力觸覺(jué)增強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)工廠系統(tǒng)

徐文彪，許 馳，史洪巖，李 琳

1.沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142

2.中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016

3.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016

4.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110169

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)工業(yè)的智能化快速升級(jí)。將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以讓操作者在虛擬工廠完成故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)等工作，直觀體驗(yàn)錯(cuò)誤操作可能造成的一系列重大安全事故，大幅降低錯(cuò)誤診斷與維護(hù)造成的損失。目前，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智能工廠已成為信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合的典型代表。特別是邊緣計(jì)算、5G 等技術(shù)的快速發(fā)展[1]，支持虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)渲染和高速無(wú)線傳輸，加速了虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用部署。美國(guó)、德國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都將虛擬現(xiàn)實(shí)作為未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)手段，中國(guó)也在積極推動(dòng)工業(yè)級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的虛擬現(xiàn)實(shí)工廠走進(jìn)了真實(shí)的工業(yè)場(chǎng)景。

學(xué)術(shù)界和工業(yè)界圍繞工業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用開展了一系列工作。文獻(xiàn)[2]介紹了基于數(shù)字雙元虛擬工廠的概念及其體系結(jié)構(gòu)，支持制造系統(tǒng)的建模、仿真和評(píng)估等場(chǎng)景。文獻(xiàn)[3]介紹了一個(gè)開放架構(gòu)的工廠建設(shè)工具，可以使用各種模塊來(lái)快速實(shí)現(xiàn)從工廠布局到工廠流程分析的設(shè)計(jì)算法。文獻(xiàn)[4]強(qiáng)調(diào)了虛擬現(xiàn)實(shí)在模擬數(shù)字工廠中的應(yīng)用，介紹了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字工廠工具開發(fā)。文獻(xiàn)[5]面向汽車制造設(shè)計(jì)了多用戶虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了虛擬維修操作交互場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了桌面式的虛擬維修系統(tǒng)，能夠滿足日常裝備維修訓(xùn)練的需求。文獻(xiàn)[7]用Unity3D 技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)核事故實(shí)訓(xùn)演練系統(tǒng)，為機(jī)器人核探測(cè)工程作業(yè)的安全性和高效性提供了保證。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)展示系統(tǒng)，能夠更全面直觀地展示相關(guān)的產(chǎn)品和作品。文獻(xiàn)[9]采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)車間布局優(yōu)化，構(gòu)造了基于3D 虛擬環(huán)境下的原型系統(tǒng)，有效提升了工廠規(guī)劃布局的合理性。

然而，現(xiàn)有虛實(shí)空間交互的研究仍停留在多個(gè)虛擬模型之間，使操作者無(wú)法感受到虛擬模型的物理屬性，難以獲得沉浸感。觸覺(jué)作為人類感知通道之首，能夠反饋給人獨(dú)一無(wú)二的材質(zhì)屬性信息。在日常生活中，可以通過(guò)觸摸來(lái)準(zhǔn)確獲取物體的材質(zhì)屬性、輪廓、大小等物理信息。如果能夠像真實(shí)世界那樣觸摸虛擬世界的物體，感受虛擬模型的材質(zhì)屬性、輪廓和大小等物理信息，將大大拉近虛擬與現(xiàn)實(shí)的距離[10]。

