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制造方法及图纸

本发明专利技术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，涉及虚拟现实与人机交互领域。其包括以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；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；在PC机上选择触觉信息的图像，并对图像触觉信息进行提取后将图像的视觉信息传输给投影设备，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；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。

【技术实现步骤摘要】

: 本专利技术涉及虚拟现实与人机交互领域，具体涉及。
技术介绍
: 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、人机交互领域的研宄热点。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、Ruff ini’ 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实验室一直在研宄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。
技术实现思路
: 本专利技术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，本专利技术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。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专利技术的重点之一，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，和蒂布。 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。 该方法中的其他设备有: PC机，使用者的主要操作在PC机上完成，同时PC机实现对图像触觉信息的提取，并控制投影仪和下位机的操作；下位机，为顶杆式三维力触觉纹理生成装置的控制模块，实现对电磁矩阵和步进电机的驱动控制。 具体连接方式:支撑外壳穿过支撑架的通孔，固定在支撑面的下部，支撑外壳下端安装有步进电机，步进电机通过支撑外壳下端的通孔与放置支撑外壳内的联轴器连接，联轴器同时与丝杠撑板、压力传感器和梯形丝杠连接，丝杠撑板的另一端分别与若干传动轴固连，梯形丝杠的另一端与第五面板的下部固连，第五面板与支撑外壳固连，传动轴的另一端穿过第五面板上的传动轴通孔与第四面板的下部固连；线性导轨依次穿过第一面板，第二面板，第三面板，第四面板和第五面板后；将顶杆依次穿过第一面板，第二面板，第三面板，第四面板的通孔，一端处于第五面板和第四面板之间，另一端过第一面板上端，顶杆的数量根据实际需要设定，顶杆上部与带有弹性的高反射率幕布相连。 下位机分别与步进电机，静板电磁铁矩阵中的任何一个电磁铁，动板电磁铁矩阵中的任何一个电磁铁连接。本专利技术中所涉及的所有需上电设备都与外围设备电源连接。 方法流程为: 第一步:上电， 第二步:根据实际需要在pc机中设定顶杆运动步进程序， 第三步:启动动板上的动板电磁铁矩阵，根据pc机预设好的顶杆运动步骤，由下位机控制动板电磁铁矩阵中指定的电磁铁，按照要求将电磁铁的行程端伸出，顶住行程端末端通孔中对应顶杆的侧面， 第四步:下位机给步进电机发出启动命令， 第五步:步进电机带动丝杠转动，丝杠依次又带动丝杠撑板、传动轴上下轴向运动。 第六步:传动轴带动动板沿线性导轨上下轴向运动，同时，带动被下位机指定的动板电磁铁矩阵中的电磁铁顶住的顶杆在动板的牵引下，向上做轴向运动，分多个行程完成，每个行程在步进电机的带动向上运动一定距离。 第七步:当完成步骤五中的每个行程时，对所有顶杆的位置进行判断。某个顶杆的位置到达下位机要求的位置时，下位机命令与动板电磁铁矩阵中被指定电磁铁对应的静板中的电磁铁矩阵中的电磁铁将行程端伸出，并顶住其末端通孔中对应的顶杆侧面，然后，下位机命令动板电磁铁矩阵中已指定的电磁铁解除对对应顶杆的顶死状态。 第八步，重复步骤二至步骤七，直到按照pc机设定的程序，将所涉及的顶杆都运行到指定位置，并由静板中的电磁铁矩阵中电磁铁顶死。 进一步的，在每个行程结束时，压力传感器都会将压力值发回pc机，经过与pc机中的设定阈值进行比较后，如果压力值在正常范围内，则，继续执行下一步，如果压力值超过正常范围，则启动防抱死功能，停止步进电机的进一步工作。 第九步，在位置固定后的顶杆上，覆盖有弹性幕布，不同高度的顶杆将幕布顶出一个事先设定好的，在pc机上被选择执行本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：主要包括以PC机(101)为主体的触觉处理单元，以高清投影设备(104)为主体的影像单元，下位机(102)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(103)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；而，顶杆式三维力触觉纹理生成装置的结构为：结构主要组成：步进电机(1)；支撑架(8)，第一面板(3)，第二面板(4)，第三面板(5)，第四面板(6)，第五面板(7)，静板(12)，静板电磁铁矩阵(2)，动板(34)，动板电磁铁矩阵(18)，顶杆(24)，线性导轨(37)，梯形丝杠(39)，联轴器(22)，丝杠撑板(23)，支撑外壳(25)，压力传感器(17)，传动轴(16)，幕布(107)；其中，静板(12)，由第一