CN102331800B - 一种多热源温度触觉再现装置 - Google Patents

Abstract

一种多热源温度触觉再现装置，设有温度复现阵列、隔热外壳、导热基板、制冷器、散热器及测控电路，温度复现阵列由多个圆柱体电加热发热器件同方向、并行、间隔排列而成，每个圆柱体发热器件上设有热端温度传感器，隔热外壳将温度复现阵列上方固定，导热基板顶面固定温度复现阵列下端；制冷器具有冷、热两个端面，上端为冷面和导热基板的底面紧密接触，之间设有温度传感器，制冷器下端为热面和下方的散热器紧密接触；测控电路含温度复现阵列的加热电路和热端温度反馈及控制电路以及制冷器的制冷电路和冷端温度反馈及控制电路。

Description

一种多热源温度触觉再现装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术中的触觉再现，尤其是一种多热源温度触觉再现装置，该装置可实现远程温度触觉的近端复现，属于测试与控制技术领域。

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，需要大量的触觉再现装置。虚拟现实技术最重要的特点就是“多感知”、“交互性”和“临场感”，因此理想的虚拟现实系统要在这几个方面具有良好的体现。到目前为止，国内外对触觉的研究都主要集中在力触觉上，不断优化的力触觉算法在柔性、纹理触觉复现装置上的应用，使得这些装置能够较好地再现虚拟场景物体的柔性、纹理力触觉特性，而温度触觉在人机交互技术领域的研究尚少。

触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，能识别物体的表面纹理、粗糙度、硬度、温度等特征。温度触觉作为触觉的一种，在人的感知系统中发挥着重要作用，只融入力触觉的虚拟现实系统不能带来完全的临场感和沉浸感。然而，温度触觉的融入，会在触觉建立过程中发挥重要的作用，可以增强虚拟现实系统的临场感和沉浸感，带来更真实的身临其境的感觉。

温度触觉再现技术可以应用于很多领域，如远程手术、空间探测、机器人仿真、工业制造、教育及娱乐等。对温度触觉再现技术的深入研究，将会对电子信息技术的发展起到重要的作用。

目前，国外基于温度触觉再现技术的装置较少，并且大多数是基于单热源的温度触觉再现装置，基于多热源的装置大多为指戴式装置。当虚拟环境或远端真实环境中有多个热源需要再现时，基于单热源的温度触觉再现装置无法同时对它们进行复现，只能分别进行复现，但是这将严重的影响虚拟现实系统的实时性，并且无法在近端体验到对多个热源同时触摸的感觉；指戴式的多热源温度触觉再现装置虽然可以使操作者体验到对多个热源同时触摸的感觉，但是这类装置仅限于用指尖进行触摸感知，用手掌、手臂或其他部位就无法方便地同时对多个热源进行触摸感知和识别。

发明内容

本发明的目的是针对上述温度触觉再现装置的不足，提供一种多热源温度触觉再现装置。该装置可以在一较小的平面上对虚拟环境或远端真实环境下多个点或多个物体同时进行温度触觉再现。

一种多热源温度触觉再现装置，其特征在于：设有温度复现阵列、隔热外壳、导热基板、制冷器、散热器及测控电路，温度复现阵列系由多个相同尺寸的圆柱体电加热发热器件同方向、并行、间隔排列而成，每个圆柱体发热器件上设有热端温度传感器，隔热外壳呈四周设有帽沿的帽罩状，帽身为实心体，但帽身高度设有与圆柱体发热器件数量一致并与圆柱体发热器件排列阵列一一对应的通孔，通孔在帽顶端一侧呈口小内大的阶梯孔，多个圆柱体发热器件置于隔热外壳的相应通孔内，圆柱体发热器件长度大于隔热外壳高度，圆柱体发热器件为中段直径小，两头直径大结构，且两头设置成外小内大的圆柱台阶，圆柱体发热器件一端的小圆柱台阶直径与隔热外壳帽顶端小阶梯孔直径匹配并与隔热外壳帽顶外表面定位、持平，构成触觉平面，大圆柱台阶直径与隔热外壳帽身内的大阶梯孔匹配，导热基板一个表面上设置的与圆柱体发热器件数量一致并与圆柱体发热器件排列阵列一一对应的多个凹槽，圆柱体发热器件另一端的小圆柱台阶直径定位、紧贴在导热基板一个表面上的相应凹槽内，导热基板的另一表面与制冷器的冷端面接触，之间夹设冷端温度传感器，制冷器的热端面紧贴散热器，隔热外壳的帽沿与导热基板及散热器之间通过螺钉固定联接为一体，测控电路含温度复现阵列的加热电路和热端温度反馈及控制电路以及制冷器的制冷电路和冷端温度反馈及控制电路，各个发热器件的热端温度传感器的输出连接热端温度反馈电路，热端温度反馈电路输出连接热端温度控制电路，热端温度控制电路输出连接加热电路，冷端温度传感器输出连接冷端温度反馈电路，冷端温度反馈电路输出连接冷端温度控制电路，冷端温度控制电路输出连接制冷电路。

