一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统及再现方法与流程

文档序号:11229898来源:国知局
一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统及再现方法与流程

本发明涉及触觉再现人机交互领域,具体的说是涉及一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统及再现方法。



背景技术:

未来几十年内,虚拟现实与人工智能这两样技术将会为科学界开启一扇“超现实之门”,并引领下一波科技变革。触觉再现技术作为人机交互领域的重要技术,可以预见其在虚拟现实与人工智能的实现中占据重要的地位,将对人们的信息交流和沟通方式产生深远的影响。目前,比较常见的触觉再现技术可以分为:基于振动的触觉再现、基于力反馈的触觉再现、基于阵列的触觉再现、基于气体压力的触觉再现和基于摩擦力的触觉再现。其中,基于摩擦力的触觉再现技术又可分为基于电致振动效应和基于空气压膜效应。

振动是触觉再现中比较常见的一种方式。tokyometropolitaninstituteoftechnology的yasushiikei等人研制了一种基于振动的触觉再现装置。该系统是一个振动针型阵列,针在压电激励器的驱动下跳动。根据手指位置的移动和虚拟物体的表面纹理来改变针的振幅。现实中操作者的手控制鼠标在桌面上移动对应虚拟环境中的手在触摸虚拟物体的表面,通过控制针的振幅,在手指上就能模拟出物体表面的纹理。针的不同振幅对应着不同的纹理。这种方式来再现纹理触觉,易于实现,方便控制,但是由于该方法的实现与针的直径大小与分布密度有关,所以模拟微米级纹理尚有难度。同样地,振动方式来实现触觉再现难以达到微米级的精细再现。

力反馈原本是应用于军事上的一种虚拟现实技术,在机械上施加反作用力。目前,应用在游戏领域的触觉再现技术大多数都是基于力反馈,比如chproducts出品的forcefx、罗技的wingmanforce等。目前,实现力反馈的商业化产品已有不少,比如sensable公司的phantom系列产品和forcedimension公司的omega、delta系列产品。李佳璐和宋爱国等依据taai&shah算法求出的高度图绘制虚拟表面,应用phantomomni手控器,能够较为真实地模拟出对纹理表面的微观轮廓。邹垂国和宋爱国等基于图像处理的方法提取出纹理表面的几何轮廓信息,根据物体表面的粗糙特性,在两个互相垂直的方向上建立接触力模型,使用delta手控器让操作者真实地感受到虚拟物体表面的接触力,从而实现纹理的力触觉模拟。基于力反馈的触觉再现,其优点是在力反馈的基础上增添了触觉再现,但现有的力反馈设备决定了其笨重和有限的操作范围的缺陷。

初期的基于阵列的触觉再现设备的驱动方式多种多样。romanvitushinsky和samschmitz等人研制了一款针矩阵型虚拟物体表面轮廓显示装置。该装置以双稳态记忆合金薄膜为驱动,通过表面针矩阵中某些针的升降来实现模拟物体轮廓。在国内,东南大学的陈旭和宋爱国等提出了一个新的纹理触觉再现方法并研制出了相应装置,此装置能在操作者手指指尖进行纹理的触觉再现。装置的主要部分是以铝合金为材料制作的圆筒,表面上覆盖着大小不均的凸点和凹孔,在伺服电机的带动下旋转。圆筒匀速旋转,手指触摸上面的凸点和凹孔,结果表明触感明显,且旋转速度不同触觉效果也不一样。由此可知基于阵列的触觉再现设备可以主动地对操作者产生触觉刺激,但受工艺等技术的限制,阵列密度不够高,难以实现精细的纹理触觉。

东京农工大学的naoyaasamura等人提出了一种基于气体压力的触觉再现方法。此方法依赖于空气压力实现,它的表面上有2mm直径、0.5mm深度的空气压力振动器。穿过试管的活塞控制压力,当活塞垂直运动时,孔内气体压缩从而在皮肤表面产生压力。假设操作者的手指和装置紧密接触(即手指不能在装置的表面移动),手指指尖皮肤表面就会产生反向力来抵抗空气压力。气体压力的刺激会在操作者的手指指尖皮肤表面产生纹理触觉,使用不同的激励模式会产生不同物体的表面纹理。虽然这种方法较易实现,但不利于控制,并且振动器的体积较大。

