一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及触觉再现人机交互领域，尤其涉及一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置 及方法。
【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。Jussi Rantala等人利用振动触觉技术设计了一款能够模拟不同触摸姿势的手持设备。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。东南大学李佳璐 和宋爱国等基于Phantom手控器，提出了基于虚拟物体表面三维轮廓信息，进而实现纹理 触觉再现的方法。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，该方法也有一定的缺点：操作范围有限、体 积笨重、价格昂贵、设备的固有性和系统稳定性易影响触觉再现性能等。
[0005] 相对与使用力反馈设备来获得触觉再现而言，采用阵列式的结构来构建触觉再现 设备是最直接的方法，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。德国亚琢工业大学的Weiss和Wacharamanotham等利 用贴在操作者手指上的永磁铁和电磁激励构建了FingerFlux系统。该系统中的电磁激励 采用了Madgets表的设计思想，即利用一个19X12的离散电磁铁网格来合成一个电磁场 二维矩阵（其中每个电磁铁包含3500阻的铜线）。此外，加拿大McGill大学的Haywardy 等设计的名为"LATER0"装置，其利用可侧向移动的探针阵列来获得触觉感知，他们说设计 的探针阵列估摸为6X10,分辨率高达I. 8X1. 2_。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，但是它也有一定的局限性：受工艺和技术水平限制、 功耗和成本1?、难以微型化等。
[0006] 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。
[0007] 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。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。
[0008] 南京航空航天大学申请的名为"基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现 方法"的专利（专利号为：CN104063054A)中，所提到的触觉界面是将电致振动效应原理与 空气压膜效应原理相结合。该触觉面板采用在表面加工电极阵列以及在面板下方粘贴压电 陶瓷的方法实现触觉再现，电极阵列包括若干电极组，每个电极组中不同电极之间存在高 度差，可以实现摩擦力系数的双向调节。这种触觉界面采用的电极阵列不易于加工，而且摩 擦力系数的调节范围不够宽泛。
[0009] 本发明所设计的触觉再现装置融合了空气压膜效应、电致振动效应以及电磁力控 制三种原理，既能实现双向的摩擦力系数调节，又能实现摩擦力系数的微调，而且摩擦力系 数的可调范围更加宽泛。本发明所设计的装置能够实现摩擦力调节范围幅度更为宽广、摩 擦力系数调节更为细致的触觉再现模式。因此，本装置与以上三种触觉界面有着本质的区 别。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中的缺陷，提供一种宽幅摩擦力控制 触觉再现装置及方法。
[0011] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0012] 一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置，包含触觉再现模块、压电陶瓷激励信号生成 模块、电极阵列激励信号生成模块、电磁铁阵列激励信号生成模块、手指位置检测模块、粘 贴于操作者手指背上的永磁铁以及中央控制模块；
[0013] 所述触觉再现模块包含触觉面板、透明电极阵列模块、压电陶瓷阵列模块、电磁铁 阵列模块、显75模块和壳体；
[0014] 所述触觉面板为透明的、刚性的矩形板；所述透明电极阵列模块设置在触觉面板 上；所述压电陶瓷阵列模块固定在触觉面板的下表面和壳体之间；所述电磁铁阵列固定在 显示模块下方；所述显示模块固定在触觉面板的正下方，且与触觉面板之间留出足够触觉 再现模块振动的空间；
[0015] 所述压电陶瓷激励信号生成模块和压电陶瓷阵列模块电气相连，所述电极阵列激 励信号生成模块和透明电极阵列模块电气相连，所述电磁铁阵列激励信号生成模块和电磁 铁阵列模块电气相连，所述中央控制模块分别和压电陶瓷激励信号生成模块、电极阵列激 励信号生成模块、电磁铁阵列激励信号生成模块、显示模块、手指位置检测模块电气相连；
[0016] 所述压电陶瓷激励信号生成模块用于产生压电陶瓷阵列模块的驱动信号；
[0017] 所述电极阵列激励信号生成模块用于产生透明电极阵列模块的驱动信号；
[0018] 所述电磁铁阵列激励信号生成模块用于产生电磁铁阵列的驱动信号；
[0019] 所述显示模块用于显示虚拟物体；
[0020] 所述手指位置检测模块用于检测人手指位置；
[0021] 所述中央控制模块用于控制压电陶瓷激励信号生成模块、电极阵列激励信号生成 模块、电磁铁阵列激励信号生成模块产生驱动信号，控制手指位置检测模块获取操作者手 指位置，以及控制显示模块显示虚拟物体。
[0022] 作为本发明一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置进一步的优化方案，所述显示模块 采用液晶显示模块。
[0023] 作为本发明一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置进一步的优化方案，所述壳体采用 硬质海绵。
[0024] 作为本发明一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置进一步的优化方案，所述永磁铁为 扁圆柱形铷磁铁。
[0025] 作为本发明一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置进一步的优化方案，所述透明电极 阵列包含至少两层透明电极阵列层，且每层透明电极阵列层上均加工有绝缘层。
[0026] 本发明还公开了一种根据该宽幅摩擦力控制触觉再现装置的再现方法，包含以下 步骤：
[0027] 步骤1)获取操作者手指位置，根据当前再现的触觉模式计算生成手指位置处所 需的等效摩擦力系数值U;
[0028] 步骤2)获取透明电极阵列模块的上表面的初始摩擦力系数yO、透明电极阵列 模块所能增大的最大摩擦力系数AUev、压电陶瓷阵列模块所能减小的最大摩擦力系数 AUsqz、以及电磁铁阵列模块所能增大或减小的最大摩擦力系数A
[0029] 步骤3)若iiG[ii0,ii0+AUEV]，控制透明电极阵列模块，产生电致振动效应， 增大操作者手指与透明电极阵列模块的上表面之间的摩擦力系数至U;
[0030] 步骤4)若i!G[iiO-AUSQZ，U0]，控制压电陶瓷阵列模块，产生空气压膜效应， 减小操作者手指与透明电极阵列模块的上表面之间的摩擦力系数至U;
[0031] 步骤5)若iiG|> 〇+AiiEV,ii0+AiiEV+AiiIttJ,首先控制电磁铁阵列模块 与永磁铁之间产生吸引力，使操作者手指与透明电极阵列模块的上表面之间的摩擦力系数 增大到最大，然后控制透明电极阵列模块将操作者手指与透明电极阵列模块的上表面之间 的摩擦力系数增大至U;
[0032]步骤6)若iiG|> 〇-Ai! SQZ-Ai!Itte,i!O-Ai! SQZ],首先控制电磁铁阵列模块 与永磁铁之间产生排斥力，使其将操作者手指与透明电极阵列模块的