一種用于虛擬現(xiàn)實的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備和方法
【專利摘要】本申請?zhí)峁┮环N用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備和方法，該設備包括：身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊和力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊，其中，身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊包括慣性傳感器、UWB超寬帶測距子模塊和無線網(wǎng)絡子模塊，用于實時采集身體姿態(tài)數(shù)據(jù)信息和采集點相對位置信息，通過無線方式傳輸給中樞控制器；其中，力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊包括電脈沖反饋裝置，用于無線接收中樞控制器發(fā)送的力反饋信號，通過接收識別核心傳輸來的反饋數(shù)據(jù)作用于相應的身體部位。
【專利說明】一種用于虛擬現(xiàn)實的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實技術，更具體地，涉及一種用于虛擬現(xiàn)實的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備和方法。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，智能服裝產(chǎn)品已經(jīng)不僅僅具有單純的穿著功能，新技術的融入使得可穿戴式設備越來越成為關注的焦點。通過計算機系統(tǒng)的可穿或者可植入性，月艮裝已經(jīng)成為一個獨立的智能載體。
[0003]佐治亞理工學院研發(fā)了一種用于作戰(zhàn)的傳感器背心，芬蘭大學開發(fā)了適用于極地環(huán)境的智能救援服裝，都可以將人體生理參數(shù)進行測量和綜合處理。現(xiàn)在越來越多的國家開始專門研宄這一課題，并且美國和歐洲已經(jīng)處于領先地位，在日常生產(chǎn)和生活中都已經(jīng)有了具體的應用，特別是在特種領域當中。
[0004]目前比較成熟的身體數(shù)據(jù)采集大多集中在人體生理指標的靜態(tài)測量，通過多個傳感器直接布置在相關的生理位置，獲取一些生理參數(shù)，尤其是醫(yī)用的生理參數(shù)，諸如溫度、脈搏、血壓等。而對于運動姿態(tài)的及時采集，通過身體布置的傳感器能夠進行簡單的采集和捕獲。
[0005]目前的捕獲方式機械式運動捕獲、電磁式運動捕獲、聲學式運動捕獲、光學式運動捕獲以及慣性傳感器的運動捕獲。其中，機械式運動捕捉依靠機械裝置來測量運動，運動捕捉通過將待捕捉的物體與機械裝置相連，運動物體帶動機械裝置運動，從而通過機械裝置上的傳感器記錄下待測物體運動。機械式運動捕捉方式難以實現(xiàn)對于多自由度的關節(jié)運動捕捉，同時由于自身尺寸和重量，對待測物體的運動(特別是劇烈運動)造成比較嚴重的阻礙和干涉。電磁式運動捕捉一般由發(fā)射源、接收器和數(shù)據(jù)處理單元組成。這種運動捕捉方式對于環(huán)境要求嚴格，附近不能有金屬物品，并且有線電纜對物體的運動限制比較大，而且采樣頻率較低。聲學式運動捕捉:與電磁式運動捕捉比較類似，由超聲發(fā)射器、接收器和處理單元組成。聲學式運動捕捉成本較低，但是精度差并且要求發(fā)射器與接收器之間無遮擋。光學式運動捕捉通常包含10?20個相機，環(huán)繞待測物體排列，待測物體的運動范圍處于相機的重疊區(qū)域。但是這種系統(tǒng)價格昂貴，系統(tǒng)的標定比較繁瑣，只能捕捉相機重疊區(qū)域的物體運動，而且當運動比較復雜時，標志容易混淆和遮擋，從而產(chǎn)生錯誤的結果。
[0006]美國披露的協(xié)作浸入式虛擬環(huán)境包括虛擬環(huán)境仿真器、光學式運動捕捉系統(tǒng)、球形攝像機、頭部安裝的顯示器等。采用光學式運動捕捉系統(tǒng)對運動進行捕捉，設備比較昂貴。如果采用墻面固定安裝的攝像機，則會受到運動捕捉的場地限制；如果采用三腳架安裝攝像機，則系統(tǒng)的標定會很繁瑣，并且如果活動范圍比較大時，可能需要多次移動三腳架以及需要多次進行標定；當運動比較復雜時，光學標志容易產(chǎn)生混淆或者遮擋，從而造成錯誤；因為沒有采用專門的諸如觸覺的交互性設備，該方案主要實現(xiàn)視覺上的感受，而不能給用戶帶來虛擬環(huán)境的多方位感受。例如在虛擬環(huán)境中感受到了觸墻，該方案僅能在虛擬環(huán)境的畫面上做出相應的顯示而不能在觸覺之類的感官上給以用戶體驗。
