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一种微气流喷射阵列虚拟操控平台

阅读：967发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种微气流喷射阵列虚拟操控平台专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，包括：投影显示设备，用于显示虚拟物体和操作环境；带热成像功能的深度视觉采集模块，安装有普通彩色摄像单元、结构光发射接收单元和热成像单元，用来提取物体的平面图像及物体远近距离数据，热成像单元用于提取平台喷射出的加温气体所形成的虚拟物体热成像轮廓数据；带有可旋转微喷嘴阵列的微气流喷射平台；带有多路流量控制阀的空气压缩泵，与微气流喷射平台连接的可旋转微喷嘴阵列多支路连接，提供所需的高压气体；以及用于控制以上设备的计算机系统。本实用新型能够用于模拟被操控虚拟物体的三维形状、软硬程度、温度和湿度等触觉感受，还能用于大空间范围内的多人并行触觉虚拟操控应用。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种微气流喷射阵列虚拟操控平台专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是，包括：
投影显示设备，用于显示被操作的虚拟物体和操作环境；
带热成像功能的深度视觉采集模块，正对虚拟操控平台，安装有彩色摄像单元、结构光发射接收单元和热成像单元，彩色摄像单元和结构光发射接收单元用来提取视场范围内物体的平面图像及物体到摄像机的远近距离数据，热成像单元用于提取喷射出的加温气体所形成的虚拟物体热成像轮廓数据；
带有可旋转微喷嘴阵列的微气流喷射平台（1）；
带有多路流量控制阀的空气压缩泵，与微气流喷射平台（1）的可旋转微喷嘴阵列多支路连接，提供所需的高压气体；
以及计算机系统，用于控制上述带热成像功能的深度视觉采集模块、多路流量控制阀和微气流喷射平台（1）。
2.根据权利要求1所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：所述的可旋转微喷嘴阵列由多个微喷射单元（4）自由拼接组合而成。
3.根据权利要求2所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：相邻的微喷射单元（4）之间通过磁性、铰链或者铆钉可拆卸式拼接。
4.根据权利要求2或3所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：所述的微喷射单元（4）主要由喷嘴（4-1）、环形旋转机构、连接外框（4-6）、加热模块（4-9）、雾化喷管（4-8）以及加压储液容器（4-7）组成；喷嘴（4-1）固定到环形旋转机构的中央，环形旋转机构由和计算机系统相连接的电机驱动；空气压缩泵的进气导管从下方穿过加热模块（4-9）的进气通道后与喷嘴（4-1）连接；雾化喷管（4-8）的一端接到加压储液容器（4-7）内，另一端通过雾化喷头接入到进气通道；加热模块（4-9）和雾化喷头均与计算机系统相连，与被操控虚拟物体的温度和湿度数据同步。
5.根据权利要求4所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：所述的喷嘴（4-1）为圆锥形中空结构，其底端连接进气导管；加热模块（4-9）为中空的圆柱形，其中心为进气通道。
6.根据权利要求4所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：所述的连接外框（4-6）具有内圆空腔和外方连接面板，内圆空腔安装环形旋转机构，相邻的微喷射单元（4）之间通过外方连接面板进行拼接。
7.根据权利要求6所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：所述的环形旋转机构具有双旋转自由度，分为内圈环状机构（4-2）和外圈环状机构（4-4），内圈环状机构（4-2）位于连接外框（4-6）的内圆空腔中并和喷嘴（4-1）相连，再经由内圈旋转轴（4-3）和外圈环状机构（4-4）相连，外圈环状机构（4-4）则经由外圈旋转轴（4-5）和连接外框（4-6）的外方连接面板相连。
8.根据权利要求7所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：所述的内圈旋转轴（4-3）和外圈旋转轴（4-5）在平面内根据需要排布成一定角度，组合使用实现大范围内喷嘴（4-1）转动。
9.根据权利要求4所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：所述的加热模块（4-9）为陶瓷发热块或者发热电阻丝。
10.根据权利要求4所述的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，其特征是：还在旋转微喷嘴阵列形成的气垫层（2）上方放置透明弹性材料层（3），用于形成物体轮廓。

