CN114452640A - 一种用于感知虚拟物品物理属性的vr力反馈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置，包括食指舵臂，食指舵臂与食指舵机转动连接，食指舵机与底板的连接，底板的上表面安装有棘轮舵机和旋转编码器，旋转编码器通过旋转轴连接有小齿轮；食指交错层通过轴杆与拇指交错层活动连接形成铰链结构；棘轮舵机底端转动连接有棘齿的一端，棘齿的另一端用于与弹簧棘轮卡接；拇指交错层和食指交错层上方的转轴上活动连接有大齿轮，大齿轮与小齿轮啮合，食指交错层的顶部安装有交错层舵机，交错层舵机的输出轴与转轴的顶端连接；拇指交错层的顶部与拇指舵机连接，拇指舵机与拇指舵臂转动连接，拇指舵臂上安装有超声波测距模块，拇指舵臂上滑动连接有拇指滑块。
Description
技术领域
本发明涉及VR力反馈技术领域，特别是涉及一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置。
背景技术
当前的计算机图形和显示技术使虚拟现实体验在视觉上更加具有真实度。在这些虚拟现实空间中，用户不仅可以观看，甚至还可以与场景中的物体进行交互。电子游戏如果搭配上触觉反馈会更受玩家青睐，因为它增强了玩家在游戏中的真实感，能够让玩家沉浸其中进行游戏。在医学、教育教学领域和其他应用中，触觉增加了传送给大脑的很多细节信息，在某种程度上提高了使用者解决问题的效率。在计算机虚拟现实技术的发展中，虚拟三维环境的仿真与交互技术是研究热点。在虚拟环境的仿真与交互中，力反馈系统提供了力觉的输入输出，因此，力反馈作为一种新型的人机交互技术被引入到交互式虚拟环境仿真研究中。借助力觉交互设备，人们可以测量模拟受力状态而感知物体的大小、形状和运动状态等。目前市面上大部分的力反馈设备灵活性较差并且造价高昂、普及率低，因此新的精度高、性价比高的力反馈设备的研究具有重要意义。
通常情况下，振动触觉反馈被用作触觉渲染。虽然振动触觉反馈可以通知碰撞的产生并支持精细操作，但它更多地用作碰撞的通知，不适合连续触摸下连续表示阻力反馈，或握住物体时的重量感等。此外，能通过振动触觉反馈进行的渲染物理属性非常有限，不足以渲染形状和刚度等信息。
可穿戴设备和外骨骼设备都解放了用户的手和手指，以便与虚拟环境直接交互，以在各种尺度和分辨率上呈现触觉。外骨骼设备通过覆盖用户手部，机械地向手指施加力。
基于手套之类的可穿戴设备重量较大，移动区域受到限制，进而出现了约束手指、手或手臂周围的运动的简化设备，可以使用直流电机控制拉动连接在指环中的线的张力。
另外还有接地或挂载方式平摊重量的解决方案，将设备的底座连接到环境的某个东西上，用户抓住设备的一部分，这部分通过接头或绳索连接到底座上。它们可以将净力传递给用户以呈现大的触觉力和碰撞，但通常以降低移动性和操作空间为代价。
模拟工具形状的手持设备，提供了间接交互的解决方案。在虚拟环境中用户通过手持工具与物品进行交互，改善特定虚拟物体的触觉实现，例如模拟赛车游戏里的方向盘。另外还有改变物体质量属性例如质心、重量分布等属性。虽然这些被动附件很简单，但它们基本上是专门专用的，因此在渲染多种类型的对象或可变形或可自定义的对象时效果较差，不太能有效地渲染其他表现或变形。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于感知虚拟物品物理属性的VR 力反馈装置，可用于感知虚拟物体。它将用户拿取物品的动作简化为拇指、食指和中指一同与虚拟物体进行交互的过程，可以模拟拇指与食指捏取物品。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置，包括食指舵臂、食指舵机、拇指舵臂、拇指舵机、扭簧、交错层舵机、旋转编码器、超声波测距模块、运动传感器模块、Arduino nano主板和底板，所述食指舵臂与食指舵机转动连接，食指舵机与底板的连接，所述底板的上表面安装有棘轮舵机和旋转编码器，所述旋转编码器通过旋转轴连接有小齿轮；
所述底板的上表面通过连接柱连接有若干食指交错层，所述食指交错层之间均设有拇指交错层，所述食指交错层通过轴杆与所述拇指交错层活动连接形成铰链结构；拇指交错层底部安装有弹簧棘轮，弹簧棘轮中部设有连接孔，所述轴杆的底端依次穿过所述连接孔、扭簧并与底板固定连接；所述扭簧的一端固定在拇指交错层底部，另一端与底板固定；所述棘轮舵机底端转动连接有棘齿的一端，棘齿的另一端用于与弹簧棘轮卡接；
