CN114942694A - 一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套及系统，其中多模态触觉反馈手套具体包括：手掌气囊、多个手指气囊、制冷片、线性马达、惯性传感器、手套。本发明通过力、温度、振动三种触觉反馈形式呈现四个维度，解决了当前触觉反馈手套触觉反馈形式单一、仅局限于指尖等问题。且使用柔性气囊提高了穿戴舒适性和亲肤性，并根据真实握手接触力的分布在手指及手掌区域布局上述柔性气囊，提高了握手体验的真实性。

Description

一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套及系统

技术领域

本发明涉及触觉反馈技术领域，特别是涉及一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套及系统。

背景技术

现有握手系统通常采用机械臂提供握手体验，存在机械结构及控制复杂、造价昂贵且笨重不便于携带等缺陷，不适合随时随地进行社交活动。相比之下，触觉反馈手套更加轻便，结合虚拟现实显示技术，可为用户提供沉浸式的交互体验。

目前，大多数触觉反馈手套只能提供指尖力反馈，缺乏手指腹及手掌整个区域的分布式力反馈效果，并且难以协调力反馈手套在自由空间和约束空间的矛盾。此外，除了握力体验，在真实握手过程中，握手双方还会体验到多种其他触觉感受，如温度、纹理、晃动等。然而，目前缺乏能够模拟握手过程中多种触觉体验的触觉手套。研发一款用于握手的多模态触觉反馈手套，以满足握手时多模态触觉融合呈现的需求，是实现沉浸式虚拟握手的关键环节。

研发多模态触觉反馈手套面临的挑战之一是如何将装置小型化，即如何在手套紧凑的空间中嵌入多个驱动器并避免其相互干涉，同时如何进行多模态触觉反馈的空间和时间配准，以保证小于人手的感知阈限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，包括：手套、线性马达、惯性传感器、手掌气囊、多个手指气囊和制冷片；

所述手套的各个手指部位分别设置有所述手指气囊，所述手套的手掌部位设置有手掌气囊；所述手指气囊用于在充气时，挤压用户的手指皮肤，阻碍所述用户在所述手套内的各个手指的关节弯曲，以产生手指上的握手接触力体验；所述手掌气囊用于在充气时，挤压所述用户的手掌皮肤，以产生手掌上的握手接触力体验；所述制冷片分别设置在所述手掌部位和所述手指部位，所述制冷片用于对所述用户进行温度刺激；所述惯性传感器与所述线性马达均与单片机连接，所述惯性传感器设置在所述手套的手腕部位，所述惯性传感器用于采集所述用户的手掌的晃动数据；所述线性马达设置在所述手掌部位的根部，所述线性马达用于根据所述晃动数据产生振动，以使用户体验到握手晃动。

优选地，还包括多个散热片；

所述散热片固定设置在所述制冷片的表面，用于对所述制冷片进行散热。

优选地，还包括多个魔术贴；

所述制冷片通过所述魔术贴与所述手指部位贴合连接。

优选地，所述手指气囊包括：硅胶指套和设置在所述硅胶指套的指腹侧的第一气囊驱动器；所述硅胶指套设在所述手指部位上；所述第一气囊驱动器包括第一封闭空腔、第一气管和第一硅胶外壳；所述第一封闭空腔设置在所述第一硅胶外壳内，所述第一气管与气泵连接且延伸至所述第一封闭空腔内；所述第一硅胶外壳与所述硅胶指套的指腹侧连接。

优选地，所述第一硅胶外壳位于所述靠近指腹侧的区域的厚度小于所述第一硅胶外壳的其他区域的厚度。

优选地，所述手掌气囊包括：硅胶掌套、环状的第二气囊驱动器和第三气囊驱动器；所述第二气囊驱动器和所述第三气囊驱动器通过所述硅胶掌套连接，以形成闭合的环状结构；所述环状结构套设在所述手掌部位上；所述第二气囊驱动器包括第二封闭空腔、第二气管和环状的第二硅胶外壳；所述第二封闭空腔设置在所述第二硅胶外壳内，所述第二气管与气泵连接且延伸至所述第二封闭空腔内；所述第三气囊驱动器包括第三封闭空腔、第三气管和环状的第三硅胶外壳；所述第三封闭空腔设置在所述第三硅胶外壳内，所述第三气管与气泵连接且延伸至所述第三封闭空腔内；所述第二硅胶外壳的第一端通过所述硅胶掌套与所述第三硅胶外壳的第一端连接；所述第二硅胶外壳的第二端通过所述硅胶掌套与所述第三硅胶外壳的第二端连接。

