基于3D建模和傳感器模塊的數據手套設計

吳靖飛 夏禹龍 陳軻 陸浩琪

摘要：人們用手來感知外部事物，完成各種操作。數據手套利用傳感器測量手部動作，將信息發送至計算機。本文采用flex.2彎曲傳感器，數據采集模塊，單片機制成數據手套，選用unity3D作為虛擬現實軟件，在unity中編寫控制腳本，讀取數據手套發送至PC機的信息，實現3D手部模型和人手同步運動，呈現沉浸感。

關鍵詞：數據手套;傳感器模塊;彎曲傳感器

1緒論

隨著虛擬現實技術的發展，數據手套作為可穿戴的虛擬現實交換媒介，越來越重要，各國研究人員也相繼研發出各種數據手套。數據手套可以應用于虛擬裝配、醫療康復、工業控制、軍事等領域。數據手套采集的信息，為了能夠更直觀、更真實反映出虛擬互換，選用Unity作為虛擬互換軟件，將手部信息在計算機上更直觀的呈現出來，體現出沉浸感。

2 數據手套原理

2.1 設計思路

本文設計的數據手套的功能：以帆布手套為載體用彎曲傳感器綁在手指上，通過傳感器采集手指彎曲角度信息，將采集的數據發送至PC機展示。在PC機應用軟件中建立三維模型，通過人手同步控制模型，用信號采集模塊采集傳感器彎曲信號，將信號傳輸到單片機，給單片機編寫數據處理程序，對數據進行處理、轉化成角度，通過串口輸送到PC機。最終實現的功能包括：通過數據手套可以完成手部信息轉換，在虛擬互換軟件上呈現出虛擬手同步變換，讓用戶能夠體驗沉浸感。

2.1.2 數據手套結構

數據手套硬件包括：傳感器組，姿態板，單片機，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，不影響手部關節正常活動，5個彎曲傳感器關節上，用于檢測關節彎曲度，姿態板實時采集彎曲信息。

2.3 手部建模

每個手指關節反應手指彎曲信息，在關節上綁上傳感器。本次設計只在手指近指節綁上傳感器，每個手指只能反應一個關節的信息。

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，入門簡單，操作方便，易于學習，適合用來建立靜態模型，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節，更能反映人機同步互換，建立好的三維模型如圖所示，將建好的模型導出為FBX格式的文件。

3.硬件電路設計

3.1 總體構架

硬件電路構架如圖所示包括控制器、傳感器組、數據采集模塊等。

選取單片機作為下位機讀取數據采集模塊采集到的數據，經過處理轉化后，利用串口通行傳輸到PC上位機，上位機接收到數據后進行解讀分析，模型動畫。

3.2 傳感器組

采用flex``2.2彎曲傳感器。傳感器的電阻會隨著角度變化進行變化。具體表現為，傳感器向外彎曲時，傳感器電阻變大。非彎曲狀態電阻：～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用要求。

MPU-6050傳感器模塊為全球首例整合性6軸運動處理組件，可以通過相應程序獲得經DMP處理后的數據，包括四元數，歐拉角，加速度。在其中，其內置的陀螺儀傳感器主要負責角度測量，加速度傳感器負責加速度測量。通過兩個傳感器大大減少了封裝空間，縮小應用體積。

3.3數據采集模塊

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

串行通訊：使用USB與PC機連接，通過接口可以實現與上位機的串口通訊，同時也可以解決供電需求，不用外加電源

4 軟件設計

4.1 總體架構

在對下位機STM32F103單片機設置五個ADC規則通道和DK21DN八路采集模塊的測量信號范圍，確定MPU-6050傳感器模塊的測量對象為歐拉角，最后在unity3d軟件中控制虛擬模型。

彎曲度傳感器數據是利用STM32F103單片機接收經過電阻——電壓轉換電路轉換過的彎曲度傳感器的電壓信號，在單片機上設置五個ADC規則通道，用DK21DN八路采集模塊的AD轉換電路進行AD轉換得到對應手指的彎曲程度，ADC通道0～4分別讀取五個手指彎曲度的值。通過PC上串口調試助手讀出其經過AD轉換過后不同彎曲程度時的數值，并對其進行分別量化和判斷處理，得到最后的手指彎曲數據。

虛擬手的開發平臺為Unity3D，所用的開發語言為C#。將FBX文件導入Unity，用Visual Studio編寫控制腳本，生成可執行文件。虛擬手接收到MPU-6050數據包后對數據包進行解析，然后對五跟手指即五個彎曲度傳感器的值進行解析。再將采集到的數據在Unity3d的代碼中設為變量，方便調用

利用串口通信，從控制板讀取數據，實現實時控制。

4.2 串口通信

首先將單片機arduino端與MPU6050進行物理連接：A4---SDA A5---SCLVCC---3V3GND---GNDGND---ADD。在官網下載了MPU6050的庫文件后將其放至Arduino IDE的安裝目錄下的libraries＼文件夾下。通過MPU6050庫自帶的Example中的“MPU6050_DMP6”進行MPU6050傳感器模塊部分的數據收集。Unity3d中通過添加using System.IO.Ports;引用與PC相連的單片機串口傳輸的數據。

5 總結與展望

本文研制出簡單的數據手套并結合3dmax、Unity3D開發出虛擬手，利用串口通信實現同步控制，體驗沉浸感，在VR游戲領域前景良好，還可以運用在航天航空。雖然研制出的數據手套可以實現人機互換，但是彎曲度還不夠精確，對空間位置無法測量。

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基金項目：本文系**大學2018年度大學生實踐創新訓練計劃項目，項目編號：201811117056Y

作者簡介：吳靖飛，男，1998-，漢族，江蘇無錫，揚州大學本科在讀，機械電子方向。

（作者單位：揚州大學）