Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №5

Навигация в трех измерениях

Самарин Александр


Обычная мышка является совершенным устройством для интуитивного управления курсором на плоскости. Но те пользователи, которые занимаются компьютерным проектированием объектов в трех измерениях, вскоре сталкиваются с ограничениями, присущими классической модели указателя курсора. Фирма 3D Connetion, которая является подразделением Logitech, проектирует новое поколение компьютерных устройств ввода, позволяющих преодолеть эти ограничения и предоставить пользователю полную свободу навигации и управления объектами в трехмерном пространстве.

В идеальном случае движение и поворот проек тируемого объекта на экране должны быт максимально приближены к манипуляциям с реальным объектом. Синтезируемые компьюте ром трехмерные изображения объекта при модели ровании достаточно простые, но манипулироват ими с помощью обычной двухкоординатной мыш ки довольно сложно. В настоящее время, если поль зователю требуются какие-то манипуляции с объ ектом, то он вынужден выполнять сложные комби нированные действия. При этом параллельно с ука занием и выделением графических областей обыч ной двухмерной мышкой требуется выбирать спе циальные опции меню нажатием на кнопки клави атуры или мышки.

Рис. 1. 3D-манипуляторы SpaceBall и SpaceMouse
Рис. 1. 3D-манипуляторы SpaceBall и SpaceMouse
Различные концепции

Для трехмерных устройств ввода доминируют две концепции. К первым относятся устройства «плавающего» в пространстве типа — наиболее близко отражают натуральные движения объекта. Движение руки с «парящей» мышкой преобразуется 1:1 в движение объекта на экране, хотя физиологические ограничения, связанные с подвижностью сустава руки, не позволяют выполнять повороты на 360°. Первоначальный восторг быстро гаснет и по другой причине — рука, манипулирующая «летающей» мышкой, без поддержки довольно быстро устает, и оператор начинает ощущать сильный дискомфорт.

Альтернативные устройства трехмерных манипуляторов, такие, как SpaceMouse или SpaceBall, остались настольными (рис. 1).

Эти устройства появились еще в начале 90-х годов и применялись для управления настоящим роботом ROTEX, который действовал на космическом челноке Columbia. Для управления им немецкий аэрокосмический центр разработал манипулятор, имеющий шесть степеней свободы: 3 — для смещения по координатам X, Y, Z и 3 — для вращения вокруг этих осей. Манипулятор позволял управлять движением удаленного объекта (робота). В этом проекте, пожалуй, впервые на практике применялась технология «виртуальной реальности», поскольку робот-манипулятор мог управляться не только с космического челнока, но и наземного командного пункта. Для компенсации задержки в управлении, зависящей от расстояния от наземного центра до челнока (сигнал проходил расстояние за 7 секунд), программная поддержка обеспечивала полное моделирование поведения при движении робота. Начиная с этого времени курсорное 3D-устройство SpaceBall начало распространяться в США. Многие производители в автомобильной и аэрокосмической промышленности в настоящее время уже используют данный подход в своих компьютерных 3D-графических станциях.

Разработки фирмы 3D Connection

Фирма 3D Connection уже имеет достаточно большую популярность в области компьютерных устройств ввода. За последние 10 лет фирмой разработаны сенсорные измерительные системы с использованием датчиков давления, датчиков угла наклона и поворота, оптоэлектронных гироскопических датчиков. Все эти системы позволяют преобразовывать движения от датчиков в движение виртуального объекта на экране монитора. Разработанные фирмой системы сканирования были бесконтактными и не стесняли движения объектов. Их работа не требовала юстировки, калибровки или же вмешательства квалифицированного персонала. Фирмой разработан ряд 3D-манипуляторов для применения в различных компьютерных приложениях. Один из ряда манипуляторов — «космическая мышь» SpaceMouse (рис. 2).

Строго говоря, это не совсем мышь, а скорее трехмерный контроллер движения, который является дополнением для мышки или графического планшета. Используя этот же принцип и варьируя дизайнерское исполнение, фирмой был разработан ряд аналогичных 3D-манипуляторов:

Рис. 3. Манипуляторы SpaceBall
Рис. 3. Манипуляторы SpaceBall
Рис. 5. Работа с манипулятором SpaceTraveler™
Рис. 5. Работа с манипулятором SpaceTraveler™
Рис. 6. SpaceNavigator™ — 3Э-манипулятор, встроенный в корпус клавиатуры
Рис. 6. SpaceNavigator™ — 3Э-манипулятор, встроенный в корпус клавиатуры
Рис. 7. CadMan — манипулятор, ориентированный на трехмерное проектирование
Рис. 7. CadMan — манипулятор, ориентированный на трехмерное проектирование

SpaceBall, SpaceTraveller, SpaceNavigator и CadMan. На рис. 3-7 показаны варианты исполнений перечисленных типов 3D-ма-нипуляторов.

Для поддержки работы данных устройств ввода разработаны специальные драйверы и управляющие программы, интерпретирующие сложные типы движений, достигнутые с помощью данных манипуляторов. Сейчас уже известно более 120 приложений интерфейса 3D Connetion. Для его поддержки написаны драйверы для работы в среде UNIX таких производителей, как SGI, HP, Sun, DEC и IBM, а также работа под Windows 95, 98, ME, NT, 2000 и XP.

