触觉模拟装置、触觉模拟方法和虚拟现实系统

1.本发明实施例涉及虚拟现实技术领域，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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种触觉模拟装置，包括：
7.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；
8.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。
9.可选地，所述触觉模拟模块包括：
10.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；
11.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；
12.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；
13.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。
14.可选地，所述触觉操控模块包括：
15.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；
16.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；
17.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。
18.可选地，所述触觉控制装置包括：
19.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；
20.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；
21.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。
22.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；
23.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；
24.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。
25.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。
26.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；
27.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；
28.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。
29.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：
30.通过所述触觉控制装置获取虚拟现实场景的控制指令；
31.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；
32.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；
33.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。
34.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；
35.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；
36.所述触觉模拟方法还包括：
37.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。
38.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；
39.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：
40.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。
41.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：
42.1)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；
43.2)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；
44.3)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；
45.4)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；
46.5)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。
47.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。
附图说明
48.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
49.图1是本发明实施例提供的一种触觉模拟装置的结构示意图；
50.图2是本发明实施例提供的另一种触觉模拟装置的结构示意图；
51.图3是本发明实施例提供的另一种触觉模拟装置的结构示意图；
52.图4是本发明实施例提供的另一种触觉模拟装置的结构示意图；
53.图5是本发明实施例提供的一种触觉反馈装置的爆炸图；
54.图6是本发明实施例提供的一种触觉控制装置的爆炸图；
55.图7是本发明实施例提供的一种虚拟现实系统的结构示意图；
56.图8是本发明实施例提供的一种触觉模拟方法的流程示意图。
具体实施方式
57.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
58.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品
或设备固有的其它步骤或单元。
59.本发明实施例提供了一种触觉模拟装置，图1是本发明实施例提供的一种触觉模拟装置的结构示意图。参见图1，该触觉模拟装置包括触觉反馈装置10和触觉控制装置20。触觉反馈装置10由用户手持，包括触觉模拟模块11和触觉操控模块12，触觉模拟模块11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，触觉操控模块12用于控制虚拟现实场景中的虚拟物体的方位和大小。触觉控制装置20佩戴于用户的手臂，与触觉反馈装置10电连接，用于根据虚拟现实场景控制触觉反馈装置10工作。
60.具体地，触觉反馈装置10为手持装置，触觉控制装置20可佩戴在用户的手臂，例如手腕处，当用户在虚拟现实场景下手持触觉反馈装置10并佩戴触觉控制装置20时，可以通过触觉控制装置20控制触觉反馈装置10进行触觉模拟，利用触觉反馈装置10在用户手部为其提供触觉感受，以增强用户的沉浸感和互动性。触觉模拟模块11能够生成风力触觉信息、温度触觉信息和湿度触觉信息，其中，风力触觉信息能够模拟风力，使用户感知到风，温度触觉信息能够模拟热、冷的气候特征，使用户感知到相应的温度，湿度触觉信息能够模拟干旱和潮湿的气候特征，使用户感知到相应的湿度。
61.示例性地，在虚拟现实场景下，用户可以手持触觉反馈装置10，并将触觉控制装置20佩戴于手腕处，通过触觉控制装置20获取虚拟现实场景的控制指令，通过触觉控制装置20基于该控制指令，控制触觉模拟模块11生成与虚拟现实场景相匹配的触觉信息，该触觉信息包括风力触觉信息、温度触觉信息和湿度触觉信息中的至少一者，从而在用户的手部为其提供与虚拟现实场景相匹配的触觉感受。当用户试图操控虚拟现实场景中的虚拟物体时，可以向触觉操控模块12下发触觉操控指令，这样能够通过触觉操控模块12获取用户的触觉操控指令，并将该触觉操控指令发送至触觉控制装置20，使触觉控制装置20根据相应的触觉操控指令控制虚拟物体的方位和大小。
62.触觉模拟装置能够在多种虚拟现实场景下为用户提供触觉感受，下面以其中的两种为例进行说明。当虚拟现实场景为沙漠时，通过触觉模拟模块11生成炎热的温度触觉信息和干旱的湿度触觉信息，使用户感知到沙漠场景的炎热与干旱。当虚拟现实场景为雪山时，通过触觉模拟模块11生成寒冷的温度触觉信息、潮湿的湿度触觉信息和风力触觉信息，使用户感知到雪山场景的寒冷、潮湿与寒风，当用户想要抓取雪山场景中的虚拟冰块时，向触觉操控模块12下发触觉操控指令，以通过触觉控制装置20控制虚拟冰块的方位和大小，例如控制虚拟冰块进行旋转和缩放。
63.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有如下有益效果：
64.1)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；
65.2)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；
66.3)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；
67.4)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；
68.5)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。
69.图2是本发明实施例提供的另一种触觉模拟装置的结构示意图。参见图2，可选地，触觉模拟模块11包括：风力发生单元110、温度调节单元120和湿度调节单元130。风力发生单元110用于产生风力以模拟虚拟现实场景的风力触觉信息。温度调节单元120用于对空气进行制冷或加热，以模拟虚拟现实场景的温度触觉信息。湿度调节单元130用于调节空气的湿度，以模拟虚拟现实场景的湿度触觉信息。触觉控制装置20还用于根据虚拟现实场景控制风力发生单元110、温度调节单元120和湿度调节单元130中的至少一者工作，以生成与虚拟现实场景相匹配的触觉信息。
70.触觉操控模块12包括旋转控制单元140和缩放控制单元150。旋转控制单元140与触觉控制装置20电连接，用于获取用户的旋转控制指令，并旋转控制指令发送至触觉控制装置20。缩放控制单元150，与触觉控制装置20电连接，用于获取用户的缩放控制指令，并缩放控制指令发送至触觉控制装置20。触觉控制装置20还用于根据旋转控制指令控制虚拟物体进行旋转，以及，根据缩放控制指令控制虚拟物体进行放大或缩小。
71.示例性地，通过触觉控制装置20获取虚拟现实场景的控制指令，当虚拟现实场景为雪山时，触觉控制装置20基于该控制指令，控制风力发生单元110产生风力，控制温度调节单元120进行制冷，并控制湿度调节单元130增大空气的湿度，使用户感知到雪山场景的寒冷、潮湿与寒风。当用户想要抓取雪山场景中的虚拟冰块时，通过缩放控制单元150下发缩放控制指令，以通过触觉控制装置20控制虚拟冰块放大，当用户想要旋转虚拟冰块时，通过旋转控制单元140下发旋转控制指令，以通过触觉控制装置20控制虚拟冰块进行旋转。
72.图3是本发明实施例提供的另一种触觉模拟装置的结构示意图。参见图3，可选地，触觉控制装置20包括：供电单元210、开关单元220和微控制单元230。供电单元210用于为触觉控制装置20和触觉反馈装置10供电。风力发生单元110与供电单元210之间、温度调节单元120与供电单元210之间以及湿度调节单元130与供电单元210之间分别连接有一开关单元220。微控制单元230与供电单元210和各个开关单元220电连接，用于根据虚拟现实场景控制各个开关单元220导通或断开，以控制风力发生单元110、温度调节单元120和湿度调节单元130中的至少一者工作，生成与虚拟现实场景相匹配的触觉信息。微控制单元230还用于接收旋转控制指令，并根据旋转控制指令控制虚拟物体进行旋转，以及，接收缩放控制指令，并根据缩放控制指令控制虚拟物体进行放大或缩小。
73.示例性地，在使用触觉模拟装置时，通过供电单元210为触觉控制装置20和触觉反馈装置10供电，通过微控制单元230获取虚拟现实场景的控制指令，仍以虚拟现实场景是雪山为例进行说明，当模拟在雪山场景下抓取虚拟冰块时，微控制单元230基于相应的控制指令控制连接于温度调节单元120与供电单元210之间的开关单元220、连接于湿度调节单元130与供电单元210之间的开关单元220均导通，以控制温度调节单元120进行制冷，并控制湿度调节单元130增大空气的湿度，以模拟抓取冰块时寒冷和潮湿的触觉，同时，用户可以
通过缩放控制单元150下发缩放控制指令，以通过缩放控制单元150将缩放控制指令发送至微控制单元230，通过微控制单元230控制虚拟冰块放大，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，从而增强用户在虚拟现实场景下的沉浸感，并提高与虚拟现实场景进行交互的真实感。
74.图4是本发明实施例提供的另一种触觉模拟装置的结构示意图；图5是本发明实施例提供的一种触觉反馈装置的爆炸图；图6是本发明实施例提供的一种触觉控制装置的爆炸图。结合图4至图6，在上述各实施例的基础上，可选地，风力发生单元110包括风扇111，温度调节单元120包括珀尔帖元件121，湿度调节单元130包括喷雾器131(图5中未示出)；旋转控制单元140包括第一旋转方向控制按键141、第二旋转方向控制按键142和第三旋转方向控制按键143，缩放控制单元150包括放大控制按键151和缩小控制按键152，第一旋转方向控制按键141、第二旋转方向控制按键142、第三旋转方向控制按键143、放大控制按键151和缩小控制按键152均与微控制单元230电连接；触觉模拟模块11包括壳体160，风扇111、珀尔帖元件121和喷雾器131均与壳体160进行装配，第一旋转方向控制按键141、第二旋转方向控制按键142、第三旋转方向控制按键143、放大控制按键151和缩小控制按键152设置于壳体160的外部。
75.其中，风扇111可以是迷你风扇，珀尔帖(peltier)元件121能够进行制冷或加热。第一旋转方向控制按键141用于控制虚拟物体沿第一方向旋转，第二旋转方向控制按键142用于控制虚拟物体沿第二方向旋转，第三旋转方向控制按键143用于控制虚拟物体沿第三方向旋转，第一方向、第二方向和第三方向为不同的方向，例如第一方向、第二方向和第三方向相互垂直，构成三维空间直角坐标系的三个方向。放大控制按键151用于控制虚拟物体放大，缩小控制按键152用于控制虚拟物体缩小，微控制单元230包括微控制器231，例如型号为esp32系列的微控制器，第一旋转方向控制按键141、第二旋转方向控制按键142、第三旋转方向控制按键143、放大控制按键151和缩小控制按键152分别连接至微控制器231上的不同触摸检测引脚，以通过微控制器231检测用户是否触摸相应的控制按键，当用户触摸某一控制按键时，微控制器231上对应的触摸检测引脚能够检测到电压值的变化，以通过微控制器231以相应的方式操控虚拟物体。
76.结合图4至图6，进一步地，触觉控制装置20包括壳盖241和外壳242，开关单元、供电单元210和微控制器231均设置在壳盖241和外壳242围合形成的空间内部。供电单元210包括电源211、充电稳压板212、降压稳压模块213和电源外壳221，示例性地，电源211可以是电压值为7.4v(满电状态下的电压可以是8.4v)的聚合物锂电池，通过降压稳压模块213将电源211的电压降低到5v以供使用，充电稳压板212用于进行稳压。开关单元包括三极管221，例如型号为tip120的增强型三极管。风扇111、珀尔帖元件121和喷雾器131均可以通过对应的三极管221连接供电单元210，当虚拟现实场景为热带雨林时，可以通过微控制器231控制连接风扇111、珀尔帖元件121和喷雾器131的三极管221均导通，以控制风扇111吹风，控制珀尔帖元件121制热，并控制喷雾器131喷雾，从而模拟热带雨林炎热、潮湿、有风的气候特征，增强用户在虚拟现实环境下的沉浸感。
77.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种虚拟现实系统。图7是本发明实施例提供的一种虚拟现实系统的结构示意图。参见图7，该虚拟现实系统包括上述任意实施例中的触觉模拟装置100，还包括虚拟现实显示装置200，虚拟现实显示装置200用于显示虚拟
现实场景。其中，虚拟现实显示装置200可以是头戴式vr显示器，例如型号为oculus quest 2的头戴式vr显示器。本发明实施例提供的虚拟现实系统，包括上述任意实施例中的触觉模拟装置，因此具有触觉模拟装置相应的功能模块和有益效果，这里不再赘述。
78.参见图7，可选地，虚拟现实系统还包括电子设备300，电子设备300中配置有控制系统310，控制系统310用于根据虚拟现实场景生成相应的控制指令；触觉控制装置20与电子设备300无线通信连接，触觉控制装置20根据控制指令控制触觉反馈装置10工作；虚拟现实显示装置200与电子设备300无线通信连接，虚拟现实显示装置200根据控制指令显示虚拟现实场景。其中，电子设备300包括但不限于台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、手机、智能手环和工控设备等。控制系统310中可以配置unity引擎，unity引擎为实时3d互动内容创作和运营平台。
79.下面结合图5至图7，对虚拟现实系统的工作原理进行说明。示例性地，在应用虚拟现实系统时，用户可以将触觉控制装置20佩戴于手腕上，手持触觉反馈装置10并佩戴头戴式虚拟现实显示装置200，使触觉模拟装置100、虚拟现实显示装置200和电子设备300连接于同一无线(wifi)网络中。通过电子设备300运行控制系统310，利用控制系统310中的unity引擎根据虚拟现实场景生成相应的控制指令，并通过无线网络将控制指令传输至触觉模拟装置100和虚拟现实显示装置200，使虚拟现实显示装置200根据控制指令为用户显示对应的虚拟现实场景。触觉模拟装置100中的微控制器231可以对控制指令进行解析，通过微控制器231的数字引脚输出高低电平从而控制各个三极管221导通或断开，以控制风扇111、珀尔帖元件121和喷雾器131中的至少一者工作，利用风扇111提供风反馈，珀尔帖元件121提供冷、热反馈，利用喷雾器131提供湿度反馈，从而在用户的手部为其提供与虚拟现实场景相匹配的触觉感受。当用户试图操控虚拟现实场景中的虚拟物体时，可以触摸第一旋转方向控制按键141、第二旋转方向控制按键142、第三旋转方向控制按键143、放大控制按键151和缩小控制按键152中的任一者，以通过微控制器231检测用户是否触摸相应的控制按键，当用户触摸某一控制按键时，微控制器231上对应的触摸检测引脚能够检测到电压值的变化，以通过微控制器231以相应的方式操控虚拟物体。同时，为了追踪触觉反馈装置10，还可以利用虚拟现实显示装置200的手部追踪定位功能对触觉反馈装置10进行定位。
80.本发明实施例提供的虚拟现实系统适用于多种应用场景，下面仍然结合图5至图7，以两种应用场景下的具体实施方式为例进行说明：
81.一、模拟化学实验的虚拟现实场景
82.1)初始化设置：
83.用户将触觉控制装置20佩戴于手腕上，手持触觉反馈装置10并佩戴头戴式虚拟现实显示装置200，使触觉模拟装置100、虚拟现实显示装置200和电子设备300连接于同一无线网络中。
84.2)场景设定：
85.通过控制系统310中的虚拟现实应用程序选择化学实验的虚拟现实场景，确定虚拟物体的属性和环境要素，并通过无线网络向触觉模拟装置100和虚拟现实显示装置200下发控制指令。
86.3)触觉反馈装置的工作控制：
87.通过触觉控制装置20中的微控制器231接收控制指令，以根据场景需求控制触觉
反馈装置10的工作状态。根据化学反应产生的温度、风、潮湿等要素，通过微控制器231的数字引脚输出pwm波来控制各个三极管221导通或断开，从而控制风扇111、珀尔帖元件121和喷雾器131的工作状态。
88.4)触觉控制装置的工作控制：
89.通过微控制器231检测自身的各个触摸检测引脚的电压值变化，判断用户是否操作第一旋转方向控制按键141、第二旋转方向控制按键142、第三旋转方向控制按键143、放大控制按键151和缩小控制按键152，用户操作其中的任一控制按键时，微控制器231发送相应的控制命令到控制系统310中的虚拟现实应用程序，以控制虚拟物体进行旋转、缩小或放大。
90.5)交互操作：
91.用户可以通过操作触觉反馈装置10上的各个控制按键，来控制虚拟物体进行旋转、缩小或放大，以详细观察化学反应。同时，用户可以感受到触觉反馈装置10产生的与虚拟现实场景中化学反应相匹配的触觉反馈，如冷、热、潮湿、喷雾等。
92.6)实验观察：
93.用户可以通过观察虚拟现实场景中的化学反应，并通过放大或缩小操作来更仔细地观察反应细节。
94.本发明实施例的技术方案，在模拟化学实验的虚拟场景时，通过触觉反馈装置10和触觉控制装置20的协同工作，能够在提供触觉模拟的同时对虚拟物体进行操作，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。
95.二、模拟博物馆文物的虚拟现实场景
