CN112905016A - 一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置。包括左右手套、集控板、接继板、温变片、振动件和轻质电缆；每个手套的五个手指尖的指腹位置均布置有振动件，每个手套的手背的中部均布置有温变片；轻质电缆分为前后轻质电缆，每个手套的振动件和温变片经前轻质电缆和接继板连接，两块接继板经后轻质电缆和集控板连接；虚拟场景的触觉信号通过蓝牙无线传输给集控板，经过集控板的信号处理传输给温变片和振动件，产生可被人手皮肤感知的冷热感和震动感的多模态触觉。本发明体积小、重量轻、成本较低、安装方便、便于携带且不妨碍双手自然人机交互，能够再现虚拟场景的多模态触觉信息，为感知增强现实环境的虚拟触觉信息提供感知方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种触觉反馈装置，尤其是涉及一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置。
背景技术
增强现实技术是一种把真实世界和虚拟世界进行无缝融合的新技术，把原本在现实世界的一定时空范围内很难体验到的信息，通过显示技术、交互技术、传感技术和CG技术等，将虚拟信息呈现到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。
然而，目前增强现实的虚拟信息主要表现在视觉感知和听觉感知，还较少涉及触觉感知。作为人体分布最广且最基本的感觉，触觉列为“五感”之首，被誉为人类认知世界之母。因此，很有必要实现增强现实环境的触觉信息感知，给用户呈现一个触觉真实的新环境，拓宽增强现实技术在军事、医疗、建筑、教育、工程、影视和娱乐等领域的应用。
触觉信息感知是指利用计算机和特定的算法来计算用户与虚拟环境之间的交互作用，然后使用触觉反馈设备在用户身上复现，刺激皮肤中的各种感受小体使人们真实地感受到虚拟环境中的触觉信息。当前的研究工作已经通过不同的执行器实现了振动、温度、压力等多种触觉信息反馈。
在振动触觉反馈的相关研究工作中，Zeng等人研制了一种可以放置在眼睛周围的装置，该装置采用柔性振动器(12*12*6mm)产生震动感觉。他们通过两种虚拟场景，研究了震动在改善VR沉浸感中的作用。Yu等人研发了一种可覆盖于皮肤表面的无创装置，通过调节32个制动器，实现震动触觉的模拟。Ninu等人研制了一种可以独立调节振动幅度和频率的触觉刺激装置。Dharma等人提出了一种由60个振动触觉执行器组成的触觉背心，可以产生具有复杂空间和时间特性的多种触觉模式。Lehman等人研制的FeelSleeve触觉装置，采用压电驱动，通过调节音频激励器的激励电场来产生震动。
在温度触觉反馈的相关研究工作中，Chen等人提出热感是材料识别的重要因素之一，Ho等人验证了温度信息在材料识别和定位中的作用。陈从颜等人设计了一种基于复合帕尔贴模块的温度触觉感知模块，并分析了其应用在特殊人群导航领域的可行性。Peiris将帕尔贴集成在HMD设备中，直接向使用者面部提供温度反馈，提高了交互时的沉浸感。Peng采用热反馈模拟了一种穿透身体的感觉。
虽然上述研究工作实现了不同使用场合下的单模态触觉反馈，但是对于增强现实环境中多模态触觉信息感知而言仍有不足。Song等人设计了一种采用振动、温度和压力变化实现信息提醒的腕带式设备。Ranasinghe等人研制了一款头盔式触觉感受装置，可以感受风和温度。他们在头盔的脑后部添加了一个小型精油瓶，通过压电扩散器和导管将精油喷到鼻子的位置，并使用微型风扇将挥发性精油吹入鼻腔，同时在头盔下部添加风扇，向下颌及面部吹风以产生风的感觉，并在颈部安装半导体致冷器以产生温度感觉。Wolf等人研制了一种触觉感受装置，通过在HMD设备与面部皮肤接触的一面安装半导体致冷器和微型振动器来模拟振动感和冷热感。并通过用户使用体验研究了装置的性能，结果表明该装置在游戏场景下具有较好的用户体验。
综上所述，目前触觉感知装置在多模态性、便携性和易用性等方面还存在诸多不足。本发明创新地设计了一种多模态触觉感知可穿戴装置，可以产生符合手部皮肤感知特性的冷热感和震动感，提升了增强现实环境的真实性，为自然人机交互过程中触觉反馈提供了一种可行的解决方案。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置。
