CN117666778A - 动触觉混合渲染的电刺激触觉反馈穿戴系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电触觉人机交互设备领域，具体为一种动触觉混合渲染的电刺激触觉反馈穿戴系统，包括上位机、刺激输出模块、触觉反馈手套和VR外部设备；上位机用于提供虚拟现实场景，并根据VR外部设备实现与数字内容的交互，生成触觉信息；触觉反馈手套包括手套本体，设置在手套本体上的指尖触觉电极阵列、手指动觉电极阵列；刺激输出模块与触觉反馈手套连接，根据触觉信息向触觉反馈手套输出刺激电流，激活部分或全部刺激电极，以刺激手指产生动觉反馈，实现动觉和触觉的混合渲染。使用者可以佩戴触觉反馈手套触摸虚拟现实场景中各种物体以获取对应的触感，提高了虚拟场景下用户体验的沉浸感和真实感。
Description
技术领域
本发明涉及电触觉人机交互设备领域，尤其涉及一种动触觉混合渲染的电刺激触觉反馈穿戴系统。
背景技术
随着元宇宙的飞速发展和市场对人机交互沉浸感与真实感的要求的不断提高，越来越多用于人机交互力反馈领域的设备被开发出来，并被成功地应用于虚拟现实、增强现实、游戏、医疗康复、工业制造等众多重要领域。触觉是人类上万年进化获得的一种最高效的感知方式，因此触觉反馈技术是实现真实感的关键技术之一。
实现触觉反馈的接口类型多样，可以总体分为机械力反馈接口、神经刺激(电刺激)反馈接口以及温觉反馈接口三种类型。其中，机械力反馈接口需要庞大的外部机械装置，对设备的便携性和可穿戴性都产生一定的影响；温觉反馈接口仅能向皮肤提供温度感觉，无法实现更多元的触觉模态。与上述两种接口不同的是，电刺激反馈接口的实现设备更加便携且易于集成，成本相较其他两种类型的反馈接口更加低廉。
当下，单一触觉模态的反馈设备已经日趋成熟，因此触觉模态的多极化实现逐渐成为一个新兴的研究方向。触觉多模态化是指调用混合触觉显示虚拟对象的多种属性，包括柔软度、纹理、温度、形状等。动觉和触觉是触觉模态的两种最基本模态，对这两种模态的集成实现案例也早有存在，比较典型的多模态触觉反馈设备一般使用机械反馈接口同时实现动觉和触觉刺激，或使用电刺激反馈接口实现触觉，并使用机械反馈接口实现动觉。遗憾的是，并不存在使用电刺激接口同时实现动觉和触觉的设备，无法以纯电刺激的形式实现更加真实、沉浸的体验感。
发明内容
针对现有触觉反馈设备无法以电刺激形式同时提供动觉和触觉两种触觉感受的问题，本发明提供一种动触觉混合渲染的电刺激触觉反馈穿戴系统，使用电刺激形式实现动觉、触觉混合渲染触觉反馈。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种动触觉混合渲染的电刺激触觉反馈穿戴系统，包括上位机、刺激输出模块、触觉反馈手套和VR外部设备；
VR外部设备用于提供虚拟现实场景下的交互环境，将手势交互信息捕捉进虚拟现实场景中，实现与数字内容的交互；
上位机分别与刺激输出模块、触觉反馈手套和VR外部设备连接，用于提供虚拟现实场景，并根据VR外部设备实现与数字内容的交互，生成触觉信息；
触觉反馈手套包括手套本体，以及设置在手套本体上的刺激电极，刺激电极包括指尖触觉电极阵列、手指动觉电极阵列，指尖触觉电极阵列位于手套本体的手指指腹处，手指动觉电极阵列位于手套本体的手背处；
刺激输出模块与触觉反馈手套连接，并根据所述触觉信息向触觉反馈手套输出刺激电流，激活部分或全部刺激电极，以刺激手指产生动觉反馈，实现动觉和触觉的混合渲染。
优选地，所述刺激输出模块包括电刺激单元、多路复用单元和选通器，电刺激单元分别与多路复用单元、选通器连接，用于产生电刺激信号；多路复用单元、选通器均与触觉反馈手套连接，用于控制电刺激单元向触觉反馈手套上的刺激电极发送电刺激信号，并根据触觉信息控制电刺激单元的输出。
优选地，所述手指动觉电极阵列包括多个动觉电极，控制大拇指弯曲的动觉电极布置在大鱼际肌群外上方的皮肤处；控制小拇指弯曲的动觉电极布置在小鱼际肌群外侧上方的皮肤处；控制食指弯曲的动觉电极布置在虎口处的第一骨间肌肉上方的皮肤处；控制无名指和中指弯曲的动觉电极则分别布置在手背处控制这两根手指弯曲的骨间肌上方的皮肤处。
