CN113031771A - 一种穿戴式振动触觉体感装置及控制方法 - Google Patents

一种穿戴式振动触觉体感装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种穿戴式振动触觉体感装置及控制方法，所述穿戴式振动触觉体感装置包括弹性材质的穿戴件，穿戴件上设有沿穿戴件中心的呈圆形分布的多个振动电机，每个振动电机均与外置控制终端通信连接；所述控制终端根据预设的输入刺激强度和输出振动强度之间的映射关系进行振动电机的振动幅值设定；本公开采用振动反馈机制，将触觉刺激和本体觉刺激转化编码为易被人体感知的振动刺激，振动刺激由穿戴式的振动装置产生，佩戴者经过短时的训练，可以习得由触觉刺激和本体觉刺激到振动刺激的映射关系，之后便可以高效地由振动刺激实时获得相关输入刺激的程度，极大的提高了振动感知的准确性。

Description

一种穿戴式振动触觉体感装置及控制方法
技术领域
本公开涉及穿戴式触觉体感装备技术领域，特别涉及一种穿戴式振动触觉体感装置及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
人类的肢体具有精密的触觉感知系统，这种精细的触觉感知是灵巧精细运动的重要基础。当用手臂碰触物体时，皮肤内的机械刺激感受器会将获得的振动感觉转化为触觉信号传递给中枢神经系统；中枢神经系统会将来在肢体的触觉感知与本体感知、视觉感知相融合，通过分析、决策与规划，向外周神经发送运动命令，调动肢体关节完成相应的运动。这种感知与运动的融合机制是人体精确运动控制的核心。
然而，多种中枢性或外周性的神经病变或损伤将导致触觉感知灵敏度降低，导致中枢神经系统对周围环境的实时接触感知能力降低，进而严重影响了精细运动控制功能。另一方面，在中国当前存在两千万以上的肢体残疾人士。他们有些在肢体截肢以后佩戴了人工假肢，但是当前假肢手最紧迫的问题是缺乏安全有效的触觉感觉反馈。据统计，只有50％-60％的截肢者选择佩戴假肢装置。主要原因是从假体到使用者的触觉反馈很小甚至可以忽略不计，这大大限制了假肢手的控制性能和适配效果。除上述两方面外，随着通信技术的发展，目前例如远程手术、远程拆弹机器人等技术开始出现。虽然现在凭借沉浸式虚拟现实等技术可以提供逼真的现场式的视觉反馈，但是操作者依然急需一种合理的触觉反馈装置提供真实的触觉和本体觉的反馈。
发明人发现，目前的感觉重建系统主要着眼于在人-物理设备之间建立合适的神经接口，可以将物理设备的信号转化为易用的神经刺激，这样建立的物理设备和人体之间的感觉反馈通路和运动控制可以达到闭环控制的效果，但目前仍未有基于多通道调制系统的振动刺激器，无法实现对精确力量的触觉感知增强。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种穿戴式振动触觉体感装置及控制方法，采用振动反馈机制，将触觉刺激和本体觉刺激转化编码为易被人体感知的振动刺激，振动刺激由穿戴式的振动装置产生，佩戴者经过短时的训练，可以习得由触觉刺激和本体觉刺激到振动刺激的映射关系，之后便可以高效地由振动刺激实时获得相关输入刺激的程度，极大的提高了振动感知的准确性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种穿戴式振动触觉体感装置。
一种穿戴式振动触觉体感装置，包括：弹性材质的穿戴件，穿戴件上设有沿穿戴件中心的呈圆形分布的多个振动电机，每个振动电机均与外置控制终端通信连接。
作为可选的实施方式，各个振动电机为尺寸和型号相同的圆片振动电机。
本公开第二方面提供了一种穿戴式振动触觉体感装置控制方法。
一种穿戴式振动触觉体感装置控制方法，利用本公开第一方面所述的穿戴式振动触觉体感装置；
根据预设的输入刺激强度和输出振动强度之间的映射关系进行振动电机的振动幅值设定。
作为可选的实施方式，根据最大输入刺激强度、感觉下限阈值、振动电机的最小电压和当前输入刺激强度，得到振动幅值。
进一步的，设定预设幅值取值范围，根据振动电机的最小电压和电压控制器的额定电压得到电压最小幅值；
如果当前输入刺激强度小于感觉下限阈值，则返回电压最小幅值；
如果当前输入刺激强度大于或等于最大输入刺激强度，则返回预设幅值取值范围的最大值；
