CN110413127B

CN110413127B - 阵列式触觉刺激控制方法

Info

Publication number: CN110413127B
Application number: CN201910724286.0A
Authority: CN
Inventors: 黄志奇; 刘晨; 王永翠
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2039-08-07
Also published as: CN110413127A

Abstract

本发明公开了阵列式触觉刺激控制方法，该方法包括：步骤S1，设置以M×N的矩阵形状分布的振动装置阵列，由控制电路单独控制每个振动装置的工作状态；其中，M和N均为正整数且M≥6，N≥8；步骤S2，通过在上位机设置M×N个振动装置的工作状态，通过通信模块将信号发送到控制电路进行处理分析；步骤S3，将步骤S2经控制电路处理分析后的信号生成控制指令，用以驱动振动装置按照上位机设定的工作状态工作。本发明以人体背部对振动感知的灵敏度特性，设计了振动阵列，并通过单独控制每个振动装置的工作状态，以精确控制该装置表达的触觉信息。

Description

阵列式触觉刺激控制方法

技术领域

本发明涉及触觉反馈技术领域，具体涉及阵列式触觉刺激控制方法。

背景技术

触觉是人重要的信息获取通道,与视觉和听觉相比，触觉有其显著的优势，如触觉遍布全身，不需要人特别关注就能产生连续不断的触觉感受。人通过触觉刺激能感知物体的轮廓、方位等信息。比如盲人，如果将信息以触觉方式呈现，将能极大提高盲人对环境的感知能力。

触觉振动背心是触觉反馈技术的一种应用。触觉振动背心在人体背部放置多个触觉刺激装置，人可以通过背心产生的振动刺激来获取信息。但现有的触觉振动背心有几点不足：

第一、使用的触觉刺激装置(比如：电机、电极等能产生触觉感知的装置)数量较少，并需进一步降低功耗、减小体积、提高性能。控制部分需进一步小型化、便携化。

第二、在结构设计上，触觉刺激装置通过导线和控制器连接，这种方式导致振动背心走线混乱、繁杂且穿戴的舒适性较低。

第三、现有的触觉刺激装置并没有针对人体背部对振动感知的特性(人体背部对振动感知没有手部等其他部位对振动感知灵敏度高)，导致触觉刺激装置表达的触觉信息不够准确。

发明内容

针对上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了解决上述问题的阵列式触觉刺激控制方法，该触觉刺激控制方法以人体背部对振动感知的灵敏度特性，设计了M×N的矩阵分布的振动装置阵列，并通过控制电路单独控制每个振动装置的工作状态，以精确控制并传递需要表达的触觉信息。

本发明通过下述技术方案实现：

阵列式触觉刺激控制方法，该方法包括：

步骤S1，设置以M×N的矩阵形状分布的振动装置阵列，由控制电路单独控制每个振动装置的工作状态；其中，M和N均为正整数且M≥6，N≥8；

步骤S2，通过在上位机设置M×N个振动装置的工作状态，通过通信模块将信号发送到控制电路进行处理分析；

步骤S3，将步骤S2经控制电路处理分析后的信号生成控制指令，用以驱动振动装置按照上位机设定的工作状态工作。

优选的，所述步骤S1中，M×N的振动装置阵列中每一行相邻两个振动装置中心点之间的间距为35mm，每一列相邻两个振动装置中心点之间的间距为65mm。

优选的，每个振动装置的工作状态均包括振动状态和停止状态；且所述振动状态包括两个参数：幅度和频率；每个振动装置在振动状态下的幅度和频率均由控制电路单独控制，通过控制振动装置阵列中每个振动装置的不同工作状态以及控制每个振动装置在振动状态下的幅度和频率，以传递不同的信息。本发明不仅对工作状态(振动或停止)，同时还对振动状态的频率和幅度均实现独立控制，通过独立且精确的控制方法，能够传递更多更复杂的信息，适用范围广。

优选的，所述步骤S1中，M×N的矩阵形状分布的振动装置阵列和控制电路均集成在FPC柔性电路板上且位于FPC柔性电路板同一表面。本发明结合FPC柔性电路板的特性，将振动装置以及控制电路各器件均集成在FPC柔性电路板上，以实现一体化布线和控制，使得整个装置结构紧凑，简单；大大提升了穿戴的舒适性。

