应用于VR场景的力反馈外骨骼手套设计

引言

虚拟现实技术能够生成多种感官刺激的虚拟世界,并能够让使用者产生沉浸感,而使用者与虚拟世界的交互操作则是产生沉浸感的重要手段。用户对虚拟场景的物体的物理特性,如大小、外形等特性的感知,通过触觉反馈产生真实的感触,增强对虚拟场景的沉浸感也是重要的一个方面。

近年来,随着虚拟现实技术的进一步发展,外骨骼手套在其中的作用更加凸显。为实现力反馈,手套需要具有一套采集手指各关节姿态角度的采集装置,另外还需要有力反馈系统,即使用者通过手套感知到虚拟场景中的物体形状。目前相关设备分为两种,一种是外骨骼结构,如Cyber-GraSp力反馈数据手套,其结构较为复杂,对于应用普及或应用于虚拟现实场景,成本较高。另一种是内骨骼数据手套,如东南大学研制的一种力反馈数据手套,放置在手掌部位,限制了手的运动范围,减小了使用者手指的弯曲角度。相对于内骨骼手套,外骨骼手套能够附加更多的外部设备,便于对多关节实现力反馈。

1外骨骼机械结构设计分析

外骨骼手套关节间采用四连杆机构,如图1所示,可以通过改变两摇杆底部较接点的位置,以适应不同手指长度使用者的佩戴,设计值采用参考文献提供的成年人手指的各骨节长度,掌骨65～75mm、近指节45～50mm、中指节25～31mm、远指节22～28mm。通过连杆结构,结构简单紧凑,根据以上参考数据,设计各部分外骨骼杆件的长度,能够实现在结构上外骨骼包络整只手,并采集手指运动姿态数据。

将非接触式角度传感器PCB模块设计应尽量小,放置在各个较接处,整只手掌放置有17个同样的非接触式角度传感器,实现对手部姿态变化的检测。

力反馈装置在原有结构的连杆中间留有连接孔,采用钢丝绳进行传动。整个装置包括机械结构部分、力反馈部分、底层控制模块、电源模块、驱动模块、传感器PCB模块。整个装置仅有手掌大小,使用时只需通过FPGA开发板与PC端进行连接即可实现虚拟场景下的人机交互。

2手指关节姿态采集模块

手在虚拟场景中的主要功能与现实中使用动作有张开、闭合及捏、钩或握等,约占手部动作的85%以上,这些动作变化反映在手指关节角度的变化上,可以通过对手指关节角度的测定对整个手部的运动情况进行监测。

大拇指放置5个非接触式角度传感器,其余手指在包络掌骨和近指节部分外骨骼较接点分别放置一个传感器,其余在与手指关节连接处放置传感器,测量弯曲角度,能够采集整只手共计17个角度值,从而对手部运动的姿态进行实时监测。

采用如图2方法进行放置的T1E5012B型磁编码器,基于iGMR技术,采用PwM协议,利用占空比变化表示角度变化,通信距离可达5m,角度分辨率达到15个bit,信号处理能力快,适用于精确测定动态变化的跟随手部运动而转动的转子,实现对手部关节姿态的正确采集。

功能上,大拇指手套外侧2个传感器模块测定大拇指的转动以及与其余四指的角度变化:外骨骼手套与拇指、食指、中指、无名指和小指连接处各放置的2个传感器,负责检测手指近指节与掌骨、近指节与中指节之间的角度变化:包络掌骨和近指节部分外骨骼较接在手背的4个传感器用于监测四手指之间的相对运动。整体上实现对全部手指关节运动的运动情况的测定。

3机械结构的运动分析与仿真

3.1待测关节运动分析

已知条件:由外骨骼结构测量可知11、12、13、14、15的长度值,其中15为手指连接处距掌骨关节的距离,由角度传感器可以测得BC与x0轴的夹角y,如图3所示。待求数据:手指转动角度8。需要求解ED的转动角度,由于手指绑定部分ED与支架CD通过穿戴可以视为是固结的,建立三角形CDE,CE的转动角度与ED相同,将研究ED转动角度值转化成求解CE的转角,ABCE是一个典型的四杆机构。

