一种虚拟实验平台的热触觉再现装置的制作方法

本实用新型属于虚拟现实触觉再现领域，具体涉及了一种虚拟实验平台的热触觉再现装置。

背景技术：

虚拟现实技术是能够再现视觉、听觉、触觉、嗅觉的技术，当前的虚拟现实技术主要是在视觉上对现实的虚拟，在触觉方面以力触觉复现为主，在人体能够感受的各种触觉中，如，痛觉、痒觉、滑觉、温觉等，温觉中的温度感知是人体皮肤能够判别不同物体的一个重要依据，是虚拟现实技术不可缺少的一个复现环节。

当前在虚拟现实领域，已有的热触觉再现产品，主要是以数据手套的形式存在，通过给每个手指套加上小型电阻，再给电阻通电流来产生热量，使手指皮肤感受到热量的刺激。针对冷热触觉，市场上还有利用水的导热性来给皮肤提供冷热反馈，如haptx数据手套，该手套将手上的皮肤划分成非常小的区域，然后针对小的区域进行冷热刺激，能够达到比较高的精度，但是成本非常高，整个手套体积也比较大。在研究领域，使用较多的是半导体制冷片基于帕尔帖原理来产生热量和冷量。当有电流通过时，半导体制冷片一面冷一面热，当皮肤接触对应的面时产生相应的热(冷)触觉感受。现有这些热触觉再现装置，虽然能够很好的提供冷热触觉感受，但是热量有限，而通过电阻丝、电热管来产生热量，会有明火，安全性较低。

可见，目前在虚拟现实领域对热触觉复现应用的方法，都是通过接触发热的物体来感受到热量，进而在虚拟环境下使人产生热触觉。然而现有的这些方法对于虚拟现实技术的沉浸感带来一些问题，因为在虚拟环境下，很多的热量都是通过非接触式产生的，需要的是通过空气介质来传播热量。上述热触觉复现方法中，通过水来制热和制冷，受水的物理特性影响，需要使用到水管、阀门等物体来传输热量，增加了设备的体积和成本；而利用半导体制冷片实现热触觉复现，虽然能够很方便的提供热量，但是热量有限，非接触时的热量不能够满足虚拟实验的需要。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提出一种虚拟实验平台的热触觉再现装置，通过ptc发热体放出热气来复现真实情况下，实验中放热物体产生的热量对人体皮肤的刺激，通过非接触式热感知达到再现热触觉的效果。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种虚拟实验平台的热触觉再现装置，包括制热模块、定位模块和控制模块，其中

所述定位模块包括导轨装置、第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠，所述导轨装置包括相对设置的第一导轨、第二导轨和设于第一导轨、第二导轨之间的第三导轨，所述第一导轨的两端分别设有第一支座、第二支座，所述第一滚珠丝杠通过所述第一支座、所述第二支座固定于所述第一导轨上方；所述第二导轨的两端分别设有第三支座、第四支座，所述第三支座与所述第四支座之间设有直线光轴；所述第三导轨的两端分别设有第五支座、第六支座，所述第二滚珠丝杠通过所述第五支座、所述第六支座固定于所述第三导轨上方；所述第一滚珠丝杠贯穿所述第三导轨的一端，所述直线光轴贯穿所述第三导轨的另一端；所述第一导轨上设有用于驱动所述第一滚珠丝杠转动的第一步进电机，所述第三导轨上设有用于驱动所述第二滚珠丝杠转动的第二步进电机；

所述制热模块包括从上往下依次设置的ptc发热体、散热风扇和移动滑块，所述第二滚珠丝杠贯穿所述移动滑块；

所述第一步进电机、所述第二步进电机、所述ptc发热体、所述散热风扇分别与所述控制模块电路连接；所述控制模块可通过控制第一步进电机使制热模块在x轴方向上移动，所述控制模块可通过控制第二步进电机使制热模块在y轴方向上移动；所述控制模块控制所述ptc发热体、所述散热风扇工作。

