增强使用者沉浸感的上肢多向活动的虚拟现实系统转让专利
申请号 : CN202011472617.5
文献号 : CN112379783B
文献日 : 2021-12-07
发明人 : 曹静
申请人 : 同济大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种增强使用者沉浸感的上肢多向活动的虚拟现实系统,其特征在于,包括:交互式物理训练设备、定位模块、数据处理终端、头戴式显示器,定位模块包括手柄感应器、臂环感应器;数据处理终端与交互式物理训练设备、定位模块、头戴式显示器互联;终端处理器通过对数据的整合,利用手柄感应器及臂环感应器传输来的位置数据,位置换算模块计算得出使用者上肢空间位置,同时结合交互式物理训练设备传输来的受力数据,根据动作镜像模型以虚拟现实动态演绎的方式展示在头戴式虚拟显示设备中;
所述交互式物理训练设备,包括数控滑轨组件、手柄组件、中枢组件;所述数控滑轨组件,包括滑台基座(14)、数控滑台(13)、横向轨道(11)、升降轨道(12);所述数控滑台(13)活动连接于横向轨道(11)上,数控滑台(13)包括滑块和滑块步进电机,通过滑块与横向轨道(11)咬合,通过滑块步进电机驱动转轴转化为整个数控滑台(13)在横向轨道(11)上的横向活动方向d1和位移s1;所述横向轨道(11)安装于滑台基座(14)后整体再活动连接于升降轨道(12)上;滑台基座(14)包括基座和基座步进电机,通过基座与升降轨道(12)咬合,通过基座步进电机驱动转轴转化为整个滑台基座(14)在升降轨道(12)上的升降方向d2和位移s2;
所述手柄组件包括弹力拉绳(41)、数控退线器(42)、舵机、手柄(43),所述弹力拉绳缠绕于退线器转轴上,弹力拉绳的一端连接于滑台,其另一端连接于手柄,所述舵机输出轴连接退线器转轴,退线器转轴用于收纳或者释放弹力拉绳,调节弹力拉绳(41)长度;所述弹力拉绳(41)具有弹性,固有的弹性系数f;所述中枢组件包括控制器(32)、拉力传感器和遥控器(34);所述拉力传感器设置于手柄组件上,用于采集弹力拉绳的拉力状态数据(拉力大小n和方向d3)并提供给控制器(32);滑块步进电机、基座步进电机、舵机,它们的驱动器连接受控于控制器(32);所述遥控器(34)连接于控制器(32),用于上肢活动前初始设置或者重新设置滑台基座(14)在升降轨道(12)之上的基准高度位置、拉绳操作长短以适应用户需求;
拉力传感器将用户拉力大小及拉力方向数据实时传给控制器(32);
所述终端处理器,包括位置换算模块、拉力分析反馈模块;所述位置换算模块将采集使用者上肢位置并进行空间计算得出对应虚拟空间的位置;设交互式物理训练设备的数控滑台(13)为位置采集点0(X0、Y0、Z0),作为空间坐标的原点,使用者手臂上的臂环感应器作为采集点1(X1、Y1、Z1),加长杆上感应器作为采集点2(X2、Y2、Z2),握持杆上的传感器作为采集点3(X3、Y3、Z3);在不使用加长的情况下采集点2和采集点3同为一点,以采集点3为描述对象;在不使用加长的情况下,当采集点0处在高于采集点3的位置时,将判定点4(X4、Y4、Z4)确定在采集点0处与采集点3的延长线上;在不使用加长的情况下,当采集点0处在低于采集点3的位置时,将判定点4确定在采集点0处与采集点3的延长线或者重力抛物线上;
所述拉力分析反馈模块:根据数控滑台(13)所在的横向位移s1竖向位移s2,弹力拉绳(41)的拉力方向d3、大小n状态数据,以及结合弹力拉绳(41)固有的弹性系数f,在遵循动作镜像模型的活动形式和约束下,拉力分析反馈模块通过分析处理并做出反馈,指令舵机控制数控退线器执行收绳及放绳动作,实时调节弹力拉绳(41)长度,进而改变虚拟对象的拉力高度及拉力大小,促使使用者在进行上肢活动过程中能够感受到真实的力对抗;指令数控滑台(13)在横向滑轨上左右位移,进而改变拉力方向,使得用户获得与自己视觉、触觉及运动觉感知及判断相一致的拉力方向反馈,增强使用者的虚拟现实沉浸式体验。
