CN100443268C - 虚拟物体表面纹理触觉感知装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟物体表面纹理触觉感知装置，包括：支架，在支架上设有纵向电机，在纵向电机的输出转轴上固定有转动体，在转动体上设有感知触头，上述转动体为转盘，转盘上的感知触头采用由突起和微孔组成并按直线排列的纹理信息轨道，纹理信息轨道沿转盘的周向均匀分布，在支架与纵向电机之间设有滑块、丝杠和电机，滑块与纵向电机固定连接并与丝杠螺纹连接，丝杠与支架转动连接，电机的输出转轴与丝杠连接。本发明具有结构简单、纹理特性表现丰富、准确，控制和使用方便的特点，可以应用于虚拟现实技术以及遥操作机器人远程作业等场合中，可以方便地安装在手控器上或和数据手套相配合。

Description

虚拟物体表面纹理触觉感知装置

技术领域

本发明属于虚拟现实技术与遥操作机器人技术领域，是一种人机触觉接口装置，尤其涉及一种虚拟物体表面纹理触觉感知装置。

背景技术

随着虚拟现实技术和交互式遥操作机器人技术的广泛应用，将需要大量的具有力觉和触觉反馈作用的人机接口装置。触觉感知装置就是一类重要的人机接口装置，在虚拟现实系统中，操作者通过该装置可以触摸虚拟环境中的虚拟物体，真实地感知虚拟物体的表面纹理等触觉特性；在遥操作机器人系统远程作业过程中，它可以将机器人末端执行器的作用对象(如远程手术中的肌肉、组织、器官、肿瘤等对象)的触觉信息反馈给操作人员，并在操作者的指端再现物体的表面纹理信息，使操作者产生“身临其境”的触觉感知效果，从而可以准确地判断物体的分类，例如，在远程医疗过程中，根据这种表面纹理触觉感知装置就可以判断组织表面血管的分布情况、或肿瘤的分布情况。

目前国内外现有的触觉感知装置主要有阵列式形状触觉感知装置、气囊式柔性触觉感知装置、电刺激式触觉感知装置，它们主要是一种接触状态和物体形状感知装置；而现有的表面纹理触觉感知装置主要是基于摩擦力变化原理和震动原理(通过震动幅度和频率变化的来表现纹理触觉信息)的触觉感知装置，它们的主要特点是只能粗略地感知表面纹理信息，由于它们无法反映物体表面的微小不平度，因此它们无法实现比较精确的纹理触觉感知。

发明内容

本发明提供一种虚拟物体表面纹理触觉感知装置，具有结构简单、纹理特性表现丰富、准确，控制和使用方便的特点，可以应用于虚拟现实技术以及遥操作机器人远程作业等场合中。

本发明采用如下技术方案：

一种涉及人机触觉接口装置的虚拟物体表面纹理触觉感知装置，包括：支架2，在支架2上设有纵向电机5，在纵向电机5的输出转轴上固定有转动体1，在转动体1上设有感知触头4，上述转动体1为转盘，转盘上的感知触头4采用由突起和微孔组成并按直线排列的纹理信息轨道，纹理信息轨道沿转盘的周向均匀分布，在支架2与纵向电机5之间设有滑块6、丝杠7和电机8，纵向电机5固定在滑块6上，滑块6与丝杆7螺纹连接，丝杠7与支架2转动连接，电机8的输出转轴与丝杠7连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明针对虚拟现实和遥操作机器人领域的触觉感知的需要，研制了一种新颖的虚拟物体表面纹理触觉感知装置。本发明是：(1)在转盘的径向顺序布置一系列均匀排列的从大到小的凹孔和从小到大的凸点构成的线阵，凹孔与突起之间有一段光滑区域，我们称这种线阵为纹理信息轨道；(2)在转盘上方安放带有纹理触觉感知孔的固定支撑盖；(3)通过一个电机控制转盘以一定的转速旋转，另一个电机控制转盘的中心轴相对于纹理触觉感知孔的位置。(4)当操作者将手指端部放置在转盘上的纹理触觉感知孔处，随着转盘转速的不同以及所接触的转盘上纹理信息轨道的凹孔和凸点区域的不同，人手就可以精确感知到不同的纹理特性，如桌面的纹理、丝织物的纹理、肌肉组织的纹理等，从而可以准确地识别虚拟对象等。本发明具有结构简单、纹理特性表现丰富、准确，控制和使用方便的特点，可以方便地安装在手控器上或和数据手套相配合。本发明可以应用于虚拟现实技术以及遥操作机器人远程作业等场合，特别是在虚拟手术系统中可以使操作人员逼真地感觉到虚拟人体组织、器管、肿瘤的表面物理特性，正确地识别虚拟组织、器管的病变以及血管、神经的分布情况等。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例转动体的主视图。

图3是本发明另一实施例的结构剖视图。

图4是本发明另一实施例的外转筒结构剖视图。

具体实施方式

实施例1

一种涉及人机触觉接口装置的虚拟物体表面纹理触觉感知装置，包括：支架2，在支架2上设有纵向电机5，在纵向电机5的输出转轴上固定有转动体1，在转动体1上设有感知触头4，转动体1为转盘，转盘上的感知触头4采用由突起和微孔组成并按直线排列的纹理信息轨道，纹理信息轨道沿转盘的周向均匀分布，在支架2与纵向电机5之间设有滑块6、丝杠7和电机8，纵向电机5固定在滑块6上，滑块6与丝杆7螺纹连接，丝杠7与支架2转动连接，电机8的输出转轴与丝杠7连接，在支架2上设有感知支撑体21，在感知支撑体21上且位于转动体1上方的位置设有感知触摸孔211，转盘由内区11、外区12和中区13组成，突起设在外区12上且突起自外向内按由大到小排列，微孔设在内区11上且微孔自内向外按由大到小排列，中区13为光滑区。

