CN111164541A - 用于模拟和传送接触性外源感受的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及信息技术，并且被设计为用于模拟由于刺激位于手掌的内侧和外侧以及手指上的感受器而发生的触觉外源感受的手套。一种设备例如由其上布置有刺激器的纺织材料制成，所述刺激器通过皮肤表面直接影响感受器并模拟触感。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术，并且可以用于模拟由于使用计算机、移动电话和其它电子设备刺激位于皮肤表面上的感受器而产生的触觉外源感受。
特别地，本发明提供了一种具有振动、接触、运动、加热和冷却元件的手套形式的设备，所述元件用于刺激感受器以模拟触觉外源感受。
背景技术
当前，已知使用一系列游戏控制器和游戏手柄，游戏控制器和游戏手柄是带按钮的双手遥控器和作为反馈装置的具有振动功能的对称放置的拇指模拟操纵杆。然而，这样的设备在间歇时刻仅将一般振动传送到用户的手。
美国专利No.6,677,932描述了一种用于识别触摸打字并为用户创建触觉反馈的系统和方法。该设备提供触觉反馈以模拟按下机械按钮。该发明的目的是当在键盘上打字时提供触觉反馈，以防止手指误击经过按钮。在该过程中，仅对触摸按钮进行模拟，并且仅释放音频或振动信号。
美国专利No.8,139,803中描述了一种用于向人体施加振动的系统和方法。该振动系统包括能够将电信号转换成振动的振动器。在一种情况下，振动器位于胸肌上或人体附近位于胸肌上，并且距胸骨一定距离。在另一实施例中，振动器位于人体上或人体附近，以便在人体表面上产生振动。所描述的设备不模拟触感的传送，因为它仅将振动感传送到胸部区域或附近。
虚拟现实的手套有许多变型，其中包含用于手指的定位和移动的传感器，以控制虚拟现实程序中的“虚拟手”。一些手套包含振动驱动系统，其提供反馈并模拟触感。此类手套的示例是Dextra Robotics公司(http://www.dextarobotics.com)的Dexmo手套，Peregrine手套(http://theperegrine.com)，和Manus VR手套(https://manus-vr.com)。
然而，已知的手套并未提供全部的触感，包括对虚拟现实中的物体的振动、触摸、移动、质地和温度的感知。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于模拟各种触感的紧凑、易于制造和使用的设备，以及用于使用该设备模拟各种触感的方法。
此目标通过形成手套形式的设备来实现，该设备使用感受野(receptive field)上的触觉致动来模拟触感。所提出的设备简单且易于使用，并且允许在便携式和移动模式下感知模拟现实。
本发明的设备包括：
-由弹性材料制成的手套，
-机械、动态和热效应的刺激物，其固定于手套区域，并在Meissner、Pacinian、Ruffini和Krause的机械性刺激感受器以及Merkel神经末梢的位置区域与手指和手掌接触，
-控制和通信单元，其连接到这些刺激物并与计算机或智能手机的控制软件进行通信，
-电源。
本发明的一个实施例是一种手套形式的设备，用于借助于位于其中的刺激物来模拟皮肤上(在此示例中，手指和手掌上)的接触性外源感受，所述刺激物彼此同步并且传送机械、动态和热致动，即振动、压缩、膨胀、位移、压力、加热和冷却的致动。
在一个实施例中，本发明可附加于使对象、事件或所传送的感受可视化来使用，以创建最具感知性的图像。
在一个实施例中，本发明的设备包括用于形成触感的触觉刺激器，其位于手指的指尖和手掌上。
在一个实施例中，本发明的设备包含用于模拟振动感的振动刺激物，其位于手指趾骨内侧以及手的内侧。
在一个实施例中，本发明的设备包括用于模拟温度感的热刺激物，其位于手的内侧和外侧。
在一个实施例中，本发明的设备包括设在手腕上的固定构件。
在根据本发明的方法的一个实施例中，通过上述设备来实现对接触性外源感受的模仿和接收。所传送的感受是通过由刺激器执行的对手指和手掌上的感受器的顺次或同时致动而形成的，所述刺激器通过设备的控制和通信单元由安装在以有线或无线方式连接到设备的计算机或智能手机上的软件控制。
附图说明
图1示出了手套形式的根据本发明的设备的一个实施例，其中手套的手掌内侧上的字母“B”标记感受致动的区域。
