來(lái)源：映維網(wǎng)

當(dāng)你嘗試伸手從蘋(píng)果樹(shù)上摘下一顆蘋(píng)果時(shí)，你會(huì)獲得一系列不同的感知體驗(yàn)，如抱握蘋(píng)果時(shí)的硬度，拽拉蘋(píng)果時(shí)的樹(shù)枝阻力，摘下蘋(píng)果后手掌承受的蘋(píng)果重量，以及指尖觸碰蘋(píng)果時(shí)的光滑圓潤(rùn)等等。

微軟研究院近年來(lái)在控制器方面取得了穩(wěn)步的進(jìn)展，而團(tuán)隊(duì)一直致力于實(shí)現(xiàn)一種能夠匹配頭顯逼真視覺(jué)的觸覺(jué)反饋。對(duì)于NormalTouch等設(shè)備，團(tuán)隊(duì)可以在指尖模擬虛擬對(duì)象的表面傾斜質(zhì)感與紋理；CLAW能給你一種用手指抓握對(duì)象以探索其順應(yīng)性和彈性的感覺(jué)；而TORC則帶來(lái)了接近于現(xiàn)實(shí)世界的靈活度水平。利用所述原型，你可以感知虛擬蘋(píng)果皮，擠壓虛擬水果，并且用手把玩移動(dòng)。但為了在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)與虛擬蘋(píng)果的完全交互，我們必須同時(shí)考慮對(duì)象的空間動(dòng)態(tài)。現(xiàn)在，微軟提出了一種全新的控制器Haptic PIVOT，把力的物理性質(zhì)帶到虛擬現(xiàn)實(shí)控制器。PIVOT屬于腕戴設(shè)備，是一種包含觸覺(jué)手柄的便攜式組件，可根據(jù)需要在手上來(lái)回移動(dòng)。

相關(guān)論文：Haptic PIVOT: On-Demand Handhelds in VR

如果牛頓需要從一顆從虛擬樹(shù)上掉下來(lái)的虛擬蘋(píng)果中找到關(guān)于運(yùn)動(dòng)定律和引力定律的靈感，他將需要一個(gè)類似于PIVOT的控制器。通過(guò)將PIVOT固定到手腕，團(tuán)隊(duì)可以渲染拋接對(duì)象的動(dòng)量和阻力。這一切都受牛頓定律的控制，包括模擬對(duì)象到達(dá)手部時(shí)的速度：機(jī)器化的觸覺(jué)手柄在需要時(shí)展開(kāi)，接近并最終到達(dá)手部，從而創(chuàng)造從空手到握著對(duì)象的首次接觸感覺(jué)，并以傳統(tǒng)手持控制器所無(wú)法做到的方式模擬我們與物理對(duì)象的自然交互。由波茨坦大學(xué)、微軟研究院、斯坦福大學(xué)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院組成的團(tuán)隊(duì)研究了PIVOT的性能和限制，并共同撰寫(xiě)發(fā)表了名為《Haptic PIVOT: On-Demand Handhelds in VR》的論文。另外，所述小組將在本周舉行的2020 ACM Symposium on User Interface Software and Technology (UIST)大會(huì)介紹Haptic PIVOT。

PIVOT能夠按需提供關(guān)于虛擬對(duì)象的控制和觸覺(jué)渲染。它包括一個(gè)通過(guò)電動(dòng)鉸鏈展開(kāi)（左）和收回（右）的觸覺(jué)手柄。被動(dòng)橈尺鉸鏈允許自然的手部?jī)A斜。

