一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置

1.本发明属于人机交互技术领域，具体涉及一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置。


背景技术：

2.人机编队系统的研究近年来越来越受到科研工作者的关注，由多个结构功能较为简单的机器人组成的人机编队系统通过成员间的能力互补和行动协同可以完成单个机器人难以完成的任务，并且具有良好的鲁棒性、可扩展性等优点。
3.目前，视觉反馈是向用户传递人机编队信息的常用方式，然而在实际操作场景中，由于机器人数量增多以及视觉反馈通道负荷较高、视角遮挡等问题，用户在视觉通道上可能无法得到有效的反馈。触觉反馈相比其他感觉通道具有其独特优势，人类触觉不仅是人类最鲁棒和分布最广的感觉通道，而且还具有灵敏、双向和私密的特点。因此相比于视觉及听觉通道，基于触觉通道向穿戴者反馈外肢体的理解能力及任务态势更具优势，在降低人机交互难度以及为用户创造高度沉浸感的操作体验方面可以发挥独特作用。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明公开了一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，采用三种基于触觉反馈原理的实时信息反馈机构，其产生的触觉反馈信息可作为操作员视觉和听觉感知之外的有效补充，提高了操作员感知周围环境和当前编队情况的能力，提供方向指引引导操作员在复杂环境下快速定位任务目标。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，包括交互接口模块、主控模块；
7.所述交互接口模块包括输入模块和穿戴式触觉反馈模块；
8.所述穿戴式触觉反馈模块包括挤压力反馈模块、剪切力反馈模块和振动反馈模块，其中振动反馈模块与主控模块直接连接，剪切力反馈模块和挤压力反馈模块统一引出一根排线连接主控模块；
9.所述主控模块采用主板连接核心板、蓝牙模块和电源，集中各个输入和输出，使得主控模块通过连接线分别控制三个模块，并通过蓝牙模块得到多机器人系统的状态信息。主板采用l9110s芯片和uln2803芯片，用于驱动4个减速电机和25个振动电机工作。主板附带蓝牙芯片接口，通过蓝牙串口通信实现无线控制装置工作；接入的电源使用18650锂电池供电，为主控模块和触觉反馈模块提供7.4v稳定电压。
10.所述的挤压力反馈模块由舵机和绑带组成，用于产生挤压触觉反馈的伸缩臂带连接在转动件上，通过控制舵机的转动带动转动件旋转，控制绑带松紧的同时，在用户前臂上产生不同的挤压力。其中舵机的转动角度与施加压力有如下关系：
11.12.其中n为挤压力大小，θ为舵机旋转角度，k为绑带的弹性系数，r0为绑带原始半径，r为手臂半径。当两个舵机同时转动收紧绑带时，臂带收缩使得作用在用户前臂上的挤压力增大。此装置用于反馈人机编队的队伍扩散与收缩，通过臂带收缩的力度实时反馈人机编队的队伍大小。
13.所述的剪切力反馈模块由直流减速电机组成。四个电机通过打印件和绑带固定在手臂上，转轴处装有摩擦轮，通过电机带动摩擦轮的转动可以在手臂上产生前、后、左、右四个方向的剪切力，从而用于反馈人机编队系统的运动方向指引。
14.所述的振动反馈模块由振动电机阵列组成。25个扁平马达构成阵列固定在柔性电路板上，用户将其固定在小臂后端，自行绑紧至感受到电机接触皮肤。通过提供不同的振动模式及特定方位的电机振动来反馈人机编队进行过程中的队形变换和行进方向。
15.为了实现人机编队操控的触觉反馈，本发明的设计原理是：
16.1、采用了三种触觉反馈形式的设计
17.触觉反馈相比其他感觉通道具有其独特优势，人类触觉不仅是人类最鲁棒和分布最广的感觉通道，而且还具有灵敏、双向和私密的特点。该穿戴装置能够对用户的皮肤表面产生三种类型的触觉力，为用户提供4种关于人机编队系统操控的反馈信息，弥补了视觉反馈在实际应用的一些不足。这套系统可以有效地帮助用户感知周围环境以及人机编队的情况，提供方向指引引导用户快速定位任务目标位置。
18.反馈信息一，人机编队队形的收缩和扩张：该反馈信息通过挤压力模块执行。系统的收缩尺度与舵机旋转的尺度对应，当用户采取队形大小变换时，系统立即向挤压模块发送相应的舵机度数，两个舵机同时工作收缩绑带，使用户感受到绑带收缩产生的挤压力。
19.反馈信息二，任务方向指引：该反馈信息通过剪切力模块执行。剪切模块会实时反馈父/子目标点与操作员的相对方向与相对距离，从而可以引导操作员依次前往目标点。操作员与父/子目标相对方向的不同会使得剪切模块产生不同方向的剪切力，相对距离的不同使得剪切模块中减速电机的转动速度不同从而使得剪切的力度不同。
20.反馈信息三，人机编队队形变换信息。通过振动阵列模块，利用似动这一触觉错觉现象在操作员手臂上绘制不同的形状。似动指的是如果人体皮肤表面存在一些离散的振动触点按照一定的振动持续时间和启动间隔时间进行振动，那么用户的皮肤变面会产生一种连续振动的感觉。
21.反馈信息四，障碍方向信息：通过振动阵列模块周边的振动马达，当某一队形下对应方向的机器人检测到有障碍物进入临界距离时，周边相应方向的振动马达会产生对应方向的振动提示操作员——机器人编队遇到了障碍物。有助于操作员在注意力集中于前方时，也可以感知到身后人机编队的行进状态。
22.2、采用了轻量模块化的设计
23.将主控装置集成一体，各模块以分体式可穿戴于用户副操作手(一般为左手)的手臂上，用户可以很方便地配戴和卸下，只需开启电源即可与人机编队系统连接开始运行。基于分体化的设计有助于减少不同触觉反馈的干涉，提高用户对不同反馈的分辨效率。在配戴本装置时，用户依然能够正常使用配戴手进行各种工作，通过仿真环境的测试。
24.3、采用自主设计电路并实现通信
25.采用自主设计的电路模块连接机构，该电路模块被设计用于连接单片机核心板和
各个模块。电路设计包含各个模块电机的驱动芯片，可以直接驱动各个模块的电机工作。同时提供蓝牙通信模块，可直接与单片机芯片进行无线串口通信，控制各个模块对相应情况采取反应。由于本套装置功耗小，可使用小型锂电池模块供电，在小型化的同时也有较长续航。
26.本发明的有益效果是：
27.(1)本发明采用了基于三种触觉反馈原理的人机编队实时信息反馈机构，其产生的触觉反馈信息可作为操作员视觉和听觉感知之外的有效补充，提高了操作员感知周围环境和当前编队情况的能力，提供方向指引引导操作员在复杂环境下快速定位任务目标。
28.(2)本发明采用了小型无线穿戴式设计，主控装置集成一体，各模块以分体式可穿戴于操作员副操作手的手臂上，操作员可以很方便地配戴和卸下，只需开启电源即可与人机编队系统连接开始运行。
附图说明
29.图1是本发明实施例测试装置系统工作示意图；
30.图2是装置的硬件连接图；
31.图3是主控模块爆炸结构图；
32.图4是挤压力模块和剪切力模块结构图；
33.图5是振动阵列模块结构图。
34.附图标识列表：
35.1、主控模块框架；2、arduino mega2560核心板；3、主控模块的供电接口；4、主控模块主板；5、主板预留蓝牙模块接口；6、挤压力反馈模块和剪切力反馈模块扩展接口；7、振动反馈模块接口；8、20kg舵机；9、挤压力反馈模块和剪切力反馈模块扩展板；10、减速电机；11、用于施加挤压力的卷带轮；12、轴承；13、剪切力反馈的摩擦轮，14、前后方向的剪切力反馈模块。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
37.本发明设计了基于多移动机器人协同控制系统具有三种触觉反馈形式的穿戴式装置，将vr控制器作为人机编队协同控制的指令输入接口；同时结合多种力触觉信息，对人机编队的运动状态进行反馈。
38.如图1所示，包括交互接口模块、通信模块和主控模块。所述交互接口模块包括输入信息的vr控制器模块和穿戴式振动触觉反馈模块。
39.如图2所示，所述的穿戴式触觉反馈模块包括挤压力反馈模块、剪切力反馈模块和振动反馈模块，其中振动反馈模块与主控模块直接连接，剪切力反馈模块和挤压力反馈模块统一引出一根排线连接主控模块。
40.所述主控模块采用主板连接核心板、蓝牙模块和电源，集中各个输入和输出，使得主控模块通过连接线分别控制三个模块，并通过蓝牙模块得到多机器人系统的状态信息。
41.如图3所示，所述的主控模块采用自主设计的主板连接核心板和电源，集中各个输
入和输出，使得主控模块可以通过连接线分别控制3个反馈模块。主板采用4个l9110s芯片和5个uln2803芯片，用于驱动4个减速电机和25个振动电机工作。主板附带蓝牙芯片接口，通过蓝牙串口通信可以实现无线控制装置工作。接入的电源使用18650锂电池供电，为主控模块和触觉反馈模块提供7.4v稳定电压。
42.如图4所示，所述的挤压力反馈模块由舵机和绑带组成，用于产生挤压触觉反馈的伸缩臂带连接在转动件上，通过控制舵机的转动带动转动件旋转，控制绑带松紧的同时，在用户前臂上产生不同的挤压力。当两个舵机同时转动收紧绑带时，臂带收缩使得作用在用户前臂上的挤压力增大。此装置用于反馈人机编队的队伍扩散与收缩，通过臂带收缩的力度实时反馈人机编队的队伍大小。
43.如图4所示，所述的挤压力反馈模块由舵机和绑带组成，用于产生挤压触觉反馈的伸缩臂带连接在转动件上，通过控制舵机的转动在用户前臂上产生不同的挤压力。当两个舵机同时转动收紧绑带时，臂带收缩使得作用在用户前臂上的挤压力增大。此装置用于反馈人机编队的队伍扩散与收缩，通过臂带收缩的力度实时反馈人机编队的队伍大小。
44.如图4所示，所述的剪切力反馈模块由直流减速电机组成。四个电机通过打印件和绑带固定在手臂上，转轴处装有摩擦轮，通过电机带动摩擦轮的转动可以在手臂上产生前、后、左、右四个方向的剪切力，从而用于反馈人机编队系统的运动方向指引。
45.如图5所示，所述的振动反馈模块由振动电机阵列组成。25个扁平马达构成阵列固定在柔性电路板上，用户将其固定在小臂后端，自行绑紧至感受到电机接触皮肤。通过提供不同的振动模式及特定方位的电机振动来反馈人机编队进行过程中的队形变换和行进方向。
46.本发明的工作过程和原理如下：
47.1、实时获取人机编队信息，并通过蓝牙无线通信将人机编队信息传输给主控模块。
48.2、主控模块根据接收到的信息，筛选出有效的机器人状态信息并分类。
49.人机编队状态信息可分为四大类，分别为人机编队的队伍大小、人机编队系统的运动方向、人机编队的队形变换以及人机编队附近的障碍物情况
50.3、主控模块根据机器人不同的状态信息，驱动相应的反馈模块。
51.人机编队的队伍大小改变时，主控模块驱动挤压力反馈模块，控制舵机转动，收紧绑带；人机编队的队伍扩散，臂带收缩的力度增大；人机编队的队伍收缩，臂带收缩的力度减小，从而做到实时反馈人机编队的队伍大小；
52.人机编队系统的运动方向改变时，主控模块驱动剪切力反馈模块，可控制4个电机的待机、正转、反转和刹车；当系统发出向前指引指令时，位于手臂左侧的电机逆时针运行、位于手臂右侧的电机顺时针运行，使用户感受到向手臂上方的剪切力，为用户引导机器人前进提供一定指导，同时将人机编队队伍相对于目标位置的距离通过电机转速大小进行反馈；
53.人机编队的队形变换时，主控模块驱动振动反馈模块，控制振动电机有序振动；当多移动机器人的编队状态由ti变换为tj时，为每种编队变换状态设计相应的振动模式：zd＝f(ti
→
tj)(i≠j,i,j＝1,2,...,k)；
54.人机编队系统附近出现障碍物时，主控模块驱动振动反馈模块，控制振动电机阵
列外侧的四个振动电机振动，从而反馈队伍附近的障碍物情况；当队伍的一个方向有障碍物进入临界距离时，相应方向的振动电机将振动以提醒用户。
55.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，其特征在于：包括交互接口模块、主控模块；所述交互接口模块包括输入模块和穿戴式触觉反馈模块；所述穿戴式触觉反馈模块包括挤压力反馈模块、剪切力反馈模块和振动反馈模块，其中振动反馈模块与主控模块直接连接，剪切力反馈模块和挤压力反馈模块统一引出一根排线连接主控模块；所述主控模块采用主板连接核心板、蓝牙模块和电源，集中各个输入和输出，使得主控模块通过连接线分别控制三个模块，并通过蓝牙模块得到多机器人系统的状态信息。2.根据权利要求1所述的一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，其特征在于：所述的挤压力反馈模块由舵机和绑带组成，用于产生挤压触觉反馈的伸缩臂带连接在转动件上，通过控制舵机的转动在用户前臂上产生不同的挤压力；当两个舵机同时转动收紧绑带时，臂带收缩使得作用在用户前臂上的挤压力增大；此装置用于反馈人机编队的队伍扩散与收缩，通过臂带收缩的力度实时反馈人机编队的队伍大小。3.根据权利要求1所述的一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，其特征在于：所述的剪切力反馈模块由直流减速电机组成；四个电机通过打印件和绑带固定在手臂上，转轴处装有摩擦轮，通过电机带动摩擦轮的转动可以在手臂上产生前、后、左、右四个方向的剪切力，从而用于反馈人机编队系统的运动方向指引。