為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)力觸覺(jué)增強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)工廠系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成力反饋控制器、頭戴式顯示器和邊緣計(jì)算服務(wù)器等硬件設(shè)備，并以Unity3D 為基礎(chǔ)構(gòu)建虛擬工廠空間模型，支持虛、實(shí)空間的“視觸聽(tīng)”多維感知互動(dòng)。為建立虛擬工廠的三維視覺(jué)模型，采用3DMax 模擬工廠內(nèi)多種類型的工具和零部件；為增強(qiáng)立體化視覺(jué)效果，應(yīng)用反射探針、光照探針等組件設(shè)計(jì)虛擬工廠的光照系統(tǒng)。進(jìn)一步為虛擬工廠物體增加剛體、碰撞體、關(guān)節(jié)等組件，建立力反饋控制器與虛擬工廠物體的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，確立力觸覺(jué)反饋模型，支持實(shí)時(shí)的觸覺(jué)交互。最后，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬工廠系統(tǒng)的有效性。結(jié)果表明：該系統(tǒng)可提供重力、摩擦力、恒力等多種力觸覺(jué)反饋，支持對(duì)虛擬工廠中20 余種工具、零部件的觸摸、抓取等觸感操作。因此，該系統(tǒng)有望在未來(lái)支持工程師故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)、遠(yuǎn)程遙操作、數(shù)字孿生等創(chuàng)新應(yīng)用。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：1）打破現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)工廠系統(tǒng)僅支持單向操作的模式，并通過(guò)力反饋控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)工廠物體的雙向觸覺(jué)交互。2）構(gòu)建三維空間虛擬工廠模型，設(shè)計(jì)了具備模型自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的光照系統(tǒng)，支持自由空間的360?立體視覺(jué)感知。3）建立20 余種工具、零部件的模型，并賦予各種虛擬物體的物理輪廓、質(zhì)感、質(zhì)量等多維物理屬性；設(shè)計(jì)了重力、摩擦力、恒力等多種力觸覺(jué)感知的測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了虛擬工廠內(nèi)6 自由度的觸碰、抓取等力觸覺(jué)感知，支持人機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示，包括視聽(tīng)覺(jué)感知終端、觸覺(jué)感知終端和邊緣計(jì)算服務(wù)器。視聽(tīng)覺(jué)感知終端采用頭戴式顯示器，使用Unity3D 中的SteamVR 插件與頭戴式顯示器集成，為操作者提供三維視覺(jué)感知。觸覺(jué)感知終端采用力反饋控制器，通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)與系統(tǒng)集成，為操作者提供多自由度的力觸覺(jué)感知。邊緣計(jì)算服務(wù)器為整個(gè)系統(tǒng)提供超強(qiáng)算力支持，運(yùn)行系統(tǒng)軟件，并完成三維視覺(jué)建模、渲染、實(shí)時(shí)計(jì)算等功能；頭戴式顯示器配備了高速無(wú)線網(wǎng)卡，支持與頭戴式顯示的無(wú)線通信。這樣操作者通過(guò)穿戴頭戴式顯示器，可以在物理空間進(jìn)行360?自由轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得視聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)；通過(guò)操作力反饋控制器，可以與虛擬工廠空間進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，獲得觸覺(jué)體驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Figure 1 System hardware architecture

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要基于Unity3D 平臺(tái)，并應(yīng)用Photoshop、3DMax、Visual Studio 等圖形圖像處理軟件綜合完成。其中，Unity3D 為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)編程環(huán)境，支持多種格式的3D 模型導(dǎo)入，具備多種物理引擎和完備的函數(shù)庫(kù)，能通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)將本系統(tǒng)硬件快速集成；Photoshop 用于虛擬工廠內(nèi)物體模型的二維貼圖制作；3DMax 是一款三維模型制作引擎，支持模型貼圖和多種三維模型格式導(dǎo)出；本系統(tǒng)用3DMax 建立的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，并通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)完成簡(jiǎn)單場(chǎng)景搭建；Visual Studio 是一個(gè)軟件開發(fā)工具集，支持Unity3D的編程環(huán)境，可以直接調(diào)用Unity3D 函數(shù)庫(kù)對(duì)Unity3D 場(chǎng)景中的環(huán)境和物體進(jìn)行編程。

系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖2所示。在Photoshop 中制作虛擬工廠物體模型的二維表面貼圖導(dǎo)入3Dmax，按照1∶1 比例建立模型后將二維貼圖賦予三維模型的表面，根據(jù)虛擬工廠空間調(diào)整貼圖位置和大小，確保外觀更接近于真實(shí)的外觀。將設(shè)計(jì)的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，以Visual Studio 編程軟件編寫C# 代碼腳本，調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)連接力反饋控制器函數(shù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，編寫虛擬環(huán)境中各種力反饋的效果以及與虛擬物體交互實(shí)現(xiàn)的代碼，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D場(chǎng)景中的對(duì)應(yīng)物體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中力反饋控制器模型的控制、觸覺(jué)反饋和交互等各種功能。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Figure 2 System software architecture

2 基于Unity3D 的視觸覺(jué)建模

2.1 視覺(jué)建模

系統(tǒng)的視覺(jué)建模以未來(lái)智能制造工廠為背景，包括一個(gè)加工維修車間和力觸覺(jué)體驗(yàn)測(cè)試區(qū)?？紤]車間內(nèi)故障診斷與維護(hù)等任務(wù)，選取20 余種典型的工業(yè)設(shè)備、工具、零部件進(jìn)行建模，構(gòu)建了虛擬工廠原型。在車間外部搭建了力觸覺(jué)體驗(yàn)測(cè)試區(qū)，用于測(cè)試不同的力反饋效果。該體驗(yàn)測(cè)試區(qū)包含如下虛擬物體：1）3 個(gè)相同材質(zhì)、不同大小的金屬球，用于測(cè)試不同的重力效果；2）3 個(gè)不同表面的板材，包括光滑金屬板、木制板和水泥板，用于測(cè)試不同的摩擦力效果；3）4 個(gè)不同方向的立方體，用于測(cè)試不同方向的持續(xù)作用力。在此基礎(chǔ)上，為建模的虛擬物體增加物理屬性，支持對(duì)摩擦力、重力、恒力等不同的力反饋效果的測(cè)試和體驗(yàn)。

