專利名稱：基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置及顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于為通過(guò)觸覺(jué)感官通道提供圖文信息的裝置，尤其是藉助多維射流刺激技術(shù)為視障及不便通過(guò)視覺(jué)或聽覺(jué)獲取信息的人群提供真實(shí)有效的彩色圖文信息觸覺(jué)顯示系統(tǒng)及裝置。
背景技術(shù)：
人類的感覺(jué)系統(tǒng)主要有視覺(jué)、聽覺(jué)和觸覺(jué)等，觸覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠和視聽覺(jué)信號(hào)同時(shí)被感知，并具有和聽覺(jué)一樣的全方向的感覺(jué)能力。Wickens的多資源理論認(rèn)為，人們?cè)诶酶杏X(jué)器官完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，如果能充分調(diào)動(dòng)和利用所有的感官系統(tǒng)，將大大減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。在飛行駕駛等領(lǐng)域，由于安全和精確操作的要求，操作者的視覺(jué)本質(zhì)上應(yīng)該是獨(dú)占的，但是由于操作的復(fù)雜性，實(shí)際應(yīng)用中，操作者不得不頻繁地切換視覺(jué)視野來(lái)實(shí)現(xiàn)操作控制，如果能夠?qū)⒅饕曇爸獾念~外信息通過(guò)觸覺(jué)通道傳遞給操作者將大大減輕其工作強(qiáng)度，對(duì)于保障飛行安全和精確操作具有重要意義。在遙機(jī)器人、消防救災(zāi)、戰(zhàn)場(chǎng)、盲人觸覺(jué)替代等領(lǐng)域由于客觀存在的原因，操作者可能短期或長(zhǎng)期無(wú)法通過(guò)視覺(jué)或聽覺(jué)來(lái)獲取信息，這種情況下，觸覺(jué)通道的開發(fā)和利用對(duì)于完成操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)信息傳遞功能將顯得尤為重要，在遙機(jī)器人領(lǐng)域可以確保及時(shí)精確地完成作業(yè)任務(wù)，在救災(zāi)任務(wù)中可以為消防人員在低視場(chǎng)環(huán)境中提供觸覺(jué)導(dǎo)航，在戰(zhàn)場(chǎng)上則可以實(shí)現(xiàn)無(wú)聲指揮，對(duì)于盲人，則可以使其能夠通過(guò)觸覺(jué)功能自主獲取大量信息，進(jìn)行讀書看報(bào)和簡(jiǎn)單的生活自理，大大提高其生活質(zhì)量并減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)。
觸覺(jué)顯示技術(shù)可以追溯到19世紀(jì)初人們進(jìn)行感覺(jué)替代的科學(xué)嘗試。1817年，Berzelius發(fā)現(xiàn)了具有感光能力的元素硒，在此基礎(chǔ)上，Noiszewski于1897年創(chuàng)建了可以用作盲人輔助裝置的Elektroftalm，該裝置通過(guò)放置在前額上的單硒電池控制聲音強(qiáng)度的輸出，從而使盲人能夠辨別日光和黑暗。在近兩個(gè)世紀(jì)的科學(xué)實(shí)踐中，人們嘗試了多種用于觸覺(jué)顯示的物理刺激方式。Shimoga曾經(jīng)總結(jié)了氣動(dòng)觸覺(jué)、振動(dòng)觸覺(jué)、電觸覺(jué)和功能性神經(jīng)肌肉刺激等幾種主要的觸覺(jué)刺激方法，其中氣動(dòng)刺激觸覺(jué)的最大缺點(diǎn)在于其帶寬較低，約10Hz，用戶最終會(huì)肌肉疲勞并減低感覺(jué)能力；振動(dòng)觸覺(jué)的研究非常廣泛，振動(dòng)觸覺(jué)裝置體積較小并具有高帶寬，是一種較好提供觸覺(jué)刺激的方式，不足之處在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換效率低，易引起發(fā)熱與疼痛，高頻振動(dòng)時(shí)噪音也較大；電刺激觸覺(jué)具有體積小，便于安裝和與計(jì)算機(jī)連接的特點(diǎn)，深受研究人員青睞，缺點(diǎn)在于易引起不舒服的感覺(jué)(如刺痛感)，動(dòng)態(tài)范圍小，一致性較差；功能性神經(jīng)肌肉刺激由于需要手術(shù)并可能損傷神經(jīng)，在觸覺(jué)顯示中不予采用。除上述刺激方法以外，目前國(guó)內(nèi)外正在研究的可應(yīng)用于觸覺(jué)刺激的技術(shù)手段還有很多，如頂針刺激、射流刺激、電流變液、磁變液體、熱刺激、超聲波和表面聲波等。
在內(nèi)容上，觸覺(jué)顯示的對(duì)象呈現(xiàn)出從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的三個(gè)不同的類型，一是符號(hào)，即對(duì)單個(gè)觸點(diǎn)的動(dòng)作賦予特殊的含義，而與幾何形狀無(wú)關(guān)，符號(hào)顯示是觸覺(jué)顯示中最早也是最為簡(jiǎn)單的應(yīng)用；二是圖案，即以簡(jiǎn)單的象形圖案代表控制手柄等操作對(duì)象，圖案顯示是過(guò)去二十年研究的重點(diǎn)，在飛行駕駛應(yīng)用中使用較多；三是圖文，即圖片或文字經(jīng)圖像處理后得到的觸覺(jué)圖文信息，圖文顯示可以把復(fù)雜的視覺(jué)信息通過(guò)觸覺(jué)通道高保真地傳遞給操作者，是人機(jī)信息交互的最高境界，也是近年來(lái)本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段上，現(xiàn)有的觸覺(jué)刺激多為基于單一刺激要素的單維刺激，其特點(diǎn)在于觸覺(jué)刺激只在空間上考慮觸點(diǎn)是否動(dòng)作，而對(duì)單個(gè)觸點(diǎn)的動(dòng)作在時(shí)間尺度上的變化考慮甚少，對(duì)壓力、振動(dòng)、溫度和電刺激等幾種刺激要素綜合作用形成的多維刺激等研究不多。單維觸覺(jué)刺激只能顯示二值化的單色圖文信息，對(duì)于彩色圖文和灰度圖文信息的顯示無(wú)能為力。
