[發明專利]基于表面肌電信號的虛擬現實頭盔減負隨動系統及方法

有效

• 申請號: 201510870466.1
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105589558B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 吳東蘇;李鵬;劉禮浩;金亮;王林;顧宏斌
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;A42B3/04
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

1.基于表面肌電信號驅動的虛擬現實頭盔減負隨動系統，其特征在于包括柔索驅動和運動檢測單元(1)、上平臺(2)、柔索導向單元(3)、可控伸縮柔性鋼索(4)、表面肌電測量單元(5)、數據采集單元(6)、控制計算機(7)及基于表面肌電信息反饋的減負隨動控制算法；

上平臺(2)六邊形結構內側布置安裝六組柔索驅動和運動檢測單元(1)，柔索導向單元(3)安裝于上平臺(2)六邊形結構內側和外側，可控伸縮柔性鋼索(4)經柔索驅動和運動檢測單元(1)引出，通過柔索導向單元(3)與頭盔顯示器(8)連接；柔索驅動和運動檢測單元(1)的信號輸出端以及表面肌電測量單元(5)的輸出端與數據采集單元(6)的信號輸入端相連接，數據采集單元(6)的信號輸出端與伺服電機(9)驅動器的信號輸入端相連接；數據采集單元(6)與控制計算機(7)的信號輸入端相連接；

所述基于表面肌電信息反饋的減負隨動控制算法的結構如下：

建立多輸入多輸出的神經網絡模型，通過對應的肌電信息和頭部運動信息，在頭盔佩戴者頭部多組不同運動速度和運動模式下對模型進行訓練，得到佩戴者的頭部運動肌電-力模型，通過這個模型實時估計佩戴者的頭部運動力和力矩；

通過檢測六個伺服電機的位置和速度信號，結合肌電信號，預測出用戶的頭部運動位姿，通過逆Jacobian矩陣變換得到分支運動預測信息，通過并聯可控伸縮柔性鋼索的動力學模型，計算出頭盔系統在任務空間中的作用力；

減負隨動控制系統的控制目標是頭與頭盔之間的接觸力最小，利用頭盔-頭力交互優化得出任務空間的交互期望力，然后通過反饋六根可控伸縮柔性鋼索上的拉力大小和逆Jacobian矩陣變化，計算得到任務空間中作用在頭盔上的作用力和力矩，與交互期望力之間進行實時比較，通過控制計算機發出相應的電壓信號輸出到驅動可控伸縮柔性鋼索的伺服電機，實時改變可控伸縮柔性鋼索作用在頭盔上的拉力，以便佩戴者感到頭盔帶來的束縛感和重量感減到最小，頭盔系統無負擔地隨佩戴者頭部隨動；同時伺服電機上安裝的轉角傳感器得到每根可控伸縮柔性鋼索的伸縮量，通過運動學正向計算，實時解算出頭部的六自由度位置姿態信息，用于虛擬視景隨頭部運動的場景改變；

表面肌電測量單元（5）包括多組表面肌電電極、參考電極和多通道表面肌電信息處理設備，提取頭盔佩戴者頭頸部表面肌電信息的步驟如下：在佩戴者頸部對應的肌肉位置放置采集電極，在耳垂上安放參考電極，多通道表面肌電信息處理設備對電極上獲取的肌電電流進行放大整形濾波，處理后的信號送入數據采集單元(6)；

所述的柔索驅動和運動檢測單元(1)中包括伺服電機(9)、同步齒形帶(18)、轉速與轉角傳感器(10)、柔索滾軸(12)、柔索拉力傳感器(11)和柔索導向輪(14)。

2.根據權利要求1所述的基于表面肌電信號驅動的虛擬現實頭盔減負隨動系統，其特征在于，

伺服電機(9)、轉速與轉角傳感器(10)串行連接于安裝孔上，伺服電機(9)和柔索滾軸(12)安裝在電機傳動安裝支架(13)上，通過同步齒形帶(18)和同步齒形帶驅動輪(17)進行連接，同步齒形帶(18)通過同步齒形帶限位器(19)進行限位，柔索滾軸(12)上的可控伸縮柔性鋼索(4)180度反方向繞過拉力傳感器上安裝的柔索導向輪(14)，通過上平臺（2）結構件和柔索導向單元(3)。

3.根據權利要求1所述的基于表面肌電信號驅動的虛擬現實頭盔減負隨動系統，其特征在于，

所述的柔索導向單元(3)，包括通過安裝孔(20)安裝在上平臺(2)六邊形結構內側的內柔索導向輪(16)和外側的外柔索導向輪(15)。