RU2670649C1 - Method of manufacturing virtual reality gloves (options) - Google Patents

Method of manufacturing virtual reality gloves (options) Download PDF

Info

Publication number
RU2670649C1
RU2670649C1 RU2017137724A RU2017137724A RU2670649C1 RU 2670649 C1 RU2670649 C1 RU 2670649C1 RU 2017137724 A RU2017137724 A RU 2017137724A RU 2017137724 A RU2017137724 A RU 2017137724A RU 2670649 C1 RU2670649 C1 RU 2670649C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensors
imu
fingers
sensor
gloves
Prior art date
Application number
RU2017137724A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2670649C9 (en
Inventor
Андрей Сергеевич Камоцкий
Original Assignee
Федоров Александр Владимирович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федоров Александр Владимирович filed Critical Федоров Александр Владимирович
Priority to RU2017137724A priority Critical patent/RU2670649C9/en
Priority to PCT/RU2018/000631 priority patent/WO2019083406A1/en
Publication of RU2670649C1 publication Critical patent/RU2670649C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2670649C9 publication Critical patent/RU2670649C9/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/014Hand-worn input/output arrangements, e.g. data gloves
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/017Gesture based interaction, e.g. based on a set of recognized hand gestures
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/048Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI]
    • G06F3/0481Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI] based on specific properties of the displayed interaction object or a metaphor-based environment, e.g. interaction with desktop elements like windows or icons, or assisted by a cursor's changing behaviour or appearance
    • G06F3/04815Interaction with a metaphor-based environment or interaction object displayed as three-dimensional, e.g. changing the user viewpoint with respect to the environment or object

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • User Interface Of Digital Computer (AREA)

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to manipulators and can be used in the manufacture of virtual gloves, designed to work with interactive devices, computer robotics and computer. In the manufacturing method, virtual reality gloves use sensors that have gloves on the fingers, and the sensors are connected to the motherboard. And as sensors use sensors IMU, which are placed on the fingers of the gloves. On the index, middle, ring fingers and little finger set one sensor in the penultimate phalanx of the finger on the outside of the palm, and on the thumb set two sensors on the first and second phalanx on the outside. On the inside of the palm, on the penultimate phalanx of each finger, vibration motors are placed.EFFECT: technical result of the invention is the ability to receive and transmit data on the position of fingers, hands, elbow and shoulder joints to a computer or other device, and also to carry out tactile feedback by transfer of vibration on fingers and more exact calculation of position of a brush in space.11 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к манипуляторам и может быть использовано при изготовлении виртуальных перчаток, предназначенных для работы с интерактивными устройствами, компьютерной робототехникой и компьютером.The invention relates to manipulators and can be used in the manufacture of virtual gloves, designed to work with interactive devices, computer robotics and computer.

Из уровня техники известно решение KR 100221335, где описана система и способ передачи перчаткой значение датчика в системе виртуальной реальности, включающая в себя ряд датчиков, измеряющих движения запястья и пальцев рук и вывода электрического сигнала; мультиплексор выбирает количество сигналов датчиков, включенных в одну из групп датчиков. Цель патента принципиально отличается от заявленного решения. В аналоги описана именно скоростная передача данных между датчиками и системой виртуальной реальности. В заявленном решении метод передачи данных не имеет никакого значения.In the prior art, the solution KR 100221335 is known, which describes a system and method for a glove to transmit a sensor value in a virtual reality system, including a series of sensors measuring movements of the wrist and fingers and outputting an electrical signal; The multiplexer selects the number of sensor signals included in one of the sensor groups. The purpose of the patent is fundamentally different from the stated solution. The analogs describe exactly the high-speed data transfer between the sensors and the virtual reality system. In the claimed solution, the data transfer method is irrelevant.

В патенте CN 1480822 описано устройство для ввода данных для людей с ограниченными возможностями, представляющее собой перчатку, имеющую множество датчиков, способных обнаруживать движение пальцев, значительно быстрее, чем обычно требуется для нажатия клавиш в обычной клавиатуре; датчик содержит детектор виртуальных клавиш и ключевой декодер, оба из которых по отдельности калиброваны. Отличается назначение перчатки и метод детекции. В аналоге предлагается осуществлять взаимодействие путем прикосновений к определенным датчикам перчатки для людей с ограниченными способностями, прикосновения будут передавать на внешнее устройство. Заявленное нами решение определяет именно движения и положения пальцев и руки для передачи на внешнее устройство.CN 1480822 describes a data entry device for people with disabilities, which is a glove with many sensors capable of detecting finger movement, much faster than is usually required for pressing keys in a conventional keyboard; The sensor contains a virtual key detector and a key decoder, both of which are individually calibrated. The purpose of the glove and the detection method differ. In the analogue, it is proposed to carry out the interaction by touching certain sensors with gloves for people with limited abilities; the contacts will be transmitted to an external device. Our stated decision determines precisely the movements and positions of fingers and hands for transmission to an external device.

В заявке US 20150002401 описаны альтернативные перчатки на основе «ключа» для мобильных устройств, включающие в себя, по меньшей мере, одну пару перчаток, множество датчиков, расположенных на первой стороне, по меньшей мере, два экрана, расположенных с каждой стороны перчатки. Задачей перчатки является ввод каких-то ключей для мобильных устройств. При этом перчатка не детектирует движение и положения пальцев и руки, как это делает заявленное решение.In the application US 20150002401 described alternative gloves on the basis of "key" for mobile devices, including at least one pair of gloves, a variety of sensors located on the first side, at least two screens located on each side of the glove. The task of the glove is to enter some keys for mobile devices. In this case, the glove does not detect the movement and position of the fingers and hand, as does the claimed solution.

В патенте US 6870526 описана перчатка мышь с виртуальным отслеживанием курсора, предназначенная для контроля перемещения курсора и обеспечения функции компьютерной мыши. Представленная перчатка предназначена только для управления курсором и мышки.In the patent US 6870526 described glove mouse with virtual cursor tracking, designed to control the movement of the cursor and ensure the function of a computer mouse. The presented glove is intended only for controlling the cursor and the mouse.

Заявленное нами решение может не только управлять курсором мышки, но и определять движение всех пальцев и руки для создания цифровой 3D модели руки в виртуальном пространстве.Our stated solution can not only control the mouse cursor, but also determine the movement of all fingers and hands to create a digital 3D model of the hand in virtual space.

В патенте US 7205979 описано устройство формирования управляющих сигналов для манипулирования виртуальными объектами в компьютерной системе в соответствии с жестами оператора или другими частями тела; устройство включает в себя перчатку, которая включает датчики для обнаружения жестов кисти руки, а также сенсоры положения рук, соединенные с перчаткой и подключенные к компьютерной системе для определения положения руки по отношению к системе.In the patent US 7205979 described the device generating control signals for manipulating virtual objects in a computer system in accordance with the gestures of the operator or other parts of the body; The device includes a glove that includes sensors for detecting hand gestures, as well as hand position sensors connected to the glove and connected to a computer system to determine the position of the hand relative to the system.

Отличается принципом определения жестов руки. В аналоге жесты определяются по средствам внешних датчиков установленных например на мониторе компьютера. Заявленное нами решение использует встроенные прямо в перчатку инерционные датчики.Differs the principle of determining hand gestures. In analogue, gestures are determined by means of external sensors installed, for example, on a computer monitor. The solution we declared uses inertial sensors built right into the glove.

В решении ЕР 2624238 описан виртуальный макет с тактильной рукой, имеющий смоделированные объекты, которые манипулируются с помощью носимых на руках перчаток во время работы тренажера. В перчатке на пальцах расположены 3D общие средства обнаружения движения, интегрированные вместе с по меньшей мере одним датчиком задач взаимодействия и одним тактильным компонентом.In decision EP 2624238, a virtual mock-up with a tactile hand is described, having simulated objects that are manipulated with the aid of hand wearable gloves during the operation of the simulator. The fingers on the fingers are equipped with 3D general motion detection tools integrated with at least one sensor for interaction tasks and one tactile component.

