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Chai3D之觸覺設(shè)備

發(fā)布人:xyni2023 時(shí)間:2023-02-28 來源:工程師 發(fā)布文章
Chai3D之觸覺設(shè)備


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介紹

??觸覺設(shè)備是一種雙向儀表/致動(dòng)的人機(jī)界面,由人類操作員用于與計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)交互。觸覺設(shè)備可以是鼠標(biāo)、方向盤、指墊、機(jī)器人手柄、抓手、操縱桿、手套、磁懸浮手腕,甚至是移動(dòng)整個(gè)用戶身體的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的形式。它可用于模擬具有質(zhì)量、阻尼、摩擦和剛度屬性的環(huán)境,也可以模擬虛擬工具與其周圍虛擬環(huán)境交互的機(jī)械行為。

??CHAI3D 提供了一個(gè)名為 cGenericHapticDevice 的基類,它實(shí)現(xiàn)了一組與最常見的 3D 觸覺設(shè)備進(jìn)行通信的方法。觸覺設(shè)備的末端執(zhí)行器或手柄的位置可以通過使用getPosition(),getRotation(),getGripperAngleDeg()等方法讀取??蛇x的用戶開關(guān)或按鈕可以通過調(diào)用getUserSwitch()來讀取。

??力和扭矩可以通過調(diào)用諸如setForce(),setForceAndTorque()和setForceAndTorqueAndGripperForce()等方法發(fā)送到觸覺設(shè)備。

??對(duì)于每種型號(hào)的觸覺設(shè)備(例如delta.x,omega.x獵鷹,幻影等)CHAI3D 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)特定的類(例如 cDeltaDevice、cPhantomDevice),該類繼承自 cGenericHapticDevice,并通過從支持該設(shè)備的 API 調(diào)用特定命令來實(shí)現(xiàn)每個(gè)命令。

一般規(guī)定

??所有數(shù)量均以IUS(公制)單位表示。參考設(shè)備坐標(biāo)系指定 x 軸指向操作員,y 軸指向操作員的右側(cè),z 軸指向上方。最后,原點(diǎn)始終位于設(shè)備物理工作區(qū)的中心。

??如果觸覺設(shè)備帶有手腕或手寫筆,則其手柄的方向使用旋轉(zhuǎn)矩陣表示。下圖說明了三自由度、六自由度和七自由度設(shè)備的約定。

三自由度、六自由度和七自由度觸覺設(shè)備的參考框架。

??示例 02-multi-devices 是一個(gè)簡單的應(yīng)用程序,它顯示連接到計(jì)算機(jī)的每個(gè)觸覺設(shè)備的參考幀。參考框架使用顏色而不是標(biāo)簽來命名不同的軸(分別為 x、y 和 z)。顏色約定為:紅色表示 x 軸,綠色表示 y 軸,藍(lán)色表示 z 軸。

CHAI3D 示例 02-多設(shè)備:參考幀和光標(biāo)。觸覺設(shè)備處理程序

??觸覺設(shè)備處理程序 (cHapticDeviceHandler) 是一個(gè)類,用于搜索并列出連接到計(jì)算機(jī)的所有觸覺設(shè)備。

??在下面的列表中,我們說明了一個(gè)簡單的示例,該示例對(duì)觸覺設(shè)備施加力,使其末端執(zhí)行器朝向其工作空間的中心點(diǎn):

using namespace chai3d;
// create haptic device handler
cHapticDeviceHandler* handler;
handler = new cHapticDeviceHandler();
// get handle to first available haptic device on the list
cGenericHapticDevice* hapticDevice;
handler->getDevice(hapticDevice, 0);
// open connection to haptic device
hapticDevice->open();
// initialize simulation
bool simulationRunning = true;
double Kp = 25;
cVector3d position(0,0,0);
// haptics loop
while (simulationRunning)
{
// read position from haptic device
hapticDevice->getPosition(position);

    // compute force
    cVector3d force = -Kp * position;
    // send force to haptic device
    hapticDevice->setForce(force);

}
// close connection to haptic device
hapticDevice->close();

如何定制觸覺設(shè)備

??cMyCustomDevice 提供了一個(gè)基本模板,可讓您非常輕松地將 CHAI3D 連接到您自己的自定義觸覺設(shè)備。只需按照文件 CMyCustomDevice 中的 12 個(gè)注釋步驟操作.cpp并相應(yīng)地完成代碼。根據(jù)設(shè)備上的自由度數(shù),可能需要實(shí)現(xiàn)并非所有方法。例如,如果您的設(shè)備不提供任何旋轉(zhuǎn)自由度,只需忽略 getRotation() 方法即可。如果未在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)默認(rèn)值,則將正確返回默認(rèn)值。例如,在旋轉(zhuǎn)的情況下,返回單位矩陣。

??您還可以重命名此類,在這種情況下,您還需要自定義觸覺處理程序以自動(dòng)檢測您的設(shè)備。請(qǐng)查閱 cHapticDeviceHandler 類的方法 update(),該類位于文件 CHapticDeviceHandler.cpp 中。只需查看觸覺設(shè)備處理程序如何查找 cMyCustomDevice 類型的設(shè)備。

??如果您在實(shí)現(xiàn)時(shí)遇到任何問題,請(qǐng)檢查實(shí)例文件 CDeltaDevices.cpp該文件實(shí)現(xiàn)了對(duì)力維度和 Novint 觸覺設(shè)備的支持。為了驗(yàn)證實(shí)現(xiàn),請(qǐng)使用01-mydevice示例開始。示例 11-effects 是一個(gè)很好的演示,用于驗(yàn)證基本觸覺效果在觸覺設(shè)備上的行為方式。如果您確實(shí)遇到振動(dòng)或不穩(wěn)定性,請(qǐng)嘗試降低設(shè)備支持的最大剛度(請(qǐng)參閱文件 CMyCustomDevice.cpp 中的 STEP1)。

??確保您的設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通信速度也足夠快。理想情況下,通信周期應(yīng)小于1ms,以達(dá)到至少1000Hz的所需更新速率。例如,使用慢速串行端口 (RS232) 時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)問題。

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