一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置。
【背景技术】
[0002] 目前，触觉反馈系统主要研究物体表面纹理的再现，它通过模拟操作者与纹理表 面接触时的凹凸感和粗糙感，将纹理的物理属性传递给操作者。其中，基于摩擦力的触觉反 馈系统是利用挤压气膜效应来实现手指触感的变化的。此类触觉反馈系统通过手指定位装 置实时检测手指位置，进而控制压电陶瓷矩阵驱动单元驱动触摸板背面的压电片产生不同 的振动幅度，带动触摸板高频振动，从而实现微小纹理粗糙感的再现。因此，设计一种高精 度与高集成化，并能在高频振动环境下工作的手指定位装置成为触觉反馈设计的技术要 点。
[0003] 现有的手指定位装置有多种方案，比如应用较为广泛的电阻或电容屏，但其工作 原理决定了不能在它们的背面增加执行器件使其高频振动，这样会使手指定位严重失真， 因此其最大的问题是不能应用于触觉反馈系统中高频振动的环境。利用力传感器可以实现 高频振动环境下的手指定位，但定位精度不高，误差等级为毫米。利用红外定位，可以实现 装置高度集成，只在边框安装红外发射管和红外接收管，但由于红外线接收管体积的限制， 其分辨率为〇. 5_，定位精度也不高。还有一些定位装置虽然精度较高，但集成度不高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种可用于触觉反馈系统的 手指定位装置，属于基于变摩擦力的纹理再现系统的手指定位装置，适用范围广，特别是在 触觉反馈系统的接触终端所要求的高频振动环境下，检测手指位置不会受高频振动的影 响;且检测精度高，体积小，装置透明度高，使触觉反馈系统更加集成化，为触觉反馈系统提 供了更加广阔的发展前景。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
[0006] -种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，包括相互信号连接的用于手指触摸的 触摸板、传感器和控制器;触摸板边缘设有边框;边框一端设有光源;该边框为第一透明材 料制成，该边框的内侧边缘沿离光源由近至远的方向呈由低至高的阶梯状结构，边框在阶 梯状结构的每个阶梯之间倾斜地切割有槽，槽内填充有第二透明材料，以使第一透明材料 与第二透明材料交替排布;第一透明材料与第二透明材料间形成第一分界面，第二透明材 料与另一侧的第一透明材料间形成第二分界面，第二透明材料与空气间形成第三分界面； 光源产生的光线进入边框内部，在第一个阶梯处依次经过第一分界面、第二分界面和第三 分界面并在该三个分界面上分别发生反射与折射，在第一分界面产生的反射光线在射出第 一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行，在第二分界面产生的折射光线与 光源产生的光线平行并进入下一个阶梯的第一分界面；以此通过依次进入各阶梯以产生一 组平行光，该平行光分布于触摸板上表面;通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光强 改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算确定手指在触摸板上的 位置。
[0007] 一实施例中：所述边框位于触摸板边缘的至少两侧，以使通过该位于至少两侧的 边框产生的至少两组平行光相互交织成网状并分布于触摸板上表面。
[0008] -实施例中：所述在第一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与在第 三分界面产生的折射光线相互平行。
[0009] 一实施例中：所述边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽;光线在 所述第一分界面的入射角为45°。
[0010] -实施例中：所述第一透明材料为玻璃，所述第二透明材料为石蜡，所述第一分界 面为玻璃-石蜡分界面，所述第二分界面为石蜡-玻璃分界面，所述第三分界面为石蜡-空气 分界面。
[0011] 一实施例中：所述玻璃的折射率为1.80~1.85，反射系数为0.06~0.07。
[0012] -实施例中：所述触摸板为矩形，矩形触摸板的两个相邻的边缘设有所述边框，所 述边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽;所述光源为两个且沿矩形的对 角线相对布置;所述第一透明材料为折射率1.80~1.85，反射系数0.06~0.07的玻璃，所述 第二透明材料为石蜡，所述第一分界面为玻璃-石蜡分界面，所述第二分界面为石蜡-玻璃 分界面，所述第三分界面为石蜡-空气分界面;所述第一分界面的入射角为45°，所述第三分 界面的入射角为33°~34° ;所述在第一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与 在第三分界面产生的折射光线相互平行。
[0013] -实施例中：还包括用于产生振动的压电片和压电片驱动装置，压电片装接在触 摸板上，压电片驱动装置信号连接控制器;通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光强 改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算以确定手指在触摸板上 的位置并信号传输至压电片驱动装置，压电片驱动装置控制压电片产生振动并带动触摸板 振动以实现触觉反馈。
