一種多熱源高速溫度復現裝置的製作方法

2023-04-27 09:04:41

專利名稱：一種多熱源高速溫度復現裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及虛擬實境技術中的觸覺再現，尤其是一種多熱源高速溫度復現裝置，該裝置可實現多熱源高速溫度觸覺的近端復現，屬於測試與控制技術領域。
背景技術：
虛擬實境技術是一種有效地模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機互動技術。虛擬實境技術通過計算機圖形構造虛擬環境，藉助相應的硬體手段的幫助，如數據手套、頭盔顯示器或立體眼鏡等設備，提供視、聽、觸、嗅覺等感官刺激，可以使用戶沉浸在虛擬環境中，產生親臨其境的臨場感。這種技術可以應用於遙操作、虛擬裝配、虛擬手術等多個領域，近年來成為人們的研究熱點。觸覺是指分布於全身皮膚上的神經細胞接受來自外界的溫度、溼度、疼痛、壓力、 振動等方面的感覺。觸覺再現技術的重要性已被廣泛認識並得到深入研究，力觸覺算法及柔性、紋理觸覺復現裝置已經能較好的模擬虛擬場景中物體的柔性、紋理和力觸覺特性。然而，在溫度觸覺這一領域的人機互動技術研究尚少，溫度觸覺再現的裝置也有限。溫度觸覺作為觸覺的一種在人的整個感知系統中發揮著重要作用，人手觸摸不同熱屬性的物體時有著不同的溫度感覺，據此人可以判斷出物體的熱屬性。到目前為止，國內外對觸覺的研究都集中於力觸覺，也有力觸覺再現裝置的出現。而溫度觸覺作為力觸覺的主要輔助手段，在觸覺建立過程中發揮了重要的作用。在虛擬實境技術中加入溫度觸覺可以增強人的臨場感和沉浸感。溫度觸覺再現技術是一項新興的研究方向，所涉及的學科眾多，跨越的學科有電路電子、機械、材料學等多個方面。溫度觸覺再現技術的深入研究，將會進一步加強其在醫學、 軍事、機器人仿真、工業製造、教育及其娛樂各領域的廣泛應用。目前國外在溫度觸覺感知與再現裝置方面，並且大多數是基於單熱源的溫度觸覺再現裝置，基於多熱源的裝置大多為指戴式裝置。當虛擬環境或遠端真實環境中有多個熱源需要再現時，基於單熱源的溫度觸覺再現裝置無法同時對它們進行復現，只能分別進行復現，但是這將嚴重的影響虛擬實境系統的實時性。本申請人在先申請的多熱源復現裝置的加熱模塊採用電加熱絲加熱，並用一塊較大的半導體製冷器給所有的復現單元進行整體降溫，當部分復現單元需要降溫時，其餘復現單元的電加熱絲則要加大加熱力度以維持其溫度，比較耗能；另外，採用半導體製冷器進行整體降溫的方案降溫效率不高，部分能量浪費，且降溫速率較低，這就導致了該裝置只能實現恆定溫度的復現，而難以實現溫度波形的復現。
發明內容針對現有技術，本實用新型提出了一種多熱源高速溫度觸覺復現裝置。該裝置可以同時在多個不同點上復現出不同物體的表面溫度，該溫度可以是恆溫也可以為預設的溫度波形。本實用新型的技術方案如下一種多熱源高速溫度復現裝置，其特徵在於設有復現裝置和控制系統兩部分，復現裝置設有由多個溫度復現單元排列而成的溫度復現陣列、熱絕緣罩、固定框、溫度傳感器、散熱板、傳感控制接口，其中每個溫度復現單元包括一個導熱柱和一個半導體製冷器，導熱柱下表面緊貼半導體製冷器的上表面，導熱柱頂端之下設有大於導熱柱直徑的圓柱凸臺，熱絕緣罩置於導熱柱的頂端，其上設有與導熱柱數量一致並一一對應的通孔，通孔直徑與導熱柱直徑匹配，熱絕緣罩定位於導熱柱的圓柱凸臺上，導熱柱的頂端表面與熱絕緣罩上表面共同構成溫度觸覺平面，散熱板置於半導體製冷器的下端，散熱板上表面設有凸臺，凸臺上表面設有與半導體製冷器數量一致並一一對應的凹槽，半導體製冷器的下端定位於凹槽內，半導體製冷器的下表面緊貼凹槽底面，設置一固定框，緊固在散熱板上表面凸臺的四周，固定框的高度與絕緣罩的上表面持平，絕緣罩通過螺釘與散熱板固定，導熱柱圓柱凸臺下方設有小孔，孔內設有溫度傳感器，每個溫度傳感器及半導體製冷器的兩引腳均用導線連接在固定框邊上設置的傳感控制接口上；控制系統為基於ARM微處理器的嵌入式Linux系統，包含核心板、電源模塊、觸控螢幕、橋路、通信模塊和控制接口，核心板為控制、存儲中心，電源模塊給核心板和橋路供電，觸控螢幕用於向ARM 微處理器發送命令以及顯示復現的溫度波形，橋路輸出信號直接接到半導體製冷器上來控制半導體製冷器的工作狀態，通信模塊用於和PC機或遠程探測儀器的通信，控制系統的控制接口與復現裝置的傳感控制接口對應連接，用於和復現模塊進行信號傳輸。