在基于VR的直线跑步机模拟地上的转向

摘要：基于虚拟现实（VR）的跑步机界面被开发用于在直线跑步机上练习转向技能。该界面包括跑步机的自定速度控制和虚拟环境的视角控制。自定速度控制允许用户自主改变步行速度，以便他们可以减少步行速度以自然的方式走近虚拟走廊的角落，并在通过连续虚拟走廊时增加步行速度。基于文献中的转向生物力学，VR交互实现了对用户头部的方向的判定，用户可以自主地控制视角以用于在直线跑步机上的实际转向。通过对健康志愿者的试点实验，通过比较基于VR的转向中的步态参数和相对于地上的转向，VR转向的现实性已被评估。虽然没有事先被告知如何在直线跑步机上走过弯曲的VR走廊，用户仍然正确地控制了他们的头部方向角。地面上头部的旋转角度和VR转向是类似的，所有用户在走近虚拟角落时降低行走速度和步幅长度，这和现实世界转向中采取了同样的策略。基于VR的转向交互不能完全实现和真实世界转向相同的生物力学，因为直线跑步机不允许下体转动;然而，它仍将在临床环境中用于让患有神经障碍的患者练习转向技能，例如适当控制头部方向和克服转向前的犹豫行为。

关键词：虚拟现实，转向，跑步机控制界面，自主的速度控制，走路康复，生物力学。

1. 介绍

转向是一个步行中普遍存在的和共同的元素。在日常活动中，20％~50％的行走据报告称是转向。相比直行，转弯是一个更复杂的任务，它涉及全身朝向新方向的重新适应还要同时保持稳定性和平衡性并保持正在进行的步行。转向运动时大脑活动的研究表明，这个复杂的任务是由中枢神经系统（CNS）协调并且转向步行时头部朝向和眼睛控制都大量参与其中。

行动中的摔倒导致重大的伤害，如骨折，脱臼或需要缝合的撕裂伤口，而且转向期间跌倒的风险比直线行走更大。转向运动比直线上行走需要较少稳定运动学，因此容易造成跌倒。在有神经系统疾病的人口中，他们经常声称转向困难，这是与跌倒相关的原因之一。

在现实世界中重复的转向练习可能会帮助患者提高转向能力和降低跌倒风险。体重支撑跑步机（BWST）一直是重复性走路训练的有用工具还可以保证患者的安全。由于头部方向和眼睛控制涉及转向，虚拟现实显示和BWST的结合将提供现实走路训练环境。全方位跑步机系统已经被开发以实现转动运动在BWST上的计划;然而，由于成本和设计的复杂性，系统在特定的康复装置中不容易实现。

研究的目的是开发一个在直线跑步机上广泛使用并可以商用的高效的转向交互。很明显，一个直线跑步机不能实现精确的地面上转向的生物力学，因为直线跑机不允许改变脚的方向。但是，基于头部取向在转向之前起重要作用的事实，我们开发了一个控制界面，用户必须采取在实际中转向的相同方式来控制他们的头的方向。虽然他们的脚不改变方向，用户会感觉仿佛他们在导航通过一个虚拟环境的过程中转向。这也练习了控制头部方向来提高转向技能。通过健康志愿者的实验，基于VR的转向交互的现实性已被评估。

1. 跑步机速度控制界面

为了让用户能够自由控制步行速度，开发了前馈/反馈速度控制器。前馈控制器通过测量用户每一步的最大摆动速度来估计行走速度。 仪器化跑步机（Bertec Co，Columbus OR）与VICON运动捕获系统（VICON Inc.，Lake Forest，CA）相互作用，实时计算摆动脚速度。 在前馈控制器估计用户的行走速度时，反馈控制器试图保持用户的骨盆位置靠近跑步机中心（图1）。

自定跑步机控制器允许用户自愿改变步行速度，这是比在特定跑步机上持续行走更类似于真实世界的走路。

图1跑步机自主速度控制器

1. VR交互中的头部方向控制

三维虚拟环境由放在跑步机前面的仪表上的大屏幕显示。 虚拟现实界面与跑步机控制器相通以接收用户的头部旋转角度、步行速度和步行距离。

3D走廊是由OpenGL开发，其中用户必须右转一次（90度）然后左转两次（图2）。

用户在虚拟走廊中的位置是由步行距离计算的，视角由用户的头部旋转角度确定。由于用户总是向前走而虚拟环境中行走的方向却改变90度，头旋转角度被积分以确定接着的虚拟视角环境。

