CN115129153A - 一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置 - Google Patents

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屈靖
李嘉杰
唐子涵
李会军
徐士立
孙逊
王昊
张亚军
刘专
寇启龙
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Abstract

本发明公开一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，包括指套、振动传导结构、绑带、触摸屏、控制盒、手环和连接导线。指套穿戴于指尖上，振动传导结构固定在指套的指腹部位，通过连接导线连接至控制盒接口，控制盒固定在手环上，内部包含电源、蓝牙模块和数据处理模块，触摸屏位于控制盒上方。本发明模拟物体表面的整体起伏状态以及粗糙程度：使两个振动电机分别产生高低频振动，通过幅值和频率的权值调节，通过振动传导结构将两种振动进行叠加，从而产生不同的振动波形，使人感受到不同的触感。

Description

一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置
技术领域
本发明属于触觉感知领域，具体涉及一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置。
背景技术
力触觉是人与外界进行信息交互的重要方式，力觉感受是人体骨骼和肌肉运动产生形变引起的；触觉是触摸时，皮肤受到振动、压力等刺激从而产生的感知。触摸是人们对外界进行感知的重要手段，尤其是对盲人而言，触感是其他感官不可替代的。国内的触觉反馈装置研究起步较晚，目前大部分移动终端的触觉交互设备采用静电力方式，外置式装置较少。同时，使用单电机的触觉反馈形式单一，很难模拟出曲面纹理的粗糙程度，缺乏真实、准确、舒适感。因此，一种便携式、触感舒适准确的触觉反馈装置至关重要。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，通过简单灵活的结构设计和通信方式，结合高效的加权幅频振动调节，可实现平滑、舒适、真实的触觉感知。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，包括指套、振动传导结构、绑带、触摸屏、控制盒、手环和连接导线；所述指套穿戴于指尖，防止振动传导结构和手指的直接接触；绑带用于将振动传导结构固定在指腹部位（隔着指套）；振动传导结构包括两个振动电机、传导体和感受部件，两个振动电机为振源，传导体用于振动的传递，感受部件紧贴指腹，用于触觉感知；连接导线用于连接振动电机和控制盒，传输振动信号；手环穿戴在人的手腕部；控制盒固定在手环上，内部包含电源模块、蓝牙模块和数据处理模块；触摸屏位于控制盒上方，用于振动模式、参数等信息的选择。
所述的指套主要起到防止振动传导结构的感受部件和手指的直接接触，增加振动感知的舒适度；采用尼龙丝材料，轻薄透气，防止手指出汗影响感知，也避免振感的削弱；弹力强，不会对手指造成压迫感；指套可根据应用场景选择不同的穿戴个数，使用方便，灵活性强。
所述的振动传导结构固定在指套的指腹部位，可通过绑带等方式缠绕固定在指尖，指腹对于振动感知较手部其他位置来说更为敏感，适用于指尖的触觉反馈感知；本发明给出两种振动传导结构，桥式传导和柱式传导：桥式传导，即两个振动电机在杆件的两端，分别向中间传递机械波，在杆件中间延申出感受部件；柱式传导，即两个振动电机呈叠加式安装，感受部件在圆柱体端面处。
所述的两个振动电机，一个保持高频振动，另一个为低频振动，可叠加成为一个低频波形的高频振动模式，通过调节高低频振动电机的幅值和频率的权值，便可改变波形，从而产生不同的触觉感知。考虑到手指最佳感知频率范围，高频振动的振动频率为100-300Hz，低频振动的振动频率小于100Hz，从而感知到明显的低频波形振动。
所述的蓝牙模块用于应用场景与指尖触觉反馈装置间的无线通信，进行信息的传输，可增加装置使用灵活性，增大活动空间。
所述的控制盒中的数据处理模块用于处理接收到的数字信号，进行信息解码，并控制振动电机产生相应的振动。
所述的触摸屏可用于信息输入，选择不同的振动模式，包括使用指套的个数、振动幅值、振动频率等；触摸屏使整个装置的改进升级更加灵活，简化了机械结构，可输入信息更加多样化。
加权幅频振动叠加原理，从波形的原理上说，即通过对两个振动电机产生的机械波进行幅值和频率的权值调节，将两个机械波进行叠加，从而产生不同的振动波形（包括幅值和频率），使人感受到不同的振感。从机械硬件方面说，通过控制电压幅值和电压频率来控制两个振动电机的振幅和振动频率，通过振动传导结构进行两种机械波的叠加；尤其适用于曲面纹理的粗糙感知。
本发明的有益效果为：
本发明所述的一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，通过简单灵活的结构设计和通信方式，结合高效的加权幅频振动调节，可实现平滑、舒适、真实的触觉感知。
附图说明
图1是本发明指尖触觉反馈装置示意图；
图2是桥式传导结构示意图；
图3是桥式传导结构剖面图；
图4是柱式传导结构示意图；
图5是柱式传导结构剖面图；
图6是手环的正面和背面示意图；
图7是波形叠加示意图；
图8是本发明的结构框图；
图9是本发明的系统流程图。
附图标识列表：
