一种用于虚拟现实的身体数据采集反馈设备和方法
【专利摘要】本申请提供一种用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备和方法，该设备包括：身体姿态数据采集模块和力反馈数据输出模块，其中，身体姿态数据采集模块包括惯性传感器、UWB超宽带测距子模块和无线网络子模块，用于实时采集身体姿态数据信息和采集点相对位置信息，通过无线方式传输给中枢控制器；其中，力反馈数据输出模块包括电脉冲反馈装置，用于无线接收中枢控制器发送的力反馈信号，通过接收识别核心传输来的反馈数据作用于相应的身体部位。
【专利说明】一种用于虚拟现实的身体数据采集反馈设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及虚拟现实技术，更具体地，涉及一种用于虚拟现实的身体数据采集反馈设备和方法。
【背景技术】
[0002]随着现代技术的发展，智能服装产品已经不仅仅具有单纯的穿着功能，新技术的融入使得可穿戴式设备越来越成为关注的焦点。通过计算机系统的可穿或者可植入性，月艮装已经成为一个独立的智能载体。
[0003]佐治亚理工学院研发了一种用于作战的传感器背心，芬兰大学开发了适用于极地环境的智能救援服装，都可以将人体生理参数进行测量和综合处理。现在越来越多的国家开始专门研宄这一课题，并且美国和欧洲已经处于领先地位，在日常生产和生活中都已经有了具体的应用，特别是在特种领域当中。
[0004]目前比较成熟的身体数据采集大多集中在人体生理指标的静态测量，通过多个传感器直接布置在相关的生理位置，获取一些生理参数，尤其是医用的生理参数，诸如温度、脉搏、血压等。而对于运动姿态的及时采集，通过身体布置的传感器能够进行简单的采集和捕获。
[0005]目前的捕获方式机械式运动捕获、电磁式运动捕获、声学式运动捕获、光学式运动捕获以及惯性传感器的运动捕获。其中，机械式运动捕捉依靠机械装置来测量运动，运动捕捉通过将待捕捉的物体与机械装置相连，运动物体带动机械装置运动，从而通过机械装置上的传感器记录下待测物体运动。机械式运动捕捉方式难以实现对于多自由度的关节运动捕捉，同时由于自身尺寸和重量，对待测物体的运动(特别是剧烈运动)造成比较严重的阻碍和干涉。电磁式运动捕捉一般由发射源、接收器和数据处理单元组成。这种运动捕捉方式对于环境要求严格，附近不能有金属物品，并且有线电缆对物体的运动限制比较大，而且采样频率较低。声学式运动捕捉:与电磁式运动捕捉比较类似，由超声发射器、接收器和处理单元组成。声学式运动捕捉成本较低，但是精度差并且要求发射器与接收器之间无遮挡。光学式运动捕捉通常包含10?20个相机，环绕待测物体排列，待测物体的运动范围处于相机的重叠区域。但是这种系统价格昂贵，系统的标定比较繁琐，只能捕捉相机重叠区域的物体运动，而且当运动比较复杂时，标志容易混淆和遮挡，从而产生错误的结果。
[0006]美国披露的协作浸入式虚拟环境包括虚拟环境仿真器、光学式运动捕捉系统、球形摄像机、头部安装的显示器等。采用光学式运动捕捉系统对运动进行捕捉，设备比较昂贵。如果采用墙面固定安装的摄像机，则会受到运动捕捉的场地限制；如果采用三脚架安装摄像机，则系统的标定会很繁琐，并且如果活动范围比较大时，可能需要多次移动三脚架以及需要多次进行标定；当运动比较复杂时，光学标志容易产生混淆或者遮挡，从而造成错误；因为没有采用专门的诸如触觉的交互性设备，该方案主要实现视觉上的感受，而不能给用户带来虚拟环境的多方位感受。例如在虚拟环境中感受到了触墙，该方案仅能在虚拟环境的画面上做出相应的显示而不能在触觉之类的感官上给以用户体验。
[0007]其中，用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈的设备包含两个功能，身体姿态数据采集与力反馈数据输出。传统惯性姿态传感器多被应用与电影和游戏的动作捕捉方面，应用空间小，面向专业用户，设备成本高。而力反馈设备多是以非平衡震动的方式实现，模块较大，穿戴在身体上很不方便。
【发明内容】
[0008]为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种用于虚拟现实的身体数据采集反馈设备和方法。
[0009]根据本发明的一个方面，提出了一种用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备，包括:身体姿态数据采集模块和力反馈数据输出模块，其中，身体姿态数据采集模块包括惯性传感器、UWB超宽带测距子模块和无线网络子模块，用于实时采集身体姿态数据信息和采集点相对位置信息，通过无线方式传输给中枢控制器；其中，力反馈数据输出模块包括电脉冲反馈装置，用于无线接收中枢控制器发送的力反馈信号，通过接收识别核心传输来的反馈数据作用于相应的身体部位。
[0010]根据本发明的另一方面，提出了一种用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈的方法，该方法包括:步骤1，在全身肢体关键节点部位布置传感器，组成无线通信网络；步骤2，各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，姿态信息整合单元将节点传感器上传的数据融合，计算出人体肢体位置及运动轨迹和速度数据后，传输给中枢控制器；步骤3，通过力反馈数据输出模块接收来自中枢控制器平台的反馈触发信号，控制佩戴在体验者身上的节点产生电流脉冲或震动作。
[0011]本发明的身体数据采集反馈设备(VRGate-Body)结合惯性传感器、wifi测距、无线传输和静电力反馈等功能，可以实时采集身体姿态数据信息和点相对位置信息通过无线方式传输给计算机。并无线接收计算机发送的力反馈信号，作用于相应的身体部位，达到游戏拟真、物理按摩等效果，具有多方面的应用方向。
