CN116991230A - 一种可扩展的阵列式触觉反馈系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩展的阵列式触觉反馈系统及方法，涉及人机交互领域，包括触觉反馈设备和控制单元，触觉反馈设备采用阵列式设计，通过有线或无线的方式连接至控制单元，控制单元可扩展连接多个触觉反馈设备；触觉反馈设备包括上硅胶封装，下硅胶封装，振动电机，隔振环，柔性电路板和单面胶；振动电机焊接在柔性电路板上，隔振环放置在振动电机外侧，粘接在柔性电路板上，柔性电路板上焊接有插座；控制单元包括单片机和PWM驱动器，单片机通过I2C协议与PWM驱动器通信，PWM驱动器输出可调的PWM波。本发明的触觉设备轻巧，具备较好的柔性，可适应于人体表面大部分曲率，实现人体表面较大范围的触觉诱发和信息反馈，在人机交互场景中具有明显优势。

Description

一种可扩展的阵列式触觉反馈系统及方法

技术领域

本发明涉及人机交互领域，尤其涉及一种可扩展的阵列式触觉反馈系统及方法。

背景技术

在人机交互中，触觉接口提供了从物到人的信息传输通道，可以极大地提升接口性能和用户体验。触觉接口不仅可以在人体表面诱发出触觉，也使得我们能更好地与外部物理世界进行交互，在遥操作、手术机器人、虚拟增强现实等应用场景中具有重要意义。当前的大部分触觉反馈设备受限于刚性和笨重的外形，难以提供紧凑小巧的设备形式和自然直观的反馈策略，对应的触觉接口对用户负担较大。

柔性阵列式触觉接口相较于传统单一触觉接口能提供更多更丰富的信息反馈模式，并为时空呈现这一模式提供了设备基础。当前的触觉设备在交互任务中，更多地以感知替代的方式存在，受试者需要较长时间的训练，并需要感知反馈单元在皮肤表面的绝对信息，有较大的训练和使用负担。通过阵列化的结构和时空呈现的方式可以关联单元之间的相对信息，弱化对单个单元的绝对感知。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可扩展的阵列式触觉反馈系统及方法，能够以时空呈现的方式传递高维信息，提升在人机交互任务中的性能，降低受试者的使用负担。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设计一种紧凑小巧的阵列式触觉反馈系统，实现任意位置灵活可扩展的大范围触觉呈现。

为实现上述目的，本发明提供了一种可扩展的阵列式触觉反馈系统，其特征在于，包括触觉反馈设备和控制单元，所述触觉反馈设备采用阵列式设计，通过有线或无线的方式连接至所述控制单元，所述控制单元可扩展连接多个所述触觉反馈设备，所述触觉反馈系统具有在皮肤上大范围灵活配置的能力，实现大区域大面积的触觉反馈，其中，

所述触觉反馈设备，包括上硅胶封装，下硅胶封装，振动电机，隔振环，柔性电路板和单面胶；所述振动电机焊接在所述柔性电路板上，所述振动电机通过所述单面胶定位在所述柔性电路板上，所述隔振环放置在所述振动电机外侧，并封装于所述上硅胶封装和所述下硅胶封装中，与所述上硅胶封装之间产生模量差，所述隔振环通过硅胶专用胶粘接在所述柔性电路板上，所述柔性电路板上还焊接有插座；

所述控制单元，包括单片机和PWM驱动器，所述单片机通过I2C协议与所述PWM驱动器通信，所述PWM驱动器通过GPIO口输出可调的PWM波。

进一步地，所述振动电机采用圆柱形振动电机，所述振动电机为多个，多个所述振动电机设置为中心对称排列方式，形成阵列结构，所述振动电机之间的间距设置为12-40mm。

进一步地，所述振动电机设置为7个，所述振动电机的直径为7mm，厚度为2mm，所述振动电机之间的间距为16mm。

进一步地，所述振动电机采用的触觉反馈技术包括偏心旋转质量和线性谐振器。

进一步地，所述上硅胶封装和所述下硅胶封装，采用弹性模量低的亲肤柔性硅胶，保证所述触觉反馈设备稳定贴附于皮肤表面，所述亲肤柔性硅胶包括Ecoflex、PDMS和DragonSkin。

