CN107092353B - 一种手部触感参数的采集及模拟还原系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手部触感参数的采集及模拟还原系统和方法，该系统包括手部姿态及触感参数采集模块、数据交换模块和手部触感参数还原模块，手部姿态及触感参数采集模块包括第一微处理器以及分别与之连接的第一手部姿态传感器、温度传感器、压力传感器和第一无线通信单元，数据交换模块包括第二微处理器以及分别与之连接的数据存储单元和第二无线通信单元，手部触感参数还原模块包括第三微处理器以及分别与之连接的第二手部姿态传感器、D/A转换器和第三无线通信单元，微电流电极和发热电阻丝经D/A转换器与第三微处理器相连，本发明实现了远程采集手部触摸参数，经数据交换模块处理后，通过电阻丝、电极释放电流刺激，模拟并还原触感参数。

Description

一种手部触感参数的采集及模拟还原系统和方法

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，特别涉及了一种手部触感参数的采集及模拟还原系统和方法。

背景技术

近年来，随着科技的不断发展，信息传输及处理速率产生了质的飞跃，而虚拟现实技术也借着这股“东风”变得炙手可热。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。而传感设备是指三维交互设备。

虚拟和现实之间的鸿沟已经变得越来越小。目前虚拟现实技术的发展正迈向一个崭新的阶段，国外各大公司都在围绕虚拟现实技术的几个方面进行探索与研制相关设备。对于听觉方面自然不必说，现在的音频处理及合成技术以及达到了较高的技术水平；在视觉方面，一些科技巨头已经推出了他们的产品，例如：微软研制的头戴式虚拟现实眼镜Holograms、索尼研制的虚拟现实眼镜PS VR等。而目前大多数公司虚拟现实的研究方向都在于视觉方面，当然这也不难理解，视觉承担着人类近80％人类与外界进行信息交互的能力，一旦在此方面有重大技术突破，那么虚拟现实技术将进入又一个新的阶段；而在嗅觉方面，由于能够产生气味的化学成分目前还无法通过电子设备较为简便的合成，因此研究的人员很少。

故目前除视觉外，只有触觉在虚拟现实技术中有较好的研究及开发前景。目前针对触感在虚拟现实中的应用主要由三种实现形式：第一类是在手套内部使用振动器产生震动来模拟触觉；第二种种是用机械结构来实现力的准确反馈；第三种是在手套上布置多个气囊，用对气囊充气的方式实现触感的反馈。经过总结可以发现，目前现有的产品均以触觉之中的压觉为反馈对象，而我们知道，除压觉外触觉还包括对温度的感觉、痛觉，这两种感觉同样对人体有很重要的意义，因此仅仅用压觉与振动来模拟触觉是远远不够的。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种手部触感参数的采集及模拟还原系统和方法，实现远程采集手部触摸参数，进行数据处理录入，同时又能通过电阻丝、电极释放电刺激，模拟触感参数。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种手部触感参数的采集及模拟还原系统，包括手部姿态及触感参数采集模块、数据交换模块和手部触感参数还原模块，所述手部姿态及触感参数采集模块包括第一微处理器以及分别与之连接的第一手部姿态传感器、温度传感器、压力传感器和第一无线通信单元，所述数据交换模块包括第二微处理器以及分别与之连接的数据存储单元和第二无线通信单元，所述手部触感参数还原模块包括第三微处理器以及分别与之连接的第二手部姿态传感器、D/A转换器和第三无线通信单元，手部触感参数还原模块还包括微电流电极和发热电阻丝，微电流电极和发热电阻丝经D/A转换器与第三微处理器相连；数据交换模块分别与手部姿态及触觉参数采集模块和手部触感参数还原模块分别建立无线通信。

基于上述技术方案的优选方案，第一手部姿态传感器和第二手部姿态传感器包括多个贴片式弯曲度传感器，这些贴片式弯曲度传感器分别设置在用户的手指和手掌上，通过采集手部各个位置的弯曲度数据来表征手部姿态数据。