В аналоге не конкретизировано, как именно датчики движений используются.The analog is not specified exactly how motion sensors are used.

В заявленном решении конкретизировано использование инерционных датчиков с акселерометром и гироскопом.In the claimed solution, the use of inertial sensors with an accelerometer and a gyroscope is specified.

В международной заявке WO 98050839, описана система для управления данными на основе жестов, предназначенная для обработки компьютерной анимации в реальном времени, таких как виртуальная реальность, и управляется на компьютере. Система включает в себя цифровую перчатку для управления данными на основе жестов рук оператора. Решение основано на использовании материалов, которые меняют свое сопротивление при сгибании.In international application WO 98050839, a gesture-based data management system is described for processing real-time computer animation, such as virtual reality, and is controlled on a computer. The system includes a digital glove for data management based on operator hand gestures. The solution is based on the use of materials that change their resistance when bent.

Отличием заявленной полезной модели - использование инерционных датчиков. В международной заявке WO 2007129663 (опубл.: 15.11.2007), описано устройство ввода с использованием датчиков, установленных на палец. Пользователь надевает перчатки с пальцами, каждый из которых имеет датчик обнаружения движения и тактильный датчик для каждого из кончиков пальцев на обеих руках. Информация движения на каждом из кончиков пальцев передается на различные информационные устройства, такие как персональный компьютер (ПК), карманный компьютер, и сотовый телефон, так что позиции соответствующих кончиков пальцев отображаются на виртуальной клавиатуре на дисплее одного из устройств обработки информации.The difference between the declared utility model is the use of inertial sensors. In the international application WO 2007129663 (publ .: 11/15/2007), an input device using sensors mounted on a finger is described. The user wears gloves with fingers, each of which has a motion detection sensor and a tactile sensor for each of the finger tips on both hands. Motion information at each of the fingertips is transmitted to various information devices, such as a personal computer (PC), pocket computer, and cell phone, so that the positions of the corresponding fingertips are displayed on the virtual keyboard on the display of one of the information processing devices.

В аналоге не конкретизировано, как и именно датчики движений используются.The analog is not specified as it is precisely the motion sensors used.

В заявленном решении конкретизировано использование инерционных датчиков с акселерометром и гироскопом.In the claimed solution, the use of inertial sensors with an accelerometer and a gyroscope is specified.

Наиболее близким аналогом является виртуальная перчатка по патенту US 9060385, опубл.: 16.06.2015. В прототипе описана перчатка виртуальной реальности, содержащая датчики, расположенные на пальцах перчатки, и сенсоры положения рук, расположенные на фалангах пальцев перчатки, причем датчики подключены к микропроцессору.The closest analogue is a virtual glove according to patent US 9060385, publ .: 06/16/2015. The prototype describes a virtual reality glove containing sensors located on the fingers of the gloves, and sensors of the position of the hands located on the phalanges of the fingers of the gloves, with the sensors connected to the microprocessor.

Недостатком прототипа и иных известных решений является следующее.The disadvantage of the prototype and other known solutions is the following.

Как известно, тактильный анализатор обладает высокой способностью к пространственной локализации. Характерная его особенность - быстрое развитие адаптации (привыкания), т.е. исчезновение чувства прикосновения или давления. Время адаптации зависит от силы раздражителя, для различных участков тела оно колеблется от 2 до 20 секунд. Благодаря адаптации мы не чувствуем прикосновение одежды к телу. См. [Экзерцева Екатерина Вадимовна, Тема 1.1. Общие вопросы безопасности жизнедеятельности, Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского (МАТИ), Лекции, http://www.studfiles.ru/preview/854779/page:6/]As is known, a tactile analyzer has a high capacity for spatial localization. Its characteristic feature is the rapid development of adaptation (habituation), i.e. loss of feeling of touch or pressure. The adaptation time depends on the strength of the stimulus, for different parts of the body it varies from 2 to 20 seconds. Thanks to the adaptation, we do not feel the touch of clothes to the body. See [Ekzertseva Ekaterina Vadimovna, Topic 1.1. General issues of life safety, Russian State Technological University. K.E. Tsiolkovsky (MATI), Lectures, http://www.studfiles.ru/preview/854779/page:6/]

Аналогичные проблемы работы с виртуальными перчатками вызывают и известные аналоги, что снижает эффект восприятия у пользователя с течением определенного времени работы в них.Similar problems with working with virtual gloves are also caused by well-known counterparts, which reduces the effect of perception on the user over a certain period of work in them.

Недостатком использования IMU-сенсоров без дополнительного внешнего "трекинга" является проблема "дрифта" - накоплению погрешности гироскопических/инерциальных датчиков, существенному отклонению получаемых данных от реальных и, как следствие, невозможности точного абсолютного позиционирования.The disadvantage of using IMU-sensors without additional external tracking is the problem of “drift” - accumulation of gyro / inertial sensor errors, a significant deviation of the obtained data from the real ones and, as a result, the impossibility of exact absolute positioning.

Для решения этой проблемы приходится накладывать ограничения на получаемые данные, ограничивая тем самым подвижность "виртуальной руки" - рука фиксируется в локтевом суставе. Таким образом, все движения интерпретируются в рамках полусферы, которую может описать кисть при зафиксированном локтевом суставе - движения руки в горизонтальной плоскости полностью игнорируются, что доставляет неудобства на практике.To solve this problem, it is necessary to impose restrictions on the data obtained, thereby limiting the mobility of the "virtual hand" - the hand is fixed in the elbow joint. Thus, all movements are interpreted within the framework of a hemisphere, which the hand can describe when the elbow joint is fixed - hand movements in the horizontal plane are completely ignored, which causes inconvenience in practice.

Задачей изобретения является устранение указанных проблем.The objective of the invention is to eliminate these problems.

Техническим результатом изобретения является возможность получать и передавать в компьютер или другое устройство данные о положении пальцев, кистей рук, локтевых и плечевых суставов, а также осуществлять тактильную обратную связь путем передачи вибрации на пальцы.The technical result of the invention is the ability to receive and transmit data on the position of fingers, hands, elbow and shoulder joints to the computer or other device, as well as to carry out tactile feedback by transmitting vibration to the fingers.

Также техническим результатом является более точное вычисление положения кисти в пространстве и придание дополнительной степени свободы руке.Also, the technical result is a more accurate calculation of the position of the brush in space and giving an additional degree of freedom to the hand.

Также техническим результатом является возможность фиксировать виртуальную модель руки не в локтевом суставе, а в плечевом и с высокой точностью распознавать и передавать на компьютер или иное устройство всех возможных движений руки, в том числе и в горизонтальной плоскости.Also, the technical result is the ability to fix a virtual model of the hand not in the elbow joint, but in the shoulder and with high accuracy to recognize and transfer to the computer or other device all possible hand movements, including in the horizontal plane.

Еще одним преимуществом перед другими известными устройствами, основанными только на внешнем трекинге, является возможность использования вне стационарно оборудованных помещений, что удобно при использовании решения вместе с мобильными устройствами (смартфонами), или портативными решениями виртуальной и дополненной реальностей.Another advantage over other known devices based only on external tracking is the ability to use outside stationary equipped rooms, which is convenient when using the solution with mobile devices (smartphones) or portable solutions of virtual and augmented reality.

