CN1696872A - 一种触觉反馈数据手套 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及计算机技术领域，是一种具有触觉反馈功能的数据手套。该手套设有弯曲传感器，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。本发明能把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。本发明使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感。并为操作者提供了一种通用、直接的人机交互方式，特别适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，涉及人机交互接口，是一种虚拟现实系统中的人机接触交互接口，机器人遥操作领域中的力觉临场感系统。
技术背景
在现实世界中，手是人类与外界进行交互的重要手段。人们用手来抓取物体，表达思想，感知物质世界。然而，在虚拟现实发展的早期，面对计算机所生成的虚拟物体，由于缺乏必要的人机交互接口，人们不得不借助键盘、鼠标、操纵杆等外设来操纵它们。这样不但大大降低了操作者沉浸感，而且也禁锢了操作者的双手。如果能够把操作者的手势输入给计算机，并从计算机中得到触觉反馈信息，操作者就可以象在日常生活中那样自然地、灵活地操纵计算机所生成的虚拟物体。
研究者已经对基于人手的人机交互接口做了大量的研究。在研究初期，为了能让计算机“感知”人手的动作和姿态，研究者的主要研究对象是基于机械方式和基于手套方式的手势输入系统。机械式系统中比较有代表意义的是Dextrious HandMaster，手套式输入装置中比较成功的有digital data entry glove，Nintendo/Mattel PowerGlove，VPLDataglove，5th Glove，以及CyberGloveTM等。随着技术的发展，一些研究者采用计算机视觉来识别人的手势，这种方法可以使操作者摒弃了交互设备的约束，彻底解放双手，但是计算机视觉所固有的遮挡问题还不能得到很好地解决。此外，利用计算机视觉对复杂手势的识别也难以解决实时性问题。因此，人们又重新把目光投向了基于手套方式及机械方式的输入系统的研究和应用。
具有力觉反馈功能是这一类人机交互接口的另一个重要的方面。但是由于此类系统在实现上难度较大，所以能够进入实用阶段的只有很少的一部分，例如FEELItTM mouse，PHANToMTM arm，CyberTouchTM以及CyberGraspTM等。在虚拟现实系统中，如果能让操作者的手在操纵虚拟物体时通过力觉反馈装置感受到其反作用力，将大大增强操作者的沉浸感。力觉反馈装置根据其反馈方式可分为形状再现式和表面刺激式两大类。形状再现式主要有气动式(如气囊、气环)、机电式、形状记忆合金、压电阵列式等。其中应用较为广泛的有RMI，RMII，PHANToMTM六自由度操作器，CybergraspTM等。
虚拟现实系统中对手臂的空间位姿的跟踪是十分重要的。常用的有电磁跟踪系统、光学跟踪系统、基于倾角传感器的姿态跟踪系统等。在这些系统中，采用电磁跟踪可以精确地跟踪位姿，但是易受周围磁场及铁磁物质的干扰，其高昂的价格也限制它的广泛应用。光学跟踪系统虽然也可以获得非常高的位姿精度，但是它的系统结构复杂，测量范围也受到一定程度的限制。而各式各样的倾角传感器以其体积小、重量轻、接口简单、价格便宜等优势被广泛应用在了姿态测量系统中。
发明内容
本发明的目的是为姿态测量系统提供一种轻巧、简单的数据手套，其具有触觉反馈功能，性能可靠、精度高、使用范围广范。
本发明的另一目的是提供一种数据手套，它不但能把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者，而且能够把人手的姿态准确实时地传递给虚拟环境。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种具有触觉反馈功能的数据手套，是用于虚拟现实系统中的人机接触交互接口，其基于力敏原理，手套设有弯曲传感器。
所述触觉反馈数据手套，其所述弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，并通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板的大部分，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。
