沉浸式交互触觉再现手套的制作方法

1.本发明涉及自然人机交互技术领域，具体涉及沉浸式交互触觉再现手套。


背景技术：

2.触觉可以让人感受到物体的表面纹理、粗糙度、硬度、温度等信息，它包括力触觉、痛觉、温觉、痒觉、滑觉等。触觉人机交互是指通过触觉感知进行人与机器之间的信息交换，它的再现形式在不停改变，最初的桌面触觉是通过力反馈鼠标设备实现的，后来随着触摸屏幕的普及，表面触觉成为了主流，现在随着智能穿戴设备的兴起，可穿戴触觉也成为了一种新的交互方式。
3.在振动触觉再现的研究中，hwan等(jung yei hwan,et al.author correction:awireless haptic interface for programmable patterns of touch across large areas of the skin[j].nature electronics,2022,5(9))利用皮肤集成无线触觉接口技术，将小型振动触觉执行器阵列与可伸缩控制电子设备、无线电力传输方案和无线通信方法相结合，从单独的传感器获得的视觉、声音、压力和其他形式的信息真实地转换为大面积皮肤上交互的触觉形式，实现了通过皮肤感知触觉的功能。在研究交互的过程中，触觉反馈手套是比较常见的载体，zhu等(minglu zhu,zhongda sun,zixuan zhang,qiongfeng shi,tianyiyi he,huicong liu,tao chen,chengkuo lee.haptic-feedback smart glove as a creative human-machine interface(hmi)for virtual/augmented reality applications[j].science advances,2020,6(19))提出了基于摩擦电的手指弯曲传感器、手掌滑动传感器和压电机械激励器的触觉反馈智能手套，用电信号检测动作并产生相应的触觉刺激；siyeon等(baik siyeon,park shinsuk,park jaeyoung.haptic glove using tendon-driven soft robotic mechanism[j].frontiers in bioengineering and biotechnology,2020,8)提出了一个基于肌腱驱动柔性机器人机构的力触觉手套，使用肌腱驱动系统控制，提供所需的触觉刺激。
[0004]
在温度触觉再现方面的研究中，ho等(ho h n and jones l a.contribution of thermal cues to material discrimination and localization[j].perception&psychophysics,2006,68(1):118-128)验证温度信息的再现在识别材料类别中的重要作用，chen等(chen c y,gu x l,li z r and qiu s.thermal tactile display and its application for material identification[j].icic express letters,2012,6(1):177-184)提出温度是识别材料具体类别的重要依据，peiris等(peiris r l,wei p,chen z,et al.thermovr:exploring integrated thermal haptic feedback with head mounted displays[c]//chi conference on human factors in computing systems.acm,2017.5452-5456)把温度执行元件放在头显温度装置hmd中，该设备通过向不同的元件上电，提供给使用者不同的温度反馈。wilson等(wilson g,brewster s,halvey m,et al.thermal feedback identification in a mobile environment[c]//haid.springer-verlag new york,inc.2013,7989:10-19)在感知温度的基础上增加其他
