下肢高自由度變形VR 觸覺反饋平臺設計

上海政法學院 梁源

面對如今國內針對人體下肢進行觸覺反饋的研究空白，通過一種AR 全地形步行模擬器結合，獲得一套堅固與精度兼得的，可以承受玩家跑跳并隨虛擬現實內部場景變幻形態的“VR 舞臺”。并內置了一種新開發的缽體滾珠高自由度結構，通過電動推桿、滾珠、馬達等機械設備實現正上方接觸滾珠的物體可以擁有X、Y、Z 三個軸的自由度。

1 AR 全地形步行模擬器的應用價值

1.1 對克服模擬暈動癥的幫助

前VR 技術開發者們多聚焦于視覺與聽覺，生成一種模擬環境,通過一種頭戴式一體的交互式的三維動態視景系統,使體驗者在虛擬的世界中獲得強烈的沉浸感。但當使用者在虛擬現實（VR）內部場景中進行位置移動時,往往只能通過手柄操控游戲中角色發生位移，而使用者身體只能在劃定的安全區走動或只能坐在凳子上。這種視覺景象與身體感受的矛盾常常會導致強烈的模擬暈動癥(VIMS)[1]。AR 全地形步行模擬器作為一款堅固與精度兼得的，可以承受玩家跑跳并隨虛擬現實內部場景變幻形態的“VR 舞臺”，可以讓使用者看到與真實運動狀態一致的虛擬場景，可以極大地減緩這種癥狀[2]。并預防了VR 用戶走動時觸墻等安全隱患，只需要3m2直徑的圓形空間，就可以實現虛擬世界360°沒有范圍限制的行動，而且可以做出真實的射擊、揮舞、沖刺等大幅度動作[3]。

1.2 真實的力學反饋

如今的VR 設備觸覺反饋多以震動反饋為主。但出現墻壁、臺階或其他復雜地面或其他具有碰撞體積物體時，無法阻擋使用者的手部穿入物體模型中，因此會對使用者體驗會產生頓挫感，是對沉浸式體驗的極大損害和遺憾。而Teslasuit 套裝等新面世的全身貼合類AR 設備雖然使得人體其他部位可以得到擬真的觸覺反饋，但由于材料性質，仍然無法對人體造成約束。尤其是約束人體下肢這類包含更多肌肉的部位，難逃穿模的難題。

AR 全地形步行模擬器可以實時根據計算機的演算，使得“VR 舞臺”變化以模擬出使用者在VR 中看到的地面上的物體與場景，如臺階、斷墻、靠椅等，讓使用者可以真實觸摸到他們，也可以踩踏或蹲坐，在場景中自由的步行，使使用者體驗時的場景融入感和代入感得到質的提升。

1.3 未來應用場景

AR 全地形步行模擬器有助于推動醫療領域的發展[4]，比如對視障人士的戶外行走訓練，也可以應用于諸如外星球登陸車實驗等復雜的航空航天實驗室中，模擬外星球地面環境，采用顯示屏原理，將每個單體結構視作一個像素，表達不同的轉速，高度，以及方位朝向。AR全地形步行模擬器的模擬精度隨著單體結構的縮小可以一直上升。表達各類貼近地面的活動玩偶、人體。同時AR 全地形步行模擬器小型化后，不難成為掌上立體觸覺交互工具，依托5G 實現觸覺信息輸入輸出一體化。如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 HTC 行走平臺Fig.1 HTC walking platform

圖2 VR 萬向跑步機Fig.2 VR universal treadmill

圖3 Teslasuit 套裝Fig.3 Teslasuit suite

2 AR 全地形步行模擬器的結構

2.1 整體結構

AR 全地形步行模擬器，包括底座結構和設置在所述底座結構上的若干個單體缽體滾珠結構。若干個所述單體缽體滾珠結構分成兩組，均呈矩形陣列狀分布并且間隔錯位排列。因為這種排列方式使若干個單體結構排列更緊密并易于編程操控。這種排列緊密的目的是，使用者的腳掌能被盡量多的單體結構撐起，使得使用者能在模擬器啟動前，感受如履平地的體驗。

步行模擬器中若干個單體結構根據長度可分為第一伸縮結構（3）和第二伸縮結構（4），兩者的推進行程不相等。當AR 全地形步行模擬器想要實現模擬人行走在野地、都市、石子路、扶手電梯等具體場景時，可以利用不同行程的伸縮結構帶動若干個單體缽體滾珠上下移動，達到了路面凹凸起伏的逼真效果[5]。如圖4 所示，整體結構示意圖標注的數字所代表的含義如下：1-下底座板；2-上底座板；3-第一伸縮結構；4-第二伸縮結構；5-單體缽體滾珠結構。

圖4 整體結構示意圖Fig.4 Overall structure diagram

每個單體結構內部中包含一個開槽的滾珠502。滾珠502 在水平平面上的方向完全可控，并且轉速完全可控。所以通過人體動作預測以及計算機演算，單體結構上的滾珠協同像人體位移方向相位180°滾動，抵消使用者產生的摩擦力，以類似跑步機一樣的原理，使得使用者在沉浸虛擬現實中行走時，身體仍然留在原地。

