CN114185423B - 一种剪切增稠流体的力反馈装置、系统、穿戴设备及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种剪切增稠流体的力反馈装置、系统、穿戴设备及方法；包括腔体、第一电极片、第二电极片、剪切增稠流体和振膜；所述腔体内装有所述剪切增稠流体，所述腔体两侧分别设置所述第一电极片和所述第二电极片；所述剪切增稠流体内，位于所述第一电极片和所述第二电极片之间设置有所述振膜；本公开通过向第一电极片和第二电极片输入可变频率和电压信号，并在电极片之间产生不断变化的电场，通过电场驱动振膜振动，振动振膜再击打剪切增稠流体，调节剪切增稠流体的表观黏度从液体和固体特性之间变化，实现提供反力的目的，达到给穿戴者真实地反馈触觉，并同时进行肌肉约束的效果。

Description

一种剪切增稠流体的力反馈装置、系统、穿戴设备及方法

技术领域

本公开属于可穿戴触觉反馈技术领域，尤其涉及一种剪切增稠流体的力反馈装置、系统、穿戴设备及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

力反馈手套是一种可穿戴的触觉设备，穿戴者可以通过手的灵巧操作和灵敏的感知能力，直观且直接地触摸和操纵虚拟物体；高性能的手套能够在保持高刷新频率的前提下，通过提供力觉和触觉反馈真实地模拟触摸和操纵物体；随着近年来虚拟现实(virtualreality,VR)和增强现实(augmented reality,AR)系统的兴起，力反馈手套将成为改善VR系统沉浸感和交互特性的重要触觉接口。

力反馈手套有两种驱动方案：被动驱动和主动驱动；被动驱动手套使用抱闸、可控阻尼器或电磁离合器提供阻力；当被动执行器工作时，穿戴者可以感觉到阻力；主动执行器使用电机、气动等方式提供组织；主动控制模拟高更新频率的主动力和运动输出。

VRgluv触觉手套的每根手指中都埋入了力度传感器，当手与物体在虚拟世界中接触时，力反馈技术就会利用制动装置令使用者感受到物体的软硬程度；用户可以通过改变手部力气的大小来挤压物体；但是目前VRgluv触觉手套还不能感受物体表面的纹理。

Gloveone触觉手套的手掌和指尖上分布有10个致动器，当它们以不同的频率和强度震动时就可以模拟出准确的触感。

Maestro触觉手套在手套中填充了一层薄薄的电子肌肉，配合上安装在小臂上的小型电机就构成了一个人造的肌腱系统。当虚拟中的手触摸到物体时，肌腱会引导双手适可而止，再加上指尖的振动器，可以模拟真实的触感。

加州大学的研究人员开发的轻型柔性手套具有一层乳胶肌肉；乳胶肌肉被绑在柔软的硅胶骨头上，有一个气泵控制着充气水平；压力反馈基于其对手的位置参数的读数；当用户移动手指时，系统会通过充气放气来控制“肌肉”收缩舒展，对手指施加带有方向性的压力并拉扯用户的手指，从而让用户感受到虚拟物体的反馈力。

综上，传统技术中，力反馈方式主要为制动式或气囊式；制动式提供肌肉约束，无法提供触觉反馈；气囊式提供模拟的触感反馈，无法提供肌肉约束；两类力反馈方式不易在单面集成，无法同时模拟真实的触觉和肌肉约束；因此，设计一款真实反馈触觉并进行肌肉约束的力反馈装置及方法具有重要意义。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种剪切增稠流体的力反馈装置、系统、穿戴设备及方法，本公开中，通过可变频率和电压的输入信号通往两个固定电极，并在电极之间产生不断变化的电场；电场驱动振膜振动击打剪切增稠流体，调节剪切增稠流体的表观黏度从液体和固体特性之间变化，达到给穿戴者真实地反馈触觉，并同时进行肌肉约束的目的。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本公开提供了一种剪切增稠流体的力反馈装置，包括腔体、第一电极片、第二电极片、剪切增稠流体和振膜；

所述腔体内装有所述剪切增稠流体，所述腔体两侧分别设置所述第一电极片和所述第二电极片；

所述剪切增稠流体内，位于所述第一电极片和所述第二电极片之间设置有所述振膜。

进一步的，所述第一电极片、所述第二电极片和所述振膜均为柔性导电材料。

进一步的，所述第一电极片和所述第二电极片均采用柔性电路板或蛇形柔性电路。

进一步的，所述剪切增稠流体设置为质量分数为50％的玉米淀粉剪切增稠液，玉米淀粉作为分散相，水作为分散剂。

进一步的，所述剪切增稠流体包括黏度随剪切速率增加不变的现象、剪切增稠现象和剪切变稀现象。

进一步的，所述剪切增稠现象为：剪切增稠流体黏度随着施加的剪切速率增大而增大；所述剪切变稀现象为：剪切增稠流体黏度随着施加的剪切速率增大而下降。

第二方面，本公开还提供了一种剪切增稠流体的力反馈系统，包括如第一方面所述的剪切增稠流体的力反馈装置、驱动模块和计算模块，所述驱动模块分别与所述剪切增稠流体的力反馈装置和计算模块连接；

