虚拟现实系统中的接触交互接口研究

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1、摘要在现实世界中，手是人们操作物体的重要手段。人们用手与物质世界进行交互，用手来抓取并感知物体，用手来表达思想。同样在虚拟现实系统中，人们也希望摒弃传统的鼠标键盘之类的设备，通过使用接触交互接口，以一种更加直接的方式自由地操作虚拟物体，就象在日常生活中执行各种操作那样灵巧而自然。本文研制开发了一种称之为CAS—Glove的数据手套作为虚拟环境中的手势输入设备。它安装有16个弯曲传感器，该传感器具有很好的线性度与可靠性。通过对测量电路的改进及传感器布局的优化，使得CAS—Glove数据手套可以准确测量

2、出手指、腕部各关节的位置及运动。本文在基于DSP的据采集系统中采用了过采样技术、数字滤波技术，提高了弯衄传感器信号的分辨率并且抑制了噪声的影响。本文还提出了四指标定法，以提高手指弯曲角度的测量精度。力觉反馈通常被分为触觉反馈和力反馈。触觉反馈接口能够大大增强虚拟环境中操作者的触觉感受，它具有设计简单、成本低廉等特点。为了实现较为真实的触觉反馈，我们开发了两种触觉反馈接口。一种是在指端安装了五个振动电机的触觉反馈接口，它能为操作者提供弹击、触摸、振动等触觉信息。另一种是基于音圈电机的触觉反馈接口，它具

3、有较高带宽，能够为操作者提供更为复杂的表面触觉信息。本文研究了一种新型的点式力觉反馈系统PEDFinger。它可以和数据手套配合使用构成力觉反馈数据手套。它采用比例电磁铁作为其执行元件。通过钢丝绳一弹簧管传动方式把执行元件的驱动力传递到指端力觉反馈装置。指端力觉反馈装置紧凑而易于调节，可以适合于大多数人使用。本文采用模糊+积分控制器实现了对反馈力的闭环控制，并分别在基于Pc和基于DSP的系统上实现了该力觉反馈系统，为虚拟现实系统提供了一种具有较高性能价格比的力觉反馈接口。本文还研制了一种更加有效的力

4、觉反馈系统ForceFeel。它能有效防止虚拟手指不必要地嵌入虚拟物体中。它采用了单神经元自适应PID控制算法实现了对时变非线性系统的鲁棒控制。它所提供的反馈力可以使虚拟现实系统中的操作者获得更好的沉浸感。本文采用了一种利用磁场传感器+an速度计+弯曲传感器对手臂相对基坐标系的姿态跟踪方法。该方法采用基于四元数的姿态算法，利用三维磁场传感器和三维加速度计对上臂的姿态进行跟踪。利用弯曲传感器对肘关节的弯曲角度进行测量。利用倾角传感器测量手腕的俯仰角和滚动角。最后由这些信息确定手在空间中的位置。关键词：

5、虚拟现实，接触交互接口，手势输入，触觉反馈，力觉反馈，姿态跟踪AbstractThecommunicationmodethatseemsmostrelevantformanipulatingphysicalobjectsishandmotion．Peopleusethismodetoactontheworld，tograspandexploreobjects，andtoexpressideas．Itishopedthatbyusinghapticinterfacesotherthantraditio

6、naldevicessuchaskeyboardandmice，theusercouldmanipulatethevirtualobjectsdirectlyinafreeform．Justliketheyperformmosteverydaytasksdextefityandnaturallywithhands．111cCAS—GlovehasbeendevelopedforthevirtualenvironmentsasagestureinDutdevice．Itismountedsixteen

7、ourpatentedfiexiblesensorsthatislinearandreliable．Wimimprovedcircuitsandoptimizedlayoutofflexiblesensors．CAS-Glovecouldmeasurethepositionandmovementofthefingersandwristaccurately．Toincreasetheresolutionandreducethenoise,oversarnplinganddigitalfiltering

8、techniquesareappliedtoaDSP-baseddataacquisitionsystem．Anovelfour-fingercalibrationmethodispresentedforhigh-precisionioint-sensing．Thehapticfeedbackmodalitygroupstactilefeedbackandforcefeedback．Tactilefeedbackcouldsignificantlyenhancetou