基于摩擦力控制的触觉再现又可分为两种方法,分别是基于电致振动效应和基于空气压膜效应。

电致振动效应是指在触觉面板的电极上施加一定的激励信号,触觉面板上的电荷诱使在操作者手指皮肤中产生极性相反的感应电荷,两者形成一个电容,于是在手指指尖形成静电作用力。此静电作用力可以改变触觉面板和手指指尖的摩擦力系数,实现触觉再现。基于电致振动效应的触觉再现最重要的因素是控制静电作用力的大小从而控制摩擦力的大小,该静电作用力的大小与触觉面板的面积、激励信号的频率与幅度、触觉面板与操作者手指之间的距离等多种因素有关。迪斯尼公司研制的teslatouch通过改变手指指尖所受的静电作用力来改变侧向摩擦力,但只能增大摩擦力。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统及再现方法,基于空气压膜效应原理在移动终端上实现在触摸屏上粗糙度不同的效果。本方法可实现的装置体积小、功耗低,与移动终端完美结合,具有较强的现实意义。

为实现上述目的,本发明通过以下技术方案实现:一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统,该系统包括移动终端、摩擦力触觉驱动模块、触觉面板,其中摩擦力触觉驱动模块包括mcu、压电陶瓷片激励信号生成模块和电源模块;移动终端通过usb与mcu相连,mcu与压电陶瓷片激励信号生成模块相连,压电陶瓷片激励信号生成模块的输出端与触觉面板相连;mcu和压电陶瓷片激励信号生成模块均通过电源模块供电;操作者的手指尖在触觉面板上移动,移动终端实时检测手指尖在触觉面板上的位置并将其位置对应的点的灰度值通过usb传输给mcu,mcu根据灰度值来控制压电陶瓷片激励信号生成模块所产生的激励信号的幅度,再经过压电陶瓷片激励信号生成模块的功率放大,以获得幅度可调的正弦波信号,此正弦波信号改变触觉面板上的摩擦力系数,从而操作者的手指在滑动时,指尖能感受到触觉面板上摩擦力的改变。

进一步的,所述触觉面板包括玻璃、压电陶瓷片、软排线;所述压电陶瓷片粘贴在玻璃下表面;所述软排线一端粘贴在压电陶瓷片上,另一端通过接插件连接在所述压电陶瓷片激励信号生成模块的输出端;所述触觉面板置于移动终端屏幕上表面之上并与其接触。

进一步的,所述压电陶瓷片激励信号生成模块包括数字电位器、函数信号发生器、音频功率放大器和变压器;所述mcu与函数信号发生器相连,用于控制函数信号发生器所产生的激励信号的幅度;所述mcu与数字电位器相连;数字电位器与函数信号发生器相连;函数信号发生器的输出端与音频功率放大器的输入端相连,音频功率放大器对函数信号发生器输出的信号进行功率放大;音频功率放大器的输出端与变压器相连;变压器的输出端信号即为压电陶瓷片激励信号生成模块的输出信号。

本发明的另一目的是提供一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统的再现方法,具体包括以下步骤:

(1)通过mcu设置好音频功率放大器的工作频率;

(2)所述摩擦力触觉驱动模块通过usb与移动终端相连,在移动终端上打开一张非纯色图片,操作者的手指尖在触觉面板上表面移动,移动终端实时地检测手指尖在触觉面板上的位置,并将其位置对应的点的灰度值通过usb实时地传输给mcu;

(3)mcu根据灰度值输出控制数字电位器的信号,使数字电位器的电阻值发生改变,从而改变函数信号发生器产生的激励信号的幅度;

(4)步骤(3)产生的激励信号经过音频功率放大器的放大,获得幅度可调的正弦波信号,该信号激励触觉面板的压电陶瓷片产生振动,带动触觉面板的振动;根据灰度值的不同,正弦波信号的幅度不同,触觉面板的摩擦力系数不同。

与现有技术相比,本发明的有益效果如下:

1.移动终端作为新兴的人机交互接口,具有广泛的研究和使用价值。但目前人机交互的方式主要集中于视觉和听觉,在触觉上的技术实现并不多。本系统实现了面向移动终端的触觉面板上摩擦力可控的效果,通过硬件与软件结合的触觉再现机制,可以用于模拟移动终端中图案的纹理,实现人与“玻璃下的图片”进行视觉与触觉的双重交互。

2.目前移动终端上的信息反馈方式只有振动反馈,包括整机振动和局部振动。本系统为移动终端增添了一种新的反馈方式:摩擦力反馈方式,突破了目前移动终端只有振动反馈的现状。

3.本系统实现的触觉再现装置体积小,功耗低,便于与移动终端结合,摩擦力触觉驱动模块和触觉面板的模块化设计使得本系统具有高移植性。

附图说明

图1为本发明的系统框图;

