利用压缩空气原理，VR网球拍也能模拟空气阻力

业界作者：青亭网 2022-07-08 21:45:56

Esther | 编辑

沉浸的VR体验不仅体现在视觉上，听觉、触觉也很重要。尤其是在VR健身、VR运动场景，比如用虚拟球拍击球时如果有逼真的体感反馈，那么不仅沉浸感更强、运动体验也更自然。对于运动员来讲，运动中的体感反馈甚至是提升技术的一项关键指标。

就目前的VR来讲，手柄通常仅提供震动反馈，效果类似于任天堂的Wii，只能通过震动来提示你球拍碰到了球，体验感和真实运动差距较大。

为解决这一问题，台北国立台湾大学科研人员利用压缩空气原理，研发了一款VR体感方案：AirRacket，其特点是可渲染虚拟球拍在空气中挥动时产生的阻力，可用来模拟网球、羽毛球、乒乓球运动的体感反馈。

据青亭网了解，该方案配备了类似于真人CS游戏中气枪所使用的压缩空气筒，当VR中的虚拟球拍打到球时，可以瞬间发射一阵强空气阻力。不过，AirRacket实际上仅能模拟不到10牛顿的阻力，而网球拍击球的力量通常约为400牛顿。为此了弥补这一限制，科研人员采用了一些感知设计，来提升力反馈的逼真感。比如：在350毫秒内，通过增加空气阻力持续时间来提升感知阻力。如果持续时间翻7倍，感知阻力可翻4.1倍。

换句话说，就是延长球拍碰到球这一瞬间的时间，在真实场景中，人们这一瞬间的体感仅持续不到5毫秒，而在VR中，人们可以接受46到337毫秒左右的体感反馈。

解决的痛点

目前，VR手柄支持震动反馈，适用于模拟高尔夫球、乒乓球、羽毛球等等部分运动的体感。这些运动的特点是，打到球的力反馈比较轻。相比之下，如果用手柄的震动来模拟网球的体感，则力度较小、体验感不自然。

尤其是对于专业运动员和爱好者来讲，球拍击球的力度、冲击角度都会影响到网球赛的结果，他们会根据这些微妙的信息，去判断球将到达对面的位置。而由于VR手柄难以提供准确的击球体感，VR网球的感觉可能更像是游戏，而缺少真实网球运动所包含的丰富变化。

因此，科研人员希望通过可微调的气压来模拟打网球时的强力体感。他们将气压喷嘴连接到通用的可伸缩球拍手柄上，以模拟球拍的长度。

当虚拟球击中球拍时，压缩空气从背包中的便携式压缩机压入喷嘴。由于空气以不同的方向喷射，该系统还可以模拟球的撞击角度。

为了进行跟踪，研究人员将Optitrack系统连接到球拍手柄的尖端。也可以采用Vive Tracker，不过会增加额外的重量，而采用的气压喷嘴则是彩弹枪的常见型号。

利用视觉错觉

作为模拟目标，研究人员将乒乓球、羽毛球和网球这三种最受欢迎的球拍运动作为模拟目标，他们希望在虚拟现实中对其进行升级，以更好地感受球的感觉。对受试者的首次测试表明，触觉系统可以增加这些球拍运动的沉浸感和精确度。

在VR中可视化的力，特别是冲击的长度（350毫秒对50毫秒），可以使感觉到的力比喷嘴实际产生的力强四倍。

不过，AirRacket采用的空气压缩设备成本较高，可能不适合家用VR场景，更适合专业的VR培训或是线下VR体验店。

除了羽毛球、网球外，该方案还可适用于剑术等其他运动，此外，还为曲棍球、高尔夫、棒球、剑和壁球提供了其他可 3D 打印的握把。

使用压缩空气推进喷射器提供定向冲击力，模拟乒乓球、羽毛球、网球三种运动的体感。通过对72名参与者进行体验调查，结果显示与基于物理的设计相比，感知设计可以显著提高非接地力反馈系统的真实感和偏好。

当球拍击中球或羽毛球时，产生的冲量（即短时间内的方向力）会产生球拍的线性和旋转加速度。使用者手部、手臂、肩部、躯干和腿部的肌肉必须协同工作来引导球拍并保持身体姿势。这种触觉体验包括：1) 手握拍柄的触觉，包括压力、皮肤拉伸和振动，以及 2) 运动感觉和本体感觉，包括多个肌肉群的关节位置和收缩，以对抗通过球拍的冲击力。

方案细节

AirRacket方案包含：一个3D打印手柄、一个碳纤维轴（直径分别为14毫米和23毫米），以及一个3D打印喷嘴支架上的两个降噪喷嘴。每个喷嘴都通过L形配件连接到6毫米低摩擦聚氨酯管，该管在轴内运行并连接气动控制系统。每个设备都配有运动专用手柄，以匹配真实球拍的触感。

AirRacket系统的移动版本，它带有一个1.1L高压空气罐和一个 24V 直流电池，可以轻松放入小背包中。其中的气罐重1.5Kg，支持最大压力31MPa（4500psi），其余气动控制系统重848g。另外，为乒乓球、羽毛球和网球定制的设备重量分别为147g、157g和258g。

它能够在3牛顿时渲染570个脉冲，在 1N 时渲染2000+个脉冲，这对于300∼500次击球的典型网球比赛（初级到大满贯赛事）来说已经足够了。

效果优化

为了验证AirRacket效果，科研人员进行了实验调查并发现，现有方案存在三项限制：

1）力量变化不明显，模拟不同球类运动时，推进力大小差异不大；
2）对网球方向力模拟效果弱，大力挥拍时，空气阻力反馈没有明显加强，与真实的阻力有差距；
3）模拟乒乓球时，方向力太强，破坏逼真感。

于是，科研人员决定延长力反馈时长，来模拟阻力变化程度，并为此设计了力映射模型，模型有四个独立的变量：基线、缩放、最大+持续时间和缩放+持续时间。

触觉信息对于现实世界中的动态交互至关重要，增加触觉反馈的动态范围可以帮助预测轨迹，甚至帮助用户调整下一次击球的挥杆速度，提升目标瞄准的精确度。

未来，科研人员计划提升AirRacket可模拟的力度，以模拟拳击、打击乐、后坐力、踢足球等力反馈场景。此外，还将继续缩减AirRacket手柄部分的重量，甚至与VR手柄的震动反馈结合，模拟更细节的动态力反馈。参考：Mixed.de

参考：

https://mixed.de/airracket-lufftdruck-schlaeger-simuliert-tennis-und-co-realistisch-in-vr/

https://github.com/ntu-hci-lab/AirRacket

https://dl.acm.org/doi/fullHtml/10.1145/3491102.3502034

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