CN111994312A - 基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服 - Google Patents

基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服 Download PDF

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赵崇卫
朱美光
徐文胜
汪伟岚
吴晋娜
王南松
张颖
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • B64G6/00—Space suits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G7/00—Simulating cosmonautic conditions, e.g. for conditioning crews

Abstract

本发明的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服包括佩戴于头部的VR头戴式显示设备、穿戴在手上的数据交互手套、基础服装、动作捕捉信号反射装置和关节约束装置；所述基础服装穿着于训练者身上；在训练者各关节处安装所述关节约束装置；在训练者头部、手部、躯干和脚踝上安装所述动作捕捉信号反射装置。本发明的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服能用于虚拟太空环境下维修训练。

Description

基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术中的动作捕捉系统，具体涉及一种基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服。
背景技术
随着科学技术的发展，虚拟现实成为当今社会的一种热点技术。虚拟现实通过模拟的方式为用户创造一种虚拟的环境，通过视、听、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化。动作捕捉是虚拟现实中的一项重要技术，如何准确、实时地捕捉用户的当前姿态，是提高虚拟现实真实感以及增强用户体验感的关键。
虚拟训练系统利用虚拟现实技术，构建虚拟的空间站外太空环境，使宇航员能够沉浸在太空站的虚拟环境中进行运动和操作，与虚拟环境进行交互，实现人在回路的虚拟现实训练。虚拟现实技术具有数字化程度高、可复用度高、能突破物理环境限制、安全性好等特点，并经美国航空航天局NASA、欧空局ESA和加拿大等研究机构的成功运用，已经成为太空探索中宇航员训练的一个重要发展方向。
虚拟宇航员的运动控制是采用特定的方法对虚拟宇航员三维模型中各肢体节段的运动进行控制和仿真,是虚拟训练系统的关键技术之一。针对宇航员的虚拟训练，虚拟宇航员的运动控制一般采用实时交互式运动控制的方式，目前虚拟人的运动控制技术主要为基于运动捕捉的虚拟人运动控制技术。用户穿着动作捕捉系统训练宇航服通过传感器等装置捕捉动作，完成在模拟太空环境下虚拟训练过程中的各种行为。宇航服按功能可分为舱内宇航服和舱外宇航服。相比舱内宇航服，舱外宇航服的结构更为复杂，功能要求更高，需要防护太空的真空、高低温、辐射、小陨石等对人体的侵害。因此，现有宇航服整套服装十分臃肿，灵活度很低，航天员着舱外航天服进行出舱活动时不可避免的要产生相当大的阻力矩。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，用于虚拟太空环境下维修训练。
为了达到上述的目的，本发明提供一种基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，包括佩戴于头部的VR头戴式显示设备、穿戴在手上的数据交互手套、基础服装、动作捕捉信号反射装置和关节约束装置；所述基础服装穿着于训练者身上；在训练者各关节处安装所述关节约束装置；在训练者头部、手部、躯干和脚踝上安装所述动作捕捉信号反射装置。
上述基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其中，所述动作捕捉信号反射装置至少包含不位于同一平面的4个光学标识点。
上述基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其中，所述动作捕捉信号反射装置包括光学标识点、刚性连接杆和连接底板；所述刚性连接杆一端安装在所述连接底板上，所述刚性连接杆另一端连接所述光学标识点；所述连接底板安装于物体表面。
上述基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其中，在所述基础服装胸部位置、右脚踝上侧部位以及左脚踝上侧部位的外表面上各粘贴一所述动作捕捉信号反射装置；在所述VR头戴式显示设备的外表上粘贴一所述动作捕捉信号反射装置；在双手的数据交互手套手背外表面上各粘贴一所述动作捕捉信号反射装置。
上述基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其中，所述光学标识点为高亮回归式反光球。
上述基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其中，在所述基础服装左肩、右肩、左手腕关节、右手腕关节、左臂肘关节内侧和外侧、右臂肘关节内侧和外侧、左腿前侧上部、右腿前侧上部、左踝关节、右踝关节、左膝关节前侧和后侧、右膝关节前侧和后侧各设有一所述关节约束装置。
上述基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其中，所述关节约束装置包括弹性布料、固定块、绷紧带和日字扣；所述弹性布料缝制在所述基础服装的外表面上；所述绷紧带的两端各通过一所述固定块固定在所述弹性布料上，所述日字扣用于调节所述绷紧带的长度，使所述绷紧带满足于真实宇航服各关节活动范围和力矩要求。
上述基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其中，所述关节约束装置为弹性束缚带。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，在头部、手部、躯干和脚踝上安装动作捕捉信号反射装置，可在虚拟现实环境下准确、实时地捕捉训练者当前姿态；在各关节处安装关节约束装置，可模拟真实宇航服各关节活动范围和力矩要求，模拟宇航员真实感受以及增强用户体验感；在太阳电池阵虚拟维修验证系统中让训练者在虚拟太空轨道上对太阳电池阵进行沉浸式虚拟维修操作,从而可在物理样机产生之前及时地发现设计中存在的维修问题，提高维修性设计的效率，降低研发成本。
附图说明
