用于虚拟现实的手部动作感知装置及其手套组件的制作方法

本实用新型是关于一种虚拟现实技术领域，尤指一种穿戴于人体手部且于虚拟环境系统下，以仿真模拟并感知人体手指细微动作的动态数据捕捉装置及其手套结构。

背景技术：

虚拟现实系统是近年来出现的图形图像领域的高新技术，也被称为灵境技术或人工环境，虚拟现实是利用计算机仿真产生一个三度空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉回馈系统等功能单元构成。

过往的vr体验中绝大多数对于手部的互动方式，大多采用游戏杆式的单点击触发与追踪器的整合，来达到vr环境中的实时互动，本发明的实作效益即是；通常用于虚拟现实的数据手套包含多个安装于手套内部的传感器，同时在手套中拥有数据采集、发射及控制模块，而在智能虚拟动捕手套中，通过配合vr眼睛使用，来实现虚拟现实，可是普通的智能虚拟动捕手套需要安装“灯塔”、摄像头等杂乱部件来对手部进行定位，使得手套更加的笨重，并且手套的佩戴手感非常的不舒适。

再者，游戏体验者对虚拟物体的触觉回馈大多藉由体感震动器或超音波震动器来仿真触觉，但超音波产生的震波容易伤害人体且触感微弱，而体感震动器仅能模拟触碰时产生的震动，但无法模拟使用者以手握持虚拟物体时的强制反馈。以至于使用者无法完全沉浸在虚拟游戏当中，得到更多的乐趣。

有鉴于此，本实用新型有鉴于习知技术中所产生的缺失，经过悉心试验与研究，终构思出本实用新型以克服上述问题。

新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种用于虚拟现实的手部动作感知装置及其手套组件，更拟真且高质感的手部套件且在各自的手指部拥有独立的指端传感器、和数据接收模块，用于数据收发的控制主板，且极大的缩小了传统数据手套的体积，可完全替代vr设备的手柄，是实现电力等虚拟现实模拟培训的理想外接装置，补足手部对于互动体验中真实的触控、摇摆、实时反馈等互动行为，来达到真实的手部融入空间中的真实性。

为达成本实用新型的一目的，本实用新型提出一种用于虚拟现实的手部动作感知装置，其包括一手套组件以及一动作响应模块，手套组件包含可组拆的多层套件以构成一本体部与五个指套部以提供一用户穿戴于手部；动作响应模块用以追踪用户在一虚拟现实环境中的手部动作，动作响应模块埋设于所述多层套件之间且包含一指部感应单元、一控制单元、一无线收发单元与一电力供给单元，指部感应单元包含分设于本体部与每一指套部的多个惯性传感器，所述多个惯性传感器是根据用户的手背、手背到各手指的连接位置以及每一手指关节位置来配置，而每一惯性传感器下端分别设有一数据收集芯片且其根据用户的手部动作产生一动作信息；控制单元以一软性连接线材连接每一数据收集芯片以接收动作信息，并进行运算处理后产生可由外部的一虚拟现实主机用来确定手套组件在虚拟现实环境的位置以及位置变化的一运动数据；无线收发单元通过无线网络与虚拟现实主机连接，以由虚拟现实主机接收运动数据并进行数据传输；电力供给单元分别连接多个惯性传感器、多个数据收集芯片、控制单元与无线收发单元以对其供电。

为达成本实用新型的另一目的，本实用新型提出一种基于虚拟现实的手部动作感知装置的手套组件，其为可组拆的多层套件且包括一套合件、一置物件以及一防护件，套合件包含一手背部及自手背部向外延伸出五个半指套部以构成一五爪指套结构，手背部一侧具有一凹槽且各个半指套部具有与凹槽连通的一凹沟，凹沟系延伸至半指套部的末端；置物件配置于手背部的凹槽中且用以置放动作响应模块中的控制单元与无线收发单元，置物件设有一固定件与控制单元连接固定；防护件包含一手背部及自手背部向外延伸出五个半指套部以构成五爪指套结构，手背部于对应套合件的一侧具有一凹槽且各个半指套部具有对应套合件的五个凹沟的一凸块；其中置物件置放于套合件的凹槽与防护件的凹槽之间，指部感应单元置放于套合件的凹沟与防护件的凸块之间以稳定多个惯性传感器的位置，防护件包覆于套合件之外以形成可组拆的多层套件，从而构成本体部与五个指套部，以提供用户穿戴于手部。

根据本实用新型一实施例，其中更包含一震动反馈单元，用以识别用户在虚拟现实环境中的一虚拟对象之间的交互，并根据用户与虚拟对象之间的相关互动类型触发所预设的力度数据发送至控制单元。