觸覺(jué)顯示技術(shù)涵蓋了大量研究?jī)?nèi)容，新型刺激器、刺激器干擾，觸覺(jué)刺激與其他感覺(jué)通道的交互作用、觸覺(jué)通訊時(shí)延及彩色觸覺(jué)等均是需要深入研究的課題。就世界范圍內(nèi)來(lái)看，當(dāng)前的觸覺(jué)顯示技術(shù)研究主要包括如下幾個(gè)方向和發(fā)展趨勢(shì)1)多維刺激。觸覺(jué)感官能夠感受的刺激主要有壓力、振動(dòng)、溫度和電刺激等四種刺激，各種觸覺(jué)刺激方式就其對(duì)人體肌膚的作用而言也可基本歸納為這幾種要素。多維觸覺(jué)刺激是指觸覺(jué)刺激的壓力、振動(dòng)、溫度和電刺激等要素的二種或二種以上在同一時(shí)刻施加到觸覺(jué)刺激區(qū)域所形成的融合觸覺(jué)刺激模式。如射流觸覺(jué)和氣動(dòng)觸覺(jué)可以通過(guò)在其流體媒介中施加一定的振動(dòng)或熱刺激形成融合觸覺(jué)刺激。多維刺激是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，意大利Gaetano等近年來(lái)對(duì)應(yīng)用于感覺(jué)替代的多維電刺激進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。多維觸覺(jué)刺激可以大大豐富操作者所感知的觸覺(jué)信息。
2)彩色觸覺(jué)。在融合觸覺(jué)中，由于觸覺(jué)刺激是多維的，當(dāng)一種刺激用作傳遞觸覺(jué)信息時(shí)，其他的觸覺(jué)刺激則可以通過(guò)建立刺激和色彩之間的映射關(guān)系，使操作者獲得彩色觸覺(jué)感知。在射流觸覺(jué)中，射流壓力可以用來(lái)顯示觸覺(jué)信息，而射流水溫則可以與色彩之間建立一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，就可以讓操作者通過(guò)對(duì)水溫的感知獲得所觸摸對(duì)象的色彩信息。彩色觸覺(jué)是觸覺(jué)領(lǐng)域的研究前沿和重點(diǎn)，東京大學(xué)的Hiroyuki等深入研究探討了電觸覺(jué)的三原色問(wèn)題。彩色觸覺(jué)把觸覺(jué)技術(shù)推向了更高的層次和更廣闊的發(fā)展空間，是觸覺(jué)表達(dá)向多維信息表達(dá)方向邁出的關(guān)鍵一步。
3)時(shí)空觸覺(jué)。以色列魏茨曼科學(xué)研究院(Weizmann Institute of Science)的神經(jīng)生物學(xué)專家Ehud Ahissa博士的研究成果表明，大腦關(guān)于觸覺(jué)信息的獲取是由空間和時(shí)間兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)同時(shí)編碼而成的，基于這一發(fā)現(xiàn)，研究人員提出了基于時(shí)空雙通道的電觸覺(jué)再現(xiàn)方法，以改善觸覺(jué)顯示的時(shí)間適應(yīng)性。時(shí)空雙通道的思想可應(yīng)用于電觸覺(jué)、振動(dòng)觸覺(jué)、氣動(dòng)觸覺(jué)和射流觸覺(jué)等，目前國(guó)內(nèi)外所開展的觸覺(jué)顯示研究，幾乎都是僅僅局限于觸覺(jué)的空間信息范疇。時(shí)空雙通道觸覺(jué)技術(shù)對(duì)于為操作者提供溫和舒服的觸覺(jué)感受等具有重要意義和價(jià)值。
4)斜坡觸覺(jué)。斜坡觸覺(jué)理論認(rèn)為觸覺(jué)感覺(jué)的強(qiáng)弱與肌體組織表面的壓力和溫度等敏感要素的分布相關(guān)，只有壓力和溫度等的分布形成斜坡時(shí)才是觸覺(jué)敏感的，斜坡越陡，則觸感越強(qiáng)。在噴氣刺激、射流刺激和熱噴氣刺激中，液流和氣流引起的壓力和溫度的分布在刺激區(qū)域是呈斜坡分布的，在振動(dòng)刺激和頂針刺激中，壓力分布也是具有斜坡特征的分布。西安交通大學(xué)李嘉、劉文江等也從斜坡觸覺(jué)的角度進(jìn)行了相關(guān)研究，其工作對(duì)于設(shè)計(jì)品質(zhì)優(yōu)良的觸覺(jué)顯示器具有重要價(jià)值。斜坡觸覺(jué)大大拓寬了觸覺(jué)顯示技術(shù)研究的思路，為觸覺(jué)顯示器及系統(tǒng)的研制提供了可資借鑒的理論依據(jù)。
5)多模接口。人類對(duì)外部世界的感知是通過(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感覺(jué)器官的協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)的，這些感官通過(guò)看、聽、觸摸、手勢(shì)、注視等與對(duì)象進(jìn)行信息交互，這些就是信息交互的模態(tài)。在很多情況下，人與人之間的自然交互是多模的，包含了幾種交互方式或模態(tài)，多模接口使得計(jì)算機(jī)行為與人類交互方式更為接近，實(shí)現(xiàn)更直接和“自然的”信息交互。
觸覺(jué)技術(shù)研究是當(dāng)前國(guó)際上的研究前沿和重點(diǎn)，國(guó)際上有專門的學(xué)會(huì)組織，經(jīng)常性的學(xué)術(shù)研討會(huì)每年多達(dá)數(shù)十個(gè)。NASA對(duì)本項(xiàng)目所屬領(lǐng)域的研究工作非常關(guān)注，美國(guó)能源部、抗盲基金會(huì)及歐洲和日本的政府部門也分別有相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)資助計(jì)劃對(duì)相關(guān)研究給予重點(diǎn)支持。美國(guó)目前在該領(lǐng)域所取得的發(fā)明專利有1000余項(xiàng)，其中Immersion公司擁有專利就高達(dá)230項(xiàng)，另有270項(xiàng)專利等待批準(zhǔn)。相比之下，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究工作仍屬于小范圍的個(gè)別研究，在規(guī)模上和深度上都存在較大差距。國(guó)內(nèi)在觸覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)的研究機(jī)構(gòu)主要包括北航、西安交大、合肥智能所、哈工大、杭州電子科大、北理工、清華大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化所、北京自動(dòng)化所、河北工大和東南大學(xué)等，國(guó)內(nèi)在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公開的觸覺(jué)顯示相關(guān)的發(fā)明專利僅有57項(xiàng)，其中還包括美國(guó)申請(qǐng)的24項(xiàng)及日本申請(qǐng)的9項(xiàng)。
