[發明專利]用于實現人機交互的紋理觸覺再現接口裝置

在審

• 申請號: 201710169132.0
• 申請日: 2017-03-21
• 公開（公告）號: CN107015643A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 戴金橋;俞阿龍;孫紅兵;葛恒清;姬保衛
• 申請（專利權）人: 淮陰師范學院
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 淮安市科文知識產權事務所32223
• 代理人: 李鋒

技術領域

本發明屬于虛擬現實技術領域，具體涉及一種用于實現人機交互的紋理觸覺再現接口裝置。

背景技術

紋理觸覺再現技術是一種基于人的觸覺感知機理的人機交互技術，該技術模擬人體對真實物體進行觸覺感知的過程，實現對遠地或虛擬物體表面紋理信息的感知與再現。紋理觸覺再現技術通過紋理觸覺感知給用戶提供對虛擬物體更加真實與自然的接觸，更好地提升了虛擬環境中的用戶體驗。作為力觸覺再現中的一個重要領域，紋理力觸覺再現技術受到了越來越多的關注。

表面紋理是真實物體的一個重要屬性，人通過真實物體的表面紋理描述和區分生活中的物體。紋理力觸覺是力觸覺再現研究的一個重要組成部分，紋理力觸覺再現技術主要研究如何將物體表面的紋理信息通過觸覺再現裝置反饋給操作者。該技術可使操作者更好地感知物體表面，獲得更真實的觸覺感受。通過紋理觸覺技術與虛擬現實技術的結合，不僅可使得操作者在虛擬環境中獲得更好的真實感和沉浸感，還可以提高操作者對虛擬對象的控制與對虛擬環境的探知能力。

近年來，隨著紋理力觸覺技術的研究與發展，其應用范圍也越來越廣，在醫學、工業、遙操作、藝術、教育、娛樂等領域都有著廣泛的應用。在醫學領域，運用該技術可以實現遠程醫療，醫生通過觸覺設備感知手術現場中人體器官的紋理觸感，獲得比較準確的病理信息，提高手術的成功率，可以實現模擬手術培訓，減少實習醫生培訓投入；將紋理觸覺技術引入虛擬工件裝配環節，可以増強操作者對零件裝配的真實感；在遙操作技術中，可通過觸覺設備感受遙操作機器人所在真實環境，并操控機器人系統去完成特定環境下的任務；將紋理觸覺再現技術應用于虛擬藝術博物館和展覽會上，可以使參觀者通過觸覺再現設備觸摸珍貴的藝術品或文物，獲得對藝術作品的更好的認識，滿足參觀者的認知需求；在教育領域中，可以使學生在課堂中認識到更多的材料屬性，減少學生與危險物品的直接接觸；在娛樂業中，玩家可通過力觸覺設備更好地沉浸于虛擬世界，獲得更好的游戲體驗。

在紋理力觸覺再現中，為了模擬人接觸物體時的觸覺，需要借助力觸覺交互設備，該設備也可以稱為觸覺反饋或力反饋設備。力觸覺交互設備是一種由計算機驅動的能夠產生力反饋的計算機外圍設備。一般力觸覺交互設備都具有持別設計的人機交互接口，方便操作者使用。Bailenson將人機交互結構定義為：為體驗力觸覺變化供操作者控制或穿戴的機械結構。目前已經研巧出的力觸覺交互設備根據其自由度不同可分為2自由度、3自由度、6自由度力觸覺交互設備。除了借助于力觸覺反饋設備外，還可以采用分布式多點振動模擬紋理的方法。該方法需要設計專用的振動陣列模塊，當人手觸摸振動陣列模塊時，該模塊中的振動單元根據需要反饋出的觸覺信息產生對應振動，通過控制振動單元以及振動頻率的大小讓人獲得紋理觸感信息。如Sarakoglou等研制了一種拉動型針型陣列，該陣列由4×4個觸點構成，每個觸點對應一個振動電機，16個振動電機同時給觸點陣列提供相應位置的拉力，并利用電纜傳動器將拉力從振動電機處傳輸至針型陣列－從而實現紋理信息表達再現。Konyo和Yoshida等人設計了一種利用多種振動頻率再現虛擬接觸的設備，將該設備穿戴在人手指的指端，通過改變觸覺刺激的振動時間、振動頻率與振幅作為手的運動的響應，從而產生粗糙度、壓力化及摩擦力的虛擬觸感。

目前存在的紋理觸覺再現接口裝置大多采用商業化的力觸覺交互裝置如Phantom、Falcon、Delta和Sigma等，這些設備具有較多自由度，但都由電機驅動、大多采用剛性結構連接，在模擬物體紋理時穩定性較差，容易產生失真，特別是無法模擬柔順性物體的紋理，而且在模擬物體的紋理時只能單點模擬，無法模擬動態紋理。采用點陣式紋理觸覺陣列能夠較好的模擬物體紋理，但目前點陣式紋理觸覺再現接口裝置大多由振動電機產生的振動模擬物體紋理，穩定性不好，振動信息與真實的紋理信息仍然存在差距，用戶在的紋理觸覺真實感仍然不強，同樣也存在著無法模擬柔順性物體紋理的問題，而且由電機驅動點陣式紋理觸覺結構非常復雜，體積大、重量重。

發明內容

本發明提供一種用于實現人機交互的紋理觸覺再現接口裝置，目的在于解決現有紋理力觸覺再現所采用力觸覺交互裝置存在的弊端，進而提供一種具有高保真度、能夠模擬物體紋理特別是能夠模擬柔順性物體（如機體組織）紋理和形狀的人機接口裝置。

本發明通過以下技術方案實現：