本发明的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明较佳实施例的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服正面示意图。
图2为本发明较佳实施例的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服背面示意图。
图3为本发明较佳实施例中动作捕捉信号反射装置的结构示意图。
图4为多个光学标识点构成三维空间的示意图。
图5为本发明较佳实施例中关节约束装置的示意图。
图6为本发明较佳实施例中肘关节约束装置外展工作原理图。
图7为本发明较佳实施例中肘关节约束装置内收工作原理图。
具体实施方式
以下将结合图1～图7对本发明的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服作进一步的详细描述。
图1所示为本发明较佳实施例的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服正面示意图；图2所示为本发明较佳实施例的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服背面示意图。
图3所示为本发明较佳实施例中动作捕捉信号反射装置的结构示意图；图4所示为多个光学标识点构成三维空间的示意图。
参见图1和图2，本实施例的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服包括基础服装、VR头戴式显示设备2、数据交互手套、便携式电脑背包16、VR工具存放包6、动作捕捉信号反射装置和关节约束装置；
所述基础服装穿着于训练者身上；训练者左手穿戴左手数据交互手套4，右手穿戴右手数据交互手套11，头部佩戴所述VR头戴式显示设备2；所述便携式电脑背包和所述VR工具存放包6佩戴在训练者身上；
在所述基础服装、所述左手数据交互手套4、所述右手数据交互手套11和所述VR头戴式显示设备2的外表面上均安装有所述动作捕捉信号反射装置；动作捕捉系统的红外照相机实时追踪所述动作捕捉信号反射装置反射出的信号，并通过传输设备输入数据处理工作站，在数据处理工作站的软件中进行运动解算，得到连贯的三维运动数据，并生成三维骨骼动作数据，用于驱动骨骼动画；
本实施例中，在训练者头部、手背、躯干和脚踝部位6个部位各安装一所述动作捕捉信号反射装置，如图1和图2，在所述VR头戴式显示设备2的外表面上安装第一动作捕捉信号反射装置1(头部)，在所述左手数据交互手套4手背外表面上安装第二动作捕捉信号反射装置3(手背)，在所述右手数据交互手套11手背外表面上安装第三动作捕捉信号反射装置12(手背)，在所述基础服装胸部位置外表面上安装第四动作捕捉信号反射装置5(躯干)，在所述基础服装左脚踝上侧部位外表面上安装第五动作捕捉信号反射装置7，在所述基础服装右脚踝上侧部位外表面上安装第六动作捕捉信号反射装置8；
每个所述动作捕捉信号反射装置至少包含不位于同一平面的4个光学标识点(Markers)；
在所述基础服装肩部、肘部、手腕、腿部、膝关节和踝关节处均设置所述关节约束装置，所述关节约束装置用于约束身体关节部位运动范围以模拟真实臃肿的宇航服对宇航员运动的束缚；如图1和图2，在所述基础服装左肩和右肩上均设置关节约束装置，在所述基础服装左手腕关节处和右手腕关节处均设置关节约束装置，在所述基础服装左臂肘关节外侧设置关节约束装置14，在所述基础服装左臂肘关节内侧设置关节约束装置，在所述基础服装右臂肘关节外侧设置关节约束装置15，在所述基础服装右臂肘关节内侧设置关节约束装置13，在所述基础服装左腿和右腿前侧上部均设置关节约束装置10，在所述基础服装左膝关节前侧和后侧均设置关节约束装置，在所述基础服装右膝关节前侧和后侧均设置关节约束装置9，在所述基础服装左踝关节处和右踝关节处均设置关节约束装置。
图3所示为本发明较佳实施例中动作捕捉信号反射装置的结构示意图；图4所示为多个光学标识点构成三维空间的示意图。
参见图3和图4，所述动作捕捉信号反射装置包括光学标识点8-1、刚性连接杆8-2和连接底板8-3；所述刚性连接杆8-2一端安装在所述连接底板8-3上，所述刚性连接杆8-2另一端连接所述光学标识点8-1；所述连接底板8-3未安装刚性连接杆的面带有粘性，可粘贴于物体表面；一所述刚性连接杆对应一所述光学标识点。
根据立体几何理论，两点(不共点)确定一条直线，三点(不共线)确定一个平面，四点(不共面)确定一个三维空间。所述动作捕捉信号反射装置至少包含4个光学标识点，则至少包含4个刚性连接杆，各刚性连接杆的长度可不同，4个以上刚性连接杆使安装于其上的光学标识点错落布置，保证4个以上光学标识点不共面，共同构成一个三维空间坐标标记体(Body)，再由6个部位的三维空间坐标标记体(Bodys)共同构成人体骨骼模型。
光学标识点是一种高亮回归式反光球，由动作捕捉系统的红外照相机镜头上发出的LED照射光经反光球反射至红外照相机，进行Marker的检测和空间定位。
本实施例中，所述关节约束装置有两种类型，第一种类型为弹性束缚带，第二种类型为弹性布料上固定一条绷紧带制成，如图5所示。在所述基础服装左肩、右肩上、左手腕关节、右手腕关节、左腿上部、右腿上部、左踝关节和右踝关上均设置弹性束缚带(第一种类型的关节约束装置)，在所述基础服装左臂肘关节外侧、左臂肘关节内侧、右臂肘关节外侧、右臂肘关节内侧、左膝关节前侧和后侧、右膝关节前侧和后侧均设置第二种类型的关节约束装置。
在其他实施例中，所有关节部位均设置第二种类型的关节约束装置。
如图5所示，关节约束装置包括弹性布料18、固定块17、绷紧带20和日字扣19；所述弹性布料18缝制在所述基础服装的外表面上；所述绷紧带20的两端各通过一所述固定块17固定在所述弹性布料18上，所述日字扣19用于调节所述绷紧带20的长度，使所述绷紧带20满足于真实宇航服各关节活动范围和力矩要求。
下面以肘关节为例，解析关节约束装置的工作原理，其他关节约束装置工作原理大致相同，在此就不逐一赘述。
如图6所示，当肘关节向外做伸展动作到达极限角度范围时，肘关节内侧关节约束装置的绷紧带处于紧绷状态，设定此时手臂弯曲角度为β，根据余弦定理的计算公式：
c2＝a2+b2-2ab cosβ
将两固定块17到骨骼点的旋转轴心的距离相等，即a＝b，此时绷紧带的长度c计算如下：
Figure BDA0002631363930000071
如图7所示，当肘关节向里做内收动作到达极限角度范围时，肘关节外侧关节约束装置的绷紧带处于紧绷状态，设定此时手臂弯曲角度为α，若两固定块17到手臂肘关节旋转轴心点的距离相等，均为e，弧长d的计算公式为：.
Figure BDA0002631363930000072
据此推断，当固定块的位置安装完成之后只需测量其距离即可计算出不同角度范围内绷紧带的长度，根据计算出来的结果使用日字扣对绷紧带的长度进行调整，最终实现各关节的角度范围限制。

