專利名稱：一種觸覺反饋數(shù)據(jù)手套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，涉及人機(jī)交互接口，是一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)接觸交互接口，機(jī)器人遙操作領(lǐng)域中的力覺臨場感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)實(shí)世界中，手是人類與外界進(jìn)行交互的重要手段。人們用手來抓取物體，表達(dá)思想，感知物質(zhì)世界。然而，在虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的早期，面對計(jì)算機(jī)所生成的虛擬物體，由于缺乏必要的人機(jī)交互接口，人們不得不借助鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿等外設(shè)來操縱它們。這樣不但大大降低了操作者沉浸感，而且也禁錮了操作者的雙手。如果能夠把操作者的手勢輸入給計(jì)算機(jī)，并從計(jì)算機(jī)中得到觸覺反饋信息，操作者就可以象在日常生活中那樣自然地、靈活地操縱計(jì)算機(jī)所生成的虛擬物體。
研究者已經(jīng)對基于人手的人機(jī)交互接口做了大量的研究。在研究初期，為了能讓計(jì)算機(jī)“感知”人手的動作和姿態(tài)，研究者的主要研究對象是基于機(jī)械方式和基于手套方式的手勢輸入系統(tǒng)。機(jī)械式系統(tǒng)中比較有代表意義的是Dextrious HandMaster，手套式輸入裝置中比較成功的有digital data entry glove，Nintendo/Mattel PowerGlove，VPLDataglove，5th Glove，以及CyberGloveTM等。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些研究者采用計(jì)算機(jī)視覺來識別人的手勢，這種方法可以使操作者摒棄了交互設(shè)備的約束，徹底解放雙手，但是計(jì)算機(jī)視覺所固有的遮擋問題還不能得到很好地解決。此外，利用計(jì)算機(jī)視覺對復(fù)雜手勢的識別也難以解決實(shí)時(shí)性問題。因此，人們又重新把目光投向了基于手套方式及機(jī)械方式的輸入系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。
具有力覺反饋功能是這一類人機(jī)交互接口的另一個(gè)重要的方面。但是由于此類系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上難度較大，所以能夠進(jìn)入實(shí)用階段的只有很少的一部分，例如FEELItTMmouse，PHANToMTMarm，CyberTouchTM以及CyberGraspTM等。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，如果能讓操作者的手在操縱虛擬物體時(shí)通過力覺反饋裝置感受到其反作用力，將大大增強(qiáng)操作者的沉浸感。力覺反饋裝置根據(jù)其反饋方式可分為形狀再現(xiàn)式和表面刺激式兩大類。形狀再現(xiàn)式主要有氣動式(如氣囊、氣環(huán))、機(jī)電式、形狀記憶合金、壓電陣列式等。其中應(yīng)用較為廣泛的有RMI，RMII，PHANToMTM六自由度操作器，CybergraspTM等。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中對手臂的空間位姿的跟蹤是十分重要的。常用的有電磁跟蹤系統(tǒng)、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、基于傾角傳感器的姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)等。在這些系統(tǒng)中，采用電磁跟蹤可以精確地跟蹤位姿，但是易受周圍磁場及鐵磁物質(zhì)的干擾，其高昂的價(jià)格也限制它的廣泛應(yīng)用。光學(xué)跟蹤系統(tǒng)雖然也可以獲得非常高的位姿精度，但是它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量范圍也受到一定程度的限制。而各式各樣的傾角傳感器以其體積小、重量輕、接口簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在了姿態(tài)測量系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為姿態(tài)測量系統(tǒng)提供一種輕巧、簡單的數(shù)據(jù)手套，其具有觸覺反饋功能，性能可靠、精度高、使用范圍廣范。
本發(fā)明的另一目的是提供一種數(shù)據(jù)手套，它不但能把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者，而且能夠把人手的姿態(tài)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳遞給虛擬環(huán)境。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種具有觸覺反饋功能的數(shù)據(jù)手套，是用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)接觸交互接口，其基于力敏原理，手套設(shè)有彎曲傳感器。
