Design and Development of a Locomotion Interface for Virtual Reality Lower-Body Haptic Interaction
作者: An-Chi He, Jungsoo Park, Benjamin Beiter, Bhaben Kalita, Alexander Leonessa
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2025-03-03
💡 一句话要点
设计ForceBot下肢触觉交互 locomotion 接口，实现VR中行走和地形交互
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 虚拟现实 触觉交互 locomotion接口 下肢康复 人机交互 导纳控制 平面龙门架
📋 核心要点
- 现有VR locomotion方案在地形交互方面存在不足，难以提供真实的触觉反馈和沉浸式体验。
- ForceBot采用双平面龙门架结构，结合导纳控制和行走算法，模拟不同地形的触觉反馈。
- 通过初步用户数据验证了ForceBot在VR地形交互方面的有效性，并展示了其广泛的工作空间和紧凑的结构。
📝 摘要（中文）
本文介绍了一种名为ForceBot的 locomotion 接口的设计、构建、控制和初步用户数据。它在虚拟现实(VR)中提供下肢触觉交互，使用户能够在VR中行走，同时与各种模拟地形进行交互。该系统利用两个平面龙门架为每只脚提供两个自由度，并实现被动的脚后跟抬起运动。设计过程中，采用了运动捕捉数据和动态仿真来优化人机工程学工作空间和硬件选择。其系统框架使用开源机器人软件，并与定制的电源系统配对，该系统提供EtherCAT通信，具有1,000 Hz的软实时计算速率。该系统采用导纳控制器来调节物理人机交互(pHRI)，以及行走算法来生成行走运动和模拟虚拟地形。通过三个测量来评估用户输入力与输出pHRI运动之间的关系，从而探索系统的性能。总的来说，该平台提出了一种独特的方法，利用平面龙门架实现VR地形交互，具有广泛的工作空间和相当紧凑的占地面积，并提供了初步的用户数据。
🔬 方法详解
问题定义：现有VR locomotion方案难以提供真实的下肢触觉反馈，用户无法在虚拟环境中感受到不同地形带来的阻力、震动等。这限制了VR应用的沉浸感和交互性。ForceBot旨在解决VR环境中下肢触觉交互不足的问题，让用户在VR中行走时能够感受到真实的地形反馈。
核心思路：ForceBot的核心思路是利用双平面龙门架结构，为每只脚提供两个自由度，并通过导纳控制算法，根据用户输入力和虚拟地形信息，调节龙门架的运动，从而模拟不同地形的触觉反馈。被动的脚后跟抬起运动设计，更贴近真实行走步态。
技术框架：ForceBot系统主要包括以下几个模块：1) 双平面龙门架硬件平台，提供下肢运动的物理支撑；2) 运动捕捉系统，用于获取用户的运动数据；3) 电源系统，提供EtherCAT通信和1000Hz的软实时计算速率；4) 导纳控制器，根据用户输入力和虚拟地形信息，计算龙门架的运动指令；5) 行走算法，生成自然的行走运动；6) 虚拟现实环境，提供视觉反馈和地形信息。
关键创新：ForceBot的关键创新在于：1) 采用双平面龙门架结构，实现了较大的工作空间和较小的占地面积；2) 结合导纳控制和行走算法，实现了逼真的下肢触觉反馈；3) 采用开源机器人软件和定制电源系统，提高了系统的灵活性和可扩展性。
关键设计：ForceBot的关键设计包括：1) 龙门架的尺寸和材料选择，需要兼顾工作空间、承重能力和运动灵活性；2) 导纳控制器的参数调节，需要根据不同地形进行优化，以提供最佳的触觉反馈；3) 行走算法的设计，需要保证运动的自然性和稳定性；4) 虚拟现实环境的构建，需要提供逼真的视觉效果和地形信息。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过三个测量评估了系统的性能，考察了用户输入力与输出pHRI运动之间的关系。初步用户数据显示，ForceBot能够提供较为真实的下肢触觉反馈，用户能够在VR环境中感受到不同地形带来的阻力。此外，ForceBot具有较大的工作空间和较小的占地面积，使其在实际应用中具有一定的优势。
🎯 应用场景
ForceBot可应用于VR游戏、康复训练、军事模拟等领域。在VR游戏中，用户可以体验到更加真实的行走和地形交互，提高游戏的沉浸感。在康复训练中，ForceBot可以模拟不同的地形，帮助患者进行下肢力量和平衡训练。在军事模拟中，ForceBot可以模拟战场环境，提高士兵的训练效果。未来，ForceBot有望成为VR领域重要的交互设备。
📄 摘要（原文）
This work presents the design, build, control, and preliminary user data of a locomotion interface called ForceBot. It delivers lower-body haptic interaction in virtual reality (VR), enabling users to walk in VR while interacting with various simulated terrains. It utilizes two planar gantries to give each foot two degrees of freedom and passive heel-lifting motion. The design used motion capture data with dynamic simulation for ergonomic human-robot workspace and hardware selection. Its system framework uses open-source robotic software and pairs with a custom-built power delivery system that offers EtherCAT communication with a 1,000 Hz soft real-time computation rate. This system features an admittance controller to regulate physical human-robot interaction (pHRI) alongside a walking algorithm to generate walking motion and simulate virtual terrains. The system's performance is explored through three measurements that evaluate the relationship between user input force and output pHRI motion. Overall, this platform presents a unique approach by utilizing planar gantries to realize VR terrain interaction with an extensive workspace, reasonably compact footprint, and preliminary user data.