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基于矿山设备实训手部运动模型的数据手套

2019/11/16 17:33:23      点击:

0 引言

    随着矿山机械化、自动化水平的提高,矿山设备结构的复杂化、操作的精细化对操作人员的安全培训提出了更高的要求。近年来,虚拟现实技术在矿山设备实训工作中发挥了越来越重要的作用[1-5],实现了视觉真实性,但互动操作真实性有待提高。

    数据手套能够捕捉手部姿态,是提高虚拟现实技术操作真实性的重要手段。数据手套按工作原理主要分为图像式、机械式、光纤式和微惯性传感器式[6-7]。图像式对光照要求严苛,易产生遮挡;机械式质量大,操作不方便;光纤式不耐疲劳,寿命短;微惯性传感器式具有不受光照限制、轻便耐用、易更换等优点,但存在需要布置的传感器数量多的缺点[8]。目前主要通过优化数据处理算法的途径来减少传感器布置数量[9-10],但导致数据手套的准确性不高。本文在分析矿山设备实训基本动作特征的基础上,开发了基于矿山设备实训手部运动的数据手套,可减少并优化微惯性传感器布置,直接求解手部运动姿态,提高数据手套的准确性。

1 手部运动特征及简化模型

1.1 手部结构

    人类手部结构如图 1 所示。手部结构特征分析是构建手部运动模型、分析手部运动自由度的基础。根据人体解剖学[11-12],手部由 27 块骨骼组成:连接前臂与手腕的 8 块腕骨;连接手指与手腕的 5 块掌骨; 14 块指骨(除拇指由近节指骨和远节指骨组成外,其余手指均由近节指骨、中节指骨和远节指骨组成,且 3 块指骨长度比例约为 5:3:2)。各骨骼之间由 19 个关节组成: 5 个连接腕骨与掌骨的腕掌关节, 5 个连接掌骨与近节指骨的掌指关节(Metacarpophalangeal Point, MP),除拇指外 4 个连接近节指骨与中节指骨的近指关节(ProximalInterphalangeal Point, PIP), 4 个连接中节指骨与远节指骨的远指关节(Distal Interphalangeal Point,DIP), 1 个拇指连接近节指骨与远节指骨的指关节(Interphalangeal Point, IP)。其中腕骨较小,同时 5个腕掌关节协调运动,可视为 1 个连接前臂与手掌的手腕关节。


1.2 手部运动力学模型

    根据手部结构分析, 手部运动力学模型可以用“骨链” 组成的树形连杆力学模型进行描述,其中除拇指外的 4 块掌骨相互活动范围很小可近似为手掌刚体, 指骨及前臂均可近似为杆件或连杆,如图 2 所示。


    手部的主要动作由前臂的自由运动、手掌的内向旋转、手指的内向弯曲和左右轻微摆动完成,手部共有27 个自由度:① 前臂可自由运动,具有 6 个自由度;② 手掌刚体与前臂具有 1 个内向旋转自由度;③ 拇指手腕关节具有弯曲和外展 2 个自由度, MP 和 IP 具有 1 个内向弯曲自由度;④ 除拇指外的每根手指具有 4 个自由度(MP 具有弯曲和外展 2 个自由度, PIP 和 DIP 具有 1 个内向弯曲自由度)。

1.3 矿山设备实训手部运动模型

    手指运动具有高度的协调性,所有手指都是在 2 个关节确立的平面中运动,各手指之间存在强耦合关系:手掌带动手指运动的横向相关性;手指上级关节控制下级关节的纵向相关性。参照人体工程学资料[13],手部各关节运动限制包括:① 中指 MP 外展角度较小,可认为中指 MP 不能进行外展运动;② 单个手指的 3 块指骨的运动处于同一个平面内;③ 各手指末端关节弯曲度是其前面关节弯曲度的 2/3;④ 相邻四指之间的夹角不超过 25°,大拇指与食指之间的夹角不超过 90°。

    矿山设备实训主要是对提升、运输、开采、掘进设备进行操作培训,需要操作的控件包括按钮、旋钮、手柄,对应的手部基本动作包括拇指摁、食指摁、拧、拉(推),如图 3 所示。

    拇指摁是拇指远节指骨按压按钮,其余四指弯曲至最大角度。食指摁是食指远节指骨按压按钮,拇指自然弯曲,其余三指最大角度弯曲。拧是拇指远节指骨与食指远节指骨或中节指骨夹住旋钮,其余三指基本弯曲至最大角度,手部发力转动旋钮。拉(推)根据个人习惯有 2 种动作手势:① 拇指和食指自然弯曲成环,其余三指跟随食指自然弯曲成半环,套住手柄杆部,发力拉或推动杆部;② 手掌自然握拳,手柄端部位于掌心,发力拉或推动杆部。 2 种动作手势基本相同。

    4 个基本动作主要由食指、拇指单独或共同完成,其余三指均处于自然弯曲状态或最大弯曲状态,其运动姿态不影响动作自然完成,可以仅考虑拇指和食指的运动,其余手指运动满足手部关节运动限制即可。拇指远节指骨长度可由近节指骨和掌骨长度按比例确定, IP 弯曲程度可由 MP 确定;食指远节指骨长度可由中节指骨和近节指骨长度按比例确定, DIP 弯曲程度可由相邻关节弯曲程度按比例确定。因此,简化手部运动力学模型时可不考虑远节指骨,仅考虑前臂,拇指掌骨、近节指骨,食指掌骨、近节指骨、中节指骨组成的六连杆。同时,前臂的 6 个自由度不影响手部 4 个基本动作,可以仅考虑拇指手腕关节弯曲和外展 2 个自由度、拇指 MP 1个内向弯曲自由度、食指手腕关节 1 个内向旋转自由度、食指 MP 弯曲和外展 2 个自由度、食指 PIP 1 个内向弯曲自由度,共 7 个自由度。因此,手部运动力学模型可简化为二指六连杆七自由度矿山设备实训手部运动模型,如图 4 所示。

2 指骨位置及姿态解算

    指骨位置及姿态解算的目的是将微惯性传感器在载体坐标系下测量的数据转换至导航坐标系,获得指骨所在位置及方向。解算方法有方向余弦法、欧拉角法和四元数法[14]:方向余弦法需要求解 9 个微分方程,计算量大,不满足数据手套实时性要求;欧拉角法存在万向节死锁问题,有不能求解的奇点;四元数法计算量小、精度高、可避免奇异性。因此采用四元数法求解手部运动姿态。

5 结论

(1) 矿山设备实训操作主要由拇指摁、食指摁、拧、拉(推) 4 个基本动作组成,因此手部运动力学模型可简化为二指六连杆七自由度矿山设备实训手部运动模型,以减少微惯性传感器的布置数量。

(2) 采用四元数法推导了指骨位置及姿态解算算法,用于求解手部运动姿态。

(3) 数据手套中 Tracker 追踪器提供前臂绝对坐标,微惯性传感器提供指骨载体坐标,指骨载体坐标经指骨位置及姿态解算算法转换为指骨导航坐标,通过射频传输模块将坐标数据传输至虚拟现实软件,实现手部运动姿态实时重生成。测试结果表明, 4 个基本动作最大误差为 9 mm,小于控件最小直径,满足矿山设备实训操作需要。


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