Указанный технический результат по первому варианту достигается за счет того, что заявлен способ изготовления перчатки виртуальной реальности, использующий датчики, которые располагают на пальцах перчатки, причем датчики подключают к системной плате, отличающийся тем, что в качестве датчиков используют сенсоры IMU, которые устанавливают на пальцы перчатки, причем на указательный, средний, безымянный пальцы и мизинец устанавливают по одному датчику в области предпоследней фаланги пальца, с внешней стороны ладони; на большой палец устанавливают два датчика - на первую и на вторую фалангу, с внешней стороны; дополнительно IMU-сенсоры устанавливают на кисть руки; IMU-сенсоры с помощью кабеля подключают к системной плате; дополнительно, на внутренней стороне ладони, на предпоследней фалангах каждого пальца размещают вибрационные моторы, которые крепят аналогичным IMU-сенсорам способом, и также с помощью кабеля подключают к системной плате; на системную плату размещают по меньшей мере два фотодиода, при этом внешний корпус для модуля управления изготавливают из прозрачного материала, пропускающего свет, либо целиком, либо лишь в тех участках, где расположены фотодиоды, а в сам внешний корпус для модуля управления встраивают системную плату и аккумулятор.This technical result in the first embodiment is achieved due to the fact that a method of manufacturing a virtual reality glove is declared, using sensors that have gloves on the fingers, and the sensors are connected to the system board, characterized in that sensors of IMU are used as sensors gloves, with the index finger, middle finger, ring finger and little finger set on one sensor in the penultimate phalanx of the finger, on the outside of the palm; two sensors are placed on the thumb - on the first and second phalanx, from the outside; in addition IMU-sensors are installed on the hand; IMU-sensors with a cable connected to the motherboard; additionally, on the inside of the palm, on the penultimate phalanges of each finger, vibration motors are placed, which are fixed in the same way as IMU-sensors, and also connected to the system board with a cable; At least two photodiodes are placed on the motherboard, while the outer case for the control module is made of transparent material that transmits light, either entirely or only in those areas where the photodiodes are located, and in the outer case itself for the control module they build in the motherboard and battery.

Дополнительный фотодиод устанавливают рядом с IMU-сенсором на запястье.Additional photodiode set next to the IMU-sensor on the wrist.

Предпочтительно, дополнительный фотодиод располагают вместе с IMU-сенсором в плечевом модуле.Preferably, the additional photodiode is arranged together with the IMU sensor in the shoulder module.

Посредством фотодиодов регистрируют световые сигналы, посылаемые парой специальных внешних световых излучателей, установленных стационарно, неподвижно и отдельно от описываемого контроллера (системной платы и набора сенсоров в виде перчатки или другой форме), по разные стороны от него.Photodiodes register light signals sent by a pair of special external light emitters installed stationary, stationary and separate from the described controller (system board and a set of sensors in the form of gloves or other form), on either side of it.

Излучатели выполняют таким образом, что они генерируют световые импульсы определенной длины, формы и направления, через определенные промежутки времени. Свет от излучателей испускают как в видимом, так и в инфракрасном, либо ультрафиолетовом диапазонах.Emitters perform in such a way that they generate light pulses of a certain length, shape and direction, at certain intervals of time. The light from the emitters emit both in the visible and in the infrared or ultraviolet.

Посредством одного излучателя генерируют набор коротких импульсов света, а затем генерируют узкую полосу лазером, установленном на поворотном механизме, вращающемся в горизонтальной плоскости, а посредством другого излучателя параллельно, но в другие временные интервалы, генерируют такие же импульсы, но в вертикальной плоскости.Through a single emitter, a set of short pulses of light is generated, and then a narrow band is generated by a laser mounted on a rotating mechanism rotating in a horizontal plane, and through another emitter in parallel, but at different time intervals, generate the same pulses, but in a vertical plane.

Данные о временных интервалах, последовательности световых импульсов, формы и характера импульсов, которые известны по параметрическим данным излучателей, сопоставляют с полученными через драйвер внешнего устройства: временем регистрации фотодиодами различных импульсов света, посредством чего вычисляют их координаты относительно излучателей в пространстве, затем эти данные используют для корректировки абсолютной позиции руки в пространстве, вычисленной с помощью IMU-сенсоров, и устраняют накопленную погрешность.Data on time intervals, sequences of light pulses, the shape and nature of the pulses, which are known from the parametric data of the emitters, are compared with those received through the external device driver: the registration time of the photodiodes of various light pulses, whereby their coordinates are calculated relative to the emitters in space, then these data are used to correct the absolute position of the hand in space, calculated using IMU-sensors, and eliminate the accumulated error.

На плечевом суставе дополнительно закрепляют плечевой модуль с IMU-сенсором, который подсоединяют к системной плате с помощью кабеля через разъем совмещенного модуля, либо беспроводным способом.The shoulder module is additionally secured to the shoulder joint with an IMU-sensor, which is connected to the motherboard with a cable via the socket of the combined module or wirelessly.

Указанный технический результат по второму варианту достигается за счет того, что заявлен способ изготовления перчатки виртуальной реальности, использующий датчики, которые располагают на пальцах перчатки, причем датчики подключают к системной плате, отличающийся тем, что в качестве датчиков используют сенсоры IMU, которые устанавливают на пальцы перчатки, причем на указательный, средний, безымянный пальцы и мизинец устанавливают по одному датчику в области предпоследней фаланги пальца, с внешней стороны ладони; на большой палец устанавливают два датчика - на первую и на вторую фалангу, с внешней стороны; дополнительно IMU-сенсоры устанавливают на кисть руки; IMU-сенсоры с помощью кабеля подключают к системной плате; дополнительно, на внутренней стороне ладони, на предпоследней фалангах каждого пальца размещают вибрационные моторы, которые крепят аналогичным IMU-сенсорам способом, и также с помощью кабеля подключают к системной плате; на системную плату размещают по меньшей мере два световых или инфракрасных светодиода, при этом внешний корпус для модуля управления изготавливают из прозрачного материала, пропускающего свет, либо целиком, либо лишь в тех участках, где расположены светодиоды, а в сам внешний корпус для модуля управления встраивают системную плату и аккумулятор.This technical result according to the second variant is achieved due to the fact that a method of manufacturing a virtual reality glove is declared, using sensors that have gloves on the fingers, and the sensors are connected to a system board, characterized in that sensors of IMU are used as sensors gloves, with the index finger, middle finger, ring finger and little finger set on one sensor in the penultimate phalanx of the finger, on the outside of the palm; two sensors are placed on the thumb - on the first and second phalanx, from the outside; in addition IMU-sensors are installed on the hand; IMU-sensors with a cable connected to the motherboard; additionally, on the inside of the palm, on the penultimate phalanges of each finger, vibration motors are placed, which are fixed in the same way as IMU-sensors, and also connected to the system board with a cable; At least two light or infrared LEDs are placed on the motherboard, while the outer case for the control module is made of transparent material that transmits light, either entirely or only in those areas where the LEDs are located, and in the outer case itself for the control module they embed motherboard and battery.

Используют по меньшей мере две видеокамеры, от которых на внешнее устройство управления получают доступ к изображению с камер; на формируемых с камер изображениях находят позицию светодиодов и затем, используя данные о взаимном расположении камер, о линейном расстоянии между светодиодами и о получившемся размере и искажении (повороте/сжатии) изображения светодиодов вычисляют абсолютную позицию светодиодов в пространстве, после чего эти данные используют для корректировки абсолютной позиции руки в пространстве, вычисленную с помощью IMU-сенсоров, и устраняют накопленную погрешность.At least two video cameras are used, from which the image from the cameras is accessed by an external control device; on the images generated from the cameras, they find the position of the LEDs and then, using the relative position of the cameras, the linear distance between the LEDs and the resulting size and distortion (rotation / compression) of the LED images, calculate the absolute position of the LEDs in space, after which these data are used to correct absolute position of the hand in space, calculated using IMU-sensors, and eliminate the accumulated error.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На Фиг. 1 показан пример выполнения перчатки с использованием на запястье и IMU сенсора и без использования фотодиодов.FIG. Figure 1 shows an example of a glove using a wrist and an IMU sensor and without using photodiodes.

На Фиг. 2 показан пример выполнения перчатки с использованием фотодиодов и расположенного на запястье совмещенного модуля, содержащего фотодиод и IMU сенсор.FIG. Figure 2 shows an exemplary glove with the use of photodiodes and a combined module on the wrist containing a photodiode and an IMU sensor.