优选地，手指动觉电极阵列的多个动觉电极全部被激活，或部分被激活；
当手指动觉电极阵列中控制某根手指弯曲的动觉电极被激活，成为激活电极，且与其左右相邻的两个动觉电极未被全部激活时，相邻的动觉电极将独立或同时导通，输出与激活电极输出的刺激电流不同的抑制电流；抑制电流用于拘束刺激电流，防止刺激电流扩散到其他肌肉或神经组织。
优选地，所述指尖触觉电极阵列设有多个，每个指尖触觉电极阵列设有若干行列排布的电极；
在刺激输出模块的控制下，每个指尖触觉电极阵列中的电极被全部激活或被部分激活。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、利用刺激虚拟触觉原理制造动觉和触觉的混合渲染，可以同时实现动觉和触觉的多模态刺激，增加了虚拟场景的沉浸感和真实感。
2、刺激信号采用双向方波，提高了触觉感受的真实性。双向方波抵消了正向脉冲的电荷积累，避免在长时间电刺激过程中由于电荷积累导致的不适感；动觉电极的复用引入了抑制电流，限制了刺激电流的扩散，缓解了电流扩散带给使用者手掌的麻木感和不适感，并使动觉反馈的分辨率更高。
3、穿戴系统的构造简单、制造成本低，功耗小，适合个体用户的日常使用。使用者可以佩戴触觉反馈手套触摸虚拟现实场景中各种物体以获取对应的触感，提高了虚拟场景下用户体验的沉浸感和真实感。
附图说明
图1为本发明实施例涉及的触觉反馈穿戴系统的架构图；
图2为本发明实施例涉及的触觉反馈手套的结构示意图；以右手为例，(a)为手背侧，(b)为手掌侧；
图3为图2中指腹处电极阵列的结构示意图；
图4为电极阵列输出的连续双向方波的示意图；
图5为动觉电极阵列同时输出刺激电流和抑制电流时二者在参数上的异同，其中实线表示刺激电流，虚线表示抑制电流。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅只是本发明的一部分实施例，而非本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制；示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
此外，在本说明书和附图中，具有基本上相同或类似步骤和元素用相同或相似的附图标记来表示，且对这些步骤和元素的重复描述将被省略。
此外，在本说明书和附图中，除非另有明确说明，“连接”并不意味着必须“直接连接”或“直接接触”，在此，“连接”既可表示固定作用也可以表示电学意义上的连通。
作为一个示例实施例，本发明可以应用于与人工智能或元宇宙相关联的领域。其中，人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理等；元宇宙是人类运用数字技术构建的，由现实世界映射或超越现实世界，可与现实世界交互的虚拟世界，具备新型社会体系的数字生活空间，元宇宙中所运用的技术包括5G、云计算、人工智能、虚拟现实、区块链、数字货币、物联网、人机交互等。
如图1所示，本发明实施例涉及的触觉反馈穿戴系统包括上位机、刺激输出模块、触觉反馈手套和VR外部设备，其中上位机设有虚拟现实场景，VR外部设备用于提供虚拟现实场景下的交互环境，上位机分别与刺激输出模块、触觉反馈手套和VR外部设备连接；刺激输出模块与触觉反馈手套连接。
本发明实施例中，上位机的虚拟现实场景可以使用Unity 3D引擎开发。Unity 3D是实时3D互动内容创作和运营平台，广泛应用于3D游戏、AR、VR等领域的开发。Unity 3D所使用的编程语言是C#，是微软公司发布的一种由C/C++衍生出来的面向对象编程的、运行于.NET Framework和.NET Core平台之上的高级程序设计语言，可以向Unity 3D引擎提供编程支持。
