本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種手部觸感參數(shù)的采集及模擬還原系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，信息傳輸及處理速率產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)也借著這股“東風(fēng)”變得炙手可熱。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的vr應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，由計算機來處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對用戶的輸入作出實時響應(yīng)，并分別反饋到用戶的五官。而傳感設(shè)備是指三維交互設(shè)備。

虛擬和現(xiàn)實之間的鴻溝已經(jīng)變得越來越小。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展正邁向一個嶄新的階段，國外各大公司都在圍繞虛擬現(xiàn)實技術(shù)的幾個方面進行探索與研制相關(guān)設(shè)備。對于聽覺方面自然不必說，現(xiàn)在的音頻處理及合成技術(shù)以及達到了較高的技術(shù)水平；在視覺方面，一些科技巨頭已經(jīng)推出了他們的產(chǎn)品，例如：微軟研制的頭戴式虛擬現(xiàn)實眼鏡holograms、索尼研制的虛擬現(xiàn)實眼鏡psvr等。而目前大多數(shù)公司虛擬現(xiàn)實的研究方向都在于視覺方面，當(dāng)然這也不難理解，視覺承擔(dān)著人類近80％人類與外界進行信息交互的能力，一旦在此方面有重大技術(shù)突破，那么虛擬現(xiàn)實技術(shù)將進入又一個新的階段；而在嗅覺方面，由于能夠產(chǎn)生氣味的化學(xué)成分目前還無法通過電子設(shè)備較為簡便的合成，因此研究的人員很少。

故目前除視覺外，只有觸覺在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中有較好的研究及開發(fā)前景。目前針對觸感在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用主要由三種實現(xiàn)形式：第一類是在手套內(nèi)部使用振動器產(chǎn)生震動來模擬觸覺；第二種種是用機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)力的準確反饋；第三種是在手套上布置多個氣囊，用對氣囊充氣的方式實現(xiàn)觸感的反饋。經(jīng)過總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，目前現(xiàn)有的產(chǎn)品均以觸覺之中的壓覺為反饋對象，而我們知道，除壓覺外觸覺還包括對溫度的感覺、痛覺，這兩種感覺同樣對人體有很重要的意義，因此僅僅用壓覺與振動來模擬觸覺是遠遠不夠的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種手部觸感參數(shù)的采集及模擬還原系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)遠程采集手部觸摸參數(shù)，進行數(shù)據(jù)處理錄入，同時又能通過電阻絲、電極釋放電刺激，模擬觸感參數(shù)。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種手部觸感參數(shù)的采集及模擬還原系統(tǒng)，包括手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)交換模塊和手部觸感參數(shù)還原模塊，所述手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊包括第一微處理器以及分別與之連接的第一手部姿態(tài)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和第一無線通信單元，所述數(shù)據(jù)交換模塊包括第二微處理器以及分別與之連接的數(shù)據(jù)存儲單元和第二無線通信單元，所述手部觸感參數(shù)還原模塊包括第三微處理器以及分別與之連接的第二手部姿態(tài)傳感器、d/a轉(zhuǎn)換器和第三無線通信單元，手部觸感參數(shù)還原模塊還包括微電流電極和發(fā)熱電阻絲，微電流電極和發(fā)熱電阻絲經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器與第三微處理器相連；數(shù)據(jù)交換模塊分別與手部姿態(tài)及觸覺參數(shù)采集模塊和手部觸感參數(shù)還原模塊分別建立無線通信。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，第一手部姿態(tài)傳感器和第二手部姿態(tài)傳感器包括多個貼片式彎曲度傳感器，這些貼片式彎曲度傳感器分別設(shè)置在用戶的手指和手掌上，通過采集手部各個位置的彎曲度數(shù)據(jù)來表征手部姿態(tài)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提出了基于上述系統(tǒng)的手部觸感參數(shù)的采集及模擬還原方法，包括以下步驟：

(1)用戶使用手部進行實物觸摸，手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊采集手部的彎曲度數(shù)據(jù)以及觸摸面的溫度、壓力數(shù)據(jù)；

(2)手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送給數(shù)據(jù)交換模塊；

(3)數(shù)據(jù)交換模塊根據(jù)接收到的手部彎曲度數(shù)據(jù)，采用手部姿態(tài)特征提取算法得到手部姿態(tài)特征；

(4)數(shù)據(jù)交換模塊根據(jù)采集到的觸摸面壓力數(shù)據(jù)，采用痛覺等級劃分算法計算痛覺等級；

(5)數(shù)據(jù)交換模塊將手部姿態(tài)特征與對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)、痛覺等級進行打包，將數(shù)據(jù)包保存在數(shù)據(jù)存儲單元中；

(6)用戶做出預(yù)定的觸摸動作，手部觸感參數(shù)還原模塊采集手部的彎曲度數(shù)據(jù)；

(7)手部觸感參數(shù)還原模塊將采集到的手部彎曲度數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送給數(shù)據(jù)交換模塊；

