CN100360287C - 基于水射流刺激的机器人触觉再现方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于水射流刺激的机器人触觉再现方法及装置涉及一种用于机器人触觉再现的压力—温度融合刺激装置，本地计算机通过通信网络接收遥机器人触觉信息，其输出端口接水射流刺激装置的各信号控制端，以控制水射流刺激的射流水温、射流压力以及各触点处喷嘴与水压源的联通或断开，从而将遥作业机器人的触觉信息以水流刺激的方式提供给本地操作者。射流水柱在操作者指端等肌体组织表皮的触觉刺激包括由于水压作用产生的压力斜坡触觉刺激及由于射流水温与操作者体温的差异产生的温度斜坡触觉刺激，两种斜坡刺激共同作用，在操作者肌肤表面产生压力—温度融合人工触觉。

Description

基于水射流刺激的机器人触觉再现方法及装置

                            技术领域

本发明涉及一种用于遥机器人触觉信息再现的装置，尤其是能使操作者获得温和舒服触觉感受且真实安全有效的机器人触觉再现水射流刺激装置。

                            背景技术

机器人触觉临场感再现技术可以有效地增强遥控作业系统中操作者对远地从机械手与物体接触情况的感知，使操作者很快而又准确地完成操作任务。在跟踪抓取、精细操作，以及存在无照明、狭窄空间等视觉障碍时，机器人的触觉能力显得尤为重要。借助遥机器人，当今人类的科学探索和科学勘探活动深至洋底，上及太空，远至火星等太阳系星球，触觉再现的技术手段和实现装置直接代表着触觉临场感的发展水平，触觉临场感再现技术已经成为主从式遥操作机器人的技术发展急需。

触觉再现的技术实现包括视觉再现和直接再现两种方式，其中，直接方式是指通过触觉再现装置将远地机器人传感器获取的触觉信息转换为相应的刺激施加于操作者的手指，以复现真实的触感；视觉方式则是指将远地触觉信息通过显示器显示给操作者，这种方式虽然直观，但由于视觉临场感对操作者显示屏的独占，往往不容许触觉信息再现工作在该方式下，而且视觉再现也不如直接再现那样来得自然。直接触觉再现的刺激形式多种多样。目前国内外进行研究的直接再现方式主要有^[5]：喷气刺激、振动刺激、电刺激和神经肌肉刺激等。在众多的触觉再现实现方式中，要做到简单实用、便于安装，感觉舒适真实还有待进一步深入研究。喷气触觉反馈的最大缺点在于其带宽较小，约10Hz。振动触觉反馈的不足之处是结构复杂不便安装或妨碍手指的正常运动，此外，振动触觉反馈的能量转换效率低，易引起过多的发热与疼痛，高频振动时噪音也较大。神经肌肉刺激式触觉反馈不同于其它方式的触觉反馈技术，它并不是刺激操作者的皮肤，而是将电刺激直接施加于体感皮层(Silvermintz，1988)。如果做得合适，操作者的大脑会意识到他(她)的手指接触到了物体，由于刺激电极侵入到皮肤内，并有损坏神经肌肉系统的可能性，目前，还不太可能应用于遥控操作系统中。电刺激具有体积小，便于安装和与计算机连接，深受研究人员青睐，其主要缺点在于易引起不舒服的感觉(如刺痛感)，动态范围小，一致性较差。我们依据以色列神经生物学专家Ehud Ahissar博士关于大脑对触觉信息的获取是由空间和时间两个通道的数据同时编码而成这一最新科学发现，率先提出了基于时空双通道的电触觉再现方法，较好地解决了电触觉再现的刺痛感和时间适应性困难。但是，电触觉由于采用电流直接作用于人体，而且电源电压高达正负70V，因此总有部分操作者存在心理紧张及顾虑(部分操作者甚至根本不愿意尝试)，从而导致刺激电极下肌体组织的微循环状态明显改变，进而影响电刺激效果，增加触觉再现难度。

                            发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有触觉再现的技术实现存在的上述问题，提供一种基于水射流刺激的机器人触觉再现方法及装置，该触觉再现装置通过水射流刺激为操作者提供感觉，具有安全舒服触感清晰有效的特点。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：依据触觉斜坡理论，提出能够实现压力一温度融合触觉再现的水射流触觉再现方法，并进行水射流触觉再现装置的设计。

