[实用新型]手指力觉反馈装置

说明书

本实用新型是一种能够安装在操作者手指上，与计算机控制系统配合，根据外部输入信号在操作者手指表面产生作用力的力反馈装置。作用力的大小取决于外部输入信号，而作用力的方向基本上垂直于手指表面。利用安装在力觉反馈单元上的力传感器，可以对操作者手指的受力进行反馈控制。

本实用新型的典型应用是将多个力觉反馈单元安装在数据手套上，与数据手套配合，构成带力觉反馈功能的数据手套----“力觉反馈数据手套”。这种“力觉反馈数据手套”可以用于需要“力觉临场感”的遥操作机器人系统，使操作者在利用数据手套对机器人多指手进行遥控操作时，能够直接感觉到机器人多指手的受力状况，即能够得到所谓的“力觉临场感”，从而达到更好地完成操作任务的目的。这种“力觉反馈数据手套”也可以用于虚拟现实系统中，使操作者在利用数据手套触摸计算机生成的虚拟世界时得到相应的触觉和力觉反馈，产生与虚拟世界进行交互的感觉，即得到所谓的“沉浸感”。虽然实现触觉反馈和力觉反馈的途径很多，但如何得到真实的力觉反馈，并使实现力觉反馈的装置本身不影响操作者手指运动的问题一直没有得到解决。已知的力觉信息反馈装置有以下几种：

a)振动-触觉式力觉反馈系统的基本工作原理是在传感手套中安装数量不同的线圈，通过给线圈加上某一频率的高频电流使线圈起振，从而产生力觉效应。采用了这种方式的力觉反馈装置有美国Audiological Engineering INC公司和EXOS公司的产品。CyberTouch和EXOS公司的Touch Master中就采用了振动音圈作为力觉反馈元件，但是振动音圈尺寸较大，难以制作出高密度阵列。TeleSensory公司研制的阵列式力觉反馈器件具有100个刺激点，其空间分辨率为1.9-3.8mm，振动频率为230Hz。电刺激力觉反馈是采用表面电极刺激、神经肌肉刺激或静电刺激方式产生力觉感受的生物刺激方法。美国Louisiana技术大学和Wisconsin大学正在研制硅基底静电力觉反馈装置，它是在硅片上制作电极阵列，并覆盖聚酰亚胺薄膜作为电绝缘层。当电极上施加200-600V的电压时，对触摸该硅片的手指表皮产生静电吸引力，从而在相应位置感觉接触。以上这些方式的缺点是力觉反馈信息并不是真正的力信号，所以难以产生真正的力觉临场感。

b)气动式力觉反馈系统的基本工作原理是在传感手套中所需的位置安装可以进行充放气的气囊，这些气囊的充放气根据机器人多指手上的力觉传感器的信号大小进行，使操作者产生力觉感受。这种方式的主要缺点是由于气囊的体积较大，只能产生较大范围的力觉感应；此外该方式也还存在反馈装置比较复杂，充放气装置成本较高的缺点。采用了这种力觉反馈方式的有美国的AdvancedRobotics Research Ltd.公司和Airmuscle Ltd.公司。

c)形状记忆合金加热/冷却式力觉反馈装置的基本工作原理是采取对形状记忆合金丝进行通电加热和断电冷却的方式对形状记忆合金的长度进行控制，并由此间接控制与手指接触的触头的位置，从而达到在操作者手上产生不同的力觉感受的目的。这种方式的主要缺点是由于记忆合金需要通过加热和冷却进行控制，因此响应速度慢，难以实用化。采用这种力觉反馈方式的有美国哈佛大学等。

d)英国Hull大学利用电流变体材料在电场作用下会由液体转变成固体的特性，研制的高密度的被动式力觉反馈装置。它是通过电极点阵施加电场而使电流变体在要求的部位变硬，这样可以在表面摸出虚拟物体的形状，达到被动触觉的效果。其原理性样机的空间分辨率达到2mm，位移变化为1mm，但是这种装置需要施加2000V或更高的工作电压，限制了其通用性。

除了上述方案之外，还有人提出了利用压电材料的逆压电效应在操作者的手上产生力觉感应的方案。但是，由于目前的压电材料在逆压电效应时所产生的位移只能在(m数量级，而为了在人手上产生较有真实感的力觉临场感效应，力觉反馈装置所产生的位移应该在2mm以上，所以这种方法在实用性方面也有较大问题。

目前的力觉信息反馈装置方案还存在一个共同的缺点，那就是没有对反馈至操作者手上的反馈力进行闭环控制，因此难以保证操作者受到的力与遥控客体或者虚拟客体受到的力相同。此外，多数力觉信息反馈装置的驱动装置难以在操作者手指上产生足够大压力，因而也难以产生真实的力觉临场感。