CN113311946A - 一种面向移动终端应用的多模式指套式装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向移动终端应用的多模式指套式装置，包括控制单元和指套。控制单元包括控制模块、电源模块和蓝牙通信模块。指套包括主体框架、接口、姿态检测模块、温度模块、压电陶瓷致动器、接触平台模块、Stewart运动机构、探针阵列模块及电容触头。主体框架上方设有接口和姿态检测模块；温度模块位于手指孔的下方；手指孔的左侧设有压电陶瓷致动器；手指孔的下方设有接触平台模块；接触平台模块与Stewart运动机构相连；探针阵列模块位于接触平台模块下方。本发明通过蓝牙与移动终端通信，能对触摸屏上的文字进行盲文再现和对图像的多种特征进行触觉再现，帮助视障者方便地通过移动终端感知盲文、图像等信息。

Description

一种面向移动终端应用的多模式指套式装置

技术领域

本发明涉及指套式装置，尤其涉及一种面向移动终端应用的多模式指套式装置。

背景技术

传统向视障者传达文字和图像等信息的辅助技术主要是通过可触摸的装置或材料实现的，例如盲文书籍和物体模型是视障者最常用的学习媒介。盲文书籍是由点字板、点字机、点字打印机等在纸张上制作出不同组合的凸点而组成，一般每一个方块的点字由六点组成，盲人利用手指触摸凸点来感知对应的文字。但将盲文呈现在纸质材料上的制作成本较高、耗时长，不仅如此，盲文书籍有限，多为基础教材，且极为厚重，携带不便。物体模型可以是真实的物体，也可以由木块雕刻或3D打印制成，用于帮助盲人认知、识别和理解物体的属性信息。但物体模型普遍存在成本高、重复使用率低、功能用途单一等问题。

随着移动智能设备的普及，人们可以方便地通过触摸屏查看各种视觉信息或与虚拟信息进行交互。触摸屏具有数据可刷新功能，且可实时检测交互发生的位置，很好地解决了传统辅助技术所遇到的问题。然而，对于视障者而言，普通的商用智能设备无法为他们访问在触摸屏上显示的文字、图像、视频等信息提供便利。因此，开发一种能够为视障者感知文字、图像等信息提供触觉反馈，且符合触摸屏交互特点的指套式力触觉装置就显得尤为重要。在虚拟现实领域，将力触觉交互与再现技术应用于基于触摸屏的智能设备，不但能够通过力触觉反馈再现触摸屏中虚拟物体的特征信息，还为用户提供了一种全新且更为逼真的交互体验。这项技术将极大地扩展智能设备的功能，实现人与虚拟环境的实时动态交互，从而增强用户与触摸屏交互的临场感和沉浸感。如果将可提供盲文再现与触觉再现功能集为一体，这项技术将大大拓宽智能设备的应用范围和受众人群。对于视障人士来说，力触觉再现为他们与智能设备和虚拟环境的交互提供了一条重要的途径。

发明内容

发明目的：本发明的目的是设计一种面向移动终端应用的多模式指套式装置，为视障者在触摸屏上感知文字、图像等信息提供敲击、振动、温度、六自由度的力和动觉反馈等刺激。

技术方案：本发明的多模式指套式装置，包括控制单元和指套；所述控制单元包括集成在辅框架内部的控制模块、蓝牙通信模块和电源模块；控制模块和蓝牙通讯模块分别与电源模块连接；

所述指套包括数据线、接口、温度模块、压电陶瓷致动器、接触平台模块、探针阵列模块、电容触头、Stewart运动机构、姿态检测模块和主体框架；所述接口和姿态检测模块设于主体框架上，位于手指孔的上方；温度模块设于主体框架的中部，位于手指孔的下方与指腹接触；所述压电陶瓷致动器位于手指孔的一侧；所述接触平台模块位于主体框架的内部，设于手指孔的下方；接触平台模块下方设有探针阵列模块；电容触头设于主体框架的正下方；Stewart运动机构与接触平台模块连接，能带动接触平台模块运动；