进一步地，通过调整所述振动电机之间的间距，以及所述上硅胶封装和所述下硅胶封装的模量，实现所述触觉反馈系统不同的弯曲应变，使所述触觉反馈系统具备良好的柔性和弯折特性，满足皮肤表面的各种曲率。

进一步地，所述PWM驱动器通信可扩展为多个，所述单片机通过总线与所述多个PWM驱动器通信，所述PWM驱动器可以控制输出多路PWM信号，实现对所述振动电机的调控。

进一步地，所述PWM驱动器采用场效晶体管电路控制所述振动电机，所述PWM驱动器的输出决定所述晶体管电路的种类为p通道或者n通道。

另一方面，本发明还提供了一种可扩展的阵列式触觉反馈方法，其特征在于，所述触觉反馈方法利用本发明提供的一种可扩展的阵列式触觉反馈系统，结合预定的编码策略，所述触觉反馈方法可以提供局部区域高维信息的直观传递，通过扩展后可以在皮肤表面大范围实现虚拟触觉诱发，所述编码策略采用不同的振动单元振动模式，所述编码策略基于手指交互中的相对位置和形态学信息，直观地传递手指相关信息。

进一步地，所述触觉反馈方法通过所述编码策略向用户传递振动单元间的相对信息，所述相对信息包括区域、时长和振感，所述触觉反馈设备还可以表征一个手指的方位引导信息和传感信息，所述方位引导信息包括右前、右下和左侧、所述传感信息包括接近、小力、中力、大力和滑觉。

在本发明的较佳实施方式中，现对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过多层结构以及阵列式振动电机的排布设计，和软材料封装，触觉设备轻巧，具备较好的柔性，可以适应于人体表面大部分曲率，在人体运动过程中仍然稳定粘附，正常工作；

2、本发明提供的可扩展阵列式触觉反馈设备，拓宽了可穿戴式设备的应用场景，可以实现人体表面较大范围上的触觉诱发和信息反馈，在人机交互的操作场景中具有明显优势。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的触觉反馈设备的爆炸示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的控制单元的电路原理示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的触觉反馈设备的制备流程示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的触觉反馈设备的弯折示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的编码策略示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的振动电机的振动模式示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的触觉反馈系统的扩展配置示意图。

其中：

1-触觉反馈设备，2-上硅胶封装，3-振动电机，4-隔振环，5-柔性电路板，6-单面胶，7-下硅胶封装，8-控制单元，9-回流焊，10-粘接隔振环，11-喷脱模剂，12-注射硅胶，13-真空加热，14-脱模，15-粘接并定位，16-焊接电机，17-交互侧视图，18-交互仰视图，19-空间编码策略，20-时空编码策略，21-单一振动，22-时序振动。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1、2所示，本发明实施例提供的一种可扩展的阵列式触觉反馈系统，包括触觉反馈设备1和控制单元8，触觉反馈设备1采用阵列式设计，通过有线或无线的方式连接至控制单元8，控制单元8可扩展连接多个触觉反馈设备1，该触觉反馈系统具有在皮肤上大范围灵活配置的能力，实现大区域大面积的触觉反馈。

如图1所示，触觉反馈设备1包括上硅胶封装2，下硅胶封装7，振动电机3，隔振环4，柔性电路板(FPCB)5和单面胶6。

振动电机3焊接在柔性电路板5上，振动电机3通过单面胶6定位在柔性电路板5上。振动电机3采用圆柱形振动电机，振动电机3可以有多个，多个振动电机3设置为中心对称排列方式，形成阵列结构，振动电机3之间的间距设置为12-40mm。

优选地，振动电机3设置为7个，振动电机3的直径为7mm，厚度为2mm，振动电机3之间的间距为16mm。

优选地，振动电机3采用的触觉反馈技术包括偏心旋转质量和线性谐振器。

隔振环4放置在振动电机3外侧，并封装于上硅胶封装2和下硅胶封装7中，与上硅胶封装2之间产生模量差，隔振环4通过硅胶专用胶粘接在柔性电路板5上；柔性电路板5上还焊接有插座。

上硅胶封装2和下硅胶封装7，采用弹性模量低的亲肤柔性硅胶，保证所述触觉反馈设备1稳定贴附于皮肤表面，亲肤柔性硅胶包括Ecoflex、PDMS和DragonSkin。

