多领域应用的虚拟现实体感平台研发与应用

何志红 包秀莉

摘要：本文基于六自由度运动模拟器技术研发多领域应用的虚拟现实体感平台及其控制接口，以陶瓷文化为切入点，选取荣昌陶为平台应用对象，开发荣昌陶虚拟现实系统。通过虚拟现实体感平台，将虚拟现实技术和陶瓷艺术进行结合，实现荣昌陶器制作全过程的虚拟体验与教学培训。

关键词：虚拟现实;六自由度运动模拟器;体感平台

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0090-02

0 引言

近年来，虚拟现实技术得到业界广泛关注，呈现出资本市场大量涌入、应用产品层出不穷的态势。各国政府将虚拟现实产业发展上升到国家高度，将虚拟现实视为技术创新的重点方向，积极推动虚拟现实发展。我国在《中国制造2025》重点领域技术路线图中将虚拟现实列为智能制造核心信息设备领域的关键技术之一，工信部也在2018年底发布的《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》中明确提出：“虚拟现实要突破近眼显示、感知交互技术等关键核心技术，引导和支持“VR+”发展，强调感知交互技术要加快六轴及以上GHz慣性传感器、3D摄像头等的研发与产业化。”目前，国内院校或企业自主研发的六自由度运动模拟器主要用于汽车驾驶培训、游戏娱乐、交通系统的研究中，应用领域不广，性能上与国外领先企业相比还有一定的差距[1]。随着虚拟现实技术的发展与市场规模的迅速增长，虚拟现实产业已进入感知交互和内容制作为主的发展阶段，结合虚拟现实进一步研发基于六自由度运动模拟器技术的虚拟现实体感平台，运用感知交互技术和技术引擎提升用户体验和丰富内容，结合用户需求，实现体感平台在旅游会展、医疗健康、数字娱乐、电子商务、体育休闲、建筑规划、消防安全等多领域或行业中应用。

1 虚拟现实体感平台设计

六自由度运动模拟器是一种集计算机技术、计算机接口技术、人工智能技术、多媒体技术、三维实时动画技术、传感器技术、数据通信技术、网络技术等先进技术为一体的仿真系统[2]。基于六自由度的多领域应用的虚拟现实体感平台的研究与开发主要内容是体感平台的结构设计、平台建模、平台控制、平台测试等四个方面。其中，体感平台结构设计包括体感平台模块化分解、并联机构设计、旋转机构设计以及总体装配[3];体感平台虚拟样机设计包括几何建模、施加约束和载荷以及样机模型检验优化;体感平台控制系统的研发包括运动控制模块设计、控制实施模块设计、控制系统实物连接，实现单片机与PC之间的数据交换功能，完成体感平台零件组件设计制作、整机装配测试。

1.1 体感平台结构原理

六自由度虚拟现实体感平台的结构如图1所示。承载平台为上平台，通过六根伸缩液压缸控制平台的六个方向运动;下平台为固定基座，可以通过两个自由度的虎克铰或者三个自由度的球形铰作为液压缸和上下平台之间的连接装置，将虚拟现实体感平台设计成一种并联并联方式驱动的运动机构，机构设计有至少两个及以上自由度，并通过两个或两个以上的运动链连接动平台和定平台，以一种并联方式驱动的闭环机构改变六个可伸缩的作动筒，实现虚拟现实体感平台的横向、纵向、垂直向、俯仰、滚转、摇摆六自由度运动和自由度的复合运动。带驱动器的六根可伸缩杆与固定平台通过球铰联接，利用胡克铰与运动平台相连，使固定平台和运动平台上的铰链呈六边形分布。在体感平台工作时，上平台通过六根伸缩的液压缸运动和改变各个杆件的长度，得到不同的空间姿态，实现了各个方向的运动，也可以通过三个轴向的平移和旋转的组合，实现其他方位的复杂运动。

