本發(fā)明涉及振動(dòng)觸覺，尤其涉及一種用于教授人類運(yùn)動(dòng)任務(wù)的vr觸覺背心。。

背景技術(shù)：

1、無論是身體康復(fù)者、姿勢不正確者還是想學(xué)舞蹈的人，都面臨著類似的任務(wù)，即運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)。大多數(shù)人都能從教師那里受益，因?yàn)榻處熆梢酝ㄟ^多種渠道提供實(shí)時(shí)反饋：聽覺（高級行為指導(dǎo)）、視覺（親自示范動(dòng)作）和觸覺（身體指導(dǎo)學(xué)生）。雖然觸覺反饋是提供運(yùn)動(dòng)信息的最直接形式，但對教師來說卻是最難提供的。此外，由于人體的局限性，教師無法同時(shí)對學(xué)生的所有關(guān)節(jié)進(jìn)行觸覺反饋。

2、虛擬現(xiàn)實(shí)（vr）環(huán)境可提供增強(qiáng)型反饋，從而改善運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)。m.?holden團(tuán)隊(duì)于2005年發(fā)表的論文“virtual?environments?for?motor?rehabilitation:?review”中指出，vr顯示器通常會(huì)將學(xué)生的表現(xiàn)與所需的動(dòng)作疊加在一起，提供一種“直觀且可解釋的形式······共享同一空間參照系”。vr環(huán)境非常有用，因?yàn)樗鼈兡軓?qiáng)調(diào)主體動(dòng)作和參照動(dòng)作之間的差異，并在可理解的框架內(nèi)突出所需的軌跡。e.?todorov,?r.?shadmer團(tuán)隊(duì)于1997年發(fā)表的論文“augmented?feedback?presented?in?a?virtual?environmentaccelerates?learning?of?a?difficult?motor?task”中指出，在某些復(fù)雜任務(wù)中，vr訓(xùn)練實(shí)際上超過了人類專家的訓(xùn)練。f.?rose,?e.?attree團(tuán)隊(duì)于2000年發(fā)表的論文“trainingin?virtual?environments:?transfer?to?real?world?tasks?and?equivalence?to?realtask?training”中指出，vr訓(xùn)練有時(shí)對認(rèn)知干擾現(xiàn)象表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性，例如在執(zhí)行任務(wù)時(shí)被無關(guān)行為分心。此外，b.?brooks團(tuán)隊(duì)于1999年發(fā)表的論文“route?learning?in?acase?of?amnesia:?a?preliminary?investigation?into?the?efficacy?of?training?ina?virtual?environment”中指出，vr訓(xùn)練可能比常規(guī)訓(xùn)練保留的時(shí)間更長。

3、觸覺執(zhí)行器最初是作為感官替代而非感官增強(qiáng)而開發(fā)的。先前的工作是利用觸覺執(zhí)行器通過皮膚向聾人和盲人群體傳輸語音信息。類似的工作還展示了用于視頻觸覺顯示的近1000個(gè)自由度的縮放架構(gòu)。然而，觸覺尚未被用于增強(qiáng)我們的體感學(xué)習(xí)系統(tǒng)。有研究表明，觸覺反饋在神經(jīng)創(chuàng)傷康復(fù)方面大有可為。但迄今為止，研究主要集中在對受試者關(guān)節(jié)施加扭矩上。w.?scoville團(tuán)隊(duì)于1957年發(fā)表的論文“l(fā)oss?of?recent?memory?afterbilateral?hippocampal?lesions”中的患者已經(jīng)喪失了形成新的長期記憶的能力，但仍然可以建立新的運(yùn)動(dòng)技能。這項(xiàng)研究假設(shè)，我們的大腦處理運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)與其他有意識類型的學(xué)習(xí)是分開的，這表明我們最終可能能夠訓(xùn)練用戶下意識地接受這種反饋來學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)技能。

4、在虛擬現(xiàn)實(shí)（vr）中，教師教授姿勢或動(dòng)作可能更簡單，因?yàn)榻處煵恍枰亟ㄍ暾捏w驗(yàn)，而只需在關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。一類vr應(yīng)用程序用于培訓(xùn)用戶的情景感知能力，此類系統(tǒng)的例子包括d.m.?shawver團(tuán)隊(duì)于1997年發(fā)表的論文“virtual?actors?and?avatars?ina?flexible?user-determinedscenario?environment”，用于培訓(xùn)執(zhí)法人員應(yīng)對人質(zhì)危機(jī)和s.?s.?everett團(tuán)隊(duì)于1999年發(fā)表的論文“creating?natural?language?interfaces?tovr?systems”中描述的類似系統(tǒng)訓(xùn)練用戶在緊急情況下撤離戰(zhàn)艦等。

5、另一類vr通過智能代理來培訓(xùn)用戶。智能代理是在一個(gè)在vr環(huán)境中與用戶互動(dòng)并訓(xùn)練他們的虛擬角色。rickel和johnson于1998年發(fā)表的論文“integrating?pedagogicalagents?into?virtual?environments”和“animated?agents?for?procedural?trainingin?virtual?reality:?perception,?cognition,?and?motor?control”中創(chuàng)建了一個(gè)交互式代理steve（虛擬環(huán)境的飆升培訓(xùn)專家）來協(xié)助用戶進(jìn)行機(jī)器操作培訓(xùn)。

6、ungyeon?yang等人于2002年發(fā)表的論文“implementation?and?evaluation?of“just?follow?me”:?an?immersive,?vr-based,?motiontraining?system”介紹了justfollow?me系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用vr技術(shù)和幽靈隱喻來教用戶舞蹈動(dòng)作。幽靈隱喻是顯示在學(xué)員面前的教練的虛擬現(xiàn)實(shí)圖像（由動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)構(gòu)建），期望學(xué)員會(huì)模仿它。?k.?hachimura等人于2004年發(fā)表的論文“a?prototype?dance?training?support?system?with?motioncapture?and?mixed?reality?technologies”使用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了一個(gè)類似的系統(tǒng)。