На Фиг. 3 показан пример выполнения перчатки без использования фотодиодов в системной плате и расположенного на запястье совмещенного модуля, содержащего фотодиод и IMU сенсор.FIG. Figure 3 shows an example of a glove without using photodiodes in the motherboard and located on the wrist of a combined module containing a photodiode and an IMU sensor.

На Фиг. 4 показан пример подключения к перчатке плечевого модуля.FIG. 4 shows an example of connecting to a glove of the shoulder module.

На чертежах: 1 - перчатка, 2 - инерционный датчик (сенсор) IMU, объединяющий в себе акселерометр, гироскоп и магнитометр, 3 - вибрационный мотор, предназначенный для передачи ощущений вибрации, 4 - системная плата, 5 - аккумулятор, 6 - провода, 7 - корпус, объединяющий системную плату и аккумулятор, 8 - фотодиод, 9 - совмещенный модуль, 10 - плечевой модуль, 11 - соединительный провод между совмещенным модулем и плечевым модулем.In the drawings: 1 - glove, 2 - inertial sensor (sensor) IMU, combining accelerometer, gyroscope and magnetometer, 3 - vibrating motor, designed to transmit vibration sensations, 4 - motherboard, 5 - battery, 6 - wires, 7 - the case that combines the motherboard and battery, 8 - photodiode, 9 - combined module, 10 - shoulder module, 11 - connecting wire between the combined module and the shoulder module.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Заявленное решение позволяет получать и передавать в компьютер или другое устройство данные о положении пальцев, кистей рук, локтевых и плечевых суставов, а также осуществлять тактильную обратную связь путем передачи вибрации на пальцы.The claimed solution allows receiving and transmitting data on the position of fingers, hands, elbow and shoulder joints to a computer or other device, as well as providing tactile feedback by transmitting vibrations to the fingers.

Это достигается следующим образом.This is achieved as follows.

На пальцы устанавливаются гироскопические/инерциальные датчики (IMU-сенсоры): на указательный, средний, безымянный пальцы и мизинец устанавливается по одному датчику в области предпоследней фаланги пальца, с внешней стороны ладони; на большой палец устанавливается два датчика - на первую и на вторую фалангу, с внешней стороны. Дополнительно аналогичные датчики устанавливаются на кисть руки, с внешней стороны, и на запястье, с внешней или внутренней стороны ладони.Gyroscopic / inertial sensors (IMU-sensors) are mounted on fingers: on the index, middle, ring fingers and little finger one sensor is installed in the penultimate phalanx of the finger, on the outside of the palm; two sensors are installed on the thumb - on the first and second phalanx, from the outside. Additionally, similar sensors are mounted on the hand, from the outside, and on the wrist, from the outside or inside of the palm.

Датчики могут быть закреплены в данных позициях с помощью тряпичной перчатки, будучи вшитыми в необходимых позициях, либо каждый датчик может быть закреплен независимо с помощью тряпичного (или из другого материала) кольца (крепления), надеваемого на палец/кисть/запястье, либо любым другим способом, обеспечивающим неподвижность датчика относительно пальца/кисти/запястья соответственно.The sensors can be fixed in these positions with a rag glove, sewn into the required positions, or each sensor can be attached independently with a rag (or other material) ring (fastening) worn on the finger / hand / wrist or any other in a way that ensures the immobility of the sensor relative to the finger / hand / wrist, respectively.

В качестве IMU-сенсора может использоваться, например:As an IMU-sensor can be used, for example:

https://www.digikey.com/product-detail/en/invensense/MPU-6000/1428-1005-1-ND/4038006https://www.digikey.com/product-detail/en/invensense/MPU-6000/1428-1005-1-ND/4038006

Датчики с помощью кабеля подключаются к модулю управления, расположенному на внешней стороне ладони в пластиковом корпусе. Модуль управления содержит электронику управления на основе микроконтроллера, радиомодуль беспроводной связи, аккумулятор.Sensors are connected via cable to the control module located on the outside of the palm in a plastic case. The control module contains microcontroller-based control electronics, a wireless radio module, and a battery.

Датчики постоянно собирают данные о движении и передают их микроконтроллеру, который по радиоканалу передает эти данные на компьютер или другое устройство.Sensors constantly collect motion data and transmit it to the microcontroller, which transmits this data over the air to a computer or other device.

На компьютере (или другом устройстве) установлено программное обеспечение-драйвер, которое использует данные с датчиков (угловые скорости и векторы ускорения) и преобразует их в кватернионы поворота пространства для следующих суставов: поворот (сгиб) последней фаланги пальца относительно ладони для указательного, среднего, безымянного пальцев и мизинца, в вертикальной плоскости относительно ладони; поворот указательного, среднего, безымянного пальцев и мизинца в горизонтальной плоскости (плоскости ладони); поворот/сгиб большого пальца относительно ладони в пространстве; поворот/сгиб кисти (ладони) относительно локтевого сустава; поворот локтевого сустава относительно плечевого сустава. Затем из полученных углов, с помощью алгоритмов инверсной кинематики (данных о связях суставов и их линейных размерах) вычисляются повороты всех остальных суставов и относительное положение всех суставов кисти руки.A software driver is installed on the computer (or other device) that uses data from the sensors (angular velocities and acceleration vectors) and converts them into quaternions of space rotation for the following joints: rotation (fold) of the last phalanx of the finger relative to the palm for the index, middle, unmarked fingers and little finger, in a vertical plane relative to the palm of the hand; rotation of the index, middle, ring fingers and little finger in the horizontal plane (palm plane); twist / fold of the thumb relative to the palm in space; twist / fold of the hand (palm) relative to the elbow joint; rotation of the elbow joint relative to the shoulder joint. Then, from the angles obtained, using the inverse kinematics algorithms (data on the joints of the joints and their linear dimensions), the turns of all the other joints and the relative position of all the joints of the hand are calculated.

Полученные данные затем предоставляются для доступа в виде программного интерфейса приложения (API) и могут быть использованы сторонними производителями программного обеспечения в любых целях.The obtained data is then provided for access in the form of an application programming interface (API) and can be used by third-party software manufacturers for any purpose.

Дополнительно, на внутренней стороне ладони, на предпоследней фалангах каждого пальца размещается вибрационный мотор, который крепится аналогичным IMU-сенсорам способом, и также с помощью кабеля подключается к системной плате и микроконтроллеру.Additionally, on the inside of the palm, on the penultimate phalanx of each finger, a vibration motor is placed, which is mounted in the same way as IMU-sensors, and is also connected via cable to the motherboard and microcontroller.

Программный интерфейс приложения (API) позволяет запускать вибрационный мотор независимо на каждом из пальцев, задавая необходимые параметры широтно-импульсной модуляции (частоту/интенсивность вибрации).The application programming interface (API) allows the vibration motor to be launched independently on each of the fingers, setting the required parameters for pulse-width modulation (vibration frequency / intensity).

Команда от программного интерфейса обрабатывается драйвером устройства и, через радиоканал, передается на микроконтроллер, который управляет непосредственно вибрационным мотором.The command from the software interface is processed by the device driver and, via the radio channel, is transmitted to the microcontroller, which directly controls the vibration motor.

Таким образом, вибрация может контролироваться сторонними производителями программного обеспечения с помощью программного интерфейса приложения (API).Thus, the vibration can be controlled by third-party software manufacturers using the application programming interface (API).