根据本实用新型一实施例，其中震动反馈单元包含多个致动器，其分别配置于手套组件的五个指套部中的拇指部位、食指部位与中指部位，以使用户与虚拟对象之间因互动类型的触发而由虚拟现实主机发送力度数据，且通过控制单元传输力度数据以反馈至用户。

根据本实用新型一实施例，其中更包括一视觉反馈单元，用以识别用户在虚拟现实环境中的一虚拟对象之间的交互，并根据用户与虚拟对象之间的相关互动类型触发所预设的亮度数据发送至控制单元。

根据本实用新型一实施例，其中视觉反馈单元包含多个led发光组件且分别配置于手套组件的所述五个指套部的指尖位置，以使用户与虚拟对象之间因互动类型的触发而由虚拟现实主机发送亮度数据，且通过控制单元传输亮度数据以使用户通过视觉了解在互动状态下所触发的阶段性情况。

根据本实用新型一实施例，其中虚拟现实的手部动作感知装置通过无线局域网(wlan)架构以形成数据传输。

根据本实用新型一实施例，其中指部感应单元更包含多个磁簧开关元件且其连接控制单元，各个磁簧开关元件配置于各个指套部之指尖位置，以使用户于不同手指在接触时触发一接触信号，控制单元根据接触信号进行运算产生一预设手势数据且由虚拟现实主机接收预设手势数据。

根据本实用新型一实施例，其中更包含一防滑包覆件，用以提供用户穿戴于手部且用户配合套合件、置物件及防护件依序套覆于手部，防滑包覆件采用弹性纤维布料材质制成，防滑包覆件于对应套合件的外层面采用刷毛纤维布料，以使套合件、置物件及防护件构成的多层套件以防滑包覆件与用户手部形成防滑固定。

根据本实用新型一实施例，其中套合件以及防护件分别采用软性橡胶材质制成，以对动作响应模块中的各组件形成防护，套合件对应防滑包覆件的一侧设有魔鬼毡，以使套合件以魔鬼毡与防滑包覆件的刷毛纤维布料形成防滑固定。

根据本实用新型一实施例，其中置物件采用光固化树脂材料制成的一中空壳体，中空壳体的内部用以安置控制单元且以固定件固定控制单元，固定件为在中空壳体上开设有螺纹且通过螺丝与控制单元锁和固定。

根据本实用新型一实施例，其中套合件以及防护件的每一个半指套部分别为套覆用户各手指的指尖到第一指关节的部分，而套合件的各个半指套部的各个凹沟延伸到手指指腹的位置，以用来安置一震动反馈单元，套合件的各个半指套部的各个凹沟位于指尖位置用来安置一视觉反馈单元，防护件在指尖位置可开设有孔洞以露出视觉反馈单元。

附图说明

图1是本实用新型的手部动作感知装置的外观示意图。

图2是本实用新型的手套组件的一侧分解示意图。

图3是本实用新型的手套组件的另一侧分解示意图。

图4是本实用新型的手套组件的组合示意图。

图5是本实用新型的手套组件的透过魔鬼毡撕离示意图。

附图标记说明：10-手套组件；101-防滑包覆件；102-套合件；102a-手背部；102b-半指套部；1021-凹槽；1022-凹沟；103-置物件；1031-固定件；104-防护件；104a-手背部；104b-半指套部；1041-凹槽；1042-凸块；11-本体部；12-指套部；20-动作响应模块；21-指部感应单元；211-惯性传感器；212-数据收集芯片；22-控制单元；23-无线收发单元；24-电力供给单元；30-震动反馈单元；40-视觉反馈单元；60-软性连接材；70-磁簧开关元件。

具体实施方式

有关本实用新型的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。以下结合附图对本实用新型的各种实施例进行详细描述，但本实用新型并不仅仅限于这些实施例。本实用新型涵盖任何在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本实用新型。

以下配合附图及本实用新型的较佳实施例，进一步阐述本实用新型为达成欲定发明目的所采取得技术手段，有关本实用新型的详细说明及技术内容，所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。在本实用新型下述的说明中，术语“上”、“下”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型简化说明，而不是指示的文中各装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

请参阅图1以及图2所示，其分别具有本实用新型的用于虚拟现实的手部动作感知装置的外观示意图以及作动方块图。本实用新型所述的用于虚拟现实的手部动作感知装置包括一手套组件10以及一动作响应模块20；先行说明本实用新型所述的手套组件的技术特征，尔后再详细说明手部动作感知装置的整体配置与作动方式。本实用新型的用于虚拟现实的手套组件包含可组拆的多层套件，以构成一本体部11与五个指套部12，以提供一用户穿戴于手部；在此说明，本实用新型所述的手套组件可以为单件穿戴于为左手或右手的手套配件，亦可为为一对左手及右手的手套配件，以下将以单手配件作说明。

