27、可穿戴触觉系统在康复、运动训练及导航中的应用

可穿戴触觉系统在康复、运动训练及导航中的应用

1. RehApp系统介绍

在体育训练和康复场景中，传统的视觉和听觉指令往往难以遵循。随着年龄增长，人们处理感官信息的能力下降，遵循指令变得更加困难，这可能会对训练体验产生负面影响。为了解决这些问题，RehApp系统应运而生。

RehApp是一个可扩展的无线触觉系统，用于康复和体育训练。它与早期系统的不同之处在于，它在用户之间创建了一个易于配置的基于角色的网络，适用于用户角色可能变化的动态场景，如体育教练与运动员、物理治疗师与患者，甚至团队运动。

1.1 RehApp系统设计

RehApp被设计为一个可扩展的网络，由可穿戴的无线客户端组成，包含传感器和执行器。传感器用于感知用户所需肢体的运动，网络路由器将传感器接收到的消息路由到执行器，为用户或一组用户提供触觉反馈。

RehApp的设计目标如下：
- 显著的反馈：确保用户能够清晰感知到反馈信息。
- 低延迟：保证反馈的及时性。
- 无线连接：方便用户自由活动。
- 可扩展和动态的系统架构：适应不同的使用场景和用户数量。

以下是一个假设的体育训练场景，展示了RehApp如何影响用户体验：
- 准备阶段：用户Jane和John将RehApp设备附着在臀部，并将输入/输出模块安装在大腿下部。John将自己的设备设置为教练设备，Jane的设备设置为学员设备。
- 训练阶段：John口头指示Jane跟随他的腿部动作。当John交替抬起左右腿时，Jane通过RehApp设备的输入/输出模块获得触觉反馈，并开始周期性地抬起自己的左右腿。由于可见性差和周围噪音大，没有设备的其他学员难以跟随动作。如果Jane没有对John的所有动作都获得反馈，John可以轻松更改加速度值的阈值，使Jane更频繁地获得反馈。
- 角色转换阶段：Jane和John交换角色，开始锻炼手臂。他们只需移动输入/输出模块到手腕，保持RehApp设备在臀部。Jane设置自己的设备为教练设备，John的设备为学员设备。当Jane抬起手臂并保持时，John的手腕获得反馈并抬起手臂；当Jane放下手臂时，John也会获得反馈并放下手臂。

graph LR
    A[准备阶段] --> B[训练阶段]
    B --> C[角色转换阶段]

1.2 RehApp系统实现

RehApp系统由两个或多个客户端设备组成，每个设备有两个输入/输出模块，分别服务一个肢体。一台PC作为客户端 - 服务器架构中的服务器，服务器和客户端通过蓝牙串口配置文件进行通信。

服务器端通信使用Processing编程语言、bluetoothDesktop库和标准USB蓝牙加密狗实现。客户端设备使用BlueSMIRf蓝牙模块进行通信，基于Arduino UNO原型板实现。

输入/输出模块可拆卸，以提高RehApp设备的可穿戴性。选择Solarbotics VPM2振动盘式电机作为触觉执行器，因其封闭结构。在这个原型中，通过PWM信号控制驱动触觉执行器的NPN型晶体管，以控制触觉执行器的强度。

客户端采用基于角色的主 - 从架构，PC服务器根据预定义规则路由从客户端接收到的消息。客户端的对等通信通过将客户端角色应用于服务器上的规则来实现。

组件	实现方式
服务器通信	Processing编程语言、bluetoothDesktop库、标准USB蓝牙加密狗
客户端通信	BlueSMIRf蓝牙模块
客户端设备	Arduino UNO原型板
触觉执行器	Solarbotics VPM2振动盘式电机
执行器控制	PWM信号控制NPN型晶体管

2. NonVisNavi系统介绍

当前的移动导航系统通常需要视觉注意力，这在步行时会带来不便和安全隐患。NonVisNavi是一款用于移动电话的非视觉导航应用程序，通过触觉反馈实现导航，无需视觉注意力，潜在地提高了安全性。

2.1 导航系统现状与需求

近年来，移动电话的导航服务广泛普及，但这些应用通常需要视觉注意力，存在诸多缺点。例如，步行时看手机会分散对周围环境的注意力，天气因素（如阳光反射和雨水）也会干扰手机屏幕显示。此外，视觉障碍用户在使用视觉导航时存在困难。而触觉导航没有这些限制，具有解放眼睛、避免语言障碍、实现更快决策和减轻认知负担等优点。

