RU176318U1 - Перчатка виртуальной реальности - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к манипуляторам, а именно к виртуальным перчаткам, предназначенным для работы с интерактивными устройствами, компьютерной робототехникой и компьютером. Техническим результатом полезной модели является повышение эффекта тактильного восприятия сенсоров при работе в виртуальных перчатках и снижение эффекта привыкания. Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлена перчатка виртуальной реальности, содержащая датчики, расположенные на пальцах перчатки, и сенсоры положения рук, расположенные на фалангах пальцев перчатки со стороны ладони, причем датчики подключены к микропроцессору, а микропроцессор расположен с тыльной стороны ладони, отличающаяся тем, что в качестве датчиков использованы сенсоры IMU, расположенные с тыльной стороны ладони, содержащие акселерометр, магнетометр, гироскоп, при этом сенсоры IMU расположены на предпоследних фалангах всех пальцев, причем один сенсор дополнительно расположен у основания большого пальца и еще один сенсор расположен на уровне запястья; причем со стороны ладони дополнительно на последних фалангах всех пальцев перчатки установлены с подключением к микропроцессору токоразрядные электроды.

Description

Полезная модель относится к манипуляторам, а именно к виртуальным перчаткам, предназначенным для работы с интерактивными устройствами, компьютерной робототехникой и компьютером.

Из уровня техники известно решение KR 100221335, где описана система и способ передачи перчаткой значение датчика в системе виртуальной реальности, включающая в себя ряд датчиков, измеряющих движения запястья и пальцев рук и вывода электрического сигнала; мультиплексор выбирает количество сигналов датчиков, включенных в одну из групп датчиков. Цель патента принципиально отличается от заявленного решения. В аналоги описана именно скоростная передача данных между датчиками и системой виртуальной реальности. В заявленном решении метод передачи данных не имеет никакого значения.

В патенте CN 1480822 описано устройство для ввода данных для людей с ограниченными возможностями, представляющее собой перчатку, имеющую множество датчиков, способных обнаруживать движение пальцев, значительно быстрее, чем обычно требуется для нажатия клавиш в обычной клавиатуре; датчик содержит детектор виртуальных клавиш и ключевой декодер, оба из которых по отдельности калиброваны. Отличается назначение перчатки и метод детекции. В аналоге предлагается осуществлять взаимодействие путем прикосновений к определенным датчикам перчатки для людей с ограниченными способностями, прикосновения будут передавать на внешнее устройство. Заявленное нами решение определяет именно движения и положения пальцев и руки для передачи на внешнее устройство. В заявке US 20150002401 описаны альтернативные перчатки на основе «ключа» для мобильных устройств, включающие в себя, по меньшей мере, одну пару перчаток, множество датчиков, расположенных на первой стороне, по меньшей мере, два экрана, расположенных с каждой стороны перчатки. Задачей перчатки является ввод каких-то ключей для мобильных устройств. При этом перчатка не детектирует движение и положения пальцев и руки, как это делает заявленное решение.

В патенте US 6870526 описана перчатка мышь с виртуальным отслеживанием курсора, предназначенная для контроля перемещения курсора и обеспечения функции компьютерной мыши. Представленная перчатка предназначена только для управления курсором и мышки.

Заявленное нами решение может не только управлять курсором мышки, но и определять движение всех пальцев и руки для создания цифровой 3D модели руки в виртуальном пространстве.

В патенте US 7205979 описано устройство формирования управляющих сигналов для манипулирования виртуальными объектами в компьютерной системе в соответствии с жестами оператора или другими частями тела; устройство включает в себя перчатку, которая включает датчики для обнаружения жестов кисти руки, а также сенсоры положения рук, соединенные с перчаткой и подключенные к компьютерной системе для определения положения руки по отношению к системе.

Отличается принципом определения жестов руки. В аналоге жесты определяются по средствам внешних датчиков, установленных, например, на мониторе компьютера. Заявленное нами решение использует встроенные прямо в перчатку инерционные датчики.

