[发明专利]一种用于虚拟现实系统的多信息体感交互手套系统及方法

摘要

本发明提供一种用于虚拟现实系统的多信息体感交互手套系统及方法，涉及虚拟现实技术领域。体感交互手套系统包括手套本体、传感器模块、信号运算放大器模块及模数转换模块、震动反馈模块、处理器模块和通讯模块，采用该体感交互手套系统进行手部运动信息和位姿的计算，计算方法以程序的形式载入上述手套系统的处理器模块，实时对手部运动和姿态信息进行计算，同时接受虚拟现实系统上位机的反馈信息并控制震动反馈模块来模拟触觉，实现双向交互。本发明通过多传感器信息融合技术和基于sEMG的隐式交互，可以对操作人的手部三维运动姿态和力进行精确的识别和计算，为使用者带来身临其境的交互体验。

主权项

1.一种用于虚拟现实系统的多信息体感交互手套系统，其特征在于：该系统包括手套本体(1)、传感器模块、信号运算放大器模块(6)及模数转换模块(7)、震动反馈模块(8)、处理器模块(9)和通讯模块(10)；所述手套本体(1)用于搭载和固定其他模块组，穿戴于使用者手部，包括手指部(101)、手腕部(102)和套袖部(103)，套袖部(103)能套至使用者的前臂处；所述传感器模块，用于采集手部的运动和姿态信息，包括弯度传感器组(2)、肌电传感器组(3)、惯性传感器组(4)和压力传感器组(5)；所述弯度传感器组(2)固定于手套本体(1)手指段的每个指套外侧指部夹层中，用于采集手指弯曲度，包括5个柔性弯曲传感器；所述肌电传感器组(3)固定于手套本体(1)的前臂套袖部(103)，用于采集手部运动相关肌肉运动产生的皮肤表面肌电信息(sEMG)，包括8个肌电传感器；所述惯性传感器组(4)固定于手套本体(1)的手腕部(102)，用于采集手腕处的运动信息，包括三维加速度计和三维陀螺仪；所述压力传感器组(5)固定于手套本体(1)手指部(101)的每个指套内侧，用于测量手指接触力，包括5个接触式压力传感器；所述信号运算放大器模块(6)，固定于手套本体(1)前臂套袖部(103)外侧，用于将肌电传感器组(3)采集的sEMG微信号进行放大；所述模数转换模块(7)，固定于手套本体(1)前臂套袖部(103)的外侧，用于将肌电传感器组(3)检测的经过信号运算放大器放大后的模拟信号进行处理并转化为数字信号，以提高肌电信号的采样率；所述震动反馈模块(8)，固定于手套本体(1)手指部(101)的指套内侧处，用于将虚拟现实系统的手部触觉信息以震动的方式反馈至手部，包括4个震动反馈单元；所述处理器模块(9)，固定于手套本体(1)的手腕部(102)外侧，用于收集和处理模数转换模块(7)的信号，并计算手部的姿态、位移、接触力与非接触力，以及接受虚拟现实系统的手部触觉信息并反馈至震动反馈模块(8)；其中，根据弯度传感器组(2)采集的数据计算各个手指弯度，根据肌电传感器组(3)的数据计算手指相关肌肉的激活度，根据惯性传感器组(4)的三维加速度计信号和三维陀螺仪信号计算手腕线性运动和旋转角度，即手部姿态的三维角度，根据压力传感器组(5)的数据获取手指接触力；手腕线性运动和旋转角度的计算方法为：定义旋转幅度为p，该旋转幅度为T个采样点内的角速度绝对值的和，如下式所示：其中，abs()为求绝对值运算，为第t个采样点处i轴方向的角速度；定义手部姿态的三维角度的两种求解方法，分别由加速度计和陀螺仪数据计算获得：方法1：利用加速度传感器计算关节角度：确定x、y、z三个方向加速度信号的矢量和R，如下式所示：其中，a_x、a_y、a_z分别为x、y、z三个方向的加速度信号；确定各个方向的角度angle_i，如式(4)所示，其中，i＝x，y，z；方法2：利用陀螺仪计算关节角度，如式(5)所示；angle_i(n)＝angle_i(n‑1)+w_i·T₁   (5)其中，angle_i(n)为当前采样点的关节角度，angle_i(n‑1)为前一采样点的关节角度，w_i为采集的i方向的角速度，T₁为陀螺仪采集数据的时间变化率；当旋转幅度p＜p₁时，为静态或低速状态，使用方法1计算手部三维角度；当p₁≤p≤p₂时，速度适中，使用方法1和2的结果加权和计算手部三维角度；当p＞p₂时，速度较快，使用方法2计算手部三维角度；其中，p₁、p₂分别为手部运动最大角速度的20％、40％；所述通讯模块(10)，固定于处理器模块(9)旁，用于连接处理器模块(9)和虚拟现实系统的上位机，实现信息交流和通讯，所述通讯模块(10)为蓝牙通讯模块。