96.在博物馆文物的应用场景中，当参观者在博物馆中使用本发明实施例提供的虚拟现实系统时，可以利用虚拟现实系统的触觉反馈和控制功能，丰富他们与文物的互动体验。假设参观者正在参观一个古代陶器和青铜器的展览，展示了不同材质和风格的古代工艺品。参观者可以佩戴触觉模拟装置100和虚拟现实显示装置200，以开始他们的互动体验。下面是该应用场景下的具体控制流程：
97.1)初始化设置：
98.用户将触觉控制装置20佩戴于手腕上，手持触觉反馈装置10并佩戴头戴式虚拟现实显示装置200，使触觉模拟装置100、虚拟现实显示装置200和电子设备300连接于同一无线网络中。
99.2)场景设定：
100.通过控制系统310中的虚拟现实应用程序选择博物馆文物的虚拟现实场景，确定文物的属性和环境要素，并通过无线网络向触觉模拟装置100和虚拟现实显示装置200下发控制指令。
101.3)触觉反馈装置的工作控制：
102.当参观者触摸虚拟现实场景中的青铜器艺术品时，微控制器231接收虚拟现实应用程序下发的控制指令，根据场景需求控制触觉反馈装置10的工作状态，以通过触觉反馈装置10模拟青铜器表面的寒冷感和材料的质感。通过控制珀尔帖元件121进行制冷，可以提供与青铜相匹配的适度冷感，使参观者感受到青铜的触感。当参观者触摸陶瓷器艺术品时，可以控制珀尔帖元件121和喷雾器131提供与陶瓷相匹配的适度冷感和湿度，使参观者感受
到陶瓷的触感。
103.4)触觉控制装置的工作控制：
104.通过微控制器231检测自身的各个触摸检测引脚的电压值变化，判断参观者是否操作第一旋转方向控制按键141、第二旋转方向控制按键142、第三旋转方向控制按键143、放大控制按键151和缩小控制按键152，参观者操作其中的任一控制按键时，微控制器231发送相应的控制命令到控制系统310中的虚拟现实应用程序，使参观者可以通过手部的动作来旋转文物，从不同角度观察和欣赏。
105.5)交互操作：
106.参观者可以通过操作触觉反馈装置10上的各个控制按键，来控制虚拟物体进行旋转、缩小或放大。当参观者按住任一控制按键并进行手部的移动时，虚拟现实显示装置200可以对参观者手部的触觉反馈装置10进行定位，同时通过微控制器231发送相应的控制命令到控制系统310中的虚拟现实应用程序，以控制虚拟物体进行旋转、缩小或放大，使参观者能够观察到文物细节，同时感受到触觉反馈装置10产生的与文物表面相匹配的触觉反馈，例如感受到温度的湿度、凉爽或温暖等感觉。
107.本发明实施例的技术方案，在模拟博物馆文物的虚拟场景时，通过触觉反馈装置10和触觉控制装置20的协同工作，能够在提供触觉模拟的同时对虚拟物体进行操作，使参观者在虚拟博物馆场景中能够更全面地体验和了解文物的历史、文化和艺术价值，为博物馆参观者带来了更加沉浸、互动和个性化的体验。
108.在实际应用中，虚拟现实系统还能够适用于更多的应用场景，例如在虚拟旅行应用中，对于存在明显环境特征的虚拟现实环境，例如温暖的沙漠环境、寒冷的雪地环境和湿润的热带雨林环境等，利用本发明实施例提供的虚拟现实系统，能够实现触觉反馈和视觉显示的结合，以在虚拟旅行中创造沉浸式和逼真的体验。例如，在虚拟现实中参观雨林、雪地时，触觉反馈装置可以模拟不同环境产生的温度、风、潮湿等。
109.需要说明的是，本发明实施例提供的触觉反馈装置可以采用不同的组合和配置，适应不同虚拟现实场景的触觉模拟需求。在一些实施方式中，仅需使用风扇111、珀尔帖元件121和喷雾器131中的少数结构来模拟基础的触觉感知，在另一些实施方式中，需要使用更多的结构来模拟更为复杂的触觉感知，例如干湿度和温度等。总之，本发明实施例提供的触觉模拟装置和虚拟现实系统，可以在虚拟现实场景下为用户提供相应的触觉体验并控制虚拟物体进行旋转和缩放，触觉模拟装置所模拟的触觉感受，可以根据不同的场景需求进行灵活配置和调整，使其应用范围广泛。
110.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种触觉模拟方法，该方法由上述任意实施例中的触觉模拟装置执行。图8是本发明实施例提供的一种触觉模拟方法的流程示意图。参见图8，该方法具体包括如下步骤：
111.s110、通过触觉控制装置获取虚拟现实场景的控制指令。
112.s120、通过触觉控制装置基于控制指令，控制触觉模拟模块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。
113.s130、通过触觉操控模块获取用户的触觉操控指令，并将触觉操控指令发送至触觉控制装置。
114.s140、通过触觉控制装置根据触觉操控指令控制虚拟现实场景中的虚拟物体的方
位和大小。
115.在上述实施例的基础上，可选地，触觉模拟方法还包括：
116.通过触觉控制装置根据虚拟现实场景控制风力发生单元、温度调节单元和湿度调节单元中的至少一者工作，以生成与虚拟现实场景相匹配的触觉信息，根据旋转控制指令控制虚拟物体进行旋转，并根据缩放控制指令控制虚拟物体进行放大或缩小。
117.在上述实施例的基础上，可选地，步骤s120具体包括：
118.通过微控制单元根据虚拟现实场景控制各个开关单元导通或断开，以控制风力发生单元、温度调节单元和湿度调节单元中的至少一者工作。
119.本发明实施例提供的触觉模拟方法由上述任意实施例中的触觉模拟装置执行，具备触觉模拟装置相应的有益效果，不再赘述。
120.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
