一种应用于移动终端的静电力触觉再现方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于移动终端的静电力触觉再现方法和装置，属于虚拟现实领域，提出了一种凸起几何模型的静电力触觉再现算法和一种凹陷几何模型的静电力触觉再现算法，应用于静电力触觉再现装置中，可明显引起凸起或凹陷的触觉感。同时，本发明公开了一种应用于移动终端的静电力触觉再现装置，主要包括静电力触觉再现交互单元、静电力触觉再现控制单元、红外定位单元以及ARM核心处理单元。本发明的优点在于：易于小型化，可以应用于智能手机、平板电脑以及笔记本电脑等移动终端；本发明公开的静电力触觉再现方法，计算复杂度低，特别适合平板电脑、手机等计算能力有限的移动终端，能够获得良好的触觉体验。
【专利说明】—种应用于移动终端的静电力触觉再现方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明属于虚拟现实领域，具体涉及一种应用于移动终端的静电力触觉再现装置及一种静电力触觉再现方法。
【背景技术】
[0002]触觉再现能够为人提供更加真实和直观的交互体验，是目前国内外虚拟现实【技术领域】的研究热点。触觉再现在教育、网络购物、盲人视图、远程医疗等领域有着重要作用。
[0003]韩国釜山国立大学的Jin-Hun Park等提出了基于磁路设计的线性振动传感器，增加了磁力，使其在保证快速响应的同时，提高线性振动器传递的力，增强线型振动器的振动强度，但是对触觉模拟的效果有限。日本电信通信大学研制的一种用于移动触摸屏的透明电触觉薄膜，该薄膜上的电极呈点阵式分布，可吸附在显示上，触摸时会根据图像的纹理给予电触觉反馈，但其采用直接式电刺激，不适性大。美国迪斯尼公司研制了一种静电力引起触觉反馈的技术，可在普通触摸屏实现触觉再现，这种技术被普遍认为是实现触觉再现系统小型化的最主要方式，是触觉再现领域的最新技术。
[0004]2011年美国专利US 2011/0285667A1中公开了一种基于电震动的触觉再现技术，采用电荷的库仑作用，使人感知触觉，介绍了其工作原理，并其不是一个完整的触觉再现装置，并没有涉及具体的触觉再现算法。2012年中国专利CN202694260U中公开了一种基于静电力的触觉再现装置，其主控单元采用PC机，不利于小型化，且其在驱动信号与触觉的关系方面未做具体研究，也未涉及具体的触觉再现算法。
[0005]在静电力触觉再现系统中，手指产生的触觉力的大小可用以下公式近似得到
F入 n=⑴
_6]2(1' 4.1 r、(T +T )
S ερ Ρ
[0007]其中，ε C1为真空介电常数，^和％分别为皮肤和透明绝缘层的相对介电常数，A为手指与导电极板接触面积，V(t)为导电极板通电电压，Ts和Tp分别为皮肤和透明绝缘层的厚度。从上式可以得出静电力的大小与驱动电压V(t)、接触面积A，以及皮肤和透明绝缘层的性质有关，其中可控制的关键是驱动电压V(t)。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种应用于移动终端的静电力触觉再现方法和装置，并建立了驱动信号v(t)与图像表面高度的触觉感受之间的联系，提出凸起和凹陷几何形状的触觉再现算法。
[0009]本发明采取的技术方案是:
[0010]静电力的触觉再现装置包括静电力触觉再现交互单元、静电力触觉再现控制单元、红外定位单元以及ARM核心处理单元；
[0011](I)所述静电力触觉再现交互单元包括IXD显示屏、红外定位框和静电力触觉再现面板；
[0012]所述IXD显示屏用来显示图像信息；
[0013]所述红外定位框由红外定位单元来驱动，用于实时获取手指位置信息；