所說熱絕緣罩上表面可設有凸臺，凸臺面積內設置與導熱柱數量一致並一一對應的通孔；導熱柱頂端表面可設置為圓弧凸面；溫度傳感器可採用熱敏電阻。為了保證導熱柱的安裝其厚度應不小於5 mm,同時，為了復現預設的溫度波形，那麼就要求控溫速率很快，但由於溫度波在物體內部傳遞時其幅值會隨著物體厚度的增加而迅速衰減，所以設定導熱柱的厚度應不大於10 mm;為了保證半導體製冷器的控溫速率，其上表面面積應不大於15 mm χ 15 mm，否則將會造成部分能量的浪費從而影響控溫效果。本實用新型的優點及顯著效果1、操作人員可以通過該多熱源高速溫度觸覺復現裝置可以同時復現遠端或虛擬環境中的多熱源高速溫度，使其產生溫度觸覺臨場感、沉浸感；2、該多熱源高速溫度復現裝置中的溫度傳感器內嵌於溫度復現陣列，採集溫度具有實時性好、準確度高的特點；3、可以通過改變該多熱源高速溫度復現裝置上的溫度觸覺平面的形狀以及溫度復現陣列的數量、排布，來實現不同應用場合的實際需求；4、由於該溫度復現裝置每個溫度復現單元都採用一個半導體製冷器進行溫度控制，因此與其他方案相比，該裝置具有控制溫度變化快速的特點，進而可以達到復現預設的溫度波形的目標；5、該裝置整體尺寸小、重量輕，便於安裝在手控器上；6、該裝置可以應用於醫療、材質識別、空間探測、虛擬遊戲、多維影視、虛擬場景的
應急演練等等。

圖1是現有技術半導體製冷器工作電流與冷、熱端的關係圖；圖2是本實用新型的整體框4[0019]圖3是本實用新型的整體結構外觀圖；圖4是本實用新型中復現裝置的外觀圖；圖5是復現裝置結構的垂直分解圖；圖6是本實用新型中復現裝置的溫度復現陣列圖；圖7是本實用新型中復現裝置的剖面圖；圖8是本實用新型中復現裝置的熱絕緣罩的仰視圖；圖9是本實用新型中復現裝置的溫度復現陣列不同排布以及觸覺平面的不同形狀。
具體實施方式
參看圖1，半導體製冷器是利用半導體的熱_電效應製取冷量的器件，又稱熱-電製冷器。用導體連接兩塊不同的金屬，接通直流電，則一個接點處溫度降低，另一個接點處溫度升高。若將電源反接，則接點處的溫度相反變化，這一現象稱為珀耳帖效應， 又稱熱_電效應。純金屬的熱_電效應很小，若用一個N型半導體和一個P型半導體代替金屬，則熱-電效應大得多。參看圖3-8，本實用新型的多熱源高速溫度復現裝置，設有溫度復現陣列8、熱絕緣罩3、固定框4、微型溫度傳感器5、散熱板6、傳感控制接口 7和控制系統。溫度復現陣列 8是由多個溫度復現單元10按設定規則排列而成，每個溫度復現單元由一個導熱柱1配備一個小型半導體製冷器2構成，導熱柱1的下表面和半導體製冷器2的上表面接觸熱交換性能良好，每個導熱柱1有靠近上表面處的，用於將其固定在熱絕緣罩3的階梯通孔9中。 圓周凸起11下方設有小孔，孔內設有微型溫度傳感器用於該溫度復現點的溫度採集。半導體製冷器2有冷、熱兩個工作面，改變工作電流方向可以進行冷熱工作面切換，且每個溫度復現單元的半導體製冷器都嵌在散熱金屬板6上；熱絕緣罩3可為正方形，可以正好置於正方形固定框4包圍的空間內，並用螺絲將熱絕緣罩3固定在金屬散熱板6上，使本裝置為一體。熱絕緣罩3中間呈凸臺狀，凸臺部位設有與導熱柱1 一一對應的通孔9，導熱柱上部的突圓周凸起11固定於熱絕緣罩3相應的通孔9內，同時熱絕緣罩實現了不同溫度復現單元間的熱絕緣，減少溫度復現單元的相互影響，導熱柱1上表面與熱絕緣罩3上表面一起構成了溫度觸覺平面..微型溫度傳感器內嵌在溫度復現陣列的導熱柱上的孔中，且該傳感器為熱敏電阻，具有體積小、靈敏度高、工作溫度範圍寬等特點，用於溫度傳感和溫控制，散熱板6為一塊正方形銅板，其中間部位有正方形凸起，該凸起上又有對應於傳感陣列數目的凹槽，凹槽內定位半導體製冷器。用螺絲將固定框4的底部固定在散熱板6凸起部四周，固定框能夠把熱絕緣罩固定在其內部空間，且固定框上表面和熱絕緣罩的上表面持平。