100多年前人們無(wú)法想象視覺(jué)顯示器能取得今天這樣輝煌的成就，從單色到彩色，從模糊到清晰，無(wú)一不是人類智慧的結(jié)晶。雖然相比于先進(jìn)成熟的視覺(jué)顯不器(CRT，LCD等)，觸覺(jué)圖文顯示器領(lǐng)域所取得的成績(jī)非常有限，但縱觀視覺(jué)顯示器的發(fā)展歷史，我們有理由相信，隨著人們對(duì)完美觸覺(jué)顯示效果的不斷追求，象今天視覺(jué)顯示器那樣支持全真彩色圖文信息交互的觸覺(jué)顯示技術(shù)及產(chǎn)品將是今后很長(zhǎng)一段時(shí)期的發(fā)展方向和趨勢(shì)，并向著更高的水平和層次邁進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是針對(duì)盲人及在特殊應(yīng)用中需要通過(guò)觸覺(jué)通道獲取信息的人群的圖文信息獲取問(wèn)題，提供一種基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置及顯示方法，該觸覺(jué)顯示裝置通過(guò)水射流刺激技術(shù)為操作者提供觸覺(jué)圖文感覺(jué)，并通過(guò)建立多維刺激要素和色彩之間的映射關(guān)系使操作者獲得彩色感覺(jué)，觸覺(jué)感覺(jué)具有安全舒適觸感清晰有效的特點(diǎn)。
技術(shù)方案本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是依據(jù)利用基于多維刺激的水射流觸覺(jué)顯示技術(shù)，將本應(yīng)由視覺(jué)通道所感知的文字和圖形信息以射流觸覺(jué)方式作用于操作者腹部或背部的大面積肌膚表面，使用戶通過(guò)觸覺(jué)真實(shí)地感受到視覺(jué)圖文信息，并通過(guò)建立多維刺激要素和色彩之間的映射關(guān)系使操作者獲得彩色感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)及周圍環(huán)境的認(rèn)知。
皮膚是人體最大的器官。皮膚除具有保護(hù)機(jī)體、調(diào)節(jié)體溫、分泌和排泄、滲透和吸收、參與代謝和免疫活動(dòng)等多種功能外，還能夠感受外界的各種刺激并通過(guò)反射調(diào)節(jié)使機(jī)體更好地適應(yīng)外界環(huán)境的各種變化。正常皮膚內(nèi)分布有感覺(jué)神經(jīng)及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，它們的神經(jīng)末梢和特殊感受器廣泛地分布在表皮、真皮及皮下組織內(nèi)，以感知體內(nèi)外的各種刺激。
皮膚感覺(jué)是由物體的機(jī)械的和溫度的特性作用于皮膚表面而引起的。皮膚感覺(jué)有三種基本形態(tài)觸覺(jué)、溫度覺(jué)和痛覺(jué)。觸覺(jué)是皮膚感覺(jué)的一種，是輕微的機(jī)械刺激使皮膚淺層感受器興奮而引起的感覺(jué)。狹義的觸覺(jué)，指刺激輕輕接觸皮膚觸覺(jué)感受器所引起的膚覺(jué)。廣義的觸覺(jué)，還包括增加壓力使皮膚部分變形所引起的膚覺(jué)，即壓覺(jué)，一般統(tǒng)稱為“觸壓覺(jué)”。皮膚表面散布的觸點(diǎn)的大小是不同的，有的直徑可以達(dá)到0.5mm，其分布也不規(guī)則，一般指腹處最多，其次是頭部，而小腿及背部最少。觸點(diǎn)在皮膚表面分布密度和該部位對(duì)觸覺(jué)的敏感程度成正比，顏面、口唇、指尖等處密度較高，手背、背部密度較低。觸壓覺(jué)的絕對(duì)感受性在身體表面的不同位置有很大的差別。
皮膚對(duì)壓力(正或負(fù))、振動(dòng)、溫度、電壓和電流等刺激敏感，每種不同的感覺(jué)都有適宜的刺激。皮膚包括7層機(jī)械刺激感受器，2層溫度感受器，4層Nocioceptors和3層本體刺激感受器。這些不同層的機(jī)械刺激感受器中，與觸覺(jué)顯示器應(yīng)用相關(guān)的是用于壓力感受的Merkel細(xì)胞，用于低頻振動(dòng)的Meisner小體和用于高頻振動(dòng)的深層Pacinian小體。皮膚在接受每秒5-40次的機(jī)械振動(dòng)刺激時(shí)，可引起振動(dòng)覺(jué)。
水射流觸覺(jué)顯示技術(shù)，是指利用以一定速度噴射的水流施加在操作者指端的肌體表面，以形成一定強(qiáng)度的壓力斜坡，同時(shí)由于水流可以帶走一定的熱量，又可以形成一定的溫度斜坡，兩種因素交互作用，在操作者指端形成清晰的觸覺(jué)感受。在具體實(shí)施中，還可以在水流速度穩(wěn)定的水流柱中耦合一定強(qiáng)度的低頻振動(dòng)，以引起操作者皮膚表面壓強(qiáng)瞬時(shí)變化，從而消除操作者觸覺(jué)刺激的時(shí)間適應(yīng)性。水射流觸覺(jué)不會(huì)導(dǎo)致操作者肌體組織的刺痛感，易于為操作者所接受，能夠?yàn)椴僮髡咛峁睾褪娣挠|覺(jué)感受。
本發(fā)明的基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)及裝置，其最顯著的特征在于在射流觸覺(jué)應(yīng)用中引入了多維刺激與色彩之間的映射關(guān)系，把本應(yīng)由視覺(jué)感知的彩色圖文信息通過(guò)色彩映射關(guān)系以觸覺(jué)方式顯示給操作者，使操作者通過(guò)觸覺(jué)方式獲得彩色圖文感知。本發(fā)明中的多維刺激要素主要包括溫度、頻率、振幅、波形、持續(xù)時(shí)間、節(jié)奏，身體位置和時(shí)空模型等。
