【正文】 這個(gè)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(yùn)動(dòng)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。同理，設(shè)備要有半徑70cm的半球自由運(yùn)動(dòng)空間。2．機(jī)械結(jié)構(gòu)的確定 機(jī)械結(jié)構(gòu)的確定主要從重力方面考慮，即減小電機(jī)所需平衡的重力。這樣在選擇電機(jī)的時(shí)候，可以選用功率比較小的電機(jī)，從而減小設(shè)備的體積和價(jià)格。另外，重力的平衡還有利于減小摩擦力、慣性等。根據(jù)以上的要求，比較理想的機(jī)械結(jié)構(gòu)有兩種：直角坐標(biāo)式和水平多關(guān)節(jié)式。這兩種形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)都不需要平衡水平方向上的機(jī)械部件的重力。這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，他們的主要性能的比較如表1。這兩種機(jī)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(shí)際情況選用其中一種。直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)比較固定，而水平多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)可以有多種選擇。在設(shè)計(jì)中采用了如圖2所示的一種水平多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。設(shè)備的前兩臂構(gòu)成運(yùn)動(dòng)空間的水平平面（X，Y軸），第三臂平行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Z軸方向上的運(yùn)動(dòng)。在垂直方向的運(yùn)動(dòng)控制采用平行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。圖2 一種水平多關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)3．傳感器的選用 傳感器是機(jī)械結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分。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。實(shí)際上虛擬環(huán)境對(duì)這兩個(gè)參數(shù)精度的要求并不高，選擇傳感器的時(shí)候主要考慮為控制器留出比較大的控制余量，這有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善控制效果。例如要求設(shè)備的位置精度為0．5mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，設(shè)備的分辨率最好小于0．1mm。 位置傳感器的選擇比較多，其中比較常用的是兩種編碼器：電磁編碼器和光學(xué)編碼器。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(jì)帶來困難。解決這個(gè)問題有兩種方案。一種方案是在設(shè)備的末端添加一個(gè)三維的傳感器。這種方法比較方便，但是價(jià)格高，而且需要電機(jī)平衡其重量，增加了電機(jī)的負(fù)擔(dān)。另外一種方案是把傳感器安裝在機(jī)械設(shè)備上，例如把電阻應(yīng)變片貼在機(jī)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(jì)算出力的大小。這種方案對(duì)原機(jī)械設(shè)備影響小，但是需要解決不同方向的力在應(yīng)變片上的耦合問題。下面主要討論第二種方案。圖3 設(shè)備中的平衡機(jī)構(gòu)水平平面的二維力的測量比較容易。如圖3的平衡機(jī)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。而且只要電阻應(yīng)變片貼得對(duì)稱，基本上沒有力的耦合。在水平方向上，機(jī)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。在圖2這個(gè)設(shè)備中。通過調(diào)整桿件的寬度和長度，這是很容易達(dá)到的。桿件的應(yīng)變(2)(3)其中：l為泊松比，根據(jù)不同材料取不同的值，一般可取0．3估算，最后通過實(shí)驗(yàn)整定。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。由于桿件的硬度和水平力傳感器的安裝要求，垂直方向上的力傳感應(yīng)變率很小，不能直接貼片?？梢园蚜?yīng)變片安裝在平行機(jī)構(gòu)上。這樣力的測量與平行機(jī)構(gòu)的角度，即桿件的垂直高度有關(guān)。在計(jì)算的過程中，把垂直方向的力分解為平行于平行機(jī)構(gòu)和垂直于平行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)力。由4)式可知，平行于平行機(jī)構(gòu)的力所引起的機(jī)構(gòu)形變非常小，相對(duì)于垂直于平行機(jī)構(gòu)的力來說可以忽略不計(jì)，垂直力可以由(2)式直接計(jì)算。以圖2為機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)備能達(dá)到三個(gè)自由度的位置測量和力反饋。如果在設(shè)備第三臂的末端添加姿態(tài)傳感器，那么就能增加設(shè)備位置傳感的自由度。