CN103440071B - 直角坐标式射流触觉显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直角坐标式触觉显示器，包括：机身、显示器屏幕、支撑网格、隔水薄膜、水泵、进水管、出水管、水温控制器、三通阀、振动耦合膜、振动耦合器、X轴导轨、X轴电机、X轴滑块、Y轴电机、Y轴滑块、Y轴导轨、联轴器、导轨固定座、电机支架、支撑板、射流喷管、射流水柱、万向球关节及水箱，本发明的方案通过完成直角坐标轴上线性运动来控制射流水柱的空间位置从而实现图文显示的射流触觉显示器，该射流触觉显示器能够分别控制射流水柱在XY轴的坐标，并且XY轴电机的负载较小，而且XY电机的驱动之间互不干扰，因此较好地改善了射流触觉显示器系统的响应能力和稳定性。

Description

直角坐标式射流触觉显示器

技术领域

本发明涉及触觉图文显示技术领域，具体而言涉及一种直角坐标式射流触觉显示器。

背景技术

主从式机器人应用中，触觉再现可以把远地从机械手指端的触觉信息及时反馈给本地的操作者，从而有效地增强遥作业系统中操作者对远地从机械手的控制能力，极大地提高作业速度和质量。触觉信息的再现可以通过视觉方式，也可以通过物理刺激的方式实现。基于物理刺激的触觉再现方式多种多样，目前国内外进行研究的主要有：喷气刺激、振动刺激、电刺激和水射流刺激等。喷气刺激的最大缺点在于其带宽较小，约10Hz；振动刺激的不足之处在于结构复杂，不便安装或妨碍手指的正常运动，振动触觉反馈还易引起过多的发热与疼痛，高频振动时噪音也较大；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。水射流触觉再现技术，是指利用以一定速度喷射出的水流施加在操作者指端的皮肤表面，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，又可以在指端接触处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压力温度融合触觉感受。在实际的研究中，还可以尝试对流速稳定的水流柱进行一定强度的振动或超声处理，以引起操作者皮肤表面压强瞬时变化，从而消除操作者触觉实验的时间适应性。水射流不会导致操作者肌体组织的不舒服感觉，易于为操作者所接受，具有温和舒服、安全有效的特点，能够很好地解决现有的触觉再现存在的问题，进一步推动了触觉技术领域的发展。射流触觉显示器作为射流触觉再现技术的直接再现装置，能够将远地机器人传感器获取的触觉信息转换为水射流刺激施加于操作者的手指，复现真实的触感。因此，设计一种能够完美实现水射流触觉再现技术的射流触觉显示器已成为急需解决的问题。

目前，国内射流触觉显示器已授权及已申报的发明专利有点阵式和CRT式两种结构，详见“水射流刺激的机器人触觉再现方法”（专利号：200510038437.5），“基于射流技术的触觉显示装置及显示方法”（专利号：200510094474.8），“一种CRT式射流触觉显示器”（专利号：201110266249.3）。点阵式采用固定的射流喷管阵列，显示器的分辨率取决于射流水阀开关或水泵的数目。因此控制系统较为简单，但技术方案结构较为复杂，成本较为昂贵，难以应用于高分辨率射流触觉显示器。CRT式通过电机控制射流喷管在空间的俯仰角和水平面摆角，改变射流水柱空间角度，从而在显示器屏幕上形成二维的射流触觉图文信息，即可使操作者通过触觉暂留现象感知到二维触觉图文信息。其在技术方案上结构和控制均较为简单，因此降低了装置成本。然而由于转角电机的负载为摆角调节机构，转动惯量较大，当速度较高时，运动部件的转动惯量导致系统响应缓慢，并且稳定性降低。虽然可以通过动平衡方式改善，但改造后的结构复杂而且代价较大。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种直角坐标式射流触觉显示器及其控制系统，通过完成直角坐标轴上线性运动来控制射流水柱的空间位置，从而实现图文显示。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种直角坐标式触觉显示器，包括机身、显示器屏幕、支撑网格、隔水薄膜、水泵、进水管、出水管、水温控制器、三通阀、振动耦合膜、振动耦合器、X轴导轨、X轴电机、X轴滑块、Y轴电机、Y轴滑块、Y轴导轨、联轴器、导轨固定座、电机支架、支撑板、射流喷管、射流水柱、万向球关节及水箱，其中：所述显示器屏幕通过所述支撑网格固定在所述机身上方，所述水泵将水箱内的水通过进水管泵送至所述水温控制器内，所述出水管将所述水温控制器和所述三通阀的第一流道口相连，所述三通阀的第二流道口与射流喷管相连，所述射流喷嘴穿过所述隔水薄膜，从所述水箱泵送上来的水经由水温控制器、出水管、三通阀进入射流喷嘴并射出形成射流水柱，所述射流喷管射出的射流水柱作用在所述显示器屏幕上，所述射流喷管穿过X轴滑块和Y轴滑块上的凹槽，所述X轴滑块固定在所述X轴导轨上，所述Y轴滑块固定在所述Y轴导轨上，所述X轴导轨通过所述联轴器与所述X轴电机连接，所述Y轴导轨通过所述联轴器与所述Y轴电机连接，所述X轴导轨与Y轴导轨通过所述导轨固定座固定在所述支撑板上，所述X轴电机和Y轴电机通过所述电机支架固定于所述支撑板上，所述支撑板固定在机身内，所述射流喷管、三通阀和振动耦合器作为一个整体固定在万向球关节上，所述振动耦合器设置在所述三通阀的第三流道口的延伸方向处并作用于振动耦合膜，以将在所述射流水柱中耦合振动，实现操作者感知的触觉振动。