早期的导航系统存在一些局限性，如需要用户携带额外设备，且不便于广泛使用。近年来，一些基于手机的触觉导航辅助工具得到了发展，如引入触觉图标和连续振动反馈等技术。

2.2 NonVisNavi系统设计

NonVisNavi利用手机振动帮助用户在步行时无需查看地图即可导航到目标。振动反馈有两个作用：在接近十字路口时引起用户注意，然后指示正确的方向。方向可以通过两种方式呈现：触觉图标和方向查询。

• 触觉图标：是一种振动模式，用于指示用户应该前往的方向，如左、右、继续向前或返回。例如，短脉冲（100 ms）后接长脉冲（400 ms），中间间隔100 ms，表示用户需要右转；300 ms脉冲后接100 ms间隔，然后是200 ms脉冲，表示左转；一个短脉冲（250 ms）表示向前；一个长脉冲（1000 ms）表示返回。
• 方向查询：用户旋转手机，当手机旋转到正确方向时，会获得500 ms的振动反馈。需要旋转30°才能触发振动，以避免日常使用中的小方向变化引起干扰。

NonVisNavi的操作步骤如下：
1. 启动应用程序，用户的位置显示在地图上。
2. 通过菜单输入并计算所需的路线。
3. 开始实际导航。

graph LR
    A[启动应用] --> B[输入并计算路线]
    B --> C[开始导航]

NonVisNavi为诺基亚运行Symbian^3 OS的手机实现，并在诺基亚C7 - 00上进行了测试。该应用程序也适用于较新的Symbian Anna和Symbian Belle手机，还创建了MeeGo 1.2 Harmattan版本，在诺基亚N9手机上进行了测试。它使用Qt框架和QML实现，并通过WebKit Web View使用诺基亚地图。位置通过手机GPS跟踪，方向查询利用手机加速度计，触觉反馈由手机内部的振动执行器提供。

通过RehApp和NonVisNavi这两个系统，我们可以看到触觉技术在康复、体育训练和导航领域的巨大潜力。它们为用户提供了更加便捷、安全和有效的体验，未来有望在更多领域得到应用和发展。

可穿戴触觉系统在康复、运动训练及导航中的应用

3. 系统技术特点对比

为了更清晰地了解RehApp和NonVisNavi系统的特点，我们对它们的关键技术点进行对比，如下表所示：
| 系统 | 应用场景 | 反馈方式 | 通信方式 | 硬件实现 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| RehApp | 康复和体育训练 | 触觉反馈（振动） | 蓝牙 | Arduino UNO原型板、Solarbotics VPM2振动盘式电机 |
| NonVisNavi | 行人导航 | 触觉反馈（振动） | - | 诺基亚手机（Symbian^3 OS、MeeGo 1.2 Harmattan）、内置加速度计和振动执行器 |

从这个表格中我们可以看出，两个系统虽然应用场景不同，但都采用了触觉反馈（振动）的方式，这体现了触觉技术在不同领域的通用性。而在通信方式和硬件实现上，它们根据自身需求进行了不同的选择。

4. 触觉技术优势分析

触觉技术在RehApp和NonVisNavi系统中发挥了重要作用，其优势主要体现在以下几个方面：
- 不受环境干扰 ：在体育训练的嘈杂环境和导航时的复杂天气条件下，触觉反馈不会受到视觉和听觉因素的干扰，能够稳定地为用户提供信息。
- 适应特殊人群 ：对于视觉障碍用户，触觉技术为他们提供了一种可行的导航和训练方式，弥补了视觉导航的不足。
- 减轻认知负担 ：用户无需花费过多精力去处理视觉或听觉信息，能够更专注于运动或行走本身，提高效率和安全性。

graph LR
    A[触觉技术] --> B[不受环境干扰]
    A --> C[适应特殊人群]
    A --> D[减轻认知负担]

5. 未来发展展望

虽然RehApp和NonVisNavi系统已经展现出了良好的性能和应用前景，但仍有一些方面可以进一步改进和发展：
- 降低延迟 ：对于RehApp系统，通过应用更复杂的信号处理算法，可以进一步降低系统的延迟，使反馈更加及时准确。
- 增强可扩展性 ：两个系统都可以通过采用其他通信方法，如Wi - Fi或ZigBee，允许更多的客户端同时连接，提高系统的可扩展性。
- 结合商业设备 ：可以利用商业移动设备的内置功能，如加速度计和触觉反馈，实现系统的简化版本，降低成本并扩大应用范围。

未来，随着技术的不断进步，触觉技术有望在更多领域得到应用，为人们的生活带来更多便利和创新。例如，在虚拟现实、智能家居等领域，触觉反馈可以提供更加沉浸式的体验和更加智能化的控制方式。我们期待着触觉技术在未来能够发挥更大的作用，创造出更多令人惊喜的应用场景。