[0007]其中，用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的設備包含兩個功能，身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集與力反饋數(shù)據(jù)輸出。傳統(tǒng)慣性姿態(tài)傳感器多被應用與電影和游戲的動作捕捉方面，應用空間小，面向?qū)I(yè)用戶，設備成本高。而力反饋設備多是以非平衡震動的方式實現(xiàn)，模塊較大，穿戴在身體上很不方便。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]為克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明提出一種用于虛擬現(xiàn)實的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備和方法。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出了一種用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備，包括:身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊和力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊，其中，身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊包括慣性傳感器、UWB超寬帶測距子模塊和無線網(wǎng)絡子模塊，用于實時采集身體姿態(tài)數(shù)據(jù)信息和采集點相對位置信息，通過無線方式傳輸給中樞控制器；其中，力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊包括電脈沖反饋裝置，用于無線接收中樞控制器發(fā)送的力反饋信號，通過接收識別核心傳輸來的反饋數(shù)據(jù)作用于相應的身體部位。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的方法，該方法包括:步驟1，在全身肢體關鍵節(jié)點部位布置傳感器，組成無線通信網(wǎng)絡；步驟2，各節(jié)點傳感器互不干擾的將數(shù)據(jù)傳送至姿態(tài)信息整合單元，姿態(tài)信息整合單元將節(jié)點傳感器上傳的數(shù)據(jù)融合，計算出人體肢體位置及運動軌跡和速度數(shù)據(jù)后，傳輸給中樞控制器；步驟3，通過力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊接收來自中樞控制器平臺的反饋觸發(fā)信號，控制佩戴在體驗者身上的節(jié)點產(chǎn)生電流脈沖或震動作。
[0011]本發(fā)明的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備(VRGate-Body)結合慣性傳感器、wifi測距、無線傳輸和靜電力反饋等功能，可以實時采集身體姿態(tài)數(shù)據(jù)信息和點相對位置信息通過無線方式傳輸給計算機。并無線接收計算機發(fā)送的力反饋信號，作用于相應的身體部位，達到游戲擬真、物理按摩等效果，具有多方面的應用方向。
[0012]本發(fā)明的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備(VRGate-Body)每個模塊放置在專用的收納箱內(nèi)，即可無線充電。省去插線充電的麻煩。其他產(chǎn)品，不僅要插線充電，還必須是專用的線材，非常麻煩。設備的每一個傳感器都采用無線連接方式，用戶不管是安裝還是活動，都不會被電線束縛；其他產(chǎn)品多為有線，或部分無線。
[0013]本發(fā)明的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備(VRGate-Body)部件同時集成電脈沖反饋裝置，可以無線接收計算機發(fā)送的力反饋信號，通過接收識別核心傳輸來的反饋數(shù)據(jù)作用于相應的身體部位，讓人體感受到觸摸、拍打、撞擊等感覺，達到游戲擬真，物理按摩等效果，具有多方面的應用方向。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種用于虛擬現(xiàn)實的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備的模塊示意圖；
[0015]圖2為根據(jù)本發(fā)明的一種用于虛擬現(xiàn)實的身體數(shù)據(jù)采集反饋方法的流程示意圖。
