一种基于磁流变液的纹理触觉再现接口装置的制作方法

本实用新型属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于磁流变液的纹理触觉再现接口装置。

背景技术：

纹理触觉再现技术是一种基于人的触觉感知机理的人机交互技术，该技术模拟人体对真实物体进行触觉感知的过程，实现对远地或虚拟物体表面纹理信息的感知与再现。纹理触觉再现技术通过纹理触觉感知给用户提供对虚拟物体更加真实与自然的接触，更好地提升了虚拟环境中的用户体验。作为力触觉再现中的一个重要领域，纹理力触觉再现技术受到了越来越多的关注。

表面纹理是真实物体的一个重要属性，人通过真实物体的表面纹理描述和区分生活中的物体。纹理力触觉是力触觉再现研究的一个重要组成部分，纹理力触觉再现技术主要研究如何将物体表面的纹理信息通过触觉再现装置反馈给操作者。该技术可使操作者更好地感知物体表面，获得更真实的触觉感受。通过纹理触觉技术与虚拟现实技术的结合，不仅可使得操作者在虚拟环境中获得更好的真实感和沉浸感，还可以提高操作者对虚拟对象的控制与对虚拟环境的探知能力。

近年来，随着纹理力触觉技术的研究与发展，其应用范围也越来越广，在医学、工业、遥操作、艺术、教育、娱乐等领域都有着广泛的应用。在医学领域，运用该技术可以实现远程医疗，医生通过触觉设备感知手术现场中人体器官的纹理触感，获得比较准确的病理信息，提高手术的成功率，可以实现模拟手术培训，减少实习医生培训投入；将纹理触觉技术引入虚拟工件装配环节，可以増强操作者对零件装配的真实感；在遥操作技术中，可通过触觉设备感受遥操作机器人所在真实环境，并操控机器人系统去完成特定环境下的任务；将纹理触觉再现技术应用于虚拟艺术博物馆和展览会上，可以使参观者通过触觉再现设备触摸珍贵的艺术品或文物，获得对艺术作品的更好的认识，满足参观者的认知需求；在教育领域中，可以使学生在课堂中认识到更多的材料属性，减少学生与危险物品的直接接触；在娱乐业中，玩家可通过力触觉设备更好地沉浸于虚拟世界，获得更好的游戏体验。

在纹理力触觉再现中，为了模拟人接触物体时的触觉，需要借助力触觉交互设备，该设备也可以称为触觉反馈或力反馈设备。力触觉交互设备是一种由计算机驱动的能够产生力反馈的计算机外围设备。一般力触觉交互设备都具有持别设计的人机交互接口，方便操作者使用。Bailenson将人机交互结构定义为：为体验力触觉变化供操作者控制或穿戴的机械结构。目前已经研巧出的力触觉交互设备根据其自由度不同可分为2自由度、3自由度、6自由度力触觉交互设备。除了借助于力触觉反馈设备外，还可以采用分布式多点振动模拟纹理的方法。该方法需要设计专用的振动阵列模块，当人手触摸振动阵列模块时，该模块中的振动单元根据需要反馈出的触觉信息产生对应振动，通过控制振动单元以及振动频率的大小让人获得纹理触感信息。如Sarakoglou等研制了一种拉动型针型阵列，该阵列由4×4个触点构成，每个触点对应一个振动电机，16个振动电机同时给触点阵列提供相应位置的拉力，并利用电缆传动器将拉力从振动电机处传输至针型阵列－从而实现纹理信息表达再现。Konyo和Yoshida等人设计了一种利用多种振动频率再现虚拟接触的设备，将该设备穿戴在人手指的指端，通过改变触觉刺激的振动时间、振动频率与振幅作为手的运动的响应，从而产生粗糙度、压力化及摩擦力的虚拟触感。

目前存在的纹理触觉再现接口装置大多采用商业化的力触觉交互装置如Phantom、Falcon、Delta和Sigma等，这些设备具有较多自由度，但都由电机驱动、大多采用刚性结构连接，在模拟物体纹理时稳定性较差，容易产生失真，特别是无法模拟柔顺性物体的纹理，而且在模拟物体的纹理时只能单点模拟，无法模拟动态纹理。采用点阵式纹理触觉阵列能够较好的模拟物体纹理，但目前点阵式纹理触觉再现接口装置大多由振动电机产生的振动模拟物体纹理，稳定性不好，振动信息与真实的纹理信息仍然存在差距，用户在的纹理触觉真实感仍然不强，同样也存在着无法模拟柔顺性物体纹理的问题，而且由电机驱动点阵式纹理触觉结构非常复杂，体积大、重量重。