實(shí)際上在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，這是很容易做到的。4. 材料的選擇設(shè)備的設(shè)計(jì)要求材料的硬度比較高，但又要求重量比較小。實(shí)際上在材料選擇方面，這兩項(xiàng)要求是矛盾的，所以只能在這兩項(xiàng)要求上折衷。結(jié)合以上的討論，作者認(rèn)為比較合適的材料是鋁合金。5. 電機(jī)的安裝位置在水平多關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)中，電機(jī)的安裝有兩種方案，一種是安裝在軸上，直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂；另一種是把電機(jī)安裝在基座上，通過一定的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂。電機(jī)安裝在軸上有利于驅(qū)動(dòng)，但臂的慣性增大；電機(jī)安裝在基座上能減小慣性，但由于傳動(dòng)裝置的損耗，驅(qū)動(dòng)力矩減小，同時(shí)設(shè)備的響應(yīng)速度也減小了。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。虛擬現(xiàn)實(shí)中的觸覺模擬效果與設(shè)備的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。人的觸覺對(duì)動(dòng)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。另外由于設(shè)備所模擬的反饋力比較小，與機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的重力、摩擦力相比，差別不是很大，這對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出更高的要求。特別是比較簡單的摩擦力和紋理的模擬，其效果與機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制算法的選擇有很大的關(guān)系。 在機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇上，垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所要平衡的機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的重力是不可避免的，所能做的就是盡量減小它。另外這個(gè)問題也會(huì)引起用戶在水平方向運(yùn)動(dòng)和在垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)感覺的不一致。這需要良好的控制算法去彌補(bǔ)。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。隨著虛擬空間的擴(kuò)大，虛擬環(huán)境對(duì)設(shè)備的輸出力矩和跟隨速度也有了更高的要求，這是在下一步設(shè)計(jì)中所要解決的。六． 虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目策劃上述的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品實(shí)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(yùn)作起來有一定的風(fēng)險(xiǎn)。為了盡快啟動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)大計(jì)劃，同時(shí)避免冒太大的風(fēng)險(xiǎn)，逐步開發(fā)國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品市場，我們設(shè)計(jì)了一系列較為可行的與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)的項(xiàng)目，以便由簡到難地實(shí)施我們的方案，盡快實(shí)現(xiàn)盈利，以短養(yǎng)長。1．世界風(fēng)景主題餐廳計(jì)劃要點(diǎn)：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。它運(yùn)用了目前最新的虛擬現(xiàn)實(shí)概念、寬帶網(wǎng)技術(shù)和投影技術(shù)?？梢宰龅阶層^眾在品嘗美味佳肴的同時(shí)，欣賞世界各國風(fēng)光，體驗(yàn)異國風(fēng)情，通過虛擬現(xiàn)實(shí)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。主要賣點(diǎn)：主題餐廳，體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向，集高科技與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)于一堂，集餐飲、娛樂、休閑、虛擬旅游于一體。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(xiàng)目背景隨著全球性的產(chǎn)品過剩，世界經(jīng)濟(jì)正在從工業(yè)經(jīng)濟(jì)向服務(wù)經(jīng)濟(jì)和體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)過渡，休閑、旅游等體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)正在從原來的附屬產(chǎn)業(yè)向支柱產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。