一種寬幅摩擦力控制觸覺(jué)再現(xiàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及觸覺(jué)再現(xiàn)人機(jī)交互領(lǐng)域，尤其涉及一種寬幅摩擦力控制觸覺(jué)再現(xiàn)裝置 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和力觸覺(jué)等各種感知系統(tǒng)中，力觸覺(jué)提供了人類與 環(huán)境之間雙向的信息交互渠道，形成其他感知系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的各種主動(dòng)性行為（如觸摸感 知物體、操作工具和探索環(huán)境等），因而具有獨(dú)特的重要地位。目前，觸覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)主要有： 基于振動(dòng)的觸覺(jué)再現(xiàn)、基于力反饋設(shè)備的觸覺(jué)再現(xiàn)、基于陣列的觸覺(jué)再現(xiàn)等。
[0003] 基于振動(dòng)的信息表達(dá)是目前普遍使用的觸覺(jué)再現(xiàn)模式。各種振動(dòng)觸覺(jué)的致動(dòng)器 為手持設(shè)備引入觸覺(jué)振動(dòng)提供了一種解決方案，促進(jìn)觸覺(jué)再現(xiàn)的便攜性發(fā)展。一些研究 者使用這些致動(dòng)器用于生成各種振動(dòng)模式、觸覺(jué)圖標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)非視覺(jué)性信息的交流。Jussi Rantala等人利用振動(dòng)觸覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款能夠模擬不同觸摸姿勢(shì)的手持設(shè)備。但是，基于 振動(dòng)的觸覺(jué)再現(xiàn)是一種觸覺(jué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，其不夠直觀。
[0004] 力反饋設(shè)備主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中的作用力反饋，操作者使用力反饋設(shè)備與虛 擬物體交互作用時(shí)，力反饋設(shè)備可以阻止操作者的運(yùn)動(dòng)以避免穿刺交互。東南大學(xué)李佳璐 和宋愛(ài)國(guó)等基于Phantom手控器，提出了基于虛擬物體表面三維輪廓信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)紋理 觸覺(jué)再現(xiàn)的方法?；诹Ψ答伒挠|覺(jué)再現(xiàn)方法優(yōu)勢(shì)在于能在力覺(jué)再現(xiàn)的基礎(chǔ)上增加觸覺(jué)再 現(xiàn)，且無(wú)需另外設(shè)計(jì)用于觸覺(jué)再現(xiàn)的裝置。然而，該方法也有一定的缺點(diǎn)：操作范圍有限、體 積笨重、價(jià)格昂貴、設(shè)備的固有性和系統(tǒng)穩(wěn)定性易影響觸覺(jué)再現(xiàn)性能等。
[0005] 相對(duì)與使用力反饋設(shè)備來(lái)獲得觸覺(jué)再現(xiàn)而言，采用陣列式的結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建觸覺(jué)再現(xiàn) 設(shè)備是最直接的方法，因而一直受到人們的關(guān)注。早期的陣列式觸覺(jué)再現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)靈感 來(lái)源于點(diǎn)陣式打印機(jī)和盲文系統(tǒng)，它們的驅(qū)動(dòng)方法各有不同，有使用形狀記憶合金、有使用 氣壓系統(tǒng)的、也有使用音圈激勵(lì)的。德國(guó)亞琢工業(yè)大學(xué)的Weiss和Wacharamanotham等利 用貼在操作者手指上的永磁鐵和電磁激勵(lì)構(gòu)建了FingerFlux系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的電磁激勵(lì) 采用了Madgets表的設(shè)計(jì)思想，即利用一個(gè)19X12的離散電磁鐵網(wǎng)格來(lái)合成一個(gè)電磁場(chǎng) 二維矩陣（其中每個(gè)電磁鐵包含3500阻的銅線）。此外，加拿大McGill大學(xué)的Haywardy 等設(shè)計(jì)的名為"LATER0"裝置，其利用可側(cè)向移動(dòng)的探針陣列來(lái)獲得觸覺(jué)感知，他們說(shuō)設(shè)計(jì) 的探針陣列估摸為6X10,分辨率高達(dá)I. 8X1. 2_。陣列式觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于比較 直觀、能主動(dòng)對(duì)操作者施加觸覺(jué)刺激，但是它也有一定的局限性：受工藝和技術(shù)水平限制、 功耗和成本1?、難以微型化等。