进一步，所述水箱内的水由所述水泵泵进所述进水管内，并形成具有一定压力的水流，泵送至所述温度控制器内。

进一步，通过所述水温控制器可调节水温，从而使操作者感知到不同温度的射流水柱。

进一步，所述振动耦合器为随机振动耦合器，以在所述射流水柱中耦合随机振动。

进一步，所述振动耦合器为定频率振动耦合器，以在所述射流水柱中耦合特定频率的振动。

进一步，所述X轴电机接收外部控制信号，驱动所述X轴滑块推动所述射流喷管，以控制所述射流喷管的X轴坐标，并且所述Y轴电机接收外部控制信号，驱动所述Y轴滑块推动所述射流喷管，以控制所述射流喷管的Y轴坐标，从而控制所述射流水柱作用在所述显示器屏幕的空间位置。

进一步，所述X轴滑块沿着所述Y轴滑块上的凹槽推动所述射流喷管，所述Y轴滑块沿着所述X轴滑块上的凹槽推动所述射流喷管，并且所述X轴滑块和所述Y轴滑块的运动互不干涉。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于可以很好地克服现有的射流触觉显示器结构复杂，成本较高，并且运动部件在高速时的转动惯量导致系统响应缓慢，稳定性降低这一系列问题。本发明的直角坐标式射流触觉显示器能够通过XY轴电机经XY轴滑块控制射流喷管的空间位置，并且XY轴电机的驱动互补干涉，将射流水柱以较快的速度作用于触觉屏幕上，形成二维射流触觉图像，从而使操作者通过感觉后象感知到二维触觉图文信息，而且射流触觉显示器能够分别控制射流水柱在XY轴的坐标，并且XY轴电机的负载较小，因此较好地改善了射流触觉显示器系统的响应能力和稳定性。

附图说明

图1为本发明直角坐标式射流触觉显示器的结构示意图。

图2为图1实施例的直角坐标式射流触觉显示器另一方向的结构示意图。

图3为本发明直角坐标式射流触觉显示器的控制系统的原理示意图。

图4为应用图1实施例的发明直角坐标式射流触觉显示器的实现图文显示的示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1-2所示，根据本发明的较优实施例，

一种直角坐标式触觉显示器，包括机身7、显示器屏幕14、支撑网格17、隔水薄膜8、水泵5、进水管6、出水管27、水温控制器28、三通阀23、振动耦合膜24、振动耦合器25、X轴导轨9、X轴电机12、X轴滑块13、Y轴电机18、Y轴滑块15、Y轴导轨20、联轴器10、电机支架11、导轨固定座21、支撑板19、射流喷管22、射流水柱16、万向球关节26及水箱29。

参考图1和图2所示，显示器屏幕14通过支撑网格17固定在机身7上方，所述水泵5将水箱29内的水通过进水管6泵送至所述水温控制器28内，所述出水管27将所述水温控制器28和所述三通阀23的第一流道口相连，所述三通阀23的第二流道口与射流喷管22相连，所述射流喷嘴22穿过所述隔水薄膜8，从所述水箱29泵送上来的水经由水温控制器28、出水管27、三通阀23进入射流喷嘴22并射出形成射流水柱16，所述射流喷管22射出的射流水柱22作用在所述显示器屏幕14上.

所述射流喷管22穿过X轴滑块13和Y轴滑块15上的凹槽，所述X轴滑块13固定在所述X轴导轨9上，所述Y轴滑块15固定在所述Y轴导轨20上，所述X轴导轨9通过所述联轴器10与所述X轴电机12连接，所述Y轴导轨20通过所述联轴器10与所述Y轴电机18连接，所述X轴导轨9与Y轴导轨20通过所述导轨固定座21固定在所述支撑板19上，所述X轴电机12和Y轴电机18通过所述电机支架11固定于所述支撑板19上，所述支撑板19固定在机身内。

所述射流喷管22、三通阀23和振动耦合器25作为一个整体固定在万向球关节上，当X轴滑块13和Y轴滑块15运动时，射流喷管22也将绕着万向球关节26的球心摆动。

所述振动耦合器25设置在所述三通阀23的第三流道口的延伸方向处并作用于振动耦合膜24，以将在所述射流水柱16中耦合振动，实现操作者感知的触觉振动。

所述水箱29内的水由所述水泵5泵进所述进水管6内，并形成具有一定压力的水流，泵送至所述温度控制器28内。

通过所述水温控制器28可调节水温，从而使操作者感知到不同温度的射流水柱。

较佳地，所述振动耦合器25为随机振动耦合器，以在所述射流水柱16中耦合随机振动。

在另外的实施例中，所述振动耦合器25为定频率振动耦合器，可在所述射流水柱26中耦合特定频率的振动。

本实施例中，所述X轴电机12接收外部控制信号，驱动所述X轴滑块13推动所述射流喷管22，以控制所述射流喷管22的X轴坐标，并且所述Y轴电机18接收外部控制信号，驱动所述Y轴滑块15推动所述射流喷管22，以控制所述射流喷管22的Y轴坐标，从而控制所述射流水柱16作用在所述显示器屏幕14的空间位置。当射流水柱16以较快的速度作用在触觉屏幕上，则可形成二维射流触觉图像，从而使操作者通过感觉后象感知到二维触觉图文信息。

当射流水柱16沿着X轴扫描时，X轴电机12转动，通过转动副带动X轴滑块13运动，然后X轴滑块13推动射流喷管22沿着Y轴滑块15上的凹槽运动。当射流水柱沿着Y轴扫描时，Y轴电机18转动，通过转动副带动Y轴滑块15运动，然后Y轴滑块15推动射流喷管22沿着X轴滑块13上的凹槽运动。并且所述X轴滑块和所述Y轴滑块的运动互不干涉。

如图3所示，直角坐标式射流触觉显示器的控制系统包括：直角坐标式射流触觉显示器、上位机、下位机和操作者。操作者通过人机交互，例如鼠标和键盘，向上位机输入相关数据和对上位机进行操作；上位机与下位机相连，并将需要进行触觉显示的图文数据发送至下位机；下位机通过控制向直角坐标式射流触觉显示器发送控制信号，控制射流水柱作用在直角坐标式射流触觉显示器的显示器屏幕14上的空间位置，将从上位机接收到的触觉图文数据显示到触觉屏幕上；操作者通过触摸显示器屏幕14即可感知显示的二维触觉图文信息。

当操作者通过人机交互向上位机输入相关控制数据后，上位机2则将需要以图文方式反馈给操作者的相关信息发送至下位机，下位机接收到图文信息数据后通过控制射流水柱作用在显示器屏幕上的空间位置，显示触觉图文信息，当射流水柱以很快的速度进行扫描时，则可实现如图4所示的二维触觉图文信息。

图4为应用上述发明直角坐标式射流触觉显示器的实现图文显示的示意图。其中有触觉图文30、网格线31、扫描轨迹32、显示器屏幕14。图中扫描轨迹32为射流触觉显示时射流水柱作用在显示器屏幕14上的轨迹，起点为左上方，左右往复，自上而下，当射流水柱到达右下角的终点位置后，又将重新回到左上方起点位置开始下一轮扫描；网格线31并非实际的网格，等效于虚拟的射流点阵，其大小可根据射流触觉图文显示的要求更改；触觉图文30为显示中文字符“机”的情形。

综上所述，本发明的有益效果在于可以很好地克服现有的射流触觉显示器结构复杂，成本较高，并且运动部件在高速时的转动惯量导致系统响应缓慢，稳定性降低这一系列问题。本发明的直角坐标式射流触觉显示器能够通过XY轴电机经XY轴滑块控制射流喷管的空间位置，并且XY轴电机的驱动互补干涉，将射流水柱以较快的速度作用于触觉屏幕上，形成二维射流触觉图像，从而使操作者通过感觉后象感知到二维触觉图文信息，而且射流触觉显示器能够分别控制射流水柱在XY轴的坐标，并且XY轴电机的负载较小，因此较好地改善了射流触觉显示器系统的响应能力和稳定性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种直角坐标式触觉显示器，其特征在于，包括：机身、显示器屏幕、支撑网格、隔水薄膜、水泵、进水管、出水管、水温控制器、三通阀、振动耦合膜、振动耦合器、X轴导轨、X轴电机、X轴滑块、Y轴电机、Y轴滑块、Y轴导轨、联轴器、导轨固定座、电机支架、支撑板、射流喷管、射流水柱、万向球关节及水箱，其中：所述显示器屏幕通过所述支撑网格固定在所述机身上方，所述水泵将水箱内的水通过进水管泵送至所述水温控制器内，所述出水管将所述水温控制器和所述三通阀的第一流道口相连，所述三通阀的第二流道口与射流喷管相连，所述射流喷嘴穿过所述隔水薄膜，从所述水箱泵送上来的水经由水温控制器、出水管、三通阀进入射流喷嘴并射出形成射流水柱，所述射流喷管射出的射流水柱作用在所述显示器屏幕上，所述射流喷管穿过X轴滑块和Y轴滑块上的凹槽，所述X轴滑块固定在所述X轴导轨上，所述Y轴滑块固定在所述Y轴导轨上，所述X轴导轨通过所述联轴器与所述X轴电机连接，所述Y轴导轨通过所述联轴器与所述Y轴电机连接，所述X轴导轨与Y轴导轨通过所述导轨固定座固定在所述支撑板上，所述X轴电机和Y轴电机通过所述电机支架固定于所述支撑板上，所述支撑板固定在机身内，所述射流喷管、三通阀和振动耦合器作为一个整体固定在万向球关节上，所述振动耦合器设置在所述三通阀的第三流道口的延伸方向处并作用于振动耦合膜，以将在所述射流水柱中耦合振动，实现操作者感知的触觉振动。

2.根据权利要求1所述的直角坐标式触觉显示器，其特征在于，所述水箱内的水由所述水泵泵进所述进水管内，并形成具有一定压力的水流，泵送至所述水温控制器内。

3.根据权利要求1所述的直角坐标式触觉显示器，其特征在于，通过所述水温控制器可调节水温，从而使操作者感知到不同温度的射流水柱。

4.根据权利要求1所述的直角坐标式触觉显示器，其特征在于，所述振动耦合器为随机振动耦合器，以在所述射流水柱中耦合随机振动。

5.根据权利要求1所述的直角坐标式触觉显示器，其特征在于，所述振动耦合器为定频率振动耦合器，以在所述射流水柱中耦合特定频率的振动。

6.根据权利要求1所述的直角坐标式触觉显示器，其特征在于，所述X轴电机接收外部控制信号，驱动所述X轴滑块推动所述射流喷管，以控制所述射流喷管的X轴坐标，并且所述Y轴电机接收外部控制信号，驱动所述Y轴滑块推动所述射流喷管，以控制所述射流喷管的Y轴坐标，从而控制所述射流水柱作用在所述显示器屏幕的空间位置。

7.根据权利要求1所述的直角坐标式触觉显示器，其特征在于，所述X轴滑块沿着所述Y轴滑块上的凹槽推动所述射流喷管，所述Y轴滑块沿着所述X轴滑块上的凹槽推动所述射流喷管，并且所述X轴滑块和所述Y轴滑块的运动互不干涉。