[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

本發明公開了一種面向磁懸浮視觸覺交互的多速率協同方法及系統，首先利用多射線對虛擬觸覺工具進行建模，通過碰撞檢測獲得射線在虛擬場景的碰撞信息；然后將射線集合與碰撞信息集合做穿透檢測計算，進而處理得到非穿透工具理想位姿；最后構建力學等效模型，實現六自由度觸覺渲染力計算。系統包括視覺定位模塊、物理仿真模塊和觸覺渲染模塊；視覺定位模塊負責跟蹤用戶操作，并構建用戶操作到虛擬工具位姿的穩定映射；為協調系統多模塊之間的運行速率差異，通過多速率協同并行方法，以共享內存雙緩沖區的通信方式實現了系統多速率模塊間的穩定、高效協同。本發明能夠有效避免交互過程中工具的穿透視覺偽影，并提供穩定、真實的視觸覺反饋。

技術領域

本發明涉及人機交互技術領域，具體涉及面向磁懸浮視觸覺交互的多速率協同方法及系統。

背景技術

觸覺是人類賴以探索世界的重要感覺通道。目前，許多途徑可用以提供實體觸覺，如振動[1]、機械[2]、磁懸浮[3]。目前廣泛使用的Geomagic Touch的Phantom[2]觸覺設備基于機械傳動方式提供觸覺反饋，交互過程中受到機械關節固有摩擦、慣性的影響，且操作空間有限。基于磁懸浮的非接觸交互方式消除了機械交互方式中存在的固有摩擦，操作更加自由，具有廣闊應用前景。但現有的觸覺開發工具(如openHaptics觸覺開發工具[4])均無法針對磁觸覺設備使用，為此本發明基于磁懸浮觸覺增強設備[3]，提出一種面向磁懸浮視觸覺交互的多速率系統框架，該系統由視覺定位、虛擬場景物理仿真和觸覺渲染三部分組成，各部分相互協同。

為確保視觸覺交互過程中的視覺可信性，需構建真實可信的虛擬場景。本發明采用基于位置的動力學(Position based Dynamics,PBD)[5]作為虛擬場景的物理仿真方法。PBD相對于傳統仿真中使用的有限元方法(Finite Element Method,FEM)[6-7]而言，計算效率更高、實時性更強、交互性更好。此外，與傳統機械定位方式不同，設備采用視覺定位方式。因此，需構造面向磁觸覺設備的定位數據映射算法。

在磁懸浮視觸覺交互中，為避免虛擬工具穿透物體，并提供穩定真實的觸覺反饋，觸覺渲染算法至關重要，但針對磁懸浮觸覺設備[3]，現有OpenHaptics[4]觸覺開發工具無法直接使用，因此需建立面向磁觸覺設備的具體觸覺渲染算法。在計算機觸覺研究早期，絕大部分觸覺渲染算法是3-DOF(Degree of freedom)的，用戶通過控制虛擬代理點與虛擬環境進行交互，生成3-DOF觸覺反饋，經典方法包括god-object[8]，virtual proxy[9]，ray-based[10]等。以上3-DOF算法實現簡單、計算效率高，但由于無法提供反饋力矩信息，適用場景有限。此后，隨著觸覺生成硬件不斷發展，6-DOF觸覺渲染算法得以出現，其以6-DOF形式記錄虛擬工具運動軌跡，并且可同時提供反饋力、力矩，相較于3-DOF算法具有更高精度，但其計算復雜度往往較高。

在本發明中，考慮到所使用的磁懸浮觸覺設備[3]的手持觸覺接口為一根底部配置小磁鐵的桿狀工具，充分結合3-DOF與6-DOF算法各自的優點，通過對現有3-DOF基于射線的觸覺渲染方法[10]的擴展，提出一種多射線觸覺渲染方法，基于力系等效原理[11]，其不僅能提供6-DOF逼真觸覺反饋，有效避免工具“穿透”，同時也滿足觸覺刷新頻率的要求。

此外，在視觸覺交互場景中，圖形渲染的刷新頻率一般為30Hz左右，但維持觸覺渲染算法穩定需要1kHz以上的刷新頻率[12]。傳統的針對這一速率沖突的解決方法主要分為兩類：一是通過降低物理仿真的計算復雜度，即提高物理仿真的計算速度來滿足觸覺更新頻率的要求，典型方法包括模態分析[13]，形變預計算[14]等，但這種簡化會對仿真的真實性與穩定性造成影響。另一類為多速率方法，通過將形變仿真和觸覺渲染劃分成不同更新頻率的并行模塊，高速率觸覺渲染通過捕捉低速率形變仿真的瞬態值以計算觸覺反饋[15-17]。本發明采用第二種方法，通過多線程并行技術實現系統不同模塊間的多速率協同。

參考文獻