触觉斜坡理论是关于触觉形成条件要素的描述，是指外界刺激所激发的触觉强弱与肌体组织表面的压力(也可以是吸力，其值可正可负，为正时表示压力，为负时表示吸力)或温度等参数的分布有关，形成触觉的物理要素在量的分布上在触觉作用点周围存在一个梯度分布，当且仅当此梯度分布达到某一阈值时，方可唤起生物体的触觉感受器的触觉反应，我们把激发触觉的各物理要素的梯度分布称之为触觉斜坡，斜坡越陡，触感越强烈。

生活中关于触觉斜坡的实例很多，如采用尖头物体刺激皮肤时，在接触点周围可以观察到很明显的由压力斜坡形成的凹坑，而当把手指置入凉水中时，由于凉水带走热量而在手指与凉水接触的分界面处形成一个温度分布斜坡，因而触感非常明显，而水下部分虽然凉水也带走热量，但指端各处带走的热量基本相等，因此虽然指端部分承受了压力但由于没有形成温度斜坡，因而触感没有分界面处明显。仔细考察身边的每一个产生触觉的实例，几乎每个实例都可以从压力和温度斜坡的角度理解触觉的形成机制。只是在某些事例中压力斜坡对触觉的贡献较大，而在另一些实例中，则是温度斜坡对触觉的贡献更大些。生活中只有压力斜坡而没有温度斜坡或只有温度斜坡而没有压力斜坡的触觉实例是几乎不可能存在的，但是在某些情况下，某种类型的斜坡占主导作用，而另一种斜坡的作用可以忽略的情形是非常普遍的。如前面提及的尖头物体刺激皮肤就是压力斜坡主导，当尖头物体很尖锐，温度接近体温，并且其与肌肤的接触面积很小，不至于影响肌肤表面的温度分布时，温度斜坡对触觉的贡献可以完全忽略，对于手指置入水中的情形，当手指肌肤与水面只是轻微接触时，指短所受到的压力(或吸力)是水对指端的浮力(或水面对指端肌肤的吸附力)，该力非常微弱，压力斜坡对触觉的贡献也可以完全忽略，这时则是温度斜坡起主导作用，尤其是触及的对象是冰水或者热水的时候，触觉尤为明显，这就是温度斜坡的贡献，相反，当手指探入与体温相近的温水中时，主体对于手指是否接触到温水的感觉则通常不明显。

一般来说，施加触觉形成压力斜坡时，由于施加压力的载体与肌体表面的温度总存在一些温度的差异，因此不可避免地形成触觉刺激的温度斜坡。载体与肌肤温差越大，形成的温度斜坡就越陡，操作者感受的触觉刺激就越明显，反之触觉则不甚敏感。

触觉斜坡可以用公式描述为：  H_∑＝F(g(P)，h(T)，r(X))

其中，g(P)为压力斜坡函数，h(T)为温度斜坡函数，r(X)为其他未知参量的斜坡函数。触觉斜坡函数是压力、温度和其他未知参量斜坡函数的综合，各斜坡函数对触觉斜坡的贡献。

所谓水射流触觉再现技术，是指利用以一定速度喷射的水流施加在操作者指端的肌体表面，以形成一定强度的压力斜坡，同时由于水流可以带走一定的热量，又可以形成一定的温度斜坡，两种因素交互作用，在操作者指端形成清晰的触觉感受。在具体实施中，还可以在水流速度稳定的水流柱中施加一定强度的低频无序振动，以引起操作者皮肤表面压强瞬时无规律变化(时间通道)，从而消除操作者触觉刺激的时间适应性。由于水射流触觉再现可以将水流循环装置及控制系统放置在固定位置，并依赖精密加工技术将触点阵列做成很薄并设计成具有一定柔性的薄片，还因为，水射流不会导致操作者肌体组织的刺痛感，易于为操作者所接受，因此，水射流触觉再现技术及装置将能够解决当前触觉再现困难，为操作者提供温和舒服的触觉感受。

