[发明专利]基于表面肌电信号的虚拟现实头盔减负随动系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于人体表面肌电信号驱动的虚拟现实头盔显示器减负随动系统及工作步骤。该系统包括安装在颈部的表面肌电检测单元，内周均匀布置六组柔性钢索驱动装置的机械上平台，每组包括伺服电机、同步齿形带、柔索滚轮、拉力传感器、柔索导向轮，六根柔性钢索通过上平台外周的六个导向轮与头盔显示器相连，以及数据采集单元、计算机系统和减负随动控制算法软件系统。本发明的特点是：融合了生物电信号和传统机械测量信号各自的特点，通过检测头颈部表面信号估计头部运动意图，并利用建立的肌电‑力模型估计颈部肌肉受力，同时通过机构中的拉力传感器和电机位置速度信号反馈对关节空间中的六根柔索实现高精度的力控制和位置控制，进而对任务空间中的头盔实现实时减负和随动控制。本发明的目的是减轻头盔显示器本身重量和线缆对佩戴者所带来的侵入感和束缚感，提高体验虚拟现实环境的沉浸感觉；同时为虚拟现实系统提供佩戴者高实时性和高精度的六自由度头部运动信息。

技术领域

本发明涉及一种虚拟显示的交互设备，尤其涉及改善虚拟现实的头盔显 示器。

背景技术

头盔显示器是虚拟现实领域常见的设备，主要用于三位立体虚拟场景的显示。高分辨率、高对比度、大视场角的头盔显示器通常很重且体积较大，显示系统和传感器的信号线也较多，这就造成佩戴时体验者往往行动不便，而且头颈部很容易疲劳，长时间佩戴会大大影响虚拟现实系统的沉浸感，造成体验效果的急剧下降；同时现有的运用于虚拟现实头盔的超声或电磁头部运动检测传感器，会受到外部环境的干扰，造成准确性下降，难以满足虚拟 现实交互的要求。

已授权专利(专利授权号CN101791159B)提出了一种六自由度并联机构头盔伺服系统，利用伺服电机带动连接头盔的六根并联滚珠丝杠实现头盔显示器减负的功能，由于其所有的驱动部件包括电机、同步齿形带和滚珠丝杠机构都安装在运动支链上，造成运动部件惯量很大，难以达到快速响应的要求，同时由于采用力传感器的方式对头部运动力进行检测延时较大，又使用刚性结构，对快速的头部运动无法进行实时伺服运动，会影响虚拟现实的体验效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种减轻虚拟现实体验者佩戴头盔显示器负荷的 装置及方法，从而提高在虚拟环境中漫游时的舒适度，增强虚拟现实的沉浸感；同时利用系统中的测量装置跟踪体验者的头部运动位置，为虚拟现实的 视景环境提供运动反馈信息。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

基于表面肌电信号驱动的虚拟现实头盔减负系统，其特征在于包括柔索驱动和运动检测单元、上平台、柔索导向单元、可控伸缩柔性钢索、表面肌电测量单元、数据采集单元、控制计算机及基于表面肌电信息反馈的减负控制算法。上平台六边形结构内侧布置安装六组柔索驱动和运动检测单元，柔索导向单元安装于上平台六边形结构内侧和外侧，可控伸缩柔性钢索经柔索驱动和运动检测单元引出，通过柔索导向单元与头盔显示器连接；柔索驱动和运动检测单元的信号输出端以及表面肌电测量单元的输出端与数据采集单元的信号输入端相连接，数据采集单元的信号输出端与伺服电机驱动器的信号输入端相连接；数据采集单元与控制计算机相连接。

本发明的柔索驱动和运动检测单元中包括伺服电机、同步齿形带、转速与转角传感器、柔索滚轴、柔索拉力传感器和柔索导向轮。伺服电机、转速与转角传感器串行连接于安装孔上，伺服电机和柔索滚轴安装在电机传动安 装支架上，通过同步齿形带和同步齿形带驱动轮进行连接，同步齿形带通过同步齿形带限位器进行限位，滚轴上的可控伸缩柔性钢索180度反方向绕过拉力传感器上安装的柔索导向轮，通过上平台结构件和柔索导向单元。

本发明的柔索导向单元中包括通过安装孔安装在上平台六边形结构内侧的内柔索导向轮和外侧的外柔索导向轮。

本发明的基于表面肌电信息反馈的减负控制算法安装于控制计算机，通过建立基于神经网络的力-肌电信号模型，实时估算出头部的运动力和力矩，结合柔索驱动和运动检测单元中传感器输出的可控伸缩柔性钢索运动信息和拉力信息，以优化减轻佩戴者的头部负荷为目标，计算出柔索驱动和运动检测单元中驱动 伺服电机的输入电压信号。