图2标注了手掌内侧的感受野上包含所有被刺激的触觉机械性刺激感受器的最大积累的最有效感受致动区域。
图3标识了手掌内侧上称为Meissner体的触觉机械性刺激感受器的最大积累区域。
图4标识了手掌内侧上称为Pacinian体的触觉机械性刺激感受器的最大积累区域。
图5标识了手掌内侧上称为Merkel神经末梢的触觉机械性刺激感受器的最大积累区域。
图6标识了手掌内侧上称为Ruffini体和Krause体的触觉机械性刺激感受器的最大积累区域。
图7示出了在食指指尖区域中的感受野上的致动元件布置的一个变型。
具体实施方式
在本发明中使用的术语“外源感受”是指通过来自外部世界的信息带给人意识的感受。
由根据本发明的设备产生的优选的外源感受是接触性外源感受，即触觉和温度感受。
在根据本发明的设备中，使用一种接收信息的触觉方法来产生接触性外源感受。各种外部刺激物通过暴露于感受野来模仿感受。
在一个实施例中，提供了一种手套形的设备(见图1)，其中作用在感受野上的刺激物位于手指指骨的内侧和手掌的内侧。
刺激物的致动被引向触觉机械性刺激感受器，其感知诸如触摸、压力、皮肤拉伸和温度变化的现象。在该感受野中受影响的元件是具有缺失的髓磷脂层和神经胶质的自由神经末梢，Meissner、Pacinian、Ruffini和Krause的触觉机械性刺激感受器的体，以及Merkel神经末梢。
可在由牛津大学的Sinauer Associates于2001年发行的《神经科学》(第二版)一书中找到对机械性刺激感受器的一般功能和特性的详细说明。相应的章节可从https:// www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11162/获得：。
对Meissner、Pacinian、Ruffini和Krause的机械性刺激感受器的指出了其功能的描述公开于D.J.Taylor、N.P.O.Green、G.W.Stout、R.Soper的著作“Biological Science1&2”(v.2，第三版，1997年，剑桥大学出版社)第16.5.1节“机械性刺激感受器”和第16.5.2节“热感受器”中。特别地，在所引用的著作中，声称被称为Meissner体的特殊感受器对触觉作出响应，所述感受器位于表皮下，并由封装在充满液体的胶囊中的一个盘绕的神经末梢组成。在皮肤、关节、肌腱、肌肉和肠系膜中，存在由被结缔组织板包围的一个神经元的末梢组成的Pacinian体。这些感受器对压力作出响应。其还指出，真皮中有两种类型的感受器可引起温度敏感性：对热作出响应的Ruffini体和对冷作出响应的Krause锥。
以下文献中描述了感知触觉刺激的Merkel体(或Merkel盘)、其位置和功能：Halata Z.，Baumann K.I.，Grim M.，Merkel神经末梢在椎骨中起机械性刺激感受器的作用//Merkel细胞：结构-发育-功能-癌发生/Baumann K.I.，Halata Z.，Moll I.(编)。—柏林海德堡：Springer Verlag，2003年。
在根据本发明的设备的一个实施例中，感受野中的致动区域被限定在相应的触觉机械性刺激感受器的最大集中度位置(见图2)。
通过利用直接刺激感受神经元在触觉机械性刺激感受器上的感受野中起作用，可以模拟不同感受。
例如，通过改变在30至40Hz的频率范围内与致动区域中的皮肤接触的压电元件的形状产生交变电流来在感受野上提供振动致动形式的刺激，称为Meissner体的触觉机械性刺激感受器被激活。它们的最大积聚(拥挤，congestion)在图3中标出。由于所述体在表皮中的表面位置，这种致动模拟了较弱的直接触摸。
在频率范围为70至800Hz的振动致动形式的致动过程中，称为Pacinian体的触觉机械性刺激感受器被激活。其最大积聚区域在图4中标出。此致动模拟了强烈的直接接触。
在同时致动Merkel神经末梢的过程中(在图5中标出了最大积聚区域)，通过使皮肤表面在1至2毫米范围内在刺激区域内移位来进行该致动，同时维持皮肤表面在与刺激器的接触区域中的接触。该致动导致暴露区域的周界后方的皮肤表面的轻微张力，该张力与对触摸的模仿相结合模拟了致动区域的表面上的触摸运动的感受。
同时，触觉机械性刺激感受器(即Pacinian体)上的宽频率范围致动允许通过短期改变暴露频率来模拟表面质地，从而模拟光滑或粗糙的表面。