Claims (8)

1.基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，包括佩戴于头部的VR头戴式显示设备和穿戴在手上的数据交互手套，其特征在于，所述训练宇航服还包括基础服装、动作捕捉信号反射装置和关节约束装置；
所述基础服装穿着于训练者身上；
在训练者各关节处安装所述关节约束装置；
在训练者头部、手部、躯干和脚踝上安装所述动作捕捉信号反射装置。
2.如权利要求1所述的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其特征在于，所述动作捕捉信号反射装置至少包含不位于同一平面的4个光学标识点。
3.如权利要求2所述的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其特征在于，所述动作捕捉信号反射装置包括光学标识点、刚性连接杆和连接底板；所述刚性连接杆一端安装在所述连接底板上，所述刚性连接杆另一端连接所述光学标识点；所述连接底板安装于物体表面。
4.如权利要求3所述的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其特征在于，在所述基础服装胸部位置、右脚踝上侧部位以及左脚踝上侧部位的外表面上各粘贴一所述动作捕捉信号反射装置；在所述VR头戴式显示设备的外表上粘贴一所述动作捕捉信号反射装置；在双手的数据交互手套手背外表面上各粘贴一所述动作捕捉信号反射装置。
5.如权利要求1或3所述的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其特征在于，所述光学标识点为高亮回归式反光球。
6.如权利要求1所述的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其特征在于，在所述基础服装左肩、右肩、左手腕关节、右手腕关节、左臂肘关节内侧和外侧、右臂肘关节内侧和外侧、左腿前侧上部、右腿前侧上部、左踝关节、右踝关节、左膝关节前侧和后侧、右膝关节前侧和后侧各设有一所述关节约束装置。
7.如权利要求1或6所述的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其特征在于，所述关节约束装置包括弹性布料、固定块、绷紧带和日字扣；所述弹性布料缝制在所述基础服装的外表面上；所述绷紧带的两端各通过一所述固定块固定在所述弹性布料上，所述日字扣用于调节所述绷紧带的长度，使所述绷紧带满足于真实宇航服各关节活动范围和力矩要求。
8.如权利要求1所述的基于虚拟现实技术的动作捕捉系统训练宇航服，其特征在于，所述关节约束装置为弹性束缚带。
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