[发明专利]一种利用电刺激实现触觉再现装置

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，具体涉及一种利用电刺激实现触觉再现装置。

背景技术

触觉作为一种基本的人类感觉，不同于视觉和听觉，触觉与嗅觉类似，在处理信息的过程中，更多受主观感情因素的影响，存在一定的个体差异。也因此，触觉在人类认知世界中起到了非常特别的作用。相比较视觉和听觉而言，触觉再现是发展的比较滞后。直到近十几年，触觉再现才开始成为虚拟现实、人机交互领域的研究热点。在现有的视觉再现基础上，加入触觉信息能够为人提供更加真实和直观的交互体验。目前触觉再现在盲人教育、远程医疗等领域有着重要应用作用，随着技术的逐步成熟，触觉再现将更多的进入大众生活中。

人体皮肤感知触觉的主要感受器是四种细胞体和自由神经网络，四种细胞体分别是：Meissner小体、Pacinian小体、Ruffini’s触觉细胞、Mekel’s触觉盘。这四种感受器不均匀的分布在人体皮肤内，感知外界的温度、湿度、振动，感觉皮肤的形变、伸展、活动等信息。四种感受器各自的感知范围不同，受到电触觉的影响也有不同。

通过查阅大量的现有文献发现，目前国内外相关电触觉技术主要集中在超过200V的高电压触觉信号再现上。目前，针对电刺激触觉方面的研究，大部分集中在日本。日本电信通信大学研制的一种用于移动触摸屏的电触觉再现技术，该薄膜上的电极呈点阵式分布，可吸附在显示上，触摸时会根据图像的纹理给予电触觉反馈。但其应用的是300V的高电压驱动。国内的上海交大同样也在进行相关的电刺激研发，其电压也很高，都会给使用者带来很强列的不舒适感，不利于推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用电刺激实现触觉再现装置，其目的在于提出一种安全、舒适、自然的电触觉再现装置，同时具备可调节性。

为达到上述目的，本发明的技术方案为，该装置包括触觉再现控制器、触觉脉冲输出单元以及触觉再现屏幕。

触觉再现屏幕包括一块显示屏，其上顺次覆盖有透明湿导电极板以及红外定位边框；显示屏接收触觉再现控制器发来的图像信息并进行图像显示；透明湿导电极板在触觉再现控制器发出的模拟触觉信号的驱动下产生电流；红外定位边框实时采集人体手指在触觉再现屏幕上的位置信息，并将位置信息发送至触觉再现控制器中。

触觉再现控制器包括处理器、图像显示模块和触觉驱动模块。

处理器控制整个触觉再现装置的电源供给，其还具有如下两方面功能：一方面将待显示的图像信息发送到图像显示模块，图像显示模块将该图像信息进行转码并发送到显示屏进行显示；另一方面接收红外定位边框实时采集的位置信息，并对该位置信息指定的图像上对应位置处进行触觉信息提取，然后将所提取的触觉信息转换为数字触觉信号发送至触觉驱动模块，触觉驱动模块采用数模转换器将该数字触觉信号转换成模拟触觉信号，并将该模拟触觉信号发送到触觉脉冲输出单元。

触觉脉冲输出单元包括电脉冲整波电路以及保护电路；触觉驱动模块发来的模拟触觉信号首先进入电脉冲整波电路进行平滑、滤波和运算放大，使得该模拟触觉信号的波幅达到对人体的安全电压范围内，然后进行功率放大后传输到保护电路。

保护电路包括顺次连接的限流保护电路、限压保护电路以及逆变器。

限流电路利用限流电阻将模拟触觉信号的电流限制在对人体的安全电流范围之内。

限压保护电路对模拟触觉信号进行采样，并利用比较芯片进行如下比较：当模拟触觉信号的电压处于安全范围之内时，将该模拟触觉信号输出至逆变器中，当模拟触觉信号的电压处于安全范围之外时，保护电路向处理器发出信号，处理器切断系统电源。

逆变器将模拟触觉信号的电压提高，然后将模拟触觉信号输出至透明湿导电极板的电压控制端，驱动透明湿导电极板产生电流。

触觉脉冲输出单元中电路均采用双极性电路。

优选地，显示屏为LCD显示屏，透明湿导电极板以及红外定位边框均与LCD显示屏尺寸一致，透明湿导电极板直接放置于玻璃底板之上，红外定位边框则粘接在透明湿导电极板之上。

优选地，透明湿导电极板与LCD显示屏之间隔有玻璃底板。

优选地，处理器进行触觉信息提取时采用基于图像梯度的纹理特征提取算法SFS。

进一步地，触觉驱动模块中，将所提取的触觉信息转换为数字触觉信号时，根据触觉信息对振动感强度和密度调节的要求，对数字触觉信号进行波形、幅度、频率和占空比的调整。