CN111161581B - 一种具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统，包括力触觉反馈装置和交互终端，力觉反馈单元和触觉反馈单元与用户接触提供虚拟电力安全培训场景的力觉和触觉；信息采集及控制单元采集用户的力觉和触觉的反馈信息，并将采集的反馈信息传送到交互终端中。交互终端包括显示模块、计算模块和通信模块，显示模块为用户提供虚拟电力安全培训场景，将力觉反馈和触觉反馈信息传送至力触觉反馈装置，使用户感受到力觉和触觉反馈。本发明具有实时力触觉再现功能，并实现手部的定位跟踪和姿态检测，从而提高虚拟人机交互的沉浸感，降低培训成本。

Description

一种具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，具体涉及具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统。

背景技术

电力系统安全培训是提高电力系统操作，维护人员技术水平和个人素质的重要手段，对于保证电力系统安全、稳定和高效运行非常重要。目前，电力系统安全培训的内容主要包括标准化作业流程和典型事故案例分析。传统的电力安全培训大多采用讲座和视频等形式，体验操作的少，虽然有仿真盘台，但是随着设备的发展、升级，培训装置和真实的电力设备在形式上会出现显著差异，或出现互不兼容现象，会使培训的效果降低，而且无法真正亲身体验事故教训，提升安全技能。随着虚拟现实技术的发展，目前使用虚拟现实方式对从业人员进行安全培训是一个主要的发展趋势。虚拟现实技术以构造的虚拟现实环境为基础，大大提高了电力系统场景的真实感、沉浸感和可交互性，为从业人员的培训工作方式的转变起了重要的促进作用。

基于虚拟现实的安全培训系统在节省培训资金投入的同时还可降低培训过程中的危险，可把系统中各个环节有机联系起来，作业人员可以对设备进行多层次的多角度的观测和体验。目前，虚拟现实电力安全培训系统主要包括：面向电力系统的三维建模、虚拟电力培训场景的搭建以及人机交互技术的研究。随着计算机视觉、虚拟游戏引擎技术的迅速发展，三维建模和虚拟场景搭建技术的研究已经较为成熟，但是人机交互技术的研究大多集中在视觉和听觉交互，触觉交互的研究还很有限，仅是一些简单的振动提示。而在人类的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等各种感知系统中，触觉提供了人类与环境之间双向的信息(或能量)交互渠道，可以形成其它感知系统无法实现的各种主动性行为(如触摸感知物体、操作工具和探索环境等)，因而在人机交互技术中具有独特的重要地位。另外，目前的虚拟现实电力安全培训的显示和交互设备主要有PC机、虚拟现实头显(头戴式显示器)、数据手套、3D输入设备(三维鼠标)、位置追踪仪、动作捕捉设备、眼动仪、力反馈设备等。虽然在这些交互设备中也有少量的触觉反馈，但是对于虚拟现实人机交互中的触觉感知需求是明显不足的，因此，研究具有力触觉反馈的虚拟现实电力安全培训系统是必要的，对提高虚拟现实电力安全培训的真实感和沉浸感、降低培训成本、提高安全培训效率具有重要的意义。

发明内容

本发明是为了解决传统虚拟现实电力安全培训对于力触觉感知不足的弊端，提供了一种具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统，其具有实时力触觉再现功能，并实现手部的定位跟踪和姿态检测，从而提高虚拟人机交互的沉浸感，降低培训成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统，包括力触觉反馈装置和交互终端，

所述力触觉反馈装置包括信息采集及控制单元、力觉反馈和触觉反馈，所述力觉反馈单元和触觉反馈单元与用户接触提供虚拟电力安全培训场景的力觉和触觉；所述信息采集及控制单元采集用户的力觉和触觉的反馈信息，并将采集的反馈信息传送到交互终端中，从而确定在虚拟电力安全培训场景中人手的位置。

所述交互终端包括显示模块、计算模块和通信模块，显示模块为用户提供虚拟电力安全培训场景，将力觉反馈和触觉反馈信息传送至力触觉反馈装置，使用户感受到力觉和触觉反馈；力觉和触觉的反馈信息通过通信单元送入计算单元进行计算，判断虚拟环境中人手和其他物体的相对位置来判断是否产生电力安全事故，并由此决定力触觉反馈装置是否产生力觉反馈和触觉反馈。

作为本发明的进一步改进，所述信息采集及控制单元包括传感单元、单片机和通信单元；传感单元用于测量用户的反馈信息，单片机用于接收传感单元获得反馈信息并通过通信单元传送给交互终端。

