CN115273593B - 一种基于外骨骼重量反馈的vr货物搬运系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，包括VR设备、机械臂和控制终端；VR设备用于将用户握持手柄的空间位置上传至控制终端；控制终端用于获取交互货物的重量数据；机械臂用于向用户手臂施加重量，采集压力数据；主控制器用于将重量数据和压力数据进行比对，并根据比对结果控制驱动机构带动弹性滑动部动作以调节拉力，实现用户手臂处模拟的重量与虚拟场景中搬运的货物重量之间的实时同步。本发明中的设备结构简单，安全稳定；通过压力传感器实时获取用户手部的重量情况，做到实时与虚拟仿真场景中的重量同步，系统整体较为轻便，对使用者体验影响较小；此外，本系统耗电较小，能源消耗较低，成本较低。

Description

一种基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统

技术领域

本发明属于VR货物搬运技术领域，具体涉及一种基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统。

背景技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的模拟仿真环境，用户通过佩戴VR设备可以与仿真环境中的物品进行交互，产生身临其境的感受，因此该技术被广泛应用到日常生活和工作中。

在物流领域，现有的教学或培训方法还停留在书面教学或让学生去到真实的物流仓储环境中进行实地教学培训，但书面教学方法无法让学生真实体验到物流货物搬运的感受，导致教学效果不佳；而实地教学培训则会人力、物力和时间成本较高，造成资源浪费。

基于上述，本发明拟提出一种应用于物流货物搬运的VR系统，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，用于解决现有技术中存在的至少一个技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供一种基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，包括VR设备、机械臂和控制终端，所述VR设备和所述机械臂分别与所述控制终端通信连接；

所述VR设备用于向用户呈现控制终端处理后的视觉画面，以便用户基于画面与虚拟场景中的若干货物进行交互，同时还用于将用户握持的手柄的空间位置信息上传至控制终端；

所述控制终端用于在交互过程中，当检测到用户握持的手柄的空间位置与虚拟货物的空间位置产生重叠，则获取当前交互货物的重量数据并发送至所述机械臂；

所述机械臂包括佩戴于用户手臂的臂主体，所述臂主体上设有主控制器以及与所述主控制器电连接的驱动机构，所述驱动机构上设有可沿所述臂主体长度方向滑动的弹性滑动部，所述弹性滑动部上设有压力传感器，所述压力传感器用于采集所述弹性滑动部上的压力数据并发送至所述主控制器；所述主控制器用于将所述重量数据和所述压力数据进行比对，并根据比对结果控制所述驱动机构带动所述弹性滑动部动作，以使用户手臂处模拟的重量与虚拟场景中搬运的货物重量同步。

在一种可能的设计中，所述控制终端为虚拟场景中的每一货物分别设有一蓝图模块，每一蓝图模块中设有数据存储单元，所述数据存储单元用于存储对应货物的重量信息。

在一种可能的设计中，所述数据存储单元采用浮点型数据形式存储对应货物的重量信息。

在一种可能的设计中，在当用户空间位置和货物空间位置一致，获取当前交互货物的重量数据并发送至所述机械臂时，所述控制终端具体用于：

将当前交互货物对应的蓝图模块进行激活，获取被激活蓝图模块中的货物的重量信息，计算各货物总的重量数据，并将总的重量数据发送至所述主控制器。

在一种可能的设计中，所述臂主体包括第一臂杆和第二臂杆，所述第一臂杆和所述第二臂杆铰接，所述第一臂杆一侧设有步进电机，所述步进电机的输出轴上设有所述弹性滑动部；所述第二臂杆的一端设有弧形臂套，所述弧形臂套与用户手腕处适配。

在一种可能的设计中，所述弹性滑动部包括设于所述步进电机输出轴上的滑块，所述滑块连接于可沿所述第一臂杆和所述第二臂杆长度方向滑动的弹性拉绳的一端，所述弹性拉绳的另一端连接至所述第二臂杆的一侧；所述弹性拉绳与所述滑块连接处设有所述压力传感器。