些多层套件包含一防滑包覆件101、一套合件102、一置物件103以及一防护件104；动作响应模块20，用以追踪用户在一虚拟现实环境中的手部动作，动作响应模块20埋设于多层套件之间且包含一指部感应单元21、一控制单元22以及一无线收发单元23；以下先行说明手套组件的结构。

套合件102，包含一手背部102a及自手背部向外延伸出五个半指套部102b以构成一五爪指套结构，手背部102a一侧具有一凹槽1021且各个半指套部102b具有与凹槽1021连通的一凹沟1022，凹沟1022系延伸至半指套部的末端。置物件103，配置于手背部的凹槽1021中且用以置放动作响应模块20中的控制单元22与无线收发单元23，置物件103设有一固定件1031与控制单元22连接固定；防护件104包含一手背部104a及自手背部104a向外延伸出五个半指套部104b以构成五爪指套结构；在此说明，套合件102与防护件104的五指指套结构基本上整体结构轮廓近似，但不依此为限。防护件104的手背部104a于对应套合件102的一侧具有一凹槽1041且各个半指套部104b具有对应套合件102的所述五个凹沟1022的一凸块1042。防滑包覆件101用以提供用户穿戴于手部且用户配合套合件102、置物件103及防护件104依序穿套于手部。

根据本实用新型一实施例，其中防滑包覆件101采用弹性纤维布料材质制成，防滑包覆件101于对应套合件102的外层面采用刷毛纤维布料，以使套合件102、置物件103及防护件104构成的多层套件以防滑包覆件101与用户手部形成防滑固定。

根据本实用新型一实施例，其中套合件102以及防护件104分别采用软性橡胶材质制成，以对动作响应模块20中的各组件形成防护，套合件102对应防滑包覆件101的一侧设有魔鬼毡(图未示)，以使套合件102以魔鬼毡与防滑包覆件101的刷毛纤维布料形成防滑固定。

根据本实用新型一实施例，其中置物件103采用光固化树脂材料制成的一中空壳体，中空壳体的内部用以安置控制单元22且以固定件1031固定控制单元22，固定件1031为在中空壳体上开设有螺纹且通过螺丝与控制单元锁和固定。

根据本实用新型一实施例，其中套合件102以及防护件104的每一个所述半指套部分别为套覆用户各手指的指尖到第一指关节的部分，主要提供用户在配戴时的舒适感以及较佳的操控感。

上述揭露本实用新型手套组件的整体结构设计，接者说明本实用新型所述的手部动作感知装置，在手套组件10中的动作响应模块20，主要用以追踪用户在虚拟现实环境中的手部动作，而其中的指部感应单元21，包含分设于所述本体部11与每一个指套部12的多个惯性传感器211，所述多个惯性传感器211是根据用户的手背(如本体部11)、手背到各手指(如指套部12)的连接位置以及每一手指关节位置(如指套部12)来配置，而每一个惯性传感器211下端分别设有一数据收集芯片212且其根据用户的手部动作产生一动作信息。控制单元22透过一软性连接线材60(例如：软性电路板(fpc))连接每一个数据收集芯片212以接收动作信息，并进行运算处理后产生可由外部的一虚拟现实主机(图未示)用来确定手套组件10在虚拟现实环境的位置以及位置变化的一运动数据。无线收发单元23通过无线网络与虚拟现实主机连接，以由虚拟现实主机接收运动数据并进行数据传输。

根据本实用新型一实施例，其中置物件103配置于套合件102的凹槽1021与防护件104的凹槽1041之间；指部感应单元21配置于套合件102的凹沟1022与防护件104的凸块1042之间，用以抵住并稳定多个惯性传感器211的位置，防护件104包覆于套合件102之外以形成可组拆的多层套件，从而构成本体部11与五个指套部12以提供用户穿戴于手部。

根据本实用新型一实施例，其中更包含一震动反馈单元30，用以识别用户在虚拟现实环境中的一虚拟对象之间的交互，并根据用户与虚拟对象之间的相关互动类型触发所预设的力度数据发送至控制单元22；其中震动反馈单元30包含多个致动器(图未示)，其分别配置于手套组件10的所述五个指套部12中的拇指部位、食指部位与中指部位，以使用户与虚拟对象之间因互动类型的触发而由虚拟现实主机发送力度数据，且通过控制单元传输力度数据以反馈至用户。

