CN110096147A - 一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的主动纹理呈现装置 - Google Patents

一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的主动纹理呈现装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，包括表面层和驱动层；表面层直接与手指指尖接触，保证用户交互的安全性；并且可以调控手指接触滑动时的摩擦感受、起到屏蔽和保护内部驱动层的作用；驱动层包括可延展软体基底和多个微型驱动单元，每个微型驱动单元可独立控制，驱动层实现纹理表面微观几何形貌的调节；纹理呈现装置可以实现多尺度精细纹理呈现，当手指指尖与所述表面层接触时，所述纹理呈现装置可以根据虚拟环境中待模拟的物体表面属性的表面纹理的不同，通过控制所述驱动层中每个可独立控制的微型驱动单元，实时改变纹理呈现装置所呈现的纹理几何特征，实现宏观、介观、微观多尺度的精细纹理模拟。

Description

一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的主动纹理呈现装置
技术领域
本发明涉及一种触觉纹理呈现装置，特别涉及一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的主动纹理呈现装置。
背景技术
为了增强与虚拟世界交互的沉浸感，已经开发出许多触觉交互设备。现有的设备多为穿戴式或者手持式设备，穿戴式设备能够支持多指多手势灵巧抓握操作，但大多存在装置笨重、穿戴困难等局限，手持式设备无需穿戴，但无法实现多尺度精细纹理呈现，不具备柔性可延展性。随着VR和机器人对触觉反馈真实感要求的提升，迫切需要研制新型反馈装置，以满足无需穿戴的裸手交互、并能够实现多元触觉(柔软度、纹理、形状等)融合反馈的需求，通过结合VR头盔让人们可以在虚拟世界中感觉到良好的触觉反馈，使用户与虚拟环境的交互更加流畅、真实。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，可以增加用户与虚拟现实交互的沉浸感，允许用户以直观和直接的方式通过裸手接触来触摸和操作虚拟物体，具备柔性可延展和多尺度精细纹理呈现等特点。
本发明的技术方案是：一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，包括表面层和驱动层；表面层直接与手指指尖接触，保证用户交互的安全性；并且可以调控手指接触滑动时的摩擦感受、起到屏蔽和保护内部驱动层的作用；驱动层包括可延展软体基底和多个微型驱动单元，每个微型驱动单元可独立控制，驱动层实现纹理表面微观几何形貌的调节；纹理呈现装置可以实现多尺度精细纹理呈现，当手指指尖与所述表面层接触时，所述纹理呈现装置可以根据虚拟环境中待模拟的物体表面属性的表面纹理的不同，通过控制所述驱动层中每个可独立控制的微型驱动单元，实时改变纹理呈现装置所呈现的纹理几何特征，实现宏观、介观、微观多尺度的精细纹理模拟。
进一步地，所述微型驱动单元为微尺度电磁线圈阵列。
进一步地，所述驱动层还包括电子线路、上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列。
进一步地，所述微尺度电磁线圈阵列、电子线路、上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列均嵌入在可延展软体基底内部；所述上层微尺度磁粉单元阵列位于可延展软体基底顶部，所述微尺度电磁线圈阵列位于可延展软体基底中部，所述下层微尺度磁粉单元阵列位于可延展软体基底底部。
进一步地，所述微尺度电磁线圈采用镀银材料通过微纳加工工艺制作而成。
进一步地，所述上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列分别作为纹理单元和闭锁单元。
进一步地，所述上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列采用硅胶与磁粉颗粒混合制成，混合材料中磁粉颗粒均匀分布，在上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列的制备过程中，通过外部磁场确保所有磁粉颗粒的磁极方向均为上N极下S极。
进一步地，当模拟可以大尺度形变的柔软物体时，所述微型驱动单元随着可延展软体基底可以实现变形与延展。
进一步地，所述驱动层采用微尺度电磁线圈阵列产生的瞬间主动磁场和下层微尺度磁粉单元阵列的稳态被动磁场相结合的方式以降低微尺度电磁线圈阵列产生的功耗，避免了大电流下的发热问题。
