CN109144233A

CN109144233A - 一种流体压力式触觉反馈装置

Info

Publication number: CN109144233A
Application number: CN201710454927.6A
Authority: CN
Inventors: 刘红阳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2017-06-16
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明公开一种流体压力式触觉反馈装置，其包括第一反馈腔，具有柔性外壁且填充有第一反馈流体；第二反馈腔，设于第一反馈腔内部，具有柔性外壁且填充有第二反馈流体；触感介质，设于第一反馈腔内，用于提供触感的模拟。本发明的流体压力式触觉反馈装置可包括颗粒状触感和粗糙触感在内的多种触感效果，且其结构简单，成本低廉，安全性好，可以用于所有人机交互场景的触觉反馈，适合广泛推广。

Description

一种流体压力式触觉反馈装置

技术领域

本发明涉及人机交互设备的触觉反馈技术领域，具体涉及一种流体压力式触觉反馈装置。

背景技术

在AR、VR设备中设备中，力反馈系统能提供基本的握持等触感的模拟，而触觉反馈组件则可以提供更精细的模拟触感，现有技术中，实现力反馈的装置也多种多样，如：DextaRobotics公司研发的外骨骼手套(Dexmo)、Tactai公司研发的指尖式触觉模拟设备(TactaiTouch)、德国Hasso Plattner学院人机互动实验室的研究员PedroLopes发明的绑带式触觉反馈设备(Impacto)等，但是这些产品都存在以下缺点：

1.可以模拟的触感较为单一；

2.重量较大；

3.体积庞大，使用不便；

4.成本较高，难以推广。

因此，现有技术亟待发展。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种流体压力式触觉反馈装置，旨在有效降低人机交互触觉反馈设备的成本，降低设备重量，将触觉反馈交互设备小型化、低成本化，提高设备性能和实用性，并迅速推向国内外市场。

为了解决上述的技术问题，本发明提出的基本技术方案为：

一种流体压力式触觉反馈装置，包括：

一种流体压力式触觉反馈装置，其特征在于，包括：

第一反馈腔，具有柔性外壁且填充有第一反馈流体；

第二反馈腔，设于第一反馈腔内部，具有柔性外壁且填充有第二反馈流体；

触感介质，设于第一反馈腔内，用于提供触感的模拟。

进一步地，所述触感介质为若干颗粒状物体。

进一步地，所述触感介质位于第二反馈腔的内部。

进一步地，所述触感介质位于第二反馈腔的外部。

进一步地，所述第二反馈腔上固定有一托盘，所述托盘上设有与所述触感介质形状、数量相匹配的凹槽，所述触感介质还连接有线绳，所述线绳穿过托盘固定于第二反馈腔的内壁上。

进一步地，所述流体压力式触觉反馈装置还包括

活塞组件，用于改变第一反馈腔和/或第二反馈腔的内部压力。

进一步地，所述活塞组件包括：第三腔室、设置于第三腔室内部可移动的活塞，所述第三腔室分别通过管件与第一反馈腔、第二反馈腔相连。

进一步地，所述第一反馈腔与第三腔室之间设置有至少一个阀门；所述第二反馈腔与第三腔室之间设置有至少一个阀门。

进一步地，所述触感反馈装置还包括设置于第一反馈腔下部的支撑腔，所述支撑腔用于支撑第一反馈腔与第二反馈腔，使其始终与肢体皮肤表面保持接触状态；支撑腔与所述第三腔室之间设置至少一个阀门。

进一步地，所述第一反馈腔内还设有可振动的磁片，用于产生振动的触感。

本发明的有益效果是：本发明的流体压力式触觉反馈装置，通过设置第一反馈腔、第二反馈腔并在其内填充流体，通过流体体积的变化来改变反馈腔外壁的弹性，同时配合第二反馈腔内部的触感颗粒，可模拟出包括颗粒状触感和粗糙触感在内的多种触感，其结构简单，成本低廉，安全性好，可以用于所有人机交互场景的触觉反馈，适合广泛推广。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的流体压力式触觉反馈装置结构图。

图2为本发明实施例2提供的流体压力式触觉反馈装置结构图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

实施例1

如图1所示，为本发明实施例1提供的一种流体压力式触觉反馈装置，其包括第一反馈腔1、第二反馈腔2、活塞组件、支撑腔3、触感介质4。

其中，所述第一反馈腔1具有柔性外壁且填充有第一反馈流体；

所述第二反馈腔2包裹在第一反馈腔内部，其具有柔性外壁且填充有第二反馈流体；

所述触感介质4为若干颗粒状物体，其设于第一反馈腔1内且同时位于第二反馈腔2内；具体实施时，所述颗粒状物体可采用滚珠、沙粒、塑料球、花生米等。

所述活塞组件包括第三腔室5、设置于第三腔室5内部的活塞6以及推动所述活塞6在第三腔室内5移动的连杆7，所述第三腔室5分别通过管件与第一反馈腔1、第二反馈腔2相连，当活塞6在第三腔室5内左右移动时，第一反馈流体和/或第二反馈流体的体积随之发生改变，从而改变第一反馈腔1和/或第二反馈腔2的内部压力，进而改变第一反馈腔1和/或第二反馈腔2外璧的弹性。

