專利名稱：虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與遙操作機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，是一種人機(jī)觸覺接口裝置，尤其涉及一種虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置。
背景技術(shù)：
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和交互式遙操作機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將需要大量的具有力覺和觸覺反饋?zhàn)饔玫娜藱C(jī)接口裝置。觸覺感知裝置就是一類重要的人機(jī)接口裝置，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，操作者通過該裝置可以觸摸虛擬環(huán)境中的虛擬物體，真實(shí)地感知虛擬物體的表面紋理等觸覺特性；在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)遠(yuǎn)程作業(yè)過程中，它可以將機(jī)器人末端執(zhí)行器的作用對(duì)象(如遠(yuǎn)程手術(shù)中的肌肉、組織、器官、腫瘤等對(duì)象)的觸覺信息反饋給操作人員，并在操作者的指端再現(xiàn)物體的表面紋理信息，使操作者產(chǎn)生“身臨其境”的觸覺感知效果，從而可以準(zhǔn)確地判斷物體的分類，例如，在遠(yuǎn)程醫(yī)療過程中，根據(jù)這種表面紋理觸覺感知裝置就可以判斷組織表面血管的分布情況、或腫瘤的分布情況。
目前國內(nèi)外現(xiàn)有的觸覺感知裝置主要有陣列式形狀觸覺感知裝置、氣囊式柔性觸覺感知裝置、電刺激式觸覺感知裝置，它們主要是一種接觸狀態(tài)和物體形狀感知裝置；而現(xiàn)有的表面紋理觸覺感知裝置主要是基于摩擦力變化原理和震動(dòng)原理(通過震動(dòng)幅度和頻率變化的來表現(xiàn)紋理觸覺信息)的觸覺感知裝置，它們的主要特點(diǎn)是只能粗略地感知表面紋理信息，由于它們無法反映物體表面的微小不平度，因此它們無法實(shí)現(xiàn)比較精確的紋理觸覺感知。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、紋理特性表現(xiàn)豐富、準(zhǔn)確，控制和使用方便的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及遙操作機(jī)器人遠(yuǎn)程作業(yè)等場(chǎng)合中。
本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種涉及人機(jī)觸覺接口裝置的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，包括支架2，在支架2上設(shè)有縱向電機(jī)5，在縱向電機(jī)5的輸出轉(zhuǎn)軸上固定有轉(zhuǎn)動(dòng)體1，在轉(zhuǎn)動(dòng)體1上設(shè)有感知觸頭4。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)
本實(shí)用新型針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和遙操作機(jī)器人領(lǐng)域的觸覺感知的需要，研制了一種新穎的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置。本實(shí)用新型是(1)在轉(zhuǎn)盤的徑向順序布置一系列均勻排列的從大到小的凹孔和從小到大的凸點(diǎn)構(gòu)成的線陣，凹孔與突起之間有一段光滑區(qū)域，我們稱這種線陣為紋理信息軌道；(2)在轉(zhuǎn)盤上方安放帶有紋理觸覺感知孔的固定支撐蓋；(3)通過一個(gè)電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤的中心軸相對(duì)于紋理觸覺感知孔的位置。(4)當(dāng)操作者將手指端部放置在轉(zhuǎn)盤上的紋理觸覺感知孔處，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的不同以及所接觸的轉(zhuǎn)盤上紋理信息軌道的凹孔和凸點(diǎn)區(qū)域的不同，人手就可以精確感知到不同的紋理特性，如桌面的紋理、絲織物的紋理、肌肉組織的紋理等，從而可以準(zhǔn)確地識(shí)別虛擬對(duì)象等。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、紋理特性表現(xiàn)豐富、準(zhǔn)確，控制和使用方便的特點(diǎn)，可以方便地安裝在手控器上或和數(shù)據(jù)手套相配合。本實(shí)用新型可以應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及遙操作機(jī)器人遠(yuǎn)程作業(yè)等場(chǎng)合，特別是在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中可以使操作人員逼真地感覺到虛擬人體組織、器管、腫瘤的表面物理特性，正確地識(shí)別虛擬組織、器管的病變以及血管、神經(jīng)的分布情況等。


圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例轉(zhuǎn)動(dòng)體的主視圖。
