Bebop Sensors Forte无线手套
佯懂
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Bebop Sensors Forte无线手套

现实中有没有复仇者联盟的无限手套？技术上究竟是否可行？来看看这款无线数据手套吧。

还记得《复仇者联盟》中的无限手套吗？

图1 无限手套
剧中的反派集齐了无限宝石，镶嵌在无限手套上，于是无限手套就有了远程操控宇宙众生生命的能力。剧中的反派打了一个响指，然后宇宙中一半的人就化作了尘土。

无限手套的技术原理是什么。无限手套能够远距离操控众生，那么“无限”手套应该是一种“无线”手套，假如宇宙中也有无线网的话。

远程操控的本质就是：获取手臂、手掌和手指的动作信号，然后把这些动作信号，向远程端发出各种操作的计算机指令。举一个最简单的例子，鼠标就可以获取人手的二维平面位置和手指点击的动作。但“无线”手套可以获取人手在三维空间中的位置和动作。

现实中也有类似的无线数据手套，例如BeBop Sensors公司的Forte数据手套。

图2 Forte数据手套
Forte数据手套与传统的数据手套相比，主要特点在于：1）无线化，轻便化。2）准确获取指尖触觉。

首先来说无线化和轻便化。传统的数据手套大都是有线的，其活动范围可是相当“有限”。手套上连着大大小小的线缆或管路，例如电源线、传感器信号线、力反馈线路等等，牵一发而动全身。

图3 5DT数据手套
想象一下，如果电影中的无限手套也带着这一大堆线缆，就像有线鼠标后面拖着一台台式电脑到处跑，那么电影中制止反派使用无限手套就简单了，不必费劲去从反派手上脱下无限手套，只要拔掉无限手套上的线缆即可。

而Forte无线数据手套集成了电池。该手套一次充电，可使用15个小时。Forte数据手套还可以通过蓝牙进行通信。当然，蓝牙的传输距离相当有限，如果将来无线数据手套能够使用WiFi或者4G网络进行通信，那就可以在更广阔的空间范围内进行无线操作。

那么除了无线之外，Forte数据手套究竟可以获取哪些人手的动作呢？为此，我们先来回顾一下，传统的数据手套都可以获取哪些人手的信息。

数据手套想要完美地执行人的意图，那么获取如下信息：1）准确定位人手；2）捕捉手指运动，3）提供一定的力反馈。

图4 无线数据手套思维导图
首先，对于准确定位人手的位置。这一点对人手来说不难，人类可以通过两种方式来定位自己的手臂：1）眼睛看；2）身体感觉。

1）眼睛看。类似地，数据手套也可以通过计算机视觉来进行定位。

图5 数据手套的视觉定位
2009年，一位天才科学家Pranav Mistry在TED大会上展示了他的计算机视觉技术。他的手指尖上绑着红、绿、黄、蓝各色胶带，可以认为是一个简化版的数据手套。胸前挂着一个摄像头，摄像头拍摄的图像中包含人手，通过检测人手指尖的红、绿、黄、蓝色块，就可以定位出人手的位置。Pranav的系统中还包括一个投影仪，可以把处理过的图像投影出来（如果有个虚拟头盔直接把图像投影到人眼中就更好了）。图中左下角，Pranav分别捏住左右手拇指和食指，对应的地图上出现了一左一右两个端点中间连着一条直线，可以进行地图的旋转缩放。

这种定位方式的另一个发展方向是电影制作中的“动作捕捉”。演员身上粘贴着数以百计的标记，这些标记被各个方向的高速摄像机捕捉以后，就可以完整记录下演员的动作甚至表情。仔细看，图中演员的手上也穿着一个带有标记的手套。

图6 动作捕捉
但是，如果没有全环绕的摄像机组，就无法获得全方位的图像。数据手套要求对五个手指都进行动作捕捉，当某些手指没有被摄像机拍摄到时，视觉定位就会受到很大局限。这时候就需要其他的定位方式了。

2）身体感觉，人的身体通过骨骼、肌肉、神经来获取手臂的位置、控制手臂的运动。但是即便是目前最先进的机器人，也很难仿生模拟出人的骨骼、肌肉和神经系统，何况是一个小小的数据手套呢。因此，数据手套一般是用机械、电子的方式来实现非视觉的定位。

对于定位来说，二维比三维要容易的多。有一种广为人知的二维定位方式是鼠标。但是鼠标必须与二维平面有物理或者光学接触。类似地，无线数据手套在三维空间中的定位，就需要某种无线的媒介，例如磁场。磁性定位在数据手套上已经有了十几年的应用历史。图中的从主机中连出的若干个触手就是多个可定位的传感器，可以分别连接到手指上。

图7 数据手套的磁性定位
磁性定位的原理就是金属线圈在磁场中切割磁力线产生电信号。一般磁性定位可以产生多种信号，例如（x, y, z）信号是指在磁场覆盖的三维空间中的三维位置坐标。还可以产生各种运动信号，例如人手在磁场中各个方向的转动。这些信号反映了数据手套的各种自由活动的能力，一般称为多个自由度。

