为虚拟现实应用设计并评估一款紧凑型力反馈手套

针对现有磁流变（MR）手套体积大、反馈力不精准的问题，本研究设计了一种基于微型化分布式MR刹车阵列的轻量化手套，通过串联结构实现单指最大9.86N的输出力，并采用自适应模糊PID控制策略优化力反馈精度。实验表明，手套响应时间28ms，虚拟物体形状与尺寸识别准确率均超80%。

陈大鹏|倪浩军|娄俊成|沈连顺|魏忠|刘佳|宋爱国

南京信息科技大学自动化学院，CICAEET，BDAIS，中国南京210044

摘要

虚拟现实（VR）技术的迅速发展激发了研究人员对可穿戴力反馈手套的兴趣，这些手套旨在增强用户对虚拟物体触觉特性的感知。为了提供一种轻量级的VR触觉解决方案，该方案能够提供足够的力，并具备快速准确的响应，我们设计了一种基于微型磁流变（MR）制动器的力反馈手套。这种MR制动器采用了简单的“导管-肌腱”结构，并可以以分布式方式构建，从而形成紧凑的手套。串联连接的MR制动器组可以为单个手指提供最大9.86牛顿的反馈力。为了解决由于滞后现象导致的输出力差异，我们实施了一种自适应模糊PID控制策略，以精确控制MR制动器的输出力。随后，我们进行了三项主观感知实验，以评估该手套在VR环境中展示虚拟物体特征的效果。实验结果表明，手套的响应时间为28毫秒，在帮助用户识别虚拟物体的形状和给定球体的尺寸信息方面的准确率均超过了80%。

引言

目前，全球数字化浪潮正在加速，各行各业对沉浸式虚拟现实（VR）交互体验的需求日益迫切[1]。在医疗领域，精确的外科手术模拟对生命安全至关重要。在工业制造中，产品设计的触觉验证影响生产效率。在游戏和娱乐行业，真实的交互体验决定了用户的粘性。传统的VR交互方法逐渐无法满足这些深入的需求，而力反馈手套凭借其模拟真实触觉和力交互的能力，为突破工业瓶颈提供了新的方向，代表了实现VR系统中触觉反馈的更先进和沉浸式的解决方案[2]。

力反馈手套通过根据虚拟环境中的交互条件动态调整手指或手掌上的压力来提供物理反馈，从而模拟抓取和挤压等动作。在现有的研究中，力反馈手套的驱动方法主要包括主动型和被动型[3]。电机是最常见的主动执行器。例如，Bagneschi等人[4]提出了一种由单个电机驱动的三指软手外骨骼，该外骨骼利用改进的肌腱传输方法在激活时增强抓握力和稳定性，显著提高了佩戴舒适度。然而，电机通常具有较低的扭矩体积比，这不利于力反馈手套的轻量化设计要求，且在交互过程中长时间堵塞会显著增加能耗和热量产生[5]。气动驱动也是力反馈手套常用的主动驱动方法。例如，Qi等人[6]设计了一种无需连接线的 pneumatic 手套 HaptGlove，它使用低压驱动的 PneuClutch 和 PneuIndenter 模块来实现多模态触觉反馈。这种手套不依赖电机，可以模拟形状、硬度和振动，有效增强了VR中的交互沉浸感。然而，气动执行器需要泵和复杂的管道，这限制了力反馈手套的便携性和可穿戴性。此外，当主动执行器发生故障时，可能会对用户的手造成伤害[7]，因此力反馈手套的最大输出力必须受到限制。

为了减小手套体积并提高安全性，人们提出了基于被动执行器的各种手套设计方案，如电磁离合器[8]、可控阻尼器[9]和磁流变（MR）制动器[10]。被动执行器的基本原理是通过物理结构的变形或调整将力传递到外部，从而使用户感受到触觉信息。在实际应用中，它们通常具有重量轻、体积小和安全性高的特点[11]。例如，Zhang等人[12]提出了一种基于多材料卡扣层的软触觉手套 MateJam。这种手套利用不同硬度材料层的互锁，在VR中实现自由空间和受限空间之间的可靠切换，显著扩展了反馈力和硬度变化的范围。然而，这种设计使得执行器结构相对复杂，由于滑动膜边界层的疲劳，其在硬度切换过程中的稳定性难以保证。Hinchet等人[13]设计了一种薄型可穿戴触觉反馈手套 DextrES。通过将静电（ES）制动器与压电驱动器结合，这种手套可以在各种抓取姿势下提供精确的反馈，显著提高了虚拟物体操作的准确性。尽管ES制动器的功耗较低，但需要较高的电压来驱动，增加了设备的安全风险。此外，制动器在高负载下会出现“粘滞”现象，影响输出力的稳定性。

