虛擬實驗熱觸覺再現系統的設計與實現

許明西，何漢武，吳悅明，鄒序焱，陳友濱

廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006

1 引言

虛擬現實技術是以人為中心，通過計算機建立一個再現人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多種感官虛擬世界的技術。在理想的虛擬世界中，人能夠獲得來自真實世界中的各種感受，當前的虛擬現實主要是視覺和聽覺的虛擬呈現，而觸覺和嗅覺的虛擬呈現與現實有較大差距。觸覺是皮膚的基本感覺之一，絕大多數動物擁有遍布全身的觸覺器官。狹義的觸覺是指外部輕微刺激作用于皮膚觸覺感受器所引起的膚覺。廣義的觸覺還包括外部作用力使得皮膚變形所引起的膚覺，即壓覺，亦稱為“觸壓覺”[1]。觸覺的分類有很多，本文討論的熱觸覺屬于觸覺中的一種。

虛擬現實技術對當前教育起到重要的推動作用[2-3]。其中，虛擬實驗的推廣彌補了真實實驗中原材料不足、設備成本高、危險實驗依靠演示等缺陷。如化學實驗中，減少了實驗材料的浪費，提供了對實驗現象的另一種表現形式。虛擬實驗的使用效果依靠對視聽觸嗅等多通道信息的再現。當前虛擬實驗都表現為視覺呈現和交互操作，對觸覺再現主要是力反饋[4]和振動電機提供的振動反饋[5]。觸覺由于其傳輸的形式不同于視覺，在虛擬世界中的觸覺感知必須來源于真實世界的觸覺感受。目前，市場上已有部分以數據手套形式出現的熱觸覺再現產品，如PowerClaw、Senso、HaptX 等，但都通過手部皮膚直接接觸制熱源，只能對手部產生熱刺激，該類產品存在熱觸覺感知區域有限、成本高、硬件配置要求高等缺點，且不是針對虛擬實驗場景而設計的產品。虛擬實驗中，人體皮膚熱觸覺的產生主要來自于非接觸的熱源刺激，通過接觸式的熱觸覺再現非接觸式的熱觸覺會降低虛擬實驗的沉浸感。

在冷熱觸覺的研究領域，當前的研究主要基于帕爾貼（Peltier）效應[6]來復現人體在虛擬場景下對溫度的感知。如Guiatni等人[7]設計了一種遠程熱觸覺再現裝置，通過帕爾貼能夠使操作者感受到遠程物體的溫度變化；Citerin等人[8]設計了一個在虛擬環境下進行交互并感知運動和熱反饋的裝置，該裝置針對的是單個手指和一個虛擬對象之間的熱傳遞；Nakatani 等人[9]使用帕爾貼設計了一個小尺寸可穿戴觸覺模塊，可同時提供振動和熱觸覺；Gallo 等人[10]設計了一個由帕爾貼組成的熱顯示器，能夠在指尖下的四個不同位置提供可獨立控制的熱刺激；Peiris等人[11]為虛擬現實領域的HMD設計了一個熱觸覺反饋模塊，該模塊由帕爾貼組成并集成在VR頭盔內，直接在用戶臉上提供熱反饋。以上研究都是針對不同的應用場景，不能直接用于虛擬實驗的熱觸覺再現。

PTC（Positive Temperature Coefficient）電阻是一種具有正溫度系數的熱敏半導體材料，材料的電阻值在一定范圍內保持基本不變或僅有較小變化，而當溫度達到某個特定溫度時，材料的電阻值隨著溫度的升高發生突變，在一個很小的溫度范圍（通常為幾攝氏度到十幾攝氏度）內迅速增大到原來的103～105倍，此特定溫度被稱為居里溫度[12]。PTC 熱敏電阻在衛星、電路控制及汽車[13-14]等領域均有運用。PTC熱敏電阻與電阻絲或紅外發熱元件相比，具有無明火、自動控溫、轉熱效率高等優點，適用于安全性高的場合。

綜上所述，目前已有的虛擬現實熱觸覺再現裝置都屬于接觸式，對于非接觸的熱觸覺呈現效果較差。利用帕爾貼效應復現熱感知，會同時產生熱量和冷量，產熱小、控溫不便，且需要與帕爾貼保持接觸，限制了熱感知的交互方式。因此，本文設計了基于Arduino 單片機利用PTC 發熱體提供熱觸覺的系統。該系統的熱源能對虛擬熱源的空間位置自動定位，并使用了PID 算法控溫，能與HTC VIVE 進行串口通信，并在虛擬環境下提供熱觸覺交互。

