Обзор существующих решений по организации силовой обратной связи
в системах виртуальной реальности и предложения по их дальнейшему
развитию
В настоящее время наблюдается стремительное увеличение количества
разработок в области технологии виртуальной реальности, которая позволяет в
той или иной степени позволяет погружаться в виртуальное пространство.
Виртуальная реальность — созданный техническими средствами мир,
передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, осязание и другие.
Виртуальная реальность имитирует как воздействие, так и реакции на
воздействие. Для создания убедительного комплекса ощущений реальности
компьютерный синтез свойств и реакций виртуальной реальности производится
в реальном времени.
Объекты виртуальной реальности обычно ведут себя близко к поведению
аналогичных объектов материальной реальности. Пользователь может
воздействовать на эти объекты в согласии с реальными законами физики
(гравитация, свойства воды, столкновение с предметами, отражение и т. п.). Для
взаимодействия с виртуальными объектами используются различные
устройства, в частности перчатки, которые позволяют определять положение
руки и пальцев пользователя и передавать эти данные на вычислительный
модуль системы виртуальной реальности. В ответ на это, система виртуальной
реальности посылает ответ на перчатку, который вызывает обратную
связь(силовой отклик, вибрация, электростимуляция и т.д.). Весь этот комплекс
позволяет в полной мере погрузит человека в виртуальное пространство и
заставить его ощущать виртуальные объекты как реальные.
И если с организацией вибротактильной, тепловой или
электростимуляционной обратной связи проблем не возникает, то силовая
обратная связь куда сложнее и дороже в реализации. Можно выделить
следующие основные виды силовой обратной связи:
1. Экзоскелет, где в качестве источника обратной связи выступают
сервоприводы
2. Система тросов, которые задерживают движение пальцев с
помощью различных захватов(магнитных, сервоприводов и т.д.)
3. Использующие приводы SMA (Shape Memory Alloy) – материалы с
памятью формы
У каждого из приведенных выше типов материалов есть свои
преимущества и недостатки. Разберем каждый по отдельности
Экзоскелет достаточно объемный, а большой вес всех механизмов
отрицательно влияет на активность пользователя, т.к. руки достаточно быстро
устают. Так же сложно спроектировать экзоскелет, анатомически подходящий
большому количеству людей. Из преимуществ можно выделить сравнительно
невысокую стоимость.
Системы обратной связи на основе системы тросов имеют один большой
недостаток – они не могут оказывать плавное воздействие, а только лишь
фиксируют пальцы в определенном положении, не позволяя им двигаться
дальше. Исключение – системы, использующие миниатюрные фрикционы,
которые позволяют плавно и с усилием отпускать тросы, тем самым давая
пальцам возможность сгибаться с усилием.
Материалы с памятью формы очень мало распространены в системах
обратной силовой связи ввиду их крайней дороговизны и сложности
конструкции. Но из преимуществ можно выделить крайне низкое
энергопотребление.
В то же самое время существует другой тип приводов, практически
лишенный указанных недостатков, но до сих пор на нашедший применения в
организации обратной силовой связи в системах виртуальной реальности. Это –
синтетические мускулы. Современные исследования в этой сфере позволили
открыть новые типы материалов, с которыми синтетические мускулы могут
быть использованы в системах обратной связи.
Новый тип синтетических мускул, разработанный учеными из
колумбийского университета, представляем собой смесь мягкого силикона и
этанола с электронагревателем внутри. При нагревании материала
происходит испарение этанола и силиконовая матрица расширяется.
Материал можно отливать в формы и печатать на 3д принтере, что дает
широкий диапазон форм и размеров конечного изделия, при этом 1 грамм
материала стоит около трех центов. Работу синтетического мускула можно
увидеть на рисунке 1:
Рис. 1 – Работа синтетического мускула
Применение такого рода синтетических мышц для систем обратной
связи с силовой обратной связи представляет интерес, поскольку позволяет
удешевить и упростить конструкцию, добавив ей при этом гибкости. На
рисунках ниже представлена примерная схема функционирования перчатки с
силовой обратной связью.
Рис. 2 – Схематичное изображение пальца с прикрепленной синтетическим
мускулом в неактивном состоянии (1 – палец, 2 – пассивный синтетический
мускул, 3 – крепление для пальца, 4 – крепление к перчатке)
Рис. 2 – Схематичное изображение пальца с прикрепленной синтетическим
мускулом в активном состоянии (1 – палец, 2 – активный синтетический
мускул, 3 – крепление для пальца, 4 – крепление к перчатке)
Рис. 4 – Схематичное изображение перчатки с силовой обратной связи (1 –
перчатка, 2 – синтетический мускул, 3 – крепление для пальца, 4 –
управляющий модуль)