復合帕爾貼熱觸覺復現(xiàn)裝置的研究

王煒　陳從顏

摘 要：當前，熱觸覺的研究越來越受到重視。本文使用雙重熱源代替單熱源，建立二階溫度模型，來復現(xiàn)手指接觸到多種不同物質(zhì)時的溫度變化情況。本裝置以TI公司的雙核芯片OMAP-L138為主控制器，該芯片由ARM9-AM1808和DSP-C6748構(gòu)成。雙核之間通過DSPLINK進行相互通信。比之單熱源系統(tǒng)，雙重熱源系統(tǒng)具有更好的升降溫速率和抗干擾性，能更好的復現(xiàn)熱觸覺。

關(guān)鍵詞：熱觸覺；雙重熱源；雙核系統(tǒng)；抗干擾性

一、 引言

自從人們發(fā)明了電視、電話等工具之后，遠地方之間的通信變得越來越方便。然而，在目前的通信工程中，只能傳輸音頻和視覺信息，而觸覺、嗅覺和味覺都還不能夠被傳輸[1]。觸覺作為第三種多媒體信息載體，實現(xiàn)它的傳輸以進一步增強通信的真實感越來越有必要。熱觸覺是在接觸過程中產(chǎn)生的溫度覺，主要是指當皮膚接觸到物體時，由于溫度覺感受器的溫度變化所引起的溫度覺變化而產(chǎn)生的感覺。實現(xiàn)熱觸覺的復現(xiàn)可以幫助人們區(qū)分不同熱屬性的物體，體驗到在虛擬環(huán)境下逼真的冷熱感，還可以幫助人們合理地規(guī)避極端冷或極端熱的危險，實現(xiàn)導航功能。

本文針對熱觸覺的以上功能，研制了一種新型的復合帕爾貼熱觸覺復現(xiàn)裝置。該裝置以手指接觸到不同熱屬性的物質(zhì)，其表面溫度變化理論模型為原理，通過在半導體制冷器表面產(chǎn)生一定的溫度波形來實現(xiàn)溫度觸覺的復現(xiàn)。

二、 溫度復現(xiàn)模型

一般情況下，手指皮膚的溫度處于25 ℃到36 ℃的范圍內(nèi)，通常要比周圍環(huán)境中遇到的物體的溫度要高。當手指皮膚和物體接觸時，兩者之間所發(fā)生的熱交互是瞬態(tài)變化的，實質(zhì)為熱流量從溫度高的手指傳導到溫度低的物體上，表現(xiàn)形式為溫度的變化[2]。熱量通過接觸界面從手指流向物體，而接觸界面對熱量的流動具有一定的阻礙作用，我們將這種阻礙能力定義為接觸熱阻。

三、 復合帕爾貼熱觸覺復現(xiàn)裝置

復合帕爾貼熱觸覺復現(xiàn)裝置主要由電源模塊、微控制器模塊、溫度測量模塊、雙層帕爾貼模塊和制冷制熱切換模塊組成。電源模塊為系統(tǒng)的其他模塊提供所需的電壓。微控制器模塊負責整個裝置狀態(tài)的控制以及數(shù)據(jù)量的讀取和處理，并最終給出所需的控制量，是整個系統(tǒng)裝置的核心部分。溫度測量模塊負責測量手指溫度、上層帕爾貼溫度和下層帕爾貼溫度。雙層帕爾貼模塊作為裝置的雙重熱源，均具有升溫和降溫的功能，并且流經(jīng)它們的電流被微控制器所控制著。制冷制熱切換模塊負責控制雙層帕爾貼模塊，包括啟動、制冷、制熱和關(guān)閉。

（一）微控制器

由于熱觸覺對于計算量有著很高的要求，并且溫度瞬間變化具有很強的敏感性，這就要求系統(tǒng)控制器能夠?qū)崟r讀取溫度值，并且對這些數(shù)據(jù)快速計算處理，給出控制參數(shù)。我們考慮使用ARM+DSP的雙核芯片來作為系統(tǒng)的主控制器。OMAP-L138就是這樣一款低功耗，兼具DSP的高數(shù)字信號處理性能和精簡指令計算機（RISC）技術(shù)的雙核處理器[4]。其中ARM上運行Linux操作系統(tǒng)，負責非實時性的任務，本系統(tǒng)中即是負責人機交互、讀取傳感器測得的數(shù)據(jù)、向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)等任務；DSP上運行DSP/BIOS操作系統(tǒng)，負責高強度的數(shù)據(jù)實時處理計算，本系統(tǒng)中即是循環(huán)地接收從ARM傳來的數(shù)據(jù)，進行計算處理。雙核之間通過DSPLINK進行相互通信。