[0014] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
[0015]上述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置的制备方法，所述边框的制备过程包 括：
[0016] 利用第一透明材料制作出边框初品，在该边框初品上沿倾斜地切割出若干平行间 隔布置的槽，在该槽内填充第二透明材料;根据光源位置、边框初品尺寸、槽角度和尺寸、光 线在第一分界面、第二分界面和第三分界面上的反射与折射情况，按照在第一分界面产生 的反射光线在射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行、在第二分界 面产生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个第一分界面的要求，确定需要切割 的部分，并对边框初品进行切割形成所述阶梯状结构。
[0017] 本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点：
[0018] 1.本发明的装置设计简易，将玻璃边框采用全息光刻技术刻出均匀的槽，槽内部 充满石蜡，利用光线在玻璃与石蜡分界面、石蜡与空气分界面发生反射与折射从而产生平 行光，装置集成度高，体积小，布局合理，操作方便，更加符合现代对智能化、集成化、小型化 的要求。
[0019] 2.本发明适用范围广，特别是在触觉反馈系统终端高频振动环境下，检测手指的 位置时不会受高频振动的影响，尤其适合应用于高频振动的动态环境。
[0020] 3.本发明测量精度高，利用全息光刻技术，本发明的槽可以达到纳米级，从而产生 密集的平行光，其对触摸板的覆盖性较强。线性CCD传感器可以检测弱光信号，光强低于一 定范围时线性响应特性较好，且像素大的传感器采集到的数据更完善，比起红外检测来说， 定位精度更高。
【附图说明】
[0021] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0022] 图1是本发明实施例1的可用于触觉反馈系统的手指定位装置结构示意图。
[0023] 图2是本发明的可用于触觉反馈系统的手指定位装置结构具体的光路原理图。 [0024]图3a是本发明的边框的俯视图。
[0025]图3b是本发明的边框的立体结构示意图。
[0026]图4a是本发明的边框的制作原理图之一。
[0027]图4b是本发明的边框的制作原理图之二。
[0028] 图5是本发明实施例2的可用于触觉反馈系统的手指定位装置的背面结构示意图。
[0029] 附图标记:触摸板1，边框2,石蜡3,触摸板4,线性CCD传感器5,第一分界面(玻璃-石蜡分界面)6,第二分界面(石蜡-玻璃分界面)7,第三分界面(石蜡-空气分界面)8,压电片 9〇
【具体实施方式】
[0030] 下面通过实施例具体说明本发明的内容：
[0031] 实施例1
[0032] -种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，包括相互信号连接的用于手指触摸的 触摸板、传感器和控制器;触摸板边缘设有边框;边框一端设有光源;该边框为第一透明材 料制成，该边框的内侧边缘沿离光源由近至远的方向呈由低至高的阶梯状结构，边框在阶 梯状结构的每个阶梯之间倾斜地切割有槽，槽内填充有第二透明材料，以使第一透明材料 与第二透明材料交替排布;第一透明材料与第二透明材料间形成第一分界面，第二透明材 料与另一侧的第一透明材料间形成第二分界面，第二透明材料与空气间形成第三分界面； 光源产生的光线进入边框内部，在第一个阶梯处依次经过第一分界面、第二分界面和第三 分界面并在该三个分界面上分别发生反射与折射，在第一分界面产生的反射光线垂直射出 第一透明材料并与在第三分界面产生的折射光线相互平行，在第二分界面产生的折射光线 与光源产生的光线平行并进入下一个阶梯的第一分界面；以此通过依次进入各阶梯以产生 一组平行光，该平行光分布于触摸板上表面;通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光 强改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算确定手指在触摸板上 的位置。
[0033] 具体到本实施例的可用于触觉反馈系统的手指定位装置中，请参照图1，所述触摸 板4为矩形的玻璃触摸板，所述传感器为线性CCD传感器5;所述控制器例如为DSP控制器;线 性CCD传感器5连接DSP控制器的AD 口；玻璃触摸板4两个相邻的边缘均设有第一透明材料玻 璃制成的边框2,所述光源1为两个激光光源且沿矩形的对角线相对布置在边框2上;触摸板 4在两个边缘的边框2的内侧边缘分别沿离两个光源1由近至远的方向呈由低至高的阶梯状 结构，每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽，各槽相互平行间隔布置;槽内填充有第二透明材 料石蜡3,玻璃与石蜡3呈交替排布。本实施例之中，采用的玻璃为折射率1.8141