CN114851226A - 一种触觉形状呈现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触觉形状呈现装置，涉及触觉反馈领域，所述触觉形状呈现装置包括：至少两个触觉单元；触觉单元包括软体驱动柱和设置在软体驱动柱上的软体驱动块；相邻两个软体驱动块之间柔性连接；工作时，根据设定目标形状控制各软体驱动柱内部正气压的大小，以使软体驱动柱的长度和弯曲程度发生变化，以及控制各软体驱动块内部负气压的大小，以使软体驱动块的表面刚度发生变化，从而呈现设定目标形状。本发明能提高空间分辨率，满足对于较复杂形状模拟的需求。

Description

一种触觉形状呈现装置

技术领域

本发明涉及触觉反馈领域，特别是涉及一种触觉形状呈现装置。

背景技术

形状呈现装置主要用于实现多种可变形状的触觉呈现，其优点是可以支持裸手进行触摸和操作，无须在手上佩戴任何装置及设备。近年来，随着虚拟现实技术的发展，社会逐渐加大了对触觉反馈的需求，越来越多有关可供裸手交互的形状呈现装置开始诞生，一些研究成果中也涉及到功能较为简单的触觉形状呈现装置，相关研究及技术日渐成熟。

现阶段的气动形状呈现装置，通常采用负压气动驱动控制表面刚度，而采用机械驱动的方式，控制气囊每一部分的高度，可以实现对外部形状的呈现。但是现阶段可选择的驱动装置体积较大，驱动力较小，不适合小型化，这导致目前的形状呈现装置空间分辨率较低，难以满足对于较复杂形状模拟的需求，其主要体现在如下方面：

由于形状呈现装置通过控制每一部分的高度及位置，从而实现对形状的模拟，因此其需要控制的自由度较多，需要大量驱动同时工作，但受制于驱动器的空间体积，现有的形状呈现装置的驱动器数量较少，多用来控制每一部分的高度，因此对于每一部分的角度通常是没有任何控制的，这导致最终的形状呈现空间分辨率较低，形状呈现的效果较差。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种触觉形状呈现装置，以提高空间分辨率，满足对于较复杂形状模拟的需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种触觉形状呈现装置，包括：至少两个触觉单元；

所述触觉单元包括软体驱动柱和设置在所述软体驱动柱上的软体驱动块；相邻两个所述软体驱动块之间柔性连接；

工作时，根据设定目标形状控制各所述软体驱动柱内部正气压的大小，以使所述软体驱动柱的长度和弯曲程度发生变化，以及控制各所述软体驱动块内部负气压的大小，以使所述软体驱动块的表面刚度发生变化，从而呈现设定目标形状。

可选地，所述软体驱动柱的内部开设有至少一个沿轴向的第一通气通道；所述软体驱动块的内部开设第二通气通道；所述第一通气通道用于通入正气压；所述第二通气通道用于通入负气压。

可选地，相邻两个所述软体驱动块之间通过柔性铰链连接。

可选地，所述软体驱动柱按照一维方式、二维方式或三维方式排布。

可选地，所述触觉形状呈现装置，还包括：触觉单元底部固定座；所述触觉单元底部固定座与所述软体驱动柱的数量相等；所述触觉单元底部固定座按照一维方式、二维方式或三维方式排布；所述触觉单元底部固定座用于固定所述软体驱动柱。

可选地，所述软体驱动柱的一端固定所述软体驱动块；所述软体驱动柱的另一端连接至少一个第一气管；一个所述第一气管与一个所述第一通气通道连通；所述软体驱动块连接第二气管；所述第二气管与所述第二通气通道连通。

