基于力反馈的虚拟环境数据库系统开发

### 基于力反馈的虚拟环境数据库系统开发 #### 1. 引言 触觉对于理解现实世界至关重要，力觉在虚拟对象的操作中也起着关键作用。触觉接口是一种能产生皮肤和肌肉感觉（包括触觉、重量和刚度）的反馈设备。多年来，人们一直致力于虚拟环境中触觉接口的研究，并开发了各种力反馈设备及其应用。然而，在大多数触觉接口应用中，虚拟环境软件与力显示控制程序紧密相连，这给触觉虚拟环境的进一步应用开发带来了阻碍。 1991 年，人们启动了一个开发触觉接口模块化软件工具的项目，当时该系统被称为 VECS。此后，不断改进软件工具以支持各种力显示设备及其应用。最新的系统名为 LHX（触觉库），由七个模块组成，包括力显示设备驱动程序、触觉渲染器、模型管理器、图元管理器、自主引擎、视觉显示管理器和通信接口。各种类型的力显示设备都可以接入 LHX。 #### 2. 触觉接口 触觉接口，即力显示设备，是一种能从虚拟对象产生反作用力的机械设备。尽管该技术仍处于试验阶段，但近年来相关研究活动发展迅速。实现触觉接口有三种方法： - **工具操作型力显示设备**：这是实现力反馈最简单的方式，其配置类似于操纵杆。虚拟世界技术通常使用手套式触觉输入设备，但用户佩戴时会感到不适，若手套配备力反馈设备，问题会更严重，这阻碍了触觉接口的实际应用。而工具操作型力显示设备无需贴合用户手部，虽不能在手指间产生力，但具有实际优势。例如开发的 6 - DOF（自由度）力显示设备“HapticMaster”，它是一款高性能桌面力反馈设备，采用平行机制，由三组缩放仪连接顶部和底部三角形平台，每个缩放仪有三个直流电机，其握把可更换以适应特定应用，如腹腔镜手术模拟器。 - **外骨骼型力显示设备**：在机器人研究领域，主操纵器用于远程操作，但多数主操纵器硬件庞大、成本高，限制了应用范围。1989 年开发了一款紧凑型桌面力显示主操纵器，核心是 6 - DOF 平行操纵器，采用三组缩放仪连杆机构，三个执行器与操作者拇指、食指和中指的第一个关节同轴设置。后来又改进设备，开发了允许拇指、食指和中指三个独立手指进行 6 - DOF 运动的新型触觉接口，该设备通过三组 3 - DOF 缩放仪连接三个 3 - DOF 万向节，万向节末端安装顶针，可在每个指尖施加 3 - DOF 力，用户能用三个手指抓握和操纵虚拟对象。 - **面向对象型力显示设备**：这是一种激进的触觉接口设计理念，设备通过移动和变形来呈现虚拟对象的形状，用户可通过其表面与虚拟对象接触，相比外骨骼型和工具操作型，能实现更自然的交互，但实现难度较大，模拟虚拟对象的能力有限，适用于特定应用，如 3D 形状建模。开发的原型“Haptic Screen”采用橡胶弹性表面，表面下方设置一组执行器，每个执行器配有力传感器，可使表面硬度可变，虚拟对象会根据用户施加的力发生变形。 #### 3. 触觉软件问题 虚拟环境开发的软件工具是虚拟现实领域的关键技术之一。市场上有一些商业软件工具，如 WorldToolKit、dVS 和 Super Scape VRT，但它们都不支持触觉接口。目前，触觉接口软件尚处于早期阶段，例如 Sensable Device 为其商业触觉接口 PHANToM 开发了 GHOST 软件工具，北卡罗来纳大学教堂山分校开发了支持 PHANToM 和 ARGONE 远程操纵器的 Armlib。 触觉软件存在以下问题，而 LHX 旨在解决这些问题： - **机械配置的广泛适用性**：PHANToM 和 ARGONE 远程操纵器机制相似，但触觉接口的机械配置有多种可能性，LHX 的重点之一是支持各种配置。 - **触觉用户界面的构建**：触觉软件应支持轻松构建用户环境，LHX 具有用于构建带力反馈用户界面的图元。 - **网络功能**：虚拟空间中的协作是虚拟现实的主要应用之一，LHX 具备网络功能，可构建多用户共享的触觉虚拟环境。 - **与视觉显示的连接**：大多数应用中，触觉接口与视觉显示相连，LHX 包含视觉显示接口。 #### 4. LHX 系统 ##### 4.1 基本结构 为解决上述触觉软件问题，LHX 由七个模块组成，通过划分这些模块，可轻松重新配置力显示设备和虚拟环境。各模块功能如下： |模块名称|功能描述| | ---- | ---- | |设备驱动程序|管理触觉接口的传感器输入和执行器输出，通过更改设备驱动程序，可将各种类型的触觉接口连接到 LHX| |触觉渲染器|负责生成虚拟对象的力觉，根据力显示设备类型分为工具操作型渲染器、外骨骼型渲染器和面向对象型渲染器。工具操作型渲染器包括表面渲染器（通过弹簧和阻尼器模型实现）和体积渲染器（通过将体素数据映射到力和扭矩实现）；外骨骼型渲染器由多个工具操作型表面渲染器组成；面向对象型渲染器根据虚拟对象的物理模型确定 Haptic Screen 表面的刚度| |模型管理器|实现虚拟对象的模型，定义虚拟对象的形状和属性，用户可确定虚拟对象与操作者之间的交互方法| |图元管理器|存储虚拟对象的图元，如图立方体、球体、圆柱体、自由曲面和 3D 体素等，还包括用户界面的触觉图标，该模块管理每个图元的 ID 代码，用户可交互生成或删除图元，工作图元存放在共享内存中| |自主引擎|确定虚拟对象的行为，包含虚拟世界的物理定律，如重力、弹性和粘性，实时检测图元之间的碰撞，定义虚拟环境的“时间”，使虚拟对象能够自主生长| |通信接口|具有网络接口，可连接多个力显示设备，支持多用户在同一虚拟环境中同时交互，支持 TCP/IP，可利用现有互联网| |视觉显示管理器|生成虚拟环境的图形图像，将触觉模型转换为 OpenGL 格式，支持 HMD、立体快门眼镜和球形屏幕等视觉显示设备| ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(设备驱动程序):::process ```