CN108762484A - 用于物理人机交互当中的现实触觉的气动模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物理人机交互当中的现实触觉的气动模拟方法，利用能够紧贴皮肤的具有大弹性模量的硅胶层为底层，在可弹性变形硅胶层间相关特定位置固定着小型气囊，之后可通过高压气体通过气管来实现气囊的快速充、放气，来实现期望目的位置感受到的触感压力；同时通过固定在其上的柔性压力传感器来测量当时由于气囊充气导致的皮肤表面所承受的压强，并对比于当前真实情况下被贴合人体在该位点所本应承受的压强，来反馈调节气囊充气体积与速度，以使所感受到压强达到目标压强，从而实现模拟真实触觉感受，达到实现物理人机交互的效果。

Description

用于物理人机交互当中的现实触觉的气动模拟方法

技术领域

本发明涉及人机交互领域，是一种模拟人体所感受到的现实触觉的方法，具体为一种气动模拟现实触觉的方法。

背景技术

目前，人机交互等技术已经在飞行器装配制造、智能设计、虚拟现实等各个领域中均得已逐渐应用。虚拟现实过程中，其主要目的即是给予使用者更加真实的虚拟感受，其中触觉的虚拟是非常重要的一项，其虚拟的真实度取决于使用者皮肤感受到的触感与压力。从理论上讲，触觉仿真时可以根据理论现实理论模型获得的触觉信息，但由于振动电机无法产生由于阻力带来的力与位移，往往导致接触部位感受到不到真实阻力，而仅仅是能产生特定的触感会导致使用感受不真实。

现有某些设备为虚拟现实提供了触觉模拟功能，仅能通过提供不同高频振动来让感受到相应的触感，很难保证到真实的触觉感受；同时，当前虚拟触觉设备普遍存在体积大、不灵活的缺点；并且对设备要求较高。

对比实用新型专利“一种VR手套”(申请号：201720760542.8)，该专利采用液压方式进行触觉模拟，其较振动电机这一类模拟方式已弥补了无法产生力反馈的缺陷，但其本身仍具有反应频响慢，机动性不够好，且油或水等液体本身密度较大，会使使用者感受到充入介质本身的重力影响，严重影响使用者的使用感受与触觉真实度。同时，这类介质本身热容较大，接触皮肤等感觉器官时，会迅速带走皮肤热量等，也会影响使用者感受与真实度。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于物理人机交互当中的现实触觉的气动模拟方法。

技术方案

一种用于物理人机交互当中的现实触觉的气动模拟方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在触觉虚拟位置上放置压力传感器，压力传感器上放置气囊，气囊上设置快速充放气通道和微流量充放气通道，每个通道连接一个气泵；将压力传感器、气囊和通道作为一个整体设备，使整体设备与触觉虚拟位置紧密贴合；

步骤2：通过压力传感器测量当前触觉虚拟位置上所受到的压力F_n，根据触觉虚拟位置所需承受的压强P_r计算对应所需承受的压力F_r，在压力和气囊体积的对应图中查找压力F_n与F_r分别对应的体积V_n与V_r，然后将两个体积作差得到ΔV₁；所述压力和气囊体积的的对应图是根据先验得到；

步骤3：打开快速充放气通道连接的气泵开关，使其处于开放状态，以速度充入或吸出气体，使其达到期望的ΔV₁，通过压力传感器测量此时触觉虚拟位置上所受到的压力F_n′；

步骤4：在压力和气囊体积的对应图中查找压力F_n′与F_r分别对应的体积V_n′与V_r，然后将两个体积作差得到εV₁′，以进行后续精度调节；

步骤5：打开微流量充放气通道连接的气泵开关，使其处于开放状态，根据当前体积微小偏差εV₁′，进行微气囊的调节，气泵以速度充或抽气，使其达到期望的εV₁′，通过压力传感器测量此时触觉虚拟位置上所受到的压力F_n″；

步骤6：将F_n″和F_r作差得到压力误差ΔF，将压力误差ΔF换算至触觉虚拟位置所承受的压强误差，若当前误差|ΔP|≤0.1kPa，则调节结束；否则将重复步骤4～6。

采用整体设备两侧覆膜的方式使得整体设备与触觉虚拟位置紧密贴合。

有益效果

本发明提出的一种用于物理人机交互当中的现实触觉的气动模拟方法能够较振动电机的触觉模拟方式，使触觉虚拟位置产生能受到真实阻力反馈，得到更逼真的触觉感受。较液压方式，能提高频响，快速实现期望的效果，且不需更与严格的隔热措施，从而能在提高精度与速度的基础上，不产生多余重力的影响，可被应用于更广泛的场合。