●溫度。人體皮膚感覺(jué)最佳的適宜水溫一般在37-40℃之間，能承受的溫度安全上限在40～45℃之間，溫度過(guò)高則可能導(dǎo)致不同程度燙傷。而在低于7～8℃的環(huán)境中，則可能引起體溫調(diào)節(jié)障礙，導(dǎo)致不同程度凍傷。溫度刺激的上限設(shè)定為45℃，下限為10℃。溫度刺激可分為冷、溫和熱三種狀態(tài)。
●振動(dòng)。人可以覺(jué)察到的振動(dòng)范圍為20-1000Hz，最敏感的頻率在250Hz左右，人能夠區(qū)分的離散頻率的數(shù)量在9個(gè)左右。振幅的變化會(huì)一定程度地導(dǎo)致頻率感覺(jué)的變化。
●振幅，亦即刺激強(qiáng)度。其范圍從0.4dB到55dB。研究發(fā)現(xiàn)，振幅在0.4dB到3.2dB之間變化時(shí)，差異顯著，28dB以上時(shí)感覺(jué)開始惡化，55dB以上開始有疼痛感。一般應(yīng)用中不宜超過(guò)4個(gè)不同的強(qiáng)度。
●波形。正弦波和方波易于感覺(jué)并區(qū)分，其他波形的感覺(jué)較為困難。
●刺激持續(xù)時(shí)間(占空比)。小于0.1s的激勵(lì)可以產(chǎn)生輕拍的感覺(jué)，長(zhǎng)時(shí)間刺激產(chǎn)生的則是刺戳的感覺(jué)，當(dāng)激勵(lì)是遞增或衰減的時(shí)候，可以感覺(jué)到平滑的觸覺(jué)感覺(jué)。
●節(jié)奏。當(dāng)在皮膚的同一區(qū)域有多個(gè)事件時(shí)，持續(xù)時(shí)間的差異可以被用作對(duì)不同的事件進(jìn)行分組。不同持續(xù)時(shí)間的脈沖組合也可構(gòu)成節(jié)奏單元。
●身體位置。身體的不同部位如后背，大腿和腹部等均可用作觸覺(jué)顯示。觸覺(jué)刺激器不宜放置在頭部附近，以防止振動(dòng)干擾聽力產(chǎn)生不期望的噪聲。刺激器應(yīng)輕輕放置在皮膚上，且刺激不宜太強(qiáng)以免骨結(jié)構(gòu)也能感覺(jué)到振動(dòng)從而導(dǎo)致振動(dòng)經(jīng)骨骼傳導(dǎo)。
●時(shí)空模型。觸覺(jué)刺激可以在身體上產(chǎn)生二維觸覺(jué)圖案，改變時(shí)間和位置編碼信息，觸覺(jué)圖案可以在身體上移動(dòng)和改變。“皮膚兔子”對(duì)觸覺(jué)圖案會(huì)產(chǎn)生一定影響。
本發(fā)明的具體特征在于該裝置包括計(jì)算機(jī)、射流觸覺(jué)刺激裝置、具有N×M陣列的射流觸覺(jué)顯示器和鼠標(biāo)、鍵盤、或攝像頭和圖文比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)；其中鼠標(biāo)、鍵盤、或攝像頭的輸出端通過(guò)串口或USB端口與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)的輸出端與射流觸覺(jué)刺激裝置之間通過(guò)并行口或串行口或USB端口連接，射流觸覺(jué)刺激裝置的輸出端通過(guò)控制線纜與射流觸覺(jué)顯示器連接，射流觸覺(jué)顯示器的傳感信號(hào)傳給操作者，由操作者控制鼠標(biāo)、鍵盤、或攝像頭及圖文比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。
具有N×M陣列的射流觸覺(jué)顯示器在結(jié)構(gòu)上由控制盒、觸覺(jué)池、隔水薄膜、薄膜壓條)、螺釘、射流噴嘴陣列、進(jìn)水口、出水口、控制電纜和圖文比例調(diào)節(jié)旋紐組成；其中，控制盒內(nèi)為射流觸覺(jué)刺激裝置，它通過(guò)控制電纜接收需要通過(guò)射流觸覺(jué)顯示器顯示的圖文信息，并依據(jù)圖文信息的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)控制觸覺(jué)池中射流噴嘴陣列各噴嘴中水流的通斷，噴嘴中噴出的射流與操作者的肌膚之間通過(guò)隔水薄膜隔離，以防止水流對(duì)操作者皮膚的損傷，隔水薄膜通過(guò)薄膜壓條和螺釘固定在觸覺(jué)池上，出水口用于射流水流的回流，圖文比例調(diào)節(jié)旋紐用于調(diào)節(jié)待顯示的彩色圖文映射到觸覺(jué)顯示器上的大小比例?？刂坪袃?nèi)為水射流觸覺(jué)刺激裝置，它通過(guò)控制電纜接收需要通過(guò)射流觸覺(jué)顯示器顯示的彩色圖文信息，并依據(jù)彩色圖文的點(diǎn)陣信息施加多維刺激并控制觸覺(jué)池中射流噴嘴陣列各噴嘴中水流的通斷，噴嘴中噴出的射流與操作者肌膚之間通過(guò)隔水薄膜隔離，以防止水流對(duì)操作者皮膚的損傷，隔水薄膜通過(guò)薄膜壓條和螺釘固定在觸覺(jué)池上，出水口用于射流水流的回流。
基于多維刺激的彩色觸覺(jué)圖文顯示裝置的顯示方法，該裝置把計(jì)算機(jī)屏幕圖文信息或攝像頭獲取的彩色環(huán)境圖像信息進(jìn)行彩色二值化處理，通過(guò)建立二值化圖文點(diǎn)陣信息與射流觸覺(jué)陣列之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系以及相應(yīng)圖文點(diǎn)陣上的色彩信息與觸覺(jué)刺激要素之間的映射關(guān)系，以射流觸覺(jué)陣列中噴射的包含頻率和溫度信息的水流作用于操作者的肌膚表面形成射流觸覺(jué)圖文點(diǎn)陣，使操作者通過(guò)觸覺(jué)顯示方式感知彩色圖文信息；調(diào)節(jié)射流觸覺(jué)刺激裝置上的圖文比例調(diào)節(jié)旋鈕，可以調(diào)整待顯示圖文信息映射到射流觸覺(jué)顯示器上的大小比例；射流觸覺(jué)刺激的射流強(qiáng)弱通過(guò)觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)控制界面上的“射流強(qiáng)弱”滾動(dòng)條進(jìn)行調(diào)整；通過(guò)建立溫度刺激的熱、溫、冷和頻率刺激的高、中、低的多維刺激要素與圖文色彩之間映射關(guān)系，使該顯示裝置用于彩色圖文的觸覺(jué)顯示。多維刺激要素除溫度和頻率參數(shù)外，還包括振幅-刺激強(qiáng)度、波形、持續(xù)時(shí)間、節(jié)奏，身體位置和時(shí)空模型等。
