УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИМИТАЦИИ И ПЕРЕДАЧИ КОНТАКТНЫХ ЭКСТЕРОЦЕПТИВНЫХ ОЩУЩЕНИЙ
DEVICE AND METHOD FOR SIMULATING AND TRANSMITTING CONTACT EXTEROCEPTIVE SENSATIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к информационным технологиям и может быть использовано для имитации контактных экстероцептивных, осязательных ощущений, возникающих при стимуляции определенных рецепторов, расположенных на поверхности тела, с использованием компьютеров, мобильных телефонов, электронных устройств.
В частности, настоящее изобретение представляет собой устройство в виде перчатки с расположенными на нем вибрационными, касательными, двигательными, нагревательными и охлаждающими элементами, используемыми для стимуляции рецепторов для имитации контактных экстероцептивных ощущений.
Уровень техники
В настоящее время известно использование серия игровых контроллеров-геймпадов, представляющих собой удерживаемые двумя руками пульты с кнопками и симметрично расположенными аналоговыми джойстиками под большие пальцы рук с функцией вибрации как средства обратной связи. Однако такие устройства передают только общую вибрацию на руки пользователя при эпизодических моментах.
В патенте США №6677932 описана система и способ для распознавания слепой печати и создание тактильной обратной связи с пользователем. Данное устройство обеспечивает тактильную обратную связь для имитации нажатия на механическую кнопку. Целью настоящего изобретения является получение тактильной обратной связи при слепой печати на клавиатуре, чтобы исключить ошибочное попадание пальца мимо кнопки, при этом имитируется только касание по кнопки и только звуковым или вибрационным сигналом.
Так же существует система и способ для применения вибрации к человеческому телу описанный в патенте США №8139803. Данная вибрационная система включает в себя вибратор, способный преобразовывать электрический сигнал в вибрацию. В одном случае, вибратор расположен на, или около человеческого тела на грудной мышце и на расстоянии от грудины. В другом варианте, вибратор расположен на или около человеческого тела таким образом, что колебания генерируются на поверхности тела. Описанное устройство не имитирует передачу тактильных ощущений, поскольку передает только вибрационные ощущения в область груди или рядом с ней.
Существует множество вариантов перчаток виртуальной реальности, которые содержат датчики расположения и движения пальцев для управления «виртуальной рукой» в программах виртуальной реальности. Некоторые из перчаток содержат системы вибропривода, обеспечивающие обратную связь и подобие тактильных ощущений. Примерами таких перчаток являются перчатка Dexmo компании Dextra Robotics (http://www.dextarobotics.com), перчатка Peregrine (http://theperegrine.com) и перчатка Manus VR (https://manus-vr.com).
Однако указанные перчатки не обеспечивают всей полноты тактильных ощущений, включающих ощущения вибрации, прикосновений, движения, фактуры и температуры предметов в виртуальной реальности.
Краткое описание настоящего изобретения
Целью настоящего изобретения является предоставление компактного, простого в изготовлении и пользовании устройства имитации различных тактильных ощущений,, а также способа имитации различных тактильных ощущений с использованием указанного устройства.
Указанная цель была достигнута посредством создания устройства в форме перчатки, в котором для имитации тактильных ощущений используется способ тактильного воздействия на рецептивные поля. Предлагаемое устройство является простым и удобным в использовании, и позволяет осуществлять восприятие имитируемой реальности в портативном и подвижном режиме.
Устройство согласно настоящему изобретению включает в себя:
- перчатку, выполненную из эластичного материала,
- стимуляторы механических, динамических и термические эффектов, закрепленные в областях перчатки, контактирующих с пальцами и ладонью руки в зонах расположения механорецепторов Мейснера, Пачини, Руффини,
Краузе и аксонов клеток Меркеля,
- блок управления и коммуникации, связанный с указанными стимуляторами и осуществляющий коммуникацию с управляющим программным обеспечением компьютера или смартфона,
- блок питания.