所述触觉反馈数据手套，其所述的弯曲传感器安装在手套内部对应于手、指关节弯曲的部位，用于检测手部主要关节的弯曲角度。
所述触觉反馈数据手套，其所述弯曲传感器根据需要确定数量。
所述触觉反馈数据手套，其所述导线互不相连的金属导线，且互相平行或相互交错。
所述触觉反馈数据手套，包括：
数个安装于手套内部的弯曲传感器；
数个触觉反馈振动单元；
一个基于DSP的信号采集与控制单元，包含五个部分：弯曲传感器信号转换电路、倾角传感器、串行通讯端口、触觉反馈驱动电路、数字信号处理器，该五部分电连接；其中，弯曲传感器电连接于弯曲传感器信号转换电路至数字信号处理器的A/D输入端口、触觉反馈振动单元电连接于触觉反馈驱动电路、倾角传感器电连接于数字信号处理器的CAP输入端口，信号采集与控制单元的串行通讯端口通过计算机串行通讯接口与计算机相连；信号采集与控制单元设于手套外部的腕部上方。
所述触觉反馈数据手套，其所述的振动单元安装在手指的末端指腹部，在控制单元的驱动下，输出各种模式的触觉反馈信号。
所述触觉反馈数据手套，其所述的倾角传感器采用基于MEMS技术的双轴加速度计ADXL202，用于检测手臂的倾角。
所述触觉反馈数据手套，其所述的基于DSP的信号采集与控制单元实时采集弯曲传感器及倾角传感器的输出信号，进行滤波处理后通过串行端口传递给虚拟现实系统；当虚拟手与虚拟物体发生接触时，触觉信息通过串行端口传递给控制单元，使其输出相应的触觉反馈。
本发明采用了一种新型的弯曲传感器来完成对手部关节的测量来实现手势的输入。
本发明采用特定的振动方式为操作者提供触觉反馈。
本发明使用基于MEMS技术的倾角传感器来检测手臂的姿态。使用这种传感器虽然不能获得位置信息，但是操作者可以通过姿态与手势的配合来实现虚拟手在虚拟环境中的运动。
附图说明
图1为本发明的弯曲传感器结构；
图2为本发明的弯曲传感器测量电路；
图3为本发明的传感器布局图；
图4为本发明的振动式触觉反馈单元；
图5为本发明的数据采集与控制单元。
具体实施方式
弯曲传感器技术是数据手套的核心技术，要求其应具有轻巧，柔性好，可靠性高等特点。本发明采用的是基于力敏原理的弯曲传感器。图1所示的是这种传感器的结构图，这种新型弯曲传感器主要由以下三个部分组成：力敏材料1、柔性电路板2、弹性封装材料3。在片状条形的柔性电路板2上设有两根互相平行的铜导线4，以力敏材料1包覆于柔性电路板2的大部分，再在力敏材料1上包覆一层弹性封装材料3，柔性电路板2留任一端在外，以便导线4与外电路连接。
力敏材料1是该传感器的敏感元件，它覆盖在具有两行互相平行铜导线4的柔性电路板2上。弯曲传感器的最外层包裹了一层弹性材料3，当弯曲传感器被弯曲时，外层弹性封装材料3发生弹性形变，从而在传感器内部产生施加在力敏材料1上的应力，力敏材料1的阻值因此而发生改变。这种阻值的变化可以通过与平行导线4相连的外部信号转换电路变换成电信号输出。该传感器具有如下特性：
1)柔韧
该弯曲传感器所采用的所有材料都具有很好的柔性，所以它易于弯曲，不会影响手部关节的活动。
2)轻巧
该传感器的厚度为1.2mm，根据需要可以制作成不同的尺寸，因为轻巧，所以将其作为数据手套的传感器不会给穿戴者感到任何不适。
3)可靠
本发明采用的弯曲传感器可以经受数万次的弯曲而保持完好。
在实际应用中，该弯曲传感器可以被简化成一个可变电阻模型。图2所示的是电路原理图。把弯曲传感器连接在一个恒压源上时，传感器的弯曲的变化使得其阻值发生改变，从而改变跟随器的电压输出值，弯曲角度越大其电压输出值也越大。如果让弯曲传感器保持某种角度不变，电压输出将保持恒定。弯曲传感器的输入输出关系具有较好的线性度，根据弯曲传感器输出的初始值和极限值以及其所对应的弯曲角度就可以通过线性插值得出弯曲传感器输入输出关系，并把这种关系应用到关节角度的测量之中。测量之前，经过适当的标定程序可以获得较高的测量精度。
图3是弯曲传感器的布局图。本发明是在一个手套内部安装16个弯曲传感器，其中的10个弯曲传感器用于检测大拇指的IP、MP关节及其它四指的PIP和MCP关节；4个弯曲传感器用于检测相邻手指间的夹角；另外2个弯曲传感器分别用于检测手掌及腕关节的弯曲角度。这些弯曲传感器可以把人手的主要关节的角度测量出来。通过图5中的数据采集与控制单元实时采集这些传感器的输出，再经过滤波、计算后通过串行通讯口传递给虚拟现实系统，使虚拟手实时准确地跟随操作者手势的变化。
