CN105373212B - 一种虚拟触觉产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种虚拟触觉产生装置，它包括感应手套、主控制器、体感控制器、主设备，所述的感应手套分为内外两层，内层布满物体表面感知单元，外层布满物体轮廓感知单元，两个感知单元中，分别采用气流喷射微装置代替机械连杆、液压机构，采用压电陶瓷代替微电机，克服现有的虚拟触觉产生装置的信息维度少、精度低、空间自由度少和成本高的不足，有利于设备的小型化，从原理上消除了空间自由度的限制，通过降低了批量生产过程中组装的复杂度的方式提高了生产效率和产品合格率，达到降低单个设备成本目的。

Description

一种虚拟触觉产生装置

技术领域

本发明属于计算机触觉技术领域，特别是涉及一种能够产生包含被感知物体模型的轮廓、运动状态、表面粗糙程度、材质硬度和温度等的虚拟触觉产生装置。

背景技术

目前，公知的虚拟触觉产生装置主要是采用微电机、机械连杆、液压机构等设备产生力反馈信号，让使用者通过感知虚拟触觉产生装置产生的反馈力来得到被感知物体的触觉信息。但是这种装置通常只能够表达被感知物体的运动状态、轮廓等，而现实世界中物体的触觉信息是多个维度的，仅仅是运动状态和轮廓并不能准确的从触觉上表达现实世界中的物体，还需要从物体的表面粗糙程度、材质的硬度、表面温度等多个信息维度来描述现实世界中的物体；且微电机、机械连杆或者液压机构等固有的体积大、结构复杂的特性，由其组成的虚拟触觉产生装置精度由这些机构物理尺寸决定、空间自由度由机械结构的组装设计决定、成本由机械结构的组装复杂度和加工精度决定，这就限制了虚拟触觉产生装置的分辨率、活动的空间自由度和成本，不能满足虚拟现实技术对虚拟触觉的要求。

发明内容

为了克服现有信息维度少、精度低、空间自由度少和成本高的不足，本发明提出了一种虚拟触觉产生装置。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种虚拟触觉产生装置，它包括感应手套、主控制器、体感控制器和主设备，所述的感应手套分为内外两层，内层布满物体表面感知单元，外层布满物体轮廓感知单元，所述感应手套上设置有与物体表面感知单元、物体轮廓感知单元信号输出端相连的模拟开关，所述模拟开关的输出端口通过电缆与主控制器的相应接口连接；所述体感控制器上设置有两个图像传感器，所述的主设备为安装有存储模型的计算机或手机，所述体感控制器、主设备的相应接口分别通过电缆与主控制器相应接口相连。

所述的物体表面感知单元，包括安装在半导体致冷片基座上的半导体致冷片和表明设置有弹性金属的压电陶瓷，所述半导体致冷片和压电陶瓷的两极各有两条引出线，分别与感应手套的模拟开关相连的相应输入端口连接。

所述的物体轮廓感知单元由物体轮廓感知单元隔板分为上下两个腔体，下腔体是储气室，储气室和风机通过气流入口导管连接。在物体轮廓感知单元上腔体内的一端通过固定装置兼滑动轨道安装有电磁铁，其另一端固定有永磁体，电磁铁引出抽头与感应手套的模拟开关相应输入接口相连，在电磁铁和永磁体之间的物体轮廓感知单元上腔体的上壁和物体轮廓感知单元隔板之间对立设置有断开的两段硬导气管，两段硬导气管之间连接有连通上下硬导气管的软导气管，所述上段硬导气管上设有喷射气流出口，下段硬导气管通过物体轮廓感知单元隔板上设置的通孔与储气室相连通，且上下硬导气管之间的距离大于电磁铁的外形最大尺寸。

本发明的工作原理是：使用者佩戴感应手套，在体感控制器可以捕捉空间内任意活动，体感控制器的两个图像传感器以一定的时间间隔拍摄感应手套的图像，体感控制器通过比对两个图像传感器得到的图像的差异，利用视差原理计算出感应手套的空间位置和使用者的手的手势，通过不同时间感应手套的空间位置和是使用者的手空间位置和手势的差异，得出感应手套的运动信息和使用者的手手势变化信息，并将信息传递给主控制器；主设备将主设备中的存储模型信息传递给主控制器，主控制器根据主设备中存储模型在虚拟空间的位置、当前感应手套的空间位置及使用者的手的手势，计算出使用者的手的各部位应该和主设备中存储模型的那一部分接触，根据主设备中存储模型提供的信息进行计算，并且驱动物体表面感知单元在使用者的手的相应部位产生对应的表面粗糙程度和温度；主控制器根据感应手套的空间位置和使用者的手的手势的运动状态和变化，结合主设备中存储模型的形状和空间位置，进行计算物体轮廓感知单元在使用者的手的不同部位，产生与设备中存储模型的形状、空间位置和运动状态相对应的反馈力，使使用者感受到设备中存储模型的形状轮廓、运动状态、材质硬度等感觉。物体轮廓感知单元的气流由风机提供。

本发明采取上述技术方案所带来的有益效果是：本发明不仅能够产生被感知物体模型的轮廓信息、运动状态、还能够产生物体的表面粗糙程度、材质硬度和温度等触觉信息，且采用气流喷射微装置代替机械连杆、液压机构，采用压电陶瓷片代替微电机，有利于设备的小型化，从原理上消除了空间自由度的限制，通过降低了批量生产过程中组装的复杂度的方式提高了生产效率和产品合格率，达到降低单个设备成本目的。