7、當(dāng)前的研究現(xiàn)狀表明，雖然已有多種技術(shù)用于追蹤人體動(dòng)作和提供反饋，但大多數(shù)系統(tǒng)存在一定的局限性，如侵入性較強(qiáng)、不夠直觀或者難以擴(kuò)展到全身動(dòng)作任務(wù)。研究瓶頸在于如何設(shè)計(jì)一個(gè)既簡單靈活又能有效提供直觀反饋的系統(tǒng)，同時(shí)還要保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使其能夠適用于更廣泛的全身動(dòng)作任務(wù)。此外，如何精確地追蹤用戶動(dòng)作并提供實(shí)時(shí)反饋，以及如何確保反饋的準(zhǔn)確性和最小侵入性，也是該領(lǐng)域研究面臨的主要挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種用于教授人類運(yùn)動(dòng)任務(wù)的vr觸覺背心，以解決大多數(shù)系統(tǒng)存在一定的局限性的問題。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：包括觸覺控制層和內(nèi)層，其中各觸覺控制層分別固定在內(nèi)層上，所述觸覺控制層為碳纖維封裝的電子元器件，包括發(fā)電器、監(jiān)測器、主控模塊和執(zhí)行器；

3、所述發(fā)電器通過柔性編織工藝被安裝在可卷曲的柔性pcb板上，設(shè)置于產(chǎn)生摩擦力和壓力的人體部位處，用于為所述監(jiān)測器、所述執(zhí)行器和所述主控模塊供電；

4、所述主控模塊用于對所述監(jiān)測器獲取的體征狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和分析，并根據(jù)分析結(jié)果對所述執(zhí)行器發(fā)送觸覺反饋信號；

5、所述執(zhí)行器通過柔性編織工藝被安裝在可卷曲的柔性pcb板上，用于根據(jù)觸覺反饋信號進(jìn)行振動(dòng)觸覺反饋；

6、所述監(jiān)測器通過柔性編織工藝被安裝在可卷曲的柔性pcb板上，用于監(jiān)測用戶體征狀態(tài)。

7、本發(fā)明所述發(fā)電器內(nèi)集成太陽能發(fā)電裝置、摩擦發(fā)電裝置和壓力發(fā)電裝置。

8、本發(fā)明所述太陽能發(fā)電裝置包括以下中的至少一項(xiàng)：

9、微型集成式光伏發(fā)電裝置；

10、微型集成式光化學(xué)發(fā)電裝置；

11、微型集成式光感應(yīng)發(fā)電裝置。

12、本發(fā)明所述發(fā)電器設(shè)置于容易產(chǎn)生摩擦力的肩部、背部。

13、本發(fā)明所述發(fā)電器設(shè)置于容易產(chǎn)生壓力的肩部、關(guān)節(jié)處。

14、本發(fā)明所述主控模塊包括柔性pcb板、無線傳輸模塊、微處理器、存儲(chǔ)器、微型紐扣電池以及電容電阻。

15、本發(fā)明所述執(zhí)行器部署于不同的觸覺反饋區(qū)域內(nèi)，包括背心的正面、背面以及側(cè)面，以便于所述vr觸覺背心在使用者佩戴時(shí)形成全面的觸覺反饋，包括以下中的至少一項(xiàng)：

16、振動(dòng)執(zhí)行器；

17、微位移旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器；

18、磁力執(zhí)行器；

19、所述振動(dòng)執(zhí)行器、微位移旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和磁力執(zhí)行器集成于執(zhí)行器內(nèi)。

20、本發(fā)明所述監(jiān)測器用于監(jiān)測vr觸覺背心用戶的體征狀態(tài)數(shù)據(jù)包括：脈搏、血壓、體溫、心率、出汗水平、ph值、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；所述監(jiān)測器包括以下中的至少一項(xiàng)：

21、三軸加速度傳感器；

22、光電監(jiān)測傳感器；

23、壓電薄膜傳感器；

24、溫度傳感器；

25、所述三軸加速度傳感器、光電監(jiān)測傳感器、壓電薄膜傳感器和溫度傳感器集成于監(jiān)測器內(nèi)。

26、本發(fā)明所述內(nèi)層各部分采用紐扣、拉鏈、粘貼或磁吸式連接在一起。

27、本發(fā)明所述內(nèi)層置于外部的穿戴層內(nèi)部，兩者間通過魔術(shù)貼連接在一起，所述外部穿戴層增加長袖或短袖。

28、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

29、首先，本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)地向?qū)W習(xí)者的身體多個(gè)關(guān)節(jié)提供校正性的振動(dòng)觸覺反饋，幫助學(xué)習(xí)者更快、更深入地掌握新的運(yùn)動(dòng)技能。這對于體育訓(xùn)練、神經(jīng)損傷后的肢體康復(fù)、舞蹈訓(xùn)練、健康姿態(tài)再訓(xùn)練等多種應(yīng)用場景都具有重要的實(shí)際價(jià)值。

30、此外，本發(fā)明還旨在成為低延遲、全天候、高并行的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)技能教師，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)新運(yùn)動(dòng)技能時(shí)提供持續(xù)的、直接的觸覺反饋，從而提高運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)效率和準(zhǔn)確性。

31、最后，本發(fā)明還可用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，包括體育訓(xùn)練、神經(jīng)損傷后的運(yùn)動(dòng)康復(fù)、舞蹈、健康姿勢再訓(xùn)練等。