本发明还提出了基于上述系统的手部触感参数的采集及模拟还原方法，包括以下步骤：

(1)用户使用手部进行实物触摸，手部姿态及触感参数采集模块采集手部的弯曲度数据以及触摸面的温度、压力数据；

(2)手部姿态及触感参数采集模块将采集到的数据通过无线通信发送给数据交换模块；

(3)数据交换模块根据接收到的手部弯曲度数据，采用手部姿态特征提取算法得到手部姿态特征；

(4)数据交换模块根据采集到的触摸面压力数据，采用痛觉等级划分算法计算痛觉等级；

(5)数据交换模块将手部姿态特征与对应的温度数据、痛觉等级进行打包，将数据包保存在数据存储单元中；

(6)用户做出预定的触摸动作，手部触感参数还原模块采集手部的弯曲度数据；

(7)手部触感参数还原模块将采集到的手部弯曲度数据通过无线通信发送给数据交换模块；

(8)数据交换模块根据采集到手部弯曲度数据，采用手部姿态特征提取算法得到手部姿态特征；

(9)采用特征匹配算法，将步骤(8)得到的手部姿态特征与数据存储单元中保存的各数据包中的手部姿态特征进行匹配，得到匹配结果；

(10)数据交换模块从数据存储单元中调取与步骤(8)得到的手部姿态特征相匹配的数据包，发送给手部触感参数还原模块；

(11)手部触感参数还原模块释放接收到的数据包，根据数据包中的温度数据驱动发热电阻丝产生相应的温度，实现对温度参数的模拟；同时根据数据包中的痛觉等级，采用微电流流量控制算法驱动微电流电极释放相应的微电流，从而实现对触压觉和痛觉的模拟。

进一步地，在步骤(3)中，所述手部姿态特征提取算法为，在手部设有n个贴片式弯曲度传感器，每个贴片式弯曲度传感器采集弯曲度信号组成弯曲度向量α＝(x₁,x₂,...,x_n)，x_i为第i个贴片式弯曲度传感器采集的弯曲度信号，i＝1,2,…,n；对同一个动作进行m次采集，得到m组弯曲度向量，对m组弯曲度向量求平均，得到手部姿态特征向量β：

上式中，α_j为第j组弯曲度向量。

进一步地，在步骤(4)中，所述痛觉等级划分算法的步骤如下：

(a)计算痛觉临界电压u₀：

上式中，P₀为痛觉阈值，P₀＝5.02×10⁴Pa，S₀为单个压力传感器的有效感压面积，k为单个压力传感器所受压力值与压力传感器采样电压的比例系数；

(b)根据痛觉临界电压u₀计算痛觉分级函数C：

上式中，u_m为压力传感器的采样电压，λ为设定的系数；

(c)计算8个痛觉判决门限J_s：

(d)将痛觉分级函数C与8个痛觉判决门限J_s进行比较，当J_s≤C＜J_s+1，则判断痛觉等级为s。

进一步地，在步骤(11)中，所述微电流流量控制算法为，建立微电流电极输出微电流I与痛觉等级s的关系：

上式中，微电流I的单位为毫安。

进一步地，在步骤(9)中，所述特征匹配算法，分别计算步骤(7)得到的手部姿态特征与数据存储单元中所有数据包中的手部姿态特征的几何距离，将最小几何距离对应的数据包作为匹配结果。

采用上述技术方案带来的有益效果：

目前市场上的触觉模拟产品仅提供了触觉反馈设备，可模拟的触觉及动作类型较为单一且固定，而本发明则自带手部姿态及触感参数采集端，可以让操作者自由采集并模拟各种触觉类型。本发明使用电刺激产生微痛觉来进行压力的模拟以及痛觉的还原，较传统通过振动器进行压力模拟，由于电极体积小，故可以更加精准的传递触感，而且由于人类对于痛觉更加敏感，因此提高了压力模拟的准确度与真实还原度。此外本发明还通过对温度与压力模拟相结合的方法，进一步增强了触觉模拟的效果。

附图说明

图1是本发明的系统框架图；

图2是本发明中手部姿态及触感参数采集模块的组成框图；

图3是本发明中数据交换模块的组成框图；

图4是本发明中手部触感参数还原模块的组成框图；

图5是本发明的流程图；

图6是本发明中弯曲度传感器分布示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

一种手部触感参数的采集及模拟系统，如图1所示，包括手部姿态及触感参数采集模块、数据交换模块和手部触感参数还原模块，三者均为彼此硬件独立的嵌入式设备，数据交换模块分别与手部姿态及触觉参数采集模块和手部触感参数还原模块分别建立无线通信。

如图2所示，手部姿态及触感参数采集模块包括第一微处理器以及分别与之连接的第一手部姿态传感器、温度传感器、压力传感器和第一无线通信单元。当第一手部姿态传感器、温度传感器、压力传感器为模拟传感器时，第一手部姿态传感器、温度传感器、压力传感器通过A/D转换器与第一微处理器相连。