4.根据权利要求1所述的一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，其特征在于：所述的振动反馈模块由振动电机阵列组成；25个扁平马达构成阵列固定在柔性电路板上，用户将其固定在小臂后端，自行绑紧至感受到电机接触皮肤；通过提供不同的振动模式及特定方位的电机振动来反馈人机编队进行过程中的队形变换和行进方向。5.根据权利要求2所述的一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，其特征在于：所述挤压力反馈装置，舵机的转动角度与施加压力有如下关系：其中n为挤压力大小，θ为舵机旋转角度，k为绑带的弹性系数，r0为绑带原始半径，r为手臂半径。6.根据权利要求4所述的一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，其特征在于：25个振动电机以5
×
5的形式相距12mm的间隔排列方阵，固定在柔性pcb上直接连接主控模块；振动电机为微型扁平转子振动马达，可通过调节输入电压的大小调节单个位置的振动强度；装置工作时，该模块的输出原理为逐行刷新，即主控模块接收指令后以一定周期执行电机振动状态控制，产生相应的连续振动反馈，其能够对人体表面产生似动这一触觉感受。7.根据权利要求1所述的一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，其特征在于：主控模块的主板采用l9110s芯片和uln2803a芯片，用于驱动4个减速电机和25个振动电机工作；主板附带蓝牙芯片接口，通过蓝牙串口通信实现无线控制装置工作；接入的电源使用18650锂电池供电，为主控模块和触觉反馈模块提供7.4v稳定电压。8.根据权利要求1所述的一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置的工作过程，其特征在于：包括以下步骤：
1)实时获取人机编队信息，并通过通信模块将人机编队信息传输给主控模块；2)主控模块根据接收到的信息，筛选出有效的机器人状态信息并分类；人机编队状态信息可分为四大类，分别为人机编队的队伍大小、人机编队系统的运动方向、人机编队的队形变换以及人机编队附近的障碍物情况；3)主控模块根据机器人不同的状态信息，驱动相应的反馈模块；人机编队的队伍大小改变时，主控模块驱动挤压模块挤压力反馈模块，控制舵机转动，收紧绑带；人机编队的队伍扩散，臂带收缩的力度增大；人机编队的队伍收缩，臂带收缩的力度减小，从而做到实时反馈人机编队的队伍大小；人机编队系统的运动方向改变时，主控模块驱动剪切模块剪切力反馈模块，可控制4个电机的待机、正转、反转和刹车；当系统发出向前指引指令时，位于手臂左侧的电机逆时针运行、位于手臂右侧的电机顺时针运行，使用户感受到向手臂上方的剪切力，为用户引导机器人前进提供一定指导，同时将人机编队队伍相对于目标位置的距离通过电机转速大小进行反馈；人机编队的队形变换时，主控模块驱动振动反馈模块，控制振动电机有序振动；当多移动机器人的编队状态由ti变换为tj时，为每种编队变换状态设计相应的振动模式：zd＝f(ti
→
tj)(i≠j,i,j＝1,2,...,k)；人机编队系统附近出现障碍物时，主控模块驱动振动反馈模块，控制振动电机阵列外侧的四个振动电机振动，从而反馈队伍附近的障碍物情况；当队伍的一个方向有障碍物进入临界距离时，相应方向的振动电机将振动以提醒用户。

技术总结
本发明公开了一种面向人机编队操控的穿戴式触觉反馈装置，包括交互接口模块、主控模块；所述交互接口模块包括控制器模块和穿戴式触觉反馈模块；所述穿戴式触觉反馈模块包括挤压力反馈模块、剪切力反馈模块和振动反馈模块，主控模块实现对各模块的控制和操控反馈指令的接收。本发明可无线部署在操作者的手臂上，通过产生挤压、剪切、振动三种触觉反馈信号，可反馈人机编队的队形变换、运动指引、障碍检测。基于触觉通道向穿戴者反馈外肢体的感知能力及任务态势更具优势，降低了人机交互难度同时为用户创造高度沉浸感的操作体验。同时为用户创造高度沉浸感的操作体验。同时为用户创造高度沉浸感的操作体验。


技术研发人员：张竞天 曾洪 孙燈峰 郑遥冰
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/24