面板(3)和第二面板(4)上下叠加并固连，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(2)，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(4)上；动板(34)，由第三面板(5)，第四面板(6)上下叠加并固连，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(18)，包括三个或三个以上的电磁铁，并固定放置在第四面板(6)上；具体连接方式：支撑外壳(25)穿过支撑架(8)固定在支撑面的下部，支撑外壳(25)下端安装有步进电机(1)，步进电机(1)通过支撑外壳(25)下端的通孔与放置支撑外壳(25)内的联轴器(22)连接，联轴器(22)同时与丝杠撑板(23)、压力传感器(17)和梯形丝杠(39)固连，丝杠撑板(23)的另一端与四根传动轴(16)固连，梯形丝杠(39)的另一端与第五面板(7)的 下部固连，第五面板(7)与支撑外壳(25)固连，传动轴(16)的另一端穿过第五面板(7)上的传动轴(16)通孔与第四面板(6)的下部固连；线性导轨(37)依次穿过第一面板(3)，第二面板(4)，第三面板(5)，第四面板(6)和第五面板(7)的线性导轨通孔后，在线性导轨(37)两端安装螺帽固定；将顶杆(24)依次穿过第一面板(3)，第二面板(4)，第三面板(5)，第四面板(6)的通孔，一端处于第五面板(7)和第四面板(6)之间，另一端与第一面板(3)的通孔上端平齐，顶杆(24)的数量根据实际需要设定，顶杆(24)上部与带有弹性的高反射率幕布(107)相连。...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于:主要包括以PC机(101)为主体的触觉处理单元，以高清投影设备(104)为主体的影像单元，下位机(102)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(103)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；而，顶杆式三维力触觉纹理生成装置的结构为: 结构主要组成:步进电机(1);支撑架(8)，第一面板(3)，第二面板(4)，第三面板(5)，第四面板(6)，第五面板(7)，静板(12)，静板电磁铁矩阵(2)，动板(34)，动板电磁铁矩阵(18)，顶杆(24)，线性导轨(37)，梯形丝杠(39)，联轴器(22)，丝杠撑板(23)，支撑外壳(25)，压力传感器(17)，传动轴(16)，幕布(107)； 其中，静板(12)，由第一面板(3)和第二面板(4)上下叠加并固连，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(2)，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(4)上； 动板(34)，由第三面板(5)，第四面板(6)上下叠加并固连，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(18)，包括三个或三个以上的电磁铁，并固定放置在第四面板(6)上； 具体连接方式:支撑外壳(25)穿过支撑架(8)固定在支撑面的下部，支撑外壳(25)下端安装有步进电机(1)，步进电机(1)通过支撑外壳(25)下端的通孔与放置支撑外壳(25)内的联轴器(22)连接，联轴器(22)同时与丝杠撑板(23)、压力传感器(17)和梯形丝杠(39)固连，丝杠撑板(23)的另一端与四根传动轴(16)固连，梯形丝杠(39)的另一端与第五面板(7)的下部固连，第五面板(7)与支撑外壳(25)固连，传动轴(16)的另一端穿过第五面板(7)上的传动轴(16)通孔与第四面板￠)的下部固连；线性导轨(37)依次穿过第一面板(3)，第二面板(4)，第三面板(5)，第四面板(6)和第五面板(7)的线性导轨通孔后，在线性导轨(37)两端安装螺帽固定；将顶杆(24)依次穿过第一面板(3)，第二面板(4)，第三面板(5)，第四面板(6)的通孔，一端处于第五面板(7)和第四面板(6)之间，另一端与第一面板(3)的通孔上端平齐，顶杆(24)的数量根据实际需要设定，顶杆(24)上部与带有弹性的高反射率幕布(107)相连。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述的第一面板(3)，第二面板(4)，第三面板(5)，第四面板(6)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，且这些通孔的位置开设在电磁铁线程的末端。3.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述的顶杆(24)为具有一定硬度的圆柱结构，硬度以能在各个面板的通孔中上下轴向移动，不会变形和折断为准，本结构中，包括至少三个或三个以上的顶杆(24)，具体数量和静板(12)、动板(34)上安装的电磁铁的数量保持一致。4.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所提及的电磁铁都为同一种类型；电磁铁的驱动端在动板的一侧。5.根据权利要求1所述的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 目.ο6.根据权利要求1所述的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，其特征在于:...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁冬冬，王佳斌，蔡毅，孙晓颖，
申请(专利权)人：北京理工大学，长春吉大博硕科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11