基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，包括触觉再现模块、压电陶瓷激励模块、中央控制模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块，所述触觉再现模块包括刚性触觉面板、压电陶瓷阵列模块、电极阵列模块；所述压电陶瓷阵列模块设置于刚性触觉面板的下表面，所述电极阵列模块嵌入刚性触觉面板的内部，实现更为宽广的、细致、灵活的触觉再现模式。本发明还公开了一种基于双向摩擦力控制的触觉再现方法，通过手指触摸刚性触觉面板，使得手指与刚性触觉面板之间产生空气压膜效应，手指与电极阵列层之间产生电致振动效应；实现双向的摩擦力系数调节以及摩擦力系数的微调,进而实现基于摩擦力控制的触觉再现。
【专利说明】基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于触觉再现人机交互领域，具体涉及一种基于双向摩擦力控制的触觉再 现装置及触觉再现方法。
【背景技术】
[0002] 人类的视觉、听觉、嗅觉、味觉和力触觉等各种感知系统中，力触觉提供了人类与 环境之间双向的信息交互渠道，形成其他感知系统无法实现的各种主动性行为（如触摸感 知物体、操作工具和探索环境等），因而具有独特的重要地位。目前，触觉再现技术主要有： 基于振动的触觉再现、基于力反馈设备的触觉再现、基于阵列的触觉再现等。
[0003] 基于振动的信息表达是目前普遍使用的触觉再现模式。各种振动触觉的致动器为 手持设备引入触觉振动提供了一种解决方案，促进触觉再现的便携性发展。一些研究者使 用这些致动器用于生成各种振动模式、触觉图标来实现非视觉性信息的交流。Ahmaniemi等 使用含有运动传感器和触觉致动器的手持盒子，实现了动态振动触觉再现。但是，基于振动 的触觉再现是一种触觉转换技术，其不够直观。
[0004] 力反馈设备主要用于实现人机交互中的作用力反馈，操作者使用力反馈设备与虚 拟物体交互作用时，力反馈设备可以阻止操作者的运动以避免穿刺交互。东南大学邹垂国 和宋爱国等基于Delta手控器，利用图像处理的方法生成虚拟物体表面粗糙特性，进而建 立法向和切向接触力模型的方法获得虚拟触觉再现。基于力反馈的触觉再现方法优势在于 能在力觉再现的基础上增加触觉再现，且无需另外设计用于触觉再现的装置。然而，该方法 也有缺点：该方法所实现的是一种间接的触觉再现模式，降低了触觉感知的真实感；此外， 该方法操作范围有限、价格昂贵、体积笨重、稳定性易影响触觉再现性能。
[0005] 采用阵列式的结构来实现触觉再现是最直接的方法，因而一直受到人们的关注。 早期的阵列式触觉再现设备的设计灵感来源于点阵式打印机和盲文系统，它们的驱动方 法各有不同，有使用形状记忆合金、有使用气压系统的、也有使用音圈激励的。Wagner和 Lederman等利用RC伺服电机驱动的探针阵列构建了一个触觉再现装置。该装置阵列规模 为6X6探针，探针相互间距为2mm，最大垂直方向位移为2mm。此外，东南大学陈旭和宋爱 国等利用分布大小各异凹孔和凸点的、可以旋转的圆筒来构建纹理触觉再现装置。该系统 在使用时，操作者手指通过接触不同区域、不同转速的凸点而形成触觉感受。但是这种方法 缺少触觉感知的直观性和主动性。阵列式触觉再现系统的优势在于比较直观、能主动对操 作者施加触觉刺激，但是它也有局限性：难以实现精细的触觉再现，且易受工艺和技术水平 限制、功耗和成本高、难以微型化。
[0006] 电触觉是一种通过流过表层电极的电流刺激皮肤内神经纤维的触觉再现装置，能 够在没有机械激励的情况下面产生压力或震动感觉。日本的Kajimoto、Kawakami等人设 计了 SmartTouch来增强现实皮肤感觉，该系统采用点刺激方式，物体的视觉信息可以通过 光传感器采集并转换为触觉信息，电极以Braille的方式安排成4X4的点刺激阵列。采用 的正/负脉冲有选择的对Merkel细胞和Messner小体分别进行了刺激。上海交通大学的 张竹茂、柴新禹等人基于电触觉研制了一套基于手指的触觉替代视觉系统。电触觉设备功 耗低、体积小，但是由于电触觉是通过直接刺激与机械刺激感受器相连的神经而产生的触 感，所以电触觉是一种能够产生和机械刺激一样的感觉的触觉再现技术。
[0007] 此外，法国的里尔科技技术大学申请的名为"振动触觉界面"的专利中（专利号 为：CN101632054A)，其所提到的振动触觉界面是通过减小操作者手指与触觉界面之间的摩 擦力系数来再现精细的纹理触觉的。这种触觉界面仅采用了空气压膜效应原理，仅能实现 单一方向的摩擦力系数调节。此外，同一时刻触觉界面上各点的摩擦力系数相同，不能实现 面板表面的多点触控。