进一步的，所述ptc发热体包括铝管和设于铝管内的ptc陶瓷加热片。

进一步的，所述铝管内还设有u型波纹状散热片。

进一步的，所述ptc发热体的上表面设有检测从ptc发热体所吹出气体温度的温度传感器。

进一步的，所述散热风扇通过支撑脚固定于所述移动滑块的上方。

进一步的，所述散热风扇的下端设有进风口。

进一步的，所述第一导轨、第三导轨的两端分别设有限位开关。

进一步的，所述导轨装置的上方铺设有过热网，所述过热网上设有过热孔。

进一步的，所述过热孔成阵列排列。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：本实用新型通过控制模块控制第一步进电机、第二步进电机使制热模块在xy平面上移动到目标位置，然后通过控制ptc发热体发热，并通过散热风扇将ptc发热体所产生的热量吹向ptc发热体的上方，从而实现了非接触式热触觉再现，更加能够真实的展现生活在人体皮肤的热触觉感知。本实用新型使用ptc发热体为热源，产生热量时无明火，安全可靠；而且发热效率高达99％、使用寿命长、升温迅速，安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型虚拟实验平台的热触觉再现装置一实施方式的结构示意图；

图2为制热模块的结构示意图；

图3为ptc发热体的结构示意图；

图4为本实用新型虚拟实验平台的热触觉再现装置使用时的结构示意图；

图5为虚拟实验平台的热触觉再现装置的结构框图。

附图标识：100制热模块；11ptc发热体；1101u型波纹状散热片；1102铝管；1103ptc陶瓷加热片；12散热风扇；13移动滑块；14温度传感器；15支撑脚；200定位模块；2101第一导轨；2102第二导轨；2103第三导轨；22第一滚珠丝杠；23第二滚珠丝杠；2401第一支座；2402第二支座；2403第三支座；2404第四支座；2405第五支座；2406第六支座；25直线光轴；26第一步进电机；27第二步进电机；28限位开关；300控制模块；400过热网；41过热孔；500实验台。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

参阅图1～图3，本实用新型实施方式公开了一种虚拟实验平台的热触觉再现装置，包括制热模块100、定位模块200和控制模块300，其中

定位模块200包括导轨装置、第一滚珠丝杠22和第二滚珠丝杠23，导轨装置包括相对设置的第一导轨2101、第二导轨2102和设于第一导轨2101、第二导轨2102之间的第三导轨2103，第一导轨2101的两端分别设有第一支座2401、第二支座2402，第一滚珠丝杠22通过第一支座2401、第二支座2402固定于第一导轨2101上方；第二导轨2102的两端分别设有第三支座2403、第四支座2404，第三支座2403与第四支座2404之间设有直线光轴25；第三导轨2103的两端分别设有第五支座2405、第六支座2406，第二滚珠丝杠23通过第五支座2405、第六支座2406固定于第三导轨2103上方；第一滚珠丝杠22贯穿第三导轨2103的一端，直线光轴25贯穿第三导轨2103的另一端；第一导轨2101上设有用于驱动第一滚珠丝杠22转动的第一步进电机26，第三导轨2103上设有用于驱动第二滚珠丝杠23转动的第二步进电机27；

制热模块100包括从上往下依次设置的ptc发热体11、散热风扇12和移动滑块13，第二滚珠丝杠23贯穿移动滑块13；

控制模块300通过控制第一步进电机26使制热模块100在x轴方向上移动，控制模块300通过控制第二步进电机27使制热模块100在y轴方向上移动；控制模块300控制ptc发热体11、散热风扇12工作。

工作时，通过控制模块300控制制热模块100的位置及温度，从而实现热触觉再现。本实用新型实施方式将ptc发热体11所产生的热量通过散热风扇12将热量传递到ptc发热体11的上方，不需要直接接触发热物体来感受热量，而是通过空气介质来传播热量，从而更真实地复现真实情况。

其中，为了便于进行虚拟实验，可在导轨装置的上方铺设一过热网400，起到隔离元器件的作用；过热网400上布满过热孔41，并且过热孔41呈阵列排列，便于在散热风扇12的作用下将ptc发热体11所产生的热量通过空气介质从过热网400下方传递到过热网400上方。进行虚拟实验时，将导轨装置置于实验台500上，然后将过热网400固定于导轨装置上方，过热网400能够在不干扰热触觉的情况下在其上方放置相应物体或虚拟实验所需装置。

