【正文】 ．27所示的那樣。圖8．28是整個顯示盒的切面圖。在使用過程中，我們不得不利用這個天線插孔，這也就意味著，不管是什么信號，我們都必須把視頻信號轉(zhuǎn)換成普通的電視信號，再進一步轉(zhuǎn)換成天線插孔能接收的信號形式。數(shù)據(jù)手套的原理、結(jié)構(gòu)和功能1．手的模型 人的手具有27自由度，其中6個為臂部自由度，表示手的位置和方向，掌部有21自由度。手的模型及其關(guān)節(jié)定義如圖1所示，并建立如圖2所示的坐標系統(tǒng)。②PIP關(guān)節(jié)的彎曲約束，即DIP的運動都要引起PIP關(guān)節(jié)的運動。④MP關(guān)節(jié)的內(nèi)收、外展約束。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)手套采用光纖、導(dǎo)電油墨或FSR(導(dǎo)電橡膠)作為介質(zhì)依附在手套上作為傳感裝置的方法有3點不足：①手套的大小限制了手套的戴用者范圍。因此，我們設(shè)計了機械連桿機構(gòu)用于檢測關(guān)節(jié)運動。1）單自由度機構(gòu)檢測原理分析　　單自由度機構(gòu)安裝在手指末端(DIP)和中間關(guān)節(jié)(PIP)，機構(gòu)簡圖見圖3。在手指的運動范圍內(nèi)，對式(2)進行仿真，可得到一近似線形的曲線。圖4中G為用來檢測MP關(guān)節(jié)內(nèi)收及外展運動的電位計；A為G上方鉸鏈；B為檢測MP關(guān)節(jié)彎曲運動電位計；C、D是戴在P1指骨處的支座立軸及其上方鉸鏈；E為MP關(guān)節(jié)位置。 圖4 自由度關(guān)節(jié) 圖5　計算用圖通過解算有運動約束的非同心圓周運動得到手指關(guān)節(jié)的位置。由于檢測擺動的電位計與所測關(guān)節(jié)不同軸，造成這2自由度的運動耦合。在數(shù)據(jù)處理模塊中，我們將信號濾波，并把信號電壓值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。在標定時，操作者應(yīng)作兩個手勢［7］，使手指基本處于自然運動的極限位置。模型包括5個手指、17個關(guān)節(jié)。3．試驗數(shù)據(jù)表中列出了標定試驗的一些檢測數(shù)據(jù)，其中平均差值為差值欄的平均值；某兩次張(或握)手時檢測值的差稱為漂移?？梢园l(fā)現(xiàn)DIP的運動范圍約為PIP的3/5～2/3?！?90176。176。另外根據(jù)試驗分析，引起上述漂移的主要以下3個因素：機械零件之間裝配間隙及運動回差；支座與手指之間相對滑移；手指復(fù)位的準確性。目前國內(nèi)還沒有自行研制的虛擬現(xiàn)實力反饋設(shè)備的產(chǎn)品，大多科研機構(gòu)在進行虛擬現(xiàn)實觸覺研究時所需的設(shè)備大都從國外購買，使研究工作受到限制。設(shè)計的要求1． 力反饋設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)整個力反饋設(shè)備的結(jié)構(gòu)可以用圖1表示。其中機械部分對整個設(shè)備的性能影響非常大，它確定了設(shè)備的可達空間，控制方法的效率、反饋力的效果等。2． 力反饋設(shè)備的運作狀況 在模擬觸覺的過程中，設(shè)備的運作可以分為以下兩種情況：1）用戶在虛擬空間中任意移動，沒有接觸虛擬物體。根據(jù)國外的一些相關(guān)研究，設(shè)備工程設(shè)計要求如下： 小回差（backdrive)：電機在減速器上的輸出回差最好小于0．5度； 小摩擦力：最好小于0．1N 小慣性：最好小于50克； 未平衡的重力??；最好小于0．5N。