应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置及方法，属于多点静电力触觉再现装置及方法。包括：静电力控制器，阻抗检测单元，信号驱动单元以及触觉再现屏。所谓的触觉产生方法是阻抗检测单元测量系统阻抗，核心处理器根据阻抗值以及触觉反馈的需要控制波形产生电路产生驱动波形，利用信号驱动单元放大驱动波形，加载到触觉屏的导电极板阵列上，在多个手指上感应出不同的电荷分布，电荷之间的静电力使手指皮肤产生变形，从而使用户不同手指感受到不同的触觉感受。优点是：触觉反馈速度快，系统功耗低，实时性强，稳定度高，精度高，输出触觉反馈范围大，可以实现多点触觉反馈。
【专利说明】应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自适应多点静电力触觉再现装置及方法。
【背景技术】
[0002]触觉再现在人机交互和虚拟现实中都扮演着非常重要的角色，可以提供更真实的沉浸感，使用户的感受得到大幅度的提升。结合触觉感受，可以使虚拟现实变得更为自然，提高系统的稳定性和可靠性。目前，国内外有着多种触觉再现解决方案，如基于机械振动的触觉再现，基于磁悬浮的触觉再现以及基于静电力的触觉再现等。
[0003]基于机械振动的触觉再现是利用实际的机械振动来模拟触觉感受，可以实现较高的作用力输出和再现刚度，能够满足纹理再现所需的高精度，但功耗比较大且机械结构复杂昂贵。基于磁悬浮的触觉再现是通过磁悬浮技术来施加方向力和力矩，再现的触觉精度高，但是实现触觉的设备笨重，难以在移动终端设备上应用。
[0004]基于静电力的触觉再现技术是通过给覆盖有绝缘层的导电极板施加不同的驱动信号来产生不同触觉感受的技术。基于电触觉技术的研究是国际上研究触觉反馈的一大热点，属于前沿技术。与其他几种触觉再现解决方案相比，基于静电力的触觉再现有以下几方面的优势:
[0005]1、工作过程中驱动信号的电压高但是电流很小，系统功耗很低。
[0006]2、绝缘层和皮肤上感应电荷之间的作用力来使皮肤变形，没有机械移动，基本上没有噪声。
[0007]3、只有移动的手指才能感受到触觉力，系统中同一时刻只有一个手指移动时，可以实现多点交互。
[0008]4、装置尺寸小，结构简单，可以在移动终端设备上应用。
[0009]静电力触觉再现作为一种优点突出的触觉再现技术，一直受到关注。孙晓颖等在题为“一种基于静电力触觉再现的装置”的中国专利CN202694260U中公开了一种基于静电力的触觉再现技术。由手指跟踪单元检测手指在触觉屏上的位置，根据电信号与触觉力对应关系，生成表示相应触觉力的电信号参量，从而实现触觉再现。但是触觉再现信号不能根据实际情况进行自适应的改变，而且只能够实现单点的触觉再现。Ivan P0UPYREV等在题为 “Electrovibration for Touch Surfaces” 的美国专利 US2011/0285667A1 中公开了一种基于电震动的触觉再现交互技术，利用电荷间的库仑吸引力以及手指滑动产生的摩擦力来模拟触觉感受，给出了触觉反馈的原理及相关的初步实验，并没有给出具体的实现方法。Ville Makinen 等在题为“Techniques for Presenting Vehicle -related Information”的美国专利US8026798B2中提出了利用触觉再现装置呈现车辆相关信息的方法。给出了触觉再现面板在方向盘上的摆放方式以及所呈现的车辆相关信息的编码方式。可以通过触觉再现面板提供触觉感受的不同来给出车辆速度等信息。但这种方式仅能提供一些比较简单的可以量化的信息，并不能提供丰富的触觉感受。
【发明内容】
[0010]本发明提供一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置及方法，以解决目前触觉再现系统精度低、实时性差、稳定度不高以及不适合嵌入到便携设备中等问题。
