專利名稱：：一種可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的觸覺再現(xiàn)，尤其是一種可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置，該裝置可實現(xiàn)遠程溫度觸覺的近端復(fù)現(xiàn)，屬于測試
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為當(dāng)前信息
技術(shù)領(lǐng)域：
研究的前沿和熱點，成為二十一世紀(jì)最令人鼓舞的信息應(yīng)用技術(shù)之一。“多感知、交互性和臨場感”是理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所追求的目標(biāo)。技術(shù)的重要性已經(jīng)被廣泛認(rèn)識并得+到深入研究，不斷優(yōu)化和完善的力觸覺算法及柔性、紋理觸覺復(fù)現(xiàn)裝置已能夠較好地模擬虛擬場景物體柔性、紋理力觸覺特性，而形狀觸覺、溫度觸覺等觸覺可以感知物體的形狀特性、熱量屬性等，在該領(lǐng)域的人機交互技術(shù)研究尚少。觸覺是人類感知外部世界的重要手段。溫度觸覺作為觸覺的一種在人的整個感知系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，人手觸摸不同熱屬性的物體時有著不同的溫度感覺，據(jù)此人可以判斷出物體的熱屬性。到目前為止，國內(nèi)外對觸覺的研究都集中于力觸覺，也有力觸覺再現(xiàn)裝置的出現(xiàn)。而溫度觸覺作為力觸覺的主要輔助手段，在觸覺建立過程中發(fā)揮了重要的作用。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中加入溫度觸覺可以增強人的臨場感和沉浸感。溫度觸覺再現(xiàn)技術(shù)是一項新興的研究方向，所涉及的學(xué)科眾多，跨越的學(xué)科有電路電子、機械、材料學(xué)等多個方面。溫度觸覺再現(xiàn)技術(shù)的深入研究，將會進一步加強其在醫(yī)學(xué)、軍事、機器人仿真、工業(yè)制造、教育及其娛樂各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。由于溫度觸覺再現(xiàn)裝置中涉及溫度的傳遞及控制，因此比熱容的概念十分重要，比熱容又稱比熱容量，簡稱比熱容，是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即是單位質(zhì)量物體改變單位溫度時的吸收或釋放的內(nèi)能。常見物質(zhì)的比熱容值如下表所示，比熱容越高，升高相同的溫度所需要的能量就越多。<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>半導(dǎo)體制冷又叫熱電制冷或者溫差電制冷，是具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，在通過直流電時有制冷功能，因此叫做熱電制冷。熱電制冷是熱電效應(yīng)主要是珀爾帖效應(yīng)。珀爾帖效應(yīng)就是電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。把一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體疊放在一起，在上面通過直流電，則會在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的接頭上產(chǎn)生溫差和熱量的交換(如圖1)，通過大電流的時候，并且在熱端散熱很好的情況下，冷端可以很快地進行降溫。