多領(lǐng)域應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實體感平臺研發(fā)與應(yīng)用

何志紅 包秀莉

摘要：本文基于六自由度運動模擬器技術(shù)研發(fā)多領(lǐng)域應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實體感平臺及其控制接口，以陶瓷文化為切入點，選取榮昌陶為平臺應(yīng)用對象，開發(fā)榮昌陶虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。通過虛擬現(xiàn)實體感平臺，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和陶瓷藝術(shù)進行結(jié)合，實現(xiàn)榮昌陶器制作全過程的虛擬體驗與教學(xué)培訓(xùn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;六自由度運動模擬器;體感平臺

中圖分類號：TP391.41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0090-02

0 引言

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到業(yè)界廣泛關(guān)注，呈現(xiàn)出資本市場大量涌入、應(yīng)用產(chǎn)品層出不窮的態(tài)勢。各國政府將虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到國家高度，將虛擬現(xiàn)實視為技術(shù)創(chuàng)新的重點方向，積極推動虛擬現(xiàn)實發(fā)展。我國在《中國制造2025》重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖中將虛擬現(xiàn)實列為智能制造核心信息設(shè)備領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，工信部也在2018年底發(fā)布的《關(guān)于加快推進虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出：“虛擬現(xiàn)實要突破近眼顯示、感知交互技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)，引導(dǎo)和支持“VR+”發(fā)展，強調(diào)感知交互技術(shù)要加快六軸及以上GHz慣性傳感器、3D攝像頭等的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化?！蹦壳埃瑖鴥?nèi)院?；蚱髽I(yè)自主研發(fā)的六自由度運動模擬器主要用于汽車駕駛培訓(xùn)、游戲娛樂、交通系統(tǒng)的研究中，應(yīng)用領(lǐng)域不廣，性能上與國外領(lǐng)先企業(yè)相比還有一定的差距[1]。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與市場規(guī)模的迅速增長，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)已進入感知交互和內(nèi)容制作為主的發(fā)展階段，結(jié)合虛擬現(xiàn)實進一步研發(fā)基于六自由度運動模擬器技術(shù)的虛擬現(xiàn)實體感平臺，運用感知交互技術(shù)和技術(shù)引擎提升用戶體驗和豐富內(nèi)容，結(jié)合用戶需求，實現(xiàn)體感平臺在旅游會展、醫(yī)療健康、數(shù)字娛樂、電子商務(wù)、體育休閑、建筑規(guī)劃、消防安全等多領(lǐng)域或行業(yè)中應(yīng)用。

1 虛擬現(xiàn)實體感平臺設(shè)計

六自由度運動模擬器是一種集計算機技術(shù)、計算機接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、三維實時動畫技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進技術(shù)為一體的仿真系統(tǒng)[2]?；诹杂啥鹊亩囝I(lǐng)域應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實體感平臺的研究與開發(fā)主要內(nèi)容是體感平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計、平臺建模、平臺控制、平臺測試等四個方面。其中，體感平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計包括體感平臺模塊化分解、并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計以及總體裝配[3];體感平臺虛擬樣機設(shè)計包括幾何建模、施加約束和載荷以及樣機模型檢驗優(yōu)化;體感平臺控制系統(tǒng)的研發(fā)包括運動控制模塊設(shè)計、控制實施模塊設(shè)計、控制系統(tǒng)實物連接，實現(xiàn)單片機與PC之間的數(shù)據(jù)交換功能，完成體感平臺零件組件設(shè)計制作、整機裝配測試。

1.1 體感平臺結(jié)構(gòu)原理

六自由度虛擬現(xiàn)實體感平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。承載平臺為上平臺，通過六根伸縮液壓缸控制平臺的六個方向運動;下平臺為固定基座，可以通過兩個自由度的虎克鉸或者三個自由度的球形鉸作為液壓缸和上下平臺之間的連接裝置，將虛擬現(xiàn)實體感平臺設(shè)計成一種并聯(lián)并聯(lián)方式驅(qū)動的運動機構(gòu)，機構(gòu)設(shè)計有至少兩個及以上自由度，并通過兩個或兩個以上的運動鏈連接動平臺和定平臺，以一種并聯(lián)方式驅(qū)動的閉環(huán)機構(gòu)改變六個可伸縮的作動筒，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實體感平臺的橫向、縱向、垂直向、俯仰、滾轉(zhuǎn)、搖擺六自由度運動和自由度的復(fù)合運動。帶驅(qū)動器的六根可伸縮桿與固定平臺通過球鉸聯(lián)接，利用胡克鉸與運動平臺相連，使固定平臺和運動平臺上的鉸鏈呈六邊形分布。在體感平臺工作時，上平臺通過六根伸縮的液壓缸運動和改變各個桿件的長度，得到不同的空間姿態(tài)，實現(xiàn)了各個方向的運動，也可以通過三個軸向的平移和旋轉(zhuǎn)的組合，實現(xiàn)其他方位的復(fù)雜運動。

