CN114327068A - 基于特征波的电刺激反馈模拟虚拟地面脚部触感实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于特征波的电刺激反馈模拟虚拟地面脚部触感实现方法，包括用于实现触觉模拟的鞋具，所述鞋具内设置有多个电极，电极在鞋具内的排布与人脚部的形状匹配，鞋具接收特征波，然后通过电极输出电压直接刺激使用者的脚部，实现脚部触觉的模拟；其中，特征波由脉冲波、方波、三角波、锯齿波或正弦波中的一种或多种叠加形成，特征波根据虚拟场景地形的软硬程度来模拟脚部触觉，具体地，当虚拟场景地形越柔软，则特征波在单位时间内频率越低，波峰越平缓；当虚拟场景地形越坚硬，则特征波在单位时间内频率越高，波峰越尖锐。本发明针对脚部实现了虚拟场景地形的触感再现，以解决目前提及的缺少脚部触感反馈装置的问题。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实与触感模拟相关的技术领域，更具体地说，它涉及基于特征波的电刺激反馈模拟虚拟地面脚部触感实现方法。
背景技术
虚拟现实技术(VR技术)是通过VR软件将模型、环境等呈现在虚拟世界，并利用硬件设备实现物体与物体、虚拟人物与物体之间交互从而达到模拟现实环境中人物与物体之间、物体与物体之间交互的纯虚拟环境的交互。目前VR技术一般只能针对人的视觉和听觉进行模拟，这是因为在人的五感中，视觉和听觉是人接受信息的最直接的途径，视觉模拟是将直接让使用者观看仿真信息，将仿真信息传递至使用者大脑神经从而实现视觉模拟；听觉模拟是将环境声波传入使用者的耳部进行模拟。目前也有对触感进行模拟，但触觉模拟还是仅限于压力刺激，模拟效果差，而且由于是压力模拟，模拟设备体积较大，使用不便。另外，现有技术中仅仅是对人手部受到的触感进行模拟，而忽略了对脚部的模拟。要实现在虚拟环境中完全还原用户在现实生活内体验到的触感还远远不够。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供基于特征波的电刺激反馈模拟虚拟地面脚部触感实现方法，针对脚部实现了虚拟场景地形的触感再现，以解决目前提及的缺少脚部触感反馈装置的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于特征波的电刺激反馈模拟虚拟地面脚部触感实现方法，包括用于实现触觉模拟的鞋具，所述鞋具内设置有多个电极，电极在鞋具内的排布与人脚部的形状匹配，鞋具接收特征波，然后通过电极输出刺激电压直接刺激使用者的脚部，实现脚部触觉的模拟；
其中，特征波由脉冲波、方波、三角波、锯齿波或正弦波中的一种或多种叠加形成，特征波根据虚拟场景地形的软硬程度来模拟脚部触觉，具体地，当虚拟场景地形越柔软，则特征波在单位时间内频率越低，波峰越平缓；当虚拟场景地形越坚硬，则特征波在单位时间内频率越高，波峰越尖锐。
在其中一个实施例中，所述特征波的频率范围是100Hz-2000Hz。
在其中一个实施例中，在其中一边脚部的模拟的特征波中加入噪音，用于模拟在虚拟环境中的双脚感觉的差别。针对双脚中对电压刺激更敏感的一边脚部，在与该脚部相应的特征波中加入噪音，用于区别双脚对虚拟场景中地面的触觉感受。
在其中一个实施例中，所述鞋具包括信息接收模块和模拟模块，所述信息接收模块包括蓝牙模块和电源，所述模拟模块包括鞋子本体和多个电极，多个所述电极设置在鞋子本体内壁，且电极的排布与人脚部形状匹配，所述电源与多个电极电连接；
所述蓝牙模块接收虚拟场景中代表地形的特征波，所述电源根据蓝牙模块接收到的特征波向电极输出与特征波相同频率的电压，用于刺激脚部进行触觉模拟。
在其中一个实施例中，所述信息接收模块还包括电流监测模块和电压放大模块，所述电源分别与蓝牙模块和电流监测模块电连接，所述蓝牙模块和电流监测模块均与电压放大模块电连接，所述电流监测模块分别与多个电极电连接；
蓝牙模块接收虚拟场景的地形特征波信息，根据特征波波形变化产生电压刺激，电压刺激经过电压放大模块将原本的电压刺激增强，通过电流监测模块控制电流大小不超过人体安全电流。
在其中一个实施例中，所述信息接收模块还包括数码管和指示灯，所述数码管与电压放大模块电连接，用于观察输出电压的大小，所述指示灯与电源电连接。通过观察数码管了解输出电压的大小，当电压超过人体安全范围时，指示灯亮红并停止电源输出，确保使用者的人身安全。
