Design and evaluation of a novel shape changing haptic device for virtual reality

Abstract

Virtual Reality (VR) ist eine immersive, multisensorische Umgebung. In den letzten Jahrzehnten kam es zu deutlichen Verbesserungen der visuellen und auditiven Feedbacks in VR. Doch trotz des großen Potenzials wird der Tastsinn in den heutigen VR-Systemen nicht zufriedenstellend bedient. Daher entwickelt diese Arbeit das neuartige formwandelnde haptische Gerät Shiftly, das plausibles haptisches Feedback bei der Berührung von virtuellen Objekten in VR ermöglicht. Durch Veränderung der Form nähert sich Shiftly der Geometrie eines von einer Person berührten virtuellen Objekts an und erzeugt haptisches Feedback für die Hand. Das Gerät verwendet gebogenes Origami, das programmatisch gefaltet und entfaltet werden kann, um eine formverändernde Berührungsoberfläche von flach bis gekrümmt zu erzeugen. In dieser Arbeit wird das Design von Shiftly entwickelt, ein vollständig funktionsfähiger Prototyp erstellt, eine VR-Anwendung implementiert und Shiftly in zwei Studien evaluiert. Shiftly kann realistisches haptisches Feedback für flache Oberflächen, konvexe Formen unterschiedlicher Krümmung, Kanten und bis zu einem gewissen Grad auch für konkave Oberflächen und Objekte mit kleinen Details erzeugen. Das Gerät erreicht dies mit nur drei Aktoren – eine deutlich geringere Anzahl als der vergleichbare Stand der Technik.

Virtual Reality (VR) is an immersive multisensory experience. Visual and auditory feedback in VR has improved significantly in the last decades. However, despite its great potential, the sense of touch is not satisfactorily served in today's virtual reality systems. Therefore, this thesis develops a novel shape-shifting haptic device named Shiftly, which renders plausible haptic feedback when touching virtual objects in VR. By changing its shape, Shiftly approximates the geometry of a virtual object touched by the user and provides haptic feedback for the hand. The device uses curved origami that is programmatically folded and unfolded to create a shape-changing touch surface that can be transformed from flat to curved. In this thesis, the design of Shiftly is described, a fully functional prototype is fabricated, a VR application is implemented, and Shiftly is evaluated in two user studies. Shiftly can render realistic haptic feedback for flat surfaces, convex shapes of different curvatures, shapes with edges, and, to some extent, concave surfaces and objects with small details. The device achieves this using only three actuators – a considerably smaller number than the comparable state-of-the-art.