我做了一副元宇宙手套，成本300元

2022-04-18 09:57:26 来源：科普中国

我做了一副元宇宙手套，成本300元

原创露露Mikuru 果壳 2022-04-15 15:59

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想啥呢？还不能“嘿嘿嘿”......

做了一个月的 VR 游戏主播之后，除了越发沉迷于《半条命：Alyx》之中，我还在思考另外一个问题：现在的 VR 还差点什么？

作为一名“中之人”，我在直播时会用虚拟形象来解说——我相信，如果未来一定要有一个虚拟世界，我们跟自己的数字替身要“深度绑定”在一起。这个绑定不仅是外在认知上的，还有真实世界和虚拟世界中的体验应该是共通的。

玩家知道，VR 游戏与传统游戏拥有着截然不同的体验。在 VR 游戏里，你不必哈腰坐在电脑前，摆弄着鼠标键盘。你真的可以用双手手柄当作枪，瞄准敌人、扣动食指按压扳机，今天的 VR 游戏已经能非常准确地识别手指动作——但你却无法在 VR 世界中捡起一节掉落的弹夹。

偶然间，我在油管闲逛时，看到 Lucas（一个美国的 VR 创业团队创始人）制作了一款 VR 触觉手套，重点是所有零件成本，他只花了 60 美元。

我将这条视频申请转载到自己的账号上，没想到反响热烈。加上 Lucas 的那句“你真的可以用它来触摸任何东西”，加重了我的好奇心。顺藤摸瓜，我在 GitHub 上找到了开源的教程，准备动手做一对。

需要买的零部件丨作者供图

目前的技术来说，我并没有期待“能触摸到任何东西”的 VR 外设出现。但打动我的也正是这一点。目前 VR 市场上，除了一个头显、两个手柄，就没什么所谓的新东西了，任何能以“平民价格”扩展用户体验的尝试，我觉得都值得一试。

用最便宜的方式触摸虚拟

1987 年，还是任天堂红白机的时代，手套作为体感游戏的外设就已经承担起“输入设备”的功能。

Power Glove丨YouTube“Gaming Historian”

现实中的你如果想摸到游戏里那把枪，除了让计算机识别你的手在动，建模出虚拟的手跟着真实的手同步运动（信号输入功能），还要等到虚拟的手握住枪时，返回一个信号——这个信号作用在手上，也就是我们常说的力反馈。

Meta 曾经放出触感手套的视频，采用微流体（microfluidics）技术，使用气致动器（pneumatic actuators）通过气泡充气、放气的方式制造精准压力。为此 Meta 称还在构建一个高速微流体处理器。本来大家还在欣慰“all in”元宇宙的扎克伯格，终于拿出来点儿东西时，另一家触感手套开发商 HaptX 说，“Meta 是抄我们的！”

Meta 研发了七年，HaptX 研发了十年，谁抄谁我们不得而知，但确定的事，VR 相关技术从面世到成熟（最起码价格上被普通用户接受）需要很多年的沉淀。

如何以“极低成本”实现力反馈让我兴奋。当我翻阅教程之后，发现 LucidVR 用了一种特别“取巧”的方式。如果说 Meta 和 HaptX 是让你的每一寸手部皮肤都是受力点，那 LucidVR 这副手套只把力反馈给指尖。

将拉绳固定在手指上丨作者供图

简单来说，当即将抓住物体的一刻，手指要被立即拉扯住，防止进一步弯曲。因为弯曲幅度不同，意味着手里“握”着的物体大小、形状都不同。控制手指不能继续弯曲的方式，就是给指尖一个“反作用力”。

指尖受力丨作者供图

所以手套的主体部分就是一个“总闸”，延伸出去五根套在指尖的拉绳，随时喊停。

舵机与电位器相连。当轮轴转至（舵机）限位时，舵盘就会挡住轮轴上的螺丝钉，让轮轴无法继续转动，拉绳不能继续展开。丨作者供图

当我知道力反馈的原理之后，还需要搞清楚何时，以及如何“关闸”。

“何时”很好理解，就是当虚拟的手触碰到虚拟世界的物体的时刻。因此我们需要做一个媒介，让生物体的动作信号和计算机的电信号能相互转换，彼此“理解”。这也是我认为这副手套最为巧妙的设计。

旋转式电位器（其原理类似于初中课本上的滑动变阻器）与拉绳连接使用，当手指弯曲时，五条拉绳分别带动五个电位器，拉绳拉出的长度被转化为电位器阻值的变化，传递给虚拟世界做解析。

课本上的滑动变阻器丨图片来自网络

在建模“数据手套”上，也有例如基于 IMU（惯性测量单元）或弯曲传感器的其他实现方式。所谓惯性传感器是测量物体三轴姿态角和加速度的装置，一般包括三轴陀螺仪、加速度计、磁力计来进行多传感器数据融合，以重建每根手指的三自由度方向。弯曲传感器更好理解，手指在做弯曲动作时，发生物理变形来使传感器阻值发生变化。

对比弯曲传感器和电位器的价格丨图片来自淘宝

这两者传递数据明显更加精准，但为什么不用？答案只有一个：更昂贵。

借助 3D 打印的轮轴把电位器和拉绳“连”起来丨作者供图

了解完何时“关闸”，还有如何“关闸”。显然，拉绳需要一个装置，在其伸缩过程中“卡”住它。我跟着教程买回了 MG-90S，航模中常见的舵机，也很便宜 10 元一个。

