CN111176455B - 一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的技术方案是提供一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，是由触摸模块、控制模块和散热驱动模块组成；触摸模块是可弯曲的薄片状，能够提供温度反馈和模拟纹理触感的静电振动刺激；该触觉模块包括柔性静电振动薄膜、柔性制冷片、柔性散热器、导热硅脂、散热翅柱和温度传感器；该控制模块包括温度驱动器和静电振动驱动器。该散热驱动模块包括水泵和水管。本发明具有可弯曲的特征，允许用户以揉搓滑动的交互方式感受产生的触觉反馈，能够贴合在曲面物体表面实现触觉反馈功能；实现了温度和纹理信息的联合反馈，更加逼真的触觉反馈效果，其中模拟纹理的静电振动刺激是一种物理刺激，不会对人体产生电击伤害。

Description

一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置
技术领域
本发明提供一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，它涉及一种可弯曲的温度和纹理触觉反馈装置，属于人机交互技术领域。
背景技术
虚拟现实购物中，人们对能够触摸到商品材质有着强烈的需求。例如，在虚拟现实环境中购买衣物等商品时，人们会遵循商场购物的习惯，自然的去触摸虚拟衣物来感受衣服的材质。
真实环境中，人触摸真实衣物时，温度和纹理触感总是耦合且不可剥离的。以上事实表明，同时模拟温度和纹理似乎可以在虚拟现实环境中提供更加逼真的材质触感。中国发明专利(申请公告号CN106708262 A)公开了一种电子设备及其触觉反馈装置，其中触觉输出模块包括电感刺激生成器和温度控制器。能够通过电刺激使人感受到触觉纹理，其温度控制器能够模拟不同材质的导热系数。通过电刺激模拟纹理的方式与人滑动触摸真实纹理的自然交互方式不符，且存在潜在的电击伤害。
此外，由于衣物等布料商品是柔性的，为使人在商场购买衣服的习惯自然的迁移到虚拟现实中，则触觉生成装置需具有柔性且允许用户手指以揉搓滑动的方式感受触感。目前大多数提供纹理和温度反馈的装置都是刚性的或不能提供揉搓滑动的交互方式。
发明内容
发明目的：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种温度和静电振动联合反馈的柔性触觉反馈装置，允许用户以揉搓滑动的交互方式体验逼真的温度和纹理反馈。
技术方案：
本发明的技术方案是提供一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，该装置是由触摸模块、控制模块和散热驱动模块组成；触摸模块是可弯曲的薄片状，能够提供温度反馈和用于模拟纹理触感的静电振动反馈，控制模块提供温度反馈和静电振动反馈所需的驱动信号，散热驱动模块用于触摸模块散热；
该触觉模块包括柔性静电振动薄膜(1)、温度传感器(2)、柔性制冷片(3)、柔性散热器(4)、导热硅脂(9)和散热翅柱(10)；它们的连接关系是：柔性静电振动薄膜(1)的底面通过导热硅脂(9)与柔性制冷片(3)的冷面紧密贴合，柔性制冷片(3)四周与柔性散热器(4)紧密贴合，使柔性制冷片(3)嵌于柔性散热器(4)的凹槽，则柔性散热器(4)形成内有空腔水道的中空结构；温度传感器(2)紧密贴合于柔性静电振动薄膜(1)的顶面；为增加柔性散热器(4)内水流的扰动程度以增强其散热能力，柔性制冷片(3)的热面均匀布满散热翅柱(10)；