所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其所述彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，并通過導(dǎo)線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線，以力敏材料包覆于柔性電路板的大部分，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導(dǎo)線與外電路連接。
所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其所述的彎曲傳感器安裝在手套內(nèi)部對應(yīng)于手、指關(guān)節(jié)彎曲的部位，用于檢測手部主要關(guān)節(jié)的彎曲角度。
所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其所述彎曲傳感器根據(jù)需要確定數(shù)量。
所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其所述導(dǎo)線互不相連的金屬導(dǎo)線，且互相平行或相互交錯。
所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，包括數(shù)個(gè)安裝于手套內(nèi)部的彎曲傳感器；數(shù)個(gè)觸覺反饋振動單元；
一個(gè)基于DSP的信號采集與控制單元，包含五個(gè)部分彎曲傳感器信號轉(zhuǎn)換電路、傾角傳感器、串行通訊端口、觸覺反饋驅(qū)動電路、數(shù)字信號處理器，該五部分電連接；其中，彎曲傳感器電連接于彎曲傳感器信號轉(zhuǎn)換電路至數(shù)字信號處理器的A/D輸入端口、觸覺反饋振動單元電連接于觸覺反饋驅(qū)動電路、傾角傳感器電連接于數(shù)字信號處理器的CAP輸入端口，信號采集與控制單元的串行通訊端口通過計(jì)算機(jī)串行通訊接口與計(jì)算機(jī)相連；信號采集與控制單元設(shè)于手套外部的腕部上方。
所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其所述的振動單元安裝在手指的末端指腹部，在控制單元的驅(qū)動下，輸出各種模式的觸覺反饋信號。
所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其所述的傾角傳感器采用基于MEMS技術(shù)的雙軸加速度計(jì)ADXL202，用于檢測手臂的傾角。
所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其所述的基于DSP的信號采集與控制單元實(shí)時(shí)采集彎曲傳感器及傾角傳感器的輸出信號，進(jìn)行濾波處理后通過串行端口傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；當(dāng)虛擬手與虛擬物體發(fā)生接觸時(shí)，觸覺信息通過串行端口傳遞給控制單元，使其輸出相應(yīng)的觸覺反饋。
本發(fā)明采用了一種新型的彎曲傳感器來完成對手部關(guān)節(jié)的測量來實(shí)現(xiàn)手勢的輸入。
本發(fā)明采用特定的振動方式為操作者提供觸覺反饋。
本發(fā)明使用基于MEMS技術(shù)的傾角傳感器來檢測手臂的姿態(tài)。使用這種傳感器雖然不能獲得位置信息，但是操作者可以通過姿態(tài)與手勢的配合來實(shí)現(xiàn)虛擬手在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動。


圖1為本發(fā)明的彎曲傳感器結(jié)構(gòu)；圖2為本發(fā)明的彎曲傳感器測量電路；圖3為本發(fā)明的傳感器布局圖；圖4為本發(fā)明的振動式觸覺反饋單元；圖5為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集與控制單元。
具體實(shí)施例方式
彎曲傳感器技術(shù)是數(shù)據(jù)手套的核心技術(shù)，要求其應(yīng)具有輕巧，柔性好，可靠性高等特點(diǎn)。本發(fā)明采用的是基于力敏原理的彎曲傳感器。圖1所示的是這種傳感器的結(jié)構(gòu)圖，這種新型彎曲傳感器主要由以下三個(gè)部分組成力敏材料1、柔性電路板2、彈性封裝材料3。在片狀條形的柔性電路板2上設(shè)有兩根互相平行的銅導(dǎo)線4，以力敏材料1包覆于柔性電路板2的大部分，再在力敏材料1上包覆一層彈性封裝材料3，柔性電路板2留任一端在外，以便導(dǎo)線4與外電路連接。
力敏材料1是該傳感器的敏感元件，它覆蓋在具有兩行互相平行銅導(dǎo)線4的柔性電路板2上。彎曲傳感器的最外層包裹了一層彈性材料3，當(dāng)彎曲傳感器被彎曲時(shí)，外層彈性封裝材料3發(fā)生彈性形變，從而在傳感器內(nèi)部產(chǎn)生施加在力敏材料1上的應(yīng)力，力敏材料1的阻值因此而發(fā)生改變。這種阻值的變化可以通過與平行導(dǎo)線4相連的外部信號轉(zhuǎn)換電路變換成電信號輸出。該傳感器具有如下特性1)柔韌該彎曲傳感器所采用的所有材料都具有很好的柔性，所以它易于彎曲，不會影響手部關(guān)節(jié)的活動。