В качестве вибрационного мотора может использоваться, например:As a vibration motor can be used, for example:

https://ru.aliexpress.com/item/50pcs-DC3V-0820-8-2-0mm-Mobile-phone-micro-flat-vibration-motor-Coin-motor-Mini-vibrator/32783671636.htmlhttps://ru.aliexpress.com/item/50pcs-DC3V-0820-8-2-0mm-Mobile-phone-micro-flat-vibration-motor-Coin-motor-Mini-vibrator/32783671636.html

Недостатком использования IMU-сенсоров без дополнительного внешнего "трекинга" (трекинг - определение местоположения движущихся объектов во времени с помощью камеры) является проблема "дрифта" - накоплению погрешности гироскопических/инерциальных датчиков, существенному отклонению получаемых данных от реальных и, как следствие, невозможности точного абсолютного позиционирования.The disadvantage of using IMU sensors without additional external tracking (tracking - locating moving objects over time using the camera) is the problem of "drift" - the accumulation of gyro / inertial sensor errors, a significant deviation of the received data from real and, as a result, the inability to accurately absolute positioning.

Для решения этой проблемы приходится накладывать ограничения на получаемые данные, ограничивая тем самым подвижность "виртуальной руки" - рука фиксируется в локтевом суставе. Таким образом, все движения интерпретируются в рамках полусферы, которую может описать кисть при зафиксированном локтевом суставе - движения руки в горизонтальной плоскости полностью игнорируются, что доставляет неудобства на практике.To solve this problem, it is necessary to impose restrictions on the data obtained, thereby limiting the mobility of the "virtual hand" - the hand is fixed in the elbow joint. Thus, all movements are interpreted within the framework of a hemisphere, which the hand can describe when the elbow joint is fixed - hand movements in the horizontal plane are completely ignored, which causes inconvenience in practice.

По причине чего на плечевом суставе дополнительно может быть закреплен еще один гироскопический/инерциальный датчик (IMU-сенсор), например, внутри плечевого модуля (10) (Фиг. 4) и подсоединен к системной плате (4) с помощью кабеля (11) через разъем совмещенного модуля (9).For this reason, another gyroscopic / inertial sensor (IMU sensor) can be additionally attached to the shoulder joint, for example, inside the shoulder module (10) (Fig. 4) and connected to the system board (4) with the help of a cable (11) through socket module (9).

Данные с датчика, передаются на микроконтроллер, и далее через радиоканал - в программное обеспечение-драйвер, где они используются для вычисления поворота локтевого сустава относительно плечевого, а также вращения локтевого сустава в перпендикулярной ему плоскости. Это позволяет более точно вычислять положение кисти в пространстве и придать дополнительные степени свободы руке.The data from the sensor is transmitted to the microcontroller, and then through the radio channel to the driver software, where they are used to calculate the rotation of the elbow joint relative to the shoulder joint, as well as the rotation of the elbow joint in a plane perpendicular to it. This allows you to more accurately calculate the position of the brush in space and give additional degrees of freedom to the hand.

Благодаря такому подходу, можно зафиксировать виртуальную модель руки не в локтевом суставе, а в плечевом и с высокой точностью распознавать и передавать на компьютер (или иное устройство) все возможные движения руки, в том числе и в горизонтальной плоскости.Thanks to this approach, it is possible to fix the virtual model of the hand not in the elbow joint, but in the shoulder and with high accuracy to recognize and transfer to the computer (or other device) all possible hand movements, including in the horizontal plane.

Для полного решения проблемы накапливаемой погрешности в вычисленной абсолютной позиции датчиков допустимо добавить поддержку внешнего "трекинга".To fully solve the problem of accumulated error in the calculated absolute position of the sensors, it is permissible to add support for external "tracking".

Для этого (по первому варианту) на модуль управления размещаются два или более фотодиодов, реагирующие на вспышки света. При этом корпус для модуля управления изготавливается из прозрачного материала, пропускающего свет, либо целиком, либо лишь в тех участках, где расположены фотодиоды. Еще один фотодиод располагается рядом с IMU-сенсором на запястье. Опционально еще один фотодиод также располагается вместе с IMU-сенсором на плечевом суставе.To do this (in the first embodiment), two or more photodiodes reacting to flashes of light are placed on the control module. In this case, the housing for the control module is made of a transparent material that transmits light, either entirely or only in those areas where the photodiodes are located. Another photodiode is located next to the IMU-sensor on the wrist. Optionally, another photodiode is also located along with the IMU-sensor on the shoulder joint.

Фотодиоды регистрируют световые сигналы, посылаемые парой специальных внешних свето-излучателей, установленных стационарно, неподвижно и отдельно от описываемого контроллера (системной платы и набора сенсоров в виде перчатки или другой форме), по разные стороны от него.Photodiodes register light signals sent by a pair of special external light emitters installed stationary, stationary and separate from the described controller (system board and a set of sensors in the form of gloves or other form) on either side of it.

Излучатели запрограммированы особым образом и генерируют световые импульсы определенной длины, формы и направления, через определенные промежутки времени. Свет может излучаться как в видимом, так и в невидимых (инфракрасный, ультрафиолетовый) диапазонах.Emitters are programmed in a special way and generate light pulses of a certain length, shape and direction, at certain time intervals. Light can be emitted both in the visible and in the invisible (infrared, ultraviolet) ranges.

Например, излучатель может генерировать набор коротких импульсов света, а затем генерировать узкую полосу лазером, установленном на поворотном механизме, вращающемся в горизонтальной плоскости. Другой излучатель может параллельно (но в другие временные интервалы) делать тоже самое, но в вертикальной плоскости. Временные интервалы, последовательность световых импульсов, форму и характер импульсов (например форму пучка света лазера и скорость поворотного механизма) известны заранее, эти данные сопоставляются программным обеспечением-драйвером со временем регистрации фотодиодами различных импульсов света, благодаря чему вычисляется их позиция относительно излучателей, и таким образом - абсолютная позиция фотодиодов в пространстве. Затем эти данные используются для корректировки абсолютной позиции руки в пространстве, вычисленную с помощью IMU-сенсоров, и устранения накопленной погрешности.For example, the emitter can generate a set of short pulses of light, and then generate a narrow strip with a laser mounted on a rotating mechanism, rotating in a horizontal plane. Another emitter can do the same in parallel (but at different time intervals), but in the vertical plane. The time intervals, the sequence of light pulses, the shape and nature of the pulses (for example, the laser light beam shape and the speed of the turning mechanism) are known in advance, these data are compared by the software driver with the photodiode registration time of various light pulses, thereby calculating their position relative to the emitters, and so image - the absolute position of the photodiodes in space. These data are then used to correct the absolute position of the arm in space, calculated using IMU sensors, and to eliminate the accumulated error.

В качестве фотодиода может использоваться, например: https://www.digikey.com/product-detail/en/osram-opto-semiconductors-inc/BPW-34-S-Z/475-2659-1-ND/1893861As a photodiode can be used, for example: https://www.digikey.com/product-detail/en/osram-opto-semiconductors-inc/BPW-34-S-Z/475-2659-1-ND/1893861

В качестве внешнего излучателя может использоваться, например:As an external radiator can be used, for example:

https://www.microsoftstore.com/store/msusa/en_US/pdp/HTC-Vive-Base-Station/productID.5073718900https://www.microsoftstore.com/store/msusa/en_US/pdp/HTC-Vive-Base-Station/productID.5073718900

Альтернативным способом (вторым вариантом реализации) является расположение в тех же позициях световых или инфракрасных светодиодов вместо фотодиодов и замена световых излучателей на две или более видеокамеры. В этом случае, программное обеспечение должно иметь доступ к изображению, получаемому с камер.An alternative method (the second implementation option) is to arrange light or infrared LEDs in the same positions instead of photodiodes and replace light emitters with two or more video cameras. In this case, the software must have access to the image received from the cameras.

Программное обеспечение находит на изображении позицию светодиодов и затем, используя данные о взаимном расположении камер, о линейном расстоянии между светодиодами и о получившемся размере и искажении (повороте/сжатии) изображения светодиодов вычисляет абсолютную позицию светодиодов в пространстве.The software finds the position of the LEDs in the image and then, using the data on the relative position of the cameras, the linear distance between the LEDs and the resulting size and distortion (rotation / compression) of the LED image, calculates the absolute position of the LEDs in space.