Интуитивность и простота

Преимущество метода — для овладения комбинацией двух манипуляторов SpaceMouse/ SpaceBall и обычной 2D-мышки требуется небольшое время. В то время как SpaceMouse/ SpaceBall управляет положением и перспективой, 2D-мышь остается свободной для редактирования формы и свойств самого объекта. Наличие поля программируемых клавиш на манипуляторе облегчает действия оператора по выбору команд из меню. Данная система манипуляторов может быть успешно использована не только для стандартных конструкторских программ CAD/CAM, но и для управления промышленными роботами и медицинским оборудованием, например, таким, как томограф Siemens на основе ядерного магнитного резонанса.

Рис. 8. Работа с двумя координатными устройствами
Рис. 8. Работа с двумя координатными устройствами

Управление двумя руками

Итак, оператору для работы с трехмерными объектами требуется простое и интуитивное устройство ввода (манипулятор), которое обеспечивает комфорт при длительной работе. Одно из удачных решений может быть реализовано при использовании для работы с трехмерными компьютерными объектами двух манипуляторов для левой и правой руки: функции управления трехмерным объектом могут быть разделены по манипуляторам правой и левой руки; в качестве манипулятора для правой руки может использоваться обычная 2D-мышь. А манипулятор для левой руки может иметь три датчика для управления перемещением и вращением по трем координатам. На рис. 8 показана работа с двумя координатными компьютерными устройствами ввода информации.

В качестве механического трехмерного привода для датчиков может использоваться шарообразная или колпачковая ручка. Перемещение по двум координатам производится вращением передаточного шара или поворотом ручки вправо-влево и вверх-вниз (аналогично ручке аналогового джойстика). Третья координата манипулятора определяется силой надавливания на шар или колпачок. В этом манипуляторе имеется функциональное клавиатурное поле. Нажатия на кнопки могут выполняться без прекращения управления пространственной ручкой. Кнопки доступны для нажатия пальцами левой руки без изменения положения ручки. С данного манипулятора, не меняя положения руки, можно выбирать опции, изменять параметры, давать команды изменять положение виртуальной камеры, производить повороты, масштабирование и т. д. Все манипуляции при работе с компьютерной 3D-программой можно осуществлять только с помощью этих двух манипуляторов, не прибегая к помощи клавиатуры компьютера.

Рис. 9. Движения управляющей ручки 3Э-манипулятора Space Mouse
Рис. 9. Движения управляющей ручки 3Э-манипулятора Space Mouse
Рис. 10. Деформация тензодатчика
Рис. 10. Деформация тензодатчика
Рис. 11. Конструкция тензодатчика на основе фольги
Рис. 11. Конструкция тензодатчика на основе фольги
Рис. 12. Схема подключения тензодатчиков
Рис. 12. Схема подключения тензодатчиков

Конструкция и принцип работы 3D-манипуляторов фирмы 3D Connection

Манипулятор состоит из корпуса, приводного устройства, датчиков для измерения всех шести возможных перемещений приводного устройства и платы схемы сопряжения с датчиками и интерфейса с компьютером.

Привод — ручка (шар или колпачок) с подвесом, обеспечивающим перемещения с шестью степенями свободы (наклоны вперед-назад, повороты по и против часовой стрелки, надавливание). Ручка имеет механическую связь с шестью тензодатчиками (strain gauge). При разных типах движения ручки управления происходит упругая деформация структур датчиков. На рис. 9 показаны движения для всех шести степеней свободы приводного колпачка манипулятора.

При деформации изменяются сопротивления датчиков. Датчики подключены к мостовым измерителям дифференциальных сопротивлений, которые преобразуют измеренные сигналы в сигналы напряжений. И, наконец, аналоговые величины преобразуются многоканальным АЦП в цифровой код, который передается по любому интерфейсу (RS-232, USB, PS/2) компьютеру для программной интерпретации.

На рис. 10 показан принцип работы тензо-датчика, работающего на растяжение.

Датчик может быть выполнен вытравливанием рисунка типа «змейка» на фольге из специального материала. Пример такой конструкции показан на рис. 11.

На рис. 12 показана одна из возможных дифференциальных схем с термокомпенсацией, которая применяется в схемах сопряжения с датчиками.

Тензодатчики имеют много преимуществ:

  • малые размеры и масса;
  • легко изготавливаются датчики любого размера и конфигурации;
  • технология и метод применения очень просты и надежны;
  • высокая линейность и стабильность характеристик;
  • хорошая чувствительность;
  • легко обеспечивается температурная компенсация;
  • подходит как для статических, так и для динамических измерений;
  • низкая цена.

Литература

  1. Navigating In The Third Dimension. 3D Connection.
  2. Achieving Better Designs. 3D Connection.
  3. Measuring Strain with Strain Gauges. http:// zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain/ C83E9B93DE714DB08625686600704DB1/

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке