触觉模拟装置、触觉模拟方法和虚拟现实系统

本发明实施例涉及虚拟现实，尤其涉及一种触觉模拟装置、触觉模拟方法和虚拟现实系统。

背景技术：

1、随着虚拟现实(virtual reality，vr)技术的发展，虚拟现实应用程序越来越广泛地应用于娱乐、教育、医疗等领域。然而，虚拟现实技术目前主要集中在视觉和听觉方面的模拟，对于触觉方面的模拟则相对较少。这种不平衡的模拟方式可能会导致虚拟现实场景的真实感受度下降，从而影响用户体验。虚拟现实应用程序的互动性和沉浸感仍存在一些挑战。特别是在涉及到触觉感知的互动方面，传统的虚拟现实应用程序往往无法提供足够真实的感受，这对于一些特殊领域的应用来说尤为重要。尽管在虚拟环境和触觉设备方面取得了进步，但通过软件提供逼真的空间化触觉反馈仍然极其困难且计算复杂。通过触觉反馈模拟虚拟力的传统方法通常需要开发人员为特定的触觉设备硬编码特定的触觉事件。

2、在现实生活中，人类倾向于使用他们的手与物体交互。他们倾向于伸手去拿这些物体，触摸、抓住、操纵和释放它们并且感受物体本身的材质、温度。然而，在当前的虚拟现实技术中，通常难以与虚拟对象进行这种细粒度的交互。通常用于交互的市售vr控制器缺乏呈现逼真的触觉反馈和支持这种自然使用的能力。在vr的真实交互的背景下对触觉控制器的研究最近变得流行并且产生了与手套的触觉渲染能力竞争的各种原型。为了在与虚拟对象交互时提供更自然的触觉体验，设计了单独的触觉界面以响应触摸、按压和捏合来呈现触觉反馈。所有这些反馈都包含复杂的机制来产生合理的多模态触觉。

3、研究人员已经引入了多种产生强烈触觉反馈的方法。一种解决方案是使用带有控制系统的桌面式触觉终端，这会导致笨重、昂贵、不稳健且耗电的设计。另一种方法是将控制系统和反馈系统附加在头戴式显示器，这将会增加头戴式显示器的重量，导致笨重影响用户的使用体验。还有一种方案是设计大空间的实验室环境，通过一系列复杂的设备创建多模态的环境触觉反馈。这种方案导致了高成本、高功耗和难以脱离实验室环境使用，并且忽视了基于手的触觉感受。此外，最重要的一点是这些触觉设备通常作为vr控制器的代替产品，尽管提供了触觉反馈但是缺少了对于vr体验来说很重要的交互属性，上述问题亟待解决。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种触觉模拟装置、触觉模拟方法和虚拟现实系统，以通过触觉模拟装置为用户提供与虚拟现实场景相匹配的触觉感受，提升触觉模拟装置的便携性，使得用户在感受多模态触觉反馈的同时，能够便捷地与虚拟物体进行交互，从而提升用户在虚拟现实场景下的沉浸感，并拓宽触觉反馈装置的适用范围。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种触觉模拟装置，包括：

3、触觉反馈装置，由用户手持，包括触觉模拟模块和触觉操控模块，所述触觉模拟模块用于生成与虚拟现实场景相匹配的风力触觉信息、温度触觉信息和湿度触觉信息中的至少一者，所述触觉操控模块用于控制所述虚拟现实场景中的虚拟物体的方位和大小；

4、触觉控制装置，佩戴于用户的手臂，与所述触觉反馈装置电连接，用于根据所述虚拟现实场景控制所述触觉反馈装置工作。

5、可选地，所述触觉模拟模块包括：

6、风力发生单元，用于产生风力以模拟所述虚拟现实场景的风力触觉信息；

7、温度调节单元，用于对空气进行制冷或加热，以模拟所述虚拟现实场景的温度触觉信息；

8、湿度调节单元，用于调节空气的湿度，以模拟所述虚拟现实场景的湿度触觉信息；

9、所述触觉控制装置还用于根据所述虚拟现实场景控制所述风力发生单元、所述温度调节单元和所述湿度调节单元中的至少一者工作，以生成与所述虚拟现实场景相匹配的触觉信息。

10、可选地，所述触觉操控模块包括：

11、旋转控制单元，与所述触觉控制装置电连接，用于获取用户的旋转控制指令，并所述旋转控制指令发送至所述触觉控制装置；

12、缩放控制单元，与所述触觉控制装置电连接，用于获取用户的缩放控制指令，并所述缩放控制指令发送至所述触觉控制装置；

13、所述触觉控制装置还用于根据所述旋转控制指令控制所述虚拟物体进行旋转，以及，根据所述缩放控制指令控制所述虚拟物体进行放大或缩小。

14、可选地，所述触觉控制装置包括：

15、供电单元，用于为所述触觉控制装置和所述触觉反馈装置供电；

16、开关单元，所述风力发生单元与所述供电单元之间、所述温度调节单元与所述供电单元之间以及所述湿度调节单元与所述供电单元之间分别连接有一所述开关单元；

17、微控制单元，与所述供电单元和各个所述开关单元电连接，用于根据所述虚拟现实场景控制各个所述开关单元导通或断开。

18、可选地，所述风力发生单元包括风扇，所述温度调节单元包括珀尔帖元件，所述湿度调节单元包括喷雾器；

19、所述旋转控制单元包括第一旋转方向控制按键、第二旋转方向控制按键和第三旋转方向控制按键，所述缩放控制单元包括放大控制按键和缩小控制按键，所述第一旋转方向控制按键、所述第二旋转方向控制按键、所述第三旋转方向控制按键、所述放大控制按键和所述缩小控制按键均与所述微控制单元电连接；