否则，振动幅值为：当前输入刺激强度与感觉下限阈值的第一差值同最大输入刺激强度与当前输入刺激强度的第二差值的商再同255的乘积。
作为可选的实施方式，当输入刺激为带有方向性的矢量时，用相邻的两个振动电机振动的组合表示刺激的大小和方向。
作为可选的实施方式，根据振动幅值的大小A和刺激的方向单位矢量[x0，y0]，得到振动的电机序号[m0，m1]和振动幅值[A0，A1]，包括：
根据方向单位矢量计算矢量和x轴夹角：
Figure BDA0002988998640000031
其中α向下取整；
[m0,m1]＝[(α/90)mod4,(α/90)mod4+1]，其中所有浮点运算结果均为向下取整；
[A0,A1]＝[Acosα,Asinα]。
作为可选的实施方式，控制终端通过微处理器与振动电机连接，控制终端与微处理之间通信的单个数据报文包括3个字节的报头、2～8个字节的可变长度的振动数据以及一个字节的校验和。
作为可选的实施方式，将振动装置的振幅主动从零连续增大，以使用者能够最低限度的感觉到振动时的振幅为振动输出的强度下限。
作为可选的实施方式，采用先视觉训练后无视觉训练的方式，当实际刺激和目标刺激的跟随误差小于预设阈值时，训练完成。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的穿戴式振动触觉体感装置及控制方法，采用振动反馈机制，将触觉刺激和本体觉刺激转化编码为易被人体感知的振动刺激，振动刺激由穿戴式的振动装置产生，佩戴者经过短时的训练，可以习得由触觉刺激和本体觉刺激到振动刺激的映射关系，之后便可以高效地由振动刺激实时获得相关输入刺激的程度，极大的提高了振动感知的准确性。
2、本公开所述的穿戴式振动触觉体感装置及控制方法，可用于中枢性及外周性神经疾病或损伤后的触觉感知增强、截肢后灵巧假肢手的触觉感知替代、远程虚拟操控的触觉感知生成，适用范围广。
3、本公开所述的穿戴式振动触觉体感装置及控制方法，为触觉和本体感觉等刺激反馈提供了一种可行的替代方案，将任何可量化的输入刺激作为输入，建立在输入刺激和输出振动刺激之间的映射关系，以用振动电机产生的振动刺激代替原有的反馈通路。
4、本公开所述的穿戴式振动触觉体感装置及控制方法，设计了一套通信协议实现上位机和振动控制器之间的安全可靠数据传输，使用放大电路驱动电机工作，通过预设的训练方式实现了与穿戴装置的快速适应，极大的提高了其适用性。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的袖带结构示意图。
图2为本公开实施例2提供的电机的驱动电路和通信框图。
图3为本公开实施例2提供的训练模式示意图。
图4为本公开实施例2提供的训练流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本公开实施例1提供了一种穿戴式振动触觉体感装置，整个振动装置包括8cm*20cm的高弹性布料制成的袖带，布料的弹性保证了附着在上面的振动电机在工作的时候不会带动其余部分产生振动，导致佩戴人难以分辨。4枚振动电机粘贴在布料正中间，呈圆形分布，彼此之间的距离也保证振动时互不影响。电机选用5mm的圆片振动电机，电机最小振动电压为1.3V，最大输入电压为5V。袖带中间偏右设有漏洞，在手部使用时可以套在拇指上，也可以直接缚在上臂处，袖带两端有尼龙搭扣以方便佩戴和取下。
袖带的结构如图1中的A所示，振动模式如图1中的B所示。1，2，3，4分别为位于四个位置的振动电机，其输入导线没有画出，代码一中对应的电机代号也为1，2，3，4，虚线圆代表四枚电机位于袖带中心的半径为3cm的圆上等距离分布，5为袖带中间的空洞，用于手部时需要将拇指从此洞穿过，起固定作用，6为袖带本体布料，使用高弹性尼龙布制成，7为袖带两侧均有的尼龙搭扣。
图1中的(B)描述了振动电机如何工作，4个电机的颜色深度代表振动的幅度，8是输入刺激的向量，左图刺激呈45°的小模量的刺激，电机1和3都进行同等的小幅度的振动，中图是45°的大模量的刺激，1和3进行同等的大幅度的振动，右图则是70°的大模量刺激，电机1进行较高幅度的振动，3则进行较小幅度的振动。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，用于将输入刺激转化为振动刺激，由于人体感知振动刺激的效果依赖于皮肤触觉的灵敏程度，所以开始使用前需要根据第四部分的指引测试皮肤触觉灵敏度以确定振动输出的强度下限。
