CN102640199A - 用于通过触觉反馈仿真特定运动的方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿真虚拟车辆运动的方法，用户与包括力反馈触觉界面的仿真器物理接触，其中，物理接触对应触觉界面和用户身体之间的至少一个物理接触点，物理接触点表示用户和虚拟车辆之间的虚拟接触点。该方法包括至少两个步骤。第一步(101)涉及确定用户和虚拟车辆之间的虚拟接触点处的线性加速度矢量(公式(I))和线性速度矢量(公式(II))，所述矢量表示车辆在接触点处的运动。第二步(102)涉及从线性加速度矢量(公式(I))和线性速度矢量(公式(II))推导三维力矢量(公式(III))，所述力矢量由线性加速度矢量和速度矢量的线性组合预先确定，通过触觉界面基本上在物理接触点处施加相应的力。本发明还涉及一种仿真车辆运动的装置。

Description

用于通过触觉反馈仿真特定运动的方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及一种用于通过触觉反馈仿真运动的方法及其实现装置。本发明尤其适用于运动仿真和感知领域。本发明例如可以用于汽车仿真器或飞机仿真器，视频游戏，主题公园景点，或礼堂、如影剧院。

背景技术

生物对自身运动的感知，特别是人类，是由一种包含了几种类型的复杂机制产生的结果。所包含的类型尤指触觉、听觉、视觉、本体感觉和前庭系统。在以下的描述中，触觉感知(haptic)类型定义为触觉和本体感觉这两种类型的结合。通过对一种类型的刺激，可以使一个不动或几乎不动的人有运动的感觉。也可以同时进行多种类型的刺激来增强运动的感觉。为此，多模态感知机制成为许多研究的主题，例如，O.Ernst et M.S.Banks intituléHuman integrate visualand haptic information in a statistically optimal fashion，Nature，Vol.415，Janvier2002(欧·恩斯特和M·S·班克斯所写的题为《人类以统计最优方式将视觉信息与触觉信息整合》的文章，载于《NATURE》杂志，2002年1月第415卷)。

目前有三种基于机械刺激的主要方法旨在给人以运动的感觉。同时，为刺激人的视觉，通常会在屏幕上放映视频流。

第一种方法的原理在于将振动传给用户。术语“用户”以后是指使用运动仿真装置并因此能够产生运动感觉的任何人。如果所述用户坐在座椅上，一个或多个振动装置可安装在该座椅下，并且当决定传输运动的印象时被激活。这种方法是三种方法中最基础的，但也是实施最经济的方法。实际上，能够用来控制振动装置的信号很简单，而且振动的频段是有限的。另一方面，这种方法没有给人一种加速的感觉。

第二种方法是利用液压千斤顶。使用这种方法的仿真器通常由固定在供电式千斤顶平台上的驾驶室构成，用户坐在驾驶室里。控制千斤顶使其能倾斜驾驶室，因此能给予运动的感觉。与上述使用振动装置的方法不同的是，这种方法可以传送加速的感觉，不过是断断续续的。而且，这种方法实施成本显著。

在第三种方法中，利用轨道使用户所乘坐的驾驶室或座椅运转起来，这种方法也是很昂贵的。这种方法由于使用有限尺寸的轨道，能够给予短时间持续加速的感觉。这种发明的另一个缺点是仿真运动不是实时的。实际上，使在轨道上的驾驶室或座椅运转起来之前必须完成尤其涉及仿真运动轨迹的计算。另外，实施这种方法要使用大型设备。

上述三种方法有一个共同的缺陷是不能传送长久且持续的加速感觉。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于弥补上述缺点。

为此，本发明涉及一种用于仿真虚拟车辆的运动的方法，用户与包括力反馈触觉界面的仿真器物理接触，其中，所述物理接触对应触觉界面和用户身体之间的至少一个物理接触点，该物理接触点表示用户与虚拟车辆之间的虚拟接触点。本发明包括至少两个步骤。第一步涉及确定用户和虚拟车辆之间的虚拟接触点处的线性加速度矢量和线性速度矢量