在其中一个实施例中，在多个电极前设置有用于调整电压大小的电压调节模块。由于不同使用者对电压刺激的感受不同，在电极前设置电流调节模块，使用者可以根据自身对刺激电压的感受不同，通过电压调节模块调整输入电极刺激电压的大小，以实现对脚部触感的模拟。
在其中一个实施例中，所述鞋子本体至少包括鞋垫，所述电极在鞋垫上的排布至少需要对应脚部的脚趾、脚掌、足弓和脚跟。
在其中一个实施例中，所述鞋垫的侧面至少设置第一绑带和第二绑带，所述第一绑带位于鞋垫本的前端，所述第二绑带位于鞋垫的中间；
所述信息接收模块设置有腿部绑带，用于将信息接收模块固定在使用者的小腿处。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明将使用者在虚拟场景地形的触觉模拟分成无数颗粒，在将这些颗粒以特征波的形式发送至使用者的鞋具中，鞋具内设置有电极，通过对使用者脚部持续输出电压刺激，实现使用者在虚拟场景中的脚部触觉模拟；本发明的特征波根据虚拟场景的具体地形而变化，让使用者体验到崭新的虚拟模拟技术；
本发明的鞋具设置蓝牙模块，信息的传递依靠蓝牙进行，无须使用过多的连线，且本发明的鞋具可以通过数显管内容可以观察输出电压的大小，若电压超过了人体安全范围，电源指示灯会亮红并停止输出，对使用者的人身安全做了保障。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明模拟草地的特征波波形图；
图3是本发明模拟沙地的特征波波形图；
图4是本发明的鞋垫的整体示意图；
图5是本发明的鞋垫的结构示意图；
图6是本发明的鞋垫的使用示意图。
图中：1-鞋垫，2-信息接收模块，3-电极，4-第一绑带，5-第二绑带，6-电源，7-蓝牙模块，8-电压放大模块，9-电流监测模块，10-数码管，11-充电口，12-指示灯，13-腿部绑带。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
值得注意的是，本文所涉及的“上”“下”等方位词均相对于附图视角而定，仅仅只是为了便于描述，不能够理解为对技术方案的限制。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于特征波的电刺激反馈模拟虚拟地面脚部触感实现方法，包括用于实现触觉模拟的鞋具，所述鞋具内设置有多个电极3，电极3在鞋具内的排布与人脚部的形状匹配，鞋具接收特征波，然后通过电极3输出刺激电压直接刺激使用者的脚部，实现脚部触觉的模拟；
其中，特征波由脉冲波、方波、三角波、锯齿波或正弦波中的一种或多种叠加形成，特征波根据虚拟场景地形的软硬程度来模拟脚部触觉，具体地，当虚拟场景地形越柔软，则特征波在单位时间内频率越低，波峰越平缓；当虚拟场景地形越坚硬，则特征波在单位时间内频率越高，波峰越尖锐。
具体地，本发明将人脚底与地面接触的感觉近似为无数细小颗粒对脚底进行刺激，因此通过鞋具的可控电流在一定频率下的输出进行模拟实现，刺激电压对脚部进行电刺激，在使用者脚部整体模拟出行走在虚拟场景中地面的感觉，其中，该特征波在Audition软件内显示的振幅范围如图2和图3所示，特征波的频率范围是100Hz-2000Hz。
示例性的，如图2所示，当模拟人赤脚在草地上行走时，草地较柔软，模拟草地的细小颗粒硬度较小，对人脚底的刺激相对较小，因此模拟草地的特征波的频率较低，特征波在单位时间内振幅较大，该特征波在Audition软件内显示的振幅峰峰值是24dB，频率是350Hz±50Hz。
示例性的，如图3所示，当模拟人赤脚在沙地上行走时，模拟沙地的细小颗粒硬度较大，对人脚底的刺激相对较大，因此模拟沙地的特征波的频率较高，特征波在单位时间内振幅较小，该特征波在Audition软件内显示的振幅峰峰值是24dB，频率是1200Hz±50Hz。
另外，使用者的脚部的触感模拟与与虚拟场景中角色是否穿着鞋子有关，容易理解的是，鞋子厚度越大，使用者脚部对地面的触感越弱，也即使用者脚部的触感越倾向于平地，因此，当使用者在虚拟场景中的角色穿着鞋子时，根据鞋子的厚度来调整特征波的振幅，鞋子越厚，特征波的振幅越小。
