[發明專利]一種柔性材料3D打印指尖觸覺反饋執行器

有效

• 申請號: 202010575992.6
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111913571B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 李敏;卓越龑;陳佳洲;何博;徐光華;謝俊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發明公開了一種柔性材料3D打印指尖觸覺反饋執行器，可分為一維力觸覺反饋執行器、三維力觸覺反饋執行器，觸覺反饋執行器通過魔術貼或綁帶等方式綁定于人手指尖，當法向執行器空腔充入帶有壓力的氣體時，法向工作表面與貼合人手指尖并產生法向的形變以模擬法向觸覺力；切向執行器空腔開始工作時進行氣壓預加載，工作期間根據觸覺信息分別對不同的切向執行器空腔充入帶有對應壓力的氣體，切向工作表面產生切向的形變以模擬切向觸覺力。本發明具有體積小、輸出力大、線性度高、磁滯系數小、安全性高的特點，可以方便舒適地穿戴在人手指尖，提供良好的觸覺體驗。

技術領域

本發明涉及觸覺反饋技術領域，具體涉及一種柔性材料3D打印指尖觸覺反饋執行器。

背景技術

觸覺是人類何外界進行信息交流最主要的途徑之一，是日常生活體驗很重要的部分。物體的冷暖、粗細、軟硬、形狀等信息都可通過觸摸來進行感知，通過觸摸人類也可實現一些更復雜的情感的交流。在虛擬現實及人機交互的領域中，觸覺也正在成為一個重要的感官模擬對象。指尖觸覺反饋裝置作為觸覺反饋的重要部分，在虛擬現實、康復醫療、遙操作及人機交互領域中應用廣泛，現階段的指尖觸覺反饋裝置一般包括電機驅動式、氣動式、振動式、電刺激式、形狀記憶合金式、電活性材料驅動式等，其中電機驅動的觸覺反饋存在體積大、限制關節運動等問題；振動觸覺反饋則反饋形式單一、不能較好的調節輸出力的大小，難以模擬觸覺活動；電刺激信號相較其他信號更為激烈，但容易使用戶產生不適感；形狀記憶合金式存在效率低下、輸出力小、環境要求高等問題；電活性材料驅動觸覺反饋需要較高的驅動電壓、制作難度高、反饋力度小、安全性較差；采用氣壓驅動的方式可以改善上述問題且安全性、觸覺體驗較好。現有的氣動觸覺反饋執行器大都是采用乳膠或者硅橡膠材料注模成型，此類觸覺反饋執行器觸覺體驗較好且體積較小，但存在磁滯現象明顯、執行器性能無法統一、無法保證精度、使用壽命較低、存在漏氣問題，反饋力度有限等缺點。

發明內容

為了克服現有設備的缺點，本發明的目的在于提供了一種柔性材料3D 打印指尖觸覺反饋執行器。在觸覺執行器設計方面，本發明的驅動形式為氣動，具有體積小、輸出力大、線性度高、磁滯系數小、安全性高的特點，可以方便舒適地穿戴在人手指尖，提供良好的觸覺體驗。在觸覺執行器制作方面，本發明采用3D打印技術制作氣動觸覺執行器。3D打印技術可以自動、快速將計算機中的三維圖形轉化為實物模型，有效地縮短研發周期，簡化設計制作流程，提高生產效率，做到較高的精度和很高的復雜程度，可以有效避免執行器成品出現孔隙、氣泡等缺陷，執行器性能高度統一。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案是：

一種柔性材料3D打印指尖觸覺反饋執行器，可分為一維力觸覺反饋執行器、三維力觸覺反饋執行器，使用者可以根據實際需求進行選用。一維力觸覺反饋執行器、三維力觸覺反饋執行器均包括工作表面、空腔、包圍空腔的其它表面、進氣口、控制系統、高壓氣源，一維力觸覺反饋執行器及三維力觸覺反饋執行器均是通過魔術貼或綁帶方式綁定于人手指尖，包圍空腔的其它表面與綁定部分粘合，綁定部分只與人手指尖產生接觸且可調節，進氣口通過與控制系統連接，控制系統與高壓氣源連接。

所述的空腔包括法向執行器空腔、切向執行器空腔，法向執行器空腔為法向工作表面與包圍空腔的其它表面所包圍的空間，切向執行器空腔為切向工作表面與包圍空腔的其它表面所包圍的空間。

所述的控制系統包括電磁比例閥、數據采集控制模塊。數據采集控制模塊將采集到的觸覺信息進行處理并發送給電磁比例閥，電磁比例閥與數據采集控制模塊502通過電線連接并安裝在控制箱內組成控制系統。電磁比例閥與高壓氣源連接通過氣管連接，電磁比例閥根據數據采集控制模塊發送的信息控制高壓氣源的輸出氣壓。

所述的一維力觸覺反饋執行器包括法向工作表面、法向執行器空腔、包圍空腔的其它表面、進氣口、控制系統、高壓氣源，法向執行器空腔為法向工作表面與包圍空腔的其它表面所包圍的空間，法向工作表面貼合人手指尖，包圍空腔的其它表面與綁定部分粘合，進氣口位于包圍空腔的其它表面上，進氣口與控制系統通過氣管連接。