台湾大学团队研发VR设备喷气组件，模拟乒乓球、羽毛球的击拍感
模拟乒乓球拍、羽毛球拍和网球拍的专用控制器AirRack
（映维网Nweon 2022年05月18日）当前VR系统的控制器都是“一物多用”，同一对控制器可以针对不同应用充当“乒乓球拍”，“羽毛球拍”，“用户双手”，“枪炮”，“刀剑”和“盾牌”等等。尽管开发者可以巧妙地模拟出相当契合的感觉，但显然，它离真正的“乒乓球拍”，“羽毛球拍”，“枪炮”或“刀剑”依然存在距离，无法提供完美的沉浸代入感。
在名为《AirRacket: Perceptual Design of Ungrounded, Directional Force Feedback to Improve Virtual Racket Sports Experiences》的论文中，主要由台湾大学电机资讯学院学生领衔的研究团队提出了一种能够模拟乒乓球拍、羽毛球拍和网球拍的专用控制器AirRack。
具体来说，他们主要研发了一种类似喷气飞机的喷气组件，并用以替换乒乓球拍，羽毛球拍和网球拍的手柄部分，如下图所示。这种特制设备需要连通由用户背的喷气背包，再利用产生气体向后高速喷射的反冲作用来模拟球拍与球接触时所产生的定向冲击力。
在游戏领域，乒乓球、羽毛球和网球等球拍运动是最受欢迎的内容之一。例如，包括乒乓球和网球在内的《Wii Sports》在销量方面超过8000万份。对于VR细分，诸如《乒乓：制胜11分（Eleven Table Tennis）》这样的球拍内容同样备受玩家青睐。
所述作品主要利用控制器振动和可选的球拍形状适配器来增强虚拟体验，而研究人员进一步探索了增强触觉体验的其他方法，例如电磁执行器、重量转移机制和电肌肉刺激等等。然而，现有方法无法在球拍产生定向冲击力，难以再现球拍运动的触觉体验。
所以，由蔡青邑，蔡宜伦、赖昭蓉等学生组成的团队希望研发一种能够产生定向冲击力的专用模拟控制器。他们希望采用类似于喷气飞机的原理，通过气体向后高速喷射的反冲作用来模拟球拍与球接触时所产生的定向冲击力。
如上图所示，当球拍击中网球时，产生的冲量（即短时间内的方向力）会造成球拍的线性加速度和旋转加速度。为了引导球拍和保持特定姿势，你的手部、手臂、肩膀、躯干和腿部肌肉必须协同工作。
这种触觉体验包括：
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手抓住球拍手柄时的触觉，例如相关压力、皮肤拉伸和振动
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动觉和本体感觉，例如关节位置和多个肌肉群的收缩，以对抗球拍产生的冲击力。
显然，传统的VR控制器无法单纯通过简单的振动来模拟这种冲击力。
如上图所示，AirRacket系统主要包括：
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气动控制系统：一个控制力大小的压力调节器和两个控制力方向的电磁阀，均放在背包内；
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定制设计的球拍装置：分别针对乒乓球拍、羽毛球拍和网球拍进行定制。每个装置都由运动专用手柄、碳纤维轴、连接器、喷嘴支架、以及两个带有独立管道的喷嘴组成。
在具体操作中，系统将根据游戏应用的实际情况，由喷气背包将压缩空气推进喷嘴以提供定向冲击力。
团队根据用户反馈不断优化提升原型。例如，他们探索了感知设计，增加了感知力大小和增加感知动态范围。
研究人员发现了一种用户错觉：用户会认为持续时间较长，且没有任何视觉反馈的冲击力具有更大的量级。在实验中，被试认为明显更长的力反馈持续时间对于更强的来球冲击而言更逼真。
为了增加有效的和可感知的动态范围，团队探索了结合力量大小缩放和持续时间缩放的力量映射设计，并进行了形成性研究，以确定力映射的最小可感知冲击力。
与之前的视觉-触觉方法相比，这种纯触觉错觉的独特之处在于它不需要视觉反馈。所以，它可以与各种视觉触觉技术结合使用，从而提高感知力的大小。
对模型进行的用户体验评估表明，这显著提高了真实感，并受到了用户的青睐。
当然，所述模型依然存在有待提升的地方，例如来球角度和来球力量不尽相同，存在非常巧妙和刁钻的来球，喷气方式如何适配模拟所有情况是一个问题。