2)輕巧該傳感器的厚度為1.2mm，根據(jù)需要可以制作成不同的尺寸，因?yàn)檩p巧，所以將其作為數(shù)據(jù)手套的傳感器不會給穿戴者感到任何不適。
3)可靠本發(fā)明采用的彎曲傳感器可以經(jīng)受數(shù)萬次的彎曲而保持完好。
在實(shí)際應(yīng)用中，該彎曲傳感器可以被簡化成一個(gè)可變電阻模型。圖2所示的是電路原理圖。把彎曲傳感器連接在一個(gè)恒壓源上時(shí)，傳感器的彎曲的變化使得其阻值發(fā)生改變，從而改變跟隨器的電壓輸出值，彎曲角度越大其電壓輸出值也越大。如果讓彎曲傳感器保持某種角度不變，電壓輸出將保持恒定。彎曲傳感器的輸入輸出關(guān)系具有較好的線性度，根據(jù)彎曲傳感器輸出的初始值和極限值以及其所對應(yīng)的彎曲角度就可以通過線性插值得出彎曲傳感器輸入輸出關(guān)系，并把這種關(guān)系應(yīng)用到關(guān)節(jié)角度的測量之中。測量之前，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臉?biāo)定程序可以獲得較高的測量精度。
圖3是彎曲傳感器的布局圖。本發(fā)明是在一個(gè)手套內(nèi)部安裝16個(gè)彎曲傳感器，其中的10個(gè)彎曲傳感器用于檢測大拇指的IP、MP關(guān)節(jié)及其它四指的PIP和MCP關(guān)節(jié)；4個(gè)彎曲傳感器用于檢測相鄰手指間的夾角；另外2個(gè)彎曲傳感器分別用于檢測手掌及腕關(guān)節(jié)的彎曲角度。這些彎曲傳感器可以把人手的主要關(guān)節(jié)的角度測量出來。通過圖5中的數(shù)據(jù)采集與控制單元實(shí)時(shí)采集這些傳感器的輸出，再經(jīng)過濾波、計(jì)算后通過串行通訊口傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使虛擬手實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟隨操作者手勢的變化。
圖4所示的為振動式觸覺反饋單元。該振動單元包含一個(gè)圓柱形外殼和一個(gè)底座。圓柱體內(nèi)內(nèi)置了一個(gè)微型的振動電機(jī)。振動電機(jī)的直徑為6mm，最高轉(zhuǎn)速達(dá)7200轉(zhuǎn)/分鐘。本發(fā)明采用的振動單元體積較小，可以安裝在指腹部位，這種布局與人手接觸物體產(chǎn)生觸覺的部位一致。另外，振動單元有一個(gè)弧形底座，它增大了振動單元與人手皮膚的接觸面積，使得人手的感覺更加真切。通過對電機(jī)電流的控制，可以使振動式觸覺反饋單元模擬出三種感覺彈擊、觸摸和機(jī)械振動。采用基于振動的觸覺反饋方式可以大大增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中操作者的沉浸感。
本發(fā)明采用了基于MEMS技術(shù)的雙軸加速度計(jì)ADXL202作為傾角傳感器。這種傳感器具有體積小，測量范圍大，精度高等特點(diǎn)。本發(fā)明中的微處理器根據(jù)ADXL202的兩個(gè)測量軸的數(shù)字輸出量求得手臂的俯仰角和滾動角，并傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。
圖5所示的是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集與控制單元。它主要包含五個(gè)部分彎曲傳感器信號轉(zhuǎn)換電路、傾角傳感器、串行通訊端口、觸覺反饋驅(qū)動電路、TMS320LF2407 DSP(數(shù)字信號處理器)，該五部分電連接；其中，其中，彎曲傳感器電連接于彎曲傳感器信號轉(zhuǎn)換電路至數(shù)字信號處理器的A/D輸入端口、觸覺反饋振動單元電連接于觸覺反饋驅(qū)動電路、傾角傳感器電連接于數(shù)字信號處理器的CAP輸入端口，信號采集與控制單元的串行通訊端口通過計(jì)算機(jī)串行通訊接口與計(jì)算機(jī)相連；信號采集與控制單元設(shè)于手套外部的腕部上方。
DSP是整個(gè)系統(tǒng)的核心處理單元，它把16路彎曲傳感器信號轉(zhuǎn)換電路的輸出及ADXL202兩個(gè)測量軸的輸出分別通過A/D轉(zhuǎn)換單元和CAP端口采集到處理器內(nèi)部，經(jīng)過數(shù)字濾波后通過串行通訊口把傳感器的當(dāng)前采樣值傳遞給運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)或工作站。當(dāng)虛擬手與虛擬物體發(fā)生作用時(shí)，計(jì)算機(jī)或工作站通過串行通訊口把反饋信息傳遞給DSP，由DSP驅(qū)動觸覺反饋單元的振動電機(jī)給操作者以觸覺反饋。
本發(fā)明的具有觸覺反饋功能的數(shù)據(jù)手套，既可以從計(jì)算機(jī)取電，也可以外接電源。從計(jì)算機(jī)直接取電對用戶來說更加方便一些。
權(quán)利要求