进一步地，当微尺度电磁线圈阵列正向通电时，上层微尺度磁粉单元阵列收到来自微尺度电磁线圈阵列的瞬间强磁场产生的吸附力下移，带动表面层产生变形，形成凹坑，用于模拟虚拟环境中待模拟的物体表面几何形貌；微尺度电磁线圈阵列断电后，依靠下层微尺度磁粉单元阵列和上层微尺度磁粉单元阵列的吸附力保持表面层的变形；当表面层需要恢复平整状态时，微尺度电磁线圈阵列执行反向通电模式，上层微尺度磁粉单元阵列收到来自微尺度电磁线圈阵列的瞬间强磁场产生的排斥力上升，推动表面层恢复到零变形状态；微尺度电磁线圈阵列断电，表面层保持为平整状态。
本发明具有以下有益效果：微型单元嵌入硅胶基底的方式，实现了纹理呈现装置柔性可延展功能；通过微尺度电磁线圈阵列，实现了高空间分辨率、精细控制精度、宽调节范围的宏观-介观-微观多尺度纹理的动态呈现和细节渲染；通过电磁线圈产生的瞬间主动磁场和柔性磁粉阵列的稳态被动磁场相结合的方式，实现磁场强度的优化设计，从而能够用微小尺度的电磁线圈产生足够大的法向纹理结构变化，减少电磁线圈的功耗，并避免大电流下的发热问题。
附图说明
图1是纹理呈现装置整体结构示意图。
图2是驱动层无纹理呈现状态示意图。
图3是驱动层主动磁场实现纹理呈现示意图。
图4是驱动层被动磁场实现纹理呈现示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：1、手指；2、纹理呈现装置；3、待模拟物体；4、表面层；5、驱动层；6、变形与延展；7、电子线路；8、上层微尺度磁粉单元阵列；9、可延展软体基底；10、磁粉颗粒；11、下层微尺度磁粉单元阵列；12、微尺度电磁线圈阵列；13、凹坑。
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。
一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置2，包括表面层4和驱动层5，表面层4位于上层，驱动层5位于下层；表面层4直接与用户手指1指尖接触，保证用户交互的安全性；并且可以调控手指1接触滑动时的摩擦感受、起到屏蔽和保护内部驱动层5的作用；驱动层5包括多个微型驱动单元，每个微型驱动单元可独立控制，驱动层5实现纹理表面微观几何形貌的调节；纹理呈现装置2可以实现多尺度精细纹理呈现，当手指1指尖与表面层4接触时，纹理呈现装置2可以根据虚拟环境中待模拟的物体表面属性(例如石头、木材、布匹、丝绸等)表面纹理的不同，通过控制驱动层5中每个可独立控制微型驱动单元，实时改变纹理呈现装置所呈现的纹理几何特征，实现宏观(1-10mm)、介观(0.5-1mm)、微观(0.1-0.5mm)多尺度的精细纹理模拟。
基底材质具有柔性可延展特性，当模拟可以大尺度形变的柔软物体时，微型驱动单元随着可延展软体基底可以实现变形与延展6。
所述微型驱动单元为微尺度电磁线圈阵列11、驱动层5还包括电子线路7、上层微尺度磁粉单元阵列8和下层微尺度磁粉单元阵列12。微尺度电磁线圈阵列11、电子线路7、上层微尺度磁粉单元阵列8和下层微尺度磁粉单元阵列12均嵌入在可延展软体基底9内部；所述上层微尺度磁粉单元阵列8位于可延展软体基底9顶部，微尺度电磁线圈阵列11位于可延展软体基底9中部，下层微尺度磁粉单元阵列12位于可延展软体基底9底部；通过微尺度电磁线圈阵列11的通/断电以及下层微尺度磁粉单元阵列12的被动磁场“接力”控制，实现上层微尺度磁粉单元阵列8的形变，从而改变纹理呈现装置2表面的纹理；
所述微尺度电磁线圈11采用镀银材料通过微纳加工工艺制作而成，具有可延展、低电阻、大电流的特点；所述上层微尺度磁粉单元阵列8和下层微尺度磁粉单元阵列12的原材料，采用硅胶与磁粉颗粒10通过行星搅拌机进行充分混合，确保混合材料中磁粉颗粒10均匀分布，在上层微尺度磁粉单元阵列8和下层微尺度磁粉单元阵列12的制备过程中，通过永磁体或者电磁线圈等外部磁场确保所有磁粉颗粒10的磁极方向均为上N极下S极；所述上下两层的微尺度磁粉单元阵列8、12分别作为纹理单元(Texture unit)和闭锁单元(Latching unit)。
驱动层5中的微尺度电磁线圈11均可以实现单独主动控制，当微尺度电磁线圈阵列11未通电工作时，上层微尺度磁粉单元阵列8(纹理单元)为平整状态，此时纹理呈现装置2无纹理呈现。驱动层5采用微尺度电磁线圈阵列11产生的瞬间主动磁场和下层微尺度磁粉单元阵列12的稳态被动磁场相结合的方式以降低电磁线圈的功耗，避免大电流下的发热问题。
