一种多热源高速温度复现系统转让专利
申请号 : CN201110234564.8
文献号 : CN102323838B
文献日 : 2013-08-28
发明人 : 李建清 , 吴剑锋 , 杨宇荣 , 毛志鹏
申请人 : 东南大学
摘要 :
一种多热源高速温度复现系统，包括复现装置和控制系统，复现装置设有由多个温度复现单元排列而成的温度复现阵列、热绝缘罩、固定框、温度传感器、散热板、传感控制接口，每个温度复现单元包括一个导热柱和一个半导体制冷器，导热柱下表面紧贴半导体制冷器的上表面，热绝缘罩置于导热柱的顶端，其上设有与导热柱数量一致并一一对应的通孔，散热板置于半导体制冷器的下端，设置一固定框，紧固在散热板的四周，绝缘罩通过螺钉与散热板固定，导热柱圆柱设有小孔，孔内设有温度传感器，每个温度传感器及半导体制冷器的两引脚均用导线连接在固定框边上设置的传感控制接口上，控制系统的控制接口与复现装置的传感控制接口对应连接。
权利要求 :
1.一种多热源高速温度复现系统，其特征在于：设有复现装置和控制系统两部分，复现装置设有由多个温度复现单元排列而成的温度复现阵列、热绝缘罩、固定框、温度传感器、散热板、传感控制接口，其中：每个温度复现单元包括一个导热柱和一个半导体制冷器，导热柱下表面紧贴半导体制冷器的上表面，导热柱顶端之下设有大于导热柱直径的圆柱凸台，热绝缘罩置于导热柱的顶端，其上设有与导热柱数量一致并一一对应的通孔，通孔直径与导热柱直径匹配，热绝缘罩定位于导热柱的圆柱凸台上，导热柱的顶端表面与热绝缘罩上表面共同构成温度触觉平面，散热板置于半导体制冷器的下端，散热板上表面设有凸台，凸台上表面设有与半导体制冷器数量一致并一一对应的凹槽，半导体制冷器的下端定位于凹槽内，半导体制冷器的下表面紧贴凹槽底面，设置一固定框，紧固在散热板上表面凸台的四周，固定框的高度与热绝缘罩的上表面持平，热绝缘罩通过螺钉与散热板固定，导热柱圆柱凸台下方设有小孔，孔内设有温度传感器，每个温度传感器及半导体制冷器的两引脚均用导线连接在固定框边上设置的传感控制接口上；控制系统为基于ARM微处理器的嵌入式Linux系统，包含核心板、电源模块、触摸屏、桥路、通信模块和控制接口，控制系统的控制接口与复现装置的传感控制接口对应连接。
2.根据权利要求1所述多热源高速温度复现系统，其特征在于：热绝缘罩上表面设有凸台，凸台面积内设置与导热柱数量一致并一一对应的通孔，导热柱顶端表面设置为圆弧凸面。
3.根据权利要求1或2所述多热源高速温度复现系统，其特征在于：温度传感器采用热敏电阻。
4.根据权利要求3所述多热源高速温度复现系统，其特征在于：导热柱厚度5mm-10mm，半导体制冷器的上表面面积不大于15mm×15mm。
说明书 :
一种多热源高速温度复现系统
技术领域
[0001] 本发明涉及虚拟现实技术中的触觉再现，尤其是一种多热源高速温度复现系统，该系统可实现多热源高速温度触觉的近端复现，属于测试与控制技术领域。
背景技术
[0002] 虚拟现实技术是一种有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。虚拟现实技术通过计算机图形构造虚拟环境，借助相应的硬件手段的帮助，如数据手套、头盔显示器或立体眼镜等设备，提供视、听、触、嗅觉等感官刺激，可以使用户沉浸在虚拟环境中，产生亲临其境的临场感。这种技术可以应用于遥操作、虚拟装配、虚拟手术等多个领域，近年来成为人们的研究热点。
[0003] 触觉是指分布于全身皮肤上的神经细胞接受来自外界的温度、湿度、疼痛、压力、振动等方面的感觉。触觉再现技术的重要性已被广泛认识并得到深入研究，力触觉算法及柔性、纹理触觉复现装置已经能较好的模拟虚拟场景中物体的柔性、纹理和力触觉特性。然而，在温度触觉这一领域的人机交互技术研究尚少，温度触觉再现的装置也有限。温度触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，也有力触觉再现装置的出现。而温度触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触觉可以增强人的临场感和沉浸感。温度触觉再现技术是一项新兴的研究方向，所涉及的学科众多，跨越的学科有电路电子、机械、材料学等多个方面。温度触觉再现技术的深入研究，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。