本发明采取的技术方案是：
本发明主要由左手套和右手套、集控板、二块接继板、二块温变片、十个振动件、多根轻质电缆构成；每个手套的五个手指尖的指腹位置均布置有一个振动件，每个手套的手背的中部均布置有一块温变片；轻质电缆分为后轻质电缆和前轻质电缆，每个手套的振动件和温变片经各自的前轻质电缆和一块接继板连接，两块接继板经各字的后轻质电缆和集控板连接；虚拟场景的触觉信号通过蓝牙无线传输给集控板，经过集控板的信号处理分别传输给温变片和振动件，产生可被人手皮肤感知的冷热感和震动感的多模态触觉。
所述的手套是由轻质电缆和接继板构成的插拔式可穿戴结构。
所述的后轻质电缆一头的信号插头连接集控板的信号插座，另一头连到接继板；前轻质电缆的一头连接到接继板，另一头连接振动件和温变片。
所述的温变片主要由绝缘陶瓷和N型P型半导体连接构成，两片绝缘陶瓷之间通过N型P型半导体连接形成；温变片上集成了一个温阻传感器，用于实时测量和控制温度。
所述的温阻传感器主要由温度系数热敏电阻与常值电阻串联而成，用于测量温变片和手背皮肤直接接触处的温度值，并把温度值实时反馈给集控板，并对温变片进行变温控制：若温度值高于42摄氏度或低于负5摄氏度，集控板发出控制信号到温变片，停止温变片继续升温或降温。
所述的振动件包括上壳、下壳、转子、激励器；转子和激励器装在上壳和下壳组成的壳体内，转子经激励器和外部驱动器连接，外部驱动器提供控制信号经激励器使得转子振动工作。
所述的集控板包括主芯片、电源插座、多个信号插座和HC05从蓝牙模块；外置电池经电源插座给集控板上提供电源；虚拟场景的触觉信号被HC05从蓝牙模块无线接收后，发送到主芯片并经过主芯片的解析和分配，再传输给各个信号插座，其中，两个信号插座传输冷热的触觉信号，剩余的信号插座传输震动的触觉信号。
所述的接继板有左和右二块，主要由电路板以及电路板上的输入插座和输出插座组成；输入插座和输出插座的输入端分别连接集控板中用于传输震动的触觉信号的信号插座输入插座和输出插座的输出端分别连接到各个振动件的两端；输入插座和输出插座的输入端分别连接集控板的两个传输冷热触觉信号的信号插座，输入插座和输出插座的输出端分别连接到温变片的两端。
本发明的有益效果：
1.本发明提供了一种符合自然人机交互的多模态触觉感知装置，具有轻巧可穿戴的特点，不限制用户双手的自然动作，对手指关节和手腕关节零约束。
2.本发明采用插拔式结构，便于装置的携带和快捷穿戴。
3.本发明具有温度自控功能，能够有效保护用户的人身安全。
4.本发明为感知增强现实环境的虚拟触觉信息提供了硬件条件，进一步促进真实世界、虚拟世界和用户的共融。
附图说明
图1是本发明的整体外观图；
图2是本发明的集控板图；
图3是本发明的接继板图；
图4是本发明的温变片结构图；
图5是本发明的振动片结构总体图。
图6是本发明的振动片结构爆炸图。
图中：集控板(10)；接继板(20)；信号插头(30)；温变片(40)；振动件(50)；电缆(60,70)；信号插头(101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112)；主芯片(113)；电源插座(114)；HC05从蓝牙模块(115)；电路板(G)；输入插座(A,B,C,D,E,F)；输出插座(A1,B1,C1,D1,E1,F1)；绝缘陶瓷(401)；半导体(402)；温阻传感器(403)；上壳(501)；下壳(502)；转子(503)；激励器(504)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施主要由一块集控板10、二块接继板20、十二个信号插头30、二块温变片40、十个振动件50、二十四根轻质电缆60,70构成，构成了结构和功能相同的为左手套和右手套；
