CN103488298A - 一种基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置，包括：柔性传感点，纹理滑动装置，触觉控制中心机以及编码器，其中：所述柔性传感点包括微弹簧、柔性信号解析点，磁力装置；所述纹理滑动装置包括移动振动针，纹理摩擦控制器，纹理信号解析器；所述触觉控制中心机系统包括数据采集卡，信号分析处理器，数据流数值处理器。实施本发明，可以较大程度地提高虚拟现实系统的真实感，同时提高遥操作系统中任务的执行效率。理论上可以完全整合柔性和滑动纹理触觉再现。
Description
技术领域
本发明涉及人机交互技术领域，具体涉及一种基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置。
背景技术
随着现在信息技术的发展，人民对虚拟世界的认识与要求并不会在停留在各种显示器的屏幕上。更多的是从平面类型的认识转移到三维上，然后从视觉感知基础上加入各种触觉感知与再现，这是未来人们架构一个虚拟世界基本大方向。在科技发展的当今，构建出一个人类五官都可以感受的虚拟现实是科技发展的要求，将来对各种工作和生活都会发生巨大的变化。而在这个虚拟的世界中，重新恢复触觉感知则显得非常重要。并在操作者的指端再现，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和辨别物体的物理特性和分类。
触觉再现接口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真实地感知虚拟物体的柔性、刚度、表面纹理等触觉特性。在遥操作机器人远程作业过程中，它可以反馈机器人末端执行器作用对象的触觉信息，在操作者指端再现物体的柔性和刚度，随着交互式遥操作机器人技术的发展和虚拟现实技术的广泛应用，设计一个能够准确、实时地再现触觉感知的人机接口装置显得尤为重要。现有的触觉感知装置主要可分为2类：一类是滑动触觉感知装置。另一类是柔性触觉感知装置。两类触觉感知装置结合就能真实地反映现实生活中的触觉。
现有的很多装置都是实现纹理触觉再现，如一种基于振动的纹理触觉再现装置，该种装置通过压电致动控制5X10的振动针(O．5mm的钢琴线)阵列来实现振动。由于所表现的纹理与针的直径和分布有关，因此较难模拟非常精细的纹理。现有的有源的触觉再现设备往往采用电机作为致动器，它能够以相对较快的响应速度获得任意方向的力矩。但是它的这种有源性，有时候会引起系统的不稳定，严重损害触觉再现的效果。还有的基于柔性触觉的装置则通过伺服电机转动改变弹性梁的有效变形长度来控制操作者手指感受到的作用力，从而实现物体柔软与坚硬特性的再现。
现有的触觉感知装置大多数属于滑动触觉感知装置，研究柔性触觉感知装置的较少，这是一个方面，现有的柔性触觉感知装置存在的问题是只能感知非定量的触觉信息，无法准确地、定量地再现虚拟或远地物体的柔性或刚度。基于伺服机的电机转动装置侧虽然很好地定量展示物体的刚度，但是触摸槽出也比较单一，不能很好地展示。
发明内容
本法明提供了一套手型的触觉再现装置，改装置部署在一个手套型触摸槽上，在手套的手掌处有200个柔性震动传感点和摩擦纹理旋转点。本发明的目的在于整合柔性和滑动触觉的装置在同一装配中，让触觉再现出的虚拟物体更加体力和形象。
相应的，本发明实施例提供了一种基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置，包括：柔性传感点，纹理滑动装置，触觉控制中心机以及编码器，其中：
所述柔性传感点包括微弹簧、柔性信号解析点，磁力装置；
所述纹理滑动装置包括移动振动针，纹理摩擦控制器，纹理信号解析器；
所述触觉控制中心机系统包括数据采集卡，信号分析处理器，数据流数值处理器。
所述微弹簧片是在传感点的中部，在无信号的时候微弹簧处于压缩的状态；所述信号解析点是一个在柔性传感点的小型解析器，用于接受触觉信号的坐标信心，和刚度信息，转化为磁力信号控制磁力装置拉伸弹簧；所述磁力装置是拉伸微弹簧的重要控制部件，用于根据信号解析点的传送的信息控制电量从而控制磁力的大小。
所述移动振动针是一系列微小的振动针集部署在手型槽的表面，实现纹理摩擦力再现；所述纹理摩擦控制器是是控制振动幅度的控制器，接受从纹理信号解析器过来的信号摩擦幅度信号；所述纹理信号解析器是解析编码器传送过来的摩擦力信号，并且传输控制信号给纹理摩擦控制器。
所述触觉控制中心机系统包括数据采集卡，信号分析处理器，数据流数值处理器；所述数据采集卡是收集虚拟信号的模拟触觉信息的，包括接触点信息，虚拟摩擦力值，物体刚度信息，坐标信息；所述信号分析处理器是归类柔性信号和滑动信号的重要部件，同时将坐标的信息进行立体好的处理；所述数据流数值处理器是直接连接编码器转化编码器的数据格式使得编码器可以根据规范化的数值，传输各种信号处理编码给纹理信号解析器和柔性信号解析点。
实施本发明实施例，可以较大程度地提高虚拟现实系统的真实感，同时提高遥操作系统中任务的执行效率。理论上可以完全整合柔性和滑动纹理触觉再现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置；
图2是本发明实施例中的柔性传感点结构示意；
图3是本发明实施例中的触觉控制中心机系统结构图；
图4是本发明实施例中的基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置的实现流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本法明提供了一套手型的触觉再现装置，改装置部署在一个手套型触摸槽上，在手套的手掌处有200个柔性震动传感点和摩擦纹理旋转点。本发明的目的在于整合柔性和滑动触觉的装置在同一装配中，让触觉再现出的虚拟物体更加体力和形象。
图1示出了本发明实施例中的基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽，该装置的主要由一下几部分组成：柔性传感点，纹理滑动装置，触觉控制中心机以及编码器等。此外还有一些零件比如：底座、支架板、电路板盒、横梁、轴承、弹性联轴器、限位开关等等。这些零件、装配体组合在一起，构成了整个的触觉再现机械装置。
图2示出了本发明实施例中的柔性传感点结构示意图，柔性传感点包括微弹簧、柔性信号解析点，磁力装置。
微弹簧片是在传感点的中部，在无信号的时候微弹簧处于压缩的状态，
信号解析点是一个在柔性传感点的小型解析器，主要是接受触觉信号的坐标信心，和刚度信息，转化为磁力信号控制磁力装置拉伸弹簧。
磁力装置是拉伸微弹簧的重要控制部件，可以根据信号解析点的传送的信息控制电量从而控制磁力的大小。
纹理滑动装置包括移动振动针，纹理摩擦控制器，纹理信号解析器。
移动振动针是一系列微小的振动针集部署在手型槽的表面，实现纹理摩擦力再现。
纹理摩擦控制器是是控制振动幅度的控制器，接受从纹理信号解析器过来的信号摩擦幅度信号。
纹理信号解析器是解析编码器传送过来的摩擦力信号，并且传输控制信号给纹理摩擦控制器。
该种装置装配在手型槽下，通过压电致动控制10X10的振动针(O．5mm的钢琴线)阵列来实现振动。由于所表现的纹理与针的直径和分布有关它能够以相对较快的响应速度获得任意方向的力矩。再现系统通过针型接触阵列实现,由直径0.5mm的钢琴线排列成10×10的接触阵列,分布于2mm厚的橡皮膜上。针的振动频率为250Hz,即人皮肤能感觉到的最大的振动频率,采用压电激励方式驱动针跳动,并控制它的位移。针振动的振幅随着虚拟物体表面状况和手指放置在显示窗口二维位置的变化而变化。使用着在手型槽上移动，装置就会启动，根据虚拟物体的摩擦程度启动摩擦力再现。
触觉控制中心机系统包括数据采集卡，信号分析处理器，数据流数值处理器。
数据采集卡是收集虚拟信号的模拟触觉信息的，包括接触点信息，虚拟摩擦力值，物体刚度信息，坐标信息。
信号分析处理器是归类柔性信号和滑动信号的重要部件，同时将坐标的信息进行立体好的处理。
数据流数值处理器是直接连接编码器转化编码器的数据格式使得编码器可以根据规范化的数值，传输各种信号处理编码给纹理信号解析器和柔性信号解析点。图3为触觉控制中心机系统结构图。
触觉控制中心机系统通过数据采集卡向信号处理分析器驱动器发出脉冲信号、方向信号和坐标，这一操作是通过数据采集卡的可编程定时/计数器口(Timer/Counter)和DO口实现的。该信息包括了操作者在操作触摸虚拟物体的时候，虚拟物体与操作者虚拟接触时，各种柔度刚度和摩擦信息，通过发送出来的脉冲信号、方向信号和坐标信号完整表现。通过信号分析器的分析和分离，提取出了两个装配的信息，之后经过数据流数值处理器进行规范化的数值流输入，使得编码器的效率更加高。
图4示出了本发明实施例中的基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置实现的方法流程图，包括如下步骤：
开始；
进入虚拟操作界面；
虚拟物体的展示选择；
计算机控制触摸虚拟物体；
刚度，方向和坐标信息收集；
信息处理与分析传送编码器；
柔性信息解析器发送给传感点，纹理信号解析器发信号给控制单元；
手型槽启动触觉模拟再现，如果继续则进入到虚拟物体的展示选择，否则结束流程。
综上，可以较大程度地提高虚拟现实系统的真实感，同时提高遥操作系统中任务的执行效率。理论上可以完全整合柔性和滑动纹理触觉再现。。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置，其特征在于，包括：柔性传感点，纹理滑动装置，触觉控制中心机以及编码器，其中：
所述柔性传感点包括微弹簧、柔性信号解析点，磁力装置；
所述纹理滑动装置包括移动振动针，纹理摩擦控制器，纹理信号解析器；
所述触觉控制中心机系统包括数据采集卡，信号分析处理器，数据流数值处理器。
2.如权利要求1所述的基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置，其特征在于，所述微弹簧片是在传感点的中部，在无信号的时候微弹簧处于压缩的状态；所述信号解析点是一个在柔性传感点的小型解析器，用于接受触觉信号的坐标信心，和刚度信息，转化为磁力信号控制磁力装置拉伸弹簧；所述磁力装置是拉伸微弹簧的重要控制部件，用于根据信号解析点的传送的信息控制电量从而控制磁力的大小。
3.如权利要求1所述的基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置，其特征在于，所述移动振动针是一系列微小的振动针集部署在手型槽的表面，实现纹理摩擦力再现；所述纹理摩擦控制器是是控制振动幅度的控制器，接受从纹理信号解析器过来的信号摩擦幅度信号；所述纹理信号解析器是解析编码器传送过来的摩擦力信号，并且传输控制信号给纹理摩擦控制器。
4.如权利要求1所述的基于柔性与滑动结合的触觉再现手型槽装置，其特征在于，所述触觉控制中心机系统包括数据采集卡，信号分析处理器，数据流数值处理器；所述数据采集卡是收集虚拟信号的模拟触觉信息的，包括接触点信息，虚拟摩擦力值，物体刚度信息，坐标信息；所述信号分析处理器是归类柔性信号和滑动信号的重要部件，同时将坐标的信息进行立体好的处理；所述数据流数值处理器是直接连接编码器转化编码器的数据格式使得编码器可以根据规范化的数值，传输各种信号处理编码给纹理信号解析器和柔性信号解析点。
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