一种基于肌电评估的虚拟力反馈交互系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及虚拟现实交互技术，为基于肌电评估的虚拟力反馈交互系统及方法。其系统包括电极传感器、初始参数生成单元、肌电信号采集模块、电刺激模块、时分复用模块和肌电信号‑力回归模型处理单元；虚拟交互事件触发初始参数生成单元生成初始电刺激信号参数，初始电刺激信号发送至电极传感器，刺激肌肉被动收缩，产生被动力；肌电信号采集模块通过时分复用模块实时接收电极传感器所采集的人体主动力肌电信号，输入肌电信号‑力回归模型处理单元对虚拟力大小进行预测评估，进而动态调节电刺激信号的参数以输出新的电刺激信号，调整虚拟力反馈大小使其与真实物体给予的力大小一致。本发明专利技术能对虚拟力大小进行反馈调节，增强了虚拟场景的沉浸感。

【技术实现步骤摘要】
一种基于肌电评估的虚拟力反馈交互系统及方法
本专利技术涉及虚拟现实交互技术，具体地涉及一种基于肌电评估的虚拟力反馈交互系统及方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，虚拟现实(VirtualReality)技术得到了广泛的关注和应用，特别是在游戏、影视、教育、医疗等方面有着广阔的前景。VR技术通过模拟现实世界来给予用户最真实的感受，让人有着身临其境的感觉。同时，VR技术提供了人类所拥有的感知功能，包括听觉、视觉、触觉等等，可以极大地提高虚拟世界的沉浸感。目前，VR已经能为我们提供极其逼真的虚拟世界，但当我们试图伸出手去触摸这些虚拟物体时，VR所带给我们的真实感瞬时破灭，因为我们所触摸到的仅仅是现实世界中的空气，带给我们大脑的只是“虚假”的感觉。因此，在虚拟现实中获得力感，是提高用户沉浸感的最有效方式。现今，国内外的VR设备在实现力反馈交互方面，主要存在以下三方面的不足：一、融合视觉、听觉的交互反馈技术发展较为成熟，但在视觉、力触觉，甚至视、听、力触觉融合处理的交互反馈技术亟待提高；二、力反馈实现形式主要还是以传统的传感器震动体表或者通过机械本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于肌电评估的虚拟力反馈交互系统，其特征在于，包括电极传感器、初始参数生成单元、肌电信号采集模块、电刺激模块、时分复用模块和肌电信号-力回归模型处理单元；/n电极传感器贴在人体皮肤表面多个位置，通过时分复用模块分别与电刺激模块、肌电信号采集模块连接；/n以真实物体刺激人体肌肉时，电极传感器采集肌电信号，通过肌电信号采集模块将肌电信号输入肌电信号-力回归模型处理单元，以建立肌电信号-力回归模型；虚拟场景模拟真实物体刺激时，虚拟交互事件触发初始参数生成单元生成初始电刺激信号参数，由电刺激模块输出初始电刺激信号，经过时分复用模块发送至电极传感器，刺激肌肉被动收缩，产生被动力；肌电信号采集模块...

【技术特征摘要】
1.一种基于肌电评估的虚拟力反馈交互系统，其特征在于，包括电极传感器、初始参数生成单元、肌电信号采集模块、电刺激模块、时分复用模块和肌电信号-力回归模型处理单元；
电极传感器贴在人体皮肤表面多个位置，通过时分复用模块分别与电刺激模块、肌电信号采集模块连接；
以真实物体刺激人体肌肉时，电极传感器采集肌电信号，通过肌电信号采集模块将肌电信号输入肌电信号-力回归模型处理单元，以建立肌电信号-力回归模型；虚拟场景模拟真实物体刺激时，虚拟交互事件触发初始参数生成单元生成初始电刺激信号参数，由电刺激模块输出初始电刺激信号，经过时分复用模块发送至电极传感器，刺激肌肉被动收缩，产生被动力；肌电信号采集模块通过时分复用模块实时接收电极传感器所采集的人体主动力肌电信号，输入肌电信号-力回归模型处理单元对虚拟力大小进行预测评估，进而动态调节电刺激信号的参数以输出新的电刺激信号，通过调节虚拟场景下外力大小来间接改变人体肌肉主动力大小，直至人体肌肉感受到的虚拟力反馈大小与真实物体给予的力大小一致。


2.根据权利要求1所述的虚拟力反馈交互系统，其特征在于，电极传感器为贴在人体皮肤表面多个位置的柔性织物电极阵列；柔性织物电极阵列嵌入于布料基底中，以布料为依托缠绕在人体肌肉上。


3.根据权利要求1所述的虚拟力反馈交互系统，其特征在于，肌电信号-力回归模型处理单元的建立过程如下：
1)、设肌电信号时间序列为x(i)，其中i＝0，1，2，...，N-1，数据长度为N，肌电信号-力回归模型处理单元对肌电信号时间序列进行时域特征处理，提取出时域特征：利用式得到积分肌电值，记为特征X1，利用式得到均方根值，记为特征X2；
2)、对肌电信号时间序列进行快速傅里叶变换得到肌电信号的频谱p(f)，提取出频域特征：利用式得到平均功率频率，记为特征X3，利用式得到中位频率，记为特征X4；
3)、根据肌电信号的时域特征、频域特征和力标签Y，组成标签样本(X1，X2，X3，X4，Y)作为数据集，定义多项式回归模型为：



其中，θ11、θ12、θ21、θ22、θ23、θ31、θ32、θ41、θ42为不同特征所占的权重参数，b为偏置参数，y为虚拟力；
4)、定义损失函数为平方误差损失函数，使用随机梯度下降算法对上述多项式回归模型进行训练，拟合出肌电信号-力回归模型，并保存肌电信号-力回归模型的权重参数和偏置参数b；
5)、设实时采集到的肌电信号时间序列为x(i)，采用步骤1)、步骤2)对肌电信号时间序列x(i)进行时域特征和频域特征提取，组成样本特征(X1，X2，X3，X4)并输入至肌电信号-力回归模型，得到虚拟力y的大小。


4.根据权利要求1所述的虚拟力反馈交互系统，其特征在于，发生虚拟交互事件时，初始参数生成单元依据虚拟场景信息计算出虚拟物体需要对人体产生的作用力大小，并转化为相应的电刺激信号参数发送至电刺激模块输出初始电刺激信号；虚拟场景信息包括被触摸物体的深度、物体本身的软硬度、物体本身的重量。


5.根据权利要求1所述的虚拟力反馈交互系统，其特征在于，肌电信号采集模块包括依次连接的信号放大电路、滤波电路、模数转换器和微处理器，电极传感器所采集的原始肌电信...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒琳，谢超阳，徐向民，朱齐，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44