2 系統總體結構設計

現實中產生熱量有很多種方法，不同熱量發散方式人體皮膚有不同的感知。本系統針對的是虛擬實驗下的熱觸覺再現，在實驗過程中產生熱量的熱源基本都是靜止不動的，因此熱觸覺的產生是一種被動的方式，需要操作者靠近或接觸熱源才能夠感知熱量，使用非接觸的熱觸覺能夠更好地提供虛擬實驗的真實感。

本系統主要由交互系統、定位系統、控溫系統組成，如圖1 所示。交互系統使用HTC VIVE 設備，VR 頭盔顯示虛擬場景，手柄控制器提供定位與交互功能。定位系統使用42 步進電機，主要作用是調整制熱模塊的位置和方向?？販叵到y采用PTC加熱體作為制熱源，使用DSB18B29 溫度傳感器測量溫度，結合PID 控制算法實現控溫。本系統的熱觸覺再現是通過熱氣傳遞熱量產生熱感知。

圖1 系統控制結構示意圖

3 系統硬件設計

本系統的熱觸覺再現裝置實物如圖2所示，PC端與下位機使用藍牙模塊HC-05進行串口通訊，虛擬場景可以同時在PC端和HTC VIVE頭盔中顯示。

圖2 系統裝置圖

3.1 控溫系統

控溫系統由PTC 加熱體、DS18B20 溫度傳感器、LCD1602顯示屏組成。本系統使用的DS18B20測溫范圍是-55 ℃至125 ℃，在-10 ℃至85 ℃范圍內的精度為 ±0.5 ℃，滿足了實驗要求。該溫度傳感器位于PTC加熱體的上方，用于測量出風口的溫度并反饋給Arduino中的PID 控制器；LCD1602 顯示屏采用IIC 串行總線連接，節省了單片機的IO 口；固態繼電器用于PID 控制器的開關電路控制，用低電壓元件控制高電壓元件的通斷。

制熱模塊包括PTC加熱體和散熱風扇，使用時通過PTC加熱體來產生熱量，耐高溫的散熱風扇從PTC加熱體底部將熱量吹出。散熱風扇額定電壓12 V，尺寸90 mm×90 mm×15 mm。PTC 加熱體由PTC 陶瓷加熱片、鋁外殼、絕緣層PI膜、U型波紋狀散熱片組成，如圖3所示。PTC陶瓷加熱片的尺寸80 mm×15 mm×5 mm，居里溫度80 ℃，最大工作溫度120 ℃，U型波紋狀散熱片的尺寸為96 mm×93 mm×15 mm，該PTC加熱體的額定電壓220 V，額定功率500 W。

圖3 PTC加熱體

PTC 的自適應溫控是指當對PTC 加熱片通交流或直流電時，在居里溫度Tc以下，如室溫T25時，電阻小，升溫速度快，升至居里溫度點Tc后，溫度在Tc～Tp范圍內穩定運行；在居里溫度Tc以上時，電阻快速增大，由于功率不變，使電流下降至穩定值，從而實現自動控溫，見圖4所示。

圖4 R-T電阻溫度特性曲線

PTC 加熱體可以根據熱量需求選擇不同的功率規格和恒定溫度的PTC 陶瓷加熱片，本系統選用的PTC加熱體在0.5 m3的密封空間可將環境溫度加熱至70 ℃。PTC加熱體具有熱阻小、換熱效率高、無明火、絕緣的優點，是一種自動恒溫、省電安全的電加熱器，且能夠長時間處于干燒狀態，避免了在虛擬實驗時由于誤操作帶來的安全隱患。

3.2 定位系統

定位系統由滾珠絲杠、步進電機、導軌、滑塊、紅外限位開關等部件組成。滾珠絲桿推動滑塊在導軌上運動，紅外限位開關防止滑塊碰撞到導軌兩邊的基座。

本系統的熱源定位使用了兩個42步進電機分別控制PTC加熱體的位置和朝向，一個步進電機將制熱模塊移動到虛擬實驗熱源映射到真實環境下的空間位置點，另一個步進電機控制熱源的發熱方向，步進電機額定電壓12 V，分別由兩個A4988 模塊進行驅動，接線如圖5所示。A4988 驅動模塊提供5 種步進模式，最小旋轉角度0.112 5°，考慮該系統對熱源位置的精度和控制要求，采用全步進模式，每發送一個脈沖，步進電機旋轉一個步距角（1.8°）。該系統通過Arduino 控制A4988 驅動模塊的三個引腳控制步進電機，步進引腳STEP 用于接收脈沖信號，方向引腳DIR 用于控制步進電機的旋轉方向，使能引腳Enable用于控制電機是否接收控制信號。