工作時(shí)間的縮短，使人們有更多的機(jī)會(huì)用于休閑和旅游。而“體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)”在歐美發(fā)達(dá)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。“主題餐廳”正是近幾年在美國出現(xiàn)的新型體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)之一，短短幾年時(shí)間，就已經(jīng)發(fā)展成具有幾十億美元的大產(chǎn)業(yè)。發(fā)展之迅猛，令人嘡目。在國內(nèi)，上海、北京等大城市從2000年開始出現(xiàn)以“主題餐廳”為招牌的酒家，生意都非?；鸨?。不需要作廣告就人滿為患了?？梢姟爸黝}餐廳”的市場前景，發(fā)展空間無法估量。廣州，素來以美食著稱。廣州人對(duì)吃比較講究，也經(jīng)常在餐廳會(huì)客接友。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。現(xiàn)在吃飯不僅僅是生理的需要，也是一種休閑?！俺浴闭饾u演變成一種文化消費(fèi)。在保證“色、香、味”的基礎(chǔ)上，人們越來越關(guān)注用餐環(huán)境的文化性與個(gè)性化。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。在一個(gè)具有異國風(fēng)情的環(huán)境里，既有吃又能游覽他鄉(xiāng)的風(fēng)土、人情和文化，這無疑滿足了人們“吃出文化、吃出個(gè)性、吃出品位”的需要。 “主題餐廳”的各種新奇另類的“主題”，將成為最大的賣點(diǎn)。“世界風(fēng)光主題餐廳”在享受美食的同時(shí)，還能體驗(yàn)到游覽世界各國的風(fēng)光和美景。相信更是人們樂意接受的好事。（二） 主題餐廳的特色及服務(wù)功能顧名思義，“世界風(fēng)光主題餐廳”是以世界各國的風(fēng)景名勝為主題的餐廳。設(shè)有一個(gè)主大廳和多個(gè)以世界各國著名旅游勝地命名的高檔主題包間。其大廳和每個(gè)包間內(nèi)墻，都至少有2面墻是整體的銀幕。用投影機(jī)打出風(fēng)景片，客戶進(jìn)入包間內(nèi)就有身臨其境的感覺。每一個(gè)包件都可以設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)特的主題。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(dòng)植物等為主題的專題投影是餐廳最大的賣點(diǎn)。從巴黎的塞納河風(fēng)光、美麗的西班牙海灘、神秘的復(fù)活節(jié)島到印尼早哇熱帶雨林、非洲的原始叢林，應(yīng)有盡有。叢叢的灌木、奇花異草點(diǎn)綴在一派蔥綠之中，還不時(shí)地看到大象、大猩猩、鸚鵡、樹蛙等熱帶雨林動(dòng)物，并聽到它們發(fā)出聲音。立體投影音像等科技效果，顯得栩栩如生。這種超現(xiàn)實(shí)的感覺所帶來的嶄新用餐體驗(yàn)，正是世界風(fēng)光主題餐廳獨(dú)到的“體驗(yàn)環(huán)球美景”的理念。2）品牌主題：讓吃的記憶延伸 餐廳附帶一個(gè)購物場，均是以“世界名勝”為主題和標(biāo)志的時(shí)尚商品，如旅游紀(jì)念品、小食品、服裝、文具、玩具等，而這些商品只有在世界風(fēng)光餐廳的各連鎖店才能買到。用餐后買一些紀(jì)念品，使一次消費(fèi)賦予了難忘的記憶，餐廳的品牌得以延伸。3）時(shí)尚主題：環(huán)保以情動(dòng)人 餐廳另外一大經(jīng)營特色是竭力倡導(dǎo)環(huán)保。進(jìn)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。保護(hù)環(huán)境、保護(hù)野生動(dòng)物的社會(huì)公益活動(dòng)。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(diǎn)。“亞瑪遜火焰串燒”神秘的原始?xì)庀碜阅厦乐廾艿脑忌?，隱居在印第安人部落的主廚在當(dāng)?shù)赝林募で樯钪邪l(fā)現(xiàn)了原始，也頗具吸引力的燒烤秘密，一個(gè)充滿濃郁印第安土著風(fēng)情的原始烤架，掛滿鮮嫩欲滴的誘人美食，大串雞翅、大串的大蝦、牛肉、鮮魚、牛蛙……并用專制絢麗的火焰進(jìn)行現(xiàn)場燒烤，只要幾十元/人，還有無限量蔬菜沙拉、例湯和面包。在感嘆世界萬種風(fēng)情和富有娛樂刺激氛圍的同時(shí)，也讓人浮想聯(lián)翩。2．遙控虛擬飛行旅游系統(tǒng)計(jì)劃要點(diǎn)：自由飛行是每一個(gè)人的夢想，但現(xiàn)實(shí)中，真實(shí)的飛行，由于技術(shù)、成本和危險(xiǎn)性等因素，目前還不是平民大眾能夠接受的，而虛擬飛行旅游系統(tǒng)則消除了真實(shí)飛行的這些不利因素，能夠讓廣大民眾享受到自己駕駛飛行器在藍(lán)天白云中自由翱翔的樂趣。主要買點(diǎn)：體驗(yàn)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(duì)。實(shí)現(xiàn)童年的夢想。廣告主題：“自由飛行的體驗(yàn)?zāi)袉?？（一）?xiàng)目背景美國《時(shí)代》雜志稱，2015年前后發(fā)達(dá)國家將進(jìn)入休閑娛樂時(shí)代，“休閑娛樂在美國國民生產(chǎn)總值中將占有一半份額”，《時(shí)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。以電影業(yè)聞名全球的美國娛樂界中，第一大行業(yè)其實(shí)是數(shù)字娛樂業(yè)，2000年全球數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)已經(jīng)超過了電影，電子電腦游戲?qū)⑹?1世紀(jì)最重要的娛樂產(chǎn)業(yè)組成。