CN102156540A - 带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统及其交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统及其交互方法，属于人机交互领域。该交互系统包括运动测量模块(1)、数据收发处理模块(2)和上位计算机(3)，所述运动测量模块(1)是由佩带在人体四肢和躯干上的五个子测量模块组成，运动测量模块(1)用于获取人体肢体的空间位置，每个子测量模块均与数据收发处理模块(2)无线连接，数据收发处理模块(2)通过USB口连接上位计算机(3)，上位计算机(3)通过配套软件实现人机互动。本发明通过获取人体的三维动作特征进行人机交互，并以振动触觉反馈作为交互提示信息，实现了更自然、更丰富的人机交互功能。

Description

带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统及其交互方法

技术领域

本发明涉及一种人机交互系统，尤其涉及一种带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统及其交互方法，属于人机交互领域。

背景技术

人机交互技术是通过相关的输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。随着计算机硬件技术和软件技术的发展，人机交互也趋于多样化发展。在输出设备方面，有传统的视觉和听觉方式；在输入设备方面，已经从传统的键盘和鼠标发展为多种多样的形式。最近新兴的力触觉技术，其可让人们借助力觉与计算机环境中的虚拟物体进行交互。

在人机交互应用最为典型的游戏领域中，基于人体姿态的体感交互技术越来越受到关注。目前，常用的人机交互设备主要有鼠标、触摸屏等，其是由手部的运动、手指的敲击来进行信息确认、数据输入等操作，但是鼠标和触摸屏只能感知手掌在平面内的运动信息，无法对空间内肢体的运动信息进行感应，即无法完成更丰富、更自然的人机动作交互以及直接的动作信息反馈。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，而提出一种带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统及其交互方法。

该交互系统的结构包括运动测量模块、数据收发处理模块和上位计算机，其中：运动测量模块是由五个子测量模块组成，每个子测量模块均与数据收发处理模块无线连接，数据收发处理模块连接上位计算机。

所述每个子测量模块均包括加速度传感器、第一无线射频模块、电动振子、单片机、陀螺仪和电源，其中：加速度传感器和第一无线射频模块均通过SPI总线与单片机连接，单片机分别连接电动振子和陀螺仪，电源采用锂电池供电。

所述数据收发处理模块是由USB控制芯片连接第二无线射频模块构成，USB控制芯片连接上位计算机。

上述交互系统的交互方法流程为：

将运动测量模块中的五个子测量模块分别佩带在人体的四肢和躯干上，每个子测量模块分别获取相应肢体的空间位置信息及水平偏角，并定时将所获信息通过第一无线射频模块发送至数据收发处理模块，数据收发处理模块将收到的信息预处理后传输给上位计算机，上位计算机通过配套软件对接受数据做进一步处理；在发送完一组数据后，数据收发处理模块接受上位计算机反馈来的振动信号，五个子测量模块无线扫描数据收发处理模块得到该振动信号，然后控制相应的电动振子进行振动，完成交互过程。

技术效果：

本发明可获取人体的三维动作特征，即通过获取测量模块所在肢体的空间位置来进行人机交互，并以振动触觉反馈作为交互提示信息，系统结构简单，使用方便，实现了更自然、更丰富的人机交互功能。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图，图中标号名称：1、运动测量模块；2、数据收发处理模块；3、上位计算机。

图2为子测量模块的结构示意图，图中标号名称：5、加速度传感器；7、第一无线射频模块；8、SPI总线；9、电动振子；10、单片机；11、电源；12、陀螺仪。

图3为数据收发处理模块的结构示意图，图中标号名称：13、USB控制芯片；14、第二无线射频模块；15、USB接口。

图4为子测量模块的测量工作流程图。

图5为数据收发处理模块的信息中转流程图。

图6为计算机配套软件的数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的系统结构如图1所示，包括运动测量模块1、数据收发处理模块2和上位计算机3，其中：运动测量模块1与数据收发处理模块2之间无线连接，数据收发处理模块2连接上位计算机3。所述运动测量模块1是由佩带在人体四肢和躯干上的五个子测量模块组成，每个子测量模块均与数据收发处理模块2无线连接。在实际应用中，子测量模块的数量和位置可根据需要进行调整。