所述驱动模块为多通道驱动模块，用于输出可变频率和电压信号；

所述剪切增稠流体的力反馈装置为多个，用于接收所述驱动模块输出的可变频率和电压信号；

所述计算模块，用于实时计算各个所述剪切增稠流体的力反馈装置的反馈力度，并与所述多通道驱动模块通信，实现对所述剪切增稠流体的力反馈装置的控制。

进一步的，所述驱动模块包括多个驱动器，所述驱动模块的多通道控制方案包括单点控制或多点交叉控制。

进一步的，所述计算模块为力反馈计算模块，根据场景和需要，实时计算各个所述剪切增稠流体的力反馈装置的反馈力度，并与所述多通道驱动模块通信，实现对所述剪切增稠流体的力反馈装置的控制。

第三方面，本公开还提供了一种穿戴设备，采用了如第二方面所述的剪切增稠流体的力反馈系统。

第四方面，本公开还提供了一种剪切增稠流体的力反馈方法，包括以下内容：

给所述振膜提供直流电压形成静电场；

给所述第一电极片和所述第二电极片输入可变频率和电压信号，所述第一电极片和所述第二电极片之间产生不断变化的电场；

所述第一电极片和所述第二电极片之间产生不断变化的电场驱动所述振膜振动，击打所述剪切增稠流体，调节所述剪切增稠流体的表观黏度从液体和固体特性之间变化，实现力反馈。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开通过向第一电极片和第二电极片输入可变频率和电压信号，并在电极片之间产生不断变化的电场，通过电场驱动振膜振动，振动振膜再击打剪切增稠流体，调节剪切增稠流体的表观黏度从液体和固体特性之间变化，实现提供反力的目的，达到给穿戴者真实地反馈触觉，并同时进行肌肉约束的效果。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本公开实施例1的原理图；

图2为本公开实施例1的力学特性图；

图3为本公开实施例2的反馈系统的结构框图；

图4为本公开实施例3的反馈手套的结构示意图；

图5为本公开实施例4的应用环境图；

其中，1、电极片，2、剪切增稠流体，3、振膜，4、剪切增稠流体力反馈手套，5、驱动器，6、终端，7、服务器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

固有的其它步骤或单元。

剪切增稠是一种非牛顿流体性质，是指黏度随剪切速率增加而增大的流体流变现象；剪切增稠液是指具有剪切增稠效应的非牛顿流体，在合适的剪切速率范围下，剪切增稠液黏度会随着施加的剪切速率的增大而显著增大。剪切增稠效应强的剪切增稠液，与初始黏度相比，其黏度甚至可以呈指数级突变，并且当外力消失时，流体会恢复到初始状态。

本公开实施例提供的方案涉及流体力学和电子技术，具体通过如下实施例进行说明：

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种剪切增稠流体的力反馈装置，包括腔体、第一电极片、第二电极片、剪切增稠流体2和振膜3；

所述腔体内装有所述剪切增稠流体2，所述腔体两侧分别设置所述第一电极片和所述第二电极片，具体的，可变频率和电压的输入信号通往两个固定电极(所述第一电极片和所述第二电极片)，并在电极片1之间产生不断变化的电场；

所述剪切增稠流体2内，位于所述第一电极片和所述第二电极片之间设置有所述振膜3，具体的，所述振膜3上通上直流电压形成静电场，搭建在两个极片之间的剪切增稠流体2中；可以理解的，在本实施例中，可通过在所述第一电极片和所述第二电极片的两端使用柔性材料密封，所述振膜3两端通过胶黏或其他链接方式固定于柔性材料上，实现所述振膜3搭浮于剪切增稠流体2中；具体的，电场驱动振膜3振动击打剪切增稠流体2，调节剪切增稠流体2的表观黏度从液体和固体特性之间变化，给穿戴者同时真实反馈触觉并进行肌肉约束。

在本实施例中，所述第一电极片、所述第二电极片和所述振膜3均为柔性导电材料，具有较高的常温弯折性；优选的，所述第一电极片和所述第二电极片均采用柔性电路板或蛇形柔性电路，同时具重量轻、厚度薄和弯折性好等特点。

