CN103735395A - 一种具有温度觉和振动觉的穿戴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有温度觉和振动觉的穿戴装置，包括：信息获取模块，用以接收场景信息和穿戴人员的朝向信息；信息解码模块，对场景信息和朝向信息进行解码并产生振动命令和升降温命令；多触觉驱动模块，由温度觉驱动单元和振动觉驱动单元组成，温度觉驱动单元根据升降温命令生成温度觉驱动信号，振动觉驱动单元根据振动命令生成振动觉驱动信号；以及多触觉提示模块，由温度觉护腕、振动觉护腿和振动觉腰带组成，温度觉护腕接收温度觉驱动信号用以在护腕上产生温度刺激，振动觉护腿和振动觉腰带接收振动觉驱动信号用以在护腿上和腰带上产生振动刺激。本发明通过温度觉和振动觉的组合而成触觉刺激同时感知场景信息，可应用于导航、游戏等领域。

Description

一种具有温度觉和振动觉的穿戴装置

技术领域

本发明涉及一种具有温度觉和振动觉的穿戴装置，可应用于导航、游戏等领域，尤其适合盲人或处于视觉受限环境的人，属于人机交互及触觉领域。

背景技术

触觉是人类获取信息的重要通道，是生理学、神经学和心理学综合形成的一种感觉。触觉是具有机械的和温度的特性物体作用于触觉感受器官引起的感觉。皮肤内分布着触觉感受器，是触觉作用的主要器官，因而触觉也称肤觉。一般认为皮肤感觉主要有四种，即由对皮肤的机械刺激引起的触、压觉，由温度刺激引起的冷觉和热觉，以及由伤害性刺激引起的痛觉。皮肤上的触觉感受器受机械刺激、温度刺激、伤害刺激，产生神经冲动传入大脑皮层即产生振感、温度感和痛感。

温度觉由冷觉与热觉两种感受不同温度范围的感受器感受外界环境中的温度变化所引起的感觉。温度感受器具有一定的感受范围，当外界温度上升时，热觉愈明显，当上升到43℃～44℃时感觉最热，温度再升高，主观热觉不再增强，冷觉会随刺激温度的下降而明显下降，热感受器在36℃～45℃温度范围内是单独起作用的，冷感受器在低于31℃时也是单独起作用的，在31℃～36℃时人体的两种感受器同时起作用，即人既有冷觉又有热觉，不同人的痛觉阈值可能不一样，但一般当温度高于45℃时开始有热痛，当温度低于18℃时开始有冷痛。

皮肤感受器中与振动触觉相关的主要是用于感受低频振动的Meissner小体和用于感受高频振动的Pacinian小体，振动信号和视觉、听觉信号一样可同时被感知，且振动触觉具有全方向的感觉能力，振动触觉可以编码为触觉语言用以替代视觉和听觉，作为编码的参数包括频率、振幅、波形、持续时间、节奏、身体位置等。

信息的触觉表达技术即是通过触觉刺激来传递信息，从而减轻了使用者的视觉和听觉负担。近年来触觉表达技术在飞行驾驶、医疗救助、触觉导航、虚拟游戏等许多应用领域实现了应用。在飞行驾驶中，信息的触觉表达技术可以有效克服空间定位障碍SD，它利用人体本能的触觉感受，持续提供信息，在不需要视觉参与的情况下，极大的减轻飞行员的负荷和减少误判，确保其在恶劣视听环境中安全精确地完成驾驶任务；在医疗救助中，信息的触觉表达技术可以为医护人员提供实时触觉提示，如人体体温、器官温度等，帮助其及时准确地了解病人情况，从而提高医疗手术的质量和速度；在虚拟游戏中，通过触觉刺激获取额外的游戏场景信息，增强了对游戏场景的感知与掌控能力，使游戏的可玩性与沉浸感大大增强；对于盲人而言，信息的触觉表达技术一方面可以提供触觉导航，帮助盲人或处于视觉受限的人实现安全地自主行走，另一方面可以帮助其利用触觉感知部分地替代视觉感官的功能，实现基于触摸方式的读书、看报、上网等，帮助盲人获取文字图像信息。

