多領域應用的虛擬現實體感平臺研發與應用

何志紅 包秀莉

摘要：本文基于六自由度運動模擬器技術研發多領域應用的虛擬現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用對象，開發榮昌陶虛擬現實系統。通過虛擬現實體感平臺，將虛擬現實技術和陶瓷藝術進行結合，實現榮昌陶器制作全過程的虛擬體驗與教學培訓。

關鍵詞：虛擬現實;六自由度運動模擬器;體感平臺

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

0 引言

近年來，虛擬現實技術得到業界廣泛關注，呈現出資本市場大量涌入、應用產品層出不窮的態勢。各國政府將虛擬現實產業發展上升到國家高度，將虛擬現實視為技術創新的重點方向，積極推動虛擬現實發展。我國在《中國制造2025》重點領域技術路線圖中將虛擬現實列為智能制造核心信息設備領域的關鍵技術之一，工信部也在2018年底發布的《關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》中明確提出：“虛擬現實要突破近眼顯示、感知交互技術等關鍵核心技術，引導和支持“VR+”發展，強調感知交互技術要加快六軸及以上GHz慣性傳感器、3D攝像頭等的研發與產業化?！蹦壳埃瑖鴥仍盒；蚱髽I自主研發的六自由度運動模擬器主要用于汽車駕駛培訓、游戲娛樂、交通系統的研究中，應用領域不廣，性能上與國外領先企業相比還有一定的差距[1]。隨著虛擬現實技術的發展與市場規模的迅速增長，虛擬現實產業已進入感知交互和內容制作為主的發展階段，結合虛擬現實進一步研發基于六自由度運動模擬器技術的虛擬現實體感平臺，運用感知交互技術和技術引擎提升用戶體驗和豐富內容，結合用戶需求，實現體感平臺在旅游會展、醫療健康、數字娛樂、電子商務、體育休閑、建筑規劃、消防安全等多領域或行業中應用。

1 虛擬現實體感平臺設計

六自由度運動模擬器是一種集計算機技術、計算機接口技術、人工智能技術、多媒體技術、三維實時動畫技術、傳感器技術、數據通信技術、網絡技術等先進技術為一體的仿真系統[2]?；诹杂啥鹊亩囝I域應用的虛擬現實體感平臺的研究與開發主要內容是體感平臺的結構設計、平臺建模、平臺控制、平臺測試等四個方面。其中，體感平臺結構設計包括體感平臺模塊化分解、并聯機構設計、旋轉機構設計以及總體裝配[3];體感平臺虛擬樣機設計包括幾何建模、施加約束和載荷以及樣機模型檢驗優化;體感平臺控制系統的研發包括運動控制模塊設計、控制實施模塊設計、控制系統實物連接，實現單片機與PC之間的數據交換功能，完成體感平臺零件組件設計制作、整機裝配測試。

1.1 體感平臺結構原理

六自由度虛擬現實體感平臺的結構如圖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，將虛擬現實體感平臺設計成一種并聯并聯方式驅動的運動機構，機構設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，以一種并聯方式驅動的閉環機構改變六個可伸縮的作動筒，實現虛擬現實體感平臺的橫向、縱向、垂直向、俯仰、滾轉、搖擺六自由度運動和自由度的復合運動。帶驅動器的六根可伸縮桿與固定平臺通過球鉸聯接，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，實現了各個方向的運動，也可以通過三個軸向的平移和旋轉的組合，實現其他方位的復雜運動。

1.2 體感平臺建模

由六個缸同時支撐的六自由度虛擬現實體感平臺，相比串聯機構的懸臂梁，在相同的自重或體積下，具有剛度大、承載能力高、結構穩定的特點;采用并聯機構的平臺沒有誤差積累和放大，因此誤差小、精度高;平臺采用對稱式結構，各向同性好。根據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，采用并聯機構的平臺求反解相對容易，但是求正解比較困難。并聯機構在在線實時計算時要求求反解，實現起來比較容易。運動學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[4]。

1.3 體感平臺控制

在體感平臺建?；A上進行平臺參數設計和算法求解，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動。首先上位機通過網卡給主控計算機發送指令，主控計算機接收到有關模擬平臺的運動參數指令后，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啟動現場連線，通過驅動器內部PC得到信息且驅動電動機轉動;同時，電動機上的編碼器將檢測出電動機的力矩、速度、位置信息發送到驅動器，構成一個閉環控制系統，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調動作，從而使平臺進行所要求的運動。

1.4 體感平臺測試與應用

體感平臺研發完成后需要進行系統集成測試，本文以榮昌陶為對象，研發榮昌陶虛擬現實系統。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文化遺產。為了復興千年榮昌陶，很好地傳承中華非物質遺產，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，采用虛擬現實技術研發集真實性、交互性、趣味性為一體的虛擬現實系統。為了實現榮昌陶的虛擬演練，體感平臺應需要機械、控制、電氣、實時信號傳輸、虛擬場景、計算機技術等方面的協同配合，平臺具體研發技術路線如圖3所示。

榮昌陶虛擬現實系統主要通過榮昌陶場景設計，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備進行實時交互，采集輸入設備、人體特征等信息，并通過顯示器和音響系統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信息傳輸給下位機控制系統，控制運動模擬器做出相應的運動模擬，給用戶帶來動感交互體驗，最終進行榮昌陶虛擬現實系統集成測試，完成虛擬現實六自由度模擬樣機的研發，并加以應用到其他領域或行業。

2 結語

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

參考文獻

[1] 楊灝泉，趙克定，吳盛林，等.飛行模擬器六自由度運動系統的關鍵技術及研究現狀[J].系統仿真學報，2002（1）：84-87.

[2] 李安定.虛擬現實建模技術研究及其在汽車駕駛模擬器中的應用[D].武漢理工大學，2006.

[3] 肖慧瓊.六自由度平臺體感算法研究[D].北京交通大學，2014.

[4] 延皓，李洪人，姜洪洲，等.六自由度運動模擬器的動感模擬算法研究[J].機械工程師，2003（11）：25-28.