[發(fā)明專(zhuān)利]一種快速實(shí)現(xiàn)大范圍溫度觸覺(jué)感知的方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710204914.3
• 申請(qǐng)日: 2017-03-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106908161A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳從顏;丁士晨;洪佳明;張赟
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01K1/16
• 分類(lèi)號(hào): G01K1/16;G01K7/02
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱觸覺(jué)顯示領(lǐng)域，特別是涉及一種快速實(shí)現(xiàn)大范圍溫度觸覺(jué)感知的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

目前，固體表面產(chǎn)生快速溫度變化的方式主要有兩種。一種是國(guó)內(nèi)以東南大學(xué)為代表的通過(guò)水射流的方式讓一個(gè)金屬塊產(chǎn)生快速的溫度變化，該裝置整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)小型化，并且裝置主要用于紋理觸覺(jué)的表現(xiàn)。另一種方式是其他研制溫度復(fù)現(xiàn)裝置更為普遍使用的方式，即使用半導(dǎo)體制冷器(帕爾貼)作為表面溫度發(fā)生的元器件。半導(dǎo)體制冷器具有可快速切換制熱制冷兩種狀態(tài)、快速的升降溫速率、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上有最小尺寸為3.4mm×3.4mm×2.4mm的微型半導(dǎo)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(dǎo)體制冷器(帕爾貼)，并且與其他復(fù)現(xiàn)裝置集成在一起，才能為實(shí)驗(yàn)者提供更為豐富完整的觸覺(jué)信息。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于溫度觸覺(jué)的研究重點(diǎn)主要集中在熱模型及接觸熱阻計(jì)算公式的完善、熱流量控制算法的優(yōu)化、溫度觸覺(jué)與其他觸覺(jué)信息相結(jié)合以獲得更多信息和將溫度觸覺(jué)由觸覺(jué)顯示器拓展到更多領(lǐng)域這四個(gè)方面。其中溫度以及和接觸熱阻相關(guān)的參數(shù)，如壓力、接觸面積等的測(cè)量是關(guān)鍵，它們的精度直接影響著復(fù)現(xiàn)的精度。目前溫度測(cè)量主要有兩種方式，一是紅外溫度傳感器，但它不能直接測(cè)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(cè)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(jié)果就是溫度復(fù)現(xiàn)曲線與理論曲線相差較大，復(fù)現(xiàn)的精度偏低難以達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的要求。所以需要在接觸熱阻模型、控制算法、溫度測(cè)量方法做進(jìn)一步改善。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷的快速實(shí)現(xiàn)大范圍溫度觸覺(jué)感知的方法及系統(tǒng)。

技術(shù)方案：為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的快速實(shí)現(xiàn)大范圍溫度觸覺(jué)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(jìn)行差動(dòng)放大并轉(zhuǎn)化為電壓量，接著將電壓量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再通過(guò)二階熱電路模型算法和GPI溫度控制算法計(jì)算得到兩個(gè)帕爾帖所需的輸入控制電流，再將兩個(gè)輸入控制電流通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行電流換向，然后將兩個(gè)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(jìn)一步，通過(guò)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(shè)于吸熱源上，二階系統(tǒng)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(fù)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(shù)，I₁為流經(jīng)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(dǎo)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(fù)合熱容量，R_p為帕爾貼與支撐平臺(tái)之間的熱阻，I₂為流經(jīng)下層帕爾貼的電流；

式(8)中，T_h為吸熱源的溫度。

進(jìn)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(wěn)定的常量，h為一個(gè)擬合常數(shù)，x_ref為參考輸入，d為熱干擾，x如式(10)所示，如式(11)所示；