图2为系统mcu原理图;

图3为压电陶瓷片激励信号生成模块p1原理图;

图4为压电陶瓷片激励信号生成模块p2原理图;

图5为usb接口原理图;

图6为电源模块原理图;

图7为摩擦力触觉驱动模块输出的激励信号图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的实施做具体描述。

如图1所示,一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统,该系统包括移动终端(比如智能手机、平板电脑)、摩擦力触觉驱动模块、触觉面板,其中摩擦力触觉驱动模块包括mcu、压电陶瓷片激励信号生成模块和电源模块;移动终端通过usb与mcu相连,mcu通过tpm和spi与压电陶瓷片激励信号生成模块相连,压电陶瓷片激励信号生成模块的输出端与触觉面板相连;mcu和压电陶瓷片激励信号生成模块均通过电源模块供电;操作者的手指尖在触觉面板上移动,移动终端实时检测手指尖在触觉面板上的位置并将其位置对应的点的灰度值通过usb传输给mcu,mcu根据灰度值来控制压电陶瓷片激励信号生成模块所产生的激励信号的幅度,再经过压电陶瓷片激励信号生成模块的功率放大,以获得幅度可调的正弦波信号,此正弦波信号改变触觉面板上的摩擦力系数,从而操作者的手指在滑动时,指尖能感受到触觉面板上摩擦力的改变。

如图2所示,作为本发明的实施例,mcu选取freescale公司的mkl26z256vlh4微控制器,作为系统的核心,用于控制其余模块的正常运作,保证系统的运行。本系统用到的功能模块有usb、spi、tpm。微控制器mkl26的电源引脚vdd(引脚3)、vregin(引脚8)、vdda(引脚13)、vrefh(引脚14)、vdd(引脚48)都与电源vdd3.3v相连。mkl26的引脚vss(引脚4)、vreal(引脚15)、vssa(引脚16)、vss(引脚31)、vss(引脚47)都接数字地。mkl26的电源输出引脚vout33(引脚7)与电容c13的一端相连,电容c13的另一端接数字地。mkl26的复位引脚reset(引脚34)分别与电阻r6的一端和电容c12的一端相连,电阻r6的另一端与电源vdd3.3v相连,电容c12的另一端接数字地。时钟采用8m无源晶振,它的1号脚分别与mkl26的晶体驱动输出引脚xtal0(引脚33)和电容c10的一端相连,电容c10的另一端接数字地;它的3号脚分别与mkl26的外部时钟输入引脚extal(引脚32)和电容c11的一端相连,电容c11的另一端接数字地;它的1号脚和3号脚之间接一个电阻r5;它的2号脚和4号脚都接数字地。

如图3和图4所示,压电陶瓷片激励信号生成模块主要包括函数信号发生器(ad9838)、数字电位器(max5161)、音频功率放大器(max9759)和变压器(pa0367anl)。函数信号发生器产生一个频率固定(如40khz)、峰峰值0-600mv的正弦波信号,传到音频功率放大器进行放大,经过一次放大后,再经过变压器升压输出供压电陶瓷振动的激励信号。通过改变数字电位器的阻值来改变函数信号发生器输出的正弦波信号幅度。函数信号发生器ad9838的串行时钟引脚sclk(引脚11)与mkl26的spi时钟引脚spi0_sck(引脚50)相连;串行数据输入引脚sdata(引脚10)与mkl26的spi主输出从输入引脚spi0_mosi(引脚51)相连;低有效控制输入引脚fsync(引脚12)与mkl26的spi片选引脚spi0_pcs0(引脚49)相连;复位引脚reset(引脚8)与mkl26的复位引脚reset(引脚34)相连;高有效数字输入引脚sleep(引脚9)与mkl26的i/o引脚ptc11(引脚56)相连;相位选择输入引脚pselect(引脚7)与mkl26的i/o引脚ptd4(引脚61)相连;频率选择输入引脚fselect(引脚6)与mkl26的i/o引脚ptd7(引脚64)相连;数字时钟输入引脚mclk(引脚5)与mkl26的tpm引脚tpm1_ch0(引脚9)相连;数字地引脚dgnd(引脚4)接数字地;模拟地引脚agnd(引脚15)接模拟地;电流输出引脚iout(引脚16)分别与电阻r16的一端、电容c20的一端、电容c18的一端相连,电阻r16的另一端接信号地,电容c20的另一端接信号地,电容c18的另一端与音频功率放大器的输入引脚in+(引脚2)相连;电流输出引脚ioutb(引脚17)分别与电阻r15的一端、电容c19的一端、电容c17的一端相连,电阻r15的另一端接信号地,电容c19的另一端接信号地,电容c17的另一端与音频功率放大器的输入引脚in-(引脚3)相连;3号脚cap/2.5v分别与电容c26的一端和电容c27的一端相连,电容c26的另一端和电容c27的另一端都接数字地;数字段正电源dvdd(引脚2)分别与电容c28的一端、电源vdd3.3v相连,电容c28的另一端接数字地;模拟段正电源avdd(引脚1)分别与电容c25的一端、磁珠lk2的一端相连,电容c25的另一端接信号地,磁珠lk2的另一端与电源vdd3.3v相连;dac偏置电压引脚comp(引脚20)与电容c24的一端相连,电容c24的另一端与磁珠lk2的一端相连;电压参考输出引脚refout(引脚19)与电容c23的一端相连,电容c23的另一端接信号地;满量程调整控制引脚fsadjust(引脚18)与数字电位器max5161的电阻高端引脚h(引脚1)相连。数字电位器max5161的电阻低端引脚l(引脚6)与电阻r7的一端相连,电阻r7的另一端接信号地;数字电位器的抽头增量控制输入引脚inc(引脚2)与mkl26的i/o引脚pte29(引脚17)相连;数字电位器的上下控制输入引脚u/d(引脚3)与mkl26的i/o引脚pte31(引脚19)相连;数字电位器的电源引脚vdd(引脚4)与电源vcc5v相连;接地引脚gnd(引脚5)接数字地。