优选的，所述FPC柔性电路板包括一块主驱动板和至少一块副驱动板；所述主驱动板通过FPC连接器与副驱动板进行通信连接；所述主驱动板布设有多个振动装置；每块副驱动板上均布设有多个振动装置；所述主驱动板上的多个振动装置和至少一块副驱动板上的多个振动装置排列构成M×N矩阵形状分布的振动装置阵列。本发明的FPC柔性电路板采用分体式设计，既便于加工，同时也使得该振动装置阵列应用范围更加广泛，不仅仅适用于比较平坦规则的部位(比如背部)，同时还能适用于其他部位(比如胳膊等)。

优选的，所述控制电路包括所述主驱动板上布设的电源模块、驱动模块、主控模块和通信模块，以及每块副驱动板上布设的电源模块和驱动模块；所述主控模块通过通信模块与上位机通信连接；所述主驱动板上的驱动模块和每块副驱动板上的驱动模块均与主控模块通信连接，所述主驱动板上的驱动模块与主驱动板上的振动装置通信连接，所述副驱动板上的驱动模块与副驱动板上的振动装置通信连接；由电源模块为各自驱动板上的模块供电。本发明通过每块驱动板进行单独驱动控制，并由主控模块进行统一控制，实现了模块化、集成化的设计，使得整个装置布局简洁，也不会影响穿戴的舒适性。

优选的，所述主驱动板和至少一块副驱动板均包括柔性电路板主体，每个振动装置分别由柔性电路板主体沿宽度方向向外延伸形成，多个振动装置沿柔性电路板主体长度方向阵列设置，各个电路集成设置在柔性电路板主体长度方向且位于多个振动装置两侧。本发明采用延伸设计的方式来获得主驱动板和副驱动板的结构设计，使得振动装置和柔性电路板主体之间的连接面积减小，能够有效降低振动部分对柔性电路板主体的影响，提高信息传递的精准性和可控性。

优选的，所述通信模块为有线通信模块或无线通信模块。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明以人体背部对振动感知的灵敏度特性(人体背部相对于其他部位，比如手臂等，对振动感知的灵敏度更低)，合理设计振动阵列拓扑结构，提高了人体对触觉刺激的分辨率，通过振动阵列传递更多复杂可靠的信息。

本发明通过单独控制每个振动装置的工作状态以及每个振动装置在振动状态下的幅度和频率，以精确控制该装置表达的触觉信息。

另一方面，本发明还结合FPC柔性电路板，将振动装置以及控制电路各器件均集成在FPC柔性电路板上，通过柔性板内部走线，既能使振动阵列原本繁杂的布线变得简洁，又能提高其应用于可穿戴式装置时的舒适性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的M×N的振动装置阵列示意图。

图2为本发明可穿戴式触觉振动装置工作状态示意图。其中，(a)为前进状态，(b)为停止状态。

图3为本发明的FPC柔性电路板原理示意图。

图4为本发明的控制电路原理框图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提出了阵列式触觉刺激控制方法，该方法包括：

步骤S1，设置以M×N的矩阵形状分布的振动装置阵列(如图1所示)，由控制电路单独控制每个振动装置的工作状态。

当两个振动装置距离太近的话，当它们同时振动时，人体背部是分辨不出有2个振动点还是只1个振动点，因此本实施例通过大量实验数据分析以及查阅人体背部感知的相关文献获得了人体背部对振动感知的阈值(阈值为2个振动装置中心点之间的最小距离)，以此为基础，设计了如图1所示的6×8矩阵式振动装置阵列，即M＝6，N＝8；当然，在另外的优选实施例方式中，还能够设计更大的振动阵列，即M＞6，N＞8。

本实施例中，所述振动装置阵列中每一行相邻两个振动装置中心点(即圆形振动装置的圆心)之间的间距为a，每一列相邻两个振动装置中心点(即圆形振动装置的圆心)之间的间距为b，如图1所示。本实施例中，行间距a优选为35mm；列间距为65mm。

本实施例中，由控制电路单独控制每个振动装置的工作状态具体包括：

对于单独每个振动装置来说，振动装置的工作状态主要分为2个：振动状态和停止状态。

其中，工作状态中包括两个参数：幅度和频率。每个刺激装置在振动状态下的幅度和频率都是可以单独控制的，分别为调幅和调频。

调幅是指通过控制模块发出指令改变刺激装置两端的电压从而改变刺激装置的振动强度。通过调幅，人体可以分辨相应部位刺激强度的变化(强或者弱)。

调频是指通过控制模块发出指令改变刺激装置的工作状态(比如设定每1s中振动0.5s,停止0.5s为一个频率)，通过调频，人体可以感受到相应部位震感从无到有，从有到无的变化。