軟物體的模擬涉及到物體的變形，這首先需要修改虛擬環(huán)境中虛擬物體數(shù)據(jù)庫，再進行虛擬反饋力的計算，同時也要同步顯示虛擬物體的變形。所以設(shè)備只能盡量提高虛擬物體所能達到的硬度。因此機械結(jié)構(gòu)要達到盡量大的硬度，減小設(shè)備的質(zhì)量和摩擦力，并且重心盡量接近基座。設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵問題1．運動空間的確定運動空間是設(shè)備的最基本特性，設(shè)備的其他所有特性的設(shè)計都取決于一定的運動空間p1。根據(jù)這三個層次，可以制訂設(shè)備的運動空間。2．機械結(jié)構(gòu)的確定 機械結(jié)構(gòu)的確定主要從重力方面考慮，即減小電機所需平衡的重力。這兩種形式的機械結(jié)構(gòu)都不需要平衡水平方向上的機械部件的重力。在設(shè)計中采用了如圖2所示的一種水平多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。在控制過程中需要測量位置和力兩組參數(shù)，這兩組參數(shù)的測量情況將直接關(guān)系到控制效果。而力傳感器的選擇和安裝則比較困難，這是由于被測量的力比較小、設(shè)備的尺寸比較小而材料硬度比較高，這些都給力傳搏器的設(shè)計帶來困難。另外一種方案是把傳感器安裝在機械設(shè)備上，例如把電阻應(yīng)變片貼在機械設(shè)備上組成電壓橋，通過測量電路讀出應(yīng)變量從而計算出力的大小。如圖3的平衡機構(gòu)，只需在設(shè)備的筆狀末端的根部貼上兩組力應(yīng)變片橋就可以測量出水平力。通過調(diào)整桿件的寬度和長度，這是很容易達到的。可以把力應(yīng)變片安裝在平行機構(gòu)上。以圖2為機械結(jié)構(gòu)的設(shè)備能達到三個自由度的位置測量和力反饋。實際上在材料選擇方面，這兩項要求是矛盾的，所以只能在這兩項要求上折衷。選用哪一種方案可根據(jù)設(shè)備所應(yīng)用的環(huán)境要求決定。特別是比較簡單的摩擦力和紋理的模擬，其效果與機械結(jié)構(gòu)和控制算法的選擇有很大的關(guān)系。在完成小型力反饋設(shè)備后，作者將繼續(xù)研究中型的力反饋設(shè)備。1．世界風(fēng)景主題餐廳計劃要點：世界風(fēng)景主題餐廳是一種全新的集餐飲、娛樂、虛擬旅游于一體的現(xiàn)代主題餐廳。廣告主題：“讓人人都能周游世界” “到世界風(fēng)光主題餐廳，享受環(huán)球美景”（一） 項目背景隨著全球性的產(chǎn)品過剩，世界經(jīng)濟正在從工業(yè)經(jīng)濟向服務(wù)經(jīng)濟和體驗經(jīng)濟過渡，休閑、旅游等體驗經(jīng)濟正在從原來的附屬產(chǎn)業(yè)向支柱產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。發(fā)展之迅猛，令人嘡目。廣州，素來以美食著稱?！俺浴闭饾u演變成一種文化消費。 “主題餐廳”的各種新奇另類的“主題”，將成為最大的賣點。設(shè)有一個主大廳和多個以世界各國著名旅游勝地命名的高檔主題包間。1）世界名勝主題：吃出身臨其境 以世界各國的風(fēng)景名勝和風(fēng)土人情及原始森林動植物等為主題的專題投影是餐廳最大的賣點。這種超現(xiàn)實的感覺所帶來的嶄新用餐體驗，正是世界風(fēng)光主題餐廳獨到的“體驗環(huán)球美景”的理念。進入餐廳，中央一處遮天蔽日的茂密森林里，一株古老的“翠絲”樹更像一位慈善的老祖母，用中、英文向人們呼喚環(huán)保。在感嘆世界萬種風(fēng)情和富有娛樂刺激氛圍的同時，也讓人浮想聯(lián)翩。廣告主題：“自由飛行的體驗?zāi)袉?？