音频功率放大器max9759的增益控制2引脚g2(引脚15)分别与电阻r12的一端和电阻r11的一端相连,电阻r12的另一端接数字地,电阻r11的另一端接电源vcc5v;音频功率放大器的增益控制1引脚g1(引脚16)分别与电阻r13的一端和电阻r14的一端相连,电阻r13的另一端接数字地,电阻r14的另一端接电源vcc5v;音频功率放大器的低有效静音功能引脚mute(引脚8)与mkl26的i/o引脚pta5(引脚27)相连;音频功率放大器的低有效关闭输入引脚shdn与电源vcc5v相连;音频功率放大器的电源地pgnd(引脚6和引脚14)接信号地;模拟地gnd(引脚4)接数字地;音频功率放大器的频率选择和外部时钟输入引脚sync(引脚7)与电源vdd3.3v相连;音频功率放大器的模拟电源引脚vdd(引脚1)与电容c30的一端相连,电容c30的另一端接数字地;音频功率放大器的h桥供电引脚pvdd(引脚9和引脚12)与电容c14的一端、电容c31的一端、电源vcc5v相连,电容c14的另一端和电容c31的另一端接信号地;音频功率放大器的正扬声器输出引脚out+(引脚11)和电感l1的一端相连,电感l1的另一端与变压器pa0367anl的2号脚相连;音频功率放大器的负扬声器输出引脚out-(引脚10)和电感l2的一端相连,电感l2的另一端与变压器pa0367anl的3号脚相连。pa0367anl的4号脚和1号脚之间接电感l3,4号脚接信号地。

进一步的,所述触觉面板包括玻璃、压电陶瓷片、软排线;所述压电陶瓷片粘贴在玻璃下表面;所述软排线一端粘贴在压电陶瓷片上,另一端通过接插件连接在所述压电陶瓷片激励信号生成模块的输出端即变压器pa0367anl的4号脚和1号脚;所述触觉面板置于移动终端屏幕上表面之上并与其接触。