在一种可能的设计中，所述第一臂杆和所述第二臂杆之间设有转轴，所述转轴上设有导向轮，所述导向轮与所述弹性拉绳滑动配合。

在一种可能的设计中，所述步进电机的输出轴端部设有限位块，所述限位块用于对所述滑块进行限位。

在一种可能的设计中，在根据比对结果控制所述驱动机构带动所述弹性滑动部动作时，所述主控制器具体用于：

若所述重量数据的数值小于所述压力数据的数值，则控制所述步进电机带动所述滑块向靠近所述第一臂杆的一端移动，以减小用户手臂处模拟的重量；

若所述重量数据的数值大于所述压力数据的数值，则控制所述步进电机带动所述滑块向远离所述第一臂杆的一端移动，以增大用户手臂处模拟的重量。

在一种可能的设计中，所述控制终端与所述主控制器通过串口进行通信。

本发明相较于现有技术的有益效果为：

本发明通过VR设备来供用户与虚拟场景的货物进行交互，通过控制终端获取用户空间位置和货物空间位置，当二者空间位置重叠时，则获取货物预设的重量数据并发送至主控制器；同时，通过佩戴于用户手臂上的机械臂的弹性滑动部的滑动，来模拟向用户手臂施加不同大小的重量；则控制器通过获取重量数据和弹性滑动部的压力数据并进行比对，可根据比对结果控制驱动机构带动弹性滑动部动作，以使用户手臂处模拟的重量与虚拟场景中搬运的货物重量同步，达到货物搬运模拟训练的效果。即本发明通过机械力的形式用简单的结构实现了VR虚拟场景中用户手持物体重量的模拟，其结构简单，安全稳定；通过压力传感器实时获取用户手部的重量情况，做到实时与虚拟仿真场景中的重量同步，系统整体较为轻便，对用户体验影响较小；此外，本系统耗电较小，能耗较低，成本较低。

附图说明

图1为本实施例中的机械臂的立体结构图；

图2为本实施例中的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统的结构框图。

其中，1-VR设备；2-机械臂；21-臂主体；211-第一臂杆；212-第二臂杆；22-步进电机；221-输出轴；23-滑块；24-弹性拉绳；25-压力传感器；26-传动轴；27-导向轮；28-限位块；29-弧形臂套；3-控制终端；31-蓝图模块；32-数据存储单元；4-主控制器。

具体实施方式

为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中的货物搬运书面教学方法无法让学生真实体验到物流货物搬运的感受，导致教学效果不佳；而实地教学培训则会人力、物力和时间成本较高，造成资源浪费的技术问题，本申请提出了一种基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，该系统通过VR设备来供用户与虚拟场景的货物进行交互，通过控制终端获取用户空间位置和货物空间位置，当二者空间位置重叠时，则获取货物预设的重量数据并发送至主控制器；同时，通过佩戴于用户手臂上的机械臂的弹性滑动部的滑动，来模拟向用户手臂施加不同大小的重量；当检测到用户握持的手柄的空间位置与虚拟货物的空间位置产生重叠，则控制器通过获取重量数据和弹性滑动部的压力数据并进行比对，可根据比对结果控制驱动机构带动弹性滑动部动作，以使用户手臂处模拟的重量与虚拟场景中搬运的货物重量同步，达到货物搬运模拟训练的效果。以下通过具体实施例对该系统进行详细说明。

实施例

如图1和图2所示，本发明提供一种基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，包括VR设备1、机械臂2和控制终端3，所述VR设备1和所述机械臂2分别与所述控制终端3通信连接，优选的，所述机械臂2设有主控制器4，主控制器4与控制终端3通过串口进行通信，所述控制终端3包括但不限于台式电脑、平板电脑和工业计算机等；

所述VR设备1用于向用户呈现控制终端处理后的视觉画面，以便用户基于画面与虚拟场景中的若干货物进行交互，同时还用于将用户握持的手柄的空间位置信息上传至控制终端；

其中，需要说明的是，所述VR设备包括显示器、系统、感应器、控制手柄和外设场景等组成部分，该显示器可以输入用户的空间旋转、空间移动等空间变换信息，还可以输入两个控制手柄的空间变换信息发送给终端电脑。

