Chai3D之触觉设备

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介绍

  触觉设备是一种双向仪表/致动的人机界面，由人类操作员用于与计算机模拟虚拟环境进行主动交互。触觉设备可以是鼠标、方向盘、指垫、机器人手柄、抓手、操纵杆、手套、磁悬浮手腕，甚至是移动整个用户身体的运动平台的形式。它可用于模拟具有质量、阻尼、摩擦和刚度属性的环境，也可以模拟虚拟工具与其周围虚拟环境交互的机械行为。

  CHAI3D 提供了一个名为 cGenericHapticDevice 的基类，它实现了一组与最常见的 3D 触觉设备进行通信的方法。触觉设备的末端执行器或手柄的位置可以通过使用getPosition（），getRotation（），getGripperAngleDeg（）等方法读取。可选的用户开关或按钮可以通过调用getUserSwitch（）来读取。

  力和扭矩可以通过调用诸如setForce（），setForceAndTorque（）和setForceAndTorqueAndGripperForce（）等方法发送到触觉设备。

  对于每种型号的触觉设备（例如delta.x，omega.x猎鹰，幻影等）CHAI3D 实现了一个特定的类（例如 cDeltaDevice、cPhantomDevice），该类继承自 cGenericHapticDevice，并通过从支持该设备的 API 调用特定命令来实现每个命令。

一般规定

  所有数量均以IUS（公制）单位表示。参考设备坐标系指定 x 轴指向操作员，y 轴指向操作员的右侧，z 轴指向上方。最后，原点始终位于设备物理工作区的中心。

  如果触觉设备带有手腕或手写笔，则其手柄的方向使用旋转矩阵表示。下图说明了三自由度、六自由度和七自由度设备的约定。

  示例 02-multi-devices 是一个简单的应用程序，它显示连接到计算机的每个触觉设备的参考帧。参考框架使用颜色而不是标签来命名不同的轴（分别为 x、y 和 z）。颜色约定为：红色表示 x 轴，绿色表示 y 轴，蓝色表示 z 轴。

触觉设备处理程序

  触觉设备处理程序 （cHapticDeviceHandler） 是一个类，用于搜索并列出连接到计算机的所有触觉设备。

  在下面的列表中，我们说明了一个简单的示例，该示例对触觉设备施加力，使其末端执行器朝向其工作空间的中心点：

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();

如何定制触觉设备

  cMyCustomDevice 提供了一个基本模板，可让您非常轻松地将 CHAI3D 连接到您自己的自定义触觉设备。只需按照文件 CMyCustomDevice 中的 12 个注释步骤操作.cpp并相应地完成代码。根据设备上的自由度数，可能需要实现并非所有方法。例如，如果您的设备不提供任何旋转自由度，只需忽略 getRotation（） 方法即可。如果未在设备上实现默认值，则将正确返回默认值。例如，在旋转的情况下，返回单位矩阵。

  您还可以重命名此类，在这种情况下，您还需要自定义触觉处理程序以自动检测您的设备。请查阅 cHapticDeviceHandler 类的方法 update（），该类位于文件 CHapticDeviceHandler.cpp 中。只需查看触觉设备处理程序如何查找 cMyCustomDevice 类型的设备。

  如果您在实现时遇到任何问题，请检查实例文件 CDeltaDevices.cpp该文件实现了对力维度和 Novint 触觉设备的支持。为了验证实现，请使用01-mydevice示例开始。示例 11-effects 是一个很好的演示，用于验证基本触觉效果在触觉设备上的行为方式。如果您确实遇到振动或不稳定性，请尝试降低设备支持的最大刚度（请参阅文件 CMyCustomDevice.cpp 中的 STEP1）。

  确保您的设备与计算机的通信速度也足够快。理想情况下，通信周期应小于1ms，以达到至少1000Hz的所需更新速率。例如，使用慢速串行端口 （RS232） 时通常会出现问题。

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