（1）

其中表示相对于固定的虚拟环境坐标系的视角，表示头部旋转角度，k系数确定视角的速度。

图。 图2.VR显示：在屏幕上显示的3D走廊（左）和虚拟走廊（右） - 用户的2D地图从右边进入，右转一次然后左转两次。

1. 实验评估

4.1主题和实验程序

10例健康受试者，5例女性（22.6plusmn;3.21岁，169.2plusmn;5.72cm，62.74plusmn;10.55kg）和5名男性（22.88plusmn;3.98岁，174.4plusmn;3.91cm，67.72plusmn;10.35kg），在之前书面同意参加测试。 所有实验程序经国家卫生研究院的IRB批准。

首先，受试者在地上走然后在墙边转过90度（图3）。 他们被指示要以放松的步速走。 反射标记物放置在他们的下身来测量时空步态参数。 然后，受试者走上自主控制跑步机，而3D虚拟走廊显示在大屏幕上（图2）。

完成地上转向和VR转向后，受试者给出分数（0至10分）基于VR转向的真实性对比真实的转向。

图3实验装置：现实转向

4.2结果

所有受试者在转动两者之前进行头部旋转在地面转弯和VR转弯。 主题类似量的最大头部旋转地面和VR转向和平均最大。 头男性受试者的旋转角度更大（图4）。

50

40

30

20

10

0

女性 男性

图4 实际转向（VR）和VR转向（VR向）时的头部旋转角。

所有受试者自愿减小步幅无论在在实际步行中转向还是跑步机行走中转向（图5）。 注意！他们没有必要直线跑步机上减小步幅长度，但他们自愿，这意味着VR转向很真实。

图 5.直行和转弯时的步幅长度在实际转向和VR转向时。

VR现实极的平均得分为10分中的7.1plusmn;1.1。

5.讨论和结论

基于VR的转向交互已经实现，用于让具有困难转向的患者在直线跑步机的安全的环境中练习转向技能。虽然装置不提供准确的转向生物力学，他们认为VR转向就是现实中的转向。

在VR交互的实验中，我们没有指导受试者如何在直线跑步机上通过曲线的走廊，但所有受试者在第一次试验中都会转头来转向。这意味着这个装置可以直观地模拟实际的转向。

头部旋转角度的程度在现实转向中和VR转向中一样。此外，受试者在地上和VR转向采取类似的策略：他们减小步幅长度和降低步行速度来转向。在直线跑步机上，所有受试者知道VR显示不是真的，所以他们没有必要在墙角附近减小步幅，但他们自愿减小步幅长度，采用他们在实际中的相同策略。

随着机器人和控制技术的进步，更多的机器设备渐渐可用于临床使用。基于VR的跑步交互具有很高的广泛应用潜力来训练有转向困难的病人。

虚拟现实在制造过程模拟中的应用

摘要

虚拟现实（VR）是一个迅速发展的计算机交互，它努力将用户完全沉浸在模拟实验中，从而极大地增强了整体感受，并在计算机和人类参与者之间提供了更直观的联系。 虚拟现实已经成功应用于成百上千个不同领域的情景，包括快速原型，制造，科学可视化，工程和教育。 本文概述了虚拟现实在制造过程中的应用。

关键词：虚拟现实; 虚拟制造; 虚拟环境

1.介绍

当前减少从产品的概念化到生产所涉及的时间和成本的需求迫使公司在制造领域转向新的和新兴的技术。其中的一种技术是虚拟现实（VR）。虚拟现实的起源可以追溯到远远回到至少作为“最终显示”。虚拟现实允许用户通过计算机屏幕进入三维（3D）世界。用户可以看，移动并与周围这些世界互动，好像他们是真实的。支持VR的主要概念是幻觉。它重点在于通过计算机图形学表现心灵的幻想世界。它也是一个新的信息媒体和知识的获取，代表了以前不可能实现的想法的概念。随着计算机技术的进步，VR系统可以在各种应用中高效地发挥作用。虚拟制造（VM）是应用VR技术的制造应用之一。大学研究员马里兰已经在1995年介绍了虚拟制造的概念，而VM的贡献和成就已经被Shukla等人定义为计算机系统用来生成制造系统的结构、状态、表现的信息，它们可以在真正的制造环境中被观察到。虚拟制造的愿景是提供“在电脑里制造”的能力。这意味着VM将提供一个强大的模型和模拟环境来制造/组装任何产品，包括相关制造过程，都可以在计算机中模拟。

