CN106371604B - 交互控制手套、虚拟现实系统及其应用方法 - Google Patents

交互控制手套、虚拟现实系统及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及交互控制手套、虚拟现实系统及其应用方法。当用户在虚拟世界中将要触碰到虚拟物体时，控制器依据该虚拟物体的形态信息驱动直线输出轴移动来控制手指的允许弯曲度，直线输出轴的抵接端与手指内侧相抵接，手指在弯曲时感到阻力，如同在现实中触摸物体一般，提高虚拟现实的逼真度和沉浸度。当手指触碰触觉传感器时，虚拟现实终端接收触碰信号并生成在触碰虚拟物体后的虚拟手部与虚拟物体的形态信息，通过头戴显示器同步显示虚拟手部与虚拟物体，真正追踪用户的手部动作，在虚拟世界提供更好的交互行为，革新虚拟现实系统的操作方式。

Description

交互控制手套、虚拟现实系统及其应用方法
技术领域
本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及用于虚拟现实系统中增强交互感与沉浸感的交互控制手套、虚拟现实系统及其应用方法。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality)是正在高速发展的新技术，其基本原理是利用电脑或手机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，使用户身临其境，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。当用户进行位置移动时，电脑可以进行复杂的运算，将精确的三维世界的数据回传给用户，使用户获得强烈的沉浸感。
对于获得良好用户体验，虚拟世界的交互控制技术尤为重要。为了提高用户的交互，识别设备需要精确地识别到用户的肢体运动并且提供触碰感反馈。目前市面上无论是Oculars VR、HTC VIVE，还是PlayStation VR，目前主流的虚拟现实设备通常提供一个用于模拟3D的头戴显示器及简单的控制手柄，并没有真正追踪用户的手部动作，也没有提供虚拟世界的触碰感、压感等，交互感与沉浸感欠佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种，旨在解决现有虚拟现实设备只通过简单控制手柄操作及没有提供虚拟世界的触碰感引起沉浸感欠佳的技术问题。
本发明是这样实现的，交互控制手套，包括：
手部穿戴件；
安装于所述手部穿戴件上的安装架；
安装于所述安装架上且具有直线输出轴的直线驱动组件，所述直线输出轴的末端为抵接端；以及
用于依据一虚拟物体的形态信息驱动所述直线输出轴移动的控制器，以使所述手部穿戴件穿戴于人手上时，所述抵接端与手指内侧相抵接而使所述手指产生与所述虚拟物体对应的触碰感。
本发明相对于现有技术的技术效果是，交互控制手套使用在虚拟现实系统中，与用于生成虚拟世界的虚拟现实终端通讯连接。用户将手部穿戴件穿戴于手部后，安装于安装架的直线驱动组件位于手掌内侧。
当用户在虚拟世界中将要触碰到虚拟物体时，控制器依据该虚拟物体的形态信息驱动直线输出轴移动来控制手指的允许弯曲度，直线输出轴的抵接端与手指内侧相抵接，手指在弯曲时感到阻力，如同在现实中触摸物体一般，提高虚拟现实的逼真度和沉浸度。
本发明的另一目的在于提供一种虚拟现实系统，包括：
交互控制手套；
虚拟现实终端，用于生成在触碰虚拟物体前的虚拟手部与虚拟物体的形态信息并将所述虚拟物体的形态信息传输至所述控制器，以及，用于接收所述触碰信号并依据所述触碰信号生成在触碰虚拟物体后的所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息；以及
头戴显示器，用于实时接收所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息并同步显示所述虚拟手部与所述虚拟物体。
