温度复现装置的穿戴式结构及穿戴式温度复现装置

摘要

本发明公开了一种温度复现装置的穿戴式结构，包括支架组件以及沿所述支架组件滑动的温度复现单元；所述支架组件包括横梁、设置在所述横梁两端的支撑架、固定在所述横梁表面的卡槽以及与支撑架配合的绑带；所述温度复现单元包括半导体制冷器、设置在所述半导体制冷器内部容置空间里的温度传感器、与半导体制冷器一个表面贴合的散热器，以及与所述散热器固定连接的弹簧片；弹簧片的另一端与所述卡槽固定连接。本发明便于穿戴于四肢，可用于对人体进行温度觉感知的研究；温度复现单元数量、距离可调，且能够紧密贴合于人体皮肤表面，使人体能够对温度复现单元复现出的温度进行良好地感知。

说明书

技术领域

本发明涉及触觉再现技术，尤其是一种温度复现装置的穿戴式结构及穿戴式温度复现装置。

背景技术

目前，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，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。

国内外在温度触觉感知与再现装置方面，大多数是基于单热源的温度触觉再现装置，基于多热源的装置其复现单元大多为位置固定不可调，而且可穿戴的大多为指戴式装置。这样的话人体感知部位就局限在手指端，无法利用人体其他部位进行温度触觉的感知，对人体皮肤温度觉特性的研究产生了限制。

有人采用电加热丝加热，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，造成部分能量浪费，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

发明目的：本发明要提供一种温度复现装置的穿戴式结构，用以克服现有技术的复现单元的位置不可调节和安装位置局限性较大的缺点。本发明进一步提供了穿戴式温度复现装置。

技术方案：一种温度复现装置的穿戴式结构，包括支架组件以及沿所述支架组件滑

动的温度复现单元；所述支架组件包括横梁、设置在所述横梁两端的支撑架、固定在所述横梁表面的卡槽以及与支撑架配合的绑带；所述温度复现单元包括半导体制冷器、设置在所述半导体制冷器内部容置空间里的温度传感器、与半导体制冷器一个表面贴合的散热器，以及与所述散热器固定连接的弹簧片；弹簧片的另一端与所述卡槽固定连接。

本发明进一步提供了一种穿戴式温度复现装置，包括穿戴式结构和温度控制系统，所述穿戴式结构包括支架组件以及沿所述支架组件滑动的温度复现单元；所述支架组件包括横梁、设置在所述横梁两端的支撑架、固定在所述横梁表面的卡槽以及与支撑架配合的绑带；所述温度复现单元包括半导体制冷器、设置在所述半导体制冷器内部容置空间里的温度传感器、与半导体制冷器一个表面贴合的散热器，以及与所述散热器固定连接的弹簧片；弹簧片的另一端与所述卡槽固定连接；

 所述温度控制系统包括ARM处理器以及与所述ARM处理器连接的电源模块、触摸屏、通信模块、温度采集模块、调压换向模块和控制采集接口；

所述温度采集模块用于采集温度传感器的当前温度信息，温度控制系统根据当前温度信息判断需要升高温度还是降低温度，并向所述调压换向模块发出控制信号，控制半导体制冷器的工作状态。

有益效果：本发明可以方便地安装在动物体的四肢上，且温度复现单元的位置可调，能够实现恒定温度的复现和温度波形的复现，而且耗能低。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的可穿戴装置的示意图；