可选地，所述触觉形状呈现装置，还包括：触觉单元基座；所述触觉单元基座用于固定所述触觉单元底部固定座。

可选地，所述软体驱动柱和所述软体驱动块均为柔性材料。

可选地，所述软体驱动柱和所述软体驱动块均为硅胶。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例提出了一种触觉形状呈现装置，采用离散化的思想，利用触觉单元作为最小单元，设置至少两个触觉单元，每个触觉单元包括软体驱动柱和设置在软体驱动柱上的软体驱动块，相邻两个软体驱动块之间柔性连接，并在工作时，根据设定目标形状控制各软体驱动柱内部正气压的大小，以使软体驱动柱的长度和弯曲程度发生变化，以及控制各软体驱动块内部负气压的大小，以使软体驱动块的表面刚度发生变化，这样通过正负压协同驱动的方式进行控制，实现了形状表面的可控形状及刚度改变。本发明相对于采用负压气动驱动和机械驱动实现的方式，能提高空间分辨率，满足对于较复杂形状模拟的需求，并且相邻两个软体驱动块之间柔性连接，这样在保证连接的同时，实现了触觉单元之间的自由弯曲，进一步满足对于较复杂形状模拟的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的触觉形状呈现装置的形状变化图；

图2为本发明实施例提供的触觉形状呈现装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的柔性铰链的状态图；

图4为本发明实施例提供的触觉单元的固定结构示意图；

图5为本发明实施例提供的触觉形状呈现装置制备过程中的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

触觉特征包括纹理、形状、柔软度、温度、粗糙度等多种特征，想要在虚拟现实系统中实现真实的触觉体验，各种特征缺一不可。“数字橡皮泥”是一种新型触觉呈现装置，可以支持裸手进行触摸和操作，无须在手上佩戴任何装置及设备。在用户触摸时，“数字橡皮泥”可以模拟物体的各种触觉特征，包括纹理、温度、柔软度、粗糙度等不同触觉特征。“数字橡皮泥”不仅可以实现对刚性物体的模拟，还可以模拟包括弹性体、流体等不同类型的物体。当然，“数字橡皮泥”必须可以变形成用户所要触摸的三维形状。在医疗培训过程中，通过形状呈现装置可以实现对不同生物组织的快速变形和切换，辅助医生快速熟悉不同组织的触摸感觉。在产品设计时，设计师可以裸手改变形状呈现装置的形状，并用于展示，方便了产品设计过程中的交流及沟通。在线购物时，用户可以把想要购买的产品，通过形状呈现装置呈现出来，可以近距离体验和感受产品的外形，增加了购物体验。在游戏时，形状呈现装置可以代替手柄，辅助用户进行操作，通过形状呈现装置的变形，不仅可以增加游戏的真实性，而且可以提高用户使用过程的舒适性。此外，触觉形状呈现装置还可以用于虚拟和增强现实应用程序，以获得更加真实的触觉体验。

为了实现对三维形状的精确模拟，本发明提供的触觉形状呈现装置是基于研发的“一种可变角度及刚度的小型触觉单元”实现精细三维形状模拟。本发明提出将一个物体离散化成若干个小的单元，如图1的(a)部分所示，每个小单元的位置及凹凸状态通过一个触觉单元n进行控制，即可实现对最终形状的控制。基于提出的“一种可变角度及刚度的小型触觉单元”，每个触觉单元n的位置由分布在装置内部的驱动器(软体驱动柱)控制，凹凸状态的维持通过表面的粒子阻塞模块(软体驱动块)进行维持。该形状呈现装置由多个触觉形状呈现单元构成，单元与单元之间连接在一起形成了三维触觉形状呈现装置，通过控制每个触觉单元n的长度、角度及位置，从而实现形状的改变，如图1的(b)部分和图1的(c)部分所示，通过触觉单元n的长度及弯曲程度的变化，可实现从球形到椭球形的变化。

下面对本实施例的触觉形状呈现装置进行详细说明。

如图2所示，本实施例的触觉形状呈现装置，包括：至少两个触觉单元；所述触觉单元包括软体驱动柱3和设置在所述软体驱动柱3上的软体驱动块8；相邻两个所述软体驱动块8之间柔性连接。

