultimate, spelhörlurar med ett par bredfrekventa haptiska drivrutiner, utvecklade av Lofelt.
2020: Sony PlayStation 5 DualSense- kontroller stöder vibrotaktila haptik som tillhandahålls av röstspolemanöverdon som är integrerade i handflatshandtagen och kraftåterkoppling för Adaptive Triggers som tillhandahålls av två DC-rotationsmotorer. Ställdonen i handtaget kan ge varierad och intuitiv feedback om handlingar i spelet, till exempel i en sandstorm, kan du känna vinden och sanden, och motorerna i Adaptive Triggers stödjer upplevelser som att virtuellt rita en pil från en rosett.
2021, SuperTuxKart 1.3 släpptes, den har stöd för force feedback. Force feedback är extremt ovanligt för gratis mjukvaruspel .

Virtuell verklighet

Haptics vinner bred acceptans som en nyckeldel av virtual reality- system, och lägger till känselkänslan till tidigare endast visuella gränssnitt. System utvecklas för att använda haptiska gränssnitt för 3D-modellering och design, inklusive system som gör att hologram både kan ses och kännas. Flera företag tillverkar haptiska västar för hela kroppen eller bålen eller haptiska kostymer för användning i uppslukande virtuell verklighet för att låta användare känna explosioner och kulnedslag.

Se även

Vidare läsning

Klein, DD; Rensink, H.; Freimuth, GJ; Monkman, S.; Egersdörfer, H.; Böse & M. Baumann. Modellering av responsen hos en taktil array med hjälp av elektroheologiska vätskor . Journal of Physics D: Applied Physics , Vol. 37, nr 5, s. 794–803, 2004.
Klein, DH; Freimuth, GJ; Monkman, S.; Egersdörfer, A.; Meier, H.; Böse M.; Baumann, H;, Ermert & OT Bruhns. "Elektroreologiska taktila element". Mechatronics Vol. 15, nr 7, s. 883–97. Pergamon, september 2005.
Monkman. GJ "An Electrorheological Taktil Display" . Presence ( Journal of Teleoperators and Virtual Environments ) Vol. 1, nr 2, s. 219–28, MIT Press, juli 1992.
Parisi, David. Archaeologies of Touch-Interfacing with Haptics from Electricity to Computing . University of Minnesota Press. ISBN 978-1-5179-0059-5 .
Robles-De-La-Torre G. Principer för haptisk perception i virtuella miljöer. I Grunwald M (Ed.), Human Haptic Perception , Birkhäuser Verlag, 2008 .
Vashisth, A.; Mudur, S. (2008). "Deformera punktbaserade modeller med en elektronisk handske". Proceedings of the 2008 C3S2E Conference : 193. doi : 10.1145/1370256.1370288 . ISBN 978-1-60558-101-9 . S2CID 15769903 .

externa länkar