拇指交错层和食指交错层上方的转轴上活动连接有大齿轮，所述大齿轮与所述小齿轮啮合，所述食指交错层的顶部安装有框架结构，通过所述框架结构安装有所述交错层舵机，所述交错层舵机的输出轴与转轴的顶端连接；
所述拇指交错层的顶部与所述拇指舵机连接，所述拇指舵机与拇指舵臂转动连接，拇指舵臂的另一端安装有超声波测距模块，所述拇指舵臂的一侧滑动连接有拇指滑块，所述拇指滑块上贯穿连接有弹簧；拇指舵臂的另一侧固定有Arduino nano主板；
所述底板的底部还安装有运动传感器模块，所述旋转编码器、运动传感器模块和超声波测距模块均通过线缆与所述Arduino nano主板连接。
所述弹簧棘轮由连接板、圆形齿盘构成，所述连接板与拇指交错层固接，连接板下方通过空心圆柱体相连，空心圆柱体中部设置有所述连接孔。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.为了完成手部姿态捕捉以便下一步的碰撞检测，本发明使用了旋转编码器获取拇指和食指之间的夹角，超声波测距模块获取大拇指相对位置进行手部姿态的捕捉。接触的瞬间通过控制拇指和食指的舵机速度模拟用户两指之间感受到的冲击力；持续抓握物体时通过是否接入弹簧棘轮及虎口处交错层舵机挤压交错层提供的摩擦力，来模拟大拇指和食指捏取柔体感受到的阻力。
2.本发明通过设置食指舵臂、食指舵机、拇指舵臂、拇指舵机，使得VR力反馈装置中通过拇指舵机、食指舵机角度和速度的变化间接拟合连续的力反馈,可以为用户拇指和食指渲染捏取物体的力反馈。为设计人员提供了廉价的解决方案，降低了爱好者开发改进的门槛。
3.拇指使人类拥有准确的抓握能力进而使用各种各样的工具，手部的基本动作中，拇指独立于其他四指，活动范围更广。本发明装置可理解为将拇指外其他四指简化为一个整体，并在此基础上忽略其他关节只注重于拇指和食指中指指尖的受力情况。
4.该装置采用模块化设计方法，输入输出参量简单，接线方便，扩展性好，3D打印其外壳。机械结构安装简单轻便，易于维护。为设计人员提供了性价比高的解决方案，降低了爱好者开发改进的门槛。
附图说明
图1为本发明VR力反馈装置的三维立体结构示意图；
图2、图3和图4为本发明VR力反馈装置不同视角下的结构示意图；
图5、图6和图7分别为扭簧、弹簧棘轮、棘齿部分的结构示意图；
图8为本发明VR力反馈装置的部分放大结构示意图；
图9为本发明VR力反馈装置中涉及的核心硬件结构组织图。
附图标记：1-食指舵臂，2-食指舵机，3-棘轮舵机，4-旋转编码器，5-拇指舵臂，6-拇指舵机，7-扭簧，8-弹簧棘轮，9-棘齿，10-交错层舵机，11-食指交错层，12-拇指交错层，13- 大齿轮，14-拇指滑块，15-弹簧，16-超声波测距模块，17-运动传感器模块，18-Arduinonano 主板，19-底板，20-小齿轮，
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
如图1至图9所示，本发明提供一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置，包括食指舵臂1、食指舵机2、拇指舵臂5、拇指舵机6、扭簧7、交错层舵机10、旋转编码器 4、超声波测距模块16、运动传感器模块17、Arduino nano主板18和底板19，食指舵臂1与食指舵机2转动连接，食指舵机2与底板19的连接，底板19的上表面安装有棘轮舵机3和旋转编码器4，所述旋转编码器4通过旋转轴连接有小齿轮20；
底板19的上表面通过连接柱连接有若干食指交错层11，食指交错层11之间均设有拇指交错层12，食指交错层11通过轴杆与拇指交错层12活动连接形成铰链结构；拇指交错层12 底部安装有弹簧棘轮8，弹簧棘轮8中部设有连接孔，轴杆的底端依次穿过连接孔、扭簧7 并与底板19固定连接，弹簧棘轮8能够随着轴杆旋转；扭簧7的一端固定在拇指交错层12 底部，另一端与底板19固定；棘轮舵机3底端转动连接有棘齿9的一端，棘齿9的另一端用于与弹簧棘轮8卡接；
弹簧棘轮8由连接板、圆形齿盘构成，连接板与拇指交错层12固接，连接板下方通过空心圆柱体相连，空心圆柱体中部设置有连接孔。
拇指交错层12和食指交错层11上方的转轴上活动连接有大齿轮13，大齿轮13与小齿轮20啮合，食指交错层11的顶部安装有框架结构，通过框架结构安装有交错层舵机10，交错层舵机10的输出轴与转轴的顶端连接；