本发明的基于水射流刺激的机器人触觉再现装置包括计算机、热水池、冷水池、增压器、低频振动器、触觉池、调节阀、调节阀、混水器和电磁阀组；其中，热水池、冷水池分别通过热水调节阀、冷水调节阀与混水器的进水端相连，混水器的出水端通过增压器、低频振动器、电磁阀组接触觉池；增压器、低频振动器、热水调节阀、冷水调节阀的控制端与计算机相接。

触觉池由底座、垫脚、密封盖板、喷头管道、喷头、喷管定位槽、喷头上定位孔、喷嘴、泻流孔、进气口和排水口构成，底座与触觉池底部、密封盖板及长条形垫脚之间采用螺丝连接并形成一个封闭空间，密封盖板和底座结合面上各开有若干半圆槽，安装成整体后形成固定喷头管道的圆形通孔，触觉池底部的喷头上定位孔用于喷头的定位，触觉池底与喷头相连的喷嘴按N×M点阵排列(其中N、M均为自然数)，触觉池底部四个角上有泻流孔，周壁有进气孔，密封盖板上有排水孔，进气孔和排水孔的位置设计在侧面位置。当底座较薄不易加工喷头管道定位槽时，喷头管道可以焊接或胶粘结的方式固定在底座上。

本发明的基于水射流刺激的机器人触觉再现装置的触觉再现方法在于通过水射流刺激的方式将遥作业机器人的触觉信息再现在操作者的指端，从而将遥作业机器人的触觉信息提供给本地操作者，实现本地操作者对远地遥机器人触觉信息的感知，远地的机器人手臂在感觉功能上如同本地操作者手臂的延伸。

水射流在操作者指端等肌体组织表皮的触觉刺激包括由于水压作用产生的压力斜坡触觉刺激及由于射流水温与操作者体温的差异产生的温度斜坡触觉刺激，两种斜坡刺激共同作用，在操作者肌肤表面产生压力一温度融合人工触觉。

在射流水柱中施加一定的低频无序振动，以引起操作者皮肤表面射流水压的瞬时无规律变化，从而可以有效地避免触觉再现的时间适应性，并有利于操作者获得相对温和舒服的触觉感受。

水射流触觉再现装置中，热水池和冷水池分别具有各自的温度传感和控制电路，热水池流出的热水与冷水池流出的冷水再分别经热水调节阀和冷水调节阀在混水器处混和得到期望的射流水温，混和后的水流经增压器后得到符合触觉再现要求的射流水压，该射流水压再经过低频振动器得到特定水温而压力时变的水射流，该水流经由计算机控制的电磁阀组后经触觉池中的射流喷嘴喷向操作者的指端，形成水射流人工触觉，从而将远地遥机器人的触觉信息提供给本地操作者。

本地计算机的输入接收来自遥机器人的触觉信息，并将该信息通过计算机的输出端口(如并口等)控制电磁阀组的选通，从而形成与远地触觉信息相吻合的本地人工水射流触觉。同时，计算机也是水射流触觉再现装置各参数的调节和控制中心，水射流的温度、压强及振动强弱等均可以通过计算机的人机接口进行在线调节。

有益效果：水射流触觉再现技术可以很好地克服其他触觉再现技术手段中操作者的不舒服感觉或不安全感，避免触觉再现的时间适应性困难，并可实现压力一温度融合触觉再现，为操作者提供温和舒服清晰的全真触觉感受。

该技术对发展我国空间和洋底遥操作智能机器人技术有重要促进作用。该成果除可应用于机器人触觉信息再现外，对于建立感觉信息处理模型及改进虚拟现实技术具有重要价值，对于无人化战场、防化、救护等军事领域亦具有重要价值，随着网络技术飞速发展，还可广泛应用于远程医疗、远程制造、感觉功能替代及互动娱乐等民用领域。

                            附图说明

图1是本发明的原理示意图。其中有计算机1、热水池2、冷水池3、增压器4、低频振动器5、触觉池6、热水调节阀7、冷水调节阀8、混水器9、电磁阀组10。

图2是触觉池的结构示意图。其中有触觉池6、底座12、垫脚13、密封盖板14、喷头管道15、喷头16、喷管定位槽17、喷头上定位孔18、喷嘴19、泻流孔20、进气口21和排水口22。