В решении ЕР 2624238 описан виртуальный макет с тактильной рукой, имеющий смоделированные объекты, которые манипулируются с помощью носимых на руках перчаток во время работы тренажера. В перчатке на пальцах расположены 3D общие средства обнаружения движения, интегрированные вместе с по меньшей мере одним датчиком задач взаимодействия и одним тактильным компонентом.

В аналоге не конкретизировано, как и именно датчики движений используются.

В заявленном решении конкретизировано использование инерционных датчиков с акселерометром и гироскопом.

В международной заявке WO 98050839 описана система для управления данными на основе жестов, предназначенная для обработки компьютерной анимации в реальном времени, таких как виртуальная реальность, и управляется на компьютере. Система включает в себя цифровую перчатку для управления данными на основе жестов рук оператора. Решение основано на использовании материалов, которые меняют свое сопротивление при сгибании.

Отличием заявленной полезной модели - использование инерционных датчиков.

В международной заявке WO 2007129663 (опубл.: 15.11.2007) описано устройство ввода с использованием датчиков, установленных на палец. Пользователь надевает перчатки с пальцами, каждый из которых имеет датчик обнаружения движения и тактильный датчик для каждого из кончиков пальцев на обеих руках. Информация движения на каждом из кончиков пальцев передается на различные информационные устройства, такие как персональный компьютер (ПК), карманный компьютер и сотовый телефон, так что позиции соответствующих кончиков пальцев отображаются на виртуальной клавиатуре на дисплее одного из устройств обработки информации.

В аналоге не конкретизировано, как именно датчики движений используются.

В заявленном решении конкретизировано использование инерционных датчиков с акселерометром и гироскопом.

Наиболее близким аналогом является виртуальная перчатка по патенту US 9060385, опубл.: 16.06.2015. В прототипе описана перчатка виртуальной реальности, содержащая датчики, расположенные на пальцах перчатки, и сенсоры положения рук, расположенные на фалангах пальцев перчатки со стороны ладони, причем датчики подключены к микропроцессору.

Недостатком прототипа и иных известных решений является следующее.

Как известно, тактильный анализатор обладает высокой способностью к пространственной локализации. Характерная его особенность - быстрое развитие адаптации (привыкания), т.е. исчезновение чувства прикосновения или давления. Время адаптации зависит от силы раздражителя, для различных участков тела оно колеблется от 2 до 20 секунд. Благодаря адаптации мы не чувствуем прикосновение одежды к телу. См. [Экзерцева Екатерина Вадимовна, Тема 1.1. Общие вопросы безопасности жизнедеятельности, Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского (МАТИ), Лекции, http://www.studfiles.ru/preview/854779/page:6/] Аналогичные проблемы работы с виртуальными перчатками вызывают и известные аналоги, что снижает эффект восприятия у пользователя с течением определенного времени работы в них.

Задачей полезной модели является устранение указанных проблем, связанных с адаптацией кожи рук к работе в виртуальных перчатках.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффекта тактильного восприятия сенсоров при работе в виртуальных перчатках и снижение эффекта привыкания.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлена перчатка виртуальной реальности, содержащая датчики, расположенные на пальцах перчатки, и сенсоры положения рук, расположенные на фалангах пальцев перчатки со стороны ладони, причем датчики подключены к микропроцессору, а микропроцессор расположен с тыльной стороны ладони, отличающаяся тем, что в качестве датчиков использованы сенсоры IMU, расположенные с тыльной стороны ладони, содержащие акселерометр, магнетометр, гироскоп, при этом сенсоры IMU расположены на предпоследних фалангах всех пальцев, причем один сенсор дополнительно расположен у основания большого пальца и еще один сенсор расположен на уровне запястья; причем со стороны ладони дополнительно на последних фалангах всех пальцев перчатки установлены с подключением к микропроцессору токоразрядные электроды.

