[发明专利]基于表面肌电信号的虚拟现实头盔减负随动系统及方法

权利要求书

1.基于表面肌电信号驱动的虚拟现实头盔减负随动系统，其特征在于包括柔索驱动和运动检测单元(1)、上平台(2)、柔索导向单元(3)、可控伸缩柔性钢索(4)、表面肌电测量单元(5)、数据采集单元(6)、控制计算机(7)及基于表面肌电信息反馈的减负随动控制算法；

上平台(2)六边形结构内侧布置安装六组柔索驱动和运动检测单元(1)，柔索导向单元(3)安装于上平台(2)六边形结构内侧和外侧，可控伸缩柔性钢索(4)经柔索驱动和运动检测单元(1)引出，通过柔索导向单元(3)与头盔显示器(8)连接；柔索驱动和运动检测单元(1)的信号输出端以及表面肌电测量单元(5)的输出端与数据采集单元(6)的信号输入端相连接，数据采集单元(6)的信号输出端与伺服电机(9)驱动器的信号输入端相连接；数据采集单元(6)与控制计算机(7)的信号输入端相连接；

所述基于表面肌电信息反馈的减负随动控制算法的结构如下：

建立多输入多输出的神经网络模型，通过对应的肌电信息和头部运动信息，在头盔佩戴者头部多组不同运动速度和运动模式下对模型进行训练，得到佩戴者的头部运动肌电-力模型，通过这个模型实时估计佩戴者的头部运动力和力矩；

通过检测六个伺服电机的位置和速度信号，结合肌电信号，预测出用户的头部运动位姿，通过逆Jacobian矩阵变换得到分支运动预测信息，通过并联可控伸缩柔性钢索的动力学模型，计算出头盔系统在任务空间中的作用力；

减负随动控制系统的控制目标是头与头盔之间的接触力最小，利用头盔-头力交互优化得出任务空间的交互期望力，然后通过反馈六根可控伸缩柔性钢索上的拉力大小和逆Jacobian矩阵变化，计算得到任务空间中作用在头盔上的作用力和力矩，与交互期望力之间进行实时比较，通过控制计算机发出相应的电压信号输出到驱动可控伸缩柔性钢索的伺服电机，实时改变可控伸缩柔性钢索作用在头盔上的拉力，以便佩戴者感到头盔带来的束缚感和重量感减到最小，头盔系统无负担地随佩戴者头部随动；同时伺服电机上安装的转角传感器得到每根可控伸缩柔性钢索的伸缩量，通过运动学正向计算，实时解算出头部的六自由度位置姿态信息，用于虚拟视景随头部运动的场景改变；

表面肌电测量单元（5）包括多组表面肌电电极、参考电极和多通道表面肌电信息处理设备，提取头盔佩戴者头颈部表面肌电信息的步骤如下：在佩戴者颈部对应的肌肉位置放置采集电极，在耳垂上安放参考电极，多通道表面肌电信息处理设备对电极上获取的肌电电流进行放大整形滤波，处理后的信号送入数据采集单元(6)；

所述的柔索驱动和运动检测单元(1)中包括伺服电机(9)、同步齿形带(18)、转速与转角传感器(10)、柔索滚轴(12)、柔索拉力传感器(11)和柔索导向轮(14)。

2.根据权利要求1所述的基于表面肌电信号驱动的虚拟现实头盔减负随动系统，其特征在于，

伺服电机(9)、转速与转角传感器(10)串行连接于安装孔上，伺服电机(9)和柔索滚轴(12)安装在电机传动安装支架(13)上，通过同步齿形带(18)和同步齿形带驱动轮(17)进行连接，同步齿形带(18)通过同步齿形带限位器(19)进行限位，柔索滚轴(12)上的可控伸缩柔性钢索(4)180度反方向绕过拉力传感器上安装的柔索导向轮(14)，通过上平台（2）结构件和柔索导向单元(3)。

3.根据权利要求1所述的基于表面肌电信号驱动的虚拟现实头盔减负随动系统，其特征在于，

所述的柔索导向单元(3)，包括通过安装孔(20)安装在上平台(2)六边形结构内侧的内柔索导向轮(16)和外侧的外柔索导向轮(15)。