所述支撑腔3设置于第二反馈腔2的下部，其内同样填充有流体，所述支撑腔3用于支撑第一反馈腔1与第二反馈腔2，使其始终与肢体皮肤表面保持接触状态。具体的，在本实施例中，所述支撑腔3与所述第三腔室5之间设置有第三阀门S3、第四阀门S4，以控制支撑腔3与第三腔室5之间流体的流动。

需要得说明的是，在本实施例中，所述第一反馈流体、第二反馈流体包括但不限于气体和液体，以及气体混合物、液体混合物。

还需要说明的是，具体实施时所述第一反馈腔、第二反馈腔的形状包括但不限于圆形球状、椭圆形球状，其外壁材料包括但不限于橡胶/聚乙烯类等材料制成的软囊、气/液压设备容器壁、气/液动力肌肉等。

下面将结合附图1对本实施例工作过程举例作进一步说明。为了方便说明并且理解本发明的技术方案，以下说明所使用的方位词均以附图所展示的方位为准；为了方便说明并且理解本发明的技术方案，本实施例中设定一个初始状态，在该初始状态下，活塞位于第一阀门S1、第二阀门S2的中间位置，第一阀门S1、第二阀门S2、第三阀门S3、第四阀门S4均关闭，第一反馈腔、第二反馈腔、第三腔室及支撑腔内均填充有一定量的反馈流体。

1)实现颗粒触感效果

初始状态下，第二阀门S2、第三阀门S3开启，活塞6向左运动，将第一反馈腔1内流体全部抽离，使得第一反馈腔1贴于第二反馈腔2上；第二反馈腔2内流体压力增大使得第二反馈腔体积膨胀；支撑腔3也膨胀，将反馈腔顶紧于皮肤表面。

恢复初始状态的方式：活塞6向右运动复位到原始位置后，关闭第二阀门S2、第三阀门S3。

2)实现粗糙表面效果

初始状态下，第一阀门S1、第四阀门S4开启，活塞6向右运动，第一反馈腔1、第二反馈腔2内流体被抽离，支撑腔3膨胀，将反馈腔顶紧于皮肤表面。此时可以模拟粗糙的表面触感，比如粗糙墙壁，树皮，砖头，岩石等。抽离反馈流体越彻底，粗糙感越坚硬。

恢复初始状态方式：活塞6向左运动到原始位置后，关闭第一阀门S1、第四阀门S4。

3)实现柔性触感效果

初始状态下，第二阀门S2、第三阀门S3开启，活塞6向左运动。第一反馈流体被部分抽离，第一反馈腔1压力减小，可模拟柔软的触感效果。具体柔软程度与第一反馈流体压力成反比，第一反馈流体压力越低，柔软度越高。

恢复初始状态方式：活塞6向右运动到初始位置，第二阀门S2、第三阀门S3关闭。

4)实现坚硬光滑表面效果

初始状态下，第二阀门S2开启，活塞6向右运动，使第一反馈腔1压力增大，则可模拟坚硬光滑表面效果。具体坚硬程度与第一反馈流体压力成正比，第一反馈流体压力越大，硬度越高。

恢复初始状态方式：活塞6向左运动到初始位置，开关S2关闭。

需要说明的是，以上所有方案仅为工作原理示意图，各部件比例及位置按实际需要布置。

实施例2

如图2所示，为本发明实施例2提供的流体压力式触觉反馈装置，在本实施例中，所述触感介质4同样为若干颗粒状物体8，其设于第一反馈腔1内且位于第二反馈腔2的外部。具体的，所述第二反馈腔2为环状腔室，该环状腔室上固定有一托盘9，所述托盘9上设有与所述触感介质4形状、数量相匹配的凹槽，所述触感介质4还连接有线绳10，所述线绳10穿过托盘9固定于第一反馈腔1的底板11上，此外，在本实施例中，在第二反馈腔2和第三腔室5之间还设有阀门S5，用于控制第二反馈腔2与第三腔室5之间流体的流动。

以下将结合图2对本实施例的工作原理做进一步说明，在本实施例的初始状态下，活塞6位于第一阀门S1、第二阀门S2的中间位置，第一阀门S1、第二阀门S2、第三阀门S3、第四阀门S4、第五阀门S5均为关闭状态，第一反馈腔1、第二反馈腔2、第三腔室5及支撑腔3内均填充有一定量的流体，连接触感介质的线绳为松弛状态。