1.2 體感平臺建模

由六個缸同時支撐的六自由度虛擬現(xiàn)實體感平臺，相比串聯(lián)機構(gòu)的懸臂梁，在相同的自重或體積下，具有剛度大、承載能力高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點;采用并聯(lián)機構(gòu)的平臺沒有誤差積累和放大，因此誤差小、精度高;平臺采用對稱式結(jié)構(gòu)，各向同性好。根據(jù)體感平臺特點進行體感平臺建模如圖2所示。

下平臺六個鉸支點的外接圓圓心即靜坐標(biāo)系oxyz的原點，oy平面與下平臺的六個鉸支點所在的面oB1重合;上平臺基圓圓心即動坐標(biāo)系ox1y1z1原點，oy1平面與上平臺的六個鉸支點所在的面oA1重合。在位置求解方面，采用并聯(lián)機構(gòu)的平臺求反解相對容易，但是求正解比較困難。并聯(lián)機構(gòu)在在線實時計算時要求求反解，實現(xiàn)起來比較容易。運動學(xué)反解就是通過已知平臺的位姿解各缸的伸長量，位置正解則是在已知六個液壓缸的伸長量的情況下，求解運動平臺的位置和姿態(tài)[4]。

1.3 體感平臺控制

在體感平臺建?；A(chǔ)上進行平臺參數(shù)設(shè)計和算法求解，控制六根液壓缸的自由伸縮和上平臺不同方向的平移和轉(zhuǎn)動。首先上位機通過網(wǎng)卡給主控計算機發(fā)送指令，主控計算機接收到有關(guān)模擬平臺的運動參數(shù)指令后，運用平臺變換空間運動模型，反解解出六只電動缸的伸長量，傳輸PCL啟動現(xiàn)場連線，通過驅(qū)動器內(nèi)部PC得到信息且驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動;同時，電動機上的編碼器將檢測出電動機的力矩、速度、位置信息發(fā)送到驅(qū)動器，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，實時精確的控制各電動缸的伸長量，并把信息傳輸給主控機，主控機確保六只電動缸的協(xié)調(diào)動作，從而使平臺進行所要求的運動。

1.4 體感平臺測試與應(yīng)用

體感平臺研發(fā)完成后需要進行系統(tǒng)集成測試，本文以榮昌陶為對象，研發(fā)榮昌陶虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。榮昌陶歷史悠久、工藝精湛，其制作技藝被列入國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。為了復(fù)興千年榮昌陶，很好地傳承中華非物質(zhì)遺產(chǎn)，通過體驗榮昌陶的制作過程，了解制陶的艱辛以及中華文化的博大精深，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)集真實性、交互性、趣味性為一體的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。為了實現(xiàn)榮昌陶的虛擬演練，體感平臺應(yīng)需要機械、控制、電氣、實時信號傳輸、虛擬場景、計算機技術(shù)等方面的協(xié)同配合，平臺具體研發(fā)技術(shù)路線如圖3所示。

榮昌陶虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要通過榮昌陶場景設(shè)計，快速建立挖陶土、制陶、燒窯、燒陶等模型和場景，用戶通過穿戴體感設(shè)備進行實時交互，采集輸入設(shè)備、人體特征等信息，并通過顯示器和音響系統(tǒng)給用戶提供視覺和聽覺信息，軟件通過USB接口將消防演練姿態(tài)信息傳輸給下位機控制系統(tǒng)，控制運動模擬器做出相應(yīng)的運動模擬，給用戶帶來動感交互體驗，最終進行榮昌陶虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)集成測試，完成虛擬現(xiàn)實六自由度模擬樣機的研發(fā)，并加以應(yīng)用到其他領(lǐng)域或行業(yè)。

2 結(jié)語

本文所構(gòu)建的多領(lǐng)域應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實體感平臺，通過平臺配合虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)里的榮昌陶場景，實現(xiàn)榮昌陶虛擬現(xiàn)實情境演示，后期根據(jù)不同的虛擬現(xiàn)實交互場景改變虛擬現(xiàn)實體感平臺的外觀形狀，從而應(yīng)用到其他行業(yè)，以滿足多領(lǐng)域不同用戶的需求，具有廣泛的應(yīng)用價值和推廣價值，可以進一步促進虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵核心技術(shù)和“VR+”的發(fā)展。

參考文獻

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[3] 肖慧瓊.六自由度平臺體感算法研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

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