Magistratura7

1.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(национальный исследовательский университет)» (МАИ)
Институт № 3 «Системы управления, информатика и электроэнергетика»
Кафедра 316 «Системное моделирование и автоматизированное проектирование»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА МАГИСТРА
НА ТЕМУ:
Исследование и разработка технологии тактильных ощущений в виртуальной реальности
Направление: 09.04.01
Студент: Башкирев Матвей Валерьевич
Группа М3О-216СВ-24
Руководитель: Харитоненков Антон Игоревич
Старший преподаватель кафедры 316
1
2026

2. Проблематика

Основные проблемы:
– отсутствие физического ощущения
взаимодействия с объектами;
– высокая стоимость существующих
решений (экзоскелеты,
профессиональные перчатки);
– громоздкость и сложность
аппаратной реализации;
– ограниченная доступность устройств
тактильной обратной связи.
2

3. Актуальность

АКТУАЛЬНОСТЬ
Актуальность работы обусловлена:
ростом популярности
VR/AR технологий;
развитием носимой
необходимостью
электроники и
создания доступных и
микроконтроллерных
компактных устройств;
систем;
потребностью в
недорогих решениях
для обучения и
исследований.
3

4. Цель и задачи работы

Цель работы:
Исследование и разработка технологии тактильной обратной связи
в виртуальной реальности на основе перчатки с механизмом
натяжения нитей.
Задачи:
• анализ существующих решений в области
тактильных интерфейсов;
• разработка архитектуры аппаратнопрограммной системы;
• создание прототипа тактильной перчатки;
• разработка механизма передачи усилия;
• реализация взаимодействия с Unity;
• проведение тестирования и анализ
результатов.
4

5. Методы тактильной обратной связи

Существуют
различные
методы
реализации
тактильной
обратной
связи:
• вибрационная обратная
связь (вибромоторы);
• кинестетическая
обратная связь
(силовое воздействие);
• пневматические
системы;
• экзоскелеты;
• ультразвуковые
методы;
• электростимуляция.
5

6. Сравнение технологий тактильной обратной связи

СРАВНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ
ТАКТИЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
Технология
Передаёт касание
Передаёт
сопротивление
Носимый формат
Основное
ограничение
Вибрация
Да
Нет
Да
Только факт
контакта
Ультразвук
Да
Нет
Нет
Малая сила
воздействия
Электростимуляц
ия
Да
Нет
Да
Требует
настройки
безопасности
Пневматика
Да
Частично
Да
Габариты и
насосы
Экзоскелет
Да
Да
Ограниченно
Масса и сложность
Нити
Да
Да
Да
Требует
настройки
механики
6

7. Выбор метода тактильной обратной связи

ВЫБОР МЕТОДА ТАКТИЛЬНОЙ
ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
В рамках работы выбран метод
кинестетической обратной связи на
основе натяжения нитей.
Причины выбора:
• низкая стоимость реализации;
• компактность конструкции;
• возможность использования в носимых
устройствах;
• достаточный уровень реалистичности;
• простота интеграции с микроконтроллером.
7

8. Общая идея решения

ОБЩАЯ ИДЕЯ РЕШЕНИЯ
Предлагается
система,
состоящая из:
• перчатки с датчиками изгиба (flex-сенсоры);
• сервоприводов, создающих натяжение нитей;
• микроконтроллера Arduino;
• модуля управления PCA9685;
• виртуальной среды в Unity.
Принцип работы:
При захвате объекта в VR система натягивает нити, создавая сопротивление
пальцам пользователя.
8

9. Аппаратная часть

АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ
MG90S
намотка/размотка нитей
Flex-датчики
измерение сгиба пальцев
Аккумуляторы 18650
автономный источник питания
Arduino Nano
считывание данных и обмен с Unity
PCA9685
управление 5 сервоприводами
LM2596
стабилизация питания
Система реализована на макетной плате с возможностью дальнейшей
интеграции на носимое устройство.
9

10. Механическая часть

МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Колпачки
фиксируют точку приложения усилия на кончиках
пальцев
Держатели нитей
задают траекторию прохождения нити по
фалангам
10

11. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Arduino
Unity
• считывание значений flex-датчиков;
• передача строк вида
F,318,318,343,...;
• приём команд S,0,200;
• управление каналами PCA9685.
• получение данных через COM-порт;
• обработка порогов сгиба;
• проверка захвата через XR
Interaction Toolkit;
• отправка команд натяжения и
размотки.
11

12. ИНТЕГРАЦИЯ С UNITY И VR СЦЕНОЙ

XR Direct Interactor
определяет, находится ли контроллер рядом с объектом
XR Grab Interactable
объект становится доступным для захвата
GloveXRMultiFlexGrabber
обрабатывает flex-датчики и запускает захват/отпускание
12

13. Результаты

Изучена текущие технологии
тактильной связи
Был проведен анализ технологий
тактильной связи и выбран наиболее
подходящий теме работы
Настроен обмен
Unity получает flex-значения и отправляет команды
Arduino
Реализован прототип
Подтверждён принцип
создана аппаратно-программная макетная
система
при захвате объекта возможно формировать
физическое сопротивление
Результат работы следует рассматривать как экспериментальный
прототип, подтверждающий применимость выбранного принципа.
13

14. Ограничения системы и Перспективы развития

Текущие ограничения
• макетная сборка без финального корпуса;
• требуется более аккуратная фиксация
проводов и нитей;
• необходимы барабаны/катушки для
стабильной намотки;
• каждый flex-датчик требует индивидуальной
калибровки.
Дальнейшая доработка
• миниатюризация конструкции;
• фильтрация сигналов датчиков;
• регулирование силы по свойствам
объекта;
• полноценная интеграция всех пяти
пальцев;
• улучшение эргономики перчатки.
14

15. Заключение

проведён анализ существующих технологий тактильной
обратной связи;
обоснован выбор кинестетического подхода на основе
натяжения нитей;
разработана архитектура аппаратно-программной
системы;
создан экспериментальный прототип тактильной
перчатки;
выполнена интеграция с Unity и подтверждена
работоспособность базового сценария.
Разработка может быть использована как основа для
дальнейших исследований и создания
полнофункционального устройства.
15

16.

16