本實(shí)用新型屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁流變液的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置。

背景技術(shù)：

紋理觸覺再現(xiàn)技術(shù)是一種基于人的觸覺感知機(jī)理的人機(jī)交互技術(shù)，該技術(shù)模擬人體對(duì)真實(shí)物體進(jìn)行觸覺感知的過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)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(shù)通過紋理觸覺感知給用戶提供對(duì)虛擬物體更加真實(shí)與自然的接觸，更好地提升了虛擬環(huán)境中的用戶體驗(yàn)。作為力觸覺再現(xiàn)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，紋理力觸覺再現(xiàn)技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。

表面紋理是真實(shí)物體的一個(gè)重要屬性，人通過真實(shí)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(gè)重要組成部分，紋理力觸覺再現(xiàn)技術(shù)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(shù)可使操作者更好地感知物體表面，獲得更真實(shí)的觸覺感受。通過紋理觸覺技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，不僅可使得操作者在虛擬環(huán)境中獲得更好的真實(shí)感和沉浸感，還可以提高操作者對(duì)虛擬對(duì)象的控制與對(duì)虛擬環(huán)境的探知能力。

近年來，隨著紋理力觸覺技術(shù)的研究與發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越廣，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、遙操作、藝術(shù)、教育、娛樂等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，運(yùn)用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，醫(yī)生通過觸覺設(shè)備感知手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)中人體器官的紋理觸感，獲得比較準(zhǔn)確的病理信息，提高手術(shù)的成功率，可以實(shí)現(xiàn)模擬手術(shù)培訓(xùn)，減少實(shí)習(xí)醫(yī)生培訓(xùn)投入；將紋理觸覺技術(shù)引入虛擬工件裝配環(huán)節(jié)，可以増強(qiáng)操作者對(duì)零件裝配的真實(shí)感；在遙操作技術(shù)中，可通過觸覺設(shè)備感受遙操作機(jī)器人所在真實(shí)環(huán)境，并操控機(jī)器人系統(tǒng)去完成特定環(huán)境下的任務(wù)；將紋理觸覺再現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于虛擬藝術(shù)博物館和展覽會(huì)上，可以使參觀者通過觸覺再現(xiàn)設(shè)備觸摸珍貴的藝術(shù)品或文物，獲得對(duì)藝術(shù)作品的更好的認(rèn)識(shí)，滿足參觀者的認(rèn)知需求；在教育領(lǐng)域中，可以使學(xué)生在課堂中認(rèn)識(shí)到更多的材料屬性，減少學(xué)生與危險(xiǎn)物品的直接接觸；在娛樂業(yè)中，玩家可通過力觸覺設(shè)備更好地沉浸于虛擬世界，獲得更好的游戲體驗(yàn)。

在紋理力觸覺再現(xiàn)中，為了模擬人接觸物體時(shí)的觸覺，需要借助力觸覺交互設(shè)備，該設(shè)備也可以稱為觸覺反饋或力反饋設(shè)備。力觸覺交互設(shè)備是一種由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的能夠產(chǎn)生力反饋的計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。一般力觸覺交互設(shè)備都具有持別設(shè)計(jì)的人機(jī)交互接口，方便操作者使用。Bailenson將人機(jī)交互結(jié)構(gòu)定義為：為體驗(yàn)力觸覺變化供操作者控制或穿戴的機(jī)械結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)研巧出的力觸覺交互設(shè)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(shè)備。除了借助于力觸覺反饋設(shè)備外，還可以采用分布式多點(diǎn)振動(dòng)模擬紋理的方法。該方法需要設(shè)計(jì)專用的振動(dòng)陣列模塊，當(dāng)人手觸摸振動(dòng)陣列模塊時(shí)，該模塊中的振動(dòng)單元根據(jù)需要反饋出的觸覺信息產(chǎn)生對(duì)應(yīng)振動(dòng)，通過控制振動(dòng)單元以及振動(dòng)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(dòng)型針型陣列，該陣列由4×4個(gè)觸點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)振動(dòng)電機(jī)，16個(gè)振動(dòng)電機(jī)同時(shí)給觸點(diǎn)陣列提供相應(yīng)位置的拉力，并利用電纜傳動(dòng)器將拉力從振動(dòng)電機(jī)處傳輸至針型陣列－從而實(shí)現(xiàn)紋理信息表達(dá)再現(xiàn)。Konyo和Yoshida等人設(shè)計(jì)了一種利用多種振動(dòng)頻率再現(xiàn)虛擬接觸的設(shè)備，將該設(shè)備穿戴在人手指的指端，通過改變觸覺刺激的振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)頻率與振幅作為手的運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，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)接口裝置大多采用商業(yè)化的力觸覺交互裝置如Phantom、Falcon、Delta和Sigma等，這些設(shè)備具有較多自由度，但都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)、大多采用剛性結(jié)構(gòu)連接，在模擬物體紋理時(shí)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(shí)只能單點(diǎn)模擬，無法模擬動(dòng)態(tài)紋理。采用點(diǎn)陣式紋理觸覺陣列能夠較好的模擬物體紋理，但目前點(diǎn)陣式紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置大多由振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)模擬物體紋理，穩(wěn)定性不好，振動(dòng)信息與真實(shí)的紋理信息仍然存在差距，用戶在的紋理觸覺真實(shí)感仍然不強(qiáng)，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(jī)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣式紋理觸覺結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，體積大、重量重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種基于磁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(jìn)而提供一種具有高保真度、能夠模擬物體紋理特別是能夠模擬柔順性物體（如機(jī)體組織）紋理和形狀的人機(jī)接口裝置。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于磁流變液的紋理觸覺再現(xiàn)接口裝置，其特征在于：所述接口裝置包括盒狀底座（1），盒狀底座（1）上方固定有柔性蓋板（6），盒狀底座（1）內(nèi)設(shè)置有縱橫排列的四根縱向彈性線圈（5）、四根橫向彈性線圈（4），縱向彈性線圈（5）、橫向彈性線圈（4）所對(duì)應(yīng)的自由端分別通過絕緣固定管（9）與盒狀底座（1）側(cè)壁固定，縱向彈性線圈（5）、橫向彈性線圈（4）所對(duì)應(yīng)的自由端分別設(shè)置有極性相反的電極，盒狀底座（1）內(nèi)充滿磁流變液（10），磁流變液（10）在磁場(chǎng)作用下沿磁力線方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述縱向彈性線圈（5）兩端分別設(shè)置有縱向正電極（7）、縱向負(fù)電極（8），橫向彈性線圈（4）兩端分別設(shè)置有橫向正電極（2）、橫向負(fù)電極（3）。

