作為地形模擬研究的平臺(tái)

（中國(guó)AI網(wǎng) 2025年06月19日）在一項(xiàng)研究中，弗吉尼亞理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)介紹旨在為VR提供下半身觸覺(jué)交互，使用戶能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)中行走，同時(shí)與各種模擬地形進(jìn)行交互的ForceBot。

它利用兩個(gè)平面龍門架，給每只腳兩個(gè)自由度和被動(dòng)的腳跟提升運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)采用動(dòng)捕數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)仿真相結(jié)合進(jìn)行人機(jī)工作空間和硬件選擇。它具有導(dǎo)納控制器調(diào)節(jié)物理人機(jī)交互（pHRI），以及步行算法來(lái)生成步行運(yùn)動(dòng)和模擬虛擬地形。總體而言，平臺(tái)提供了一種獨(dú)特的方法，利用平面龍門架實(shí)現(xiàn)VR地形交互。

在過(guò)去的幾十年里，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，越來(lái)越多的領(lǐng)域?qū)⑦@項(xiàng)技術(shù)用于各種目的，在教育、醫(yī)療保健、娛樂(lè)、工程等領(lǐng)域提供了顯著的好處。VR通過(guò)各種感官提供了一個(gè)模擬的世界，最常見(jiàn)的VR感官反饋形式是視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，這在創(chuàng)造沉浸式體驗(yàn)方面已經(jīng)被證明是有效的。

在最近的VR應(yīng)用中，觸覺(jué)反饋的添加已證明可以進(jìn)一步改善這種沉浸感，為模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景（如技能訓(xùn)練、教育和康復(fù)）提供可測(cè)量的改進(jìn)。然而，大多數(shù)觸覺(jué)設(shè)備專注于向上半身提供反饋；很少與下半身相互作用。

將觸覺(jué)反饋和下半身互動(dòng)結(jié)合起來(lái)，可以潛在地提高VR導(dǎo)航的舒適度和有效性。最常見(jiàn)的虛擬環(huán)境導(dǎo)航方法通常使用控制器、操縱桿或滑動(dòng)平臺(tái)。雖然有效，但設(shè)備通常缺乏身體運(yùn)動(dòng)，或者只能模擬簡(jiǎn)單的平地。

通過(guò)觸覺(jué)交互顯示計(jì)算機(jī)生成地形的能力可以拓寬VR應(yīng)用，模擬更廣泛的場(chǎng)景，允許用戶用自然的身體動(dòng)作穿越虛擬地形。在研究中，弗吉尼亞理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種專注于這種下半身交互的VR觸覺(jué)設(shè)備，在提供行走運(yùn)動(dòng)的同時(shí)允許用戶與模擬地形進(jìn)行交互。

目前市面沒(méi)有太多為下半身觸覺(jué)交互設(shè)計(jì)的設(shè)備。另外，以往的研究在測(cè)試更復(fù)雜的觸覺(jué)控制算法時(shí)，沒(méi)有提供足夠的數(shù)據(jù)來(lái)保證高性能，因而留下了很大的研究空白。研究要么不包括初步的用戶數(shù)據(jù)，要么讓用戶在一個(gè)小規(guī)模的工作空間里慢慢走。

弗吉尼亞理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)以先前的設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)，并提出了ForceBot。

裝置的目的是作為下半身觸覺(jué)交互的研究平臺(tái)。系統(tǒng)包含兩個(gè)平面龍門架，每個(gè)龍門架都有一個(gè)定制設(shè)計(jì)的腳平臺(tái)，為每只腳提供兩個(gè)主動(dòng)自由度和一個(gè)被動(dòng)后跟運(yùn)動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)同時(shí)提出了一種基于不同步態(tài)階段生成步行運(yùn)動(dòng)的步行算法，并可以模擬三種類型的地形來(lái)，包括平地，樓梯和凸塊。它具有導(dǎo)納控制器來(lái)調(diào)節(jié)人機(jī)交互，測(cè)量相互作用力以提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

ForceBot旨在幫助用戶使用機(jī)器人系統(tǒng)穿越VR地形。系統(tǒng)包含兩個(gè)平面龍門架，如圖1所示，用綠色標(biāo)記。每個(gè)平面龍門架都有一個(gè)連接到它的腳平臺(tái)，作為用戶將腳連接到系統(tǒng)的物理用戶界面，在圖1中用黃色標(biāo)記。每個(gè)足部平臺(tái)可以在矢狀面上獨(dú)立移動(dòng)，標(biāo)記為X軸和y軸。

足部平臺(tái)同時(shí)允許被動(dòng)抬腳跟運(yùn)動(dòng)，以改善步行交互。系統(tǒng)通過(guò)在站立階段沿著虛擬地面滑動(dòng)平臺(tái)，提供類似跑步機(jī)的行走體驗(yàn)。改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的約束條件可以模擬不同的虛擬地形。在擺動(dòng)階段，足部平臺(tái)只是跟隨用戶腳的運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)納控制器調(diào)節(jié)這種物理人機(jī)交互，將相互作用力轉(zhuǎn)化為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

