CN108549482A - 一种基于ros系统的虚拟现实触觉反馈器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，该反馈器包括控制单元、数模转换单元、电压电流转换单元和阵列式刺激电极手套，该反馈器实现了可变电流刺激控制人手在非自主意识下实现抓握动作并且模拟现实感觉，达到在虚拟现实中对手做出相应的碰撞改变手的动作，在实际中人体手部的动作就会自主的跟随改变。

Description

一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器

技术领域

本发明属于虚拟现实反馈设备领域，特别涉及一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器。

背景技术

ROS系统ROS机器人操作系统的简称是一个机器人软件平台，其能提供一些标准操作系统服务，例如硬件抽象，底层设备控制，常规功能实现，进程间消息以及数据包管理。ROS系统是基于一种图像架构，从而不同节点的进程能接受，发布，聚合各种信息。

虚拟现实技术VR是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的实物。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知和传感设备，让人们在感觉上有真实的效果。近年来随着虚拟现实技术的广泛应用，已将虚拟现实技术应用到人体触觉反馈、感官反馈、康复治疗等领域。例如可以通过设置虚拟现实场景，例如设置一个Unity3D场景，该Unity3D场景中可以通过程序设计虚拟手碰触物体，当手碰物体后，手部姿势发生变化，这样虚拟现实系统就会将手部姿势变化数据打上标记，并通过网口发送给ROS系统，ROS系统接收的数据可以通过反馈器传输给人体。但是现有的虚拟现实技术的反馈集中于物理式反馈比如震动反馈，该反馈方式是作为人操控虚拟中的某种物体，在现实中会有某种相应的震动感觉，该实现方式有的缺点是虚拟中要是有外界物体，不受自己控制，对你自己控制的人物造成撞击或者想使你的手部做出具体动作时往往难以实现，而且现在的虚拟反馈技术都是力的大小反馈没有精确做到对人手动作的精确反馈控制，有的只是模拟手有感觉并没有达到手的运动控制，现在传统的面向物理式压力触觉反馈体积一般较大，移动性较差，体验效果往往不加。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，该反馈器实现了可变电流刺激控制人手在非自主意识下实现抓握动作并且模拟现实感觉，达到在虚拟现实中对手做出相应的碰撞改变手的动作，在实际中人体手部的动作就会给自主的跟随改变。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，该反馈器包括：

控制单元，用于接收ROS系统传输的数据，并进行处理，根据处理结果向数模转换单元发送输出电压的指令；

数模转换单元，用于输出电压；

电压电流转换单元，用于接收数模转换单元输出的电压，并计算出恒定电流发送给阵列式刺激电极手套；

阵列式刺激电极手套，用于供用户穿戴并向用户输出恒定电流。

进一步的改进，所述控制单元包括：

信息接收模块，用于接收ROS系统传输的数据；

场景筛选模块，用于从所述信息接收模块接收的数据中筛选出具有手部场景的数据；

标记识别模块，用于从具有手部场景的数据中筛选出具有标记的数据；

手部姿势判断模块，用于从具有标记的数据中判断手部姿势，并获得手部姿势数据，所述手部姿势数据包括手部运动角度J₁；

电压处理模块，用于根据手部姿势数据与电压的关系，向数模转换单元发送输出电压的指令。

进一步的改进，所述反馈器还包括：

初始电流设置单元，用于分别为每一用户设置最大电流值I_大和最小电流值I_小；

电流检测单元，用于记录电压电流转换单元输出的恒定电流，并发送给控制单元；

紧急控制单元，用于控制恒定电流的输出。

进一步的改进，所述信息接收模块还用于接收电流检测单元传输的恒定电流；

所述控制单元还包括：

比较处理模块，用于对信息接收模块接收的恒定电流与最大电流值I_大进行比较，当超过最大电流值I_大时，向紧急控制单元发送停止恒定电流输出的指令。

进一步的改进，所述比较处理模块包括：

电流差计算子模块，用于计算恒定电流I与最大电流值I_大的差值△I；

差值比对子模块，用于将差值△I与0-kI_大进行比对，当△I≤0，不做处理，当△I≥kI_大，向紧急控制单元发送停止恒定电流输出的指令，当0＜△I＜kI_大，0.01≤k≤0.05，向电压修正子模块发送指令；

电压修正子模块，用于计算修正恒定电流I_x，并将恒定电流的占空比提高100k，根据修正恒定电流计算修正电压，并向数模转换单元发送输出修正电压的指令，I_x＝(1-k)I_大。