拇指交错层12的顶部与拇指舵机6连接，拇指舵机6与拇指舵臂5的一端连接，拇指舵臂5的另一端安装有超声波测距模块16，拇指舵臂5的一侧滑动连接有拇指滑块14，拇指滑块14上贯穿连接有弹簧15；拇指舵臂5的另一侧固定有Arduino nano主板18；
底板19的底部还安装有运动传感器模块17，旋转编码器4、运动传感器模块17和超声波测距模块16均通过线缆与Arduino nano主板18连接。
本实施例中，棘轮舵机3型号为SG90；超声波测距模块17的型号为HC-SR04；运动传感器模块的型号为MPU6050；此外小齿轮20的齿数为10，大齿轮13的齿数为40。
本发明VR力反馈装置整体形状为一个固定在拇指和食指的机器爪。其中拇指部分是一个可以握持的手柄。使用时，用户握持拇指手柄，拇指按压拇指手柄上检测距离的辅助拇指滑块，食指与中指放在食指舵臂下方的滑块上，其中食指滑块可根据用户手指长度调整。
使用时，用户握持拇指舵臂5，食指与中指放在食指舵臂1下方的滑块上。可根据用户手指长度调整滑块。由HC-SR04超声波测距模块16检测拇指滑块14位置，从而得到大拇指与手心之间的距离。捏取过程中拇指交错层12及大齿轮13转动，带动旋转编码器4，从而计算拇指和食指之间的夹角。将上述的大拇指手心距离和拇指食指夹角，与MPU6050运动传感器模块17中加速度计及陀螺仪测得的空间位置映射到虚拟空间中的虚拟手指。计算机根据虚拟手指压入虚拟物体的深度计算拇指和食指的反馈力，通过控制拇指与食指舵机的扭矩动态改变用户两指之间感受到的力。其中，当拇指或食指触碰到物体的瞬间，通过拇指舵机、食指舵机向外以不同的速度旋转固定的小角度如5度，可以模拟瞬时冲击力。捏取柔性物体时，弹簧棘轮8与扭簧7相互作用，渲染出一定的弹力，同时交错层舵机10与螺母挤压交错层，压缩各层根据接触的层数增加总摩擦力F＝μnpA，其中n为层数，p为压力，A为每层接触面积。通过压缩不同的距离可以使用户在弹力的基础上额外受到不同大小的摩擦力的作用，进而可使用户感受到不同的弹性系数物体。用户松手过程中，交错层之间没有压力，属于不对称渲染，但相关工作表明用户感知上没有很大的非真实感。捏取刚体时，棘齿9卡住弹簧棘轮8，用户无法向内捏取。这与日常生活捏取刚体的感知是相符的。
综上，本发明VR力反馈装置的工作流程如下：
使用时，用户握持拇指舵臂5，食指与中指放在食指舵臂1下方的滑块上。可根据用户手指长度调整滑块。由HC-SR04超声波测距模块16检测拇指滑块14位置，从而得到大拇指与手心之间的距离。捏取过程中拇指交错层12及大齿轮13转动，带动旋转编码器，从而计算拇指和食指之间的夹角。将上述的大拇指手心距离和拇指食指夹角，与MPU6050运动传感器模块17中加速度计及陀螺仪测得的空间位置映射到虚拟空间中的虚拟手指。计算机根据虚拟手指压入虚拟物体的深度计算拇指和食指的反馈力，通过控制拇指与食指舵机的扭矩动态改变用户两指之间感受到的力。其中，当拇指或食指触碰到物体的瞬间，通过拇指舵机、食指舵机向外以不同的速度旋转固定的小角度如5度，可以模拟瞬时冲击力。捏取柔性物体时，弹簧棘轮8与扭簧7相互作用，渲染出一定的弹力，同时交错层舵机10与螺母挤压交错层，压缩各层根据接触的层数增加总摩擦力F＝μnpA，其中n为层数，p为压力，A为每层接触面积。通过压缩不同的距离可以使用户在弹力的基础上额外受到不同大小的摩擦力的作用，进而可使用户感受到不同的弹性系数物体。用户松手过程中，交错层之间没有压力，属于不对称渲染，但相关工作表明用户感知上没有很大的非真实感。捏取刚体时，棘齿9卡住弹簧棘轮8，用户无法向内捏取。这与日常生活捏取刚体的感知是相符的。
力反馈设备作为人机交互的关键设备，需要精确地测量使用者手部的运动信息并输入到上位机，同时响应使用户可以感知到对应的反馈力。因为手指指尖的运动将会映射到虚拟空间中虚拟手指的运动，因此要求力反馈手柄在运动检测上的精度尽可能地高，以最大限度提高虚拟环境对现实场景的模拟再现水平。如图8所示，MPU6050运动传感器模块17位于力反馈装置中类似于手背的部分，在硬件DMP姿态结算的基础上进行磁力计矫正，将它们综合起来相互修正误差，让最终的运算结果更准确，测得手部整体的三自由度加速度和三自由度旋转角度。使用位于拇指舵臂的上HC-SR04超声波测距模块测量拇指滑块的位置，间接获取手心中大拇指的位置。进行捏取操作时位于虎口处的40齿齿轮啮合带动旋转编码器连接的 10齿齿轮，测量拇指食指之间代表弯曲程度的夹角。此外本实施例中还在食指舵臂上安装食指滑块和压力传感器，压力传感器设置在食指滑块右侧，压力传感器用于感知中指指腹是否按压在其上，负责二指三指操作状态的转换。进行三指操作时，中指和食指一起按压食指舵臂下方的可调节滑块，中指指腹可以按压到固定在上方的压力传感器模块，实现二指和三指交互之间的切换，增加可以渲染的不同手势。