設(shè)備平衡了工作空間和占用空間大小、控制性能和成本效益。與基于Stewart平臺(tái)的設(shè)計(jì)相比，所提出的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)更大的機(jī)器人工作空間，它同時(shí)比以前的其他設(shè)備具有更小的占地面積。另外，設(shè)備采用了現(xiàn)成的組件，降低了開(kāi)發(fā)成本，加快了開(kāi)發(fā)時(shí)間。當(dāng)然，團(tuán)隊(duì)坦誠(chéng)這種更緊湊、更經(jīng)濟(jì)的設(shè)備的局限性是單向行走和非驅(qū)動(dòng)的腳踝運(yùn)動(dòng)，這阻礙了用戶在VR中自由導(dǎo)航。盡管有其局限性，但所述裝置有能力作為地形模擬研究的平臺(tái)。

每個(gè)龍門架包含兩個(gè)線性執(zhí)行器（型號(hào)HMRB-18， OSPE32-BHD by Parker），為用戶的腳提供兩個(gè)自由度，如圖4所示。兩個(gè)龍門架由80毫米方形t型槽鋁型材構(gòu)成的基礎(chǔ)框架連接，可以輕松調(diào)整它們之間的間距。每個(gè)龍門架都有一個(gè)足部平臺(tái)，這是用戶的腳與系統(tǒng)接口的地方。限位開(kāi)關(guān)安裝在執(zhí)行器的每一端，以防止碰撞。每個(gè)線性執(zhí)行器由一個(gè)2000瓦的伺服電機(jī)與齒輪減速器配對(duì)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)提供6.37 Nm額定扭矩和19.1 Nm瞬時(shí)最大扭矩，扭矩常數(shù)為0.56 Nm/ a，機(jī)械時(shí)間常數(shù)為0.5 ms，標(biāo)稱轉(zhuǎn)速為3,000轉(zhuǎn)/分鐘。

為了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中的所有電機(jī)都是相同的，使用相同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通信協(xié)議和編碼器。x軸電機(jī)配3:1齒輪減速比，z軸電機(jī)配10:1齒輪減速比。每個(gè)電機(jī)都有一個(gè)高分辨率的23位絕對(duì)編碼器，由歐姆龍電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，提供電機(jī)速度控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)EtherCAT通信協(xié)議接收來(lái)自中央控制器計(jì)算機(jī)的命令。如圖5所示，足部平臺(tái)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在用戶和運(yùn)動(dòng)設(shè)備之間提供一個(gè)物理接口，在任何運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都不會(huì)打滑，允許腳跟抬起，并且可以感知設(shè)備和用戶之間的所有力相互作用。

另外，外部計(jì)算機(jī)運(yùn)行VR渲染軟件，并通過(guò)VR頭顯給用戶來(lái)自VR世界的視覺(jué)反饋。外部計(jì)算機(jī)允許集成不同的操作系統(tǒng)。它簡(jiǎn)化了與中央計(jì)算機(jī)上不兼容Linux操作系統(tǒng)的商用VR產(chǎn)品建立連接的開(kāi)發(fā)。外部計(jì)算機(jī)和中央計(jì)算機(jī)之間的通信是通過(guò)Web-Socket協(xié)議建立。

相關(guān)論文：Design and Development of a Locomotion Interface for Virtual Reality Lower-Body Haptic Interaction

總的來(lái)說(shuō)，團(tuán)隊(duì)提出了一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，為每只腳提供兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，并采用被動(dòng)腳跟提升機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)行走行為。設(shè)計(jì)過(guò)程利用動(dòng)態(tài)仿真的動(dòng)捕數(shù)據(jù)，使人機(jī)工作空間與基于仿真結(jié)果的設(shè)備選擇和硬件設(shè)計(jì)保持一致。

系統(tǒng)采用導(dǎo)納控制器進(jìn)行人機(jī)物理交互，調(diào)節(jié)人機(jī)交互力與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。控制器使用行走算法生成類似跑步機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)。最后，團(tuán)隊(duì)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了三次測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)模擬虛擬地形的能力。

未來(lái)的研究旨在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和評(píng)估所提出的裝置。首先，將專注于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的虛擬環(huán)境，以及進(jìn)一步開(kāi)發(fā)行走算法。改進(jìn)將包括推動(dòng)輔助，為每只腳提供更多的自由度，以及模擬地形屬性。其次，通過(guò)用戶研究來(lái)評(píng)估所提出設(shè)備的有效性，涉及一個(gè)完整的VR環(huán)境，對(duì)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的用戶進(jìn)行全面的評(píng)估，包括測(cè)量用戶的身體負(fù)荷、VR引起的不適和沉浸程度。