进一步的改进，所述控制单元还包括：

匹配判断模块，用于将恒定电流与数模转换单元输出的电压进行匹配，匹配一致不做处理，匹配不一致向紧急控制单元发送停止恒定电流输出的指令。

进一步的改进，所述阵列式刺激电极手套包括手套本体，及设置在所述手套本体上的阵列式刺激电极。

进一步的改进，所述手套本体上还设有位置传感器和角度传感器；所述信息接收模块还用于接收位置传感器采集的手部位置及角度传感器采集的手部运动角度J；所述控制单元还包括：

姿势变化判断模块，用于接收位置传感器采集的手部位置，并判断手部位置是否发送变化，如果未变化，向数模转换单元发送重新输出电压的指令，如果发送变化，向第一计算模块发送指令；

第一计算模块，用于计算实际的角度变化率v,

比对模块，用于将角度变化率与角度变化率阈值v₁进行比对，当v＜v₁，不做处理，当v≥v₁，向第二计算模块发送指令；

第二计算模块，用于计算修正后的电压U_a，并向数模转换单元发送输出修正后的电压的指令，y为阵列式刺激电极手套输出给用户的恒定电流的占空比，R₀是固定电阻。

进一步的改进，所述恒定电流I通过如下公式计算得到：

I＝U₁-U₀/R₀

U₁是输入电压，U₀是固定电阻电压，R₀是固定电阻。

本发明的有益效果，本发明提供的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器是基于虚拟现实中情景触发通过恒流刺激相关肌肉使手掌在非意识的情况下实现姿势的跟随变化，实现虚拟现实中的抓握或者通过该刺激患者手掌使其抓握达到手掌康复训练等目的，并且本发明提供的反馈器基于ROS系统强大的操作能力，优点能够聚合较多的数据使反馈的数据来源更加可靠，实现了人无意识的情况下实现抓握动作，增加了虚拟现实可玩的趣味性，这样该刺激也可用于手部肌肉恢复使不能自主抓握的手通过刺激训练手掌肌肉使其恢复，阵列式刺激电极手套使得反馈装置轻便，增加体验效果，并且体积小携带方便。

附图说明

图1为实施例1一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器的结构框图；

图2为实施例2控制单元的结构框图；

图3为实施例3一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器的结构框图；

图4为实施例3控制单元的结构框图；

图5为实施例4比较处理模块的结构框图；

图6为实施例5控制单元的结构框图；

图7为实施例6控制单元的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，如图1所示，反馈器包括：

控制单元1，用于接收ROS系统传输的数据，并进行处理，根据处理结果向数模转换单元2发送输出电压的指令；

数模转换单元2，用于输出电压；

电压电流转换单元3，用于接收数模转换单元2输出的电压，并计算出恒定电流发送给阵列式刺激电极手套4；所述恒定电流I通过如下公式计算得到：

I＝U₁-U₀/R₀

U₁是输入电压，U₀是固定电阻电压，R₀是固定电阻；

阵列式刺激电极手套4，用于供用户穿戴并向用户输出恒定电流。

本发明提供一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，首先ROS系统通过网口与虚拟现实系统相通讯，ROS系统采集数据进行分析，反馈器作为ROS系统中的一个节点，对虚拟现实的场景进行识别，然后根据反馈器这个节点订阅的话题发送数据，反馈器对接收到数据进行解析处理然后通过数模转换单元可以为多通道DAC转换芯片AD5316生成输出电压，发送到电压电流转换单元产生恒定电流的刺激信号最后到达多通道柔性电机刺激手掌部拇短屈肌，小指短屈肌及蚓状肌从而实现拇指弯曲，小指弯曲和中间三指有触感等感觉。该反馈器基于ROS系统的强大数据功能，聚合较多的且从虚拟现实中收集的数据，使反馈的数据来源更加可靠，实现了人无意识的情况下实现抓握动作，增加了虚拟现实可玩的趣味性，这样该刺激也可用于手部肌肉恢复使不能自主抓握的手通过刺激训练手掌肌肉使其恢复，阵列式刺激电极手套使得反馈装置轻便增加体验效果，并且体积小携带方便。

实施例2

本发明实施例2提供一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，该反馈器与实施例1的基本相同，不同的是，如图2所示，控制单元1包括：

