Project Caliper:目标是打造最佳VR手柄

业界 作者:青亭网 2023-02-16 22:42:27

Esther | 编辑

原文首发于2021年12月

一提到Valve Index,人们很快联想到它的五指追踪VR手柄,这款支持手势追踪和体感反馈的高端VR手柄,是市面上最强大的C端VR手柄之一。尽管如此,它依然存在许多缺陷,比如配备的小型摇杆质量不佳、集成式设计不利于维修、人体工学不够理想等等。

为了改善Index手柄,VR爱好者Rob Cole决心改进VR手柄交互,于是开发了一款参考Valve Index VR的VR手柄:Project Caliper,旨在提升VR手柄的人体工学和模块化设计。据悉,这是一款基于Tundra HDK定位技术的SteamVR手柄,它的重点在于人体工学和模块化设计,优化维修方式和耐用性。

Cole公布了Caliper从零开始的详细设计,他表示:原本的计划是开发一个可运行的手柄原型,然后通过众筹等方式量产发售,不过由于疫情对于供应链和制造时长的影响,量产并不实际。而且批量购买LG电视遥控器的成本就达到60英镑/单元,经过成本预算后,发现成立公司卖Caliper手柄并不赚钱,于是决定将手柄的设计公开。

他还表示:开发硬件会消耗大量成本,也许在赚到一百万美元之前,先准备好两百万美元来开发硬件。尤其是VR手柄,像Index这样配备复杂传感器的设计,每对售价259英镑似乎利润并不多。

关于XRCaliper

据了解,Cole在业余时间,针对VR手柄的追踪、人体工学、体感、机械、软件等方面,开发了多款原型设计。此外,还通过Steamworks项目签约为SteamVR开发者,基于SteamVR定位方案开发SteamVR游戏或VR手柄。

为了测试SteamVR手柄定位,Cole采用了Tundra硬件开发套件(HDK),并用有线连接的方式测试单个基站定位目标的效果,或用无线连接的方式来测试两个基站定位手柄。

接下来,Cole从头开始设计VR手柄的外观,他想要尝试一些与现有产品不同的设计,比如采用枪柄外形的手柄。而VR手柄上的按钮、扳机、触控板、摇杆等输入元件,以及微型控制器,则来自于已量产的游戏手柄,比如Thrustmaster X Pro E-Swap等等。Caliper的设计中还包括体感马达、发光二极管等元件。

其中,Thrustmaster X Pro E-Swap是PlayStation的第三方游戏手柄,其特点是采用模块化设计,为用户提供低成本的自定义升级套件(方向键、侧把手、摇杆、触控板等等),以及不同色彩、纹理和样式的配件。同时Thrustmaster还提供软件,支持按钮映射、E-Swap输入设置、摇杆完全调整等功能。如果未来商用的VR手柄也能支持这种模块化设计,可能会带来各种有趣的用法。

为了调试HDK在手柄上的效果,Cole首先在枪柄上固定了一个T型定位传感器,来代替具体的手柄面板。

Caliper原型还配备了一大块可充电锂电池,电池的重量平衡了手柄T型定位杆的重量,同时模拟了手枪的重量感。Cole认为,这种酷似手枪的VR手柄将很适合《Pistol Whip》等VR射击游戏。

在Caliper握柄内部,配备了一大块体感马达,连接锂电池后,可实现足够长的续航。在测试传感器定位和3D VR同步阶段,Caliper手柄仅配备一个扳机,采用简单的输入方式。

立方体VR“枪手柄”

除了T字手柄原型外,Cole还设计了一部分为立方体的手柄原型Guncube,用来追踪立方体对象。尽管如此,Cole意识到还需要加入更多传感器,以覆盖更多追踪角度,提升6DoF定位的准确性。SteamVR提供的课程中也推荐了VR手柄传感器的一些布局,比如用不同角度的小平面来分解同一个平面,同一个平面上的传感器间距尽量分开,好从多个角度捕捉目标,覆盖更多追踪范围。

左边为Tundra HDK中的Triad TS4112光学传感器,其中反光的黑色区域为“传感器窗口”,负责接收SteamVR基站发射的激光定位信号。

Cole表示:在测试定位追踪时,传感器位于VR手柄的外部,而在量产版本中,传感器的光学窗口采用特殊的塑料滤片,特点是允许激光通过,同时尽可能减少可见光和反射光的影响。