(8)數(shù)據(jù)交換模塊根據(jù)采集到手部彎曲度數(shù)據(jù)，采用手部姿態(tài)特征提取算法得到手部姿態(tài)特征；

(9)采用特征匹配算法，將步驟(8)得到的手部姿態(tài)特征與數(shù)據(jù)存儲單元中保存的各數(shù)據(jù)包中的手部姿態(tài)特征進行匹配，得到匹配結(jié)果；

(10)數(shù)據(jù)交換模塊從數(shù)據(jù)存儲單元中調(diào)取與步驟(8)得到的手部姿態(tài)特征相匹配的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給手部觸感參數(shù)還原模塊；

(11)手部觸感參數(shù)還原模塊釋放接收到的數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的溫度數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)熱電阻絲產(chǎn)生相應(yīng)的溫度，實現(xiàn)對溫度參數(shù)的模擬；同時根據(jù)數(shù)據(jù)包中的痛覺等級，采用微電流流量控制算法驅(qū)動微電流電極釋放相應(yīng)的微電流，從而實現(xiàn)對觸壓覺和痛覺的模擬。

進一步地，在步驟(3)中，所述手部姿態(tài)特征提取算法為，在手部設(shè)有n個貼片式彎曲度傳感器，每個貼片式彎曲度傳感器采集彎曲度信號組成彎曲度向量α＝(x1,x2,...,xn)，xi為第i個貼片式彎曲度傳感器采集的彎曲度信號，i＝1,2,…,n；對同一個動作進行m次采集，得到m組彎曲度向量，對m組彎曲度向量求平均，得到手部姿態(tài)特征向量β：

上式中，αj為第j組彎曲度向量。

進一步地，在步驟(4)中，所述痛覺等級劃分算法的步驟如下：

(a)計算痛覺臨界電壓u0：

上式中，p0為痛覺閾值，p0＝5.02×10⁴pa，s0為單個壓力傳感器的有效感壓面積，k為單個壓力傳感器所受壓力值與壓力傳感器采樣電壓的比例系數(shù)；

(b)根據(jù)痛覺臨界電壓u0計算痛覺分級函數(shù)c：

上式中，um為壓力傳感器的采樣電壓，λ為設(shè)定的系數(shù)；

(c)計算8個痛覺判決門限js：

(d)將痛覺分級函數(shù)c與8個痛覺判決門限js進行比較，當(dāng)js≤c＜js+1，則判斷痛覺等級為s。

進一步地，在步驟(11)中，所述微電流流量控制算法為，建立微電流電極輸出微電流i與痛覺等級s的關(guān)系：

上式中，微電流i的單位為毫安。

進一步地，在步驟(9)中，所述特征匹配算法，分別計算步驟(7)得到的手部姿態(tài)特征與數(shù)據(jù)存儲單元中所有數(shù)據(jù)包中的手部姿態(tài)特征的幾何距離，將最小幾何距離對應(yīng)的數(shù)據(jù)包作為匹配結(jié)果。

采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：

目前市場上的觸覺模擬產(chǎn)品僅提供了觸覺反饋設(shè)備，可模擬的觸覺及動作類型較為單一且固定，而本發(fā)明則自帶手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集端，可以讓操作者自由采集并模擬各種觸覺類型。本發(fā)明使用電刺激產(chǎn)生微痛覺來進行壓力的模擬以及痛覺的還原，較傳統(tǒng)通過振動器進行壓力模擬，由于電極體積小，故可以更加精準的傳遞觸感，而且由于人類對于痛覺更加敏感，因此提高了壓力模擬的準確度與真實還原度。此外本發(fā)明還通過對溫度與壓力模擬相結(jié)合的方法，進一步增強了觸覺模擬的效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框架圖；

圖2是本發(fā)明中手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊的組成框圖；

圖3是本發(fā)明中數(shù)據(jù)交換模塊的組成框圖；

圖4是本發(fā)明中手部觸感參數(shù)還原模塊的組成框圖；

圖5是本發(fā)明的流程圖；

圖6是本發(fā)明中彎曲度傳感器分布示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

一種手部觸感參數(shù)的采集及模擬系統(tǒng)，如圖1所示，包括手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)交換模塊和手部觸感參數(shù)還原模塊，三者均為彼此硬件獨立的嵌入式設(shè)備，數(shù)據(jù)交換模塊分別與手部姿態(tài)及觸覺參數(shù)采集模塊和手部觸感參數(shù)還原模塊分別建立無線通信。

如圖2所示，手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊包括第一微處理器以及分別與之連接的第一手部姿態(tài)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和第一無線通信單元。當(dāng)?shù)谝皇植孔藨B(tài)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器為模擬傳感器時，第一手部姿態(tài)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器通過a/d轉(zhuǎn)換器與第一微處理器相連。