為增強(qiáng)視覺(jué)體驗(yàn)，設(shè)計(jì)并布置了一套光照系統(tǒng)，使虛擬工廠場(chǎng)景更加真實(shí)。具體來(lái)說(shuō)，將3DMax 軟件中建立的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，在場(chǎng)景中布置一束直射光作為整個(gè)場(chǎng)景的主要光源，將兩個(gè)點(diǎn)光源作為輔助光源，并在室內(nèi)環(huán)境布置反射探針與光照探針。反射探針采集周邊物體的光照信息并反射到空間中，實(shí)現(xiàn)逼真的反射效果。光照探針將穿過(guò)場(chǎng)景空白空間的光線相關(guān)信息賦予所在空間，提高動(dòng)態(tài)物體的光照質(zhì)量。兩種探針搭配使用，確保虛擬模型更加真實(shí)?？紤]到視觸覺(jué)實(shí)時(shí)渲染與碰撞監(jiān)測(cè)需要消耗大量的計(jì)算資源，本系統(tǒng)采用Unity3D 的LOD Group 多細(xì)節(jié)層級(jí)顯示技術(shù)，確保系統(tǒng)能夠充分進(jìn)行模型渲染與優(yōu)化。具體來(lái)說(shuō)，LOD Group 根據(jù)模型和視點(diǎn)的距離，可以自動(dòng)調(diào)整模型渲染的精細(xì)度，即遠(yuǎn)距離渲染低精細(xì)度模型，近距離則渲染高精細(xì)度模型，從而減少模型渲染性能消耗，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的性能優(yōu)化[11]。系統(tǒng)的視覺(jué)建模如圖3所示。

圖3 視覺(jué)建模Figure 3 Visual modeling

2.2 力觸覺(jué)建模

在虛擬工廠空間建立了多類型物體模型后，為了向物理空間的操作者提供力觸覺(jué)反饋，需要賦予虛擬物體物理屬性，使虛擬物體猶如在真實(shí)世界里一樣受到萬(wàn)有引力的影響，能夠發(fā)生碰撞、交互，為操作者提供力觸覺(jué)反饋，獲得真實(shí)的物理交互效果。為此，采用剛體、碰撞體等組件對(duì)虛擬工廠中的物體進(jìn)行力觸覺(jué)建模[12]。

2.2.1 剛體組件

剛體組件主要為虛擬空間物體賦予物理屬性，使物體能夠接受各種力的作用，控制物體的移動(dòng)及速度，為操作者提供更真實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)。為此，本系統(tǒng)采用剛體組件為虛擬物體模型賦予物理屬性，使虛擬對(duì)象的行為方式能夠受到力的影響。在移動(dòng)時(shí)，模擬真實(shí)世界受到物理效果的影響，可以通過(guò)調(diào)整組件對(duì)應(yīng)參數(shù)信息來(lái)改變物體的質(zhì)量、阻力等物理屬性。

2.2.2 碰撞體組件

碰撞體組件主要為虛擬空間物體提供用于發(fā)生物理碰撞的幾何模型。虛擬模型需要根據(jù)不同的幾何形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)和物理屬性的交互，于是采用碰撞體組件為虛擬物體添加碰撞幾何模型，并根據(jù)幾何模型的形態(tài)進(jìn)行碰撞檢測(cè)和計(jì)算。碰撞體與剛體組件配合使用，可以模擬真實(shí)的碰撞效果。碰撞體組件包括立方體碰撞體、球碰撞體、膠囊碰撞體、網(wǎng)格碰撞體等多種碰撞體。模型可以根據(jù)不同的需要挑選或搭配使用對(duì)應(yīng)的碰撞體。精細(xì)化模型需要使用網(wǎng)格模型構(gòu)建碰撞體模型，使碰撞體與虛擬模型對(duì)象的形狀完全相同，碰撞計(jì)算更加準(zhǔn)確。