说明书全文

一种微气流喷射阵列虚拟操控平台

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，尤其是一种利用喷射方向、气体温度、气体湿度均可控的微气流喷射阵列产生的三维空间气垫层模拟虚拟物体的外形轮廓、运动速度、温度和湿度等参数，可实现多人并行协同操作的虚拟触觉和力觉操控平台装置，属于虚拟现实操控技术领域。

背景技术

[0002] 虚拟触觉技术包括触感模拟和力觉反馈等，通过振动、力和温度等反馈作用来实现用户的触摸感受。目前，用于虚拟操控的触觉模拟和力觉反馈的技术主要依靠超声波、振动电机、连杆机构和压电材料等实现，只提供二维平面内的振动和力信息，无法给操控者提供三维的立体操控体验，也无法提供更加丰富的触觉信息（如温度变化、被操控物体速度变化、表面湿度变化等）。

[0003] 再者，现有的虚拟触觉设备一旦设计和制作完成，只能完成若干种预定的虚拟触觉，触觉体验单一，无法拆卸和重新配置，无法模拟形状较为复杂的空间立体虚拟物体（如球形、金字塔形等）。

[0004] 此外，由于结构和设计的复杂性，目前虚拟触觉操控往往仅限于较小空间的单人操作，无法实现大空间范围内的多人并行操控。发明内容

[0005] 为了克服现有技术的上述不足，本实用新型提供一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，能够用于模拟被操控虚拟物体的三维形状、软硬程度、温度和湿度等触觉感受，改善和提高使用者的交互感知体验，还能用于大空间范围内的多人并行触觉虚拟操控应用。

[0006] 本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：包括：投影显示设备，用于显示被操作的虚拟物体和操作环境；带热成像功能的深度视觉采集模块，正对虚拟操控平台，安装有普通彩色摄像单元、结构光发射接收单元和热成像单元，摄像单元和结构光发射接收单元用来提取视场范围内物体的平面图像及物体到摄像机的远近距离数据，热成像单元用于提取虚拟操控平台上方喷射出的加温气体所形成的虚拟物体的热成像轮廓数据；带有可旋转微喷嘴阵列的微气流喷射平台；带有多路流量控制阀的空气压缩泵，与微气流喷射平台的可旋转微喷嘴阵列多支路连接，提供所需的高压气体；以及计算机系统，用于控制上述带热成像功能的深度视觉采集模块、多路流量控制阀和微气流喷射平台。

[0007] 相比现有技术，本实用新型的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台的有益效果如下：

[0008] 1.使用者不需要佩戴数据手套或者触摸力反馈装置，可以裸手在空中（微气流喷射平台上方）进行虚拟触觉反馈交互，简化了操作流程；

[0009] 2.该平台可以供单人双手或者多人多手同时操作，互不干扰，实现真正多人协同虚拟交互；

[0010] 3.当需要感知更高精度的模型细节或者更大体积虚拟模型时，可以对微气流喷射阵列进行扩展，提高其排列密度或者排列面积，灵活多变，适用范围广；

[0011] 4.使用带热成像功能的深度视觉采集模块既可以得到手型和手部姿态信息，提取手部三维坐标信息用于控制微喷射单元阵列，也可以提取加温气体所构成的被操纵虚拟物体的热成像轮廓；

[0012] 5. 可旋转微喷嘴阵列可以在一定角度范围内转动，可以形成倾斜气垫层；通过带有多路流量控制阀的空气压缩泵，与可旋转微喷嘴阵列多支路连接，利用不同微喷射单元产生的气垫层高度不一致以及在三维空间的排布，可以形成三维虚拟触觉空间气垫层；使最终模拟更全面和真切。附图说明