2.如权利要求1所述的上肢活动虚拟现实系统,其特征在于,所述定位模块,包括手柄感应器、臂环感应器硬件;所述手柄感应器,设置于由使用者握持的手柄(43)之上,用于获得手柄(43)空间位置,并提供给终端处理器中的位置换算模块;所述臂环感应器,设置于使用者的肘关节上,获得臂环感应器空间位置,并提供给位置换算模块。
说明书 :
增强使用者沉浸感的上肢多向活动的虚拟现实系统
技术领域
背景技术
交互和沉浸感,获得更接近自然的交互体验。一方面,基于多感官交互的虚拟现实系统已成
为目前虚拟现实领域研究的热点。然而目前虚拟现实系统中的交互存在过分依赖高端设
备、多感官同步交互实现困难等问题。另一方面,近年来,我国虚拟现实产业快速发展,相关
关键技术进一步成熟,在画面质量、图像处理、眼球捕捉、3D声场、机器视觉等技术领域不断
取得突破。然而当前的大量技术研发都主要围绕虚拟现实体验中的视觉反馈(视觉图像的
扭曲或者滞后、立体空间感、像素分辨率、视野、速率及帧频等方面优化)及听觉反馈(用户
自己的声音、他人的声音以及物体或者环境的声音等方面优化),在虚拟现实体验触觉环境
反馈方面的技术突破和市场应用相对较少。虚拟现实临场感及沉浸感因用户缺乏互动过程
中相适应的触觉反馈,其综合感官感受得不到匹配,沉浸感、体验感受限。
201921771085.8)首次提出了一种沉浸式虚拟现实交互设备,为一种能提供多向拉力实时
反馈的虚拟现实交互设备,占有空间小。
发明内容
的、增强沉浸式体验的一套壁架式的支持上肢活动的虚拟现实系统。
块、头戴式显示器互联。终端处理器通过对数据的整合,利用手柄感应器及臂环感应器传输
来的位置数据,位置换算模块计算得出使用者上肢空间位置,同时结合交互式物理训练设
备传输来的受力数据,根据动作镜像模型以虚拟现实动态演绎的方式展示在头戴式虚拟显
示设备中。
(13)活动连接于横向轨道(11)上,数控滑台(13)包括滑块和滑块步进电机,通过滑块与横
向轨道(11)咬合,通过滑块步进电机驱动转轴转化为整个数控滑台(13)在横向轨道(11)上
的横向活动方向d1和位移s1;所述横向轨道(11)安装于滑台基座(14)后整体再活动连接于
升降轨道(12)上;滑台基座(14)包括基座和基座步进电机,通过基座与升降轨道(12)咬合,
通过基座步进电机驱动转轴转化为整个滑台基座(14)在升降轨道(12)上的升降方向d2和
位移s2;所述手柄组件包括弹力拉绳(41)、数控退线器(42)、舵机、手柄(43),所述弹力拉绳
缠绕于退线器转轴上,弹力拉绳的一端连接于滑台,其另一端是用于连接手柄,所述舵机输
出轴连接退线器转轴,退线器转轴用于收纳或者释放弹力拉绳,调节弹力拉绳(41)长度。所
述弹力拉绳(41)具有弹性,固有的弹性系数f。所述中枢组件包括控制器(32)、拉力传感器
和遥控器(34);所述拉力传感器设置于手柄组件上,用于采集弹力拉绳的拉力状态数据(拉
力大小n和方向d3)并提供给控制器(32);滑块步进电机、基座步进电机、舵机,它们的驱动
器连接受控于控制器(32)。所述遥控器(34)连接于控制器(32),用于上肢活动前初始设置
或者重新设置滑台基座(14)在横向轨道(2)、升降轨道(12)之上的位置、拉绳操作长短以适
应用户需求。拉力传感器将用户拉力大小及拉力方向数据实时传给控制器(32)。
立空间的相对空间位置,并提供给终端处理器中的位置换算模块。所述臂环感应器,设置于
使用者的肘关节上,同样也获得臂环感应器所在点在设立空间的相对空间位置,也提供给
位置换算模块。通过联合手柄感应器、臂环感应器两个点的位置信息,系统可获得手肘的动
作数据。
原点,使用者手臂上的臂环感应器作为采集点1(X1、Y1、Z1),加长杆上感应器作为采集点2
(X2、Y2、Z2),握持杆上的传感器作为采集点3(X3、Y3、Z3);在不使用加长的情况下采集点2
和采集点3同为一点,以采集点3为描述对象;在不使用加长的情况下,当采集点0处在高于
采集点3的位置时,将判定点4(X4、Y4、Z4)确定在采集点0处与采集点3的延长线上;在不使
用加长的情况下,当采集点0处在低于采集点3的位置时,将判定点4确定在采集点0处与采
集点3的重力抛物线上。
动作镜像模型的活动形式和约束下,拉力分析反馈模块通过分析处理并做出反馈,指令舵