2.2.3 關(guān)節(jié)組件

關(guān)節(jié)組件可以在虛擬空間將兩個(gè)物體束縛在一起，形成特定的連接關(guān)系。為了使力反饋控制器與虛擬工廠空間中的任一物體連接起來(lái)并實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬空間的抓取等效果，本系統(tǒng)以關(guān)節(jié)組件建立物體的抓取和連接關(guān)系，主要是因?yàn)殛P(guān)節(jié)組件能夠?qū)⒁粋€(gè)對(duì)象的移動(dòng)限制為依賴另一個(gè)對(duì)象，也就是將一個(gè)對(duì)象依附在另一個(gè)對(duì)象上。系統(tǒng)的力觸覺(jué)建模如圖4所示。

圖4 力觸覺(jué)建模Figure 4 Force haptic modeling

3 動(dòng)態(tài)交互

設(shè)計(jì)虛擬空間的力反饋控制器和虛擬物體的交互機(jī)制，支持虛實(shí)空間的力觸覺(jué)交互。力反饋控制器與虛擬模型的交互功能基于碰撞體組件和剛體組件實(shí)現(xiàn)，為虛擬力反饋控制器和其他可觸摸的物體添加對(duì)應(yīng)的碰撞體組件。為場(chǎng)景中所有可以提起的物體添加剛體組件，使其具有物理屬性；相反，所有未添加剛體組件的物體只可觸摸交互，不可進(jìn)行抓取交互。在每幀的函數(shù)執(zhí)行過(guò)程中，根據(jù)碰撞體與虛擬空間中接觸物體的狀態(tài)獲取并存儲(chǔ)詳細(xì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)和抓取等功能[13]。交互流程為圖5所示。

圖5 交互流程Figure 5 Interactive process

3.1 觸摸交互

碰撞體組件實(shí)時(shí)獲取力反饋控制器尖端（觸控筆尖）的當(dāng)前位置和所接觸對(duì)象等信息。當(dāng)檢測(cè)到可觸摸的物體時(shí)，觸控筆尖的碰撞體組件讀取并存儲(chǔ)接觸到的虛擬物體信息；然后調(diào)用力反饋控制器的彈簧力錨點(diǎn)設(shè)置函數(shù)，為當(dāng)前筆尖位置設(shè)置一個(gè)彈簧力錨點(diǎn)。其中的彈簧力是指將觸控筆尖固定在錨點(diǎn)位置后、觸控筆尖離開錨點(diǎn)時(shí)所需要的反向作用力。在此基礎(chǔ)上，調(diào)用力反饋控制器的彈簧力配置函數(shù)來(lái)設(shè)置相應(yīng)的彈簧力；再為物體添加表面材質(zhì)信息，可以設(shè)置彈簧力的大小，支持模擬表面由柔軟到堅(jiān)硬的不同材質(zhì)效果[14]。

3.2 抓取交互

在觸摸交互的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)力反饋控制器的狀態(tài)函數(shù)獲取力反饋控制器按鈕的狀態(tài)信息，以便進(jìn)行抓取交互。當(dāng)按下按鈕時(shí)，調(diào)用抓取函數(shù)。在設(shè)置彈簧力錨點(diǎn)的位置添加一個(gè)固定關(guān)節(jié)組件，并將組件中關(guān)節(jié)連接對(duì)象參數(shù)自動(dòng)設(shè)置為與觸控筆尖接觸的虛擬物體。此時(shí)，將所接觸到虛擬物體的剛體組件賦予觸控筆尖，使觸控筆尖獲得接觸對(duì)象的物理屬性，并將該屬性受到的物理影響實(shí)時(shí)反饋給力反饋控制器。同時(shí)，力反饋控制器根據(jù)其物理屬性參數(shù)將受力情況反饋給操作者。操作者按住按鈕時(shí)，可以抓取虛擬物體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)；松開按鈕時(shí)，停止調(diào)用抓取函數(shù)，移除觸控筆的剛體組件，使觸控筆尖與觸摸的虛擬物體中間的固定關(guān)節(jié)組件斷開。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)采用HTC VIVE pro 頭顯、3D System Touch 觸摸式力反饋控制器以及邊緣計(jì)算服務(wù)器搭建，并配置PCIeWiGig 無(wú)線網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)與頭戴式顯示器的無(wú)線串流，支持視覺(jué)建模、渲染等高性能計(jì)算。服務(wù)器配置如下：處理器為Intel?CoreTMi7-10700@2.90 GHz，顯卡為NVIDIA Geforce RTX3070，內(nèi)存為32.0 GB，操作系統(tǒng)為64 位Windows10。開發(fā)環(huán)境為Unity3D 2019.3.2f1。經(jīng)過(guò)模型建立、硬件設(shè)備集成、代碼植入以及系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，力觸覺(jué)增強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)工廠系統(tǒng)效果如圖6所示。