[0012]本发明的身体数据采集反馈设备(VRGate-Body)每个模块放置在专用的收纳箱内，即可无线充电。省去插线充电的麻烦。其他产品，不仅要插线充电，还必须是专用的线材，非常麻烦。设备的每一个传感器都采用无线连接方式，用户不管是安装还是活动，都不会被电线束缚；其他产品多为有线，或部分无线。
[0013]本发明的身体数据采集反馈设备(VRGate-Body)部件同时集成电脉冲反馈装置，可以无线接收计算机发送的力反馈信号，通过接收识别核心传输来的反馈数据作用于相应的身体部位，让人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉，达到游戏拟真，物理按摩等效果，具有多方面的应用方向。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为根据本发明的一种用于虚拟现实的身体数据采集反馈设备的模块示意图；
[0015]图2为根据本发明的一种用于虚拟现实的身体数据采集反馈方法的流程示意图。
[0016]为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种用于虚拟现实的身体数据采集反馈设备和方法进行详细描述。
[0018]在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
[0019]本发明提供一种用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈的设备(RGate-Body)，包括身体姿态数据采集模块和力反馈数据输出模块，其中，身体姿态数据采集模块包括惯性传感器、UWB超宽带测距子模块和无线网络子模块，用于实时采集身体姿态数据信息和采集点相对位置信息，通过无线方式传输给计算机。其中，力反馈数据输出模块包括电脉冲反馈装置，用于无线接收计算机发送的力反馈信号，通过接收识别核心传输来的反馈数据作用于相应的身体部位，让人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉，达到游戏拟真，物理按摩等效果。
[0020]其中，该身体数据的采集和反馈的设备用于采集体验者人体姿态，将体验者肢体及全身反馈信号与中枢处理器有效融合，以达到控制虚拟环境下虚拟身体和让现实环境下人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉，达到游戏拟真，物理按摩等效果。
[0021]其中，身体姿态数据采集模块包括布置在全身肢体关键节点部位的传感器，其中，传感器包括9自由度传感器，该9自由度传感器包括3轴陀螺仪、3轴罗盘和3轴加速度计。其中，关键节点部位包括手足肢端节点、踝腕关节节点、膝肘关节节点、肩跨关节节点、及头、颈、躯干节点等必要节点及其他可临时配置的扩展节点。
[0022]其中，所有节点与协调器组成星型网络，该多个节点处于星形网络的末端。其中，底层布置处理器，用于进行初步的卡尔曼滤波等基础容错过滤操作。其中，该传感器独立电池供电，自成一体，可随时增减节点数量，减少现场体验环节的穿戴复杂程度。
[0023]其中，各个独立传感器的无线通讯网络(ZIGBEE网络)包含特征地址信息及自组网系统，网络系统内包括一个协调器和若干节点，每个节点上电后由协调器配置组网，形成已协调器为中心的星型网络。各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，该姿态信息整合单元是一个包含协调器的控制中心。
[0024]其中，姿态信息整合单元用于将节点传感器上传的数据(包括加速度、方向角、角加速度)融合，辅以肢体骨络算法融合技术，计算出人体肢体节点及运动轨迹和速度等数据后，传输给中枢控制器平台，进一步实现应用场景与人体模型节点的贴合。
[0025]其中，力反馈数据输出模块用于接收来自中枢控制器平台的反馈触发信号(如被击打、接触等)，以控制佩戴在体验者身上的节点产生电流脉冲或震动作，让现实环境下人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉，达到游戏拟真、物理按摩等效果。
[0026]在本发明的另一个实施例中，提供一种用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈的方法，该方法包括:步骤1，在全身肢体关键节点部位布置传感器，组成无线通信网络；步骤2，各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，姿态信息整合单元将节点传感器上传的数据融合，计算出人体肢体位置及运动轨迹和速度数据后，传输给中枢控制器；步骤3，通过力反馈数据输出模块接收来自中枢控制器平台的反馈触发信号，控制佩戴在体验者身上的节点产生电流脉冲或震动作，让现实环境下人体感受到触摸、拍打、撞击感觉。
[0027]其中，步骤I中，全身肢体关键节点部位的传感器包括9自由度传感器，9自由度传感器包括3轴陀螺仪、3轴罗盘、3轴加速度计。其中，全身肢体关键阶段部位包括手足肢端节点、踝腕关节节点、膝肘关节节点、肩跨关节节点、及头、颈、躯干节点等必要节点及其他可临时配置的扩展节点，其中，所有节点与协调器组成星型网络，处于星形网络的末端。
[0028]其中，步骤2中，各个独立传感器的无线通讯网络(ZIGBEE网络)包含特征地址信息及自组网系统，该网络系统内包括一个协调器和若干节点，每个节点上电后由协调器配置组网，形成已协调器为中心的星型网络。该各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，该姿态信息整合单元是一个包含协调器的控制中心。