Одним из вариантов выполнения настоящего изобретения является устройство в форме перчатки для имитации контактных экстероцептивных ощущений на кожные покровы, в данном случае на пальцы и ладонь руки, посредством распложенных в нем стимуляторов, которые синхронизированы межу собой и передают механические, динамические и термические эффекты, а именно эффекты вибрации, сжатия, расширения, смещения, давления, нагревания и охлаждения.
В одном из вариантов настоящее изобретение может использоваться как дополнение к визуализации объекта, события или передаваемых ощущений для создания максимально перцептивного образа.
В одном из вариантов выполнения устройство согласно настоящему изобретению содержит тактильные стимуляторы, использующиеся для формирования тактильных ощущений, расположенные на кончиках пальцев руки и на ладони.
В одном из вариантов выполнения устройство согласно настоящему изобретению содержит вибрационные стимуляторы, использующиеся для имитирования ощущений вибрации, расположенные на внутренней стороне фаланг пальцев, а так же на внутренней стороне кисти руки.
В одном из вариантов выполнения устройство согласно настоящему изобретению содержит термические стимуляторы, использующиеся для имитирования температурных ощущений, расположенные на внутренней и на внутренней стороне кисти руки.
В одном из вариантов выполнения устройство согласно настоящему изобретению содержит фиксирующий элемент на запястье руки.
В одном из вариантов способа согласно настоящему изобретению имитация, прием и прием контактных экстероцептивных ощущений осуществляется с использованием описанного выше устройства. Передаваемые ощущения формируются путем последовательного или одновременного воздействия на рецепторы пальцев и ладони руки, посредством стимуляторов, управляемых с помощью программного обеспечения, установленного на компьютер или смартфон, соединенный с указанным устройством, проводным или беспроводным способом, через блок управления и коммуникации указанного устройства.
Описание чертежей
На Фиг. 1 представлен один из вариантов выполнения устройства согласно настоящему изобретению по форме перчатки, где буквой «В» на внутренней стороне ладони перчатки отмечены зоны рецептивного воздействия.
На Фиг. 2 на внутренней стороне ладони отмечены наиболее эффективные зоны рецептивного воздействия на рецептивном поле, где присутствует максимальное скопление все стимулируемых тактильных механорецепторов.
На Фиг. 3 на внутренней стороне ладони выделены зоны максимального скопления тактильных механорецепторов, именуемых тельцами Мейснера.
На Фиг. 4 на внутренней стороне ладони выделены зоны максимального скопления тактильных механорецепторов, именуемых тельцами Пачини.
На Фиг. 5 на внутренней стороне ладони выделены зоны максимального скопления тактильных механорецепторов аксонов клеток Меркеля.
На Фиг. 6 на внутренней стороне ладони выделены зоны максимального скопления тактильных механорецепторов, именуемых тельцами Руффини и Краузе.
На Фиг. 7 представлен вариант размещения элементов воздействия на рецептивное поле в области кончика указательного пальца.
Подробное описание настоящего изобретения
Термин «экстероцептивные ощущения», используемый в настоящем изобретении означает ощущения, которые доводится до сознания человека посредством информации из внешнего мира.
Предпочтительными экстероцептивными ощущениями, генерируемыми с использованием устройства согласно настоящему изобретению, являются контактные экстероцептивные ощущения, а именно осязательные и температурные ощущения.
В устройстве, согласно настоящему изобретению для создания контактных экстероцептивных ощущений используется осязательный способ приема информации. Ощущения имитируются посредством воздействия на рецептивное поле различными внешними стимуляторами.
В одном из вариантов выполнения предоставляется устройство в форме перчатки (см. Фиг. 1), где на внутренней стороне фаланг пальцев руки и на внутренней стороне ладони кисти расположены стимуляторы, воздействующие на рецептивное поле.
