《虚拟现实技术》讲义教案02虚拟现实的接口设备

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1、虚拟现实的三个要求之一是交互(Interactivity):交互就是把用户的输入送入计算机，并把计算机的反馈送给用户。例如，人体的运动由3-D位置传感器跟踪，手姿由数据手套测量,场景的视点和方向由人操纵的跟踪球或手柄来改变，这些是用户的输入。在计算机的反馈中，视觉反馈送到立体显示器，虚拟声音由3—D声音发生器产生。这一章介绍SE的一些I/O设备，说明其功能、设计和局限。位姿传感器机器人、生物学、建筑、CAD、教育等应用领域，都要求知道运动物体实时的位置和方向。虚拟现实系统则要求知道人体各部分实时的位置和方向。(1)3—D空间中的运动的刚体具有三个平移(沿着X、Y和Z轴)和三个转动(偏航、

2、俯仰和滚动)。(2)在物体以高速运动时,应该足够快地测出这六个数值。(3)3—D测量不应妨碍物体运动。非接触式测量(低频磁场、超声、雷达、红外摄象和LED等)已经代替机械臂等接触式测量。(4)3-D传感器都具有一些共同的参数。例如，采样率是每秒测量次数。执行时间是在行为和结果之间的时间延迟。传感器的精度，即实际位置与所测出位置的差。分辨率是传感器检测的“粒度”，即检测的最小的位置变化。位姿跟踪常用的性能参数有：精度，分辨率，采样率，执行时间，范围，工作空间，价格，障碍，方便，对模糊的敏感，容易校准，同时测量的数目，方向相对位置跟踪。(5)人体并非刚体。上述六个数值只能描述人体整体的运动，

3、人体各部分之间的相对运动也应该测量。(6)位姿跟踪和映射是VE系统的基本要求。常用的要求包括:(a)视觉显示对头和眼的跟踪；(b)触觉接口对手和臂的跟踪；(c)视觉显示对身体的跟踪；(d)面部表情识别、虚拟衣服和医用遥控机器人的映射;（e）建立数字化几何模型的环境映射。（7）一种工作方式（“流动”方式）中，传感器数据连续送给主计算机。这最适于快速运动的物体。但是这加重了通信线路的负担。如果要求以30个画面/秒的速率重复计算，则每33毫秒要画出一个画面。9600波特率的串行口要花费12毫秒传送6个数的一组数据（每个数有16bit）o因此，仅仅通信就要花费33毫秒的36%o另一种工作方式（“

4、请求”方式）中，当主计算机请求时，才传送一组的6个数。其它时间不读传感器数据，于是总体画面更新时间中的通信时间部分就下降了。（8）用于位姿跟踪和映射的基本传感系统有：机械链接，磁传感器，光传感器，声传感器和惯性传感器。2.1.1机械跟踪器机械跟踪：是便宜的，比较精确。可以测量整个身体运动，没有延迟。可以同时实现力反馈。但妨碍身体运动。机械跟踪器可分两类：“安在身体上的”机械跟踪器中，机械全部安在身上。“安在地面上的”机械跟踪器中，机械部分安在地面。（a）测角器（“安在身体上的”机械跟踪器）*安在身体上的机械链（外骨骼或测角器），常用作关节角测量。如果加上触觉接口，这就形成了力反馈外骨骼。

5、因为戴在身上，所以它是轻便的可移动的。但如果身体运动，就要求使用其它方法跟踪身体运动。它们与肢体运动有同样的工作空间，因此有全范围的运动测量。*有两种方法使用测角器：得到关节角和得到末端位置。实际上，由得到的角度，经过计算可以得到末端位置。但是，由末端位置得到关节角，有很大的困难。*安装的困难是因为人体的软组织及在测角器和肢体间的相对运动。*测角器与关节的校准是困难的,特别是对多自由度关节（如肩）。（由于测角器是肢体外部的外骨骼，所以它的转动中心不同于关节转动中心。由于运动的不一致，在测角器和运动肢体之间存在着滑动。）问题在于人的关节不是完善的较链关节或球关节,转动轴随关节角而移动。(b

6、)安在地面上的链接*安在地面上的机械链接主要用于大自由度末端跟踪,如头或手的位姿跟踪。它不会引起上述的关节角测量有关的问题。要求操作者牢固地抓住手操作器,或者要求头盔牢固地缚在头上，都是有困难的。安在地面上的机械链接比安在身体上的链接更容易产生力反馈,因为驱动器不必安在身体上。*安在地面的机械链接的一个缺点是操作者被连在地面，宜锂间受到限制。即使希望有较长的机械臂，两段机械手臂也限制在约2m。只有在操作者坐着不动时，这才是好的方案。另一个缺点是可测量的自由度数目受到限制,通常六个。对于同时测量多个臂或测量冗余的链接，这都有问题。例如多手指运动一般不用安在地面的链接。此外，人的手臂是冗余的

7、7自由度机构，安在地面的链接不能解决这种冗余。*一个例子是FakeSpaceLabs的观看器BOOMo它的视觉显示不是戴在头上，而是由BOOM链接支持在底座上。由机械手的经验，应该实现0.1mm精度和高分辨率，并经过正常的校准［Mooring,199l］o对于安在头盔上的链接，一种可能是用平衡块减小头盔上的重力负迤［Maeda，1992］。平衡块的缺点是平衡臂的惯性可能妨碍头部运动。可能的解决方法是用主动链接伺服控制，去掉头上所有的