[0011]本发明采取的方案是:一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置包括:
[0012]静电力控制器，包括核心处理器，采用直接频率合成技术输出相应的模拟波形，利用Matlab编程根据要求计算出相应的波形数据，存储在ROM表中，处理器将波形数据送到数模转换器中，可以输出等幅值的波形。每个周期的采样点数以及定时器的溢出频率共同决定输出波形的频率。使用有源低通滤波器对波形进行平滑处理，低通滤波器的通频带由电阻电容参数决定，在保证输出信号频率范围内增益一定的情况下，尽量减小低通滤波器的截止频率。有源低通滤波器可以对波形进行放大，放大倍数由输出和输入电阻的比值决定。利用数模转换器参考电压加波形的形式控制输出波形的幅度。数模转换器的参考电压取前一级的输出波形，通过改变控制字来改变输出波形的幅度。数模转换器的数字输入引脚和处理器的普通输入输出管脚直接连接，通过改变数字输入来改变对波形的衰减率，参考电压管脚接前一级的输出波形，当数字输入一定时，参考电压管脚的电压值改变，输出端的电压值也相应的改变，从而完成幅度控制的功能。
[0013]信号驱动单元，由集成运算放大器，射极跟随器电路以及晶体管放大电路构成，用于放大输出波形的幅度。集成运算放大器接成同向比例放大电路的形式，将输入电压等比例的放大，通过射极跟随器提高电路的负载能力，最后通过两级级联的晶体管放大电路将波形幅度进一步提高。晶体管放大电路的供电电源是通过直流直流升压模块来得到的。先将直流低电压通过555定时器转换成低幅值的交流电压，通过晶体管放大电路以及变压器进行升压，最后再进行整流滤波处理就可以得到相应的高电压。
[0014]阻抗检测单元，包括交流电流源、信号拾取器、信号放大器、信号解调器、模数转换器以及阻抗信号分析处理器，用于测量用户和地之间的阻抗，从而改变驱动信号的大小来保持触觉感受的一致，阻抗发生变化可以通过改变驱动波形的大小来使用户感受到的触觉感受保持不变，电路的电阻，人体的电阻，手指的湿度以及手指和设备的接触面积都影响整体阻抗，可以应用频率扫描的方式测量电路反馈来得到整体阻抗，用户和地之间的电势差不同，感受到的触觉感受也不同，改变驱动信号的直流偏置保证用户和地之间的电势差不变，从而保证触觉感受的一致。
[0015]触觉再现屏，包括玻璃底板、透明导电极板阵列和透明绝缘膜，用于实现多点触觉反馈；处理器将触觉再现驱动信号加载到触觉再现屏上，滑动的多个手指上感应出不同分布的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受。
[0016]本发明所述静电力控制器将不同波形的波形数据存储在存储器中，核心处理器将波形数据送给数模转换器，利用直接数字频率合成技术输出模拟波形。
[0017]一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现方法，包括下列步骤:
[0018]I)阻抗检测单元采用频率扫描的方式检测系统的阻抗，反馈给核心处理器。核心处理器建立频率与阻抗值的对应表；
[0019]2)核心处理器根据频率阻抗对应表利用波形产生电路及信号驱动单元生成相应参数的驱动波形；[0020]3)利用地址扫描的方式将生成的驱动波形加载到触觉再现导电极板阵列上，每个导电极板上加载的都是脉冲幅度调制信号；
[0021]4)触觉再现屏上滑动的多个手指感应出分布不同电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受；
[0022]本发明自适应触觉再现通过阻抗检测单元形成闭环控制来实现；阻抗检测单元测量手指接触导电极板的整体阻抗，从而改变驱动波形的参数来保持触觉感受的一致。
[0023]本发明多点触觉再现通过透明导电极板阵列来实现；同一个导电极板上加载的驱动信号是相同的，提供的触觉反馈也是相同的；通过给导电极板阵列中不同导电极板提供不同的驱动信号可以实现多点触觉再现，而且可以使手指的不同位置感受到不同的触觉感受。
