筒2连接，电容笔头I用于实现装置与移动终端的交互和在触摸屏上定位;套环3在连接筒2的上部，两者采用间隙配合;连接杆4连接着套环3和左活塞杆701，能够在圆筒形笔壳6前部预留的导轨内左右运动;弹簧5放置于连接杆4与左封盖703之间，用于消除磁流变液阻尼器内部密封圈与活塞杆之间存在的摩擦力，减小阻尼器零电流初始摩擦力对力反馈准确性的影响;磁流变液阻尼器7放置于圆筒形笔壳6内部；圆筒形笔壳6连接着连接筒2和方形笔壳8，均采用过盈配合；圆筒形笔壳6后部的外筒径、套环3的外径，以及连接杆4的长度相等;方形笔壳8的前部有一个圆形挡板9，其与圆筒形笔壳6配合可固定磁流变液阻尼器7的位置;方形笔壳8的中部，在两个挡板之间留有右活塞杆710运动的空间;方形笔壳8后部的空腔内放置有振动电机10、测控电路11、压电陶瓷振动器12、电池13和拨动开关14;测控电路11分别通过导线与磁流变液阻尼器7、振动电机10、压电陶瓷振动器12、电池13和拨动开关14连接;电池13放置于两个支撑台上，其与支撑台之间放置有压电陶瓷振动器12，电池13为可充电锂电池，用于为整个装置提供电能;拨动开关14可嵌入到方形笔壳8尾部的方格内；盖子15采用抽屉式设计，与方形笔壳8形成间隙配合，方便方形笔壳8内组件的安装和拆卸。
[0023]所述的磁流变液阻尼器7为剪切阀式双出杆直动型，包括左活塞杆701、连接孔702、左封盖703、密封圈704、外壳705、活塞706、励磁线圈707、磁流变液708、右封盖709、右活塞杆710、引出线711;左活塞杆701与右活塞杆710均与活塞706通过螺纹连接;连接孔702与连接杆4采用紧配合;左封盖703与右封盖709均与外壳705通过螺纹连接;密封圈704可分别放置于左封盖703与右封盖709之内，其外径大于外壳705的内径，当左、右封盖与外壳705通过螺纹连接后，能够将密封圈704的位置固定，另外，为了减少漏液，密封圈704选用柔性材料，其与活塞杆采用过盈配合，这样就增加了阻尼器零电流时的初始摩擦力；外壳705与左、右封盖的外径相同；活塞706的右侧内部和右活塞杆710内部均开有引出线711经过的小孔;励磁线圈707由漆包铜导线在活塞706的中部绕制而成，绕制完成后，两根引出线711通过活塞706与右活塞杆710内部的小孔引出；磁流变液708填充于阻尼器内部的空腔中，有效的工作部分为活塞706两翼与外壳705内壁之间的阻尼通道，阻尼通道的厚度仅为0.3_。
[0024]所述的电容笔头I的外部包裹一层导电橡胶，用于传导电流，并防止装置在滑动过程中对触摸屏造成损伤，导电橡胶内部、连接筒2、套环3和弹簧5均由导电金属材料制成，可将手部的电流传导至触摸屏，实现装置对触摸屏的操作；连接杆4、圆筒形笔壳6、密封圈704、方形笔壳8、圆形挡板9和盖子15均由非金属材料制成，这样既可减轻装置的重量，又可防止金属材料对无线通信信号的屏蔽作用；外壳705和活塞706均由导磁金属材料制成;左活塞杆701、左封盖703、右封盖709和右活塞杆710均由非导磁金属材料制成;磁流变液708为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。
[0025]所述的测控电路11包括电源适配电路、控制电路、姿态检测电路、压控恒流源电路、压电陶瓷振动器驱动电路、振动电机驱动电路和蓝牙无线通信模块;其中电源适配电路用于将电池13的输出电压转换为两种水平的稳定电压值，为其他电路供能;控制电路是整个电路的控制核心，主要包括STM32系列的微处理器及晶振等外围电路;姿态检测电路主要基于MPU6050芯片，与微处理器通过I2C总线进行通信，用于检测装置的空间姿态信息;压控恒流源电路用于控制输入到励磁线圈707中的电流值，其能较好地实现输入电压近似线性地控制输出电流;压电陶瓷振动器驱动电路主要基于DRV2667芯片，与微处理器通过I2C总线进行通信，可通过设定幅值、频率、包络和持续时间来控制压电陶瓷振动器的振感，实现精细的振动触觉反馈;振动电机驱动电路用于驱动振动电机，振动电机的振动强度直接由微处理器发送PWM信号进行控制；蓝牙无线通信模块选用常见的HC-05型蓝牙模块，其与微处理器通过USART连接，用于实现装置与移动终端之间的数据交换。
[0026]本发明设计的一种面向多媒体移动终端交互应用的小型笔式力/触觉再现装置是一种独立设备，可通过蓝牙与移动终端通信，具有体积小、功耗低、重量轻和便携的特点，能够由振动电机和压电陶瓷振动器提供两种类型的振动触觉反馈，由磁流变液阻尼器提供被动力反馈;该装置主要解决人与移动终端交互缺乏力/触觉交互感受的问题，增强了操作者与虚拟环境交互的真实感和沉浸感，提高了人机交互的效果和工作效率。
【主权项】