在本实施例中，所述剪切增稠流体2在合适的剪切速率范围下，剪切增稠液黏度会随着施加的剪切速率的增大而显著增大；具体的，如图2所示，在本实施例中，所述剪切增稠流体2设置为质量分数为50％的玉米淀粉剪切增稠液，以玉米淀粉作为分散相，以水作为分散剂；在温度为25℃，剪切增稠液的流体特性曲线如图2所示；该剪切增稠液具有典型剪切增稠液性质，在较低剪切速率下，随着剪切速率增加，剪切增稠液随着表观黏度增大基本保持不变，呈现牛顿流体性质；当剪切速率增大到临界值时，表观黏度发生剧烈变化，发生剪切增稠现象；随着剪切速率不断增加，表观黏度在达到最大值后下降，发生剪切变稀现象；在表观黏度随剪切速率上升的区间，可用于剪切增稠流体力反馈。

在本实施例中，所述剪切增稠流体2，具有剪切增稠效应的非牛顿流体，在合适的剪切速率范围下，剪切增稠液黏度会随着施加的剪切速率的增大而显著增大；剪切增稠效应强的剪切增稠液，与初始黏度相比，其黏度甚至可以呈指数级突变，并且当外力消失时，流体会恢复到初始状态。

实施例2：

如图3所示，本实施例公开了一种剪切增稠流体的力反馈系统，包括如实施例1所述的剪切增稠流体的力反馈装置、驱动模块和计算模块，所述驱动模块分别与所述剪切增稠流体的力反馈装置和计算模块连接；

所述驱动模块为多通道驱动模块，用于输出可调节电压频率和幅度的信号，可调节电压频率和幅度具体为可变频率和电压信号；在本实施例中，所述驱动模块的多通道控制方案包括但不限于单点控制和多点侧极板交叉控制。

所述剪切增稠流体的力反馈装置为多个，并根据需求设计为特性形状，用于接收所述驱动模块输出的可变频率和电压信号；

所述计算模块，用于实时计算各个所述剪切增稠流体的力反馈装置的反馈力度，并与所述多通道驱动模块通信，实现对所述剪切增稠流体的力反馈装置的控制。

在本实施例中，所述计算模块为力反馈计算模块，根据场景和需要，实时计算各个所述剪切增稠流体的力反馈装置的反馈力度，并与所述多通道驱动模块通信，实现对所述剪切增稠流体的力反馈装置的控制。

本实施例中的剪切增稠流体的力反馈系统可以但不限于是手套、背心、外套、裤子、鞋子等穿戴设备。

实施例3：

本实施例提供了一种剪切增稠流体的力反馈方法，包括以下内容：

给所述振膜3提供直流电压形成静电场；

给所述第一电极片和所述第二电极片输入可变频率和电压信号，所述第一电极片和所述第二电极片之间产生不断变化的电场；

述第一电极片和所述第二电极片之间产生不断变化的电场驱动所述振膜3振动，击打所述剪切增稠流体2，调节所述剪切增稠流体2的表观黏度从液体和固体特性之间变化，实现力反馈。

实施例4：

本实施例公开了一种穿戴设备，采用了如实施例2中所述的剪切增稠流体的力反馈系统，具体的，为一种剪切增稠流体力反馈手套。

如图4所示，一种剪切增稠流体力反馈手套4，在五个手指和手掌处布置多个剪切增稠流体的力反馈装置，可实现各类触感和肌肉约束，模拟真实的握力、抓和捏等感受。

如图5所示，剪切增稠流体力反馈手套4中的剪切增稠流体的力反馈装置由驱动模块(驱动模块设置为驱动器5)驱动；所述驱动器5通过有线或无线方式与终端6通信；所述终端6通过网络与服务器7进行通信；所述计算模块可由所述终端内设置的计算软件实现。

在本实施例中，所述终端6可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、便携式可穿戴设备和生理电信号采集设备；所述服务器7可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

所述驱动器6和所述终端6可以独立，也可集成在一起。

所述终端6和所述服务器7均可单独用于执行实施例3中提供的剪切增稠流体的力反馈方法。

实施例5：

本实施例还公开了一种穿戴设备，采用了如实施例2中所述的剪切增稠流体的力反馈系统，具体的，为一种剪切增稠流体力反馈背心。

一种剪切增稠流体力反馈背心，在背心的两个肩部和前后两侧布置多个剪切增稠流体的力反馈装置，可实现各类触感和肌肉约束，模拟背心受到的真实外力感受。

在本实施例中，剪切增稠流体力反馈背心中的剪切增稠流体的力反馈装置由驱动器5(驱动模块设置为驱动器5)驱动；所述驱动器5通过有线或无线方式与终端6通信；所述终端6通过网络与服务器7进行通信；所述计算模块可由所述终端内设置的计算软件实现。

