一种具有交互功能的类人触觉再现装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有交互功能的类人触觉再现装置及方法。它包括上位机和下位机，所述的上位机通过无线通讯模块与下位机连接，所述的下位机包括执行元件、数据采集传感器、微控制器和驱动控制电路，所述的执行元件包括微型振动元件、半导体制冷器和温度显示屏，所述的微型振动元件、半导体制冷器和温度显示屏均与驱动控制电路连接，所述的微控制器与驱动控制电路连接，所述的数据采集传感器包括温度传感器和六轴运动传感器，所述的温度传感器和六轴运动传感器均与微控制器连接。本发明专利技术的有益效果是：实现人与计算机更紧密的融合；装置体积小，能向使用者施加不同的触觉刺激；能获取物体的运动信息并映射到虚拟环境中，实现较为自然的交互方式。自然的交互方式。自然的交互方式。

【技术实现步骤摘要】
一种具有交互功能的类人触觉再现装置及方法


[0001]本专利技术涉及人机交互相关
，尤其是指一种具有交互功能的类人触觉再现装置及方法。

技术介绍

[0002]人类对于周身所处环境的感知，完全依赖分布于身体各处的多种感受器。例如附着在视神经末端，用来感知物体形状、颜色、运动的视锥细胞、视杆细胞；听觉系统中的听小骨、耳蜗；皮肤下分布的Meissner小体、Ruffini小体、Pacini小体、Krause小体、Pinkus小体等感受小体，使人类能感知到环境中的滑动、压力、振动等机械刺激；感受味道的味觉受体细胞；感受气味的嗅细胞
……
这些感受器在人与环境的交互过程中获取环境中的各种信息，最终汇总到神经中枢，供大脑分析处理，还原出我们所处的环境并对环境信息或刺激做出反应。
[0003]其中人类所能感受到的最直观的信息是视觉和听觉信息。这两种感觉在人与环境的交互过程中提供了海量的信息。但是不容忽视的是当前社会上存在着数量庞大的视障和听障群体。统计数据表明，当前世界上有3600万多失明人口，同时有超过2亿人存在不同程度的视力受损情况，医学权威机构预测这一数据在2050年将达到现在的2
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3倍；另外根据世界卫生组织估计，全球的听障人口约有3.6亿，但是助听器技术的应用不到5％。视听障碍人士在日常生活中无法依靠视觉和听觉信息感知到周围环境，需要一种能反应不同环境信息的替代方式，而味觉、嗅觉感受器又仅分布在口腔、鼻腔等特定位置，同时，气味和味道没有类似三原色一样的“原味”，只能利用现成的精油等芳香物质施加刺激，无法通过简单原料合成，难以作为简便高效的信息表征方式。因此，遍布全身的触觉感知通道的重要性日渐凸显出来。
[0004]触觉作为人类感知物体特性、运动的5种感觉之一，在我们和周围世界的交互中起到重要作用。对于触觉的概念并没有明确的界定，而是接触、滑动、压觉等机械刺激作用于皮肤产生的感觉的总称。更广义上的触觉概念也包括皮肤中的神经末梢组织所能感受到的温度，痛觉以及皮肤与其他物体触碰所产生的感觉。Ernst指出“人脑使用触觉信息和视觉信息互相修正，某些情况下，知觉明显受到触觉的影响”。实践表明，仅给予视、听觉刺激不能向使用者传递完整的环境信息；同时，生理学研究指出，人的触觉由皮肤下的感受小体生成，且人体不同部位的感受小体在种类和数量分布上有很大差异，导致身体不同部位对触觉信息的感知和分辨能力各不相同。相关研究表明，经过特别调制的刺激会造成触觉和其他感觉错位，使用户产生并不存在的感觉，例如穿刺、划伤，在安全的前提下拓展了感受范围。
[0005]在医学护理中，对于意外事故或疾病导致的瘫痪、触觉丧失等残障人士，通常采用触觉恢复训练进行治疗，合适的触觉刺激能显著提高患者的康复进度。然而当前的触觉恢复训练器械只能提供单一的触觉刺激，不能根据患者的康复情况及时调整，以至于延缓了患者的康复进程。并且当前的设备大都针对严重的肢体受损患者，器械的体积通常设计得
比较大，对于小面积受伤的患者，诸如手指，颅脑等，往往不具备相应的医疗设备。
[0006]另一方面，触觉信息不仅在人与真实环境交互时发挥了重要作用，在人与计算机的交互过程中同样不能忽视。随着计算机技术蓬勃发展，人与计算机的自然交互已经成为一个亟待解决的课题。从传统的键盘鼠标交互到现在的手势语音交互，人机交互过程中始终没有纳入触觉信息，这一遍布周身的感知通道信息缺失，使得人与计算机始终无法实现真正意义上的融合。人类一直认为计算机是机械的执行机器，这种二元分离观念严重阻碍了计算机技术向前发展，也使得第三次技术革命无法取得突破性进展，难以对人类社会的进步提供反作用。
[0007]触觉是人类感知周围环境的重要通道，尤其在残障人士群体中几乎是唯一感知方式。但是这一遍布全身的触觉感知通道在人机交互过程中却没有发挥应有作用，传统的触觉再现装置体积大、操作复杂，再现的触觉信息不能向使用者传达清晰的信息，而且需要搭配另外的人机交互装置同时使用，严重影响了人机交互的沉浸感和交互感，这种情况限制了人机交互的进一步发展，也阻碍了虚拟现实技术的深入应用。