除了物理手柄原型外,Cole还利用免费开源工具OpenSCAD为Guncube设计了3D模型,其中包括立方体定位模块,以及传感器布局,而握柄部位则采用掩膜将其与传感器分开。接着,使用SteamVR模拟工具,来分析最佳的传感器布局设计。

据了解,通常Tundra HDK配备25个传感器通道,Cole使用的HDK缺少一个传感器,因此只有24个。而在Guncube原型中,Cole只使用了其中8个传感器,以简化测试流程。

在模拟软件工具中,你可以查看传感器捕捉到的动态距离数据,VR手柄模型,活跃的传感器数量,初始姿态,旋转和平移等信息,如果大多数传感器被遮挡,VR定位模拟会回退到基于IMU的3DoF模式。

然后,Cole在OpenSCAD中,将模拟手柄上的传感器与实际手柄原型上的传感器进行匹配和对齐,并使用HTC Vive手柄的3D模型来校正Guncube模型的方向。

手柄模型设计

除了Guncube外,还开发了各种不同类型的手柄模型,这些手柄的材质采用木头、热成型塑料,或是将二者结合。此外,还探索了各种不同形状、体积,比如直握柄、左右手不同的握柄、弯曲握柄、模块化握柄,还参考了Index手柄和Vive手柄的握柄设计。

接着,Cole在这些VR手柄原型中加入Thrustmaster手柄上拆下的控制模块,比如A/B按钮、开关按钮、扳机。有趣的是,VR手柄的控制模块和摇杆面板上配备了可调节滑块,允许用户独立调整每个控制元件的相对距离。也就是说,在VR手柄上借鉴Thrustmaster灵活的模块化设计。

不过,考虑到每个人手的大小不同,开发者可以通过软件来调整VR手柄的渲染模型,将VR中虚拟手和手柄按钮交互的动作与实际对齐。

尝试Valve Index手柄设计

与大多数VR手柄相比,Valve Index手柄的特点是支持五指追踪,用户即使不用手指握住手柄也能实现VR交互,而手柄则通过绑带固定在手掌/手背上。

Caliper手柄的握柄部位尝试了多种设计,包括贴合特定手型的异形、偏离中心的椭圆形,其中椭圆形的握柄可以通过上下颠倒来适应不同的手型。而且,还尝试了不同的绑带、固定板、握柄、输入元件,还设计了垂直使用的握柄,以及倾斜的握柄。

体感反馈部分,据Cole称,Caliper手柄配备的大马达在全功率下最大扭矩额定值为15纳米,而小马达最大扭矩为3纳米,全功率运行两个大马达会产生较明显的体感,可能会让你产生锻炼、战斗时的动感。

Caliper手柄的绑带上也配备微型马达,模拟手在震动的体感/触觉。接下来,还可以加入线性马达(LRA)或压电体感套件。

为什么叫Caliper

Caliper的中文直译为卡尺,这也是Cole在职业生涯中多次使用的一种测量设备。许多类型的卡尺,可以读取刻度尺、刻度盘、数字显示器的测量值,而另外一些卡尺像罗盘一样简单,没有刻度,只有向内、向外的点。

Cole表示:给VR手柄起名卡尺的原因是,它支持完整的调节功能,可测量用户的手掌大小,并据此调整合适的体验感,就像是卡尺一样可灵活调整。同时,这种设计也在现有的VR手柄基础上带来两大升级:

1,适用于不同手掌的人体工学优化

据了解,Cole希望通过Caliper手柄来解决VR玩家在《Pavlov》等射击游戏中的体验,他表示:如果VR手柄舒适性不好,那么在VR射击游戏中反复扣动扳机会引起不适吗?从长期来看,是否会导致重复性劳损?这些问题,能否通过模块化或可调节设计来解决呢?