圖5 步進電機的控制電路圖

4 控制系統設計

本系統的控制系統主要分為位置控制和溫度控制。不同虛擬實驗，熱源可能在不同位置，本系統使用兩個步進電機控制熱源的位置和方向。實驗中，實驗者需要感受不同的溫度變化，而PTC陶瓷加熱片受限于居里溫度，具有自適應控溫特性，無法自動調節到所需的目標溫度，通過外加控溫電路，結合PID 控制算法和PWM脈沖來調節溫度的變化。

4.1 熱源位置控制

虛擬熱源與制熱模塊具有位置映射關系，通過在軟件系統中將實驗臺初始化，保證了現實環境和虛擬環境的坐標系相同，再通過虛擬環境下的熱源位置控制現實環境下的制熱模塊的位置，即可保證熱觸覺產生的真實感。本系統對熱源的感知位置提供了4 個自由度的定位方法，制熱模塊的位置控制示意圖，如圖6 所示。P代表真實環境下發熱的位置，或虛擬環境下的熱源位置，O點代表真實環境下的制熱模塊位置，或真實實驗臺映射到虛擬實驗臺的點，該制熱模塊位于滾珠絲桿上，M1 表示x軸步進電機，M2 表示y軸步進電機。

圖6 制熱模塊的位置控制示意圖

實驗前，初始化制熱模塊在滾珠絲桿的位置，當虛擬實驗對熱量產生有方向要求時，可使y軸方向的步進電機M2 旋轉β角度，控制熱源在水平面的發熱方向，β的取值范圍為 [-90°,90°]，表示只能指向實驗臺一邊，如由OP2旋轉到OP1。

已知虛擬環境下熱源空間位置，可得現實環境下制熱模塊需要產生熱量的位置P點，利用式（1）計算M1控制制熱模塊在x軸方向的位移S，再導入到式（2）計算出M1 旋轉的角度α，該角度表示Arduino 脈沖引腳需要發送x=α/1.8 個脈沖。

式中，PM1 為P點在x軸方向與M1 的距離，OP1為虛擬熱源與制熱模塊的距離OP在水平面的投影。

式中，L為滾珠絲杠的導程，k為滾珠絲杠的精度系數。

實驗中熱源可能在不同的高度，該系統提供手動調節制熱模塊與實驗臺的夾角γ，控制熱源感知位置在垂直面的高度和制熱模塊的發熱方向，利用式（3）計算虛擬熱源與O點的連線與實驗臺的夾角θ，而γ=90°-θ。

式中，PP1為虛擬熱源到實驗臺的垂直距離，OP1為虛擬熱源在實驗臺上的投影到O點的距離。

虛擬熱源與PTC加熱體的距離不同，產生的溫度會有差異，風速不同，對熱觸覺的感知效果也會有影響。針對該問題，在10 m×7 m×4 m 的空間下對該系統的制熱模塊進行了風速距離溫度測試，風速通過Arduino 的PWM引腳模擬量控制，對不同距離不同風速2 min取一次溫度值，如圖7所示。由曲線可知，距離近溫度高，距離遠溫度低；不同風速下75 mm以內，溫度差異較小，這是由于PTC 加熱片上方的導風口避免了出風口的熱量向四周擴散；當大于75 mm 的距離時，降溫速率有了差異。總體數據表明，相同距離下風速大的溫度較風速小的溫度高，可用風速大小表示虛擬熱源與制熱模塊的距離OP。由于PTC的自適應控溫，風速變大而發熱片需要恒溫，會消耗更大的功率。因此，可以根據式（4）調節風扇風速的大小。

式中，Ppwm指控制風速引腳的PWM 輸入值，取值范圍[0，255]，k為控風系數，OP為熱源與制熱模塊的距離，dmax代表達到目標溫度時熱源與制熱模塊的最大距離。

圖7 不同風速和距離下的溫度曲線圖

4.2 溫度控制

溫度是熱觸覺再現重要的參數之一，具有滯后性、非線性、慣性大等特點。人體對溫差敏感程度較弱，當溫差在5 ℃以上時有比較強烈的感覺，這表明對控溫精度要求不高，該系統采用傳統PID控制算法實現對PTC加熱體的溫度控制，溫度控制示意圖如圖8所示。

PID控制器[15]由比例單元（P）、積分單元（I）、微分單元（D）組成，是一種線性控制方法。通過寫入Arduino單片機的PID 控制程序，計算PC 端輸入的目標溫度值與DS18B20溫度傳感器實時測量的溫度值的偏差e(t)，對偏差值e(t)進行比例、積分、微分運算得到結果u(t)。在連續時間域中，PID控制算法的表達式為：