所述矢量表示车辆在所述点处的运动。第二步涉及从该线性加速度矢量

和线性速度矢量

推导出三维力矢量

所述力矢量由线性加速度矢量

和线性速度矢量

的线性组合预先确定，通过所述触觉界面基本上在所述物理接触点处施加相应的力。

根据本发明的一方面，例如可从线性加速度功率、线性速度功率与线性加速度时间导数功率的线性组合推导力

根据本发明的一方面，本方法包括用于确定用户与触觉界面之间的虚拟接触点处的角加速度矢量

的步骤，所述矢量表示所述车辆在所述虚拟接触点处的运动。

本发明的实施例包括用于推导角加速度矢量

的三维转矩矢量

的步骤，所述转矩矢量与所述加速度矢量和通过所述触觉界面基本上在所述物理接触点处施加的相应的转矩成比例。

例如力

验证下列表达式：

${\stackrel{\→}{F}}_{3D}=\mathrm{\α}\×m\×{\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}}_{\mathrm{lin}}$

其中：

为三维的线性加速度矢量；

α为可配置的实系数；

m为仿真车辆的质量。

在一实施例中，转矩

验证下列表达式：

${\stackrel{\→}{C}}_{3D}=\mathrm{\β}\×I\×{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{ang}}$

其中：

是三维的角加速度矢量；

β是可配置的实系数，该实系数可为正值或负值；

I是仿真车辆的转动惯量。

在一实施例中，触觉界面与用户之间的物理接触点对应虚拟车辆上的刚性支点。

在另一实施例中，触觉界面与用户之间的物理接触点对应所述虚拟车辆的控制设备上的虚拟接触点。

本发明还涉及一种用于仿真虚拟车辆的运动的装置，用户与包括力反馈触觉界面的装置物理接触，所述物理接触点对应触觉界面与用户身体之间的至少一个物理接触点，所述物理接触点表示用户与虚拟车辆之间的虚拟接触点。所述装置包括：用于确定用户与虚拟车辆之间的虚拟接触点处的线性加速度矢量

和线性速度矢量

的设备，所述矢量表示所述车辆在所述接触点处的运动；以及用于从线性加速度矢量

和速度矢量

推导三维力矢量

的设备，所述力矢量由所述线性加速度矢量和速度矢量的线性组合确定，通过触觉界面基本上在物理接触点处施加相应的力。

在本发明的一个实施例中，从线性加速度功率、线性速度功率和线性加速度时间导数功率的线性组合推导力

根据一实施例，所述装置包括用于确定用户和触觉界面之间的接触点处的角加速度矢量的设备，所述矢量表示所述车辆在所述接触点处的运动。所述装置例如包括用于从角加速度矢量

推导三维转矩矢量

的设备，所述转矩矢量与所述加速度矢量和通过所述触觉界面基本上在所述物理接触点处施加的相应的转矩成比例。

根据一实施例，触觉界面是反馈力臂，该反馈力臂包括圆柱，所述圆柱用作与用户的身体接触的点。

根据另一个实施例，触觉界面是反馈力臂，该反馈力臂包括反馈力轮，所述反馈力轮用作与用户的身体接触的点。

所述装置例如包括用于向用户投射视频图像的序列的装置，所述序列表示车辆的仿真运动。

本发明尤其具有能够不占用很大空间实施的有益效果。而且，本发明可以用于实时仿真的环境中。

附图说明

根据附图提供的信息，利用如下的描述，本发明的其他特征和有益效果将是显而易见的，其中：

图1示出了根据本发明的运动仿真方法；

图2提供了实施根据本发明的方法的仿真装置的实例；

图3提供了与力反馈轮有关联的反馈力臂的实例。

具体实施方式

图1示出了本发明的运动仿真方法。该方法尤其使控制触觉界面成为可能，例如利用力反馈。运动的感觉被传递给通过所述触觉界面刺激的用户。

例如，力反馈触觉界面通常用来重建与动作相关的、实际感知在屏幕上的感觉。为此，触觉界面对至少一个机械装置施加压力使向界面上的用户传输所谓的反馈力成为可能。

在车辆、轮船或飞机的运动仿真领域中，力反馈轮或手柄可以用作触觉界面。驱动有关的电阻效应可随后被用户潜在地感觉到。在以下的描述中，术语“车辆”用于指能容纳至少一个乘客的任何移动设备。