触觉通道，提升了触觉感知的准确性。xuan等(x.c.xuan.on the optimal design of multistage thermoelectric coolers[j].semiconductor science and technology,2002,17(6):625-629)通过开发多层帕尔贴系统的控制系统，实现大范围温度调节。guiatni等(guiatni m,kheddar a.theoretical and experimental study of a heat transfer model for thermal feedback in virtual environments[c]//ieee/rsj international conference on intelligent robots&systems.ieee,2008:2996-3001)用半导体制冷片数学模型设计了温度触觉再现的装置。
[0005]
但是，现阶段的触觉再现研究大多为单向的信息传递，缺少一定的交互性，同时再现的触觉信息应用方向有限。


技术实现要素：

[0006]
本发明提供了一种沉浸式交互触觉再现手套，集成了人手动作采集技术、振动触感再现技术和冷热触感再现技术，能让虚拟手或机械手进行类人行为的手部操作，将虚拟手或机械手的触感高保真地反馈给用户，可为数字人或机器人的类人智能自然交互提供设备支撑。
[0007]
具体采用的技术方案如下：
[0008]
一种沉浸式交互触觉再现手套，包括主控制器模块、蓝牙通讯模块、驱动电路模块、振动器件模块、温控器件模块、运动传感器模块、弯曲器件模块和测温器件模块；
[0009]
蓝牙通讯模块将虚拟手或机械手应用环境的触觉环境传输给主控制器模块进行解算和控制，主控制器模块发送控制指令至驱动电路模块控制振动器件模块和温控器件模块形成振动刺激和温度刺激；主控制器模块分别与运动传感器模块、弯曲器件模块、测温器件模块连接；运动传感器模块和弯曲器件模块用以获取用户手部的运动姿态信息，映射给虚拟手或机械手应用环境；测温器件模块将温度控制结果反馈给主控制器模块。
[0010]
优选的，所述的沉浸式交互触觉再现手套还包括屏幕显示模块，屏幕显示模块与主控制器模块连接，通过串行数据sda引脚以iic协议通讯，用以显示振动器件模块、温控器件模块生成的振动和温度刺激等级。
[0011]
所述的振动器件模块设置于手套内贴指尖位置处，包括膜压式扁平振动器，膜压式扁平振动器内部设有与偏心配重平行安装的薄膜压力传感器，用于实时测量振动器与用户皮肤之间的紧贴程度，并返回给主控制器模块进行解算。薄膜压力传感器与偏心配重平行设置能够保证偏心配重的水平方向上的激荡力不会影响到薄膜压力传感器检测振动器与用户皮肤之间的竖直方向上的接触力。
[0012]
优选的，所述的温控器件模块设置于手套的手背位置，内侧设置有测温器件模块，测温器件模块内贴于手背位置处；所述的温控器件模块包括由软排线连接的圆形阵列式帕尔贴组件，软排线从位于中心的帕尔贴开始，逐级向外连接所有帕尔贴，并逐级增加连接阻抗；所述的测温器件模块实时测量温控器件模块和用户皮肤之间的温度值，并通过adc通道传给主控制器模块。
[0013]
本发明根据人手背曲面结构特性排布温控器件模块的位置，使之更贴合人手背部皮肤表面，且特定的布控能够使温控器件模块的中心部位快速升温和降温，温度变化从中心逐级向外扩散，形成中心部位与边缘部位的温差，使得皮肤对温度感知产生鲜明对比，提
高用户皮肤感受端温度的快速感知能力。
[0014]
所述的运动传感器模块包括imu芯片电路，通过iic协调通讯将包括加速度信号和陀螺仪信号传输给主控制器模块；
[0015]
所述的弯曲器件模块包含应变片器件，应变片器件设置于手套的指关节位置，能够通过将弯曲后的电压高低值传输给主控制器模块，解算为用户手指的弯曲角度信息。
[0016]
所述的主控制器模块经振动智能调制算法的计算且将0-100％占空比映射为0-255数字后，得到不同占空比的控制信号，经主控制器模块输出给驱动电路模块，驱动电路模块输出对应的电压值实现振动器件模块振动强度的无极调控。
[0017]
进一步的，振动智能调制算法在主控制器模块中实现，主控制器模块接收到虚拟手或机械手应用环境发送的目标振动强度数据f
mb
和振动器件模块返回的振动器与用户皮肤之间的紧贴程度f
sj