傳感控制接口 7安裝在固定框4上，為引出微型溫度傳感器的傳感信號，同時向半導體製冷器2 發送控制信號。參看圖2、3，本實用新型的控制系統18是基於ARM微處理器的嵌入式Linux系統， 核心板16外圍設有電源14、觸控螢幕12、橋路15、通信模塊13及控制接口 17，該微處理器具有低價格、低功耗、高性能、體積小的優點。恆定溫度的實現通過溫度傳感器反饋給控制系統的數據，控制系統可以知道復現陣列的實際溫度是多少，如果要復現的溫度比實際溫度高，那麼ARM主板會通過橋路控制半導體製冷器的電流方向，使半導體製冷器的上表面制熱，並通過溫度傳感器反饋回去的數據以確定是否要繼續使半導體製冷器的上表面制熱，一旦溫度傳感器反饋回去的數據顯示溫度復現陣列的溫度高於實際需要復現的溫度，那麼ARM主板會立刻發一個信號給橋路來改變通過半導體製冷器的電流方向，使半導體製冷器的上表面製冷，通過這樣的反覆調整即可復現出遠端的溫度。預設溫度波形的實現預設的溫度波形實為連續波形的取樣點，控制系統在取樣時間間隔內實現取樣點的溫度，這樣就實現了預設溫度波形的復現。參看圖9，可以根據不同觸摸體的要求來改變復現陣列的數量、排布和溫度觸覺平面的形狀，以達到實際應用的要求。圖a為折線排布，圖b為交叉排布，圖c為環形排布，圖 d為直線排布，圖e為凹形溫度觸覺平面，圖f為凸形溫度觸覺平面，圖g為波浪形溫度觸覺平面，圖h為不同複線陣列排布與不同形狀溫度觸覺平面的結合實例。
權利要求1.一種多熱源高速溫度復現裝置，其特徵在於設有復現裝置和控制系統兩部分，復現裝置設有由多個溫度復現單元排列而成的溫度復現陣列、熱絕緣罩、固定框、溫度傳感器、散熱板、傳感控制接口，其中每個溫度復現單元包括一個導熱柱和一個半導體製冷器， 導熱柱下表面緊貼半導體製冷器的上表面，導熱柱頂端之下設有大於導熱柱直徑的圓柱凸臺，熱絕緣罩置於導熱柱的頂端，其上設有與導熱柱數量一致並一一對應的通孔，通孔直徑與導熱柱直徑匹配，熱絕緣罩定位於導熱柱的圓柱凸臺上，導熱柱的頂端表面與熱絕緣罩上表面共同構成溫度觸覺平面，散熱板置於半導體製冷器的下端，散熱板上表面設有凸臺，凸臺上表面設有與半導體製冷器數量一致並一一對應的凹槽，半導體製冷器的下端定位於凹槽內，半導體製冷器的下表面緊貼凹槽底面，設置一固定框，緊固在散熱板上表面凸臺的四周，固定框的高度與絕緣罩的上表面持平，絕緣罩通過螺釘與散熱板固定，導熱柱圓柱凸臺下方設有小孔，孔內設有溫度傳感器，每個溫度傳感器及半導體製冷器的兩引腳均用導線連接在固定框邊上設置的傳感控制接口上；控制系統為基於ARM微處理器的嵌入式 Linux系統，包含核心板、電源模塊、觸控螢幕、橋路、通信模塊和控制接口，控制系統的控制接口與復現裝置的傳感控制接口對應連接。
2.根據權利要求1所述多熱源高速溫度復現裝置，其特徵在於熱絕緣罩上表面設有凸臺，凸臺面積內設置與導熱柱數量一致並一一對應的通孔，導熱柱頂端表面設置為圓弧凸面。
3.根據權利要求1或2所述多熱源高速溫度復現裝置，其特徵在於溫度傳感器採用熱敏電阻。
4.根據權利要求3所述多熱源高速溫度復現裝置，其特徵在於導熱柱厚度5mm-10 mm,半導體製冷器的上表面面積不大於15 mm X 15 mm。
專利摘要一種多熱源高速溫度復現裝置，包括復現裝置和控制系統，復現裝置設有由多個溫度復現單元排列而成的溫度復現陣列、熱絕緣罩、固定框、溫度傳感器、散熱板、傳感控制接口，每個溫度復現單元包括一個導熱柱和一個半導體製冷器，導熱柱下表面緊貼半導體製冷器的上表面，熱絕緣罩置於導熱柱的頂端，其上設有與導熱柱數量一致並一一對應的通孔，散熱板置於半導體製冷器的下端，設置一固定框，緊固在散熱板的四周，絕緣罩通過螺釘與散熱板固定，導熱柱圓柱設有小孔，孔內設有溫度傳感器，每個溫度傳感器及半導體製冷器的兩引腳均用導線連接在固定框邊上設置的傳感控制接口上，控制系統的控制接口與復現裝置的傳感控制接口對應連接。
文檔編號G05D23/24GK202217195SQ20112029757
公開日2012年5月9日 申請日期2011年8月16日 優先權日2011年8月16日
發明者吳劍鋒, 李建清, 楊宇榮, 毛志鵬 申請人:東南大學