在彩色觸覺(jué)圖文顯示器作為一般計(jì)算機(jī)的視頻輸出顯示器時(shí)，還包括鼠標(biāo)鍵盤，當(dāng)不作為計(jì)算機(jī)顯示器使用時(shí)，計(jì)算機(jī)為具有微處理器的控制單元。其中操作者是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在計(jì)算機(jī)操作模式中，操作者通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤的操作可以改變計(jì)算機(jī)的屏幕信息并定位鼠標(biāo)指針到屏幕的特定位置，而系統(tǒng)則可以把鼠標(biāo)指針周圍的彩色圖文信息經(jīng)二值化處理后即時(shí)地發(fā)送到射流觸覺(jué)刺激裝置，并通過(guò)射流觸覺(jué)陣列以觸覺(jué)方式使操作者感知鼠標(biāo)指針周圍的彩色圖文信息，移動(dòng)鼠標(biāo)指針，操作者感知的彩色圖文信息也隨之改變，不斷的移動(dòng)鼠標(biāo)，操作者即可獲得全部的屏幕信息，從而實(shí)現(xiàn)盲人和視障者與計(jì)算機(jī)之間的人機(jī)交互；而在非計(jì)算機(jī)操作模式中，如作為盲人的視覺(jué)功能替代時(shí)，操作者則是通過(guò)對(duì)攝像頭的控制以獲取環(huán)境的彩色圖文信息，不斷地移動(dòng)和改變攝像頭的位置和角度，攝像頭獲取的彩色圖文信息隨之改變，彩色圖文信息經(jīng)二值化處理后，將能夠通過(guò)觸覺(jué)刺激裝置和射流觸覺(jué)陣列使操作者獲得周圍環(huán)境信息的觸覺(jué)感知。采用紅外攝像頭時(shí)，觸覺(jué)顯示裝置還能夠通過(guò)射流水溫對(duì)環(huán)境中的熱源做出提示以警示操作者予以小心留意。
本發(fā)明的顯示方法在于，該裝置把計(jì)算機(jī)屏幕圖文信息或攝像頭獲取的環(huán)境圖像信息進(jìn)行按彩色二值化算法進(jìn)行處理，通過(guò)建立二值化處理后的圖文點(diǎn)陣信息與射流觸覺(jué)陣列之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并按照?qǐng)D文點(diǎn)陣的色彩信息分別耦合溫度和振動(dòng)等射流刺激要素，最終以觸覺(jué)顯示器陣列中噴射的水流作用于操作者的肌膚表面形成射流觸覺(jué)點(diǎn)陣，使操作者通過(guò)觸覺(jué)方式感知彩色圖文信息；調(diào)節(jié)射流觸覺(jué)刺激裝置上的圖文比例調(diào)節(jié)旋鈕，可以調(diào)整待顯示圖文信息映射到射流觸覺(jué)顯示器上的大小比例；射流觸覺(jué)刺激的射流強(qiáng)弱通過(guò)觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)控制界面上的“射流強(qiáng)弱”滾動(dòng)條進(jìn)行調(diào)整；建立溫度、頻率、振幅、波形、持續(xù)時(shí)間、節(jié)奏，身體位置和時(shí)空模型等多維刺激要素與色彩之間映射關(guān)系，該射流觸覺(jué)顯示裝置將能夠較好地應(yīng)用于彩色圖文的觸覺(jué)顯示。
射流刺激要素與色彩的映射關(guān)系可以任意設(shè)定，以便于記憶為準(zhǔn)則，如高溫高頻對(duì)應(yīng)于暖色調(diào)，低溫低頻對(duì)應(yīng)于冷色調(diào)等。如果圖文色彩簡(jiǎn)單，使用較少的射流刺激要素即可以建立映射關(guān)系，反之如果希望獲得豐富的觸覺(jué)圖文色彩，則需要采用較多的刺激要素建立復(fù)雜的映射關(guān)系。
有益效果基于多維射流刺激的彩色觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)可以很好地通過(guò)建立多維刺激要素與色彩之間的映射關(guān)系為用戶提供真實(shí)有效的彩色觸覺(jué)圖文信息，不存在其他觸覺(jué)刺激手段中的不舒服和不安全感覺(jué)，并可有效避免觸覺(jué)刺激的時(shí)間適應(yīng)性困難，從而為用戶提供溫和舒服全真的彩色觸覺(jué)圖文感覺(jué)。
觸覺(jué)顯示是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的熱點(diǎn)研究方向和科技前沿，觸覺(jué)顯示器和視覺(jué)顯示器一樣蘊(yùn)涵著極大的商機(jī)。觸覺(jué)顯示器不僅可以應(yīng)用于高端科技如虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人臨場(chǎng)感、戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)聲指揮，還可以應(yīng)用于虛擬制造、消防救災(zāi)、感覺(jué)替代、遠(yuǎn)程醫(yī)療、汽車駕駛、手機(jī)及觸覺(jué)娛樂(lè)等很多民用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)空間，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非?？捎^，尤其是感覺(jué)功能替代的應(yīng)用，對(duì)于提高盲人及占據(jù)社會(huì)龐大人口基數(shù)的老年弱視群體的生存質(zhì)量，減低社會(huì)負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)政府“以人為本”和構(gòu)建“和諧社會(huì)”的國(guó)家目標(biāo)更是具有重要意義。
在觸覺(jué)顯示器的發(fā)展歷程中，高端的原創(chuàng)性的觸覺(jué)顯示器成果將無(wú)疑更受用戶歡迎，并因此擁有更大的市場(chǎng)空間。本發(fā)明基于多維刺激的彩色觸覺(jué)圖文顯示技術(shù)研究為原創(chuàng)性具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的前沿性研究工作，國(guó)內(nèi)外無(wú)相關(guān)專利授權(quán)，亦未見類似研究工作。隨著應(yīng)用領(lǐng)域及對(duì)象的不同，基于該技術(shù)的專利成果及產(chǎn)品可達(dá)百余項(xiàng)，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。