进一步地，在其中一边脚部的模拟的特征波中加入噪音，用于模拟在虚拟环境中的双脚感觉的差别。具体地，针对双脚中对电压刺激更敏感的一边脚部，在与该脚部相应的特征波中加入噪音，用于区别双脚对虚拟场景中地面的触觉感受。在本发明中，左右脚的波形相似而不相同，是考虑到使用者双脚踩地时，虽然整体感觉相同，但实际上存在细微差别，该细微差别通过添加噪音实现。
需要说明的是，在特征波中添加噪音时，噪音的振幅在特征波的振幅范围内。
进一步地，如图4-6所示，所述鞋具包括信息接收模块2和模拟模块，所述信息接收模块2包括蓝牙模块7和电源6，所述模拟模块包括鞋子本体和多个电极3，多个所述电极3设置在鞋子本体内壁，且电极3的排布与人脚部形状匹配，所述电源6与多个电极3电连接；
所述蓝牙模块7接收虚拟场景中代表地形的特征波，所述电源6根据蓝牙模块7接收到的特征波向电极3输出与特征波相同频率的刺激电压，用于刺激脚部进行触觉模拟。
在本发明中，所述蓝牙模块7是现有常规的蓝牙接收器，用于接收信息，所述电源6可以是充电电池，在信息接收模块2处设置与电源6配合的充电口11。
进一步地，所述信息接收模块2还包括电流监测模块9和电压放大模块8，所述电源6分别与蓝牙模块7和电流监测模块9电连接，所述蓝牙模块7和电流监测模块9均与电压放大模块8电连接，所述电流监测模块9分别与多个电极3电连接。
具体地，本发明形成两条线路，第一条线路包括电源6、蓝牙模块7、电流放大模块8和电流监测模块9，具体地，电源6与蓝牙模块7的输入端连接，蓝牙模块7的输出端与电压放大模块8的输入端连接，实现电刺激的增强效果，电压放大模块8的输出端与监测模块9的电流输入端连接，电流监测模块9的输出端与鞋垫1本体的电极3连接，实现对使用者的触觉模拟。第二条线路是电源6和电流监测模块9，电源6为电流监测模块9供电。
蓝牙模块7接收虚拟场景的地形特征波信息，根据特征波波形变化产生电压刺激，电压刺激经过电压放大模块8将原本的电压刺激增强，通过电流监测模块9控制电流大小不超过人体安全电流，为安全起见，负载电阻为500Ω时，输出电流不高于100mA。
在本发明中，所述电流监测模块9和电压放大模块8均是现有常规的电子元件模块。
进一步地，所述信息接收模块2还包括数码管10和指示灯12，所述数码管10与电压放大模块电连接，用于观察输出电压的大小，所述指示灯12与电源6电连接。通过观察数码管10了解输出电压的大小，当电压超过人体安全范围时，指示灯12亮红并停止电源6输出，确保使用者的人身安全。
更进一步地，由于不同使用者对电压刺激的感受不同，在电极3前设置电压调节模块(附图未显示)，使用者可以根据自身对电压刺激的感受不同，通过电压调节模块调整输入电极电压的大小，以实现对脚部触感的模拟。
进一步地，所述鞋子本体至少包括鞋垫1，所述电极3在鞋垫1上的排布至少需要对应脚部的脚趾、脚掌、足弓和脚跟。容易理解的是，人脚底的脚掌和脚跟是行走时主要的受力部位，而足弓部分比较敏感，因此针对脚趾、脚掌和足弓的位置均需要设置电极3以实现触觉的模拟；在对应脚趾的鞋垫1位置设置电极3，是为了实现更真实的模拟效果，比如在只针对脚趾的触感进行模拟时，可以仅向脚趾部分的电极3输入特定频率的刺激电压。
进一步地，所述鞋垫1的侧面至少设置第一绑带4和第二绑带5，所述第一绑带4位于鞋垫1本的前端，所述第二绑带5位于鞋垫1的中间。具体地，第一绑带4的作用是固定使用者的脚掌部分，第二绑带5的作用是固定使用者的足弓部分，通过第一绑带4和第二绑带5将使用者的脚部与鞋垫1牢靠固定；
所述信息接收模块2设置有腿部绑带13，用于将信息接收模块2固定在使用者的小腿处。
以下通过几个实施例说明本发明的具体实现方法。
使用者脚部与鞋垫1固定，并将信息接收模块2绑定在小腿处。
实施例1
在虚拟场景中，使用者赤脚站立在草地中，信息接收模块2的蓝牙模块7接收到草地地形的特征波信息，电源6根据特征波产生不同的刺激电压，刺激电压经过电压放大模块8和电流监测模块9后进入电极3，对使用者的脚部产生刺激，使用者感受到此时正站立在草地中。
实施例2
在虚拟场景中，使用者赤脚在沙地中行走，使用者与地面接触的脚所对应的信息接收模块2接收到沙地地形的特征波信息，使用者抬起不与地面接触的脚所对应的信息接收模块2暂时不接收信息，以此模拟使用者行走时始终有一只脚与沙地接触的触觉。
容易理解的是，当需要模拟使用者在虚拟场景中行走时，可以在本发明的鞋具内部增加压力传感器及反馈模块与跑步机等室内运动器械配合使用。
实施例3
