[发明专利]一种面向磁悬浮视触觉交互的多速率协同方法及系统

权利要求书

1.一种面向磁悬浮视触觉交互的多速率协同方法，采用面向磁悬浮视触觉交互的多速率协同系统；

其特征在于：所述系统包括视觉工具、虚拟触觉工具、视觉定位模块、物理仿真模块、触觉渲染模块、触觉生成模块；

所述视觉工具，为操作者实际手持工具，其底部设置有磁铁；所述虚拟触觉工具，建模成一根刚性杆，其位置、速度增量将仅来源于手持视觉工具的移动，且不具备其它任何增量来源；所述触觉生成模块，用以生成对应的实际作用磁力，进而影响用户操作，产生实体触觉；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：用户手持视觉工具进行操作，其运动被视觉定位模块所捕捉；

步骤2：视觉定位模块、物理仿真模块和触觉渲染模块并行执行下述操作；

视觉定位模块跟踪用户操作，构建用户操作到虚拟触觉工具位姿的稳定映射；

物理仿真模块对交互过程中的物理现象进行建模仿真；

触觉渲染模块实现对应的六自由度触觉渲染计算；

步骤3：触觉渲染模块将计算得到的触觉反馈信息传递给触觉生成模块；最终触觉生成模块生成相应的磁场，与视觉工具底部磁铁发生相互作用，进而使用户感受到真实的反馈力，并对用户接下来的操作造成影响；

步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：视觉定位模块跟踪用户操作，实施虚拟触觉工具位姿映射，将数据以频率f₁写入共享写缓冲区W1中，计算周期末，将W1的数据复制到共享读缓冲区R1中；

步骤3.2：虚拟场景物理仿真模块以频率f₂从共享读缓冲区R1读取位姿数据，进行虚拟场景物理仿真计算，更新虚拟场景、碰撞对信息C^t，并将当前位姿、C^t写入共享写缓冲区W2中，计算周期末，将W2的数据复制到共享读缓冲区R2中；

步骤3.3触觉渲染模块以频率f₃从共享读缓冲区R2读取相关数据，进行触觉渲染计算，并更新当前图形工具位姿信息计算周期末，将六自由度触觉反馈计算力数据传递给触觉生成模块，生成相应实体触觉；

系统通过多速率并行协同方法，实现速率不一致模块间相互协同。

2.根据权利要求1所述的面向磁悬浮视触觉交互的多速率协同方法，其特征在于，步骤2中所述构建用户操作到虚拟触觉工具位姿的稳定映射，具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1.1：定义视觉工具位姿向量为其中，表示视觉工具的质心位置坐标，表示视觉工具的主轴方向，和则分别代表视觉工具的位置子向量和旋转子向量；

步骤2.1.2：通过用户手持视觉工具在视觉定位区域中进行任意的操作移动，对操作过程中的定位输出数据进行统计处理，得出交互过程中视觉定位数据的具体范围，定义边界向量为：

其中，上标B代表边界，和分别表示视觉定位输出数据的最小、最大值，和分别代表边界向量的最小值子向量和边界向量的最大值子向量；

步骤2.1.3：基于边界向量构造从视觉工具位姿向量到虚拟触觉工具位姿向量的映射关系，实时映射到虚拟触觉工具的运动中；

其中，位姿向量的x坐标的映射关系如下：

L_x代表虚拟触觉工具x坐标范围区间的长度，T_x代表x坐标区间左端点相对于原点的平移量，y,z坐标也同理进行映射，针对位姿信息的旋转分量，执行从单位方向向量到欧拉角的变换即可。

3.根据权利要求1所述的面向磁悬浮视触觉交互的多速率协同方法，其特征在于：步骤2中，物理仿真模块通过基于位置的动力学物理仿真方法PBD对虚拟物体的物理特性进行建模仿真，其中针对虚拟物体形变特性，利用体积保存约束进行建模；特别地，针对虚拟触觉工具，将其建模成一根刚性杆，其位置、速度增量将仅来源于手持视觉工具的移动，且不具备其它任何增量来源。