本實用新型屬于虛擬現(xiàn)實技術領域，具體涉及一種基于電流變液的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置。

背景技術：

紋理觸覺再現(xiàn)技術是一種基于人的觸覺感知機理的人機交互技術，該技術模擬人體對真實物體進行觸覺感知的過程，實現(xiàn)對遠地或虛擬物體表面紋理信息的感知與再現(xiàn)。紋理觸覺再現(xiàn)技術通過紋理觸覺感知給用戶提供對虛擬物體更加真實與自然的接觸，更好地提升了虛擬環(huán)境中的用戶體驗。作為力觸覺再現(xiàn)中的一個重要領域，紋理力觸覺再現(xiàn)技術受到了越來越多的關注。

表面紋理是真實物體的一個重要屬性，人通過真實物體的表面紋理描述和區(qū)分生活中的物體。紋理力觸覺是力觸覺再現(xiàn)研究的一個重要組成部分，紋理力觸覺再現(xiàn)技術主要研究如何將物體表面的紋理信息通過觸覺再現(xiàn)裝置反饋給操作者。該技術可使操作者更好地感知物體表面，獲得更真實的觸覺感受。通過紋理觸覺技術與虛擬現(xiàn)實技術的結合，不僅可使得操作者在虛擬環(huán)境中獲得更好的真實感和沉浸感，還可以提高操作者對虛擬對象的控制與對虛擬環(huán)境的探知能力。

近年來，隨著紋理力觸覺技術的研究與發(fā)展，其應用范圍也越來越廣，在醫(yī)學、工業(yè)、遙操作、藝術、教育、娛樂等領域都有著廣泛的應用。在醫(yī)學領域，運用該技術可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療，醫(yī)生通過觸覺設備感知手術現(xiàn)場中人體器官的紋理觸感，獲得比較準確的病理信息，提高手術的成功率，可以實現(xiàn)模擬手術培訓，減少實習醫(yī)生培訓投入；將紋理觸覺技術引入虛擬工件裝配環(huán)節(jié)，可以増強操作者對零件裝配的真實感；在遙操作技術中，可通過觸覺設備感受遙操作機器人所在真實環(huán)境，并操控機器人系統(tǒng)去完成特定環(huán)境下的任務；將紋理觸覺再現(xiàn)技術應用于虛擬藝術博物館和展覽會上，可以使參觀者通過觸覺再現(xiàn)設備觸摸珍貴的藝術品或文物，獲得對藝術作品的更好的認識，滿足參觀者的認知需求；在教育領域中，可以使學生在課堂中認識到更多的材料屬性，減少學生與危險物品的直接接觸；在娛樂業(yè)中，玩家可通過力觸覺設備更好地沉浸于虛擬世界，獲得更好的游戲體驗。

在紋理力觸覺再現(xiàn)中，為了模擬人接觸物體時的觸覺，需要借助力觸覺交互設備，該設備也可以稱為觸覺反饋或力反饋設備。力觸覺交互設備是一種由計算機驅動的能夠產(chǎn)生力反饋的計算機外圍設備。一般力觸覺交互設備都具有持別設計的人機交互接口，方便操作者使用。Bailenson將人機交互結構定義為：為體驗力觸覺變化供操作者控制或穿戴的機械結構。目前已經(jīng)研巧出的力觸覺交互設備根據(jù)其自由度不同可分為2自由度、3自由度、6自由度力觸覺交互設備。除了借助于力觸覺反饋設備外，還可以采用分布式多點振動模擬紋理的方法。該方法需要設計專用的振動陣列模塊，當人手觸摸振動陣列模塊時，該模塊中的振動單元根據(jù)需要反饋出的觸覺信息產(chǎn)生對應振動，通過控制振動單元以及振動頻率的大小讓人獲得紋理觸感信息。如Sarakoglou等研制了一種拉動型針型陣列，該陣列由4×4個觸點構成，每個觸點對應一個振動電機，16個振動電機同時給觸點陣列提供相應位置的拉力，并利用電纜傳動器將拉力從振動電機處傳輸至針型陣列－從而實現(xiàn)紋理信息表達再現(xiàn)。Konyo和Yoshida等人設計了一種利用多種振動頻率再現(xiàn)虛擬接觸的設備，將該設備穿戴在人手指的指端，通過改變觸覺刺激的振動時間、振動頻率與振幅作為手的運動的響應，從而產(chǎn)生粗糙度、壓力化及摩擦力的虛擬觸感。

目前存在的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置大多才用商業(yè)化的力觸覺交互裝置如Phantom、Falcon、Delta和Sigma等，這些設備具有較多自由度，但都由電機驅動、大多采用剛性結構連接，在模擬物體紋理時穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生失真，特別是無法模擬柔順性物體的紋理，而且在模擬物體的紋理時只能單點模擬，無法模擬動態(tài)紋理。采用點陣式紋理觸覺陣列能夠較好的模擬物體紋理，但目前點陣式紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置大多由振動電機產(chǎn)生的振動模擬物體紋理，穩(wěn)定性不好，振動信息與真實的紋理信息仍然存在差距，用戶在的紋理觸覺真實感仍然不強，同樣也存在著無法模擬柔順性物體紋理的問題，而且由電機驅動點陣式紋理觸覺結構非常復雜，體積大、重量重。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種基于電流變液的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置，目的在于解決現(xiàn)有紋理力觸覺再現(xiàn)所采用力觸覺交互裝置存在的弊端，進而提供一種可使得操作者在虛擬環(huán)境中獲得更好的真實感和沉浸感，還可以提高操作者對虛擬對象的控制與對虛擬環(huán)境的探知能力的接口裝置。