适用领域极广的 MG-90S 舵机丨图片来自亚马逊

做了一个月，只在游戏里捡起了一支酒瓶子

看完一遍教程，我迅速掌握了原理，对自己说，这“貌似”挺简单的？不就先这样，再这样，最后那样？

我立刻在电商平台下单了所有零件，都是一些生活中常见的工具。唯独有一部分没法买到的现成品（将各模块拼装起来的骨架），我是根据开源的零部件参数，用家用 3D 打印机解决的。

当然也可以找万能淘宝代打丨作者供图

然后，这一做就是一个月啊……同时我深刻理解了“取巧”的另一层含义是“还不完美”。

当我戴上做好的触觉手套，调整好 Valve Index（VR 头显）的位置，启动游戏《半条命：Alyx》。我身处熟悉的“17 号城市”，从背包中掏出手枪，瞄准散落在街边的酒瓶，“砰！”在开枪的一瞬间，我脑补应该有一股后坐力传来。实际上，仅是我的食指在扣动扳机的那一刻被拉住了——要说这体验比在公园打气球还“塑料”。

但是我应该是成功了吧！我换了一个散落在街边的酒瓶子，“拿”在手里，我能大概“摸”出，它是一个圆柱体。

游戏里的使用效果丨作者供图

当我想更灵活的使用它们时，我发现了问题。

首先是“识别准确率”问题。我们需要先明白，定位追踪和局部追踪是两个概念，手套整体的定位追踪可以通过附加 Vive Tracker、Oculus 手柄，这样现成的追踪技术来实现。

手指的局部追踪才是一款力反馈手套要去解决的重点。我在组装时就发现，这副手套设计并非为每个指关节附有传感器，手指的弯曲状态只能通过拉绳转化的电阻信号被大概建模出来（为此 Lucas 可能设计了一套软件），不够精确到每一处关节。

手部追踪丨作者供图

其次是“识别范围”问题。同样是因为手套简陋的构造，我的手指只能在上下运动时被识别，左右展开，旋转等其他自由度是无法实现的。但是 Lucas 告诉我，他已经在解决这个问题，下一版手套将会增加左右展开的自由度，实现方式是在第一节指关节处增加一个电位器。

识别准确与否，会影响力反馈的效果。另外一个因素，就是限位位置的调整。手指的不同弯曲程度，与不同的限位位置一一对应，驱使舵盘转向不同的角度，再作用给正在伸缩中的拉绳。

在我的理解中，能实现这一点，是 LucidVR 系统预设好了这种“对应关系”。

但是每个人手部状况不尽相同，需要在使用前，对限位做“个人化”的校准。调太紧导致，还没等抓到物体手就被拉住；调太松导致，拿到物体就跟空手握拳一样。

这一点没有简便的方法，只能在戴上头显时，感受松紧，“估算”限位位置。摘下头显之后，拧开舵机螺丝，调整舵盘，如此反复，直到在虚拟世界中正巧抓住物体。

不停调试限位位置丨作者供图

除此之外，长时间的拉伸，会导致拉绳、手套变形。由于整套装置并非完全贴合在手上，而是粘在手套上，手套的轻微移位也会带来力反馈的误差。

优化体验不能停止！可以改造，也可以脑补

在手套真正用起来之前，还有一段小插曲。

在我调试很多遍之后，舵机依然纹丝不动。我跑到 Discord 上面求助，网友告诉我，并不是舵机线跟开发板连错了，而是电流太小了，带不起舵机。我需要单独给舵机连接一个新的充电宝，而不是跟开发板共用一个充电宝。

LucidVR 的 Discord 讨论组里有 14000 个关注者。有人将这副手套改良，把拉绳换成更加坚韧的塑料片，解决拉绳容易变形的问题。

也有人直接改变构造，做成了外骨骼形状，留出空间加更多传感器。很多的开源项目，都不会面面俱到，相反他们会留出很多“空白”，让技术爱好者自行探索。

外骨骼版丨作者供图

Lucas 在他的演示中，把戴了手套的 VR 体验描绘得令人异常兴奋。在《半条命：Alyx》中，你可以拾起易拉罐，再扔出去，走到车旁，开门上车，甚至遇到危险时，爬墙而逃。不过，这更多是带入其他感官体验的“脑补”，你最多体验到顶在一面墙上的阻力，不会有克服重力向上攀爬的感觉。

明知道这些，当我第一次戴上这只手套，感受着物体是大是小，是圆是方，即便只是从指尖传来的生硬“触感”，仍然让我觉得新奇。在此之前，我甚至无法想象“空握”一只玻璃瓶。

几乎在做手套同时，我自制了 SlimeVR 全身追踪器。与手套“同理”，我做了五个传感器分别绑在脚踝、大腿、腰部（因为 SlimeVR 软件没有对上肢建模），五个传感器先通过 T-pose 重置识别出绝对位置，再通过“彼此”识别出相对位置，将电信号解析成虚拟人的动作。配合这副手套（手柄）和头显，就能让“老二次元”在 VRChat 里快乐斗舞。

SlimeVR 也将代码开源丨图片来自 SlimeVR

几个月之前，我将自己制作的视频发在网上，随机收获了很多关注者。当然这还不是令我最兴奋的。“SlimeVR 全身追踪器”视频发出两个月后，其中最重要的零部件——BNO-080（九轴传感器模块）在淘宝上从 90 块钱涨价到 300 块钱。（在此之前，没有人教学自制 SlimeVR 全身追踪器，姑且当作是我激发了老二次元们的热爱吧。）

传感器模块丨作者供图

当然我收到的不都是“赞美”。我 3D 打印了一个能正好装下小风扇的模型，接到头显上，解决闷热的问题。

自制 VR 头显风扇丨作者供图

但这一次，因为使用的风扇过于便宜，我的方案被调侃产生噪音过大——“像飞机场”。

作者：露露Mikuru

编辑：沈知涵

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