RU226305U1 - Перчатка виртуальной реальности с модулем имитации силы хвата - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электроники, а именно к вводным устройствам с обнаружением ориентации устройства, в частности к виртуальным перчаткам, предназначенным для работы с интерактивными устройствами, компьютерной робототехникой и компьютером. Технический результат состоит в повышении функциональных возможностей за счет имитации силы упругости виртуальных трехмерных объектов. Устройство включает основу и воздухонепроницаемую оболочку, к которой подведен канал контролируемой подачи и отведения воздуха, на основе размещена плата управления с микроконтроллером, а также вычислительные платы, на которых установлены осевые датчики ускорения и угловых скоростей, при этом воздухонепроницаемая оболочка выполнена с возможностью создания сопротивления сжатию кисти, вычислительные платы выполнены с возможностью получения данных с осевых датчиков ускорения и угловых скоростей о расположении в пространстве кисти и пальцев, а также с возможностью вычисления необходимого объема воздуха, скорости его подачи и отвода, и передачи вычисленных данных на микроконтроллер, выполненный с возможностью передачи данных по каналу связи на компьютерное устройство, а также с возможностью получения обратного сигнала с компьютерного устройства о закачивании или выкачивании воздуха в воздухонепроницаемую камеру, причем плата управления дополнительно оснащена сенсорной панелью. Целесообразно канал связи выполнить в виде проводного USB-соединения. Целесообразно элементы управления выполнить в виде кнопки сопряжения и кнопки включения устройства. Кроме того, воздухонепроницаемая оболочка повторяет форму ладони. Кроме того, сторона воздухонепроницаемой оболочки, прилегающая к перчатке, выполнена из нескользящего материала. Кроме того, сторона воздухонепроницаемой оболочки, контактирующая с ладонью пользователя, покрыта синтетическим материалом.

Description

Полезная модель относится к области электроники, а именно к вводным устройствам с обнаружением ориентации устройства, в частности к виртуальным перчаткам, предназначенным для работы с интерактивными устройствами, компьютерной робототехникой и компьютером.

Известна перчатка с инерциальными сенсорами, предоставляющая тактильную и силовую обратную связь, а также метод взаимодействия человека и машины (патент CN115644539A, G06F3/01, оп. 31.01.2023). Перчатка сочетает в себе корпус перчатки, главный контроллер, датчики движения пальцев, механизмы тактильной и силовой обратной связь, воздушный насос. Датчики движений пальцев используются для измерения параметров движения пальцев в режиме реального времени. Устройство отслеживания движения руки использует инерционный измерительный блок в сочетании с методом фильтра Калмана для вычисления пространственного положения перчатки в реальном времени.

Также известна перчатка виртуальной реальности с тактильной обратной связью, которую носит пользователь, обеспечивает некоторое сопротивление физическому движению части руки пользователя, включает в себя корпус перчатки, расширяемую камеру и источник давления, корпус перчатки включает в себя первую часть, соответствующую первой фаланге руки пользователя, вторую часть, соответствующую второй фаланге руки пользователя, и третью часть, соответствующую соединению между первой фалангой и второй фалангой руки пользователя, расширяемый баллон соединен с третьей частью корпуса перчатки, имеет регулируемый размер, который регулирует величину относительного перемещения между первой частью и второй частью корпуса перчатки, источник давления соединен с корпусом перчатки и выполнен с возможностью регулировки размера расширяемой камеры, дополнительно имеется датчик местоположения, соединенный с корпусом перчатки, который определяет физическое положения корпуса перчатки относительно контрольной точки, при увеличении расширяемой камеры у фаланг пальцев возникает объем, оказывающий сопротивление при сжатии кисти руки (US10281982B2, G06F3/01, опубл. 05.07.2019).

Недостатком вышеприведенных устройств является жестко заданные места расположения суставов кисти. Это обусловлено креплением к корпусу перчатки конструктивных элементов, отвечающих за обеспечение механическое сопротивление сгибанию пальцев, без возможности настройки их положения в зависимости от анатомии конкретного пользователя. Учитывая количество необходимых креплений, сборка конструкции становится довольно трудоемкой. Рассмотренные технические решения не предусматривают имитации давления непосредственно на ладонь пользователя.

Технической проблемой является необходимость разработки эффективной и простой в изготовлении и использовании перчатки виртуальной реальности, лишенной вышеприведенных недостатков.