Предпочтительно со стороны ладони дополнительно на последних фалангах всех пальцев перчатки установлены с подключением к микропроцессору тактильные элементы, выполненные с возможностью передачи ощущений тепла и холода.

Предпочтительно в качестве тактильного элемента для передачи ощущений тепла и холода использован элемент Пельтье - термоэлектрический охладитель.

Предпочтительно дополнительно содержит со стороны ладони вибрационные элементы для тактильных ощущений, подключенные к микропроцессору, при этом вибрационные элементы расположены на предпоследних фалангах всех пальцев, причем один вибрационный элемент дополнительно расположен у основания большого пальца и еще один вибрационный элемент расположен на уровне запястья.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана схема устройства перчатки с тыльной стороны ладони.

На Фиг. 2 показана схема устройства перчатки со стороны ладони.

На чертежах: 1 - инерционный датчик (сенсор) IMU, объединяющий в себе акселерометр, гироскоп и магнитометр; 2 - вибрационный элемент, предназначенный для передачи ощущений вибрации; 3 - тактильный элемент для передачи тепла и холода; 4 - токоразрядный электрод, предназначенный для передачи ощущений слабого электрического тока; 5 - микропроцессорный модуль, предназначенный для первичной обработки информации и передачи ее на внешнее устройство.

Осуществление полезной модели

Повышение эффекта тактильного восприятия сенсоров при работе в виртуальных перчатках и снижение эффекта привыкания достигается благодаря тому, что (см. Фиг. 1, Фиг. 2) все датчики подключены к микропроцессору 5, при этом в качестве датчиков 1 использованы сенсоры IMU, содержащие акселерометр, магнетометр, гироскоп, и дополнительно могут быть использованы вибрационные элементы 2 для тактильных ощущений, при этом сенсоры 1 расположены на предпоследних фалангах всех пальцев, один сенсор 1 дополнительно расположен у основания большого пальца и еще один сенсор 1 расположен на уровне запястья.

Микропроцессор 5 расположен с тыльной стороны ладони по той причине, чтобы не мешать сжатию руки в кулак.

Сенсоры IMU 1 расположены с тыльной стороны ладони, а вибрационные элементы 2 расположены со стороны ладони перчатки.

Со стороны ладони перчатки установлены токоразрядные электроды 4. Постоянное изменение подачи уровня напряжения на электроды 4 от микропроцессора 5 не позволяет коже привыкнуть к микротокам.

Также со стороны ладони перчатки могут быть установлены тактильные элементы 3, выполненные с возможностью передачи ощущений тепла и холода.

При этом тактильные элементы 3, которые выполнены с возможностью передачи ощущений тепла и холода, могут передавать и ощущение холода, если менять полярность тока. Конкретный пример подобных тактильных элементов - элемент Пельтье - (термоэлектрический охладитель), а точнее термопара Пельтье. С помощью нее можно и нагревать и охлаждать палец за секунды.

Поскольку виброэлементы 2 расположены не на кончиках пальцев, а на предпоследней фаланге, как и сами сенсоры, формируется открытая конструкция перчатки, и таким образом пальцы остаются свободными, не нагруженными весом датчиков, что повышает эффект восприятия тактильных ощущений.

Один из сенсоров IMU 1 расположен на запястье (с внешней стороны ладони). Это позволяет позиционировать в пространстве не только пальцы, но и точно позиционировать кисть относительно руки. Также данная схема расположения всех семи сенсоров IMU 1 позволяет эффективно бороться с проблемой "дрейфа" (из-за накапливаемой погрешности акселерометра и гироскопа постепенно его вычисленное абсолютное положение и ориентация в пространстве смещаются относительно реальных).

Заявленная в данной полезной модели схема расположения сенсоров 1 позволяет бороться с этим эффектом и достигать принципиально более высокую точность позиционирования руки без использования внешних инструментов трекинга (камер). В известных решениях используется либо пять, либо шесть сенсоров. Трекинг запястья при этом не ведется.

