一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置

1.本发明涉及的是一种新型的能模拟人类皮肤触觉反馈的柔性触觉力复现装置，尤其涉及一种通过柔性材料和电磁元件叠加利用制作微型执行器的柔性触觉力复现装置。


背景技术：

2.虚拟现实(vr)和增强现实(ar)的传统技术是通过对视觉和听觉产生刺激，为使用者复刻与真实物理世界相关的体验感觉。目前最广泛使用的vr和ar系统使用头戴式显示器，加速度计和扬声器来作为计算机生成三维环境的基础，与视觉和听觉相比，触觉是vr和ar技术中相对未开发的感知领域，但它可以极大地增强人体对环境信息的感知能力，在通信，娱乐和医疗等领域也有很大的应用空间。
3.在申请号为202021272740.8的现有专利中公开了一种贴片式电子皮肤单元和贴片式电子皮肤，该专利介绍了一种贴片式电子皮肤单元包括电极层、第一基材层以及电极引脚，所述电极层与接近的导体构成电容，所述电极层设置于所述第一基材层上，所述电极引脚一端与所述电极层电连接，所述电极引脚另一端用于连接检测电路，所述检测电路用于生成表征所述电容或其变化量的电信号，其中，所述电极层和所述第一基材层为柔性结构。其设计结构较为简单，所述电极层与接近的导体构成的电容容量误差较大，损耗大，在结构中需电极引脚接入，使得整个电子皮肤柔性受限，无法模拟真实皮肤的柔韧。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置，结构简单，易于加工，同时通过压电执行器和加强执行机构实现对人体皮肤触感的模拟和复现，便于控制且控制精度高。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置，包括阵列分布若干振动模块，若干振动模块外侧设置有水凝胶层，
6.所述振动模块包括压电执行器、支撑柔性件、柔性基底以及加强执行机构，所述加强执行机构包括电磁执行器和电磁执行器开关，所述压电执行器与电源的正负电极相连接用于产生形变，所述压电执行器在支撑柔性件的限制下进行周期性的上下往复振动，用于增加振动强度的所述电磁执行器固定于所述压电执行器的上端面上，所述压电执行器的下端面固定于所述支撑柔性件上，所述支撑柔性件为将绝缘材料中间裁除形成的框型结构，所述支撑柔性件底部与所述柔性基底固定连接，所述柔性基底底部设置所述电磁执行器开关。
7.优选的，所述压电执行器采用pvdf材质，pvdf材质的厚度为15μm
‑
30μm，在pvdf材质的上下面设置有导电层，所述导电层厚度为20nm
‑
50nm，两个所述导电层分别与电源的正极和负极相连接，pvdf材质在交流电的作用下进行周期性的伸缩运动。
8.优选的，所述支撑柔性件和所述柔性基底均采用绝缘材质，所述支撑柔性件和所述柔性基底采用pet通过裁剪技术裁剪得到，所述支撑柔性件、所述柔性基底以及所述压电
执行器的形状保持一致，所述支撑柔性件的中空部分为压电执行器提供上下振动的空间，所述压电执行器和所述支撑柔性件的弯曲角度为30
°‑
60
°
。
9.优选的，所述电磁执行器包括磁铁以及若干弹簧，若干所述弹簧的一端圆周分布于所述磁铁周围，所述弹簧的另一端与所述压电执行器的边缘固定连接，所述弹簧为pdms或ecoflex或pet材质。
10.优选的，所述电磁执行器开关包括绝缘套和电磁线圈，所述电磁线圈与所述磁铁相对设置且固定于所述绝缘套内，所述绝缘套与所述柔性基底粘接，所述绝缘套采用pdms材质。
11.因此，本发明采用上述结构的一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置具有以下有益效果：
12.(1)、采用阵列分布若干振动模块并外侧设置有水凝胶层，水凝胶层模拟真实皮肤的柔软和韧性，从而能够轻柔、紧密地贴合皮肤的表面，应用时可通过采集信号发送者的振动数据信息，通过无线通讯技术将控制信号发送至可穿戴设备的控制器中，控制器通过控制压电执行器和电磁执行器开关实现局部机械振动复现输入的振动。
13.(2)、通过改变压电执行器和电磁执行器开关的输入频率即可控制力度，简单有效的同时也保证了输出精度，且通过两种振动机构实现输出振动的调节，增大了振动幅度范围。
14.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
15.图1为本发明振动模块结构示意图；
16.图2为本发明振动模块的俯视图；