1.1 VR系统的类型

伊凡萨瑟兰在一篇开创性的论文中介绍了沉浸在模拟世界中的关键概念，以及完整的感觉输入和输出，这是当前虚拟现实的基础研究。他任务的难度是设定屏幕为虚拟的窗口，通过其看世界，使它看起来真实、行动真实、声音真实和感觉真实。虽然很难分类所有的VR系统，大多数配置分为三大类并且每个类别可以通过沉浸感来排名，或提供的存在程度。这些类别

包括非沉浸式（桌面）系统，半沉浸式投影系统和完全身临其境的系统（表1中展示的）。市场上有大量可用的VR软件包，其可以用于针对不同的应用开发虚拟环境（例如Superscape VRT和SENSE8）。而且，软件包已经开发用于虚拟制造中的应用（例如，DELMIA）。 DELMIA包提供创作应用程序可用于开发和创建虚拟制造环境以解决过程规划、成本估计、工厂布局、人体工程学、机器人、加工、检验、工厂模拟和生产管理。

1.2虚拟现实在制造业的应用

制造业是工业化国家的繁荣最重要的贡献者。然而，它越来越难以满足客户的需求，要求和竞争。虚拟现实的进步技术在过去十年已经推动应用VR到不同的工程应用如产品设计、建模、车间控制、过程模拟、制造规划、培训、测试和验证。VR在制造应用中具有巨大的潜力，在实际应用之前解决问题从而防止高昂代价的错误。虚拟现实不仅为可视化提供了环境，在三维环境中也可以进行交互与对象，以从两者定性和定量观点改善决策。下列部分讨论虚拟现实在制造业中的应用，包括设计、原型、加工、装配、检查、规划、培训和模拟。虚拟现实应用在制造业已经分为三组;运营管理、制造过程和设计。简要说明将提供每个组及其相关子组在接下来的部分。

表格1

VR系统的类型

1.2.1设计

虚拟现实在设计一个新产品中可能扮演非常重要的角色。 VR技术已经应用于两个不同的设计应用;设计和原型如表2所示。在设计中应用VR的好处如表4所示。VR为设计者提供虚拟环境在设计的概念阶段设计新产品;设计者可以在虚拟环境中生成产品的3D“草图”。在这个阶段，机械特征的功能实验，例如铰链，组装等等可以执行来评估概念并可以根据需要进行设计和修改。一旦设计师对他们的设计感到满意，然后可以对设计做出详细的必要的修改。在产品开发过程中，原型设计是必不可少的一步。原型代表a的重要特征产品，需要进行调查，评估和改进。虚拟原型可以在构建之前使用物理原型来证明设计选择，做工程分析，制造规划，支持管理决定，并从新产品获得反馈潜在客户。用于原型设计的虚拟环境应包括：

（a）功能：虚拟原型应该清楚地被定义和现实模拟以解决产品功能和动态行为。

（b）人类互动：涉及的人类功能必须被现实地模拟，或者人必须包括在模拟中。

（c）环境：可以执行离线计算机模拟功能，或者可以进行计算机的组合离线和实时仿真。

1.2.2操作管理

运营管理分为三个类别;规划，模拟和培训。应用VR技术在这些种类中的好处显示在表4中。由于需要更智能的工厂规划;虚拟现实是一种有用的方法来改进理解计划和支持跨学科讨论。图 1显示完全身临其境的VR环境，已被用作未来工厂设计的工具。这种环境已经被开发以提供视觉，三维空间中探索各种产品组合的效果，检查计划和工人生产经验。基于虚拟现实的培训是世界上最先进的

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