微软VR手柄研究：如何用两个独立的体感手柄模拟跳绳?

Esther｜编辑

近年来，微软研究院不断在探索多样化的VR手柄设计，比如：通过骨头形状的电动手柄来模拟抓取和放下物体的触感，或是利用绞盘来模拟弹力球等物体的表面弹力/阻力，或是通过硬质触感控制起来模拟方块等物体的触觉等等。

而近期，微软与韩国科学技术院KAIST合作，研发了一种利用两个独立的手柄来模拟跳绳等连续物体的方案：GamesBond。与此前的手柄研究相比，GamesBond更适合集成于VR手柄中，而且可用于健身、..模拟等实际场景。

据青亭网了解，GamesBond特点是可通过手柄的变形，来模拟双手握住跳绳等同一个连贯物体时，物体变形带来的体感反馈。目前，相关论文已经被全球人机交互会议ACM CHI收录，并获得荣誉提名奖。

科研人员表示：通常，人们习惯于应用VR手柄代表左右手，分别于不同的物体交互，如果用两个手柄来抓住一根虚拟绳子的两端，实际上你只能通过视觉看到绳子中间的形状变化，无法感受到相关的体感。这是因为，目前还无法通过两个独立的体感手柄，来模拟用双手控制同一个物体的感受，除非是一些双手柄机关枪道具，或是固定在原地的体感装置。

VR游戏、VR模拟等体验通常通过双手柄来控制和交互。而未来模拟用双手改变物体形状的体感反馈，一些科研人员采用机械联动装置来调整虚拟物体的硬度，但由于机械装置的延迟，它难以模拟动态的硬度变化，而且左右手之间的距离也受到限制。

为了解决上述问题，科研人员研发了GamesBond方案，该方案采用两个独立的4DoF手柄，手柄分别由上下两部分和底部固定的Vive Tracker组成，采用的元件包括拉伸马达、旋转马达、肌腱、弯曲马达等等。软件方面，GamesBond利用Unity3D来计算虚拟物体的实时变化，刷新率可达200Hz。

这两个手柄可以模拟手中握住物体的动态变化，通过双手的体感来模拟一个连贯物体的变形。换句话说，就是模拟当你双手抓跳绳时，两个手柄的变形，希望通过这种体感来间接模拟跳绳的动态体感（即，用两个独立的手柄模拟同一个连贯物体）。而这种原理的依据，则是基于Yves Guiard提出的双手劳动的不对称分裂之参考原理，与动觉反馈有关。

据悉，GamesBond采用多个马达，且支持多种动态变化，比如：可伸长9毫米，或是缩短2.5毫米，还可以顺时针和逆时针分辨转动70°。此外，也可以通过模拟肌腱和马达在0到30°之间弯曲（不限方向）。GamesBond在弯曲的时候利用了连接上下两部分的三个肌腱，当肌腱在拉伸时会产生反弹的作用。

利用弯曲、旋转和拉伸三种变化，GamesBond可模拟物体的三种不同特征：僵硬、动态变化和柔软。可模拟的物体包括跳绳、木棒、渔网、鱼线轮等两头连在一起的物体，也可以模拟两个独立的电钻、双手柄电钻、钻孔机的左右握柄等等，适用于健身、..模拟等场景。

为了验证实验结果，科研人员将GamesBond在12人中进行测试，目标是GamesBond模拟僵硬、柔软、动态三种性质的效果，以及有效的反馈形式（视觉或视觉加体感）。

这12个人中有4名女性，8名男性，年龄在22到39之间，其中有8名曾使用过体感设备，9名熟悉VR，还有7名对VR和体感设备均了解。

在实验中，他们自由体验了硬木棒、柔软的关节和动态变化的跳绳，还体验了有体感和无体感两种情况。实验结束后的调查结果显示，加入体感反馈的体验感，比仅有视觉模拟的体验更逼真。体验者表示：仿佛就现在真的跳绳一样，比任天堂Wii效果更好。而相比之下，仅有视觉模拟的交互让他们觉得比较枯燥。

此外，体验者还表示能够清晰区别不同体感反馈所代表的物体，并且建议将这种VR体感手柄用来模拟跳绳、握力棒等健身器械，或是模拟骑车方向盘等等。

为了展示这些应用，科研人员也设置了3种模拟应用场景，包括：跳绳、动态重力模拟、多种握柄形态等等。

在跳绳场景中，GamesBond不仅可以模拟单人跳绳，还可以模拟两个人分别摇大绳的多人场景。而利用Obi Rope物理引擎，延长了GamesBond可模拟的绳子长度。此外，通过软件和参数设置，还可以调整绳子的重量和粗细。在实际体验中，体验者每分钟可以跳60下。

在模拟折断木棒的场景中，GamesBond可在不到300毫秒内，从坚硬的木棒体感切换到断裂的木棒状态（即两个手柄回归原样）。除此之外，还可以模拟渔网两端的木棒，木棒受到渔网中来回移动的鱼影响，也会产生动态变化的重力体感。

GamesBond还可以模拟两个独立的打孔机，或是在不到一秒内切换成手提钻，也可以同时模拟旋转线轴来控制鱼竿弯曲的变化。

参考：

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