CN206431575U - 一种力反馈全身动作捕捉器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于动作捕捉技术领域，具体为一种力反馈全身动作捕捉器。包括身体控制系统、上肢控制系统和下肢控制系统；身体控制系统为人体身体固定装置，包括背部脊椎支撑件、腰部支撑件、肩部挂接件和胸部固定件；背部脊椎支撑件包括横向设置的用于支撑在人体后背的背板和竖向设置的用于支撑在人体脊椎的脊椎模拟板；腰部支撑件有两块，设置于脊椎模拟板底端左右两侧，能抵住后腰两侧；本实用新型结构简单，可以使用市面上常见的伺服舵机实现功能，进一步降低成本。使用时，操作人穿上动作捕捉器，接入虚拟现实的游戏接入设备，让软件模拟的物体通过该手能真实感觉到抓握感，以及腿部行走和踢打感。

Description

一种力反馈全身动作捕捉器

技术领域

本实用新型属于动作捕捉技术领域，具体涉及一种力反馈全身动作捕捉器。

背景技术

如今是一个游戏发展迅猛的时代，从移动平台到家用固定平台，游戏机种类繁多，想要玩到一个优秀的游戏，控制虚拟世界中的人物，控制端的输入设备变得尤为重要，但现有的控制方式存在很多弊端，不能达到虚拟和现实的同步。

目前市场上现有的控制方式，采用摄像头捕捉动作相对昂贵；或者使用传统的游戏手柄没有带入感。

而对于一些特定类型游戏控制，如在控制车类和飞机等游戏时，通过简单的操作即可控制角色运动，但是控制类人形的机器人角色传统的控制方式就很难达到理想的控制效果了。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单，成本低的力反馈全身动作捕捉器。通过可穿戴式的外骨骼结构以及安装在外骨骼内的动作捕捉传感器以及用于数据处理的微控制器，将用户现实的运动数据处理后发送给终端，起到控制游戏中角色运动的目的。

本实用新型所提供的力反馈全身动作捕捉器，包括身体控制系统、上肢控制系统和下肢控制系统三个部分；其中：

所述身体控制系统为人体身体固定装置，包括背部脊椎支撑件1、腰部支撑件2、肩部挂接件3和胸部固定件4；

所述背部脊椎支撑件1包括横向设置的用于支撑在人体后背的背板5和竖向设置的用于支撑在人体脊椎的脊椎模拟板6；

所述腰部支撑件2有两块，设置于脊椎模拟板6底端左右两侧，能抵住后腰两侧；

所述肩部挂接件3为可弯曲件，有两个；两个肩部挂接件3的一端分别设置在背板5左右两端，能从人体后背向前挂附在人体肩部，另一端贴附到人体前胸处；

所述胸部固定件4同肩部挂接件3连接，通过环绕绑定在人体胸部，从而将肩部挂接件3固定在人体肩部；

所述上肢控制系统为人体上肢动作捕捉装置，包括两个上臂杆9、两个小臂杆10和两个手部控制器11；上臂杆9和小臂杆10均为直杆；

所述上臂杆9的一端同肩部挂接件3转动连接，上臂杆9的另一端同小臂杆10的一端转动连接，小臂杆10的另一端同手部控制器11转动连接；转动连接处均设有角度和力度传感器；手部控制器11由人体手部握持，接受手部动作信号；

所述下肢控制系统为人体下肢动作捕捉装置，包括一个臀部支撑件21、两个大腿连杆22、两个小腿连杆23和两个同人体脚掌绑定的脚掌支撑座24；

所述臀部支撑件21设置于人体臀部后，其左右两侧分别同大腿连杆22一端转动连接，大腿连杆22另一端同小腿连杆23一端转动连接，小腿连杆23另一端同脚掌支撑座24转动连接；转动连接处均设有角度和力度传感器。

本实用新型中，所述肩部挂接件3和背板5通过可调节长度的可伸缩件7连接。

本实用新型中，所述可伸缩件7为若干个连接片8以Z字形首尾转动连接。即手风琴式拉伸收缩结构。如图3所示。

本实用新型中，所述胸部固定件4有两个，分别设置在两个肩部挂接件3的另一端；两个胸部固定件4上分别设有绑带A和绑带B；其中，两个绑带A在胸前可拆卸式连接；两个绑带B分别通过人体左右腋下，分别同两个肩部挂接件3的一端可拆卸式连接。如图2所示。