作为本发明的进一步改进，所述交互终端在产生力触觉反馈的同时，更新虚拟电力安全培训场景，并将更新后的虚拟电力安全培训场景通过显示模块展示给用户。

作为本发明的进一步改进，所述力触觉反馈装置为笔式、指套式或穿戴式结构。

作为本发明的进一步改进，所述交互终端为PC显示器、带有触摸屏的平板电脑、手机或VR装置。

作为本发明的进一步改进，所述力触觉反馈装置为笔式交互装置，笔式力触觉反馈装置，包括：外壳、手握滑环、轨道套环、电容触头、力触觉再现装置、振动电机、电机驱动板、电池、控制板及电源开关；

所述电源开关、电池、控制板、电机驱动板、振动电机均固定安装在外壳的后端，控制板通过电机驱动板控制振动电机以提供振动式力触觉；电源开关与电池连接用于提供电能；

所述电容触头与轨道套环固定连接，轨道套环固定在外壳的首端，手握滑环套装在轨道套环的外部；所述力触觉再现装置固定安装在外壳内，力触觉再现装置能够提供持续推力和弹力推动手握滑环沿轨道滑环外壁运动以提供连续力触觉以及突变力触觉。

作为本发明的进一步改进，所述力触觉再现装置包括圆柱凸轮、微型减速电机、弹簧、螺旋滑块、直线滑块、滑块轨道以及套索；

所述微型减速电机与外壳固定连接；微型减速电机的输出端与圆柱凸轮连接；圆柱凸轮两端各与一个侧边轴套连接，圆柱凸轮表面有螺旋形轨道槽，螺旋形轨道槽的起点和终点由一直线槽连通；

所述螺旋滑块设置在直线滑块上，且能绕其中心自由旋转；螺旋滑块另一端卡在圆柱凸轮的螺旋形轨道槽内；直线滑块卡在滑块轨道上；

所述弹簧的一端与外壳固定连接，另一端与手握滑环固定连接；套索一端与直线滑块固定连接，中间穿过外壳端部，另一端与手握滑环固定连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的虚拟电力安全培训系统，包括力触觉反馈装置、交互终端模块，用户通过力触觉反馈装置来感知交互终端里虚拟电力安全培训场景中的力觉和触觉反馈信息。本发明通过力触觉反馈的方式，实现集视听觉和力触觉于一体的虚拟现实电力安全培训系统，提高虚拟现实电力安全培训的真实感和沉浸感。本发明中的力触觉反馈装置不仅可以采集手部的位置、姿态、力等信息，而且表达力觉和触觉信息，解决了传统虚拟现实电力安全培训对于力触觉感知不足的弊端。本发明中的交互终端提供了显示、计算和通信的功能，而且显示和通信可以采用不同的方式实现，以适应不同场合的需求，实现方式更加灵活。

进一步，本发明笔式力触觉反馈装置模块其主要包含外壳、手握滑环、轨道套环、力触觉再现装置及振动电机等部件。内部具有振动电机提供振动式力触觉，力触觉再现装置提供弹力推动手握滑环弹出，手握滑环沿轨道滑环外壁快速运动以提供突变力触觉，实现了振动、连续力触觉表达以及突变力表达等多模式力触觉反馈功能。本装置结构紧凑，价格低廉，能够应用于基于移动终端的虚拟电力培训系统的力触觉交互；能够实现振动反馈、连续力反馈以及突变力反馈，所表达的力触觉信息更加完整，提高虚拟电力培训系统的真实感，从而提高安全培训效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统的组成框图；

图2为本发明实施例提供的具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统的各模块连接示意图；

图3是笔式力触觉多模式交互装置内部结构示意图；

图4是力触觉再现装置结构示意图；

图5是笔式力触觉多模式交互装置初始状态示意图；

图6是笔式力触觉多模式交互装置极限状态示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统的组成框图。该具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统包括力触觉反馈装置1和交互终端2，用户3通过力触觉反馈装置1来感知交互终端2里虚拟电力安全培训场景中的力觉和触觉反馈信息。

本系统的力触觉反馈装置1的外部结构可以是手持的笔式、或者手部穿戴式等，首先通过信息采集及控制单元101采集用户3手部的位置、姿态和力等信息，并将采集的信息数据传送到交互终端2中进行计算，从而确定在虚拟电力安全培训场景中人手的位置。