附图说明

图1是单个模拟点装配后的系统示意图；

图2是气动虚拟现实触觉应用示意图；

1-压力传感器；2-气囊；3-快速充放气通道；4-微流量充放气通道。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例属于手部触觉模拟技术领域，该方法利用气囊建立系统，根据当前状态下真实所感受的状态，确定出所需充入或抽出的气体的量与时间，并将预定步骤传输给气泵，并通过多次循环调整指导接触表面所承受的压强与阻力，使满足要求。

下面给出本实施例中方法的具体步骤：

步骤1：在手上放置压力传感器，压力传感器上放置气囊，气囊上设置快速充放气通道和微流量充放气通道，每个通道连接一个气泵；将压力传感器、气囊和通道作为一个整体设备，使整体设备与手紧密贴合；

步骤2：通过压力传感器测量当前手上所受到的压力F_n，根据手所需承受的压强P_r计算对应所需承受的压力F_r，在压力和气囊体积的对应图中查找压力F_n与F_r分别对应的体积V_n与V_r，然后将两个体积作差得到ΔV₁；所述压力和气囊体积的的对应图是根据先验得到；

步骤3：打开快速充放气通道连接的气泵开关，使其处于开放状态，以速度充入或吸出气体(按照期望指标增加进行加压相应压强与阻力值增加，迅速冲入高压气体以快速达到期望值，充入或吸出气体速度为每0.5秒实现需变动气体体积容量的90％)，使其达到期望的ΔV₁，通过压力传感器测量此时手上所受到的压力F_n′；

本步骤中气囊与气管中气体处于在初期保持恒定，在指令输入后，其气泵按照预期值进行输入，以快速完成要求指标从而提高频响，大幅减少调整反应时间。

各个气囊的需改变量均为不同的，由于气囊各自确定步骤，故不会互相发生干扰产生系统的不稳定；同时通过快速气囊快速进气，能够保证在使用方在感受发生前即能完成预期指标。

步骤4：在压力和气囊体积的对应图中查找压力F_n′与F_r分别对应的体积V_n′与V_r，然后将两个体积作差得到εV₁′，以进行后续精度调节；

步骤5：打开微流量充放气通道连接的气泵开关，使其处于开放状态，根据当前体积微小偏差εV₁′，进行微气囊的调节，气泵以速度充或抽气(以每0.1秒充入微小偏差的60％为气泵速度，按照系统设定速度充入或吸出极少量的气体，从而实现高精度的调节)，使其达到期望的εV₁′，通过压力传感器测量此时手上所受到的压力F_n″；

步骤6：将F_n″和F_r作差得到压力误差ΔF，将压力误差ΔF换算至手所承受的压强误差，若当前误差|ΔP|≤0.1kPa，则调节结束；否则将重复步骤4～6。

Claims (2)

1.一种用于物理人机交互当中的现实触觉的气动模拟方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在触觉虚拟位置上放置压力传感器，压力传感器上放置气囊，气囊上设置快速充放气通道和微流量充放气通道，每个通道连接一个气泵；将压力传感器、气囊和通道作为一个整体设备，使整体设备与触觉虚拟位置紧密贴合；

步骤2：通过压力传感器测量当前触觉虚拟位置上所受到的压力F_n，根据触觉虚拟位置所需承受的压强P_r计算对应所需承受的压力F_r，在压力和气囊体积的对应图中查找压力F_n与F_r分别对应的体积V_n与V_r，然后将两个体积作差得到ΔV₁；所述压力和气囊体积的的对应图是根据先验得到；

步骤3：打开快速充放气通道连接的气泵开关，使其处于开放状态，以速度充入或吸出气体，使其达到期望的ΔV₁，通过压力传感器测量此时触觉虚拟位置上所受到的压力F_n′；

步骤4：在压力和气囊体积的对应图中查找压力F_n′与F_r分别对应的体积V_n′与V_r，然后将两个体积作差得到εV₁′，以进行后续精度调节；

步骤5：打开微流量充放气通道连接的气泵开关，使其处于开放状态，根据当前体积微小偏差εV₁′，进行微气囊的调节，气泵以速度充或抽气，使其达到期望的εV₁′，通过压力传感器测量此时触觉虚拟位置上所受到的压力F_n″；

步骤6：将F_n″和F_r作差得到压力误差ΔF，将压力误差ΔF换算至触觉虚拟位置所承受的压强误差，若当前误差|ΔP|≤0.1kPa，则调节结束；否则将重复步骤4～6。

2.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互当中的现实触觉的气动模拟方法，其特征在于采用整体设备两侧覆膜的方式使得整体设备与触觉虚拟位置紧密贴合。