所述控制终端3用于在交互过程中，当检测到用户握持的手柄的空间位置与虚拟货物的空间位置产生重叠，则获取当前交互货物的重量数据并发送至所述机械臂2；

具体的，本实施例中的用户与货物交互需要满足两个条件：1.用户按下了VR设备控制手柄上的交互按键，即发生了交互；2.虚拟场景中用户的手部（空间信息由VR设备的控制手柄传递给控制终端）网格体与货物在虚拟场景中的网格体发生重叠或碰撞，即可认为用户将货物搬运抬起。

所述机械臂2包括佩戴于用户手臂的臂主体21，所述臂主体21上设有主控制器4以及与所述主控制器4电连接的驱动机构，所述驱动机构上设有可沿所述臂主体21长度方向滑动的弹性滑动部，所述弹性滑动部上设有压力传感器25，所述压力传感器25用于采集所述弹性滑动部上的压力数据并发送至所述主控制器4；所述主控制器4用于将所述重量数据和所述压力数据进行比对，并根据比对结果控制所述驱动机构带动所述弹性滑动部动作，以使用户手臂处模拟的重量与虚拟场景中搬运的货物重量同步；优选的，所述压力传感器25采用双应变片4压力电阻的全桥式电路，用于提高测量精度；更优选的，所述主控制器4通过HX711转换芯片将压力传感器25的模拟信号转换为数字信号，以供控制器对数据进行处理；优选的，所述主控制器4采用单片机；

具体的，需要说明的是，所述控制终端3中设有基于UNREAL引擎开发的VR模拟程序软件，该程序软件与机械臂2的主控制器4通过串口进行通信，则在初次建立与机械臂2主控制器4的连接时，程序启动后用户可选择机械臂2连接功能，并在用户界面中输入机械臂2连接的信息，包括但不限于机械臂2主控制器4的串口号和波特率等，建立通信之后，用户即可基于VR设备11和机械臂22进行货物搬运训练。

基于上述公开的内容，本实施例通过机械力的形式用简单的结构实现了VR虚拟场景中用户手持物体重量的模拟，其结构简单，安全稳定；通过压力传感器25实时获取用户手部的重量情况，做到实时与虚拟仿真场景中的重量同步，系统整体较为轻便，对用户体验影响较小；此外，本系统耗电较小，能耗较低，成本较低。

在一种具体的实施方式中，所述控制终端3为虚拟场景中的每一货物分别设有一蓝图模块31，即每一需要交互的货物均单独设置有一蓝图模块31，每一蓝图模块31中设有数据存储单元32，所述数据存储单元32用于存储对应货物的重量信息；优选的，所述数据存储单元32采用浮点型数据形式存储对应货物的重量信息；其中，所述浮点型变量包括单精度浮点型变量或双精度浮点型变量，此处不对该数据类型进行具体限定。

在一种具体的实施方式中，在当用户空间位置和货物空间位置一致，获取当前交互货物的重量数据并发送至所述机械臂2时，所述控制终端3具体用于：

将当前交互货物对应的蓝图模块31进行激活，获取被激活蓝图模块31中的货物的重量信息，计算各货物总的重量数据，并将总的重量数据发送至所述主控制器4。

其中，需要说明的是，当用户没有与虚拟场景的货物进行交互时，此时控制终端返回给机械臂主控的重量数据为零。

具体的，当用户与至少一个货物进行交互时（即用户按下VR设备1的手柄控制器后进行交互）并抬起货物时，程序软件将自动激活各货物对应的蓝图模块31，通过获取每一被激活的蓝图模块31中的重量信息，并利用主函数计算得到总的重量数据，即可获知用户在虚拟场景中搬运货物的总的重量数据，将该总的重量数据以浮点型数据形式发送至主控制器4，以供主控制器4基于该总的重量数据对机械臂2上施加的拉力进行实时调节，保证用户手部模拟重量与虚拟场景中的货物总重量数据一致。