优选地，所述第二硅胶外壳与所述手套的虎口部位贴合连接，所述第三硅胶外壳与所述手套的尺侧部位贴合连接；所述第二硅胶外壳靠近所述手掌部位的区域的厚度小于所述第二硅胶外壳的其他区域的厚度；所述第三硅胶外壳靠近所述手掌部位的区域的厚度小于所述第三硅胶外壳的其他区域的厚度。

优选地，所述手掌部位的大鱼际区域设置有两个所述制冷片。

一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈系统，包括上述用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套、手部运动追踪模块、虚拟现实设备、上位机、下位机、气泵、电机驱动模块、振动驱动模块和数模转换芯片

所述上位机分别与所述手部运动追踪模块、所述虚拟现实设备和所述下位机连接；所述手部运动追踪模块设置在手套的各个部位上，所述手部运动追踪模块用于获取用户佩戴所述手套后的手部运动信息；所述手部运动信息包括五指弯曲的关节角度信息和手部位姿信息；所述虚拟现实设备用于在虚拟场景中生成虚拟手化身，并对握手场景进行可视化显示；

当用户基于所述手部运动追踪模块控制所述虚拟手化身握手时，所述上位机用于根据用户的手部运动信息以及所述虚拟场景中握手双方的所述虚拟手化身的位姿关系，计算握手信息；所述握手信息包括握手位置信息、力度信息、温度信息和晃动信息；所述下位机分别与所述气泵、所述电机驱动模块、所述振动驱动模块、所述数模转换芯片和惯性传感器连接，所述气泵与所述数模转换芯片连接，所述数模转换芯片用于控制所述气泵对手掌气囊和手指气囊进行充气；所述电机驱动模块与制冷片连接，所述电机驱动模块用于控制所述制冷片实现温度变化；所述振动驱动模块与线性马达连接，所述振动驱动模块用于控制所述线性马达振动的频率；

所述下位机根据所述握手信息和所述惯性传感器获取的晃动数据分别控制所述数模转换芯片、所述电机驱动模块和所述振动驱动模块的工作状态，以使所述用户获得不同握手深浅的力触觉、温度触觉和振动触觉的体验。

优选地，还包括至少一个比例伺服阀；所述比例伺服阀设置在所述气泵上，所述比例伺服阀与所述数模转换芯片连接，所述比例伺服阀用于调节所述气泵输送至所述手掌气囊和/或所述手指气囊的气压的大小。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套及系统，提出用于握手的触觉反馈手套应具备的四个握手维度：握手位置深浅、力度大小、温度冷热以及晃动快慢。本发明通过力、温度、振动三种触觉反馈形式呈现以上四个维度，解决了当前触觉反馈手套触觉反馈形式单一、仅局限于指尖等问题。且使用硅胶制作的柔性气囊提高了穿戴舒适性和亲肤性，并根据真实握手接触力的分布在手指及手掌区域布局上述柔性气囊，提高了握手体验的真实性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套的手掌背部结构示意图；

图2为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套的手掌内侧结构示意图；

图3为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手指气囊充气前的结构示意图(正视图)；

图4为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手指气囊充气后的结构示意图(正视图)；

图5为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手指气囊充气前的结构示意图(侧视图)；

图6为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手指气囊充气后的结构示意图(侧视图)；

图7为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手掌气囊充气前的结构示意图；

图8为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手掌气囊充气后的结构示意图；

图9为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套控制结构及虚拟握手系统框架图。

符号说明：

1-第一气囊驱动器，2-制冷片，3-第二气囊驱动器，4-硅胶指套，5-魔术贴，6-手套，7-硅胶掌套，8-线性马达，9-第三气囊驱动器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。

本发明的目的是提供一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套及系统，解决了当前触觉反馈手套触觉反馈形式单一、仅局限于指尖等问题，并提高了手套穿戴舒适性和亲肤性，且进一步地提高了握手体验的真实性。

