本发明涉及虚拟现实交互技术，具体地，涉及一种基于柔性电极阵列及经皮神经电刺激的虚拟现实触觉反馈交互系统。
背景技术
随着科学技术的发展，虚拟现实(virtualreality)技术得到了广泛的应用，特别是在游戏、影视、教育、遥操作、医疗等方面vr技术有着广阔的前景。虚拟现实技术是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。虚拟现实技术通过计算机图形构造虚拟环境,借助相应的硬件手段的帮助,如数据手套、头盔显示器或立体眼镜等设备，提供视、听、触、嗅觉等感官刺激，可以使用户沉浸在虚拟环境中，产生亲临其境的临场感。电触觉反馈交互技术，是虚拟现实技术的触觉感知的一种途径。
目前，国内外的vr设备在实现力反馈交互方面，主要存在以下三方面的不足：首先，在视觉、听觉上融合处理的交互反馈技术发展得已经比较成熟，但是在视觉、力触觉，甚至视、听、力触觉融合处理的交互反馈技术亟待提高；然后，触觉反馈的形式大多是通过传感器震动体表或压力刺激的方式来实现，在人机交互时不容易对使用者产生有效的约束，极大地降低了虚拟场景的沉浸感；电触觉相对于其他的触觉反馈方式有着很大的优势，电刺激有着简单易行、轻巧方便、能量的转换效率高、易于集中而且分辨率高，因而极大地增强了虚拟场景的沉浸感；最后，传统的面向全身或上半身的力反馈交互设备模块较大，穿戴不便且成本较高，不适合于推广应用。
实际上，人体触觉的产生是由于在皮肤软组织中，低阈值的机械刺激感受器在外界刺激(如接触、压迫等)的诱发下发出动作电位，并且经过中枢神经的传输与编译，从而形成各种感知属性组成的感觉印象，包括粗糙度、柔软度以及粘附性等感觉。本发明基于前述人体的体感刺激生理学原理，提出新的触觉反馈交互系统。
技术实现要素：
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提出一种虚拟现实触觉反馈交互系统，该系统基于柔性电极阵列及经皮神经电刺激，利用虚拟现实和不同皮肤触觉感受器拥有不同的响应频率，对皮肤触觉感受器进行不同脉冲电刺激使其分别产生响应，从而产生与虚拟现实场景相对应的触觉反馈效果，增强了用户在虚拟现实场景中的体验效果，同时通过对电极阵列的结构和材质进行了相关改进，丰富了电刺激的方式，提高了电刺激的准确度，进而增加了虚拟场景的沉浸感。
本发明采用如下技术方案来实现：一种虚拟现实触觉反馈交互系统，包括：
头显模块：用于提供虚拟场景下的触觉交互环境；
存储模块：与头显模块连接，用于存储不同触觉交互环境与不同触觉反馈参数之间的对应关系；存储模块包括相应的驱动电路，用于产生表征当前虚拟场景参数的电信号；不同触觉交互环境与不同触觉反馈参数之间的对应关系为不同电信号与不同触觉反馈参数之间的对应关系；
设有多个电刺激通道的电刺激设备：与存储模块连接，用于根据接收到的不同电信号，控制各个电刺激通道输出电流脉冲的频率脉宽参数，并将电流脉冲输出至时分复用电路；
时分复用电路：与电刺激设备连接，用于接收电刺激设备输出的相应电流脉冲，并通过选择控制不同的输出通道，得到不同触觉感受器的最优刺激范式；将相应的电流脉冲进行时-空间上的脉宽频率组合，并输出至柔性电极阵列；
柔性电极阵列：与时分复用电路连接，用于输出相应的电刺激脉冲。
在一个优选实施例中，所述柔性电极阵列包括基底和布设于基底上的若干触点电极，每个触点电极与一路相应的电刺激通道连接；每个电刺激通道由电刺激设备控制通断，实现对不同的触点电极施加不同极性的电流；对电刺激通道进行选通设置，以激活不同的触点电极，在柔性电极阵列的基底形成不同形状的刺激电场，从而在柔性电极阵列上产生不同形状的刺激区域。
在一个优选实施例中，所述电刺激设备基于不同的电信号，控制各个电刺激通道输出相应的多通道电流脉冲，其中每个电刺激通道采用改变电流脉冲频率固定其脉宽或改变电流脉冲脉宽固定其频率的方式输出电流脉冲。而电流脉冲可以是双极正脉冲，也可以是双极负脉冲。
