引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠生成多種感官刺激的虛擬世界,并能夠讓使用者產(chǎn)生沉浸感,而使用者與虛擬世界的交互操作則是產(chǎn)生沉浸感的重要手段。用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景的物體的物理特性,如大小、外形等特性的感知,通過(guò)觸覺(jué)反饋產(chǎn)生真實(shí)的感觸,增強(qiáng)對(duì)虛擬場(chǎng)景的沉浸感也是重要的一個(gè)方面。

近年來(lái),隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,外骨骼手套在其中的作用更加凸顯。為實(shí)現(xiàn)力反饋,手套需要具有一套采集手指各關(guān)節(jié)姿態(tài)角度的采集裝置,另外還需要有力反饋系統(tǒng),即使用者通過(guò)手套感知到虛擬場(chǎng)景中的物體形狀。目前相關(guān)設(shè)備分為兩種,一種是外骨骼結(jié)構(gòu),如Cyber-GraSp力反饋數(shù)據(jù)手套,其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)于應(yīng)用普及或應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,成本較高。另一種是內(nèi)骨骼數(shù)據(jù)手套,如東南大學(xué)研制的一種力反饋數(shù)據(jù)手套,放置在手掌部位,限制了手的運(yùn)動(dòng)范圍,減小了使用者手指的彎曲角度。相對(duì)于內(nèi)骨骼手套,外骨骼手套能夠附加更多的外部設(shè)備,便于對(duì)多關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)力反饋。

1外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

外骨骼手套關(guān)節(jié)間采用四連桿機(jī)構(gòu),如圖1所示,可以通過(guò)改變兩搖桿底部較接點(diǎn)的位置,以適應(yīng)不同手指長(zhǎng)度使用者的佩戴,設(shè)計(jì)值采用參考文獻(xiàn)提供的成年人手指的各骨節(jié)長(zhǎng)度,掌骨65～75mm、近指節(jié)45～50mm、中指節(jié)25～31mm、遠(yuǎn)指節(jié)22～28mm。通過(guò)連桿結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,根據(jù)以上參考數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)各部分外骨骼桿件的長(zhǎng)度,能夠?qū)崿F(xiàn)在結(jié)構(gòu)上外骨骼包絡(luò)整只手,并采集手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)。

將非接觸式角度傳感器PCB模塊設(shè)計(jì)應(yīng)盡量小,放置在各個(gè)較接處,整只手掌放置有17個(gè)同樣的非接觸式角度傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)手部姿態(tài)變化的檢測(cè)。

力反饋裝置在原有結(jié)構(gòu)的連桿中間留有連接孔,采用鋼絲繩進(jìn)行傳動(dòng)。整個(gè)裝置包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、力反饋部分、底層控制模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器PCB模塊。整個(gè)裝置僅有手掌大小,使用時(shí)只需通過(guò)FPGA開(kāi)發(fā)板與PC端進(jìn)行連接即可實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景下的人機(jī)交互。

2手指關(guān)節(jié)姿態(tài)采集模塊

手在虛擬場(chǎng)景中的主要功能與現(xiàn)實(shí)中使用動(dòng)作有張開(kāi)、閉合及捏、鉤或握等,約占手部動(dòng)作的85%以上,這些動(dòng)作變化反映在手指關(guān)節(jié)角度的變化上,可以通過(guò)對(duì)手指關(guān)節(jié)角度的測(cè)定對(duì)整個(gè)手部的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

大拇指放置5個(gè)非接觸式角度傳感器,其余手指在包絡(luò)掌骨和近指節(jié)部分外骨骼較接點(diǎn)分別放置一個(gè)傳感器,其余在與手指關(guān)節(jié)連接處放置傳感器,測(cè)量彎曲角度,能夠采集整只手共計(jì)17個(gè)角度值,從而對(duì)手部運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

采用如圖2方法進(jìn)行放置的T1E5012B型磁編碼器,基于iGMR技術(shù),采用PwM協(xié)議,利用占空比變化表示角度變化,通信距離可達(dá)5m,角度分辨率達(dá)到15個(gè)bit,信號(hào)處理能力快,適用于精確測(cè)定動(dòng)態(tài)變化的跟隨手部運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子,實(shí)現(xiàn)對(duì)手部關(guān)節(jié)姿態(tài)的正確采集。

功能上,大拇指手套外側(cè)2個(gè)傳感器模塊測(cè)定大拇指的轉(zhuǎn)動(dòng)以及與其余四指的角度變化:外骨骼手套與拇指、食指、中指、無(wú)名指和小指連接處各放置的2個(gè)傳感器,負(fù)責(zé)檢測(cè)手指近指節(jié)與掌骨、近指節(jié)與中指節(jié)之間的角度變化:包絡(luò)掌骨和近指節(jié)部分外骨骼較接在手背的4個(gè)傳感器用于監(jiān)測(cè)四手指之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。整體上實(shí)現(xiàn)對(duì)全部手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)情況的測(cè)定。

3機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真

3.1待測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析

已知條件:由外骨骼結(jié)構(gòu)測(cè)量可知11、12、13、14、15的長(zhǎng)度值,其中15為手指連接處距掌骨關(guān)節(jié)的距離,由角度傳感器可以測(cè)得BC與x0軸的夾角y,如圖3所示。待求數(shù)據(jù):手指轉(zhuǎn)動(dòng)角度8。需要求解ED的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,由于手指綁定部分ED與支架CD通過(guò)穿戴可以視為是固結(jié)的,建立三角形CDE,CE的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與ED相同,將研究ED轉(zhuǎn)動(dòng)角度值轉(zhuǎn)化成求解CE的轉(zhuǎn)角,ABCE是一個(gè)典型的四桿機(jī)構(gòu)。