1)坚硬光滑表面：初始状态下，关闭S1、S4，开启S2、S3、S5，之后活塞6向右运动，第一反馈腔1膨胀，第二反馈腔2和支撑腔3收缩。

恢复初始状态：反向执行上述操作。

2)柔软光滑表面：与坚硬光滑表面操作方法相同，但活塞6向右运动位置更短。

恢复初始状态：反向执行上述操作。

3)沙粒触感：初始状态下，关闭S2、S3、S5，开启S1、S4，之后活塞6向右运动。第一反馈腔1缩小，支撑腔3膨胀将第二反馈腔2撑起并保持与肢体接触，第二反馈腔2保持状态，托盘高度较低，颗粒8可以活动，从而模拟松软沙粒的触感。

恢复初始状态：反向执行上述操作。

4)粗糙坚硬触感：初始状态下，开启S2、S3、S5，关闭S1、S4，之后活塞6向左运动。第一反馈腔1缩小，支撑腔3膨胀支起第二反馈腔2，第二反馈腔2膨胀并支起托盘9，颗粒8的连线10被拉紧，颗粒8被固定在托盘9的凹槽内，不能任意活动，从而模拟出粗糙坚硬的触感。

恢复初始状态：反向上述行操作。

以上仅为本实施例实现基本触感的工作过程，对本实施例做进一步的改进还可以实现其他效果，如尖锐点针触感，可按照如下方式实施：将最中心的颗粒取消，将一根尖刺固定在底部托板上并使其穿过这个洞。操作方式：初始状态下开启S1、S3，开启S2、S4、S5，活塞6向右运动，第一反馈腔1缩小，第二反馈2腔缩小，托盘9下降，颗粒8松弛，尖刺由此露出。支撑腔3膨胀，将第二反馈腔2的底板11托起，让尖刺能接触皮肤。恢复方法也是反向执行操作步骤。

另外，基于本实施例的基础，还可以增加多个第二反馈腔，以同心圆环的排列方式设置于第一反馈腔内，并通过增设阀门使各反馈腔交替膨胀，从而实现更多、更复杂的触感效果。

优选的，在本发明的其它实施例中，所述第一反馈腔1内还可设置可振动的磁片，用于产生振动的触感。所述磁片可通过电流信号控制来产生震动，也可以由独立的电机带动偏心轮实现，这些都属于本领域技术人员所使用的常规手段，在此不再赘述。

此外，在本发明的其它实施例中，通过活塞6的左右运动形成的加压减压效果，也可以通过液压泵等设备，以全身需要同类操作的腔室统一加压、统一减压的方式实现。

需要说明的是，在具体实施时，所述流体压力式触觉反馈装置一般设置于指肚位置，即可模拟触感。也可根据需要布置在掌心、掌背、指背、关节等人体皮肤及肢体上能够感知触感的所有位置。由于流体压强各向一致，管件可以延长到方便实施流体压操作的位置。

还需要说明的是，在本发明的结构附图中，各腔室以及连通各腔室的连接管的粗细程度、形状仅为结构示意，具体尺寸规格和比例取决于实际需要。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行其他的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种流体压力式触觉反馈装置，其特征在于，包括：

第一反馈腔，具有柔性外壁且填充有第一反馈流体；

触感介质，设于第一反馈腔内，用于提供触感的模拟。

2.根据权利要求1所述的流体压力式触觉反馈装置，其特征在于，所述触感介质为若干颗粒状物体。

3.根据权利要求2所述的流体压力式触觉反馈装置，其特征在于，所述触感介质位于第二反馈腔的内部。

4.根据权利要求2所述的流体压力式触觉反馈装置，其特征在于，所述触感介质位于第二反馈腔的外部。

5.根据权利要求4所述的流体压力式触觉反馈装置，其特征在于，所述第二反馈腔上固定有一托盘，所述托盘上设有与所述触感介质形状、数量相匹配的凹槽，所述触感介质还连接有线绳，所述线绳穿过托盘固定于第二反馈腔的底部。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的流体压力式触觉反馈装置，其特征在于，还包括

7.根据权利要求6所述的流体压力式触感反馈装置，其特征在于，所述活塞组件包括：第三腔室、设置于第三腔室内部可移动的活塞；所述第三腔室分别通过管件与第一反馈腔、第二反馈腔相连。

8.根据权利要求7所述的流体压力式触感反馈装置，其特征在于：所述第一反馈腔与第三腔室之间设置有至少一个阀门；所述第二反馈腔与第三腔室之间设置有至少一个阀门。

9.根据权利要求8所述的流体压力式触感反馈装置，其特征在于，

所述触感反馈装置还包括设置于第一反馈腔下部的支撑腔，所述支撑腔用于支撑第一反馈腔与第二反馈腔，使其始终与肢体皮肤表面保持接触状态；所述支撑腔与所述第三腔室之间设置至少一个阀门。

10.根据权利要求7至9任意一项所述的流体压力式触觉反馈装置，其特征在于，所述第一反馈腔内还设有可振动的磁片，用于产生振动的触感。