[發明專利]一種面向磁懸浮視觸覺交互的多速率協同方法及系統

有效

• 申請號: 202010072649.X
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111274705B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 袁志勇;石杰元;趙儉輝;李瀟灑
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T19/00;G06F3/01
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魏波

1.一種面向磁懸浮視觸覺交互的多速率協同方法，采用面向磁懸浮視觸覺交互的多速率協同系統；

其特征在于：所述系統包括視覺工具、虛擬觸覺工具、視覺定位模塊、物理仿真模塊、觸覺渲染模塊、觸覺生成模塊；

所述視覺工具，為操作者實際手持工具，其底部設置有磁鐵；所述虛擬觸覺工具，建模成一根剛性桿，其位置、速度增量將僅來源于手持視覺工具的移動，且不具備其它任何增量來源；所述觸覺生成模塊，用以生成對應的實際作用磁力，進而影響用戶操作，產生實體觸覺；

所述方法包括以下步驟：

步驟1：用戶手持視覺工具進行操作，其運動被視覺定位模塊所捕捉；

步驟2：視覺定位模塊、物理仿真模塊和觸覺渲染模塊并行執行下述操作；

視覺定位模塊跟蹤用戶操作，構建用戶操作到虛擬觸覺工具位姿的穩定映射；

物理仿真模塊對交互過程中的物理現象進行建模仿真；

觸覺渲染模塊實現對應的六自由度觸覺渲染計算；

步驟3：觸覺渲染模塊將計算得到的觸覺反饋信息傳遞給觸覺生成模塊；最終觸覺生成模塊生成相應的磁場，與視覺工具底部磁鐵發生相互作用，進而使用戶感受到真實的反饋力，并對用戶接下來的操作造成影響；

步驟3的具體實現包括以下子步驟：

步驟3.1：視覺定位模塊跟蹤用戶操作，實施虛擬觸覺工具位姿映射，將數據以頻率f₁寫入共享寫緩沖區W1中，計算周期末，將W1的數據復制到共享讀緩沖區R1中；

步驟3.2：虛擬場景物理仿真模塊以頻率f₂從共享讀緩沖區R1讀取位姿數據，進行虛擬場景物理仿真計算，更新虛擬場景、碰撞對信息C^t，并將當前位姿、C^t寫入共享寫緩沖區W2中，計算周期末，將W2的數據復制到共享讀緩沖區R2中；

步驟3.3觸覺渲染模塊以頻率f₃從共享讀緩沖區R2讀取相關數據，進行觸覺渲染計算，并更新當前圖形工具位姿信息計算周期末，將六自由度觸覺反饋計算力數據傳遞給觸覺生成模塊，生成相應實體觸覺；

系統通過多速率并行協同方法，實現速率不一致模塊間相互協同。

2.根據權利要求1所述的面向磁懸浮視觸覺交互的多速率協同方法，其特征在于，步驟2中所述構建用戶操作到虛擬觸覺工具位姿的穩定映射，具體實現包括以下子步驟：

步驟2.1.1：定義視覺工具位姿向量為其中，表示視覺工具的質心位置坐標，表示視覺工具的主軸方向，和則分別代表視覺工具的位置子向量和旋轉子向量；

步驟2.1.2：通過用戶手持視覺工具在視覺定位區域中進行任意的操作移動，對操作過程中的定位輸出數據進行統計處理，得出交互過程中視覺定位數據的具體范圍，定義邊界向量為：

其中，上標B代表邊界，和分別表示視覺定位輸出數據的最小、最大值，和分別代表邊界向量的最小值子向量和邊界向量的最大值子向量；

步驟2.1.3：基于邊界向量構造從視覺工具位姿向量到虛擬觸覺工具位姿向量的映射關系，實時映射到虛擬觸覺工具的運動中；

其中，位姿向量的x坐標的映射關系如下：

L_x代表虛擬觸覺工具x坐標范圍區間的長度，T_x代表x坐標區間左端點相對于原點的平移量，y,z坐標也同理進行映射，針對位姿信息的旋轉分量，執行從單位方向向量到歐拉角的變換即可。

3.根據權利要求1所述的面向磁懸浮視觸覺交互的多速率協同方法，其特征在于：步驟2中，物理仿真模塊通過基于位置的動力學物理仿真方法PBD對虛擬物體的物理特性進行建模仿真，其中針對虛擬物體形變特性，利用體積保存約束進行建模；特別地，針對虛擬觸覺工具，將其建模成一根剛性桿，其位置、速度增量將僅來源于手持視覺工具的移動，且不具備其它任何增量來源。