圖1是本發(fā)明的原理示意圖。其中有操作者1、計(jì)算機(jī)2、水射流刺激裝置3、觸覺(jué)顯示器(N×M觸覺(jué)陣列)4、鍵盤鼠標(biāo)5和圖文比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)6。
圖2、圖3是多維射流刺激要素與色彩之間的映射關(guān)系圖表。
圖4是射流觸覺(jué)圖文顯示器示意圖。其中有控制盒7、觸覺(jué)池8、隔水薄膜9、薄膜壓條10、螺釘11、射流噴嘴陣列12、進(jìn)水口13、出水口14、控制電纜15和圖文比例調(diào)節(jié)旋鈕16。
圖5是彩色射流觸覺(jué)圖文顯示實(shí)驗(yàn)的控制界面。
圖6是帶紅五星圖案的茶杯的射流觸覺(jué)顯示實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明提供的基于射流技術(shù)的觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)與裝置的原理示意圖。在結(jié)構(gòu)上射流觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)與裝置包括計(jì)算機(jī)2、射流觸覺(jué)刺激裝置3、具有N×M陣列的射流觸覺(jué)顯示器4、鼠標(biāo)鍵盤或攝像頭5和圖文比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)6，其中鼠標(biāo)鍵盤或攝像頭5通過(guò)串口或USB端口與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)2與射流觸覺(jué)刺激裝置3之間通過(guò)并行口或串行口或USB端口連接，射流觸覺(jué)刺激裝置3通過(guò)控制線纜與射流觸覺(jué)顯示器4連接，射流觸覺(jué)顯示器4產(chǎn)生的射流觸覺(jué)刺激傳給操作者1，操作者1手動(dòng)控制鼠標(biāo)鍵盤或攝像頭5及圖文比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)6(圖4中旋鈕16)。在觸覺(jué)圖文顯示器作為一般計(jì)算機(jī)的視頻輸出顯示器時(shí)，“鼠標(biāo)鍵盤或攝像頭5”為對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作控制的鼠標(biāo)鍵盤，當(dāng)不作為計(jì)算機(jī)顯示器使用時(shí)，計(jì)算機(jī)2為采用微處理器的控制單元，“鼠標(biāo)鍵盤或攝像頭5”為獲取圖文信息的攝像頭。
圖2和圖3是本發(fā)明多維射流刺激要素與圖文色彩之間的映射關(guān)系圖表，也是本發(fā)明最顯著的特征。兩表所采用的刺激要素為易于為操作者感知的溫度和頻率信息。圖2中采用了高、中、低三個(gè)不同水平的溫度刺激及高、較高、中和低四個(gè)離散的頻率刺激，相應(yīng)的溫度和頻率參數(shù)分別為45℃、30℃和15℃，500Hz、250Hz、100Hz和10Hz。圖3與圖2的不同之處在于頻率減少了一個(gè)離散頻率值，其所映射的色彩的種類亦相應(yīng)的從圖2中的12中減為9種。具體應(yīng)用中離散頻率和溫度刺激的參數(shù)個(gè)數(shù)可視具體應(yīng)用背景進(jìn)行增減。
圖4是本發(fā)明提供的射流觸覺(jué)圖文顯示器原理示意圖(與專利申請(qǐng)?zhí)枮椤?00510094474.8”的裝置相同)。在結(jié)構(gòu)上該顯示器由控制盒7、觸覺(jué)池8、隔水薄膜9、薄膜壓條10、螺釘11、射流噴嘴陣列12、進(jìn)水口13、出水口14、控制電纜15和圖文比例調(diào)節(jié)旋紐16等組成。其中，控制盒7內(nèi)為水射流觸覺(jué)刺激裝置3，它通過(guò)控制電纜15接收需要通過(guò)射流觸覺(jué)顯示器顯示的圖文信息，并依據(jù)圖文信息的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)控制觸覺(jué)池8中射流噴嘴陣列12各噴嘴中水流的通斷，噴嘴中噴出的射流與操作者肌膚之間通過(guò)隔水薄膜9隔離，以防止水流對(duì)操作者皮膚的損傷，隔水薄膜9通過(guò)薄膜壓條10和螺釘11固定在觸覺(jué)池8上，出水口14用于射流水體的回流。圖文比例調(diào)節(jié)旋鈕16對(duì)應(yīng)于圖1中的比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)3，用于調(diào)整待顯示圖文數(shù)據(jù)映射到射流觸覺(jué)顯示器上的大小比例。
顯示方法是該裝置把計(jì)算機(jī)屏幕圖文信息或攝像頭獲取的彩色環(huán)境圖像信息首先進(jìn)行彩色二值化處理，通過(guò)建立二值化處理后的彩色圖文點(diǎn)陣信息與射流觸覺(jué)陣列之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，以射流觸覺(jué)陣列中噴射的水流刺激作用于操作者的肌膚表面形成射流觸覺(jué)點(diǎn)陣，使操作者通過(guò)觸覺(jué)方式感受熱、溫、冷和高頻、較高頻、中頻及低頻等信息感知彩色圖文信息；調(diào)節(jié)射流觸覺(jué)刺激裝置上的圖文比例調(diào)節(jié)旋鈕，可以調(diào)整待顯示彩色圖文信息映射到射流觸覺(jué)顯示器上的大小比例；射流觸覺(jué)刺激的射流強(qiáng)弱通過(guò)圖5彩色射流觸覺(jué)圖文顯示實(shí)驗(yàn)控制界面上的“射流強(qiáng)弱”滾動(dòng)條進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)合為獲取環(huán)境圖像信息時(shí)，該裝置也可以把熱紅外攝像頭獲取的熱圖像信息按溫度的高低以熱(溫度)射流刺激的方法作用于操作者的肌膚表面，以警示操作者予以小心留意。