[0008] 另外，在Senseg公司申请的名为"感官刺激的方法与装置"的专利（专利号为 US7982588B2)中，所提到的触觉界面是基于电致振动原理来实现的。该触觉面板的表面有 一层以静电为主的系统，可以仿真出不同的粗糙度和阻力，产生不同的纹理触觉。同样基于 电致振动效应原理，由迪士尼研究中心和卡内基梅隆大学人机交互研究所等机构共同研制 的TeslaTouch系统，通过调节电极和操作者手指之间的电场强度，改变手指皮肤所受的法 向电场力，从而获得侧向摩擦力的改变。由于采用了透明电极和基底材料，TeslaTouch系 统能够与触摸屏结合使用。基于电致振动效应的触觉再现设备功耗低、可以实现多点触控， 但是只能实现摩擦力系数的增大。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种基于双向摩擦力控制的触觉再现 装置及触觉再现方法，结合了空气压膜效应和电致振动效应两种原理，既能实现触觉面板 表面双向的摩擦力系数调节，又能在一种原理为主的情况下利用另一种原理实现摩擦力系 数的微调。本发明所设计的装置能够实现更为宽广、更为细致、更为灵活的触觉再现模式。 解决了现有技术中触觉再现装置摩擦力系数控制范围窄，不能够有效实现触觉再现的问 题。
[0010] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0011] 一种基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，包括触觉再现模块、压电陶瓷激励模 块、中央控制模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块，所述触觉再现模 块包括刚性触觉面板、压电陶瓷阵列模块、电极阵列模块；所述压电陶瓷阵列模块设置于刚 性触觉面板的下表面，所述电极阵列模块嵌入刚性触觉面板的内部；所述手指位置检测模 块位于所述触觉再现模块的上部；所述压电陶瓷阵列模块与压电陶瓷激励模块连接；所述 电极阵列模块与电极阵列激励模块连接；所述中央控制模块分别与压电陶瓷激励模块、电 极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块连接。
[0012] 所述电极阵列模块包括基底层、电极阵列层、绝缘层；所述基底层上表面设置电极 阵列层，所述电极阵列层上部设置绝缘层；所述电极阵列层包括若干电极组，每个电极组中 包含多个电极，所述多个电极两两之间保持电绝缘，每个电极组中不同电极之间存在高度 差，对每个电极施加不同的驱动信号；所述电极阵列激励模块包括多个驱动信号的输出端， 每个电极与电极阵列激励模块驱动信号的输出端一一对应连接。
[0013] 所述每个电极组中的多个电极均为多边形柱体，电极与电极之间有间隙或设置绝 缘材料。
[0014] 基于双向摩擦力控制的触觉再现方法，包括如下步骤：
[0015] 首先，中央控制模块系统将所选触觉面板材料的本身摩擦力系数记为f0,并根据 所要再现的虚拟物体选择所需的触觉模式，建立虚拟物体与触觉再现面板表面各点的摩擦 力系数之间的映射关系1和映射关系2 ;其中映射关系1用于单点交互模式，映射关系2用 于多点交互模式；映射关系1和映射关系2分别确定了单点交互模式和多点交互模式中触 觉再现面板表面各点的摩擦力系数；
[0016] 其次，手指位置检测模块在中央控制模块的控制下检测获得手指位置，中央控制 模块根据手指位置的值，判断当前的交互模式是单点交互或多点交互模式；中央控制模块 根据单点交互模式或多点交互模式下虚拟物体与摩擦力系数之间的映射关系1或映射关 系2获得单点或多点手指触摸区域对应的摩擦力系数fi ;在单点交互模式中，i = 1，在多点 交互模式中，i = 1…η, η等于多点触摸的个数；
[0017] 然后，中央控制模块判断fi与f0的大小并根据结果选择控制电极阵列激励模块或 压电陶瓷激励模块；若fi>f〇,中央控制模块控制电极阵列激励模块产生多个通道的各自独 立的交变信号，并将多个通道的交变信号 对应施加至电极阵列模块中的每一个电极， 在所述刚性触觉面板与手指之间产生电致振动效应，使得触觉面板表面的摩擦力系数增大 至fi ;若fi〈f0,中央控制模块控制压电陶瓷激励模块产生一组各自独立的交变电信号，并将 所述交变电信号分别施加到压电陶瓷阵列模块中的每个压电陶瓷上，在刚性触觉面板与手 指之间产生空气压膜效应，使得刚性触觉面板表面摩擦力系数减小至fi;
[0018] 最后，根据所述刚性触觉面板表面的摩擦力系数的增大或减小，形成基于摩擦力 控制的触觉再现。
[0019] 所述刚性触觉面板与手指接触时，刚性触觉面板表面的摩擦力受空气压膜效应和 电致振动效应的影响而改变，由如下公式计算：
[0020] fe = μ，（FN+Fe)
[0021] 其中，μ'为操作者手指与所述刚性触觉面板表面之间的交互摩擦力系数，该交 互摩擦力系数能在空气压膜效应的作用下减小；F N为操作者手指施加给面板表面的法向压 力；^为所述刚性触觉面板与手指之间的静电力，该静电力匕是一个由电致振动效应决定 的、大于等于〇的值，由如下公式计算：