根据本发明的方法可分为三个步骤，例如，一个先前步骤和两个主要步骤。

先前的配置步骤100可以定义车辆仿真的类型和其特性。从而，清晰地定义了车辆移动的环境。如果该仿真车辆是轨道车辆，那么可以选择旅行和所用轨道的类型。也可以配置所用地形的类型，例如崎岖地形。其他元素和它们的属性也可被选择，例如天空的类型或海洋的存在，以及仿真车辆在虚拟运动环境中的位置。

该配置步骤100也可以选择仿真车辆的类型，即下文中提到的虚拟车辆。例如，可以选择火车、自行车、汽车、飞机或轮船。车辆也可以对应到人类，以致例如行走类运动。同样在配置步骤100中，在虚拟接触点和虚拟车之间可以确定连接的类型、刚性与否。虚拟接触点定义为用户想要虚拟互动的虚拟车辆的一部分，例如车轮、公共汽车中的杆、系于货车上的绳子或虚拟车辆上能与用户相接触的任何其他部分。在以下的描述中，物理接触点定义为用于与用户真实接触的触觉界面的部分。

在第一主要步骤101中，物理引擎分析使用目前工艺水平的方法仿真车辆在三维环境中的虚拟运动，并且确定在身体的与触觉界面接触的部分上车辆运动所产生的线性加速度矢量

和角加速度矢量

所述矢量在三维空间中示出。所述物理引擎还可以估算车辆的速度。这一估算将考虑到与车辆的其他部分相接触的虚拟点的连接的刚性或非刚性方面，确定虚拟接触点处的线性加速度和角加速度。物理引擎还可以估算车辆的角速度

和

在第二主要步骤102中，计算刺激指令以控制触觉界面103、104。实际上，虚拟接触点处的线性加速度矢量和角加速度矢量转化成基本上在所述物理接触点处施加的力和转矩，从而身体与触觉界面接触的部分受到刺激，所述矢量在三维空间中示出。其他指令105也可以由引擎确定以控制其他设备，例如多媒体类型的设备。所述多媒体设备例如使得能够投射一系列图像到屏幕上，同时伴随有表示为用户而设置的车辆的运动的声音。环境中的声音也可以被播放。

在某个特定的实施例中，多媒体设备中可能不呈现仿真车辆，但可能呈现触觉界面处待仿真的仿真车辆的运动，这种类型的优点在于能够用于导航应用的环境中。从而用户能够在虚拟的城市中移动，例如当具有运动的幻觉时。

触觉界面在至少一个点处与用户接触，这个点对应与车辆刚性连接的支点或者例如与所述车辆的控制设备连接的非刚性接触点，所述车辆的控制设备诸如控制手柄或车轮或系于车辆上的元件，如绳索。触觉界面和用户之间的接触点可以对应车辆上用户的虚拟支点，该支点与所述车辆的其他部分存在有摩擦或无摩擦的粘弹性连接。

在执行所述方法的第三个步骤的过程中，反馈力和转矩被确定以被施加到触觉界面上物理接触点处的用户身体上，例如手上。如果有几个物理接触点，则可能对每个接触点都确定力和转矩。所述力104和转矩103是三维的，并分别与前述步骤中确定的线性加速度矢量和角加速度矢量成比例。

反慑力

即由力反馈触觉界面施加的力，可根据下面表达式写成三维矢量：

${\stackrel{\→}{F}}_{3D}=\mathrm{\α}\×m\×{\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}}_{\mathrm{lin}}---\left(1\right)$

其中：

为三维矢量中所示的虚拟接触点处的线性加速度矢量；

α为可配置的实系数；

m为车辆的质量。

系数α可为正或负。这意味着力

可以与加速度

方向的相同或相反。明智地将α参数化并因此选择力

的方向和强度的可能性使调整仿真来适应用户成为可能。

当力反馈臂用作触觉界面时，力

可以使用下列表达式表示为所述臂的刚度系数的函数：

${\stackrel{\→}{F}}_{3D}=K_r\×\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中：

