一种基于微流控的空间触觉交互方法技术

本发明专利技术提出一种基于微流控的空间触觉交互方法，该方法通过控制微流通道中微流输出的流速和大小，向用户指尖传递空间方向线索反馈和虚拟按钮反馈。所述微流体装置包含微流通道和触觉显示区域。所述微流通道位于微流体装置的内部，其主要负责规定微流在通道中的流动路径。所述微流通道具有微流流入口和微流流出口；所述微流流入口位于微流装置的边缘位置，微流流出口位于微流装置的顶部。所述微流流出口的多孔分布构成触觉显示区域，微流可经过微流流入口流向微流流出口的触觉显示区域。所述触觉显示区域包含多种微流输出模式，触觉显示区域与微流通道相互连通，微流可从触觉显示区域流出与皮肤直接接触。域流出与皮肤直接接触。域流出与皮肤直接接触。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微流控的空间触觉交互方法


[0001]本专利技术属于微流控领域，具体涉及一种在微流体通道中利用微流控操纵气流进行空间触觉交互的方法。

技术介绍

[0002]随着虚拟现实技术不断突破，市场规模持续扩大，空间交互作为用户与虚拟环境联系的最频繁的活动之一，是虚拟现实中的一项重要任务。现有的大多数空间交互场景只提供视觉和听觉反馈，缺乏更高维度的触觉感知的配合。触觉，例如压力、切向力和振动，是由嵌入皮肤的专门的感觉终端器官，即触觉小体来感知的。每种类型的触觉小体负责感知并对特定类型的触觉刺激作出反应。触觉小体的密度随身体位置的不同而不同。其中，基于指尖皮肤的触觉感知具有重要的理论研究和应用价值，指尖的无毛皮肤中的两点感知阈值(即能分辨皮肤上两点刺激的最小距离)很小，触觉感受器也最为密集，因此在指尖上进行定位和感知也更容易。
[0003]触觉感知机理主要是基于触觉生物力学理论，采用有限元分析方法，研究在外部动态载荷作用下手指的变形以及皮肤内部软组织产生的应力应变等力学响应对与触觉有关的机械感神经元细胞的影响，分析外部机械刺激、手指力学响应、感知信号和触觉感知之间的内在联系。研究人员通过设计不同的触觉显示装置来模拟或增强用户的触觉感知，以增强虚拟空间的交互性和沉浸感。
[0004]除此之外，基于气流的触觉刺激方法和信息传输性能被证明是可靠的。各种触觉刺激，如振动、压力、皮肤拉伸、温度变化和电刺激等，需要刺激器和皮肤之间的牢固接触，这种接触式触觉制动器存在若干限制。执行器经过一段时间的驱动后，与皮肤紧密接触的触觉执行器阵列可能会给用户带来负担，使用户感觉变得不舒服或在持续接触下对触觉提示脱敏；用户皮肤还易受到制动器材质、纹理等其它因素的影响。无论是基于接触状态还是非接触状态，气流都可以传达给皮肤一定程度的触觉刺激，并且它存在较少的安全问题，且提供自然感觉。
[0005]透明树脂是一种光学透明、价格低廉、制作简单且快速的高分子化合材料，其优异性能使其成为制备触觉显示装置的理想材料，在触觉交互研究中被广泛利用。科学家和工程师利用3D打印技术、微纳加工技术等制造出透明的原型部件、显示内部空腔和细节、容纳LED或打印透明解剖模型和设备。微流体装置在微观尺度上(通常为几十到几百微米)利用液体或气体的物理和化学特性。允许分析和使用较少量流体，从而降低成本。由于其紧凑的尺寸，可以同时执行许多操作，从而缩短了实验时间。它们还提供出色的数据质量和大量的参数控制，可在保持性能的同时实现过程自动化。微流体装置中的微流通道往往是固定的，微流在微流通道中的流向也往往是不可变化的。但是可以通过在固定的微流通道中设置阀门来主动控制微流在微流通道中的流动。微流在微流通道流动时，阀门的开闭会决定微流是否通过该通道，从而实现多种微流输出模式。
[0006]通过微流控技术与气流的有效配合，可以向用户指尖皮肤施加多种触觉感知刺
激。因此，基于微流控设计开发一种微型，简单且可靠的空间触觉交互技术将会对虚拟空间中交互任务的性能的增加、交互真实性和丰富性的提高有着重要的意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提出一种基于微流控的空间触觉交互方法，该方法通过控制微流通道中微流输出的流速和大小，向用户指尖传递空间方向线索反馈和虚拟按钮反馈。
[0008]为达到上述目的，本专利技术设计了一种基于微流控的空间触觉交互装置，其包括：
[0009]微流体装置，包含触觉显示区域，所述触觉显示区域为微流提供多种输出方式；
[0010]微流体驱动装置，用于精准控制微流体在微型通道中流动的设备，以得到方向线索和虚拟按钮的触觉反馈。
[0011]进一步地，所述微流体装置的材料为透明树脂材料，形状为圆柱形，尺寸为20*20*5(mm)，总重量为30g。
[0012]进一步地，所述微流体装置包含微流通道和触觉显示区域。所述微流通道位于微流体装置的内部，其主要负责规定微流在通道中的流动路径。所述微流通道具有微流流入口和微流流出口；所述微流流入口位于微流装置的边缘位置，微流流出口位于微流装置的顶部。所述微流流出口的多孔分布构成触觉显示区域，微流可经过微流流入口流向微流流出口的触觉显示区域。所述触觉显示区域包含多种微流输出模式，触觉显示区域与微流通道相互连通，微流可从触觉显示区域流出与皮肤直接接触。