圖8 溫度控制系統示意圖

式中，kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

在數字控制系統中，溫度的采集不是連續的，需要對式（5）進行離散化處理，得到離散的PID表達式為：

式中，kp為比例系數；ki為積分系數；kd為微分系數；u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出值；e(k)為第k次采樣時刻輸入控制系統的偏差值；e(k-1)為第k-1 次采樣時刻輸入控制系統的偏差值；T為采樣周期。

根據PID控制器的輸出值u(k)，Arduino通過PWM脈寬調制控制繼電器的通斷改變PTC加熱體的通斷，實現對PTC 加熱體的溫度控制。當實時測量的溫度比目標溫度高時，繼電器斷開，PTC加熱體停止加熱；當實時測量的溫度比目標溫度低時，繼電器接通，PTC 加熱體開始加熱。

4.3 溫度控制分析

由于PTC陶瓷加熱片的電阻溫度特性，具有自適應控溫的特點，為達到目標溫度引入了PID控制器。本系統的溫度控制為閉環控制，將DS18B20實時測量的PTC加熱體出風口溫度值作為PID 控制器的輸入值。為檢驗該系統的溫度控制情況，在室溫27 ℃的10 m×7 m×4 m空間下進行溫度控制測試。該實驗中DS18B20 放置于距離發熱體表面100 mm 處，得到如圖9 所示不同目標溫度的控溫過程。從圖中目標溫度為33 ℃～45 ℃的PID 控溫過程可知，波動誤差均勻，控溫精度不高。經過實驗分析，DS18B20 測溫是通過空氣介質導熱，測溫時間具有滯后性，且實驗環境的氣流也會影響到溫度測量，PTC陶瓷加熱片的電阻會隨溫度變化也是穩態誤差較大的原因之一。當目標溫度為30 ℃接近室溫時，控溫精度較高，穩態誤差小。

從圖中曲線可知，目標溫度越低，升溫速度越快，溫度越高，升溫速率下降，升溫曲線與PTC 加熱體的最大升溫曲線重合。當不使用PID控制器，使PTC加熱體達到最大溫度，整個加熱過程非常平穩，且最后的穩態誤差較小，說明了PTC加熱片的自適應控溫精度較高。從圖像的其他控溫曲線可以發現，PTC加熱片能夠減小溫度超調，并提高控溫精度[16]。

圖9 不同目標溫度的PTC加熱體溫度控制過程

5 系統軟件設計

本文系統熱觸覺再現硬件模塊可以用于多種VR軟件平臺，以HTC VIVE作為虛擬實驗的交互工具和實驗平臺，軟件系統基于Unity引擎使用C#進行開發和設計。

5.1 實驗臺初始化

為提高虛擬場景的沉浸感，將虛擬實驗臺與真實實驗臺的長寬高設計成相同大小。由于本系統的熱觸覺再現是非接觸式，熱源相對人體是靜止的，因此在進行虛擬實驗前，需要校準真實場景和虛擬場景下的實驗臺位置，保證實驗者與實驗臺的距離在兩種環境下相同。以HTC VIVE頭盔為例，在程序執行之前，需要將Unity引擎中的虛擬相機相對于虛擬實驗臺的位置，設為真實場景下人眼相對于實驗臺的位置，即可保證開始實驗時，人眼看到的虛擬場景和真實場景的實驗臺是一致的，如圖10所示。

圖10 虛實場景視角示意圖

5.2 系統軟件結構設計

系統軟件的作用是使PC 端能夠直接控制下位機，如圖11 所示，表示該系統軟件的運行流程圖。PC 端發送的串口數據分為三種形式。引腳電平數據控制Arduino的引腳輸出；目標溫度控制PID 輸出；脈沖數據控制步進電機的旋轉。整個系統軟件可作為虛擬實驗主程序的一個分支，表示熱觸覺在虛擬實驗中的應用。

系統的控制部分提供軟件接口，針對的是PC 端和下位機的串口通訊數據，該系統可將COM 號信息寫入XML文件，通過讀取XML文件自動解析接口數據。軟件接口腳本位于同一個命名空間下，可單獨打包成dll文件，供其他設備調用。接口類包括讀寫XML 文件串口信息和讀寫串口數據，接口函數包含初始化串口、打開和關閉串口，判斷串口是否打開，接收和發送串口數據，發送控制電機的串口數據等功能。由于需要實時接收溫度傳感器發送的串口溫度數據，采用了多線程編程。為了不影響下次打開該串口，退出主程序前需調用關閉串口的函數。