Затем эти данные используются для корректировки абсолютной позиции руки в пространстве, вычисленную с помощью IMU-сенсоров, и устранения накопленной погрешности.These data are then used to correct the absolute position of the arm in space, calculated using IMU sensors, and to eliminate the accumulated error.

Заявленное решение может использоваться для анимации 3D моделей человеческой (или иной) руки в компьютерных программах, как способ взаимодействия с интерфейсами в виртуальной (VR - virtual reality) или дополненной (AR - augmented reality) реальностях, а также видеоиграх, симуляторах различных видов деятельности и в любых других задачах, где требуется получение, обработка, хранение или передача точных движений рук в пространстве.The claimed solution can be used to animate 3D models of a human (or other) hand in computer programs, as a way of interacting with interfaces in virtual (VR - virtual reality) or augmented (AR - augmented reality) realities, as well as video games, simulators of various activities and in any other tasks where obtaining, processing, storing or transmitting precise hand movements in space is required.

Например, заявленное решение также может применяться в медицине, для пациентов с нарушениями моторики рук для отслеживания движений кистей и пальцев рук и стимулирования их активности.For example, the claimed solution can also be used in medicine, for patients with impaired motility of the hands to track the movements of the hands and fingers and stimulate their activity.

Обратная связь с помощью вибромоторов может применяться для имитации ощущений прикосновения к предметам в виртуальной реальности, когда данные о положении руки и пальцев используются для определения коллизий с виртуальными предметами и, в случае их обнаружения, подавать на соответствующие месту контакта пальцы вибрации. При этом степень вибрации может зависеть от формы контакта - размера области пересечения, или от характеристик виртуального предмета. Другой возможный сценарий использования вибрации - подтверждение события взаимодействиями с виртуальными интерфейсами - например, нажатие на виртуальную кнопку.Feedback using vibration motors can be used to simulate the sensations of touching objects in virtual reality, when data on the position of the hand and fingers are used to identify collisions with virtual objects and, if they are detected, feed vibration fingers to the corresponding point of contact. The degree of vibration may depend on the shape of the contact - the size of the intersection area, or on the characteristics of the virtual object. Another possible scenario of using vibration is to confirm an event with interactions with virtual interfaces — for example, pressing a virtual button.

Заявленное решение предлагает новый способ размещения IMU-сенсоров и, как следствие, высокую точность получаемых результатов: взаимное расположение датчиков позволяет получить необходимые углы, между пальцами, кистью, локтевым и плечевым суставами; во вторую очередь такое расположение сенсоров и вибрационных моторов позволяет освободить последнюю фалангу пальцев, что удобно в практическом применении - пользователь может пользоваться сенсорными экранами, производить действия требующие мелкой моторики пальцев и т.п.The claimed solution offers a new way of placing IMU-sensors and, as a result, high accuracy of the results: the relative position of the sensors allows you to get the necessary angles between the fingers, hand, elbow and shoulder joints; secondly, such an arrangement of sensors and vibration motors makes it possible to free the last phalanx of fingers, which is convenient in practical application - the user can use touch screens, perform actions requiring fine finger motor skills, etc.

Преимуществом использования комбинированного подхода (применение IMU-сенсоров и внешнего трекинга в одной технологии) является высокая точность измерения пространственного перемещения, еще более высокая, чем любые альтернативные методы, такие как тензорезисторы (датчики сгиба) или решения, основанные только на IMU-сенсорах. Кроме того, в отличии от методов, основанных на внешнем оптическом или другом внешнем трекинге у данного подхода полностью отсутствуют "слепые зоны", даже если между светодиодом (фотодиодом) и камерой (светоизлучателем) не будет прямого обзора, заявленное решение все равно позволит достаточно точно вычислить позицию руки в пространстве.The advantage of using a combined approach (using IMU sensors and external tracking in the same technology) is the high accuracy of measuring spatial displacement, even higher than any alternative methods such as strain gauges (bend sensors) or solutions based only on IMU sensors. In addition, unlike the methods based on external optical or other external tracking, this approach completely lacks "blind spots", even if there is no direct view between the LED (photodiode) and the camera (light emitter), the stated solution will still allow quite accurately calculate the position of the arm in space.

Еще одним преимуществом перед другими известными устройствами, основанными только на внешнем трекинге, является возможность использования вне стационарно оборудованных помещений, что удобно при использовании решения вместе с мобильными устройствами (смартфонами), или портативными решениями виртуальной и дополненной реальностей.Another advantage over other known devices based only on external tracking is the ability to use outside stationary equipped rooms, which is convenient when using the solution with mobile devices (smartphones) or portable solutions of virtual and augmented reality.

Способ может быть реализован на примере выполнения перчатки в следующей конструкции.The method can be implemented on the example of performing gloves in the following design.

Перчатка (Фиг. 1) (1) выполняется из ткани, внутри которой расположены: IMU сенсоры (2), каждый из которых содержит в себе акселерометр, гироскоп и магнитометр, при этом четыре IMU сенсора (2) расположены на предпоследних фалангах мизинца, безымянного, среднего и указательного пальцев, два IMU сенсора (2) расположены на первой и второй фалангах большого пальца, один сенсор IMU (2) расположен на системной плате.The glove (Fig. 1) (1) is made of fabric inside which there are: IMU sensors (2), each of which contains an accelerometer, gyroscope and magnetometer, with four IMU sensors (2) located on the penultimate phalanges of the little finger, nameless , middle and index fingers, two IMU sensors (2) are located on the first and second phalanges of the thumb, one IMU sensor (2) is located on the system board.

На пальцах перчатки (1) также закреплены вибрационные моторы (3), по одному на каждом пальце, причем на всех пальцах, кроме большого, вибрационные моторы (3) закреплены на предпоследних фалангах пальцев, а на большом пальце вибрационный мотор (3) закреплен на последней фаланге.The fingers of the gloves (1) also have vibration motors (3) fixed, one on each finger, and on all fingers except the big one, the vibration motors (3) are fixed on the penultimate phalanges of the fingers, and on the thumb a vibration motor (3) is fixed on the last phalanx.

На перчатке (1) закреплены системная плата (4), где расположен вычислительный модуль. При этом модуль беспроводной связи Bluetooth, для связи с компьютером или иным устройством по радиоканалу, установлен на системной плате (4).The motherboard (4) is fixed on the glove (1), where the computing module is located. At the same time, the Bluetooth wireless communication module, for communication with a computer or other device via radio, is installed on the motherboard (4).

Системная плата (4) закреплена поверх аккумулятора (5), который закреплен на перчатке (1).The motherboard (4) is mounted on top of the battery (5), which is mounted on the glove (1).

Сенсоры IMU (2), вибромоторы (3), аккумулятор (5) подключены к системной плате (4) посредством проводов (6).IMU sensors (2), vibration motors (3), battery (5) are connected to the system board (4) by means of wires (6).

При необходимости, системная плата (4) и аккумулятор (5) могут быть выполнены в едином корпусе (7) из светопроницаемого пластика.If necessary, the motherboard (4) and the battery (5) can be made in a single package (7) of translucent plastic.

На системной плате (4) также установлены фотодиоды (8), подключенные к совмещенному модулю (9), содержащему фотодиод и IMU сенсор.Photodiodes (8) are also installed on the system board (4), which are connected to a combined module (9) containing a photodiode and an IMU sensor.

Предпочтительно, фотодиоды (8) могут быть установлены на системной плате (4) по ее краям равноудалено. Их может быть четыре.Preferably, the photodiodes (8) can be mounted on the system board (4) at its edges equidistant. There may be four.

Модуль (9) с IMU сенсором и световым датчиком располагают на запястье перчатки (1). Дополнительным преимуществом виртуальной перчатки (1) является использование дополнительного плечевого модуля (10), который располагают на плече (бицепсе), и подключают к системной плате с помощью провода (11) через модуль (9), который выполняют содержащим соединительный коннектор (на чертежах не показан).A module (9) with an IMU sensor and a light sensor is placed on the wrist of the glove (1). An additional advantage of the virtual glove (1) is the use of an additional shoulder module (10), which is placed on the shoulder (biceps), and connected to the system board using a wire (11) through the module (9), which is performed containing a connector connector (in the drawings shown).