控制单元8，包括单片机和PWM驱动器，单片机通过I2C协议与PWM驱动器通信，PWM驱动器通过GPIO口输出可调的PWM波。PWM驱动器通信可扩展为多个，单片机通过总线与多个PWM驱动器通信，该PWM驱动器可以控制输出多路PWM信号，实现对振动电机3的调控。由于多路状态下输出的电流能力较弱，PWM驱动器采用场效晶体管(mosfet)电路控制振动电机3，通过场效晶体管作为开关提供高电流的输出，PWM驱动器的输出决定上述晶体管电路的种类为p通道或者n通道。

通过调整振动电机3之间的间距，以及上硅胶封装2和下硅胶封装7的模量，实现触觉反馈系统不同的弯曲应变，使触觉反馈系统具备良好的柔性和弯折特性，满足皮肤表面的各种曲率。

如图5所示，本发明实施例还提供的一种可扩展的阵列式触觉反馈方法，该触觉反馈方法利用本发明实施例还提供的一种可扩展的阵列式触觉反馈系统，结合预定的编码策略，该触觉反馈方法可以提供局部区域高维信息的直观传递，通过扩展后可以在皮肤表面大范围实现虚拟触觉诱发，所述编码策略采用不同的振动单元振动模式，上述编码策略基于手指交互中的相对位置和形态学信息，直观地传递手指相关信息。触觉反馈方法通过编码策略向用户传递振动单元间的相对信息，相对信息包括区域、时长和振感，触觉反馈设备还可以表征一个手指的方位引导信息和传感信息，方位引导信息包括右前、右下和左侧，传感信息包括接近、小力、中力、大力和滑觉。

在本发明的优选实施例中，针对当前的大部分触觉反馈设备受限于刚性和笨重的外形，难以提供紧凑小巧的设备形式，对应的触觉接口对用户负担较大的问题，本发明通过多层结构以及阵列式振动电机的排布设计，和软材料封装，实现设备良好的柔性，通过设置合理的电机间距，选择合适的柔性材料以及对应的柔性制备封装流程，本发明的触觉设备轻巧，具备较好的柔性，可以适应于人体表面大部分曲率，在人体运动过程中仍然稳定粘附，正常工作。

针对当前的触觉反馈设备常采用单点或者大片阵列的形式，难以实现任意位置灵活可扩展的大范围触觉呈现，本发明设计的控制单元具备可扩展连接多个触觉设备的能力，在单个阵列式触觉设备的基础上，通过有线或无线的方式连接至统一控制单元，进行皮肤上大范围的灵活设备配置，并通过PWM驱动器，扩展系统输出的PWM通道数，由一个控制单元连接多个从节点的阵列式设备，提供的可扩展阵列式触觉反馈设备，拓宽了可穿戴式设备的应用场景，可以实现人体表面较大范围上的触觉诱发和信息反馈，在人机交互的操作场景中具有明显优势。

另外，当前服务于交互的触觉反馈设备更多的一种感知替代，需要复杂的训练和振动单元绝对位置的感知，同时策略本身也不够直观，通过阵列化的结构和时空呈现的方式可以关联单元之间的相对信息，弱化对单个单元的绝对感知，编码策略模拟手指在接触操作过程中的相对位置和形态学变化，通过对振动电机的频率、振幅、时长等参数进行调控，同时基于阵列式设计引入空间信息，可以在单片触觉设备上实现任一单元可调的复杂时空呈现，提供的设备结合匹配的编码策略，可以实现高维手指信息的直观反馈而非传统的感知替代。

下面结合本发明的优选实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明优选实施例提供的一种可扩展的阵列式触觉反馈设备的爆炸示意图。触觉反馈设备1包括：硅胶封装2，振动电机3，隔振环4，柔性电路板(FPCB)5，单面胶6，硅胶封装7。硅胶封装2和硅胶封装7采用浇注或者3D打印，可以采用但不限于Ecoflex、PDMS和DragonSkin；振动电机3采用小型圆柱状振动电机，可以采用但不限于偏心旋转质量(ERM)和线性谐振器(LRA)；隔振环4通过物理形式削弱振动表面波的传递，与硅胶封装2之间产生模量差；柔性电路板5上焊接插座和振动电机3；振动电机3通过单面胶6将其定位在柔性电路板5上。

