[发明专利]一种柔性材料3D打印指尖触觉反馈执行器

说明书

本发明公开了一种柔性材料3D打印指尖触觉反馈执行器，可分为一维力触觉反馈执行器、三维力触觉反馈执行器，触觉反馈执行器通过魔术贴或绑带等方式绑定于人手指尖，当法向执行器空腔充入带有压力的气体时，法向工作表面与贴合人手指尖并产生法向的形变以模拟法向触觉力；切向执行器空腔开始工作时进行气压预加载，工作期间根据触觉信息分别对不同的切向执行器空腔充入带有对应压力的气体，切向工作表面产生切向的形变以模拟切向触觉力。本发明具有体积小、输出力大、线性度高、磁滞系数小、安全性高的特点，可以方便舒适地穿戴在人手指尖，提供良好的触觉体验。

技术领域

本发明涉及触觉反馈技术领域，具体涉及一种柔性材料3D打印指尖触觉反馈执行器。

背景技术

触觉是人类何外界进行信息交流最主要的途径之一，是日常生活体验很重要的部分。物体的冷暖、粗细、软硬、形状等信息都可通过触摸来进行感知，通过触摸人类也可实现一些更复杂的情感的交流。在虚拟现实及人机交互的领域中，触觉也正在成为一个重要的感官模拟对象。指尖触觉反馈装置作为触觉反馈的重要部分，在虚拟现实、康复医疗、遥操作及人机交互领域中应用广泛，现阶段的指尖触觉反馈装置一般包括电机驱动式、气动式、振动式、电刺激式、形状记忆合金式、电活性材料驱动式等，其中电机驱动的触觉反馈存在体积大、限制关节运动等问题；振动触觉反馈则反馈形式单一、不能较好的调节输出力的大小，难以模拟触觉活动；电刺激信号相较其他信号更为激烈，但容易使用户产生不适感；形状记忆合金式存在效率低下、输出力小、环境要求高等问题；电活性材料驱动触觉反馈需要较高的驱动电压、制作难度高、反馈力度小、安全性较差；采用气压驱动的方式可以改善上述问题且安全性、触觉体验较好。现有的气动触觉反馈执行器大都是采用乳胶或者硅橡胶材料注模成型，此类触觉反馈执行器触觉体验较好且体积较小，但存在磁滞现象明显、执行器性能无法统一、无法保证精度、使用寿命较低、存在漏气问题，反馈力度有限等缺点。

发明内容

为了克服现有设备的缺点，本发明的目的在于提供了一种柔性材料3D 打印指尖触觉反馈执行器。在触觉执行器设计方面，本发明的驱动形式为气动，具有体积小、输出力大、线性度高、磁滞系数小、安全性高的特点，可以方便舒适地穿戴在人手指尖，提供良好的触觉体验。在触觉执行器制作方面，本发明采用3D打印技术制作气动触觉执行器。3D打印技术可以自动、快速将计算机中的三维图形转化为实物模型，有效地缩短研发周期，简化设计制作流程，提高生产效率，做到较高的精度和很高的复杂程度，可以有效避免执行器成品出现孔隙、气泡等缺陷，执行器性能高度统一。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种柔性材料3D打印指尖触觉反馈执行器，可分为一维力触觉反馈执行器、三维力触觉反馈执行器，使用者可以根据实际需求进行选用。一维力触觉反馈执行器、三维力触觉反馈执行器均包括工作表面、空腔、包围空腔的其它表面、进气口、控制系统、高压气源，一维力触觉反馈执行器及三维力触觉反馈执行器均是通过魔术贴或绑带方式绑定于人手指尖，包围空腔的其它表面与绑定部分粘合，绑定部分只与人手指尖产生接触且可调节，进气口通过与控制系统连接，控制系统与高压气源连接。

所述的空腔包括法向执行器空腔、切向执行器空腔，法向执行器空腔为法向工作表面与包围空腔的其它表面所包围的空间，切向执行器空腔为切向工作表面与包围空腔的其它表面所包围的空间。

所述的控制系统包括电磁比例阀、数据采集控制模块。数据采集控制模块将采集到的触觉信息进行处理并发送给电磁比例阀，电磁比例阀与数据采集控制模块502通过电线连接并安装在控制箱内组成控制系统。电磁比例阀与高压气源连接通过气管连接，电磁比例阀根据数据采集控制模块发送的信息控制高压气源的输出气压。

所述的一维力触觉反馈执行器包括法向工作表面、法向执行器空腔、包围空腔的其它表面、进气口、控制系统、高压气源，法向执行器空腔为法向工作表面与包围空腔的其它表面所包围的空间，法向工作表面贴合人手指尖，包围空腔的其它表面与绑定部分粘合，进气口位于包围空腔的其它表面上，进气口与控制系统通过气管连接。