根据本实用新型一实施例，其中更包括一视觉反馈单元40，用以识别用户在虚拟现实环境中的一虚拟对象之间的交互，并根据用户与虚拟对象之间的相关互动类型触发所预设的亮度数据发送至控制单元。其中视觉反馈单元40包含多个led发光组件且分别配置于手套组件10的所述五个指套部12的指尖位置，例如：埋设在套合件102的凹沟1022接近指尖的位置，以使用户与虚拟对象之间因互动类型的触发，而由虚拟现实主机发送亮度数据，且通过控制单元22传输亮度数据以使用户通过视觉了解在互动状态下所触发的阶段性情况。

根据本实用新型一实施例，其中虚拟现实的手部动作感知装置通过无线局域网架构以形成数据传输。

根据本实用新型一实施例，其中指部感应单元21更包含多个磁簧开关元件70且其分别连接控制单元22，各个磁簧开关元件配置于各个指套部的指尖位置，以使用户于不同手指在接触时触发一接触信号，控制单元根据接触信号进行运算产生一预设手势数据且由虚拟现实主机接收预设手势数据。

根据本实用新型一实施例，其中套合件102的各个半指套部102b的各个凹沟1022则可延伸到手指指腹的位置，以用来安置震动反馈单元(例如致动器)，套合件102的各个半指套部102b的各个凹沟1022位于指尖位置用来安置视觉反馈单元(例如led发光组件)，而在防护件104在指尖位置可开设有孔洞(图未示)以露出视觉反馈单元，以使用户可以清楚观察。

根据本实用新型一实施例，其中动作响应模块20更包含一电力供给单元24，其分别连接所述多个惯性传感器211、多个数据收集芯片212、控制单元22与无线收发单元23以对些组件供应所需电力，电力供给单元24可以为电池或者是可外接其他电源，在此不限定。

本实用新型所述的手部动作感知装置通过配置于各个指套的惯性传感器211以及数据收集芯片212，且多个惯性传感器以及数据收集芯片212分别设置于每一个指套的每一个指关节位置，发送自身的运动信息(包括姿态、速度、加速度、时序等信息)，以供虚拟现实主机确定佩戴在手指部位中手指(拇指、食指、中指、无名指与小指)的运动信息。例如：惯性传感器101可通过传感器基座设置于第一指套10的第二指节处，而惯性传感器通过无线的方式发送运动信息直接发送至虚拟现实主机。再者，本体部11的惯性传感器211设置于手背处且通过无线的方式发送所采集到的运动信息直接发送至虚拟现实主机。例如，控制单元22通过惯性传感器采集到的拇指的运动信息、食指的运动信息、中指的运动信息、无名指的运动信息、小指的运动信息以及手腕运动信息并且对运动信息进行整合运算，在通过无线收发单元24发送给虚拟现实主机以进行相应的处理。

进一步说明，本实用新型所述的手部动作感知装置的运作状态，以htcvive为例作说明。通过在wifi无线通信环境下，虚拟现实主机接收穿戴于用户的手套组件10(例如：左手以及右手)的多个惯性传感器采集的运动信息，并根据所接收的运动信息确定佩戴手套组件10的拇指、食指、中指、无名指、小指以及手腕的肢体运动信息，根据所确定的肢体运动信息生成虚拟对象的姿态、位置和手势信息；头戴式显示器(图未示)用以接收并显示虚拟现实主机生成的虚拟对象的姿态、位置和手势信息。在虚拟现实环境中，对手部动作感知装置的校准的原则是使运动测量模块安装部位处于一个已知的姿态，然后根据测得的运动测量模块的姿态与已知的身体部位姿态对比确定运动测量模块安装方位的偏差。例如对于手腕处惯性传感器的校准动作的情况，可能是手朝前平举手心朝下作为标准校准动作。例如，将手部动作感知装置按照预定方式穿戴之后，需要对各个惯性传感器的安装误差进行校准。

在具体实施例中，校准可以根据系统软件上现有的人体校准动作进行校准；校准时，测量对象需要按照软件接口的姿势做出相应的校准动作。例如手指伸直、手臂下垂，或手指伸直、手臂平举。接收处理器根据人体生物力学约束及外界约束对计算生成的运动信息进行校准。完成校准后，即可开始对运动捕捉对象(待测对象)的运动进行捕捉。例如：将手部动作感知装置依照预定方式穿戴之后，然后开启虚拟现实主机上相应的软件。根据运动捕捉对象信息以及运动捕捉对象上的各个惯性传感器的安装位置在虚拟现实主机软件接口上选择运动捕捉对象的模型，若软件中不包含相应对象的模型，则可以手动创建或者输入对象的模型，对象的模型包括对象各个部分的连接关系、各个部分的尺寸以及初始位置等等。