技术实现要素：

本实用新型提供一种基于磁流变液的纹理触觉再现接口装置，目的在于解决现有纹理力触觉再现所采用力触觉交互装置存在的弊端，进而提供一种具有高保真度、能够模拟物体纹理特别是能够模拟柔顺性物体（如机体组织）纹理和形状的人机接口装置。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种基于磁流变液的纹理触觉再现接口装置，其特征在于：所述接口装置包括盒状底座（1），盒状底座（1）上方固定有柔性盖板（6），盒状底座（1）内设置有纵横排列的四根纵向弹性线圈（5）、四根横向弹性线圈（4），纵向弹性线圈（5）、横向弹性线圈（4）所对应的自由端分别通过绝缘固定管（9）与盒状底座（1）侧壁固定，纵向弹性线圈（5）、横向弹性线圈（4）所对应的自由端分别设置有极性相反的电极，盒状底座（1）内充满磁流变液（10），磁流变液（10）在磁场作用下沿磁力线方向形成链状结构。

本实用新型进一步技术改进方案是：

所述纵向弹性线圈（5）两端分别设置有纵向正电极（7）、纵向负电极（8），横向弹性线圈（4）两端分别设置有横向正电极（2）、横向负电极（3）。

本实用新型进一步技术改进方案是：

所述纵向弹性线圈（5）、横向弹性线圈（4）均由金属弹性材料制成。

本实用新型进一步技术改进方案是：

所述柔性盖板（6）由硅胶、或为橡胶、塑料材料、或为非导磁的金属材料制成。

本实用新型与现有技术相比，具有以下明显优点：

一、本实用新型采用新兴的磁流变技术，磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应，使表征磁流变液流变特性的表观粘度发生变化，能够在瞬间从牛顿液体状态变化为类固体状态，并且该过程可逆，因此磁流变液在模拟物体纹理时适用的范围更广，可以模拟刚度范围很大物体的纹理，特别是在模拟机体组织纹理中有着独特的优势。

二、本实用新型接口装置是耗散型的，因此稳定性好，模拟物体纹理时保真度高。

三、本实用新型可模拟真实物体的纹理信息，更具有真实性。

四、本实用新型通过给弹性线圈轮流通、断电，可以模拟物体的动态纹理信息。

五、本实用新型结构简单，整个装置结构简单、紧凑，机械加工精度要求也不高。

六、本实用新型控制简单，电流信号与磁流变液刚度信号存在明确的函数关系，因此只需给弹性线圈提供电流信号便可准确地控制其刚度，从而能够模拟不同类型的纹理信息。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括一个盒状底座1，四根金属弹性材料制成的横向弹性线圈4，四根金属弹性材料制成的纵向弹性线圈5，四根横向正电极2和四根横向负电极3，四根纵向正电极7和四根纵向负电极8，一个由硅胶、或为橡胶、塑料材料、或为非导磁的金属材料制成的柔性盖板6，十六个绝缘固定管9，适量磁流变液10。在盒状底座1上设置四根横向弹性线圈4和四根纵向弹性线圈5，弹性线圈两端均通过绝缘固定管9固定于盒状底座1的侧壁上，四根横向弹性线圈4的两端分别设置四根横向正电极2和四根横向负电极3，四根纵向弹性线圈5的两端分别设置四根纵向正电极7和四根纵向负电极8，在盒状底座1内充满磁流变液10，磁流变液10上用柔性盖板6覆盖，柔性盖板6固定于盒状底座1上。

本实用新型用于实现人机交互的纹理触觉再现接口装置工作原理如下：纹理触觉再现接口装置如图1、图2所示。当在某根电极的正负电极之间施加电流时，其对应的弹性线圈中产生磁场，磁场作用下，磁流变液10在沿磁力线方向形成链状结构，该根电极上方的磁流变液10硬度变大，电流越大，磁场越强，链状结构越强，硬度越大，当操作者触摸柔性盖板6时就能够感觉到纹理的存在。当在不同的横向弹性线圈4或纵向弹性线圈5施加电流时，柔性盖板6上会反映出不同的纹理信息和形状信息，当不同的横向弹性线圈4或纵向弹性线圈6轮流通、断电流时，柔性盖板6上可以反映出动态的纹理信息。

根据实际物体纹理大小和形状的不同，可以通过增加横向弹性线圈4和纵向弹性线圈5、改变横向弹性线圈4和纵向弹性线圈5之间的设置密度，从而有效的模拟物体的纹理。根据实际物体的柔顺性不同，可以通过改变通入弹性线圈的电流，从而提高操作者纹理触感的真实性，根据不同纹理设置不同材料，如医学中可以用硅胶材料模拟人体皮肤或其他组织的纹理，工业上可以用非导磁的金属材料模拟金属器件的纹理。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。