虚拟现实表面相互作用的动力学模型

为了增强虚拟现实的沉浸感，在平台的控制流程中实现了表面交互的动态模型。动态模型的目的是模拟表面在虚拟世界中“物理”交互时的响应。可以调整模型的动态响应，以表示特定的平衡场景，如单板滑雪、滑板、冲浪，以及行走场景，如在气垫上、柔软的草地上或混凝土上行走。根据患者在跑步机上的位置和压力大小，模型将为Stewart平台提供命令，使其模拟患者与相应虚拟表面之间的交互。该设置使合格的医生/操作员能够通过传递控制信号通过模型来完全控制平台的运动或包括患者干预。这使得设置成为一个适合评估和康复的环境，在那里可以产生特定和个性化的运动。控制架构和交互模型是在LabVIEW中开发的，LabVIEW是一种提供图形编程方法的软件。LabVIEW程序部署在MyRIO学生嵌入式设备上，该设备支持LabVIEW图形代码或C.。虽然LabVIEW是快速概念验证编程的理想选择，对于包含多个语句和循环的大型程序，体系结构很快变得不可破译。因此，更传统的基于文本的编程语言可能更适合在后期使用。

触觉模型利用来自安装在跑步机每个角落中的四个测压元件的输入数据，以及虚拟世界中虚拟第一人称角色脚处虚拟表面的地形坐标。基于三角法，可以估计人在跑步机上施加的重量的位置和大小。触觉模型由四个质量弹簧阻尼器子模型组成，这些子模型由三维空间中的两个矩形表面互连。

触觉模型（也称为板模型）是利用LabVIEW中的状态空间架构开发的。当下表面模拟虚拟地形时，用户施加的权重的位置和大小作用于上表面。然后，上表面（板）的坐标被传输到Stewart平台，用于虚拟板运动的物理渲染。每个质量弹簧阻尼器模型都可以单独修改，从而能够根据所需场景呈现多种不同的表面特性。在测试运行中，板模型相对于绝对坐标的倾斜角度决定了虚拟转弯率，就像在粉状雪中骑滑雪板一样。系统内不同组件之间的信息流，包括包含触觉模型的数据处理单元。数据处理单元处理来自传感器和虚拟世界的信息，通过触觉模型将它们耦合，并通过致动平台、生成声音和相应地显示虚拟场景来向用户提供触觉视听体验。系统内的不同组件与包含触觉模型的控制器之间的信息流。

虚拟现实环境与实现

Unity是一个内置IDE的实时专业3D开发平台，用于生成和渲染虚拟世界，并提供Stewart平台模拟真实世界中表面姿态所需的地形信息。Unity 虚拟现实应用程序和LabVIEW程序通过Python实现的中间件网关交换信息。然后，控制器处理地形信息以及患者通过触觉接口的干预，以提供Stewart平台姿势的一组坐标。这是一个连续、实时的过程，可以产生虚拟世界的沉浸式逼真度。

虚拟现实环境由一个有十字路口的小城市组成。沿路有不同的障碍物，如减速带、斜坡、岩石和其他障碍物，患者必须克服这些障碍物才能获得沿路散落的所有星星。游戏玩法很简单，收集所有星星，并尝试保持平衡。为了收集星星，患者必须将场景中的角色直接导航到星星中，当捕捉到星星时，会触发一个不同的音频，以指示星星确实被捕捉到了。为了测试患者的平衡、网络病的可能性以及生物电子实验室的功能，星星被战略性地放置在道路上。例如，其中一颗星星被放置在尽头，患者必须转过180度才能返回并尝试另一条路径，而其他星星则被放置在斜坡和颠簸处，因此患者必须在上面导航。目前，场景中没有点数计算或时间测量，但在未来，可以添加这些方面。最初的计划是，使用者在跑步机上行走，并向两边倾斜以转弯。由于限制，无法进入生物通信电子学实验室设施，因此无法实施。相反，生物聊天电子实验室操作员在虚拟现实中手动设置角色的速度，用户可以通过倾斜来导航和转弯，这与滑板运动类似。在开发之前，与治疗师讨论了滑板的虚拟现实场景，并考虑了之前涉及患者的相关工作，显示了治疗目标和游戏设计选择。中风患者康复的一部分重点是感官刺激和左右转移腿部重量。在与治疗师的讨论中，患者有时会使用任天堂Wii平衡板（WBB）和Wii Fit进行负重和平衡训练。目前，这种训练很少，只是为了好玩，因为根据治疗师的说法，患者往往更专注于赢得比赛，而不是正确地进行动作。这可能会对治疗进展产生负面影响，并可能阻碍通过传统康复获得的进展。设计康复游戏，迫使患者做出正确的动作来“获胜”，这可能会使此类系统的使用更加适合。该场景被开发用于生物电子实验室和家庭版本。

目前的生物聊天电子实验室是作为概念验证而开发的，旨在测试虚拟现实和物理运动平台结合的逼真度和沉浸感方面的可能性和性能。尽管所使用的物理组件及其组装方式导致钻机尺寸不必要地过大，在可用性和动态响应方面存在限制，但测试表明，在提高逼真度和沉浸感方面取得了令人满意的结果。一旦进入了一个由敏感的物理反应增强的虚拟世界，大脑很快就采用了人工物理，而且定向感觉越来越自然和本能。该装置证明了其作为生物力学运动评估和训练/康复概念验证平台的用途，并将用于该领域的进一步研究。然而，在未来，需要为机械系统开发更紧凑、更灵敏的解决方案，以增加启动评估/恢复和操作的难度，同时也增强运动渲染。