[发明专利]一种快速实现大范围温度触觉感知的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及热触觉显示领域，特别是涉及一种快速实现大范围温度触觉感知的方法及系统。

背景技术

目前，固体表面产生快速温度变化的方式主要有两种。一种是国内以东南大学为代表的通过水射流的方式让一个金属块产生快速的温度变化，该装置整体结构比较复杂，难以实现小型化，并且装置主要用于纹理触觉的表现。另一种方式是其他研制温度复现装置更为普遍使用的方式，即使用半导体制冷器(帕尔贴)作为表面温度发生的元器件。半导体制冷器具有可快速切换制热制冷两种状态、快速的升降温速率、尺寸小等优点。目前市场上有最小尺寸为3.4mm×3.4mm×2.4mm的微型半导体制冷器，而成年人指尖尺寸大小普遍约为15mm×20mm，因此只有选用合适尺寸的半导体制冷器(帕尔贴)，并且与其他复现装置集成在一起，才能为实验者提供更为丰富完整的触觉信息。

目前国内外对于温度触觉的研究重点主要集中在热模型及接触热阻计算公式的完善、热流量控制算法的优化、温度触觉与其他触觉信息相结合以获得更多信息和将温度触觉由触觉显示器拓展到更多领域这四个方面。其中温度以及和接触热阻相关的参数，如压力、接触面积等的测量是关键，它们的精度直接影响着复现的精度。目前温度测量主要有两种方式，一是红外温度传感器，但它不能直接测得手指接触部分的温度；而是贴在帕尔贴上的热电偶传感器，它能直接测得手指接触部分的温度，但增大了接触热阻，影响了手指与帕尔贴直接热流量的传递。其结果就是温度复现曲线与理论曲线相差较大，复现的精度偏低难以达到虚拟现实技术的要求。所以需要在接触热阻模型、控制算法、温度测量方法做进一步改善。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的快速实现大范围温度触觉感知的方法及系统。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的快速实现大范围温度触觉感知的方法，将双层帕尔贴作为双热源，采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，然后将温度进行差动放大并转化为电压量，接着将电压量转化为数字量，再通过二阶热电路模型算法和GPI温度控制算法计算得到两个帕尔帖所需的输入控制电流，再将两个输入控制电流通过直流电机驱动模块进行电流换向，然后将两个输入控制电流分别输入上层帕尔贴冷端和下层帕尔贴冷端。

进一步，通过温度传感器采集上层帕尔贴冷端的温度和下层帕尔贴冷端的温度，双层帕尔贴设于吸热源上，二阶系统热电路模型如式(1)和(5)所示：

式(1)中，T_c1为上层帕尔贴冷端的温度，T_c2为下层帕尔贴冷端的温度，a₁如式(2)所示，b₁如式(3)所示，c₁如式(4)所示；

式(2)中，C₁为上层帕尔贴和温度传感器的复合热容量，R₀为手指和上层帕尔贴之间的接触热阻，α为塞贝克系数，I₁为流经上层帕尔贴的电流，R₁₂为上层帕尔贴与下层帕尔贴之间的热阻；

式(4)中，T₀为手指的温度，R_el为输入控制电流导线的焦耳热阻；

式(5)中，a₂如式(6)所示，b₂如式(7)所示，c₂如式(8)所示；

式(6)中，C₂为上层帕尔贴和下层帕尔贴的复合热容量，R_p为帕尔贴与支撑平台之间的热阻，I₂为流经下层帕尔贴的电流；

式(8)中，T_h为吸热源的温度。

进一步，所述GPI控制算法如式(9)所示：

式(9)中，u为上层帕尔贴所需的输入控制电流和下层帕尔贴所需的输入控制电流I₁和I₂，a为a₁和a₂，b为b₁和b₂，c为c₁和c₂，K是用于使得(a-K)是Hurwitz稳定的常量，h为一个拟合常数，x_ref为参考输入，d为热干扰，x如式(10)所示，如式(11)所示；