[0024]本发明频率阻抗对应表通过频率扫描的方式来建立；触觉再现模型可以等效为电容器，驱动波形的频率不同，整体阻抗就不同，需要测量出不同频率处的整体阻抗值，在提供相应频率波形的时候根据阻抗值来决定驱动波形的其余参数。频率扫描依次提供不同频率的驱动波形通过阻抗检测单元测量对应频率处的阻抗值，在静电力控制器中建立频率阻抗对应表。
[0025]本发明导电极板阵列通过地址扫描的方式来驱动；导电极板阵列中的每一个导电极板关联一个唯一的地址，静电力控制器按照地址循环地给每一个导电极板提供相应的驱动信号；静电力控制器转换非常快，每一个导电极板上加载的都是脉冲幅度调制信号；这样，每个导电极板给手指提供的触觉感受就不同，从而可以实现多点触觉再现。
[0026]本发明具有以下的优点:
[0027]1、采用直接数字频率合成技术合成波形，得到的波形频率分辨率高、输出频点多、频率切换速度快、可以产生任意波形、全数字化实现、便于集成、体积小、重量轻。
[0028]2、数模转换器参考电压取前级波形的形式控制输出波形的幅度，可以实现波形幅度的程序控制，输出波形幅度精度高，稳定性好。
[0029]3、信号驱动单元采用负反馈的放大电路，可以有效的抑制温度等外界因素对电路的影响，提高电路的稳定性。集成运算放大器接成同相比例放大器的形式，放大倍数修改方便。
[0030]4、工作过程中驱动信号的电压高但是电流小，系统功耗低，可以应用在对功耗要求比较高的移动终端上。
[0031]5、绝缘层和皮肤上感应电荷之间的作用力来使皮肤变形，没有机械移动，基本上没有噪声。
[0032]6、只有移动的手指才能感受到触觉力，系统中同一时刻只有一个手指移动时，可以实现多点交互。
[0033]7、装置尺寸小，结构简单，对现有设备进行很小的改动就可以增加触觉反馈，有非常好的可扩展性。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明装置的整体框图；
[0035]图2是本发明中静电力控制器的硬件结构布局图；[0036]图3是本发明中信号驱动单元的结构框图；
[0037]图4是本发明中信号检测单元的结构框图；
[0038]图5是本发明中静电力触觉再现的基本原理；
[0039]图6是本发明中多点触觉再现的独立信号源实现方式；
[0040]图7是本发明中多点触觉再现的寻址扫描实现方式；
[0041]图8是本发明静电力触觉再现实现的流程图；
[0042]图9A是设备接地时静电力触觉再现面板电容耦合示意图；
[0043]图9B是设备不接地时静电力触觉再现面板电容耦合示意图；
[0044]图9C是导电极板和手指导电组织之间的电容耦合示意图；
[0045]图10是驱动信号幅度变化给人触觉感受的不同；
[0046]图11是驱动信号幅度以及频率变化给人触觉感受的不同。
【具体实施方式】
[0047]一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置，包括:
[0048]静电力控制器101，包括核心处理器以及波形产生电路，用于产生幅度频率可程控的驱动波形。采用直接频率合成技术输出相应的模拟波形，使用有源低通滤波器对波形进行平滑处理，利用数模转换器参考电压加波形的形式控制输出波形的幅度。
[0049]阻抗检测单元103，包括交流电流源1031、信号拾取器1032、信号放大器1033、信号解调器1034、模数转换器1035以及阻抗信号分析处理器1036，用于测量用户和地之间的阻抗，从而改变驱动信号的大小来保持触觉感受的一致。阻抗发生变化可以通过改变驱动波形的大小来使用户感受到的触觉感受保持不变。
[0050]信号驱动单元102，由集成运算放大器1021，射极跟随器电路1022以及晶体管放大电路1023构成，用于放大输出波形的幅度。集成运算放大器接成同相比例放大电路的形式，将输入电压等比例的放大，通过射极跟随器提高电路的负载能力，最后通过两级级联的晶体管放大电路将波形幅度进一步提闻。