此外，本实施例中针对触觉反馈手套触觉模态较少、驱动器难以小型化、易干涉等现状，提出了具有多模态触觉反馈功能的手套设计制作方法，以模拟握手过程中涉及的多模态触觉体验。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1和图2分别为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套的手掌背部结构示意图和手掌内侧结构示意图，如图1和图2所示，本发明提供了一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，包括：手套6、线性马达8、惯性传感器、手掌气囊、多个手指气囊和制冷片2；所述手套6的各个手指部位分别设置有所述手指气囊，所述手套6的手掌部位设置有手掌气囊；所述手指气囊用于在充气时，挤压用户的手指皮肤，阻碍所述用户在所述手套6内的各个手指的关节弯曲，以产生手指上的握手接触力体验；所述手掌气囊用于在充气时，挤压所述用户的手掌皮肤，以产生手掌上的握手接触力体验；所述制冷片2分别设置在所述手掌部位和所述手指部位，所述制冷片2用于对所述用户进行温度刺激；所述惯性传感器与所述线性马达8连接，所述惯性传感器设置在所述手套6的手腕部位，所述惯性传感器用于采集所述用户的手掌的晃动数据；所述线性马达8设置在所述手掌部位的根部，所述线性马达8用于根据所述晃动数据产生振动，以使用户体验到握手晃动。

所述手指气囊包括：硅胶指套4和设置在所述硅胶指套4的指腹侧的第一气囊驱动器1；所述硅胶指套4套设在所述手指部位上；所述第一气囊驱动器1包括第一封闭空腔、第一气管和第一硅胶外壳；所述第一封闭空腔设置在所述第一硅胶外壳内，所述第一气管与气泵连接且延伸至所述第一封闭空腔内；所述第一硅胶外壳与所述硅胶指套4的指腹侧连接。

所述手掌气囊包括：硅胶掌套7、环状的第二气囊驱动器3和第三气囊驱动器9；所述第二气囊驱动器3和所述第三气囊驱动器9通过所述硅胶掌套7连接，以形成闭合的环状结构；所述环状结构套设在所述手掌部位上；所述第二气囊驱动器3包括第二封闭空腔、第二气管和环状的第二硅胶外壳；所述第二封闭空腔设置在所述第二硅胶外壳内，所述第二气管与气泵连接且延伸至所述第二封闭空腔内；所述第三气囊驱动器9包括第三封闭空腔、第三气管和环状的第三硅胶外壳；所述第三封闭空腔设置在所述第三硅胶外壳内，所述第三气管与气泵连接且延伸至所述第三封闭空腔内；所述第二硅胶外壳的第一端通过所述硅胶掌套7与所述第三硅胶外壳的第一端连接；所述第二硅胶外壳的第二端通过所述硅胶掌套7与所述第三硅胶外壳的第二端连接。

可选地，所述手掌部位的大鱼际区域设置有两个所述制冷片2。

具体地，本实施例中的所述多模态触觉反馈手套包括力触觉反馈、温度触觉反馈、振动触觉反馈三个功能模块，用于实现握手位置深浅、力度大小、温度冷热以及晃动快慢四个握手维度。

作为一种可选的实施方式，本实施例根据真实握手中深握和浅握两种握手状态下握手双方的手部接触区域来布局实现力反馈功能的驱动器。本实施例采用气动软体驱动器实现力反馈功能，调节握手力度大小。即根据真实握手的接触区域在手指及手掌上布局软体驱动器，使用户获得分布式力体验。

进一步地，力觉反馈通过对自制硅胶气囊充气产生挤压力实现。如图1和图2所示，触觉反馈手套上的气囊分为手指气囊和手掌气囊两个部分，每个手指上布置一个手指气囊，覆盖近指关节(proximal interphalangealpoint，PIP)和远指关节(distalinterphalangeal point，DIP)。如图3至图6所示，为了穿戴方便，气囊下方做成了硅胶材质的指套，可以直接套在手指上，通过气管给气囊充气时会阻碍关节弯曲，并且气腔膨胀挤压皮肤，进而产生握手接触力体验。握手时，手掌的接触部位主要在两侧，而手心和手背中间几乎接触不到。如图7至图8所示，将两个气囊粘接在一起，形成环状手掌气囊，使用过程中将手掌气囊套在手掌上，两个气囊的中心分别位于手掌两侧，通过气管给气囊充气时，手掌气囊两侧的压强增大，而手心和手背中部几乎不会有力的感受，符合握手时握力的分布。值得说明地是，如图3至图8所示，手指气囊和手掌气囊靠近手指/手掌部位的硅胶较薄，远离手指/手掌部位的硅胶较厚，这样设计的目的是为了在给气囊充气过程中，使得手指和手掌气囊的气腔能向手指/手掌部位膨胀，对手指/手掌皮肤产生较为明显的挤压，以增强握手过程中的力反馈体验。