图3a和图3b是本发明的温度复现单元的示意图；

图4a至图4c本发明散热器的示意图，图4d至图4e是本发明半导体制冷器的示意图，图4f是本发明弹簧片的示意图；

图5a至图5f是本发明可穿戴装置分解示意图；

图6a至图6d是本发明的温度复现单元、支架及配合关系示意图。

具体实施方式

本发明的穿戴式温度复现装置主要有穿戴式结构和温度控制系统，穿戴式结构由支撑架、横梁、卡槽、垫片、绑带以及温度复现单元组成，其中温度复现单元包括半导体制冷器、散热器、弹簧片以及温度传感器，半导体制冷器的下表面紧贴散热器的导热面，并通过两根扎带将半导体制冷器和散热器固定在一起，温度传感器内嵌在半导体制冷器内部凹槽内，散热器的两个侧面各有一圆形通孔，弹簧片为直角状，其侧面有一圆形通孔，上表面开有一条形孔，螺栓穿过弹簧片和散热器侧面的圆形通孔并配合螺母将弹簧片和散热器固定在一起；支撑架侧面开有一梯形通孔，其上表面开有两个圆形通孔，下表面为一弧面，横梁的上表面开有两个圆形通孔、两个小条形孔、一个长条形滑槽，螺栓穿过横梁和支撑架上表面的圆形通孔并配合螺母将横梁和支架固定在一起；垫片的上表面有一圆形通孔，一块垫片的下表面与横梁的上表面紧贴在一起，另一块垫片的上表面与卡槽的下表面紧贴在一起；卡槽的上表面有一长方形凹槽，凹槽上又有一圆形通孔，其上表面与横梁的下表面紧贴在一起；复现单元的弹簧片卡在卡槽与横梁之间，螺栓通过垫片的圆形通孔、横梁的长条形滑槽、弹簧片上表面的条形孔、卡槽上的圆形通孔，并配合螺母将垫片、横梁、卡槽紧密贴合在一起，同时，复现单元通过两侧的弹簧片悬挂于螺栓上；绑带穿过横梁上的条形孔将复现装置固定在人体上；控制系统为基于ARM微处理器的嵌入式Linux系统及外围电路，包括电源模块、核心板、触摸屏、通信模块、温度采集模块、调压换向模块以及控制采集接口。

实施案例

如图1所示，本发明的穿戴式温度复现装置由温度控制系统200和穿戴式结构100组成，控制系统200设有电源模块220、处理控制器210、触摸屏230、通信模块240、温度采集模块250、调压换向模块260和控制采集接口270；电源模块220给整个控制系统供电，显示模块（触摸屏）230提供人机接口供操作者进行操作，通信模块240提供了装置与虚拟现实场景以及远程客户端通信的接口，温度采集模块250可以采集温度传感器的温度信号，调压换向模块260则可以控制温度发生器件产生温度信号。

如图2~图6d所示，本发明的温度复现装置的支架组件110由横梁111、支撑架112、卡槽114、垫片4和绑带115组成。其中本发明还包括温度复现单元120。该温度复现单元120包括半导体制冷器121、温度传感器122、散热器123以及弹簧片124。半导体制冷器121的下表面14紧贴散热器123的导热面16，通过两根扎带15将半导体制冷器121和散热器123固定在一起。温度传感器122内嵌在半导体制冷器121的内部凹槽37内，散热器123的两个侧面17各有一圆形通孔18，弹簧片124为直角状或L状，其侧面19有一圆形通孔22，上表面开有一条形孔21，螺栓11穿过弹簧片124和散热器123侧面的圆形通孔并配合螺母12将弹簧片和散热器固定在一起。支撑架的侧面30上开有一梯形通孔32，其上表面28上开有两个圆形通孔，下表面29为一弧面。横梁111的上表面23上开有两个圆形通孔24、两个小条形孔25、一个长条形滑槽26，螺栓11穿过横梁和支撑架上表面的圆形通孔并配合螺母将横梁和支架固定在一起；垫片的上表面40有一圆形通孔38，一块垫片的下表面39与横梁的上表面23紧贴在一起，另一块垫片的上表面40与卡槽的下表面34紧贴在一起；卡槽的上表面33有一长方形凹槽35，凹槽上又有一圆形通孔36，其上表面与横梁的下表面27紧贴在一起；复现单元的弹簧片卡在卡槽与横梁之间，螺栓通过垫片的圆形通孔、横梁的长条形滑槽、弹簧片上表面的条形孔、卡槽上的圆形通孔，并配合螺母将垫片、横梁、卡槽紧密贴合在一起，同时，复现单元通过两侧的弹簧片悬挂于螺栓上；绑带穿过横梁上的条形孔25将复现装置固定在人体上。弹簧片与散热器配合，而弹簧片设置在卡槽上的凹槽中，通过调节卡槽的位置，可以实现温度复现单元在垂直于横梁的方向上运动。也就是说，本发明中的温度复现单元可以在两个方向上运动。不同的温度复现单元由于贴近人体的位置不同，可能凹凸不同，通过调节温度复现单元的位置，可以使之更紧密地贴近人体，从而实现更加精确地复现。