(也即振动器在垂直方向上施加给皮肤表面的力)，引入振动衰减系数ζ，用于补偿由于振动器和用户皮肤表面的紧贴程度对实际感受到振动强度的振感偏差e，进一步在主控制器模块内部进行振感偏差e的补偿结算，实时调整控制输出电压，实现手指端的振动力与目标感受振动强度相匹配；
[0018]
具体的，振感偏差e表示为e＝f
mb
·
ζ；偏差变化率ec表示为ec＝de/dt；
[0019]
振动衰减系数ζ采用以下公式计算得到：
[0020][0021]
a为振动强度回归倍数，f
sj
为振动器与用户皮肤之间的紧贴程度，c为振动器的粘性系数，h为振动器的惯性常量，ω为当前偏振电机的振动周期，t为振动反馈的持续时间，m为偏振电机中偏心配重的质量。
[0022]
所述的主控制器模块经温感智能调制算法的计算且将0-100％占空比映射为0-255数字后，得到不同占空比的控制信号，经过经主控制器模块输出给驱动电路模块，驱动电路模块输出对应的电压值，同时主控制器模块控制输出电流方向，形成制热/制冷的控制信号，用于驱动温控器件模块生成不同的温度刺激。
[0023]
进一步的，温感智能调制算法在主控制器模块中实现，主控制器模块接收到测温器件模块发送的检测温度tz，基于温控器件模块中温控器件的制热制冷速率比α、设定的温度控制的初始系数水平、以及检测温度tz与目标温度tm之间的温差δt＝t
z-tm，计算并输出温度控制指令pi，使温控器件模块的温控器件快速收敛至目标温度tm；
[0024]
具体的，温控器件的制热制冷速率比α＝tu/td，tu为温控器件从35℃开始升高3℃的时间，td为温控器件从35℃开始降低3℃的时间，加热时设定的温度控制的初始系数水平为k
p
，降温时设定的温度控制的初始系数水平为α
·kp
；加热时温度控制指令pi采用以下公式计算得到：
[0025][0026]
降温时pi采用以下公式计算得到：
[0027]
[0028]
ti为主控制器模块两次读取测温器件模块的检测温度tz的间隔时间。
[0029]
温感智能调制算法设定有安全温度阈值-10℃～42℃，当检测温度高于或低于安全温度阈值时，温感智能调制算法的输出结果为pi＝0，以保障用户使用安全。
[0030]
所述的蓝牙通讯模块，采用主从通讯模式，可以无线发送手部的姿态信息，延时小于5ms，无线接收接触觉力和温度的再现信息，延时小于1ms，传输过程首先由虚拟手或机械手应用环境将需要触觉再现的输出数据进行格式编码，再将编码后的数据转换为十六进制传输至蓝牙通讯模块进行发送，编码数据协议的格式定义为起始位+温控器件输出指令+温控器件制热或制冷指令+振动强度指令+校验位+结束位，沉浸式交互触觉再现手套的主控制器模块接收程序中首先初始化串口后检测串口是否存在数据，当存在数据时对有效数据定位起始标志，将数据类型转换，识别控制位，赋值变量并控制驱动振动器件模块以及温控器件模块。
[0031]
虚拟手或机械手应用环境运行后会寻找并打开主控制器模块的串口，建立与沉浸式交互触觉再现手套的连接，新建一个线程用来接收沉浸式交互触觉再现手套所需的数据，当虚拟手或机械手应用环境检测到力触觉或温度触觉的触发指令时，会对沉浸式交互触觉再现手套发送控制指令，控制手套进行触觉再现，沉浸式交互触觉再现手套同时采集用户手部的手指弯曲度和姿态信息并转换成数字信号，发送到虚拟手或机械手应用环境，进行空间物理映射。如果沉浸式交互触觉再现手套接收到来自虚拟手或机械手应用环境的指令会触发串口中断，进入中断后会对数据解析，校验指令信息，则沉浸式交互触觉再现手套会以相应的动作响应。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0033]
(1)本发明的沉浸式交互触觉再现手套软硬件技术集成度高、可靠性高、鲁棒性好、稳定性高、功耗低、续航时间长、体积小、重量轻、使用方便，触觉再现精准且实时，在兼顾良好用户体验的同时，可为类人智能的人机交互提供可泛化的软硬件支撑。
[0034]
(2)本发明的沉浸式交互触觉再现手套采用特定的振动智能调制算法和温感智能调制算法，确保施加给用户精准的刺激强度，保障触觉信息能明确表达触感含义。
[0035]
(3)该沉浸式交互触觉再现手套能够广泛应用于vr/ar、智能机器人、游戏、教育等领域，满足触觉信息交互的实时性、稳定性和易用性。
附图说明
[0036]
图1为本发明的沉浸式交互触觉再现手套的结构框图。