如何优化信息获取方式是触觉表达技术的关键，通常当一个人专注于信息处理而不是执行任务时往往会造成糟糕的决策和表现，因此触觉表达技术最大的挑战就是在尽量减轻认知负荷的情况下，尽可能表达更多的信息，即增加表达信息带宽。一个能较好的解决这个问题的方法就是采用多感觉设备，它利用人体多种感觉器官对信息进行感知，这种设备的理论基础就是多资源理论（MRT），它是由美国伊利诺大学Wickens提出的，MRT理论认为人类拥有几个不完全独立的认知资源，那些要求使用不同资源的任务能够同时有效地执行，虽然竞争同一资源则会产生干扰，但存在不同的认知资源来处理产生于不同感知通道的信息（例如视、听、触信息），因此经由一个闲置感官提供的信息将不会增加整体的认知负担，例如人们在感受一个振动的发热电机时，感受到的是清晰的热觉和振动觉。

但是目前触觉表达装置大多采用单一触觉表达，如专利CN101583992A采用气动力反馈发明了一种触觉型游戏装置，专利CN102159290采用颤音摇杆实现音乐游戏的触觉，专利CN102156540A利用振动触觉反馈实现了三维体感人机交互系统，专利CN102907008A利用螺线管、微振动器等发明了一个颈部通信装置，专利CN102217990基于振动触觉发明了一种环境信息感知器，专利CN101514902A也是基于振动触觉发明了一种盲人导航装置，专利CN202801931U利用电极刺激发明了一种替代盲人视觉的环境感知装置。基于单一触觉刺激空闲了其他触觉刺激通道，使得表达信息量较少，并且单一刺激容易使穿戴者容易产生厌倦情绪。

发明内容

本发明的目的是针对单一触觉的信息表达装置的不足，提出一种具有温度觉和振动觉的穿戴装置，该装置利用人体振动触觉和温度触觉功能获取场景相关的信息、提示和警告等，可用于导航、游戏等领域，尤其适用于盲人或处于视觉受限环境的人员运动导航。

本发明采用以下技术方案：

一种具有温度觉和振动觉的穿戴装置，其特征在于，包括：

信息获取模块，用以接收场景信息和穿戴人员的朝向信息；

信息解码模块，对场景信息和朝向信息进行解码并产生振动命令和升降温命令；

多触觉驱动模块，由温度觉驱动单元和振动觉驱动单元组成，温度觉驱动单元根据升降温命令生成温度觉驱动信号，振动觉驱动单元根据振动命令生成振动觉驱动信号；

以及多触觉提示模块，由温度觉护腕、振动觉护腿和振动觉腰带组成，所述温度觉护腕接收所述的温度觉驱动信号用以在护腕上产生温度刺激，所述振动觉护腿和振动觉腰带接收所述振动觉驱动信号用以在护腿上和腰带上产生振动刺激。

所述的多触觉驱动模块还包括一温度传感单元，该温度传感单元采集所述温度觉护腕的温度，并将采集到的温度信号反馈给所述信息解码模块用于调整所述的升降温命令的温度区间。

本发明一种具有温度觉和振动觉的穿戴装置，包括信息获取模块、信息解码模块、多触觉驱动模块和多触觉提示模块，其中信息获取模块的输出端连接信息解码模块，信息解码模块的输出端连接多触觉驱动模块，多触觉驱动模块的输出端连接多触觉提示模块，信息获取模块由无线接收模块和电子罗盘组成，多触觉驱动模块由温度觉驱动单元和振动觉驱动单元组成，多触觉提示模块由温度传感单元、温度觉护腕、振动觉护腿和振动觉腰带组成，信息获取模块用以接收场景信息和穿戴人员的朝向信息，并将它们发送至信息解码模块，信息解码模块对场景信息和朝向信息进行解码并产生振动命令和升降温命令，温度觉驱动单元根据升降温命令生成温度觉驱动信号，振动觉驱动单元根据振动命令生成振动觉驱动信号，温度传感单元温度觉护腕的温度，并将温度反馈给信息解码模块，温度觉护腕根据输入的温度觉驱动信号产生温度觉刺激，振动觉护腿和振动觉腰带根据输入的振动觉驱动信号产生振动觉刺激，人通过温度觉和振动觉组合而成的多种多通道的同时的触觉刺激感知场景信息。场景信息为威胁等级、目标方位、目标运动状态、目标类别等信息，信息获取模块由WIFI、蓝牙、ZigBee等无线模块和电子罗盘组成。

