多熱源溫度觸覺復(fù)現(xiàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王豐華 李建清 吳劍鋒 楊宇榮

(1東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

(2南京水利水文自動(dòng)化研究所，南京210012)

多熱源溫度觸覺復(fù)現(xiàn)裝置主要用來復(fù)現(xiàn)人手觸摸各種不同溫度、不同材質(zhì)的物體時(shí)所產(chǎn)生的不同溫度觸覺，這種觸覺是真實(shí)的、基于物理意義的.人手的溫度觸覺受多種綜合性因素的影響，但發(fā)生在人手指與物體之間的熱量交換的快慢是影響人手指溫度觸覺的最主要客觀因素.如果給定發(fā)生接觸的2種材質(zhì)，并且兩者接觸面積固定，那么熱量交換的快慢主要與兩者之間的溫差有關(guān)，溫差越大，熱量交換就越迅速.所以，可以通過控制給定材質(zhì)的物體，例如珀?duì)栙N的溫度變化過程，來使人手在觸摸該給定材質(zhì)時(shí)能產(chǎn)生各種不同的熱覺或冷覺［1-3］.

為達(dá)到靈活復(fù)現(xiàn)任意溫度曲線的目的，本文將利用熱半導(dǎo)體致冷器(珀?duì)栙N)的熱電特性來實(shí)現(xiàn).正向?qū)щ姇r(shí)，珀?duì)栙N溫度升高，反向?qū)щ姇r(shí)，珀?duì)栙N溫度降低，溫度升高或降低的速度與通過玻爾貼的電流大小有關(guān).電流大，這種升降溫速度也越大.因此，對(duì)珀?duì)栙N溫度的靈活控制是該裝置的核心技術(shù)［4］.本裝置為了復(fù)現(xiàn)多個(gè)熱源，在系統(tǒng)中安裝了多個(gè)珀?duì)栙N，同時(shí)考慮將來可能裝備到機(jī)械手上，設(shè)計(jì)了輕小簡便的四路壓控恒流源，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)于珀?duì)栙N溫度的實(shí)時(shí)精確控制.同時(shí)，還裝配有力傳感器，能實(shí)時(shí)檢測到手與裝置的接觸以及力的大?。?-7］.

1 裝置的組成及設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由采集控制電路、溫度觸覺復(fù)現(xiàn)人機(jī)交互界面以及散熱系統(tǒng)構(gòu)成.

裝置中的人機(jī)交互界面是由4個(gè)邊長為15 mm×15 mm的珀?duì)栙N組成，可以同時(shí)真實(shí)復(fù)現(xiàn)4個(gè)不同熱源的溫度觸覺感受，可用來模擬人手在接觸不同材質(zhì)、不同溫度物體時(shí)所產(chǎn)生的不同感覺.電路主要由壓力傳感采集模塊、珀?duì)栙N控制模塊以及溫度反饋采集電路組成.裝置頂部結(jié)構(gòu)的透視圖如圖1所示.

圖1 頂部結(jié)構(gòu)透視示意圖

復(fù)現(xiàn)裝置的珀?duì)栙N表面最大升溫速率能夠達(dá)到10℃/s，最大降溫速度超過－5℃/s，反饋電路采集一次表面溫度的時(shí)間為0.1 s，因此能夠復(fù)現(xiàn)常溫范圍內(nèi)、速度不超過最大升降溫速的任意溫度波形曲線.裝置可以復(fù)現(xiàn)室溫下鋁、泡沫、陶瓷、橡膠、有機(jī)玻璃等物體的溫度觸覺.在獲取更多溫度觸覺傳感的信息后，可擴(kuò)大至常溫范圍內(nèi)和常見各種物體的溫觸覺.此外，裝置還可以輸出手指按壓力的大小，與上位機(jī)軟件配合后可以進(jìn)行簡單的力觸覺交互實(shí)驗(yàn).

2 溫度觸覺復(fù)現(xiàn)的原理及特性

首先利用薄膜熱電阻來獲得恒溫環(huán)境下(22℃)、人手接觸不同材質(zhì)的物體后所產(chǎn)生的溫度變化過程［8］，得到的接觸面物體一側(cè)的溫度變化曲線如圖2所示.手指對(duì)物體表面有個(gè)加熱過程，這個(gè)過程中與物體進(jìn)行了熱量交換，因此就產(chǎn)生了不同的溫度觸覺.相對(duì)來說，鋁感覺比較“涼”的原因是因?yàn)槠渖彷^快，而溫度上升不快，保持在較低的溫度;而泡沫由于導(dǎo)熱性差，溫度最終接近于手溫，因此人手最終感覺不到溫度的變化［9-10］.

圖2 用薄膜熱電阻得到的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

由于在多熱源復(fù)現(xiàn)裝置中，采用珀?duì)栙N的材質(zhì)是陶瓷，即外殼是陶瓷，用陶瓷把熱電偶封裝在內(nèi)，因此可以認(rèn)為復(fù)現(xiàn)裝置與人手指的接觸面是陶瓷的.假設(shè)要復(fù)現(xiàn)鋁的熱觸覺，就要在觸摸同等溫度、同等大小的陶瓷物體的感覺上給其一個(gè)動(dòng)態(tài)的溫度修正，這樣，人的感覺可能就和鋁接近了.基于此思想，根據(jù)圖2曲線，可以得到同一時(shí)刻2條曲線的溫度差.陶瓷對(duì)鋁、泡沫的溫度補(bǔ)償曲線如圖3所示.