优选地，硅胶封装2表面可增加一层粘附层，采用Ecoflex Gel或者aPDMS(粘性PDMS)，可以保证设备贴附于皮肤表面，或通过Tegaderm敷料将设备贴在皮肤表面。

优选地，通过一次浇注即可同时完成上下硅胶的成型。

优选地，振动电机3可以采用但不限于偏心旋转质量(ERM)和线性谐振器(LRA)。

优选地，单个触觉反馈设备中振动电机3不局限于图中所示的7个，但需采取中心对称图形用于降低设备贴附使用的方向性。

优选地，采用7个0720振动电机(直径7mm，厚度2mm)以及16mm的间隔，单个触觉接口设备的质量不超过6g。

优选地，由于人体皮肤对振动感知阈值的存在，振动电机3之间的间距不得过小，建议12-40mm。

如图2所示，本发明优选实施例提供的控制单元的电路原理示意图。控制单元8包括单片机和PWM(脉宽调制)驱动器，单片机通过I2C协议与可扩展的PWM驱动器通信，驱动器通过GPIO(通用输入输出)口输出可调的PWM波，由于多路状态下输出的电流能力较弱，可以通过mosfet(场效晶体管)作为开关提供高电流的输出。该电路可以直接对PWM的参数进行调整和输出，实现对任意电机的不同电压输入，同时所选PWM驱动器中具备存储PWM波形的功能。

优选地，mosfet的种类需根据PWM驱动器的输出决定是p通道还是n通道。

如图3所示，本发明优选实施例提供的触觉反馈设备的制备流程示意图，上述制备流程包括：回流焊，如图3中的流程9，粘接隔振环4，如图3中的流程10，喷脱模剂，如图3中的流程11，注射硅胶，如图3中的流程12，真空加热，如图3中的流程13，脱模，如图3中的流程14，粘接并定位，如图3中的流程15，焊接振动电机3，如图3中的流程16。

具体地：通过回流焊的方式将插座焊接在柔性电路板5上，然后通过硅胶专用胶将隔振环4粘接到柔性电路板5上。在模具上喷脱模剂，放入柔性电路板5，在模具中注射硅胶，将整体放入烘箱中进行真空加热固化。将设备进行脱模，用单面胶6对振动电机3进行定位并粘接，最后将振动电机3焊接到柔性电路板5上进行电气连接。

如图4所示，通过如图3所示制备方法制备的触觉反馈设备具备良好的柔性和弯折特性，可以满足皮肤表面的各种曲率。通过调整电机3之间测间距以及硅胶封装2和硅胶封装7的模量可以实现设备不同的弯曲应变。

实施例2

如图5所示，本发明实施例提供的一种可扩展的阵列式触觉反馈方法的编码策略示意图。结合合适匹配的编码策略，本发明所呈现的触觉反馈接口可以实现高维信息的直观传递。本发明匹配的编码策略基于手指在进行交互时的相对状态和形态学变化，如图5所示，根据交互侧视17和交互仰视18中手指的状态和手指表面的形态编码设计了空间编码策略19和时空编码策略20。此时本发明的触觉设备表征一个手指的相关信息，包括方位引导(右前，右下，左侧)和传感信息(接近，小力，中力，大力和滑觉)。

采用的编码策略注重展现振动单元之间的相对信息(区域，时长，振感等)，避免了受试者对于单个振动单元的绝对位置感知，具备在设备偏移且免训练情况下仍然有效的能力。

如图6所示，本发明优选实施例提供的振动电机3的振动模式示意图，分别对应振动电机3的单一振动21和时序振动22。在单一振动中21，振动电机3持续振动T1时间；而在时序振动中22，振动电机3不会持续振动，会在T1和T3时刻进行振动，T2时刻静止状态，其中T1、T2和T3均可为大于等于0的时间。通过所有振动电机3的单一振动模式21和时序振动22的组合，可以实现在单个触觉反馈设备上实现时空模式的反馈。