进一步地，本发明实施例中所使用的VR外部设备包括外接的VR头戴式显示设备和手势捕捉相机。VR头戴式显示设备简称VR头显，它可以将人对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟现实环境中的沉浸感和真实感；手势捕捉相机是一种光学跟踪模块，可以精确捕捉用户的手部运动和手势，VR头显、手势捕捉相机均与上位机连接，并能将用户的手势交互信息捕捉进虚拟现实场景中，从而实现与数字内容的交互，进一步生成触觉信息。在本实施例中，相机捕捉到用户的手部运动和手势信息后，将在虚拟现实环境里生成一个虚拟手；用户通过手部运动来操控虚拟手触摸虚拟现实环境里的虚拟物体，虚拟手和虚拟物体接触后，上位机里的碰撞检测算法将启动，检测到虚拟手和虚拟物体两者碰撞后，形成触觉信息并向刺激输出模块输出，控制刺激输出模块来输出刺激电流。
如图2所示，触觉反馈手套包括手套本体，以及设置在手套本体上的刺激电极，其中刺激电极包括指尖触觉电极阵列1、手指动觉电极阵列2、公共接地电极3，指尖触觉电极阵列1位于手套本体的手指指腹处，手指动觉电极阵列2位于手套本体的手背处，公共接地电极3位于手套本体的手腕处。在本实施例中，刺激电极附着于手套本体内部，并以引出导线的方式与刺激输出模块连接。
进一步地，本发明实施例中的刺激输出模块包括电刺激单元、多路复用单元和选通器，电刺激单元分别与上位机、多路复用单元和选通器连接，用于产生电刺激信号；多路复用单元、选通器均与触觉反馈手套连接，用于控制电刺激单元向触觉反馈手套上的刺激电极发送电刺激信号，并根据触觉信息控制电刺激单元的输出。其中，电刺激单元可以是单片机或型号为Master-9的可编程电压信号发生器。
进一步地，位于手背处的手指动觉电极阵列2包括多个动觉电极，各动觉电极的具体布置位置为：控制大拇指弯曲的动觉电极布置在大鱼际肌群外上方的皮肤处；控制小拇指弯曲的动觉电极布置在小鱼际肌群外侧上方的皮肤处；控制食指弯曲的动觉电极布置在虎口处的第一骨间肌肉上方的皮肤处；控制无名指和中指弯曲的动觉电极则分别布置在手背处控制这两根手指弯曲的骨间肌上方的皮肤处。在这些位置布置电极可以比较精确的控制每根手指的独立运动，且不影响其他手指。进一步地，在尺寸上，本实施例选用的动觉电极形状为1×3cm的矩形，并在手腕处布置一个5×5cm的矩形电极作为电极阵列的公共接地端，即公共接地电极3；材质上，动觉电极阵列中的电极可以选择织物基的纺织电极、橡胶基底的电极，或者凝胶贴片电极。
进一步地，手指动觉电极阵列2的多个动觉电极可以全部被激活，也可以部分被激活，即仅激活某个动觉电极或某几个动觉电极。值得注意的是，可选地，当手指动觉电极阵列中控制某根手指弯曲的动觉电极被激活，成为激活电极，且与其左右相邻的两个动觉电极未被全部激活时，相邻的动觉电极将独立或同时导通，输出一个与激活电极输出的刺激电流不同的电流，这个电流被称为抑制电流，输出抑制电流的动觉电极此时被称为抑制电极；抑制电流的存在可以用于拘束刺激电流，防止刺激电流扩散到其他肌肉或神经组织，消除部分感觉扩散，产生更集中且精确的动觉感受，并弱化电流带来的麻木感，提高舒适性。特别地，抑制电极是否被导通、只导通一侧或两侧全部导通都是可选择的，将由使用者自行决定。进一步地，当动觉电极阵列中的所有动觉电极都被激活，以用于刺激所有手指产生动觉反馈时，此时将不会有动觉电极成为抑制电极。
进一步地，对于动觉电极输出的电流，刺激电流单独作用时，选用连续双向方波脉冲，其参数为：电流幅值在0-10mA内可调，步长为0.01mA，单向脉宽在200μs-500μs内可调，步长为50μs；频率在50Hz-300 Hz内可调，步长为50Hz；当引入抑制电极输出抑制电流时，抑制电流可以使用连续双向方波脉冲，起始时间与刺激电流相同，起始方向与刺激电流的方向相反，其脉宽、频率与刺激电流相同(也具有相同的可调范围和步长)，幅值为刺激电流的1/4～1/3。
如图3所示，为多个指腹处的指尖触觉电极阵列1的结构示意图，每个指尖触觉电极阵列设有若干行列排布的电极4。本实施例中，每个指尖触觉电极阵列中的电极个数为12个，以3×4行列排布，电极呈圆形，单个圆形电极的直径为2mm(即图3中第一长度)，某行或某列上相邻两个圆形电极的圆心距离为4mm(即图3中第二长度)。进一步地，在刺激输出模块的控制下，本实施例的12个圆形电极均可以全部被激活，每个圆形电极作为独立通道以输出刺激电流；刺激输出模块也可以只激活部分圆形电极，产生自定义的触觉刺激。