Воздействие стимуляторов направлено на тактильные механорецепторы, которые воспринимают такие явления, как прикосновение, давление, растяжение кожи и изменение температуры. Элементами в данном рецептивном поле, на которые осуществляется воздействие, являются свободные нервные окончания с утраченной миелиновой оболочкой и нейролем, тельца тактильных механорецепторов Мейснера, Пачини, Руффини, Краузе и аксоны клеток Меркеля.
Подробное описание общих функций и характеристик механорецепторов можно найти в книге «Neuroscience. 2nd edition», выпущенной в 2001 году издательством Sinauer Associates при Oxford University. Соответствующий раздел доступен по ссылке: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11162/.
Описание механорецепторов Мейснера, Пачини, Руффини, Краузе с указанием их функций раскрыто в книге D.J. Taylor, N.Р.О. Green, G.W. Stout, R. Soper, "Biological Science 1&2", v. 2, Third ed., 1997, Cambridge University Press, разделы 16.5.1. "Механорецепторы" и 16.5.2. "Терморецепторы". В указанном источнике, в частности, утверждается, что на прикосновение отвечают специализированные рецепторы, называемые тельцами Мейснера, которые лежат под самым эпидермисом и состоят из одного извитого нервного окончания, заключенного в капсулу, заполненную жидкостью. В коже, суставах, сухожилиях, мышцах и брыжейке имеются тельца Пачини, состоящие из окончания одного нейрона, окруженного соединительнотканными пластинками. Эти рецепторы реагируют на давление. Также указано, что в дерме имеются два типа рецепторов, которые считаются ответственными за температурную чувствительность: тельца Руффини, реагирующие на тепло, и колбочки Краузе, реагирующие на холод.
Тельца Меркеля (или диски Меркеля), воспринимающие осязательные раздражения, их расположение и функции описаны в Halata Z., Baumann K.I., Grim М. Merkel Nerve Endings Functioning as Mechanoreceptors in Vertebrates // The Merkel Cell: Structure - Development - Function - Cancerogenesis / Baumann K.I., Halata Z., Moll I. (Eds.). - Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2003.
В одном из вариантов выполнения устройства согласно настоящему изобретению зоны воздействия в рецептивном поле определены в месте максимального скопления соответствующих тактильных механорецепторов (см. Фиг. 2.)
Воздействием в рецептивном поле на тактильные механорецепторы путем прямой стимуляции сенсорных нейронов можно имитировать разные ощущения:
Оказывая стимуляцию в виде вибрационного воздействия на рецептивное поле, например продуцируя посредством переменного электрического тока изменение формы пьезоэлектрика, который соприкасается с кожей в зоне воздействия, в частотном диапазоне от 30 до 40 Гц, оказывается воздействие на тактильные механорецепторы, именуемые тельцами Мейснера, зоны максимального скопления которых отмечены на Фиг. 3, которое имитирует слабое прямое прикосновение благодаря поверхностному расположению телец в эпидерме.
При стимуляции в виде вибрационного воздействия в частотном диапазоне от от 70 до 800 Гц оказывается воздействие на тактильные механорецепторы - тельца Пачини, зоны максимального скопления которых отмечены на Фиг. 4, которое имитирует сильное прямое прикосновение.
При синхронном воздействии на аксоны клеток Меркеля, зоны максимального скопления которых отмечены на Фиг. 5, воздействие на которые производится путем смещения кожной поверхности в зоне стимуляции в диапазоне от 1 до 2 миллиметров, с сохранением контакта кожной поверхности в зоне соприкосновения со стимулятором, возникает незначительное натяжение кожной поверхности за периметром зоны воздействия, что в сочетании с имитацией прикосновения имитирует ощущение касательного перемещения по поверхности зоны воздействия.
При этом широкий диапазон частотного воздействия на тактильные механорецепторы - тельца Пачини позволяет имитировать текстуру поверхности путем кратковременной перемены частоты воздействия, таким образом имитируя гладкую или грубую поверхность.