121.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种触觉模拟装置，其特征在于，包括：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；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。2.根据权利要求1所述的触觉模拟装置，其特征在于，所述触觉模拟模块包括：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；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；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；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。3.根据权利要求2所述的触觉模拟装置，其特征在于，所述触觉操控模块包括：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；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；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。4.根据权利要求3所述的触觉模拟装置，其特征在于，所述触觉控制装置包括：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；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；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。5.根据权利要求4所述的触觉模拟装置，其特征在于，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；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；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。6.一种虚拟现实系统，其特征在于，包括权利要求1-5中任一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。7.根据权利要求6所述的虚拟现实系统，其特征在于，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；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；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。8.一种触觉模拟方法，其特征在于，由权利要求1-5中任一所述的触觉模拟装置执行，所述触觉模拟方法包括：通过所述触觉控制装置获取虚拟现实场景的控制指令；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；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；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。9.根据权利要求8所述的触觉模拟方法，其特征在于，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；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；所述触觉模拟方法还包括：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。10.根据权利要求9所述的触觉模拟方法，其特征在于，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；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：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。

技术总结
本发明实施例公开了一种触觉模拟装置、触觉模拟方法和虚拟现实系统。触觉模拟装置包括：触觉反馈装置和触觉控制装置；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，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，触觉操控模块用于控制虚拟现实场景中的虚拟物体的方位和大小；触觉控制装置佩戴于用户的手臂，与触觉反馈装置电连接，用于根据虚拟现实场景控制触觉反馈装置工作。本发明实施例的技术方案，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，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。地与虚拟物体进行交互。地与虚拟物体进行交互。


技术研发人员：李月 柴克栋
受保护的技术使用者：西交利物浦大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/6