[0013] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

[0014] 图1是本实用新型一个实施例的整体结构示意图。

[0015] 图2是本实用新型实施例操控平台在使用状态1下的结构示意图。

[0016] 图3是本实用新型实施例操控平台在使用状态2下的结构示意图。

[0017] 图4是本实用新型实施例操控平台在使用状态3下的结构示意图。

[0018] 图5和图6是本实用新型实施例中单个微型喷射单元两个不同的结构示意图。

[0019] 图7-图9是本实用新型实施例中微气流喷射阵列为平面、平面十字排列以及空间立体的排布示意图。

[0020] 图中，1、微气流喷射平台，2、气垫层，2-1、较薄气垫层，2-2、中等厚度气垫层，2-3、较厚气垫层，2-4、倾斜气垫层，3、透明弹性材料层，4、微喷射单元，4-1、喷嘴，4-2、内圈环状机构，4-3、内圈旋转轴，4-4、外圈环状机构，4-5、外圈旋转轴，4-6、连接外框，4-7、加压储液容器，4-8、雾化喷管，4-9、加热模块，4-10、底部气体导管接孔，其中：A代表操作者，A1、A2分别代表操作者一和操作者二。

具体实施方式

[0021] 为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

[0022] 图1至图9示出了本实用新型一个较佳的实施例的结构示意图，图1中的一种微气流喷射阵列虚拟操控平台，包括：投影显示设备，和计算机系统相连，用于显示被操作的虚拟物体和操作环境，操作者A（数量不限定，还可以是多个，例如同时有两个操作者，操作者一A1和操作者二A2）可以通过观察投影显示设备中的虚拟物体形状和位置变化进行操控；带热成像功能的深度视觉采集模块，与计算机系统相连，安装在微气流喷射平台1的正上方，镜头方向垂直向下，深度视觉采集模块上安装有普通彩色摄像单元、结构光发射接收单元和热成像单元，摄像单元和结构光发射接收单元用来提取视场范围内物体的平面图像及物体到摄像机的远近距离数据，热成像单元用于提取虚拟操控平台上方喷射出的加温气体所形成的虚拟物体的热成像轮廓数据；带有可旋转微喷嘴阵列的微气流喷射平台1；带有多路流量控制阀的空气压缩泵，提供微气流喷射平台1所需的高压气体，在经过多路流量控制阀时被分为多条支路，每一支路都由和计算机相连的电磁阀单独控制，可以调整该路气体的流速和流量，如图2所示，利用可旋转微喷嘴阵列中不同位置气流的强弱可以产生较薄气垫层2-1、中等厚度气垫层2-2和较厚气垫层2-3，加以调控便可以通过气垫层2厚度形成不同构造和不同形状的虚拟物体；以及计算机系统，用于控制上述深度视觉采集模块、多路流量控制阀和微气流喷射平台1。

[0023] 在本实施例中，所述的可旋转微喷嘴阵列由多个微喷射单元4自由拼接组合而成。并可以根据实际需要改变阵列大小，微气流喷射平台的形状也可以根据场地和环境拼接设置成其他不规则形状，例如图7-图9分别示出了方形平面的可旋转微喷嘴阵列，平面十字的可旋转微喷嘴阵列以及空间立体排布的可旋转微喷嘴阵列（微气流喷射平台1也可以在竖直方向按任意角度进行布置，与水平方向的喷射阵列一起实现三维喷射阵列，见图9）。而相邻的微喷射单元4之间可以通过磁性、铰链或者铆钉等其他可拆卸式实现自由拼接。

[0024] 参加图5和图6，所述的微喷射单元4主要由喷嘴4-1、环形旋转机构、连接外框4-6、加热模块4-9、雾化喷管4-8以及加压储液容器4-7组成；喷嘴4-1固定到环形旋转机构的中央，环形旋转机构由和计算机系统相连接的电机驱动，该环形旋转机构用于实时调整喷嘴4-1的角度，使喷嘴4-1的气流的喷射方向可以在一定范围内转动。空气压缩泵的进气导管从下方穿过加热模块4-9的进气通道后与喷嘴4-1连接；带有液体雾化模块的雾化喷管4-8一端接到加压储液容器4-7内，另一端通过雾化喷头接入到进气通道，经由雾化模块雾化后喷射入进气通道形成气雾混合物；雾化喷管4-8在进气通道内的喷头由计算机系统进行定量控制，加压储液容器4-7内的液体也可以根据场景添加香水等材料等。加热模块4-9和雾化喷头均与计算机系统相连，与被操控虚拟物体的温度和湿度数据同步。