本实用新型中，所述上臂杆9通过转接器12同肩部挂接件3转动连接；

所述转接器12为L型连接件，其一端同肩部挂接件3连接，控制上肢控制系统能跟随人体手臂在身体两侧左/右抬举（左/右手臂）；其另一端同上臂杆9连接，控制上肢控制系统能跟随人体手臂在人体两侧向前后抬举。

本实用新型中，所述上臂杆9分为上、下两段；上臂杆上段25和上臂杆下段26转动连接，转轴方向为上臂杆9的杆长方向；有此控制小臂杆10能以上臂杆9为转轴转动。

本实用新型中，所述上臂杆上段25同上臂杆下段26的对接面上设有轴孔27，轴孔27为两端直径大、中段直径小的组合圆柱形孔，即剖面为“工”字形；上臂杆下段26的对接面上设有插入轴孔27中段圆柱形孔的转轴28，转轴28上设有角度传感器，转轴28上下分别固定设置两个直径大于转轴28直径的同轴的轴承29，轴承29嵌套在轴孔27两端圆柱形孔中。由此上臂杆下段26同上臂杆上段25连接且能转动。如图5所示。

本实用新型中，所述小臂杆10也分为上、下两段；结构同上臂杆9分的上、下两段。

本实用新型中，所述手部控制器11设置于手背处的掌部壳体13、同手指联动的手指控制连杆组14和控制装置15；

所述手指控制连杆组14有五组，对应适配五指；手指控制连杆组14包括指尖连杆16、主连杆17、指根部活动座18、用于采集角度信息和提供力量反馈的舵机19和套接在人头手指指尖的指套20；

所述指尖连杆16的一端同指套21转动连接；指尖连杆16的另一端同主连杆17的一端转动连接；主连杆17的另一端同舵机19固定连接；舵机16另一端同指根部活动座18上下转动连接；指根部活动座18同掌主体13左右转动连接；

所述控制装置15包括电路板和供电组件，设置于掌部壳体13内，同手指控制连杆组14数据连接。

本实用新型中，所述指根部活动座18由上、下两个可拆分的U型座叠加组成；下U型座的底部设有同掌主体13左右转动连接凸起部；上、下U型座左右两平行边的对接面处均设有半圆凹槽，对接后使指根部活动座18左右两平行边处形成轴孔，舵机19的转动轴插入轴孔中。如图4所示。

由于上U型座为可拆卸件，当舵机19出现故障时，只需要拆下上U型座即可更换舵机19，无需将指根部活动座18连同整个手指控制连杆组14拆下，便于维修。

本实用新型中，所述大腿连杆22一端通过一个L型连接件同臀部支撑件21转动连接；L型连接件一端同臀部支撑件21连接，控制下肢控制系统能跟随人体大腿在身体两侧左/右抬举（左/右腿）；L型连接件另一端同大腿连杆22一端连接，控制下肢控制系统能跟随人体大腿在身体两侧前后抬举。

本实用新型结构简单，可以使用市面上常见的伺服舵机实现功能，进一步降低成本。

本实用新型使用时，操作人穿上动作捕捉器，接入虚拟现实的游戏接入设备，让软件模拟的物体通过该手能真实感觉到抓握感（如柔软，弹性，刚性，物体的几何形状），以及腿部行走和踢打感。

附图说明

图1为本实用新型结构图示。

图2为本实用新型带有绑带A和绑带B的透视结构图示。

图3为本实用新型身体控制系统局部放大结构图示。

图4为本实用新型手部控制器的中指结构图示。

图5为本实用新型上臂杆内部结构框架图示。

图中标号： 背部脊椎支撑件1，腰部支撑件2，肩部挂接件3，胸部固定件4，背板5，脊椎模拟板6，可伸缩件7，连接片8，上臂杆9，小臂杆10，手部控制器11，转接器12，掌部壳体13，手指控制连杆组14，控制装置15，指尖连杆16，主连杆17，指根部活动座18，舵机19，指套20，臀部支撑件21，大腿连杆22，小腿连杆23，脚掌支撑座24，上臂杆上段25，上臂杆下段26，轴孔27，转轴28，轴承29。