具体地，柔性硅胶气囊驱动器(第一气囊驱动器1)分为上下两个部分，独立制作，上半部分连接气管，下半部分与硅胶套浇筑在一起。之后用硅胶粘接剂粘起来形成中间的空腔。制作步骤如下：首先将硅胶(如Ecoflex、Dragon Skin等)等比例混合，搅拌充分后放入真空罐抽气，待气泡冒出较少后停止抽气，打开真空罐，将硅胶取出。将硅胶缓慢倒入模具，用镊子剔除关键部位的明显气泡，等待6小时。缓慢脱模，剪刀剪去周围多浇出来的部分。先粘接气管和连接气管部分的气囊。气管外侧涂适量硅胶粘接剂，插入连接气囊，外侧继续涂适量粘接剂防漏。在非连接气管的那面气囊上均匀涂抹粘接剂，将连接气管的那面气囊轻压在粘接剂上，用手轻压使其粘牢。可以用其它工具辅助压住固定，等待至少1小时。在细的硅胶气管外涂适量粘接剂插入大管内，然后用热熔胶在连接处外侧密封。最后进行通气测试，漏气处用硅胶粘接剂或热熔胶补漏。

图3和图4分别为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手指气囊充气前后的结构正视图，图5和图6分别为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手指气囊充气前后的结构侧视图，所述第一硅胶外壳位于所述靠近指腹侧的区域的厚度小于所述第一硅胶外壳的其他区域的厚度。其中图中虚线框所示的“气腔”即为本实施例中的第一气囊驱动器1，图中的“气管”为本实施例中的第一气管。

优选地，还包括多个散热片；

所述散热片固定设置在所述制冷片2的表面，用于对所述制冷片2进行散热。

优选地，还包括多个魔术贴5；所述制冷片2通过所述魔术贴5与所述手指部位贴合连接。

可选地，本实施例根据人手对温度的敏感程度布局温度驱动器，该温度驱动器具有加热和制冷功能，能实现对握手过程中不同冷热程度的调节。

具体地，温度触觉反馈方面，制冷片2采用TEC半导体制冷片，温度循环范围0-60℃，尺寸为10mm*10mm*3mm，表面粘贴同等大小的散热片便于散热。每个手指近端指节处布置一个，使用魔术贴5使得制冷片2与手指接触更加充分，并适应不同粗细的手指，避免空隙影响温度反馈的体验。手掌上在拇指下方大鱼际的位置放置两个制冷片2。该布置方式用于刺激温度敏感区域，可以增强用户对温度的体验，避免个体差异导致部分用户感觉不出温度变化。

可选地，本实施例中采用振动来模拟握手过程中的晃动，设计不同的振动模式用于区分晃动次数和快慢。

进一步地，本发明采用振动触觉反馈来模拟握手过程中的晃动，设计不同的振动模式用于区分晃动次数和快慢。振动触觉反馈方面，使用线性马达8来呈现。线性马达8的尺寸为22.6mm*10mm*9mm，放置在手掌根部靠近手腕处。具体而言，在手腕处布局惯性传感器采集晃动数据，该晃动数据通过线性马达8调节振动模式呈现给用户，使得用户体验到握手晃动次数和快慢。

图7和图8分别为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套手掌气囊充气前后的结构示意图，如图7和图8所示，图中两个虚线框所示的“气腔”分别为本实施例中的第二气囊驱动器3和第三气囊驱动器9，图中的“气管”为本实施例中的第二气管或第三气管。所述第二硅胶外壳与所述手套的虎口部位贴合连接，所述第三硅胶外壳与所述手套的尺侧部位贴合连接；所述第二硅胶外壳靠近所述手掌部位的区域的厚度小于所述第二硅胶外壳的其他区域的厚度；所述第三硅胶外壳靠近所述手掌部位的区域的厚度小于所述第三硅胶外壳的其他区域的厚度。