技术实现思路

[0008]本专利技术是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种体积小且交互效果好的具有交互功能的类人触觉再现装置及方法。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种具有交互功能的类人触觉再现装置，包括上位机和下位机，所述的上位机通过无线通讯模块与下位机连接，所述的下位机包括执行元件、数据采集传感器、微控制器和驱动控制电路，所述的执行元件包括微型振动元件、半导体制冷器和温度显示屏，所述的微型振动元件、半导体制冷器和温度显示屏均与驱动控制电路连接，所述的微控制器与驱动控制电路连接，所述的数据采集传感器包括温度传感器和六轴运动传感器，所述的温度传感器和六轴运动传感器均与微控制器连接。
[0010]针对触觉信息的重要性和当前存在的问题，本文提出了一种具有交互功能的类人触觉再现装置研究，该装置能在人机交互过程中实现触觉再现，向使用者提供触觉信息，实现人与计算机更紧密的融合。同时，该装置体积小，能向使用者施加不同的触觉刺激，为小型化触觉刺激装置的研究提供了一种可能方案。在交互方式上，该装置能获取物体的运动信息并映射到虚拟环境中，实现较为自然的交互方式。
[0011]作为优选，所述的微型振动元件为扁平型振动器，所述扁平型振动器包括上壳、偏心配重、永磁体、下壳、FPCB、转轴、转子和线圈，所述的FPCB置于下壳上，所述的永磁体置于FPCB上，所述的转轴置于下壳的中心位置处，所述的转子置于永磁体上，所述的转轴依次穿过FPCB、永磁体后与转子连接，所述的偏心配重和线圈均安装在转子上，所述的上壳安装在下壳上，所述的偏心配重、永磁体、FPCB、转轴、转子和线圈置于上壳和下壳所构成的腔体内。
[0012]作为优选，所述的半导体制冷器选择P型半导体材料和N型半导体材料间隔排列，在P型半导体材料的一端与其左侧的N型半导体材料一端用导体连接，在P型半导体材料的另一端与其右侧的N型半导体材料另一端用导体连接，在P型半导体材料与N型半导体材料的两端外侧均使用绝缘陶瓷封装。
[0013]作为优选，所述的驱动控制电路包括电源电路、复位电路、晶振电路和驱动电路，所述的电源电路分别与无线通讯模块、温度显示屏和微控制器连接，所述的复位电路和晶振电路均与微控制器连接，所述的六轴运动传感器和温度显示屏均通过IIC总线与微控制器连接，所述的微型振动元件和半导体制冷器均通过驱动电路与微控制器连接。
[0014]本专利技术还提供一种具有交互功能的类人触觉再现方法，在上位机中利用3D Max和Unity 3D构建虚拟场景，设计虚拟物体的受控运动，为上位机和下位机之间的通讯制定可行的通讯协议；在下位机中控制下位机的执行元件实现按需触觉再现，获取数据采集传感器的数据，具体包括如下步骤：(1)虚拟场景构建：制作使用3D Max软件用于三维建模，三维模型使用FBX格式导出，该格式对需要导出的信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有交互功能的类人触觉再现装置，其特征是，包括上位机和下位机，所述的上位机通过无线通讯模块与下位机连接，所述的下位机包括执行元件、数据采集传感器、微控制器和驱动控制电路，所述的执行元件包括微型振动元件、半导体制冷器和温度显示屏，所述的微型振动元件、半导体制冷器和温度显示屏均与驱动控制电路连接，所述的微控制器与驱动控制电路连接，所述的数据采集传感器包括温度传感器和六轴运动传感器，所述的温度传感器和六轴运动传感器均与微控制器连接。2.根据权利要求1所述的一种具有交互功能的类人触觉再现装置，其特征是，所述的微型振动元件为扁平型振动器，所述扁平型振动器包括上壳(1)、偏心配重(2)、永磁体(3)、下壳(4)、FPCB(5)、转轴(6)、转子(7)和线圈(8)，所述的FPCB(5)置于下壳(4)上，所述的永磁体(3)置于FPCB(5)上，所述的转轴(6)置于下壳(4)的中心位置处，所述的转子(7)置于永磁体(3)上，所述的转轴(6)依次穿过FPCB(5)、永磁体(3)后与转子(7)连接，所述的偏心配重(2)和线圈(8)均安装在转子(7)上，所述的上壳(1)安装在下壳(4)上，所述的偏心配重(2)、永磁体(3)、FPCB(5)、转轴(6)、转子(7)和线圈(8)置于上壳(1)和下壳(4)所构成的腔体内。3.根据权利要求1所述的一种具有交互功能的类人触觉再现装置，其特征是，所述的半导体制冷器选择P型半导体材料和N型半导体材料间隔排列，在P型半导体材料的一端与其左侧的N型半导体材料一端用导体连接，在P型半导体材料的另一端与其右侧的N型半导体材料另一端用导体连接，在P型半导体材料与N型半导体材料的两端外侧均使用绝缘陶瓷封装。