專利名稱：體感指環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于人工肌肉的人機(jī)交互裝置，尤其是一種體感指環(huán)(手套)，是一種利用人工肌肉，構(gòu)造出一種纏繞手指的裝置，可以被程序控制從而在合適的時間對手指施加壓力。該裝置可以實(shí)現(xiàn)一定程度的模擬觸覺并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中的體感輸出功能。
背景技術(shù)：
目前觸覺手套(Haptic Glove)有很多人研究，并有一些樣品可以見到。現(xiàn)在的技術(shù)方案使用的多是大型的抱住整個手的設(shè)計，或者用人工肌肉順著手掌骨骼方向排列。因?yàn)檫@些設(shè)計要么體型龐大，要么攜帶不便，成本高昂，體感觸覺效果不佳，導(dǎo)致了市場上體感輸出產(chǎn)品的缺少。目前已經(jīng)有公司和研究單位給出了體感輸入解決方案，如體感鼠標(biāo)，kinect，三維手勢識別，等等。而作為人機(jī)交互的計算機(jī)體感輸出方面，更需要做的是在如何在用戶用手或身體控制電腦的同時，獲得相應(yīng)的手部或其他身體部位的實(shí)際身體感受(體感)。由于身體的感受體非常眾多，諸如壓力，摩擦力，溫度，濕度，等等。1.李曉鋒，梁松苗，李艷芳，王永鑫，徐堅。仿生材料電活性聚合物“人工肌肉”的研究進(jìn)展。高分子通報。2008 (Aug) :134
2.張良平.人工肌肉臨床應(yīng)用前景.國際生物醫(yī)學(xué)工程雜志.2006年2月第四卷第 1期·
3.Tomoyuki YAMBE, *Shigenao MARUYAMA, **Shintaro AMAE, et al, Application of the shape memory alloy for the artificial internal organs, http://mecl. idac. tohoku. ac. jp/ffelcome. html
4.Kyung-won Moon Dongseok Ryu Changmook Chun Yongkwon Lee Sungchul Kang Mignon Park. Development of a slim haptic glove using McKibben aritificial muscles. SICE-ICASE International Joint Conference 2006. Oct. 18一21。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種體感輸出裝置，尤其是體感指環(huán)，這是本方案要解決的主要問題。針對手部甚至身體中的最為敏感的和最重要的感覺器官手指，本發(fā)明設(shè)計環(huán)繞指尖的人工肌肉構(gòu)成的指環(huán)，通過程序控制下的人工肌肉的收縮改變指環(huán)的周長，給予手指合適的壓力，并實(shí)現(xiàn)手部的體感輸出，尤其是人機(jī)交互中的手部體感輸出功能。本發(fā)明的技術(shù)方案是體感指環(huán)，其特征是利用記憶合金絲在手指尖貼合，每指尖采用二段1厘米左右的由形狀記憶合金材料絲構(gòu)成的人工肌肉，在手指尖的二段形狀記憶合金材料絲單元上的工作電壓1.5V，工作電流200-300mA;在手掌上貼合由4段由形狀記憶合金材料絲約2cm左右的人工肌肉，手掌單元的四段串聯(lián)的形狀記憶合金材料絲單元上工作電壓約3v，工作電流200-300mA。在三至五個指尖單元和輔助手掌單元均單獨(dú)驅(qū)動，以形成具有空間分布特性的體感輸出。在三至五個的所有指尖單元全部串聯(lián)再施加電壓。在三至五個的所有指尖單元全部串聯(lián)再接外加電壓，從而獲得最簡單的電路以及統(tǒng)一的觸覺感受；所有指環(huán)所有指環(huán)與手指貼合時都用粘連結(jié)構(gòu)調(diào)整周長，以適應(yīng)不同的人手。所有每指尖采用2段1厘米左右的由形狀記憶合金材料絲構(gòu)成的人工肌肉構(gòu)成一指環(huán)，指環(huán)與手指貼合時都用粘連結(jié)構(gòu)調(diào)整周長，以適應(yīng)不同的人手。在手指尖采用的是2段1厘米左右的由記憶合金材料絲(鎳鈦合金絲)，直徑為