圖3是本實(shí)用新型另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖4是本實(shí)用新型另一實(shí)施例的外轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1一種涉及人機(jī)觸覺接口裝置的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，包括支架2，在支架2上設(shè)有縱向電機(jī)5，在縱向電機(jī)5的輸出轉(zhuǎn)軸上固定有轉(zhuǎn)動(dòng)體1，在轉(zhuǎn)動(dòng)體1上設(shè)有感知觸頭4，轉(zhuǎn)動(dòng)體1為轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上的感知觸頭4采用由突起和微孔組成并按直線排列的紋理信息軌道，紋理信息軌道沿轉(zhuǎn)盤的周向均勻分布，在支架2與縱向電機(jī)5之間設(shè)有滑塊6、絲杠7和電機(jī)8，滑塊6與縱向電機(jī)5固定連接并與絲杠7螺紋連接，絲杠7與支架2轉(zhuǎn)動(dòng)連接，電機(jī)8的輸出轉(zhuǎn)軸與絲杠7連接，在支架2上設(shè)有感知支撐體21，在感知支撐體21上且位于轉(zhuǎn)動(dòng)體1上方的位置設(shè)有感知觸摸孔211，轉(zhuǎn)盤由內(nèi)區(qū)11、外區(qū)12和中區(qū)13組成，突起設(shè)在外區(qū)12上且突起自外向內(nèi)按由大到小排列，微孔設(shè)在內(nèi)區(qū)11上且微孔自內(nèi)向外按由大到小排列，中區(qū)13為光滑區(qū)。
實(shí)施例2一種涉及人機(jī)觸覺接口裝置的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，包括支架2，在支架2上設(shè)有縱向電機(jī)5，在縱向電機(jī)5的輸出轉(zhuǎn)軸上固定有轉(zhuǎn)動(dòng)體1，在轉(zhuǎn)動(dòng)體1上設(shè)有感知觸頭4，轉(zhuǎn)動(dòng)體1為外轉(zhuǎn)筒，外轉(zhuǎn)筒上的感知觸頭4為設(shè)在外轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁上的軸向微孔且軸向微孔沿軸向均勻分布，在外轉(zhuǎn)筒內(nèi)設(shè)有內(nèi)轉(zhuǎn)筒22，在內(nèi)轉(zhuǎn)筒22上設(shè)有感知觸摸孔221。
實(shí)施例3圖1為本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，為虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置。其中1為轉(zhuǎn)盤，材料為鋁，直徑為100mm，表面粗糙度為1.6μm。2為支架，21為感知支撐體，材料為鋁。211為紋理感知觸摸孔，為橢圓形狀，短徑為6mm，長徑為8mm。，4為紋理信息軌道，本實(shí)施例采用4條紋理軌道信息且在轉(zhuǎn)盤上均勻分布，它們都由一系列從大到小的微孔和從小到大的突起均勻排列而成，微孔和突起的大小范圍從直徑3mm到0mm，每個(gè)凹孔或凸點(diǎn)之間的距離為4mm。內(nèi)區(qū)和外區(qū)中間有8mm長的平滑區(qū)，5為控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的縱向電機(jī)，縱向電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸同轉(zhuǎn)盤的中心軸相聯(lián)接，縱向電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。6為帶有絲輪的滑動(dòng)塊，采用鋁材料，滑動(dòng)塊同縱向電機(jī)相固聯(lián)。7為絲桿，絲杠采用鋼材料制成。8為水平向電機(jī)，水平向電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸同絲桿相聯(lián)接，水平向電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得帶有絲輪的滑動(dòng)塊實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)，從而控制轉(zhuǎn)盤中心軸相對(duì)于感知孔的位置。9為角度傳感器，用于測(cè)量水平方向電機(jī)8的旋轉(zhuǎn)角度，通過簡單計(jì)算可以準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)動(dòng)體1的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)于紋理觸覺感知孔的位置。
當(dāng)操作者將手指端部放置在感知觸摸孔211上，并同轉(zhuǎn)動(dòng)體相接觸時(shí)，由于轉(zhuǎn)盤以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，每個(gè)信息軌道的某一相同區(qū)域就以一定的頻率從手指端部的皮膚表面滑過，則人手就可以感知到虛擬物體或遠(yuǎn)程機(jī)器人作用對(duì)象的表面紋理信息。
實(shí)施例4圖3為本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，為虛擬絲織品表面紋理觸覺感知裝置。其中外部轉(zhuǎn)筒的外徑為18mm，內(nèi)徑為16mm，材料為鋁，表面粗糙度為1.6μm，5為小型直流伺服電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸同外部轉(zhuǎn)筒的中心相固聯(lián)。22為內(nèi)部圓筒，其外徑為14mm，內(nèi)徑為12mm，材料為鋁。直流伺服電機(jī)5安裝在內(nèi)部圓筒22的底面上，直流伺服電機(jī)5的轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)外部圓筒以一定的速度旋轉(zhuǎn)。221為在內(nèi)部圓筒上的感知觸摸孔221，其直徑為10mm，手指端部通過感知觸摸孔221同外轉(zhuǎn)筒的內(nèi)壁相接觸。在外部轉(zhuǎn)筒的內(nèi)壁上均勻地分布4個(gè)紋理觸覺信息軌道，它們分別由6個(gè)相同的微孔均勻排列而成，每個(gè)微孔的直徑為0.5mm，微孔之間的距離為2mm。