图9为本发明提供的实施例中的多模态触觉手套控制结构及虚拟握手系统框架图，如图9所示，本实施例中还提供了一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈系统，包括上述用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套、手部运动追踪模块(例如位姿跟踪模块和诺亦腾手套)、虚拟现实设备(VR设备)、上位机(上位机PC)、下位机、气泵、电机驱动模块、振动驱动模块(振动马达驱动模块)和数模转换芯片。

所述上位机分别与所述手部运动追踪设备、所述虚拟现实设备和所述下位机连接；所述手部运动模块设置在手套的各个部位上，所述手部运动追踪模块用于获取用户佩戴所述手套后的手部运动信息；所述手部运动信息包括五指弯曲的关节角度信息和手部位姿信息；所述虚拟现实设备用于在虚拟场景中生成虚拟手化身，并对握手场景进行可视化显示。

当用户基于所述手部运动追踪模块控制所述虚拟手化身握手时，所述上位机用于根据用户的手部运动信息以及所述虚拟场景中握手双方的所述虚拟手化身的位姿关系，计算握手信息；所述握手信息包括握手位置信息、力度信息、温度信息和晃动信息；所述下位机分别与所述气泵、所述电机驱动模块、所述振动驱动模块、所述数模转换芯片和惯性传感器连接，所述气泵与所述数模转换芯片连接，所述数模转换芯片用于控制所述气泵对手掌气囊和手指气囊(五指气囊)进行充气；所述电机驱动模块与制冷片2(五指制冷片和手掌制冷片)连接，所述电机驱动模块用于控制所述制冷片2实现温度变化；所述振动驱动模块与线性马达8(线性振动马达)连接，所述振动驱动模块用于控制所述线性马达8振动的频率。

所述下位机根据所述握手信息和所述惯性传感器获取的晃动数据分别控制所述数模转换芯片、所述电机驱动模块和所述振动驱动模块的工作状态，以使所述用户获得不同握手深浅的力触觉、温度触觉和振动触觉的体验。

优选地，还包括至少一个比例伺服阀；所述比例伺服阀设置在所述气泵上，所述比例伺服阀与所述数模转换芯片连接，所述比例伺服阀用于调节所述气泵输送至所述手掌气囊和/或所述手指气囊的气压的大小。

具体地，多模态触觉手套的控制系统如图9所示。上位机运行虚拟握手交互场景，画面可在VR头盔中显示。用户穿戴动作捕捉手套，手套上带有Tracker，它们可以分别确定手指关节弯曲角度和手部位姿，这些数据可以驱动虚拟场景中的虚拟手化身，用户可以看到自己的虚拟手化身做出各种手部动作，例如伸手握手。当用户在虚拟场景中的虚拟手化身接触开始握手时，上位机通过串行USB接口与下位机通讯。下位机为Arduino Mega2560单片机，接收到信号后分别驱动力触觉部分、温度触觉部分、振动触觉部分工作，提供相应的触觉感受。

如上所述，力触觉方面采用气动控制。气泵压缩空气，压缩后的空气会在储气罐中储存起来。气体出口处有调压阀，可以手动调压，将稳定的气压送至比例阀。只有储气罐中的气压低于调压阀设定的阈值时，才会启动气泵，这样避免了频繁的启动停止。数模转换芯片将单片机发出的数字信号转换成模拟信号，发送至比例阀。比例阀会根据输入电压动态调整输出气压的大小，将可控的气压输入到气囊中。这里可使用两个比例阀分别控制五个手指气囊和手掌气囊，也可以采用多个比例阀对各个气囊进行独立控制，以产生更加丰富的接触力体验。温度触觉部分，单片机对串口信息进行解析处理后，发送信号至L298N，L298N的两路驱动分别控制五指制冷片和手掌制冷片，同样地，各个制冷片2也可实现独立控制。正反向通电可以让制冷片2产生加热、制冷的效果。振动触觉方面，DRV2605振动马达驱动模块提供的信号作用在马达上可以产生多样化的振感，以匹配晃动的次数和快慢。值得说明地是，在模拟深握时，图1和图2中所有具有驱动器功能的部件均工作；在模拟浅握时，由于只有手指接触，手掌气囊与手掌的制冷片2将不会工作。上述深握和浅握为真实握手过程中常见的握手方式，通过对手指和手掌各气囊以及手指和手掌的制冷片2进行独立控制，提出的多模态触觉反馈手套可提供更加丰富的接触体验，也在本发明的保护范围内。

