用於實現人機互動的紋理觸覺再現接口裝置的製作方法

2023-06-27 11:16:51

本發明屬於虛擬實境技術領域，具體涉及一種用於實現人機互動的紋理觸覺再現接口裝置。

背景技術：

紋理觸覺再現技術是一種基於人的觸覺感知機理的人機互動技術，該技術模擬人體對真實物體進行觸覺感知的過程，實現對遠地或虛擬物體表面紋理信息的感知與再現。紋理觸覺再現技術通過紋理觸覺感知給用戶提供對虛擬物體更加真實與自然的接觸，更好地提升了虛擬環境中的用戶體驗。作為力觸覺再現中的一個重要領域，紋理力觸覺再現技術受到了越來越多的關注。

表面紋理是真實物體的一個重要屬性，人通過真實物體的表面紋理描述和區分生活中的物體。紋理力觸覺是力觸覺再現研究的一個重要組成部分，紋理力觸覺再現技術主要研究如何將物體表面的紋理信息通過觸覺再現裝置反饋給操作者。該技術可使操作者更好地感知物體表面，獲得更真實的觸覺感受。通過紋理觸覺技術與虛擬實境技術的結合，不僅可使得操作者在虛擬環境中獲得更好的真實感和沉浸感，還可以提高操作者對虛擬對象的控制與對虛擬環境的探知能力。

近年來，隨著紋理力觸覺技術的研究與發展，其應用範圍也越來越廣，在醫學、工業、遙操作、藝術、教育、娛樂等領域都有著廣泛的應用。在醫學領域，運用該技術可以實現遠程醫療，醫生通過觸覺設備感知手術現場中人體器官的紋理觸感，獲得比較準確的病理信息，提高手術的成功率，可以實現模擬手術培訓，減少實習醫生培訓投入；將紋理觸覺技術引入虛擬工件裝配環節，可以増強操作者對零件裝配的真實感；在遙操作技術中，可通過觸覺設備感受遙操作機器人所在真實環境，並操控機器人系統去完成特定環境下的任務；將紋理觸覺再現技術應用於虛擬藝術博物館和展覽會上，可以使參觀者通過觸覺再現設備觸摸珍貴的藝術品或文物，獲得對藝術作品的更好的認識，滿足參觀者的認知需求；在教育領域中，可以使學生在課堂中認識到更多的材料屬性，減少學生與危險物品的直接接觸；在娛樂業中，玩家可通過力觸覺設備更好地沉浸於虛擬世界，獲得更好的遊戲體驗。

在紋理力觸覺再現中，為了模擬人接觸物體時的觸覺，需要藉助力觸覺交互設備，該設備也可以稱為觸覺反饋或力反饋設備。力觸覺交互設備是一種由計算機驅動的能夠產生力反饋的計算機外圍設備。一般力觸覺交互設備都具有持別設計的人機互動接口，方便操作者使用。bailenson將人機互動結構定義為：為體驗力觸覺變化供操作者控制或穿戴的機械結構。目前已經研巧出的力觸覺交互設備根據其自由度不同可分為2自由度、3自由度、6自由度力觸覺交互設備。除了藉助於力觸覺反饋設備外，還可以採用分布式多點振動模擬紋理的方法。該方法需要設計專用的振動陣列模塊，當人手觸摸振動陣列模塊時，該模塊中的振動單元根據需要反饋出的觸覺信息產生對應振動，通過控制振動單元以及振動頻率的大小讓人獲得紋理觸感信息。如sarakoglou等研製了一種拉動型針型陣列，該陣列由4×4個觸點構成，每個觸點對應一個振動電機，16個振動電機同時給觸點陣列提供相應位置的拉力，並利用電纜傳動器將拉力從振動電機處傳輸至針型陣列－從而實現紋理信息表達再現。konyo和yoshida等人設計了一種利用多種振動頻率再現虛擬接觸的設備，將該設備穿戴在人手指的指端，通過改變觸覺刺激的振動時間、振動頻率與振幅作為手的運動的響應，從而產生粗糙度、壓力化及摩擦力的虛擬觸感。

目前存在的紋理觸覺再現接口裝置大多採用商業化的力觸覺交互裝置如phantom、falcon、delta和sigma等，這些設備具有較多自由度，但都由電機驅動、大多採用剛性結構連接，在模擬物體紋理時穩定性較差，容易產生失真，特別是無法模擬柔順性物體的紋理，而且在模擬物體的紋理時只能單點模擬，無法模擬動態紋理。採用點陣式紋理觸覺陣列能夠較好的模擬物體紋理，但目前點陣式紋理觸覺再現接口裝置大多由振動電機產生的振動模擬物體紋理，穩定性不好，振動信息與真實的紋理信息仍然存在差距，用戶在的紋理觸覺真實感仍然不強，同樣也存在著無法模擬柔順性物體紋理的問題，而且由電機驅動點陣式紋理觸覺結構非常複雜，體積大、重量重。

