一种力反馈装置的制作方法

本实用新型涉及力反馈技术领域，具体涉及一种力反馈装置。

背景技术：

力反馈是一种通过触觉刺激传递信息的方法，可广泛应用于观影体验、虚拟现实游戏体验中，能配合画面与声音营造更好的沉浸感，力反馈也可应用于可穿戴设备的信息输出中，通过预设的不同模式的力反馈向穿戴者传递不同的信息。在现有的力反馈装置方案中，如果要产生受力较大的力反馈，会选择机械式方案或气动式方案，但是相应的力反馈装置的体积过大，单位面积下能布置的力反馈单元较少，将无法还原细微的力反馈感受；而当采用体积较小的电磁式方案或振动式方案，虽然能将力反馈单元布置得比较细致，可以满足还原细腻微小的力反馈感受的需求，但是电磁式方案或振动式方案所能产生的力度较小，又无法还原出受力较大的力反馈感受。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种力反馈装置，通过将不同大小的力分配给相应位置上的电磁式力反馈单元和机械式力反馈单元来模拟力的大小，解决了现有的只能模拟单一类型的力的技术问题。

为了达到上述技术目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种力反馈装置，其特征在于，该装置包括中控模块，和从下至上依次由底座层、电磁式力反馈单元组成的第一阵列层、中间层、机械式力反馈单元组成的第二阵列层和表层组成的执行模块；所述第二阵列层中的机械式力反馈单元穿过中间层与底座层相连接；所述中控模块与所述电磁式力反馈单元和机械式力反馈单元电连接。

进一步，所述中控模块通过设置在中间层上的第一传输线路与第一阵列层的电磁式力反馈单元相连。

进一步，所述中控模块通过设置在表层上的第二传输线路与第二阵列层的机械式力反馈单元相连。

进一步，所述电磁式力反馈单元包括电磁单元外壳，在所述电磁单元外壳中从上到下依次设有电磁铁、上限位弹性部件、第一推杆和下限位弹性部件；所述电磁铁上的第一导电插头穿过所述电磁单元外壳与所述中间层相连；所述电磁铁与第一推杆之间设有上限位弹性部件，所述第一推杆上设有下限位弹性部件，所述第一推杆的下端穿过所述电磁单元外壳与底座相连。

进一步，所述上限位弹性部件和/或下限位弹性部件为弹簧。

进一步，所述机械式力反馈单元包括机械单元外壳，在所述机械单元外壳中设有步进电机，所述步进电机驱动连杆机构推动滑块沿着轨道滑动，所述轨道与所述机械单元外壳相连；所述机械单元外壳的顶端设有与电机相连的第二导电插头与所述表层相连接，所述滑块的下端设有能够穿过所述中间层与所述底座相连的第二推杆。

进一步，所述连杆机构包括一端与步进电机铰接的第一连杆，和另一端与滑块铰接的第二连杆，所述第一连杆和第二连杆之间通过铰接的方式连接。

进一步，所述中控模块包括控制模块，以及分别与所述控制模块相连接的无线收发模块和供电模块；所述供电模块通过表层的第二传输线路与所述机械式力反馈单元相连；

所述无线收发模块用于接收触感信息；

所述控制模块用于读取触感信息的位置坐标并根据其相应的力度值判断该触感信息的类型，并根据电磁式力反馈单元或者机械式力反馈单元的实际位置，计算得到所述触感信息对应的所述实际位置及其相应的力反馈值；

所述控制模块通过所述中间层中的第一传输线路控制电磁式力反馈单元以及通过表层中的第二传输线路控制机械式力反馈单元。

一种力反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收到携带有位置坐标和力度值的触感信息；

依次读取触感信息中的位置坐标并根据力度值判断该触感信息的类型；

根据所述触感信息的类型并结合电磁式力反馈单元或者机械式力反馈单元的实际位置，计算得到所述触感信息对应的所述实际位置及其相应的力反馈值；

向所述电磁式力反馈单元或机械式力反馈单元的实际位置发送相应的力反馈值。

进一步，依次读取触感信息中的位置坐标并根据力度值判断该触感信息的类型的步骤，包括：

读取某一个触感信息中的位置坐标；

判断该触感信息中的力度值与阈值的大小，力度值大于阈值的触感信息为强力信息，力度值小于阈值的触感信息为弱力信息；

将强力信息对应的触感信息存入机械式触感信息模块中，将弱力信息对应的触感信息存入电磁式触感信息模块中；

依次读取触感信息中的位置坐标并经过上述步骤的处理。

进一步，所述计算得到所述触感信息对应的所述实际位置的方法是利用差值法计算所述触感信息对应的所述实际位置。

进一步，所述向所述电磁式力反馈单元或机械式力反馈单元的实际位置发送相应的力反馈值的步骤之后，还包括：

所述机械式力反馈单元根据接收到力反馈值启动步进电机驱动连杆机构推动带有第二推杆的滑块沿着轨道进行上下滑动，所述第二推杆在步进电机的作用下做相应的推出或者收回的动作。