[0016]為了能明確實現(xiàn)本發(fā)明的實施例的結構，在圖中標注了特定的尺寸、結構和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發(fā)明限定在該特定尺寸、結構、器件和環(huán)境中，根據(jù)具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環(huán)境進行調(diào)整或者修改，所進行的調(diào)整或者修改仍然包括在后附的權利要求的范圍中。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的一種用于虛擬現(xiàn)實的身體數(shù)據(jù)采集反饋設備和方法進行詳細描述。
[0018]在以下的描述中，將描述本發(fā)明的多個不同的方面，然而，對于本領域內(nèi)的普通技術人員而言，可以僅僅利用本發(fā)明的一些或者全部結構或者流程來實施本發(fā)明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數(shù)目、配置和順序，但是很明顯，在沒有這些特定細節(jié)的情況下也可以實施本發(fā)明。在其他情況下，為了不混淆本發(fā)明，對于一些眾所周知的特征將不再進行詳細闡述。
[0019]本發(fā)明提供一種用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的設備(RGate-Body)，包括身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊和力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊，其中，身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊包括慣性傳感器、UWB超寬帶測距子模塊和無線網(wǎng)絡子模塊，用于實時采集身體姿態(tài)數(shù)據(jù)信息和采集點相對位置信息，通過無線方式傳輸給計算機。其中，力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊包括電脈沖反饋裝置，用于無線接收計算機發(fā)送的力反饋信號，通過接收識別核心傳輸來的反饋數(shù)據(jù)作用于相應的身體部位，讓人體感受到觸摸、拍打、撞擊等感覺，達到游戲擬真，物理按摩等效果。
[0020]其中，該身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的設備用于采集體驗者人體姿態(tài)，將體驗者肢體及全身反饋信號與中樞處理器有效融合，以達到控制虛擬環(huán)境下虛擬身體和讓現(xiàn)實環(huán)境下人體感受到觸摸、拍打、撞擊等感覺，達到游戲擬真，物理按摩等效果。
[0021]其中，身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊包括布置在全身肢體關鍵節(jié)點部位的傳感器，其中，傳感器包括9自由度傳感器，該9自由度傳感器包括3軸陀螺儀、3軸羅盤和3軸加速度計。其中，關鍵節(jié)點部位包括手足肢端節(jié)點、踝腕關節(jié)節(jié)點、膝肘關節(jié)節(jié)點、肩跨關節(jié)節(jié)點、及頭、頸、軀干節(jié)點等必要節(jié)點及其他可臨時配置的擴展節(jié)點。
[0022]其中，所有節(jié)點與協(xié)調(diào)器組成星型網(wǎng)絡，該多個節(jié)點處于星形網(wǎng)絡的末端。其中，底層布置處理器，用于進行初步的卡爾曼濾波等基礎容錯過濾操作。其中，該傳感器獨立電池供電，自成一體，可隨時增減節(jié)點數(shù)量，減少現(xiàn)場體驗環(huán)節(jié)的穿戴復雜程度。
[0023]其中，各個獨立傳感器的無線通訊網(wǎng)絡(ZIGBEE網(wǎng)絡)包含特征地址信息及自組網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)包括一個協(xié)調(diào)器和若干節(jié)點，每個節(jié)點上電后由協(xié)調(diào)器配置組網(wǎng)，形成已協(xié)調(diào)器為中心的星型網(wǎng)絡。各節(jié)點傳感器互不干擾的將數(shù)據(jù)傳送至姿態(tài)信息整合單元，該姿態(tài)信息整合單元是一個包含協(xié)調(diào)器的控制中心。
[0024]其中，姿態(tài)信息整合單元用于將節(jié)點傳感器上傳的數(shù)據(jù)(包括加速度、方向角、角加速度)融合，輔以肢體骨絡算法融合技術，計算出人體肢體節(jié)點及運動軌跡和速度等數(shù)據(jù)后，傳輸給中樞控制器平臺，進一步實現(xiàn)應用場景與人體模型節(jié)點的貼合。
[0025]其中，力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊用于接收來自中樞控制器平臺的反饋觸發(fā)信號(如被擊打、接觸等)，以控制佩戴在體驗者身上的節(jié)點產(chǎn)生電流脈沖或震動作，讓現(xiàn)實環(huán)境下人體感受到觸摸、拍打、撞擊等感覺，達到游戲擬真、物理按摩等效果。