所以要復(fù)現(xiàn)真實(shí)的溫度感覺，首先要使人手觸摸的珀?duì)栙N溫度按照相應(yīng)的曲線進(jìn)行變化.利用每隔0.1 s從紅外溫度傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)，采用PID控制算法對(duì)整個(gè)溫度曲線變化過程進(jìn)行了閉環(huán)控制，達(dá)到了較好的模擬效果.然后進(jìn)行恒溫實(shí)驗(yàn)、最大變化速率實(shí)驗(yàn)、自然降溫實(shí)驗(yàn)和各種材質(zhì)復(fù)現(xiàn)曲線實(shí)驗(yàn)等，并對(duì)復(fù)現(xiàn)曲線與原始真實(shí)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合度很好.

圖3 鋁和泡沫的溫度補(bǔ)償曲線(原始數(shù)據(jù))

對(duì)鋁的控制曲線如圖4所示，圖中對(duì)比了各個(gè)不同PID控制參數(shù)所對(duì)應(yīng)的曲線變化過程，可以看出，(0.9，0.12)參數(shù)下擬合度更好.

圖4 不同PID參數(shù)鋁補(bǔ)償曲線的復(fù)現(xiàn)

該多熱源復(fù)現(xiàn)裝置珀?duì)栙N面積較小(15 mm×15 mm)，幾乎與一個(gè)成人的手指大小相當(dāng)，因此在人手指觸摸時(shí)，紅外溫度傳感器將被手指擋住，無法反饋回必要的控制信息;復(fù)現(xiàn)裝置最終將用于機(jī)器人靈巧手上，由于靈巧手體積小，且也不可能為每一個(gè)珀?duì)栙N提供一個(gè)反饋控制，因此在實(shí)際系統(tǒng)中，必須采用離線的而非具有實(shí)時(shí)反饋的溫度控制.所以，本文測試了在外界條件幾乎不變的情況下的離線控制.首先記錄具有反饋時(shí)生成的PID控制過程數(shù)據(jù)，稱之為“試驗(yàn)?zāi)M”過程，學(xué)習(xí)完畢后，直接利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行下一次的溫度控制過程，這樣在起始條件不變的情況下，整個(gè)控制曲線吻合程度比較理想.圖5是以鋁為例進(jìn)行復(fù)現(xiàn)控制的溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)驗(yàn)首先控制溫度達(dá)到22℃，然后從復(fù)現(xiàn)起始點(diǎn)開始進(jìn)行溫度補(bǔ)償曲線的復(fù)現(xiàn).

圖5 帶反饋與不帶反饋的鋁溫度補(bǔ)償曲線實(shí)驗(yàn)

3 多熱源溫度觸覺復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)

在以上基礎(chǔ)上，利用多熱源溫度觸覺復(fù)現(xiàn)裝置進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)人手的溫度感知特性以及裝置的可用性進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn).

為了測試復(fù)現(xiàn)裝置對(duì)不同材質(zhì)的區(qū)分能力，讓10位受試者首先對(duì)多熱源復(fù)現(xiàn)裝置的4個(gè)熱源(鋁、泡沫、橡膠、有機(jī)玻璃)進(jìn)行識(shí)別，然后打亂4個(gè)熱源的排列順序，由受試者根據(jù)觸摸的感覺來分辨4種物體［11］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 裝置復(fù)現(xiàn)4種不同熱源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

全部正確分辨出4種物體的人數(shù)達(dá)7人.感覺錯(cuò)誤主要發(fā)生在觸摸橡膠和有機(jī)玻璃上，鋁和泡沫的分辨正確率達(dá)到了100%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上證明了多熱源裝置的有效性.

此外，該裝置具有復(fù)現(xiàn)任意溫度曲線的靈活性，因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面有很大的可利用空間.在該裝置上還進(jìn)行了關(guān)于人的溫度觸覺特性的實(shí)驗(yàn)研究，例如空間分辨率和時(shí)間記憶特性、溫度觸覺的感知閾值研究等，從另一方面也證明了該裝置在溫度觸覺復(fù)現(xiàn)方面的可用性.

4 結(jié)語

通過對(duì)人體與物體之間接觸過程的傳熱模型、人體生理感覺特性等方面的研究，設(shè)計(jì)了虛擬現(xiàn)實(shí)中基于物理意義的溫度觸覺復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)，并提出了采用溫度補(bǔ)償曲線法來真實(shí)還原復(fù)現(xiàn)人手觸碰物體時(shí)發(fā)生的熱量交換所產(chǎn)生的溫度觸覺，系統(tǒng)中的控溫裝置和控溫算法可以實(shí)現(xiàn)精確、快速的各種溫度曲線的跟蹤.4個(gè)可獨(dú)立工作的溫度觸覺復(fù)現(xiàn)熱源既可同時(shí)復(fù)現(xiàn)人手抓取某一物體時(shí)的真實(shí)溫度感覺，增加沉浸感，又可同時(shí)復(fù)現(xiàn)分別觸摸4個(gè)不同物體時(shí)的溫度觸覺，非常靈活.本裝置上的力觸覺傳感器也為虛擬場景中的力觸覺交互提供了真實(shí)可靠的外界力傳感信息.本裝置體積小巧，溫度觸覺復(fù)現(xiàn)靈活高效，為下一步在機(jī)器人靈巧手上集成真實(shí)的溫度觸覺感覺裝置提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)依據(jù).

本裝置取得了較好的溫度觸覺復(fù)現(xiàn)效果，基本上達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，但在復(fù)雜多變環(huán)境下，還未進(jìn)行溫度觸覺再現(xiàn)的研究和心理對(duì)溫度觸覺感知的影響.

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