Благодаря такой схеме подключения сенсоров, датчиков и тактильных элементов к микропроцессору, который располагают на тыльной стороне ладони перчатки, формируется механизм обратной связи, при котором для пользователя изменением уровня разряда микротоков, изменением положения точек разряда в разных пальцах руки, изменением положения точек подачи тепла или холода в ладони и разных пальцах руки и изменением зоны и уровня вибраций на разных пальцах руки, обеспечивается постоянное варьирование тактильных ощущений от токоразрядных и вибрационных, до ощущений тепла или холода, что позволяет повысить эффект тактильного восприятия сенсоров при работе в виртуальных перчатках и снизить эффект привыкания кожи к постоянному однотипному воздействию.

Датчики IMU [см. http://kit-e.ru/articles/sensor/2010_03_28.php], например, могут быть выполнены в виде гибридных модулей размером 23⋅23⋅23 мм с разъемом на небольшом гибком шлейфе. Эти модули сочетают в себе три ортогонально расположенных датчика угловой скорости и три датчика ускорения и позиционируются как «инерциальные датчики с 6 степенями свободы». Все приборы семейства IMU имеют высокую степень интеграции и расширенные функциональные возможности: дополнительные встроенные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, средства термокомпенсации, в том числе встроенные датчики температуры с цифровым выходом. Имеются также встроенные средства автотестирования и калибровки.

Взаимодействие виртуальной перчатки с компьютером может происходить как по проводному, так и по беспроводному интерфейсу, который реализует микропроцессорный модуль 5.

Все функции, связанные с определением жестов и с созданием 3-хмерной модели руки, реализуются на основе данных инерционных датчиков IMU 1.

Принцип работы перчатки виртуальной реальности основан на трекинге (отслеживании) позиций пальцев, кисти в целом, локтя с помощью IMU-датчиков 1 (акселерометр, магнетометр, гироскоп) и передачи обратного воздействия (вибрация) пользователю. При использовании беспроводного интерфейса передачи данных может использоваться Bluetooth (BLE) интерфейс, совместимый с широким классом существующего оборудования.

Сенсоры 1 располагаются на предпоследних фалангах, так как с одной стороны, анатомически достаточно отслеживать только ее для определения местоположения кончика пальца, а с другой стороны это освобождает пальцы для выполнения другой работы - например, можно работать на клавиатуре не снимая перчатки, выполнять другие тонкие действия. В случае полностью закрытой перчатки у пользователя ограниченные движения.

Вибрационные элементы 2 и сенсоры 1 располагаются на разных сторонах пальцев для минимизации воздействия вибрации на сенсоры 1.

Семь сенсоров 1 и семь вибрационных элементов 2 (пять расположено на предпоследних фалангах всех пальцев, один сенсор дополнительно расположен у основания большого пальца и еще один сенсор расположен на уровне запястья) обеспечивают трекинг всех пальцев, кисти и локтя, максимизируя точность и число точек измерения, при компактном исполнении.

Преимущества IMU сенсоров - несмотря на сложную математику, это хороший способ измерения произвольного 3D перемещения с высокой точностью, более чем дают другие методы, например, тензорезисторы.

Принцип работы с перчаткой состоит в следующем.

Перчатка может применяться в игре как элемент управления игрой (контроллер/джойстик и т.д.). Например: игрок запускает игру на компьютере, которая адаптирована для Шлема виртуальной реальности. Одевает перчатки. Игрок в шлеме виртуальной реальности видит свои руки в виртуальном пространстве и может совершать ими манипуляции, к примеру:

- что-то трогать, при прикосновении перчатка может включать вибро-, токоразрядные или температурные элементы в зависимости оттого, каким пальцем произошло касание, тем самым создавая эффект реального прикосновения;

- брать что-либо, захватывать какие либо вещи в игре, при этом чувствовать тактильные ощущения от захвата;

- указывать на что-либо, например, держать в руке виртуальное оружие и совершать стрельбу, целясь в противника и совершая нажатия на виртуальный спусковой крючок.