所述控制单元通过数据线与指套连接，所述控制模块分别与温度模块、压电陶瓷致动器、姿态检测模块、探针阵列模块和Stewart运动机构连接；

在盲文阅读模式下，所述电容触头与移动终端中的触摸屏接触，触摸屏实时检测交互发生的位置和指套在触摸屏上的运动速度，并将接触位置对应的信息通过蓝牙通信模块发送给控制模块，控制模块控制探针阵列模块进行盲文再现；

在触觉再现模式下，Stewart运动机构通过带动接触平台模块上下移动，给手指反馈不同程度的压力，从而再现虚拟物体的硬度特征；Stewart运动机构带动接触平台模块在水平面的任意方向以一定的倾斜角移动，通过向手指反馈切向力来再现虚拟物体表面的摩擦特性；温度模块对虚拟物体表面的温度进行再现；压电陶瓷致动器通过改变振动的频率和强度再现虚拟物体的轮廓或表面粗糙度。

所述控制单元通过数据线分别与接口和姿态检测模块连接。

所述Stewart运动机构包括六个直流伺服电机、六件球头扣和六件连杆，每件连杆一端分别通过球头扣与一个直流伺服电机连接，另一端连接接触平台模块；所述Stewart运动机构带动接触平台模块在三维空间实现前后、左右、上下六个方向上运动以及绕三个坐标轴倾斜，每个方向上的最大移动量为±10 mm，每个方向倾斜的最大角度为30度。

进一步，所述探针阵列模块包括三行两列共六个探针和六个电磁致动器；每个探针与一个电磁致动器连接；电磁致动器驱动探针上下运动。

进一步，所述六个探针分别穿过接触平台模块上设置的六个孔；探针在孔内上下运动且运动行程为2 mm；每个探针之间的间距为2.5 mm，每个探针的直径为1.5 mm，构成标准的盲文阵列。

进一步，所述温度模块由帕尔贴元件组成。

进一步，所述控制单元上设有绑带。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

1、本发明的装置内部集成有可刷新探针阵列模块，能帮助视障人士阅读在触摸屏中显示的文字信息，为视障者与数字世界的无障碍交流提供了一条实现途径；

2、本发明的装置为用户与触摸屏中虚拟物体的交互提供盲文阅读和触觉再现两种模式。在盲文阅读模式下，装置能实时高效地将触摸屏上的文字转化为盲文，并通过探针阵列模块进行再现。在触觉再现模式下，装置能同时再现物体的形状、轮廓、表面摩擦、表面粗糙度、硬度及温度等触觉属性信息，能模拟人感知真实物体的过程和感受，提高了交互的真实感和沉浸感；

3、本发明的装置体积小、易于携带、灵活性高、功能丰富，方便了用户的日常使用。

附图说明

图1为本发明的使用状态示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的Stewart运动机构示意图；

图4为本发明的接触平台示意图；

图5为本发明的探针示意图；

图6为本发明的电路连接关系原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

如图2所示为本发明的指套式装置，包括指套和控制单元。

指套包括数据线4、接口5、温度模块6、压电陶瓷致动器7、接触平台模块8、探针阵列模块9、电容触头10、Stewart运动机构11、姿态检测模块12、主体框架13和手指孔15。整个指套体积约为40 mm×55 mm×40 mm。探针阵列模块9用于盲文阅读模式下，对盲文进行再现。姿态检测模块12、温度模块6、压电陶瓷致动器7、接触平台模块8、Stewart运动机构11通过控制模块1进行控制，用于在触觉再现模式下再现物体的形状、轮廓、表面摩擦、表面粗糙度、硬度及温度等信息。

接口5由数据通信接口和电源接口组成。接口5的一端分别通过电源线和数据线与组成Stewart运动机构11的六个电机相连接，以及与温度模块6、压电陶瓷致动器7和探针阵列模块9相连接，并通过数据线与姿态检测模块12相连接；接口5的另一端通过数据线和电源线与控制单元中的控制模块1以及电源模块3相连接。