目前國外在溫度觸覺感知與再現(xiàn)裝置方面，主要是單熱源的、基于半導(dǎo)體致熱致冷，單純是風(fēng)冷式或者水冷式，降溫速率可以達到-4°C/s，使用風(fēng)冷的效果明顯沒有水冷的好，使用水冷的溫度觸覺復(fù)現(xiàn)裝置并沒有考慮在半導(dǎo)體制冷器在加熱的過程中由于水的存在而提高了比熱容使升溫速率下降很快。經(jīng)檢索，國內(nèi)基于溫度的觸覺再現(xiàn)裝置的專利有CN200510038437.5和CN200510038437.5，這兩個專利基于冷卻液射流的溫度觸覺再現(xiàn)裝置，采用一定溫度，一定壓力的水射流給近端的實驗者以實現(xiàn)近端的觸覺再現(xiàn)。目前國內(nèi)還沒有基于半導(dǎo)體制冷器的溫度觸覺再現(xiàn)裝置。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置。該裝置可以再現(xiàn)人手觸摸不同熱容量物體時人手的溫度變化。讓人可以根據(jù)溫度變化對物體的熱容量進行判斷，實現(xiàn)遠程環(huán)境的復(fù)現(xiàn)。本裝置可快速率升降溫，達到10°C/s的升溫速率以及-5°c/s的降溫速率，可以快速改變半導(dǎo)體溫度制冷器的溫度并通過一定的算法控制在恒定的溫度。本發(fā)明裝置的技術(shù)方案是一種可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置，其特征在于設(shè)有半導(dǎo)體制冷器、散熱器、溫度傳感器及測控電路，以半導(dǎo)體制冷器作為溫度控制及人手感知的核心，其中半導(dǎo)體制冷器系由通有直流電的P-N結(jié)構(gòu)成，具有冷、熱兩個端面；散熱器包括設(shè)有空腔的交換室以及冷卻液、氣兩路交換系統(tǒng)，冷卻液交換系統(tǒng)系由設(shè)置的冷卻液槽通過管道向交換室空腔進冷卻液，交換室通過出冷卻液管道與冷卻液槽連通；氣路交換系統(tǒng)系由與交換室空腔連通的進、出氣管道交換空氣；冷卻液、氣兩路交換系統(tǒng)中的管道上均分別設(shè)有電磁閥及泵，電磁閥及泵與測控電路的輸出控制信號連接；測控電路含有公知的電源電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，信號調(diào)理電路及控制芯片；設(shè)有兩個溫度傳感器，分別采集人手和半導(dǎo)體制冷器的溫度并輸入至測控電路。冷卻液可以采用水、煤油，冰水等。所說兩個溫度傳感器均采用輻射式紅外傳感器，所說半導(dǎo)體制冷器采用雙層的半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)，也可采用單層的半導(dǎo)體制冷器。本發(fā)明裝置的工作原理兩個輻射式紅外傳感器，一個用于測量人手的溫度，一個用于實時測量半導(dǎo)體制冷器的溫度(紅外測溫的優(yōu)點在于非接觸測量，響應(yīng)速度快，靈敏度比傳統(tǒng)的傳感器高14個數(shù)量級，體積小，重量輕，本裝置使用紅外傳感器來對溫度進行實時測量，快速的反應(yīng)速度為控制帶來了便利)。由測控電路控制電磁閥的開合以及泵的動作，當(dāng)半導(dǎo)體制冷器需要制熱時，控制信號1使冷卻液電磁閥關(guān)閉，控制信號2使氣電磁閥開啟，氣泵開動，空氣進入交換室空腔，降低了交換室空腔內(nèi)部的熱容量。當(dāng)半導(dǎo)體制冷器需要制冷時，控制信號1使冷卻液電磁閥開啟，控制信號2使氣電磁閥關(guān)閉，冷卻液泵開動，冷卻液進入交換室空腔，提高了交換室空腔內(nèi)部的熱容量。交換室內(nèi)的空腔體積一定，因此空腔中填充不同的物質(zhì)(冷卻液或者空氣)時整個交換室會有不同的熱容量，從而使得半導(dǎo)體制冷器的熱端面降溫或者升溫的速率發(fā)生變化，也就直接影響了半導(dǎo)體制冷器的冷端面的降溫或者升溫速率。由于冷卻液/氣切換的使用，在第一次實驗結(jié)束后可以迅速地把溫度控制在第二次實驗的溫度上，使得第一次實驗的時間和第二次實驗的時間可以縮短，減少復(fù)現(xiàn)實驗的時間。