数据手套技术综述

数据手套技术综述摘要：数据手套是实现虚拟现实技术的交互设备之一,数据手套的应用对于虚拟制造非常重要。研究数据手套的功能和原理,设计了一种面向虚拟制造的数据手套交互控制模块。通过虚拟手的建模以及数据手套实时采集数据,来实现虚拟手与人手的手势映射,并结合层次包围盒算法实现虚拟手与虚拟场景的碰撞检测。研究结果显示,在模块下人手到虚拟手的动作映射和虚拟手对虚拟物体的碰撞检测能基本满足虚拟制造系统的理论要求,具有一定的实用性。关键字：数据手套、虚拟现实技术一、数据手套的定义数据手套是虚拟仿真中常用的交互工具。数据手套设有弯曲传感器，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感。并为操作者提供了一种通用、直接的人机交互方式，特别适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统。数据手套由可伸缩的弹性纤维制成，可以适合不同大小的手掌，用数据手套对每个指关节都可以通过两个传感器采集其弯曲程度的数据，在每两个手指之间有一个传感器记录两个手指之间的角度，可以很好的区分每根手指的外围轮廓。手势的识别问题传感器有相应的测量范围，我们将定义传感器的临界值，因为有多个传感器这样就可以做出多种手势，将传感器的输出数列进行计算就可以得出相应的手势。二、虚拟现实技术简介虚拟现实(VirtualReality,简称VR)技术是近年来最热门的研究领域之一，有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景，受到各界、尤其是军方的青睐。虚拟现实是一种虚拟的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。VR带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法,使人机交互的内容更加丰富、形象,方式更加自然、和谐。手是人与外界进行物理接触及意识表达的主要媒介。当人与计算机控制系统进行交互操作时,传统的输入输出接口设备,如键盘、鼠标等只能限制手在桌面上或一个小区域内进行简单的运动控制,而表达意识的大多数手的自然运动被牺牲了,妨碍了人们对系统控制意识表达的全面性与灵活性。数据手套可以跟踪操作者灵活多变的手势及空间方位,使操作者自然而然地将自己的意识传送至计算机。因此数据手套作为一种重要的人机交互接口,广泛地应用于虚拟现实的研究领域中。三、数据手套的基本原理数据手套是虚拟现实系统的重要组成部分,是一种通用的人机接口,其直接目的在于实时获取人手的动作姿态,以便在虚拟环境中再现人手动作,达到理想的人机交互目的。数据手套实现的关键在于手掌、手指及手腕的各个有效部位的弯曲、外展等测量以及在此基础上的姿态的反演。完成反演主要取决于人体手部姿态的建模,最根本的就是,确定传感器测量数据和手部各关节运动姿态的对应关系。对一个具体的数据手套应用过程,可设由手部各弯角组成的向量f=(f1,f2,⋯,fn)与对应传感器示数组成的向量d=(d1,d2,⋯,dn)。显然f和d之间存在着强耦合的映射关系。数据手套的实现即是根据示数向量d,找出原映射关系的逆映射,从而反演出手部各部位的姿态。手部软组织的存在,是人手和机械手区别的主要差异,使得人手无法和普通的刚性杆铰链相比,这就加大了问题求解的复杂性。手部某一关节的运动,不仅会作用于对应的传感器的示数发生变化,而且通过软组织的相互作用,使其他的传感器示数也发生变化。如果要求保证一定的精度,必须对求得的逆映射进行解耦计算。由于数据手套的传感器数目较多,而且响应的标定和解耦计算十分复杂,进行实时处理时困难较大,因此,目前数据手套的发展与应用只是处于初级阶段,还不十分成熟。四、数据手套的应用领域数据手套是虚拟现实应用主要交互设备,它作为一只虚拟的手或控件用于3D虚拟现实场景的模拟交互,可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制,有有线和无线、左手和右手之分,可用于WTK,Vega等3D虚拟现实或场景仿真软件中。数据手套也可同时用于控制机器手臂。在附加了触觉元件和机械机构后可以给予使用者触觉和力学上的反馈。数据手套的设计是为了满足那些从事运动捕捉和动画工作的那些专家们的严格需求。它使用简单，操作舒适，驱动范围广，高数据质量使得它成为虚拟仿真用户的理想工具。