每个手套的五个手指尖的指腹位置均布置有一个振动件50，每个手套的手背的中部均布置有一块温变片40；轻质电缆60,70分为后轻质电缆60和前轻质电缆70，每个手套的振动件50和温变片40经各自的前轻质电缆70和一块接继板20连接，两块接继板20经个字的后轻质电缆60和集控板10连接；虚拟场景的触觉信号通过蓝牙无线传输给集控板10，经过集控板10的信号处理分别传输给温变片40和振动件50，产生可被人手皮肤感知的冷热感和震动感的多模态触觉。
如图1所示，手套是由轻质电缆60,70和接继板20构成的插拔式可穿戴结构。
后轻质电缆60一头的信号插头30连接集控板10的信号插座，另一头连到接继板20；前轻质电缆70的一头连接到接继板20，另一头连接振动件50和温变片40。
如图4所示，温变片40主要由绝缘陶瓷401和N型P型半导体402连接构成，两片绝缘陶瓷401之间通过N型P型半导体402连接形成；温变片40上集成了一个温阻传感器403，用于实时测量和控制温度。温变片40的属于半导体致冷结构。
温阻传感器403主要由温度系数热敏电阻与常值电阻串联而成，用于测量温变片40和手背皮肤直接接触处的温度值，并把温度值实时反馈给集控板10，并对温变片40进行变温控制：若温度值高于42摄氏度或低于负5摄氏度，集控板10发出控制信号到温变片40，停止温变片40继续升温或降温，以避免灼伤或冻伤手背皮肤。否则不做处理。
如图5和图6所示，振动件50包括上壳501、下壳502、转子503、激励器504；转子503和激励器504装在上壳501和下壳502组成的壳体内，转子503经激励器504和外部驱动器连接，外部驱动器提供控制信号经激励器504使得转子503振动工作。
振动件50可以依据虚拟场景的触觉信号产生不同频率和振幅的震动。
如图2所示，集控板10包括主芯片113、电源插座114、多个信号插座101-112和HC05从蓝牙模块115；外置电池经电源插座114给集控板10上各个电子元器件提供电源；虚拟场景的触觉信号被HC05从蓝牙模块115无线接收后，发送到主芯片113并经过主芯片113的解析和分配，再传输给各个信号插座101-112，其中，两个信号插座111，112传输冷热的触觉信号，剩余的信号插座101-110传输震动的触觉信号；
如图1和图3所示，接继板20有左和右二块，主要由电路板G以及电路板G上的输入插座A、B、C、D、E、F和输出插座组成A1、B1、C1、D1、E1、F1；输入插座A、B、C、D、E和输出插座A1、B1、C1、D1、E1的输入端分别连接集控板10中用于传输震动的触觉信号的信号插座111，112输入插座A、B、C、D、E和输出插座A1、B1、C1、D1、E1的输出端分别连接到各个振动件50的两端，用于传递震动的触觉信号；输入插座F和输出插座F1的输入端分别连接集控板10的两个传输冷热触觉信号的信号插座111，112，输入插座F和输出插座F1的输出端分别连接到温变片40的两端，用于传递冷热的触觉信号。
本发明能够通过温阻传感器403进行升温和降温的控制，同时通过振动件50进行振动模拟，将温度和振动进行同时处理，获得更加真实的虚拟环境穿戴感知。
本发明的工作原理如下：
虚拟场景的触觉信号通过蓝牙无线传输给集控板，经过集控板的信号处理，分别传输给温变片和振动件，生成出可被人手皮肤感知的冷热感和震动感的多模态触觉。若温阻传感器测得的温度值高于42摄氏度或低于负5摄氏度，集控板会发出控制命令，停止温变片继续升温或降温，以避免灼伤或冻伤手背皮肤。
本发明实施可见，本发明体积小、重量轻、成本较低、安装方便、便于携带且不妨碍双手的自然人机交互，能够再现虚拟场景的多模态触觉信息，可作为增强现实的触觉感知设备，为感知增强现实环境的虚拟触觉信息提供了一种可行的解决方案，可以促进真实世界、虚拟世界和用户的共融。
Claims (7)
1.一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置，其特征在于：
主要由左手套和右手套、集控板(10)、二块接继板(20)、二块温变片(40)、十个振动件(50)、多根轻质电缆(60,70)构成；每个手套的五个手指尖的指腹位置均布置有一个振动件(50)，每个手套的手背的中部均布置有一块温变片(40)；轻质电缆(60,70)分为后轻质电缆(60)和前轻质电缆(70)，每个手套的振动件(50)和温变片(40)经各自的前轻质电缆(70)和一块接继板(20)连接，两块接继板(20)经各字的后轻质电缆(60)和集控板(10)连接；虚拟场景的触觉信号通过蓝牙无线传输给集控板(10)，经过集控板(10)的信号处理分别传输给温变片(40)和振动件(50)，产生可被人手皮肤感知的冷热感和震动感的多模态触觉。