如图3所示，数据交换模块包括第二微处理器以及分别与之连接的数据存储单元和第二无线通信单元。

如图4所示，手部触感参数还原模块包括第三微处理器以及分别与之连接的第二手部姿态传感器、D/A转换器和第三无线通信单元，手部触感参数还原模块还包括微电流电极和发热电阻丝，微电流电极和发热电阻丝经D/A转换器与第三微处理器相连。当第二手部姿态传感器为模拟传感器时，第二手部姿态传感器通过A/D转换器与第三微处理器相连。

在本实施例中，第一手部姿态传感器和第二手部姿态传感器包括多个贴片式弯曲度传感器，这些贴片式弯曲度传感器分别设置在用户的手指和手掌上，通过采集手部各个位置的弯曲度数据来表征手部姿态数据。

本发明还提出了基于上述系统的手部触感参数的采集及模拟方法，如图5所示，步骤如下。

步骤1、用户使用手部进行实物触摸，手部姿态及触感参数采集模块采集手部的弯曲度数据以及触摸面的温度、压力数据。

步骤2、手部姿态及触感参数采集模块将采集到的数据通过无线通信发送给数据交换模块。

步骤3、数据交换模块根据接收到的手部弯曲度数据，采用手部姿态特征提取算法得到手部姿态特征。

在手部设有7个贴片式弯曲度传感器，如图6所示，每个贴片式弯曲度传感器采集弯曲度信号组成弯曲度向量α＝(x₁,x₂,...,x₇)，x_i为第i个贴片式弯曲度传感器采集的弯曲度信号，i＝1,2,…,7；对同一个动作进行m次采集，得到m组弯曲度向量，对m组弯曲度向量求平均，得到手部姿态特征向量β：

上式中，α_j为第j组弯曲度向量。

步骤4、数据交换模块根据采集到的触摸面压力数据，采用痛觉等级划分算法计算痛觉等级。

(a)计算痛觉临界电压u₀：

上式中，P₀为痛觉阈值，P₀＝5.02×10⁴Pa，S₀为单个压力传感器的有效感压面积，k为单个压力传感器所受压力值与压力传感器采样电压的比例系数；

(b)根据痛觉临界电压u₀计算痛觉分级函数C：

上式中，u_m为压力传感器的采样电压，λ为设定的系数；

(c)计算8个痛觉判决门限J_s：

(d)将痛觉分级函数C与8个痛觉判决门限J_s进行比较，当J_s≤C＜J_s+1，则判断痛觉等级为s。

步骤5、数据交换模块将手部姿态特征与对应的温度数据、痛觉等级进行打包，将数据包保存在数据存储单元中。

步骤6、用户做出预定的触摸动作，手部触感参数还原模块采集手部的弯曲度数据。

步骤7、手部触感参数还原模块将采集到的手部弯曲度数据通过无线通信发送给数据交换模块。

步骤8、数据交换模块根据采集到手部弯曲度数据，采用手部姿态特征提取算法得到手部姿态特征。具体过程见步骤3。

步骤9、采用特征匹配算法，将步骤8得到的手部姿态特征与数据存储单元中保存的各数据包中的手部姿态特征进行匹配，得到匹配结果。

分别计算步骤8得到的手部姿态特征与数据存储单元中所有数据包中的手部姿态特征的几何距离，将最小几何距离对应的数据包作为匹配结果。

步骤10、数据交换模块从数据存储单元中调取与步骤8得到的手部姿态特征相匹配的数据包，发送给手部触感参数还原模块。

步骤11、手部触感参数还原模块释放接收到的数据包，根据数据包中的温度数据驱动发热电阻丝产生相应的温度，实现对温度参数的模拟；同时根据数据包中的痛觉等级，采用微电流流量控制算法驱动微电流电极释放相应的微电流，从而实现对触压觉和痛觉的模拟。

