李兆基，王海鵬，2，阮偉華，黃書(shū)豪

(1.三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210012;2.東南大學(xué) 射頻與光電集成電路研究所，江蘇 南京 210096)

手勢(shì)姿態(tài)識(shí)別是虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)領(lǐng)域中非常關(guān)鍵的一種交互方式。不同的實(shí)現(xiàn)方式和設(shè)備都會(huì)使用戶(hù)得到不同的體驗(yàn)。近年來(lái)，隨著VR設(shè)備受歡迎度的提高和人機(jī)交互(Human-Computer Interaction，HCI)[1]科學(xué)的不斷發(fā)展，手勢(shì)交互成為最符合人們習(xí)慣的交互方式。但手勢(shì)交互研究相較聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)的交互方式還有較大的差距[2]，這主要是由人手的靈巧性、復(fù)雜的皮膚形狀和傳感器的復(fù)雜性造成的。

目前手勢(shì)姿態(tài)識(shí)別的方式還分為基于視覺(jué)和非視覺(jué)兩種[3-4]。基于視覺(jué)的數(shù)據(jù)采集方式主要是采用攝像頭對(duì)手部動(dòng)作進(jìn)行捕捉，目前比較常見(jiàn)的動(dòng)作捕捉設(shè)備主要有微軟公司的Kinect[5]、索尼公司的PS move以及Leap公司的Leap motion[6]和上海理工大學(xué)黃東方的基于改進(jìn)ND-DTW算法的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別[7]，這些均為基于圖像處理的方式，對(duì)肢體動(dòng)作的識(shí)別較為準(zhǔn)確。但上述方法對(duì)檢測(cè)細(xì)小位置的手指運(yùn)動(dòng)有一定難度，當(dāng)識(shí)別物體的運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖像丟幀的問(wèn)題。另外，國(guó)內(nèi)的手勢(shì)交互方式主要集中在如何實(shí)現(xiàn)手指姿態(tài)的判別上，尚未出現(xiàn)功能性電刺激手勢(shì)交互設(shè)備。秦歡歡等人設(shè)計(jì)了采用雙手力觸覺(jué)反饋的人機(jī)交互系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)中，雙手的位置跟蹤精度達(dá)到0.8 mm并可以給手提供20 N和0.4 N·m的力觸覺(jué)反饋。但該設(shè)備尺寸較大不利于個(gè)人用戶(hù)使用，且存在不便移動(dòng)的缺點(diǎn)。在力觸覺(jué)反饋方面，國(guó)外有CyberGlove公司使用磁流變液智能材料構(gòu)建的力反饋數(shù)據(jù)手套[9]，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)尺寸上比東南大學(xué)的小很多，但是在設(shè)備重量上依舊沒(méi)有得到很好地改善。

相比基于視覺(jué)識(shí)別的方式，本文設(shè)計(jì)使用基于非視覺(jué)的數(shù)據(jù)手套采集方式不會(huì)出現(xiàn)上述識(shí)別精度有偏差的現(xiàn)象，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)識(shí)別物體脫離識(shí)別范圍的情況。在進(jìn)行力觸覺(jué)的輔助反饋上，前期已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES)產(chǎn)生的刺激脈沖信號(hào)強(qiáng)度來(lái)控制不同的手部力量[10-13]。本文中使用該設(shè)備來(lái)解決力觸覺(jué)反饋的問(wèn)題，不僅可以使VR設(shè)備完成手勢(shì)識(shí)別，還能通過(guò)功能性電刺激腕帶完成虛擬現(xiàn)實(shí)中的力觸覺(jué)增強(qiáng)反饋。