核心板的尺寸為55mm*33mm，額定輸入電壓為5V，額定輸入電流為280mA，額定功率只為1.4W。

（二）溫度傳感電路

由于手指與上層帕爾貼、上層帕爾貼與下層帕爾貼之間都是緊密接觸，所以需要接觸式溫度傳感器來測量溫度，本文選擇自制的薄膜式鉑絲電阻溫度傳感器來測量溫度。

鉑電阻在0℃的標稱電阻值是100Ω，其穩(wěn)定性和線性都比較好，可以工作在-200℃至650℃的范圍。其電阻阻值與溫度的變化關(guān)系為： （9）

其中α=0.00392，R0為100Ω（在0℃的電阻值），T為攝氏溫度。

兩個鉑絲電阻與另外兩個高精度的100Ω的電阻形成橋路，差動放大后的輸出電壓經(jīng)AD620AN調(diào)理放大后，交由與主板相連的AD7606進行數(shù)據(jù)的采集，最后由主板計算出溫度的大小。

（三）帕爾貼

帕爾貼，又稱半導體制冷片，是一種熱電轉(zhuǎn)換裝置。當有電流經(jīng)過時，除了產(chǎn)生焦耳熱之后，它的一端會制冷，另一端會制熱，這種現(xiàn)象被稱為帕爾貼效應。制冷端吸收的熱量為。其中分別代表單位時間帕爾貼冷端吸收的熱量、塞貝克系數(shù)、流經(jīng)帕爾貼的電流和帕爾貼熱端的溫度。

雙層帕爾貼的連接方式類似于并聯(lián)，上層帕爾貼的制熱端與下層帕爾貼的制冷端用導熱硅膠黏合在一起，并與其中放置一個鉑絲溫度傳感器。與并聯(lián)不同的是，兩層帕爾貼分別有著不同的輸入電流。

（四）制冷制熱切換裝置

我們使用TA7257P來實現(xiàn)帕爾貼制冷制熱切換，其功能特性[5]：

1.TA7257P為全橋式結(jié)構(gòu)的電流電動機控制器，具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止及剎車功能；

2.操作電壓范圍6V～18V；

3.輸出平均電流可達1.5A，峰值電流可達4.5A；

四、 實驗

我們選取的復現(xiàn)的物質(zhì)包括鋁、不銹鋼、大理石、陶瓷、有機玻璃、紙板和泡沫。復合帕爾貼裝置復現(xiàn)這些不同熱屬性物質(zhì)的溫度波形的過程如下：溫度傳感器每隔200ms測量一次上層帕爾貼表面溫度，并將測量值發(fā)送給雙核處理器OMAP-L138，DSP-C6748按所需產(chǎn)生波形的要求，計算出測得值與理論值之間的差值，從而進一步計算出控制量電流I的大小。根據(jù)控制量電流I的大小調(diào)節(jié)帕爾貼兩端的電壓的有效值，控制帕爾貼的升降溫速率，從而達到上層帕爾貼表面輸出所需溫度波形的目的。

五、 結(jié)束語

本論文研發(fā)的復合帕爾貼虛擬環(huán)境熱觸覺復現(xiàn)裝置的軟硬件設計合理，數(shù)據(jù)采集正確，算法可靠，能夠很好地復現(xiàn)多種不同材料的熱觸覺。

參考文獻：

[1] 楊文珍， 高曙明， 萬華根，等. 基于人手指力學特性的虛擬手接觸力生成[J]. 浙江大學學報：工學版， 2009， 42（12）：2145-2150.

[2] 吳劍進. 溫度觸覺復現(xiàn)裝置的研制與應用[D]：[碩士學位論文]. 南京：東南大學儀器科學與工程學院，2011.