MR流体是一种由软磁颗粒、载体液体和表面活性剂组成的智能材料。在磁场的作用下，MR流体可以在几毫秒内从牛顿流体状态转变为半固态，并具有很强的剪切阻力。基于MR流体开发的MR制动器可以通过改变线圈中的输入电流来动态调节施加在MR流体上的磁场强度，从而改变MR流体的屈服强度，实现输出力的连续控制[14]。MR制动器具有响应速度快、动态性能好和鲁棒性强的优点，广泛应用于触觉交互领域[15]。例如，Blake等人[16]开发了一种紧凑型力反馈手套，在手指背面安装了六个直径约为25毫米的鼓式MR制动器，并结合了四杆机构，实现了三个手指和六个自由度的力反馈。然而，为了获得足够的剪切面积，这种设计堆叠了多种磁性和非磁性材料，导致磁通量分布不均匀，对MR流体的密封要求较高。Wang等人[17]开发了一种基于五个盘式MR制动器的力反馈手套，通过Bowden电缆传动机制将反馈力传递到指尖，实现了最大210毫牛顿的制动扭矩。然而，MR制动器的盘直径增加到54毫米，虽然增加了制动扭矩，但导致整个设备占据的轴向空间增大，不适合紧凑型系统和使用。

Li等人[19]开发了一种基于MR齿轮离合器的新型手部外骨骼系统。该系统在MR齿轮离合器内部采用了创新的微滚轮增强结构，显著提高了输出力，同时保持了高能量转换效率。

目前，基于MR制动器的力反馈手套主要存在体积大、紧凑性差和力反馈精度低等问题[20]。为了解决上述问题，我们设计了一种轻量级的力反馈手套，通过使用分布式串联结构的MR制动器组提供了足够的力、快速准确的响应。线性MR制动器采用了“导管-肌腱”结构，具有结构简单、安装方便、可分布式扩展和易于控制的优点。为了确保MR制动器产生的反馈力能够传递到用户的指尖，我们设计了一种手环传动机制，避免了需要额外执行器来处理手套的重置任务。为了进一步提高交互过程中的力反馈精度，我们为力反馈手套设计了一种基于自适应模糊PID控制方案的电流控制器。性能测试和用户实验表明，本文设计的力反馈手套在VR人机交互中非常有效。

本文的其余部分安排如下：第2节介绍了微型MR制动器和力反馈手套的机械结构设计及制造方法，并对MR制动器进行了性能测试。第3节介绍了电流控制器和力反馈控制策略的设计方案。第4节通过客观实验测试了手套的力跟踪性能和抓取性能，并通过用户实验进一步评估了其可行性。第5节总结了本文的研究内容。

部分摘录

机械设计

一般来说，力反馈手套的设计必须遵循以下基本原则，以确保手套的整体性能要求和用户体验[21]：(1) 能够提供足够且实时的可靠反馈力；(2) 能够帮助用户恢复交互的沉浸感和真实感；(3) 结构简单，易于安装。基于上述原则，本文设计了一种新型的紧凑型力反馈手套，如图1(a)所示

反馈力控制

力反馈系统的反馈力精度取决于MR制动器模型的预测精度。通过控制算法，可以精确控制手套系统的输出力，从而提供更真实的触觉交互体验。

实验设计

为了客观评估所设计的力反馈手套，我们建立了一个力反馈手套的实验平台。如图2(d)所示，实验平台的设备主要包括计算机、手套装置和手势跟踪装置（Leapmotion2，美国）。为了模拟真实的交互场景并进行力反馈测试，我们基于Unity3D软件构建了一个虚拟环境，并采用了Leapmotion2手势

结论

针对当前基于MR制动器的力反馈手套存在的体积大、紧凑性差和力反馈精度低等问题，我们设计、开发并评估了一种基于分布式MR制动器的力反馈手套。我们使用“导管-肌腱”结构设计了一种微型MR制动器。这种制动器以复合运动的形式工作，具有结构简单、响应速度快和可分布式扩展的优点。客观实验结果表明

CRediT作者贡献声明

陈大鹏：撰写——原始草稿，项目管理，资金获取。倪浩军：撰写——原始草稿，方法论，调查。娄俊成：可视化，数据管理。沈连顺：验证，软件。魏忠：验证，形式分析。刘佳：撰写——审阅与编辑，资源，概念化。宋爱国：撰写——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

陈大鹏于2019年在中国南京的东南大学获得仪器科学与技术博士学位。他目前是中国南京信息科技大学自动化学院的副教授。他的研究兴趣包括触觉显示、人机交互、基于AI的多模态信息处理以及机器人触觉传感器。