本发明的另一目的在于提供一种虚拟现实系统的应用方法，包括：
所述虚拟现实终端生成在触碰虚拟物体前的所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息；
于将要触碰所述虚拟物体时，所述虚拟现实终端将在触碰所述虚拟物体前的所述虚拟物体的形态信息传输至所述控制器；
所述控制器依据所述虚拟物体的形态信息驱动所述直线输出轴移动，以使所述抵接端与手指内侧相抵接且所述手指产生与所述虚拟物体对应的触碰感；
于所述触觉传感器获取手指的触碰信号时，所述触碰信号通过所述控制器传输至所述虚拟现实终端，所述虚拟现实终端依据所述触碰信号生成在触碰虚拟物体后的所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息；
所述头戴显示器实时接收所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息并同步显示所述虚拟手部与所述虚拟物体。
本发明相对于现有技术的技术效果是，虚拟现实终端生成在触碰虚拟物体前的虚拟手部与虚拟物体的形态信息。头戴显示器实时接收虚拟现实终端的信息并同步显示虚拟手部与虚拟物体。
当用户在虚拟世界中将要触碰到虚拟物体时，控制器依据该虚拟物体的形态信息驱动直线输出轴移动来控制手指的允许弯曲度，直线输出轴的抵接端与手指内侧相抵接，手指在弯曲时感到阻力，如同在现实中触摸物体一般，提高虚拟现实的逼真度和沉浸度。
当手指触碰触觉传感器时，虚拟现实终端接收触碰信号并生成在触碰虚拟物体后的虚拟手部与虚拟物体的形态信息，通过头戴显示器同步显示虚拟手部与虚拟物体，真正追踪用户的手部动作，在虚拟世界提供更好的交互行为，革新虚拟现实系统的操作方式。
附图说明
图1是本发明实施例提供的交互控制手套的立体装配图；
图2是图1的交互控制手套的另一角度的立体装配图；
图3是图1的交互控制手套的另一角度的立体装配图；
图4是图1的交互控制手套的立体装配图，其中手部穿戴件与连接件未示；
图5是图4的交互控制手套的主视图；
图6是图5的交互控制手套的左侧透视图；
图7是图1的交互控制手套中应用的手部穿戴件与连接件的装配示意图；
图8是手部与交互控制手套的示意图，挡板、手部穿戴件与连接件未示；
图9是对应于图8的在虚拟现实系统中虚拟手部与虚拟物体交互的虚拟现实图；
图10是图8的手部与交互控制手套的另一角度的示意图；
图11是对应于图9的在虚拟现实系统中虚拟手部与虚拟物体交互的虚拟现实图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1至图5、图8、图9，本发明实施例提供的交互控制手套100，包括手部穿戴件10；安装于手部穿戴件10上的安装架20；安装于安装架20上且具有直线输出轴31的直线驱动组件30，直线输出轴31的末端为抵接端311；以及用于依据一虚拟物体201的形态信息驱动直线输出轴31移动的控制器40，以使手部穿戴件10穿戴于人手上时，抵接端311与手指内侧相抵接而使手指产生与虚拟物体201对应的触碰感。
交互控制手套100使用在虚拟现实系统中，与用于生成虚拟世界的虚拟现实终端通讯连接。用户将手部穿戴件10穿戴于手部后，安装于安装架20的直线驱动组件30位于手掌内侧。
当用户在虚拟世界中将要触碰到虚拟物体201时，控制器40依据该虚拟物体201的形态信息驱动直线输出轴31移动来控制手指的允许弯曲度，直线输出轴31的抵接端311与手指内侧相抵接，手指在弯曲时感到阻力，如同在现实中触摸物体一般，提高虚拟现实的逼真度和沉浸度。
请同时参阅图7，手部穿戴件10为手套，可穿戴于手部。手部穿戴件10包括呈扁平环状且供手穿过的带状部11及设于带状部11上的定位带12。定位带12的两端分别连接于带状部11相对两侧的大致中间位置处，可卡设于中指与无名指之间，实现手部穿戴件10的定位。可以理解地，手部穿戴件还可以为其它形状结构。安装架20大致呈长方体状，设于手部穿戴件10上。安装架20位于手部穿戴件10一侧，并且当手部穿戴件10穿戴于人手上时，安装架20位于手掌内侧，手指弯曲时会触碰到安装于安装架20上的直线输出轴31的抵接端311。