工作时，根据设定目标形状控制各所述软体驱动柱3内部正气压的大小，以使所述软体驱动柱3的长度和弯曲程度发生变化，以及控制各所述软体驱动块8内部负气压的大小，以使所述软体驱动块8的表面刚度(即表面的软硬程度)发生变化，从而呈现设定目标形状。

其中，根据目标形状控制软体驱动柱3内部正气压的大小以及控制各所述软体驱动块8内部负气压的大小，具体的：当目标形状已经确定，则每个触觉单元的对应的长度、角度及表面刚度即可确定，根据每个触觉单元对应的长度、角度及表面刚度、形状-气压关系确定软体驱动柱3内部正气压的大小以及软体驱动块8内部负气压的大小，采用手动方式或控制器向软体驱动柱3内部以及软体驱动块8内部通入相应量的气体，以使得软体驱动柱3内部具有相应的正气压，以及软体驱动块8内部具有相应的负气压。形状-气压关系是已知的，其可以采用实验的方式确定，具体的：在软体驱动柱3和软体驱动块8通入不同量的气体(即内部气压大小不同)，测量并记录软体驱动柱3的不同长度和不同弯曲程度，以及软体驱动块8的不同表面刚度，可得到形状-气压关系。

本实施例的触觉形状呈现装置，针对现有触觉形状呈现装置难以实现高分辨率三维形状呈现的需求，采用气动正负压协同驱动实现。利用软体驱动柱3和软体驱动块8体积小的特点，实现空间大量驱动的协同工作，最终实现对空间三维形状的模拟；采取离散化的思想，通过控制每一个触觉单元的高度、角度及刚度，进一步提高形状呈现的空间分辨率，以增强形状呈现的真实性。

本实施例的触觉形状呈现装置的具体实现原理如下：

在触觉形状呈现装置工作前，将设定目标形状进行离散处理，离散为和触觉单元数量相同的若干个单元，从而确定每个触觉单元的位置、角度及单元的表面刚度，此时，形状呈现装置开始工作，通过气压控制每个触觉单元的位置、角度及表面刚度，使其与设定目标形状的每个单元相对应，完成对设定目标形状的呈现。

在一个示例中，软体驱动柱3、软体驱动块8的形状和尺寸不做限定。为保证驱动性能，软体驱动柱3可以为圆柱形，其直径和长度根据需求可变；软体驱动块8可以为方形，其尺寸根据需求可变。

可以理解的是，本领域技术人员可根据需要灵活设计触觉单元的数量，对于每个触觉单元中软体驱动柱3和软体驱动块8的形状和尺寸，也可根据需要进行灵活设计。

在一个示例中，所述软体驱动柱3的内部开设有至少一个沿轴向的第一通气通道；所述软体驱动块8的内部开设第二通气通道；所述第一通气通道用于通入正气压；所述第二通气通道用于通入负气压。

在一个示例中，为了保证触觉形状呈现装置对形状的精细呈现，触觉单元与触觉单元之间的连接采用特殊结构，在保证触觉单元之间有连接的基础上，各触觉单元可以自由弯曲，不会由于相邻单元的拉扯，导致触觉单元发生不可预知的变形。如图2所示，触觉单元的相邻两个所述软体驱动块8之间通过柔性铰链9连接，柔性铰链9利用硅胶(Ecoflex00-30)浇筑形成，当软体驱动块8间间距较小时，柔性铰链9处于贴合折叠状态，如图3的(a)部分所示；当触觉单元发生位置变化时，柔性铰链9一定程度张开，如图3的(b)部分所示，保证触觉单元自由变化，完成对于预想形状的呈现。在实际应用中，软体驱动块8之间通过柔性铰链9连接可以基于柔性铰链模具实现。