1.一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，其特征在于:该装置包括电容笔头(I)、连接筒(2)、套环(3)、连接杆(4)、弹簧(5)、圆筒形笔壳(6)、磁流变液阻尼器(7)、方形笔壳(8)、圆形挡板(9)、振动电机(10)、测控电路(11)、压电陶瓷振动器(12)、电池(13)、拨动开关(14)和盖子(15)。 所述的电容笔头(I)通过螺纹与连接筒(2)连接;套环(3)在连接筒(2)的外部，两者采用间隙配合;连接杆(4)连接着套环(3)和左活塞杆(701)，能够在圆筒形笔壳(6)前部预留的导轨内左右运动；弹簧(5)放置于连接杆(4)与左封盖(703)之间；磁流变液阻尼器(7)放置于圆筒形笔壳(6)内部；圆筒形笔壳(6)的两端分别连接着连接筒(2)和方形笔壳(8)，均采用过盈配合;圆筒形笔壳(6)后部的外筒径与套环(3)的外径相等;方形笔壳(8)的前部有一个圆形挡板(9)，其与圆筒形笔壳(6)配合以便固定磁流变液阻尼器(7)的位置;在方形笔壳(8)的中部，两个挡板之间留有右活塞杆(710)运动的空间;方形笔壳(8)后部的空腔内放置有振动电机(10)、测控电路(11)、压电陶瓷振动器(12)、电池(13)和拨动开关(14);测控电路(11)分别通过导线与磁流变液阻尼器(7)、振动电机(10)、压电陶瓷振动器(12)、电池(13)和拨动开关(14)连接；电池(13)放置于两个支撑台上，其与支撑台之间放置有压电陶瓷振动器(12)，盖子(15)采用抽屉式设计，与方形笔壳(8)形成间隙配合，方便方形笔壳(8)内组件的安装和拆卸。2.根据权利要求1所述的一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，其特征在于:所述的磁流变液阻尼器(7)为剪切阀式双出杆直动型，包括左活塞杆(701)、连接孔(702)、左封盖(703)、密封圈(704)、外壳(705)、活塞(706)、励磁线圈(707)、磁流变液(708)、右封盖(709)、右活塞杆(710)、引出线(711);左活塞杆(701)与右活塞杆(710)均与活塞(706)通过螺纹连接；连接孔(702)与连接杆(4)采用紧配合；左封盖(703)与右封盖(709)均与外壳(705)通过螺纹连接；密封圈(704)可分别放置于左封盖(703)与右封盖(709)之内，其外径大于外壳(705)的内径，当左、右封盖与外壳(705)通过螺纹连接后，能够将密封圈(704)的位置固定，另外，为了减少漏液，密封圈(704)选用柔性材料，其与活塞杆采用过盈配合；外壳(705)与左、右封盖的外径相同；活塞(706)的右侧内部和右活塞杆(710)内部均开有引出线(711)经过的小孔;励磁线圈(707)由漆包铜导线在活塞(706)的中部绕制而成，绕制完成后，两根引出线(711)通过活塞(706)与右活塞杆(710)内部的小孔引出；磁流变液(708)填充于阻尼器内部的空腔中，有效的工作部分为活塞(706)两翼与外壳(705)内壁之间的阻尼通道，阻尼通道的厚度仅为0.3mm。3.根据权利要求1和2所述的一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，其特征在于:所述的电容笔头(I)的外部包裹一层导电橡胶，导电橡胶内部、连接筒(2)、套环(3)和弹簧(5)均由导电金属材料制成;连接杆(4)、圆筒形笔壳(6)、密封圈(704)、方形笔壳(8)、圆形挡板(9)和盖子(15)均由非金属材料制成；外壳(705)和活塞(706)均由导磁金属材料制成;左活塞杆(701)、左封盖(703)、右封盖(709)和右活塞杆(710)均由非导磁金属材料制成;磁流变液(708)为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。4.根据权利要求1所述的一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，其特征在于:所述的测控电路(11)包括电源适配电路、控制电路、姿态检测电路、压控恒流源电路、压电陶瓷振动器驱动电路、振动电机驱动电路和蓝牙无线通信模块。
【专利摘要】本发明是一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，主要包括电容笔头、连接筒、套环、连接杆、弹簧、圆筒形笔壳、磁流变液阻尼器、方形笔壳、圆形挡板、振动电机、测控电路、压电陶瓷振动器、电池、拨动开关和盖子；连接筒连接电容笔头和圆筒形笔壳前端；套环套在连接筒之上，可通过连接杆带动磁流变液阻尼器的活塞杆在连接筒上滑动；圆筒形笔壳内部放置有磁流变液阻尼器；方形笔壳后部的空腔内放置有振动电机、测控电路、压电陶瓷振动器、电池和拨动开关；该装置主要解决人与移动终端交互缺乏力/触觉交互感受的问题，可与移动终端无线通信，能够产生一种被动力反馈和两种振动触觉反馈，具有体积小、功耗低、重量轻和便携的特点。
【IPC分类】G06F3/01, G06F3/0488, G06F3/0354
【公开号】CN105653042
【申请号】
【发明人】宋爱国, 陈大鹏, 田磊, 曹家梓, 余玉卿
【申请人】东南大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年2月29日