[0037]
图2为本发明的沉浸式交互触觉再现手套的通讯控制流程图。
[0038]
图3为本发明的膜压式扁平振动器结构图。
[0039]
图4为本发明的沉浸式交互触觉再现手套布局示意图。
[0040]
附图说明：1沉浸式交互触觉再现手套、2虚拟手或机械手应用环境、3主控制器模块、4蓝牙通讯模块、5驱动电路模块、6振动器件模块、7温控器件模块、8运动传感器模块、9弯曲器件模块、10测温器件模块、11屏幕显示模块；201保护罩、202线圈换向器、203偏心配重、204永磁体、205薄膜压力传感器、206接触电路底座、207中轴、208薄膜压力传感器输出线、209振动器接触电路输出线。
具体实施方式
[0041]
下面结合实施例与附图，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
[0042]
本发明提供的沉浸式交互触觉再现手套，能够简单快速地穿戴在用户手上，与虚拟手或机械手应用环境相结合，且能够生成不同强度的振动刺激和冷热刺激，让用户感受到不同等级的振动触感和冷热触感，实现智能交互，如图1所示，沉浸式交互触觉再现手套1包括主控制器模块3、蓝牙通讯模块4、驱动电路模块5、振动器件模块6、温控器件模块7、运动传感器模块8、弯曲器件模块9、测温器件模块10、屏幕显示模块11。蓝牙通讯模块4通过无线传输将虚拟手或机械手应用环境2的触觉环境传输给沉浸式交互触觉再现手套1的主控制器模块3进行解算和控制，主控制器模块3发送控制指令至驱动电路模块5控制振动器件模块6和温控器件模块7形成振动刺激和温度刺激。主控制器模块3还连接运动传感器模块8和弯曲器件模块9，获取穿戴沉浸式交互触觉再现手套1用户的手部运动姿态信息，映射给虚拟手或机械手应用环境2。测温器件模块10将温度控制结果以实时测量温度反馈给主控制器模块3形成闭环控制。屏幕显示模块11与主控制器模块3连接，用以显示振动器件模块6与温控器件模块7生成的振动和温度刺激等级。
[0043]
如图2所示，沉浸式交互触觉再现手套1使用com口程序和蓝牙通讯模块4，与虚拟手或机械手应用环境2进行通讯，接受和发送数据。com口程序主要包括：串口初始化，确定正确串口号与蓝牙通讯模块4上的保持一致，选择输出方式为二进制，设置输入缓冲区为1024个字节，输出缓冲区为512个字节，波特率为115200，包含8个数据位，1位停止位，无奇偶校验位，完成设置后清除往次程序运行时该串口所接收的残余数据并打开蓝牙串口，蓝牙串口触发程序由主控制器编译好数据格式后，通过蓝牙串口向虚拟手或机械手应用环境2发送数据，并被存入缓冲区，一旦缓冲区发生变化，虚拟手或机械手应用环境2中的程序会自动调用蓝牙串口触发函数，接收主控制器模块3的数据流，进行识别与解算工作；通过串口所得到的数据为variant型，通过格式变换将主控制器模块3所读取信息转换为string型字符串。主控制器模块3由锂电池提供3.3v驱动电压；主控制器模块3通过输出占空比可变的pwm波至驱动电路模块5中的mx1508型号驱动芯片，控制振动器件模块6的振动强度，以及温控器件模块7中温控器件的温度。温度由测温器件模块10中的热敏电阻通过adc采样回传主控制器模块3，并由通过iic连接的屏幕显示模块11实时显示。虚拟手或机械手应用环境2运行后会寻找并打开手套系统的串口，建立与手套系统的连接，新建一个线程用来接收手套系统的数据。虚拟手或机械手应用环境2接收到手套系统发来的数据，并对接收到的数据进行解算，经过运算得到场景模型的关键点的数值，更新到场景模型上。当手套系统满足了一定的力触觉或温触觉触发条件时，会对手套系统发送控制指令，控制系统执行器工作。手套系统经过初始化后，可以被虚拟手或机械手应用环境2连接。手套系统通过adc不断将传感器的采集到的模拟模拟信号转换成数字信号，按照一定的协议格式发送到虚拟手或机械手应用环境2，手套系统接收到来自虚拟手或机械手应用环境2的指令会触发串口中断，进入中断后会对数据解析。
[0044]
如图3所示，振动器件模块6采用自主设计的膜压式扁平振动器，包括保护罩201和保护罩201内部基于中轴207自上而下依次设置的线圈换向器202、偏心配重203、永磁体