[0029]其中，步骤2中，姿态信息整合单元将节点传感器上传的包括加速度、方向角、角加速度数据进行融合，辅以肢体骨络算法融合技术，计算出人体肢体位置及运动轨迹和速度等数据后，传送给中枢控制器平台，进一步实现应用场景与人体模型动作的贴合。
[0030]其中，步骤3中，力反馈数据输出模块接收来自中枢控制器平台的反馈触发信号(如被击打、接触等)，控制佩戴在体验者身上的节点产生电流脉冲或震动作，让现实环境下人体感受到触摸、拍打、撞击等感觉，达到游戏拟真，物理按摩等效果。
[0031]最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
【权利要求】
1.一种用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备，包括:身体姿态数据采集模块和力反馈数据输出模块，其中，身体姿态数据采集模块包括惯性传感器、UWB超宽带测距子模块和无线网络子模块，用于实时采集身体姿态数据信息和采集点相对位置信息，通过无线方式传输给中枢控制器；其中，力反馈数据输出模块包括电脉冲反馈装置，用于无线接收中枢控制器发送的力反馈信号，通过接收识别核心传输来的反馈数据作用于相应的身体部位。
2.根据权利要求1所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备，其中，该身体数据的采集和反馈的设备用于采集体验者人体姿态，将体验者肢体及全身反馈信号与中枢处理器有效融合，以达到控制虚拟环境下虚拟身体和让现实环境下人体感受到触摸、拍打、撞击感觉。
3.根据权利要求1所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备，其中，身体姿态数据采集模块包括布置在全身肢体关键节点部位的传感器，其中，传感器包括9自由度传感器，该9自由度传感器包括3轴陀螺仪、3轴罗盘和3轴加速度计。
4.根据权利要求3所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备，其中，关键节点部位包括手足肢端节点、踝腕关节节点、膝肘关节节点、肩跨关节节点、及头、颈、躯干节点的必要节点及其他可临时配置的扩展节点。
5.根据权利要求1所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备，其中，各个独立传感器的无线通讯网络包含特征地址信息及自组网系统，网络系统内包括一个协调器和若干节点，每个节点上电后由协调器配置组网，形成以协调器为中心的星型网络。
6.根据权利要求1所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备，其中，各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，该姿态信息整合单元是一个包含协调器的控制中心。
7.根据权利要求6所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈设备，其中，姿态信息整合单元用于将节点传感器上传的包括加速度、方向角、角加速度数据进行融合，辅以肢体骨络算法融合技术，计算出人体肢体位置及运动轨迹和速度等数据后，传输给中枢控制器平台。
8.一种用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈的方法，该方法包括: 步骤1，在全身肢体关键节点部位布置传感器，组成无线通信网络； 步骤2，各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，姿态信息整合单元将节点传感器上传的数据融合，计算出人体肢体位置及运动轨迹和速度数据后，传输给中枢控制器； 步骤3，通过力反馈数据输出模块接收来自中枢控制器平台的反馈触发信号，控制佩戴在体验者身上的节点产生电流脉冲或震动作。
9.根据权利要求8所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈的方法，其中，步骤I中，全身肢体关键节点部位的传感器包括9自由度传感器，9自由度传感器包括3轴陀螺仪、3轴罗盘、3轴加速度计；其中，全身肢体关键阶段部位包括手足肢端节点、踝腕关节节点、膝肘关节节点、肩跨关节节点、及头、颈、躯干节点等必要节点及其他可临时配置的扩展节点。
10.根据权利要求8所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈的方法，其中，步骤2中，各个独立传感器的无线通讯网络包含特征地址信息及自组网系统，该网络系统内包括一个协调器和若干节点，每个节点上电后由协调器配置组网，形成以协调器为中心的星型网络。
11.根据权利要求8所述的用于虚拟现实环境下的身体数据的采集和反馈的方法，其中，步骤2中，该各节点传感器互不干扰的将数据传送至姿态信息整合单元，该姿态信息整合单元是一个包含协调器的控制中心； 进一步其中，步骤2中，姿态信息整合单元将节点传感器上传的包括加速度、方向角、角加速度数据进行融合，辅以肢体骨络算法融合技术，计算出人体肢体位置及运动轨迹和速度等数据后，传送给中枢控制器平台。
【文档编号】A61B5/00GK104473618SQ201410693395
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】田效禹, 金成博 申请人:曦煌科技(北京)有限公司