[0051]触觉再现屏104，包括玻璃底板1043、透明导电极板阵列1042和透明绝缘膜1043，用于实现多点触觉反馈；处理器将触觉再现驱动信号加载到触觉再现屏上，滑动的多个手指上感应出不同分布的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受。
[0052]本发明的一种实施方式是:静电力控制器将不同波形的波形数据存储在存储器中，核心处理器将波形数据送给数模转换器，输出相应的模拟波形。低通滤波器采用有源低通滤波器的设计方式，在有效滤除高频分量的同时可以对波形进行放大处理。将波形加到数模转换器的参考电压管脚，通过改变控制字来控制幅度的大小。
[0053]本发明的一种实施方式是:阻抗检测单元测量用户和地之间的阻抗，从而改变驱动信号的大小来保持触觉感受的一致。阻抗发生变化可以通过改变驱动波形的大小来使用户感受到的触觉感受保持不变。
[0054]本发明的一种实施方式是:触觉再现屏包括多个独立的触觉再现面板，每个触觉再现面板都包含独立的透明导电极板和透明绝缘膜，用于实现多点触觉反馈。处理器将触觉再现驱动信号加载到不同的触觉再现面板上，滑动的手指上感应出电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而感受到不同的触觉感受。
[0055]本发明的一种实施方式是:导电极板数目小的时候可以给每个导电极板提供一个独立的信号源，导电极板数目大的时候，处理器可以通过分时驱动的方式给每个透明导电极板提供独立的驱动信号，处理器变换速度很快，每个导电极板上得到的驱动波形是脉冲幅度调制波形。
[0056]本发明的一种实施方式是:导电极板和手指的导电组织构成电容器的两个极板，又可以看成是透明绝缘层形成的电容，手指和透明绝缘层之间空气形成的电容以及皮肤最外层形成的电容等三个电容的串联，共同决定电容器的容值。
[0057]—种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现方法，包括下列步骤:
[0058]I)、阻抗检测单元采用频率扫描的方式检测系统的阻抗，反馈给核心处理器，核心处理器建立频率与阻抗值的对应表；
[0059]触觉再现模型可以等效为电容器，驱动波形的频率不同，整体阻抗就不同，需要测量出不同频率处的整体阻抗值，在提供相应频率波形的时候根据阻抗值来决定驱动波形的其余参数。频率扫描依次提供不同频率的驱动波形通过阻抗检测单元测量对应频率处的阻抗值，在静电力控制器中建立频率阻抗对应表；
[0060]2)、核心处理器根据频率阻抗对应表利用波形产生电路及信号驱动单元生成相应参数的驱动波形；
[0061]处理器根据频率阻抗对应表得出驱动波形的参数，控制数模转换器输出模拟波形，使用有源低通滤波器对波形进行平滑处理，利用数模转换器参考电压加波形的形式控制输出波形的幅度，最后经过信号驱动单元放大之后就可以得到相应的驱动波形；
[0062]3)、利用地址扫描的方式将生成的驱动波形加载到触觉再现导电极板阵列上，每个导电极板上加载的都是脉冲幅度调制信号；
[0063]导电极板阵列中的每一个导电极板关联一个唯一的地址，静电力控制器按照地址循环地给每一个导电极板提供相应的驱动信号；静电力控制器转换非常快，每一个导电极板上加载的都是脉冲幅度调制信号；
[0064]4)、触觉再现屏上滑动的多个手指感应出分布不同的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受；
[0065]导电极板阵列中不同的导电极板上的驱动波形不同，多个手指在触觉屏上滑动，手指上感应电荷的分布就不同，相应的库伦吸引力也不同，从而得到不同的触觉感受。
[0066]本发明的一种实施方式是:自适应触觉再现通过阻抗检测单元形成闭环控制来实现；阻抗检测单元测量手指接触导电极板的整体阻抗，从而改变驱动波形的参数来保持触觉感受的一致。
[0067]本发明的一种实施方式是:多点触觉再现通过透明导电极板阵列来实现；同一个导电极板上加载的驱动信号是相同的，提供的触觉反馈也是相同的；通过给导电极板阵列中不同导电极板提供不同的驱动信号可以实现多点触觉再现，而且可以使手指的不同位置感受到不同的触觉感受。