具体实施方式

本实用新型包括包括身体控制系统、上肢控制系统和下肢控制系统三个部分；其中：

所述身体控制系统为人体身体固定装置，包括背部脊椎支撑件1、腰部支撑件2、肩部挂接件3和胸部固定件4；采用铝合金和塑料混组材料；

所述背部脊椎支撑件1包括横向设置的用于支撑在人体后背的背板5和竖向设置的用于支撑在人体脊椎的脊椎模拟板6；

所述腰部支撑件2有两块，设置于脊椎模拟弯板低端左右两侧，能抵住后腰两侧；

所述肩部挂接件3采用若干矩形块件通过转轴依次连接，有两组；两个肩部挂接件3的一端分别设置在背板5左右两端，能从人体后背向前挂附在人体肩部，另一端贴附到人体前胸处；

所述胸部固定件4同肩部挂接件3连接，通过环绕绑定在人体胸部，从而将肩部挂接件3固定在人体肩部。

所述肩部挂接件3和背板5通过可伸缩件7连接。所述可伸缩件7为2个连接片8首尾转动连接，形成手风琴式拉伸收缩结构。如图3所示。

所述胸部固定件4有两个，分别设置在两个肩部挂接件3的另一端；两个胸部固定件4上分别设有绑带A和绑带B，绑带A和绑带B为编织软带；其中，两个绑带A在胸前可拆卸式连接；两个绑带B分别通过人体左右腋下，分别同两个肩部挂接件3的一端可拆卸式连接。如图2所示。

所述上肢控制系统为人体上肢动作捕捉装置，包括两个上臂杆9、两个小臂杆10和两个手部控制器11；上臂杆9和小臂杆10均为直杆，主体结构框架采用铝合金，外面包覆塑料壳体；

所述上臂杆9的一端同肩部挂接件3转动连接，上臂杆9的另一端同小臂杆10的一端转动连接，小臂杆10的另一端同手部控制器11转动连接；转动连接处均设有角度和力度传感器；手部控制器11由人体手部握持，接受手部动作信号。

所述上臂杆9通过转接器12同肩部挂接件3转动连接；转接器12为L型连接件，其一端同肩部挂接件3连接，控制上肢控制系统能跟随人体手臂在身体两侧左/右抬举（左/右手臂）；其另一端同上臂杆9连接，控制上肢控制系统能跟随人体手臂在人体两侧向前后抬举；

所述上臂杆9分为上、下两段；上臂杆上段25和上臂杆下段26转动连接，转轴方向为上臂杆9的杆长方向；有此控制小臂杆10能以上臂杆9为转轴转动；所述上臂杆上段25同上臂杆下段26的对接面上设有轴孔27，轴孔27为两端直径大、中段直径小的组合圆柱形孔，即剖面为“工”字形；上臂杆下段26的对接面上设有插入轴孔27中段圆柱形孔的转轴28，转轴28上设有角度传感器，转轴28上下分别固定设置两个直径大于转轴28直径的同轴的轴承29，轴承29嵌套在轴孔27两端圆柱形孔中。由此上臂杆下段26同上臂杆上段25连接且能转动。如图5所示。

所述小臂杆10也分为上、下两段；结构同上臂杆9分的上、下两段。

所述手部控制器11设置于手背处的掌部壳体13、同手指联动的手指控制连杆组14和控制装置15；

所述手指控制连杆组14有五组，对应适配五指；手指控制连杆组14包括指尖连杆16、主连杆17、指根部活动座18、用于采集角度信息和提供力量反馈的舵机19和套接在人头手指指尖的指套20；所述指尖连杆16的一端同指套21转动连接；指尖连杆16的另一端同主连杆17的一端转动连接；主连杆17的另一端同舵机19固定连接；舵机16另一端同指根部活动座18上下转动连接；指根部活动座18同掌主体13左右转动连接；所述控制装置15包括电路板和供电组件，设置于掌部壳体13内，同手指控制连杆组14数据连接。其中：