沿着感受表面同时和定向致动振动刺激器和位移刺激器可以模拟沿着表面的运动的触摸方向。在这种情况下，锐度(sharpness)和位移程度与上述的振动致动速度的增加或降低相结合模拟了移动开始的锐度和在表面上的移动速度。
通过在感受野的区域中施加热致动至0.17mm以上的深度，触觉机械性刺激感受器(即Ruffini体)被激活。在图6中标出了它们的最大积聚区域。这些感受器是热敏感受器，其与上述致动相结合模仿被触摸的模拟表面温度升高的感受。热致动例如可以借助于在感受区域中与皮肤接触的热元件来执行。可以使用称为Peltier元件的热敏元件。该元件由两个不同的导体组成。当电流通过两个不同导体的连接处时，该处的能量释放导致发热。
通过在感受野的区域中施加冷却致动至0.3mm以上的深度，触觉机械性刺激感受器(即Krause体)被激活。在图6中标出了它们的最大积聚区域。这些感受器是冷敏感受器，其与上述致动相结合模仿被触摸的模拟表面的温度降低的感受。热致动可以例如借助于在感受区域中与皮肤接触的热元件来执行。可以使用称为Peltier元件的热敏元件。该元件由两个不同的导体组成。当电流通过两个不同导体的连接处时，该处的能量吸收导致冷却。
特别地，在使用Peltier元件的本发明的该描述的实施例中，可以在+40度至-5度的范围内改变暴露区域的温度——这可以通过改变电流的方向和强度来调节，同时保持在暴露区域中与皮肤表面的接触。
通过例如借助于原始的机械元件和方法在感受野的区域中施加机械压力，触觉机械性刺激感受器(即Pacinian体)被激活。这些感受器也是压敏感受器，其激活模拟了表面上的压力感。
通过结合由单个系统调节和控制的上述模拟过程，可以实现对沿表面的移动方向、可触摸的压纹纹理的形成、触摸该表面的强度以及表面温度的模拟。
通过优选地经由Wi-Fi或蓝牙无线连接而连接到指定刺激器的控制和通信单元，由安装在计算机或智能手机上的软件来进行对位于根据本发明的设备上的刺激器的控制。
该设备由位于指定设备上的电源供电。
在图1中示出了根据本发明的设备的一个实施例。
例如，为了使用根据本发明的手套形设备来模拟张开的手掌沿着垂直、平滑的冷表面从顶部到底部的缓慢轻触移动，必须通过以下刺激物同时作用在图2中限定的感受野上：
-恒定频率在200至500Hz的范围内的振动刺激器，
-皮肤表面向上移动0.3至0.5mm的刺激器，
-温度范围为12至18摄氏度的冷却刺激物。
对于本发明的手套状形式的设备，在图7中示出了作用在食指区域中的感受野上的刺激物的替代的一个变型。
尽管以上详细描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到可以进行修改和等同替换，并且这种修改和替换在由所附权利要求限定的本发明的范围内。
Claims (4)
1.一种用于模拟和传送接触性外源感受的设备，包括：
-由弹性材料制成的手套，
-机械、动态和热效应的刺激物，其固定于手套区域，并在Meissner、Pacinian、Ruffini和Krause的机械性刺激感受器以及Merkel神经末梢的位置区域与手指和手掌接触，
-控制和通信单元，其连接到所述刺激物并与计算机或智能手机的控制软件进行通信，
-电源。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述刺激物位于手掌和手指指骨的内侧和外侧。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括设在手腕上的固定构件。
4.一种使用根据权利要求1所述的设备通过刺激感受器来模拟和传送接触性外源感受的方法，其中：
-通过Meissner和Pacini的触觉机械性刺激感受器的振动刺激，模仿对表面质地的感受，
-通过与皮肤的位移对Merkel神经末梢的刺激同步进行的Meissner和Pacini的触觉机械性刺激感受器的振动刺激，模仿对沿着该表面的定向触摸运动的感受，
-通过Ruffini和Krause的触觉机械性刺激感受器的热刺激，模仿对表面温度的感受，
-通过Pacini触觉机械性刺激感受器上的压力，模仿对触摸该表面的感受。
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