此外，本实施例中的系统还可以包括上述多模态触觉反馈手套、手部运动追踪模块、虚拟场景显示模块、数据采集模块以及数据通信模块。其中，数据采集模块用于获取握手晃动数据；数据通信模块用于上位机和下位机之间的数据传输(包括惯性传感器采集的握手晃动数据)以及两个用户端(即握手双方)之间的数据传输(包括握手双方的手部位置及姿态数据)。

具体地，所述用于虚拟握手的多模态触觉反馈系统根据手部运动追踪模块采集所得握手双方的手部关节角度信息以及虚拟场景中握手双方的虚拟手化身的位姿关系，计算握手力度，将力度信息(包括驱动器位置及力度大小)、温度信息、晃动信息相应的控制信号通过数据通信模块发送给下位机，下位机控制多模态触觉手套上的各个驱动器，使得用户获得相应的触觉体验，与此同时虚拟场景进行更新。

值得说明地是，多模态触觉手套上用于提供力、温度、振动反馈的驱动器均可调节，结合力反馈驱动器的位置布局，可为用户提供16种及以上的握手体验。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出了用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，填补了当前触觉反馈手套无法模拟握手触觉体验的空白，为虚拟握手系统提供了硬件支持。结合虚拟现实技术，将该多模态触觉反馈手套用于搭建虚拟握手系统，可为用户提供沉浸式握手体验。

(2)本发明根据真实握手的重要元素，提出用于握手的触觉反馈手套应具备的四个握手维度：握手位置深浅、力度大小、温度冷热以及晃动快慢。进一步地，通过力、温度、振动三种触觉反馈形式呈现以上四个维度。值得说明地是，以上三种触觉体验连续可调，可以组合出16种及以上的握手体验。解决了当前触觉反馈手套触觉反馈形式单一、仅局限于指尖等问题。

(3)本发明根据人手不同区域的触觉敏感度、握手接触区域和接触力分布，对触觉反馈手套上的驱动器布局进行优化，在避免驱动器相互干涉的前提下能够为用户提供具体明显区分度的触觉体验。

(4)在握手接触力反馈方面，本发明使用硅胶制作的柔性气囊提高了穿戴舒适性和亲肤性。根据真实握手接触力的分布在手指及手掌区域布局上述柔性气囊，通过手指气囊及手掌气囊的单独控制可实现深握、浅握的握手体验。此外，柔性气囊所能提供的力度大小连续可调，能够模拟不同的分布式握力体验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的手套而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见手套部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，其特征在于，包括：手套、线性马达、惯性传感器、手掌气囊、多个手指气囊和制冷片；

所述手套的各个手指部位分别设置有所述手指气囊，所述手套的手掌部位设置有手掌气囊；所述手指气囊用于在充气时，挤压用户的手指皮肤，阻碍所述用户在所述手套内的各个手指的关节弯曲，以产生手指上的握手接触力体验；所述手掌气囊用于在充气时，挤压所述用户的手掌皮肤，以产生手掌上的握手接触力体验；所述制冷片分别设置在所述手掌部位和所述手指部位，所述制冷片用于对所述用户进行温度刺激；所述惯性传感器与所述线性马达均与单片机连接，所述惯性传感器设置在所述手套的手腕部位，所述惯性传感器用于采集所述用户的手掌的晃动数据；所述线性马达设置在所述手掌部位的根部，所述线性马达用于根据所述晃动数据产生振动，以使用户体验到握手晃动。