所述的温度觉护腕由运动护腕、半导体制冷器和温度传感单元组成，温度传感单元紧贴半导体制冷器工作端，半导体制冷器进行信息表达时，其表面温度设定于13～18℃、23～28℃、31-36℃、38～43℃、47～52℃五个温度范围段内，分别对应冷痛、冷觉、无明显温度觉、热觉和热痛五种刺激效果，鉴于人的生理和心理特征，热刺激可以给人一种温暖感和安全感，冷刺激给人一种威胁感与敌意，但是强烈的热刺激和冷刺激则带给人痛苦感，因此五种温度刺激效果可以表示静态极端危险、危险、安全、非常安全和动态极端危险等五种威胁等级，用以表示场景目标的威胁等级，其中静态极端危险针对悬崖、障碍物、坑洼等静止目标，动态极端危险针对人、车、动物等动态目标。

所述的振动觉腰带由8个直流空心杯振动电机和运动腰带组成，8个电机等距的贴在腰带的8个方向，电机的振动部位表示场景目标的8个方位，振动等级从小到大分为A、B、C、D、E等5个等级，振幅的变化表示场景目标的运动状态信息，振动等级维持等级C的振动表示目标处于静止状态、振动等级由A到E变化的振动表示目标处于靠近状态，振动等级由E到A变化的振动表示目标处于远离状态。

所述的振动觉护腿包括左振动觉护腿和右振动觉护腿，左振动觉护腿和右振动觉护腿都是由1个直流空心杯振动电机和运动护腿组成，电机贴在运动护腿内表面，两个振动觉护腿的协同振动表示场景的目标类别信息，左右振动觉护腿长间隔交替振动表示人类，左右振动觉护腿短间隔交替振动表示动物类，左右振动觉护腿同时振动表示车类，振动等级越大，表示数量越多。

所述的温度觉护腕、振动觉腰带和振动觉护腿协作工作，按照从身体部位至上而下的顺序，驱动温度觉护腕、振动觉腰带和振动觉护腿，实现多通道、多刺激源的刺激效果，用以表达威胁等级、目标方位、目标运动状态和目标类别等场景信息。

与现有技术相比，本发明的优点及显著效果：

1、装置采用温度觉和振动觉组合的触觉刺激方式，振动感受器官和温度感受器官对振动的刺激和温度的刺激分别感应且不交叉干扰，将复杂的场景信息解析为两种不同的触觉驱动信号，将场景信息、温度刺激以及振动刺激三者有机的结合起来，通过独立的温度刺激、独立的振动刺激或者温度与振动相结合的混合刺激来表达场景的不同信息，同时利用振动感受器官与温度感受器官，最终在不增加认知负担的情况下清晰地表达复杂场景的更多信息；

2、左右振动觉护腿左右交替振动类比人和动物用腿左右交替行走，左右振动觉护腿同时振动类比车轮同时滚动行驶，缩短穿戴者的学习时间；

3、采用半导体制冷器实现冷痛、冷觉、无明显温度觉、热觉和热痛等五种温度刺激效果，考虑人的生理和心理特征，即热刺激可以给人一种温暖感和安全感，冷刺激给人一种威胁感与敌意，强烈的热刺激和冷刺激则带给人痛苦感，五种温度刺激表示目标的威胁等级，缩短穿戴者的学习时间；

4、装置采用温度觉护腕、振动觉护腿和振动觉腰带等触觉设备，提供了多个触觉刺激源；

5、装置无线接收信息以及穿戴化设计，具备便携性和移动性，朝向信息与场景信息实时采集功能，使得装置尤其适合于盲人的户外移动导航。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的整体穿戴效果示意图，其中a为侧视图，b为正视图；