[0014]所述静电力触觉再现面板分三层结构，由上到下依次是:透明绝缘层、透明导电极板、玻璃底板；所述透明导电极板采用氟掺杂锡氧化物(FTO)，经磁控溅射技术均匀喷涂在玻璃底板上，FTO层厚度0.185um±0.005um，透光率为94% ；
[0015]所述透明绝缘层位于静电力触觉再现面板的最顶层，是手指接触的平面，也是在对透明导电极板施加电信号后，另手指产生静电力触觉的部分，采用了厚度为2um的聚醚砜(PES)，其介电常数为3.5，该聚醚砜采用磁控溅射技术均匀喷涂在透明导电极板上。
[0016](2)所述静电力触觉再现控制单元，采用32位定点数字信号处理器TMS320F2812，运行时钟频率可达150M，处理性能可达150MIPS。使用两片12位D/A转芯片根据直接数字式频率合成(DDS)技术，生成波形、频率、幅度可变的控制信号，该控制信号经过高压放大芯片PA90，将控制信号放大到峰峰值O — 400V可调的高压信号，波形种类为正弦波、方波、锯齿波、三角波、调幅波、或调频波，频率范围为20—20KHz，用以驱动静电力触觉再现面板，产生静电力触觉；
[0017](3)所述红外定位单元用于驱动红外定位边框，实时检测手指触碰触觉再现交互屏的位置，并将检测到的位置信息发送给ARM核心处理单元，红外定位单元的核心采用单片机，可实现两点同时定位，采用USB将位置信息发送至ARM核心处理单元；
[0018](4) ARM核心处理单元以ARM处理器为核心，主要负责根据红外定位单元传来的手指触碰图像的位置信息，然后提取该位置的轮廓、纹理等信息，再根据静电力触觉算法，将要生成的静电力驱动信号信息发送给静电力触觉再现控制单元，从而产生静电力触觉；
[0019]本ARM核心处理单元采用三星S5PV210芯片，主频达1GHz，并配有IG内存，运行Android 4.0 系统；
[0020]该单元是整个静电力触觉再现装置的核心，本专利所述的第二部分——静电力触觉再现算法就在本单元运行。
[0021]根据本发明所描述的静电力触觉再现装置，具有易于小型化的特点，可以使用在智能手机、平板电脑等Android系统平台，也可以移植到苹果1S平台以及笔记本电脑等移动终端。
[0022]本静电力触觉再现装置中主要通过改变驱动电压V(t)来改变静电力的大小，V(t)由静电力触觉再现控制单元产生，驱动信号的种类可以为正弦波、方波、锯齿波、三角波、调幅波、调频波等。
[0023]经过大量实验，当驱动信号的频率范围在20 — ΙΚΗζ，峰峰值为60—400V时可明显感觉到静电力触觉，且电压越高，效果越明显。
[0024]特别的，当驱动信号为调幅波时:
[0025]设调制信号Ui2⑴:
[0026]Ufi (t) = UfimCos Ω t
[0027]载波信号U。⑴:
[0028]Uc (t) = UcmCos Ω ct
[0029]则调幅波信号V (t):
[0030]V (t) = Ucm (l+macos Ω t) cos Ω ct
[0031]其中ma为调制系数，本装置中ma = I。当载波信号频率ω。为20KHz，调制信号频率Ω为20— 500Hz，典型值为240Hz，系统的静电力触觉效果最为明显。
[0032]本发明提出了一种应用于移动终端的静电力触觉再现方法，包括下列步骤:
[0033](I)当手指触摸IXD显示屏时，红外定位单元检测到手指的位置(X，y)，并将此位置信息发送至ARM核心处理单元；
[0034](2) ARM核心处理单元首先对IXD显示屏显示的MXN大小图像进行处理，M、N表示图像的像素点，将此图像灰度化，灰度化矩阵L:
【权利要求】