如图5所示,usb_micro_plug是连接摩擦力触觉驱动模块电路和移动终端(如安卓手机)的usb接口。因为要通过usb_micro_receptacle为安卓手机和摩擦力触觉驱动模块电路充电,安卓手机需要提前改造:取掉安卓手机内的充电芯片。将充电芯片移到摩擦力触觉驱动模块电路上,即锂离子电池充电控制器max1555。usb_micro_receptacle的接地引脚(引脚5)与磁珠lk4的一端相连,磁珠lk4的另一端接数字地;数据线正引脚dp(引脚3)与电阻r2的一端相连,电阻r2的另一端与mkl26的usb数据线正引脚usb_dp(引脚5)相连;数据线负引脚dn(引脚2)与电阻r3的一端相连,电阻r3的另一端与mkl26的usb数据线负引脚usb_dn(引脚6)相连;电源引脚vcc与磁珠lk3的一端连接,磁珠lk3的另一端与电容c9的一端、max1555的直流充电器电源输入引脚dc(引脚4)相连,电容c9的另一端接数字地。max1555的直流充电器电源输入引脚dc(引脚4)与电阻r26的一端相连,电阻r26的另一端与发光二极管led2的正极相连,发光二极管led2的负极与max1555的充电器状态指示引脚pok(引脚3)相连;接地引脚gnd(引脚2)接数字地;电池连接引脚bat(引脚5)与usb_micro_plug的电源引脚vcc(引脚1)相连。usb_micro_plug的数据线负引脚dn(引脚2)与mkl26的usb数据线负引脚usb_dn(引脚6)相连;数据线正引脚dp(引脚3)与mkl26的usb数据线正引脚usb_dp(引脚5)相连;接地引脚vss(引脚5)接数字地。

如图6所示,是给mcu和压电陶瓷片激励信号生成模块供电的电源模块。电源1是用spx3819芯片从电池电压v_bat降压到3.3v,电源2是用ltc3440芯片从电池电压v_bat升压到5v。spx3819的电源输入引脚vin(引脚1)与其使能引脚en(引脚3)、电容c1的一端均与max1555的电池连接引脚bat(引脚5)相连,电容c1的另一端接数字地;spx3819的接地引脚gnd(引脚2)接数字地;spx3819的调整输入引脚byp(引脚4)与电容c2的一端相连,电容c2的另一端接数字地;spx3819的调制器输出引脚vout(引脚5)分别与电容c3的正极、发光二极管led1的正极相连,并提供电压vdd3.3v,电容c3的负极接数字地,发光二极管led1的负极与电阻r1的一端相连,电阻r1的另一端接数字地。

ltc3440的转换引脚sw1(引脚3)和电感l5的一端相连,电感l5的另一端与ltc3440的转换引脚sw2(引脚4)均与二极管d0的正极相连,二极管d0的负极分别与ltc3440的同步整流器输出引脚vout(引脚6)、电阻r17的一端、电容c36的一端相连,电阻r17的另一端分别与ltc3440的反馈引脚fb(引脚9)、电阻r18的一端、电阻r8的一端相连,电阻r18的另一端与电容c35的一端相连,电容c35的另一端与ltc3440的误差放大器输出引脚vc(引脚10)相连;ltc3440的电源输入引脚vin(引脚7)与电阻r19的一端相连,电阻r19的另一端分别与电阻r20的一端、ltc3440的外部时钟引脚mode/sync(引脚2)相连;ltc3440的软启动与关机结合引脚shdn/ss(引脚8)分别与电阻r4的一端、电容c34的一端相连,电阻r4的另一端分别与电容c32的一端、电容c33的一端、电感l4的一端相连,电感l4的另一端与max1555的电池连接引脚bat(引脚5)相连;ltc3440的定时电阻引脚rt(引脚1)与电阻r9的一端相连;电阻r20的另一端、电容c32的另一端、电容c33的另一端、电容c34的另一端、电阻r9的另一端、ltc3440的接地引脚gnd(引脚5)、电容c36的另一端、电阻r8的另一端都接数字地;最后将数字地与信号地进行单点接地。

本系统的操作步骤如下:

(1)通过mcu设置好音频功率放大器的工作频率;

(2)摩擦力触觉驱动模块电路通过usb插入移动终端,在移动终端上打开一张非纯色图片,操作者的手指尖在触觉面板上表面移动,移动终端实时地检测手指尖在触觉面板上的位置,并将其位置对应的点的灰度值通过usb实时地传输给mcu;

(3)mcu根据灰度值输出控制数字电位器的信号,使数字电位器的电阻值发生改变,从而改变函数信号发生器产生的激励信号的幅度;

(4)步骤(3)产生的信号经过音频功率放大器的放大,获得幅度可变的正弦波信号,该信号激励触觉面板的压电陶瓷片产生振动,带动触觉面板的振动;根据灰度值的不同,正弦波信号的幅度不同,触觉面板的摩擦力系数不同。

如图7所示,是根据本系统得到的实物在触觉面板上的激励信号的效果图。由图可知得到的正弦波信号十分清晰,频率为40khz左右,幅度为79v。改变数字电位器的阻值,可测得此信号最大可达107v,电压在70v以上都能驱动压电陶瓷片上振动。故本系统实现了面向移动终端的触觉面板上摩擦力可控的效果,具有较强的现实意义。

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