一種紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置的制作方法

本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于實現(xiàn)人機交互的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置。

背景技術(shù)：

紋理觸覺再現(xiàn)技術(shù)是一種基于人的觸覺感知機理的人機交互技術(shù)，該技術(shù)模擬人體對真實物體進行觸覺感知的過程，實現(xiàn)對遠(yuǎn)地或虛擬物體表面紋理信息的感知與再現(xiàn)。紋理觸覺再現(xiàn)技術(shù)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(huán)境中的用戶體驗。作為力觸覺再現(xiàn)中的一個重要領(lǐng)域，紋理力觸覺再現(xiàn)技術(shù)受到了越來越多的關(guān)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(qū)分生活中的物體。紋理力觸覺是力觸覺再現(xiàn)研究的一個重要組成部分，紋理力觸覺再現(xiàn)技術(shù)主要研究如何將物體表面的紋理信息通過觸覺再現(xiàn)裝置反饋給操作者。該技術(shù)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(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，不僅可使得操作者在虛擬環(huán)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(huán)境的探知能力。

近年來，隨著紋理力觸覺技術(shù)的研究與發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越廣，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、遙操作、藝術(shù)、教育、娛樂等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，運用該技術(shù)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，醫(yī)生通過觸覺設(shè)備感知手術(shù)現(xiàn)場中人體器官的紋理觸感，獲得比較準(zhǔn)確的病理信息，提高手術(shù)的成功率，可以實現(xiàn)模擬手術(shù)培訓(xùn)，減少實習(xí)醫(yī)生培訓(xùn)投入；將紋理觸覺技術(shù)引入虛擬工件裝配環(huán)節(jié)，可以増強操作者對零件裝配的真實感；在遙操作技術(shù)中，可通過觸覺設(shè)備感受遙操作機器人所在真實環(huán)境，并操控機器人系統(tǒng)去完成特定環(huán)境下的任務(wù)；將紋理觸覺再現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于虛擬藝術(shù)博物館和展覽會上，可以使參觀者通過觸覺再現(xiàn)設(shè)備觸摸珍貴的藝術(shù)品或文物，獲得對藝術(shù)作品的更好的認(rèn)識，滿足參觀者的認(rèn)知需求；在教育領(lǐng)域中，可以使學(xué)生在課堂中認(rèn)識到更多的材料屬性，減少學(xué)生與危險物品的直接接觸；在娛樂業(yè)中，玩家可通過力觸覺設(shè)備更好地沉浸于虛擬世界，獲得更好的游戲體驗。

在紋理力觸覺再現(xiàn)中，為了模擬人接觸物體時的觸覺，需要借助力觸覺交互設(shè)備，該設(shè)備也可以稱為觸覺反饋或力反饋設(shè)備。力觸覺交互設(shè)備是一種由計算機驅(qū)動的能夠產(chǎn)生力反饋的計算機外圍設(shè)備。一般力觸覺交互設(shè)備都具有持別設(shè)計的人機交互接口，方便操作者使用。Bailenson將人機交互結(jié)構(gòu)定義為：為體驗力觸覺變化供操作者控制或穿戴的機械結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)研巧出的力觸覺交互設(shè)備根據(jù)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(shè)備。除了借助于力觸覺反饋設(shè)備外，還可以采用分布式多點振動模擬紋理的方法。該方法需要設(shè)計專用的振動陣列模塊，當(dāng)人手觸摸振動陣列模塊時，該模塊中的振動單元根據(jù)需要反饋出的觸覺信息產(chǎn)生對應(yīng)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等研制了一種拉動型針型陣列，該陣列由4×4個觸點構(gòu)成，每個觸點對應(yīng)一個振動電機，16個振動電機同時給觸點陣列提供相應(yīng)位置的拉力，并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(xiàn)紋理信息表達再現(xiàn)。Konyo和Yoshida等人設(shè)計了一種利用多種振動頻率再現(xiàn)虛擬接觸的設(shè)備，將該設(shè)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(yīng)，從而產(chǎn)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(xiàn)接口裝置大多才用商業(yè)化的力觸覺交互裝置如Phantom、Falcon、Delta和Sigma等，這些設(shè)備具有較多自由度，但都由電機驅(qū)動、大多采用剛性結(jié)構(gòu)連接，在模擬物體紋理時穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)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(tài)紋理。采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(xiàn)接口裝置大多由振動電機產(chǎn)生的振動模擬物體紋理，穩(wěn)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(qū)動點陣式紋理觸覺結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，體積大、重量重。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種用于實現(xiàn)人機交互的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置，目的在于解決現(xiàn)有紋理力觸覺再現(xiàn)所采用力觸覺交互裝置存在的弊端，進而提供一種可使得操作者在虛擬環(huán)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(huán)境的探知能力的接口裝置。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置，所述接口裝置包括盒狀底座（1），盒狀底座（1）內(nèi)設(shè)置有多根縱橫排列的縱向彈性導(dǎo)線（5）、橫向彈性導(dǎo)線（4），縱向彈性導(dǎo)線（5）、橫向彈性導(dǎo)線（4）所對應(yīng)的自由端分別通過絕緣固定管（8）與盒狀底座（1）側(cè)壁固定，盒狀底座（1）內(nèi)充滿電流變液（10），盒狀底座（1）上方固定有柔性蓋板（6），縱向彈性導(dǎo)線（5）、橫向彈性導(dǎo)線（4）所對應(yīng)的自由端的一端分別設(shè)置有極性相同的電極，柔性蓋板（6）上設(shè)置有與縱向彈性導(dǎo)線（5）、橫向彈性導(dǎo)線（4）極性相反的電極。