0.62毫米，在手掌上是4段約2cm左右(SMA絲串聯(lián))的人工肌肉，直徑為0. 62毫米。本發(fā)明的有益效果是套在指尖的指環(huán)，使用的是形狀記憶合金SMA，不需要空氣泵，這大幅降低了功耗，目前驅(qū)動四個指環(huán)，只需要3v電池就可以了。手掌加上指環(huán)也僅需 6v電池即可運(yùn)行。僅用SMA橫向包裹手指尖端，由于手指的敏感性，很小的力和形變就會有很強(qiáng)烈的人體感受。使用Kinect作為體感輸入設(shè)備，在手上沒有其他感應(yīng)裝置，這個指環(huán)是純粹的電腦向人體的輸出觸覺的裝置。此方面的電路可以通過pcb制作，電源設(shè)計做的非常小，可以做到基本不影響手部動作。利用人工肌肉，構(gòu)造出一種纏繞手指的裝置，可以被程序控制從而在合適的時間對手指施加壓力。該裝置可以實(shí)現(xiàn)一定程度的模擬觸覺并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中的體感輸出功能。


圖1是體感指環(huán)示意圖，包括了 4個位于手指尖的指環(huán)和一個手掌的輔助指環(huán)。圖2是無線發(fā)射、接受模塊與驅(qū)動電路。
具體實(shí)施例方式體感指環(huán)，是一種基于人工肌肉的人機(jī)交互裝置；利用記憶合金，構(gòu)造出一種纏繞手指尖的裝置；該裝置實(shí)現(xiàn)一定程度的模擬觸覺并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中的體感輸出功能。本方案簡化了電路和輸出裝置，提高了便攜性，增強(qiáng)了用戶的觸覺體驗(yàn)。在手指尖采用的是2段 1厘米左右的由形狀記憶合金材料絲構(gòu)成的人工肌肉，另在每個手指尖的單元工作電壓約
1.5v,工作電流200-300mA，工作電壓加在兩根導(dǎo)線上，是串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。在手掌單元上是4段由形狀記憶合金材料絲構(gòu)成約2cm左右的人工肌肉，手掌單元的工作電壓約3v，工作電流 200-300mA ；所有指尖單元和輔助手掌單元換都可單獨(dú)驅(qū)動，以形成具有空間分布特性的體感輸出；也可以將所有指尖單元全部串聯(lián)，從而獲得最簡單的電路以及統(tǒng)一的觸覺感受; 所有指環(huán)都用粘連結(jié)構(gòu)調(diào)整周長，以適應(yīng)不同的人手。在手指尖采用的是2段1厘米左右的由記憶合金材料絲(直徑大約0. 62mm)構(gòu)成的人工肌肉(BMX150)。如圖1左下所示，在每個指尖可以造成最多Icm周長縮短，以及約20g 的力量。每個手指尖的單元(即2段1厘米絲串聯(lián))工作電壓約1. 5v，工作電流200-300mA， 工作電壓加在2段1厘米絲串聯(lián)兩根導(dǎo)線上。圖1右上部分的電路為輔助手掌單元，可選擇是否加入。在手掌上是4段約2cm左右(SMA絲串聯(lián)單元)的人工肌肉，在手掌可以造成 lcm-2cm左右的周長縮短，以及產(chǎn)生約80g的力量。手掌單元的工作電壓約3v，工作電流 200-300mA，工作電壓也加在兩根導(dǎo)線上。所有指尖單元和輔助手掌單元換都可以單獨(dú)驅(qū)動，以形成具有空間分布特性的體感輸出。也可以將所有指尖單元全部串聯(lián)，從而獲得最簡單的電路以及統(tǒng)一的觸覺感受。所有指環(huán)都用粘連結(jié)構(gòu)調(diào)整周長，以適應(yīng)不同的人手。應(yīng)用舉例，我們使用現(xiàn)有的kineCt(Xb0X的體感輸入設(shè)備)，來作為體感輸入設(shè)備。 而輸出控制上，我們利用kinect上的led小燈的通斷，并通過光敏電阻無線傳遞來實(shí)現(xiàn)控制單手的人工肌肉的伸縮。圖2無線發(fā)射、接收模塊與驅(qū)動電路中，在接受端，用無線接收模塊接收到信號后，用光耦隔離接收模塊的小信號電路和功率驅(qū)動模塊的大電流電路。用功率驅(qū)動電路驅(qū)動手上的體感指環(huán)?？梢岳胟inect，在識別到手觸碰到特定虛擬目標(biāo)時引發(fā)特定事件，使得手套收縮，產(chǎn)生實(shí)時虛擬體感觸覺。實(shí)測中，由于SMA是功率器件，當(dāng)特定事件觸發(fā)頻率上升至^iz 左右時，體感指環(huán)可以獲得較好的實(shí)時響應(yīng)。本發(fā)明市場前景非常巨大，這從體感輸入設(shè)備的市場活躍度就可以想見，目前體感輸出市場還遠(yuǎn)沒有開發(fā)?？紤]到其便攜性，以及和kinect的兼容功能，可在游戲業(yè)，IT 業(yè)等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間。與之前的工作比較，本發(fā)明的方案就是方便，簡單，極大的提高了攜帶性，降低了功耗。