[0004] 目前国外在温度触觉感知与再现装置方面，并且大多数是基于单热源的温度触觉再现装置，基于多热源的装置大多为指戴式装置。当虚拟环境或远端真实环境中有多个热源需要再现时，基于单热源的温度触觉再现装置无法同时对它们进行复现，只能分别进行复现，但是这将严重的影响虚拟现实系统的实时性。
[0005] 本申请人在先申请的多热源复现装置的加热模块采用电加热丝加热，并用一块较大的半导体制冷器给所有的复现单元进行整体降温，当部分复现单元需要降温时，其余复现单元的电加热丝则要加大加热力度以维持其温度，比较耗能；另外，采用半导体制冷器进行整体降温的方案降温效率不高，部分能量浪费，且降温速率较低，这就导致了该装置只能实现恒定温度的复现，而难以实现温度波形的复现。
发明内容
[0006] 针对现有技术，本发明提出了一种多热源高速温度触觉复现系统。该系统可以同时在多个不同点上复现出不同物体的表面温度，该温度可以是恒温也可以为预设的温度波形。
[0007] 本发明的技术方案如下：一种多热源高速温度复现系统，其特征在于：设有复现装置和控制系统两部分，复现装置设有由多个温度复现单元排列而成的温度复现阵列、热绝缘罩、固定框、温度传感器、散热板、传感控制接口，其中：每个温度复现单元包括一个导热柱和一个半导体制冷器，导热柱下表面紧贴半导体制冷器的上表面，导热柱顶端之下设有大于导热柱直径的圆柱凸台，热绝缘罩置于导热柱的顶端，其上设有与导热柱数量一致并一一对应的通孔，通孔直径与导热柱直径匹配，热绝缘罩定位于导热柱的圆柱凸台上，导热柱的顶端表面与热绝缘罩上表面共同构成温度触觉平面，散热板置于半导体制冷器的下端，散热板上表面设有凸台，凸台上表面设有与半导体制冷器数量一致并一一对应的凹槽，半导体制冷器的下端定位于凹槽内，半导体制冷器的下表面紧贴凹槽底面，设置一固定框，紧固在散热板上表面凸台的四周，固定框的高度与绝缘罩的上表面持平，绝缘罩通过螺钉与散热板固定，导热柱圆柱凸台下方设有小孔，孔内设有温度传感器，每个温度传感器及半导体制冷器的两引脚均用导线连接在固定框边上设置的传感控制接口上；控制系统为基于ARM微处理器的嵌入式Linux系统，包含核心板、电源模块、触摸屏、桥路、通信模块和控制接口，核心板为控制、存储中心，电源模块给核心板和桥路供电，触摸屏用于向ARM微处理器发送命令以及显示复现的温度波形，桥路输出信号直接接到半导体制冷器上来控制半导体制冷器的工作状态，通信模块用于和PC机或远程探测仪器的通信，控制系统的控制接口与复现装置的传感控制接口对应连接，用于和复现模块进行信号传输。
[0008] 所说热绝缘罩上表面可设有凸台，凸台面积内设置与导热柱数量一致并一一对应的通孔；导热柱顶端表面可设置为圆弧凸面；温度传感器可采用热敏电阻。
[0009] 为了保证导热柱的安装其厚度应不小于5㎜，同时，为了复现预设的温度波形，那么就要求控温速率很快，但由于温度波在物体内部传递时其幅值会随着物体厚度的增加而迅速衰减，所以设定导热柱的厚度应不大于10㎜；为了保证半导体制冷器的控温速率，其上表面面积应不大于15㎜×15㎜，否则将会造成部分能量的浪费从而影响控温效果。
[0010] 本发明的优点及显著效果：
[0011] 1、操作人员可以通过该多热源高速温度触觉复现装置可以同时复现远端或虚拟环境中的多热源高速温度，使其产生温度触觉临场感、沉浸感；
[0012] 2、该多热源高速温度复现装置中的温度传感器内嵌于温度复现阵列，采集温度具有实时性好、准确度高的特点；
[0013] 3、可以通过改变该多热源高速温度复现装置上的温度触觉平面的形状以及温度复现阵列的数量、排布，来实现不同应用场合的实际需求；
[0014] 4、由于该温度复现装置每个温度复现单元都采用一个半导体制冷器进行温度控制，因此与其他方案相比，该装置具有控制温度变化快速的特点，进而可以达到复现预设的温度波形的目标；
[0015] 5、该装置整体尺寸小、重量轻，便于安装在手控器上；
[0016] 6、该装置可以应用于医疗、材质识别、空间探测、虚拟游戏、多维影视、虚拟场景的应急演练等等。
附图说明
[0017] 图1是现有技术半导体制冷器工作电流与冷、热端的关系图；
[0018] 图2是本发明系统的整体框图；
[0019] 图3是本发明系统的整体结构外观图；
[0020] 图4是本发明系统中复现装置的外观图；
[0021] 图5是本发明系统中复现装置结构的垂直分解图；
[0022] 图6是本发明系统中复现装置的温度复现阵列图；
[0023] 图7是本发明系统中复现装置的剖面图；
[0024] 图8是本发明系统中复现装置的热绝缘罩的仰视图；
[0025] 图9是本发明系统中复现装置的温度复现阵列不同排布以及触觉平面的不同形状。
