專利名稱：帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)及其交互方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人機(jī)交互系統(tǒng)，尤其涉及一種帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)及其交互方法，屬于人機(jī)交互領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人機(jī)交互技術(shù)是通過(guò)相關(guān)的輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互也趨于多樣化發(fā)展。在輸出設(shè)備方面，有傳統(tǒng)的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)方式；在輸入設(shè)備方面，已經(jīng)從傳統(tǒng)的鍵盤和鼠標(biāo)發(fā)展為多種多樣的形式。最近新興的力觸覺(jué)技術(shù)，其可讓人們借助力覺(jué)與計(jì)算機(jī)環(huán)境中的虛擬物體進(jìn)行交互。在人機(jī)交互應(yīng)用最為典型的游戲領(lǐng)域中，基于人體姿態(tài)的體感交互技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。目前，常用的人機(jī)交互設(shè)備主要有鼠標(biāo)、觸摸屏等，其是由手部的運(yùn)動(dòng)、手指的敲擊來(lái)進(jìn)行信息確認(rèn)、數(shù)據(jù)輸入等操作，但是鼠標(biāo)和觸摸屏只能感知手掌在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)信息， 無(wú)法對(duì)空間內(nèi)肢體的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行感應(yīng)，即無(wú)法完成更豐富、更自然的人機(jī)動(dòng)作交互以及直接的動(dòng)作信息反饋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提出一種帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)及其交互方法。該交互系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊和上位計(jì)算機(jī)，其中運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊是由五個(gè)子測(cè)量模塊組成，每個(gè)子測(cè)量模塊均與數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊無(wú)線連接， 數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊連接上位計(jì)算機(jī)。所述每個(gè)子測(cè)量模塊均包括加速度傳感器、第一無(wú)線射頻模塊、電動(dòng)振子、單片機(jī)、陀螺儀和電源，其中加速度傳感器和第一無(wú)線射頻模塊均通過(guò)SPI總線與單片機(jī)連接，單片機(jī)分別連接電動(dòng)振子和陀螺儀，電源采用鋰電池供電。所述數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊是由USB控制芯片連接第二無(wú)線射頻模塊構(gòu)成，USB控制芯片連接上位計(jì)算機(jī)。上述交互系統(tǒng)的交互方法流程為將運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊中的五個(gè)子測(cè)量模塊分別佩帶在人體的四肢和軀干上，每個(gè)子測(cè)量模塊分別獲取相應(yīng)肢體的空間位置信息及水平偏角，并定時(shí)將所獲信息通過(guò)第一無(wú)線射頻模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊將收到的信息預(yù)處理后傳輸給上位計(jì)算機(jī)，上位計(jì)算機(jī)通過(guò)配套軟件對(duì)接受數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理；在發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊接受上位計(jì)算機(jī)反饋來(lái)的振動(dòng)信號(hào)，五個(gè)子測(cè)量模塊無(wú)線掃描數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊得到該振動(dòng)信號(hào)，然后控制相應(yīng)的電動(dòng)振子進(jìn)行振動(dòng)，完成交互過(guò)程。技術(shù)效果本發(fā)明可獲取人體的三維動(dòng)作特征，即通過(guò)獲取測(cè)量模塊所在肢體的空間位置來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互，并以振動(dòng)觸覺(jué)反饋?zhàn)鳛榻换ヌ崾拘畔?，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)了更自然、更豐富的人機(jī)交互功能。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)號(hào)名稱1、運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊；2、數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊；3、上位計(jì)算機(jī)。圖2為子測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)號(hào)名稱5、加速度傳感器；7、第一無(wú)線射頻模塊；8、SPI總線；9、電動(dòng)振子；10、單片機(jī)；11、電源；12、陀螺儀。圖3為數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)號(hào)名稱13、USB控制芯片；14、第二無(wú)線射頻模塊；15、USB接口。圖4為子測(cè)量模塊的測(cè)量工作流程圖。圖5為數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊的信息中轉(zhuǎn)流程圖。圖6為計(jì)算機(jī)配套軟件的數(shù)據(jù)處理流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊1、數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊2和上位計(jì)算機(jī)3，其中運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊1與數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊2之間無(wú)線連接，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊2 連接上位計(jì)算機(jī)3。所述運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊1是由佩帶在人體四肢和軀干上的五個(gè)子測(cè)量模塊組成，每個(gè)子測(cè)量模塊均與數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊2無(wú)線連接。在實(shí)際應(yīng)用中，子測(cè)量模塊的數(shù)量和位置可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。子測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)子測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)相同，均包括加速度傳感器 5、第一無(wú)線射頻模塊7、電動(dòng)振子9、單片機(jī)10、陀螺儀12和電源11，其中加速度傳感器5 和第一無(wú)線射頻模塊7均通過(guò)SPI總線8與單片機(jī)10連接，單片機(jī)10連接電動(dòng)振子9，陀螺儀12連接單片機(jī)10的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電源11采用鋰電池為子測(cè)量模塊供電。