[0068]本发明的一种实施方式是:频率阻抗对应表通过频率扫描的方式来建立；触觉再现模型可以等效为电容器，驱动波形的频率不同，整体阻抗就不同，需要测量出不同频率处的整体阻抗值，在提供相应频率波形的时候根据阻抗值来决定驱动波形的其余参数。频率扫描依次提供不同频率的驱动波形通过阻抗检测单元测量对应频率处的阻抗值，在静电力控制器中建立频率阻抗对应表。
[0069]本发明的一种实施方式是:导电极板阵列通过地址扫描的方式来驱动；导电极板阵列中的每一个导电极板关联一个唯一的地址，静电力控制器按照地址循环地给每一个导电极板提供相应的驱动信号；静电力控制器转换非常快，每一个导电极板上加载的都是脉冲幅度调制信号；这样，每个导电极板给手指提供的触觉感受就不同，从而可以实现多点触觉再现。
[0070]下面结合附图对本发明做进一步描述:
[0071]图1是本发明提出的一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置100的整体框图。由图所示，该系统由静电力控制器101，信号驱动单元102，阻抗检测单元103以及触觉再现屏104组成。静电力控制器101包括核心处理器以及波形产生电路，用于产生幅度频率可程控的驱动波形；信号驱动单元102由集成运算放大器，射极跟随器电路以及晶体管放大电路构成，用于放大输出波形的幅度；阻抗检测单元103用于测量用户和地之间的阻抗，从而改变驱动信号的参数来保持触觉感受的一致；触觉再现屏104包括玻璃底板、导电极板阵列以及透明绝缘层构成，用于实现多点触觉反馈。
[0072]图2是静电力控制器101的硬件结构布局图，如图所示，根据本发明，将波形数据存储在存储器中，处理器将波形数据送到数模转换器中，在数模转换器的输出端输出模拟波形，低通滤波器滤除波形中的高频分量，得到较为平滑的输出波形。除此之外还包括电源、存储器、编程接口、幅度控制接口、按键显示接口等，由于这些组件是本领域人员已知的常用组件，因此，这里不再赘述。
[0073]图3是本发明中信号驱动单元的结构框图。信号驱动单元102由集成运算放大器1021，射极跟随器电路1022以及晶体管放大电路1023构成，用于放大输出波形的幅度。集成运算放大器1021接成同相比例放大电路的形式，将输入电压等比例的放大，通过射极跟随器1022提闻电路的负载能力，最后通过两级级联的晶体管放大电路1023将波形幅度进
一步提闻。
[0074]图4是本发明中阻抗检测单元103的结构框图。阻抗检测单元103包括交流电流源1031，信号拾取器1032、信号放大器1033、信号解调器1034、模数转换器1035以及阻抗信号分析处理器1036部分，用于测量用户和地之间的阻抗，从而改变驱动信号的幅度、频率、载波频率以及直流偏置电压等相关参数来保持触觉感受的一致。
[0075]图5是本发明中静电力触觉再现屏的基本原理。触觉再现屏104包括玻璃底板1043、透明导电极板1042以及透明绝缘层1041。将驱动波形加载到透明导电极板1042上，导电极板上带有相应极性的电荷，手指中导电组织感应出相反极性的电荷，电荷之间相互吸引产生库仑力，使手指皮肤发生变形，感受到相应的吸引力fe，手指滑动和透明绝缘层摩擦，感受到相应的摩擦力fr。透明导电极板和手指的导电组织构成电容器的两个极板，外层干燥皮肤和透明绝缘层构成电容器的介质层。吸引力大小为:
【权利要求】
