CN109343711B - 一种移动式多元触觉融合反馈装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移动式多元触觉融合反馈装置，包含多个多元触觉融合反馈单元，旋转轮和移动平台，多元触觉融合反馈单元包括反馈单元本体和设置在反馈单元本体上表面的反馈薄膜，多元触觉融合反馈单元可提供刚度反馈，温度反馈、纹理反馈；多个多元触觉融合反馈单元安装在旋转轮上，旋转轮设置在多自由度移动平台上，旋转轮可以围绕转轴旋转，移动平台根据手指位置带动旋转轮运动，使多元触觉融合反馈单元在手指位置对准手指，为手指提供位置反馈，连续的位置反馈形成物体的形状反馈。本装置提供了刚度反馈，温度反馈，纹理反馈，位置反馈，形状反馈的多元触觉融合反馈，让用户能有一个多元触觉融合反馈的丰富体验。

Description

一种移动式多元触觉融合反馈装置
技术领域
本发明涉及一种触觉反馈装置，特别涉及一种移动式多元触觉融合反馈装置。
背景技术
目前，绝大多数触觉反馈装置都是单一反馈，比如说刚度(柔软度)反馈，位置反馈，形状反馈，温度反馈，纹理反馈等等。并且也有部分学者对多元触觉反馈做了研究，将两种到三种性质集成到一起，比如说刚度和形状的结合，温度和刚度的结合，但是这些触觉体验不够多样和丰富，另外现有的触觉反馈装置的人机交互空间小，只在很有限的空间内使用，并且现在的触觉反馈装置都是使用虚拟模拟现实的形式，虚拟触觉的体验不够真实。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种移动式多元触觉融合反馈装置，该装置能够提供大交互空间内的刚度，温度，纹理，位置和形状的多元融合触觉反馈体验，同时采用真实触觉和虚拟触觉有机融合，从而增强了用户的真实体验。
本发明的技术方案是：一种移动式多元触觉融合反馈装置，包含多个多元触觉融合反馈单元、旋转轮和移动平台，所述多元触觉融合反馈单元包括反馈单元本体和设置在所述反馈单元本体上表面的反馈薄膜，所述多元触觉融合反馈单元可提供刚度反馈，温度反馈、纹理反馈；多个所述多元触觉融合反馈单元安装在所述旋转轮上，所述旋转轮设置在移动平台上，所述移动平台具备多自由度，所述移动平台根据手指位置带动所述旋转轮运动，增大了人机交互的工作空间，并且使所述多元触觉融合反馈单元在所述手指位置对准手指，为手指提供位置反馈，连续的位置反馈形成物体的形状反馈；所述旋转轮可以围绕转轴旋转，用于体现多种材料的真实触觉，从而使虚拟触觉和真实触觉有机融合。
进一步地，多元触觉融合反馈单元采用的驱动方式为气压驱动、液压驱动或者电机驱动。
进一步地，采用气压驱动时，多元触觉融合反馈单元内的气压可调节，所述多元触觉融合反馈单元可实现定向膨胀。
进一步地，所述反馈薄膜包括温度反馈薄片和纹理反馈薄片，所述纹理反馈薄片包括真实材料薄片，随着所述旋转轮围绕转轴旋转，可以使不同的真实材料薄片对准手指。
进一步地，所述移动平台为四自由度移动平台或五自由度移动平台或六自由度移动平台。
本发明具有以下有益效果：本装置能提供大交互空间的刚度反馈，温度反馈，纹理反馈，位置反馈，形状反馈的多元触觉融合反馈，让用户能有一个多元触觉融合反馈的丰富体验。多元触觉融合反馈单元的外表面设置有真实材料薄片，将虚拟触觉和真实触觉有机融合，增强了用户的真实体验，同时在同一装置上实现了不同材料的多种虚拟物体的触觉反馈。
附图说明
图1是多元触觉融合反馈装置的结构示意图。
图2是气压驱动的多元触觉融合反馈单元结构示意图一。
图3是电机驱动的多元触觉融合反馈单元结构示意图二。
其中，上述附图包括以下附图标记：1、多元触觉融合反馈单元；2、旋转轮；3、移动平台；4、反馈单元本体；5、底座；6、温度反馈薄片；7、金属筛网；8、塑料；9、真实材料薄片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见附图1-3所示，一种移动式多元触觉融合反馈装置，包含多个多元触觉融合反馈单元1、旋转轮2和移动平台3，多元触觉融合反馈单元1包括反馈单元本体4和设置在反馈单元本体4上表面的反馈组件，驱动器可提供刚度反馈，温度反馈、纹理反馈；多个多元触觉融合反馈单元1安装在旋转轮2上，旋转轮2设置在多自由度移动平台3上，移动平台3根据手指位置带动旋转轮2运动，使多元触觉融合反馈单元1在所述手指位置对准手指，为手指提供位置反馈，当用单手指连续触摸虚拟物体表面的时候，通过装置五个自由度的移动，手指会在不同的位置触摸到反馈装置，通过这种连续的位置反馈，可以感知物体的形状，即连续的位置反馈形成物体的形状反馈，比如手指移动的位移形成一条曲线，那么反馈装置的位移也形成一条曲线，用户收到的反馈即为曲线的形状反馈；旋转轮2可以围绕转轴旋转，用于体现多种材料的真实触觉，从而使虚拟触觉和真实触觉有机融合。