从以上技术方案可知，本发明提供的虚拟现实触觉反馈交互系统，为虚拟现实交互设备提供了一种实现触觉反馈的途径；与现有技术相比，本发明具有刺激模式多样化，刺激位置精准，触觉反馈更为逼真；此外，本发明触觉反馈交互系统基于柔性电极阵列及经皮神经电刺激，可应用到可穿戴设备中，具有轻便、舒适、成本较低、易于制备的优点。
附图说明
图1为本发明虚拟现实触觉反馈交互系统的方框图；
图2为本发明电极大小相等时柔性电极阵列的结构示意图；
图3为本发明电极大小不等时柔性电极阵列的结构示意图；
图4为本发明时分复用电路的原理框图；
图5为本发明虚拟现实触觉反馈交互实现的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的保护范围。
如图1，本发明虚拟现实触觉反馈交互系统包括依次连接的头显模块、存储模块、电刺激设备、时分复用电路以及柔性电极阵列；其中，头显模块用于提供虚拟场景下的触觉交互环境，使触觉交互事件被触发；存储模块与头显模块以有线的方式连接，用于将不同的触觉交互环境转换为相应的不同电信号参数；电刺激设备设有多个电刺激通道，根据接收到的不同电信号参数，控制各个电刺激通道输出电流脉冲的频率脉宽参数，并将电流脉冲输出至时分复用电路选择不同皮肤感受器的最优刺激范式；时分复用电路将相应的电流脉冲进行时-空间上的脉宽频率组合，经柔性电极阵列对手指指端等输出相应的电刺激脉冲，刺激皮肤中不同的触觉感受器使其产生神经冲动，使人体得到与虚拟场景中所对应的触觉，完成虚拟触觉反馈。
如图2、图3，柔性阵列电极包括一块基底和多个柔性干式触点电极。柔性电极阵列的基底由布料制成，布料表面附有若干个柔性干式触点电极，柔性干式触点电极采用柔性导电织物材料并均匀分布于整个基底。每个触点电极与一路相应的电刺激通道连接，每个电刺激通道都可由电刺激设备控制通断，通过对不同的触点电极施加不同极性的电流，从而达到理想的电触觉刺激效果。也就是说，每个触点电极通过导线经时分复用电路与电刺激器(即电刺激设备)连接，用以输出电刺激脉冲。此外，电极阵列表面覆盖一带电极穿孔的柔性绝缘材料，绝缘材料应具有一定的厚度(不小于0.5mm)，绝缘材料上设有电极穿孔，且电极穿孔应比触点电极根部的面积略微小一点，以隔离电极的电荷集中部位与皮肤接触。
柔性电极阵列可采用方形或圆形结构等间距排列方式，用于与手指等皮肤接触并输出相应的电刺激脉冲；电刺激时，随着刺激部位姿态的改变，在电刺激设备与时分复用器的配合下，柔性电极阵列能够适应刺激中心位置的变化，重新找到理想的刺激中心位置。在本实施例中，柔性电极适应刺激中心位置变化的实现过程具体为：通过控制按键对电刺激通道进行选通设置，以激活不同触点电极，在柔性电极阵列的基底形成不同形状的刺激电场，从而在柔性电极阵列上产生不同形状的刺激区域。如图3，控制电刺激设备选通其中一个电刺激通道，将刺激脉冲输入至第1触点电极、第2触点电极，产生不规则第一刺激区域01；选通另一电刺激通道，将刺激信号输入至第4触点电极、第5触点电极，产生不规则第二刺激区域02；从而在基底上形成了2块刺激区域，而第一刺激区域01、第二刺激区域02之间的部分没有刺激信号，不会刺激区域之外的部分触点电极，从而在柔性电极阵列上形成两个不同形状的虚拟刺激电极；同时，在上述适应过程中，我们也可以通过增加或减少一个或多个电刺激通道的刺激脉冲，从而改变激活的触点电极，使虚拟电极(即刺激区域)的位置和尺寸发生变化，实现刺激位置以及刺激范围的动态调整。这样即使在运动训练过程中随着刺激部位姿态的改变，也能找到最佳的电刺激位置，提高了电刺激的准确度。
在本实施例中，柔性电极阵列的若干触点电极，尺寸可以是大小相等的，也可以是大小不等的。如图2，触点电极大小相等时，适用于手指的触觉反馈交互，电极的尺寸范围为(1-3mm)*(8-12mm)，触点电极排列模式采用等间距排列方式，电极间距为0.2-1.2mm；此时，电极可以工作在三种模式下，分别为：
