技术领域
[0001] 本实用新型涉及弧度再现技术，更具体地说，涉及一种用于实现物体表面弧度触觉再现的装置。
背景技术
[0002] 弧度是硬质物体的重要几何特征，是形状再现的主要组成部分。Pont等[S.C.Pont,A.M.L.Kappers,and J.J.Koenderink“, Similar mechanisms underlie curvature comparison by static and by dynamic touch,”Perception and Psychophysics,vol.61,no.5,pp.874-894,1999]针对曲面提炼出跟弧度相关的三个重要参数：底部到峰点的高度差(
位置因素)、斜率差(斜率因素)和局部
曲率(曲率因素)。用一系列具有不同弧度的曲面条状物体和一个平面面板做最小可觉差(JND)实验，结果表明区分两者最重要的因素是斜率。
[0003] 同时，实验还表明即使具有相同的弧度，相对长的曲面条状物比相对短的要感觉更弯曲一些。触摸方式对弧度
感知产生的影响则相对复杂，涉及到肌肉运动知觉学，比如哪个
感受器或者说哪几个感受器的组合跟动态感知和静态感知相关，肌梭、关节感受器和
皮肤感受器都可能起着重要作用。跟静态感知相比，动态感知能更精确的控制手(
手指)的位置从而更好的感知物体弧度。
[0004] 弧度的触觉再现方法可以归纳为三类：
[0005] 第一类是对手指施加一个旋转运动感。这种方法基于这样一个事实：当用相同的速度扫过(触摸)不同曲面时，弧度越大，手指皮肤与物体的
接触点的运动(变化)速度就越大，反之亦然。相应的
接口装置控制一个圆筒或者球状物在手指末端下旋转，通过速度调节得到不同的弧度感。这种方法适合模拟曲率不是很大的曲面。
[0006] 第二类是对手指端部施加一个
力场，给手指施加一个幅值可控的推进力或者阻抗力，可以得到凹凸感。这种方法适合模拟小物体的形状。
[0007] 第三类是控制手指末端皮肤的形变。当手指划过一个曲面时，其末端跟物体接触的地方就会产生一个形变。参照真实情况下手指触摸物体产生的形变轨迹，人为控制手指形变的大小和位置就可以模拟出触摸曲面的感觉。这个形变可以通过控制一个平板与手指
挤压得到，因此这种方法被称为挤压式弧度再现，它所模拟的弧度感最为接近现实。实用新型内容
[0008] 本实用新型的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种
精度高、
稳定性强、基于主动式动态触摸感知的用于实现物体表面弧度触觉再现的装置。
[0009] 本实用新型的技术方案如下：
[0010] 一种用于实现物体表面弧度触觉再现的装置，包括
触摸板、位置与
角度驱动机构，触摸板通过位置与角度驱动机构调整位置与旋转角度；位置与角度驱动机构包括二维平移台、旋转驱动装置，旋转驱动装置设置于二维平移台，通过二维平移台调节空间位置；触摸板设置于旋转驱动装置，通过旋转驱动装置旋转角度。
[0011] 作为优选，二维平移台控制旋转驱动装置在XY平面上运动，旋转驱动装置在Z轴方向进行轴向旋转。
[0012] 作为优选，二维平移台包括X轴
平移机构和Y轴平移机构；所述的X轴平移机构，包括X轴行程
导轨、X轴伺服
电机与X轴滑
块，X轴滑块由X轴
伺服电机驱动在X轴行程导轨上运动；
[0013] 所述的Y轴平移机构，包括Y轴行程导轨、Y轴伺服电机与Y轴滑块，Y轴滑块由Y轴伺服电机驱动在Y轴行程导轨上运动；
[0014] Y轴平移机构设置在X轴滑块上，Y轴行程导轨通过连接件设置于X轴滑块上，X轴行程导轨与Y轴行程导轨保持始终保持垂直。
[0015] 作为优选，旋转驱动装置包括旋转伺服电机、电机固定件；旋转伺服电机与电机固定件固定连接；旋转驱动装置设置于Y轴滑块上；旋转伺服电机的旋
转轴连接触摸板，带动触摸板旋转。
[0017] 本实用新型的有益效果如下：
[0018] 本实用新型所述的用于实现物体表面弧度触觉再现的装置，采用最贴近自然的主动式动态触摸感知方式来增强操作者的
沉浸感。在这种触摸方式下，手指与物体表面之间的滑动感得到最大程度的还原。本实用新型允许使用者的手指在触摸板上自由的来回滑动，以自然的
姿态(主动式动态触摸)感知虚拟弧度。本实用新型具有精度度高、稳定性强、
人机交互友好的特点，为
心理物理学实验的开展提供平台，进而为数学模型和再现机理的验证提供技术保证。
附图说明
[0019] 图1是物体表面弧度触觉再现系统的结构示意图；
[0020] 图中：11是触摸板，21是X轴行程导轨，22是X轴伺服电机，23是X轴滑块，31是Y轴行程导轨，32是Y轴伺服电机，33是Y轴滑块，40是连接件，51是旋转伺服电机，52是电机固定件。
具体实施方式
[0021] 以下结合附图及