在一种具体的实施方式中，所述臂主体21包括第一臂杆211和第二臂杆212，所述第一臂杆211和所述第二臂杆212铰接，所述第一臂杆211一侧设有步进电机22，所述步进电机22的输出轴221上设有所述弹性滑动部；所述第二臂杆212的一端设有弧形臂套29，所述弧形臂套29与用户手腕处适配；优选的，所述弧形臂为一弹性圆环，从而可以将机械臂22主体牢固佩戴于用户手臂处，防止脱落；优选的，所述弹性滑动部包括设于所述步进电机22输出轴221上的滑块23，所述滑块23连接于可沿所述第一臂杆211和所述第二臂杆212长度方向滑动的弹性拉绳24的一端，所述弹性拉绳24的另一端连接至所述第二臂杆212的一侧，具体的，所述第二臂杆212上设有第一通孔，所述滑块23上设有第二通孔，所述弹性拉绳24两端分别穿过第一通孔和第二通孔，实现与滑块23和第二臂杆212的紧固连接，则所述步进电机22在所述主控制器4的控制下，可驱动所述滑块23在所述传输轴上进行滑动，从而调节所述弹性拉绳24上的拉力，进而改变施加在用户手臂处的重量；所述弹性拉绳24与所述滑块23连接处设有所述压力传感器25；从而可以准确采集弹性拉绳24上的拉力数据；优选的，所述第一臂杆211和所述第二臂杆212之间设有转轴，所述转轴上设有导向轮27，所述导向轮27与所述弹性拉绳24滑动配合，从而可以使得弹性拉绳24上的力始终沿着第一臂杆211和第二臂杆212的长度方向进行施加，以真实模拟人体手部提拉重物的场景；优选的，所述步进电机22的输出轴221端部设有限位块28，所述限位块28用于对所述滑块23进行限位；从而可以将滑块23的滑动距离控制在步进电机22的输出轴221两端之间，防止滑块23过度位移。

在一种可具体的实施方式中，在根据比对结果控制所述驱动机构带动所述弹性滑动部动作时，所述主控制器4具体用于：

若所述重量数据的数值小于所述压力数据的数值，即此时虚拟场景中搬运的货物重量小于用户手部施加的重量，则控制所述步进电机22带动所述滑块23向靠近所述第一臂杆211的一端移动，即减小弹性拉绳24上的拉力，进而减小用户手臂处模拟的重量，以保证实际施加的手部重量与虚拟场景中搬运货物重量一致，达到训练的目的；

若所述重量数据的数值大于所述压力数据的数值，即此时虚拟场景中搬运的货物重量大于用户手部施加的重量，则控制所述步进电机22带动所述滑块23向远离所述第一臂杆211的一端移动，即增大弹性拉绳24上的拉力，进而增大用户手臂处模拟的重量，以保证实际施加的手部重量与虚拟场景中搬运货物重量一致，达到训练的目的。

基于上述公开的内容，本实施例通过VR设备1来供用户与虚拟场景的货物进行交互，通过控制终端3获取用户空间位置和货物空间位置，当二者空间位置重叠时，则获取货物预设的重量数据并发送至主控制器4；同时，通过佩戴于用户手臂上的机械臂2的弹性滑动部的滑动，来模拟向用户手臂施加不同大小的重量；则控制器通过获取重量数据和弹性滑动部的压力数据并进行比对，可根据比对结果控制驱动机构带动弹性滑动部动作，以使用户手臂处模拟的重量与虚拟场景中搬运的货物重量同步，达到货物搬运模拟训练的效果。即本发明通过机械力的形式用简单的结构实现了VR虚拟场景中用户手持物体重量的模拟，其结构简单，安全稳定；通过压力传感器25实时获取用户手部的重量情况，做到实时与虚拟仿真场景中的重量同步，系统整体较为轻便，对用户体验影响较小；此外，本系统耗电较小，能耗较低，成本较低。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，包括VR设备（1）、机械臂（2）和控制终端（3），所述VR设备（1）和所述机械臂（2）分别与所述控制终端（3）通信连接；