2.2 一種缽體滾珠高自由度結構

AR 全地形步行模擬器中的單體結構可以稱作為一種缽體滾珠高自由度結構。如圖5 所示，單體結構示意圖標注的數字所代表的含義如下：501-缽體；502-滾珠；503-轉軸；504-齒輪；505-連接套筒；506-蝸桿；507-蝸輪；508-第一馬達；509-第一馬達固定板；510-第二馬達；511-第二馬達固定板；5011-通槽；5012-轉軸孔；5091-連接耳。

圖5 單體結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of monomer structure

結構內部包括缽體滾珠結構5 和設置在用于支撐缽體滾珠結構5 的電動推桿4，缽體滾珠結構5 包括缽體501 和轉動設置在缽體501 內的滾珠502；缽體501 的下端固定連接有連接套筒505，連接套筒505 的下端活動連接在電動推桿4 的上端，通過電動推桿4 實現在豎直方向上的升降（Z 軸上下的自動度），電動推桿4 可使用氣缸或者絲杠實現[6]。

采用一種集成式數字閥用于氣缸的位置控制，具有價格低廉，能高速率地實現較高精度的氣缸位置控制的優點，采用PID+模糊混合控制策略時，系統在目標點附近保持穩定，重復定位精度可達0.3mm，響應時間小于1.2s[7]。但是氣缸也有本身不能夠精確控制的弱點,主要是氣缸在低速運行的情況下會產生爬行現象。針對在低速低行程環境氣缸易出現的爬行現象，采用震顫疊加方式進行消除[8]。

缽體501 呈半球殼狀，其內部橫向設有轉軸503，轉軸503 穿過滾珠502 的中心，且轉動的兩端轉動連接在位于缽體501 兩側的轉軸孔5012 內；連接套筒505 的上設有驅動滾珠502 轉動的第一驅動機構；且連接套筒505的下部設有驅動缽體501 在電動推桿上轉動的第二驅動機構。

第一驅動機構包括第一馬達508，第一馬達508 通過第一馬達固定板509 固定連接在連接套筒505 的外側上部；第一馬達508 的輸出端穿過第一馬達固定板509 并連接有齒輪504；缽體501 的下端面一側設有通槽5011，滾珠502 的表面設有一圈齒槽，齒輪504 的上部穿過通槽5011 與滾珠502 上的齒槽嚙合傳動；通槽5011 的方向和轉軸503 的方向垂直，從而保證滾珠502 圍繞轉軸503 轉動。

當第一馬達508 轉動時，帶動齒輪504 轉動，齒輪504 轉動帶動滾珠502 繞橫軸旋轉（即XZ 平面內轉動），實現對設備上方物體提供摩擦力。

第二驅動機構包括第二馬達510，第二馬達510 固定安裝在第二馬達固定板511 上，第二馬達固定板511 的遠離第二馬達510 的一側上部和下部均設有連接耳5091，上部的連接耳5091 固定連接在連接套筒505 的外側，其下部的連接耳5091 呈環狀套設在電動推桿4 的外側；第二馬達510 的輸出端穿過第二馬達固定板511 并連接有蝸輪507，電動推桿4 的上端固定連接有蝸桿506，蝸輪507 和蝸桿506 之間嚙合傳動；當第二電動轉動時，帶動蝸輪507 轉動，由于蝸桿506 是固定連接在電動推桿上的，因此，蝸輪507 的轉動使得蝸輪507、第二馬達固定板511、連接套筒505 和缽體501 一起實現水平方向繞電動推桿在XY 面實現360°自由度。同時電動推桿可以帶動其沿Z 軸方向上下移動，從而實現正上方接觸滾珠502 的物體可以擁有X、Y、Z 三個軸的自由度。

第二馬達510 轉動速度與人體運動速度呈相位180°滾動，希以抵消人體前進所造成的摩擦力。引入時間序列預測算法和AI 數據集訓練來減少對人體運動的預測的延遲時間，實時進行對第二馬達510 的轉速控制[8]。對第二馬達510 的轉速控制可采用Q 學習模糊PID 控制方法，使其能適應不同的虛擬環境而達到期望的控制效果[9]。

同時缽體501 結構的頂部平臺包裹皮革材料，輔助滾珠502 調整摩擦力，使得使用者獲得更好的體驗。

需要說明的是，第一驅動機構可以改為鏈條或者其他方式傳動來實現滾珠502 的轉動，第二驅動機構也可以改為鏈條或者其他方式傳動來實現缽體501 的整體轉動[10]。

3 結語

在目前國內缺乏人體下肢觸覺反饋方面的研究現狀下，本文旨在設計一種AR 全地形步行模擬器結合VR舞臺，以實現對使用者在虛擬現實場景下進行足部觸感反饋的探究。為了達到這一目標，本文開發了一種堅固、精準、可承受玩家跑跳并隨虛擬現實場景實時變化的“VR 舞臺”，并且結合一種新開發的缽體滾珠高自由度結構，通過電動推桿、滾珠和馬達等機械設備，實現了物體在X、Y、Z 三個軸上的自由度。AR 全地形步行模擬器可以實時根據計算機的演算，使得“VR 舞臺”的變化模擬出使用者在VR 中看到的地面上的物體與場景，如臺階、斷墻等，令使用者能夠深入場景，模擬真實行走。結合虛擬現實和物理交互，使用者可以更加真實地感受到與虛擬世界互動的場景，增強代入感和融入感，提高用戶體驗。因此，本研究的成果具有現實意義和研究價值，有望填補我國在人體下肢觸覺反饋方面的研究空白，為此類研究領域提供新的探索思路和研究方法。