[0022]
【权利要求】
1. 基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，包括触觉再现模块、压电陶瓷激励模块、中央 控制模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块，其特征在于：所述触觉再 现模块包括刚性触觉面板、压电陶瓷阵列模块、电极阵列模块；所述压电陶瓷阵列模块设置 于刚性触觉面板的下表面，所述电极阵列模块嵌入刚性触觉面板的内部；所述手指位置检 测模块位于所述触觉再现模块的上部；所述压电陶瓷阵列模块与压电陶瓷激励模块连接； 所述电极阵列模块与电极阵列激励模块连接；所述中央控制模块分别与压电陶瓷激励模 块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块连接。
2. 根据权利要求1所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，其特征在于：所述电 极阵列模块包括基底层、电极阵列层、绝缘层；所述基底层上表面设置电极阵列层，所述电 极阵列层上部设置绝缘层；所述电极阵列层包括若干电极组，每个电极组中包含多个电极， 所述多个电极两两之间保持电绝缘，每个电极组中不同电极之间存在高度差，对每个电极 施加不同的驱动信号；所述电极阵列激励模块包括多个驱动信号的输出端，每个电极与电 极阵列激励模块驱动信号的输出端一一对应连接。
3. 根据权利要求2所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，其特征在于：所述每 个电极组中的多个电极均为多边形柱体，电极与电极之间有间隙或设置绝缘材料。
4. 基于权利要求1所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现方法，其特征在于：包括如 下步骤： 首先，中央控制模块系统将所选触觉面板材料的本身摩擦力系数记为f〇,并根据所要 再现的虚拟物体选择所需的触觉模式，建立虚拟物体与触觉再现面板表面各点的摩擦力系 数之间的映射关系1和映射关系2 ;其中映射关系1用于单点交互模式，映射关系2用于多 点交互模式；映射关系1和映射关系2分别确定了单点交互模式和多点交互模式中触觉再 现面板表面各点的摩擦力系数； 其次，手指位置检测模块在中央控制模块的控制下检测获得手指位置，中央控制模块 根据手指位置的值，判断当前的交互模式是单点交互或多点交互模式；中央控制模块根据 单点交互模式或多点交互模式下虚拟物体与摩擦力系数之间的映射关系1或映射关系2获 得单点或多点手指触摸区域对应的摩擦力系数fi ;在单点交互模式中，i = 1，在多点交互模 式中，i = 1…η，η等于多点触摸的个数； 然后，中央控制模块判断fi与f〇的大小并根据结果选择控制电极阵列激励模块或压电 陶瓷激励模块；若fi>f〇,中央控制模块控制电极阵列激励模块产生多个通道的各自独立的 交变信号，并将多个通道的交变信号 对应施加至电极阵列模块中的每一个电极，在所 述刚性触觉面板与手指之间产生电致振动效应，使得触觉面板表面的摩擦力系数增大至fi; 若fi〈fO,中央控制模块控制压电陶瓷激励模块产生一组各自独立的交变电信号，并将所述 交变电信号分别施加到压电陶瓷阵列模块中的每个压电陶瓷上，在刚性触觉面板与手指之 间产生空气压膜效应，使得刚性触觉面板表面摩擦力系数减小至fi; 最后，根据所述刚性触觉面板表面的摩擦力系数的增大或减小，形成基于摩擦力控制 的触觉再现。
5. 根据权利要求4所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现方法，其特征在于：所述刚 性触觉面板与手指接触时，刚性触觉面板表面的摩擦力受空气压膜效应和电致振动效应的 影响而改变，由如下公式计算： fe = μ ' （FN+Fe) 其中，μ'为操作者手指与所述刚性触觉面板表面之间的交互摩擦力系数，该交互摩擦 力系数能在空气压膜效应的作用下减小；fn为操作者手指施加给面板表面的法向压力；Fe 为所述刚性触觉面板与手指之间的静电力，该静电力^是一个由电致振动效应决定的、大 于等于〇的值，由如下公式计算：
其中，^为真空中介电常数，τρ为所述电极阵列模块中电极阵列层表面覆盖的绝缘层 的厚度，ts为手指表面中绝缘角质层厚度，、和％分别为手指绝缘角质层和电极表面绝 缘层的相对介电常数，A为电极的面积，V为电容两极板之间的电压。
【文档编号】G06F3/01GK104063054SQ201410250926
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】陆熊, 马露, 陈思凡, 李沅泽, 陶想林, 殷斌 申请人:南京航空航天大学