204、薄膜压力传感器205、接触电路底座206，薄膜压力传感器205连接有薄膜压力传感器输出线208，接触电路底座206连接有振动器接触电路输出线209。在膜压式扁平振动器的永磁体和接触电路底座之间加入薄膜压力传感器205，其安装位置平行于偏心配重203，并固定于膜压式扁平振动器内部，保证了偏心配重203的水平方向上的激荡力不会影响到薄膜压力传感器205检测振动器与用户皮肤之间的竖直方向上的接触力。振动器紧贴皮肤，薄膜压力传感器205检测振动器与皮肤垂直方向的紧贴程度，把检测数据传送给主控制器模块3进行解算。膜压式扁平振动器的截面直径小于10mm，厚度小于2.7mm，振子响应时间小于等于1ms，振子加速度大于1.8m/s^2，激振力大于0.9mn。
[0045]
主控制器模块3经振动智能调制算法的计算且将0-100％占空比映射为0-255数字后，得到不同占空比的控制信号，经主控制器模块3的pwm波输出信号引脚输出在驱动电路模块5的mx1508型号驱动芯片的mosfet栅极，使得mx1508型号驱动芯片的out引脚的输出对应的电压值，用于驱动振动器件模块6，可以无极调控振动器的振动强度。
[0046]
振动智能调制算法在主控制器模块中实现，主控制器模块接收到虚拟手或机械手应用环境发送的目标振动强度数据f
mb
和振动器件模块返回的振动器与用户皮肤之间的紧贴程度f
sj
(也即振动器在垂直方向上施加给皮肤表面的力)，引入振动衰减系数ζ，用于补偿由于振动器和用户皮肤表面的紧贴程度对实际感受到振动强度的振感偏差e，进一步在主控制器模块内部进行振感偏差e的补偿结算，实时调整控制输出电压，实现手指端的振动力与目标感受振动强度相匹配；
[0047]
具体的，振感偏差e表示为e＝f
mb
·
ζ；偏差变化率ec表示为ec＝de/dt；
[0048]
振动衰减系数ζ采用以下公式计算得到：
[0049][0050]
a为振动强度回归倍数，f
sj
为振动器与用户皮肤之间的紧贴程度，c为振动器的粘性系数，h为振动器的惯性常量，ω为当前偏振电机的振动周期，t为振动反馈的持续时间，m为偏振电机中偏心配重的质量。
[0051]
温控器件模块7设置于手套的手背位置，内侧设置有测温器件模块10，测温器件模块10内贴于手背位置处；温控器件模块7为由软排线连接的圆形阵列式帕尔贴组件，安装于手套手背位置，软排线从位于中心的帕尔贴开始，逐级向外连接所有帕尔贴，并逐级增加连接阻抗，让温控器件模块7的中心部位能够快速升温和降温，温度变化从中心逐级向外扩散，形成中心部位与边缘部位的温差。
[0052]
温控器件模块7中的温控器件p6的两个引脚与主控制器模块3的两个引脚分别相连。温度控制电路包括mx1508型号驱动芯片u2，电容c1。u2的vcc1，vdd1，vcc2，vdd2引脚接到主控制器模块3的vcc引脚，u2的pgnd1，agnd1，pgnd2，agnd2引脚与接到主控制器模块3的gnd引脚相连。u2的ina1引脚与主控制器模块3的pl3引脚相连，u2的inb1引脚与主控制器模块3的pl4引脚相连，u2的ina2引脚与主控制器模块3的ph5引脚相连。
[0053]
主控制器模块3经温感智能调制算法的计算且将0-100％占空比映射为0-255数字后，得到不同占空比的控制信号，经过经主控制器模块输出给驱动电路模块的mx1508型号驱动芯片，驱动电路模块输出对应的电压值，同时主控制器模块控制输出电流方向，形成制热/制冷的控制信号，用于驱动温控器件模块生成不同的温度刺激，快速收敛至目标温度
tm，并维持在该水平。
[0054]
温感智能调制算法在主控制器模块中实现，主控制器模块接收到测温器件模块发送的检测温度tz，基于温控器件模块中温控器件的制热制冷速率比α、设定的温度控制的初始系数水平、以及检测温度tz与目标温度tm之间的温差δt＝t
z-tm，计算并输出温度控制指令pi，使温控器件模块的温控器件快速收敛至目标温度tm；
[0055]
具体的，温控器件的制热制冷速率比α＝tu/td，tu为温控器件从35℃开始升高3℃的时间，td为温控器件从35℃开始降低3℃的时间，加热时设定的温度控制的初始系数水平为k
p
，降温时设定的温度控制的初始系数水平为α
·kp
；加热时温度控制指令pi采用以下公式计算得到：
[0056][0057]
降温时pi采用以下公式计算得到：
[0058][0059]
ti为主控制器模块两次读取测温器件模块的检测温度tz的间隔时间。
[0060]