1 系統(tǒng)與方法

1.1 原型系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)VR使用者開(kāi)發(fā)的手勢(shì)交互識(shí)別系統(tǒng)，一套輔助虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套及電刺激力觸覺(jué)增強(qiáng)反饋系統(tǒng)需要解決以下問(wèn)題：(1)使用者雙手位置和姿態(tài)的精確獲取跟蹤。系統(tǒng)需要判斷跟蹤使用者的三維空間位置和手部姿態(tài)，使用無(wú)線連接的方式增大系統(tǒng)使用空間的自由度，同時(shí)不降低使用者在使用過(guò)程中的束縛；(2)雙手力反饋的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用者在VR體驗(yàn)中手部觸碰到虛擬物體時(shí)，能通過(guò)功能性電刺激的方式控制手部力量來(lái)實(shí)現(xiàn)力觸覺(jué)反饋，讓使用者感知到物體。同時(shí)該裝置可以為使用者提供不同強(qiáng)度的刺激來(lái)達(dá)到不同力度的反饋。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括一個(gè)數(shù)據(jù)手套、一個(gè)FES腕帶和數(shù)據(jù)收發(fā)與顯示設(shè)備。其中手套具有手部運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)數(shù)據(jù)采集功能，腕帶使用FES作為VR的力觸覺(jué)信息反饋。數(shù)據(jù)手套主要由彎曲度傳感器、九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器、STM32主控模塊和藍(lán)牙模塊組成。數(shù)據(jù)收發(fā)與顯示設(shè)備主要用于三維圖像的處理以及對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，該部分可以判斷人手對(duì)物體觸摸狀態(tài)信息并將反饋數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線連接(Wireless Fidelity，WiFi)傳輸至電刺激腕帶，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的FES刺激脈沖，從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的力觸覺(jué)增強(qiáng)反饋。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

手勢(shì)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集部分由STM32主控制器、5路彎曲度傳感器、藍(lán)牙模塊和九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器組成。其中STM32主控制器主要負(fù)責(zé)彎曲度傳感器數(shù)據(jù)、九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的采集處理以及對(duì)藍(lán)牙模塊的控制。如圖2(a)所示，利用5路的彎曲度傳感，同時(shí)將傳感器采用嵌入的方式包裹在手套的每根手指上，該種設(shè)計(jì)可以使傳感器更貼合手指減少測(cè)量誤差。采用的彎曲度傳感器尺寸為每根長(zhǎng)115 mm，寬5 mm，如圖2(c)所示。最終把這些傳感器嵌入在棉質(zhì)的手套上固定如圖2(b)所示。彎曲度傳感器是由涂在柔性塑料基板上的大量電阻碳元素組成，制作成本較低，具有較長(zhǎng)的機(jī)械性耐久性能(>1 000 000次)，無(wú)移動(dòng)或機(jī)械磨損的部件。當(dāng)基板彎曲時(shí)，彎曲傳感器根據(jù)彎曲程度按一定比例產(chǎn)生電阻輸出，筆直狀態(tài)下的電阻約為10 kΩ，最大彎曲的電阻可到達(dá)125 kΩ。

圖2 手套設(shè)計(jì)與實(shí)物圖

由于彎曲度傳感采集手指曲度的信息是模擬信號(hào)，因此需要利用STM32內(nèi)置模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)將采集的彎曲度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(Digital Signal)進(jìn)行處理。同時(shí)，為了使傳感器輸出電阻變化和輸出電壓變化之間成線性關(guān)系[14]，本文采用如圖3的電路設(shè)計(jì)[15]。

主控微處理器采用STM32F103RBT6作為核心處理器芯片，它主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)外部模塊的控制和數(shù)據(jù)獲取。為了減少系統(tǒng)硬件占用空間的資源并最大化減輕硬件重量，該部分只保留有用部分，去除無(wú)用的外設(shè)電路，最終主控設(shè)備重量控制在250 g以?xún)?nèi)。該硬件系統(tǒng)主要包含STM32F103的微處理器主控芯片、復(fù)位電路、晶振電路、串行調(diào)試(Serial Wire Debug，SWD)程序下載接口以及所有用到的通用輸入/輸出口(General Purpose Input Output，GPIO)，以方便接入藍(lán)牙模塊來(lái)完成數(shù)據(jù)的上傳和九軸運(yùn)動(dòng)傳感器采集手部空間數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特征提取和手勢(shì)識(shí)別。

圖3 彎曲度傳感器電路圖

功能性電刺激腕帶包含一個(gè)主控制器STM32F103(ST Microelectronics Inc.)、WiFi轉(zhuǎn)通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver Transmitter，USRT)模塊、刺激電路驅(qū)動(dòng)級(jí)、恒流H型橋和多路復(fù)用開(kāi)關(guān)電路。其中微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)通過(guò)WiFi轉(zhuǎn)UART模塊USRC322(濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司)讀取控制終端發(fā)送的刺激參數(shù)數(shù)據(jù)；然后利用內(nèi)置數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生刺激參數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)并送至刺激電路驅(qū)動(dòng)級(jí)；然后經(jīng)過(guò)MCU控制的多路復(fù)用開(kāi)關(guān)電路，將刺激脈沖分別送至對(duì)應(yīng)的輸出通道，生成與虛擬場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)的力觸覺(jué)控制信號(hào)。刺激腕帶實(shí)物如圖4所示，設(shè)備的重量約320 g(含電池)。