本系统具备良好的可扩展性，本发明的触觉反馈设备具备较好的可扩展性，包括单一触觉设备的形式和多节点触觉设备的数量。如图7所示，本发明优选实施例提供的触觉反馈系统的扩展配置示意图，一个控制单元8可以通过I2C可连接多个PWM驱动器，PWM驱动器又可以控制输出多路PWM实现振动电机3的调控。多个不同构型的触觉反馈设备可以连接至同一个控制单元，控制单元放置于人体躯干肢体的皮肤表面可以实现在人体皮肤表面大范围的触觉反馈。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可扩展的阵列式触觉反馈系统，其特征在于，包括触觉反馈设备和控制单元，所述触觉反馈设备采用阵列式设计，通过有线或无线的方式连接至所述控制单元，所述控制单元可扩展连接多个所述触觉反馈设备，所述触觉反馈系统具有在皮肤上大范围灵活配置的能力，实现大区域大面积的触觉反馈，其中，

所述触觉反馈设备，包括上硅胶封装，下硅胶封装，振动电机，隔振环，柔性电路板和单面胶；所述振动电机焊接在所述柔性电路板上，所述振动电机通过所述单面胶定位在所述柔性电路板上，所述隔振环放置在所述振动电机外侧，并封装于所述上硅胶封装和所述下硅胶封装中，与所述上硅胶封装之间产生模量差，所述隔振环通过硅胶专用胶粘接在所述柔性电路板上，所述柔性电路板上还焊接有插座；

所述控制单元，包括单片机和PWM驱动器，所述单片机通过I2C协议与所述PWM驱动器通信，所述PWM驱动器通过GPIO口输出可调的PWM波。

2.如权利要求1所述的触觉反馈系统，其特征在于，所述振动电机采用圆柱形振动电机，所述振动电机可扩展为多个，多个所述振动电机设置为中心对称排列方式，形成阵列结构，所述振动电机之间的间距设置为12-40mm。

3.如权利要求2所述的触觉反馈系统，其特征在于，所述振动电机设置为7个，所述振动电机的直径为7mm，厚度为2mm，所述振动电机之间的间距为16mm。

4.如权利要求3所述的触觉反馈系统，其特征在于，所述振动电机采用的触觉反馈技术包括偏心旋转质量和线性谐振器。

5.如权利要求1所述的触觉反馈系统，其特征在于，所述上硅胶封装和所述下硅胶封装，采用弹性模量低的亲肤柔性硅胶，保证所述触觉反馈设备稳定贴附于皮肤表面，所述亲肤柔性硅胶包括Ecoflex、PDMS和DragonSkin。

6.如权利要求1所述的触觉反馈系统，其特征在于，通过调整所述振动电机之间的间距，以及所述上硅胶封装和所述下硅胶封装的模量，实现所述触觉反馈系统不同的弯曲应变，使所述触觉反馈系统具备良好的柔性和弯折特性，满足皮肤表面的各种曲率。

7.如权利要求1所述的触觉反馈系统，其特征在于，所述PWM驱动器通信可扩展为多个，所述单片机通过总线与所述多个PWM驱动器通信，所述PWM驱动器可以控制输出多路PWM信号，实现对所述振动电机的调控。

8.如权利要求7所述的触觉反馈系统，其特征在于，所述PWM驱动器采用场效晶体管电路控制所述振动电机，所述PWM驱动器的输出决定所述晶体管电路的种类为p通道或者n通道。

9.一种可扩展的阵列式触觉反馈方法，其特征在于，所述触觉反馈方法利用如权利要求1-8任意一项所述的触觉反馈系统，结合预定的编码策略，所述触觉反馈方法可以提供局部区域高维信息的直观传递，通过扩展后可以在皮肤表面大范围实现虚拟触觉诱发，所述编码策略采用不同的振动单元振动模式，所述编码策略基于手指交互中的相对位置和形态学信息，直观地传递手指相关信息。

10.如权利要求9所述的触觉反馈方法，其特征在于，所述触觉反馈方法通过所述编码策略向用户传递振动单元间的相对信息，所述相对信息包括区域、时长和振感，所述触觉反馈设备还可以表征一个手指的方位引导信息和传感信息，所述方位引导信息包括右前、右下和左侧，所述传感信息包括接近、小力、中力、大力和滑觉。