模式1：电刺激器输出一路正电流恒流脉冲(即一路电流脉冲)给柔性电极阵列，仅单个触点电极输出电刺激脉冲，对单个皮肤感受器进行刺激。
模式2：电刺激器输出多路正电流恒流脉冲(即多路电流脉冲)给柔性电极阵列，多个触点电极同时输出电刺激脉冲，对不同的皮肤感受器进行刺激。模式2是对压力感觉的最优刺激范式。
模式3：电刺激器输出正电流恒流脉冲经隔离器调节电流大小方向，改变柔性电极阵列的触点电极的电流权重(保持正负电流电极数量不定，正负电流电极上电流大小的总和相等的原则)，对不同的皮肤感受器进行刺激。模式3是对振动感觉的最优刺激范式。
如图3，触点电极大小不等时，适用于手臂的触觉反馈交互，大电极尺寸为(12-14mm)*(12-14mm)，小电极尺寸为(7-9mm)*(7-9mm)，触点电极排列模式采用大小触点电极交叉等间距排列方式，电极间距为2-6mm。刺激脉冲输入至第1触点电极、第2触点电极，产生不规则第一刺激区域01；刺激信号输入至第4触点电极、第5触点电极，产生不规则第二刺激区域02；在基底上形成了2块刺激区域，而第一刺激区域01、第二刺激区域02之间的部分没有刺激信号，不会刺激区域之外的部分触点电极，因此很好地提高了刺激的准确性。同理，第三刺激区域03(单纯第15触点电极)、第四刺激区域04(整个柔性电极阵列)也是通过相同的刺激方式来形成。
如图4，时分复用电路包括相连接的tdm复用器和tdm解复器；其中，tdm复用器中包括一个同步旋转开关，同步旋转开关按一定抽样频率旋转，依次对输入信号抽样。电刺激器分别输出上述模式1、模式2、模式3共三种模式的电流脉冲；时分复用电路分别对三种模式的电流脉冲传输的时间进行分割，使不同模式的电流脉冲在不同的时间段内传输，进而得到不同皮肤感受的最优振动、压力刺激范式。
如图5，当实验者在虚拟场景中触摸不同的物体后，经存储模块将不同的触觉反馈参数转换为不同的电信号参数，电刺激设备基于不同的电信号参数，输出相应的多通道电流脉冲，如双极正脉冲或双极负脉冲；其中，每个电刺激通道可以采用改变电流脉冲频率固定其脉宽或改变电流脉冲脉宽固定其频率的方式输出电流脉冲，再经过时分复用电路，选择振动、压力感觉的最佳范式，分别产生相应的振动和压力感觉。电刺激设备产生的电流脉冲经时分复用电路选择振动、压力感觉的最优范式，以便于得到最好的触觉反馈效果，进而通过时-空间上的组合振动和压感刺激实现虚拟场景中的滑觉、粗糙感等触觉再现。
下面以虚拟滑觉反馈为例，对本发明的工作过程进行详细说明。本发明的工作过程包括以下步骤：
1.将本发明虚拟现实触觉反馈交互系统的各个模块相连接，将一片柔性电极阵列与中指指端固定，将另一片柔性电极阵列贴于手背，分别作为电刺激脉冲输入的正极和负极。
2.通过头显模块产生虚拟场景下的触觉交互环境；存储模块接收到相应的触觉场景，经驱动电路处理转换为与之对应的电信号向电刺激器传输电刺激脉冲信号。
3.电刺激器接收到电刺激脉冲信号后，输出相应脉宽固定、脉冲频率以固定步长增长或者脉冲频率固定、脉宽以固定步长增长的电刺激脉冲至时分复用电路。
4.时分复用电路与柔性电极阵列相连接，并经柔性电极阵列中的触点电极向皮肤传输电刺激脉冲。电刺激设备输出三种模式的电流脉冲。经时分复用电路分别对三种模式的电流脉冲传输时间进行分割，使三种模式的电流脉冲在不同的时间段内进行传输，进而通过控制时间上同步旋转开关的中断，从而实现在一次电触觉刺激过程中对三种不同模式的电流脉冲刺激进行相应的控制选择，以得到不同触觉所需要的最优振动、压力感觉刺激范式。
例如滑觉，皮肤感受器受到最优电刺激得到响应后，我们可以通过保持在空间不变的情况下，在时间序列上安排不同的振动脉冲刺激，即通过控制时分复用电路的同步旋转开关按照一定的抽样频率进行电刺激脉冲模式的抽样选择，使皮肤一直处于振动感觉的最优刺激范式下；同时，在电极位置上依次进行循环刺激，从而让实验者能够产生与虚拟场景中相对应的滑觉以及不同方向的压力感。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。