机控制数控退线器执行收绳及放绳动作,实时调节弹力拉绳(41)长度,进而改变虚拟对象
的拉力高度及拉力大小,促使使用者在进行上肢活动过程中能够感受到真实的力对抗;指
令数控滑台(13)在横向滑轨上左右位移,进而改变拉力方向,使得用户获得与自己视觉、触
觉及运动觉感知及判断相一致的拉力方向反馈,增强使用者的虚拟现实沉浸式体验。
疗、保健、教育、娱乐等应用领域有广阔发展前景。
附图说明
具体实施方式
以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实
现,且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限定。因此,示例性实施例
的其它示例可以具有不同的值。
比例关系的改变或大小的调整,在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下,均
应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号
代表相同的特征或者部件,可应用于不同实施例中。
(13)在横向轨道(11)上的横向活动方向d1和位移s1;
输出轴连接退线器转轴,退线器转轴用于收纳或者释放弹力拉绳,调节弹力拉绳(41)长度。
仅作为例子,不做为限定,弹力拉绳的一端为固定端,可以通过退线器一起固定于滑台。
持杆,而加长杆(45)作为握持杆的加长杆。
(32);滑块步进电机、基座步进电机、舵机,它们的驱动器连接受控于控制器(32)。所述遥控
器(34)连接于控制器(32),用于上肢活动前初始设置或者重新设置滑台基座(14)在升降轨
道(12)之上的基准高度位置、拉绳操作长短以适应用户需求。
拉绳伸缩。用户可自行调节硬件设备初始状态,以适应于用户个体化操控的身体特征(如身
高)、交互姿态(如站姿、坐姿)及拉绳长度(手柄的初始高度及对抗力的初始大小)。遥控器
(34)及手柄(43)都通过通讯模块将用户设置的数控基座(14)初始高度数据及拉绳初始拉
力大小数据传输给单片机传感器。此类皆属于常规技术,非必要限定。
处理器中的位置换算模块。
原点,使用者手肘上的臂环感应器作为采集点1(X1、Y1、Z1),加长杆上感应器作为采集点2
(X2、Y2、Z2),握持杆上的传感器作为采集点3(X3、Y3、Z3),在不使用加长的情况下采集点2
和采集点3同为一点,以采集点3为描述对象。在不使用加长的情况下,当采集点0处在高于
采集点3的位置时,将判定点4(X4、Y4、Z4)确定在采集点0处与采集点3的延长线上(使用者
感知到的虚拟对象施力点或者受力点,增强沉浸式体验)。如图5(b)所示:在不使用加长的
情况下,向下拉活动中,虚拟对象的拉力触发点4(X4、Y4、Z4)应该在采集点0处与采集点3的
延长线上,可应用于放风筝等应用项目。在不使用加长的情况下,当采集点0处在低于采集
点3的位置时,将判定点4确定在采集点0处与采集点3的延长线或者重力抛物线上(使用者
虚拟感知到的判定点,增强沉浸式体验)。如图5(a)所示:在不使用加长的情况下,向上拉活
动中,虚拟对象的拉力触发点4(X4、Y4、Z4)应该在采集点0处与采集点3的延长线或者重力
抛物线上。应用于钓鱼等应用项目。
动作镜像模型的活动形式和约束下,拉力分析反馈模块通过分析处理并做出反馈,指令舵
机控制数控退线器执行收绳及放绳动作,实时调节弹力拉绳(41)长度,进而改变虚拟对象
的拉力高度及拉力大小,促使使用者在进行上肢活动过程中能够感受到真实的力对抗;指
令数控滑台(13)在横向滑轨上左右位移,进而改变虚拟对象与用户间的拉力方向,使得用
户获得与自己视觉、触觉及运动觉感知及判断相一致的拉力方向反馈,大大增强使用者的
虚拟现实沉浸式体验。
开游艇项目、虚拟拔萝卜比赛项目、上肢康复训练等拉力型的上肢活动,布置各类应用场景
内容,可以因具体项目来策划、创意。
受力数据,根据动作镜像模型以虚拟现实动态演绎的方式展示在头戴式虚拟显示设备中。
件的供电电压。
疗、保健、教育、娱乐等应用领域有广阔发展前景。
为等同的有效实施例,均属于本申请技术方案保护的范围。