1、指套；2、振动传导结构；3、连接导线；4、手环；5、控制盒；6、触摸屏；7、振动电机一，8、振动电机二，9、传导结构；10、感知部件，11、螺栓，12、凹槽，14、接口；15、开关按钮，16、启停按钮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明所述的一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，包括指套1、振动传导结构2、连接导线3、手环4、控制盒5和触摸屏6。指套1穿戴在手指的末节（最外端），采用轻薄透气材料，指套数量为1-5个，可根据应用场景选择不同的穿戴个数，使用方便，灵活性强；振动传导结构2包括两个振动电机（振动电机一7和振动电机二8）、传导结构9和感受部件10，两个振动电机为振源，传导结构9用于振动的传递，感受部件10紧贴指腹，用于触觉感知，本发明给出了两种传导结构，桥式传导结构（如图2）和柱式传导结构（如图3）；连接导线3为振动电机的两根信号线，连接至控制盒的接口；手环4穿戴于手腕上，用于控制盒和触摸屏的支撑；控制盒5固定在手环上，内部包含电源模块、蓝牙模块和数据处理模块，电源用于装置的供电，蓝牙用于信息的传输，数据处理模块用于信号解码以及振动电机的振动控制；触摸屏6可用于信息输入，选择不同的振动模式，包括使用指套的个数、振动幅值、振动频率等；触摸屏使整个装置的改进升级更加灵活，简化了机械结构，可输入信息更加多样化。
图2是桥式传导结构示意图，振动电机一7为高频振动源，产生100-300Hz的振动，用于低频波面的振动感知；振动电机二8为低频振动源，振动频率小于100Hz，用于低频波面整体起伏感知；振动电机一7和振动电机二8分别固定在传导结构9内部的凹槽12里（振动电机一7在左，振动电机二8在右），并通过螺栓11紧固，使振动电机和传导结构紧密贴合，螺栓固定方便振动电机的更换；将整个传导结构通过绑带等方式固定在指尖，感知部件10紧贴指腹，将振动传导至手指。图3为桥式传导结构的剖面图。
图4是柱式传导结构示意图，振动方式同上。图5是柱式传导结构的剖面图。振动电机一7在上，振动电机二8在下。
图6是本发明提供的指尖触觉反馈装置手环部分的正面和背面示意图，接口14用于振动电机信号线与控制电路的连接，共有五路通道，可根据应用场景灵活选择使用指套个数。按钮15是开关按钮，用于整个装置的开启与关闭；按钮16是振动电机的启停按钮，开启后振动电机才能接收控制信号产生相应振动，再次点击，便可终止连接，电机停止振动。
图7是波形叠加示意图，将两个振动源基本波形设置为单位幅值1和频率1Hz，分别调节不同的幅度权值a1、a2和频率权值f1、f2，将两个波形相加。图7为a1=0.1，a2=1，f1=150，f2=10时的振动叠加波形示意图，触感应为随振动电机起伏的轻微抖动。随着高频振动幅值的权值a1越来越大，这种高频振感越来越强，如图8、9所示。将高频振动电机的频率权值f2调高，则手指会感受到更加快速的振动；将f2调低，会感受到振动频率变缓。调节低频振动电机的频率权值f1，则整体的起伏感知变化更快。即，a1、f1模拟物体表面的整体起伏状态，a2、f2模拟物体表面的粗糙程度。
图8是本发明的结构框图，指套触觉反馈装置有两种起振模式，一种是通过触摸屏输入幅值、频率等参数，使振动电机产生相应振动；另一种是结合虚拟场景，通过触摸虚拟物体，将相应的参数通过蓝牙传输到控制盒，使产生相应振动，实现虚拟物品的真实体验感。
图9是本发明应用到虚拟场景的系统流程图，虚拟场景产生交互的纹理信息，并将其解析为幅值、频率的权值，将各权值编码为带帧头帧尾的振动序列，通过蓝牙发送到数据处理模块，使电机产生相应振动。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，其特征在于：指尖触觉反馈装置包括指套、振动传导结构、绑带、触摸屏、控制盒、手环和连接导线；指套穿戴于指尖，振动传导结构包括两个振动频率不同的电机、传导结构和感受部件，两个振动电机为振源，传导结构用于振动的传递，绑带用于将振动传导结构固定在指腹部位；感受部件隔着指套紧贴指腹，连接导线用于连接振动电机和控制盒，传输振动信号；所述手环穿戴在人的手腕部；控制盒固定在手环上，控制盒内部包含电源模块、蓝牙模块和数据处理模块；触摸屏位于控制盒上方，用于信息选择。
2.根据权利要求1所述的一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，其特征在于，指套采用尼龙丝材料，指套数量为1-5个。
3.根据权利要求1所述的一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，其特征在于，所述振动传导结构为桥式传导，即两个振动电机设置在杆件的两端，分别向中间传递机械波，在杆件中间延伸出感受部件。
4.根据权利要求1所述的一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，其特征在于，所述振动传导结构为柱式传导，即两个振动电机呈叠加式安装，感受部件在圆柱体端面处。
5.根据权利要求1所述的一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，其特征在于，蓝牙模块用于应用场景与指尖触觉反馈装置间的无线通信，进行信息的传输。
6.根据权利要求1所述的一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，其特征在于，控制盒中的数据处理模块用于处理接收到的数字信号，进行信息解码，调节振动电机幅值和频率的权值，并控制振动电机产生相应的振动。
7.根据权利要求1所述的一种基于加权幅频振动叠加的指尖触觉反馈装置，其特征在于，触摸屏用于信息输入，选择不同的振动模式，包括使用指套的个数、振动幅值、振动频率，并且显示波形。
8.根据权利要求1所述的加权幅频振动叠加原理，其特征在于：两个振动电机，一个产生高频振动，另一个产生低频振动，将两个振动源基本波形设置为单位幅值1和频率1Hz，分别调节高低频振动电机的幅度权值a1、a2和频率权值f1、f2，将两个波形叠加为低频波形上的高频抖动；可模拟物体不同起伏面及其表面粗糙程度的触感；使人感受到不同的触觉感知。
9.根据权利要求1所述的加权幅频振动叠加原理，其特征在于：高频振动的电机振动频率为100-300Hz，低频振动的电机振动频率小于100Hz。
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