最新發(fā)生的事實(shí)只能說明一件事，數(shù)字娛樂時(shí)代的大門正在打開。在我們身邊，日本經(jīng)濟(jì)的五分之一已經(jīng)由數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造，韓國數(shù)字娛樂業(yè)增長率高達(dá)40％，成為最具贏利前景的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。為什么我們要關(guān)注數(shù)字娛樂業(yè)？因?yàn)樗赡苁且环N全新的經(jīng)濟(jì)形態(tài)。過去我們講工業(yè)經(jīng)濟(jì)、服務(wù)經(jīng)濟(jì)，但在描述數(shù)字娛樂時(shí)美國學(xué)者提出“數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)推動(dòng)著體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來”。所謂體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)，就是企業(yè)以服務(wù)為舞臺(tái)、商品為道具、圍繞消費(fèi)者創(chuàng)造出值得其回憶的活動(dòng)。最簡單的例子是主題購物中心、主題餐廳等。傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)中這些只是配角，而在數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)中，互動(dòng)游戲、動(dòng)態(tài)模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)等科技體驗(yàn)主宰了產(chǎn)業(yè)的命脈。為什么玩虛擬現(xiàn)實(shí)？它能帶給我們什么？究其原因，一位玩家說的話頗具代表性：“虛擬現(xiàn)實(shí)的主要目的是想體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)中存在的事而自己又不可能做到的事，它能帶給我與現(xiàn)實(shí)最為接近的真實(shí)感受。”模擬游戲的發(fā)展很快，模擬的各種事物也日益增多。從其發(fā)展的歷史來看，其擬真度正在發(fā)生著質(zhì)的飛躍，這從微軟各個(gè)時(shí)期的飛行模擬游戲便能看出，而這只是較有代表性的模擬游戲中的一種。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(duì)于未知世界探知的欲望和好奇心。模擬游戲正好彌補(bǔ)了人們心中這種空白，滿足了人們的好奇心和虛榮心。而游戲擬真度越高，人們對(duì)真實(shí)事物的感知就越深刻、心理上的滿足感就越強(qiáng)，從這方面來講，擬真游戲可以讓你體驗(yàn)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(yàn)。自由飛行是人類永恒的夢想，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要取得市場的突破口，從虛擬飛行入手是最為合適的。因?yàn)樗灰杨^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。從技術(shù)上講，難度不太大，比較容易實(shí)現(xiàn)；另一方面，又是最具有吸引力、爆炸力的新聞買點(diǎn)，市場推廣比較容易。明年年底（2003年12月）就是萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)的百年誕辰。這是一個(gè)具有歷史意義的時(shí)機(jī)，屆時(shí)美國、澳大利亞、歐洲等國都將舉行盛大的紀(jì)念活動(dòng)?？梢越柚@一有力時(shí)機(jī)在國內(nèi)舉行一些活動(dòng)，廣泛宣傳自由飛行的意義和價(jià)值，把我們的產(chǎn)品推向市場。（二）遙控虛擬飛行系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)由以下部件組成：1） 遙控直升飛行器；2） 方位自動(dòng)控制（遙控）攝像系統(tǒng)；3） 無線通信系統(tǒng)；4） 頭盔顯示器；5）統(tǒng)軟件等。遙控直升飛行器，可以用傳統(tǒng)的直升機(jī)改裝，但傳統(tǒng)的直升機(jī)成本較高，而且操作技術(shù)較為復(fù)雜。因此，我們設(shè)計(jì)了一種較簡單的、低成本的而且容易操作的共軸雙旋翼直升機(jī)。直升機(jī)成本可控制在1500元人民幣左右。在遙控直升機(jī)上加掛的視頻傳輸設(shè)備，一個(gè)傳輸距離在1000米左右的發(fā)射機(jī)。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(diǎn)。 至于接收部分就沒什么麻煩了，接收機(jī)12V供電，有視頻和音頻輸出，將接收機(jī)擺放在車頂上，接上12V電源和一部DV攝像機(jī)。Futaba四通道遙控器搭載重量：約830g攝像設(shè)備：彩色針孔攝像機(jī)傳輸設(shè)備:\接收機(jī)發(fā)射功率:500mW電源:700mAh鎳氫AAA充電電池20節(jié)(共發(fā)射機(jī)) (共接收機(jī))圖像記錄設(shè)備:DV攝像機(jī)，復(fù)合視頻信號(hào)輸入工作時(shí)間：約30分鐘有效傳輸距離：1000m如果需要獲得較好的視頻效果，建議選配當(dāng)此稍高一些的攝像頭，以及700mW的發(fā)射機(jī)，不過工作電流會(huì)更大，需要更大的電池組，可能需要重新考慮整體重量問題。配上一副頭盔顯示器（或三D目鏡），就能感受