K_r为所述臂的刚度系数；

为表示力反馈臂的运动的三维矢量；

利用表达式(1)和表达式(2)，系数α和的关系可表示为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}=\mathrm{\α}\×\left(\frac{m}{K_r}\right)\×{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{lin}}---\left(3\right)$

该表达式尤其使调整系数α以适应所用力反馈臂的特性成为可能。

在一个可替换的实施例中，可以从利用下面的表达式从加速度

线性速度

和线性加速度的导数

的线性组合推导力

${\stackrel{\→}{F}}_{3D}=\mathrm{\α}\×m\×{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{lin}}+{\mathrm{\α}}^{\′}\×{\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{lin}}+{\mathrm{\α}}^{\′\′}\×\stackrel{\→}{J}---\left(4\right)$

其中

α′为第二可配置的实系数；

α″为第三可配置的实系数；

为表示线性加速度矢量的时间导数的矢量，通常由盎格鲁-撒克逊(Anglo-Saxon)表达式“jerk”指定。

在本发明的一个可替换的实施例中，力

可表示为线性加速度的功率、线性速度的功率和线性加速度的时间导数的功率的线性组合。力

也可以通过利用车辆的轨迹上的信息确定，诸如例如曲线半径或所述车辆的位置。

如前所述，本方法的第二主要步骤102确定施加在触觉界面上物理接触点处的用户身体上的反馈力和转矩。该转矩被基本上施加在力

的应用点处，并可利用下列表达式表示：

${\stackrel{\→}{C}}_{3D}=\mathrm{\β}\×I\×\left|\right|{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{ang}}\left|\right|\×\stackrel{\→}{r}---\left(5\right)$

其中：

为以三维示出的虚拟接触点处的角加速度矢量；

β为可配置的实系数，该实系数可为正值或负值；

I为仿真车辆的转动惯量；

为与

有相同方向的单向旋转矢量。

转矩也可以用下列表达式表示：

${\stackrel{\→}{C}}_{3D}=\mathrm{\τ}\×\mathrm{\θ}\×\stackrel{\→}{r}---\left(6\right)$

其中：

τ为力反馈臂的扭转常量；

θ为待行进的角度。

可用下列表达式联系θ与系数β：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\β}\×\left(\frac{1}{\mathrm{\τ}}\right)\×\left|\right|{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{ang}}\left|\right|---\left(7\right)$

表达式(7)从而使调整系数β以适合所用触觉界面的特性成为可能。

图2提供了实施根据本发明的方法的仿真装置的实例。在该实例中，用户200坐在座位201上，表示存在于仿真车辆中。诸如与存储电路相关的微处理器的计算装置可用于执行之前描述的所述方法的各个不同步骤。所述装置例如可以放置在座位201的底部204内。可以使用一个或多个多媒体设备。例如，屏幕可放置在座位201以及围绕所述座位设置的多个音频附件之前，该多媒体设备未在所述附图中示出。多媒体信息也可以使用例如hmd类型的头戴式显示器传输，允许便携式多媒体设备。该实例中所使用的触觉界面是力反馈臂。该力反馈臂由基座构成，该基座与两个平行的所谓基轴的机械轴208、209连接，，所述轴能够在同一平面内围绕设置在基座内的旋转轴旋转，所述两个轴在旋转运动的过程中保持平行。基轴的第一端连接到基座，基轴的第二端连接到所谓主轴205的机械轴。基轴的运动使引起主轴的二维旋转运动成为可能。主轴包括三个子轴205、206、207和引擎块210。第一子轴205与基轴208、209连接，其另一端与引擎块210连接，所述块相对于第一子轴205是静止的。引擎块还与主轴的另外两个所谓柱子轴的子轴206、207相连接。引擎块使引起相对于所述两个子轴的旋转和平移运动成为可能，三个子轴206、207、205保持同一方向。柱连接到两个柱子轴203。所述柱例如由与所述子轴接连的臂211和接触部分203组成，操作员与所述部分接触，例如通过用双手抓住所述部分。因此，不同的轴的受控的运动允许力