當(dāng)操作者將手指放入該裝置，并將手指端部放置在感知觸摸孔221上，并同外部轉(zhuǎn)筒1的內(nèi)壁相接觸時(shí)，由于外部轉(zhuǎn)筒在電機(jī)2的帶動(dòng)下以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，每個(gè)信息軌道就以一定的頻率從手指端部的皮膚表面滑過，則人手就可以感知到虛擬絲織品的表面紋理信息。電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速大于100轉(zhuǎn)/分鐘，隨著轉(zhuǎn)速的變化，人手可以感覺到虛擬絲織品的表面紋理信息的變化。
權(quán)利要求1.一種虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，包括支架(2)，其特征在于在支架(2)上設(shè)有縱向電機(jī)(5)，在縱向電機(jī)(5)的輸出轉(zhuǎn)軸上固定有轉(zhuǎn)動(dòng)體(1)，在轉(zhuǎn)動(dòng)體(1)上設(shè)有感知觸頭(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，其特征在于轉(zhuǎn)動(dòng)體(1)為轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上的感知觸頭(4)采用由突起和微孔組成并按直線排列的紋理信息軌道，紋理信息軌道沿轉(zhuǎn)盤的周向均勻分布，在支架(2)與縱向電機(jī)(5)之間設(shè)有滑塊(6)、絲杠(7)和電機(jī)(8)，滑塊(6)與縱向電機(jī)(5)固定連接并與絲杠(7)螺紋連接，絲杠(7)與支架(2)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，電機(jī)(8)的輸出轉(zhuǎn)軸與絲杠(7)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，其特征在于在支架(2)上設(shè)有感知支撐體(21)，在感知支撐體(21)上且位于轉(zhuǎn)動(dòng)體(1)上方的位置設(shè)有感知觸摸孔(211)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，其特征在于轉(zhuǎn)盤由內(nèi)區(qū)(11)、外區(qū)(12)和中區(qū)(13)組成，突起設(shè)在外區(qū)(12)上且突起自外向內(nèi)按由大到小排列，微孔設(shè)在內(nèi)區(qū)(11)上且微孔自內(nèi)向外按由大到小排列，中區(qū)(13)為光滑區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，其特征在于轉(zhuǎn)動(dòng)體(1)為外轉(zhuǎn)筒，外轉(zhuǎn)筒上的感知觸頭(4)為設(shè)在外轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁上的軸向微孔且軸向微孔沿軸向均勻分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，其特征在于在外轉(zhuǎn)筒內(nèi)設(shè)有內(nèi)轉(zhuǎn)筒(22)，在內(nèi)轉(zhuǎn)筒(22)上設(shè)有感知觸摸孔(221)。
專利摘要本實(shí)用新型屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與遙操作機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，是一種人機(jī)觸覺接口裝置，尤其涉及一種虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置。本實(shí)用新型公開了一種虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、紋理特性表現(xiàn)豐富、準(zhǔn)確，控制和使用方便的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及遙操作機(jī)器人遠(yuǎn)程作業(yè)等場(chǎng)合中。一種涉及人機(jī)觸覺接口裝置的虛擬物體表面紋理觸覺感知裝置，包括支架，在支架上設(shè)有縱向電機(jī)，在縱向電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)軸上固定有轉(zhuǎn)動(dòng)體，在轉(zhuǎn)動(dòng)體上設(shè)有感知觸頭。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、紋理特性表現(xiàn)豐富、準(zhǔn)確，控制和使用方便的特點(diǎn)，可以方便地安裝在手控器上或和數(shù)據(jù)手套相配合。
文檔編號(hào)B25J19/02GK2753536SQ20042008028
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者宋愛國, 吳涓, 崔建偉, 王愛民, 黃惟一 申請(qǐng)人:東南大學(xué)