蓝牙通讯模块4的vcc引脚与主控制器模块3的vcc引脚相连，gnd引脚与主控制器模块3的gnd引脚相连，蓝牙通讯模块4的rxd引脚与主控制器模块3的ph1引脚相连，蓝牙通讯模块4的txd引脚与主控制器模块3的ph0引脚相连。蓝牙通讯模块4采用主从通讯模式，可以无线发送手部的姿态信息，延时小于5ms；无线接收接触觉力和温度的再现信息，延时小于1ms；传输过程首先由虚拟手或机械手应用环境2将需要触觉再现的输出数据进行格式编码，再将编码后的数据转换为十六进制传输至蓝牙通讯模块4进行发送，减少数据量，提高无线传输的效率和正确率；编码数据协议的格式定义为：起始位+温控器件输出指令+温控器件制热或制冷指令+振动强度指令+校验位+结束位。沉浸式交互触觉再现手套1的主控制器模块3接收程序中首先初始化串口后检测串口是否存在数据，当存在数据时对有效数据定位起始标志，将数据类型转换，识别控制位，赋值变量并控制驱动振动器件模块6以及温控器件模块7。
[0061]
屏幕显示模块11由iic总线完成通讯，iic总线通过两根sck时钟串行线和sda数据串行线与主控制器模块3连接，当sck为高电位时，sda从低电位转变为低电位，满足信号传递的条件，两端可以传输数据，先传送数据的读写标志位r/w以及设备的地址。当总线上有且存在与请求对应的设备时，主控制器模块3会给oled显示屏会发送一个ack应答信号，并传输1个8位数据，sck为高电位时，sda数据位保持稳定，当sck转为低电位时，sda数据位发生改变，oled显示屏的应答信号等待主控制器模块3发送完命令字节。当第9个时钟信号过后，如果被主控制器模块3接收到ack应答信号，sda会置为低电位，并传递下一个数据，当主控制器模块3接收非应答信号，sck为高电位时，结束数据传输。
[0062]
如图4所示，振动器件模块6的膜压式扁平振动器分别设置于手套内贴指尖位置处，弯曲器件模块9的应变片器件设置于手套的指关节位置，温控器件模块7设置于手套的手背位置，内侧设置有测温器件模块10，测温器件模块10内贴于手背位置处；以上所有器件通过导线连接到手腕处的控制电路中心，控制电路中心包括了电池和主控制器模块3、蓝牙
通讯模块4、驱动电路模块5、振动器件模块6、温控器件模块7、运动传感器模块8、弯曲器件模块9、测温器件模块10、屏幕显示模块11中所需的电路和器件。
[0063]
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，所述的沉浸式交互触觉再现手套(1)包括主控制器模块(3)、蓝牙通讯模块(4)、驱动电路模块(5)、振动器件模块(6)、温控器件模块(7)、运动传感器模块(8)、弯曲器件模块(9)和测温器件模块(10)；蓝牙通讯模块(4)将虚拟手或机械手应用环境(2)的触觉环境传输给主控制器模块(3)进行解算和控制，主控制器模块(3)发送控制指令至驱动电路模块(5)控制振动器件模块(6)和温控器件模块(7)形成振动刺激和温度刺激；主控制器模块(3)分别与运动传感器模块(8)、弯曲器件模块(9)、测温器件模块(10)连接；运动传感器模块(8)和弯曲器件模块(9)用以获取用户手部的运动姿态信息，映射给虚拟手或机械手应用环境(2)；测温器件模块(10)将温度控制结果反馈给主控制器模块(3)。2.根据权利要求1所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，所述的沉浸式交互触觉再现手套(1)还包括屏幕显示模块(11)，屏幕显示模块(11)与主控制器模块(3)连接，用以显示振动器件模块(6)、温控器件模块(7)生成的振动和温度刺激等级。3.根据权利要求1所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，所述的振动器件模块(6)设置于手套内贴指尖位置处，包括膜压式扁平振动器，膜压式扁平振动器内部设有与偏心配重(203)平行安装的薄膜压力传感器(205)，用于实时测量振动器与用户皮肤之间的紧贴程度，并返回给主控制器模块(3)进行解算。4.根据权利要求1所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，所述的温控器件模块(7)设置于手套的手背位置，内侧设置有测温器件模块(10)，测温器件模块(10)内贴于手背位置处；所述的温控器件模块(7)包括由软排线连接的圆形阵列式帕尔贴组件，软排线从位于中心的帕尔贴开始，逐级向外连接所有帕尔贴，并逐级增加连接阻抗；所述的测温器件模块(10)实时测量温控器件模块(7)和用户皮肤之间的温度值，并通过adc通道传给主控制器模块(3)。