力反馈

2015-09-01 13:07:21
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所谓力反馈(Force Feedback),本来是应用于军事上的一种虚拟现实技术,它利用机械表现出的反作用力,将游戏数据通过力反馈设备表现出来,可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果。

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力反馈机械手


简介


所谓力反馈(Force Feedback),本来是应用于军事上的一种虚拟现实技术,它利用机械表现出的反作用力,将游戏数据通过力反馈设备表现出来,可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果。 力反馈技术能将游戏中的数据转化成用户可以感觉到的效果,例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力,这些效果都是力反馈控制芯片“播放”出来的。


概述


  要注意的是我们平常所见的“振动手柄”使用的并不是力反馈技术。我们正文中所说的Dual Shock手柄,它是用手柄中的两个电动机以及两个大小不同的转子,来组合模拟出各种或大或小,不同规律的振动。其实在振动手柄中Dual Shock是表现最好的,因为它已经可以模拟出一些不错的振动效果,最可怕是那种打着“振动手柄”的名字,实际是靠游戏中的声音大小来进行判断的“音响振动”。也就是说,声音大它的振动就大,声音小它的振动就小,大家在选用振动手柄时一定要注意这种手柄。  力反馈技术相比要复杂得多,设备的X轴和Y轴等部分分别通过齿轮或者钢线连接到电动机,而电动机则根据专用力反馈芯片发送的信号来工作。根据游戏给力反馈芯片发出的指令,它可以模拟出真实的操纵感,而不是简单的振动。比如,行驶在木桥和越野赛道上完全是不同的感觉,根据赛车速度的不同,力反馈芯片会根据游戏中提供的数据计算出方向盘上的反作用力,所以在不同速度下转动方向盘所需要的力度也是不一样的。


不同力反馈技术的区别


现在民用级力反馈的技术主要掌握在Immersion与微软两家公司手中。Immersion公司推行它的i-Force协议,提供i-Force API接口,i-Force协议是一个开放式协议,所有的游戏设备制造厂家都可以使用。事实上罗技、SAITEK等多数外设厂商使用的都是Immersion的技术,在它们的驱动面板上也都有Immersion的Logo,这也是判断外设是否使用了真正的力反馈技术的有效办法之一。  Immersion也提供i-Force力反馈芯片,它是一种触觉处理芯片,与图形加速芯片和声音处理芯片类似,只不过它是专为支持力反馈的计算机周边设备设计的,可以提供加速、优化等功能,使其模拟现实的效果更加流畅、逼真。  在传动方面,Immersion主要采用的是电动机带动钢缆进行力的线性传动。在力反馈芯片接收游戏的控制信号后,就要将它转换成对应的一组波形数据并发送给电动机控制芯片,而电动机会根据相应波形数据进行力的传动,来实现力反馈效果。钢缆线性传动的效果细腻且敏锐,其振动频率可达每秒250次,但其成本较高。而在使用时间长了以后,钢缆会因为受到反复拉扯而伸长,造成灵敏度降低,而且万一钢缆断裂的话,力反馈效果也就失灵了。微软应用  微软则是支持ActiveX(DirectX)的API接口,使用Sidewinder FF协议。但出人意料的是微软并没有开放Sidewinder FF协议,所以市场上支持Sidewinder FF标准协议的游戏控制器主要由微软自己生产。在传动方面采用的是“齿轮传动技术”。它的成本较低,效果也很不错,但在长期高强度使用后,连续振动时可能出现齿轮打滑。由于相互磨损,在齿轮的“牙”之间的细小的间隙会随着使用时间的增长而变得越来越大,如果齿轮本身材质不是特别好,还有可能会造成齿崩裂。


新应用


除此以外,新一代力反馈感应技术也已经出现了,比如:i-Touch触觉感应技术,它主要用在鼠标或轨迹球等产品中,记得曾经大肆宣传的动感旋貂吗?通过i-Touch我们“触摸”到图像的边框或者体验“拖放”文件的不同感受。目前它也应用到了不少摇杆和方向盘中提供更细腻的力反馈感觉。还有一种动作感应技术(G-Tilt)可以将玩家的动作转化成游戏指令,从而控制游戏,由于这种设备价格高昂,而我们这次主要是介绍中档游戏外设,因此就不再赘述了。

 

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通过外接的力反馈输出设备手术中的力反馈


手术中的力反馈


近几年研发出来的虚拟手术系统,为医生提供一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台,逼真的模拟临床手术的全过程。与传统的手术教学相比,虚拟手术具有无损伤性、可重复性和可指定性等优点。但是,该领域的大部分研究仅限于仿真的可视化阶段,由于缺乏触觉效果,医生在虚拟环境下完成的手术与临床环境差别很大。为了解决上述难题,力反馈概念引入虚拟手术系统,通过对手术器械和软组织等形变过程进行实时数值计算,模拟出软组织的变形情况和器械受力状态,并通过外接的力反馈输出设备,使医生在手术操作中,感知到反馈力的存在,更好的达到临床手术的训练效果。


力反馈关注的问题


一般而言,如果手术器械未侵蚀(刺入或切割)皮肤等软组织,它们相互间的作用力可分为两种:手术器械对软组织表面的正压力和对其相对运动产生的切向力(摩擦力)。为了更加真实的模拟出反馈力的效果,必须解决以下两方面的科学难题:1)建立介入器械与软组织作用的力学模型。目前,由于建模简单和计算量小的特点,虚拟手术中力反馈的计算大多采用弹簧阻尼模型,即根据手术器械侵入软组织的深度和速度,计算出末端反馈力的大小。2)设计数值模拟算法,实时模拟软组织的形变情况和器械末端的受力状态。质点弹簧模型是将软组织离散为一组以弹簧相连的质点网格,根据弹簧的弹性系数计算出软组织形变效果。由于质点弹簧模型和有限元模型自身存在的缺点,这两种方法很难应用于虚拟手术反馈力的计算。