进一步，所述向所述电磁式力反馈单元或机械式力反馈单元的实际位置发送相应的力反馈值的步骤之后，还包括：

所述电磁式力反馈单元根据接收到的力反馈值向电磁铁供电，所述电磁铁周围的磁场对第一推杆产生磁场力，所述第一推杆在磁场力的作用下做相应的推出或者收回的动作。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型能够通过将机械式力反馈单元与电磁式力反馈单元间隔排列，统一控制的方法，实现对较大的力反馈和细腻微小的力反馈的精准还原。

2、本实用新型提供了一种力反馈装置，能够通过自动将较大的力反馈和细腻微小的力反馈分开，将对应的触发信号分别传送给机械式力反馈单元和电磁式力反馈单元，实现同时模拟两种不同类型的力的目的。

附图说明

图1为本实用新型的穿戴效果图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型的电磁式力反馈单元的剖视结构示意图；

图4为本实用新型的电磁式力反馈单元的结构示意图；

图5为实用新型的机械式力反馈单元的结构示意图；

图6为本实用新型的电路结构框图；

图7为本实用新型的触感信息的处理流程图。

图8为本实用新型的模拟场景示意图。

图中：1-中控模块、2-第一阵列层、3-第二阵列层、4-底座层、5-中间层、6-表层、21-电磁铁、22-上限位弹性部件、23-第一推杆、24-下限位弹性部件、25-电磁单元外壳、26-第一导电插头、31-机械单元外壳、32-步进电机、33-第一连杆、34-销钉、35-第二连杆、36-滑块、37-第二导电插头、38-第二推杆、41-中控模块、42-执行模块、43-控制模块、44-供电模块、45-无线收发模块、46-第一传输线路、47-第二传输线路、48-电磁式力反馈单元、49-机械式力反馈单元、51-待模拟场景、52-力反馈装置。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图来详细说明本实用新型，需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本实用新型的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种力反馈装置，所述力反馈装置包括中控模块1，和从下至上依次由底座层4、电磁式力反馈单元组成的第一阵列层2、中间层5、机械式力反馈单元组成的第二阵列层3和表层6组成的执行模块。所述底座层4可以采用橡胶底座与人体相接触。所述机械式力反馈单元组成的第二阵列层3中的机械式力反馈单元穿过中间层5与底座层4相连接。所述中间层5，一方面是用来固定第一阵列层2，另一方面为电磁式力反馈单元组成的第一阵列层2提供第一传输线路，也就是说在中间层5上设有与中控模块电连接的电力传输和数据传输通路。相应的，所述表层6，一方面固定第二阵列层3，一方面为机械式力反馈单元组成的阵列3提供第二传输线路，也就是在表层6上设有与中控模块电连接的电力传输和数据传输通路。所述中间层5和表层6的电力传输和数据传输通路与中控模块1相连接。由中控模块1通过中间层5和表层6的电力传输和数据传输通路相应的控制电磁式力反馈单元组成的第一阵列层2和机械式力反馈单元组成的第二阵列层3动作，进而在人体上产生相应的触觉反馈。本实用新型能够做成可穿戴的装置，如图1所示。

如图3和图4所示，所述电磁式力反馈单元阵列2是由多个电磁式力反馈单元所组成的阵列结构。所述电磁式力反馈单元包括电磁单元外壳25、电磁铁21和第一推杆23，所述电磁铁21和第一推杆23之间设有上限位弹性部件22，在所述第一推杆23上设有下限位弹性部件24。所述第一推杆23是由永磁性材料制成，例如磁铁等。所述上限位弹性部件22和下限位弹性部件24中的一种或者两种采用弹簧。所述电磁单元外壳25为筒形外壳。电磁铁21、上限位弹簧22、第一推杆23和下限位弹簧24从上至下依次设置于所述电磁单元外壳25中。所述电磁铁21与电磁单元外壳25相连，所述电磁单元外壳25通过电磁铁21上部的第一导电插头26插在中间层5对应位置上的插孔中，既实现了自身的固定，同时通过插头、插孔经中间层上设置的第一传输线路与中控模块1连接。中控模块1根据该位置上将产生的力反馈的大小传输对应幅度的电流到电磁铁21上，由电磁铁21将电场转化为磁场，对由永磁性材料制成的第一推杆23产生相应大小的吸力或斥力，第一推杆23的下端穿过电磁单元外壳25的底面插在底座层4上，对该位置上直接接触的皮肤产生力反馈。也就是说，所述电磁式力反馈单元根据接收到的力反馈值向电磁铁21供电，所述电磁铁21周围的磁场对第一推杆23产生磁场力，所述第一推杆23在磁场力的作用下做相应的推出或者收回的动作。上限位弹簧22与下限位弹簧24用于限制第一推杆23所产生的最大压力或最大拉力，同时当电磁铁21未接收到电流时自动将第一推杆23恢复至初始位置上。电磁式力反馈单元2能够还原细腻的阈值较小的力反馈。