（一）項目背景美國《時代》雜志稱，2015年前后發(fā)達國家將進入休閑娛樂時代，“休閑娛樂在美國國民生產(chǎn)總值中將占有一半份額”，《時代》稱，新技術(shù)的發(fā)展趨勢將使數(shù)字娛樂超越傳統(tǒng)娛樂方式。為什么我們要關(guān)注數(shù)字娛樂業(yè)？因為它可能是一種全新的經(jīng)濟形態(tài)。傳統(tǒng)經(jīng)濟中這些只是配角，而在數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)中，互動游戲、動態(tài)模擬、虛擬現(xiàn)實等科技體驗主宰了產(chǎn)業(yè)的命脈。游戲擬真度的提高從某方面來講是出于人們的心理需要，人的一生中能夠接觸到的事情、學(xué)到的技能畢竟還在少數(shù)，而人們往往有對于未知世界探知的欲望和好奇心。因為它只要把頭盔顯示器、力反饋裝置與傳統(tǒng)的遙控飛行器組合起來就可以了?？梢越柚@一有力時機在國內(nèi)舉行一些活動，廣泛宣傳自由飛行的意義和價值，把我們的產(chǎn)品推向市場。直升機成本可控制在1500元人民幣左右。配上一副頭盔顯示器（或三D目鏡），就能感受駕機飛行。 至于接收部分就沒什么麻煩了，接收機12V供電，有視頻和音頻輸出，將接收機擺放在車頂上，接上12V電源和一部DV攝像機。這一套設(shè)備發(fā)射部分大約430克，5V供電的CCD彩色針孔攝像頭，10節(jié)AAA規(guī)格的700mAh鎳氫電池組，電源開關(guān)和充電口，大約在300克多一點。遙控直升飛行器，可以用傳統(tǒng)的直升機改裝，但傳統(tǒng)的直升機成本較高，而且操作技術(shù)較為復(fù)雜。明年年底（2003年12月）就是萊特兄弟發(fā)明飛機的百年誕辰。而游戲擬真度越高，人們對真實事物的感知就越深刻、心理上的滿足感就越強，從這方面來講，擬真游戲可以讓你體驗不同的人生經(jīng)歷和了解到自己想學(xué)而難以學(xué)到的技術(shù)、經(jīng)驗。”模擬游戲的發(fā)展很快，模擬的各種事物也日益增多。所謂體驗經(jīng)濟，就是企業(yè)以服務(wù)為舞臺、商品為道具、圍繞消費者創(chuàng)造出值得其回憶的活動。最新發(fā)生的事實只能說明一件事，數(shù)字娛樂時代的大門正在打開。主要買點：體驗親自駕駛飛行的自由感覺，在海天之間翱翔、在白云之中慢步、與山鷹為伍、與大雁結(jié)隊。4）創(chuàng)新主題：挖掘各國美食組合不斷挖掘創(chuàng)新世界各國的“美食文化”是“世界風(fēng)景”經(jīng)營上的又一大特點。用餐后買一些紀念品，使一次消費賦予了難忘的記憶，餐廳的品牌得以延伸。叢叢的灌木、奇花異草點綴在一派蔥綠之中，還不時地看到大象、大猩猩、鸚鵡、樹蛙等熱帶雨林動物，并聽到它們發(fā)出聲音。用投影機打出風(fēng)景片，客戶進入包間內(nèi)就有身臨其境的感覺。相信更是人們樂意接受的好事。而“主題餐廳”則注重營造就餐的氛圍，表現(xiàn)一定的文化內(nèi)涵。近幾年來，人們生活逐漸富裕，周末和節(jié)假日一家?guī)卓谝黄鹕喜蛷d改善一下口味，是常有的事。不需要作廣告就人滿為患了。而“體驗經(jīng)濟”在歐美發(fā)達國家已初現(xiàn)端倪，并越來越多地成為媒體和網(wǎng)絡(luò)上的熱門話題。可以做到讓觀眾在品嘗美味佳肴的同時，欣賞世界各國風(fēng)光，體驗異國風(fēng)情，通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備，與當(dāng)?shù)氐娜嗣窠涣?，仿佛置身于世界名勝美景之中。六?虛擬現(xiàn)實項目策劃上述的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品實施方案，如果要直接投入開發(fā)研制，需要較大的人力和資金，運作起來有一定的風(fēng)險。