1. 從物理到虛擬：按需提供

PIVOT的核心是鉸鏈機(jī)制和觸覺(jué)手柄。觸覺(jué)手柄屬于可換組件，能夠置換為現(xiàn)有的控制器。但在PIVOT的研究中，團(tuán)隊(duì)為原型手柄配備了一個(gè)可以檢測(cè)對(duì)象接觸和釋放的電容式觸控傳感器；一個(gè)用于提供振動(dòng)反饋的音圈致動(dòng)器；以及一個(gè)用于控制輸入的觸發(fā)開(kāi)關(guān)。觸覺(jué)手柄通過(guò)一個(gè)改進(jìn)的伺服電機(jī)（驅(qū)動(dòng)鉸鏈）工作，并且可以根據(jù)需要釋放到手掌，不需要時(shí)則收起以保持雙手自由。這種能力讓PIVOT成為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的理想選擇。例如，你可以正常操作鍵盤(pán)，使用鼠標(biāo)，或者處理其他物理對(duì)象。只要需要，你快速擺動(dòng)手腕即可啟動(dòng)PIVOT，并將手柄旋轉(zhuǎn)釋放到手掌，這樣你就可以與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互。再次擺動(dòng)手腕，手柄就會(huì)收回。兩個(gè)召喚動(dòng)作都由一個(gè)內(nèi)部加速度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。

PIVOT可允許用戶的雙手自由活動(dòng)，并在需要控制器時(shí)提供支持。手腕的快速擺動(dòng)可以把觸覺(jué)手柄旋轉(zhuǎn)到手中。這種隨需應(yīng)變的能力在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中非常有用。

基于電容式傳感器的感知，當(dāng)用戶握著手柄時(shí)馬達(dá)就會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。被動(dòng)橈尺鉸鏈可允許用戶在繼續(xù)握住手柄的同時(shí)左右移動(dòng)（最高60度）和上下移動(dòng)手腕。為了防止觸覺(jué)手柄在靜止位置和激活位置之間移動(dòng)時(shí)撞到拇指，電動(dòng)鉸鏈會(huì)向手部?jī)A斜，而不是垂直于手部。另外，團(tuán)隊(duì)設(shè)置了190度的工作范圍以防止手柄在不使用時(shí)妨礙用戶。

2. 原力與你同在

當(dāng)與虛擬對(duì)象交互時(shí)，PIVOT將會(huì)閃耀其真正的威力。以從樹(shù)上摘蘋(píng)果為例。從蘋(píng)果進(jìn)入工作范圍的那一刻起，機(jī)械、電子、固件和軟件就開(kāi)始協(xié)同工作，直到蘋(píng)果停在用戶的手掌。

諸如微軟HoloLens這樣的頭顯可以針對(duì)雙手進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺(jué)追蹤，這樣控制系統(tǒng)就可以檢測(cè)到用戶何時(shí)開(kāi)始接觸目標(biāo)，比如說(shuō)蘋(píng)果。當(dāng)蘋(píng)果位于30厘米的工作半徑內(nèi)時(shí)，PIVOT會(huì)把觸覺(jué)手柄移動(dòng)到一個(gè)預(yù)備位置。當(dāng)用戶手部靠近蘋(píng)果不到10厘米時(shí)，手柄會(huì)按比例靠近，并在用戶用手指握住虛擬蘋(píng)果時(shí)落在手掌。手柄的移動(dòng)速度與用戶伸手摘蘋(píng)果的速度一樣快，這樣可以提供非常逼真的沖擊模擬。沿手柄表面布置的四個(gè)電容式觸摸區(qū)會(huì)注冊(cè)用戶與手柄的接觸，并通過(guò)串行通信接口向虛擬手部發(fā)送信號(hào)，從而致使虛擬手部在用戶真實(shí)手部握住手柄時(shí)圍繞蘋(píng)果閉合。使用不到1毫秒的輪詢，接口提供了符合用戶期望的觸覺(jué)響應(yīng)即時(shí)性。