控制器40用于将一虚拟物体201的形态信息转化为直线输出轴31的位移。控制器40可以为计算机处理器、数字信号处理器、微处理器、现场可编程门阵列FPGA或其它现有的控制器所组成的控制电路。控制器40具有I/O端口，与直线驱动组件30电连接，对直线驱动组件30进行控制。具体地，控制器40安装于安装架20上。
进一步地，手部穿戴件10与安装架20相间隔设置，手部穿戴件10与安装架20之间设置有连接件13，并且安装架20通过连接件13固定于手部穿戴件10，安装架20位于手掌内侧。具体地，连接件13呈片状。两个连接件13设于手部穿戴件10的两侧部，并与安装架20相连接。
进一步地，抵接端311设有用于与手指内侧相抵接的弧形支承部312。弧形支承部312具有与手指的轮廓相适配的曲面，便于手指按压，用户体验好。弧形支承部312可以一体成型或组装于直线输出轴31的抵接端311。
进一步地，直线驱动组件30的数量为四，四个直线驱动组件30的直线输出轴31的轴线相互平行，四个直线输出轴31的抵接端311分别与食指、中指、无名指、尾指相对应。四个直线输出轴31的抵接端311的初始位置预先设置。配置四个直线驱动组件30，来控制手指的允许弯曲度，直线输出轴31的抵接端311与手指内侧相抵接，手指在弯曲时感到阻力，从而体验到对应于虚拟物体201的触碰感，用户体验更好。可以理解地，只采用至少一个直线输出轴31也是可行的。还有，直线输出轴31的轴线还可以不平行，各个轴线稍微错开也是可行的。
进一步地，每相邻两个直线输出轴31之间设有用于分隔手指的挡板21，挡板21安装于安装架20上。挡板21的作用是将用户的手指隔开，在手指弯曲时不会错误触碰到旁边直线输出轴31的抵接端311。当用户戴上头戴显示器时，无法看到真实的手部的状态，而且不希望在手指处绑定直线输出轴31限制手指的感觉，因此在手指间设置挡板21，当用户在虚拟世界中触摸虚拟物体201时可以触碰到对应的抵接端311，从而获得更好的用户体验。为了安全问题，挡板21可以是塑胶材质，边缘需要做磨砂处理。具体地，挡板21的数量为五，相邻两个挡板21之间形成一容纳空间，从而形成四个容纳空间，对应四个直线输出轴31。挡板21设置于安装架20的上侧及前侧，结构稳定。
进一步地，请同时参阅图6，安装架20具有沿直线输出轴31的方向延伸的滑轨22，直线驱动组件30包括安装于安装架20上且与控制器40电连接的转动驱动件32、由转动驱动件32驱动转动的转动轴33及滑动安装于滑轨22且与转动轴33螺纹传动配合的滑块34，直线输出轴31固定于滑块34上。该方案容易装配与控制。当用户在虚拟世界中，手触碰到虚拟物体201时，控制器40依据虚拟物体201的形态信息转换为各个转动驱动件32的控制信号，转动驱动件32接收控制信号工作，转动驱动件32的转动轴33转动至预定角度，转动轴33与转动轴33螺纹传动配合，让滑块34移动至预定位置，即调节直线输出轴31的输出位移，为抵接端311提供阻力以及设定手指可弯曲度，手指在弯曲时感到阻力，使用户手指弯曲到一定程度之后便不能再弯曲，从而体验到对应于虚拟物体201的触碰感。存在控制信号时，直线输出轴31的伸出长度固定而不可由用户随意调节。在没有控制信号，即用户在虚拟世界中没有触碰虚拟物体201时，直线输出轴31的伸出长度可以随用户手指的压缩调节。具体地，转动驱动件32为步进电机，便于精确输出转角。可以理解地，直线驱动组件30还可以为液压缸、气缸或其它直线驱动组件，具体按需选用。
进一步地，手部穿戴件10、连接件13、安装架20、直线输出轴31与弧形支承部312均采用3D打印机打印加工，该方案容易加工。