进一步优选地，五个手指指腹处的指尖触觉电极阵列也是相互独立的，它们可以单独或共同作用，对某个或某几个手指产生触觉渲染。特别地，指尖触觉电极阵列可以选择织物基的纺织电极阵列或橡胶基底的电极阵列。指尖触觉电极阵列的输出刺激电流为双向方波脉冲，幅值在0-3mA内可调，步长为0.01mA；脉宽在200μs-400μs内可调，步长为500μs；频率在50Hz-300 Hz内可调，步长为50Hz。图4和图5示意了具有上述电流参数的脉冲波形。值得注意的是，指尖触觉电极阵列和手指动觉电极阵列输出的波形是类似的，二者仅是参数(幅值、脉宽、频率)上有所不同。
在正式使用触觉反馈手套之前，使用者需要先进行阈值电流的测试，具体方法如下：对5个指尖触觉电极阵列和手指动觉电极阵列中的5个动觉刺激电极，从其各自的可输出电流范围的最低值开始，以0.01mA的步长向上增加电流，当使用者能够感受到明显刺激并能产生力反馈效果时，此时的电流则可定为阈值电流。值得注意的是，5个指尖触觉电极阵列和手指动觉电极阵列中的5个动觉刺激电极彼此对应的阈值电流或许是不相同的，可能存在或大或小的差异，这个差异由使用者的个体特异性决定，属于生理性因素。
本发明实施例中触觉反馈穿戴系统的工作流程如下：
(1)用户佩戴触觉反馈手套，并将刺激输出模块与上位机串口连接；
(2)用户测量阈值电流，并根据个人需要调整刺激电流的幅值大小；
(3)用户佩戴VR头显，将手势捕捉相机与上位机连接，打开上位机中的VR软件，进入本发明所述的虚拟环境中；
(4)用户触碰虚拟环境中的数字物体，可以感受到相应的触觉。
触觉反馈手套用在虚拟现实场景中，以电刺激的形式使数字对象具有更真实的手部存在感；刺激输出模块可以同时对手背上的动觉刺激电极和指腹上的触觉刺激电极发送刺激信号，实现动觉和触觉的混合刺激渲染。本实施例中，指尖触觉电极阵列和手指动觉电极阵列二者进行混合渲染的工作过程如下：刺激输出模块同时向指尖触觉电极阵列和手指动觉电极阵列输出电刺激信号，两种电极阵列输出电刺激脉冲，同时对指腹和手指肌肉进行刺激，同时产生触觉和动觉：当用户抓取虚拟场景中的物体时，用户在感受到数字物体的表面纹理、粗糙度、软硬度等性质之外，能够同时感受到物体的形状、重量等物理信息。
进一步地，除了上述工作过程外，指尖触觉电极阵列和手指动觉电极阵列也可以独立作用。当用户独立使用指尖触觉电极阵列时，系统将只在用户指尖渲染触觉反馈；当用户独立使用手指动觉电极阵列时，系统将只在用户手指渲染动觉反馈。
综上所述，实施本发明的触觉反馈穿戴系统，具有以下有益效果：本发明在触觉反馈手套内部设置了触觉刺激电极阵列，阵列中的各个电极通道可以各自独立输出刺激电流，从而控制渲染的空间分辨率；在手背处设置了动觉刺激电极，在手腕处设置了接地电极，并通过激活部分动觉刺激电极的方式形成抑制电极，将人手指感受到的动觉刺激限定在特定范围内，提高了动觉渲染的空间分辨率。电极阵列和电极可以在刺激输出模块的控制下刺激手部组织使佩戴者产生相应动觉或触觉刺激，增加了虚拟场景下人机交互的沉浸感与体验感。
本发明实施例的触觉反馈穿戴系统采用电极阵列实现手指触觉反馈，具有精度高、体积小、重量轻等优点。本发明的电刺激动觉、触觉混合渲染技术，可以使用户感受到更真实的触觉反馈，提高用户的使用体验。其中，所有电极和电极阵列在提供触觉渲染的过程中都与使用者的皮肤直接接触，电极和电极阵列可以使用凝胶电极或橡胶基和织物基电极制作。
此外，本领域技术人员可以理解，本发明实施例的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对它们做出的任何新的和有用的改进。
除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应该理解，诸如在字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种动触觉混合渲染的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，包括上位机、刺激输出模块、触觉反馈手套和VR外部设备；
VR外部设备用于提供虚拟现实场景下的交互环境，将手势交互信息捕捉进虚拟现实场景中，实现与数字内容的交互；
