[发明专利]一种阵列式温度触觉传感装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术中的触觉感知，尤其是阵列式的温度觉感知装置，该装置可实现温度觉的机器人感知，属于机器人测控领域。

背景技术

随着电子信息技术的飞速发展，虚拟现实技术作为当前信息技术领域研究的前沿和热点，成为二十一世纪最令人鼓舞的信息应用技术之一。“多感知、交互性和临场感”是理想的虚拟现实系统所追求的目标。技术的重要性已经被广泛认识并得到深入研究，不断优化和完善的力触觉算法及柔性、纹理触觉复现装置已能够较好地模拟虚拟场景物体柔性、纹理力触觉特性，而形状触觉、温度触觉等触觉可以感知物体的形状特性、热量属性等，在该领域的人机交互技术研究尚少。

触觉是人类感知外部世界的重要手段。温度觉作为触觉的一种在人的整个感知系统中发挥着重要作用，人手触摸不同热属性的物体时有着不同的温度感觉，据此人可以判断出物体的热属性。到目前为止，国内外对触觉的研究都集中于力触觉，力触觉再现装置的研究已比较透彻。而温度觉作为力触觉的主要辅助手段，在触觉建立过程中发挥了重要的作用，在虚拟现实技术中加入温度觉可以增强人的临场感和沉浸感。

温度触觉感知技术是一项新兴的研究方向，所涉及的学科众多，跨越的学科有机械、材料、电子学等多个方面。温度触觉感知技术的深入研究，将会进一步加强其在医学、军事、机器人仿真、工业制造、教育及其娱乐各领域的广泛应用。

由于温度觉感知装置中涉及热量的传递和温度的感知，为得到物体的热属性，装置对温度测量精度和分辨率提出了较高的要求，而为了进一步得到物体不同位置材质所表现出的热属性，则对温度觉感知装置提出了较高的空间分辨能力要求，阵列式温度触觉传感装置能够同时提供一定空间范围内的温度信息，为实现材料热传导特性和多材质物体热属性识别提供了手段。

为实现对一定区域内的参数进行测量，通常采用集总参数传感器阵列式分布测量和分布参数平面式传感器直接测量实现，其中分布式通常采用电阻抗成像(EIT)来实现测量，其具有空间解析连续的优点，但其单点测量易受相邻位置参数的影响，因而很难实现高精度测量。集总参数传感器阵列式分布测量对各个单独位置上的参数进行测量，空间解析不连续，但传感器所处位置的测量结果受附件参数交叉干扰小，可实现精确测量，而没有分布传感器的位置可采用拟合的方法推导得到。目前国内外在阵列式传感器方面主要用于触点位置定位以及该点压力大小的研究，其传感方式常用光电式、触点式、电容式、电感式、压阻式和微机械式等。

就阵列式温度觉传感器而言，1995年Franco Castelli设计了一种8×8阵列尺寸为18mm×18mm触觉传感器，其中包括的温度觉感知元件采用铜热敏电阻，可应用于被接触物体的材质热属性识别。1996年Li Ping采用非扫描方式设计了一种具有快速响应的非扫描方式的触觉传感器阵列，将力、压力、温度和生化传感功能集成在一起，采用压电谐振器作为感知元件。2005年Hidekuni Takao设计了硅基多功能智能触觉图像阵列传感器，其具有应力和温度感知功能，在3.04mm×3.04mm范围内实现了6×6个传感器的集成，在力、压力测量以及力和温度触点定位取得较好结果。2009年Chia Hsien Lin设计了一种具有热、力和微振动传感功能的仿生触觉传感器阵列，同时采集温度信号的交直流部分，主要通过交流部分材质进行识别，对铜、铝、钢和塑料取得了较好的识别效果。

采用（FTI 温度*传感*阵列）+（FTI 温度触觉传感）检索，国内基于温度的触觉感知方面专利有CN200910034949和CN201010134052，CN200910034949基于单个点的温度感知，其尺寸较大而不是阵列式。CN201010134052采用阵列波导光栅进行温度传感，与本装置采用的方法不同。目前国内还没有基于温度敏感电阻器件的阵列式温度触觉传感装置。

发明内容

针对温度触觉感知的需要，本发明提出了一种阵列式温度触觉传感装置。该装置可快速对一定空间范围内的温度分布及其变化进行动态测量，具有温度测量精度高、速度快、空间分辨率好、抗干扰性能优良的特点。

本发明采用如下技术方案：