[发明专利]一种利用顶杆自动错落排布原理实现三维触觉纹理构图的装置和方法

说明书

技术领域：

本发明涉及虚拟现实与人机交互领域，具体涉及一种利用顶杆自动错落排布原理实现三维触觉纹理构图的装置和方法。

背景技术：

触觉作为一种基本的人类感觉，不同于视觉和听觉，触觉与嗅觉类似，在处理信息的过程中，更多受主观感情因素的影响，存在一定的个体差异。也因此，触觉在人类认知世界中起到了非常特别的作用。相比较视觉和听觉而言，触觉再现是发展的比较滞后。直到近十几年，触觉再现才开始成为虚拟现实、人机交互领域的研究热点。在现有的视觉再现基础上，加入触觉信息能够为人提供更加真实和直观的交互体验。目前触觉再现在盲人教育、远程医疗等领域有着重要应用作用，随着技术的逐步成熟，触觉再现将更多的进入大众生活中。

人体皮肤通过四种细胞体Meissner小体、Pacinian小体、Ruffini’s触觉细胞、Mekel’s触觉盘和神经网络来感知外界事物。这四种感受器不均匀的分布在人体皮肤内，感知外界的温度、湿度、振动，感觉皮肤的形变、伸展、活动等信息。四种感受器各自的感知范围不同，受到电触觉的影响也有不同。

通过查阅大量的现有文献发现，国内外还很少有涉及的相关大面积触觉再现技术。日本东京工业大学的kajimoto实验室一直在研究基于线绳驱动的大范围触觉再现系统，手指必须实时的套在线绳内，交互方式相对不足。本装置的目的在于实现大小面积可调的触觉信息再现，与常规的触觉再现方式相比，本装置触觉面积大小可控，交互方式更自然，沉浸感更强。

发明内容：

本发明针对大面积触觉纹理信息再现的要求，提出一种通过顶杆升降，结合高弹性幕布在平台上产生真实的三维触觉纹理再现，再通过投影设备实现触觉信息与视觉信息结合的装置和方法。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案主要包括以PC机为主体的触觉处理单元；以高清投影设备为主体的影像单元；以下位机为主体的程控升降单元；和以顶杆式三维力触觉纹理生成装置为主体的触觉再现单元。它们的连接关系为：触觉处理单元同时与影像单元和程控升降单元链接，程控升降单元又与顶杆式三维力触觉纹理生成装置链接，影像单元的聚焦点在覆盖在顶杆式三维力触觉纹理生成装置的幕布上。

使用前，在PC机的程序中预设好整个系统运行的逻辑关系，包括，各种图像目标，顶杆式三维力触觉纹理生成装置的步进步骤和步进尺度等，当系统上电开启后，使用者可在PC机上在事先设置的菜单中选择要显示触觉信息的图像，PC机对图像触觉信息进行提取。之后将图像的视觉信息传输给高清投影设备，将图像的触觉信息传输给下位机。下位机控制顶杆式三维力触觉纹理生成装置中的顶杆矩阵高度的升降，使顶杆上的幕布实现图像触觉信息再现，形成三维纹理图。高清投影设备投影视觉信息在幕布上，完成触觉信息与视觉信息结合，实现图像的触觉纹理再现。

而，顶杆式三维力触觉纹理生成装置是本发明的重点之一，它为触觉再现的实现单元。

顶杆式三维力触觉纹理生成装置包括：步进电机，支撑架，在支撑面的中心开有通孔，第一面板，第二面板，第三面板，第四面板，第五面板，静板,静板电磁铁矩阵,动板，动板电磁铁矩阵,顶杆，线性导轨，梯形丝杠，联轴器，丝杠撑板，支撑外壳，压力传感器，传动轴，和幕布。

静板，由第一面板和第二面板上下叠加固连，且两个面板之间留有一定间隙，该间隙大于电磁铁的高度；静板电磁铁矩阵，包括三个或三个以上的电磁铁组成，并固定放置在第二面板上，且与第一面板留有一定间隙；

动板，由第三面板，第四面板上下叠加固连，且两个面板之间留有一定间隙，该间隙大于电磁铁的高度，动板电磁铁矩阵，主要包括三个或三个以上的电磁铁，并放置在第四面板上，且与第三面板留有一定间隙；而第五面板上开有若干传动轴通孔；

进一步，第一面板，第二面板，第三面板，第四面板，第五面板都开有对应的线性导轨通孔，

进一步，第一面板，第二面板，第三面板，第四面板上又都开有若干通孔，这些通孔在所述的各个面板上位置呈对应关系布置，

进一步，这些通孔的位置开设在电磁铁线程的末端；

顶杆，本结构中，包括至少三个或三个以上的顶杆，具体数量和静板、动板上安装的电磁铁的数量保持一致，

线性导轨，为圆柱结构；

支撑外壳，为上端开口的桶装结构，在下端中心部开有通孔；

压力传感器；具有防抱死功能，当动板向上运动过程中出现卡死情况时，压力传感器会将记录压力数据，并传送给下位机。下位机接收到数据后会置停步进电机运动，防止系统损坏。

幕布，弹性的高反射率幕布，能够实现投影设备的高清投影。