單片機(jī)10 通過(guò)SPI總線8讀取加速度傳感器5采樣的加速度信息，單片機(jī)10通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣陀螺儀12的水平偏角，這些信息被定時(shí)通過(guò)無(wú)線射頻模塊7發(fā)送至數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊2，再由數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊2傳輸給計(jì)算機(jī)3進(jìn)行處理。在發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊 2接受計(jì)算機(jī)3反饋來(lái)的振動(dòng)信號(hào)，單片機(jī)10無(wú)線掃描數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊2得到該振動(dòng)信號(hào)，然后輸出PWM波控制相應(yīng)的電動(dòng)振子9以特定的頻率和強(qiáng)度進(jìn)行振動(dòng)，完成交互過(guò)程。 在實(shí)施例中，加速度傳感器5采用三軸數(shù)字加速度傳感器ADXL345，陀螺儀12采用偏航角度陀螺儀AD)(RS652，無(wú)線射頻芯片采用nRFMLOl，單片機(jī)10采用AI~mega88，電源11采用 300mA鋰電池。子測(cè)量模塊的測(cè)量工作流程如圖4所示。五個(gè)子測(cè)量模塊佩帶在人體的四肢和軀干上，以右手臂為例，測(cè)量模塊佩帶于右手臂肘關(guān)節(jié)外側(cè)，根據(jù)重力在加速度傳感器坐標(biāo)系三軸上的分量，計(jì)算出傳感器坐標(biāo)系與自然坐標(biāo)系的三個(gè)夾角，進(jìn)而得到手臂平面與自然坐標(biāo)系的夾角，根據(jù)上述三個(gè)夾角以及傳感器到肩膀的固定位置，即可計(jì)算出傳感器所在手臂的空間位置。傳感器坐標(biāo)系與自然坐標(biāo)系的三個(gè)夾角的計(jì)算方法為
權(quán)利要求
1.一種帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊(1)、數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊( 和上位計(jì)算機(jī)(3)，其中 運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊(1)與數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊( 之間無(wú)線連接，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊( 連接上位計(jì)算機(jī)⑶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊(1)是由五個(gè)子測(cè)量模塊組成，每個(gè)子測(cè)量模塊均與數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊 (2)無(wú)線連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)，其特征在于所述每個(gè)子測(cè)量模塊均包括加速度傳感器(5)、第一無(wú)線射頻模塊(7)、電動(dòng)振子(9)、單片機(jī)(10)、陀螺儀(12)和電源(11)，其中加速度傳感器(5)和第一無(wú)線射頻模塊(7)均通過(guò)SPI總線(8)與單片機(jī)(10)連接，單片機(jī)(10)分別連接電動(dòng)振子(9)和陀螺儀(12)， 電源(11)采用鋰電池供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊⑵是由USB控制芯片(13)連接第二無(wú)線射頻模塊(14)構(gòu)成，USB控制芯片(13)連接上位計(jì)算機(jī)(3)。
5.一種基于權(quán)利要求1所述的帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)的交互方法， 其特征在于包括如下流程將運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊(1)中的五個(gè)子測(cè)量模塊分別佩帶在人體的四肢和軀干上，每個(gè)子測(cè)量模塊分別獲取相應(yīng)肢體的空間位置信息及水平偏角，并定時(shí)將所獲信息通過(guò)第一無(wú)線射頻模塊(7)發(fā)送至數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊O)，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊( 將收到的信息預(yù)處理后傳輸給上位計(jì)算機(jī)(3)，上位計(jì)算機(jī)C3)通過(guò)配套軟件對(duì)接受數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理；在發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊( 接受上位計(jì)算機(jī)C3)反饋來(lái)的振動(dòng)信號(hào)， 子測(cè)量模塊無(wú)線掃描數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊( 得到該振動(dòng)信號(hào)，然后控制相應(yīng)的電動(dòng)振子 (9)進(jìn)行振動(dòng)，完成交互過(guò)程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)的交互方法，其特征在于所述空間位置信息的獲取方法為根據(jù)重力在加速度傳感器坐標(biāo)系三軸上的分量，計(jì)算出傳感器坐標(biāo)系與自然坐標(biāo)系的三個(gè)夾角，進(jìn)而得到傳感器所在肢體平面與自然坐標(biāo)系的夾角，根據(jù)上述三個(gè)夾角以及傳感器到肩膀的固定位置，即可計(jì)算出傳感器所在肢體的空間位置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種帶振動(dòng)觸覺(jué)反饋的三維體感人機(jī)交互系統(tǒng)及其交互方法，屬于人機(jī)交互領(lǐng)域。該交互系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊(1)、數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊(2)和上位計(jì)算機(jī)(3)，所述運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊(1)是由佩帶在人體四肢和軀干上的五個(gè)子測(cè)量模塊組成，運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊(1)用于獲取人體肢體的空間位置，每個(gè)子測(cè)量模塊均與數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊(2)無(wú)線連接，數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊(2)通過(guò)USB口連接上位計(jì)算機(jī)(3)，上位計(jì)算機(jī)(3)通過(guò)配套軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。本發(fā)明通過(guò)獲取人體的三維動(dòng)作特征進(jìn)行人機(jī)交互，并以振動(dòng)觸覺(jué)反饋?zhàn)鳛榻换ヌ崾拘畔ⅲ瑢?shí)現(xiàn)了更自然、更豐富的人機(jī)交互功能。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102156540SQ201110076560
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者萬(wàn)文章, 張丹, 施玉霞, 王沖, 陸熊 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)