所述VR设备（1）用于向用户呈现控制终端处理后的视觉画面，以便用户基于画面与虚拟场景中的若干货物进行交互，同时还用于将用户握持的手柄的空间位置信息上传至控制终端；

所述控制终端（3）用于在交互过程中，当检测到用户握持的手柄的空间位置与虚拟货物的空间位置产生重叠，则获取当前交互货物的重量数据并发送至所述机械臂（2）；

所述机械臂（2）包括佩戴于用户手臂的臂主体（21），所述臂主体（21）上设有主控制器（4）以及与所述主控制器（4）电连接的驱动机构，所述驱动机构上设有可沿所述臂主体（21）长度方向滑动的弹性滑动部，所述弹性滑动部上设有压力传感器（25），所述压力传感器（25）用于采集所述弹性滑动部上的压力数据并发送至所述主控制器（4）；所述主控制器（4）用于将所述重量数据和所述压力数据进行比对，并根据比对结果控制所述驱动机构带动所述弹性滑动部动作，以使用户手臂处模拟的重量与虚拟场景中搬运的货物重量同步。

2.根据权利要求1所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，所述控制终端（3）为虚拟场景中的每一货物分别设有一蓝图模块（31），每一蓝图模块（31）中设有数据存储单元（32），所述数据存储单元（32）用于存储对应货物的重量信息。

3.根据权利要求2所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，所述数据存储单元（32）采用浮点型数据形式存储对应货物的重量信息。

4.根据权利要求2所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，在当检测到用户握持的手柄的空间位置与虚拟货物的空间位置产生重叠，则获取当前交互货物的重量数据并发送至所述机械臂（2）时，所述控制终端（3）具体用于：

将当前交互货物对应的蓝图模块（31）进行激活，获取被激活蓝图模块（31）中的货物的重量信息，计算各货物总的重量数据，并将总的重量数据发送至所述主控制器（4）。

5.根据权利要求1所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，所述臂主体（21）包括第一臂杆（211）和第二臂杆（212），所述第一臂杆（211）和所述第二臂杆（212）铰接，所述第一臂杆（211）一侧设有步进电机（22），所述步进电机（22）的输出轴（221）上设有所述弹性滑动部；所述第二臂杆（212）的一端设有弧形臂套（29），所述弧形臂套（29）与用户手腕处适配。

6.根据权利要求5所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，所述弹性滑动部包括设于所述步进电机（22）输出轴（221）上的滑块（23），所述滑块（23）连接于可沿所述第一臂杆（211）和所述第二臂杆（212）长度方向滑动的弹性拉绳（24）的一端，所述弹性拉绳（24）的另一端连接至所述第二臂杆（212）的一侧；所述弹性拉绳（24）与所述滑块（23）连接处设有所述压力传感器（25）。

7.根据权利要求6所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，所述第一臂杆（211）和所述第二臂杆（212）之间设有转轴，所述转轴上设有导向轮（27），所述导向轮（27）与所述弹性拉绳（24）滑动配合。

8.根据权利要求6所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，所述步进电机（22）的输出轴（221）端部设有限位块（28），所述限位块（28）用于对所述滑块（23）进行限位。

9.根据权利要求6所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，在根据比对结果控制所述驱动机构带动所述弹性滑动部动作时，所述主控制器（4）具体用于：

若所述重量数据的数值小于所述压力数据的数值，则控制所述步进电机（22）带动所述滑块（23）向靠近所述第一臂杆（211）的一端移动，以减小用户手臂处模拟的重量；

若所述重量数据的数值大于所述压力数据的数值，则控制所述步进电机（22）带动所述滑块（23）向远离所述第一臂杆（211）的一端移动，以增大用户手臂处模拟的重量。

10.根据权利要求1所述的基于外骨骼重量反馈的VR货物搬运系统，其特征在于，所述控制终端（3）与所述主控制器（4）通过串口进行通信。