所说圆柱体电加热发热器件系在金属柱体表面缠绕电加热丝，之间夹设紧贴于金属柱体表面的热端温度传感器，导热基板与制冷器的冷端面接触的表面设有从中心到边缘的一条凹槽，凹槽内放置冷端温度传感器，制冷器采用半导体制冷器，由通有直流电的P-N结构成，具有冷、热两个端面。

所说触觉平面上温度复现阵列的排列图形按人体包括手指、手掌、手臂触摸方便设计。

本发明的优点及显著效果：

1、操作者可以通过该多热源温度触觉再现装置对虚拟环境或远端真实环境下多个点或多个物体同时进行温度触觉再现，使其产生温度触觉临场感、沉浸感；

2、该多热源触觉再现装置的测控电路可以对每个温度复现点进行温度控制，温度传感器实时的反馈温度信号，通过反馈值控制热阻丝中通过的电流对温度复现点进行加热以形成热源点；温度复现阵列下方与半导体制冷器的冷面紧密接触，通过控制半导体制冷器制冷使温度复现点温度降低形成冷源点；

3、通过测控电路对温度复现阵列每个点的温度进行控制，可以使每个温度复现点的顶面形成恒温面，作为供手指或手掌等部位触摸的温度复现面；

4、对多个温度复现点的温度同时进行控制可以形成不同类型的点阵式温度场分布，可以在该装置上进行相关的多热源触觉感知和识别实验，进一步研究人体不同部位对多热源的温度触觉识别机理；

5、该装置多个温度复现点排列紧凑，表面光滑，便于操控和用手指对多点同时触摸；

6、该装置整体尺寸小，便于在手控器上安装的特点，提高了虚拟现实系统的集成度，构成了一个良好的人机交互平台；

附图说明

图1是本发明装置的总体结构图；

图2是本发明装置的内部结构图；

图3是本发明装置中导热基板和金属圆柱体电加热发热器件拆解图；

图4是本发明装置中隔热外壳的多角度视图；

图5是本发明装置除紧固框外其余结构的剖面示图；

图6是本发明装置的系统框图；

图7是本发明装置中温度复现阵列的各种排布形式。

具体实施方式

参看图1、2、3、4、5，本发明多热源温度触觉再现装置，设有温度复现阵列、隔热外壳、导热基板、制冷器、散热器及测控电路，温度复现阵列系由多个相同尺寸的圆柱体电加热发热器件1垂直、并行、间隔排列而成，每个圆柱体电加热发热器件1系金属柱体表面缠绕电加热丝，之间夹设紧贴于金属柱体表面的热端温度传感器7，隔热外壳2呈四周设有帽沿的帽罩状，帽身为实心体，但帽身高度设有与圆柱体发热器件1数量一致并与圆柱体发热器件排列阵列一一对应的通孔，通孔在帽顶端一侧呈口小内大的阶梯孔，多个圆柱体发热器件置于隔热外壳的相应通孔内，圆柱体发热器件长度大于隔热外壳高度(帽身高度+帽沿厚度)，圆柱体发热器件为中段直径小，两头直径大结构，且两头设置成外小内大的圆柱台阶，圆柱体发热器件1上端的小圆柱台阶直径与隔热外壳2帽顶端小阶梯孔直径匹配并与隔热外壳帽顶外表面定位、持平，构成触觉平面，大圆柱台阶直径与隔热外壳帽身内的大阶梯孔匹配，导热基板5上个表面上设置的与圆柱体发热器件数量一致并与圆柱体发热器件排列阵列一一对应的多个凹槽，圆柱体发热器件1下端的小圆柱台阶直径定位、紧贴在导热基板上表面上的相应凹槽内，凹槽的直径和深度与圆柱体发热器件1下端小圆柱台阶直径和高度相吻合，使得每个圆柱体发热器件1下端嵌入其中，导热基板5的下表面与制冷器6的上表面(冷端面)接触，并且导热基板下表面设有从中心到边缘的一条凹槽，凹槽内放置冷端温度传感器8，制冷器6置于散热器4上表面的凹槽内定位，制冷器6的下表面(热端面)紧贴散热器4的上表面凹槽。隔热外壳2的帽沿与导热基板5及散热器4之间通过螺钉固定联接为一体，紧固框3将隔热外壳2之帽沿边缘、导热基板5边缘和散热器4之凸台边缘四周水平位置固定。测控电路含温度复现阵列的加热电路和热端温度反馈及控制电路以及制冷器的制冷电路和冷端温度反馈及控制电路，各个发热器件的热端温度传感器的输出连接热端温度反馈电路，热端温度反馈电路输出连接热端温度控制电路，热端温度控制电路输出连接加热电路，冷端温度传感器输出连接冷端温度反馈电路，冷端温度反馈电路输出连接冷端温度控制电路，冷端温度控制电路输出连接制冷电路。

本发明采用的制冷器为半导体制冷器6。半导体制冷又叫热电制冷或者温差电制冷，是具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有制冷功能，因此叫做热电制冷。热电制冷是热电效应主要是珀尔帖效应。珀尔帖效应就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。把一块P型半导体和一块N型半导体叠放在一起，在上面通过直流电，则会在P型半导体和N型半导体的接头上产生温差和热量的交换，通过大电流的时候，并且在热端散热良好的情况下，冷端可以很快地进行降温。

如图6，本发明的测控电路控制芯片采用STC12C5410AD型单片机，该单片机具有增强型1T流水线/精简指令集结构8051 CPU、4路PWM输出口、8路10位精度ADC。

温度复现阵列由9个圆柱体电加热发热器件构成为例，每个圆柱体电加热发热器件1上均设有温度传感器7，该温度传感器反馈的电压信号可以反映圆柱体发热器件复现的温度，将电压信号经过单片机的ADC转换后和设定温度进行比较，再运用PID控制算法控制单片机输出的PWM波占空比，而输出的PWM波可以控制功率开关的通断(高电平时导通)，功率开关导通则圆柱体发热器件的电阻丝通电加热，否则停止加热，这样就实现了一个点的恒温复现控制。由于每个单片机只有4路PWM输出口，为了实现9个点的温度复现，该装置采用三个单片机进行控制，每个单片机用3路PWM输出口分别控制3个圆柱体发热器件。

半导体制冷器6冷面上端设有温度传感器8，该温度传感器反馈的电压信号可以反映半导体制冷器冷面的温度，将电压信号经过单片机的ADC转换后和设定的制冷温度进行比较，再运用PID控制算法控制输出PWM波占空比，而输出的PWM波可以控制场效应管的通断(高电平时导通)，场效应管导通则半导体制冷器通电制冷，否则停止制冷，这样就实现了对制冷温度的控制。由于该半导体制冷器控制电路仅占用一路PWM输出口和一路ADC，而温度复现阵列恒温控制电路中3个单片机都只占用了3路PWM输出口和3路ADC，因此选用其中一个单片机对半导体制冷器进行温度控制即可。

当温度复现阵列1中的任一个圆柱体发热器件停止加热时，工作的制冷器6通过对导热基板5制冷进而对圆柱体发热器件1进行制冷以形成冷源。本发明多热源温度触觉再现装置可以实现多个点在5℃-55℃或更高温度范围内的温度触觉再现。测控电路可以对温度复现阵列中每个温度复现点进行控制，例如设定九个点的温度为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃，那么半导体制冷器的温度可以设定为0℃，装置上电工作后，半导体制冷器一直处与工作状态，设定温度低于室温的点通过制冷器降温，并由温度复现阵列恒温控制电路控制其温度恒定到设定值，而设定温度高于室温的点虽然下方的制冷器也会对其制冷，但由温度复现阵列恒温控制电路进行电加热控制使其温度上升，最终恒定到设定温度。

参看图7，本发明温度触觉再现装置的温度复现阵列可以采用多种排布形式，如单排直线排布(a)，双排直线排布(b)，9点单排直线排布(c)，十字形交叉排布(d)，三角形排布(e)，半圆弧形排布(f)，圆形排布(g)，正方形排布(h)，正方形均匀点阵排布(i)。不同的排布形式可以形成不同的温度分布，便于开展手指、手掌、手臂或其它部位对同一平面内不同温度分布的感知与识别实验，以进一步研究人体不同部位对多热源的感知与识别机理。一些相关多热源温度触觉感知机理的文献中提到，对于在一定温度差范围内的三个相邻的冷/热源，当两侧为热源点而中间为冷源点时，人手三个相邻的手指(如：食指、中指、无名指)同时接触这三个点时对冷/热源不易做出正确的识别，很多时候会感觉到三个点均为热源；与此类似，当两侧为冷源点而中间为热源点时，人手三个相邻的手指同时接触这三个点时对冷/热源也不易做出正确的识别，很多时候会感觉到三个点均为冷源。但是用一个手指分别对上述两种分布的冷/热源点触摸时，均能对冷/热源做出正确的识别。本发明装置的温度复现阵列采用单排直线排布(a)时可供三个相邻的手指(如：食指、中指、无名指)同时触摸；采用双排直线排布(b)时即可选取任一排点供三个相邻的手指同时触摸，还可以通过设定上排点和下排点的温度，形成梯度式温度分布供手掌、手臂等部位进行触摸感知和识别；当四个温度复现点排列在同一直线上时，人手四个相邻的手指(食指、中指、无名指、小拇指)长度不同，因而不方便同时触摸，而采用半圆弧形排布(f)时，四个点即排列紧凑，还可以使四个相邻的手指方便的同时触摸；采用圆形排布(g)时即可选取相邻的四个点供四个相邻的手指同时触摸，还可以设定各点的温度形成环状的多点温度分布供手掌、手臂等部位进行触摸感知和识别。其它排布形式具有类似特点，即可供手指触摸还可以形成相应形式的温度分布供手掌、手臂等部位同时触摸以进行相关的多热源温度触觉感知和识别的研究。

Claims (3)

1.一种多热源温度触觉再现装置，其特征在于：设有温度复现阵列、隔热外壳、导热基板、制冷器、散热器及测控电路，温度复现阵列系由多个相同尺寸的圆柱体电加热发热器件同方向、并行、间隔排列而成，每个圆柱体发热器件上设有热端温度传感器，隔热外壳呈四周设有帽沿的帽罩状，帽身为实心体，但帽身高度设有与圆柱体发热器件数量一致并与圆柱体发热器件排列阵列一一对应的通孔，通孔在帽顶端一侧呈口小内大的阶梯孔，多个圆柱体发热器件置于隔热外壳的相应通孔内，圆柱体发热器件长度大于隔热外壳高度，圆柱体发热器件为中段直径小，两头直径大结构，且两头设置成外小内大的圆柱台阶，圆柱体发热器件一端的小圆柱台阶直径与隔热外壳帽顶端小阶梯孔直径匹配并与隔热外壳帽顶外表面定位、持平，构成触觉平面，大圆柱台阶直径与隔热外壳帽身内的大阶梯孔匹配,导热基板一个表面上设置的与圆柱体发热器件数量一致并与圆柱体发热器件排列阵列一一对应的多个凹槽，圆柱体发热器件另一端的小圆柱台阶直径定位、紧贴在导热基板一个表面上的相应凹槽内，导热基板的另一表面与制冷器的冷端面接触，之间夹设冷端温度传感器，制冷器的热端面紧贴散热器，隔热外壳的帽沿与导热基板及散热器之间通过螺钉固定联接为一体，测控电路包括温度复现阵列的加热电路、热端温度反馈电路及热端温度控制电路，还包括制冷器的制冷电路、冷端温度反馈电路及冷端温度控制电路，各个发热器件的热端温度传感器的输出连接热端温度反馈电路，热端温度反馈电路输出连接热端温度控制电路，热端温度控制电路输出连接加热电路，冷端温度传感器输出连接冷端温度反馈电路，冷端温度反馈电路输出连接冷端温度控制电路，热端温度控制电路输出连接制冷电路。

2.根据权利要求1所述的多热源温度触觉再现装置，其特征在于：所说圆柱体电加热发热器件系在金属柱体表面缠绕电加热丝，金属柱体与电加热丝之间夹设紧贴于金属柱体表面的热端温度传感器，导热基板与制冷器的冷端面接触的表面设有从中心到边缘的一条凹槽，凹槽内放置冷端温度传感器，制冷器采用半导体制冷器，由通有直流电的P-N结构成，具有冷、热两个端面。

3.根据权利要求1或2所述的多热源温度触觉再现装置，其特征在于：触觉平面上温度复现阵列的排列图形按人体触摸方便设计。

Images