本實(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述縱向彈性線圈（5）、橫向彈性線圈（4）均由金屬?gòu)椥圆牧现瞥伞?/p>

本實(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述柔性蓋板（6）由硅膠、或?yàn)橄鹉z、塑料材料、或?yàn)榉菍?dǎo)磁的金屬材料制成。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

一、本實(shí)用新型采用新興的磁流變技術(shù)，磁流變液在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，使表征磁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，因此磁流變液在模擬物體紋理時(shí)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(jī)體組織紋理中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

二、本實(shí)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(shí)保真度高。

三、本實(shí)用新型可模擬真實(shí)物體的紋理信息，更具有真實(shí)性。

四、本實(shí)用新型通過給彈性線圈輪流通、斷電，可以模擬物體的動(dòng)態(tài)紋理信息。

五、本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，機(jī)械加工精度要求也不高。

六、本實(shí)用新型控制簡(jiǎn)單，電流信號(hào)與磁流變液剛度信號(hào)存在明確的函數(shù)關(guān)系，因此只需給彈性線圈提供電流信號(hào)便可準(zhǔn)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(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型原理示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型包括一個(gè)盒狀底座1，四根金屬?gòu)椥圆牧现瞥傻臋M向彈性線圈4，四根金屬?gòu)椥圆牧现瞥傻目v向彈性線圈5，四根橫向正電極2和四根橫向負(fù)電極3，四根縱向正電極7和四根縱向負(fù)電極8，一個(gè)由硅膠、或?yàn)橄鹉z、塑料材料、或?yàn)榉菍?dǎo)磁的金屬材料制成的柔性蓋板6，十六個(gè)絕緣固定管9，適量磁流變液10。在盒狀底座1上設(shè)置四根橫向彈性線圈4和四根縱向彈性線圈5，彈性線圈兩端均通過絕緣固定管9固定于盒狀底座1的側(cè)壁上，四根橫向彈性線圈4的兩端分別設(shè)置四根橫向正電極2和四根橫向負(fù)電極3，四根縱向彈性線圈5的兩端分別設(shè)置四根縱向正電極7和四根縱向負(fù)電極8，在盒狀底座1內(nèi)充滿磁流變液10，磁流變液10上用柔性蓋板6覆蓋，柔性蓋板6固定于盒狀底座1上。

本實(shí)用新型用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(dāng)在某根電極的正負(fù)電極之間施加電流時(shí)，其對(duì)應(yīng)的彈性線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用下，磁流變液10在沿磁力線方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，該根電極上方的磁流變液10硬度變大，電流越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，鏈狀結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，硬度越大，當(dāng)操作者觸摸柔性蓋板6時(shí)就能夠感覺到紋理的存在。當(dāng)在不同的橫向彈性線圈4或縱向彈性線圈5施加電流時(shí)，柔性蓋板6上會(huì)反映出不同的紋理信息和形狀信息，當(dāng)不同的橫向彈性線圈4或縱向彈性線圈6輪流通、斷電流時(shí)，柔性蓋板6上可以反映出動(dòng)態(tài)的紋理信息。

根據(jù)實(shí)際物體紋理大小和形狀的不同，可以通過增加橫向彈性線圈4和縱向彈性線圈5、改變橫向彈性線圈4和縱向彈性線圈5之間的設(shè)置密度，從而有效的模擬物體的紋理。根據(jù)實(shí)際物體的柔順性不同，可以通過改變通入彈性線圈的電流，從而提高操作者紋理觸感的真實(shí)性，根據(jù)不同紋理設(shè)置不同材料，如醫(yī)學(xué)中可以用硅膠材料模擬人體皮膚或其他組織的紋理，工業(yè)上可以用非導(dǎo)磁的金屬材料模擬金屬器件的紋理。

本實(shí)用新型方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述實(shí)施方式所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。