螢幕下方鐵芯線圈之共位磁浮觸覺與圖形顯示

核心概念

本文介紹了一種創新的觸覺與圖形互動系統，透過螢幕下方鐵芯線圈產生的磁浮力，使手持裝置能模擬虛擬工具的動態與力回饋，並結合共位顯示技術，讓使用者在視覺與觸覺上體驗到逼真的虛擬實境互動。

摘要

系統概述

本文介紹了一種結合觸覺與圖形顯示的互動系統，使用者手持的裝置會被磁浮並控制，使其動態和力回饋與螢幕上顯示的虛擬工具同步，創造出擴增實境的體驗。

系統組成

• 系統核心為一組12個帶鐵芯的圓柱形線圈，透過電磁力產生非接觸式的力與力矩，控制磁浮裝置的六個自由度運動。
• 位置感測系統使用三個平面位置感測二極體，追蹤磁浮裝置上的紅外線發光二極體，透過三角測量計算其空間位置和方向。
• 圖形顯示器放置於線圈陣列上方，將虛擬環境的影像與磁浮裝置的運動同步顯示。

系統特色

• 共位觸覺與圖形顯示：讓使用者在視覺與觸覺上體驗到一致的虛擬實境互動。
• 鐵芯線圈：相較於無鐵芯線圈，鐵芯線圈能產生更大的磁場和驅動力，提升觸覺回饋的強度和範圍。
• 低成本、緊湊的設計：採用平面位置感測二極體取代昂貴的光學運動追蹤系統，實現系統的小型化和可攜性。

系統功能

• 模擬三維剛體動力學：使用者可感受到虛擬工具的重量、慣性和碰撞。
• 模擬表面接觸特性：系統可模擬不同材質的硬度、阻尼、紋理和摩擦力，提升觸覺回饋的真實感。
• 高頻寬控制：系統具備高達200 Hz的運動控制頻寬，能呈現精細的觸覺紋理，並實現高保真度的互動體驗。

研究展望

• 開發更大面積的觸覺互動系統，應用於全身醫療模擬等領域。
• 研究共位觸覺與圖形互動對人類感知和任務表現的影響。

統計資料

系統使用 12 個帶鐵芯的圓柱形線圈。
線圈高度為 27 毫米，外徑為 25 毫米，內徑為 12.5 毫米。
每個線圈有 1000 匝線圈，最大電流為 4.0 安培。
線圈間距為 2 毫米。
系統可實現高達 40 毫米的懸浮高度和 3-4 牛頓的觸覺力。
運動控制頻寬至少為 200 Hz。
垂直運動範圍約為 30 毫米，水平運動範圍約為 80 毫米。
偏航角度範圍為 ±45 度，滾轉和俯仰角度範圍為 ±30 度。

引述

"The novelty of the system is that it combines iron core levitation coils with a low-cost position sensing system and co-located display in a portable system."
"The high closed-loop control bandwidth and precise position sensing of the system enable interactive simulated environments to be presented with a convincing degree of realism."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Co-Located Magnetic Levitation Haptic and Graphic Display using Iron Core Coils under Screen

by Peter Berkel... 於 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05113.pdf

深入探究

該系統如何應用於遠距醫療或手術培訓？

此磁浮觸覺與圖像顯示系統在遠距醫療和手術培訓方面有著巨大的應用潛力：

遠距手術: 醫生可以利用該系統遠程操控手術器械，系統的觸覺回饋能讓醫生感受到組織的阻力和切割力度，如同親臨現場。這對於偏遠地區或緊急情況下的手術治療至關重要。
手術模擬訓練: 此系統可為外科醫生提供逼真的手術模擬環境，讓他們在安全的虛擬環境中練習複雜的手術操作，提升手術技巧，降低手術風險。系統可以模擬各種組織器官的觸感，例如血管、骨骼、肌肉等，並提供逼真的手術器械操作體驗。
遠程醫療診斷: 醫生可以通過該系統遠程觸診病人，系統的觸覺回饋可以讓醫生感受到病人的肌肉張力、腫塊大小等信息，提高遠程診斷的準確性。
醫學教學: 該系統可以讓醫學生在虛擬環境中學習解剖學和手術操作，通過觸覺回饋，學生們可以更直觀地理解人體結構和手術操作技巧。
總之，該系統可以為遠距醫療和手術培訓提供更安全、高效、便捷的解決方案，推動醫療技術的發展。

若缺乏視覺回饋，僅憑觸覺回饋能否實現同樣真實的互動體驗？

僅憑觸覺回饋，很難實現與視覺回饋同樣真實的互動體驗。
人類的感知是一個多感官融合的過程，視覺和觸覺在感知外部世界時扮演著相輔相成的角色。雖然觸覺回饋可以提供物體的形狀、質地、重量等信息，但缺乏視覺信息的輔助，使用者難以準確判斷物體的位置、距離、運動狀態等，從而影響互動的真實感和效率。
例如，在虛擬手術訓練中，如果只有觸覺回饋，醫生難以準確判斷手術器械的位置和操作範圍，也無法觀察到手術部位的細節變化。
然而，在某些特定應用場景下，例如針對視障人士的輔助設備，觸覺回饋可以作為主要的感知方式，提供重要的環境信息和互動體驗。
總之，視覺和觸覺在人類感知中都扮演著不可或缺的角色，理想的互動體驗需要多種感官信息的融合。

虛擬實境與現實世界的界線逐漸模糊，將對人類的感知和行為產生哪些影響？

虛擬實境技術的發展使得虛擬與現實的界限日益模糊，這將對人類的感知和行為產生多方面的影響：

感知的混淆: 長時間沉浸在虛擬世界中，可能會導致使用者對虛擬和現實的感知混淆，難以區分虛擬體驗和真實經歷。
行為的改變: 虛擬世界中的行為規範和社會準則可能與現實世界存在差異，使用者在虛擬世界中的行為模式可能會影響其在現實世界中的行為方式。
情感的依賴: 虛擬世界可以為使用者提供滿足其情感需求的虛擬社交和虛擬體驗，這可能導致使用者對虛擬世界產生情感依賴，影響其現實生活中的人際關係和情感體驗。
倫理的挑戰: 虛擬實境技術的應用也帶來了一系列倫理挑戰，例如隱私保護、身份認證、虛擬犯罪等問題。
為了應對這些挑戰，我們需要：

加強虛擬實境技術的倫理規範和法律法規建設，引導技術的合理應用。
提升使用者對虛擬實境技術的認知水平，幫助使用者理性使用虛擬實境技術，避免沉迷。
鼓勵發展結合虛擬實境和現實世界的應用，例如教育、醫療、文化等領域，讓虛擬實境技術更好地服務於人類社會。
總之，虛擬實境技術的發展是一把雙刃劍，我們需要正視其潛在的影響，並積極應對挑戰，才能讓虛擬實境技術更好地造福人類。