[发明专利]用于实现人机交互的纹理触觉再现接口装置

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种用于实现人机交互的纹理触觉再现接口装置。

背景技术

纹理触觉再现技术是一种基于人的触觉感知机理的人机交互技术，该技术模拟人体对真实物体进行触觉感知的过程，实现对远地或虚拟物体表面纹理信息的感知与再现。纹理触觉再现技术通过纹理触觉感知给用户提供对虚拟物体更加真实与自然的接触，更好地提升了虚拟环境中的用户体验。作为力触觉再现中的一个重要领域，纹理力触觉再现技术受到了越来越多的关注。

表面纹理是真实物体的一个重要属性，人通过真实物体的表面纹理描述和区分生活中的物体。纹理力触觉是力触觉再现研究的一个重要组成部分，纹理力触觉再现技术主要研究如何将物体表面的纹理信息通过触觉再现装置反馈给操作者。该技术可使操作者更好地感知物体表面，获得更真实的触觉感受。通过纹理触觉技术与虚拟现实技术的结合，不仅可使得操作者在虚拟环境中获得更好的真实感和沉浸感，还可以提高操作者对虚拟对象的控制与对虚拟环境的探知能力。

近年来，随着纹理力触觉技术的研究与发展，其应用范围也越来越广，在医学、工业、遥操作、艺术、教育、娱乐等领域都有着广泛的应用。在医学领域，运用该技术可以实现远程医疗，医生通过触觉设备感知手术现场中人体器官的纹理触感，获得比较准确的病理信息，提高手术的成功率，可以实现模拟手术培训，减少实习医生培训投入；将纹理触觉技术引入虚拟工件装配环节，可以増强操作者对零件装配的真实感；在遥操作技术中，可通过触觉设备感受遥操作机器人所在真实环境，并操控机器人系统去完成特定环境下的任务；将纹理触觉再现技术应用于虚拟艺术博物馆和展览会上，可以使参观者通过触觉再现设备触摸珍贵的艺术品或文物，获得对艺术作品的更好的认识，满足参观者的认知需求；在教育领域中，可以使学生在课堂中认识到更多的材料属性，减少学生与危险物品的直接接触；在娱乐业中，玩家可通过力触觉设备更好地沉浸于虚拟世界，获得更好的游戏体验。

在纹理力触觉再现中，为了模拟人接触物体时的触觉，需要借助力触觉交互设备，该设备也可以称为触觉反馈或力反馈设备。力触觉交互设备是一种由计算机驱动的能够产生力反馈的计算机外围设备。一般力触觉交互设备都具有持别设计的人机交互接口，方便操作者使用。Bailenson将人机交互结构定义为：为体验力触觉变化供操作者控制或穿戴的机械结构。目前已经研巧出的力触觉交互设备根据其自由度不同可分为2自由度、3自由度、6自由度力触觉交互设备。除了借助于力触觉反馈设备外，还可以采用分布式多点振动模拟纹理的方法。该方法需要设计专用的振动阵列模块，当人手触摸振动阵列模块时，该模块中的振动单元根据需要反馈出的触觉信息产生对应振动，通过控制振动单元以及振动频率的大小让人获得纹理触感信息。如Sarakoglou等研制了一种拉动型针型阵列，该阵列由4×4个触点构成，每个触点对应一个振动电机，16个振动电机同时给触点阵列提供相应位置的拉力，并利用电缆传动器将拉力从振动电机处传输至针型阵列－从而实现纹理信息表达再现。Konyo和Yoshida等人设计了一种利用多种振动频率再现虚拟接触的设备，将该设备穿戴在人手指的指端，通过改变触觉刺激的振动时间、振动频率与振幅作为手的运动的响应，从而产生粗糙度、压力化及摩擦力的虚拟触感。

目前存在的纹理触觉再现接口装置大多采用商业化的力触觉交互装置如Phantom、Falcon、Delta和Sigma等，这些设备具有较多自由度，但都由电机驱动、大多采用刚性结构连接，在模拟物体纹理时稳定性较差，容易产生失真，特别是无法模拟柔顺性物体的纹理，而且在模拟物体的纹理时只能单点模拟，无法模拟动态纹理。采用点阵式纹理触觉阵列能够较好的模拟物体纹理，但目前点阵式纹理触觉再现接口装置大多由振动电机产生的振动模拟物体纹理，稳定性不好，振动信息与真实的纹理信息仍然存在差距，用户在的纹理触觉真实感仍然不强，同样也存在着无法模拟柔顺性物体纹理的问题，而且由电机驱动点阵式纹理触觉结构非常复杂，体积大、重量重。

发明内容

本发明提供一种用于实现人机交互的纹理触觉再现接口装置，目的在于解决现有纹理力触觉再现所采用力触觉交互装置存在的弊端，进而提供一种具有高保真度、能够模拟物体纹理特别是能够模拟柔顺性物体（如机体组织）纹理和形状的人机接口装置。

本发明通过以下技术方案实现：