交互终端2包括显示模块201、计算模块202和通信模块203三个部分，力触觉反馈装置1中的各种传感信息通过通信单元203送入计算单元202进行计算处理，通过虚拟环境中人手和其他物体的相对位置来判断是否产生碰撞或者其他的电力安全事故，并由此决定力触觉反馈装置是否产生力觉反馈102和触觉反馈103，以及通过相对位置、运动速度或者特定场景中的操作来决定力反馈和触觉反馈的大小和方向，最后将力触觉反馈信息传送至力触觉反馈装置1，从而使用户3感受到力觉和触觉反馈。在产生力触觉反馈的同时，更新虚拟场景画面，并将更新后的虚拟场景通过显示器或移动终端触摸屏幕等展示给用户3。

图2为本发明具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统的各模块连接示意图。更具体地，上述的力触觉反馈装置1中信息采集及控制单元101主要包括传感单元1011、单片机1012和通信单元1013。传感单元1011主要包括位置传感单元、姿态传感单元和力传感单元等，用于测量用户3手部的位置、姿态和力等信息。单片机1012是主控单元，用于接收传感单元1011的各种信息，并对传感信息进行控制，最终通过通信单元1013以有线或无线的方式传送给交互终端2，由交互终端2的通信模块203接收，并送入处理器进行计算。通过这样的控制过程来实现根据用户3手部位置的变化进行相应的力触觉反馈以及虚拟场景画面的更新。

该虚拟电力安全培训系统的工作原理为首先用户通过手持式或穿戴式力触觉反馈装置与交互终端中的虚拟电力安全培训场景进行交互，交互中产生的碰撞、触电、爆炸等事件，再通过力触觉反馈装置以力觉和触觉的表达方式反馈给用户，以实现集视听觉和力触觉于一体的虚拟现实电力安全培训系统。

力触觉反馈装置1的机构设计可以但不限于笔式、指套式、穿戴式等结构，力触觉反馈装置1的主要功能首先能够采集包含但不限于位置、姿态、力等信息，其次必须可以表达力觉和触觉信息，表达方式包含但不限于弹力、摩擦力、拉力、振动、磁流变液、电刺激、气动等形式。

交互终端2的形式包含但不限于普通的PC显示器和带有触摸屏的平板电脑、手机等。交互终端2的主要功能包括三个方面：1显示，主要是虚拟环境的显示，对于画面的刷新速率必须达到25帧/秒，2计算，主要是计算处理力触觉反馈装置1和交互终端2交换的信息，计算速率要求不低于200Hz，3通信，无线通信、有线通信均可。

力触觉反馈装置1和交互终端2交换的信息包括力、位置、加速度等信息。

用户3不能有视觉和力触觉感知缺陷，年龄、性别等其他情况不做要求。

如图3至图6，本发明给出一种具体的笔式力触觉反馈装置，包括：外壳2、手握滑环3、轨道套环4、电容触头5、力触觉再现装置6、振动电机10、电机驱动板11、电池12、控制板13及电源开关14；

所述电源开关14、电池12、控制板13、电机驱动板11、振动电机10均固定安装在外壳2的后端，控制板13通过电机驱动板11控制振动电机10以提供振动式力触觉；电源开关14与电池12连接用于提供电能；

所述电容触头5与轨道套环4固定连接，轨道套环4固定在外壳2的首端，手握滑环3套装在轨道套环4的外部；所述力触觉再现装置6固定安装在外壳2内，力触觉再现装置6能够提供持续推力和弹力推动手握滑环3沿轨道滑环4外壁运动以提供连续力触觉以及突变力触觉。

其中，所述力触觉再现装置6包括圆柱凸轮20、微型减速电机9、弹簧15、螺旋滑块17、直线滑块16、滑块轨道19以及套索18；

所述微型减速电机9与外壳2固定连接；微型减速电机9的输出端与圆柱凸轮20连接；圆柱凸轮20两端各与一个侧边轴套连接，圆柱凸轮20表面有螺旋形轨道槽，螺旋形轨道槽的起点和终点由一直线槽连通；

所述螺旋滑块17设置在直线滑块16上，且能绕其中心自由旋转；螺旋滑块17另一端卡在圆柱凸轮20的螺旋形轨道槽内；直线滑块16卡在滑块轨道19上；

所述弹簧15的一端与外壳2固定连接，另一端与手握滑环3固定连接；套索18一端与直线滑块16固定连接，中间穿过外壳2端部，另一端与手握滑环3固定连接。

交笔式力触觉反馈装置的工作原理如下：

控制板13通过电机驱动板11控制微型减速电机9和振动电机10，振动电机10提供振动式力触觉。当微型减速电机9驱动圆柱凸轮20旋转时，螺旋滑块17将沿螺旋形轨道槽运动，由于螺旋滑块17与直线滑块16固定连接，使其沿滑块轨道19运动，从而拉动套索18，使手握套环3由外壳2的首端向后端移动，从而压缩弹簧15，通过控制微型减速电机9的正反转，控制弹簧15的压缩量，以此实现连续力的表达。当螺旋滑块17运动到圆柱凸轮20的极限点B时，将会沿圆柱凸轮20的直线槽快速运动，弹簧15的压缩量会在瞬间得到释放，从而实现突变力的表达。