该控制模块包括温度驱动器(5)和静电振动驱动器(6)；温度驱动器(5)和静电振动驱动器(6)相互独立；温度驱动器(5)通过导线与柔性制冷片(3)和温度传感器(2)相连接，根据温度传感器(2)的信息，发送特定电信号闭环控制柔性制冷片(3)的温度；静电振动驱动器(6)通过导线与柔性静电振动薄膜(1)相连接，发送特定电信号驱动静电振动薄膜产生静电振动反馈；
该散热驱动模块包括水泵(7)和水管(8)；水泵(7)通过水管(8)与柔性散热器(4)双向连接；
所述柔性静电振动薄膜(1)是三层薄膜结构，分别为：基底、导电层和绝缘层；该导电层厚度应小于100微米，其最优材料是平整铜箔；该绝缘层厚度范围为2-10微米，其最优方案为采用旋涂方法在铜箔表面旋涂一层聚酰亚胺；该基底为高导热的纳米碳，厚度小于50微米；
所述温度传感器(2)采用具有高动态响应的接触式温度传感器，优选温度传感器为热敏电阻温度传感器；
所述柔性制冷片(3)选用现有产品，可采用韩国TEGway公司开发的型号为FTE1-01的柔性制冷片，其为长方形的片状结构，分为冷面和热面；
所述柔性散热器(4)的结构是具有3条水道的中空长方体，没有上表面，具有一个进水口和一个出水口；其优选材料为Smooth-On,Inc.公司的Dragon skin系列硅橡胶；
所述温度驱动器(5)选用现有产品，可采用成都业贤科技有限公司的双通道温控器，型号为TCM-M207；
所述静电振动驱动器(6)采用信号发生器，产生低压信号，其经过高压放大器放大，产生静电振动驱动信号；要求信号发生器能够产生频率范围为0-20000Hz、幅值范围为±10的方波电压信号，高压放大器至少具有60倍的电压放大能力；
所述水泵(7)采用扬程大于3m的可调速水泵，可选用现有产品；优选型号为FREEZE公司的PU-SC800；
所述水管(8)采用软质塑料管，优选尺寸是内径为4mm,外径为6mm；
所述导热硅脂(9)采用纳米钻石硅脂(如Innovation Cooling LLC的纳米钻石硅脂)；
所述散热翅柱(10)的结构是3*3*3mm立方体，铺满柔性制冷片(8)热面，形成阵列，其优选材料是铜；
按照上述方案，施加恰当的驱动信号，当用户手指在触摸模块表面揉搓滑动时，可在同时感受到温度和纹理触觉反馈。
优点及效果：
本发明所产生的有益效果如下：
1、通过电刺激模拟纹理的方式与人滑动触摸真实纹理的自然交互方式不符，且极容易对人产生不可逆的电击伤害。本发明中可以在同一时间同一位置实现温度和纹理信息的联合反馈，能够提供更加逼真的触觉反馈效果，最重要的是用于模拟纹理的静电振动刺激是一种物理刺激，本质上是一种摩擦力刺激，不会对人体产生电击伤害。
2、已有发明公开了在刚性结构上实现静电振动效应模拟触觉纹理和在刚性结构上基于帕尔贴效应的温度反馈装置。但能够同时提供温度和纹理反馈的柔性触觉反馈，且允许用户依照商场购买衣服的习惯，在柔性可弯曲的装置上生成触感，以揉搓滑动的方式感受虚拟触感的装置并未出现。本发明提供了一种可实现温度和纹理信息时空一直呈现的柔性触觉反馈装置。该装置的触摸模块均为柔性材料，且允许用户以揉搓滑动的交互方式感受产生的触觉反馈。此外，由于本发明具有可弯曲的特征，其能够贴合在曲面物体表面实现触觉反馈功能。
附图说明
图1本发明所述装置的结构示意图。
图2本发明柔性触摸模块示意图。
图3本发明触摸区域***视图示意图。
图4本发明柔性散热器俯视图示意图。