实施例2

一种涉及人机触觉接口装置的虚拟物体表面纹理触觉感知装置，包括：支架2，在支架2上设有纵向电机5，在纵向电机5的输出转轴上固定有转动体1，在转动体1上设有感知触头4，转动体1为外转筒，外转筒上的感知触头4为设在外转筒内壁上的轴向微孔且轴向微孔沿轴向均匀分布，在外转筒内设有内转筒22，在内转筒22上设有感知触摸孔221。

实施例3

图1为本发明的一个实施例，为虚拟物体表面纹理触觉感知装置。其中1为转盘，材料为铝，直径为100mm，表面粗糙度为1.6μm。2为支架，21为感知支撑体，材料为铝。211为纹理感知触摸孔，为椭圆形状，短径为6mm，长径为8mm。，4为纹理信息轨道，本实施例采用4条纹理轨道信息且在转盘上均匀分布，它们都由一系列从大到小的微孔和从小到大的突起均匀排列而成，微孔和突起的大小范围从直径3mm到0mm，每个凹孔或凸点之间的距离为4mm。内区和外区中间有8mm长的平滑区，5为控制转盘转动的纵向电机，纵向电机的转动轴同转盘的中心轴相联接，纵向电机带动转盘以不同的转速旋转。6为带有丝轮的滑动块，采用铝材料，滑动块同纵向电机相固联。7为丝杆，丝杠采用钢材料制成。8为水平向电机，水平向电机的转动轴同丝杆相联接，水平向电机的转动带动丝杆的转动，使得带有丝轮的滑动块实现左右运动，从而控制转盘中心轴相对于感知孔的位置。9为角度传感器，用于测量水平方向电机8的旋转角度，通过简单计算可以准确得到转动体1的转动轴相对于纹理触觉感知孔的位置。

当操作者将手指端部放置在感知触摸孔211上，并同转动体相接触时，由于转盘以一定的转速旋转，每个信息轨道的某一相同区域就以一定的频率从手指端部的皮肤表面滑过，则人手就可以感知到虚拟物体或远程机器人作用对象的表面纹理信息。

实施例4

图3为本发明的一个实施例，为虚拟丝织品表面纹理触觉感知装置。其中外部转筒的外径为18mm，内径为16mm，材料为铝，表面粗糙度为1.6μm，5为小型直流伺服电机，电机的转动轴同外部转筒的中心相固联。22为内部圆筒，其外径为14mm，内径为12mm，材料为铝。直流伺服电机5安装在内部圆筒22的底面上，直流伺服电机5的转动轴带动外部圆筒以一定的速度旋转。221为在内部圆筒上的感知触摸孔221，其直径为10mm，手指端部通过感知触摸孔221同外转筒的内壁相接触。在外部转筒的内壁上均匀地分布4个纹理触觉信息轨道，它们分别由6个相同的微孔均匀排列而成，每个微孔的直径为0.5mm，微孔之间的距离为2mm。

当操作者将手指放入该装置，并将手指端部放置在感知触摸孔221上，并同外部转筒1的内壁相接触时，由于外部转筒在电机2的带动下以一定的转速旋转，每个信息轨道就以一定的频率从手指端部的皮肤表面滑过，则人手就可以感知到虚拟丝织品的表面纹理信息。电机的最小转速大于100转/分钟，随着转速的变化，人手可以感觉到虚拟丝织品的表面纹理信息的变化。

Claims (5)

1、一种虚拟物体表面纹理触觉感知装置，包括：支架(2)，其特征在于在支架(2)上设有纵向电机(5)，在纵向电机(5)的输出转轴上固定有转动体(1)，在转动体(1)上设有感知触头(4)，上述转动体(1)为转盘，转盘上的感知触头(4)采用由突起和微孔组成并按直线排列的纹理信息轨道，纹理信息轨道沿转盘的周向均匀分布，在支架(2)与纵向电机(5)之间设有滑块(6)、丝杠(7)和电机(8)，滑块(6)与纵向电机(5)固定连接并与丝杠(7)螺纹连接，丝杠(7)与支架(2)转动连接，电机(8)的输出转轴与丝杠(7)连接。

2、根据权利要求1所述的虚拟物体表面纹理触觉感知装置，其特征在于在支架(2)上设有感知支撑体(21)，在感知支撑体(21)上且位于转动体(1)上方的位置设有感知触摸孔(211)。

3、根据权利要求1或2所述的虚拟物体表面纹理触觉感知装置，其特征在于转盘由内区(11)、外区(12)和中区(13)组成，突起设在外区(12)上且突起自外向内按由大到小排列，微孔设在内区(11)上且微孔自内向外按由大到小排列，中区(13)为光滑区。

4、根据权利要求1所述的虚拟物体表面纹理触觉感知装置，其特征在于转动体(1)为外转筒，外转筒上的感知触头(4)为设在外转筒内壁上的轴向微孔且轴向微孔沿轴向均匀分布。

5、根据权利要求4所述的虚拟物体表面纹理触觉感知装置，其特征在于在外转筒内设有内转筒(22)，在内转筒(22)上设有感知触摸孔(221)。

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