測控電路控制芯片中存有遠端的溫度傳感數(shù)據(jù)，先把半導(dǎo)體制冷器控制在由紅外傳感測出的人手的溫度，把半導(dǎo)體制冷器的溫度控制在人手的溫度值，在制熱時裝置不進行散熱以提高升溫速率。當(dāng)再現(xiàn)觸覺溫度比人手溫度高時，控制冷卻液、氣切換，使空氣進入交換室空腔，當(dāng)人手放在半導(dǎo)體制冷器上時，控制半導(dǎo)體制冷器兩端的直流電極方向可使半導(dǎo)體制冷器制熱或者制冷，根據(jù)控制芯片的溫度傳感數(shù)據(jù)實時控制半導(dǎo)體制冷器的溫度讓實驗者感受到溫度的變化過程；當(dāng)再現(xiàn)觸覺溫度比人手溫度低時，控制冷卻液氣切換，使冷卻液進入交換室空腔，當(dāng)人手放在半導(dǎo)體制冷器上時，控制半導(dǎo)體制冷器兩端的電極方向使半導(dǎo)體制冷器制冷，根據(jù)控制芯片的溫度傳感數(shù)據(jù)實時控制半導(dǎo)體制冷器的溫度讓實驗者感受到溫度的變化過程。整個裝置實現(xiàn)快速升溫和快速降溫，可虛擬再現(xiàn)不同物體的熱特性。本發(fā)明裝置的發(fā)明點在于可以通過冷卻液、氣互換系統(tǒng)改變溫度再現(xiàn)裝置的熱容量，制冷交換介質(zhì)采用冷卻液、氣，熱交換器件包括氣、冷卻液泵和半導(dǎo)體制冷器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于1、人可以通過溫度觸覺再現(xiàn)裝置對遠程或虛擬環(huán)境傳感手所接觸到的熱容量進行溫度觸覺再現(xiàn)，使其產(chǎn)生溫度觸覺臨場感、沉浸感；2、采用變熱容的方法提高了溫度觸覺再現(xiàn)裝置的升溫和降溫的速率，擴大溫度觸覺再現(xiàn)裝置再現(xiàn)物體熱特性的種類；3、輻射式溫度傳感器可以實現(xiàn)高速、高精度非接觸式溫度測量；4、可以大大減小溫度觸覺再現(xiàn)裝置進行重復(fù)實驗所需要的時間；5、快速的溫度變化速率，升溫速度優(yōu)于10°C/s,降溫速率優(yōu)于_5°C/S。6、本裝置整體用于再現(xiàn)遠程的溫度數(shù)據(jù)，遠程溫度傳感數(shù)據(jù)(隨著時間變化的溫度數(shù)據(jù))已存儲在近端的控制芯片上。近端的控制電路根據(jù)存儲的溫度傳感數(shù)據(jù)對半導(dǎo)體制冷器進行溫度控制，為更好地控制半導(dǎo)體制器的溫度，使用紅外溫度傳感器對近端的半導(dǎo)體制冷器進行溫度測量，并把測量的數(shù)據(jù)反饋給控制芯片形成一個閉環(huán)控制。圖1是半導(dǎo)體制冷器工作電流與冷端熱端的關(guān)系；圖2、3分別是本發(fā)明裝置的總體結(jié)構(gòu)圖及原理框圖；圖4是本發(fā)明裝置中散熱器的交換系統(tǒng)框圖；圖5是本發(fā)明裝置中散熱器的交換室；圖6是冷卻液、氣切換示意圖。具體實施例方式參看圖2、3，本發(fā)明可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置，設(shè)有半導(dǎo)體制冷器4、散熱器、兩個紅外溫度傳感器2、3及測控電路1，以半導(dǎo)體制冷器(采用雙層的半導(dǎo)體制冷器，在同樣的環(huán)境下雙層半導(dǎo)體制冷器的性能要比單層的半導(dǎo)體制冷器的性能提高一倍)作為溫度控制及人手感知的核心，其中半導(dǎo)體制冷器1系由通有直流電的P-N結(jié)構(gòu)成，具有冷、熱兩個端面；散熱器包括設(shè)有空腔(空腔用于冷卻液或者空氣的流動以便半導(dǎo)體制冷器在制冷的時候可以帶走熱量)的交換室10(由支撐板9固定在主板1上)以及冷卻液(可采用水)、氣兩路交換系統(tǒng)，冷卻液交換系統(tǒng)系由設(shè)置的冷卻液槽11通過管道向交換室10空腔進冷卻液，交換室10通過出冷卻液管道與冷卻液槽11連通；氣路交換系統(tǒng)系由與交換室10空腔連通的