一种大纹理触觉再现系统技术方案

本发明专利技术公开了一种大纹理触觉再现系统，能够触觉再现空间间隙在厘米级及以上的大纹理。包括：交互平板、手指定位装置、机械传动装置、压电陶瓷矩阵驱动装置、双向信息反馈装置、带3D显示器的PC机。通过手指定位装置实时检测手指位置，通过双向信息反馈装置控制压电陶瓷矩阵驱动单元驱动变摩擦力纹理再现交互平板产生高频振动，进而实现大纹理表面的微小纹理粗糙感再现；通过三自由度机械传动装置控制变摩擦力纹理再现交互平板的平移及转动来挤压手指的皮肤及肌肉，实现大纹理的弧度再现。具有高精度、高带宽、高采样频率以及低机械阻尼和干摩擦力的优点，并满足稳定性、透明性、无源性和耗散性等要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种触觉再现系统，特别是涉及一种基于变摩擦力纹理再现及挤压式弧度再现的大纹理触觉再现系统。
技术介绍
物体表面纹理再现是触觉交互研究领域中的热点和难点，它通过模拟与纹理表面相接触时的凹凸感和粗糙感，将纹理的物理属性传递给操作者。近年来国内外学者试图通过解刨、影像、压缩试验、电生理试验等研究手段，来揭示纹理感知的触觉机理，制作出大量的纹理再现装置。但值得注意的是，这些装置所模拟的纹理其内部空间间隙大多在毫米级及以下，我们称其为“细纹理”。“大纹理”是相对于细纹理而下的定义，其空间间隙在厘米级及以上。从空间几何特性来看，大纹理可以看成是细纹理图案覆盖在曲面上的特殊纹理，同时包含了纹理信息和弧度信息。当手指滑过大纹理时，既能在指端感受到细纹理反馈的粗糙感，又能在整个手指感受到弧度反馈的作用力。与细纹理相比，大纹理包含更丰富的物体表面信息，其触觉机理也必然更加复杂。比如手指端部肌肉组织的形变、手指施加的垂直力、物体表面反馈的剪切力、两者之间的摩擦力等都发生改变，从而使纹理再现模型的特征值和无源性边界条件发生变化。另外，从弧度再现的角度来看，由于表面微观纹理图案的存在，使弧度再现除了几何特性还原和力反馈以外还增加了跟摩擦力学相关的微机械刺激模拟。目前国内外学者对细纹理和弧度的感知机理及其触觉再现进行了深入研究，但很少涉及到综合了两者的大纹理。大纹理的触觉再现很难通过现有的纹理再现装置和力反馈设备来实现。如针形阵列式触觉再现装置:R.Vitushinsky等人，“用于纹理触觉再现装置中的双稳薄膜形状记忆驱动器，”微机电系统期刊，18(1)：186-194，2009。(R.Vitushinsky et al.,“Bistable thin-film shape memory actuators for applications in tactile displays,”J.Microelectromechanical Systems,18(1):186-194,2009.)只能模拟小幅值的凹凸感，不能再现高幅值的纹理栅。一些力反馈设备如Phantom可以简单的模拟大纹理的弧形轮廓，但缺乏细节表现，如表面覆盖的线性格栅或点状凸起的再现:S.Choi和H.Z.Tan，“面向逼真的表面纹理触觉渲染，”IEEE计算机图形应用期刊，24(2)：40-47，2004。(S.Choi and H.Z.Tan,“Toward realistic haptic rendering of surface textures,”IEEE Comput.Graph.Appl,24(2):40-47,2004.)。另外力反馈设备的不稳定性和不大的输出力使它不能模拟刚性接触，其本身的运动阻尼也会影响纹理感觉的真实性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提出一种基于变摩擦力纹理再现及挤压式弧度再现的大纹理触觉再现系统。本专利技术采用如下技术方案：一种大纹理触觉再现系统，其特征在于：包括交互平板，该交互平板背面贴设有振动装置；手指定位装置，该手指定位装置固定于该振动装置底部以检测手指施加于交互平板上的力/力矩信息；振动驱动装置，与振动装置相连以驱动振动装置形变致使交互平板产生高频振动实现细纹理再现；机械传动装置，与手指定位装置相连，驱动手指定位装置和交互平板运动实现弧度再现；PC机，用于显示触摸大纹理的虚拟场景，并生成大纹理触觉模型；双向信息反馈装置，与PC机、手指定位装置、机械传动装置、振动驱动装置相连，根据力/力矩信息计算得到手指的位置信息并结合大纹理触觉模型得到该位置对应的细纹理信息及弧度信息，再分别产生对应的控制命令至振动驱动装置和机械传动装置分别实现细纹理再现和弧度再现。优选的，所述交互平板采用铜铍合金材质的平板。优选的，所述振动装置为压电陶瓷片矩阵，所述振动驱动装置为压电陶瓷矩阵驱动装置。优选的，所述手指定位装置包括六自由度力/力矩传感器及其控制器，该控制器与所述双向信息反馈装置相连。