进一步地，控制器40电连接有用于与一虚拟现实终端通讯的无线传输模块(图未示)。无线传输模块用于接收虚拟现实终端关于虚拟物体201的形态信息。在配置有下述的触觉传感器50时，无线传输模块还用于反馈触觉传感器50的触碰信号到虚拟现实终端。无线传输模块可以为WIFI无线传输模块、蓝牙无线传输模块或者其它现有无线传输模块，具体按需选用。可以理解地，控制器40与虚拟现实终端之间还可以为有线连接。
进一步地，抵接端311设有与控制器40电连接且用于获取手指的触碰信号的触觉传感器50。触觉传感器50接收手指触碰信号并将其传输至控制器40，再由控制器40传输到虚拟现实终端中，以反馈用户的手部信息。触觉传感器50可以为电容式压力传感器或其它现有的触觉传感器。电容式压力传感器只有手指触碰到以及没有触碰两个状态。优选地，触觉传感器50安装于弧形支承部312上，便于手指按压。
以用户触碰一个圆柱状虚拟物体201为例进行说明，其它形状的虚拟物体(如杯子或武器)是类似的。现实中在触碰类似的圆柱状物体时，会在其表面感受到阻力而不能再弯曲手指，同时也会反馈给人一种已经握住该物体的感知。交互控制手套100也要达到类似的效果。当用户在虚拟世界中触碰或者拿起一个圆柱状虚拟物体201时，虚拟现实终端将该虚拟物体201的形态信息传输至控制器40。控制器40接收并分析虚拟物体201的形态信息，将其转化为直线输出轴31的伸出长度并生成对应的电信号给直线驱动组件30，使得直线输出轴31伸长至如图8所示的长度，此时头戴显示器显示图9所示画面。而用户在手指弯曲到对应的抵接端311时，会感受到直线输出轴31的压力，因此用户便知已经握住虚拟世界中的虚拟物体201。同时，该触碰信息由触觉传感器50获取，通过控制器40反馈到虚拟现实终端中，就可以在虚拟世界中显示出用户手部已经触碰或者拿起虚拟物体201的效果。通过图10与图11的对比可知，用户手部弯曲到圆柱状物虚拟物体201的表面处时，因触碰到现实中的抵接端311，感知到压力而不能继续弯曲，与人们在现实生活中握住圆柱状物体的体验相似，可以大大提高用户在虚拟世界的沉浸度。还有，当手部指离开触觉传感器50时，可以在虚拟世界中显示虚拟手部202放开虚拟物体201的效果。
可以理解地，交互控制手套100还可以用于对虚拟物体201的柔软性进行模拟，在用户手指抓取虚拟物体201时，直线驱动组件30依据虚拟物体201的柔软性移动，来控制手指的允许弯曲速度，直线输出轴31的抵接端311与手指内侧相抵接，抵接端311在直线驱动组件30的控制下不断移动，使抵持在抵接端311上的手指产生类似柔软的触感，如同在现实中触摸物体一般，提高虚拟现实的逼真度和沉浸度。
进一步地，触觉传感器50还用于被触碰时在一虚拟现实终端中运行上移动指令、下移动指令或确定指令。触觉传感器50在虚拟现实终端提供操控的作用，增加虚拟现实系统中用户的控制方式。在虚拟现实终端中做一些功能选择，比如无名指触碰和中指触碰代表上下移动，食指触碰代表确定，从而提供更多操作的可能性，触觉传感器50的具体指令按需配置。
请参阅图8至图11，本发明实施例提供的虚拟现实系统，包括上述交互控制手套100；虚拟现实终端(图未示)，用于生成在触碰虚拟物体201前的虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息并将虚拟物体201的形态信息传输至控制器40，以及，用于接收触碰信号并依据触碰信号生成在触碰虚拟物体201后的虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息；以及头戴显示器(图未示)，用于实时接收虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息并同步显示虚拟手部202与虚拟物体201。
虚拟现实终端生成在触碰虚拟物体201前的虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息。头戴显示器实时接收虚拟现实终端的信息并同步显示虚拟手部202与虚拟物体201。