進、出氣管道交換空氣；冷卻液、氣兩路交換系統(tǒng)中的管道上均分別設(shè)有電磁閥5、8及泵7、6，電磁閥5、8及泵7、6與測控電路的輸出控制信號連接；測控電路(設(shè)置在主板1上)含有公知的電源電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，信號調(diào)理電路及控制芯片，控制芯片控制整個裝置的運行，兩個紅外溫度傳感器2、3置于半導(dǎo)體制冷器4上端面一側(cè)，分別采集人手和半導(dǎo)體制冷器的溫度并輸入至測控電路，半導(dǎo)體制冷器4下端面與交換室10貼合，構(gòu)成接觸傳遞熱量。參看圖4、5、6，散熱器的交換室10為空腔結(jié)構(gòu)，設(shè)有進、出氣口12、14和冷卻液進、出口13、15，它們分別與管道、冷卻液槽11及空氣連通后，在相應(yīng)管道中設(shè)置的電磁閥和泵的控制下，根據(jù)需要實現(xiàn)進入交換室10的冷卻液、氣切換，改變了熱容量。權(quán)利要求一種可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置，其特征在于設(shè)有半導(dǎo)體制冷器、散熱器、溫度傳感器及測控電路，以半導(dǎo)體制冷器作為溫度控制及人手感知的核心，其中半導(dǎo)體制冷器系由通有直流電的P-N結(jié)構(gòu)成，具有冷、熱兩個端面；散熱器包括設(shè)有空腔的交換室以及冷卻液、氣兩路交換系統(tǒng)，冷卻液交換系統(tǒng)系由設(shè)置的冷卻液槽通過管道向交換室空腔進冷卻液，交換室通過出冷卻液管道與冷卻液槽連通；氣路交換系統(tǒng)系由與交換室空腔連通的進、出氣管道交換空氣；冷卻液、氣兩路交換系統(tǒng)中的管道上均分別設(shè)有電磁閥及泵，電磁閥及泵與測控電路的輸出控制信號連接；測控電路含有公知的電源電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，信號調(diào)理電路及控制芯片；設(shè)有兩個溫度傳感器，分別采集人手和半導(dǎo)體制冷器的溫度并輸入至測控電路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置，其特征在于兩個溫度傳感器均為輻射式紅外傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置，其特征在于半導(dǎo)體制冷器采用雙層的半導(dǎo)體制冷器結(jié)構(gòu)。全文摘要一種可變熱容的溫度觸覺再現(xiàn)裝置，設(shè)有半導(dǎo)體制冷器、散熱器、溫度傳感器及測控電路，以半導(dǎo)體制冷器作為溫度控制及人手感知的核心，其中半導(dǎo)體制冷器系由通有直流電的P-N結(jié)構(gòu)成，具有冷、熱兩個端面；散熱器包括設(shè)有空腔的交換室以及冷卻液、氣兩路交換系統(tǒng)，冷卻液交換系統(tǒng)系由設(shè)置的冷卻液槽通過管道向交換室空腔進冷卻液，交換室通過出冷卻液管道與冷卻液槽連通；氣路交換系統(tǒng)系由與交換室空腔連通的進、出氣管道交換空氣；冷卻液、氣兩路交換系統(tǒng)中的管道上均分別設(shè)有電磁閥及泵，電磁閥及泵與測控電路的輸出控制信號連接；測控電路含有公知的電源電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，信號調(diào)理電路及控制芯片；設(shè)有兩個溫度傳感器，分別采集人手和半導(dǎo)體制冷器的溫度并輸入至測控電路。文檔編號G05D23/19GK101799694SQ20101010401公開日2010年8月11日申請日期2010年2月1日優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日發(fā)明者吳劍進,吳劍鋒,周連杰,宋愛國,李建清,蔡鳳,陳從顏申請人:東南大學(xué)