數(shù)據(jù)手套技術(shù)綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(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),來實(shí)現(xiàn)虛擬手與人手的手勢映射,并結(jié)合層次包圍盒算法實(shí)現(xiàn)虛擬手與虛擬場景的碰撞檢測。研究結(jié)果顯示,在模塊下人手到虛擬手的動作映射和虛擬手對虛擬物體的碰撞檢測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

2、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。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。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)手套對每個(gè)指關(guān)節(jié)都可以通過兩個(gè)傳感器采集其彎曲程度的數(shù)據(jù)，在每兩個(gè)手指之間有一個(gè)傳感器記

3、錄兩個(gè)手指之間的角度，可以很好的區(qū)分每根手指的外圍輪廓。手勢的識別問題傳感器有相應(yīng)的測量范圍，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，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。二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡稱VR)技術(shù)是近年來最熱門的研究領(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,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、觸覺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)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生“沉浸”

4、于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。VR帶來了人機(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、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)行簡單的運(yùn)動控制,而表達(dá)意識的大多數(shù)手的自然運(yùn)動被犧牲了,妨礙了人們對系統(tǒng)控制意識表達(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及空間方位,使操作者自然而然地將自己的意識傳送至計(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)

5、的重要組成部分,是一種通用的人機(jī)接口,其直接目的在于實(shí)時(shí)獲取人手的動作姿態(tài),以便在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)人手動作,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,確定傳感器測量數(shù)據(jù)和手部各關(guān)節(jié)運(yùn)動姿態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。對一個(gè)具體的數(shù)據(jù)手套應(yīng)用過程,可設(shè)由手部各彎角組成的向量f = ( f1 , f2 , , fn )與對應(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

6、,從而反演出手部各部位的姿態(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,使得人手無法和普通的剛性桿鉸鏈相比,這就加大了問題求解的復(fù)雜性。手部某一關(guān)節(jié)的運(yùn)動,不僅會作用于對應(yīng)的傳感器的示數(shù)發(fā)生變化,而且通過軟組織的相互作用,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)場景的模擬交互,可進(jìn)行物體抓取、移動

7、、裝配、操縱、控制,有有線和無線、左手和右手之分,可用于WTK,Vega等3D虛擬現(xiàn)實(shí)或場景仿真軟件中。數(shù)據(jù)手套也可同時(shí)用于控制機(jī)器手臂。在附加了觸覺元件和機(jī)械機(jī)構(gòu)后可以給予使用者觸覺和力學(xué)上的反饋。手套的設(shè)計(jì)是為了滿足那些從事和工作的那些專家們的嚴(yán)格需求。它使用簡單，操作舒適，驅(qū)動范圍廣，高數(shù)據(jù)質(zhì)量使得它成為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、手語識別系統(tǒng)、教育娛樂、機(jī)器人技術(shù)、動作捕捉、虛擬現(xiàn)實(shí)、創(chuàng)新游戲、復(fù)原、以及對殘障人士的輔助等技術(shù)領(lǐng)域。例如：美國宇航局的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)仿真。

8、又如美國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公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，操作者通過使用數(shù)據(jù)手套可以處理三維CAD中的形體模型。國內(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有解決的理論問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。目前盡

9、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作傳遞給虛擬環(huán)境,實(shí)現(xiàn)對虛擬環(huán)境的操作,也可以使用戶利用觸覺和力覺反饋信息,得到真實(shí)的“沉浸感”,尤其對機(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)硬件接口及軟件環(huán)境的

10、深入開發(fā)進(jìn)一步開發(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。(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)束語本文主要概述了數(shù)據(jù)手套的定義，并且簡述了虛擬現(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)過簡化的，

11、與真實(shí)的人手存在一定的差異，在運(yùn)動的跟蹤和映射方面不可能做到完全對應(yīng)，因此對虛擬操作的準(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代替目前的虛擬手模型，使其更好的模擬手的運(yùn)動規(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;J;【2】Fahn,Chin-Shyurng;Sun.Herman Development of a data glove with resucing sensors based on magnetic induction IEEE Transactions on Industrial Electronice April 2005 pages:585-594【3】鄒湘軍,孫健,何漢武,鄭德濤,陳新;J;系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2004年09期【4】魏軍，游松，朱廣超等。面向靈巧手的三指五自由度數(shù)據(jù)手套BHGI設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究J.機(jī)器人，1999，21（3）：172176.【5】Eglowstein,H.,Reach Out and Touch Your Data,Byte,July,1990.【6】姜學(xué)智,李忠華;J;遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào);2004年02期【7】Foley,J.D,Interfaces for A