当用户在虚拟世界中将要触碰到虚拟物体201时，控制器40依据该虚拟物体201的形态信息驱动直线输出轴31移动来控制手指的允许弯曲度，直线输出轴31的抵接端311与手指内侧相抵接，手指在弯曲时感到阻力，如同在现实中触摸物体一般，提高虚拟现实的逼真度和沉浸度。
当手指触碰触觉传感器50时，虚拟现实终端接收触碰信号并生成在触碰虚拟物体201后的虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息，通过头戴显示器同步显示虚拟手部202与虚拟物体201，真正追踪用户的手部动作，在虚拟世界提供更好的交互行为，革新虚拟现实系统的操作方式。
虚拟手部202是在头戴显示器显示的用户手部的虚拟图像，便于与虚拟物体201交换。虚拟手部202的形态信息是指虚拟手部202的手势和姿势，比如抓取或放开虚拟物体201。
虚拟现实终端通过现有追踪装置(图未示)追踪用户手指的移动。追踪装置将用户手指移动信号传输至虚拟现实终端，虚拟现实终端生成虚拟手部202的形态信息，头戴显示器实时接收虚拟手部202的形态信息并同步显示虚拟手部202，头戴显示器显示的虚拟手部202动作与用户手指移动完美同步。追踪装置可以是三维摄像模块或其它现有追踪装置。比如Leap Motion控制器，能追踪全部十只手指移动，精度高达1/100毫米，追踪速度超过每秒200帧。
具体情况可参照上述交互控制手套的实施例。
请参阅图8至图11，本发明实施例提供的虚拟现实系统的应用方法，包括：
虚拟现实终端生成在触碰虚拟物体201前的虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息；
于将要触碰虚拟物体201时，虚拟现实终端将在触碰虚拟物体201前的虚拟物体201的形态信息传输至控制器40；
控制器40依据虚拟物体201的形态信息驱动直线输出轴31移动，以使抵接端311与手指内侧相抵接且手指产生与虚拟物体201对应的触碰感；
于触觉传感器50获取手指的触碰信号时，触碰信号通过控制器40传输至虚拟现实终端，虚拟现实终端依据触碰信号生成在触碰虚拟物体201后的虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息；
头戴显示器实时接收虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息并同步显示虚拟手部202与虚拟物体201。
虚拟现实终端生成在触碰虚拟物体201前的虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息。头戴显示器实时接收虚拟现实终端的信息并同步显示虚拟手部202与虚拟物体201。
当用户在虚拟世界中将要触碰到虚拟物体201时，控制器40依据该虚拟物体201的形态信息驱动直线输出轴31移动来控制手指的允许弯曲度，直线输出轴31的抵接端311与手指内侧相抵接，手指在弯曲时感到阻力，如同在现实中触摸物体一般，提高虚拟现实的逼真度和沉浸度。
当手指触碰触觉传感器50时，虚拟现实终端接收触碰信号并生成在触碰虚拟物体201后的虚拟手部202与虚拟物体201的形态信息，通过头戴显示器同步显示虚拟手部202与虚拟物体201，真正追踪用户的手部动作，在虚拟世界提供更好的交互行为，革新虚拟现实系统的操作方式。
具体情况可参照上述交互控制手套的实施例。
进一步地，虚拟物体201的形态信息为虚拟物体201的形状尺寸信息，虚拟现实终端将虚拟物体201的形状尺寸信息传输至控制器40，控制器40将其转换为直线驱动组件30的控制信号以驱动直线输出轴31移动；或者，虚拟物体201的形态信息为与虚拟物体201对应的手指的允许弯曲度，虚拟现实终端将手指的允许弯曲度传输至控制器40，控制器40将其转换为直线驱动组件30的控制信号以驱动直线输出轴31移动。上述两种方案均能让用户手指在弯曲时感到阻力，如同在现实中触摸物体一般。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.交互控制手套，其特征在于，包括：