如圖3所示，數(shù)據(jù)交換模塊包括第二微處理器以及分別與之連接的數(shù)據(jù)存儲單元和第二無線通信單元。

如圖4所示，手部觸感參數(shù)還原模塊包括第三微處理器以及分別與之連接的第二手部姿態(tài)傳感器、d/a轉(zhuǎn)換器和第三無線通信單元，手部觸感參數(shù)還原模塊還包括微電流電極和發(fā)熱電阻絲，微電流電極和發(fā)熱電阻絲經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器與第三微處理器相連。當(dāng)?shù)诙植孔藨B(tài)傳感器為模擬傳感器時，第二手部姿態(tài)傳感器通過a/d轉(zhuǎn)換器與第三微處理器相連。

在本實施例中，第一手部姿態(tài)傳感器和第二手部姿態(tài)傳感器包括多個貼片式彎曲度傳感器，這些貼片式彎曲度傳感器分別設(shè)置在用戶的手指和手掌上，通過采集手部各個位置的彎曲度數(shù)據(jù)來表征手部姿態(tài)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提出了基于上述系統(tǒng)的手部觸感參數(shù)的采集及模擬方法，如圖5所示，步驟如下。

步驟1、用戶使用手部進行實物觸摸，手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊采集手部的彎曲度數(shù)據(jù)以及觸摸面的溫度、壓力數(shù)據(jù)。

步驟2、手部姿態(tài)及觸感參數(shù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送給數(shù)據(jù)交換模塊。

步驟3、數(shù)據(jù)交換模塊根據(jù)接收到的手部彎曲度數(shù)據(jù)，采用手部姿態(tài)特征提取算法得到手部姿態(tài)特征。

在手部設(shè)有7個貼片式彎曲度傳感器，如圖6所示，每個貼片式彎曲度傳感器采集彎曲度信號組成彎曲度向量α＝(x1,x2,...,x7)，xi為第i個貼片式彎曲度傳感器采集的彎曲度信號，i＝1,2,…,7；對同一個動作進行m次采集，得到m組彎曲度向量，對m組彎曲度向量求平均，得到手部姿態(tài)特征向量β：

上式中，αj為第j組彎曲度向量。

步驟4、數(shù)據(jù)交換模塊根據(jù)采集到的觸摸面壓力數(shù)據(jù)，采用痛覺等級劃分算法計算痛覺等級。

(a)計算痛覺臨界電壓u0：

上式中，p0為痛覺閾值，p0＝5.02×10⁴pa，s0為單個壓力傳感器的有效感壓面積，k為單個壓力傳感器所受壓力值與壓力傳感器采樣電壓的比例系數(shù)；

(b)根據(jù)痛覺臨界電壓u0計算痛覺分級函數(shù)c：

上式中，um為壓力傳感器的采樣電壓，λ為設(shè)定的系數(shù)；

(c)計算8個痛覺判決門限js：

(d)將痛覺分級函數(shù)c與8個痛覺判決門限js進行比較，當(dāng)js≤c＜js+1，則判斷痛覺等級為s。

步驟5、數(shù)據(jù)交換模塊將手部姿態(tài)特征與對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)、痛覺等級進行打包，將數(shù)據(jù)包保存在數(shù)據(jù)存儲單元中。

步驟6、用戶做出預(yù)定的觸摸動作，手部觸感參數(shù)還原模塊采集手部的彎曲度數(shù)據(jù)。

步驟7、手部觸感參數(shù)還原模塊將采集到的手部彎曲度數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送給數(shù)據(jù)交換模塊。

步驟8、數(shù)據(jù)交換模塊根據(jù)采集到手部彎曲度數(shù)據(jù)，采用手部姿態(tài)特征提取算法得到手部姿態(tài)特征。具體過程見步驟3。

步驟9、采用特征匹配算法，將步驟8得到的手部姿態(tài)特征與數(shù)據(jù)存儲單元中保存的各數(shù)據(jù)包中的手部姿態(tài)特征進行匹配，得到匹配結(jié)果。

分別計算步驟8得到的手部姿態(tài)特征與數(shù)據(jù)存儲單元中所有數(shù)據(jù)包中的手部姿態(tài)特征的幾何距離，將最小幾何距離對應(yīng)的數(shù)據(jù)包作為匹配結(jié)果。

步驟10、數(shù)據(jù)交換模塊從數(shù)據(jù)存儲單元中調(diào)取與步驟8得到的手部姿態(tài)特征相匹配的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給手部觸感參數(shù)還原模塊。

步驟11、手部觸感參數(shù)還原模塊釋放接收到的數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的溫度數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)熱電阻絲產(chǎn)生相應(yīng)的溫度，實現(xiàn)對溫度參數(shù)的模擬；同時根據(jù)數(shù)據(jù)包中的痛覺等級，采用微電流流量控制算法驅(qū)動微電流電極釋放相應(yīng)的微電流，從而實現(xiàn)對觸壓覺和痛覺的模擬。

建立微電流電極輸出微電流i與痛覺等級s的關(guān)系：

上式中，微電流i的單位為毫安。

實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。