如图5所示，第二阵列层3是由多个机械式力反馈单元所组成的阵列结构。所述机械式力反馈单元包括机械单元外壳31、步进电机32、连杆机构和滑块36，所述机械单元外壳31为内部设有空腔的壳体，所述步进电机32设置在所述机械单元外壳31的内部空腔中，所述连杆机构的一端设置步进电机32上，所述连杆机构的另一端与所述滑块36相连接。在所述壳体上设有所述滑块36相配合的导轨。所述滑块36的下端设有能够穿过所述中间层5与所述底座层4相连的第二推杆38。所述机械单元外壳31通过其上部的第二导电插头37插在表层6对应位置上的插孔中，既实现了自身的固定，还通过插头、插孔经表层6上设置的第二传输线路与中控模块1连接，导电插头实现对机械式力反馈单元的供电和信号传输。中控模块1根据该位置上将产生的力反馈的大小传输对应的转动控制信号到步进电机32上，步进电机32根据力反馈值转动对应的角度，同时驱动由第一连杆33、销钉34、第二连杆35组成的连杆机构运动，所述连杆机构推动滑块36上下运动，滑块36的下端设置的第二推杆38插在底座层4上面，对该位置上直接接触的皮肤产生力反馈，机械式力反馈单元可产生阈值较大的力反馈。优选的，所述步进电机与第一连杆铰接，所述滑块与第二连杆铰接，所述第一连杆和第二连杆之间通过铰接的方式连接。

如图6所示，中控模块41包括依次连接的供电模块44、控制模块43和无线收发模块45，供电模块44经中间层5的第一传输线路46连接到第一阵列层2中的电磁式力反馈单元48，供电模块44和控制模块43经表层6的第二传输线路47同时连接第二阵列层3中的机械式力反馈单元49，无线收发模块45用于接收外部发送过来的触感信息。所述第一传输线路46、电磁式力反馈单元48、第二传输线路47和机械式力反馈单元49均属于执行模块42。所述控制模块用于读取触感信息的位置坐标并根据其相应的力度值判断该触感信息的类型，并根据电磁式力反馈单元或者机械式力反馈单元的实际位置，计算得到所述触感信息对应的所述实际位置及其相应的力反馈值；所述控制模块通过所述中间层中的电磁传输线路控制电磁式力反馈单元以及通过表层中的机械传输线路控制机械式力反馈单元。

如图7所示，中控模块1通过无线收发模块接收到相应的触感信息，所述触感信息中携带有位置坐标和力度值的信息，并依次读取所述触感信息中某一位置处的力度值，并根据力度值判断该触感信息的类型。优选的，具体的判断方法为：判断该触感信息中的力度值与阈值的大小，力度值大于阈值的触感信息为强力信息，力度值小于阈值的触感信息为弱力信息；将强力信息存入机械式触感信息模块中，将弱力信息存入电磁式触感信息模块中。触感信息的类型分类完成后，中控模块1根据不同类型的触感信息的分布情况，并结合电磁式力反馈单元组成的第一阵列层2和机械式力反馈单元组成的第二阵列层3的实际位置，利用差值法计算得到所述触感信息对应的电磁式力反馈单元阵列2和机械式力反馈单元阵列3的实际位置及其相应的力反馈值。也就是说，中控模块根据接收到的触感信息的坐标位置和力度值的大小计算得到了相应于执行模块中第一阵列层2和第二阵列层3的实际位置以及相应的力反馈值。中控模块1根据触感信息的类型将所述力反馈值分为两路信号分别通过中间层5和表层6中的相应的传输线路相应的传输给电磁式力反馈单元阵列2和机械式力反馈单元阵列3中的相应单元触发动作。

在实际应用中，触感信息在中控模块1中经过处理后，自动分为两路触感信息，一路为力反馈较大的强力信息的触感信息，将经由表层6传送至对应的机械式力反馈单元阵列3控制步进电机32旋转产生较大的力反馈；另一路为力反馈较小的弱力信息的触感信息，将经由中间层5传送至对应的电磁式力反馈单元阵列2由电磁铁21将电场转化为磁场后对第一推杆23进行动作从而产生较小的力反馈，从而完成力反馈的多分辨率还原。

如图8所示，当电影画面或游戏中出现在下雨天被棍棒击中的情节时，使用现有的力反馈装置无法同时重现受力较大的棍棒击打感和细腻的落雨感觉，而穿戴本实用新型的装置后，受力较大的棍棒击打感可以由相应的机械式力反馈单元还原，例如图中待模拟场景51和力反馈装置52，力反馈装置52中的机械式力反馈单元02和机械式力反馈单元04能够还原棍棒击打感，细腻的落雨感觉可以由装置上相应的电磁式力反馈单元进行还原，从而实现更为精准的力反馈效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。