温度模块6由帕尔贴元件组成，安装于主体框架13中部，位于手指孔的下方与指腹接触。

压电陶瓷致动器7安装在手指孔15的左侧，其与手指的一侧接触。

如图3所示，Stewart运动机构11由六个直流伺服电机、六件球头扣1102和六件连杆1101组成。Stewart运动机构11带动接触平台模块8在三维空间实现前后、左右、上下共六个方向运动，每个方向上有±10 mm的移动量，以及绕三个坐标轴的倾斜角最大为30度。

如图4所示，接触平台模块8上设有三行两列共六个孔，下方设有探针阵列模块9。探针阵列模块9包括三行两列共六个直径为1.5 mm的探针902及电磁致动器901，探针902置于电磁致动器901之上；每个探针902与一个电磁致动器901连接，电磁致动器901能驱动探针902上下运动2 mm；六个探针902分别穿过接触平台8上的六个孔；每个探针902之间的间距为2.5 mm，分别具有独立的动力源，探针902的结构如图5所示。

控制单元包括控制模块1、蓝牙通信模块2、电源模块3和辅框架14，控制模块1、蓝牙通信模块2和电源模块3集成在辅框架14内，使用时可通过绑带将控制单元直接固定在手臂上。

如图6所示为电路连接关系原理图，电源模块3为整个指套式装置提供稳定的电源，蓝牙通信模块2实现装置与移动终端之间的通信，控制模块1用于处理信息和控制各模块（包括温度模块6、压电陶瓷致动器7、姿态检测模块12、探针阵列模块9和Stewart运动机构11）的运行。本发明的指套式装置具有盲文阅读和触觉再现两种模式，并通过事先安装在移动终端中的应用程序进行切换。

本发明的指套式装置使用过程如下：

如图1所示，使用者单个手指戴上本发明的指套式装置，并将控制单元固定在手臂上。指套式装置通过蓝牙通信模块2与移动终端进行数据交换，电容触头10与移动终端中的触摸屏接触，触摸屏实时检测交互发生的位置以及指套装置在触摸屏上的运动速度。同时，姿态检测模块12实时检测指套式装置的姿态，并通过蓝牙通信模块2将信息发送到移动终端。

指套式装置具有盲文阅读和触觉再现两种模式，通过事先安装在移动终端中的应用程序进行切换。当选择盲文阅读模式时，使用者可以通过两种方式感知在触摸屏中显示的文字信息。第一种方式是使用者的手指穿戴好指套式装置后，主动在触摸屏上滑动。触摸屏读取电容触头10的接触位置，并将接触位置对应的盲文通过蓝牙通信模块2发送给控制模块1，控制模块1控制探针阵列模块9进行对应的盲文再现。第二种方式是应用程序按顺序读取触摸屏中显示的文字信息，并通过蓝牙通信模块2将触摸屏中的文字传送到控制模块1，控制模块1将文字信息转化为盲文，并控制探针阵列模块9进行对应的盲文再现，使视障人士通过指套式装置被动感知移动终端中显示的文字内容。

当选择触觉再现模式时，移动终端中的应用程序先显示出需要再现的图像，通过力触觉渲染算法计算出为再现图像中物体的某一特征需要向指套式装置发送的控制指令，再通过蓝牙通信模块2与移动终端进行数据交换。此时，探针阵列模块9不工作，且探针902的顶端已下降到与接触平台模块8的上平面平行的位置。分布在下方的由六个直流伺服电机1103及球头连杆1101组成的Stewart运动机构11带动接触平台模块8在三维空间中运动。Stewart运动机构11可通过带动接触平台模块8沿z轴上下移动，给手指反馈不同程度的压力，从而再现虚拟物体的硬度特征。Stewart运动机构11也可带动接触平台模块8在水平面的任意方向以任意倾斜角移动，通过向手指反馈切向力来再现虚拟物体表面的摩擦特性。在手指放置区域的下方集成有温度模块6，可对虚拟物体表面的温度进行再现。通过改变压电陶瓷致动器7振动的频率和强度可再现虚拟物体的轮廓或表面粗糙度。通过以上各个模块的组合，该指套式装置在与触摸屏中的图像交互时可为人提供与感知真实物体时一样的多种触觉信息。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明专利的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明专利技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明专利的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种面向移动终端应用的多模式指套式装置，其特征在于，包括控制单元和指套；所述控制单元包括集成在辅框架（14）内部的控制模块（1）、蓝牙通信模块（2）和电源模块（3）；控制模块（1）和蓝牙通讯模块（2）分别与电源模块（3）连接；