Технический результат состоит в повышении функциональных возможностей за счет имитации силы упругости виртуальных трехмерных объектов.

Указанный технический результат достигается перчаткой виртуальной реальности с модулем имитации силы хвата, включающей основу и воздухонепроницаемую оболочку, к которой подведен канал контролируемой подачи и отведения воздуха, на основе размещена плата управления с микроконтроллером, а также вычислительные платы, на которых установлены осевые датчики ускорения и угловых скоростей, при этом воздухонепроницаемая оболочка выполнена с возможностью создания сопротивления сжатию кисти, вычислительные платы выполнены с возможностью получения данных с осевых датчиков ускорения и угловых скоростей о расположении в пространстве кисти и пальцев, а также с возможностью вычисления необходимого объема воздуха, скорости его подачи и отвода, и передачи вычисленных данных на микроконтроллер, выполненный с возможностью передачи данных по каналу связи на компьютерное устройство, а также с возможностью получения обратного сигнала с компьютерного устройства о закачивании или выкачивании воздуха в воздухонепроницаемую камеру, причем плата управления дополнительно оснащена сенсорной панелью.

Целесообразно канал связи выполнить в виде проводного USB-соединения.

Целесообразно элементы управления выполнить в виде кнопки сопряжения и кнопки включения устройства.

Кроме того, воздухонепроницаемая оболочка повторяет форму ладони.

Кроме того, сторона воздухонепроницаемой оболочки, прилегающая к перчатке, выполнена из нескользящего материала.

Кроме того, сторона воздухонепроницаемой оболочки, контактирующая с ладонью пользователя, покрыта синтетическим материалом.

Таким образом, в перчатку виртуальной реальности с тыльной стороны ладони размещается воздухонепроницаемая оболочка, повторяющая форму ладони. К оболочке подведен канал контролируемой подачи и отведения воздуха.

Данная конструкция не требует специальных конструктивных элементов для обеспечения соединения определенных точек корпуса перчатки и вкладываемой воздухонепроницаемой оболочки.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематическое изображение перчатки виртуальной реальности.

Перчатка виртуальной реальности с модулем имитации силы хвата содержит основу 3. Внутри перчатки виртуальной реальности размещена воздухонепроницаемая оболочка 1 с подведенным к ней каналом контролируемой подачи и отведения воздуха 2. Воздух подается или отводится компрессором, расположенным самостоятельно, отдельно от устройства перчатки. Компрессор не входит в состав рассматриваемой конструкции.

Воздухонепроницаемую оболочку 1 предпочтительно изготавливать из нескользящего материала со стороны, прилегающей к перчатке, например, латекса или полиизопрена. Это предотвратит выскальзывание воздухонепроницаемой оболочки 1 из перчатки виртуальной реальности при эксплуатации. Воздухонепроницаемая оболочка 1 повторяет форму ладони и выполнена с возможностью создания сопротивления сжатию кисти.

Сторону воздухонепроницаемой оболочки 1, контактирующей с ладонью пользователя, предпочтительно покрывать синтетическим материалом, не вызывающим потение ладони пользователя, например, нейлона или микрофлиса.

На основе 3 размещены вычислительные платы, плата управления, девятиосевые IMU датчики ускорения и угловых скоростей. Плата управления закреплена на запястье, датчики ускорения и угловых скоростей размещаются на вычислительных платах на пальцах и тыльной стороне ладони.

Плата управления включает микроконтроллер серии STM для считывания показаний датчиков ускорения и угловых скоростей, и взаимодействия с компьютером, а также кнопку сопряжения, кнопку включения устройства и сенсорную панель для регулировки чувствительности датчиков ускорения и угловых скоростей.

Микроконтроллер связан с компьютером по каналу связи, который может быть реализован через проводное USB-соединение, обеспечивая передачу данных между перчаткой и компьютером. Связь микроконтроллера с компьютером осуществляется через протокол USB-HID.

Устройство работает следующим образом.