在一个示例中，由于目前的形状呈现装置不仅空间分辨率较低，难以满足对于较复杂形状模拟的需求，而且还缺乏可以实现三维形状呈现的可行装置，其主要体现在如下方面：现阶段的形状呈现装置大多数仍集中于实现对一维形状(不同曲线)、2.5维形状(平面内不同凸起高度)的模拟，缺乏一种能够实现对于三维形状高分辨率模拟的形状呈现装置。本实施例中触觉单元之间的排布方式不唯一，如排成一排，可以模拟一维形状(如曲线)；排成一列，可以模拟二维形状(如曲面)；不同的三维排布方式也可以模拟不同类型的复杂形状，如类长条形、类方形、类球形等不同形状。具体的，可以通过将所述软体驱动柱3按照一维方式(形成一维形状)、二维方式(形成二维形状)或三维方式(形成三维形状)排布，实现触觉单元的灵活排布，能提高空间分辨率，满足对于较复杂形状模拟的需求，实现三维形状呈现。对于能实现三维形状呈现的装置，可以通过减少触觉单元的数量、改变触觉单元之间的连接方式，实现了对于一维、二维形状的呈现。此外，用户可以采用不同的排布方式对触觉单元进行排布，以实现对于不同类型复杂形状的大范围模拟。如不同的排布方案可以实现对于类方形物体、类球形物体等的模拟。

在一个示例中，如图4所示，所述触觉形状呈现装置，还包括：触觉单元底部固定座5和触觉单元基座7。

所述触觉单元底部固定座5与所述软体驱动柱3的数量相等；所述触觉单元底部固定座5按照一维方式、二维方式或三维方式排布；所述触觉单元底部固定座5用于固定所述软体驱动柱3。触觉单元底部固定件5利用固定件6(如螺栓螺母)连接到触觉单元基座7，所述触觉单元基座7用于固定所述触觉单元底部固定座，从而实现对多个触觉单元的底部固定。

在一个示例中，所述软体驱动柱3的一端固定所述软体驱动块8；所述软体驱动柱3的另一端连接至少一个第一气管10，如图5所示；一个所述第一气管10与一个所述第一通气通道连通；所述软体驱动块8连接第二气管11，如图1所示；所述第二气管11与所述第二通气通道连通。

可以理解的是，本领域技术人员可根据需要灵活设计第一气管10的数量和排布方式，若第一气管10的数量和排布方式不同，那么连接的内部通道的位置不同，则对应的形状-气压关系也是不同的，形状-气压关系采用实验的方式重新确定即可。

在一个示例中，所述软体驱动柱3和所述软体驱动块8均为柔性材料，例如，所述软体驱动柱3和所述软体驱动块8可以为硅胶。硅胶材料的种类不唯一，若硅胶材料硬度较低，可以实现对较为柔软的多种物体的模拟，若硅胶材料硬度较高，可以实现对较为坚硬的多种物体的模拟。用户可以利用不同材料的硅胶进行浇筑，以实现对不同范围大小及刚度的形状的模拟。

上述实施例的触觉形状呈现装置的制备工艺流程如下：

如图5所示，首先，将柔性铰链模具底部4、触觉单元、柔性铰链模具主件2进行组合，将硅胶(Ecoflex 00-30)搅拌均匀，倒入3D打印模具中，并将柔性铰链模具上盖1盖在模具上部，完成柔性铰链9的浇筑，与此类似，可以完成多个触觉单元之间通过柔性铰链9连接。触觉单元底部固定件5和触觉单元基座7均由塑料材料制成，每个触觉单元底部通过触觉单元底部固定件5进行固定，触觉单元底部固定件5利用固定件6(如螺栓螺母)连接到触觉单元基座7，以保证触觉单元底部固定件5位置不会发生变化，从而保证触觉单元底部位置的稳定固定，与此类似，完成各个触觉单元在触觉单元基座7上的固定。

现有的形状呈现装置大多采用整体化的设计思想，将物体表面看作一个整体，设计制作一个较大的气囊，在其内部装有驱动器，通过驱动器控制表面若干点的位置，从而实现对形状的模拟。在本实施例中，将物体表面进行离散化，离散为各个小的单元，通过控制每个小单元的长度、弯曲程度和刚度，实现对形状的模拟，通过制作若干的完全相同的触觉单元，控制物体每个单元的变化，可以极大地简化制作工艺，并且形状呈现的效果更好。