图3是本发明的温度触觉编码方案；

图4是本发明的相对方位转换图；

图5是本发明的振动方位解码方案；

图6是本发明的振动幅度等级划分示意图；

图7是本发明的静止状态的振动触觉编码方案；

图8是本发明的靠近趋势的振动触觉编码方案；

图9是本发明的远离趋势的振动触觉编码方案；

图10是本发明的动物类的振动触觉编码方案；

图11是本发明的人类的振动触觉编码方案；

图12是本发明的车类的振动触觉编码方案；

图13是本发明的多触觉协同编码方案；

图14是本发明的虚拟场景感知示意图；

图15是本发明的实际场景导航示意图。

具体实施方式

参看图1，本发明具有温度觉和振动觉的穿戴装置，包括信息获取模块1、信息解码模块2、多触觉驱动模块3和多触觉提示模块4。其中信息获取模块1可以是WIFI、蓝牙、ZigBee等无线芯片，信息解码模块2是ARM、DSP或者FPGA处理器芯片，多触觉驱动模块3由温度觉驱动单元4和振动觉驱动单元5组成，多触觉提示模块6由温度传感单元8、温度觉护腕7、振动觉护腿10和振动觉腰带9组成，温度觉驱动单元4由1个H桥驱动电路组成，振动触觉驱动单元5由10路达林顿晶体管组成。

场景信息发送模块11将场景信息发送到信息获取模块1，信息获取模块1的输出端连接信息解码模块2，信息解码模块2的输出端连接多触觉驱动模块3，多触觉驱动模块3的输出端连接多触觉提示模块4，信息获取模块1用以接收场景信息和朝向信息，并将它们发送至信息解码模块2，信息解码模块2对场景信息和朝向信息进行解码并产生振动命令和升降温命令，温度觉驱动单元4根据升降温命令生成温度觉驱动信号，振动觉驱动单元5根据振动命令生成振动觉驱动信号，温度传感单元8温度觉护腕7的温度，并将温度反馈给信息解码模块2，温度觉护腕7根据输入的温度觉驱动信号产生温度觉刺激作用于人体，振动觉护腿10和振动觉腰带9根据输入的振动觉驱动信号产生振动觉刺激作用于人体，人通过温度觉和振动觉组合而成的多种多通道的同时的触觉刺激感知场景信息。

参看图2，本发明共有4个穿戴式设备，包括振动觉腰带9、温度觉护腕7、左振动觉护腿12、右振动觉护腿13和背包14。其中，振动觉腰带9系在人体腰部，振动觉腰带9由8个直流空心杯振动电机和运动腰带组成，8个电机等距的贴在运动腰带的8个方向；温度觉护腕7系在人体手腕处，温度觉护腕7由运动护腕、半导体制冷器和温度传感单元8组成，半导体制冷器不工作端紧贴运动护腕内表面，工作端紧贴手臂皮肤，温度传感单元8紧贴半导体制冷器工作端，用以测量半导体制冷器的工作端表面温度；振动觉护腿10系在人体大腿处，振动觉护腿10包括左振动觉护腿12和右振动觉护腿13，左振动觉护12腿和右振动觉护腿13都是由1个直流空心杯振动电机和运动护腿组成，电机贴在运动护腿内表面；无线接口模块1、信息解码模块2和多触觉驱动模块3放在背包14中，从背包14中引出的电源线和信号线接至多触觉提示模块6。

参看图3，为本发明温度触觉编码方案。选取半导体制冷器-珀尔贴，温度传感单元8测量半导体制冷器表面温度并将温度反馈给信息解码模块2，信息解码模块2将反馈温度与预设温度段进行比较，当反馈温度在预设温度段内，则输给H桥驱动电路的PWM占空比不变；当反馈温度小于预设温度段时，则输给H桥驱动电路的PWM占空比增大；当反馈温度大于预设温度段时，则输给H桥驱动电路的PWM占空比减小，从而形成一个闭环恒温控制。半导体制冷器进行信息表达时，其表面温度设定于13～18℃、23～28℃、31-36℃、38～43℃、47～52℃五个温度范围段内，分别实现冷痛、冷觉、无明显温度觉、热觉和热痛五种刺激效果，鉴于人的生理和心理特征，热刺激可以给人一种温暖感和安全感，冷刺激给人一种威胁感与敌意，但是强烈的热刺激和冷刺激则带给人痛苦感，因此五种温度刺激效果可以表示静态极端危险、危险、安全、非常安全和动态极端危险等五种威胁等级，用以表示场景目标的威胁等级，其中静态极端危险是针对悬崖、障碍物、坑洼等静止目标，动态极端危险是针对人、车、动物等动态目标。