[0006] 法國(guó)的里爾科技技術(shù)大學(xué)申請(qǐng)的名為"振動(dòng)觸覺(jué)界面"的專利中（專利號(hào)為： CN101632054A)，其所提到的振動(dòng)觸覺(jué)界面是通過(guò)減小操作者手指與觸覺(jué)界面之間的摩擦 力系數(shù)來(lái)再現(xiàn)精細(xì)的紋理觸覺(jué)的。這種觸覺(jué)界面僅采用了空氣壓膜效應(yīng)原理，僅能實(shí)現(xiàn)單 一方向的摩擦力系數(shù)調(diào)節(jié)。此外，同一時(shí)刻觸覺(jué)界面上各點(diǎn)的摩擦力系數(shù)相同，不能實(shí)現(xiàn)面 板表面的多點(diǎn)觸控。
[0007] 在senseg公司申請(qǐng)的名為"感官刺激的方法與裝置"的專利（專利號(hào)為 US7982588B2)中，所提到的觸覺(jué)界面是基于電致振動(dòng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該觸覺(jué)面板的表面有 一層以靜電為主的系統(tǒng)，可以仿真出不同的粗糙度和阻力，產(chǎn)生不同的紋理觸覺(jué)。基于電致 振動(dòng)效應(yīng)的觸覺(jué)再現(xiàn)設(shè)備功耗低、可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，但是只能實(shí)現(xiàn)摩擦力系數(shù)的增大。
[0008] 南京航空航天大學(xué)申請(qǐng)的名為"基于雙向摩擦力控制的觸覺(jué)再現(xiàn)裝置及觸覺(jué)再現(xiàn) 方法"的專利（專利號(hào)為：CN104063054A)中，所提到的觸覺(jué)界面是將電致振動(dòng)效應(yīng)原理與 空氣壓膜效應(yīng)原理相結(jié)合。該觸覺(jué)面板采用在表面加工電極陣列以及在面板下方粘貼壓電 陶瓷的方法實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)再現(xiàn)，電極陣列包括若干電極組，每個(gè)電極組中不同電極之間存在高 度差，可以實(shí)現(xiàn)摩擦力系數(shù)的雙向調(diào)節(jié)。這種觸覺(jué)界面采用的電極陣列不易于加工，而且摩 擦力系數(shù)的調(diào)節(jié)范圍不夠?qū)挿骸?br>[0009] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的觸覺(jué)再現(xiàn)裝置融合了空氣壓膜效應(yīng)、電致振動(dòng)效應(yīng)以及電磁力控 制三種原理，既能實(shí)現(xiàn)雙向的摩擦力系數(shù)調(diào)節(jié)，又能實(shí)現(xiàn)摩擦力系數(shù)的微調(diào)，而且摩擦力系 數(shù)的可調(diào)范圍更加寬泛。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦力調(diào)節(jié)范圍幅度更為寬廣、摩 擦力系數(shù)調(diào)節(jié)更為細(xì)致的觸覺(jué)再現(xiàn)模式。因此，本裝置與以上三種觸覺(jué)界面有著本質(zhì)的區(qū) 別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)【背景技術(shù)】中的缺陷，提供一種寬幅摩擦力控制 觸覺(jué)再現(xiàn)裝置及方法。
[0011] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：
[0012] 一種寬幅摩擦力控制觸覺(jué)再現(xiàn)裝置，包含觸覺(jué)再現(xiàn)模塊、壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)生成 模塊、電極陣列激勵(lì)信號(hào)生成模塊、電磁鐵陣列激勵(lì)信號(hào)生成模塊、手指位置檢測(cè)模塊、粘 貼于操作者手指背上的永磁鐵以及中央控制模塊；
[0013] 所述觸覺(jué)再現(xiàn)模塊包含觸覺(jué)面板、透明電極陣列模塊、壓電陶瓷陣列模塊、電磁鐵 陣列模塊、顯75模塊和殼體；
[0014] 所述觸覺(jué)面板為透明的、剛性的矩形板；所述透明電極陣列模塊設(shè)置在觸覺(jué)面板 上；所述壓電陶瓷陣列模塊固定在觸覺(jué)面板的下表面和殼體之間；所述電磁鐵陣列固定在 顯示模塊下方；所述顯示模塊固定在觸覺(jué)面板的正下方，且與觸覺(jué)面板之間留出足夠觸覺(jué) 再現(xiàn)模塊振動(dòng)的空間；