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

图2是物体表面感知单元的结构图。

图3是物体轮廓感知单元的原理结构图

图中：1、感应手套；2、体感控制器；3、风机；4、主控制器；5、使用者的手；6、物体轮廓感知单元；7、电缆；8，9，11、设备之间的通信线路；10、图像传感器；12、物体表面感知单元；13、主设备；14、存储模型；15、半导体致冷片基座；16、半导体致冷片；17、压电陶瓷；18、弹性金属；19，20、半导体致冷片两极的引出线，21，22、压电陶瓷两极的引出线；23、物体轮廓感知单元隔板；26、电磁铁；25、电磁铁的固定装置兼滑动轨道；24、电磁铁引出抽头；27、硬导气管；28、软导气管；29、喷射气流出口；30、永磁体；31、储气室；32、气流入口导管。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例和附图做进一步描述。

如图1所示，一种虚拟触觉产生装置，它包括感应手套1、主控制器4、体感控制器2和主设备13，所述的感应手套1分为内外两层，内层布满物体表面感知单元12，外层布满物体轮廓感知单元6，所述感应手套1上设置有与物体表面感知单元12、物体轮廓感知单元6信号输出端相连的模拟开关，所述模拟开关的输出端口通过电缆7与主控制器4的相应接口连接；所述体感控制器2上设置有两个图像传感器10，所述的主设备13为安装有存储模型14的计算机或手机，所述体感控制器2、主设备13的相应接口分别通过电缆7与主控制器4相应接口相连。

所述的物体表面感知单元12，包括安装在半导体致冷片基座15上的半导体致冷片16和表明设置有弹性金属18的压电陶瓷17，所述半导体致冷片16和压电陶瓷17的两极各有两条引出线19、20、21、22，分别与感应手套1的模拟开关相连的相应输入端口连接。半导体致冷片16工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到另外一边造成温差而形成冷热端。控制半导体致冷片16两极的引出线19、20的极性，改变致冷片表面吸热或者放热，从而达到控制表面温度的目的。压电陶瓷两极的引出线21、22连接到主控制器4，由主控制器4施加电压，在压电陶瓷17产生电场使其形变，并驱动压电陶瓷17上的弹性金属18形变，调节压电陶瓷两极的引出线上21、22电压的大小和变化率，可以驱动弹性金属18不断形变而产生振动，电压和变化率不同，振动的幅度和速率也不同，从而在使用者的手上产生的表面粗糙程度的刺激也就不同。

所述的物体轮廓感知单元6由物体轮廓感知单元隔板23分为上下两个腔体，下腔体是储气室31，储气室31和风机3通过气流入口导管32连接。在物体轮廓感知单元6上腔体内的一端通过固定装置兼滑动轨道25安装有电磁铁26，其另一端固定有永磁体30，电磁铁引出抽头24与感应手套1的模拟开关相应输入接口相连，在电磁铁26和永磁体30之间的物体轮廓感知单元上腔体的上壁和物体轮廓感知单元隔板之间对立设置有断开的两段硬导气管27，两段硬导气管27之间连接有连通上下硬导气管的软导气管28，所述上段硬导气管27上设有喷射气流出口29，下段硬导气管27通过物体轮廓感知单元隔板上设置的通孔与储气室31相连通，且上下硬导气管之间的距离大于电磁铁26的外形最大尺寸。主控制器4控制电磁铁引出抽头24上的电流方向使其在电磁铁26两端产生不同的磁极，磁极不同，永磁体30对电磁铁26的作用可以表现为吸引和排斥，当永磁体30对电磁铁26表现为吸引时，两者吸合在一起，夹紧连接两段硬导气管27的软导气管28，喷射气流出口29不喷射气流。当永磁体30对电磁铁26表现为排斥时，两者分开，连接两段硬导气管27的软导气管28松弛，喷射气流出口29喷射气流。控制电磁铁26两端的磁极变化的时间和频率，在喷射气流出口29产生不同的喷射气流，从而得到不同的反馈力，反馈力不同，可以表现模型的运动状态和硬度等信息。

Claims (1)

1.一种虚拟触觉产生装置，它包括感应手套、主控制器、体感控制器和主设备，其特征在于：所述的感应手套分为内外两层，内层布满物体表面感知单元，外层布满物体轮廓感知单元，所述感应手套上设置有与物体表面感知单元、物体轮廓感知单元信号输出端相连的模拟开关，所述模拟开关的输出端口通过电缆与主控制器的相应接口连接；所述体感控制器上设置有两个图像传感器，所述的主设备为安装有存储模型的计算机或手机，所述体感控制器、主设备的相应接口分别通过电缆与主控制器相应接口相连；

所述的物体表面感知单元，包括安装在半导体致冷片基座上的半导体致冷片和表明设置有弹性金属的压电陶瓷片，所述半导体致冷片和压电陶瓷片的两极各有两条引出线，分别与感应手套的模拟开关相连的相应输入端口连接；

所述的物体轮廓感知单元由物体轮廓感知单元隔板分为上下两个腔体，下腔体是储气室，储气室和风机通过气流入口导管连接；在物体轮廓感知单元上腔体内的一端通过固定装置兼滑动轨道安装有电磁铁，其另一端固定有永磁体，电磁铁引出抽头与感应手套的模拟开关相应输入接口相连，在电磁铁和永磁体之间的物体轮廓感知单元上腔体的上壁和物体轮廓感知单元隔板之间对立设置有断开的两段硬导气管，两段硬导气管之间连接有连通上下硬导气管的软导气管，上段所述硬导气管上设有喷射气流出口，下段硬导气管通过物体轮廓感知单元隔板上设置的通孔与储气室相连通，且上下硬导气管之间的距离大于电磁铁的外形最大尺寸。

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