在具体实施例中，对于对象模型还可以设置或者修改各个部分之间的约束和限制，比如允许的关节活动角度等；在确定对象模型后，根据实际的惯性传感器的安装位置，在虚拟现实主机的软件接口上指定各个传感器的安装位置，指定的位置需要与实际位置一致。确定了惯性传感器的安装位置后，需要对各个惯性传感器的安装误差进行校准。校准可以按照软件上现有的人体校准动作进行校准，也可以由用户指定和设计校准姿态。校准时，测量对象需要按照软件接口的姿势做出相应的校准动作。接收处理器根据已知的姿态以及惯性传感器测量到的运动信息，确定惯性传感器的安装误差。完成惯性传感器的校准后，即可开始对运动捕捉对象的动作进行捕捉。

进行运动捕捉时，假设肩部相对头部位置固定，虚拟现实主机将根据配置于本体部1(手背位置)的惯性传感器212传送的运动信息以及校准得到的惯性传感器与配置于指套部12(手指位置)的所述多个惯性传感器之间的相对姿态确定手腕的运动信息(包括速度、加速度、时序、姿态等)，以使虚拟现实主机基于预设的上臂长度和肩部位置得到肘部相对头部的位置。尔后，虚拟现实主机根据分别配置于指套部12的五根指套(手指各关节位置)的每一惯性传感器传送的运动信息以及校准得到的所述多个惯性传感器与每一根手指之间的相对姿态确定每个手指关节的运动信息(包括速度、加速度、时序、姿态等)；虚拟现实主机基于预设的手掌长度和得到的腕部位置得到各个手指各关节的相对位置。

在具体实施例中，虚拟现实主机根据配置于本体部11(如手背位置)的惯性传感器传送的运动信息以及校准得到的惯性传感器，对应配置于指套部12(例如拇指位置)的惯性传感器传送的运动信息以及校准得到的惯性传感器之间的相对姿态确定拇指的运动信息(包括速度、加速度、时序、姿态等)；虚拟现实主机基于预设的拇指的指节长度和得到的拇指根部位置得到拇指的各个指节位置和姿态。同理，基于相同的运算处理方式得到其他各手指(例如食指、中指、无名指或小指)的各个指节的位置和姿态。

经由上述的手部动作感知装置及其手套组件获取的五根手指的运动信息(拇指、食指、中指、无名指与小指的运动信息)，如此，通过上述的动作捕捉手套可实时获取所有手指以及手腕的运动信息即可完成大多数虚拟现实系统中所需要的动作，例如，点选操作、长按操作、抓握操作、捏合操作等。再者，运用磁簧开关设计，针对个手指间目前碰触状况进行判断，可有效判别ok手势或是手指更细部相关手部姿态动作，进而反映在虚拟现实中可以使用户通过显示器看到手部的各种细部动作，从而提升用户体验。

综所上述，本实用新型所述的用于虚拟现实的手部动作感知装置及其手套组件，作为为提供沉浸式vr互动体验的手部互动感测的用途，至少具有以下优点：

1.本实用新型提供用户更能灵活将手部姿态状况与虚拟现实的内容进行互动整合。

2.本实用新型的传输模式采用近端wlan架构传输，主要媒介通讯方式为wifi，可将封包数据数据一次传送给多个虚拟现实主机主机，节省传输时间。

3.本实用新型的手套组件于机构设计上，采用快拆式的魔鬼毡型态进行黏着包覆，提供用户相当程度便利性。

4.本实用新型的手部动作感知装置于手套前端设计led与震动模块，提供用户处在虚拟环境中接触或是触发相关实体内容/情境项目时，可以获得实时反馈体验。

5.本实用新型的手部动作感知装置于手指各部位侦测模式采用弯曲模块进行侦测，可依照参数变化进行手指弯曲程度判别，达成高灵敏性与绝佳的手部型态判别。

6.本实用新型的手部动作感知装置对于手部侦测情形上，运用磁簧开关设计，针对个手指间目前碰触状况进行判断，可有效判别ok或是握拳等相关手部姿态动作。

虽然本实用新型以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何熟习相像技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。以上所述的具体实施例，仅是用于例释本实用新型的特点及功效，而非用于限定本实用新型的可实施范畴，于未脱离本实用新型上揭的精神与技术范畴下，任何运用本实用新型所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为下述的权利要求所涵盖。