數(shù)據(jù)手套技術(shù)綜述

1、數(shù)據(jù)手套技術(shù)綜述 摘要：數(shù)據(jù)手套是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互設(shè)備之一,數(shù)據(jù)手套的應(yīng)用對(duì)于虛擬制造非常重要。研究數(shù)據(jù)手套的功能和原理,設(shè)計(jì)了一種面向虛擬制造的數(shù)據(jù)手套交互控制模塊。通過(guò)虛擬手的建模以及數(shù)據(jù)手套實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬手與人手的手勢(shì)映射,并結(jié)合層次包圍盒算法實(shí)現(xiàn)虛擬手與虛擬場(chǎng)景的碰撞檢測(cè)。研究結(jié)果顯示,在模塊下人手到虛擬手的動(dòng)作映射和虛擬手對(duì)虛擬物體的碰撞檢測(cè)能基本滿足虛擬制造系統(tǒng)的理論要求,具有一定的實(shí)用性。關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)手套、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一、 數(shù)據(jù)手套的定義數(shù)據(jù)手套是虛擬仿真中常用的交互工具。數(shù)據(jù)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(guò)導(dǎo)線連接至信

2、號(hào)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。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。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(dòng)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(duì)虛擬物體進(jìn)行復(fù)雜操作的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)手套由可伸縮的彈性纖維制成，可以適合不同大小的手掌，用數(shù)據(jù)手套對(duì)每個(gè)指關(guān)節(jié)都可以通過(guò)兩個(gè)傳感器采集其彎曲程度的數(shù)據(jù)，在每?jī)蓚€(gè)手指之間有一個(gè)傳感器記錄兩個(gè)手指之間

3、的角度，可以很好的區(qū)分每根手指的外圍輪廓。手勢(shì)的識(shí)別問(wèn)題傳感器有相應(yīng)的測(cè)量范圍，我們將定義傳感器的臨界值，因?yàn)橛卸鄠€(gè)傳感器這樣就可以做出多種手勢(shì)，將傳感器的輸出數(shù)列進(jìn)行計(jì)算就可以得出相應(yīng)的手勢(shì)。二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是近年來(lái)最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一，有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景，受到各界、尤其是軍方的青睞。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種虛擬的沉浸式交互環(huán)境,具體地說(shuō),就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境,用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境

4、的感受和體驗(yàn)。VR帶來(lái)了人機(jī)交互的新概念、新內(nèi)容、新方式和新方法,使人機(jī)交互的內(nèi)容更加豐富、形象,方式更加自然、和諧。手是人與外界進(jìn)行物理接觸及意識(shí)表達(dá)的主要媒介。當(dāng)人與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互操作時(shí),傳統(tǒng)的輸入輸出接口設(shè)備,如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等只能限制手在桌面上或一個(gè)小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制,而表達(dá)意識(shí)的大多數(shù)手的自然運(yùn)動(dòng)被犧牲了,妨礙了人們對(duì)系統(tǒng)控制意識(shí)表達(dá)的全面性與靈活性。數(shù)據(jù)手套可以跟蹤操作者靈活多變的手勢(shì)及空間方位,使操作者自然而然地將自己的意識(shí)傳送至計(jì)算機(jī)。因此數(shù)據(jù)手套作為一種重要的人機(jī)交互接口,廣泛地應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)的研究領(lǐng)域中。三、數(shù)據(jù)手套的基本原理數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的重要組成部分

5、,是一種通用的人機(jī)接口,其直接目的在于實(shí)時(shí)獲取人手的動(dòng)作姿態(tài),以便在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)人手動(dòng)作,達(dá)到理想的人機(jī)交互目的。數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于手掌、手指及手腕的各個(gè)有效部位的彎曲、外展等測(cè)量以及在此基礎(chǔ)上的姿態(tài)的反演。完成反演主要取決于人體手部姿態(tài)的建模,最根本的就是,確定傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和手部各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)一個(gè)具體的數(shù)據(jù)手套應(yīng)用過(guò)程,可設(shè)由手部各彎角組成的向量f = ( f1 , f2 , , fn )與對(duì)應(yīng)傳感器示數(shù)組成的向量d = ( d1 , d2 , , dn ) 。顯然f和d之間存在著強(qiáng)耦合的映射關(guān)系。數(shù)據(jù)手套的實(shí)現(xiàn)即是根據(jù)示數(shù)向量d, 找出原映射關(guān)系的逆映射,從而反演出手

6、部各部位的姿態(tài)。手部軟組織的存在,是人手和機(jī)械手區(qū)別的主要差異,使得人手無(wú)法和普通的剛性桿鉸鏈相比,這就加大了問(wèn)題求解的復(fù)雜性。手部某一關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),不僅會(huì)作用于對(duì)應(yīng)的傳感器的示數(shù)發(fā)生變化,而且通過(guò)軟組織的相互作用,使其他的傳感器示數(shù)也發(fā)生變化。如果要求保證一定的精度,必須對(duì)求得的逆映射進(jìn)行解耦計(jì)算。 由于數(shù)據(jù)手套的傳感器數(shù)目較多,而且響應(yīng)的標(biāo)定和解耦計(jì)算十分復(fù)雜,進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)困難較大,因此,目前數(shù)據(jù)手套的發(fā)展與應(yīng)用只是處于初級(jí)階段,還不十分成熟。四、數(shù)據(jù)手套的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用主要交互設(shè)備,它作為一只虛擬的手或控件用于3D虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的模擬交互,可進(jìn)行物體抓取、移動(dòng)、裝配、操縱、