[0026]在本發(fā)明的另一個實施例中，提供一種用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的方法，該方法包括:步驟1，在全身肢體關鍵節(jié)點部位布置傳感器，組成無線通信網(wǎng)絡；步驟2，各節(jié)點傳感器互不干擾的將數(shù)據(jù)傳送至姿態(tài)信息整合單元，姿態(tài)信息整合單元將節(jié)點傳感器上傳的數(shù)據(jù)融合，計算出人體肢體位置及運動軌跡和速度數(shù)據(jù)后，傳輸給中樞控制器；步驟3，通過力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊接收來自中樞控制器平臺的反饋觸發(fā)信號，控制佩戴在體驗者身上的節(jié)點產(chǎn)生電流脈沖或震動作，讓現(xiàn)實環(huán)境下人體感受到觸摸、拍打、撞擊感覺。
[0027]其中，步驟I中，全身肢體關鍵節(jié)點部位的傳感器包括9自由度傳感器，9自由度傳感器包括3軸陀螺儀、3軸羅盤、3軸加速度計。其中，全身肢體關鍵階段部位包括手足肢端節(jié)點、踝腕關節(jié)節(jié)點、膝肘關節(jié)節(jié)點、肩跨關節(jié)節(jié)點、及頭、頸、軀干節(jié)點等必要節(jié)點及其他可臨時配置的擴展節(jié)點，其中，所有節(jié)點與協(xié)調(diào)器組成星型網(wǎng)絡，處于星形網(wǎng)絡的末端。
[0028]其中，步驟2中，各個獨立傳感器的無線通訊網(wǎng)絡(ZIGBEE網(wǎng)絡)包含特征地址信息及自組網(wǎng)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)包括一個協(xié)調(diào)器和若干節(jié)點，每個節(jié)點上電后由協(xié)調(diào)器配置組網(wǎng)，形成已協(xié)調(diào)器為中心的星型網(wǎng)絡。該各節(jié)點傳感器互不干擾的將數(shù)據(jù)傳送至姿態(tài)信息整合單元，該姿態(tài)信息整合單元是一個包含協(xié)調(diào)器的控制中心。
[0029]其中，步驟2中，姿態(tài)信息整合單元將節(jié)點傳感器上傳的包括加速度、方向角、角加速度數(shù)據(jù)進行融合，輔以肢體骨絡算法融合技術，計算出人體肢體位置及運動軌跡和速度等數(shù)據(jù)后，傳送給中樞控制器平臺，進一步實現(xiàn)應用場景與人體模型動作的貼合。
[0030]其中，步驟3中，力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊接收來自中樞控制器平臺的反饋觸發(fā)信號(如被擊打、接觸等)，控制佩戴在體驗者身上的節(jié)點產(chǎn)生電流脈沖或震動作，讓現(xiàn)實環(huán)境下人體感受到觸摸、拍打、撞擊等感覺，達到游戲擬真，物理按摩等效果。
[0031]最后應說明的是，以上實施例僅用以描述本發(fā)明的技術方案而不是對本技術方法進行限制，本發(fā)明在應用上可以延伸為其他的修改、變化、應用和實施例，并且因此認為所有這樣的修改、變化、應用、實施例都在本發(fā)明的精神和教導范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備，包括:身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊和力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊，其中，身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊包括慣性傳感器、UWB超寬帶測距子模塊和無線網(wǎng)絡子模塊，用于實時采集身體姿態(tài)數(shù)據(jù)信息和采集點相對位置信息，通過無線方式傳輸給中樞控制器；其中，力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊包括電脈沖反饋裝置，用于無線接收中樞控制器發(fā)送的力反饋信號，通過接收識別核心傳輸來的反饋數(shù)據(jù)作用于相應的身體部位。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備，其中，該身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的設備用于采集體驗者人體姿態(tài)，將體驗者肢體及全身反饋信號與中樞處理器有效融合，以達到控制虛擬環(huán)境下虛擬身體和讓現(xiàn)實環(huán)境下人體感受到觸摸、拍打、撞擊感覺。