4.根据权利要求1或2或3所述的一种具有交互功能的类人触觉再现装置，其特征是，所述的驱动控制电路包括电源电路、复位电路、晶振电路和驱动电路，所述的电源电路分别与无线通讯模块、温度显示屏和微控制器连接，所述的复位电路和晶振电路均与微控制器连接，所述的六轴运动传感器和温度显示屏均通过IIC总线与微控制器连接，所述的微型振动元件和半导体制冷器均通过驱动电路与微控制器连接。5.一种具有交互功能的类人触觉再现方法，其特征是，在上位机中利用3D Max和Unity 3D构建虚拟场景，设计虚拟物体的受控运动，为上位机和下位机之间的通讯制定可行的通讯协议；在下位机中控制下位机的执行元件实现按需触觉再现，获取数据采集传感器的数据，具体包括如下步骤：(1)虚拟场景构建：制作使用3D Max软件用于三维建模，三维模型使用FBX格式导出，该格式对需要导出的信息进行筛选和设置，3D Max在制作三维模型时需要与Unity 3D使用统一的尺寸，然后在Unity 3D中使用1:1的缩放进行直接导入即可；(2)交互操作设计：交互操作在上位机中实现根据操作者的操作信息而产生的虚拟物体变化，根据设计的姿态交互和按键交互两种方式，在虚拟场景中规划出物体移动；姿态交互方式中，为保证全维度信息，上位机根据下位机传输的姿态信息在脚本程序中随姿态变换而动作；当操作者使用按键交互时，上位机检测键盘信息，随按键信息变化，这种变化是由Unity 3D中的动画组件预设的动画；交互同时伴随听觉变化，为场景添加声音效果，同时增加视觉温度信息向操作者反馈真实的温度变化；(3)上位机通讯设计：通讯设计包括制定上行和下行数据的通讯格式，为数据解算提供统一标准，同时在上位机生成触觉再现的控制数据，接受下位机数据并控制姿态变化；具体为：上位机向下位机发送的是触觉执行元件的动作数据，应当包括如下信息：起始位、微型
振动元件的震动强度、半导体致冷器的温度变化方向和温度变化强度，并且实现执行元件的独立动作，实现半导体致冷器在单侧产生冷感和热感两个方向的温度变化，在上位机的后台脚本中设计数据下行发送程序，获取操作生成的触觉再现需求；上位机从下位机接受的数据为真实物体的姿态信息数据，一组姿态数据应当包括：选择开关状态、姿态角、分隔符，分隔符用来分隔不同的有效数据，上位机每次接受周期读取一行数据，检测分隔符位置确定具体信息，在上位机的后台脚本中设计上行数据接收程序，用于接收下位机上传的物体姿态数据；(4)下位机通讯设计：微控制器接收下行数据，并根据步骤(3)确定的通讯协议解码数据，转变成执行元件的驱动信号，上行部分将六轴运动传感器的输出数据传递给上位机，根据本装置依赖选择模式和姿态角确定物体的姿态和位移，因此通讯程序的上行部分需要将选择开关的状态和传感器数据结合起来，生成固定格式的通信字符；(5)驱动程序设计：本装置需要根据不同的场合生成幅度不同的触觉信息，对于本文选用的执行元件，包括微型振动元件和半导体制冷器，通过改变施加电压的方式调节执行元件的动作强度，在实际应用中采用PWM调制方法，PWM调制方法以采样控制理论为基础，对模拟信号进行数字编码，通过对半导体器件的导通和关断进行控制，在输出端得到幅值相同而脉宽不等的一系列脉冲波，以实现对波形的模拟或改变波的特性；(6)采集程序设计：采集程序负责读取、解算传感器的输出量，主要包括温度传感器和六轴运动传感器，对温度采集而言，微控制器内置的10位ADC，直接读取Q点电压值，并映射为[0，1023]之间的数值，温度采集程序实现公式的计算功能，将Q点的电压值解算为温度传感器当前所测量的温度；对于六轴运动传感器，鉴于加速度计和陀螺仪均存在测量误差，不能直接使用原始数据表征物体姿态，因此需要对加速度和角速度进行滤波和融合。6.根据权利要求5所述的一种具有交互功能的类人触觉再现方法，其特征是，在步骤(5)中，针对微型振动元件的具体设计如下：在旋转过程中，转子的转速可通过如下公式计算：其中，n为转子结构的转速，U为外加电压，I为电枢回路电流，R为电枢回路电阻，包括直流电机内阻和电路阻抗，Ce为元件的结构参数，Φ为直流电机的气隙磁通量；在元件结构固定的情况下，Ce与Φ为固...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴新丽，李思儒，童新宇，黄金鹏，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：