5.根据权利要求1所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，所述的运动传感器模块(8)包括imu芯片电路，通过iic协调通讯将包括加速度信号和陀螺仪信号传输给主控制器模块(3)；所述的弯曲器件模块(9)包含应变片器件，应变片器件设置于手套的指关节位置，能够通过将弯曲后的电压高低值传输给主控制器模块(3)，解算为用户手指的弯曲角度信息。6.根据权利要求1所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，所述的主控制器模块(3)经振动智能调制算法的计算且将占空比映射为对应数字后，得到不同占空比的控制信号，经主控制器模块(3)输出给驱动电路模块(5)，驱动电路模块(5)输出对应的电压值实现振动器件模块(6)振动强度的无极调控。7.根据权利要求6所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，振动智能调制算法在主控制器模块(3)中实现，主控制器模块(3)接收到虚拟手或机械手应用环境(2)发送的目标振动强度数据和振动器件模块(6)返回的振动器与用户皮肤之间的紧贴程度，引入振动衰减系数，用于补偿由于振动器和用户皮肤表面的紧贴程度对实际感受到振动强度的振感偏差，进一步在主控制器模块(3)内部进行振感偏差的补偿结算，实时调整控制输出电压，实现手指端的振动力与目标感受振动强度相匹配。
8.根据权利要求1所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，所述的主控制器模块(3)经温感智能调制算法的计算且将占空比映射为对应数字后，得到不同占空比的控制信号，经过经主控制器模块(3)输出给驱动电路模块(5)，驱动电路模块(5)输出对应的电压值，同时主控制器模块(3)控制输出电流方向，形成制热/制冷的控制信号，用于驱动温控器件模块(7)生成不同的温度刺激。9.根据权利要求8所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，温感智能调制算法在主控制器模块(3)中实现，主控制器模块(3)接收到测温器件模块(10)发送的检测温度，基于温控器件模块(7)中温控器件的制热或制冷速率、设定的温度控制的初始系数水平、以及检测温度与目标温度之间的温差，计算并输出温度控制指令pi，使温控器件模块(7)的温控器件快速收敛至目标温度；温感智能调制算法设定有安全温度阈值，当检测温度高于或低于安全温度阈值时，温感智能调制算法的输出结果为pi＝0，以保障用户使用安全。10.根据权利要求1所述的沉浸式交互触觉再现手套，其特征在于，所述的蓝牙通讯模块(4)，采用主从通讯模式，无线发送手部的姿态信息，延时小于5ms，无线接收接触觉力和温度的再现信息，延时小于1ms，传输过程首先由虚拟手或机械手应用环境(2)将需要触觉再现的输出数据进行格式编码，再将编码后的数据转换为十六进制传输至蓝牙通讯模块(4)进行发送，沉浸式交互触觉再现手套(1)的主控制器模块(3)接收程序中首先初始化串口后检测串口是否存在数据，当存在数据时对有效数据定位起始标志，将数据类型转换，识别控制位，赋值变量并控制驱动振动器件模块(6)以及温控器件模块(7)。

技术总结
本发明公开了一种沉浸式交互触觉再现手套，涉及自然人机交互技术领域，该触觉再现手套包括主控制器模块、蓝牙通讯模块、驱动电路模块、振动器件模块、温控器件模块、运动传感器模块、弯曲器件模块和测温器件模块；集成了人手动作采集技术、振动触感再现技术和冷热触感再现技术，能让虚拟手或机械手进行类人行为的手部操作，将虚拟手或机械手的触感高保真地反馈给用户，可为数字人或机器人的类人智能自然交互提供设备支撑，可应用于增强现实、虚拟现实、机器人、游戏娱乐、特殊教育、远程手术等领域。域。域。


技术研发人员：刘畅 梁宏博 姚新伟 陈铭 杨文珍 鲍虎军
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/12