刺激驅(qū)動(dòng)電路包括電壓-電流轉(zhuǎn)換器和一個(gè)互補(bǔ)電流源，電壓-電流轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)耦合跨導(dǎo)放大器、一個(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)放大器組成，可以為互補(bǔ)電流源提供精確的參考電流。刺激驅(qū)動(dòng)級(jí)電路如圖5所示。

圖4 刺激腕帶實(shí)物圖

在功能性電刺激腕帶的MCU中利用波形生成算法生成具有更新參數(shù)的波形信號(hào)。如圖6(a)所示為雙相非對(duì)稱(chēng)刺激波形，其中包括一個(gè)負(fù)向的脈沖和一個(gè)正向的脈沖。負(fù)脈沖幅度AN和正脈沖寬度TP的比值等于正脈沖幅度AP和負(fù)脈沖寬度TN的比值，即TP/AN=AP/TN，其中AN和AP的比值為N。為了使刺激電極在人手皮膚上不易造成肌肉疲勞[16]，故設(shè)置N=4。MCU輸出的DAC信號(hào)波形如圖6(b)所示。

圖5 刺激驅(qū)動(dòng)級(jí)電路原理圖

(a)

1.3 軟件設(shè)計(jì)與算法實(shí)現(xiàn)

本文軟件使用基于C++程序的設(shè)計(jì)，運(yùn)行在電腦主機(jī)上，目的是為了完成虛幻4引擎(Unreal Engine 4，UE4)軟件與個(gè)人計(jì)算機(jī)USB(Universal Serial Bus，USB)接口的數(shù)據(jù)通信。該程序主要分為兩部分：手套數(shù)據(jù)接收識(shí)別部分和腕帶刺激信號(hào)發(fā)射部分。程序的具體流程如圖7所示。程序在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)會(huì)判斷手套的藍(lán)牙以及腕帶WiFi是否連接成功，在確定穩(wěn)定連接的情況下手套的數(shù)據(jù)接收程序會(huì)進(jìn)入九軸運(yùn)動(dòng)傳感器校準(zhǔn)，腕帶則進(jìn)入復(fù)位，完成刺激參數(shù)的校對(duì)。程序在接收到手套數(shù)據(jù)后，通過(guò)計(jì)算九軸運(yùn)動(dòng)傳感器的歐拉角可以判斷出手勢(shì)的姿態(tài)，計(jì)算彎曲度傳感器的數(shù)值可以判斷手指的彎曲程度，最后將數(shù)據(jù)送到UE4軟件中完成虛擬場(chǎng)景中的識(shí)別。UE4軟件會(huì)根據(jù)手部抓握的物體給出一個(gè)碰撞信息，通過(guò)該程序可以發(fā)送刺激信號(hào)到手腕的硬件中。

手套在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于人手的輕微抖動(dòng)和元器件的物理特性會(huì)導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，使用過(guò)程中會(huì)也出現(xiàn)一些不必要的隨機(jī)噪聲。這些因素都會(huì)給識(shí)別算法帶來(lái)一定的難度導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，因此采取一定的濾波降噪處理顯得尤為重要。目前常用的傳感器濾波算法有：非線性平滑濾波、小波變換、線性平滑濾波、卡爾曼濾波算法以及傅里葉變換[17]。

卡爾曼濾波是一種最優(yōu)數(shù)據(jù)評(píng)估的算法，與控制原理中的狀態(tài)觀測(cè)器相似，需要預(yù)估測(cè)量值，并把預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，然后乘以一個(gè)增益后返回，為下一時(shí)刻的計(jì)算提供估計(jì)值，更新的方程如下

X(f/f-1)=Ax(f-1/f-1)

(1)

(f/f-1)=P(f-1/f-1)+Q

(2)