17.图3为本发明一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置结构示意图；
18.图4为本发明实施例中振动模块的受力图；
19.图5为本发明一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置应用图。
20.附图标记
21.1、电磁执行器；11、磁铁；12、弹簧；2、压电执行器；21、导电层；3、支撑柔性件；4、柔性基底；5、电磁执行器开关；51、电磁线圈；52、绝缘套；6、水凝胶层。
具体实施方式
22.实施例
23.图1为本发明振动模块结构示意图，图2为本发明振动模块的俯视图，图3为本发明一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置结构示意图，如图所示，一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置包括阵列分布若干振动模块，若干振动模块外侧设置有水凝胶层6，水凝胶层6模拟真实皮肤的柔软和韧性，从而能够轻柔、紧密地贴合皮肤的表面。
24.振动模块包括压电执行器2、支撑柔性件3、柔性基底4、电磁执行器1和电磁执行器开关5。
25.压电执行器2采用pvdf材质为压电材质，pvdf材质的厚度为15μm
‑
30μm，在pvdf材
质的上下面设置有导电层21，导电层21厚度为20nm
‑
50nm，两个导电层21分别与电源的正极和负极相连接，采用通过柔性电线丝与压电执行器的导电层21直接粘连通电，避免影响整体的柔性，pvdf材质在交流电的作用下进行周期性的伸缩运动。压电执行器2在支撑柔性件3的限制下进行周期性的上下往复振动。
26.压电执行器2的上端面固定有用于增加振动强度的电磁执行器1，压电执行器2的下端面固定于支撑柔性件3上，压电执行器2和支撑柔性件3的弯曲角度为30
°‑
60
°
。支撑柔性件3为将绝缘材料中间裁除形成的框型结构，支撑柔性件3的中空部分为压电执行器2提供上下振动的空间，支撑柔性件3底部与柔性基底4固定连接，柔性基底4底部设置电磁执行器开关5。支撑柔性件3和柔性基底4均采用绝缘材质，支撑柔性件3和柔性基底4采用pet通过裁剪技术裁剪得到，支撑柔性件3、柔性基底4以及压电执行器2的形状保持一致。电磁执行器1包括磁铁11以及若干弹簧12，若干弹簧12的一端圆周分布于磁铁11周围，弹簧12的另一端与压电执行器2的边缘固定连接，弹簧12为pdms或ecoflex或pet材质。电磁执行器开关5包括绝缘套52和电磁线圈51，电磁线圈51与磁铁11相对设置且固定于绝缘套52内，绝缘套2与柔性基底4粘接，绝缘套52采用pdms材质。磁铁11能够在弹簧12辅助下有更大的运动幅度，对称布置保证磁铁11运动稳定，当给电磁执行器开关5中的电磁线圈51入交流电后，电磁线圈产生的电磁场使磁铁11受到变化的洛伦兹力，与压电执行器2原有振动叠加，使得振动效果更加明显，使用者的皮肤反馈效果更佳。
27.图4为本发明实施例中振动模块的受力图，当只对压电执行器2通交流电ac时，振动模块仅受因材料形变产生的正弦力的作用；当同时对电磁执行器开关5(即打开电磁执行器开关)通ac时，电磁执行器1因磁铁11所受的洛伦兹力而受到另一个周期性的正弦力，整个振动模块将受到两个力，即包括压电执行器2振动的主动力以及电磁执行器1所受洛伦兹力的反作用力。当关闭两电路的交流电ac后电磁执行器整个柔性触觉力复现模块将不再受力。通过改变压电执行器2和电磁执行器开关5的输入频率即可控制力度，简单有效的同时也保证了输出精度，且通过两种振动机构实现输出振动的调节，增大了振动幅度范围。
28.图5为本发明一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置应用图，使用时，如图5所示，使用者a作为数据采集端，使用者b作为接收端，使用者a佩戴传感模块受到拍打，图中箭头为受力分布，将所受力以数据信号的方式采集，并通过无线通讯技术实时传输到使用者b驱动对应的振动模块，图中黑点部分为振动复现部分，触发振动效果以完成触觉信息的传递。
29.因此，本发明采用上述结构的一种面向可穿戴触觉力反馈的柔性触觉力复现装置，结构简单，易于加工，同时通过压电执行器和加强执行机构实现对人体皮肤触感的模拟和复现，便于控制且控制精度高。
30.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。