所述指根部活动座18由上、下两个可拆分的铝合金U型座叠加组成；下U型座的底部设有同掌主体13左右转动连接凸起部；上、下U型座左右两平行边的对接面处均设有半圆凹槽，对接后使指根部活动座18左右两平行边处形成轴孔，舵机19的转动轴插入轴孔中。如图4所示。

由于上U型座为可拆卸件，当舵机19出现故障时，只需要拆下上U型座即可更换舵机19，无需将指根部活动座18连同整个手指控制连杆组14拆下，便于维修。

所述下肢控制系统为人体下肢动作捕捉装置，包括一个臀部支撑件21、两个大腿连杆22、两个小腿连杆23和两个同人体脚掌绑定的脚掌支撑座24；采用铝合金和塑料混组材料；

所述臀部支撑件21设置于人体臀部后，其左右两侧分别同大腿连杆22一端转动连接，大腿连杆22另一端同小腿连杆23一端转动连接，小腿连杆23另一端同脚掌支撑座24转动连接；转动连接处均设有角度和力度传感器。所述大腿连杆22一端通过一个L型连接件同臀部支撑件21转动连接；L型连接件一端同臀部支撑件21连接，控制下肢控制系统能跟随人体大腿在身体两侧左/右抬举（左/右腿）；L型连接件另一端同大腿连杆22一端连接，控制下肢控制系统能跟随人体大腿在身体两侧前后抬举。

本实用新型中使用时，被控制设备选用一些人形特征的玩具或者游戏，如机器人电动射击玩具或者机器人作战游戏，使用者将全身动作捕捉器穿在身上，达到佳穿着状态；使用者双手手指套在指套上，用手指控制手部控制器，启动控制器和被控制设备连线操作和进行一些被控制设备的移动操作。然后人的手臂部位、手掌部位和腿部位根据游戏需要做出动作时，带动了上臂支杆和小臂支杆的转动，各个转动关节的旋转角度传感器将数据信号传输给主控驱动装置，主控驱动装置处理数据后传输给玩具或游戏，使被控设备做出相应动作，同时舵机将游戏中的一些冲击反馈在做用在全身动作捕捉器，使人体能根据游戏内容感到反作用力。

本实用新型中，作为一种新型的控制装置，其包含多个可动关节和相应的数据传感器，适用于各种游戏机，对战玩具等电子、电动游戏娱乐设备；而各个肢体部位能调节长度，适合不同身形的使用者。而且其结构简单，操作直接，代入感强，增强了用户体验兴趣。

Claims (10)

1.一种力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，包括身体控制系统、上肢控制系统和下肢控制系统三个部分；其中：

所述身体控制系统为人体身体固定装置，包括背部脊椎支撑件（1）、腰部支撑件（2）、肩部挂接件（3）和胸部固定件（4）；

所述背部脊椎支撑件（1）包括横向设置的用于支撑在人体后背的背板（5）和竖向设置的用于支撑在人体脊椎的脊椎模拟板（6）；

所述腰部支撑件（2）有两块，设置于脊椎模拟板（6）底端左右两侧，能抵住后腰两侧；

所述肩部挂接件（3）为可弯曲件，有两个；两个肩部挂接件（3）的一端分别设置在背板（5）左右两端，能从人体后背向前挂附在人体肩部，另一端贴附到人体前胸处；

所述胸部固定件（4）同肩部挂接件（3）连接，通过环绕绑定在人体胸部，从而将肩部挂接件（3）固定在人体肩部；

所述上肢控制系统为人体上肢动作捕捉装置，包括两个上臂杆（9）、两个小臂杆（10）和两个手部控制器（11）；上臂杆（9）和小臂杆（10）均为直杆；

所述上臂杆（9）的一端同肩部挂接件（3）转动连接，上臂杆（9）的另一端同小臂杆（10）的一端转动连接，小臂杆（10）的另一端同手部控制器（11）转动连接；转动连接处均设有角度和力度传感器；手部控制器（11）由人体手部握持，接受手部动作信号；