При работе перчаткой в среде виртуальной реальности при сжатии или нажатии на виртуальный объект по каналу контролируемой подачи и отведения воздуха 2 контролируемо (необходимый объем воздуха, а также скорость его подачи или отвода, определяются вычислительными платами перчатки виртуальной реальности) поступает воздух в воздухонепроницаемую оболочку 1. Надуваясь, воздухонепроницаемая оболочка 1 стремится распрямиться. Это создает сопротивление сжатию кисти. В зависимости от силы сжатия виртуального объекта в воздухонепроницаемую оболочку 1 подается соответствующее давление. Расположение в пространстве самой кисти и отдельно каждого пальца относительно кисти определяется путем считывания показаний девятиосевых инерциальных датчиков на пальцах и запястье. Полученные данные проходят предобработку фильтром Калмана, трансформируются в локальную систему координат перчатки и в конечном итоге преобразуются в координаты ключевых точек кисти пользователя. В частном случае исполнения используется по пять датчиков ускорения и угловых скоростей, крепящихся на пальцы, по два датчика ускорения и угловых скоростей на ближайшие к запястью фаланги пальцев, один датчик ускорения на тыльную сторону ладони, обеспечивая базовую систему координат и точку отсчета, и один датчик угловой скорости крепится на сгиб большого пальца, распознавая его движение в центр ладони. Каждый датчик ускорения и угловых скоростей располагается на индивидуальной вычислительной плате. Данные с вычислительных плат передаются в микроконтроллер в виде последовательности пакетов данных, содержащих в себе код времени сбора значений, сигнал синхронизации и сами полезные данные о скоростях и ускорениях по девяти осям. В качестве физического интерфейса связи применяется SPI. Для обработки данных применяется микроконтроллер серии STM с аппаратной поддержкой интерфейса SPI. Обработка полученных данных происходит непосредственно на компьютере.

При ослаблении хвата воздух откачивается компрессором из воздухонепроницаемой оболочки 1, уменьшая давление на ладонь.

В зависимости от размеров и формы виртуального объекта, тактильную отдачу от которого необходимо получить пользователю, компьютер, который определяет параметры объекта в кисти пользователя, отправляет сигнал на микроконтроллер о закачивании или выкачивании воздуха в воздухонепроницаемую камеру 1, фактически, стараясь скомпенсировать усилие пользователя на сжатие.

Воздух нагнетается в перчатку при сжатии виртуального предмета по каналу контролируемой подачи и отведения воздуха 2, имитируя давление, появляющееся при сжатии реального предмета. Чем быстрее пользователь сжимает (или разжимает) виртуальный предмет, тем быстрее в перчатку подается (или отводится) воздух.

Предлагаемая перчатка виртуальной реальности с модулем имитации силы хвата при взаимодействии с виртуальными трехмерными моделями позволяет пользователю чувствовать упругость материала виртуальной модели.

Claims (6)

1. Перчатка виртуальной реальности с модулем имитации силы хвата, включающая основу и воздухонепроницаемую оболочку, к которой подведен канал контролируемой подачи и отведения воздуха, на основе размещена плата управления с микроконтроллером, а также вычислительные платы, на которых установлены осевые датчики ускорения и угловых скоростей, прикрепленные на пальцы, при этом по два датчика ускорения и угловых скоростей размещены на ближайших к запястью фалангах пальцев, один датчик ускорения установлен на тыльную сторону ладони и выполнен с возможностью обеспечения базовой системы координат и точки отсчета, а один датчик угловой скорости установлен на сгибе большого пальца и выполнен с возможностью распознавания его движения в центр ладони, при этом воздухонепроницаемая оболочка выполнена с возможностью создания сопротивления сжатию кисти, вычислительные платы выполнены с возможностью получения данных с осевых датчиков ускорения и угловых скоростей о расположении в пространстве кисти и пальцев, а также с возможностью вычисления необходимого объема воздуха, скорости его подачи и отвода, и передачи вычисленных данных на микроконтроллер, выполненный с возможностью передачи данных по каналу связи на компьютерное устройство, а также с возможностью получения обратного сигнала с компьютерного устройства о закачивании или выкачивании воздуха в воздухонепроницаемую камеру, причем плата управления дополнительно оснащена сенсорной панелью.

2. Перчатка по п. 1, в которой канал связи выполнен в виде проводного USB-соединения.

3. Перчатка по п. 1, в которой элементы управления выполнены в виде кнопки сопряжения и кнопки включения устройства.

4. Перчатка по п. 1, в которой воздухонепроницаемая оболочка повторяет форму ладони.

5. Перчатка по п. 1, в которой сторона воздухонепроницаемой оболочки, прилегающая к перчатке, выполнена из нескользящего материала.

6. Перчатка по п. 1, в которой сторона воздухонепроницаемой оболочки, контактирующая с ладонью пользователя, покрыта синтетическим материалом.