摘要：背靠华南理工大学，研发总监倪博士阐述广州华生仿真在六自由度力反馈器研发的创新成果，如何实现国产化的技术突破。
力反馈器是一种先进的人机交互设备，它能够在虚拟环境中模拟出真实的力觉和触觉反馈，使用户能够感受到与虚拟物体的互动。这种设备通常具备多个自由度，能够精确捕捉用户的动作，并提供相应的力反馈，增强虚拟现实（VR）和增强现实（AR）体验的沉浸感。
典型的如人形机器人，六自由度的传感器的应用是其精细化运动的基础，使得人形机器人能够实现如人的关节一样的六个自由度的运作。而作为力反馈器也一样，六自由度的力反馈器的研发成功代表着技术上的高端突破，实现了对于力的精细控制，从而实现力觉在机器人遥操作，医疗训练、虚拟仿真精细操作等各个领域的应用。
本次我们通过专访广州华生仿真研发总监倪博士，一探力反馈器IntelliHaptic如何一步步的实现技术突破的。
Q1: 六自由度的力反馈器主要是实现什么工作？
倪博士：就如人的关节具备六自个由度的运动，力反馈控制器主要是通过力的感知和对于力的精细化控制，模拟出真实的力觉与触觉反馈。
举些例子，比如使用VR设备来模拟手术的训练，典型方案是用VR头盔和手柄来操作，但这种虚拟训练和实际手术来说差距还是比较大，只能让学习者熟悉对应的医学操作流程。而对于微创、介入等对医生手术的“手感”经验要求更高的手术，就可以使用力反馈器来模拟，这样可以大大提高虚拟训练中手部力触觉感知的真实程度，为医生的手术训练提供高效、逼真的解决方案。
又比如机器人或机械手遥操作，可以用在带核操作、远程手术或者其他高危机器人场景应用，典型的遥操作或者示教都是用的控制板，对于精细操作，光靠视觉信息，机械手有没有碰到东西都很难确定，就更别说要操作机械手来对物体进行操作了。使用力反馈器来遥操作机器人，一方面人机操作非常自然，不用负重穿戴，手怎么动机器人就怎么动，另一方面机器人受力了，这边操作者手上也能很快感觉到。
团队开发案例：椎间孔镜腰椎间盘突出去除术力反馈训练（左）、机器人遥操（右）
Q2: 目前在力反馈设备领域，技术领先的力反馈器的主要有哪些？倪博士能否简单介绍一下
A (倪博士): 在力反馈器的技术这一块，目前技术领先的商用产品主要是瑞士Force Dimension所研发的Omega、Sigma等力反馈产品, Force Dimension通过持续的研发积累，从而实现了其力反馈产品在技术指标上的领先。
另外，Geomagic公司的Touch系列（原Sensable Phantom）则是应用比较广泛的、中端性能的产品。与此同时，力反馈不是一个简单的硬件设备，其是一个软硬件一体化设备，除了硬件制造及核心传感器的指标外，更重要的是对于力的控制算法，不通过长期的研发积累，是难以在力反馈上实现技术领先的产品的。
Q3: 贵团队在力反馈器上的技术积累有哪些，如何实现在研发上的突破？
A (倪博士)： 我们团队从2009年就开始研发力反馈交互系统，前期主要基于科技专项、产业化项目进行技术突破，近年来在华南理工大学良好的创新创业环境下孵化成立了广州华生仿真科技有限责任公司。我们同时在硬件设备与软件算法发力，硬件上，从外观设计与板卡设计上开始，实现了结构与控制的可靠性；软件上，研发团队突破了快速精确定位、动态重力补偿、高帧频力觉刷新、考虑人因工程的力觉建模等关键技术，形成多项核心发明专利；
通过近几年的快速的研发迭代，我们现在的力反馈设备IntelliHaptic已经是第四代的产品，具有完全的自主知识产权。得益于全自主的技术优势，我们不单提供一个硬件产品，而是提供了软硬件集成的技术方案，具备全流程覆盖的开发技术支持，提供C++的开发库，也提供Unity快速开发插件，可以适配目前主流的如Chai3D的框架，还能提供一些典型虚拟仿真开发例子源码，如果有需要，比如我们不可能让医学团队使用的时候也要去学编程，所以也提供定制开发的服务。