本發(fā)明進一步技術(shù)改進方案是：

所述縱向彈性導(dǎo)線（5）、橫向彈性導(dǎo)線（4）一端分別設(shè)置有縱向正電極（7）、橫向正電極（2），柔性導(dǎo)電蓋板（6）上設(shè)置有負(fù)電極（3）。

本發(fā)明進一步技術(shù)改進方案是：

所述縱向彈性導(dǎo)線（5）、橫向彈性導(dǎo)線（4）均由金屬彈性材料制成。

本發(fā)明進一步技術(shù)改進方案是：

所述柔性蓋板（6）由金屬材料制成。

本發(fā)明進一步技術(shù)改進方案是：

根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置，其特征在于：所述盒狀底座（1）由絕緣材料制成。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點：

一、本發(fā)明采用新興的電流變技術(shù)，電流變液在電場作用下產(chǎn)生電流變效應(yīng)，使表征電流變液流變特性的表觀粘度發(fā)生變化，能夠在瞬間從牛頓液體狀態(tài)變化為類固體狀態(tài)，并且該過程可逆，因此電流變液在模擬物體紋理時適用的范圍更廣，可以模擬剛度范圍很大物體的紋理，特別是在模擬機體組織紋理中有著獨特的優(yōu)勢。

二、本發(fā)明接口裝置是耗散型的，因此穩(wěn)定性好，模擬物體紋理時保真度高。

三、本發(fā)明模擬真實物體的紋理信息，更具有真實性。

四、本發(fā)明通過控制電場的大小或有無，可以模擬物體的動態(tài)紋理信息。

五、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，機械加工精度要求也不高。

六、本發(fā)明控制簡單，電場信號與電流變液剛度信號存在明確的函數(shù)關(guān)系，因此只需施加不同的電場便可準(zhǔn)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(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明原理示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明包括一個絕緣材料制成的盒狀底座1，四根金屬彈性材料制成的橫向彈性導(dǎo)線4，四根金屬彈性材料制成的縱向彈性導(dǎo)線5，四根橫向正電極2，四根縱向正電極7，一根負(fù)電極3，一個由金屬材料制成的柔性蓋板6，十六個絕緣固定管8，適量的電流變液9。在盒狀底座1設(shè)置四根橫向彈性導(dǎo)線4和四根縱向彈性導(dǎo)線5，橫向彈性導(dǎo)線4和縱向彈性導(dǎo)線5均通過絕緣固定管8固定于盒狀底座1上，四根橫向彈性導(dǎo)線4的一端分別設(shè)置四根橫向正電極2，四根縱向彈性導(dǎo)線5的一端分別設(shè)置四根縱向正電極7，在柔性蓋板6上設(shè)置一負(fù)電極3，在盒狀底座1內(nèi)充滿電流變液9，電流變液9上用柔性導(dǎo)電蓋板6覆蓋，柔性蓋板6固定于盒狀底座1上。

本發(fā)明用于實現(xiàn)人機交互的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置工作原理如下：紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置如圖1、圖2所示。當(dāng)在某根電極的正電極和負(fù)電極之間施加電壓時，彈性導(dǎo)線與柔性導(dǎo)電蓋板之間產(chǎn)生電場，該電場垂直于彈性導(dǎo)線并指向柔性導(dǎo)電蓋板，在該電場作用下，電流變液在沿電場方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，該根彈性導(dǎo)線上方的電流變液硬度變大，電壓越大，電場越強，鏈狀結(jié)構(gòu)越強，硬度越大，當(dāng)操作者觸摸柔性蓋板時就能夠感覺到紋理的存在。當(dāng)在不同的橫向或縱向彈性導(dǎo)線和柔性蓋板之間施加電壓時，柔性蓋板上會反映出不同的紋理信息和形狀信息，當(dāng)在不同的橫向或縱向彈性導(dǎo)線與柔性蓋板之間輪流施加、撤銷電壓時，柔性蓋板上可以反映出動態(tài)的紋理信息。

根據(jù)實際物體紋理大小和形狀的不同，可以通過增加橫向和縱向彈性導(dǎo)線數(shù)量、改變導(dǎo)線之間的設(shè)置密度，從而有效的模擬物體的紋理。根據(jù)實際物體的柔順性不同，可以通過改變施加在彈性導(dǎo)線和柔性蓋板的電壓，從而提高操作者紋理觸感的真實性。

本發(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述實施方式所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)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(fā)明的保護范圍。