本發(fā)明的基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置及顯示方法是通過(guò)建立多維刺激要素與彩色圖文的色彩之間的映射關(guān)系以水射流刺激的方式將本應(yīng)由視覺(jué)感知的彩色圖文信息以人工觸覺(jué)的方式作用于操作者的肌膚表面，使操作者獲得彩色圖文信息的觸覺(jué)感知。水射流在操作者肌膚表面的刺激主要有三個(gè)方面一是射流水壓作用，射流水壓可以在操作者肌膚表面產(chǎn)生壓力觸覺(jué)刺激，二是射流溫度刺激作用，射流水溫與操作者體溫可以存在差異從而在操作者指端產(chǎn)生溫度觸覺(jué)刺激，三是頻率刺激作用，離散頻率的刺激可以讓操作者感受不同的振動(dòng)刺激信息，三種刺激共同作用，使操作者獲得彩色圖文的觸覺(jué)感知。
在射流觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)中，操作者是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在非計(jì)算機(jī)操作模式下，如當(dāng)作為盲人的視覺(jué)功能替代獲取環(huán)境信息時(shí)，在微處理器控制單元的控制下，攝像頭獲取的彩色環(huán)境圖像信息在經(jīng)過(guò)二值化處理后源源不斷地發(fā)送到射流觸覺(jué)刺激裝置，并通過(guò)射流觸覺(jué)陣列使操作者通過(guò)觸覺(jué)感知獲得即時(shí)的環(huán)境圖像信息。移動(dòng)或改變攝像頭的位置和角度，攝像頭獲取的彩色圖文信息也隨之改變，不斷地移動(dòng)和改變攝像頭的位置和角度，操作者即可以通過(guò)射流觸覺(jué)獲得豐富的關(guān)于周圍環(huán)境的信息。由于射流可以提供溫度感覺(jué)，所以在采用熱紅外攝像頭時(shí)，對(duì)于環(huán)境中的熱源，裝置還可以通過(guò)直觀的射流溫度刺激警示操作者對(duì)環(huán)境中的熱源予以小心留意。
在計(jì)算機(jī)操作模式下，操作者可以通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤的操作改變計(jì)算機(jī)的屏幕信息并定位鼠標(biāo)指針到屏幕的特定位置，系統(tǒng)則即時(shí)地把鼠標(biāo)指針周圍的彩色圖文信息經(jīng)二值化處理后發(fā)送至射流觸覺(jué)刺激裝置，并通過(guò)射流觸覺(jué)陣列以人工觸覺(jué)方式使操作者感知鼠標(biāo)指針周圍的彩色圖文信息，移動(dòng)鼠標(biāo)指針，操作者感知的圖文信息也隨之改變，不斷的移動(dòng)鼠標(biāo)，操作者即可獲得全部的屏幕信息，從而實(shí)現(xiàn)盲人和計(jì)算機(jī)之間的人機(jī)交互。
具體實(shí)例如圖6所示，圖6是顯示帶紅色五星圖案的水杯的情形，圖中小圓環(huán)表示無(wú)水流刺激的射流噴嘴陣列，黑色實(shí)心的小圓圖標(biāo)表示黃色杯體，細(xì)外環(huán)內(nèi)實(shí)心的小圓圖標(biāo)表示白色的杯內(nèi)壁，粗外環(huán)內(nèi)小點(diǎn)的圖標(biāo)則表示白(無(wú))色的熱水。如以高溫高頻代表紅色，中溫中頻代表黃色，低溫低頻代表白色，低溫高頻代表白色熱水，則當(dāng)圖6所示彩色圖案的射流刺激作用于操作者肌膚表面時(shí)，操作者即可感知到高頻振動(dòng)的紅色五角星、中頻振動(dòng)的黃色柱狀杯體和低頻振動(dòng)的白色杯內(nèi)壁以及高頻振動(dòng)的白色的熱水。需要說(shuō)明的是，不同刺激要素對(duì)應(yīng)的色彩是可以任意定義的，只要把溫度與色彩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系明確告知射流觸覺(jué)顯示器的用戶，即可以使用戶感知彩色觸覺(jué)圖文信息。
圖5是射流觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)的控制界面。圖中有字符和圖像二個(gè)選項(xiàng)，分別對(duì)應(yīng)于字符和彩色二值化圖像的射流觸覺(jué)顯示模式?？刂平缑娴挠覀?cè)是射流強(qiáng)度的滾動(dòng)控制條，移動(dòng)滾動(dòng)條可以改變射流水壓的強(qiáng)弱?？刂平缑娴南路绞恰耙曨l切換”、“觸覺(jué)顯示”和“窗口關(guān)閉”按鈕，“視頻切換”功能能夠把把計(jì)算機(jī)屏幕信息輸出到觸覺(jué)顯示器，當(dāng)操作者希望系統(tǒng)工作在計(jì)算機(jī)操作模式，即人機(jī)交互模式時(shí)，選擇該按鈕，這時(shí)操作者通過(guò)射流觸覺(jué)圖文顯示器感知的是計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)指針周圍的計(jì)算機(jī)屏幕信息。“觸覺(jué)顯示”按鈕用于觸覺(jué)訓(xùn)練、教育和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，該模式下，?jì)算機(jī)操作者是視覺(jué)障礙者，操作者選定字符或圖像模式并按下“觸覺(jué)顯示”按鈕后，相應(yīng)的彩色圖文信息即被發(fā)送到射流觸覺(jué)顯示器上。當(dāng)選定“字符”模式時(shí)，字符文本框中的字符即通過(guò)射流觸覺(jué)刺激裝置和射流觸覺(jué)陣列以射流觸覺(jué)的方式作用在操作者的肌膚表面。
當(dāng)選定“圖像”模式時(shí)，“圖像”標(biāo)識(shí)右側(cè)文本框中路徑所指向的二值化圖像即通過(guò)射流觸覺(jué)刺激裝置和射流觸覺(jué)陣列以射流觸覺(jué)的方式作用在操作者的肌膚表面，圖6示出了帶紅五星圖案的水杯的情形?？刂平缑嬗覀?cè)的“瀏覽”按鈕用于選擇計(jì)算機(jī)文件夾中儲(chǔ)存的二值化圖像。
當(dāng)操作者和用戶希望改變通過(guò)射流觸覺(jué)顯示器顯示的圖文大小比例時(shí)，可以通過(guò)射流觸覺(jué)刺激裝置3上附帶的圖文比例調(diào)節(jié)旋鈕16進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)操作者希望獲得圖文對(duì)象的細(xì)節(jié)信息或感覺(jué)不明晰時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)放大圖文對(duì)象，當(dāng)操作者希望獲得圖文對(duì)象的總體印象時(shí)，則可以通過(guò)調(diào)節(jié)縮小圖文對(duì)象。當(dāng)圖文對(duì)象放大顯示時(shí)，計(jì)算機(jī)或射流觸覺(jué)刺激器內(nèi)的控制單元將通過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算對(duì)圖文對(duì)象的點(diǎn)陣信息進(jìn)行增補(bǔ)擴(kuò)充。