由于振动电机的振动幅度和频率均与输入直流电压在1.3V-5V之间成线性关系，故将电机的工作电压设置在这个线性工作区。如果将电机输入电压设置为输入刺激强度的线性函数后，就在输入刺激强度和输出振动强度之间建立起线性映射关系。实际运用中，使用单片机的脉冲宽度调制(Pulse-width modulation，pwm)波作为模拟输出电压控制，其幅值取值在[0，255]的整数域。如果输入刺激为带有方向的量，例如不同方向的本体觉刺激，可以使用不同电机的振动强度组合表示不同方向。
假设电机控制器的额定电压为V0具体算法如下：
Figure BDA0002988998640000071
如前所述，如果输入刺激是带有方向性的矢量，例如感知某物的运动的速度，刺激不仅有速度的大小，亦有运动的方向。此时可以用相邻的两个电机的振动的组合表示刺激的大小和方向。以速度刺激为例，两个相邻的电机振动时，其分别的振动幅度表示了在这个方向的运动分解矢量的大小。下面的算法二描述了如何根据算法一的无方向输出和方向信息计算得到组合电机振动的信息。
Figure BDA0002988998640000081
本实施例中，上位机在根据输入刺激得到相关振动控制信息后，需要将信息通信给电机控制单元。通信方式为蓝牙通信，可以保证室内10m情况下的稳定传输。由于输入刺激的种类不同，所以控制信息可能是一个电机的振动或是两个电机，因此必须设置有效的通信协议格式保证信息的正确解读。通信协议基于字节流的自定义的数据报。单个数据报包括3个字节的报头，2到8个字节的可变长度的振动数据，一个字节的校验和。
其中报头第一个字节为整段数据的长度，以字节为单位，取值范围为[6，12]，后面两个字节为16bit长度的序列号，表明这个数据报的序号，序号的计算为上一个数据报的序号加上上一个数据包数据长度，代表当前负载的数据的字节序号。振动数据以每两个字节为一个单位，第一个字节取值范围为[0，4)，表示各个电机的序号，后续一个字节取值范围为[0，255]代表这个电机的振动幅度。最后一个字节为校验和，由上位机发送时计算，其为之前所有字节的加和的后八位。
单片机接收到数据报时，需要按照下面的伪代码解析数据报，并核对校验和，如果校验无误，应该执行振动命令，将对应电机调制至相应幅度，并回复给上位机当前序列号加一。这个回复命令可以直接忽略，也可以用于拓展丢包重传功能，或者统计通信效率等功能。单片机解析数据报的伪代码如下，其中Serial为输入的工作串口描述符，READ-BYTES从指定的文件描述符中读取指定字节，EXCUTE-MOTOR使用输入的四个电机按顺序排列的震度幅度的数组，使各个电机开始工作。
Figure BDA0002988998640000091
电机的放大驱动电路采用有源负反馈放大电路设计，单片机输出的pwm波形经过整流成为直流电流，之后作为放大电路的输入。放大电路的放大倍数为10-100倍之间，经过放大的直流电流可以直接控制直流振动电机的工作。
图2中的A图中的1、2为pwm输入端口，3、5、7、10为电阻，5和7的电阻值相等，保证电压的放大倍数为2倍，4为22微法的电容，用于滤除高频电流，6为运算放大器，8为5-9V的电压源，9为NPN型三极管，用于放大电流，11、12为连接电机的输出端。B图描述了整个系统的主要组成部分和信息流动的方向。
本实施例中，为了使佩戴者快速学习不同输入刺激和输出振动刺激之间的映射关系，采用了一种带有视觉反馈的主动训练系统，让佩戴者在视觉引导下积极学习这种映射关系，视觉引导主体界面如图3中的A图所示。以输入刺激为力的反馈为例，使用者将手指捏在抓握装置两端，训练开始时，中间液罐出现两条横线，实线的一条为的高度代表目标力水平线，其按正弦幅度变化，上下摆动。虚线的高度代表使用者当前的实际捏力。使用者需要积极调整自己的捏力以使实际力线跟随目标线运动，期间振动装置持续根据捏力大小进行振动反馈，使用者在这种方式引导下学习力大小和振动强度的联系。