式中，X(f/f-1)是上一時(shí)刻f-1最后輸出的狀態(tài)；Q為噪聲的協(xié)方差。測(cè)量方程利用時(shí)間方程輸出結(jié)果，當(dāng)獲取到觀測(cè)值時(shí)進(jìn)行濾波。通過(guò)測(cè)量更新算法得出最終結(jié)果，但是在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中仍然還會(huì)出現(xiàn)位置誤差。為了更加準(zhǔn)確地讓識(shí)別手勢(shì)姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷手部的實(shí)時(shí)姿態(tài)，將誤差控制在一個(gè)較好的范圍，需要進(jìn)行歐拉角的計(jì)算。在PC端利用卡爾曼濾波[18]原始數(shù)據(jù)融合加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)可以計(jì)算出歐拉角，分別用原始數(shù)據(jù)、加速度計(jì)數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)構(gòu)建出3個(gè)姿態(tài)矩陣，矩陣通過(guò)乘積的計(jì)算得到

(3)

通過(guò)隨姿態(tài)矩陣T的求解得到歐拉角

θ主=tan-1(-T12/T22)

(4)

(5)

γ主=tan-1(-T31/T33)

(6)

最后使用歐拉角微分方程進(jìn)行姿態(tài)的求解，就能得出一個(gè)較好的歐拉角結(jié)果。

圖7 軟件總體流程設(shè)計(jì)

1.4 實(shí)驗(yàn)與方法

實(shí)驗(yàn)共招募5名健康志愿者(男性3人，女性2人，平均年齡為25.5±2歲)。所有志愿者簽署知情同意書(shū)，配合參與原型系統(tǒng)手部姿態(tài)動(dòng)作數(shù)據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)和實(shí)際功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。所有志愿者在受測(cè)試上肢部位均無(wú)任何神經(jīng)肌肉或關(guān)節(jié)損傷。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用一套自主設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)(包含1個(gè)用于手勢(shì)姿態(tài)識(shí)別的數(shù)據(jù)手套和1個(gè)FES刺激腕帶)，一套HTC VIVE定位設(shè)備，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于UE4的虛擬場(chǎng)景實(shí)例。

先從參與實(shí)驗(yàn)的人員中隨機(jī)挑選出一名志愿者，按照實(shí)驗(yàn)要求佩戴姿態(tài)識(shí)別手套，完成姿態(tài)動(dòng)作數(shù)據(jù)的測(cè)試。測(cè)試的動(dòng)作內(nèi)容為：手臂水平放置(手勢(shì)參考動(dòng)作)、手臂向上抬舉90°、手掌水平向外翻轉(zhuǎn)90°、手掌水平向內(nèi)翻轉(zhuǎn)90°、手臂向外90°展開(kāi)手掌保持水平。記錄每組實(shí)驗(yàn)的連續(xù)動(dòng)作波形圖，運(yùn)動(dòng)波形圖主要記錄加速度值和角度偏轉(zhuǎn)值，每張波形圖都包含手部X、Y、Z共3個(gè)坐標(biāo)軸上的變化曲線。通過(guò)曲線變化和實(shí)際動(dòng)作的狀態(tài)可以直觀地看出姿態(tài)數(shù)據(jù)手套的有效性。

姿態(tài)識(shí)別手套除了能識(shí)別手臂動(dòng)作的姿態(tài)，還能識(shí)別手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。手勢(shì)模型共有3種不同的動(dòng)作姿態(tài)，每位志愿者需要佩戴手套后把手貼合放置在設(shè)計(jì)好的手勢(shì)模型上，通過(guò)觀測(cè)虛擬場(chǎng)景實(shí)例中虛擬手掌的姿態(tài)動(dòng)作與模型動(dòng)作的匹配度即完成一組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄每位志愿者每根手指與對(duì)應(yīng)虛擬手掌手指的匹配程度，最終通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)公式計(jì)算出各個(gè)手指的識(shí)別率。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)人機(jī)交互的有效性，在實(shí)例中設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬的機(jī)械手掌模型，虛擬機(jī)械手模型關(guān)節(jié)數(shù)以及手指長(zhǎng)度均按照普通人手1∶1的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，效果如圖8所示。該虛擬機(jī)械手可用于檢測(cè)手套交互的有效性并檢測(cè)手套數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中志愿者可以隨意完成不同的手指彎曲動(dòng)作。同時(shí)實(shí)例中的機(jī)械手也會(huì)同步進(jìn)行動(dòng)作復(fù)現(xiàn)，通過(guò)顯示器的動(dòng)作變化可以直觀地了解設(shè)備是否能夠準(zhǔn)確完成應(yīng)有的動(dòng)作。