7、控制,有有線和無(wú)線、左手和右手之分,可用于WTK,Vega等3D虛擬現(xiàn)實(shí)或場(chǎng)景仿真軟件中。數(shù)據(jù)手套也可同時(shí)用于控制機(jī)器手臂。在附加了觸覺(jué)元件和機(jī)械機(jī)構(gòu)后可以給予使用者觸覺(jué)和力學(xué)上的反饋。數(shù)據(jù)手套的設(shè)計(jì)是為了滿足那些從事運(yùn)動(dòng)捕捉和動(dòng)畫(huà)工作的那些專家們的嚴(yán)格需求。它使用簡(jiǎn)單，操作舒適，驅(qū)動(dòng)范圍廣，高數(shù)據(jù)質(zhì)量使得它成為虛擬仿真用戶的理想工具。適用于機(jī)器人系統(tǒng)、操作外科手術(shù)、虛擬裝配訓(xùn)練、手語(yǔ)識(shí)別系統(tǒng)、教育娛樂(lè)、機(jī)器人技術(shù)、動(dòng)作捕捉、虛擬現(xiàn)實(shí)、創(chuàng)新游戲、復(fù)原、以及對(duì)殘障人士的輔助等技術(shù)領(lǐng)域。例如：美國(guó)宇航局的Ames實(shí)驗(yàn)室將數(shù)據(jù)手套工程化，使其成為可用性較高的產(chǎn)品，在約翰遜空間中心完成空間站操縱的實(shí)時(shí)

8、仿真。又如美國(guó)Boeing公司制造了一架虛擬飛機(jī)，運(yùn)用數(shù)據(jù)手套進(jìn)行控制，從而觀察設(shè)計(jì)結(jié)果，考察性能指標(biāo)。再如NEC公司開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，操作者通過(guò)使用數(shù)據(jù)手套可以處理三維CAD中的形體模型。國(guó)內(nèi)的研究也取得了一批成果等等。五、數(shù)據(jù)手套的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,數(shù)據(jù)手套的研制和應(yīng)用也不斷深入。目前數(shù)據(jù)手套研究領(lǐng)域中仍存在著許多沒(méi)有解決的理論問(wèn)題和尚未克服的技術(shù)難點(diǎn),需要人們?nèi)ヌ剿骱蛯ふ医鉀Q之道。今后研究的重點(diǎn)主要有以下幾方面:(1)研制開(kāi)發(fā)能夠滿足數(shù)據(jù)手套實(shí)用性要求的新型傳感器傳感器技術(shù)是數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中的核心和關(guān)鍵技術(shù),數(shù)據(jù)手套的交互能力直接取決于傳感器的性能。

9、目前盡管已經(jīng)出現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)手套專用傳感器,但還不能真正滿足數(shù)據(jù)手套的實(shí)用性要求。因此采用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu),研制出精度高、體積小、成本低、不易損壞、易于更換的高性能傳感器,是數(shù)據(jù)手套能否進(jìn)一步商品化、實(shí)用化的關(guān)鍵。(2)研制技術(shù)成熟、性能可靠的力反饋裝置手指力反饋裝置的研究對(duì)數(shù)據(jù)手套的應(yīng)用意義重大。具有力反饋功能的數(shù)據(jù)手套不但可以使用戶以較自然的方式將自己的手部動(dòng)作傳遞給虛擬環(huán)境,實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的操作,也可以使用戶利用觸覺(jué)和力覺(jué)反饋信息,得到真實(shí)的“沉浸感”,尤其對(duì)機(jī)器人技術(shù)力反饋是至關(guān)重要的。目前這種數(shù)據(jù)手套不多,技術(shù)不夠成熟,需進(jìn)一步提高性能,降低價(jià)格,增強(qiáng)實(shí)用性。(3)硬件接口及軟件

10、環(huán)境的深入開(kāi)發(fā)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)各種數(shù)據(jù)手套通用的接口及專用軟件,使其具備良好的可移植性、可擴(kuò)充性,方便以后用戶系統(tǒng)的更新升級(jí)。(4)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)工藝要求在數(shù)據(jù)手套及其部件的選材、設(shè)計(jì)組裝等方面下功夫,既要佩戴方便舒適,又要易于組裝維護(hù),進(jìn)一步提高整體性能。五、結(jié)束語(yǔ)本文主要概述了數(shù)據(jù)手套的定義，并且簡(jiǎn)述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以及數(shù)據(jù)手套與虛擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基本原理，同時(shí)舉例說(shuō)明了數(shù)據(jù)手套的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的一大關(guān)鍵特性,因此人機(jī)交互技術(shù)逐漸成為虛擬現(xiàn)實(shí)研究中的一大熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)手套是目前廣泛使用的手勢(shì)輸入方式,基于數(shù)據(jù)手套的虛擬手技術(shù)可以提供自然高效的人機(jī)交互方式。目前虛擬手模型是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)

11、化的，與真實(shí)的人手存在一定的差異，在運(yùn)動(dòng)的跟蹤和映射方面不可能做到完全對(duì)應(yīng)，因此對(duì)虛擬操作的準(zhǔn)確性和靈活性構(gòu)成一定的障礙，將考慮建立更加自然逼真的虛擬手模型來(lái)代替目前的虛擬手模型，使其更好的模擬手的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行更多更精確的虛擬操作，取得更好的效果，使其應(yīng)用范圍更廣。參考文獻(xiàn)：【1】曾芬芳,梁柏林,劉鎮(zhèn),王建華;基于數(shù)據(jù)手套的人機(jī)交互環(huán)境設(shè)計(jì)J;【2】Fahn,Chin-Shyurng;Sun.Herman Development of a data glove with resucing sensors based on magnetic induction IEEE Transaction

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