br>[0067] 6.操作者手指位置检测。操作者手指位置检测是触觉再现系统的重要环节，它直 接影响触觉模式的生成和精确度。电极阵列层包括两层，一层作行阵、一层作列阵。其工作 原理主要是相邻两行、两列之间如果通电，都会在两个相邻电极之间产生固定电容。如果人 手指触摸电极阵列，则会在人手指与电极之间产生新的寄生电容，控制器就可以计算出手 指位置。
[0068] 基于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：
[0069] 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;
[0070] 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y0、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
[0071] 步骤3)若iiG[ii0,ii0+AyEV]，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y;
[0072] 步骤4)若iiG[ii0-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;
[0073] 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y;
[0074] 步骤6)若iiG|> 〇-AiiSQZ-Aii_，ii0-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上表面之间的摩擦力 系数减小到最小，然后控制压电陶瓷阵列模块将操作者手指与透明电极阵列模块的上表面 之间的摩擦力系数减小至y;
[0075] 步骤 7),如果0 [(lO-AjisQz-A.UMACi，|_iO+Aj_il:v+Aj_iMA(i]，则根据系统能再现的摩 擦力范围，对当前再现的触觉模式中的摩擦力系数进行处理，使其属于系统能再现的范围。
[0076] 进一步的，所述步骤7)的详细步骤为：根据当前再现的触觉模式中摩擦力系数最 大最小值，做归一化处理。
[0077] 进一步的，所述步骤7)的详细步骤还可以为：如果手指位置处所需的等效摩擦力 系数值U超出当前再现的触觉模式中摩擦力系数最大最小值范围，直接使用系统摩擦力 系数上下限值来表示。
[0078] 本发明所涉及的摩擦力控制是通过将空气压膜效应、电致振动效应以及电磁激励 三种原理相融合的方式来实现的。其中，空气压膜效应可用于减小摩擦力系数，电致振动效 应可用于增大摩擦力系数，电磁力控制既可以用于增大摩擦力，也可以用于减小摩擦力，可 以作为背景作用力来设置触觉再现模块的初始摩擦力系数。这样就可以实现较宽的摩擦力 系数控制范围，从而能够再现较为精细的纹理触觉，提高了触觉再现的真实性。
【主权项】
1. 一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，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W及中央控制模块； 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、显示模块和壳体； 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； 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； 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； 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； 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； 所述显示模块用于显示虚拟物体； 所述手指位置检测模块用于检测人手指位置； 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，W及控制显示模块显示虚拟物体。
2. 根据权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，所述显示模块 采用液晶显示模块。
3. 根据权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，所述壳体采用 硬质海绵。
4. 根据权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，所述永磁铁为 扁圆柱形颂磁铁。
5. 根据权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，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。
6. 基于权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置的再现方法，其特征在于，包 含W下步骤： 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y ; 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y 0、透明电极阵列模块所 能增大的最大摩擦力系数A Uev、压电陶瓷阵列模块所能减小的最大摩擦力系数A 及电磁铁阵列模块所能增大或减小的最大摩擦力系数A y 步骤3)若y G [y〇，uO+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y ; 步骤4)若y G [y〇-A Us0z，y〇]，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y ; 步骤5)若y G [ y 0+ A y W，y 0+ A y W+ A y MC]，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y ; 步骤6)若S日Z- A y MAG，y 0- A y S日Z]，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上表面之间的摩擦力系 数减小到最小，然后控制压电陶瓷阵列模块将操作者手指与透明电极阵列模块的上表面之 间的摩擦力系数减小至y ; 步骤7)，如果y € [ y 0- A y S日Z- A y mg，y 〇+ A y ev+ A y艦]，则根据系统能再 现的摩擦力范围，对当前再现的触觉模式中的摩擦力系数进行处理，使其属于系统能再现 的范围。
7. 基于权利要求6所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置的再现方法，其特征在于，所 述步骤7)的详细步骤为：根据当前再现的触觉模式中摩擦力系数最大最小值，做归一化处 理。
8. 基于权利要求6所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置的再现方法，其特征在于，所 述步骤7)的详细步骤为；如果手指位置处所需的等效摩擦力系数值y超出当前再现的触 觉模式中摩擦力系数最大最小值范围，直接使用系统摩擦力系数上下限值来表示。
【专利摘要】本发明公开了一种宽幅度摩擦力控制触觉再现装置及方法，该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；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、显示模块和壳体。本发明的再现方法将空气压膜效应、电致振动效应、电磁力控制三种原理相融合，实现操作者手指与触觉再现模块之间摩擦力的增大和减小双向宽幅度调节，进而实现高性能的触觉再现。本发明能够实现多模态的感知，具有较大的实用价值。
【IPC分类】G06F3-01, G06F3-041
【公开号】CN104679241
【申请号】CN201510051401
【发明人】陆熊, 李沅泽, 赵丽萍, 胡叙胜
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月30日