圖6 力觸覺(jué)增強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)工廠系統(tǒng)Figure 6 Virtual reality-based factory system with enhanced haptics

4.2 系統(tǒng)界面

力觸覺(jué)增強(qiáng)的虛擬現(xiàn)實(shí)工廠系統(tǒng)的主界面如圖7所示，主要包括設(shè)備檢測(cè)和進(jìn)入虛擬觸覺(jué)工廠場(chǎng)景功能。通過(guò)編寫C# 腳本，為檢測(cè)力反饋控制器按鈕和檢測(cè)頭戴式顯示器按鈕添加單機(jī)事件，分別在單機(jī)時(shí)初始化力反饋控制器設(shè)備與頭戴式顯示器。若初始化成功，則顯示就緒狀態(tài)。若兩個(gè)檢測(cè)按鈕皆為就緒狀態(tài)，則“進(jìn)入觸覺(jué)工廠”按鈕變?yōu)榭牲c(diǎn)擊狀態(tài)，否則該按鈕不可點(diǎn)擊，此時(shí)點(diǎn)擊“進(jìn)入觸覺(jué)工廠”按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)加載至虛擬工廠場(chǎng)景，加載場(chǎng)景功能使用Unity3D 場(chǎng)景切換函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7 系統(tǒng)主界面Figure 7 System main interface

4.3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)雙向虛擬現(xiàn)實(shí)觸覺(jué)交互效果進(jìn)行測(cè)試。

1）在力反饋測(cè)試區(qū)測(cè)試不同材質(zhì)物體的力反饋效果。在虛擬工廠外設(shè)置3 個(gè)力反饋測(cè)試點(diǎn)如圖8所示，可以直觀體驗(yàn)到重力、摩擦力和恒力，其中最大力反饋效果作用力達(dá)到3.3 N。圖(a) 模擬重力測(cè)試，在提起圖中3 個(gè)不同大小的金屬球時(shí)能感受到這3 個(gè)球具有不同的質(zhì)量；圖(b) 模擬摩擦力測(cè)試，在3 個(gè)平板滑動(dòng)時(shí)能夠感受到由光滑至粗糙的表面帶來(lái)的不同大小的摩擦力；圖(c) 模擬恒力測(cè)試，當(dāng)處于不同方向的立方體中時(shí)，會(huì)感受到上下左右4 個(gè)不同方向的持續(xù)作用的力。

圖8 不同力測(cè)試Figure 8 Different force test

2）測(cè)試力反饋控制器對(duì)虛擬工廠車間內(nèi)工具和零部件的觸摸和抓取能力。操控力反饋控制器，觸摸虛擬工廠中的工具和零部件，可以感受到不同工具零部件的不同材質(zhì)屬性和模型輪廓。在抓起工具和零部件時(shí)能夠像抓取真實(shí)物體一樣感受到物體的質(zhì)量，并且能夠與虛擬物體進(jìn)行空間內(nèi)任意方向平移和旋轉(zhuǎn)的6 自由度交互操作，完成將虛擬工具嵌入工具槽、虛擬零件圓孔插入等一系列精細(xì)化操作，如圖9所示。

圖9 精細(xì)化觸摸和抓取操作Figure 9 Refine touch and grab operations

3）測(cè)試力反饋控制器與虛擬物體交互的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。操控力反饋控制器抓取虛擬工廠中的某一工具并持續(xù)一段時(shí)間，在持續(xù)抓取過(guò)程中，力反饋控制器始終能夠穩(wěn)定反饋力觸覺(jué)效果，并且依然能夠在持續(xù)抓取一段時(shí)間后將虛擬零件準(zhǔn)確地嵌入工具槽以及插入圓孔。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了虛擬現(xiàn)實(shí)工廠系統(tǒng)的軟硬件，實(shí)現(xiàn)了力觸覺(jué)增強(qiáng)的虛實(shí)同步操作，使得操作者可以沉浸式地在虛擬工廠進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定的雙向觸覺(jué)交互，解決了現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)工廠只能依靠頭戴式顯示器和手柄進(jìn)行單向的視、聽(tīng)覺(jué)虛擬操作問(wèn)題。該系統(tǒng)將在工程師培訓(xùn)、設(shè)備故障診斷與維護(hù)、危險(xiǎn)環(huán)境的模擬操作等發(fā)揮重要作用。