基于WiseGlove数据手套的维修手势仿真研究与实现

崔庆春，李星新，郝建平

（军械工程学院 维修工程试验中心，石家庄 050003）

摘要：维修手势仿真是虚拟维修训练仿真研究的重要内容之一；首先，介绍了数据手套WiseGlove，并根据手指生理约束特点，建立手指几何模型和运动模型；其次， 解决WiseGlove测量值个数及精度制约而引起的维修手势仿真过程严重失真现象，提出了实时数据驱动的维修手势仿真过程方法和维修手势模糊匹配方法；最后，在Virtools中利用VSL脚本语言及行为模块BB，实现了维修手势仿真；并随机选取10组数据，对维修仿真效果进行验证；结果表明，能较好地解决维修手势仿真失真现象。

关键词：WiseGlove；维修手势；模糊匹配；手势仿真；Virtools

引言

随着计算机技术和虚拟现实技术的不断发展，在与虚拟场景的交互中，数据手套是一种重要的交互设备。数据手套通过实时测量人手各个关节角度变化，并把这些信息送人计算机［1］， 驱动虚拟手运动，提供一种自然高效的人机交互方式。虚拟维修训练费效比明显，有非常广阔的应用前景。维修训练仿真过程中维修手势的仿真是重要内容之一，逼真的维修手势仿真， 将给受训人员一种更真实的认识，提高维修训练的效果。因此，对虚拟维修手势的运动特点以及运动仿真研究具有重要的现实意义。

本文针对Wonstar WiseGlove数据手套，建立虚拟手的几何模型，分析了手指运动特性，并分别建立了拇指和四指的运动模型。针对数据手套测量关节少且精度低，导致维修手势仿

真过程失真严重现象，提出了维修手势模糊匹配方法，用测量手势角度与预设维修手势角度进行模糊匹配，得到当前仿真维修手势。针对维修手势之间转换仿真连续性问题，提出了基于数据手套测量数据实时驱动的维修手势仿真过程方法，计算各关节旋转的相对角度。最后， 在虚拟现实引擎Virtools中实现了虚拟维修手势仿真，取得了很好的效果。

1虚拟手建模

1.1WiseGlove数据手套简介

WiseGlove数据手套是WONSTAR公司专为军方用途研发设计的数字式手套。数据手套由弯曲传感器、柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成。WiseGlove系列手套型号有5传感、 14传感、18传感，本文使用的是14传感手套，其传感器分布如图1所示。它可以模拟人手的各种手势以及姿势，实时把人手姿势传递给虚拟环境，在操作外科手术、虚拟装配训练、 教育娱乐等领域有广泛的应用前景。

1.2运动建模

手的生理结构是呈树状关系的关节链，具有层次和关联特点。手指的运动有屈伸、内收和外展两种，拇指还能进行环转运动。为了确定虚拟手指的位置和姿势，需要对虚拟手指运动进行数学抽象与建模，根据手生理特点与运动特点，分别对手进行逻辑层级建模、拇指建模和四指建模。

1.2.1逻辑层次建模

假设中指只做屈伸运动，不做内收和外展运动，进而根据手的运动和生理特点，建立虚拟手逻辑层次关系（如图2）。图中数字与数据手套传感器一一对应，长方形表示手指骨，圈表示关节，手的层次关系展示了测量数据间的主从关系和各节手指间的控制关系［2］。

以食指为例：6号数据测量食指相对中指的外展角度，4号数据测量食指第一关节处近指骨弯曲角度，5号数据测量食指第二关节处中指骨弯曲角度。由于数据手套没有测量食指第三关节处远指骨弯曲角度，根据相关人体数据统计，第三关节弯曲角度大致与第二关节呈线性关系，比例系数为2/3，即食指第三关节处远指骨弯曲角度取5号数据测量值的2/3，中指、 无名指、 小指第三关节处弯曲角度类似。

1.2.2拇指建模

大拇指运动稍显灵活，能进行环转运动，它是屈、展、伸、手依次连续动作［4］，从而导致建模相对比较复杂。其运动也受关节自由度，其运动形式与自由度之间的关系，参考

WiseGlove数据手套使用手册统计如表1所示。

根据大拇指运动和生理特点，建立拇指运动模型如图3所示，具体指尖运动合成建模顺序描述如下：

第一步：移动坐标系到拇指根关节；

第二步：拇指掌骨绕X轴方向旋转θ；

第三步：拇指掌骨绕Y轴方向旋转θ；主要因为拇指在外展过程中同时有个绕Y轴方向的旋转运动，θ值不能通过传感器测量，根据文献[2]中方法，取为30°。

第四步：移动坐标到拇指第一关节处；

第五步：拇指近指骨绕X轴方向旋转θ；

第六步：移动坐标到拇指第二关节处；

第七步：拇指远指骨绕X轴方向旋转θ；

具体实现其次变换矩阵如下：

1.2.3四指建模

四指运动受关节自由度限制，其运动形式与自由度之间的关系，参WiseGlove数据手套使用手册统计如表2所示，四指运动十分相似，都不能移动。第一关节只能进行屈与伸、内收与外展两种形式运动（注意：中指除外，假设中指不能进行内收和外展运动），第二、三关节只能进行曲与伸运动，因此对四指建立同一种运动模型。

四指两种运动形式抽象为数学模型皆为旋转运动，因此，以食指为例建立运动模型如图4所示。食指第一关节屈伸运动抽象为绕X轴旋转θ₄（θi表示i号传感器测量数据）,内收与外展运动抽象为绕Z轴旋转θ₆。第二关节屈伸运动抽象为绕X轴旋转θ₅，第三关节屈伸运动抽象为绕X轴旋转2/3θ₅。食指最终运动由以上3个运动合成，具体指尖运动合成建模顺序如下描述：

第一步：在中指第一关节处建立坐标系原点。

第二步：食指近指骨Z轴方向旋转θ₆。

第三步：食指近指骨绕X轴方向旋转θ₄。

第四步：食指坐标系移动到食指第二关节处。

第五步：食指中指骨绕X轴方向旋转θ₅。

第六步：食指坐标系移动到食指第三关节处。

第七步：食指远指骨绕X轴方向旋转2/3θ₅。

具体实现的其次变换矩阵如下：

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