建立微电流电极输出微电流I与痛觉等级s的关系：

上式中，微电流I的单位为毫安。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于手部触感参数的采集及模拟还原系统的手部触感参数的采集及模拟还原方法，所述手部触感参数的采集及模拟还原系统包括手部姿态及触感参数采集模块、数据交换模块和手部触感参数还原模块，所述手部姿态及触感参数采集模块包括第一微处理器以及分别与之连接的第一手部姿态传感器、温度传感器、压力传感器和第一无线通信单元，所述数据交换模块包括第二微处理器以及分别与之连接的数据存储单元和第二无线通信单元，所述手部触感参数还原模块包括第三微处理器以及分别与之连接的第二手部姿态传感器、D/A转换器和第三无线通信单元，手部触感参数还原模块还包括微电流电极和发热电阻丝，微电流电极和发热电阻丝经D/A转换器与第三微处理器相连；数据交换模块分别与手部姿态及触觉参数采集模块和手部触感参数还原模块分别建立无线通信；所述第一手部姿态传感器和第二手部姿态传感器包括多个贴片式弯曲度传感器，这些贴片式弯曲度传感器分别设置在用户的手指和手掌上，通过采集手部各个位置的弯曲度数据来表征手部姿态数据；

其特征在于，所述手部触感参数的采集及模拟还原方法包括以下步骤：

(1)用户使用手部进行实物触摸，手部姿态及触感参数采集模块采集手部的弯曲度数据以及触摸面的温度、压力数据；

(2)手部姿态及触感参数采集模块将采集到的数据通过无线通信发送给数据交换模块；

(3)数据交换模块根据接收到的手部弯曲度数据，采用手部姿态特征提取算法得到手部姿态特征；

(4)数据交换模块根据采集到的触摸面压力数据，采用痛觉等级划分算法计算痛觉等级；

(5)数据交换模块将手部姿态特征与对应的温度数据、痛觉等级进行打包，将数据包保存在数据存储单元中；

(6)用户做出预定的触摸动作，手部触感参数还原模块采集手部的弯曲度数据；

(7)手部触感参数还原模块将采集到的手部弯曲度数据通过无线通信发送给数据交换模块；

(8)数据交换模块根据采集到手部弯曲度数据，采用手部姿态特征提取算法得到手部姿态特征；

(9)采用特征匹配算法，将步骤(8)得到的手部姿态特征与数据存储单元中保存的各数据包中的手部姿态特征进行匹配，得到匹配结果；

(10)数据交换模块从数据存储单元中调取与步骤(8)得到的手部姿态特征相匹配的数据包，发送给手部触感参数还原模块；

(11)手部触感参数还原模块释放接收到的数据包，根据数据包中的温度数据驱动发热电阻丝产生相应的温度，实现对温度参数的模拟；同时根据数据包中的痛觉等级，采用微电流流量控制算法驱动微电流电极释放相应的微电流，从而实现对触压觉和痛觉的模拟。

2.根据权利要求1所述手部触感参数的采集及模拟还原方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述手部姿态特征提取算法为，在手部设有n个贴片式弯曲度传感器，每个贴片式弯曲度传感器采集弯曲度信号组成弯曲度向量α＝(x₁,x₂,...,x_n)，x_i为第i个贴片式弯曲度传感器采集的弯曲度信号，i＝1,2,…,n；对同一个动作进行m次采集，得到m组弯曲度向量，对m组弯曲度向量求平均，得到手部姿态特征向量β：

上式中，α_j为第j组弯曲度向量。

3.根据权利要求1所述手部触感参数的采集及模拟还原方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述痛觉等级划分算法的步骤如下：

(a)计算痛觉临界电压u₀：

上式中，P₀为痛觉阈值，P₀＝5.02×10⁴Pa，S₀为单个压力传感器的有效感压面积，k为单个压力传感器所受压力值与压力传感器采样电压的比例系数；

(b)根据痛觉临界电压u₀计算痛觉分级函数C：

上式中，u_m为压力传感器的采样电压，λ为设定的系数；

(c)计算8个痛觉判决门限J_s：

(d)将痛觉分级函数C与8个痛觉判决门限J_s进行比较，当J_s≤C＜J_s+1，则判断痛觉等级为s。

4.根据权利要求3所述手部触感参数的采集及模拟还原方法，其特征在于：在步骤(11)中，所述微电流流量控制算法为，建立微电流电极输出微电流I与痛觉等级s的关系：

上式中，微电流I的单位为毫安。

5.根据权利要求1所述手部触感参数的采集及模拟还原方法，其特征在于：在步骤(9)中，所述特征匹配算法，分别计算步骤(8)得到的手部姿态特征与数据存储单元中所有数据包中的手部姿态特征的几何距离，将最小几何距离对应的数据包作为匹配结果。

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