1.本發(fā)明使用的是記憶合金SMA，不需要壓縮空氣，這大幅降低了功耗，目前驅(qū)動四個指環(huán)，只需要3v電池就可以了。手掌加上指環(huán)也僅需6v電池即可運(yùn)行。2.本發(fā)明僅用SMA橫向包裹手指尖端，由于手指的敏感性，很小的力和形變就會有很強(qiáng)烈的人體感受。3.本發(fā)明使用Kinect作為體感輸入設(shè)備，在手上沒有其他感應(yīng)裝置，這個指環(huán)是純粹的電腦向人體的輸出觸覺的裝置。因此方面的電路可以通過pcb制作，電源設(shè)計做的非常小，可以做到基本不影響手部動作。形狀記憶合金微驅(qū)動器的特點(diǎn)形狀記憶合金微驅(qū)動器除具有高的功率/重量比這一特點(diǎn)外，它還具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、無噪聲、具有傳感功能，便于控制等特點(diǎn)。由于形狀記憶合金是利用合金的相變(熱彈性馬氏體相變)來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的，它可直接實(shí)現(xiàn)各種直線運(yùn)動或曲線運(yùn)動軌跡，而不需任何機(jī)械傳動裝置。因此，形狀記憶合金驅(qū)動器可做成非常簡單的形式。這對微型化來說無疑是非常有利的。另外，結(jié)構(gòu)簡單也有利于降低成本， 提高系統(tǒng)的可靠性。形狀記憶合金的電阻與其相變過程之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，因此，形狀記憶合金的電阻值可用來確定驅(qū)動器的位移量及作用在驅(qū)動器上的力。也就是說它具有傳感功能。這一特點(diǎn)也使形狀記憶合金驅(qū)動器的控制系統(tǒng)變得非常簡單。TiNi合金的電導(dǎo)率與NiCr合金幾乎一樣。因此，給形狀記憶合金加熱時所需的電源電壓要比使用壓電元件等所需的電源電壓低得多。A.在手指尖采用的是2段1厘米左右的由記憶合金材料絲(鎳鈦合金絲)，直徑為0. 62毫米
B.在手掌上是4段約2cm左右(SMA絲串聯(lián))的人工肌肉，直徑為0. 62毫米。
權(quán)利要求
1.體感指環(huán)，其特征是利用記憶合金絲在手指尖貼合，每指尖采用二段1厘米左右的由形狀記憶合金材料絲構(gòu)成的人工肌肉，在手指尖的二段形狀記憶合金材料絲單元上的工作電壓1. 5v，工作電流200-300mA ；在手掌上貼合由4段由形狀記憶合金材料絲約2cm左右的人工肌肉，手掌單元的四段串聯(lián)的形狀記憶合金材料絲單元上工作電壓約3v，工作電流 200-300mA。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體感指環(huán)，其特征是在三至五個指尖單元和輔助手掌單元均單獨(dú)驅(qū)動，以形成具有空間分布特性的體感輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體感指環(huán)，其特征是在三至五個的所有指尖單元全部串聯(lián)再施加電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體感指環(huán)，其特征是所有每指尖采用二段1厘米左右的由形狀記憶合金材料絲構(gòu)成的人工肌肉構(gòu)成一指環(huán)，指環(huán)與手指貼合時都用粘連結(jié)構(gòu)調(diào)整周長，以適應(yīng)不同的人手。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的體感指環(huán)，其特征是在手指尖采用的是2段1厘米左右的由記憶合金材料絲(鎳鈦合金絲)，直徑為0. 62毫米，在手掌上是4段約2cm左右記憶合金材料絲的人工肌肉，直徑為0. 62毫米。
全文摘要
體感指環(huán)，利用記憶合金絲在手指尖貼合，每指尖采用2段1厘米左右的由形狀記憶合金材料絲構(gòu)成的人工肌肉，在手指尖的二段形狀記憶合金材料絲單元上的工作電壓1.5v，工作電流200-300mA；在手掌上貼合由4段由形狀記憶合金材料絲約2cm左右的人工肌肉，手掌單元的四段串聯(lián)的形狀記憶合金材料絲單元上工作電壓約3v，工作電流200-300mA。
文檔編號G06F3/01GK102436303SQ20111031401
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者仇昕, 展慶波, 蔣士正, 邵毅, 陳穎 申請人:南京大學(xué)