磁性定位依赖于在数据手套的活动空间中布设磁场。很明显，这样很不便携。因此数据手套是否配备定位功能，以及配备何种定位功能，可以根据需求而变。

其次，数据手套除了可以定位人手之外，之所以称为数据手套而不是三维鼠标，主要是因为数据手套可以对五个手指的动作进行分别捕获。

传统的数据手套主要捕捉手指的弯曲。通过沿着手指方向布设条状传感器，可以测量条状传感器是否有弯曲，以及弯曲的程度。

图8 数据手套测量手指弯曲程度
很明显，这样的手指动作测量是远远不够的。例如，手指不光可以弯曲，还可以按压、触摸。

而Forte数据手套则采用了BeBop公司引以为傲的织物传感器技术，在数据手套的指尖部分布设织物传感器，可以模拟手指尖的触摸动作，具体可以测量触摸的力量大小。

图9 Forte数据手套的指尖传感器
笔者没有找到关于这款传感器的更多资料。但可以猜想一下，类似iphone的3D touch触摸屏与普通触摸屏的区别。普通触摸屏可以测量按压的时间长短，可以测量按压的接触面积大小，但是无法区别轻轻按压与用力按压。对于Forte数据手套来说，由于采用了测量触摸力量大小的传感器，因此可以获取更精细的手指动作。BeBop Sensors公司声称，Forte数据手套采用了柔性传感器和柔性印刷电路，印刷油墨在柔性织物传感器元件和加工引擎/电源之间构成了电路。

Forte无线数据手套，从外观分析，布设在手套指尖的传感器可以支持指尖的触摸动作，连接指尖套与手背部的布条中也可以布设手指弯曲度传感器。除此之外的手指动作仍然无法测量，例如，《复仇者联盟3》中的“打一个响指”的动作很可能无法使用Forte数据手套实现，因为Forte数据手套无法测量拇指和食指的分离动作。此外，触摸的精确性、无线数据传输稳定性和电池续航也有待进一步地评测分析。

下面，我们畅想下无线数据手套在各行各业中的应用前景。可以说，前景是非常广阔的。

数据手套常常与虚拟现实（VR）或者增强现实（AR）配合使用。虚拟现实与增强现实的区别是，用户通过虚拟现实眼镜看不到用户面前的真实世界，而用户通过增强现实眼镜可以正常看到面前的真实世界，同时还可以看到虚拟物体叠加在真实世界中。

图10 猜猜看我是VR还是AR
虚拟现实和增强现实不仅非常热门，而且已经有了很多成熟的商业应用。然而，虚拟现实和增强现实的成熟目前仅仅是显示技术的成熟，也就是用户的眼睛可以看到很逼真的虚拟形象。但用户的手仍然无法像操纵真实物体一样操纵虚拟物体。而无线数据手套恰恰可以把用户手的全部精细动作都对接到虚拟物体上。

如果《复仇者联盟》中的无限手套也是由宇宙的某位工程师建造的，那么它显然没有配备虚拟现实眼镜，或者监视器。无限手套的使用者只能通过肉眼观察现实世界来获得无限手套发出指令的反馈，也就是说半个宇宙的人都死亡了。当然，无限手套发出的指令是如何执行的，接受到无限手套指令的“机器”是如何让半个宇宙的人死亡的，这就是另外一个未解之谜了。

喜欢游戏的小伙伴们已经开始畅想无线数据手套在游戏中的应用了吧。很多游戏无法达到非常完美的体验效果，就是因为无法充分获取人手的实际动作。键盘只能输入各种离散的命令字母。鼠标只能模拟在二维平面上的手部运动。普通的游戏手柄也只是按键和摇杆的组合。

而带有加速度传感器和陀螺仪的游戏手柄，可以获知游戏手柄在某一个方向的加速度和转动。如任天堂公司的Wii游戏手柄，通过这些传感器可以模拟游戏中的挥拍动作。

图11 Wii游戏手柄
然而这些传感器能够提供的仅仅是手臂的姿态，而数据手套所能提供的就是对于五个手指的精细运动的捕获。举一个例子，使用数据手套，不再需要按动某一个按钮来拧开墙上的开关或者捡起地上的物品，而是可以直接用手做出拧开关或者捡起物品的动作。

配合力反馈装置，数据手套可以更加真实的模拟现实世界。例如，当我们拧开关的时候，手指的皮肤会受到开关的反作用力。拧的动，或者拧不动，力的反馈使得用户可以成功的获知自己手部运动的结果。

图12 力反馈数据手套
我们在现实世界中可以受到很大的力反馈，例如我们去推一堵墙。但是数据手套上的力反馈装置，受限于机械结构，力量通常是很小的。在我们做一些轻巧的动作时，这种力反馈是足够的，例如手术。在医疗应用方面，原始设备制造商正在使用Forte手套进行虚拟现实手术培训等应用。

如果将来的游戏手柄可以采用无线数据手套的形式，那么必将获得更好的游戏体验。

除了游戏之外，数据手套的另一大用途是远程操控。这类应用中，用户不必带上虚拟现实眼镜，例如用户通过数据手套来来操控工业机器人，这些工业机器人的动作可以让用户直接看到，或者用户通过监视器来远程排雷。Forte数据手套主要用于工业、汽车和医疗等行业。允许用户抓取和操纵数字对象，就好像它们真的存在于现实生活中一样。你不仅能准确地看到你的手和你的每个手指，还能感觉到弯曲，扭曲，力量和伸展。

图13 数据手套与工业机器人
然而需要指出的是，相比于人眼和人手所能达到的精度，目前的数据手套还是远远不够的。以枪管的加工为例，机器加工的精度已经很高了。但仍然需要熟练的工程师用手和眼睛来检测枪管，根据细微的纹路触感和光线变化来判断枪管的哪个部位还需要继续加工一下。

Forte无线数据手套，可以采集手指的弯曲和指尖的触摸，并且使用蓝牙无线传输数据，使得使用比较轻便灵活，不过它仍然不具备精确的三维空间定位能力，触摸的精确性、无线数据传输稳定性和电池续航也有待进一步地评测分析。尽管如此，它仍然不失为一款充满创意的数据手套，相信无线数据手套未来能够在各种产业中得到广泛的应用