为提高虚拟场景的沉浸感，可将过热网400的尺寸设置成与虚拟实验台的尺寸一致。由于本实用新型的热触觉再现装置是非接触式，热源相对人体是静止的，因此在进行虚拟实验前，需要校准真实世界下和虚拟场景下的实验台(即虚拟实验台和真实实验台500)的位置，以保证实验者与实验台的距离在两种环境下相同。例如，以htcvive头盔为例，在程序执行之前，需要将unity引擎中的虚拟相机相对于虚拟实验台的位置，设为真实世界下人眼相对于过热网的位置，即可保证开始实验时，人眼看到的虚拟场景和真实世界的装置位置是一致的。因此，开始虚拟实验时，实验者在虚拟环境下距离虚拟实验台的距离和现实环境距离过热网400的距离相同。

具体的，如图3所示，ptc发热体11包括铝管和设于铝管内的ptc陶瓷加热片。进一步的，铝管内还设有u型波纹状散热片1101，其中u型波纹状散热片1101与ptc陶瓷加热片在水平方向上间隔设置，使u型波纹状散热片1101能够大幅度地从ptc陶瓷加热片上吸取热量，进而通过散热风扇12将ptc陶瓷加热片所产生的大部分热量通过空气介质从过热网400下方传到过热网400上方。

进一步的，散热风扇12通过支撑脚15固定于移动滑块13的上方，散热风扇12的下端设置有进风口，以便于顺应气流方向，使气体从散热风扇12的底部进入，进而将带热量的气体吹向ptc发热体11上方，热气再经过过热网400到达指定产热的位置。

进一步的，ptc发热体11的上表面设有温度传感器14，可实时测量吹出热风的温度，控制模块300通过温度传感器14所检测到的温度大小控制ptc发热体11的温度。

进一步的，第一导轨2101、第三导轨2103的两端分别设有限位开关28，分别用于防止第三导轨2103运动到第一滚珠丝杠22的两端、移动滑块13运动到第二滚珠丝杠23的两端。

工作时，通过上位机向控制模块300发送制热模块100所在位置的串口数据，然后根据制热模块100所应该移动到的位置点和所用第一滚珠丝杠22、第二滚珠丝杠23的导程(即螺纹旋转一圈所移动的距离)，确定第一步进电机26、第二步进电机27所需要旋转的度数，从而将制热模块100移动到相应位置。当第一步进电机26驱动第一滚珠丝杠22旋转时，由于第一滚珠丝杠22贯穿第三导轨2103的一端、直线光轴25观察第三导轨2103的另一端，因此会带动第三导轨2103整体在x轴方向上移动；当第二步进电机27驱动第一滚珠丝杠22旋转时，由于第二滚珠丝杠23贯穿移动滑块13，因此会带动制热模块100整体在y轴方向上移动。

对于温度的控制，则可通过闭环控制，通过温度传感器14实时测量吹出热风的温度，当在pc端输入热触觉所需要的目标温度后，通过控制模块300对当时热风温度与目标温度进行大小对比，从而控制ptc发热体11发热，进而维持目标温度。而散热风扇12则可通过控制模块300控制风力大小，进而控制气体温度在不同距离时的温度大小，如在距离出风口的相同的位置，风力小时，ptc加热体吹出的气体温度更高。

其中，关于上位机、pc端等与控制模块300之间的数据传输，可以使用有线传输方式，也可以使用蓝牙或者wifi等无线传输方式。

本实用新型通过控制模块300控制第一步进电机26、第二步进电机27使制热模块100在xy平面上移动到目标位置，然后通过控制ptc发热体11发热，并通过散热风扇12将ptc发热体11所产生的热量吹向ptc发热体11的上方，从而实现了非接触式热触觉再现，更加能够真实的展现生活在人体皮肤的热触觉感知。本实用新型使用ptc陶瓷加热片为热源，产生热量时无明火，安全可靠；而且发热效率高达99％、使用寿命长、升温迅速，安全可靠。

本实用新型可以应用于增强现实的实验平台，将过热网400当作实验台500，通过在过热网400上放置耐高温的图标，通过识别图标来虚拟实验仪器，同样可以获得热触觉。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。