1.2 体感平台建模

由六个缸同时支撑的六自由度虚拟现实体感平台，相比串联机构的悬臂梁，在相同的自重或体积下，具有刚度大、承载能力高、结构稳定的特点;采用并联机构的平台没有误差积累和放大，因此误差小、精度高;平台采用对称式结构，各向同性好。根据体感平台特点进行体感平台建模如图2所示。

下平台六个铰支点的外接圆圆心即静坐标系oxyz的原点，oy平面与下平台的六个铰支点所在的面oB1重合;上平台基圆圆心即动坐标系ox1y1z1原点，oy1平面与上平台的六个铰支点所在的面oA1重合。在位置求解方面，采用并联机构的平台求反解相对容易，但是求正解比较困难。并联机构在在线实时计算时要求求反解，实现起来比较容易。运动学反解就是通过已知平台的位姿解各缸的伸长量，位置正解则是在已知六个液压缸的伸长量的情况下，求解运动平台的位置和姿态[4]。

1.3 体感平台控制

在体感平台建模基础上进行平台参数设计和算法求解，控制六根液压缸的自由伸缩和上平台不同方向的平移和转动。首先上位机通过网卡给主控计算机发送指令，主控计算机接收到有关模拟平台的运动参数指令后，运用平台变换空间运动模型，反解解出六只电动缸的伸长量，传输PCL启动现场连线，通过驱动器内部PC得到信息且驱动电动机转动;同时，电动机上的编码器将检测出电动机的力矩、速度、位置信息发送到驱动器，构成一个闭环控制系统，实时精确的控制各电动缸的伸长量，并把信息传输给主控机，主控机确保六只电动缸的协调动作，从而使平台进行所要求的运动。

1.4 体感平台测试与应用

体感平台研发完成后需要进行系统集成测试，本文以荣昌陶为对象，研发荣昌陶虚拟现实系统。荣昌陶历史悠久、工艺精湛，其制作技艺被列入国家级非物质文化遗产。为了复兴千年荣昌陶，很好地传承中华非物质遗产，通过体验荣昌陶的制作过程，了解制陶的艰辛以及中华文化的博大精深，采用虚拟现实技术研发集真实性、交互性、趣味性为一体的虚拟现实系统。为了实现荣昌陶的虚拟演练，体感平台应需要机械、控制、电气、实时信号传输、虚拟场景、计算机技术等方面的协同配合，平台具体研发技术路线如图3所示。

荣昌陶虚拟现实系统主要通过荣昌陶场景设计，快速建立挖陶土、制陶、烧窑、烧陶等模型和场景，用户通过穿戴体感设备进行实时交互，采集输入设备、人体特征等信息，并通过显示器和音响系统给用户提供视觉和听觉信息，软件通过USB接口将消防演练姿态信息传输给下位机控制系统，控制运动模拟器做出相应的运动模拟，给用户带来动感交互体验，最终进行荣昌陶虚拟现实系统集成测试，完成虚拟现实六自由度模拟样机的研发，并加以应用到其他领域或行业。

2 结语

本文所构建的多领域应用的虚拟现实体感平台，通过平台配合虚拟现实交互系统里的荣昌陶场景，实现荣昌陶虚拟现实情境演示，后期根据不同的虚拟现实交互场景改变虚拟现实体感平台的外观形状，从而应用到其他行业，以满足多领域不同用户的需求，具有广泛的应用价值和推广价值，可以进一步促进虚拟现实关键核心技术和“VR+”的发展。

参考文献

[1] 杨灏泉，赵克定，吴盛林，等.飞行模拟器六自由度运动系统的关键技术及研究现状[J].系统仿真学报，2002（1）：84-87.

[2] 李安定.虚拟现实建模技术研究及其在汽车驾驶模拟器中的应用[D].武汉理工大学，2006.

[3] 肖慧琼.六自由度平台体感算法研究[D].北京交通大学，2014.

[4] 延皓，李洪人，姜洪洲，等.六自由度运动模拟器的动感模拟算法研究[J].机械工程师，2003（11）：25-28.