参见图5所示，笔式力触觉多模式交互装置的初始状态，此时螺旋滑块17处于圆柱凸轮20的起点A，弹簧15处于自然状态，未被压缩。

参见图6所示，笔式力触觉多模式交互装置的极限状态，此时螺旋滑块17处于圆柱凸轮20的终点B，弹簧15处于压缩状态，当微型减速电机9继续旋转时，会释放弹簧15的压缩能量，实现突变力的表达。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统，其特征在于，包括力触觉反馈装置（1）和交互终端，

所述力触觉反馈装置（1）包括信息采集及控制单元（101）、力觉反馈单元（102）和触觉反馈单元（103），所述力觉反馈单元（102）和触觉反馈单元（103）与用户接触提供虚拟电力安全培训场景的力觉和触觉；所述信息采集及控制单元（101）采集用户的力觉和触觉的反馈信息，并将采集的反馈信息传送到交互终端中；

所述交互终端包括显示模块（201）、计算模块（202）和通信模块（203），显示模块（201）为用户提供虚拟电力安全培训场景，将力觉反馈和触觉反馈信息传送至力触觉反馈装置（1），使用户感受到力觉和触觉反馈；力觉和触觉的反馈信息通过通信模块（203）送入计算模块（202）进行计算，判断虚拟环境中人手和其他物体的相对位置来判断是否产生电力安全事故，并由此决定力触觉反馈装置（1）是否产生力觉反馈和触觉反馈；

所述力触觉反馈装置（1）为笔式交互装置，笔式力触觉反馈装置，包括：外壳、手握滑环、轨道套环（4）、电容触头（5）、力触觉再现装置（6）、振动电机（10）、电机驱动板（11）、电池（12）、控制板（13）及电源开关（14）；

所述电源开关（14）、电池（12）、控制板（13）、电机驱动板（11）、振动电机（10）均固定安装在外壳的后端，控制板（13）通过电机驱动板（11）控制振动电机（10）以提供振动式力触觉；电源开关（14）与电池（12）连接用于提供电能；

所述电容触头（5）与轨道套环（4）固定连接，轨道套环（4）固定在外壳的首端，手握滑环套装在轨道套环（4）的外部；所述力触觉再现装置（6）固定安装在外壳内，力触觉再现装置（6）能够提供持续推力和弹力推动手握滑环沿轨道套环（4）外壁运动以提供连续力触觉以及突变力触觉；

所述力触觉再现装置（6）包括圆柱凸轮（20）、微型减速电机（9）、弹簧（15）、螺旋滑块（17）、直线滑块（16）、滑块轨道（19）以及套索（18）；

所述微型减速电机（9）与外壳固定连接；微型减速电机（9）的输出端与圆柱凸轮（20）连接；圆柱凸轮（20）两端各与一个侧边轴套连接，圆柱凸轮（20）表面有螺旋形轨道槽，螺旋形轨道槽的起点和终点由一直线槽连通；

所述螺旋滑块（17）设置在直线滑块（16）上，且能绕其中心自由旋转；螺旋滑块（17）另一端卡在圆柱凸轮（20）的螺旋形轨道槽内；直线滑块（16）卡在滑块轨道（19）上；

所述弹簧（15）的一端与外壳固定连接，另一端与手握滑环固定连接；套索（18）一端与直线滑块（16）固定连接，中间穿过外壳端部，另一端与手握滑环固定连接。

2.根据权利要求1所述的具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统，其特征在于，所述信息采集及控制单元（101）包括传感单元（1011）、单片机（1012）和通信单元（1013）；传感单元（1011）用于测量用户的反馈信息，单片机（1012）用于接收传感单元（1011）获得反馈信息并通过通信单元（1013）传送给交互终端。

3.根据权利要求1所述的具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统，其特征在于，所述交互终端在产生力触觉反馈的同时，更新虚拟电力安全培训场景，并将更新后的虚拟电力安全培训场景通过显示模块（201）展示给用户。

4.根据权利要求1所述的具有力触觉反馈的虚拟电力安全培训系统，其特征还在于，所述交互终端为PC显示器、带有触摸屏的平板电脑、手机或VR装置。

Images