[发明专利]一种基于伺服机构的主动力触觉反馈系统及其工作方法

说明书

本发明公开一种基于伺服机构的主动力触觉反馈系统及其工作方法，由计算机、运动跟踪传感器和力触觉反馈机构及其控制器组成。通过运动跟踪传感器实时采集手部运动数据，送入计算机，进行虚拟环境中手部与工具或控件的碰撞检测。手部未与工具或控件接触时，计算机进行手部运动轨迹预测和运动规划，驱动力触觉反馈机构进行伺服运动；手部对工具或控件进行操作时，力触觉反馈机构末端带动相应工具或控件至手部操作的目标位置，提供触觉反馈，同时计算机进行实时碰撞响应和力觉生成，驱动力触觉反馈机构输出力，提供主动力觉反馈。该系统可提高虚拟现实系统的沉浸感和交互性，且体积较小、灵活性较强，可应用于虚拟手术、虚拟驾驶等领域。

技术领域

本发明属于虚拟现实领域，尤其涉及力触觉交互领域，是一种基于伺服机构的主动力触觉反馈系统及其工作方法。

背景技术

虚拟操作系统，如虚拟装配、虚拟维修、虚拟手术和虚拟驾驶等，可用于遥操作、对相关人员的培训等，具有成本较低、效率较高、安全性较高等优点。目前，对虚拟现实系统的研究多集中于视觉和听觉反馈，对力触觉反馈的研究还不成熟，阻碍了沉浸感和交互性的进一步提升。

目前，力触觉反馈设备主要包括穿戴式和桌面式两类。穿戴式设备包括外骨骼、数据手套等，如Immersion公司的Cyber Grasp数据手套、Dexta Robotics公司的Dexmo手套等，可以提供力反馈，但触觉反馈一般通过震动模拟，不能达到较好的效果；且穿戴式设备对人有一定的束缚，降低了沉浸感。桌面式设备包括Force Dimension公司的Omega系列和Delta系列、Sensable公司的PHANTOM Omni等，通过驱动并联机器人或小型串联机器人提供力觉反馈，通过末端手柄的触觉渲染提供触觉反馈，但这些设备安装位置固定，工作空间较小，用户手部只能在一个较小的空间范围对设备进行操作，进行较小空间范围内的交互。

为了实现较大范围内的交互，使手部可在较大的空间范围对工具或空间进行操作，南京航空航天大学研发的半虚拟现实座舱方案采用1：1的实物控制面板提供力触觉反馈，可得到较大范围的交互，但实物面板体积较大，且上面控件设计固定，灵活性不佳，应用场景局限。美国国防部下属的STRICOM研发的基于TOPIT(Touched Objects Positioned InTime)技术，采用一个带有少量控件的伺服机械系统提供力触觉反馈，相同种类的控件可由同一个实物控件模拟，简化了控制面板和操纵机构，且可通过改变软件模拟不同的种类的控制面板，但该机械系统体积仍较大，且控件的运动范围是一个二维平面区域，无法实现三维空间中的交互。此外，这两种方案仅能提供被动的阻挡，不能提供主动力觉反馈。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于伺服机构的主动力触觉反馈系统，通过伺服机构跟踪手部运动，可实现大范围的力触觉交互，且在交互中提供主动力觉反馈，适用于虚拟装配、虚拟手术和虚拟驾驶等多种应用场景。本发明还涉及上述一种基于伺服机构的主动力触觉反馈系统的工作方法。