Project Caliper：目标是打造最佳VR手柄

到达安宁

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：Skarredghost