信息接收模块11，用于接收ROS系统传输的数据；

场景筛选模块12，用于从所述信息接收模块11接收的数据中筛选出具有手部场景的数据；

标记识别模块13，用于从具有手部场景的数据中筛选出具有标记的数据；

手部姿势判断模块14，用于从具有标记的数据中判断手部姿势，并获得手部姿势数据，所述手部姿势数据包括手部运动角度J₁；

电压处理模块15，用于根据手部姿势数据与电压的关系，向数模转换单元2发送输出电压的指令。

手部姿势数据与电压的关系可以存储到数据库中。本发明进一步对控制单元进行限定，本发明通过虚拟现实中的手部姿势运动进而反馈到人手掌中实现了人无意识的情况下实现抓握动作，增加了虚拟现实可玩的趣味性，这样该刺激也可用于手部肌肉恢复使不能自主抓握的手通过刺激训练手掌肌肉使其恢复。

实施例3

本发明实施例3提供一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，该反馈器与实施例2的基本相同，不同的是，如图3所示，所述反馈器还包括：

初始电流设置单元5，用于分别为每一用户设置最大电流值I_大和最小电流值I_小；由于不同人的体质是有差别的导致人体阻抗以及人体感受也是不一样的，所以每人都要进行初始化可承受的刺激参数，这个通过反馈器上的可调按键进行设置最大电流值和最小电流值，这样避免在体验过程中出现意外；

电流检测单元6，用于记录电压电流转换单元3输出的恒定电流，并发送给控制单元1；保证输出的恒定电流不会对手部造成伤害；

紧急控制单元7，用于控制恒定电流的输出；

所述信息接收模块11还用于接收电流检测单元6传输的恒定电流；

如图4所示，所述控制单元1还包括：

比较处理模块16，用于对信息接收模块11接收的恒定电流与最大电流值I_大进行比较，当超过最大电流值I_大时，向紧急控制单元7发送停止恒定电流输出的指令。

本发明提供的反馈器可以输出安全的恒定电流，提高阵列式刺激电极手套佩戴的安全性。

实施例4

本发明实施例4提供一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，该反馈器与实施例3的基本相同，不同的是，如图5所示，所述比较处理模块16包括：

电流差计算子模块161，用于计算恒定电流I与最大电流值I_大的差值△I；

差值比对子模块162，用于将差值△I与0-kI_大进行比对，当△I≤0，不做处理，当△I≥kI_大，向紧急控制单元7发送停止恒定电流输出的指令，当0＜△I＜kI_大，0.01≤k≤0.05，向电压修正子模块163发送指令；

电压修正子模块163，用于计算修正恒定电流I_x，并将恒定电流的占空比提高100k，根据修正恒定电流计算修正电压，并向数模转换单元2发送输出修正电压的指令，I_x＝(1-k)I_大。

本发明进一步对比较处理模块的限定，当恒定电流输出大于最大电流值时可能造成对人体的伤害，所以为了能够保证反馈动作的出现，还要保证输出恒定电流的安全，本发明通过调整输出恒定电流保证对人体的安全，并且能够达到预计输出恒定电流的效率，提高了恒定电流的占空比，从而实现了对人手部的反馈刺激。

实施例5

本发明实施例5提供一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，该反馈器与实施例4的基本相同，不同的是，如图6所示，所述控制单元1还包括：

匹配判断模块17，用于将电压电流转换单元3输出的恒定电流与数模转换单元2输出的电压进行匹配，匹配一致不做处理，匹配不一致向紧急控制单元7发送停止恒定电流输出的指令。

本发明进一步对输出的恒定电流与输出电压进行匹配，如果匹配不一致可能出现安全隐患，所以要停止恒定电流的输出，提高整个反馈器的安全性。

实施例6

本发明实施例6提供一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，该反馈器与实施例2的基本相同，不同的是，所述阵列式刺激电极手套4包括手套本体，及设置在所述手套本体上的阵列式刺激电极，所述阵列式刺激电极主要分布在于人体的手掌部拇短屈肌，小指短屈肌及蚓状肌位置处对应。

所述手套本体上还设有位置传感器和角度传感器；所述信息接收模块11还用于接收位置传感器采集的手部位置及角度传感器采集的手部运动角度J；如图7所示，所述控制单元1还包括：

姿势变化判断模块100，用于接收位置传感器采集的手部位置，并判断手部位置是否发送变化，如果未变化，向数模转换单元2发送重新输出电压的指令，如果发送变化，向第一计算模块18发送指令；

第一计算模块18，用于计算实际的角度变化率v,

比对模块19，用于将角度变化率与角度变化率阈值v₁进行比对，当v＜v₁，不做处理，当v≥v₁，向第二计算模块10发送指令；

第二计算模块10，用于计算修正后的电压U_a，并向数模转换单元2发送输出修正后的电压的指令，y为阵列式刺激电极手套4输出给用户的恒定电流的占空比，R₀是固定电阻。