Перчатка может также применяться в обучении спортсменов. Перчатка позволяет точно фиксировать движение руки и пальцев. После чего, компьютерная программа и тренер может делать выводы, на сколько правильно спортсмен соблюдает ту или иную технику совершения упражнения. Позволяет контролировать правильность выполнения техники выполнения упражнения.

Перчатка может также применяться в робототехнике, как инструмент управления роботизированными механизмами. К примеру, роботизированной рукой манипулятором можно управлять при помощи перчатки. Роботизированная рука будет повторять все движения реальной руки человека.

Перчатка может применяться в сочетании с очками дополненной реальности, например, Google glass и другие. Обычно очки не комплектуются устройствами управления, то есть у человека, который пользуется очками дополнительной реальности нет удобной возможности управлять очками дополненной реальности при помощи жестов рук. Перчатка может применяться для управления очками дополненной реальности при помощи жестов рук и различных указаний. Допустимо использование перчатки как перчатки со Smart часами. В этом случае процессорный модуль оснащается дисплеем. При этом управление Smart часами может происходить посредством жестов рук.

Перчатка может применяться для 3D моделирования. Компьютерная мышка, как манипулятор, имеет ограничения. Она может перемещаться только в 2D пространстве, тем самым у нее нет возможности взаимодействовать сразу в 3D пространстве. Перчатка согласно заявленной полезной модели позволяет манипулировать объектами сразу в 3D пространстве, рисовать линии (вектора), перемещать объекты и т.д.

Ввиду многообразия потенциального использования комплектация различных видов перчатки может значительно варьироваться.

Модификации могут значительно варьироваться по конструктиву и характеру использования, так например, перчатки для военного, экстремального применения должны иметь прежде всего значительную устойчивость к механическим, термальным, агрессивным воздействиям, выполняя одновременно и защитную функцию и основную. Напротив, перчатка для пользователя компьютера должна быть максимально легкой, беспроводной, открытой - для комфорта использования и проветривания руки.

Модификация с обратной термальной связью предполагается быть проводной - ввиду значительного энергопотребления, в то время как перчатка только для трекинга без обратной связи может быть чрезвычайно легкой и беспроводной ввиду малого энергопотребления.

Claims (4)

1. Перчатка виртуальной реальности, содержащая датчики, расположенные на пальцах перчатки, и сенсоры положения рук, расположенные на фалангах пальцев перчатки со стороны ладони, причем датчики подключены к микропроцессору, а микропроцессор расположен с тыльной стороны ладони, отличающаяся тем, что в качестве датчиков использованы сенсоры IMU, расположенные с тыльной стороны ладони, содержащие акселерометр, магнетометр, гироскоп, при этом сенсоры IMU расположены на предпоследних фалангах всех пальцев, причем один сенсор дополнительно расположен у основания большого пальца и еще один сенсор расположен на уровне запястья; причем со стороны ладони дополнительно на последних фалангах всех пальцев перчатки установлены с подключением к микропроцессору токоразрядные электроды.

2. Перчатка по п. 1, отличающаяся тем, что со стороны ладони дополнительно на последних фалангах всех пальцев перчатки установлены с подключением к микропроцессору тактильные элементы, выполненные с возможностью передачи ощущений тепла и холода.

3. Перчатка по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве тактильного элемента для передачи ощущений тепла и холода использован элемент Пельтье - термоэлектрический охладитель.

4. Перчатка по п. 1 или 2, или 3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит со стороны ладони вибрационные элементы для тактильных ощущений, подключенные к микропроцессору, при этом вибрационные элементы расположены на предпоследних фалангах всех пальцев, причем один вибрационный элемент дополнительно расположен у основания большого пальца и еще один вибрационный элемент расположен на уровне запястья.

Images