1.一種具有觸覺反饋功能的數(shù)據(jù)手套，是用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)接觸交互接口，其特征在于基于力敏原理，手套設(shè)有彎曲傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征在于所述彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，并通過導(dǎo)線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線，以力敏材料包覆于柔性電路板的大部分，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導(dǎo)線與外電路連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征在于所述的彎曲傳感器安裝在手套內(nèi)部對應(yīng)于手、指關(guān)節(jié)彎曲的部位，用于檢測手部主要關(guān)節(jié)的彎曲角度。
4.如權(quán)利要求1或2所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征在于所述彎曲傳感器根據(jù)需要確定數(shù)量。
5.如權(quán)利要求1或2所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征在于所述導(dǎo)線為互不相連的金屬導(dǎo)線，且互相平行或相互交錯。
6.如權(quán)利要求1所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征在于包括數(shù)個(gè)安裝于手套內(nèi)部的彎曲傳感器；數(shù)個(gè)觸覺反饋振動單元；一個(gè)基于DSP的信號采集與控制單元，包含五個(gè)部分彎曲傳感器信號轉(zhuǎn)換電路、傾角傳感器、串行通訊端口、觸覺反饋驅(qū)動電路、數(shù)字信號處理器，該五部分電連接；其中，彎曲傳感器電連接于彎曲傳感器信號轉(zhuǎn)換電路至數(shù)字信號處理器的A/D輸入端口、觸覺反饋振動單元電連接于觸覺反饋驅(qū)動電路、傾角傳感器電連接于數(shù)字信號處理器的CAP輸入端口，信號采集與控制單元的串行通訊端口通過計(jì)算機(jī)串行通訊接口與計(jì)算機(jī)相連；信號采集與控制單元設(shè)于手套外部的腕部上方。
7.如權(quán)利要求6所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述的振動單元安裝在手指的末端指腹部，在控制單元的驅(qū)動下，輸出各種模式的觸覺反饋信號。
8.如權(quán)利要求6所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述的傾角傳感器采用基于MEMS技術(shù)的雙軸加速度計(jì)ADXL202，用于檢測手臂的傾角。
9.如權(quán)利要求6所述觸覺反饋數(shù)據(jù)手套，其特征在于，所述的基于DSP的信號采集與控制單元實(shí)時(shí)采集彎曲傳感器及傾角傳感器的輸出信號，進(jìn)行濾波處理后通過串行端口傳遞給虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；當(dāng)虛擬手與虛擬物體發(fā)生接觸時(shí)，觸覺信息通過串行端口傳遞給控制單元，使其輸出相應(yīng)的觸覺反饋。
全文摘要
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，是一種具有觸覺反饋功能的數(shù)據(jù)手套。該手套設(shè)有彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導(dǎo)線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線，以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導(dǎo)線與外電路連接。本發(fā)明能把人手姿態(tài)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳遞給虛擬環(huán)境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者。本發(fā)明使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，大大增強(qiáng)了互動性和沉浸感。并為操作者提供了一種通用、直接的人機(jī)交互方式，特別適用于需要多自由度手模型對虛擬物體進(jìn)行復(fù)雜操作的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。
文檔編號G06F3/00GK1696872SQ200410037800
公開日2005年11月16日 申請日期2004年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月13日
發(fā)明者原魁, 朱海兵 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所