另外這個問題也會引起用戶在水平方向運動和在垂直方向運動時感覺的不一致。人的觸覺對動態(tài)物體的感覺比視覺靈敏，這要求設(shè)備要有比視覺高得多的侍服頻率。5. 電機的安裝位置在水平多關(guān)節(jié)式機械結(jié)構(gòu)中，電機的安裝有兩種方案，一種是安裝在軸上，直接驅(qū)動機械臂；另一種是把電機安裝在基座上，通過一定的傳動裝置驅(qū)動機械臂。實際上在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，這是很容易做到的。在計算的過程中，把垂直方向的力分解為平行于平行機構(gòu)和垂直于平行機構(gòu)的兩個力。在垂直方向上，桿件受到垂直方向拉伸的力，應(yīng)變率(4)(5) 其中9為桿件末端受到的力； S為桿件的截面積。在水平方向上，機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變率(1)由于受到電阻式應(yīng)變片的靈敏度限制，一般來說要求被測桿件的應(yīng)變率大于0．001。下面主要討論第二種方案。一種方案是在設(shè)備的末端添加一個三維的傳感器。例如要求設(shè)備的位置精度為0．5mm，根據(jù)經(jīng)驗估算，設(shè)備的分辨率最好小于0．1mm。在垂直方向的運動控制采用平行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。這兩種機械結(jié)構(gòu)都可以應(yīng)用在力反饋設(shè)備中，可以根據(jù)實際情況選用其中一種。另外，重力的平衡還有利于減小摩擦力、慣性等?？紤]手腕在不同方向上的可達范圍不一樣，這個空間可以定為16cm*l2cm*12cm； 2)在中型的力反饋設(shè)備中，要使小臂自由運動而無阻礙，一般需要80cm*50cm*80cm的空間； 3)一般來說，人的臂長為60—70cm。用戶的手在運動的時候，可以分為三個層次。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計還與坐標的計算有關(guān)。一般來說，要使用戶感覺到一個硬的、不動的虛擬墻壁表面，設(shè)備必須能提供20牛／厘米的力。 評價虛擬現(xiàn)實力反饋設(shè)備的一個重要標準是硬的虛擬物體必須感覺到堅硬。2）用戶和虛擬物體接觸，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過計算，實現(xiàn)一定的反饋力。這要求設(shè)備能克服本身的重力、慣性、摩擦力等給用戶運動帶來的阻礙。要達到比較好的觸覺模擬效果，并保持系統(tǒng)的魯棒性，嵌入式系統(tǒng)最好有1k到5k的伺服頻率p1。這些參數(shù)將上傳到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。另外國外產(chǎn)品只提供設(shè)備的接口，而對技術(shù)細節(jié)保密。隨著人機交互接口智能化的進一步發(fā)展，特別是關(guān)于視覺、聽覺的研究已經(jīng)取得一定成果之后，為了更真實地體現(xiàn)虛擬環(huán)境，提高人在虛擬環(huán)境中的“沉浸感”，觸覺就成為了一個重要的研究項目。176?！?76。試驗數(shù)據(jù)列表略。表中ⅠDIP表示Ⅰ指(拇指)DIP關(guān)節(jié)，而ⅡMPB指Ⅱ指(食指)MP關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù)，ⅡMPW指Ⅱ指MP關(guān)節(jié)內(nèi)收及外展數(shù)據(jù)。