腕帶的功能主要用于輔助虛擬現(xiàn)實(shí)力觸覺(jué)增強(qiáng)，該手腕的CH1～CH4通道都能輸出5～30 V步進(jìn)電壓為5 V的刺激電壓。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中判斷手部的碰撞數(shù)據(jù)，軟件會(huì)根據(jù)物體的不同和人手運(yùn)動(dòng)情況通過(guò)WiFi模塊發(fā)送不同的刺激參數(shù)設(shè)置包，包括系統(tǒng)開(kāi)啟/關(guān)閉狀態(tài)、脈沖頻率、刺激通道打開(kāi)時(shí)間、刺激通道關(guān)閉時(shí)間、脈沖振幅參數(shù)、刺激波形和脈沖寬度。為了更好地評(píng)定這部分功能，實(shí)驗(yàn)采用單獨(dú)給腕帶發(fā)送刺激控制信號(hào)的方式進(jìn)行。為了保證測(cè)試的安全性，該測(cè)試在專(zhuān)業(yè)人員的指導(dǎo)下完成。測(cè)試實(shí)物連接如圖9所示。

圖9 測(cè)試實(shí)物連接圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求志愿者通過(guò)虛擬手套來(lái)進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中的物體抓握以觸發(fā)場(chǎng)景中虛擬手的碰撞信息，動(dòng)作完成后碰撞信息將通過(guò)WiFi傳輸?shù)绞植康拇碳ね髱?。腕帶的輸出端采用水凝膠將刺激電極貼附于手臂皮膚表面。由于采用的是四通道刺激方式，刺激手部不同位置都會(huì)產(chǎn)生不同的刺激反應(yīng)。在實(shí)際使用中，參照醫(yī)學(xué)上的“骨度折量寸”作為參考坐標(biāo)貼附于手部的不同位置，完成抓握、腕屈、腕伸和五指伸4種不同動(dòng)作[19]。電極貼附的位置以及刺激的功能點(diǎn)位如圖10所示。

圖10 抓握、腕屈、腕伸和五指伸對(duì)應(yīng)電極位置

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)一個(gè)定制的扭矩測(cè)試裝置來(lái)完成手腕關(guān)節(jié)扭矩的數(shù)據(jù)測(cè)試。定制裝置采用1 kHz采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)PC對(duì)數(shù)據(jù)處理后可以提供一個(gè)直觀的扭矩波形圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供了6種不同等級(jí)力度刺激脈沖，脈沖幅度從0～30 V遞增，步進(jìn)幅值為5 V，每種等級(jí)刺激脈沖間隔2 s進(jìn)行一次觸發(fā)，每次脈沖持續(xù)時(shí)間設(shè)計(jì)為1 s。

志愿者在進(jìn)行上述測(cè)試項(xiàng)目時(shí)都會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的使用培訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)束后，每位志愿者需要填寫(xiě)一份用戶(hù)體驗(yàn)報(bào)告調(diào)查表。調(diào)查表用于收集志愿者在實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)該項(xiàng)目評(píng)價(jià)。調(diào)查報(bào)告內(nèi)容包括使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題、實(shí)際動(dòng)作與虛擬動(dòng)作同步程度、穿戴舒適性、力觸覺(jué)腕帶效果、最后提出修改的意見(jiàn)和建議。

2 結(jié)果與結(jié)論

2.1 手部姿態(tài)動(dòng)作數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)手部測(cè)試的流程，志愿者根據(jù)測(cè)試的動(dòng)作按要求完成測(cè)試，實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)包括加速度和角度，最終結(jié)果如圖11所示。其中，手勢(shì)圖中1-1作為其他手勢(shì)的參考動(dòng)作，手勢(shì)1-1在Z軸上的加速度為1，X、Y軸的加速度為0；X、Y、Z軸對(duì)應(yīng)的角度為0，當(dāng)動(dòng)作由1-1中的手勢(shì)變化到其他動(dòng)作時(shí)，X、Y、Z軸的加速度和角度發(fā)生了明顯變化。在實(shí)際測(cè)量中，由于九軸傳感在手部運(yùn)動(dòng)中不能完全貼合手掌的位置，實(shí)際位置變化與實(shí)際數(shù)據(jù)上會(huì)存在一定的誤差。

由表1可知手套對(duì)每根手指識(shí)別的情況，在5組測(cè)試結(jié)果中最高的識(shí)別率達(dá)到了99%，在均值的結(jié)果中顯示識(shí)別率能穩(wěn)定在93.2%～96.6%，最終的結(jié)果顯示手勢(shì)識(shí)別的成功率為94.7±1.3%。

