基于3D建模和傳感器模塊的數(shù)據(jù)手套設(shè)計(jì)

吳靖飛 夏禹龍 陳軻 陸浩琪

摘要：人們用手來(lái)感知外部事物，完成各種操作。數(shù)據(jù)手套利用傳感器測(cè)量手部動(dòng)作，將信息發(fā)送至計(jì)算機(jī)。本文采用flex.2彎曲傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)制成數(shù)據(jù)手套，選用unity3D作為虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，在unity中編寫(xiě)控制腳本，讀取數(shù)據(jù)手套發(fā)送至PC機(jī)的信息，實(shí)現(xiàn)3D手部模型和人手同步運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)沉浸感。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)手套;傳感器模塊;彎曲傳感器

1緒論

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)手套作為可穿戴的虛擬現(xiàn)實(shí)交換媒介，越來(lái)越重要，各國(guó)研究人員也相繼研發(fā)出各種數(shù)據(jù)手套。數(shù)據(jù)手套可以應(yīng)用于虛擬裝配、醫(yī)療康復(fù)、工業(yè)控制、軍事等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)手套采集的信息，為了能夠更直觀、更真實(shí)反映出虛擬互換，選用Unity作為虛擬互換軟件，將手部信息在計(jì)算機(jī)上更直觀的呈現(xiàn)出來(lái)，體現(xiàn)出沉浸感。

2 數(shù)據(jù)手套原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)手套的功能：以帆布手套為載體用彎曲傳感器綁在手指上，通過(guò)傳感器采集手指彎曲角度信息，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)展示。在PC機(jī)應(yīng)用軟件中建立三維模型，通過(guò)人手同步控制模型，用信號(hào)采集模塊采集傳感器彎曲信號(hào)，將信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，給單片機(jī)編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)化成角度，通過(guò)串口輸送到PC機(jī)。最終實(shí)現(xiàn)的功能包括：通過(guò)數(shù)據(jù)手套可以完成手部信息轉(zhuǎn)換，在虛擬互換軟件上呈現(xiàn)出虛擬手同步變換，讓用戶能夠體驗(yàn)沉浸感。

2.1.2 數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)手套硬件包括：傳感器組，姿態(tài)板，單片機(jī)，帆布手套。

2.2 傳感器

傳感器綁在手套上，用戶帶上手套彎曲手指時(shí)，不影響手部關(guān)節(jié)正常活動(dòng)，5個(gè)彎曲傳感器關(guān)節(jié)上，用于檢測(cè)關(guān)節(jié)彎曲度，姿態(tài)板實(shí)時(shí)采集彎曲信息。

2.3 手部建模

每個(gè)手指關(guān)節(jié)反應(yīng)手指彎曲信息，在關(guān)節(jié)上綁上傳感器。本次設(shè)計(jì)只在手指近指節(jié)綁上傳感器，每個(gè)手指只能反應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)的信息。

選用3DMAX建立手部模型，和其他三維建模軟件相比，3DMAX作為建模軟件，入門(mén)簡(jiǎn)單，操作方便，易于學(xué)習(xí)，適合用來(lái)建立靜態(tài)模型，在3DMAX建模軟件中建立人體手部模型，給模型添加骨骼，然后蒙皮，是三維模型和人手具有相同的顧各關(guān)節(jié)，更能反映人機(jī)同步互換，建立好的三維模型如圖所示，將建好的模型導(dǎo)出為FBX格式的文件。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 總體構(gòu)架

硬件電路構(gòu)架如圖所示包括控制器、傳感器組、數(shù)據(jù)采集模塊等。

選取單片機(jī)作為下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)化后，利用串口通行傳輸?shù)絇C上位機(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解讀分析，模型動(dòng)畫(huà)。

3.2 傳感器組

采用flex``2.2彎曲傳感器。傳感器的電阻會(huì)隨著角度變化進(jìn)行變化。具體表現(xiàn)為，傳感器向外彎曲時(shí)，傳感器電阻變大。非彎曲狀態(tài)電阻：～9000歐姆，90度彎曲電阻：～14000歐姆，180度彎曲電阻：～22000歐姆，可基本完成手套的應(yīng)用要求。