在虚拟场景中，使用者穿着有厚度较小的鞋子在沙地中行走，虚拟场景根据鞋子的厚度发出经过调整的特征波，模拟使用者穿鞋在沙地中行走的触感。
容易理解的是，本发明也可以模拟使用者虚拟场景中不同地形的脚部触感，比如平地、水中或陡峭的山崖。
在本发明中，特征波的设计及绘制可以通过音频设计软件实现，比如AdobeAudition。
需要说明的是，本发明是针对脚部的触觉进行模拟，也即，对使用者在虚拟场景中站立或行走时的脚部触觉进行模拟，如果需要完全模拟出使用者在虚拟场景中行走时高度变化或其他状态的变化，可以将本发明与其他虚拟技术的硬件配合使用。
为安全起见，本发明所述方法制作的产品的使用需遵循一般电疗仪(理疗仪)的安全使用准则，如单次使用时长不宜超过30分钟，心脏病患者或使用植入式电子装置(如心脏起搏器)的患者禁止使用等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于特征波的电刺激反馈模拟虚拟地面脚部触感实现方法，其特征在于，包括用于实现触觉模拟的鞋具，所述鞋具内设置有多个电极(3)，电极(3)在鞋具内的排布与人脚部的形状匹配，鞋具接收特征波，然后通过电极(3)输出刺激电压直接刺激使用者的脚部，实现脚部触觉的模拟；
其中，特征波由脉冲波、方波、三角波、锯齿波或正弦波中的一种或多种叠加形成，特征波根据虚拟场景地形的软硬程度来模拟脚部触觉，具体地，当虚拟场景地形越柔软，则特征波在单位时间内频率越低，波峰越平缓；当虚拟场景地形越坚硬，则特征波在单位时间内频率越高，波峰越尖锐。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征波的频率范围是100Hz-2000Hz。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在其中一边脚部的模拟的特征波中加入噪音，用于模拟在虚拟环境中的双脚感觉的差别。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述鞋具包括信息接收模块(2)和模拟模块，所述信息接收模块(2)包括蓝牙模块(7)和电源(6)，所述模拟模块包括鞋子本体和多个电极(3)，多个所述电极(3)设置在鞋子本体内壁，且电极(3)的排布与人脚部形状匹配，所述电源(6)与多个电极(3)电连接；
所述蓝牙模块(7)接收虚拟场景中代表地形的特征波，所述电源(6)根据蓝牙模块(7)接收到的特征波向电极(3)输出与特征波相同频率的电压，用于刺激脚部进行触觉模拟。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述信息接收模块(2)还包括电流监测模块(9)和电压放大模块(8)，所述电源(6)分别与蓝牙模块(7)和电流监测模块(9)电连接，所述蓝牙模块(7)和电流监测模块(9)均与电压放大模块(8)电连接，所述电流监测模块(9)分别与多个电极(3)电连接；
蓝牙模块(7)接收虚拟场景的地形特征波信息，根据特征波波形变化产生电压刺激，电压刺激经过电压放大模块(8)将原本的电压刺激增强，通过电流监测模块(9)控制电流大小不超过人体安全电流。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信息接收模块(2)还包括数码管(10)和指示灯(12)，所述数码管(10)与电压放大模块电连接，用于观察刺激电压的大小，所述指示灯(12)与电源(6)电连接。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在多个电极(3)前设置有用于调整电压大小的电压调节模块。
8.如权利要求4-7任一项所述的方法，其特征在于，所述鞋子本体至少包括鞋垫(1)，所述电极(3)在鞋垫(1)上的排布对应脚部的脚趾、脚掌、足弓和脚跟。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述鞋垫(1)的侧面至少设置第一绑带(4)和第二绑带(5)，所述第一绑带(4)位于鞋垫(1)本的前端，所述第二绑带(5)位于鞋垫(1)的中间；
所述信息接收模块(2)设置有腿部绑带(13)，用于将信息接收模块(2)固定在使用者的小腿处。
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