理论教育 触觉显示与复现技术的研究与应用

触觉显示与复现技术的研究与应用

时间:2023-06-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:触觉显示与复现装置主要接口方法可以分为4类:①触觉显示器为用户提供触摸和抓握对象以及感觉表面纹理和表面温度等响应信息。图1-1温度触觉显示装置及其雏形G.H.Yang等人设计了一种复合触觉再现装置,通过压电晶体带动针状阵列振动实现力触觉,通过热触觉接口实现热触觉再现,如图1-2所示。图1-5力触觉/温度触觉再现装置

触觉显示与复现技术的研究与应用

触觉显示与复现装置主要接口方法可以分为4类:

①触觉显示器为用户提供触摸和抓握对象以及感觉表面纹理和表面温度等响应信息。

②包括运动显示器在内的受动器提供了一种模仿抓握和探测对象的方法,在热触觉感知的辅助下,它们通过提供阻力和压力来实现这些效果。

③自动操作形状显示器使用机器人给用户的指尖或指尖代用品展示物理对象,这种显示器给用户提供有关形状、纹理和位置和温度的信息。

④3D复制品是根据计算机模块自动制作的物理模型,可以提供研究对象的触觉和视觉表现,这是一个静态对象,它的功能仅是一个输出系统,这种类型是非交互式的,所以没有很强的生命力。

近年来,国内外学者对力触觉复现装置的研究开展了很多卓有成效的工作,但基于温度的热触觉复现技术的研究相对较少。基于力触觉、振动触觉和热触觉反馈能够进行材质的识别、遥操作和远程再现,替代人的视觉和听觉等感觉,用于触觉导盲和音乐感知等领域,触觉反馈及其复现技术日益受到重视。

20世纪90年代后,国内外的研究人员先后开发出触觉复现装置,并且很多复现装置融合了热触觉、力触觉、振动触觉、肌肉运动知觉,展现出一种复合触觉的复现装置。复现装置的性能和沉浸感觉依赖于人的感受器的特性,也就是说必须依据人的感受器的特性来设计各种复现装置。

当前文献报道的热触觉复现装置主要是基于半导体制冷器实现的,半导体制冷器能够快速升、降温,人手触摸半导体制冷器的一端表面感知热触觉;并且,有些复现装置已经融合了肌肉运动觉、力触觉、振动触觉和热触觉实现感知复现,几种典型的复合触觉复现装置如下所述。

G.H.Yang等人设计了一种热触觉复现装置,在这个装置上能基于热触觉感知实现5种材质的辨识,如图1-1所示。为了能够实现快速升降温,该装置的主要元件采用“半导体制冷器”,通过一套微型的水冷装置来给半导体制冷器散热。半导体制冷器尺寸是15 mm×15 mm×3.8 mm,微型的水冷装置尺寸是20 mm×20 mm×5 mm。通过一个微型的电阻温度探测器(Resistance Temperature Detector,RTD)测量半导体制冷器的工作表面的温度,并通过温度反馈来精确控制工作面的温度。

图1-1 温度触觉显示装置及其雏形

G.H.Yang等人设计了一种复合触觉再现装置,通过压电晶体带动针状阵列振动实现力触觉,通过热触觉接口实现热触觉再现,如图1-2所示。30个双压电晶片驱动6×5的针状阵列上下振动,形成振动触觉;精确控制半导体制冷器工作表面的温度来实现热触觉。(www.daowen.com)

P.M.Taylor等人开发了一种力/热复合触觉再现装置,如图1-3所示。通过控制电动气动装置产生剪切力实现横向微位移进而实现“力触觉”再现,横向位移的振幅是3 mm;温度触觉接口也是通过控制半导体制冷器来实现的,温度变化的范围是-10~60℃,温度分辨率是0.1℃。

图1-2 振动触觉/热触觉再现装置

图1-3 一种新型的力/热复合触觉再现装置

Barbara Dem等人设计了一种便携的多热源热触觉复现装置,可很方便地集成到数据手套中,在设计过程中充分考虑了手指血液循环和新陈代谢等人体的因素,沉浸感更强烈,如图1-4所示。通过控制5个尺寸为8 mm×8 mm×3 mm的半导体制冷器的温度实现“多热源热触觉复现”,用商用电脑水冷回路给半导体制冷器的发热面散热;PT100传感器测量半导体制冷器工作面的温度,实现温度负反馈,从而精确地控制“热触觉接触面”的温度。

图1-4 多热源热触觉复现装置

G.H.Yang等人在温度触觉接口的基础上增加了振动反馈,实现了力和热触觉复合触觉装置,如图1-5所示。复合触觉再现装置的尺寸是38.5 mm×31.7 mm×38.5 mm,其中振动马达的半径是2.5 mm,长是11 mm,驱动电压是0~5 V,最大的转速是216 r/s,通过一个3 mm×8 mm×2 mm尺寸的悬臂梁作为马达的支撑体来增加复现装置振动的幅度和分辨率。每个振动马达上还安装了非均衡质量的模块,这些模块的半径分别为4 mm、5.5 mm和7 mm。

图1-5 力触觉/温度触觉再现装置

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