Pneumatic Units for Logic-based Sequential Excitation (PULSE) in Wearable Haptic Devices

📄 arXiv: 2608.20626v1 📥 PDF

作者: Jessica Healey, Anoush Sepehri, Michael T. Tolley, Tania K. Morimoto

分类: cs.HC, cs.RO

发布日期: 2026-08-20

备注: 9 pages, 6 figures

💡 一句话要点

提出PULSE以解决可穿戴触觉设备的气动驱动挑战

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 气动驱动 可穿戴设备 触觉反馈 流体逻辑 环振荡器 用户交互 康复技术

📋 核心要点

  1. 现有的软性气动设备通常需要为每个气动执行器配备独立的阀门和输入，限制了其便携性和家庭使用的可能性。
  2. 本文提出的PULSE是一种集成流体逻辑的平面气动执行器，通过流体环振荡器的设计，显著减少了气动输入的数量。
  3. 实验结果表明，PULSE能够有效提供四种方向的触觉提示，用户的反应时间快，初始方向的准确率达到93.3%。

📝 摘要（中文）

软性可穿戴机器人设备能够提供触觉反馈，以支持扩展现实、技能训练和康复等多种任务。气动驱动可以提供复杂的触觉反馈，且轻便、顺应性强，适合纺织品应用。然而，传统的气动设备通常需要为每个气动执行器配备阀门和输入，这使得开发便携式家庭使用设备面临挑战。本文提出了一种基于逻辑的顺序激励气动单元（PULSE），它是一种平面纺织气动执行器，内嵌流体逻辑。通过将这些执行器组合成流体环振荡器，我们将触觉前臂袖所需的气动输入减少了60%。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决传统软性气动设备在便携性和家庭使用中的局限性，尤其是需要多个气动输入的问题。

核心思路：提出了一种新型的气动单元PULSE，结合流体逻辑和环振荡器设计，减少气动输入数量，同时保持触觉反馈的复杂性和有效性。

技术框架：整体架构包括PULSE气动单元、流体环振荡器和用户交互模块。PULSE作为执行器，流体环振荡器负责控制激励模式，用户交互模块用于接收用户输入并反馈触觉提示。

关键创新：PULSE的核心创新在于将流体逻辑嵌入气动执行器中，显著降低了气动输入的需求，与传统方法相比，提升了设备的便携性和可用性。

关键设计：在设计过程中，优化了气动执行器的几何形状和流体通道，以实现所需的振荡周期，实验中验证了振荡周期在1.16至1.56秒之间，施加的力在1.07至2.04牛顿之间。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，PULSE能够成功提供四种方向的触觉提示，用户的反应时间快，初始方向的准确率达到93.3%。相比传统方法，气动输入数量减少了60%，显著提升了设备的便携性和用户体验。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括虚拟现实、技能培训和康复治疗等。PULSE的设计使得可穿戴触觉设备更加便携和易于使用，能够在家庭环境中提供有效的触觉反馈，具有广泛的市场前景和实际价值。

📄 摘要（原文）

Soft, wearable robotic devices can deliver haptic feedback to support a wide range of tasks, such as extended reality, training various skills, and rehabilitation. Pneumatic actuation can deliver complex haptic feedback, is lightweight and compliant, and can be incorporated into textiles, making it promising for wearable applications. These soft pneumatic devices, however, typically require a valve and input for each pneumatic actuator, making it challenging to develop fully portable devices for at-home use. In this work we present a pneumatic unit for logic-based sequential excitation (PULSE). The PULSE is a flat, textile-based pneumatic actuator with embedded fluidic logic. By combining these actuators into a fluidic ring oscillator, we decreased the typical amount of required pneumatic inputs for a haptic forearm sleeve by 60%, with the ability to scale. We built the ring oscillator by optimizing design variables to reach desired periods of oscillation. We demonstrated a set of tactile stroking cues with periods ranging from 1.16 to 1.56 s and forces ranging from 1.07 to 2.04 N. We assessed the sleeve's ability to render differentiable, pleasant, and continuous haptic cues in a user study. The forearm sleeve containing PULSEs successfully delivered four directional cues and guided users to target wrist angles with fast reaction times, low overshoot amounts, and a 93.3% average accuracy of correct initial directions.