20、所述触觉模拟模块包括壳体，所述风扇、所述珀尔帖元件和所述喷雾器均与所述壳体进行装配，所述第一旋转方向控制按键、所述第二旋转方向控制按键、所述第三旋转方向控制按键、所述放大控制按键和所述缩小控制按键设置于所述壳体的外部。

21、第二方面，本发明实施例提供了一种虚拟现实系统，包括第一方面所述的触觉模拟装置，还包括虚拟现实显示装置，所述虚拟现实显示装置用于显示所述虚拟现实场景。

22、可选地，所述虚拟现实系统还包括电子设备，所述电子设备中配置有控制系统，所述控制系统用于根据所述虚拟现实场景生成相应的控制指令；

23、所述触觉控制装置与所述电子设备无线通信连接，所述触觉控制装置根据所述控制指令控制所述触觉反馈装置工作；

24、所述虚拟现实显示装置与所述电子设备无线通信连接，所述虚拟现实显示装置根据所述控制指令显示所述虚拟现实场景。

25、第三方面，本发明实施例提供了一种触觉模拟方法，由第一方面所述的触觉模拟装置执行，所述触觉模拟方法包括：

26、通过所述触觉控制装置获取虚拟现实场景的控制指令；

27、通过所述触觉控制装置基于所述控制指令，控制所述触觉模拟模块生成与所述虚拟现实场景相匹配的风力触觉信息、温度触觉信息和湿度触觉信息中的至少一者；

28、通过所述触觉操控模块获取用户的触觉操控指令，并将所述触觉操控指令发送至所述触觉控制装置；

29、通过所述触觉控制装置根据所述触觉操控指令控制所述虚拟现实场景中的虚拟物体的方位和大小。

30、可选地，所述触觉模拟模块包括：风力发生单元、温度调节单元和湿度调节单元；所述风力发生单元用于产生风力以模拟所述虚拟现实场景的风力触觉信息；所述温度调节单元用于对空气进行制冷或加热，以模拟所述虚拟现实场景的温度触觉信息；所述湿度调节单元用于调节空气的湿度，以模拟所述虚拟现实场景的湿度触觉信息；

31、所述触觉操控模块包括：旋转控制单元和缩放控制单元；所述旋转控制单元用于获取用户的旋转控制指令，并所述旋转控制指令发送至所述触觉控制装置；所述缩放控制单元用于获取用户的缩放控制指令，并所述缩放控制指令发送至所述触觉控制装置；

32、所述触觉模拟方法还包括：

33、通过所述触觉控制装置根据所述虚拟现实场景控制所述风力发生单元、所述温度调节单元和所述湿度调节单元中的至少一者工作，以生成与所述虚拟现实场景相匹配的触觉信息，根据所述旋转控制指令控制所述虚拟物体进行旋转，并根据所述缩放控制指令控制所述虚拟物体进行放大或缩小。

34、可选地，所述触觉控制装置包括：供电单元、开关单元和微控制单元；所述供电单元用于为所述触觉控制装置和所述触觉反馈装置供电；所述风力发生单元与所述供电单元之间、所述温度调节单元与所述供电单元之间以及所述湿度调节单元与所述供电单元之间分别连接有一所述开关单元；所述微控制单元与所述供电单元和各个所述开关单元电连接；

35、通过所述触觉控制装置基于所述控制指令，控制所述触觉模拟模块生成与所述虚拟现实场景相匹配的风力触觉信息、温度触觉信息和湿度触觉信息中的至少一者，包括：

36、通过所述微控制单元根据所述虚拟现实场景控制各个所述开关单元导通或断开，以控制所述风力发生单元、所述温度调节单元和所述湿度调节单元中的至少一者工作。

37、与现有技术相比，本发明实施例提供的触觉模拟装置、触觉模拟方法和虚拟现实系统具有如下有益效果：

38、1)提供了一种可穿戴的触觉模拟装置，在虚拟现实场景下由用户手持触觉反馈装置并佩戴触觉控制装置，利用触觉控制装置控制触觉反馈装置在用户手部为其提供与虚拟现实场景相匹配的触觉感受，提升了触觉反馈装置的便携性，拓宽了触觉反馈装置的适用范围；

39、2)通过触觉模拟模块模拟风、冷热、干湿等触觉感受，并实现风、冷热、干湿等多种不同组合的多模态触觉感知，有利于提高虚拟现实场景的真实感，以增强用户的沉浸感，为用户提供丰富的触觉体验；

40、3)触觉控制装置可以根据不同的虚拟现实场景调节触觉模拟模块模拟相应的触觉感受，以适应不同的虚拟现实场景需求，有利于提高虚拟现实交互的自适应性和灵活性；

41、4)用户可以通过触觉操控模块下发触觉操控指令，以通过触觉控制装置控制虚拟物体的方位和大小，使得用户在感受多模态触觉反馈的同时，能够便捷地与虚拟物体进行交互；

42、5)不仅可以应用于虚拟现实游戏、教育和培训等领域，还可以应用于医疗、工业等领域，拓展了触觉模拟装置的应用领域，为用户提供直观、便捷的虚拟现实互动方式。

43、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。