上位机分别与刺激输出模块、触觉反馈手套和VR外部设备连接，用于提供虚拟现实场景，并根据VR外部设备实现与数字内容的交互，生成触觉信息；
触觉反馈手套包括手套本体，以及设置在手套本体上的刺激电极，刺激电极包括指尖触觉电极阵列、手指动觉电极阵列，指尖触觉电极阵列位于手套本体的手指指腹处，手指动觉电极阵列位于手套本体的手背处；
刺激输出模块与触觉反馈手套连接，并根据所述触觉信息向触觉反馈手套输出刺激电流，激活部分或全部刺激电极，以刺激手指产生动觉反馈，实现动觉和触觉的混合渲染。
2.根据权利要求1所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，所述刺激输出模块包括电刺激单元、多路复用单元和选通器，电刺激单元分别与多路复用单元、选通器连接，用于产生电刺激信号；多路复用单元、选通器均与触觉反馈手套连接，用于控制电刺激单元向触觉反馈手套上的刺激电极发送电刺激信号，并根据触觉信息控制电刺激单元的输出。
3.根据权利要求1所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，所述手指动觉电极阵列包括多个动觉电极，控制大拇指弯曲的动觉电极布置在大鱼际肌群外上方的皮肤处；控制小拇指弯曲的动觉电极布置在小鱼际肌群外侧上方的皮肤处；控制食指弯曲的动觉电极布置在虎口处的第一骨间肌肉上方的皮肤处；控制无名指和中指弯曲的动觉电极则分别布置在手背处控制这两根手指弯曲的骨间肌上方的皮肤处。
4.根据权利要求3所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，手指动觉电极阵列的多个动觉电极全部被激活，或部分被激活；
当手指动觉电极阵列中控制某根手指弯曲的动觉电极被激活，成为激活电极，且与其左右相邻的两个动觉电极未被全部激活时，相邻的动觉电极将独立或同时导通，输出与激活电极输出的刺激电流不同的抑制电流；抑制电流用于拘束刺激电流，防止刺激电流扩散到其他肌肉或神经组织。
5.根据权利要求1所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，所述指尖触觉电极阵列设有多个，每个指尖触觉电极阵列设有若干行列排布的电极；
在刺激输出模块的控制下，每个指尖触觉电极阵列中的电极被全部激活或被部分激活。
6.根据权利要求1所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，所述手指动觉电极阵列中的电极为织物基的纺织电极、橡胶基底的电极或者凝胶贴片电极；
所述指尖触觉电极阵列为织物基的纺织电极阵列或橡胶基底的电极阵列。
7.根据权利要求1所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，所述VR外部设备包括外接的VR头戴式显示设备和手势捕捉相机，手势捕捉相机用于捕捉手部运动和手势；VR头戴式显示设备、手势捕捉相机均与上位机相连接，将手势交互信息捕捉进虚拟现实场景中，实现与数字内容的交互。
8.根据权利要求1所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，所述刺激电极还包括公共接地电极，公共接地电极位于手套本体的手腕处。
9.根据权利要求3所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，手指动觉电极阵列的动觉电极形状为1×3cm的矩形。
10.根据权利要求5所述的电刺激触觉反馈穿戴系统，其特征在于，每个指尖触觉电极阵列的若干行列排布的电极呈圆形，单个圆形电极的直径为2mm，相邻两个圆形电极的圆心距离为4mm。
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- 2023-10-26 CN CN202311396394.2A patent/CN117666778A/zh active Pending
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