所述下肢控制系统为人体下肢动作捕捉装置，包括一个臀部支撑件（21）、两个大腿连杆（22）、两个小腿连杆（23）和两个同人体脚掌绑定的脚掌支撑座（24）；

所述臀部支撑件（21）设置于人体臀部后，其左右两侧分别同大腿连杆（22）一端转动连接，大腿连杆（22）另一端同小腿连杆（23）一端转动连接，小腿连杆（23）另一端同脚掌支撑座（24）转动连接；转动连接处均设有角度和力度传感器。

2.如权利要求1所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述肩部挂接件（3）和背板（5）通过可调节长度的可伸缩件（7）连接。

3.如权利要求2所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述可伸缩件（7）为若干个连接片（8）以Z字形首尾转动连接。

4.如权利要求1所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述胸部固定件（4）有两个，分别设置在两个肩部挂接件（3）的另一端；两个胸部固定件（4）上分别设有绑带A和绑带B；其中，两个绑带A在胸前可拆卸式连接；两个绑带B分别通过人体左右腋下，分别同两个肩部挂接件（3）的一端可拆卸式连接。

5.如权利要求1所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述上臂杆（9）通过转接器（12）同肩部挂接件（3）转动连接；

所述转接器（12）为L型连接件，其一端同肩部挂接件（3）连接，控制上肢控制系统能跟随人体手臂在身体两侧左/右抬举；其另一端同上臂杆（9）连接，控制上肢控制系统能跟随人体手臂在人体两侧向前后抬举。

6.如权利要求1所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述上臂杆（9）分为上、下两段；上臂杆上段（25）和上臂杆下段（26）转动连接，转轴方向为上臂杆（9）的杆长方向；有此控制小臂杆（10）能以上臂杆（9）为转轴转动。

7.如权利要求6所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述上臂杆上段（25）同上臂杆下段（26）的对接面上设有轴孔（27），轴孔（27）为两端直径大、中段直径小的组合圆柱形孔，即剖面为“工”字形；上臂杆下段（26）的对接面上设有插入轴孔（27）中段圆柱形孔的转轴（28），转轴（28）上设有角度传感器，转轴（28）上下分别固定设置两个直径大于转轴（28）直径的同轴的轴承（29），轴承（29）嵌套在轴孔（27）两端圆柱形孔中；由此上臂杆下段（26）同上臂杆上段（25）连接且能转动。

8.如权利要求1所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述手部控制器（11）包括设置于手背处的掌部壳体（13）、同手指联动的手指控制连杆组（14）和控制装置（15）；

所述手指控制连杆组（14）有五组，对应适配五指；手指控制连杆组（14）包括指尖连杆（16）、主连杆（17）、指根部活动座（18）、用于采集角度信息和提供力量反馈的舵机（19）和套接在人头手指指尖的指套（20）；

所述指尖连杆（16）的一端同指套（20）转动连接；指尖连杆（16）的另一端同主连杆（17）的一端转动连接；主连杆（17）的另一端同舵机（19）固定连接；舵机（19）另一端同指根部活动座（18）上下转动连接；指根部活动座（18）同掌部壳体（13）左右转动连接；

所述控制装置（15）包括电路板和供电组件，设置于掌部壳体（13）内，同手指控制连杆组（14）数据连接。

9.如权利要求8所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述指根部活动座（18）由上、下两个可拆分的U型座叠加组成；下U型座的底部设有同掌部壳体（13）左右转动连接凸起部；上、下U型座左右两平行边的对接面处均设有半圆凹槽，对接后使指根部活动座（18）左右两平行边处形成轴孔，舵机（19）的转动轴插入轴孔中。

10.如权利要求1所述的力反馈全身动作捕捉器，其特征在于，所述大腿连杆（22）一端通过一个L型连接件同臀部支撑件（21）转动连接；L型连接件一端同臀部支撑件（21）连接，控制下肢控制系统能跟随人体大腿在身体两侧左/右抬举；L型连接件另一端同大腿连杆（22）一端连接，控制下肢控制系统能跟随人体大腿在身体两侧前后抬举。