[发明专利]一种基于惯性测量装置的力反馈设备手柄的姿态测量方法

说明书

本发明提供了一种基于惯性测量装置的力反馈设备手柄的姿态测量方法，首先由于惯性测量装置的惯性特质，使得仅通过单个测量装置就能获得手柄在空间中的任意姿态；其次通过使用姿态校准算法和姿态插值算法，使得测得的姿态能够满足力觉渲染对姿态信息高频率、高精度的需求；同时在带有力反馈的虚拟现实模拟环境下，验证了该方法能够满足力觉交互的需求。本发明使用惯性测量装置测量姿态，仅需要单个装置就能测得末端三自由度的姿态，能够满足力反馈设备手柄机构简化的需求；而且惯性测量装置直接和力反馈设备手柄相连，不需要通过机械结构和转动关节相连，测得的方位角仅与手柄的空间姿态有关，与力反馈设备移动平台的放置方式无关，测量更加精确。

技术领域

本发明涉及一种力反馈设备手柄姿态的测量方法，尤其是涉及一种采用惯性测量装置测量力反馈设备手柄姿态的方法。

背景技术

触觉是人类的基本感觉之一，通过触觉，我们能够感知物体的软硬、轻重、冷热、干湿、凹凸等外界环境信息。通过触觉与视觉、听觉等其它感官共同配合，人对外部世界的认知效率会明显提升。目前，人类已经实现利用视觉和听觉信息与计算机进行交互，进入多媒体和虚拟现实的世界。不过视觉信息与听觉信息难以表达操作对象的深浅、软硬及其运动状态等，若通过触觉交互设备将触觉信息反馈给操作者，可以增加操作者得到的信息量，从而增强人机交互的逼真度和真实感。

随着触觉交互技术与计算机技术的进步，触觉信息正被逐渐引入虚拟现实系统，使操作者在对虚拟环境中的虚拟物体进行操作时，感受到虚拟物体之间作用力及运动，体验到如同操作真实物体的触觉感知效果。

在力觉渲染中，需要通过姿态测量装置获得力反馈设备手柄的姿态信息，用于虚拟工具的图形绘制、碰撞检测和碰撞响应，实现频率大于30Hz的图形反馈和大于1000Hz的力反馈。为满足力觉渲染高频率、高精度的需求，力觉渲染算法对力反馈设备测量装置测量姿态信息的精度(0.1°)和刷新频率(1000Hz)有着苛刻的要求。

目前的力反馈设备主要采用机械装置测量姿态信息。机械测量装置在工作时，通过机械臂和编码器/电位计的连接架构测量姿态信息。因为六自由度力反馈设备的末端手柄具有三个关节，因此需要将三个机械测量装置连接于各个转动关节，才能测出完整的姿态信息。机械测量装置具有性能可靠、延时短，无潜在干扰源等优点，但采用机械测量装置的手柄系统比较笨重。实践证明，机械跟踪装置复杂的机械连接是制约末端手柄结构简化的瓶颈所在，增大了力反馈设备手柄结构设计的难度。此外，机械测量装置的活动范围受到机械连接的限制，工作空间有限。

与机械测量装置相比，惯性跟踪器具有设备轻便、价格低、不怕遮挡、有无限大的工作空间、低延迟等显著优点，适用于姿态的测量。尽管惯性跟踪是虚拟现实领域的研究热点之一，但在力反馈设备的研发中的应用却缺乏相应的探究。在测量物体的空间姿态时，惯性测量装置相较于传统的机械跟踪装置最突出的优点在于连接简单，但是如何获得力反馈设备转动部分三自由度的姿态信息还亟待研究。

在此背景下，本发明提供了方法研究的重点在于如何从惯性测量装置和力反馈设备手柄的连接、姿态信息的获取和处理、力反馈算法的设计等方面出发，实现利用惯性测量装置测量力反馈设备手柄的姿态。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决了力反馈设备手柄三自由度姿态测量的难题，本发明提供了一种基于惯性测量装置的力反馈设备手柄的姿态测量方法。首先由于惯性测量装置的惯性特质，使得仅通过单个测量装置就能获得手柄在空间中的任意姿态；其次通过使用姿态校准算法和姿态插值算法，使得测得的姿态能够满足力觉渲染对姿态信息高频率、高精度的需求；同时在带有力反馈的虚拟现实模拟环境下，验证了该方法能够满足力觉交互的需求。

本发明提供的一种基于惯性测量装置的力反馈设备手柄的姿态测量方法，包括以下步骤：