表1 各手指以及部分動(dòng)作識(shí)別率

1-1 手臂水平放置 1-2 角度 變化曲線 1-3 加速度變化曲線

2.2 原型系統(tǒng)實(shí)際功能測(cè)試結(jié)果

用戶(hù)通過(guò)不同的手指動(dòng)作彎曲能實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬假手進(jìn)行同步控制，圖12為手指彎曲動(dòng)作測(cè)試情況。由圖12可知，原型系統(tǒng)中的手勢(shì)識(shí)別手套能完成對(duì)各個(gè)手指以及手部空間位置的識(shí)別。

圖12 手指彎曲動(dòng)作測(cè)試情況

如圖13所示，原型系統(tǒng)能較好地控制刺激脈沖強(qiáng)度的輸出，輸出共有6種不同等級(jí)的力度刺激脈沖，最大的脈沖幅度能達(dá)到30 V左右。在不同等級(jí)的脈沖刺激下對(duì)應(yīng)有不同的手部力矩輸出。在刺激幅度為5 V時(shí)，腕部的扭矩為0.2 N·m；在刺激幅度為30 V時(shí)，輸出的扭矩為1.8 N·m (圖13(a))。上述數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，達(dá)到合適的扭矩輸出，具有較好的人機(jī)交互功能。在實(shí)際使用過(guò)程中，該部分的設(shè)備功率控制在1.9 W(98 mA，20 V)左右可以達(dá)到低功耗的目的。

圖13 志愿者刺激響應(yīng)腕關(guān)節(jié)力矩與刺激脈沖波形

2.3 用戶(hù)體驗(yàn)調(diào)查結(jié)果

在使用者的體驗(yàn)反饋中可以反映出設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套在功能和實(shí)用性上是否能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由表2所示的志愿者體驗(yàn)報(bào)告描述可知，設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套在使用過(guò)程中有較好的效果，能夠在使用過(guò)程中很好地控制延時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)由于手部移動(dòng)速度太快而導(dǎo)致的虛擬場(chǎng)景實(shí)例中手部數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；在力觸覺(jué)交互方面也做到了較好的控制；穿戴設(shè)備沒(méi)有因長(zhǎng)時(shí)間的佩戴而引起穿戴者的不適。

表2 志愿者體驗(yàn)報(bào)告

2.4 對(duì)比與討論

通過(guò)上述結(jié)果可知，該系統(tǒng)的總體效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但在手部姿態(tài)動(dòng)作數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果中還需要對(duì)傳感器固定的位置進(jìn)行進(jìn)一步的修改。在手指準(zhǔn)確率測(cè)試中，志愿者的手掌大小出現(xiàn)了個(gè)別識(shí)別錯(cuò)誤的情況。造成該結(jié)果的原因還在于手套的材質(zhì)上，手套采用的是棉質(zhì)原料，在佩戴的過(guò)程中不能很好地貼合不同手型志愿者。因此，在后期將采用具有彈力的手套。在原型系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果中，由于數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到其他信號(hào)的干擾，虛擬假手空間會(huì)出現(xiàn)位置漂移的現(xiàn)象。其原因是由于數(shù)據(jù)傳輸模塊的選擇和數(shù)據(jù)傳輸速度存在不同。在用戶(hù)體驗(yàn)調(diào)查結(jié)果中出現(xiàn)腕帶刺激導(dǎo)致的刺痛感，原因是由于每個(gè)使用者在對(duì)電刺激的承受度不同導(dǎo)致的，通過(guò)降低刺激的強(qiáng)度也能降低刺痛的感覺(jué)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了輔助虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)手套及電刺激力觸覺(jué)增強(qiáng)反饋電路系統(tǒng)，功能均達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，能夠有效完成手勢(shì)姿態(tài)識(shí)別與力觸覺(jué)反饋增強(qiáng)功能。該設(shè)計(jì)在設(shè)備體積與重量上比其他設(shè)計(jì)方法有較大的優(yōu)勢(shì)，其中力觸覺(jué)刺激腕帶是目前還未在人機(jī)交互設(shè)備上使用過(guò)的新型交互設(shè)備。

本文的研究結(jié)論為實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互提供了一種行之有效的解決方案。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了可用于虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互，還可以用于醫(yī)療行業(yè)中以針對(duì)癱瘓病人進(jìn)行的肢體康復(fù)訓(xùn)練，是一種應(yīng)用前景廣闊的設(shè)計(jì)方案。