2.根据权利要求1所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，其特征在于，还包括多个散热片；

所述散热片固定设置在所述制冷片的表面，用于对所述制冷片进行散热。

3.根据权利要求1所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，其特征在于，还包括多个魔术贴；

所述制冷片通过所述魔术贴与所述手指部位贴合连接。

4.根据权利要求1所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，其特征在于，所述手指气囊包括：硅胶指套和设置在所述硅胶指套的指腹侧的第一气囊驱动器；所述硅胶指套设在所述手指部位上；所述第一气囊驱动器包括第一封闭空腔、第一气管和第一硅胶外壳；所述第一封闭空腔设置在所述第一硅胶外壳内，所述第一气管与气泵连接且延伸至所述第一封闭空腔内；所述第一硅胶外壳与所述硅胶指套的指腹侧连接。

5.根据权利要求4所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，其特征在于，所述第一硅胶外壳位于靠近所述指腹侧的区域的厚度小于所述第一硅胶外壳的其他区域的厚度。

6.根据权利要求1所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，其特征在于，所述手掌气囊包括：硅胶掌套、环状的第二气囊驱动器和第三气囊驱动器；所述第二气囊驱动器和所述第三气囊驱动器通过所述硅胶掌套连接，以形成闭合的环状结构；所述环状结构套设在所述手掌部位上；所述第二气囊驱动器包括第二封闭空腔、第二气管和环状的第二硅胶外壳；所述第二封闭空腔设置在所述第二硅胶外壳内，所述第二气管与气泵连接且延伸至所述第二封闭空腔内；所述第三气囊驱动器包括第三封闭空腔、第三气管和环状的第三硅胶外壳；所述第三封闭空腔设置在所述第三硅胶外壳内，所述第三气管与气泵连接且延伸至所述第三封闭空腔内；所述第二硅胶外壳的第一端通过所述硅胶掌套与所述第三硅胶外壳的第一端连接；所述第二硅胶外壳的第二端通过所述硅胶掌套与所述第三硅胶外壳的第二端连接。

7.根据权利要求6所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，其特征在于，所述第二硅胶外壳与所述手套的虎口部位贴合连接，所述第三硅胶外壳与所述手套的尺侧部位贴合连接；所述第二硅胶外壳靠近所述手掌部位的区域的厚度小于所述第二硅胶外壳的其他区域的厚度；所述第三硅胶外壳靠近所述手掌部位的区域的厚度小于所述第三硅胶外壳的其他区域的厚度。

8.根据权利要求1所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套，其特征在于，所述手掌部位的大鱼际区域设置有两个所述制冷片。

9.一种用于虚拟握手的多模态触觉反馈系统，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈手套、手部运动追踪模块、虚拟现实设备、上位机、下位机、气泵、电机驱动模块、振动驱动模块和数模转换芯片；

所述上位机分别与所述手部运动追模块、所述虚拟现实设备和所述下位机连接；所述手部运动追踪模块设置在手套的各个部位上，所述手部运动追踪模块用于获取用户佩戴所述手套后的手部运动信息；所述手部运动信息包括五指弯曲的关节角度信息和手部位姿信息；所述虚拟现实设备用于在虚拟场景中生成虚拟手化身，并对握手场景进行可视化显示；

当用户基于所述手部运动追踪模块控制所述虚拟手化身握手时，所述上位机用于根据用户的手部手部关节角度信息以及所述虚拟场景中握手双方的所述虚拟手化身的位姿关系，计算握手信息；所述握手信息包括握手位置信息、力度信息、温度信息和晃动信息；所述下位机分别与所述气泵、所述电机驱动模块、所述振动驱动模块、所述数模转换芯片和惯性传感器连接，所述气泵与所述数模转换芯片连接，所述数模转换芯片用于控制所述气泵对手掌气囊和手指气囊进行充气；所述电机驱动模块与制冷片连接，所述电机驱动模块用于控制所述制冷片实现温度变化；所述振动驱动模块与线性马达连接，所述振动驱动模块用于控制所述线性马达振动的频率；

所述下位机根据所述握手信息和所述惯性传感器获取的晃动数据分别控制所述数模转换芯片、所述电机驱动模块和所述振动驱动模块的工作状态，以使所述用户获得不同握手深浅的力触觉、温度触觉和振动触觉的体验。

10.根据权利要求9所述的用于虚拟握手的多模态触觉反馈系统，其特征在于，还包括至少一个比例伺服阀；所述比例伺服阀设置在所述气泵上，所述比例伺服阀与所述数模转换芯片连接，所述比例伺服阀用于调节所述气泵输送至所述手掌气囊和/或所述手指气囊的气压的大小。

Images