2.根据权利要求1所述的一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置，其特征在于：所述的手套是由轻质电缆(60,70)和接继板(20)构成的插拔式可穿戴结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置，其特征在于：所述的后轻质电缆(60)一头的信号插头(30)连接集控板(10)的信号插座，另一头连到接继板(20)；前轻质电缆(70)的一头连接到接继板(20)，另一头连接振动件(50)和温变片(40)。
4.根据权利要求1所述的一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置，其特征在于：所述的温变片(40)主要由绝缘陶瓷(401)和N型P型半导体(402)连接构成，两片绝缘陶瓷(401)之间通过N型P型半导体(402)连接形成；温变片(40)上集成了一个温阻传感器(403)，用于实时测量和控制温度。
5.根据权利要求4所述的一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置，其特征在于：所述的温阻传感器(403)主要由温度系数热敏电阻与常值电阻串联而成，用于测量温变片(40)和手背皮肤直接接触处的温度值，并把温度值实时反馈给集控板(10)，并对温变片(40)进行变温控制：若温度值高于42摄氏度或低于负5摄氏度，集控板(10)发出控制信号到温变片(40)，停止温变片(40)继续升温或降温。
6.根据权利要求1所述的一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置，其特征在于：所述的振动件(50)包括上壳(501)、下壳(502)、转子(503)、激励器(504)；转子(503)和激励器(504)装在上壳(501)和下壳(502)组成的壳体内，转子(503)经激励器(504)和外部驱动器连接，外部驱动器提供控制信号经激励器(504)使得转子(503)振动工作。
7.根据权利要求1所述的一种用于增强现实的多模态触觉感知可穿戴装置，其特征在于：所述的集控板(10)包括主芯片(113)、电源插座(114)、多个信号插座(101-112)和HC05从蓝牙模块(115)；外置电池经电源插座(114)给集控板(10)上提供电源；虚拟场景的触觉信号被HC05从蓝牙模块(115)无线接收后，发送到主芯片(113)并经过主芯片(113)的解析和分配，再传输给各个信号插座(101-112)，其中，两个信号插座(111，112)传输冷热的触觉信号，剩余的信号插座(101-110)传输震动的触觉信号；
所述的接继板(20)有左和右二块，主要由电路板(G)以及电路板(G)上的输入插座(A、B、C、D、E、F)和输出插座组成(A1、B1、C1、D1、E1、F1)；输入插座(A、B、C、D、E)和输出插座(A1、B1、C1、D1、E1)的输入端分别连接集控板(10)中用于传输震动的触觉信号的信号插座(111，112)输入插座(A、B、C、D、E)和输出插座(A1、B1、C1、D1、E1)的输出端分别连接到各个振动件(50)的两端；输入插座(F)和输出插座(F1)的输入端分别连接集控板(10)的两个传输冷热触觉信号的信号插座(111，112)，输入插座(F)和输出插座(F1)的输出端分别连接到温变片(40)的两端。
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2021
- 2021-03-10 CN CN202110259345.9A patent/CN112905016A/zh active Pending
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