[0015] 所述壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)生成模塊和壓電陶瓷陣列模塊電氣相連，所述電極陣列激 勵(lì)信號(hào)生成模塊和透明電極陣列模塊電氣相連，所述電磁鐵陣列激勵(lì)信號(hào)生成模塊和電磁 鐵陣列模塊電氣相連，所述中央控制模塊分別和壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)生成模塊、電極陣列激 勵(lì)信號(hào)生成模塊、電磁鐵陣列激勵(lì)信號(hào)生成模塊、顯示模塊、手指位置檢測(cè)模塊電氣相連；
[0016] 所述壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)生成模塊用于產(chǎn)生壓電陶瓷陣列模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
[0017] 所述電極陣列激勵(lì)信號(hào)生成模塊用于產(chǎn)生透明電極陣列模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
[0018] 所述電磁鐵陣列激勵(lì)信號(hào)生成模塊用于產(chǎn)生電磁鐵陣列的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
[0019] 所述顯示模塊用于顯示虛擬物體；
[0020] 所述手指位置檢測(cè)模塊用于檢測(cè)人手指位置；
[0021] 所述中央控制模塊用于控制壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)生成模塊、電極陣列激勵(lì)信號(hào)生成 模塊、電磁鐵陣列激勵(lì)信號(hào)生成模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制手指位置檢測(cè)模塊獲取操作者手 指位置，以及控制顯示模塊顯示虛擬物體。
[0022] 作為本發(fā)明一種寬幅摩擦力控制觸覺(jué)再現(xiàn)裝置進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述顯示模塊 采用液晶顯示模塊。
[0023] 作為本發(fā)明一種寬幅摩擦力控制觸覺(jué)再現(xiàn)裝置進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述殼體采用 硬質(zhì)海綿。
[0024] 作為本發(fā)明一種寬幅摩擦力控制觸覺(jué)再現(xiàn)裝置進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述永磁鐵為 扁圓柱形銣磁鐵。
[0025] 作為本發(fā)明一種寬幅摩擦力控制觸覺(jué)再現(xiàn)裝置進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述透明電極 陣列包含至少兩層透明電極陣列層，且每層透明電極陣列層上均加工有絕緣層。
[0026] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種根據(jù)該寬幅摩擦力控制觸覺(jué)再現(xiàn)裝置的再現(xiàn)方法，包含以下 步驟：
[0027] 步驟1)獲取操作者手指位置，根據(jù)當(dāng)前再現(xiàn)的觸覺(jué)模式計(jì)算生成手指位置處所 需的等效摩擦力系數(shù)值U;
[0028] 步驟2)獲取透明電極陣列模塊的上表面的初始摩擦力系數(shù)yO、透明電極陣列 模塊所能增大的最大摩擦力系數(shù)AUev、壓電陶瓷陣列模塊所能減小的最大摩擦力系數(shù) AUsqz、以及電磁鐵陣列模塊所能增大或減小的最大摩擦力系數(shù)A
[0029] 步驟3)若iiG[ii0,ii0+AUEV]，控制透明電極陣列模塊，產(chǎn)生電致振動(dòng)效應(yīng)， 增大操作者手指與透明電極陣列模塊的上表面之間的摩擦力系數(shù)至U;
[0030] 步驟4)若i!G[iiO-AUSQZ，U0]，控制壓電陶瓷陣列模塊，產(chǎn)生空氣壓膜效應(yīng)， 減小操作者手指與透明電極陣列模塊的上表面之間的摩擦力系數(shù)至U;
[0031] 步驟5)若iiG|> 〇+AiiEV,ii0+AiiEV+AiiIttJ,首先控制電磁鐵陣列模塊 與永磁鐵之間產(chǎn)生吸引力，使操作者手指與透明電極陣列模塊的上表面之間的摩擦力系數(shù) 增大到最大，然后控制透明電極陣列模塊將操作者手指與透明電極陣列模塊的上表面之間 的摩擦力系數(shù)增大至U;
[0032]步驟6)若iiG|> 〇-Ai! SQZ-Ai!Itte,i!O-Ai! SQZ],首先控制電磁鐵陣列模塊 與永磁鐵之間產(chǎn)生排斥力，使其將操作者手指與透明電極陣列模塊的