子测量模块的结构如图2所示。每个子测量模块结构相同，均包括加速度传感器5、第一无线射频模块7、电动振子9、单片机10、陀螺仪12和电源11，其中：加速度传感器5和第一无线射频模块7均通过SPI总线8与单片机10连接，单片机10连接电动振子9，陀螺仪12连接单片机10的模数转换器，电源11采用锂电池为子测量模块供电。单片机10通过SPI总线8读取加速度传感器5采样的加速度信息，单片机10通过模数转换器采样陀螺仪12的水平偏角，这些信息被定时通过无线射频模块7发送至数据收发处理模块2，再由数据收发处理模块2传输给计算机3进行处理。在发送完一组数据后，数据收发处理模块2接受计算机3反馈来的振动信号，单片机10无线扫描数据收发处理模块2得到该振动信号，然后输出PWM波控制相应的电动振子9以特定的频率和强度进行振动，完成交互过程。在实施例中，加速度传感器5采用三轴数字加速度传感器ADXL345，陀螺仪12采用偏航角度陀螺仪ADXRS652，无线射频芯片采用nRF24L01，单片机10采用ATmega88，电源11采用300mA锂电池。子测量模块的测量工作流程如图4所示。

五个子测量模块佩带在人体的四肢和躯干上，以右手臂为例，测量模块佩带于右手臂肘关节外侧，根据重力在加速度传感器坐标系三轴上的分量，计算出传感器坐标系与自然坐标系的三个夹角，进而得到手臂平面与自然坐标系的夹角，根据上述三个夹角以及传感器到肩膀的固定位置，即可计算出传感器所在手臂的空间位置。

传感器坐标系与自然坐标系的三个夹角的计算方法为：

$\∠1={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{A_x^2+A_y^2}}{A_z}\right)$ $\∠2={\tan }^{-1}\left(\frac{A_x}{\sqrt{A_y^2+A_z^2}}\right)$ $\∠3={\tan }^{-1}\left(\frac{A_y}{\sqrt{A_x^2+A_z^2}}\right)$

式中：∠1为传感器坐标系Z轴与自然坐标系Z轴的夹角；∠2为传感器坐标系X轴与自然坐标系X轴的夹角；∠3为传感器坐标系Y轴与自然坐标系Y轴的夹角；A_x为传感器坐标系X轴加速度分量；A_y为传感器坐标系Y轴加速度分量；A_z为传感器坐标系Z轴加速度分量。

数据收发处理模块2的结构如图3所示，其是由USB控制芯片13连接第二无线射频模块14构成，USB控制芯片13采用CY7C68013a，USB控制芯片13通过USB接口15连接上位计算机3。USB控制芯片13利用无线射频模块14接受五个子测量模块传来的测量信息，并将该信息处理分类和数据帧格式转换后通过USB口传输给计算机3，计算机3通过配套的软件对接受数据进行处理，实现人机交互功能。数据收发处理模块2的信息中转流程如图5所示，计算机软件的数据处理流程如图6所示。

Claims (6)

1.一种带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统，其特征在于：

该系统的结构包括运动测量模块(1)、数据收发处理模块(2)和上位计算机(3)，其中：运动测量模块(1)与数据收发处理模块(2)之间无线连接，数据收发处理模块(2)连接上位计算机(3)。

2.根据权利要求1所述的带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统，其特征在于：所述运动测量模块(1)是由五个子测量模块组成，每个子测量模块均与数据收发处理模块(2)无线连接。

3.根据权利要求2所述的带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统，其特征在于：

所述每个子测量模块均包括加速度传感器(5)、第一无线射频模块(7)、电动振子(9)、单片机(10)、陀螺仪(12)和电源(11)，其中：加速度传感器(5)和第一无线射频模块(7)均通过SPI总线(8)与单片机(10)连接，单片机(10)分别连接电动振子(9)和陀螺仪(12)，电源(11)采用锂电池供电。

4.根据权利要求1所述的带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统，其特征在于：所述数据收发处理模块(2)是由USB控制芯片(13)连接第二无线射频模块(14)构成，USB控制芯片(13)连接上位计算机(3)。

5.一种基于权利要求1所述的带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统的交互方法，其特征在于包括如下流程：

将运动测量模块(1)中的五个子测量模块分别佩带在人体的四肢和躯干上，每个子测量模块分别获取相应肢体的空间位置信息及水平偏角，并定时将所获信息通过第一无线射频模块(7)发送至数据收发处理模块(2)，数据收发处理模块(2)将收到的信息预处理后传输给上位计算机(3)，上位计算机(3)通过配套软件对接受数据做进一步处理；

在发送完一组数据后，数据收发处理模块(2)接受上位计算机(3)反馈来的振动信号，子测量模块无线扫描数据收发处理模块(2)得到该振动信号，然后控制相应的电动振子(9)进行振动，完成交互过程。

6.根据权利要求5所述的带振动触觉反馈的三维体感人机交互系统的交互方法，其特征在于：所述空间位置信息的获取方法为：

根据重力在加速度传感器坐标系三轴上的分量，计算出传感器坐标系与自然坐标系的三个夹角，进而得到传感器所在肢体平面与自然坐标系的夹角，根据上述三个夹角以及传感器到肩膀的固定位置，即可计算出传感器所在肢体的空间位置。

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