和转矩

在柱处的平移。

通过使用前述的刺激指令控制的力反馈臂使传输运动的感觉给用户成为可能。在触觉仿真中，用户意图抵制他所承受的力

和转矩

因此，对用户感受到的运动的感觉的持续时间理论上没有限制。

图3提供了与力反馈轮相关联的力反馈臂的实例。力反馈臂300与图2所述的力反馈臂相似，除与柱对应的部分。实际上，可以使用力反馈轮301。结合所述臂的其他元素，可能有三维可平移的轮，其轴不再仅是所述轮的固定轴，而是三维旋转轴。实际上，以汽车为例，例如倾斜路面上转弯时，驾驶员手中受到的转矩不一定在轮的轴心上。

Claims (15)

1.一种用于仿真虚拟车辆的运动的方法，用户与包括力反馈触觉界面的仿真器物理接触，其中所述物理接触对应于触觉界面和用户身体之间的至少一个物理接触点，所述物理接触点表示用户与虚拟车辆之间的虚拟接触点，其特征在于，所述方法包括至少两个步骤：

第一步(101)，用于确定用户与虚拟车辆之间的虚拟接触点处的线性加速度矢量和线性速度矢量

所述矢量表示车辆在所述点处的运动；

第二步(102)，用于从线性加速度矢量

和线性速度矢量

推导出三维力矢量

所述力矢量由所述线性加速度矢量和所述线性速度矢量的线性组合确定，通过触觉界面基本上在物理接触点处施加相应的力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，力

由线性加速度功率、线性速度功率和线性加速度时间导数功率的线性组合推导出来。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括用于确定用户与触觉界面之间的虚拟接触点处的角加速度矢量

的步骤，所述矢量表示车辆在所述虚拟接触点处的运动。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法包括用于推导角加速度矢量

的三维转矩矢量

的步骤，所述转矩矢量与所述加速度矢量和通过触觉界面基本上在物理接触点处施加的相应的转矩成比例。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，力验证下列表达式：

${\stackrel{\→}{F}}_{3D}=\mathrm{\α}\×m\×{\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}}_{\mathrm{lin}}$

其中：

为三维的线性加速度矢量；

α是可配置的实系数；

m为仿真车辆的质量。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，转矩验证下列表达式：

${\stackrel{\→}{C}}_{3D}=\mathrm{\β}\×I\×{\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{ang}}$

其中：

为三维的角加速度矢量；

β为可配置的实系数，该实系数可为正值或负值；

I为仿真车辆的转动惯量。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，触觉界面和用户之间的所述物理接触点对应于虚拟车辆上的刚性支点。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，触觉界面和用户之间的物理接触点对应于虚拟车辆的控制设备上的虚拟接触点。

9.一种用于仿真虚拟车辆的运动的装置，用户与包括力反馈触觉界面的装置物理接触，所述物理接触对应于触觉界面和用户身体之间的至少一个物理接触点，所述物理接触点表示用户与虚拟车辆之间的虚拟接触点，其特征在于，所述装置包括：用于确定(101)用户与车辆之间的虚拟接触点处的线性加速度矢量

和线性速度矢量

的设备，所述矢量表示所述车辆在所述点处的运动；以及用于从线性加速度矢量

和速度矢量推导(102)三维力矢量

的设备，所述力矢量由所述线性加速度矢量和所述线性速度矢量的线性组合确定，通过触觉界面基本上在接触点处施加相应的力。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，从线性加速度功率、线性速度功率和线性加速度时间导数功率的线性组合推导力

11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述装置包括：用于确定用户与触觉界面之间的接触点处的角加速度矢量

的设备，所述矢量表示车辆在所述接触点处的运动。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置包括：用于从角加速度矢量

推导三维转矩矢量

的设备，所述转矩矢量与所述加速度矢量和通过触觉界面基本上在物理接触点处施加的相应的转矩成比例。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述触觉界面是反馈力臂，所述力反馈臂包括圆柱(203)，所述圆柱(203)用作与用户身体接触的点。

14.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述触觉界面是反馈力臂(300)，所述反馈力臂(300)包括反馈力轮(301)，所述反馈力轮(301)用作与用户身体接触的点。

15.根据上述权利要求10至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于向用户投射视频图像的序列的装置，所述序列表示车辆的仿真运动。

Images