图3描述了使用本实施例所述系统进行使用训练的模式，A图是视觉引导的界面，1为显示器，4为显示器中间显示的液罐，2为目标线的液面，3为使用者控制的实际液面，使用者需要控制3尽可能接近2。B图为使用者的佩戴反馈袖带的左手，5表示图1(A)中展示的袖带。C图是使用者训练时的示意图，使用者左手佩戴袖带，右手控制刺激输入设备，面朝显示器端坐进行训练，6表示刺激输入设备。
整个训练的流程如图4所示，训练开始前需要将振动装置的振幅主动从0连续增大，直到使用者可以最低限度的感觉到振动，此时的值作为算法一的输入。训练流程每次进行3分钟，休息1分钟后进行时长30秒的测试程序，此时使用者需要在没有视觉反馈条件下根据振动强度施加不同大小的力，实际力和目标力的跟随误差小于阈值时即认为使用者的训练已经完成，训练流程结束。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穿戴式振动触觉体感装置，其特征在于：
包括：弹性材质的穿戴件，穿戴件上设有沿穿戴件中心的呈圆形分布的多个振动电机，每个振动电机均与外置控制终端通信连接。
2.如权利要求1所述的穿戴式振动触觉体感装置，其特征在于：
各个振动电机为尺寸和型号相同的圆片振动电机。
3.一种穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，其特征在于：
利用权利要求1或2所述的穿戴式振动触觉体感装置；
根据预设的输入刺激强度和输出振动强度之间的映射关系进行振动电机的振动幅值设定。
4.如权利要求3所述的穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，其特征在于：
根据最大输入刺激强度、感觉下限阈值、振动电机的最小电压和当前输入刺激强度，得到振动幅值。
5.如权利要求4所述的穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，其特征在于：
设定预设幅值取值范围，根据振动电机的最小电压和电压控制器的额定电压得到电压最小幅值；
如果当前输入刺激强度小于感觉下限阈值，则返回电压最小幅值；
如果当前输入刺激强度大于或等于最大输入刺激强度，则返回预设幅值取值范围的最大值；
否则，振动幅值为：当前输入刺激强度与感觉下限阈值的第一差值同最大输入刺激强度与当前输入刺激强度的第二差值的商再同255的乘积。
6.如权利要求3所述的穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，其特征在于：
当输入刺激为带有方向性的矢量时，用相邻的两个振动电机振动的组合表示刺激的大小和方向。
7.如权利要求3所述的穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，其特征在于：
根据振动幅值的大小A和刺激的方向单位矢量[x0，y0]，得到振动的电机序号[m0，m1]和振动幅值[A0，A1]，包括：
根据方向单位矢量计算矢量和x轴夹角：
Figure FDA0002988998630000021
[m0,m1]＝[(α/90)mod 4，(α/90)mod 4+1]；
[A0,A1]＝[A cosα,A sinα]；
其中，α向下取整，所有浮点运算结果均为向下取整。
8.如权利要求3所述的穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，其特征在于：
控制终端通过微处理器与振动电机连接，控制终端与微处理之间通信的单个数据报文包括3个字节的报头、2～8个字节的可变长度的振动数据以及一个字节的校验和。
9.如权利要求3所述的穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，其特征在于：
将振动装置的振幅主动从零连续增大，以使用者能够最低限度的感觉到振动时的振幅为振动输出的强度下限。
10.如权利要求3所述的穿戴式振动触觉体感装置的控制方法，其特征在于：
采用先视觉训练后无视觉训练的方式，当实际刺激和目标刺激的跟随误差小于预设阈值时，训练完成。
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