引言

虛擬現(xiàn)實技術(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。用戶對虛擬場景的物體的物理特性,如大小、外形等特性的感知,通過觸覺反饋產(chǎn)生真實的感觸,增強對虛擬場景的沉浸感也是重要的一個方面。

近年來,隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展,外骨骼手套在其中的作用更加凸顯。為實現(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),即使用者通過手套感知到虛擬場景中的物體形狀。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,對于應(yīng)用普及或應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實場景,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,限制了手的運動范圍,減小了使用者手指的彎曲角度。相對于內(nèi)骨骼手套,外骨骼手套能夠附加更多的外部設(shè)備,便于對多關(guān)節(jié)實現(xiàn)力反饋。

1外骨骼機械結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

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

將非接觸式角度傳感器PCB模塊設(shè)計應(yīng)盡量小,放置在各個較接處,整只手掌放置有17個同樣的非接觸式角度傳感器,實現(xiàn)對手部姿態(tài)變化的檢測。

力反饋裝置在原有結(jié)構(gòu)的連桿中間留有連接孔,采用鋼絲繩進行傳動。整個裝置包括機械結(jié)構(gòu)部分、力反饋部分、底層控制模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、傳感器PCB模塊。整個裝置僅有手掌大小,使用時只需通過FPGA開發(fā)板與PC端進行連接即可實現(xiàn)虛擬場景下的人機交互。

2手指關(guān)節(jié)姿態(tài)采集模塊

手在虛擬場景中的主要功能與現(xiàn)實中使用動作有張開、閉合及捏、鉤或握等,約占手部動作的85%以上,這些動作變化反映在手指關(guān)節(jié)角度的變化上,可以通過對手指關(guān)節(jié)角度的測定對整個手部的運動情況進行監(jiān)測。

大拇指放置5個非接觸式角度傳感器,其余手指在包絡(luò)掌骨和近指節(jié)部分外骨骼較接點分別放置一個傳感器,其余在與手指關(guān)節(jié)連接處放置傳感器,測量彎曲角度,能夠采集整只手共計17個角度值,從而對手部運動的姿態(tài)進行實時監(jiān)測。

采用如圖2方法進行放置的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bit,信號處理能力快,適用于精確測定動態(tài)變化的跟隨手部運動而轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子,實現(xiàn)對手部關(guān)節(jié)姿態(tài)的正確采集。

功能上,大拇指手套外側(cè)2個傳感器模塊測定大拇指的轉(zhuǎn)動以及與其余四指的角度變化:外骨骼手套與拇指、食指、中指、無名指和小指連接處各放置的2個傳感器,負(fù)責(zé)檢測手指近指節(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個傳感器用于監(jiān)測四手指之間的相對運動。整體上實現(xiàn)對全部手指關(guān)節(jié)運動的運動情況的測定。

3機械結(jié)構(gòu)的運動分析與仿真

3.1待測關(guān)節(jié)運動分析

已知條件:由外骨骼結(jié)構(gòu)測量可知11、12、13、14、15的長度值,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)動角度8。需要求解ED的轉(zhuǎn)動角度,由于手指綁定部分ED與支架CD通過穿戴可以視為是固結(jié)的,建立三角形CDE,CE的轉(zhuǎn)動角度與ED相同,將研究ED轉(zhuǎn)動角度值轉(zhuǎn)化成求解CE的轉(zhuǎn)角,ABCE是一個典型的四桿機構(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:

由各桿實際長度導(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MAT1AB編程繪制角度曲線如圖4所示,即通過已知的角度和外骨骼各長度參數(shù)可以求得手指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度,繼而可以得到五指的運動情況。

3.2四桿機構(gòu)的AdamS運動仿真驗證

ADAMS軟件采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法,建立系統(tǒng)動力學(xué)方程,可以對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。根據(jù)實際測量的各個關(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。通過對機械外骨骼手套的外部骨骼結(jié)構(gòu)運動仿真和后處理得到外骨骼運動與手部運動角度的關(guān)系曲線,如圖6所示,驗證得出測得角度與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度之間的函數(shù)關(guān)系與實際情況是吻合的。

4力反饋機構(gòu)與底層控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1力反饋機構(gòu)設(shè)計

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

整個手套的外骨骼機械構(gòu)件由鋁合金加工而成,每個關(guān)節(jié)處都放置有鋼絲繩的固結(jié)點,在手指與手指之間也布有鋼絲繩,用于反饋手指間的力。5個手指的反饋運動由17個力矩電機帶動,最大力矩可達(dá)1.4N·m,連續(xù)輸出力矩為0.12N·m。每個電機均有一個滑輪與其相連,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的最大拉力電機的運轉(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,電機停止運轉(zhuǎn),拉力值能適用于虛擬場景中的常規(guī)情況。

4.2底層控制系統(tǒng)設(shè)計

隨著現(xiàn)場可編程邏輯門陣列硬件設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大,使用FPGA芯片采集數(shù)據(jù)的優(yōu)點也越來越凸顯,相對于采用串行方式處理數(shù)據(jù)的方式來說,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開發(fā)軟件進行仿真實驗。

本裝置采用xI1INx公司生產(chǎn)的PYN0-Z2開發(fā)板作底層控制,PYN0-Z2除支持傳統(tǒng)ZYN0開發(fā)方式外,還可支持Python進行SOC編程,并且代碼可直接在開發(fā)板上進行開發(fā)和調(diào)試。PYN0廣泛應(yīng)用在并行硬件執(zhí)行、實時信號處理、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),能夠大幅縮減信號處理時間,降低在人機交互中的延遲時間,提升虛擬現(xiàn)實場景的沉浸感。同時為了進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Ava1on開關(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個傳感器產(chǎn)生的霍爾信號經(jīng)過處理后得到的角度值,通過數(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)實場景,通過外骨骼手套實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實場景的力反饋,如圖8所示。

5結(jié)語

新型的力反饋式外骨骼手套結(jié)構(gòu)簡單,能夠通過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,進而將虛擬世界的物體大小通過力反饋的方式進行交互。采用FPGA開發(fā)板進行信號處理,降低了系統(tǒng)的延遲時間,從而使得使用者的沉浸感更強。裝置采用了模塊化設(shè)計,通過對采集數(shù)據(jù)的處理,可適用于其他機械手的控制中,將機械手與外界的相互作用力反饋給操作者,同時結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù),可實現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化目的。