當(dāng)用戶伸手摘蘋(píng)果時(shí)（左圖），PIVOT會(huì)按比例將觸覺(jué)手柄旋轉(zhuǎn)到用戶手掌（右圖）

當(dāng)拽拉蘋(píng)果時(shí)，你會(huì)遇到來(lái)自樹(shù)枝的預(yù)期阻力，因?yàn)镻IVOT會(huì)通過(guò)馬達(dá)嘗試將觸覺(jué)手柄從用戶手部拉走。這種阻力將持續(xù)到蘋(píng)果從樹(shù)枝分離，這時(shí)音圈致動(dòng)器將產(chǎn)生“砰”的感覺(jué)，然后用戶會(huì)感覺(jué)到蘋(píng)果落在手掌的沖力和重量。PIVOT不會(huì)將手柄拉走，而是將其壓入手掌，從而產(chǎn)生一種沖力和重量感。PIVOT可以在手掌和手指渲染這些力，因?yàn)樗腔谑滞蠖皇鞘终?。只要?jiǎn)單地轉(zhuǎn)動(dòng)手部，松開(kāi)手柄，你就可以把壞蘋(píng)果扔到地上，或者把一個(gè)好蘋(píng)果放到籃子里。另外，當(dāng)戴在兩個(gè)手腕時(shí)，PIVOT可以促進(jìn)雙手的交互，比如用手柄撿起籃子里的蘋(píng)果。設(shè)備可通過(guò)同步各自的觸覺(jué)反饋來(lái)呈現(xiàn)抓握的感覺(jué)。

雙手穿戴PIVOT可以實(shí)現(xiàn)雙手交互的觸覺(jué)反饋。在這里，被試正在拉伸和壓縮籃子，設(shè)備將同步向雙手渲染推拉力

3. 來(lái)玩球吧

在圍繞手腕穿戴PIVOT進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，團(tuán)隊(duì)首先考慮的是棒球。從向擊球手投球，再到跑向一壘，手臂會(huì)經(jīng)歷很多事情。其他運(yùn)動(dòng)同樣如此。通過(guò)納入一種手腕形狀參數(shù)或設(shè)計(jì)，設(shè)備可以在不干擾玩家周圍物理環(huán)境的情況下提供更廣泛的活動(dòng)性。

利用PIVOT，你可以拋接虛擬對(duì)象。接住飛行中的虛擬對(duì)象的反應(yīng)時(shí)間要短于抓住靜止的虛擬對(duì)象（團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)視覺(jué)-運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)來(lái)模擬以55.9英里/小時(shí)的速度投擲對(duì)象）。與模擬靜止對(duì)象的抓握一樣，接住虛擬對(duì)象的模擬要求PIVOT和視覺(jué)輸入正確對(duì)準(zhǔn)，從而在對(duì)象碰到手部時(shí)進(jìn)行精確的渲染。可以針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)更大的碰撞半徑，從而提高設(shè)備的響應(yīng)能力。

就像把蘋(píng)果扔到籃子一樣，投擲依靠PIVOT感知手部的運(yùn)動(dòng)和觸覺(jué)手柄的釋放。這與虛擬對(duì)象的釋放相吻合。松開(kāi)后，馬達(dá)以物理正確的角速度（最高0.55毫秒/度）嘗試將手柄從手掌中拉走。換句話說(shuō)，手柄可以在340毫秒內(nèi)從被抓握到完全收回（大約190度），這是眨眼所需的時(shí)間。這種人與人之間的拋接對(duì)象和傳遞對(duì)象模擬不僅可以用于體育游戲，而且可以擴(kuò)展到虛擬工作場(chǎng)所內(nèi)的協(xié)作。例如，在實(shí)際制造產(chǎn)品之前，工人或設(shè)計(jì)師可以以全新的方式感受虛擬設(shè)計(jì)或產(chǎn)品的力感。

PIVOT不僅可以幫助你抓握虛擬蘋(píng)果，還能夠允許你把蘋(píng)果扔到籃子，往外拋擲蘋(píng)果，以及接住飛過(guò)來(lái)的蘋(píng)果。

4. 終極前沿

觸感是渲染的終極前沿。一旦你能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)令人難以置信的逼真視覺(jué)效果，接下來(lái)你就要模擬與這種虛擬對(duì)象的自然交互。這時(shí)，觸覺(jué)將登上舞臺(tái)中心。

如今，虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺(jué)效果已經(jīng)能夠達(dá)到身臨其境和引人入勝，以至于當(dāng)你戴上虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯并進(jìn)入一個(gè)蘋(píng)果掛在樹(shù)枝上的虛擬世界時(shí)，你會(huì)情不自禁地想伸手摘下它。但當(dāng)你伸手去摘那只蘋(píng)果，卻感覺(jué)不到它的光滑和硬度、樹(shù)枝往后拉的阻力、或者它在掌心的重量時(shí)，這種錯(cuò)覺(jué)就會(huì)破滅。借助PIVOT這樣的觸覺(jué)控制器，微軟的研究人員正在努力解決這一難題。

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