Q4：由于背靠华南理工大学，华生仿真实现了一系列科研突破，倪博士能否再具体介绍一下我们主要的技术领先性体现在哪些指标？
A（倪博士）：对标技术领先者的指标，华生仿真研发的IntelliHaptic充分调研企业的需求，从而实现了不少技术突破。
1. 高灵敏度位姿捕捉：IntelliHaptic配备了6个高精度编码器，通过精密的算法能够灵敏捕捉手部的位置和姿态，为用户提供精确的交互体验。
2. 创新动态补偿算法：IntelliHaptic突破了动态重力补偿以及动态惯性补偿技术，这一创新使得力反馈控制器能够更准确地模拟实际环境中的力反馈
3. 高精度高刷新率力觉输出：IntelliHaptic提供空间3自由度高分辨率和高频变化的力觉输出，结合优化的电机闭环控制算法，力觉刷新频率突破4kHz，这一技术参数领先于国外高端产品，确保了力反馈的实时性和准确性。
4. 创新国内力反馈应用生态： IntelliHaptic提供简单易用的API接口函数，方便在主流开发引擎中进行二次开发，并提供Unity快速开发插件，促进了国内力反馈应用生态的创新。
Q5: 力反馈器主要的应用领域有哪些，华生仿真的力反馈设备在国产化的应用有什么优势
A （倪博士）: 力反馈器作为一个新的技术创新，持续在航天航空，深海探测，医疗仿真，机器人遥操作等多个领域中开始提供全新的融合方案。以航天应用为例，中国太空站的航天器的对接，其中就涉及到力反馈器的应用，实现精准的力的控制，我们可以想象一下，一个航天员如何熟悉掌握航天器的对接，通过力反馈器的应用，可以实现虚拟航天器的装备对接，实现真实的数字孪生应用场景。又比如，核工业机器人等特殊场景，能过力反馈器的融合装配，可以实现机器人遥操作，大大提供了作业人员的安全性及便利性。
华生仿真作为本土厂商，有一些本土的优势，但核心来讲，还是在产品具备了技术优势并拥有自主知识产权的基础上，我们在本土化的优势才能体现出来。我想呢，主要的优势在于两点：
- 力反馈技术的融合发展需要厂商深度支持，才能衍生出创新的交互体验。而华生仿真作为本土厂商，在软件架构上的设计上充分开放，可以满足各个行业的适配需要，本土化的支持有助于力反馈在各个行业的应用探索与发展。举个简单的例子，如果你买了国外昂贵的设备，但是万一过一两年有点小毛病，这个设备要返厂维修就要经历非常漫长的过程。
- 技术的自主可靠性，由于中美贸易摩擦，高端的国产化技术的突破在各个层面实现突破，而作为自主研发的高端力反馈器IntelliHaptic，华生仿真具有完全自主知识产权，可完全技术的自主可控。
下面我们通过几个小视频，进一步了解力反馈器在各个领域上的精确控制的细节
- 果冻效果：利用力反馈器IntelliHaptic实现果冻的力控效果
2. 牙科医疗：利用力反馈器实现牙齿接触的仿真操作
3. 机器人遥操作的写字案例：利用力反馈可以实现细微的机器人遥控操作
4. 不同材料属性的力反馈：利用力反馈可以根据材料属性的不同提供力觉的不同效果
5. 三维物体的控制：利用力反馈器可以实现操作三维物体
6. 力反馈主从模型：利用力反馈器间的通讯，可实现主从操作
关于广州华生仿真
背靠华南理工大学，广州华生仿真科技有限责任公司拥有一支专注于VR，视觉与力控算法研发的博士团队，形成了自有知识产权的力控算法应用和高端六自由度力反馈器IntelliHaptic, 持续专注力控算法开发与推广。联络我们，获得更详细的案例应用。