在坐标系X0AY0下,建立闭环矢量方程为:

将其投影到坐标轴上:

由勾股定理:

由各杆实际长度导入上式,联立(2）(3）(4）求得角位移8的表达式,并将表达式通过MAT1AB编程绘制角度曲线如图4所示,即通过已知的角度和外骨骼各长度参数可以求得手指关节的转动角度,继而可以得到五指的运动情况。

3.2四杆机构的AdamS运动仿真验证

ADAMS软件采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。根据实际测量的各个关节尺寸,在ADAMS软件中建立外骨骼仿真模型单元,如图5所示。通过对机械外骨骼手套的外部骨骼结构运动仿真和后处理得到外骨骼运动与手部运动角度的关系曲线,如图6所示,验证得出测得角度与关节转动角度之间的函数关系与实际情况是吻合的。

4力反馈机构与底层控制系统设计

4.1力反馈机构设计

力反馈采用力矩电机带动钢丝绳进行传动,将电机放置于手套外部,通过钢丝绳可以使得整个结构更加紧凑,避免结构臃肿。原理上,关节之间的角度通过杆件之间的钢丝绳的拉伸进行控制,虚拟场景的物体在外围建立基于包围盒碰撞检测思想的三维非规则多面体模型,当手碰到虚拟场景中的物体外围时,经过信息的反馈,力矩电机将带动钢丝绳卷起,进而对手指关节产生约束,产生力的反馈。

整个手套的外骨骼机械构件由铝合金加工而成,每个关节处都放置有钢丝绳的固结点,在手指与手指之间也布有钢丝绳,用于反馈手指间的力。5个手指的反馈运动由17个力矩电机带动,最大力矩可达1.4N·m,连续输出力矩为0.12N·m。每个电机均有一个滑轮与其相连,并与用于缠绕连接外骨骼手指的绳索接通,绳索上能提供14N的最大拉力电机的运转,与手指角度形成闭环控制,当手指姿态达到预定值时,电机停止运转,拉力值能适用于虚拟场景中的常规情况。

4.2底层控制系统设计

随着现场可编程逻辑门阵列硬件设备应用领域的不断扩大,使用FPGA芯片采集数据的优点也越来越凸显,相对于采用串行方式处理数据的方式来说,不仅节省空间、减少干扰、提高了电路的稳定性,还可以利用FPGA开发软件进行仿真实验。

本装置采用xI1INx公司生产的PYN0-Z2开发板作底层控制,PYN0-Z2除支持传统ZYN0开发方式外,还可支持Python进行SOC编程,并且代码可直接在开发板上进行开发和调试。PYN0广泛应用在并行硬件执行、实时信号处理、低延迟控制等领域,拥有650MHz双核Corte-A9处理器,支持SPI、I2C、CAN、UART等低宽带外设控制器。我们利用其拥有的220个DSP、630KB快速的B1ockRAM和512MB、最高可达1050MbpS的DDR3,采用并行的方式处理数据,能够大幅缩减信号处理时间,降低在人机交互中的延迟时间,提升虚拟现实场景的沉浸感。同时为了进一步提高通信的可靠性,减少电路的复杂程度采用SSC协议,同时Ava1on开关结构优化了数据流,提高系统的吞吐量。

力反馈数据手套与PC机之间的串行通信系统中,使用1VDS技术可使通信速率和工作距离大大增加。图7为PC端获取17个传感器产生的霍尔信号经过处理后得到的角度值,通过数据总线传送PC端处理后,将结果表示为手部姿态显示在Unity中的虚拟现实场景,通过外骨骼手套实现了虚拟现实场景的力反馈,如图8所示。

5结语

新型的力反馈式外骨骼手套结构简单,能够通过非接触式的角度传感器采集整只手的姿态和手指角度变化,进而将虚拟世界的物体大小通过力反馈的方式进行交互。采用FPGA开发板进行信号处理,降低了系统的延迟时间,从而使得使用者的沉浸感更强。装置采用了模块化设计,通过对采集数据的处理,可适用于其他机械手的控制中,将机械手与外界的相互作用力反馈给操作者,同时结合虚拟现实技术,可实现远程可视化目的。