操作者可直接對虛擬三維手的模型進行操作，同時圖形仿真可實時地跟蹤、顯示手指的復(fù)雜運動。仿真前必須先進行數(shù)據(jù)手套的標定，統(tǒng)計操作者的手部信息，提供仿真時使用。在前面所述的式(2)中，a、b為未知量，標定即確定a、b。數(shù)據(jù)手套的可視化研究1．?dāng)?shù)據(jù)采集和標定　　數(shù)據(jù)采集是將電位計的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，該數(shù)據(jù)用于表示手部的彎曲運動。通過計算，可解得Δβ。對手指運動分析可知，指跟處可以擺動(外展、內(nèi)收)和轉(zhuǎn)動，即有2自由度；對機構(gòu)自由度分析可知，該機構(gòu)具有2自由度。同時，也為簡化數(shù)據(jù)處理和進行線性標定提供了重要的理論依據(jù)。圖3　單自由度關(guān)節(jié)運動分析如下：a2=L21+h21　　　　γ1=arcsin(h1/a)　　b2=L22+h22　　　　γ2=arcsin(h2/a)由余弦定理　c2=x21+x222x1x2cosα式中α為電位計的測量角度，可求得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角ββ=360176。②手指關(guān)節(jié)角度的變化與傳感器輸出為線性關(guān)系。③手套同手之間會發(fā)生滑移，影響精度。2．方案提出　　數(shù)據(jù)手套作為手的數(shù)字化輸入設(shè)備，用來檢測手指關(guān)節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角和手指間的相對轉(zhuǎn)角。即一般MP關(guān)節(jié)的90176。約束可做如下分類：①關(guān)節(jié)運動角度限制運動類型。中間關(guān)節(jié)(PIP)和末端關(guān)節(jié)(DIP)只有1自由度。國內(nèi)這方面的研究剛剛開始 ，目前正在研究的有北京科技大學(xué)的FSR(Force sensoring resistor，力敏電阻)數(shù)據(jù)手套和北京理工大學(xué)的超聲波數(shù)據(jù)手套。為頭盔顯示器提供良好的視頻信號 為了能有效地使用頭盔顯示器，就必須給它提供視頻信號輸入，但因為是把電視機的部件用作顯示屏，所以我們就必須遷就它的要求。光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該被放在盒子的底部，而LCD應(yīng)被固定在盒子的蓋子上，LCD上有個小孔可做此用。下一步是把帽圈的頂部固定到塑料框內(nèi)側(cè)頂部，如圖8．26所示。一個像圖8．22所示的塑料框架被固定到帽圈上，這個框狀物由1／4英寸的ABS型厚塑料做成，可以在塑料公司買到這種塑料。在體育用品商店里買一個很耐用的棒球頭盔，用尼龍帶子把裝有液晶屏和透鏡系統(tǒng)的白塞木框架固定到頭盔的帽沿上，圖．8．18示意了把透鏡／液晶屏組件固定到頭盔上的例子。3．制作頭盔顯示器的外殼 現(xiàn)在該開始有創(chuàng)造性的實踐了。我們需要確定的是當(dāng)同時注視顯示屏上的兩幅圖象時，它們是否會融合為一幅圖象。如果買到的透鏡系統(tǒng)有較大的視場，就很可能看得見LCD的單個象元，但用散射元件使象元模糊就能解決這一難題。膠很容易變干，所以能很快裝配好整個單元。所以如何解決這個問題的確取決于個人選擇。而且還必須買幾套光學(xué)系統(tǒng)來做實驗，進一步增大了頭盔顯示器的造價。放大鏡片距離眼睛應(yīng)該保留1英寸的空間，這僅是留給戴眼鏡的使用者留出的空間。既然已經(jīng)確定了顯示屏的水平位置，就需要進一步確定垂直位置了。圖8．17示意了如何用光路中的一塊棱鏡把視線偏向顯示屏的中