气体驱动的多元触觉融合反馈单元1，可以通过调整多元触觉融合反馈单元1内部的气压，让多元触觉融合反馈单元1定向膨胀，当手指按压多元触觉融合反馈单元1或者多元触觉融合反馈单元1上面的薄膜时可以感受到刚度的变化。多元触觉融合反馈单元1本身用各向同性材料(如硅胶)做成，底座5用不可拉伸材料(如硬纸板，铝板，塑料板)固定，周围用不可拉伸细线缠绕(如凯夫拉线)，由于径向和底座5方向被不可拉伸材料限制，故而驱动器膨胀的时候，只能在上表面膨胀，如图2b所示。多元触觉融合反馈单元1也可以是液压驱动的或者电机驱动的，图3为一个典型的电机驱动的多元触觉融合反馈单元的结构示意图，当用手指按滑块的时候，电机提供阻力，电机可以用单片机(比如arduino)控制，模拟刚度的控制。
反馈单元本体4上面的反馈组件与反馈单元本体4相连。反馈组件包括温度反馈薄片6(如帕尔帖)和纹理反馈薄片，纹理反馈薄片包括表面有大起伏的材料(如金属筛网7等)，反馈薄膜用塑料8密封，连上导管，在塑料8外设置真实材料薄片(如金属，木头，玻璃，棉布，丝绸等)。当从导管中抽去空气时，反馈薄膜最外层与内部紧贴，因为内部金属筛网7存在，可以感受到表面上纹理的起伏。温度反馈薄片6可以改变温度并将其传到表面，真实材料薄片体现了材料的真实触感，将虚拟触觉和真实触觉有机融合，增强了用户的真实体验。
因为在同一种材料上模拟不同材料的触觉反馈几乎是不可能的，通过旋转轮2来切换不同材料带来不同的真实触觉体验。如图1所示，将多个常见的不同的真实材料薄片9(如金属，木头，玻璃，棉布，丝绸等)放到多元触觉融合反馈单元1上，并将这个整体放到旋转轮2上，旋转轮2安装在一个四自由度移动平台3上(XYZ轴以及一个转动轴)，目前的虚拟物品根据材质主要分为8大类，因此，旋转轮优选为具有8个多元触觉融合反馈单元。所以装置整体有五个自由度，可以保证让任意一个表面指向我们所要的位置，并且提供我们需要的温度，刚度，位置，纹理反馈。当使用单指触摸表面的时候，根据手指移动，反馈装置跟随着移动。根据虚拟场景和虚拟物体的不同，反馈装置将不同的表面在不同位置，对准手指，提供位置，刚度，温度，纹理的反馈，其中连续的位置反馈可以体现出物体的形状反馈。
这个装置和VR头盔一起使用，当人们在头盔中看到一个虚拟物体，并用手去触摸的时候，VR头盔上安装的立体摄像头，可以实时测量用户的手指运动，以驱动虚拟场景中的手指同步运动，同时根据用户的手指运动，反馈装置跟随手指运动而运动，同时根据不同的虚拟物体，使具有不同真实材料薄片的多元触觉融合反馈单元对准手指，反馈装置根据要触摸的位置和材料以及其自带的刚度(柔软度)，温度，纹理等信息调整自身的状态，从而让手触摸感受到和虚拟场景相近的触觉感受。
其中，像金属，木头，玻璃等刚性物体，无法通过这种方法来改变纹理，木头等近乎绝热的物体无法通过这种方法来提供温度反馈，所以在模拟这些材料的反馈的时候会有一定的触觉反馈缺失。但是同样也是因为其物质本身的特性，比如说木头，在现实生活中温度反馈其实并不明显，因此温度反馈不属于木头这种材质的主要触觉反馈。
移动平台也可以为五自由度移动平台或六自由度移动平台。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种移动式多元触觉融合反馈装置，其特征在于：包含多个多元触觉融合反馈单元(1)、旋转轮(2)和移动平台(3)，所述多元触觉融合反馈单元(1)包括反馈单元本体(4)和设置在所述反馈单元本体(4)上表面的反馈组件，所述多元触觉融合反馈单元(1)可提供刚度反馈，温度反馈、纹理反馈；多个所述多元触觉融合反馈单元(1)安装在所述旋转轮(2)上，所述旋转轮(2)设置在移动平台(3)上，所述移动平台(3)具备多自由度，所述移动平台(3)根据手指位置带动所述旋转轮(2)运动，增大了人机交互的工作空间，并且使所述多元触觉融合反馈单元(1)在所述手指位置对准手指，为手指提供位置反馈，连续的位置反馈形成物体的形状反馈；所述旋转轮(2)可以围绕转轴旋转，用于体现多种材料的真实触觉，从而使虚拟触觉和真实触觉有机融合。
2.根据权利要求1所述的一种移动式多元触觉融合反馈装置，其特征在于：所述多元触觉融合反馈单元(1)采用的驱动方式为气压驱动、液压驱动或者电机驱动。
3.根据权利要求2所述的一种移动式多元触觉融合反馈装置，其特征在于：采用气压驱动时，多元触觉融合反馈单元(1)内的气压可调节，所述多元触觉融合反馈单元(1)可实现定向膨胀。
4.根据权利要求1所述的一种移动式多元触觉融合反馈装置，其特征在于：所述反馈组件包括温度反馈薄片和纹理反馈薄片。
5.根据权利要求4所述的一种移动式多元触觉融合反馈装置，其特征在于：所述纹理反馈薄片包括真实材料薄片，随着所述旋转轮(2)围绕转轴旋转，可以使不同的真实材料薄片对准手指。
6.根据权利要求1所述的一种移动式多元触觉融合反馈装置，其特征在于：所述移动平台(3)为四自由度移动平台或五自由度移动平台或六自由度移动平台。
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