5.3 系統軟件交互設計與分析

由于人體對熱觸覺的感知都與皮膚有關，針對在虛擬實驗中的交互操作，本系統主要對手部進行交互設計，如圖12所示。當實驗者操作虛擬物體時，HTC手柄的紅外定位可得到實驗者手部的位置，PTC加熱體再針對該部位產生熱量，獲得熱觸覺感知，符合虛擬實驗需要，且通過事件觸發能夠提供手動的交互操作；HTC頭盔用于場景顯示，并提供了實驗者的頭部定位、視角方向信息。

整個系統屬于虛擬現實系統的一部分，視覺呈現主要信息，熱觸覺作為虛擬現實交互的一個補償。在虛擬實驗交互開發中，可利用手與熱源的距離，控制制熱模塊的開啟和關閉，如兩者距離在發熱范圍以內，打開制熱模塊，否則關閉制熱模塊；也可利用兩者的距離，控制風速和溫度大小，當距離較近時，減小散熱風速提高溫度，距離較遠時，增大散熱風速提高溫度；或利用條件控制，虛擬實驗臺和真實實驗臺空間位置一一對應，無需考慮手的空間位置，例如化學反應中的放熱反應，當達到放熱條件時，打開制熱模塊，反應結束，則關閉制熱模塊。

不同虛擬實驗熱源主要分為固定和移動兩種，固定熱源可對制熱模塊一次定位實現放熱。針對移動熱源，當需要對手部持續產熱時，根據HTC 手柄確定的手部空間位置，得到x軸步進電機移動的水平位移和y軸步進電機旋轉到制熱方向的角度，散熱風扇可根據手與制熱模塊的距離改變風速大小，從面間接改變溫度大小。LCD 顯示屏向實驗者顯示出風口的目標溫度和測量的實時溫度。

6 系統驗證與分析

為了測試該系統是否提高了虛擬實驗的沉浸感以及系統的可靠性和有效性，以中學鋁熱反應實驗為例，驗證該系統在虛擬實驗熱觸覺再現上的效果。主要實驗步驟為當實驗者點燃鎂條后，使氧化鐵粉末和鋁粉在高溫下劇烈反應，發出耀眼的光芒，并放出大量的熱，實驗者可在一定區域內近距離感受到熱量。實驗要求10位實驗者完成5次虛擬實驗，為了更好地形成對比，第1次實驗在只有視覺呈現的情況下，完成該虛擬實驗的操作過程；第2 次實驗引入該系統制熱裝置的熱觸覺呈現，在虛擬場景中有放熱時制造熱量。實驗者對這兩次虛擬實驗的沉浸感和熱觸覺再現的真實感評分，總分10分，分數越高代表體驗效果越好。第3～5次實驗重復第2次實驗，根據系統正常運行次數評分，總分3分。最后作為觀察者，對實驗者在添加了熱觸覺通道虛擬實驗的情緒變化進行評估，分為積極（A）、一般（B）、消極（C）。整體測試結果如表1所示。

表1 熱觸覺裝置虛擬實驗測試結果

從測試數據可知，第1次無熱觸覺通道實驗的期望值為7.50，第2次有熱觸覺通道實驗的期望值為8.93，后3次實驗系統基本都正常運行。結果表明該裝置提供的熱觸覺再現，提高了對虛擬實驗的沉浸感和真實感，系統的穩定性較好。通過觀察實驗者情緒變化發現，大部分人在加入熱觸覺通道后產生興奮、刺激等積極情緒，證明了該系統熱觸覺再現的有效性。由于鋁熱反應放出大量的熱，產生耀眼的光芒，視覺通道效果明顯，部分觀察者存在條件反射會避開熱量產生的區域，導致感知效果較差，該裝置釋放的熱氣起到補償觸覺通道缺失的作用。

圖12 系統軟件交互設計

7 結束語

本文通過使用PTC 加熱體設計了熱觸覺再現系統。該系統包含利用步進電機搭建的工作臺，提供了多個自動控制熱源位置和方向的自由度，并對系統的交互設計進行了分析。系統采用了PID控制算法進行控溫，并對系統的控溫過程、可靠性和有效性進行了實驗驗證，結果表明控溫的速度和精確度基本滿足了虛擬實驗要求，系統的熱觸覺通道提高了虛擬實驗的沉浸感。該系統采用非接觸式的傳熱模型再現熱觸覺感知，能夠較好地在虛擬實驗中感受真實實驗帶給實驗者的放熱反饋。

本系統是利用空氣介質傳遞熱量，并未考慮皮膚在不同傳熱介質下熱傳導的影響。由于溫度傳感器測量的方式影響了測量溫度的實時性，且受測溫精度限制，系統在控溫方面有待提高。