MPU-6050傳感器模塊為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，可以通過(guò)相應(yīng)程序獲得經(jīng)DMP處理后的數(shù)據(jù)，包括四元數(shù)，歐拉角，加速度。在其中，其內(nèi)置的陀螺儀傳感器主要負(fù)責(zé)角度測(cè)量，加速度傳感器負(fù)責(zé)加速度測(cè)量。通過(guò)兩個(gè)傳感器大大減少了封裝空間，縮小應(yīng)用體積。

3.3數(shù)據(jù)采集模塊

DK21DN八路采集模塊是集信號(hào)采集、變送、DA輸出等一體化的智能模塊，可測(cè)量8路0-5V，0-10V或者是0-20mA范圍內(nèi)直流電流信號(hào)，可以與各類(lèi)傳感器可以輕松采集輸入五根手指的角度數(shù)據(jù)。

串行通訊：使用USB與PC機(jī)連接，通過(guò)接口可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串口通訊，同時(shí)也可以解決供電需求，不用外加電源

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 總體架構(gòu)

在對(duì)下位機(jī)STM32F103單片機(jī)設(shè)置五個(gè)ADC規(guī)則通道和DK21DN八路采集模塊的測(cè)量信號(hào)范圍，確定MPU-6050傳感器模塊的測(cè)量對(duì)象為歐拉角，最后在unity3d軟件中控制虛擬模型。

彎曲度傳感器數(shù)據(jù)是利用STM32F103單片機(jī)接收經(jīng)過(guò)電阻——電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換過(guò)的彎曲度傳感器的電壓信號(hào)，在單片機(jī)上設(shè)置五個(gè)ADC規(guī)則通道，用DK21DN八路采集模塊的AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)手指的彎曲程度，ADC通道0～4分別讀取五個(gè)手指彎曲度的值。通過(guò)PC上串口調(diào)試助手讀出其經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換過(guò)后不同彎曲程度時(shí)的數(shù)值，并對(duì)其進(jìn)行分別量化和判斷處理，得到最后的手指彎曲數(shù)據(jù)。

虛擬手的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Unity3D，所用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#。將FBX文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity，用Visual Studio編寫(xiě)控制腳本，生成可執(zhí)行文件。虛擬手接收到MPU-6050數(shù)據(jù)包后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后對(duì)五跟手指即五個(gè)彎曲度傳感器的值進(jìn)行解析。再將采集到的數(shù)據(jù)在Unity3d的代碼中設(shè)為變量，方便調(diào)用

利用串口通信，從控制板讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

4.2 串口通信

首先將單片機(jī)arduino端與MPU6050進(jìn)行物理連接：A4---SDA A5---SCLVCC---3V3GND---GNDGND---ADD。在官網(wǎng)下載了MPU6050的庫(kù)文件后將其放至Arduino IDE的安裝目錄下的libraries＼文件夾下。通過(guò)MPU6050庫(kù)自帶的Example中的“MPU6050_DMP6”進(jìn)行MPU6050傳感器模塊部分的數(shù)據(jù)收集。Unity3d中通過(guò)添加using System.IO.Ports;引用與PC相連的單片機(jī)串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

5 總結(jié)與展望

本文研制出簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)手套并結(jié)合3dmax、Unity3D開(kāi)發(fā)出虛擬手，利用串口通信實(shí)現(xiàn)同步控制，體驗(yàn)沉浸感，在VR游戲領(lǐng)域前景良好，還可以運(yùn)用在航天航空。雖然研制出的數(shù)據(jù)手套可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)互換，但是彎曲度還不夠精確，對(duì)空間位置無(wú)法測(cè)量。

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基金項(xiàng)目：本文系**大學(xué)2018年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201811117056Y

作者簡(jiǎn)介：吳靖飛，男，1998-，漢族，江蘇無(wú)錫，揚(yáng)州大學(xué)本科在讀，機(jī)械電子方向。

（作者單位：揚(yáng)州大學(xué)）