此外,Cole也曾考虑可调节的扳机位置、摇杆和握柄之间的距离、独立调节摇杆和扳机、可更换尺寸的手柄主体、不同形状的扳机盖、不同纹理/质地的握柄、左右手柄可独立调节的设计等等。

2,模块化输入元件、减少VR停机时间

Cole表示:由于Index手柄未采用模块化设计,在拥有该手柄的2年保修期间,官方已经给我更换了11对。实际上,如果VR手柄采用可替换的模块化元件,那么维修将会更简单、成本更低,也会避免产生电子垃圾,以免浪费。

另外,考虑到Index产品缺货的情况,每次等待更换的新手柄,都需要好几个星期时间,而在这期间VR头显就闲置了。其实,Index用户可以自己替换摇杆,但这会破坏摇杆的电容感应功能。

为什么Index手柄总需要送修

Cole表示:我的Index手柄总出问题,尤其是在玩《In Death》、《Boneworks》、《Pavlov》等VR射击游戏时,对扳机和摇杆的损害较大,一些时候握柄也会受影响。为了避免扳机等常用的按键磨损,Cole曾经尝试重新设置VR手柄按键映射,不过这种方式还是影响游戏体验的流畅性。

为了提升VR手柄、按键的耐用性,Cole总结出三点需要优化的问题:

1,Index手柄质量不理想

作为首批收到Valve Index的用户,Cole在拿到Index手柄后发现尽管它看起来很结实,外观设计精致,但A/B按钮和扳机不够固定,触碰的时候有点摇晃,不太稳。Index采用小摇杆和小型触控板混合的设计,比Vive手柄的大触控板更好用,但并没有Xbox、PS 4官方手柄的摇杆结实、精准。实际上,最初Index手柄设计采用了大触控板,后来才决定加入摇杆。

相比之下,Oculus VR手柄由Xbox 360手柄背后团队Carbon Design设计,质量更好一些。

在高负载的VR射击游戏中,小摇杆更容易磨损(受到电位计的物理限制),耐用性不如正常尺寸的大摇杆。熟悉任天堂Switch的人都知道,Switch游戏常用摇杆来移动,而其Joy-Con手柄上采用的是小摇杆,因此很容易快速磨损,并导致漂移或摇杆故障。

为了避免上述问题,Caliper手柄采用Thrustmaster S6的大摇杆,在VR射击游戏等场景中更耐用。而未来,也许Index手柄可以采用更大的摇杆来提升耐用性,不过这可能会牺牲触控板的位置。

2,按键布局不合理

Index手柄面板的按键紧凑,在使用时通常需要反复偏转拇指,长时间下来体验感不舒适,容易造成拇指疲劳,而且也可能导致过度操作,加速电位计模块的磨损。

经过实际的模拟体验,Cole发现,Index手柄上的摇杆如果从边缘移动到中央,更符合人体工学,而且还可以将触控板放在靠边的位置。

3,不适合手劲大的用户

对于一些握力大的成年人来讲,手柄的耐用性更加重要。一些《Beat Saber》玩家就反馈,玩这种VR节奏游戏常常损伤手柄。在VR射击游戏中,你常常会扣动扳机来开枪,对于Index手柄来讲,长期进行这样的动作,通常会引起扳机盖变形,可能会产生错位,并且与手柄框架产生摩擦甚至卡住,失去原来的灵活性。

Cole表示:考虑到Index手柄上扳机的位置,通常用户会从侧面给扳机盖施压,而不是直接触发扳机的弹簧,磨损更大,因此扳机盖需要采用更加坚固的材质,避免侧面压力造成弯曲。

经过测量,成年男性在使用Index手柄时,可能会施加40-50公斤的握力。VR手柄的按键、摇杆至少能承受长时间用力使用的磨损,或是提供可替换的元件,以方便维修。

于是,Caliper采用了从内部加固的特殊形状扳机盖,而且采用可拆卸设计,允许用户更换不同尺寸、形状、材料的扳机盖。除此之外,Caliper手柄上的整个控制模组和扳机模组都可以实现快速安装和拆卸,握柄的盖也可以更换。

有趣的是,Caliper手柄上配备六角螺栓,可调整包括摇杆在内的控制模组的角度、距离,以适应不同的手型。而接下来,Cole还将继续优化定位环和调整模块的布线、升级绑带设计、加入体感模块。

参考:
https://skarredghost.com/2021/12/08/project-caliper-prototyping-controllers-vr/

( END)


 
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