[发明专利]一种基于肌电刺激的虚拟力反馈交互系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟现实交互技术，具体地涉及一种基于肌电刺激的虚拟力反馈交互系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，虚拟现实(Virtual Reality)技术得到了广泛的关注和应用，特别是在游戏、影视、教育、医疗等方面VR技术有着广阔的前景。虚拟现实技术包括了模拟环境、感知、自然技能和传感器设备等方面。在感知方面，不仅包括最基本的视觉、听觉感知，还有力触觉感知等。力触觉是唯一既可接受周围环境输入又可以对周围环境输出的感知通道，如能实现视觉、力触觉的融合感知与反馈，可极大增强虚拟现实的沉浸感。力反馈交互技术，是虚拟现实技术的力触觉感知的一种途径。

目前，国内外的VR设备在实现力反馈交互方面，主要存在以下三方面的不足：一、在视觉、听觉上融合处理的交互反馈技术发展得已经比较成熟，但是在视觉、力触觉，甚至视、听、力触觉融合处理的交互反馈技术亟待提高；二、力触觉反馈的形式大多是通过传感器震动体表或通过反馈装置传导力等，在人机交互时不容易对使用者产生有效的约束，极大地降低了虚拟场景的沉浸感；三、传统的面向全身或上半身的力反馈交互设备模块较大，穿戴不便且成本较高，不适合于推广应用。

实际上人体肌肉的运动是通过中枢神经系统将肌电信号脉冲传导给肌纤维，引起肌纤维收缩而实现的。所以，通过在肌纤维处施加合适的电刺激可使肌肉发生收缩和拉伸等动作，从而使人产生自主肌体运动。本发明基于前述肌肉运动的生理学原理，提出新的力反馈交互系统及方法。

发明内容

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提出一种基于肌电刺激的虚拟力反馈交互系统，利用虚拟现实和肌电的特点，对肌肉进行电刺激使肌肉产生收缩、拉伸等运动，通过肌腱带动骨骼产生肌体运动，产生更贴近虚拟场景的力反馈效果，增加了趣味性及沉浸感。

本发明还提供基于肌电刺激的虚拟力反馈交互方法。

本发明反馈交互系统采用如下技术方案来实现：基于肌电刺激的虚拟力反馈交互系统，包括电极单元、电刺激模块和肌体运动-肌电刺激模型库，肌体运动-肌电刺激模型库接收从虚拟场景交互事件触发肌体运动所形成的肌体运动参数，输出对应的电刺激信号参数给电刺激模块；电刺激模块分别与电极单元、肌体运动-肌电刺激模型库连接，处理肌体运动-肌电刺激模型库输入的电刺激信号参数并输出电刺激信号给电极单元；电极单元贴在人体皮肤表面，接收电刺激模块传来的电刺激信号，刺激人体表皮肌肉，使人体表皮肌肉收缩、拉伸，带动肌体运动，完成虚拟力反馈。

优选地，所述电刺激模块包括依次连接的微处理器、数模转换器及功率放大器，微处理器将输入的电刺激信号参数转化为电刺激波形数字编码信号后，传输到数模转换器，由数模转换器对电刺激波形数字编码信号进行数模转换后，输出模拟的电刺激信号；从数模转换器输出的电刺激信号经过功率放大器处理后，形成多通道的电刺激信号，输出到相应的电极或电极阵列。

优选地，所述肌体运动-肌电刺激模型库通过模拟实验或仿真计算记录肌体运动参数及肌体运动时的肌电信号，并对肌电信号进行相应的信号处理后转换成电刺激信号参数，之后通过电刺激模块生成相应的电刺激信号输出至电极单元从而反馈回人体的原位置，检验电刺激信号是否与所记录的肌体运动一致；若是，建立该肌体运动模式、强度与电刺激信号参数的对应关系，并储存于肌体运动-肌电刺激模型库中。

优选地，所述肌体运动-肌电刺激模型库储存在计算机、服务器或VR设备中，设有用于确定电刺激信号参数的处理软件，肌体运动-肌电刺激模型库积累肌体运动模式、强度与电刺激信号参数的对应关系时，根据肌电信号并确定电刺激信号参数的过程为：

步骤1：将肌电信号采集成数据点集合并传输至处理软件中；

步骤2：对采集完成的肌电信号数据点进行预处理；

步骤3：预处理后的肌电信号数据点通过处理软件描绘出肌电信号波形，通过预设的一个正阈值筛选出肌电信号波形中的尖峰，并选择第一个尖峰；

步骤4：记录所选择尖峰的时间点和强度大小；

步骤5：从所选择尖峰开始跳过一段预设的不应期之后再选择下一个尖峰，然后返回步骤4；

步骤6：重复步骤5，直至结束；

步骤7：根据每个尖峰时间点和强度大小确定生成的电刺激信号的波形、强度、宽度、频率参数，与肌体运动模式、强度参数对应。