1.一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置，其特征在于包括: 静电力控制器，包括处理器，处理器控制数模转换器输出模拟波形，使用有源低通滤波器对波形进行平滑处理，利用数模转换器参考电压加波形的形式控制输出波形的幅度；此外，还包括电源模块、存储器、编程接口、晶振、以及相应的接口组件，用于保证处理器的正常运行； 信号驱动单元，由集成运算放大器，射极跟随器电路以及晶体管放大电路构成，用于放大输出波形的幅度；集成运算放大器接成同相比例放大电路的形式，将输入电压等比例的放大，通过射极跟随器提高电路的负载能力，最后通过两级级联的晶体管放大电路将波形幅度进一步提闻; 阻抗检测单元，包括交流电流源、信号拾取器、信号放大器、信号解调器、模数转换器以及阻抗信号分析处理器，用于测量用户和地之间的阻抗，从而改变驱动信号的幅度、载波频率以及直流偏置电压等相关参数来保持触觉感受的一致； 触觉再现屏，包括玻璃底板、透明导电极板阵列和透明绝缘膜，用于实现多点触觉反馈；处理器将触觉再现驱动信号加载到触觉再现屏上，滑动的多个手指上感应出不同分布的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受。
2.根据权利要求1所述的一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置，其特征在于，静电力控制器将不同波形的波形数据存储在存储器中，核心处理器将波形数据送给数模转换器，利用直接数字频率合成技术输出模拟波形。
3.一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现方法，其特征在于包括下列步骤: 1)阻抗检测单元采用频率扫描的方式检测系统的阻抗，反馈给核心处理器；核心处理器建立频率与阻抗值的对应表； 2)核心处理器根据频率阻抗对应表利用波形产生电路及信号驱动单元生成相应参数的驱动波形； 3)利用地址扫描的方式将生成的驱动波形加载到触觉再现导电极板阵列上，每个导电极板上加载的都是脉冲幅度调制信号； 4)触觉再现屏上滑动的多个手指感应出分布不同的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受。
4.根据权利要求3所述的一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现方法，其特征在于，通过阻抗检测单元形成闭环控制来实现自适应触觉再现，阻抗检测单元测量手指接触导电极板的整体阻抗，从而改变驱动波形的参数来保持触觉感受的一致。
5.根据权利要求3所述的一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现方法，其特征在于，通过透明导电极板阵列来实现多点触觉再现，同一个导电极板上加载的驱动信号是相同的，提供的触觉反馈也是相同的；通过给导电极板阵列中不同导电极板提供不同的驱动信号可以实现多点触觉再现，而且可以使手指的不同位置感受到不同的触觉感受。
6.根据权利要求3所述的一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现方法，其特征在于:频率与阻抗值的对应表是通过频率扫描的方式来建立；触觉再现模型可以等效为电容器，驱动波形的频率不同，整体阻抗就不同，需要测量出不同频率处的整体阻抗值，在提供相应频率波形的时候根据阻抗值来决定驱动波形的其余参数，频率扫描依次提供不同频率的驱动波形通过阻抗检测单元测量对应频率处的阻抗值，在静电力控制器中建立频率与阻抗值的对应表。
7.根据权利要求3所述的一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现方法，其特征在于:导电极板阵列通过地址扫描的方式来驱动；导电极板阵列中的每一个导电极板关联一个唯一的地址，静电力控制器按照地址循环地给每一个导电极板提供相应的驱动信号，静电力控制器转换非常快，每一个导电极板上加载的都是脉冲幅度调制信号，这样，每个导电极板给手指提供的触觉感受就不同，从而可以实现多点触觉再现。
【文档编号】G06F3/01GK103793062SQ201410078610
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】燕学智, 董杨瑞, 孙晓颖, 王庆龙, 吴赛文, 王婷婷 申请人:吉林大学