图5本发明散热翅柱位置示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
1柔性静电振动薄膜；2温度传感器；3柔性制冷片；4柔性散热器；
5温度驱动器；6静电振动驱动器；7水泵；8水管；9导热硅脂；
10散热翅柱；
具体实施方式
本发明一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，其结构示意图如图1所示，该装置由触摸模块、控制模块和散热驱动模块组成；触摸模块是可弯曲的薄片状，能够提供温度反馈和用于模拟纹理触感的静电振动反馈，控制模块提供温度反馈和静电振动反馈所需的驱动信号，散热驱动模块用于触摸模块散热；
本发明中的触摸模块包括柔性静电振动薄膜1、温度传感器2、柔性制冷片3、柔性散热器4、导热硅脂9和散热翅柱10，其整体示意图如图2所示。
该柔性静电振动薄膜1分为三层：基底、导电层和绝缘层。为减小导电层厚度对装置柔性的影响，导电层厚度应小于100微米，其最优方案是采用平整铜箔充当导电层。绝缘层的厚度为2-10微米，其最优方案为采用旋涂方法在铜箔表面旋涂一层2微米的聚酰亚胺。为改善铜箔的导热效率，基底为高导热的纳米碳，厚度小于50微米。如图3所示，柔性静电振动薄膜1的底面通过导热硅脂9紧密贴合与柔性制冷片3的冷面，柔性制冷片3的四周紧密贴于柔性散热器4，其热面浸于柔性散热器4的中空部分。如图4所示，柔性散热器4的内部中空，具有三个串联水道，外部具有一个进水口和一个出水口。由于柔性散热器内部结构复杂且需具有较大柔性，其最优实现方案为通过硅橡胶浇注一体成型，即通过3D打印制造柔性散热器4的模具，而后浇注Smooth-On,Inc.公司的Dragon skin系列硅橡胶。为增加柔性散热器4内水流的扰动程度以增强其散热能力，柔性制冷片3的热面均匀布满散热翅柱10，其最优方案为使用微小铜块充当散热翅柱10，并均匀粘贴于柔性制冷片3的热面(如图5所示)。温度传感器2用来测量柔性静电振动薄膜1的表面温度，并把测量值返回给温度驱动器5，以实现温度的闭环控制。由于本发明需要较高的温度响应模拟手指与材料接触时的温度变化，因此温度传感器需要高灵敏度和低热惯性。为了满足这些要求，温度传感器2的最优解决方案是采用两个NTC热敏电阻温度传感器，置于柔性静电振动薄膜1表面，并覆盖导热硅脂，确保连接紧密。
本发明中的控制模块包括温度驱动器5和静电振动驱动器6。温度驱动器5和静电振动驱动器6相互独立；
该温度驱动器5通过导线与柔性制冷片3和温度传感器2相连接，通过根据温度传感器2的信息，发送特定电信号闭环控制柔性制冷片的温度；温度驱动器5的优选方案是选用现有产品，可采用成都业贤科技有限公司双通道温控器，型号为TCM-M207；静电振动驱动器6能够产生方波电压信号，幅值范围为±300V，频率范围为1-20000Hz。最优实现方案为通过信号发生器产生方波电压信号，幅值范围为±10，再通过高压放大器把电压幅值放大60倍，放大后的信号经过导线施加于柔性静电振动薄膜1。
本发明中的散热驱动模块包括水泵7和水管8；用于带走触摸模块的热量。
该水泵7通过水管8与柔性散热器4的进水管和出水管连接，形成闭环，水泵驱动水流，水流流经柔性制冷片3的热面，把柔性制冷片3热面的热量带走
由于本发明的触摸模块全部由柔性材料构成，并形成薄片结构，用户手指可以以揉搓滑动的交互方式来使用该装置，在施加恰当的驱动信号，用户可以像触摸真实物体一样，在同一时间同一位置感受到温度和纹理触觉反馈。