参看图4，为本发明的相对方位转换图，规定绝对方位都用与正北方顺时针所成的角度表示，目标绝对方位为a度，自身朝向的绝对方位为b度，则目标相对方位为(360-b+a)%360。

参看图5，为本发明振动方位解码方案示意图，信息解码模块2根据目标绝对方位结合自身方位转化为相对方位，进而转化为振动觉腰带14的触觉信号。围绕振动觉腰带9一圈共有8个振动电机，按照角度均匀排列，相邻两个电动机角度相隔45°，从1号到8号是8个振动电机的具体安装位置。腰部角度规定：以人体朝向正方为0°，这里是1号振动电机的位置，按顺时针方向角度依次增大，8号电机为315°，直到1号电机为360°。

为了解码目标的具体方位，将两个相邻振动电机之间的45°的角度分为3段，每段15°，当目标出现在左边一段角度内时，左边的振动电机振动，当目标出现在中间一段角度内时，中间的振动电机振动，当目标出现在右边一段角度内时，右边的振动电机振动。以45～90°这段为例，当目标出现在45～60°范围时，2号电机振动，当目标出现在60～75°范围时，2号和3号电机同时振动，当目标出现在75～90°范围时，3号电机振动。

参看图6，为本发明的振动幅度等级划分示意图，PWM波占空比控制10路达林顿晶体管的输出电流大小，从而控制振动电机的振幅强度，PWM占空比越大，振幅越大。规定PWM占空比为20%，振动等级为A级，PWM占空比为40%，振动等级为B级，PWM占空比为60%，振动等级为C级，PWM占空比为80%，振动等级为D级，PWM占空比为100%，振动等级为E级。

参看图7、8和9，是本发明腰带振动触觉编码方案。考虑人的生理和心理特征，用振幅的变化规律区分目标的状态，振幅由小变大表示目标距离由远到近的变化，振幅由大变小表示目标距离由近到远的变化，振幅维持不变表示目标距离不变。本发明规定振动等级维持C级并持续2000ms为静止状态；振动等级从A级到E级变化，持续时间依次为500ms、400ms、200ms、400ms和500ms，表示远离趋势；振动等级从E级到A级变化，持续时间依次为500ms、400ms、200ms、400ms和500ms，表示靠近趋势。

参看图10、11和12，为本发明护腿振动触觉编码方案。考虑到人的生理和心理特征，左振动觉护腿12和右振动觉护腿13的协同振动表示场景的目标类别信息，左振动觉护腿12和右振动觉护腿13长时间交替振动类比人类步行状态，左振动觉护腿12和右振动觉护腿13短时间交替振动类比动物类奔跑状态，左振动觉护腿12和右振动觉护腿13同时振动类比车类行驶状态，振动等级越大，表示数量越多。本发明规定：左右振动觉护腿交替振动两次，每次振动持续时间为1000ms，间隔时间为200ms，表示动物类；左右振动觉护腿交替振动两次，每次振动持续时间为1000ms，间隔时间为500ms，表示人类；左右振动觉护腿同时振动，振动持续时间为2000ms，表示车类。

参考图13，为本发明的多触觉协同编码方案。多触觉协同编码可以表达威胁等级、目标方位、目标状态和目标类别等场景信息，本发明采用从身体部位至上而下的顺序，同时驱动温度觉护腕7、振动觉腰带9和左振动觉护腿12及右振动觉护腿13，表达时间为2秒。其中温度觉护腕7的冷热刺激表示威胁等级，振动觉腰带9的振动的部位表示目标方位，振动觉腰带9的振幅变化的振动表示目标状态，左振动觉护腿12和右振动觉护腿13的协同振动表示目标类别。