在坐標(biāo)系X0AY0下,建立閉環(huán)矢量方程為:

將其投影到坐標(biāo)軸上:

由勾股定理:

由各桿實(shí)際長(zhǎng)度導(dǎo)入上式,聯(lián)立(2）(3）(4）求得角位移8的表達(dá)式,并將表達(dá)式通過(guò)MAT1AB編程繪制角度曲線如圖4所示,即通過(guò)已知的角度和外骨骼各長(zhǎng)度參數(shù)可以求得手指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,繼而可以得到五指的運(yùn)動(dòng)情況。

3.2四桿機(jī)構(gòu)的AdamS運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證

ADAMS軟件采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法,建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,可以對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的各個(gè)關(guān)節(jié)尺寸,在ADAMS軟件中建立外骨骼仿真模型單元,如圖5所示。通過(guò)對(duì)機(jī)械外骨骼手套的外部骨骼結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和后處理得到外骨骼運(yùn)動(dòng)與手部運(yùn)動(dòng)角度的關(guān)系曲線,如圖6所示,驗(yàn)證得出測(cè)得角度與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的函數(shù)關(guān)系與實(shí)際情況是吻合的。

4力反饋機(jī)構(gòu)與底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1力反饋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

力反饋采用力矩電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩進(jìn)行傳動(dòng),將電機(jī)放置于手套外部,通過(guò)鋼絲繩可以使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更加緊湊,避免結(jié)構(gòu)臃腫。原理上,關(guān)節(jié)之間的角度通過(guò)桿件之間的鋼絲繩的拉伸進(jìn)行控制,虛擬場(chǎng)景的物體在外圍建立基于包圍盒碰撞檢測(cè)思想的三維非規(guī)則多面體模型,當(dāng)手碰到虛擬場(chǎng)景中的物體外圍時(shí),經(jīng)過(guò)信息的反饋,力矩電機(jī)將帶動(dòng)鋼絲繩卷起,進(jìn)而對(duì)手指關(guān)節(jié)產(chǎn)生約束,產(chǎn)生力的反饋。

整個(gè)手套的外骨骼機(jī)械構(gòu)件由鋁合金加工而成,每個(gè)關(guān)節(jié)處都放置有鋼絲繩的固結(jié)點(diǎn),在手指與手指之間也布有鋼絲繩,用于反饋手指間的力。5個(gè)手指的反饋運(yùn)動(dòng)由17個(gè)力矩電機(jī)帶動(dòng),最大力矩可達(dá)1.4N·m,連續(xù)輸出力矩為0.12N·m。每個(gè)電機(jī)均有一個(gè)滑輪與其相連,并與用于纏繞連接外骨骼手指的繩索接通,繩索上能提供14N的最大拉力電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),與手指角度形成閉環(huán)控制,當(dāng)手指姿態(tài)達(dá)到預(yù)定值時(shí),電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),拉力值能適用于虛擬場(chǎng)景中的常規(guī)情況。

4.2底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列硬件設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,使用FPGA芯片采集數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)越凸顯,相對(duì)于采用串行方式處理數(shù)據(jù)的方式來(lái)說(shuō),不僅節(jié)省空間、減少干擾、提高了電路的穩(wěn)定性,還可以利用FPGA開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

本裝置采用xI1INx公司生產(chǎn)的PYN0-Z2開(kāi)發(fā)板作底層控制,PYN0-Z2除支持傳統(tǒng)ZYN0開(kāi)發(fā)方式外,還可支持Python進(jìn)行SOC編程,并且代碼可直接在開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試。PYN0廣泛應(yīng)用在并行硬件執(zhí)行、實(shí)時(shí)信號(hào)處理、低延遲控制等領(lǐng)域,擁有650MHz雙核Corte-A9處理器,支持SPI、I2C、CAN、UART等低寬帶外設(shè)控制器。我們利用其擁有的220個(gè)DSP、630KB快速的B1ockRAM和512MB、最高可達(dá)1050MbpS的DDR3,采用并行的方式處理數(shù)據(jù),能夠大幅縮減信號(hào)處理時(shí)間,降低在人機(jī)交互中的延遲時(shí)間,提升虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的沉浸感。同時(shí)為了進(jìn)一步提高通信的可靠性,減少電路的復(fù)雜程度采用SSC協(xié)議,同時(shí)Ava1on開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化了數(shù)據(jù)流,提高系統(tǒng)的吞吐量。

力反饋數(shù)據(jù)手套與PC機(jī)之間的串行通信系統(tǒng)中,使用1VDS技術(shù)可使通信速率和工作距離大大增加。圖7為PC端獲取17個(gè)傳感器產(chǎn)生的霍爾信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后得到的角度值,通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送PC端處理后,將結(jié)果表示為手部姿態(tài)顯示在Unity中的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,通過(guò)外骨骼手套實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的力反饋,如圖8所示。

5結(jié)語(yǔ)

新型的力反饋式外骨骼手套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠通過(guò)非接觸式的角度傳感器采集整只手的姿態(tài)和手指角度變化,進(jìn)而將虛擬世界的物體大小通過(guò)力反饋的方式進(jìn)行交互。采用FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行信號(hào)處理,降低了系統(tǒng)的延遲時(shí)間,從而使得使用者的沉浸感更強(qiáng)。裝置采用了模塊化設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理,可適用于其他機(jī)械手的控制中,將機(jī)械手與外界的相互作用力反饋給操作者,同時(shí)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化目的。