技術實現要素：

本發明提供一種用於實現人機互動的紋理觸覺再現接口裝置，目的在於解決現有紋理力觸覺再現所採用力觸覺交互裝置存在的弊端，進而提供一種具有高保真度、能夠模擬物體紋理特別是能夠模擬柔順性物體（如機體組織）紋理和形狀的人機接口裝置。

本發明通過以下技術方案實現：

用於實現人機互動的紋理觸覺再現接口裝置，其特徵在於：所述接口裝置包括盒狀底座（1），盒狀底座（1）內設置有多根縱橫排列的縱向彈性線圈（5）、橫向彈性線圈（4），縱向彈性線圈（5）、橫向彈性線圈（4）所對應的自由端分別通過絕緣固定管（9）與盒狀底座（1）側壁固定，縱向彈性線圈（5）、橫向彈性線圈（4）所對應的自由端分別設置有極性相反的電極，盒狀底座（1）內充滿磁流變液（10），盒狀底座（1）上方固定有柔性蓋板（6）。

本發明進一步技術改進方案是：

所述縱向彈性線圈（5）兩端分別設置有縱向正電極（7）、縱向負電極（8），橫向彈性線圈（4）兩端分別設置有橫向正電極（2）、橫向負電極（3）。

本發明進一步技術改進方案是：

所述縱向彈性線圈（5）、橫向彈性線圈（4）均由金屬彈性材料製成。

本發明進一步技術改進方案是：

所述柔性蓋板（6）由矽膠、或為橡膠、塑料材料、或為非導磁的金屬材料製成。

本發明與現有技術相比，具有以下明顯優點：

一、本發明採用新興的磁流變技術，磁流變液在磁場作用下產生磁流變效應，使表徵磁流變液流變特性的表觀粘度發生變化，能夠在瞬間從牛頓液體狀態變化為類固體狀態，並且該過程可逆，因此磁流變液在模擬物體紋理時適用的範圍更廣，可以模擬剛度範圍很大物體的紋理，特別是在模擬機體組織紋理中有著獨特的優勢。

二、本發明接口裝置是耗散型的，因此穩定性好，模擬物體紋理時保真度高。

三、本發明可模擬真實物體的紋理信息，更具有真實性。

四、本發明通過給彈性線圈輪流通、斷電，可以模擬物體的動態紋理信息。

五、本發明結構簡單，整個裝置結構簡單、緊湊，機械加工精度要求也不高。

六、本發明控制簡單，電流信號與磁流變液剛度信號存在明確的函數關係，因此只需給彈性線圈提供電流信號便可準確地控制其剛度，從而能夠模擬不同類型的紋理信息。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為本發明原理示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明包括一個盒狀底座1，四根金屬彈性材料製成的橫向彈性線圈4，四根金屬彈性材料製成的縱向彈性線圈5，四根橫向正電極2和四根橫向負電極3，四根縱向正電極7和四根縱向負電極8，一個由矽膠、或為橡膠、塑料材料、或為非導磁的金屬材料製成的柔性蓋板6，十六個絕緣固定管9，適量磁流變液10。在盒狀底座1上設置四根橫向彈性線圈4和四根縱向彈性線圈5，彈性線圈兩端均通過絕緣固定管9固定於盒狀底座1的側壁上，四根橫向彈性線圈4的兩端分別設置四根橫向正電極2和四根橫向負電極3，四根縱向彈性線圈5的兩端分別設置四根縱向正電極7和四根縱向負電極8，在盒狀底座1內充滿磁流變液10，磁流變液10上用柔性蓋板6覆蓋，柔性蓋板6固定於盒狀底座1上。

本發明用於實現人機互動的紋理觸覺再現接口裝置工作原理如下：紋理觸覺再現接口裝置如圖1、圖2所示。當在某根電極的正負電極之間施加電流時，其對應的彈性線圈中產生磁場，磁場作用下，磁流變液10在沿磁力線方向形成鏈狀結構，該根電極上方的磁流變液10硬度變大，電流越大，磁場越強，鏈狀結構越強，硬度越大，當操作者觸摸柔性蓋板6時就能夠感覺到紋理的存在。當在不同的橫向彈性線圈4或縱向彈性線圈5施加電流時，柔性蓋板6上會反映出不同的紋理信息和形狀信息，當不同的橫向彈性線圈4或縱向彈性線圈6輪流通、斷電流時，柔性蓋板6上可以反映出動態的紋理信息。

根據實際物體紋理大小和形狀的不同，可以通過增加橫向彈性線圈4和縱向彈性線圈5、改變橫向彈性線圈4和縱向彈性線圈5之間的設置密度，從而有效的模擬物體的紋理。根據實際物體的柔順性不同，可以通過改變通入彈性線圈的電流，從而提高操作者紋理觸感的真實性，根據不同紋理設置不同材料，如醫學中可以用矽膠材料模擬人體皮膚或其他組織的紋理，工業上可以用非導磁的金屬材料模擬金屬器件的紋理。

本發明方案所公開的技術手段不僅限於上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特徵任意組合所組成的技術方案。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。