所述指套包括数据线（4）、接口（5）、温度模块（6）、压电陶瓷致动器（7）、接触平台模块（8）、探针阵列模块（9）、电容触头（10）、Stewart运动机构（11）、姿态检测模块（12）和主体框架（13）；所述接口（5）和姿态检测模块（12）设于主体框架（13）上，位于手指孔（15）的上方；温度模块（6）设于主体框架（13）的中部，位于手指孔（15）的下方与指腹接触；所述压电陶瓷致动器（7）位于手指孔（15）的一侧；所述接触平台模块（8）位于主体框架（13）的内部，设于手指孔（15）的下方；接触平台模块（8）下方设有探针阵列模块（9）；电容触头（10）设于主体框架（13）的正下方；Stewart运动机构（11）与接触平台模块（8）连接，带动接触平台模块（8）运动；

所述控制单元通过数据线（4）与指套连接，所述控制模块（1）分别与温度模块（6）、压电陶瓷致动器（7）、姿态检测模块（12）、探针阵列模块（9）和Stewart运动机构（11）连接；

在盲文阅读模式下，所述电容触头（10）与移动终端中的触摸屏接触，触摸屏实时检测交互发生的位置和指套在触摸屏上的运动速度，并将接触位置对应的信息通过蓝牙通信模块（2）发送给控制模块（1），控制模块（1）控制探针阵列模块（9）进行盲文再现；

在触觉再现模式下，Stewart运动机构（11）通过带动接触平台模块（8）上下移动，给手指反馈不同程度的压力，从而再现虚拟物体的硬度特征；Stewart运动机构（11）带动接触平台模块（8）在水平面的任意方向以一定的倾斜角移动，通过向手指反馈切向力来再现虚拟物体表面的摩擦特性；温度模块（6）对虚拟物体表面的温度进行再现；压电陶瓷致动器（7）通过改变振动的频率和强度再现虚拟物体的轮廓或表面粗糙度。

2.根据权利要求1所述的面向移动终端应用的多模式指套式装置，其特征在于，所述控制单元通过数据线（4）分别与接口（5）和姿态检测模块（12）连接。

3.根据权利要求1所述的面向移动终端应用的多模式指套式装置，其特征在于，所述Stewart运动机构（11）包括六个直流伺服电机（1103）、六件球头扣（1102）和六件连杆（1101），每件连杆（1101）一端分别通过球头扣（1102）与一个直流伺服电机（1103）连接，另一端连接接触平台模块（8）；所述Stewart运动机构（11）带动接触平台模块（8）在三维空间实现前后、左右、上下六个方向上运动以及绕三个坐标轴倾斜，每个方向上的最大移动量为±10 mm，每个方向倾斜的最大角度为30度。

4.根据权利要求1所述的面向移动终端应用的多模式指套式装置，其特征在于，所述探针阵列模块（9）包括三行两列共六个探针（902）和六个电磁致动器（901）；每个探针（902）与一个电磁致动器（901）连接；电磁致动器（901）驱动探针（902）上下运动。

5.根据权利要求4所述的面向移动终端应用的多模式指套式装置，其特征在于，所述六个探针（902）分别穿过接触平台模块（8）上设置的六个孔；探针（902）在孔内上下运动且运动行程为2 mm；每个探针（902）之间的间距为2.5 mm，每个探针的直径为1.5 mm，构成标准的盲文阵列。

6.根据权利要求1所述的面向移动终端应用的多模式指套式装置，其特征在于，所述温度模块（6）由帕尔贴元件组成。

7.根据权利要求1-6任一项所述的面向移动终端应用的多模式指套式装置，其特征在于，所述控制单元上设有绑带。

Images