本发明进一步还对人体手掌接收刺激后的动作进行判断，当手部动作前后没有变化时，会重新发送一次刺激指令，当发生变化时判断变化的角度是否与虚拟现实中变化的角度一致，如果一致，不做处理，因为人体的阻抗不同，同样的刺激有的人作出的动作幅度也不同，所以根据人体作出的角度和输出的恒定电流开修正作出制定角度需要输出的恒定电流，进而来修正电压，重新向数模转换单元发送输出修正后的电压的指令，进而实现对人体手部的反馈刺激，提高趣味性，提高刺激的精准度。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，所述反馈器包括：

控制单元(1)，用于接收ROS系统传输的数据，并进行处理，根据处理结果向数模转换单元(2)发送输出电压的指令；

数模转换单元(2)，用于输出电压；

电压电流转换单元(3)，用于接收数模转换单元(2)输出的电压，并计算出恒定电流发送给阵列式刺激电极手套(4)；

阵列式刺激电极手套(4)，用于供用户穿戴并向用户输出恒定电流。

2.如权利要求1所述的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，所述控制单元(1)包括：

信息接收模块(11)，用于接收ROS系统传输的数据；

场景筛选模块(12)，用于从所述信息接收模块(11)接收的数据中筛选出具有手部场景的数据；

标记识别模块(13)，用于从具有手部场景的数据中筛选出具有标记的数据；

手部姿势判断模块(14)，用于从具有标记的数据中判断手部姿势，并获得手部姿势数据，所述手部姿势数据包括手部运动角度J₁；

电压处理模块(15)，用于根据手部姿势数据与电压的关系，向数模转换单元(2)发送输出电压的指令。

3.如权利要求1所述的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，所述反馈器还包括：

初始电流设置单元(5)，用于分别为每一用户设置最大电流值I_大和最小电流值I_小；

电流检测单元(6)，用于记录电压电流转换单元(3)输出的恒定电流，并发送给控制单元(1)；

紧急控制单元(7)，用于控制恒定电流的输出。

4.如权利要求3所述的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，

所述信息接收模块(11)还用于接收电流检测单元(6)传输的恒定电流；

所述控制单元(1)还包括：

比较处理模块(16)，用于对信息接收模块(11)接收的恒定电流与最大电流值I_大进行比较，当超过最大电流值I_大时，向紧急控制单元(7)发送停止恒定电流输出的指令。

5.如权利要求4所述的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，所述比较处理模块(16)包括：

电流差计算子模块(161)，用于计算恒定电流I与最大电流值I_大的差值△I；

差值比对子模块(162)，用于将差值△I与0-kI_大进行比对，当△I≤0，不做处理，当△I≥kI_大，向紧急控制单元(7)发送停止恒定电流输出的指令，当0＜△I＜kI_大，0.01≤k≤0.05，向电压修正子模块(163)发送指令；

电压修正子模块(163)，用于计算修正恒定电流I_x，并将恒定电流的占空比提高100k，根据修正恒定电流计算修正电压，并向数模转换单元(2)发送输出修正电压的指令，I_x＝(1-k)I_大。

6.如权利要求4所述的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，所述控制单元(1)还包括：

匹配判断模块(17)，用于将恒定电流与数模转换单元(2)输出的电压进行匹配，匹配一致不做处理，匹配不一致向紧急控制单元(7)发送停止恒定电流输出的指令。

7.如权利要求2所述的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，所述阵列式刺激电极手套(4)包括手套本体，及设置在所述手套本体上的阵列式刺激电极。

8.如权利要求7所述的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，所述手套本体上还设有位置传感器和角度传感器；所述信息接收模块(11)还用于接收位置传感器采集的手部位置及角度传感器采集的手部运动角度J；所述控制单元(1)还包括：

姿势变化判断模块(100)，用于接收位置传感器采集的手部位置，并判断手部位置是否发送变化，如果未变化，向数模转换单元(2)发送重新输出电压的指令，如果发送变化，向第一计算模块(18)发送指令；

第一计算模块(18)，用于计算实际的角度变化率v,

比对模块(19)，用于将角度变化率与角度变化率阈值v₁进行比对，当v＜v₁，不做处理，当v≥v₁，向第二计算模块(10)发送指令；

第二计算模块(10)，用于计算修正后的电压U_a，并向数模转换单元(2)发送输出修正后的电压的指令，y为阵列式刺激电极手套(4)输出给用户的恒定电流的占空比，R₀是固定电阻。

9.如权利要求2所述的基于ROS系统的虚拟现实触觉反馈器，其特征在于，所述恒定电流I通过如下公式计算得到：

I＝U₁-U₀/R₀

U₁是输入电压，U₀是固定电阻电压，R₀是固定电阻。