[0025] 其中，所述的喷嘴4-1为圆锥形中空结构，其底端连接进气导管；采用圆锥形中空结构的喷嘴4-1一方面可以保证加热后的气雾混合物在内部混合均匀，另一方面也可以保证喷射方向的精准可控。加热模块4-9为中空的圆柱形，其中心为进气通道，圆柱形的加热模块4-9可以用陶瓷发热块或者发热电阻丝实现，进气通道下方的底部气体导管接孔4-10用于连接进气导管。

[0026] 所述的连接外框4-6具有内圆空腔和外方连接面板，内圆空腔安装环形旋转机构；相邻的微喷射单元4之间通过外方连接面板进行拼接，外方连接面板可以由磁性材料构成，相邻的微喷射单元4依靠磁性材料之间的磁性吸力进行拼接，可以实现快速组装和拆卸，该外方连接面板也可以用铰链或者铆钉等其他方式进行连接。

[0027] 所述的环形旋转机构具有双旋转自由度，分为内圈环状机构4-2和外圈环状机构4-4，内圈环状机构4-2位于连接外框4-6的内圆空腔中并和喷嘴4-1相连，再经由内圈旋转轴4-3和外圈环状机构4-4相连，外圈环状机构4-4则经由外圈旋转轴4-5和连接外框4-6的外方连接面板相连。所述的内圈旋转轴4-3和外圈旋转轴4-5在平面内根据需要排布成一定角度，组合使用实现大范围内喷嘴4-1转动。

[0028] 如图3所示，操作本实用新型实施例虚拟操作平台时，手部可以和气流直接接触来实现触觉操作；为了实现不同触感的触觉感受，也可以在在旋转微喷嘴阵列形成的气垫层2上方放置不同材质的轻薄透明弹性材料，喷射气流在形成的透明弹性材料层3形成物体轮廓，操作者A触摸透明弹性材料层3形成的物体轮廓进行操作。

[0029] 本实用新型的工作原理如下：操作者A观测投影显示设备中的虚拟物体，将手放置于微喷射平台上方的工作区域，工作区域中的带热成像功能的深度视觉采集模块配置有一个普通彩色摄像头、一个结构光传感器以及一个热成像传感器，可以同时捕捉手部的形状、手部的立体三维坐标以及喷射气体所构成的虚拟物体热成像轮廓，计算机通过计算虚拟物体的坐标和人手的空间坐标，实现交互定位，并通过控制微气流喷射阵列中某些喷射单元的气流，在所需位置构建一个带有虚拟物体轮廓的空间气垫层2，使操作者A产生虚拟触觉，同时可以控制气流的强度，进而控制作用在人手上的力度大小，让操作者A产生虚拟力觉，当虚拟物体附带温度或者湿度信息时，则控制单个喷射单元中的加热模块4-9和雾化模块实现温度和湿度的模拟。

[0030] 本实用新型为了模拟虚拟物体的温度变化，每个喷嘴4-1的下方装有加热模块4-9，对经过加热模块4-9的气体进行加温，从而改变不同区域喷射气体的温度。为了模拟物体的湿度变化，每个喷孔的下方安装有可控的雾化模块，可以将雾化液体喷入进气通道中，并通过雾气混合物的比例实现喷射气体湿度的改变。为了实现更细微更复杂的操作体验，如模拟虚拟物体原地旋转或者原地倾斜等场景，在每个微喷射单元4上安装了可控的双自由度旋转机构，组合使用后可以改变单个喷孔的喷射方向跟踪手部运动，参见图4，随着操作者A手部的移动方向，相应地会产生倾斜气垫层2-4，从而达到利用微喷射单元4的旋转运动和定向跟踪喷射实现虚拟物体移动的目的，即当操作者A抓住物体快速移动时，通过深度视觉采集模块捕捉人手的位置，然后控制微气流喷射阵列按照人手移动的轨迹路线依次产生喷射气流，产生物体快速移动的触觉效果。为了实现更为复杂三维空间立体气垫层2，可以将微喷射单元4在三维空间进行立体配置，比如同时模拟竖直方向的层次触感和水平方向的层次触感。为了实现柔软物体的变形触感，通过深度视觉采集模块捕捉人手的手型信息，通过手势识别算法计算手指弯曲角度变化，通过调整弯曲手指处对应正下方位置喷嘴4-1的气流方向和强度，产生物体变形的触觉效果。

[0031] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

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