动触觉混合渲染的电刺激触觉反馈穿戴系统

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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；

4、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；

5、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；

6、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。

7、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。

8、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。

9、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；

10、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。

11、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；

12、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。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、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。

15、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。

16、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。

技术特征：

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；

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；

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；

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；

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。

技术总结
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。

技术研发人员：舒琳,董子康,花浩镪,熊奇炜,徐向民
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11