[0026] 具体实施方式：
[0027] 参看图1，半导体制冷器是利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，又称热-电制冷器。用导体连接两块不同的金属,接通直流电,则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。若将电源反接，则接点处的温度相反变化，这一现象称为珀耳帖效应，又称热-电效应。纯金属的热-电效应很小，若用一个N型半导体和一个P型半导体代替金属，则热-电效应大得多。
[0028] 参看图3-8,本发明的多热源高速温度复现装置，设有温度复现阵列8、热绝缘罩3、固定框4、微型温度传感器5、散热板6、传感控制接口7和控制系统。温度复现阵列8是由多个温度复现单元10按设定规则排列而成，每个温度复现单元由一个导热柱1配备一个小型半导体制冷器2构成，导热柱1的下表面和半导体制冷器2的上表面接触热交换性能良好，每个导热柱1有靠近上表面处的，用于将其固定在热绝缘罩3的阶梯通孔9中。圆周凸起11下方设有小孔，孔内设有微型温度传感器用于该温度复现点的温度采集。半导体制冷器2有冷、热两个工作面，改变工作电流方向可以进行冷热工作面切换，且每个温度复现单元的半导体制冷器都嵌在散热金属板6上；热绝缘罩3可为正方形，可以正好置于正方形固定框4包围的空间内，并用螺丝将热绝缘罩3固定在金属散热板6上，使本装置为一体。
热绝缘罩3中间呈凸台状，凸台部位设有与导热柱1一一对应的通孔9，导热柱上部的突圆周凸起11固定于热绝缘罩3相应的通孔9内，同时热绝缘罩实现了不同温度复现单元间的热绝缘，减少温度复现单元的相互影响，导热柱1上表面与热绝缘罩3上表面一起构成了温度触觉平面..微型温度传感器内嵌在温度复现阵列的导热柱上的孔中，且该传感器为热敏电阻，具有体积小、灵敏度高、工作温度范围宽等特点，用于温度传感和温控制，散热板6为一块正方形铜板，其中间部位有正方形凸起，该凸起上又有对应于传感阵列数目的凹槽，凹槽内定位半导体制冷器。用螺丝将固定框4的底部固定在散热板6凸起部四周，固定框能够把热绝缘罩固定在其内部空间，且固定框上表面和热绝缘罩的上表面持平。传感控制接口7安装在固定框4上，为引出微型温度传感器的传感信号，同时向半导体制冷器2发送控制信号。
热绝缘罩3中间呈凸台状，凸台部位设有与导热柱1一一对应的通孔9，导热柱上部的突圆周凸起11固定于热绝缘罩3相应的通孔9内，同时热绝缘罩实现了不同温度复现单元间的热绝缘，减少温度复现单元的相互影响，导热柱1上表面与热绝缘罩3上表面一起构成了温度触觉平面..微型温度传感器内嵌在温度复现阵列的导热柱上的孔中，且该传感器为热敏电阻，具有体积小、灵敏度高、工作温度范围宽等特点，用于温度传感和温控制，散热板6为一块正方形铜板，其中间部位有正方形凸起，该凸起上又有对应于传感阵列数目的凹槽，凹槽内定位半导体制冷器。用螺丝将固定框4的底部固定在散热板6凸起部四周，固定框能够把热绝缘罩固定在其内部空间，且固定框上表面和热绝缘罩的上表面持平。传感控制接口7安装在固定框4上，为引出微型温度传感器的传感信号，同时向半导体制冷器2发送控制信号。
[0029] 参看图2、3，本发明的控制系统18是基于ARM微处理器的嵌入式Linux系统，核心板16外围设有电源14、触摸屏12、桥路15、通信模块13及控制接口17，该微处理器具有低价格、低功耗、高性能、体积小的优点。
[0030] 恒定温度的实现：通过温度传感器反馈给控制系统的数据，控制系统可以知道复现阵列的实际温度是多少，如果要复现的温度比实际温度高，那么ARM主板会通过桥路控制半导体制冷器的电流方向，使半导体制冷器的上表面制热，并通过温度传感器反馈回去的数据以确定是否要继续使半导体制冷器的上表面制热，一旦温度传感器反馈回去的数据显示温度复现阵列的温度高于实际需要复现的温度，那么ARM主板会立刻发一个信号给桥路来改变通过半导体制冷器的电流方向，使半导体制冷器的上表面制冷，通过这样的反复调整即可复现出远端的温度。
[0031] 预设温度波形的实现：预设的温度波形实为连续波形的取样点，控制系统在取样时间间隔内实现取样点的温度，这样就实现了预设温度波形的复现。
[0032] 参看图9，可以根据不同触摸体的要求来改变复现阵列的数量、排布和温度触觉平面的形状，以达到实际应用的要求。图a为折线排布，图b为交叉排布，图c为环形排布，图d为直线排布，图e为凹形温度触觉平面，图f为凸形温度触觉平面，图g为波浪形温度触觉平面，图h为不同复线阵列排布与不同形状温度触觉平面的结合实例。