[發明專利]一種快速實現大范圍溫度觸覺感知的方法及系統

在審

• 申請號: 201710204914.3
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN106908161A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 陳從顏;丁士晨;洪佳明;張赟
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01K1/16
• 分類號: G01K1/16;G01K7/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及熱觸覺顯示領域，特別是涉及一種快速實現大范圍溫度觸覺感知的方法及系統。

背景技術

目前，固體表面產生快速溫度變化的方式主要有兩種。一種是國內以東南大學為代表的通過水射流的方式讓一個金屬塊產生快速的溫度變化，該裝置整體結構比較復雜，難以實現小型化，并且裝置主要用于紋理觸覺的表現。另一種方式是其他研制溫度復現裝置更為普遍使用的方式，即使用半導體制冷器(帕爾貼)作為表面溫度發生的元器件。半導體制冷器具有可快速切換制熱制冷兩種狀態、快速的升降溫速率、尺寸小等優點。目前市場上有最小尺寸為3.4mm×3.4mm×2.4mm的微型半導體制冷器，而成年人指尖尺寸大小普遍約為15mm×20mm，因此只有選用合適尺寸的半導體制冷器(帕爾貼)，并且與其他復現裝置集成在一起，才能為實驗者提供更為豐富完整的觸覺信息。

目前國內外對于溫度觸覺的研究重點主要集中在熱模型及接觸熱阻計算公式的完善、熱流量控制算法的優化、溫度觸覺與其他觸覺信息相結合以獲得更多信息和將溫度觸覺由觸覺顯示器拓展到更多領域這四個方面。其中溫度以及和接觸熱阻相關的參數，如壓力、接觸面積等的測量是關鍵，它們的精度直接影響著復現的精度。目前溫度測量主要有兩種方式，一是紅外溫度傳感器，但它不能直接測得手指接觸部分的溫度；而是貼在帕爾貼上的熱電偶傳感器，它能直接測得手指接觸部分的溫度，但增大了接觸熱阻，影響了手指與帕爾貼直接熱流量的傳遞。其結果就是溫度復現曲線與理論曲線相差較大，復現的精度偏低難以達到虛擬現實技術的要求。所以需要在接觸熱阻模型、控制算法、溫度測量方法做進一步改善。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種能夠解決現有技術中存在的缺陷的快速實現大范圍溫度觸覺感知的方法及系統。

技術方案：為達到此目的，本發明采用以下技術方案：

本發明所述的快速實現大范圍溫度觸覺感知的方法，將雙層帕爾貼作為雙熱源，采集上層帕爾貼冷端的溫度和下層帕爾貼冷端的溫度，然后將溫度進行差動放大并轉化為電壓量，接著將電壓量轉化為數字量，再通過二階熱電路模型算法和GPI溫度控制算法計算得到兩個帕爾帖所需的輸入控制電流，再將兩個輸入控制電流通過直流電機驅動模塊進行電流換向，然后將兩個輸入控制電流分別輸入上層帕爾貼冷端和下層帕爾貼冷端。

進一步，通過溫度傳感器采集上層帕爾貼冷端的溫度和下層帕爾貼冷端的溫度，雙層帕爾貼設于吸熱源上，二階系統熱電路模型如式(1)和(5)所示：

式(1)中，T_c1為上層帕爾貼冷端的溫度，T_c2為下層帕爾貼冷端的溫度，a₁如式(2)所示，b₁如式(3)所示，c₁如式(4)所示；

式(2)中，C₁為上層帕爾貼和溫度傳感器的復合熱容量，R₀為手指和上層帕爾貼之間的接觸熱阻，α為塞貝克系數，I₁為流經上層帕爾貼的電流，R₁₂為上層帕爾貼與下層帕爾貼之間的熱阻；

式(4)中，T₀為手指的溫度，R_el為輸入控制電流導線的焦耳熱阻；

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為上層帕爾貼和下層帕爾貼的復合熱容量，R_p為帕爾貼與支撐平臺之間的熱阻，I₂為流經下層帕爾貼的電流；

式(8)中，T_h為吸熱源的溫度。

進一步，所述GPI控制算法如式(9)所示：

式(9)中，u為上層帕爾貼所需的輸入控制電流和下層帕爾貼所需的輸入控制電流I₁和I₂，a為a₁和a₂，b為b₁和b₂，c為c₁和c₂，K是用于使得(a-K)是Hurwitz穩定的常量，h為一個擬合常數，x_ref為參考輸入，d為熱干擾，x如式(10)所示，如式(11)所示；