本實用新型通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種基于電流變液的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置，所述接口裝置包括盒狀底座（1），盒狀底座（1）內設置有縱橫排列的四根縱向彈性導線（5）、四根橫向彈性導線（4），縱向彈性導線（5）、橫向彈性導線（4）所對應的自由端分別通過絕緣固定管（8）與盒狀底座（1）側壁固定，盒狀底座（1）內充滿電流變液（10），盒狀底座（1）上方固定有柔性蓋板（6），縱向彈性導線（5）、橫向彈性導線（4）所對應的自由端的一端分別設置有極性相同的電極，柔性蓋板（6）上設置有與縱向彈性導線（5）、橫向彈性導線（4）極性相反的電極，在電場作用下電流變液（10）在沿電場方向形成鏈狀結構。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述縱向彈性導線（5）、橫向彈性導線（4）一端分別設置有縱向正電極（7）、橫向正電極（2），柔性導電蓋板（6）上設置有負電極（3）。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述縱向彈性導線（5）、橫向彈性導線（4）均由金屬彈性材料制成。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述柔性蓋板（6）由金屬材料制成。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述盒狀底座（1）由絕緣材料制成。

本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有以下明顯優(yōu)點：

一、本實用新型采用新興的電流變技術，電流變液在電場作用下產(chǎn)生電流變效應，使表征電流變液流變特性的表觀粘度發(fā)生變化，能夠在瞬間從牛頓液體狀態(tài)變化為類固體狀態(tài)，并且該過程可逆，因此電流變液在模擬物體紋理時適用的范圍更廣，可以模擬剛度范圍很大物體的紋理，特別是在模擬機體組織紋理中有著獨特的優(yōu)勢。

二、本實用新型接口裝置是耗散型的，因此穩(wěn)定性好，模擬物體紋理時保真度高。

三、本實用新型模擬真實物體的紋理信息，更具有真實性。

四、本實用新型通過控制電場的大小或有無，可以模擬物體的動態(tài)紋理信息。

五、本實用新型結構簡單，整個裝置結構簡單、緊湊，機械加工精度要求也不高。

六、本實用新型控制簡單，電場信號與電流變液剛度信號存在明確的函數(shù)關系，因此只需施加不同的電場便可準確地控制其剛度，從而能夠模擬不同類型的紋理信息。

附圖說明

圖1為本實用新型結構示意圖；

圖2為本實用新型原理示意圖。

具體實施方式

本實用新型包括一個絕緣材料制成的盒狀底座1，四根金屬彈性材料制成的橫向彈性導線4，四根金屬彈性材料制成的縱向彈性導線5，四根橫向正電極2，四根縱向正電極7，一根負電極3，一個由金屬材料制成的柔性蓋板6，十六個絕緣固定管8，適量的電流變液9。在盒狀底座1設置四根橫向彈性導線4和四根縱向彈性導線5，橫向彈性導線4和縱向彈性導線5均通過絕緣固定管8固定于盒狀底座1上，四根橫向彈性導線4的一端分別設置四根橫向正電極2，四根縱向彈性導線5的一端分別設置四根縱向正電極7，在柔性蓋板6上設置一負電極3，在盒狀底座1內充滿電流變液9，電流變液9上用柔性導電蓋板6覆蓋，柔性蓋板6固定于盒狀底座1上。

本實用新型用于實現(xiàn)人機交互的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置工作原理如下：紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置如圖1、圖2所示。當在某根電極的正電極和負電極之間施加電壓時，彈性導線與柔性導電蓋板之間產(chǎn)生電場，該電場垂直于彈性導線并指向柔性導電蓋板，在該電場作用下，電流變液在沿電場方向形成鏈狀結構，該根彈性導線上方的電流變液硬度變大，電壓越大，電場越強，鏈狀結構越強，硬度越大，當操作者觸摸柔性蓋板時就能夠感覺到紋理的存在。當在不同的橫向或縱向彈性導線和柔性蓋板之間施加電壓時，柔性蓋板上會反映出不同的紋理信息和形狀信息，當在不同的橫向或縱向彈性導線與柔性蓋板之間輪流施加、撤銷電壓時，柔性蓋板上可以反映出動態(tài)的紋理信息。

根據(jù)實際物體紋理大小和形狀的不同，可以通過增加橫向和縱向彈性導線數(shù)量、改變導線之間的設置密度，從而有效的模擬物體的紋理。根據(jù)實際物體的柔順性不同，可以通過改變施加在彈性導線和柔性蓋板的電壓，從而提高操作者紋理觸感的真實性。

本實用新型方案所公開的技術手段不僅限于上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本實用新型的保護范圍。