对于48个振动装置构成的振动阵列整体来说，由于振动阵列以6x8的矩阵形状分布在人体背部，可以在每个时刻控制其中的一部分装置产生振动，而其他的处于停止状态(比如位于阵列4个角落的装置振动，其他的停止或者位于中心的装置振动，其他的停止)，通过这种方式，可以给人体传递、表达出更多更复杂的信息。

即本实施例中，结合幅度和频率的变化，以及振动阵列中每一个刺激装置的振动和停止状态的变化，人体可以从背部的振动阵列获取不同的感受，从而得到更多的信息。

步骤S2，通过在上位机设置M×N个(本实施例中为48个)振动装置的工作状态，通过通信模块将信号发送到控制电路进行处理分析；

本实施例中，所述步骤S2-S3具体为：通过上位机设定一种表达前进的指令，如图2中的(a)图部分，深色部分为处于振动状态的触觉刺激装置，无色的部分为停止状态，上位机将相应指令通过串口发送到主控模块，在主控模块解析处理后生成相应控制指令，并发送到三层柔性板的驱动模块，驱动模块接收到控制指令后经过解析后对每个触觉刺激装置进行控制，使其按上位机设定的工作状态工作。

其中，处于工作状态的深色部分的刺激装置通过改变装置的幅度和频率，可以使人体感觉到不同的震感，传递不同的信息。比如较强的震感加上较快的频率(假设每2s振动1s,停止1s为慢，每0.5s振动0.25s，停止0.25s为快)来表示可以快步前进，震感弱加上较慢的频率表示慢走等等。

如前进指令一样，可以设定如图2的(b)图部分表达停止指令，也可以通过改变幅度和频率来表达更深层的意思。

通过结合各个部分的触觉刺激装置的工作状态的变化(停止和振动)，振动状态下幅度和频率的变化可以传递给人不同的信息。

实施例2

本实施例2对上述实施例1提出的阵列式触觉刺激控制方法的步骤S1作了进一步限定：

本实施例的步骤S1中，M×N的矩阵形状分布的振动装置阵列和控制电路均集成在FPC柔性电路板上且位于FPC柔性电路板同一表面。本发明结合FPC柔性电路板的特性，将振动装置以及控制电路各器件均集成在FPC柔性电路板上，以实现一体化布线和控制，使得整个装置结构紧凑，简单；大大提升了穿戴的舒适性。

考虑到FPC柔性电路板的特性，为了便于电路板加工设计及提高可控性，本实施例的FPC柔性电路板采用分体式设计。如图3所示，本实施的FPC柔性电路板包括一块主驱动板和两块副驱动板，其中，如图3所示的中层驱动板为主驱动板，上、下两块驱动板作为副驱动板。上、中、下三层驱动板均布设有16个振动装置(如图3中所示的圆形部分)，所述振动装置与控制电路连接。所述上层驱动板上沿长度方向且位于16个振动装置的两侧集成有控制电路，如图3所示，左侧设置有电源模块，右侧设置驱动模块，振动装置以及各个电路模块通过电路板内部走线连接。所述中层驱动板上沿长度方向且位于16个振动装置的两侧集成有控制电路，如图3所示，左侧设置有电源模块，右侧设置驱动模块，右侧还设置有主控模块和通信模块，振动装置以及各个电路模块通过电路板内部走线连接。所述下层驱动板上沿长度方向且位于16个振动装置的两侧集成有控制电路，如图3所示，左侧设置有电源模块，右侧设置驱动模块，振动装置以及各个电路模块通过电路板内部走线连接。所述上、中、下三层驱动板上的振动装置构成6×8的矩阵式振动装置阵列，如图3所示；且本实施例的振动装置和控制电路均布设在柔性电路板的同一表面。在另外的优选实施方式中，也可以根据实际需要，或者布设位置，可以将FPC柔性电路板设置为一个整体或者将FPC柔性电路板设置为两块驱动板或三块以上的驱动板。

所述上、中、下三层驱动板均包括柔性电路板主体，柔性电路板主体沿宽度方向向外延伸形成圆形接口，用于连接安装圆形振动装置，减小了圆形振动装置与柔性电路板主体之间的连接面积，有效降低了圆形振动部分对柔性电路板的影响。