在本实施例中，所述终端6可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、便携式可穿戴设备和生理电信号采集设备；所述服务器7可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

所述驱动器6和所述终端6可以独立，也可集成在一起。

所述终端6和所述服务器7均可单独用于执行实施例3中提供的剪切增稠流体的力反馈方法。

实施例6：

本实施例还公开了一种穿戴设备，采用了如实施例2中所述的剪切增稠流体的力反馈系统，具体的，为一种剪切增稠流体力反馈鞋子。

一种剪切增稠流体力反馈鞋子，在鞋子的鞋底、侧面和上面均布置多个剪切增稠流体的力反馈装置，可实现各类触感和肌肉约束，模拟鞋子受到的地面反力、行走过程中鞋发生弯曲时的反力和鞋带松紧带来的反力等真实外力感受。

在本实施例中，剪切增稠流体力反馈背心中的剪切增稠流体的力反馈装置由驱动器5(驱动模块设置为驱动器5)驱动；所述驱动器5通过有线或无线方式与终端6通信；所述终端6通过网络与服务器7进行通信；所述计算模块可由所述终端内设置的计算软件实现。

在本实施例中，所述终端6可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、便携式可穿戴设备和生理电信号采集设备；所述服务器7可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

所述驱动器6和所述终端6可以独立，也可集成在一起。

所述终端6和所述服务器7均可单独用于执行实施例3中提供的剪切增稠流体的力反馈方法。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种剪切增稠流体的力反馈装置，其特征在于，包括腔体、第一电极片、第二电极片、剪切增稠流体和振膜；

所述腔体内装有所述剪切增稠流体，所述腔体两侧分别设置所述第一电极片和所述第二电极片；

所述剪切增稠流体内，位于所述第一电极片和所述第二电极片之间设置有所述振膜；

所述第一电极片和所述第二电极片之间产生不断变化的电场驱动所述振膜振动，击打所述剪切增稠流体，调节所述剪切增稠流体的表观黏度从液体和固体特性之间变化，实现力反馈。

2.如权利要求1所述的一种剪切增稠流体的力反馈装置，其特征在于，所述第一电极片、所述第二电极片和所述振膜均为柔性导电材料。

3.如权利要求2所述的一种剪切增稠流体的力反馈装置，其特征在于，所述第一电极片和所述第二电极片均采用柔性电路板或蛇形柔性电路。

4.如权利要求1所述的一种剪切增稠流体的力反馈装置，其特征在于，所述剪切增稠流体设置为质量分数为50％的玉米淀粉剪切增稠液，玉米淀粉作为分散相，水作为分散剂。

5.如权利要求4所述的一种剪切增稠流体的力反馈装置，其特征在于，所述剪切增稠流体包括黏度随剪切速率增加不变的现象、剪切增稠现象和剪切变稀现象。

6.如权利要求5所述的一种剪切增稠流体的力反馈装置，其特征在于，所述剪切增稠现象为：剪切增稠流体黏度随着施加的剪切速率增大而增大；所述剪切变稀现象为：剪切增稠流体黏度随着施加的剪切速率增大而下降。

7.一种剪切增稠流体的力反馈系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的剪切增稠流体的力反馈装置、驱动模块和计算模块，所述驱动模块分别与所述剪切增稠流体的力反馈装置和计算模块连接；

所述驱动模块为多通道驱动模块，用于输出可变频率和电压信号；

所述剪切增稠流体的力反馈装置为多个，用于接收所述驱动模块输出的可变频率和电压信号；

所述计算模块，用于实时计算各个所述剪切增稠流体的力反馈装置的反馈力度，并与所述多通道驱动模块通信，实现对所述剪切增稠流体的力反馈装置的控制。

8.如权利要求7所述的一种剪切增稠流体的力反馈系统，其特征在于，所述计算模块为力反馈计算模块，根据场景和需要，实时计算各个所述剪切增稠流体的力反馈装置的反馈力度，并与所述多通道驱动模块通信，实现对所述剪切增稠流体的力反馈装置的控制。

9.一种穿戴设备，其特征在于，采用了如权利要求7-8任一项所述的剪切增稠流体的力反馈系统。

10.一种剪切增稠流体的力反馈方法，其特征在于，使用了如权利要求1-6任一项所述的一种剪切增稠流体的力反馈装置，包括以下内容：

给所述振膜提供直流电压形成静电场；

给所述第一电极片和所述第二电极片输入可变频率和电压信号，所述第一电极片和所述第二电极片之间产生不断变化的电场；

所述第一电极片和所述第二电极片之间产生不断变化的电场驱动所述振膜振动，击打所述剪切增稠流体，调节所述剪切增稠流体的表观黏度从液体和固体特性之间变化，实现力反馈。