图3是触觉再现实施例的人机控制界面。

                          具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

图1为本发明提供的水射流触觉刺激器原理示意图。在结构上水射流机器人触觉再现刺激装置由计算机1、热水池2、冷水池3、增压器4、低频振动器5、触觉池6、调节阀7、调节阀8、混水器9和电磁阀组10等组成。本地计算机1的输入来自遥机器人的触觉信息，并将该信息进行处理后通过计算机的输出端口(如并口等)控制电磁阀组的选通，从而形成与远地触觉信息相吻合的本地人工水射流触觉。同时，计算机也是水射流触觉再现装置各参数的调节和控制中心，水射流的温度、压强及振动强弱等均可以通过计算机的人机接口进行在线调节，其中，由于低频振动的强弱在触觉刺激中通常保持恒定，因而低频振动强度也可以采用手动方式进行调节。另外，热水池2和冷水池3是触觉再现的射流水体的源头，两者均有独立的温度传感和控制回路，为便于水体流出，热水池2和冷水池3可维持一定的水压。

本发明的水射流触觉再现方法是通过水射流刺激的方式将遥作业机器人的触觉信息传递至操作者的指端，水射流在指端的刺激一方面由于水压作用可以在操作者指端产生压力斜坡触觉刺激，另一方面由于射流水温与操作者体温的差异还将在操作者指端产生温度斜坡触觉刺激，两种斜坡刺激共同作用，从而将遥作业机器人的触觉信息提供给本地操作者，实现本地操作者对远地遥机器人触觉信息的感知，而远地的机器人手臂在感觉功能上则如同本地操作者手臂的延伸。

在机器人系统的控制下，远地触觉信息实时传送和储存到本地计算机的触觉数据文件dcj.dat中。实验室环境下，该触觉数据可以由安装在主从式机器人从手指端的触觉传感器获取，也可以由操作者通过附图3所示的人机控制界面选通相关方形图标提供，方形图标与触觉再现阵列上的触觉喷嘴一一对应，操作者通过点击图标可以使其由灰色变为白色(如附图3中的图标1和图标4)以选通该图标对应喷嘴处的射流触觉，也可以再次点击图标使其由白色变为灰色而关断相应喷嘴处的射流触觉，选定图标，相关触点选通信息即被实时写入到触觉数据文件dcj.dat中。

按下附图3控制界面中的“确定”按钮，触觉系统软件即将触觉数据从dcj.dat文件中读出，经解析后，从计算机的输出端口输出触觉信息相对应的触觉选通控制信号，该控制信号经驱动后与电磁阀组10相连，控制信号电平的高低变化可以使电磁阀导通或关闭，从而控制与水射流触觉阵列各喷嘴相连的喷头管道与压力水源的联通和关断，喷头管道与触觉池6相连。触觉池6的结构如附图2所示。附图2中，触觉池6的下方是底座12，底座12和触觉池之间有垫脚13和密封盖板14，垫脚13、密封盖板14、底座12及触觉池底形成一个封闭的空间，可以有效地防止水射流水体的外泻。密封盖板14下方有半圆孔洞，与喷头16相连的喷头管道15从该半圆孔洞和底座12之间穿过，并通过电磁阀组10与压力水源相连。底座12上有喷管定位槽17，该定位槽与触觉池12底部的喷头上定位孔18一起可以对喷管和喷头进行有效定位，当底座12很薄，不便于加工喷管定位槽17时，喷管15亦可直接焊接于底座12之上。触觉池底有与喷头16相连的喷嘴19，喷嘴19在触觉池底的分布一般按N×M点阵排列，附图2中为2×2阵列，压力水流通过喷嘴19喷向操作者指端肌体表面为操作者提供刺激人工触觉所需的压力和温度斜坡，并最终在操作者指端实现与远地机器人指端触觉信息想吻合的水射流人工触觉。触觉池与操作者肌体组织之间隔以导热性能良好的隔水软布，从而达到既隔水又能传递压力斜坡和温度斜坡的目的。为使喷嘴喷出的水体迅速排出触觉池6，在触觉池6底部设计有泻流孔20，在密封盖板上设计有排水口22，触觉池6中的水体即通过与排水口22相连的水泵及时泵出池外，另外，在触觉池6和底座12之间还填充有吸水海绵体，以快速吸收触觉池6中的水体，为防止触觉池中形成负压，在触觉池6周壁设计有进气口21。