参看图14，为本发明的虚拟场景感知示意图。受试者穿戴具有温度觉和振动觉的穿戴装置，坐在PC机前，PC机作为场景信息发送模块11将场景信息发送至信息获取模块1，信息解码模块2对场景信息进行解码，驱动多触觉驱动模块3，温度觉护腕7、振动觉腰带9、左振动觉护腿12和右振动觉护腿13依次进行触觉刺激，使受试者感受到威胁等级、目标方位、目标运动状态和目标类别等场景信息。对于视觉健康者，受试者不仅可以通过视觉通道感知场景，并且可以通过触觉刺激获取额外的提示信息，增强了场景的沉浸感与掌控能力；对于盲人或视觉受损者，通过温度觉和振动觉复合刺激感知场景信息，然后利用手控器等装置进行场景漫游，从而使盲人或视觉受损者在不依赖视觉的情况下获得游戏的乐趣。

参看图15，为本发明的实际场景导航示意图。盲人穿戴具有温度觉和振动觉的穿戴装置处于实际环境中，场景目标与穿戴者都具有GPS定位装置，导航卫星通过GPS定位穿戴者与场景目标的位置，再将位置信息发送至服务器，服务器作为场景信息发送模块11，将威胁等级、目标方位、目标运动状态和目标类别等场景信息通过无线发送至具有温度觉和振动觉的穿戴装置，盲人同时通过温度觉和振动觉的复合刺激感知场景目标信息，实现针对特定目标的导航。

Claims (7)

1.一种具有温度觉和振动觉的穿戴装置，其特征在于，包括：

信息获取模块，用以接收场景信息和穿戴人员的朝向信息；

信息解码模块，对场景信息和朝向信息进行解码并产生振动命令和升降温命令；

多触觉驱动模块，由温度觉驱动单元和振动觉驱动单元组成，温度觉驱动单元根据升降温命令生成温度觉驱动信号，振动觉驱动单元根据振动命令生成振动觉驱动信号；

以及多触觉提示模块，由温度觉护腕、振动觉护腿和振动觉腰带组成，所述温度觉护腕接收所述的温度觉驱动信号用以在护腕上产生温度刺激，所述振动觉护腿和振动觉腰带接收所述振动觉驱动信号用以在护腿上和腰带上产生振动刺激。

2.根据权利要求1所述的具有温度觉和振动觉的穿戴装置，其特征在于：所述的多触觉驱动模块还包括一温度传感单元，该温度传感单元采集所述温度觉护腕的温度，并将采集到的温度信号反馈给所述信息解码模块用于调整所述的升降温命令的温度区间。

3.根据权利要求1所述的具有温度觉和振动觉的穿戴装置，其特征在于：所述的信息解码模块是ARM、DSP或者FPGA处理器芯片。

4.根据权利要求1所述的具有温度觉和振动觉的穿戴装置，其特征在于：所述的温度觉驱动模块由H桥驱动电路组成，所述的振动触觉驱动模块10路达林顿晶体管组成。

5.根据权利要求1所述的具有温度觉和振动觉的穿戴装置，其特征在于：所述的温度觉护腕由运动护腕、半导体制冷器和温度传感单元组成，温度传感单元紧贴半导体制冷器工作端，半导体制冷器进行信息表达时，其表面温度设定于13~18℃、23~28℃、31-36℃、38~43℃、47~52℃五个温度范围段内，分别产生冷痛、冷觉、无明显温度觉、热觉和热痛五种刺激效果。

6.根据权利要求1所述的具有温度觉和振动觉的穿戴装置，其特征在于：所述的振动觉腰带由8个直流空心杯振动电机和运动腰带组成，8个电机等距的分布在腰带的8个方向，电机的振动部位表示场景目标的方位信息，振幅的变化表示场景目标的运动状态信息。

7.根据权利要求1所述的具有温度觉和振动觉的穿戴装置，其特征在于：所述的振动觉护腿包括左振动觉护腿和右振动觉护腿，左振动觉护腿和右振动觉护腿都是由1个直流空心杯振动电机和运动护腿组成，电机贴在运动护腿内表面，两个振动觉护腿的协同振动表示场景中目标的类别信息。

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