在上述实施例或其他实施例中，温度复现单元的数量最多为3个，沿横梁的纵向滑行，复现单元的宽度不大于30mm，且各复现单元之间的距离可调，两个复现单元之间的距离不大于185mm。温度控制系统将温度复现单元的温度控制在0到60℃之间，且温度复现单元具有波形复现功能，其升降温速率的升温速度可达10℃/s，降温速度可达-5℃/s。装置中温度复现单元中的弹簧片厚度小于0.4mm。

为了使半导体制冷器和散热器之间有良好地导热效果，在温度复现单元中半导体制冷器和散热器之间设有导热介质，并使用硅橡胶将温度传感器密封在半导体制冷器内部，削弱外界热流对温度传感器工作状态的影响。为了使复现单元能够正好悬挂于螺栓上，所述的卡槽上表面的条形孔的宽度等于螺栓的直径。所述卡槽上表面的条形孔的长度大于螺栓的直径，又由于弹簧片的弹性，在垂直于人体皮肤表面的方向上，复现单元的位置可以进行微调，使得复现装置能够和人体皮肤表面较好的接触。支撑架的下表面为圆弧状，同时配备了两条绑带，这就确保了装置可以与人体皮肤完好接触。所述的复现单元的数量可以为单个也可以为多个，并可以通过调节垫片处的螺栓与螺母的松紧实现复现单元沿横梁上滑槽方向的滑行，从而调节了复现单元之间的距离。

总之，该温度复现装置便于穿戴于四肢，可用于对人体进行温度觉感知的研究；温度复现单元可紧密贴合于人体皮肤表面，使人体能够对温度复现单元复现出的温度进行良好地感知；该温度复现单元数量可更改，距离可调，且当温度复现单元的数量为2个时可用于研究四肢皮肤温度触觉的时空分辨力，当温度复现单元的数量为3个可用于研究四肢的温度触觉的错觉效应；该温度复现装置选用尺寸较小的温度传感器，且该传感器可内嵌于半导体制冷器的凹槽内；该温度复现装置每个复现单元有单独的散热器件进行散热，且装置中的横梁及卡槽采用密度较小的金属材料制成，使装置有良好的散热效果；该温度复现装置可以将温度限定在0至60℃之间，防止皮肤被烫伤或冻伤，可进行波形复现，且升温速度可达10℃/s，降温速度可达-5℃/s；该温度复现装置的多个复现单元可同时作用于人体某块皮肤上，对不同复现单元上复现的温度信息进行编码，可以实现对虚拟现实场景或远端不同种类信息的表达。

 工作原理：温度控制的实现：当操作者通过触摸屏输入所需复现的温度值后，控制板首先从温度传感器读取当前温度值，将其与所设温度值比较后，得出需要进行升温还是降温，随后向调压换向模块发出相应的信号，调压换向电路随即控制半导体制冷器进行升降温工作，直到温度传感器返回值达到所设值。

温度觉信息的表达：需要表达热觉信息时，一开始将温度复现单元的温度控制到人体感知的模糊区，然后控制温度复现单元工作，使温度复现单元与人体接触的表面制热，持续一段时间后，再将温度复现单元的温度控制到人体感知的模糊区；表达冷觉信息时，只需在控制温度复现单元工作时使通过半导体制冷器的电流反响即可。

虚拟现实场景信息的获取：控制系统通过通信模块接收到远端传来的信息并解码后，得到需要对复现单元进行的温度控制方式，随后对不同复现单元进行温度控制以达到所需效果。