[发明专利]一种具有交互功能的类人触觉再现装置及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及人机交互相关技术领域，尤其是指一种具有交互功能的类人触觉再现装置及方法。

背景技术

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。

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2-3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。

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。

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。

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。