[0013]进一步地，所述微流流入口的结构为矩形，所有矩形尺寸大小一致。所述微流流出口的结构为圆形，圆形直径大小不一致：4个小直径孔位在x、y方向分布，孔间距(这里指圆心距)大于指尖两点阈值，即指垫能够分辨同时刺激皮肤的两个点，用于向指垫呈现点状方向刺激；9个大直径孔位在中心分布构成3*3触觉阵列，孔间距小于指尖两点阈值，即指垫会把同时刺激皮肤的两个点感觉成一个点，用于向指垫提供面状刺激。可选地，所述微流流入口和微流流出口的尺寸为微米级别或毫米级别。
[0014]进一步地，所述微流流入口和微流流出口的微流流动方向是相对的，微流的流动方向根据实际的流动方向可进行互换。
[0015]进一步地，所述微流流入口与所述微流体驱动装置相连接，微流经微流流入口以不同的大小、速度、频率流入，微流经微流流出口也以不同的大小、速度、频率流出。
[0016]进一步地，所述微流体装置的微流通道可通过正压或负压两种流动气体。当外部的微流体驱动装置进行驱动时，流体在装置中保持流动状态，触觉显示区域活跃，皮肤触觉感知明显；当外部的微流体驱动装置不进行驱动时，流体会从微流流出口排向大气中，触觉显示区域不活跃，皮肤触觉感知不明显。
[0017]进一步地，所述微流体驱动装置是一种能够精准控制微流体在微型通道中流动的设备，包含压力供给设备、微型管道、阀门。所述压力供给设备可以为空气压缩机或真空泵，主要负责向微流体装置提供正压流体或负压流体。所述微型管道的材料为橡胶材料，连接压力供给设备和微流体装置，负责向微流体装置传输正压或负压流体。所述阀门可以为电磁阀或微流阀，阀门设置在每一个微型管道之间。当压力供给设备提供压力时，阀门若为打开状态，流体才能通过微型管道流入微流体装置的微流流入口；阀门若为关闭状态，流体停止通过微型管道向微流体装置供给。
[0018]进一步地，所述微流体驱动装置供给的流体类别为任意不与树脂材料和橡胶材料发生反应的流动气体。
[0019]进一步地，所述微流体驱动装置与微流流入口连接，可以向微流流入口供给正压或负压流体；正压和负压都可以由微流体驱动装置独立控制。所述微流体驱动装置供给的最大正压为1000Pmbar，最大负压为
‑
900mbar。
[0020]进一步地，通过所述微流体驱动装置的控制，在触觉显示区域呈现出多种微流输出模式，从而可向皮肤多种触觉感知；所述多种微流输出模式包括：所有微流通道的微流进行全部供给状态；以及各类微流通道的微流进行单独供给的状态。所述多种触觉感知包括：微流全部处于供给状态时给虚拟按钮触觉感知；以及微流单独供给状态时的空间方向线索触觉感知。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微流控的空间触觉交互方法，其特征在于：设计了一种基于微流控的空间触觉交互装置，其包括：微流体驱动装置，用于控制微流体在微型通道中流动的设备，以得到方向线索和虚拟按钮的触觉反馈；所述微流体装置的材料为透明树脂材料；所述微流体装置包含微流通道和触觉显示区域；所述微流通道位于微流体装置的内部，其主要负责规定微流在通道中的流动路径；所述微流通道具有微流流入口和微流流出口；所述微流流入口位于微流装置的边缘位置，微流流出口位于微流装置的顶部；所述微流流出口的多孔分布构成触觉显示区域，微流可经过微流流入口流向微流流出口的触觉显示区域；所述触觉显示区域包含多种微流输出模式，触觉显示区域与微流通道相互连通，微流从触觉显示区域流出与皮肤直接接触。2.根据权利要求1所述的一种基于微流控的空间触觉交互方法，其特征在于：所述微流流入口的结构为矩形，所有矩形尺寸大小一致；所述微流流出口的结构为圆形，圆形直径大小不一致：4个小直径孔位在x、y方向分布，孔间距即圆心距大于指尖两点阈值，即指垫能够分辨同时刺激皮肤的两个点，用于向指垫呈现点状方向刺激；9个大直径孔位在中心分布构成3*3触觉阵列，孔间距小于指尖两点阈值，即指垫会把同时刺激皮肤的两个点感觉成一个点，用于向指垫提供面状刺激。3.根据权利要求1所述的一种基于微流控的空间触觉交互方法，其特征在于：所述微流流入口和微流流出口的微流流动方向是相对的，微流的流动方向根据实际的流动方向可进行互换。4.根据权利要求1所述的一种基于微流控的空间触觉交互方法，其特征在于：所述微流流入口与所述微流体驱动装置相连接，微流经微流流入口以不同的大小、速度、频率流入，微流经微流流出口也以不同的大小、速度、频率流出。5.根据权利要求1所述的一种基于微流控的空间触觉交互方法，其特征在于：所述微流体装置的微流通道可通过正压或负压两...

【专利技术属性】
技术研发人员：何坚，任晓菲，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：