一种触觉反馈装置

1.本发明涉及触觉反馈领域，尤其涉及一种新型电控实现硬度反馈以及形状反馈结构和控制系统。


背景技术：

2.目前，虚拟现实和增强现实的场景重建主要围绕人的视觉和听觉感官展开，缺乏更高维度上的信息反馈和交互。触觉反馈技术的发展，为虚拟对象与人之间的力学相互作用搭建了一座桥梁，有望成为虚拟现实应用发展的关键技术突破口。
3.触觉反馈技术可以优化虚拟现实体验，拓宽虚拟现实应用领域。触觉反馈技术能够让用户与虚拟世界做更深入的交互应用，拓展虚拟现实体验的感知维度，获得更强的沉浸感，打造出更逼真全面的虚实融合环境，进而在游戏、智能制造、教育培训、高风险行业产生更多创新的应用。
4.触觉反馈技术能通过作用力、振动等一系列动作为使用者再现触感。作为人机交互的重要通道之一，力触觉信号能给予用户更丰富的材质、纹理等信息，辅助用户感知到交互中的物理环境变化，为虚拟现实中的训练任务提供有效的力觉反馈信息，帮助用户规范其行为，为遥控操作等任务提供更丰富而真实的临场感，在康复医疗、手术训练、虚拟现实、远程操作等领域有着重要的应用。
5.目前，大多数触觉反馈装置仍然以震动以及刚性器件的力反馈为主，装置所提供的反馈真实感较低，虽然也有少数触觉反馈装置应用柔性材料，但装置复杂，多为一个单元的力反馈装置，不能实时反馈物体的形状信息。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种解决现有触觉反馈装置反馈真实度的不足，响应时间慢的缺点，实现对触摸物体时物体力、硬度与形状的反馈的触觉反馈装置。
7.本发明通过以下技术方案实现发明目的，一种触觉反馈装置，包括触觉反馈单元、电场控制单元和压力发生单元组成，所述触觉反馈单元包括一种柔性软材料薄膜制成的触摸层，带有蜂窝状通孔结构的触觉反馈微分单元，和带有压力输送孔的液体腔组成，三者形成为一个内部为封闭空腔的整体结构，所述触觉反馈层和带压力输送孔的液体腔分别密封粘接于触觉反馈微分单元的上下表面，所述触觉反馈微分单元的通孔侧壁设置有电极，所述封闭空腔内装有电流变液体。所述压力发生单元通过压力输送孔与触觉反馈单元密封连接，所述电场控制单元分别连接位于触觉反馈微分单元内部的电极。
8.在上述方案的基础上本发明还可以有以下进一步的改进方案。
9.进一步所述的触觉反馈单元的构成结构也可以是所述触摸层位于中间层，所述触觉反馈微分单元和液体腔分别位于触摸层的上层与下层。
10.进一步所述触觉反馈微分单元内部设置的电极可以呈圆周分布或者对称分布，所述电极形状可以为针状或片状。
11.进一步所述触觉反馈微分单元上的通孔形状可以是正方形，三角形等多边形结构。
12.进一步所述触摸层可以是三层结构，包括上下两层粘贴有柔性电极的可变形材料和中间层空腔结构。所述空腔内部被注入电流变液体。
13.本发明所提供的一种触觉反馈装置，与现有技术相比，其有益技术效果是：
14.(1)结构简单，体积小而薄，易于布置和加工制造；
15.(2)使用单一压力源可驱动多个触觉反馈点同时反馈；
16.(3)通过电压控制，操作简单，响应速度快。
17.(4)可以实现同时硬度以及形状反馈，反馈方式丰富真实。
附图说明
18.图1为本发明一种触觉反馈装置的示意图。
19.图2为触觉反馈单元整体结构拆分图。
20.图3为触觉反馈单元针状电极排布图。
21.图4为触觉反馈单元环状电极排布图。
22.图5为触觉反馈单元片状电极排布图。
23.图6为触觉反馈单元工作原理图。
24.图7为是触摸层结构图。
25.图8为是触摸层电极布置结构图。
26.图9为是另一种触觉反馈单元结构剖视图。
27.图中：1
‑
触摸层，2
‑
触觉反馈微分单元，3
‑
液体腔，4
‑
针状电极，5
‑
环状电极，6
‑
片状电极，7
‑
电流变液体，8
‑
受到电场作用的电流变液体，9
‑
未受到电场作用的电流变液体，10
‑
柔性电极。
具体实施方式
28.本发明公开的一种触觉反馈装置，如图1至图3所示，包括触觉反馈单元、电场控制单元与压力发生单元组成，所述触觉反馈单元如图2所示，由触摸层1、触觉反馈微分单元2和液体腔3组成。所述电场控制单元由置于触觉反馈微分单元中蜂窝状通孔侧边的对称电极和相应的控制电路组成。所述压力发生单元为任何可以提供压力的装置。所述触摸层1位于最上层，所述触觉反馈微分单元2位于触摸层1下层，并与触摸层密封粘接，所述液体腔3位于触觉反馈微分单元2下层，并与数据额反馈微分的单元2密封粘接，所述压力发生单元与图2所示的触觉反馈单元通过压力输送孔密封连接，所述电场控制单元与电极连接形成相应的控制电路，电极的类型有多种，图3为触觉反馈单元针状电极4排布图，图4为触觉反馈单元环状电极5排布图，图5为触觉反馈单元片状电极6排布图。
29.触摸层1为三层的结构可以为图7所示柔性电极10镶嵌于触摸层1中，触摸层1中心为空腔结构，内部注入电流变液体。
30.触摸层1的三层结构也可以为图8所示柔性电极10粘贴于触摸层1中空腔内壁，空腔内注入电流变液体。
31.具体的触摸层1可以是塑料薄膜、硅胶薄膜等柔性材料。电极可以是图5和图6所示
的片状电极以及图9所示的针状电极。
32.本发明一种触觉反馈装置，实现反馈的原理如图6所示，单一压力发生单元推动电流变液体7流动经过每个触觉反馈点的空腔，触觉反馈点在电流变液体7压力的作用下实现凸起，达到力反馈的目的，在每个触觉反馈点空腔侧边设置片状电极6，并通过控制电路分别为每一对片状电极6通电，在每个触觉反馈点空腔内部形成场强大小不同的电场，通过控制电场的大小，改变流经每个触觉反馈点空腔电流变液体的流动性，来传递不同压力，达到对不同触觉反馈点实现不同高度凸起的目的。通过对图7所示触摸层1中的柔性电极10通电，使第一触觉反馈微分单元1空腔中的电流变液体7有液态转变为固态，实现硬度反馈。