Внутри плечевого модуля (10) может быть установлен IMU-сенсор.An IMU sensor can be installed inside the shoulder module (10).

Данное взаимное расположение IMU сенсоров с использованием сенсора, закрепленного в плечевом модуле (10), позволяет эффективно бороться с проблемой "дрифта" данных о положении пальцев и кисти рук в пространстве и более эффективно отслеживать движения плечевого сустава. В отличие от систем с внешним трекингом (основанным на фотодиодах или светодиодах и внешних камерах), данное решение может быть использовано без каких либо внешних устройств, что удобно для работы с мобильными устройствами (смартфонами).This mutual arrangement of IMU sensors using a sensor fixed in the shoulder module (10) makes it possible to effectively deal with the problem of “drift” of data on the position of fingers and hand in space and more effectively track the movements of the shoulder joint. Unlike systems with external tracking (based on photodiodes or LEDs and external cameras), this solution can be used without any external devices, which is convenient for working with mobile devices (smartphones).

Плечевой модуль (10) может быть так же реализован в беспроводном варианте, и подключаться к вычислительному модулю по радиоканалу (Bluetooth или Wifi). В этом случае в едином модуле с датчиком (10) располагают аккумулятор и радиомодуль (на чертежах не показаны) и провод (11) не используют.The shoulder module (10) can also be implemented in the wireless version, and connect to the computing module via radio (Bluetooth or Wifi). In this case, a battery and a radio module (not shown in the drawings) and a wire (11) are not used in a single module with a sensor (10).

Также плечевой модуль (10) может быть опционально реализован не с помощью IMU-сенсора, а с помощью одного или нескольких тензорезисторов (датчиков сгиба). В этом случае в плечевом модуле (10) устанавливается микроконтроллер, к которому подключают тензорезисторы, и через них агрегируют информацию и передают ее на основной вычислительный модуль системной платы (4).Also, the shoulder module (10) can be optionally implemented not with an IMU sensor, but with the help of one or several strain gauges (fold sensors). In this case, a microcontroller is installed in the shoulder module (10) to which the resistance strain gages are connected, and through them aggregates the information and transfers it to the main computing module of the motherboard (4).

Claims (11)

1. Способ изготовления перчатки виртуальной реальности, использующий датчики, которые располагают на пальцах перчатки, причем датчики подключают к системной плате, отличающийся тем, что в качестве датчиков используют сенсоры IMU, которые устанавливают на пальцы перчатки, причем на указательный, средний, безымянный пальцы и мизинец устанавливают по одному датчику в области предпоследней фаланги пальца с внешней стороны ладони; на большой палец устанавливают два датчика - на первую и на вторую фалангу с внешней стороны; дополнительно IMU-сенсоры устанавливают на кисть руки; IMU-сенсоры с помощью кабеля подключают к системной плате; дополнительно на внутренней стороне ладони на предпоследней фаланге каждого пальца размещают вибрационные моторы, которые крепят аналогичным IMU-сенсорам способом, и также с помощью кабеля подключают к системной плате; на системную плату размещают по меньшей мере два фотодиода, при этом внешний корпус для модуля управления изготавливают из прозрачного материала, пропускающего свет, либо целиком, либо лишь в тех участках, где расположены фотодиоды, а в сам внешний корпус для модуля управления встраивают системную плату и аккумулятор.1. A method of making a virtual reality glove that uses sensors that have gloves on fingers, and sensors are connected to a motherboard, characterized in that sensors of IMU are used as sensors, which are mounted on fingers of gloves, and on index, middle, ring fingers and the little finger is installed on one sensor in the area of the penultimate phalanx of the finger on the outside of the palm; two sensors are placed on the thumb - on the first and second phalanx from the outside; in addition IMU-sensors are installed on the hand; IMU-sensors with a cable connected to the motherboard; additionally, on the inside of the palm, on the penultimate phalanx of each finger, vibration motors are placed, which are fixed in the same IMU-sensor method, and also connected to the system board with a cable; At least two photodiodes are placed on the motherboard, while the outer case for the control module is made of transparent material that transmits light, either entirely or only in those areas where the photodiodes are located, and in the outer case itself for the control module they build in the motherboard and battery. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный фотодиод устанавливают рядом с IMU-сенсором на запястье.2. The method according to p. 1, characterized in that the additional photodiode is installed near the IMU-sensor on the wrist. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что дополнительный фотодиод располагают вместе с IMU-сенсором в плечевом модуле.3. The method according to p. 2, characterized in that the additional photodiode is placed together with the IMU-sensor in the shoulder module. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что посредством фотодиодов регистрируют световые сигналы, посылаемые парой специальных внешних световых излучателей, установленных стационарно, неподвижно и отдельно от описываемого контроллера, по разные стороны от него.4. The method according to p. 1, characterized in that by means of photodiodes register light signals sent by a pair of special external light emitters installed stationary, stationary and separate from the described controller, on opposite sides of it. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что излучатели выполняют таким образом, что они генерируют световые импульсы определенной длины, формы и направления через определенные промежутки времени.5. The method according to p. 4, characterized in that the emitters are performed in such a way that they generate light pulses of a certain length, shape and direction at certain intervals of time. 6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что свет от излучателей испускают как в видимом, так и в инфракрасном либо ультрафиолетовом диапазонах.6. The method according to p. 4, characterized in that the light from the emitters emit both in the visible and in the infrared or ultraviolet. 7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что посредством одного излучателя генерируют набор коротких импульсов света, а затем генерируют узкую полосу лазером, установленным на поворотном механизме, вращающемся в горизонтальной плоскости, а посредством другого излучателя параллельно, но в другие временные интервалы, генерируют такие же импульсы, но в вертикальной плоскости.7. The method according to p. 4, characterized in that by means of a single emitter, a set of short light pulses is generated, and then a narrow band is generated by a laser mounted on a turning mechanism rotating in a horizontal plane, and by means of another emitter in parallel, but at different time intervals, generate the same pulses, but in a vertical plane. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что данные о временных интервалах, последовательности световых импульсов, форме и характере импульсов, которые известны по параметрическим данным излучателей, сопоставляют с полученными через драйвер внешнего устройства: временем регистрации фотодиодами различных импульсов света, посредством чего вычисляют их координаты относительно излучателей в пространстве, затем эти данные используют для корректировки абсолютной позиции руки в пространстве, вычисленной с помощью IMU-сенсоров, и устраняют накопленную погрешность.8. The method according to p. 7, characterized in that the data on the time intervals, the sequence of light pulses, the shape and nature of the pulses, which are known from the parametric data of the emitters, are compared with those obtained through the external device driver: the registration time of the photodiodes of various light pulses calculate their coordinates relative to the emitters in space, then these data are used to adjust the absolute position of the hand in space, calculated using IMU sensors, and eliminate the accumulation hydrochloric error. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на плечевом суставе дополнительно закрепляют плечевой модуль с IMU-сенсором, который подсоединяют к системной плате с помощью кабеля через разъем совмещенного модуля либо беспроводным способом.9. The method according to p. 1, characterized in that the shoulder joint additionally secure the shoulder module with an IMU-sensor, which is connected to the system board with a cable through the connector of the combined module or wirelessly. 10. Способ изготовления перчатки виртуальной реальности, использующий датчики, которые располагают на пальцах перчатки, причем датчики подключают к системной плате, отличающийся тем, что в качестве датчиков используют сенсоры IMU, которые устанавливают на пальцы перчатки, причем на указательный, средний, безымянный пальцы и мизинец устанавливают по одному датчику в области предпоследней фаланги пальца с внешней стороны ладони; на большой палец устанавливают два датчика - на первую и на вторую фалангу с внешней стороны; дополнительно IMU-сенсоры устанавливают на кисть руки; IMU-сенсоры с помощью кабеля подключают к системной плате; дополнительно на внутренней стороне ладони на предпоследней фаланге каждого пальца размещают вибрационные моторы, которые крепят аналогичным IMU-сенсорам способом, и также с помощью кабеля подключают к системной плате; на системную плату размещают по меньшей мере два световых или инфракрасных светодиода, при этом внешний корпус для модуля управления изготавливают из прозрачного материала, пропускающего свет, либо целиком, либо лишь в тех участках, где расположены светодиоды, а в сам внешний корпус для модуля управления встраивают системную плату и аккумулятор.10. A method of making virtual reality gloves using sensors that have gloves on fingers, and sensors are connected to a motherboard, characterized in that sensors of IMU are used as sensors, which are mounted on fingers of gloves, and on index, middle, ring fingers and the little finger is installed on one sensor in the area of the penultimate phalanx of the finger on the outside of the palm; two sensors are placed on the thumb - on the first and second phalanx from the outside; in addition IMU-sensors are installed on the hand; IMU-sensors with a cable connected to the motherboard; additionally, on the inside of the palm, on the penultimate phalanx of each finger, vibration motors are placed, which are fixed in the same IMU-sensor method, and also connected to the system board with a cable; At least two light or infrared LEDs are placed on the motherboard, while the outer case for the control module is made of transparent material that transmits light, either entirely or only in those areas where the LEDs are located, and in the outer case itself for the control module they embed motherboard and battery. 11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что используют по меньшей мере две видеокамеры, от которых на внешнее устройство управления получают доступ к изображению с камер; на формируемых с камер изображениях находят позицию светодиодов и затем, используя данные о взаимном расположении камер, о линейном расстоянии между светодиодами и о получившемся размере и искажении (повороте/сжатии) изображения светодиодов вычисляют абсолютную позицию светодиодов в пространстве, после чего эти данные используют для корректировки абсолютной позиции руки в пространстве, вычисленной с помощью IMU-сенсоров, и устраняют накопленную погрешность.11. The method according to p. 10, characterized in that use at least two video cameras, from which the external control device accesses the image from the cameras; on the images generated from the cameras, they find the position of the LEDs and then, using the relative position of the cameras, the linear distance between the LEDs and the resulting size and distortion (rotation / compression) of the LED images, calculate the absolute position of the LEDs in space, after which these data are used to correct absolute position of the hand in space, calculated using IMU-sensors, and eliminate the accumulated error.
RU2017137724A 2017-10-27 2017-10-27 Method of manufacturing virtual reality gloves (options) RU2670649C9 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017137724A RU2670649C9 (en) 2017-10-27 2017-10-27 Method of manufacturing virtual reality gloves (options)
PCT/RU2018/000631 WO2019083406A1 (en) 2017-10-27 2018-09-28 Method of producing a virtual reality glove (embodiments)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017137724A RU2670649C9 (en) 2017-10-27 2017-10-27 Method of manufacturing virtual reality gloves (options)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2670649C1 true RU2670649C1 (en) 2018-10-24
RU2670649C9 RU2670649C9 (en) 2018-12-11