实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。
[0022] 本实用新型为了解决现有技术存在的模拟曲率不够大、适合模拟小物体的不足，提供一种基于主动式动态触摸感知的用于实现物体表面弧度触觉再现的装置，能够精度高、稳定性强地实现物体表面弧度的
触觉反馈再现。
[0023] 本实用新型所述的用于实现物体表面弧度触觉再现的装置，如图1所示，包括触摸板11(本实施例中，触摸板11为7寸TFTLCD电容触摸屏)、位置与角度驱动机构，触摸板11通过位置与角度驱动机构调整位置与旋转角度。位置与角度驱动机构包括二维平移台、旋转驱动装置，旋转驱动装置设置于二维平移台，通过二维平移台调节空间位置；触摸板11设置于旋转驱动装置，通过旋转驱动装置旋转角度。二维平移台为旋转驱动装置构成XY运动平面，二维平移台控制旋转驱动装置在XY平面上运动，进而旋转驱动装置可以运动至该平面的任意一点，使得触摸板11可以处于上述XY运动平面的任意一点运动。旋转驱动装置在Z轴方向进行轴向旋转。
[0024] 具体地，二维平移台包括X轴平移机构和Y轴平移机构；所述的X轴平移机构，包括X轴行程导轨21、X轴伺服电机22与X轴滑块23；所述的Y轴平移机构，包括Y轴行程导轨31、Y轴伺服电机32与Y轴滑块33；其中，X轴滑块23由X轴伺服电机22驱动在X轴行程导轨21上运动；Y轴滑块33由Y轴伺服电机32驱动在Y轴行程导轨31上运动。Y轴平移机构设置在X轴滑块23上，Y轴行程导轨31通过连接件40设置于X轴滑块23上，X轴行程导轨21与Y轴行程导轨31保持始终保持垂直。
[0025] 旋转驱动装置，包括旋转伺服电机51、电机固定件52；旋转伺服电机51与电机固定件52固定连接；旋转驱动装置设置于Y轴滑块33上，进而旋转驱动装置可在Y轴行程导轨31上做直线运动；旋转伺服电机51的
旋转轴连接触摸板11，带动触摸板11旋转。旋转驱动装置的轴旋转运动为触摸点提供角度信息。
[0026] 本实用新型的运动参数即XY运动平面的X轴坐标和Y轴坐标，以及触摸板11的角度信息，此3个信息经过
算法可实现弧度的触觉再现，具体叙述如下：
[0027] 所述的物体表面弧度触觉再现系统处于初始位置和初始状态后，手指接触触摸板11，检测手指的位置，即控制主机获取手指的触摸位置，其中主要是X轴坐标，然后反馈给手指适当的Y轴坐标反馈和角度信息反馈，即由旋转驱动装置输出角度信息，不同角度反馈的法向压力和切向
摩擦力不相同，手指所感受到的触觉弧度也就不相同。当手指在触摸板11上移动时，向某个方向移动会使得触摸板11反馈的信息变得连续，手指触觉将感受到连续的凹凸起伏感，这种凹凸起伏感即是弧度触觉信息。
[0028] 综上，即可通过触摸板11在XY轴平面位置的变化以及旋转角度的变化实现弧度的触觉反馈再现。
[0029] 本实施例中，旋转伺服电机51为松下MSMD5AZG1U交流伺服电机，电机
驱动器为A5驱动器。X轴伺服电机22和Y轴伺服电机32根据负载和控制要求选择HIWIN公司的FRLS2020505A型号AC伺服电机及其配套的D2系列驱动器。选用ARM103系列STM32F103ZET6控
制芯片控制交流伺服电机。
[0030] 本实用新型的目的是提供一种新型的
硬件结构，用于与现有技术的控制方法结合，实现物体表面弧度触觉再现，本实用新型记载的
软件方法均为现有技术，本实用新型不要求对涉及的软件方法进行保护。
[0031] 本实施例中，将本实用新型与现有技术的控制方法(如CN201410742573公开的控制方法)结合，用于实现物体表面弧度触觉再现。现有技术的控制方法举例如下：
[0032] 设置与虚拟对象匹配的弧度再现模型，手指按压于触摸板11上，实时检测手指在触摸板11上的位移变化，基于弧度再现模型，控制触摸板11的空间位置变化以及与手指的相对角度转动，实现弧度再现。
[0033] 为了实现弧度再现，当手指在触摸板11上发生位移变化时，计算触平板的旋转速度、旋转方向和旋转角度，以从触觉上感知与位置对应的弧度触觉。具体地，触摸板11与手指接触的位置，与虚拟对象的轮廓保持相切；当手指移动时，触摸板11绕中点旋转，触摸板11的方向与角度随着手指的接触位置而变化。
[0034] 而且对应于虚拟对象的每个位置是唯一，触摸板11上的每个位置对应唯一的一个旋转角度，因此可以再现虚拟对象的形状轮廓。
[0035] 上述实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作对本实用新型的限定。只要是依据本实用新型的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本实用新型的
权利要求的范围内。