手部穿戴件；
安装于所述手部穿戴件上的安装架；
安装于所述安装架上且具有直线输出轴的直线驱动组件，所述直线输出轴的末端为与手指内侧抵接的抵接端；当手部穿戴件穿戴于人手上时，安装架位于手掌内侧，直线驱动组件位于手掌内侧；以及
用于依据一虚拟物体的形态信息驱动所述直线输出轴移动的控制器，以使所述手部穿戴件穿戴于人手上时，所述抵接端与手指内侧相抵接而使所述手指产生与所述虚拟物体对应的触碰感。
2.如权利要求1所述的交互控制手套，其特征在于，所述手部穿戴件与所述安装架相间隔设置，所述手部穿戴件与所述安装架之间设置有连接件。
3.如权利要求1所述的交互控制手套，其特征在于，所述抵接端设有用于与所述手指内侧相抵接的弧形支承部。
4.如权利要求1所述的交互控制手套，其特征在于，所述直线驱动组件的数量为四，四个所述直线驱动组件的直线输出轴的轴线相互平行，四个所述直线输出轴的抵接端分别与食指、中指、无名指、尾指相对应。
5.如权利要求4所述的交互控制手套，其特征在于，每相邻两个所述直线输出轴之间设有用于分隔手指的挡板，所述挡板安装于所述安装架上。
6.如权利要求1至5任一项所述的交互控制手套，其特征在于，所述安装架具有沿所述直线输出轴的方向延伸的滑轨，所述直线驱动组件包括安装于所述安装架上且与所述控制器电连接的转动驱动件、由所述转动驱动件驱动转动的转动轴及滑动安装于所述滑轨且与所述转动轴螺纹传动配合的滑块，所述直线输出轴固定于所述滑块上。
7.如权利要求1至5任一项所述的交互控制手套，其特征在于，所述控制器电连接有用于与一虚拟现实终端通讯的无线传输模块。
8.如权利要求1至5任一项所述的交互控制手套，其特征在于，所述抵接端设有与所述控制器电连接且用于获取手指的触碰信号的触觉传感器。
9.如权利要求8所述的交互控制手套，其特征在于，所述触觉传感器还用于被触碰时在一虚拟现实终端中运行上移动指令、下移动指令或确定指令。
10.虚拟现实系统，其特征在于，包括：
如权利要求8或9所述的交互控制手套；
虚拟现实终端，用于生成在触碰虚拟物体前的虚拟手部与虚拟物体的形态信息并将所述虚拟物体的形态信息传输至所述控制器，以及，用于接收所述触碰信号并依据所述触碰信号生成在触碰虚拟物体后的所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息；以及
头戴显示器，用于实时接收所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息并同步显示所述虚拟手部与所述虚拟物体。
11.如权利要求10所述的虚拟现实系统的应用方法，其特征在于，包括：
所述虚拟现实终端生成在触碰虚拟物体前的所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息；
于将要触碰所述虚拟物体时，所述虚拟现实终端将在触碰所述虚拟物体前的所述虚拟物体的形态信息传输至所述控制器；
所述控制器依据所述虚拟物体的形态信息驱动所述直线输出轴移动，以使所述抵接端与手指内侧相抵接且所述手指产生与所述虚拟物体对应的触碰感；
于所述触觉传感器获取手指的触碰信号时，所述触碰信号通过所述控制器传输至所述虚拟现实终端，所述虚拟现实终端依据所述触碰信号生成在触碰虚拟物体后的所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息；
所述头戴显示器实时接收所述虚拟手部与所述虚拟物体的形态信息并同步显示所述虚拟手部与所述虚拟物体。
12.如权利要求11所述的虚拟现实系统的应用方法，其特征在于，所述虚拟物体的形态信息为所述虚拟物体的形状尺寸信息；或者，所述虚拟物体的形态信息为与所述虚拟物体对应的手指的允许弯曲度。
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