调整附图3中的热水流量滚动条可以调节与热水池2相连的调节阀7的流量大小，调节附图3中的冷水流量滚动条可以调节与冷水池3相连的调节阀8的流量大小，调节阀7流出的热水与调节阀8流出的冷水在混水器9处混和可以得到满足触觉再现要求的射流水温。

调整附图3中的射流水压滚动条可以对增压器进行调节，从而对射流水压进行在线调节，调整附图3中的“低频振动”滚动条可以对低频振动作用的强弱进行在线调节，由于低频振动作用的强弱在触觉再现实施过程中通常保持恒定，因此低频振动强度亦可以采用手动调节方式。

本发明获得的水射流人工触觉具有安全可靠、触感稳定真实有效的特点，而施加低频无序振动作用则可以有效地避免触觉再现的时间适应性，并有利于操作者获得相对温和舒服的触觉感受。

Claims (5)

1、一种基于水射流刺激的机器人触觉再现装置，其特征在于该装置包括计算机(1)、热水池(2)、冷水池(3)、增压器(4)、低频振动器(5)、触觉池(6)、调节阀(7)、调节阀(8)、混水器(9)和电磁阀组(10)；其中，热水池(2)、冷水池(3)分别通过热水调节阀(7)、冷水调节阀(8)与混水器(9)的进水端相连，混水器(9)的出水端通过增压器(4)、低频振动器(5)、电磁阀组(10)接触觉池(6)；增压器(4)、低频振动器(5)、热水调节阀(7)、冷水调节阀(8)的控制端与计算机(1)相接；该装置利用以一定速度喷射的水流施加在操作者指端的肌体表面，以形成一定强度的压力斜坡，同时由于水流可以带走一定的热量，又形成一定的温度斜坡，两种因素交互作用，在操作者指端形成清晰的触觉感受。

2、根据权利要求1所述的基于水射流刺激的机器人触觉再现装置，其特征在于触觉池(6)由底座(12)、垫脚(13)、密封盖板(14)、喷头管道(15)、喷头(16)、喷管定位槽(17)、喷头上定位孔(18)、喷嘴(19)、泻流孔(20)、进气口(21)和排水口(22)构成，底座(12)与触觉池(6)底部、密封盖板(14)及长条形垫脚(13)之间采用螺丝连接并形成一个封闭空间，密封盖板(14)和底座(12)结合面上各开有若干半圆槽，安装成整体后形成固定喷头管道(15)的圆形通孔，触觉池(6)底部的喷头上定位孔(18)用于喷头(16)的定位，触觉池底与喷头(16)相连的喷嘴(19)按N×M点阵排列，其中N、M均为自然数，触觉池(6)底部四个角上有泻流孔(20)，周壁有进气孔(21)，密封盖板上有排水孔(22)，进气孔(21)和排水孔(22)的位置设计在侧面位置。

3、一种适用于权利要求1所述的基于水射流刺激的机器人触觉再现装置的触觉再现方法，其特征在于通过水射流刺激的方式将遥作业机器人的触觉信息再现在操作者的指端，从而将遥作业机器人的触觉信息提供给本地操作者，实现本地操作者对远地遥机器人触觉信息的感知，远地的机器人手臂在感觉功能上如同本地操作者手臂的延伸。

4、根据权利要求3所述的基于水射流刺激的机器人触觉再现装置的触觉再现方法，其特征在于水射流在操作者指端等肌体组织表皮的触觉刺激包括由于水压作用产生的压力斜坡触觉刺激及由于射流水温与操作者体温的差异产生的温度斜坡触觉刺激，两种斜坡刺激共同作用，在操作者肌肤表面产生压力-温度融合人工触觉。

5、根据权利要求3所述的基于水射流刺激的机器人触觉再现装置的触觉再现方法，其特征在于在射流水柱中施加一定的低频无序振动，以引起操作者皮肤表面射流水压的瞬时无规律变化，从而可以有效地避免触觉再现的时间适应性，并有利于操作者获得相对温和舒服的触觉感受。

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