此外，由于形状呈现装置的最小单元是触觉单元，可以通过控制触觉单元的数量及连接方式，实现对于不同类型形状差异较大的物体的模拟，可以采用不同数量触觉单元，采取不同的连接方式，可以实现对不同形状的精确模拟。

上述实施例的触觉形状呈现装置具有如下优点：

面对现有触觉形状呈现装置无通用呈现方案，形状呈现能力差，空间分辨率低的特点，提出了一种正负压协同驱动的触觉形状呈现装置，采用离散化的思想，将物体离散为多个触觉单元，利用软体驱动柱3(三自由度)结构紧凑，输出效果好的特点，增加了形状呈现的效果，显著提高了形状模拟的空间分辨率。进一步，结合软体驱动块8(可变刚度)，实现了对物体表面刚度的模拟。该装置能满足对于较复杂形状模拟的需求。为了保证触觉单元间在连接的基础上可以自由弯曲，通过柔性铰链9连接相邻的触觉单元，并设计了相关的制作工艺。此外，用户可以利用不同数量触觉单元，不同种类的连接方式，实现对于不同类型差异较大的形状的模拟。

例如，若要实现如图(3)的(a)部分所示的形状变化，且右侧软体驱动块8与水平方向的夹角为30°，表面为硬质触觉，每个软体驱动柱上的三个第一气管均按照120°均匀分布，第二气管分布在软体驱动块的任意位置，那么基于形状-气压关系计算可以得出两相邻软体驱动柱内部各气腔中正气压大小分别为160kPa、130kPa、130kPa、50kPa、60kPa、60kPa，两表面软体驱动块均为负压-20kPa，通过控制软体驱动柱和软体驱动块内部气压为设定气压，完成对图中所示形状的呈现。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种触觉形状呈现装置，其特征在于，包括：至少两个触觉单元；

所述触觉单元包括软体驱动柱和设置在所述软体驱动柱上的软体驱动块；相邻两个所述软体驱动块之间柔性连接；

工作时，根据设定目标形状控制各所述软体驱动柱内部正气压的大小，以使所述软体驱动柱的长度和弯曲程度发生变化，以及控制各所述软体驱动块内部负气压的大小，以使所述软体驱动块的表面刚度发生变化，从而呈现设定目标形状。

2.根据权利要求1所述的一种触觉形状呈现装置，其特征在于，所述软体驱动柱的内部开设有至少一个沿轴向的第一通气通道；所述软体驱动块的内部开设第二通气通道；所述第一通气通道用于通入正气压；所述第二通气通道用于通入负气压。

3.根据权利要求1所述的一种触觉形状呈现装置，其特征在于，相邻两个所述软体驱动块之间通过柔性铰链连接。

4.根据权利要求1所述的一种触觉形状呈现装置，其特征在于，所述软体驱动柱按照一维方式、二维方式或三维方式排布。

5.根据权利要求4所述的一种触觉形状呈现装置，其特征在于，还包括：触觉单元底部固定座；所述触觉单元底部固定座与所述软体驱动柱的数量相等；所述触觉单元底部固定座按照一维方式、二维方式或三维方式排布；所述触觉单元底部固定座用于固定所述软体驱动柱。

6.根据权利要求2所述的一种触觉形状呈现装置，其特征在于，所述软体驱动柱的一端固定所述软体驱动块；所述软体驱动柱的另一端连接至少一个第一气管；一个所述第一气管与一个所述第一通气通道连通；所述软体驱动块连接第二气管；所述第二气管与所述第二通气通道连通。

7.根据权利要求5所述的一种触觉形状呈现装置，其特征在于，还包括：触觉单元基座；所述触觉单元基座用于固定所述触觉单元底部固定座。

8.根据权利要求1所述的一种触觉形状呈现装置，其特征在于，所述软体驱动柱和所述软体驱动块均为柔性材料。

9.根据权利要求8所述的一种触觉形状呈现装置，其特征在于，所述软体驱动柱和所述软体驱动块均为硅胶。

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