优选的，所述机械传动装置包括工作台、位于工作台两侧的水平传动组件和竖直升降传动组件，该工作台固定支撑所述手指定位装置，该两竖直升降传动组件分别连接驱动工作台两端转动并产生竖直位移，该两水平传动组件分别驱动工作台两端产生水平位移。优选的，所述竖直升降传动组件包括第一齿条和第一电机，该第一齿条为竖直设置且其一端通过铰链与工作台端部可转动相连，该第一电机输出轴设有齿轮，该齿轮与第一齿条啮合。优选的，所述水平传动组件包括第二齿条、连接套、第二电机和支撑座；该连接套与第二齿条固定连接且设有适配第一齿条的滑动槽；该第二齿条与第一齿条垂直且穿设于支撑座上；该第二电机输出轴设有齿轮，该齿轮与第二齿条啮合。优选的，所述双向信息反馈装置包括处理单元及与该处理器相连的存储器、USB通信接口和D/A输出接口，该USB通信接口与PC机和手指定位装置相连，该D/A输出接口与机械传动装置和振动驱动装置相连。优选的，所述PC机设有3D显示器。由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术公开的大纹理触觉再现系统从细纹理和弧度相结合的角度来实现大纹理的触觉再现。变摩擦力纹理再现交互平板的引入为两者的结合提供了天然的条件，其连续性硬质表面可同时实现变摩擦力纹理再现和挤压式弧度再现。(2)本专利技术使操作者采用最贴近自然的主动式动态触摸方式来感知大纹理再现，可以显著增强操作者的沉浸感。这种触摸方式下，手指与物体表面之间的滑动感得到最大程度的还原。(3)本专利技术具有高精度、高带宽、高采样频率以及低机械阻尼和干摩擦力的特点，并满足稳定性、透明性、无源性和耗散性等要求。附图说明图1为本专利技术的整体框图；图2(A)为手指触摸大纹理的示意图；图2(B)为手指指尖感知大纹理中的细纹理示意图；图2(C)为手指指尖感知大纹理中的弧度示意图；图3为本专利技术的工作流程图；图4为再现终端及手指定位系统示意图；图5为三自由度机械传动机构示意图；图6为一种大纹理触觉再现模型图。其中：101、PC机，102、双向信息反馈装置，103、机械传动装置，104、压电陶瓷矩阵驱动装置，105、再现终端，106、交互平板，107、压电陶瓷片矩阵，108、六自由度力/力矩传感器，201、手指，202、大纹理，203、细纹理，204、局部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大纹理触觉再现系统，其特征在于：包括交互平板，该交互平板背面贴设有振动装置；手指定位装置，该手指定位装置固定于该振动装置底部以检测手指施加于交互平板上的力/力矩信息；振动驱动装置，与振动装置相连以驱动振动装置形变致使交互平板产生高频振动实现细纹理再现；机械传动装置，与手指定位装置相连，驱动手指定位装置和交互平板运动实现弧度再现；PC机，用于显示触摸大纹理的虚拟场景，并生成大纹理触觉模型；双向信息反馈装置，与PC机、手指定位装置、机械传动装置、振动驱动装置相连，根据力/力矩信息计算得到手指的位置信息并结合大纹理触觉模型得到该位置对应的细纹理信息及弧度信息，再分别产生对应的控制命令至振动驱动装置和机械传动装置分别实现细纹理再现和弧度再现。

【技术特征摘要】
1.一种大纹理触觉再现系统，其特征在于：包括
交互平板，该交互平板背面贴设有振动装置；
手指定位装置，该手指定位装置固定于该振动装置底部以检测手指施加于
交互平板上的力/力矩信息；
振动驱动装置，与振动装置相连以驱动振动装置形变致使交互平板产生高
频振动实现细纹理再现；
机械传动装置，与手指定位装置相连，驱动手指定位装置和交互平板运动
实现弧度再现；
PC机，用于显示触摸大纹理的虚拟场景，并生成大纹理触觉模型；
双向信息反馈装置，与PC机、手指定位装置、机械传动装置、振动驱动装
置相连，根据力/力矩信息计算得到手指的位置信息并结合大纹理触觉模型得到
该位置对应的细纹理信息及弧度信息，再分别产生对应的控制命令至振动驱动
装置和机械传动装置分别实现细纹理再现和弧度再现。
2.如权利要求1所述的一种大纹理触觉再现系统，其特征在于：所述交
互平板采用铜铍合金材质的平板。
3.如权利要求1所述的一种大纹理触觉再现系统，其特征在于：所述振
动装置为压电陶瓷片矩阵，所述振动驱动装置为压电陶瓷矩阵驱动装置。
4.如权利要求1所述的一种大纹理触觉再现系统，其特征在于：所述手
指定位装置包括六自由度力/力矩传感器及其控制器，该控制器与所述双向信息
反馈装置相连。
5.如权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾涛，陈文景，何良宗，邓大祥，方正，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35