Arduino nano与Unity3D进行串口通信，根据以上四个输入元件实时更新虚拟手的位置姿态与手势信息。计算机计算当前手部和虚拟物体嵌入距离并计算出对应的冲击力和阻力，将对应舵机信号传回给Arduino nano.Arduino nano使用脉宽调制PWM信号控制四个舵机的运动，输出对应的力反馈。
当运动的角度很小时，启动时间很短，将它近似为从零开始的匀加速运动，即食指舵机和拇指舵机运行时的切线加速度与控制电机角速度成正比。因此本发明将拇指和食指冲击力的反馈转换为对应舵机不同速度下的固定5度范围内的移动。捏取柔体，如果反馈力是人手理论可以达到的强度，扭簧棘轮与扭簧相互作用，渲染出一定的弹力，同时交错层处丝杆舵机与螺母挤压交错层，增加总摩擦力其中n为层数，p为压力，A为每层接触面积。当计算得出的反馈力大于理论上人手所能提供的最大捏力或捏取刚性物体时，SG90棘轮舵机移动舵臂使棘齿卡住弹簧棘轮，限制手指的进一步移动来停止变形。这与日常生活捏取刚体的感知是相符的。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置，其特征在于，包括食指舵臂(1)、食指舵机(2)、拇指舵臂(5)、拇指舵机(6)、扭簧(7)、交错层舵机(10)、旋转编码器(4)、超声波测距模块(16)、运动传感器模块(17)、Arduino nano主板(18)和底板(19)，所述食指舵臂(1)与食指舵机(2)转动连接，食指舵机(2)与底板(19)的连接，所述底板(19)的上表面安装有棘轮舵机(3)和旋转编码器(4)，所述旋转编码器(4)通过旋转轴连接有小齿轮(20)；
所述底板(19)的上表面通过连接柱连接有若干食指交错层(11)，所述食指交错层(11)之间均设有拇指交错层(12)，所述食指交错层(11)通过轴杆与所述拇指交错层(12)活动连接形成铰链结构；拇指交错层(12)底部安装有弹簧棘轮(8)，弹簧棘轮(8)中部设有连接孔，所述轴杆的底端依次穿过所述连接孔、扭簧(7)并与底板(19)固定连接；所述扭簧(7)的一端固定在拇指交错层(12)底部，另一端与底板(19)固定；所述棘轮舵机(3)底端转动连接有棘齿(9)的一端，棘齿(9)的另一端用于与弹簧棘轮(8)卡接；
拇指交错层(12)和食指交错层(11)上方的转轴上活动连接有大齿轮(13)，所述大齿轮(13)与所述小齿轮(20)啮合，所述食指交错层(11)的顶部安装有框架结构，通过所述框架结构安装有所述交错层舵机(10)，所述交错层舵机(10)的输出轴与转轴的顶端连接；
所述拇指交错层(12)的顶部与所述拇指舵机(6)连接，所述拇指舵机(6)与拇指舵臂(5)转动连接，拇指舵臂(5)的另一端安装有超声波测距模块(16)，所述拇指舵臂(5)的一侧滑动连接有拇指滑块(14)，所述拇指滑块(14)上贯穿连接有弹簧(15)；拇指舵臂(5)的另一侧固定有Arduino nano主板(18)；
所述底板(19)的底部还安装有运动传感器模块(17)，所述旋转编码器(4)、运动传感器模块(17)和超声波测距模块(16)均通过线缆与所述Arduino nano主板(18)连接。
2.根据权利要求1所述一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置，其特征在于，所述弹簧棘轮(8)由连接板、圆形齿盘构成，所述连接板与拇指交错层(12)固接，连接板下方通过空心圆柱体相连，空心圆柱体中部设置有所述连接孔。
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2022
- 2022-01-18 CN CN202210056742.0A patent/CN114452640B/zh active Active
Patent Citations (6)
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| Publication number | Publication date |
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