技术特征：
1.一种触觉反馈装置，其特征在于：包括触觉反馈单元、电场控制单元和压力发生单元组成，所述触觉反馈单元包括一种柔性软材料薄膜制成的触摸层，带有蜂窝状通孔结构的触觉反馈微分单元，和带有压力输送孔的液体腔组成，三者形成为一个内部为封闭空腔的整体结构，所述触觉反馈层和带压力输送孔的液体腔分别密封粘接于触觉反馈微分单元的上下表面，所述触觉反馈微分单元的通孔侧壁设置有电极，所述封闭空腔内装有电流变液体；所述压力发生单元通过压力输送孔与触觉反馈单元密封连接，所述电场控制单元分别连接位于触觉反馈微分单元内部的电极。2.根据权利要求1所述的一种触觉反馈装置，其特征在于：触摸层位于中间层，所述触觉反馈微分单元和液体腔分别位于触摸层的上层与下层。3.根据权利要求1所述的一种触觉反馈装置，其特征在于：电极呈圆周分布或者对称分布，所述电极形状可以为针状或片状。4.根据权利要求1所述的一种触觉反馈装置，其特征在于：通孔形状是正方形或三角形。5.根据权利要求1所述的一种触觉反馈装置，其特征在于：三层结构，包括上下两层粘贴有柔性电极的可变形材料和中间层空腔结构，所述空腔内部被注入电流变液体。

技术总结
本发明公开一种触觉反馈装置，包括触觉反馈单元、电场控制单元和压力发生单元，触觉反馈单元包括一种柔性软材料薄膜制成的触摸层、带有蜂窝状通孔结构的触觉反馈微分单元和带有压力输送孔的液体腔，三者形成为一个内部为封闭空腔的整体结构，触觉反馈层和带压力输送孔的液体腔分别密封粘接于触觉反馈微分单元的上下表面，触觉反馈微分单元的通孔侧壁设置有电极，封闭空腔内装有电流变液体。压力发生单元通过压力输送孔与触觉反馈单元密封连接，电场控制单元分别连接位于触觉反馈微分单元内部的电极。本发明使用单一压力源可驱动多个触觉反馈点同时反馈；通过电压控制，操作简单，响应速度快，并可以实现同时硬度以及形状反馈，反馈方式丰富真实。反馈方式丰富真实。反馈方式丰富真实。


技术研发人员：焦志伟 马加奇 丁玉梅 杨卫民
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2021.06.29
技术公布日：2021/12/3