适用于机器人系统、操作外科手术、虚拟装配训练、手语识别系统、教育娱乐、机器人技术、动作捕捉、虚拟现实、创新游戏、复原、以及对残障人士的辅助等技术领域。例如：美国宇航局的Ames实验室将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品，在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。又如美国Boeing公司制造了一架虚拟飞机，运用数据手套进行控制，从而观察设计结果，考察性能指标。再如NEC公司开发的虚拟现实系统，操作者通过使用数据手套可以处理三维CAD中的形体模型。国内的研究也取得了一批成果等等。五、数据手套的应用现状及发展前景随着虚拟现实技术在各个领域的广泛应用,数据手套的研制和应用也不断深入。目前数据手套研究领域中仍存在着许多没有解决的理论问题和尚未克服的技术难点,需要人们去探索和寻找解决之道。今后研究的重点主要有以下几方面:(1)研制开发能够满足数据手套实用性要求的新型传感器传感器技术是数据手套系统中的核心和关键技术,数据手套的交互能力直接取决于传感器的性能。目前尽管已经出现了多种数据手套专用传感器,但还不能真正满足数据手套的实用性要求。因此采用新技术、新材料、新结构,研制出精度高、体积小、成本低、不易损坏、易于更换的高性能传感器,是数据手套能否进一步商品化、实用化的关键。(2)研制技术成熟、性能可靠的力反馈装置手指力反馈装置的研究对数据手套的应用意义重大。具有力反馈功能的数据手套不但可以使用户以较自然的方式将自己的手部动作传递给虚拟环境,实现对虚拟环境的操作,也可以使用户利用触觉和力觉反馈信息,得到真实的“沉浸感”,尤其对机器人技术力反馈是至关重要的。目前这种数据手套不多,技术不够成熟,需进一步提高性能,降低价格,增强实用性。(3)硬件接口及软件环境的深入开发进一步开发各种数据手套通用的接口及专用软件,使其具备良好的可移植性、可扩充性,方便以后用户系统的更新升级。(4)进一步提高设计工艺要求在数据手套及其部件的选材、设计组装等方面下功夫,既要佩戴方便舒适,又要易于组装维护,进一步提高整体性能。五、结束语本文主要概述了数据手套的定义，并且简述了虚拟现实技术，以及数据手套与虚拟技术的实现基本原理，同时举例说明了数据手套的应用领域和发展前景。交互性是虚拟现实环境的一大关键特性,因此人机交互技术逐渐成为虚拟现实研究中的一大热点。数据手套是目前广泛使用的手势输入方式,基于数据手套的虚拟手技术可以提供自然高效的人机交互方式。目前虚拟手模型是经过简化的，与真实的人手存在一定的差异，在运动的跟踪和映射方面不可能做到完全对应，因此对虚拟操作的准确性和灵活性构成一定的障碍，将考虑建立更加自然逼真的虚拟手模型来代替目前的虚拟手模型，使其更好的模拟手的运动规律，进行更多更精确的虚拟操作，取得更好的效果，使其应用范围更广。参考文献：【1】曾芬芳,梁柏林,刘镇,王建华;基于数据手套的人机交互环境设计[J];【2】Fahn,Chin-Shyurng;Sun.HermanDevelopmentofadataglovewithresucingsensorsbasedonmagneticinductionIEEETransactionsonIndustrialElectroniceApril2005pages:585-594【3】邹湘军,孙健,何汉武,郑德涛,陈新;虚拟现实技术的演变发展与展望[J];系统仿真学报;2004年09期【4】魏军，游松，朱广超等。面向灵巧手的三指五自由度数据手套BHGI设计及实验研究[J].机器人，1999，21（3）：172—176.【5】Eglowstein,H.,ReachOutandTouchYourData,Byte,July,1990.【6】姜学智,李忠华;国内外虚拟现实技术的研究现状[J];辽宁工程技术大学学报;2004年02期【7】Foley,J.D,InterfacesforAdvancedComputing,ScientificAmerican,Vol.257,No.4,1987.【8】Sturman,D.J.andD.Zeltzer,ASurveyofGloveBasedInput,IEEECGA,January,1994.【9】李琪,白英彩,曾芬芳;一个虚拟手原型的实现[J];上海交通大学学报;1999年11期【10】百度文库