Claims (6)

1.一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，其特征在于：该装置是由触摸模块、控制模块和散热驱动模块组成；触摸模块是能弯曲的薄片状，能够提供温度反馈和用于模拟纹理触感的静电振动反馈，控制模块提供温度反馈和静电振动反馈所需的驱动信号，散热驱动模块用于触摸模块散热；
该触摸模块包括柔性静电振动薄膜(1)、温度传感器(2)、柔性制冷片(3)、柔性散热器(4)、导热硅脂(9)和散热翅柱(10)；它们的连接关系是：柔性静电振动薄膜(1)的底面通过导热硅脂(9)与柔性制冷片(3)的冷面紧密贴合，柔性制冷片(3)四周与柔性散热器(4)紧密贴合，使柔性制冷片(3)嵌于柔性散热器(4)的凹槽，则柔性散热器(4)形成内有空腔水道的中空结构；温度传感器(2)紧密贴合于柔性静电振动薄膜(1)的顶面；为增加柔性散热器(4)内水流的扰动程度以增强其散热能力，柔性制冷片(3)的热面均匀布满散热翅柱(10)；
该控制模块包括温度驱动器(5)和静电振动驱动器(6)；温度驱动器(5)和静电振动驱动器(6)相互独立；温度驱动器(5)通过导线与柔性制冷片(3)和温度传感器(2)相连接，根据温度传感器(2)的信息，发送特定电信号闭环控制柔性制冷片(3)的温度；静电振动驱动器(6)通过导线与柔性静电振动薄膜(1)相连接，发送特定电信号驱动静电振动薄膜产生静电振动反馈；
该散热驱动模块包括水泵(7)和水管(8)；水泵(7)通过水管(8)与柔性散热器(4)双向连接；
所述柔性静电振动薄膜(1)是三层薄膜结构，分别为：基底、导电层和绝缘层；
所述温度传感器(2)采用具有高动态响应的接触式温度传感器，温度传感器为热敏电阻温度传感器；
所述柔性散热器(4)的结构是具有3条水道的中空长方体，没有上表面，具有一个进水口和一个出水口；
所述静电振动驱动器(6)采用信号发生器，产生低压信号，其经过高压放大器放大，产生静电振动驱动信号；
所述水管(8)采用软质塑料管；
所述导热硅脂(9)采用纳米钻石硅脂；所述散热翅柱(10)的结构是立方体，铺满柔性制冷片(8)热面，形成阵列。
2.根据权利要求1所述的一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，其特征在于：所述三层薄膜结构的柔性静电振动薄膜(1)，其导电层厚度应小于100微米，材料是平整铜箔；其绝缘层厚度范围为2-10微米，用旋涂方法在铜箔表面旋涂一层聚酰亚胺；其基底为高导热的纳米碳，厚度小于50微米。
3.根据权利要求1所述的一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，其特征在于：所述静电振动驱动器(6)要求信号发生器能够产生频率范围为0-20000Hz、幅值范围为±10V的方波电压信号，高压放大器至少具有60倍的电压放大能力。
4.根据权利要求1所述的一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，其特征在于：所述水泵(7)，其扬程大于3m，型号为PU-SC800。
5.根据权利要求1所述的一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，其特征在于：所述水管(8)，其内径为4mm,外径为6mm。
6.根据权利要求1所述的一种温度和纹理一致性呈现的柔性触觉反馈装置，其特征在于：所述立方体的散热翅柱(10)，其立方体尺寸为3*3*3mm，材料是铜。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113934306B (zh) * 2021-11-02 2023-11-03 北京航空航天大学 一种提供纹理触觉反馈的鼠标装置
CN114942695A (zh) * 2022-06-20 2022-08-26 北京航空航天大学 一种基于流体驱动的柔性多模态触觉呈现装置及***

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103838423A (zh) * 2012-11-20 2014-06-04 伊梅森公司 用于带有触觉效果的模拟物理交互的***和方法
CN105794223A (zh) * 2013-10-02 2016-07-20 声音睡眠有限责任公司 多功能头戴物
CN108509050A (zh) * 2018-05-04 2018-09-07 北京航空航天大学 一种具有多点独立温度反馈的触觉反馈装置
CN109634411A (zh) * 2018-11-29 2019-04-16 北京航空航天大学 一种基于网状结构的纹理反馈装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9405369B2 (en) * 2013-04-26 2016-08-02 Immersion Corporation, Inc. Simulation of tangible user interface interactions and gestures using array of haptic cells
US10866631B2 (en) * 2016-11-09 2020-12-15 Rockwell Automation Technologies, Inc. Methods, systems, apparatuses, and techniques for employing augmented reality and virtual reality

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103838423A (zh) * 2012-11-20 2014-06-04 伊梅森公司 用于带有触觉效果的模拟物理交互的***和方法
CN105794223A (zh) * 2013-10-02 2016-07-20 声音睡眠有限责任公司 多功能头戴物
CN108509050A (zh) * 2018-05-04 2018-09-07 北京航空航天大学 一种具有多点独立温度反馈的触觉反馈装置
CN109634411A (zh) * 2018-11-29 2019-04-16 北京航空航天大学 一种基于网状结构的纹理反馈装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于电致振动效应的触觉再现***的研究;陈思凡;《信息科技辑》;20150130;I138-1564 *
计算机触觉: 虚拟现实环境的力触觉建模和生成;王党校等;《计算机辅助设计与图形学学报》;20160630;881-895 *

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