图4所示的为振动式触觉反馈单元。该振动单元包含一个圆柱形外壳和一个底座。圆柱体内内置了一个微型的振动电机。振动电机的直径为6mm，最高转速达7200转/分钟。本发明采用的振动单元体积较小，可以安装在指腹部位，这种布局与人手接触物体产生触觉的部位一致。另外，振动单元有一个弧形底座，它增大了振动单元与人手皮肤的接触面积，使得人手的感觉更加真切。通过对电机电流的控制，可以使振动式触觉反馈单元模拟出三种感觉：弹击、触摸和机械振动。采用基于振动的触觉反馈方式可以大大增强虚拟现实系统中操作者的沉浸感。
本发明采用了基于MEMS技术的双轴加速度计ADXL202作为倾角传感器。这种传感器具有体积小，测量范围大，精度高等特点。本发明中的微处理器根据ADXL202的两个测量轴的数字输出量求得手臂的俯仰角和滚动角，并传递给虚拟现实系统。
图5所示的是本发明的数据采集与控制单元。它主要包含五个部分：弯曲传感器信号转换电路、倾角传感器、串行通讯端口、触觉反馈驱动电路、TMS320LF2407 DSP(数字信号处理器)，该五部分电连接；其中，其中，弯曲传感器电连接于弯曲传感器信号转换电路至数字信号处理器的A/D输入端口、触觉反馈振动单元电连接于触觉反馈驱动电路、倾角传感器电连接于数字信号处理器的CAP输入端口，信号采集与控制单元的串行通讯端口通过计算机串行通讯接口与计算机相连；信号采集与控制单元设于手套外部的腕部上方。
DSP是整个系统的核心处理单元，它把16路弯曲传感器信号转换电路的输出及ADXL202两个测量轴的输出分别通过A/D转换单元和CAP端口采集到处理器内部，经过数字滤波后通过串行通讯口把传感器的当前采样值传递给运行虚拟现实系统的计算机或工作站。当虚拟手与虚拟物体发生作用时，计算机或工作站通过串行通讯口把反馈信息传递给DSP，由DSP驱动触觉反馈单元的振动电机给操作者以触觉反馈。
本发明的具有触觉反馈功能的数据手套，既可以从计算机取电，也可以外接电源。从计算机直接取电对用户来说更加方便一些。
Claims (9)
1.一种具有触觉反馈功能的数据手套，是用于虚拟现实系统中的人机接触交互接口，其特征在于：基于力敏原理，手套设有弯曲传感器。
2.如权利要求1所述触觉反馈数据手套，其特征在于：所述弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，并通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板的大部分，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。
3.如权利要求1或2所述触觉反馈数据手套，其特征在于：所述的弯曲传感器安装在手套内部对应于手、指关节弯曲的部位，用于检测手部主要关节的弯曲角度。
4.如权利要求1或2所述触觉反馈数据手套，其特征在于：所述弯曲传感器根据需要确定数量。
5.如权利要求1或2所述触觉反馈数据手套，其特征在于：所述导线为互不相连的金属导线，且互相平行或相互交错。
6.如权利要求1所述触觉反馈数据手套，其特征在于：包括：
数个安装于手套内部的弯曲传感器；
数个触觉反馈振动单元；
一个基于DSP的信号采集与控制单元，包含五个部分：弯曲传感器信号转换电路、倾角传感器、串行通讯端口、触觉反馈驱动电路、数字信号处理器，该五部分电连接；其中，弯曲传感器电连接于弯曲传感器信号转换电路至数字信号处理器的A/D输入端口、触觉反馈振动单元电连接于触觉反馈驱动电路、倾角传感器电连接于数字信号处理器的CAP输入端口，信号采集与控制单元的串行通讯端口通过计算机串行通讯接口与计算机相连；信号采集与控制单元设于手套外部的腕部上方。
7、如权利要求6所述触觉反馈数据手套，其特征在于，所述的振动单元安装在手指的末端指腹部，在控制单元的驱动下，输出各种模式的触觉反馈信号。
8、如权利要求6所述触觉反馈数据手套，其特征在于，所述的倾角传感器采用基于MEMS技术的双轴加速度计ADXL202，用于检测手臂的倾角。
9、如权利要求6所述触觉反馈数据手套，其特征在于，所述的基于DSP的信号采集与控制单元实时采集弯曲传感器及倾角传感器的输出信号，进行滤波处理后通过串行端口传递给虚拟现实系统；当虚拟手与虚拟物体发生接触时，触觉信息通过串行端口传递给控制单元，使其输出相应的触觉反馈。
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