Family

ID=63923364

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017137724A RU2670649C9 (en) 2017-10-27 2017-10-27 Method of manufacturing virtual reality gloves (options)

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2670649C9 (en)
WO (1) WO2019083406A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111722698A (en) * 2019-03-18 2020-09-29 深圳市掌网科技股份有限公司 Force feedback virtual reality handle

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113467599B (en) * 2020-03-31 2024-05-17 京东科技信息技术有限公司 Method and device for resolving flexibility between fingers and palms and data glove
CN113370272B (en) * 2021-05-27 2022-12-13 西安交通大学 Pose monitoring system and method of multi-segment continuum robot

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010085476A1 (en) * 2009-01-20 2010-07-29 Northeastern University Multi-user smartglove for virtual environment-based rehabilitation
US20140098018A1 (en) * 2012-10-04 2014-04-10 Microsoft Corporation Wearable sensor for tracking articulated body-parts
US9526443B1 (en) * 2013-01-19 2016-12-27 Bertec Corporation Force and/or motion measurement system and a method of testing a subject
RU2617922C2 (en) * 2011-09-29 2017-04-28 Еадс Дойчланд Гмбх Sensor glove and method of generating tactile response to sensor glove finger while interacting finger with infrared touch screen
US20170146659A1 (en) * 2014-06-12 2017-05-25 Terabee S.A.S. Dynamic Tracking System and Automatic Guidance Method Based on 3D Time-of-Flight Cameras
US20170185737A1 (en) * 2014-09-12 2017-06-29 Gregory T. Kovacs Physical examination method and apparatus

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3234742A4 (en) * 2014-12-16 2018-08-08 Quan Xiao Methods and apparatus for high intuitive human-computer interface

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010085476A1 (en) * 2009-01-20 2010-07-29 Northeastern University Multi-user smartglove for virtual environment-based rehabilitation
RU2617922C2 (en) * 2011-09-29 2017-04-28 Еадс Дойчланд Гмбх Sensor glove and method of generating tactile response to sensor glove finger while interacting finger with infrared touch screen
US20140098018A1 (en) * 2012-10-04 2014-04-10 Microsoft Corporation Wearable sensor for tracking articulated body-parts
US9526443B1 (en) * 2013-01-19 2016-12-27 Bertec Corporation Force and/or motion measurement system and a method of testing a subject
US20170146659A1 (en) * 2014-06-12 2017-05-25 Terabee S.A.S. Dynamic Tracking System and Automatic Guidance Method Based on 3D Time-of-Flight Cameras
US20170185737A1 (en) * 2014-09-12 2017-06-29 Gregory T. Kovacs Physical examination method and apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111722698A (en) * 2019-03-18 2020-09-29 深圳市掌网科技股份有限公司 Force feedback virtual reality handle

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019083406A1 (en) 2019-05-02
RU2670649C9 (en) 2018-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101666096B1 (en) System and method for enhanced gesture-based interaction
RU187548U1 (en) VIRTUAL REALITY GLOVE
RU179301U1 (en) VIRTUAL REALITY GLOVE
US10534431B2 (en) Tracking finger movements to generate inputs for computer systems
US10775946B2 (en) Universal handheld controller of a computer system
US10976863B1 (en) Calibration of inertial measurement units in alignment with a skeleton model to control a computer system based on determination of orientation of an inertial measurement unit from an image of a portion of a user
JP2010108500A (en) User interface device for wearable computing environmental base, and method therefor
RU2670649C1 (en) Method of manufacturing virtual reality gloves (options)
US11054923B2 (en) Automatic switching between different modes of tracking user motions to control computer applications
US11237632B2 (en) Ring device having an antenna, a touch pad, and/or a charging pad to control a computing device based on user motions
JP7428436B2 (en) Proxy controller suit with arbitrary dual range kinematics
US20230142242A1 (en) Device for Intuitive Dexterous Touch and Feel Interaction in Virtual Worlds
Kao et al. Novel digital glove design for virtual reality applications
RU176318U1 (en) VIRTUAL REALITY GLOVE
RU2673406C1 (en) Method of manufacturing virtual reality glove
JP6932267B2 (en) Controller device
RU186397U1 (en) VIRTUAL REALITY GLOVE
WO2019083405A1 (en) Virtual reality glove
US20210318759A1 (en) Input device to control a computing device with a touch pad having a curved surface configured to sense touch input
RU176660U1 (en) VIRTUAL REALITY GLOVE
US11847267B2 (en) Input device tracking systems
CN115674167A (en) Wearable equipment combining arm and waist to control combat robot
WO2014171909A1 (en) Gesture-aided control device
Nguyen 3DTouch: Towards a Wearable 3D Input Device for 3D Applications
KR20160101598A (en) Fingers tapping interface

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification