CN103744509B - 穿戴式力觉交互设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式力觉交互设备及系统，属于力觉交互设备领域。该设备包括：切向力输出装置、摩擦盘、切向振动输出装置、法向力输出装置、法向振动输出装置和均设置在机壳内，切向力输出装置与切向振动输出装置并列设置在机壳内人一侧，法向力输出装置与法向振动输出装置并列设置在机壳内的另一侧；切向力输出装置输出端与摩擦盘连接，摩擦盘嵌入机壳顶盖上设置的通孔内，摩擦盘盘面与机壳顶盖面平行；切向振动输出装置输出端与机壳顶盖面平行；法向力输出装置输出端与机壳顶盖面垂直；法向振动输出装置输出端与机壳顶盖面垂直。该设备结构简单，体积小，功耗低、适合穿戴使用；模块化设计，便于改装成形式多样的穿戴式力觉交互设备。

Description

穿戴式力觉交互设备及系统

技术领域

本发明涉及穿戴式设备领域，特别是涉及一种穿戴式力觉交互设备及系统。

背景技术

触力觉交互设备是用于反馈触觉感知的人机交互设备，是连接操作者和虚拟环境的纽带。触力觉交互设备可分为两类：狭义触觉交互设备和力觉交互设备。狭义触觉交互设备主要模拟在对环境触摸时所应该感知到的信息，包括物质的材质、纹理等。力觉交互设备可以使操作者在对计算机中的虚拟物体进行操作时，感受到虚拟工具与虚拟物体之间发生的作用力或相互运动，体验到如同操作真实物体的力觉感知效果，力觉交互设备更多地用于导引操作者的行为，模拟所接触物体的硬度、形状等特征感觉。

随着计算机、传感器、机器人等技术的飞速发展，从上世纪80年代末开始，涌现出大量的力觉交互设备。根据不同的工作原理主要分为采用铰接连杆的设备和基于电磁场原理的设备等类型。按照构型特点，力觉交互设备可以分为串联式、并联式以及串并混联式结构。其中以美国SensAble公司研制的PhanToM系列设备最为著名，它采用串联式连杆结构，依靠电机的转矩控制实现末端操作杆的力、力矩反馈，已被广泛应用于多个行业。

但发明人发现现有的力觉交互设备，至少存在以下缺点：体积较大，携带不便，不能穿戴使用，功耗较大，设计单一，实用性差，无法满足人体功能学要求，成本昂贵，大众化较难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种穿戴式力觉交互设备及系统，体积小巧，功耗低，方便穿戴使用，提供力感丰富的触觉和力觉反馈，从而解决现有力觉交互设备体积和功耗大，成本高，不能穿戴使用的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种穿戴式力觉交互设备，包括：

机壳、切向力输出装置、摩擦盘、切向振动输出装置、法向振动输出装置和法向力输出装置；其中，

所述切向力输出装置、切向振动输出装置、法向振动输出装置和法向力输出装置均分布设置在所述机壳内，所述切向力输出装置、切向振动输出装置、法向振动输出装置与法向力输出装置均与机壳固定连接；

所述法向力输出装置的力输出端与所述机壳上贴靠用户皮肤的底面接触；

所述切向力输出装置的力输出端与所述摩擦盘连接，所述摩擦盘嵌入所述机壳的所述底面上设置的通孔内，所述摩擦盘的盘面与所述机壳的所述底面平行或共面。

本发明实施例还提供一种穿戴式力觉交互系统，包括：

至少一个本发明的穿戴式力觉交互设备、连接带和控制装置；其中，

所述穿戴式力觉交互设备设置在所述柔性连接带上，与所述控制装置电连接。

本发明的有益效果为：通过在机壳内设置切向力输出装置、切向振动输出装置、法向力输出装置和法向振动输出装置，可以检测佩戴该设备的使用者的切向力、切向振动、法向力和法向振动，实现准确获取使用者的力觉反馈。该设备结构简单，体积小，功耗低、适合穿戴使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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他附图。

图1为本发明实施例提供的穿戴式力觉交互设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的穿戴式力觉交互设备的后视图；

图3为本发明实施例提供的穿戴式力觉交互系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的设有多个穿戴式力觉交互设备的系统结构示意图；

图5为本发明实施例提供的系统的控制装置结构框图。

具体实施方式

下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1、2所示为本发明实施例提供的一种穿戴式力觉交互设备，可作为穿戴式设备与使用者进行力觉交互，该设备包括：机壳5、切向力输出装置1、摩擦盘6、切向振动输出装置3、法向振动输出装置2和法向力输出装置4；

其中，机壳5、切向力输出装置1、摩擦盘6、切向振动输出装置3、法向振动输出装置2和法向力输出装置4；其中，

切向力输出装置1、切向振动输出装置3、法向振动输出装置2和法向力输出装置4均分布设置在机壳内，切向力输出装置1、法向振动输出装置2、切向振动输出装置3与法向力输出装置4均与机壳5固定连接；

法向力输出装置4的力输出端与机壳5上贴靠用户皮肤的底面接触；

切向力输出装置的力输出端与摩擦盘6连接，摩擦盘6嵌入机壳5的底面上设置的通孔内，摩擦盘6的盘面与机壳5的底面平行或共面，平行时，摩擦盘6的盘面伸出到机壳5外，略高于机壳5的底面，便于与用户皮肤接触。

上述穿戴式力觉交互设备，切向力输出装置1、切向振动输出装置3与法向振动输出装置2均与机壳5的远离用户皮肤的顶面固定连接。

上述穿戴式力觉交互设备中，切向力输出装置1采用电动机；切向力输出装置1采用销和螺钉与摩擦盘连接。

上述穿戴式力觉交互设备中，摩擦盘6的表面设有均匀分布的多个塑料颗粒。这种橡胶颗粒实现与使用者浮粒接触，增大摩擦力，并绝热，并且粗糙塑料，增大力感，防止伤害使用者皮肤。

上述穿戴式力觉交互设备中，切向振动输出装置1采用带有减速器的微型旋转电机；法向力输出装置采用电磁铁，如电喇叭，采用螺纹连接的方式与机壳连接。通过控制电流，让喇叭的电磁铁通单向电流，可以让喇叭的蒙皮变形，从而输出法向的压力。

上述穿戴式力觉交互设备中，法向振动输出装置2与切向振动输出装置3均采用微型偏心式振动电机，如类似与手机中振动电机的电动机。

该力觉交互设备可以输出切向力、法向力、切向震动和法向震动，满足人对多种力的感觉的需求（包括持续输出力和震动），为用户提供丰富的力觉感受。

本发明实施例在上述穿戴式力觉交互设备的基础上，提供一种穿戴式力觉交互系统，如图3所示，该系统包括：至少上述实施例提供的穿戴式力觉交互设备21、柔性连接带22和控制装置23；其中，穿戴式力觉交互设备21设置在柔性连接带22上，与控制装置23电连接。通过柔性连接带22将穿戴式力觉交互设备21可穿戴在使用者身上（如形成护腕），根据控制装置23的驱动信号驱动输出驱动力，让使用者感受到力觉交互。

进一步的，穿戴式力觉交互设备21为多个，呈阵列排列设置在柔性连接带22上，这样可以形成模块化可扩展的便于穿戴的力觉交互系统，如力觉交互马甲等（如图4所示）。

上述系统中，控制装置的结构如图5所示，可采用单片机系统，如采用由STM32控制器和多个L298N驱动器组成的单片机系统，可以知道，只要能发出驱动穿戴式力觉交互设备的各输出装置动作的单片机系统均可以作为该控制装置。

该系统由于采用了穿戴式力觉交互设备经柔性连接带采用柔性连接形成模块化设计，并可方便扩展，可以很方便的改装成穿戴式护腕，穿戴式护臂，穿戴式围巾等，还能改装成马甲裤子等，也可以方便的集成到嵌入式设备(如手机、MP3等)上，该系统能方便地将其扩展成很多个模块的组合，以满足使用者的需求。

本发明的力觉交互设备具有以下有益效果：（1）选用体积微小的电机以及精巧的机械结构，突破力反馈设备的体积庞大的问题。（2）采用适合人生活娱乐休闲的低功耗电机，可使用电池供电，续航能力强。（3）设计符合人体功能学原理，包括力的种类、方向、大小等，合理的布局、安全可靠的接触材料等。解决了现有穿戴式设备不能给人提供触觉和力觉刺激的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种穿戴式力觉交互设备，其特征在于，包括：

机壳、切向力输出装置、摩擦盘、切向振动输出装置、法向振动输出装置和法向力输出装置；其中，

所述切向力输出装置、切向振动输出装置、法向振动输出装置和法向力输出装置均分布设置在所述机壳内，所述切向力输出装置、切向振动输出装置、法向振动输出装置与法向力输出装置均与机壳固定连接；

所述法向力输出装置的力输出端与所述机壳上贴靠用户皮肤的底面接触；

所述切向力输出装置的输出端与所述摩擦盘连接，所述摩擦盘嵌入所述机壳的所述底面上设置的通孔内，所述摩擦盘的盘面与所述机壳的所述底面平行或共面；

所述切向力输出装置采用带有减速器的微型旋转电机；所述切向力输出装置采用销和螺钉与所述摩擦盘连接；

所述切向力输出装置、切向振动输出装置与法向力输出装置均与所述机壳远离用户皮肤的顶面固定连接。

2.根据权利要求1所述的穿戴式力觉交互设备，其特征在于，所述摩擦盘的表面设有均匀分布的多个塑料颗粒。

3.根据权利要求1所述的穿戴式力觉交互设备，其特征在于，所述切向振动输出装置采用微型偏心式振动电机。

4.根据权利要求1所述的穿戴式力觉交互设备，其特征在于，所述法向力输出装置采用微型电磁铁。

5.根据权利要求1所述的穿戴式力觉交互设备，其特征在于，所述法向振动输出装置采用微型偏心式振动电机。

6.一种穿戴式力觉交互系统，其特征在于，包括：

至少一个权利要求1至5任一项所述的穿戴式力觉交互设备、柔性连接带和控制装置；其中，

所述穿戴式力觉交互设备设置在所述柔性连接带上，与所述控制装置电连接。

7.如权利要求6所述的穿戴式力觉交互系统，其特征在于，所述穿戴式力觉交互设备为多个，呈阵列排列设置在所述柔性连接带上。