当微尺度电磁线圈阵列11正向通电时，上层微尺度磁粉单元阵列8收到来自微尺度电磁线圈阵列11的瞬间强磁场产生的吸附力下移，带动表面层产生变形，形成凹坑13，用于模拟虚拟环境中待模拟的物体表面几何形貌；100毫秒后，微尺度电磁线圈阵列11断电，依靠下层微尺度磁粉单元阵列12(闭锁单元)和上层微尺度磁粉单元阵列8(纹理单元)的吸附力保持表面层的变形。当表面层需要恢复平整状态时，微尺度电磁线圈阵列11执行反向通电模式，上层微尺度磁粉单元阵列8(纹理单元)收到来自微尺度电磁线圈阵列11的瞬间强磁场产生的排斥力上升，推动表面层恢复到零变形状态；100毫秒后，微尺度电磁线圈阵列11断电，表面层保持为平整状态。
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 (10)

1.一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：
包括表面层和驱动层；
表面层直接与手指指尖接触，保证用户交互的安全性；并且可以调控手指接触滑动时的摩擦感受、起到屏蔽和保护内部驱动层的作用；
驱动层包括可延展软体基底和多个微型驱动单元，每个微型驱动单元可独立控制，驱动层实现纹理表面微观几何形貌的调节；
纹理呈现装置可以实现多尺度精细纹理呈现，当手指指尖与所述表面层接触时，所述纹理呈现装置可以根据虚拟环境中待模拟的物体表面属性的表面纹理的不同，通过控制所述驱动层中每个可独立控制的微型驱动单元，实时改变纹理呈现装置所呈现的纹理几何特征，实现宏观、介观、微观多尺度的精细纹理模拟。
2.根据权利要求1所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：所述微型驱动单元为微尺度电磁线圈阵列。
3.根据权利要求2所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：所述驱动层还包括电子线路、上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列。
4.根据权利要求3所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：所述微尺度电磁线圈阵列、电子线路、上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列均嵌入在可延展软体基底内部；所述上层微尺度磁粉单元阵列位于可延展软体基底顶部，所述微尺度电磁线圈阵列位于可延展软体基底中部，所述下层微尺度磁粉单元阵列位于可延展软体基底底部。
5.根据权利要求2所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：所述微尺度电磁线圈采用镀银材料通过微纳加工工艺制作而成。
6.根据权利要求3所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：所述上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列分别作为纹理单元和闭锁单元。
7.根据权利要求3所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：所述上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列采用硅胶与磁粉颗粒混合制成，混合材料中磁粉颗粒均匀分布，在上层微尺度磁粉单元阵列和下层微尺度磁粉单元阵列的制备过程中，通过外部磁场确保所有磁粉颗粒的磁极方向均为上N极下S极。
8.根据权利要求1所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：当模拟可以大尺度形变的柔软物体时，所述微型驱动单元随着可延展软体基底可以实现变形与延展。
9.根据权利要求3所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：所述驱动层采用微尺度电磁线圈阵列产生的瞬间主动磁场和下层微尺度磁粉单元阵列的稳态被动磁场相结合的方式以降低微尺度电磁线圈阵列产生的功耗，避免了大电流下的发热问题。
10.根据权利要求4所述的一种基于高密度柔性电磁线圈阵列驱动的纹理呈现装置，其特征在于：当微尺度电磁线圈阵列正向通电时，上层微尺度磁粉单元阵列收到来自微尺度电磁线圈阵列的瞬间强磁场产生的吸附力下移，带动表面层产生变形，形成凹坑，用于模拟虚拟环境中待模拟的物体表面几何形貌；微尺度电磁线圈阵列断电后，依靠下层微尺度磁粉单元阵列和上层微尺度磁粉单元阵列的吸附力保持表面层的变形；当表面层需要恢复平整状态时，微尺度电磁线圈阵列执行反向通电模式，上层微尺度磁粉单元阵列收到来自微尺度电磁线圈阵列的瞬间强磁场产生的排斥力上升，推动表面层恢复到零变形状态；微尺度电磁线圈阵列断电，表面层保持为平整状态。
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