本实施例中，所述上、中、下三层驱动板的柔性电路板主体边缘均设有多个连接孔，通过该多个连接孔能够将电路板固定在可穿戴装置上。

本实施例中，上、中、下三层驱动板通过FPC连接器实现连接，所述中层驱动板包括2个FPC连接器，所述上、下层驱动板分别包括1个FPC连接器，所述中层驱动板分别通过1个FPC连接器与上、下层各自的FPC连接器相连，相关控制指令通过FPC连接线传输，上位机通过通信模块与主控模块进行通信：使用USB线通过串口通信模块(有线通信模块)与主控模块进行串口通信；或者通过蓝牙模块、wifi模块等无线通信模块与主控模块进行串口通信。

本实施例中，通过FPC连接器，实现由中层驱动板的主控模块与上、下层驱动板的驱动模块的通信连接，如图4所示。由使用者在上位机设置48个振动装置的工作状态，通过通信模块将信号发送到中层驱动板的主控模块，原始信号在主控模块进行分析处理，将该处理之后的信号生成控制指令，通过柔性电路板内部的走线(中层驱动板)或者FPC链接(上、下层驱动板)将指令发送到驱动模块中，驱动模块接收到控制指令并解析，驱动振动装置按照上位机设定的工作状态工作。

本实施例中，所述振动装置的工作状态包括振动状态和停止状态；且所述振动状态包括两个参数：幅度和频率；每个振动装置在振动状态下的幅度和频率由控制电路单独控制，通过振动阵列中每个振动装置的不同工作状态，以传递不同的信息。本发明通过单独的、精确的控制每个振动装置的工作状态，以传递多样化且准确可靠的信息。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.阵列式触觉刺激控制方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S1，设置以M×N的矩阵形状分布的振动装置阵列，由控制电路单独控制每个振动装置的工作状态；其中，M和N均为正整数且

，

；所述步骤S1中，M×N的矩阵形状分布的振动装置阵列和控制电路均集成在FPC柔性电路板上且位于FPC柔性电路板同一表面；所述FPC柔性电路板包括一块主驱动板和至少一块副驱动板；所述主驱动板通过FPC连接器与副驱动板进行通信连接；所述主驱动板布设有多个振动装置；每块副驱动板上均布设有多个振动装置；所述主驱动板上的多个振动装置和至少一块副驱动板上的多个振动装置排列构成M×N矩阵形状分布的振动装置阵列；

步骤S2，通过在上位机设置 M×N个振动装置的工作状态，通过通信模块将信号发送到控制电路进行处理分析；

2.根据权利要求1所述的阵列式触觉刺激控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，M×N的振动装置阵列中每一行相邻两个振动装置中心点之间的间距为35mm，每一列相邻两个振动装置中心点之间的间距为65mm。

3.根据权利要求1所述的阵列式触觉刺激控制方法，其特征在于，每个振动装置的工作状态均包括振动状态和停止状态；且所述振动状态包括两个参数：幅度和频率；每个振动装置在振动状态下的幅度和频率均由控制电路单独控制，通过控制振动装置阵列中每个振动装置的不同工作状态以及控制每个振动装置在振动状态下的幅度和频率，以传递不同的信息。

4.根据权利要求1所述的阵列式触觉刺激控制方法，其特征在于，所述控制电路包括所述主驱动板上布设的电源模块、驱动模块、主控模块和通信模块，以及每块副驱动板上布设的电源模块和驱动模块；所述主控模块通过通信模块与上位机通信连接；所述主驱动板上的驱动模块和每块副驱动板上的驱动模块均与主控模块通信连接，所述主驱动板上的驱动模块与主驱动板上的振动装置通信连接，所述副驱动板上的驱动模块与副驱动板上的振动装置通信连接；由电源模块为各自驱动板上的模块供电。

5.根据权利要求4所述的阵列式触觉刺激控制方法，其特征在于，所述主驱动板和至少一块副驱动板均包括柔性电路板主体，每个振动装置分别由柔性电路板主体沿宽度方向向外延伸形成，多个振动装置沿柔性电路板主体长度方向阵列设置，各个电路集成设置在柔性电路板主体长度方向且位于多个振动装置两侧。

6.根据权利要求5所述的阵列式触觉刺激控制方法，其特征在于，所述通信模块为有线通信模块或无线通信模块。