本發(fā)明基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置及顯示方法具有安全可靠、觸感穩(wěn)定真實(shí)有效的特點(diǎn)，操作者可以獲得色彩豐富的彩色觸覺(jué)圖文信息。
本發(fā)明為原創(chuàng)性觸覺(jué)替代視覺(jué)功能的新技術(shù)新方法，在該領(lǐng)域?yàn)閲?guó)內(nèi)外首次提出，相關(guān)技術(shù)除可滿足盲人和視障人群的感覺(jué)功能替代外，還可廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)聲指揮、消防救災(zāi)、醫(yī)療手術(shù)、虛擬制造、互動(dòng)娛樂(lè)及空間和海洋機(jī)器人等諸多領(lǐng)域，具有非常廣闊的市場(chǎng)空間和應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置，其特征在于該裝置包括計(jì)算機(jī)(2)、射流觸覺(jué)刺激裝置(3)、具有N×M陣列的射流觸覺(jué)顯示器(4)和鼠標(biāo)、鍵盤、或攝像頭(5)和圖文比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(6)；其中鼠標(biāo)、鍵盤、或攝像頭(5)的輸出端通過(guò)串口或USB端口與計(jì)算機(jī)(2)連接，計(jì)算機(jī)(2)的輸出端與射流觸覺(jué)刺激裝置(3)之間通過(guò)并行口或串行口或USB端口連接，射流觸覺(jué)刺激裝置(3)的輸出端通過(guò)控制線纜與射流觸覺(jué)顯示器(4)連接，射流觸覺(jué)顯示器(4)的傳感信號(hào)傳給操作者(1)，由操作者(1)控制鼠標(biāo)、鍵盤、或攝像頭(5)及圖文比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置，其特征在于具有N×M陣列的射流觸覺(jué)顯示器(4)在結(jié)構(gòu)上由控制盒(7)、觸覺(jué)池(8)、隔水薄膜(9)、薄膜壓條(10)、螺釘(11)、射流噴嘴陣列(12)、進(jìn)水口(13)、出水口(14)、控制電纜(15)和圖文比例調(diào)節(jié)旋紐(16)組成；其中，控制盒(7)內(nèi)為射流觸覺(jué)刺激裝置(3)，它通過(guò)控制電纜(15)接收需要通過(guò)射流觸覺(jué)顯示器顯示的圖文信息，并依據(jù)圖文信息的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)控制觸覺(jué)池(8)中射流噴嘴陣列(12)各噴嘴中水流的通斷，噴嘴中噴出的射流與操作者(1)的肌膚之間通過(guò)隔水薄膜(9)隔離，以防止水流對(duì)操作者皮膚的損傷，隔水薄膜(9)通過(guò)薄膜壓條(10)和螺釘(11)固定在觸覺(jué)池(8)上，出水口(14)用于射流水流的回流，圖文比例調(diào)節(jié)旋紐(16)用于調(diào)節(jié)待顯示的彩色圖文映射到觸覺(jué)顯示器上的大小比例。
3.一種如權(quán)利要求1所述的基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置的顯示方法，其特征在于該裝置把計(jì)算機(jī)屏幕圖文信息或攝像頭獲取的彩色環(huán)境圖像信息進(jìn)行彩色二值化處理，通過(guò)建立二值化圖文點(diǎn)陣信息與射流觸覺(jué)陣列之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系以及相應(yīng)圖文點(diǎn)陣上的色彩信息與觸覺(jué)刺激要素之間的映射關(guān)系，以射流觸覺(jué)陣列中噴射的包含頻率和溫度信息的水流作用于操作者的肌膚表面形成射流觸覺(jué)圖文點(diǎn)陣，使操作者通過(guò)觸覺(jué)顯示方式感知彩色圖文信息；調(diào)節(jié)射流觸覺(jué)刺激裝置上的圖文比例調(diào)節(jié)旋鈕，可以調(diào)整待顯示圖文信息映射到射流觸覺(jué)顯示器上的大小比例；射流觸覺(jué)刺激的射流強(qiáng)弱通過(guò)觸覺(jué)圖文顯示系統(tǒng)控制界面上的“射流強(qiáng)弱”滾動(dòng)條進(jìn)行調(diào)整；通過(guò)建立溫度刺激的熱、溫、冷和頻率刺激的高、中、低的多維刺激要素與圖文色彩之間映射關(guān)系，使該顯示裝置用于彩色圖文的觸覺(jué)顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置的顯示方法，其特征在于多維刺激要素除溫度和頻率參數(shù)外，還包括振幅-刺激強(qiáng)度、波形、持續(xù)時(shí)間、節(jié)奏，身體位置和時(shí)空模型等。
全文摘要
基于多維刺激的彩色射流觸覺(jué)圖文顯示裝置及顯示方法涉及一種用于為視障人群提供彩色圖文信息的裝置和方法，尤其是藉助多維刺激技術(shù)為視障人群提供彩色圖文信息的射流觸覺(jué)圖文顯示裝置和顯示方法。該裝置中，鼠標(biāo)鍵盤或攝像頭(5)通過(guò)串并口或USB口與計(jì)算機(jī)(2)連接，操作者(1)通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤或攝像頭獲取期望的圖文信息，計(jì)算機(jī)輸出的圖文信息通過(guò)串并口或USB口連接至射流觸覺(jué)刺激裝置(3)，射流觸覺(jué)刺激裝置的輸出信號(hào)通過(guò)控制線纜與射流觸覺(jué)顯示器(4)連接，最終將彩色圖文信息以多維觸覺(jué)刺激方式作用于操作者(1)的肌膚表面，使其獲得對(duì)知識(shí)及周圍環(huán)境的觸覺(jué)認(rèn)知。
文檔編號(hào)A61F9/08GK101021745SQ20061009838
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者帥立國(guó), 姜昌金, 周山明, 周芝庭, 孫義敏, 侯越 申請(qǐng)人:東南大學(xué)