Синхронное и направленное воздействие стимуляторов вибрации и стимуляторов смещения по рецептивной поверхности может имитировать касательное направление движения по поверхности. При этом резкость и степень смещения, в сочетании повышением или уменьшением скорости вибрационного воздействия описанного выше, имитирует резкость начала перемещения и скорость перемещения по поверхности.
Оказывая тепловое воздействие в зоне рецептивного поля на глубину более 0,17 мм, например в данном случае посредством элемента, который соприкасается с кожей в рецептивной зоне, состоящего из двух разнородных проводников, через которые проходит электрический ток вместе их соединения, именуемый элементом Пельтье, где при поглощении энергии происходит нагревание, осуществляется воздействие на тактильные механорецепторы - тельца Руффини, зоны максимального скопления которых отмечены на Фиг. 6, являющимися рецепторами тепловой чувствительности, которое в сочетании с выше описанным воздействием имитирует ощущение повышенной температуры поверхности, по которой происходит имитируемое касание.
Оказывая охлаждающее воздействие в зоне рецептивного поля на глубину более 0,3 мм, например в данном случае посредством элемента, который соприкасается с кожей в рецептивной зоне, состоящего из двух разнородных проводников, через которые проходит электрический ток вместе их соединения, именуемый элементом Пельтье, где при поглощении энергии происходит охлаждение, осуществляется воздействие на тактильные механорецепторы - тельца Краузе, зоны максимального скопления которых отмечены на Фиг. 6, являющимися рецепторами чувствительности к холоду, которое в сочетании с выше описанным воздействием имитирует ощущение пониженной температуры поверхности, по которой происходит имитируемое касание.
В частности, в данном описываемом варианте изобретения, где используется элемент Пельтье, возможно изменение температуры зоны воздействия в диапазоне от плюс 40 до минус 5 градусов, которую можно регулировать, с сохранением контакта кожной поверхности в зоне воздействия путем изменения направления и силы электрического тока.
Оказывая механическое давление в зоне рецептивного поля, например посредством примитивных механических элементов и способов, осуществляется воздействие на тактильные механорецепторы - тельца Пачини, которые так же являются рецепторами, реагирующими на сдавливание, воздействие на которые имитирует ощущение силы нажатия на поверхность.
Имитация направления движения по поверхности, формирование ощутимой, рельефной фактуры, силы прикосновения к ней, а так же температуры поверхности достигается путем сочетания выше описанных имитирующих процессов, которые регулируются и управляются единой системой.
Управление стимуляторами, размещенными на устройстве согласно настоящему изобретению, осуществляется с помощью программного обеспечения, установленного на компьютере или смартфоне через блок управления и коммуникации, связанный с указанными стимуляторами, посредством, предпочтительно, беспроводного соединения по протоколу Wi-Fi или Bluetooth.
Питание устройства осуществляется блоком питания, расположенным на указанном устройстве.
Один из вариантов выполнения устройства согласно настоящему изобретению изображен на Фиг. 1.
Например, для того чтобы имитировать медленное легкое касательное движение открытой ладони по вертикальной, гладкой, прохладной поверхности по направлению сверху вниз, на примере рассматриваемого варианта устройства в форме перчатки, необходимо синхронно воздействовать на рецептивное поле, определенное на Фиг. 2, следующими стимуляторами:
- вибрационными стимуляторами в постоянной частоте в диапазоне от 200 до 500 Гц,
- стимуляторами смещения кожной поверхности по направлению вверх в диапазоне от 0,3 до 0,5 мм,
- охлаждающими стимуляторами в температурном диапазоне от 12 до 18 градусов Цельсия.
На Фиг. 7 на примере рассматриваемого варианта устройства в форме перчатки представлен вариант размещения стимуляторов, воздействующих на рецептивное поле в области указательного пальца.
Хотя указанные изобретения описаны в деталях выше, для специалиста в указанной области техники, очевидно, что могут быть сделаны изменения и произведены эквивалентные замены, и такие изменения и замены не выходят за рамки настоящего изобретения, которые определяются приложенной формулой изобретения.