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備，其中，身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊包括布置在全身肢體關鍵節(jié)點部位的傳感器，其中，傳感器包括9自由度傳感器，該9自由度傳感器包括3軸陀螺儀、3軸羅盤和3軸加速度計。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備，其中，關鍵節(jié)點部位包括手足肢端節(jié)點、踝腕關節(jié)節(jié)點、膝肘關節(jié)節(jié)點、肩跨關節(jié)節(jié)點、及頭、頸、軀干節(jié)點的必要節(jié)點及其他可臨時配置的擴展節(jié)點。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備，其中，各個獨立傳感器的無線通訊網(wǎng)絡包含特征地址信息及自組網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)包括一個協(xié)調(diào)器和若干節(jié)點，每個節(jié)點上電后由協(xié)調(diào)器配置組網(wǎng)，形成以協(xié)調(diào)器為中心的星型網(wǎng)絡。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備，其中，各節(jié)點傳感器互不干擾的將數(shù)據(jù)傳送至姿態(tài)信息整合單元，該姿態(tài)信息整合單元是一個包含協(xié)調(diào)器的控制中心。
7.根據(jù)權利要求6所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋設備，其中，姿態(tài)信息整合單元用于將節(jié)點傳感器上傳的包括加速度、方向角、角加速度數(shù)據(jù)進行融合，輔以肢體骨絡算法融合技術，計算出人體肢體位置及運動軌跡和速度等數(shù)據(jù)后，傳輸給中樞控制器平臺。
8.一種用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的方法，該方法包括: 步驟1，在全身肢體關鍵節(jié)點部位布置傳感器，組成無線通信網(wǎng)絡； 步驟2，各節(jié)點傳感器互不干擾的將數(shù)據(jù)傳送至姿態(tài)信息整合單元，姿態(tài)信息整合單元將節(jié)點傳感器上傳的數(shù)據(jù)融合，計算出人體肢體位置及運動軌跡和速度數(shù)據(jù)后，傳輸給中樞控制器； 步驟3，通過力反饋數(shù)據(jù)輸出模塊接收來自中樞控制器平臺的反饋觸發(fā)信號，控制佩戴在體驗者身上的節(jié)點產(chǎn)生電流脈沖或震動作。
9.根據(jù)權利要求8所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的方法，其中，步驟I中，全身肢體關鍵節(jié)點部位的傳感器包括9自由度傳感器，9自由度傳感器包括3軸陀螺儀、3軸羅盤、3軸加速度計；其中，全身肢體關鍵階段部位包括手足肢端節(jié)點、踝腕關節(jié)節(jié)點、膝肘關節(jié)節(jié)點、肩跨關節(jié)節(jié)點、及頭、頸、軀干節(jié)點等必要節(jié)點及其他可臨時配置的擴展節(jié)點。
10.根據(jù)權利要求8所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的方法，其中，步驟2中，各個獨立傳感器的無線通訊網(wǎng)絡包含特征地址信息及自組網(wǎng)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)包括一個協(xié)調(diào)器和若干節(jié)點，每個節(jié)點上電后由協(xié)調(diào)器配置組網(wǎng)，形成以協(xié)調(diào)器為中心的星型網(wǎng)絡。
11.根據(jù)權利要求8所述的用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身體數(shù)據(jù)的采集和反饋的方法，其中，步驟2中，該各節(jié)點傳感器互不干擾的將數(shù)據(jù)傳送至姿態(tài)信息整合單元，該姿態(tài)信息整合單元是一個包含協(xié)調(diào)器的控制中心； 進一步其中，步驟2中，姿態(tài)信息整合單元將節(jié)點傳感器上傳的包括加速度、方向角、角加速度數(shù)據(jù)進行融合，輔以肢體骨絡算法融合技術，計算出人體肢體位置及運動軌跡和速度等數(shù)據(jù)后，傳送給中樞控制器平臺。
【文檔編號】A61B5/00GK104473618SQ201410693395
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權日:2014年11月27日
【發(fā)明者】田效禹, 金成博 申請人:曦煌科技(北京)有限公司