1.一种应用于移动终端的静电力触觉再现方法，其特征在于包括下列步骤: (1)当手指触摸LCD显示屏时，红外定位单元检测到手指的位置(X，y)，并将此位置信息发送至ARM核心处理单元； (2)ARM核心处理单元首先对IXD显示屏显示的MXN大小图像进行处理(M、N表示图像的像素点)，将此图像灰度化，灰度化矩阵L:
其中，R、G、B为图像红、绿、蓝颜色分量； 然后计算整个MXN大小的图像的平均高度值1:1 M N'
最后计算触摸位置(x，y)相对高度值H(x，y):
其中，k为常系数； (3)判断触摸位置的高度信息，若H(x，y)>H'(x，y)，说明此处为凸起，则采用凸起几何模型的静电力触觉再现算法，若H(x，y)〈H' (x，y)，说明此处为凹陷，则采用凹陷几何模型的静电力触觉再现算法(x, y)为前一触摸位置的高度值； (4)采用正弦高度模型分别对凸起和凹陷的几何形状建模: 凸起几何模型L±:
凹陷几何模型Lt:
(5)凸起和凹陷的几何模型仅反映了图像的高度信息，实际在静电力触觉再现系统中，表面高度的相对变化量是产生触觉纹理或是轮廓的反馈力的关键，因而对凸起几何模型和凹陷几何模型求导，使其变为梯度模型:
(6)利用韦伯-费希纳静电力触觉模型映射凸起和凹陷梯度模型的驱动电压振幅，其中，韦伯-费希纳静电力触觉模型: V=KlgU + A 其中，▽为凸起或凹陷梯度模型，U为静电力触觉再现控制单元的驱动电压的振幅，K和A为常数，A代表静电力触觉系统的最小刺激阈值电压，K和A实际中可采用实验的方法测得; 所以，凸起梯度模型对应的驱动电压振幅U±:
凹陷梯度模型对应的驱动电压振幅Ut:
(J)驱动信号以UJ^P Ut为振幅，形式采用调幅波，则驱动信号的波形为:
其中，ma为调制系数，取ma= l，t为时间，Ω。为载波信号频率，取Ωε = 20ΚΗζ，Ω为调制信号频率，频率范围20~500Hz，典型值为240Hz ； 将此凸起模型调制信号形式与凹陷模型调制信号形式根据手指的位置(X，y)，传送至静电力触觉再现控制单元，然后驱动静电力触觉再现交互单元中的静电力触觉再现面板，手指可以产生明显凸起或是凹陷的触觉感。
2.一种应用于移动终端的静电力触觉再现装置，其特征包括:静电力触觉再现交互单元、静电力触觉再现控制单元、红外定位单元以及ARM核心处理单元； (1)所述静电力触觉再现交互单元包括LCD显示屏、红外定位框和静电力触觉再现面板； 所述IXD显示屏主要用来显示图像信息； 所述红外定位框由红外定位单元来驱动，用于实时获取手指位置信息； 所述静电力触觉再现交互单元中的静电力触觉再现面板分三层结构，由上到下依次是:透明绝缘层、透明导电极板、玻璃底板；所述透明导电极板采用氟掺杂锡氧化物，经磁控溅射技术均匀喷涂在玻璃底板上，氟掺杂锡氧化物层厚度0.185um±0.005um，透光率为94% ;所述透明绝缘层采用聚醚砜，厚度为2um，介电常数为3.5，经磁控溅射技术均匀喷涂在透明导电极板上； (2)所述静电力触觉再现控制单元，采用数字信号处理器；使用两片D/A转芯片根据直接数字式频率合成技术，生成波形、频率、幅度可变的控制信号；该控制信号经过高压放大芯片，将控制信号放大到峰峰值O — 400V可调的高压信号；波形种类可为正弦波、方波、锯齿波、三角波、调幅波、调频波等，频率范围为20~20KHz，用以驱动触觉再现面板，产生静电力触觉； (3)所述红外定位单元用于驱动红外定位边框，实时检测手指触碰触觉再现交互屏的位置，并将检测到的位置信息发送给ARM核心处理单元； (4)所述ARM核心处理单元以ARM处理器为核心，主要负责根据红外定位单元传来的手指触碰图像的位置信息，然后提取该位置的轮廓、纹理等信息，再根据静电力触觉算法，将要生成的静电力驱动信号信息发送给静电力触觉再现控制单元，从而产生静电力触觉。
【文档编号】G06F3/01GK104199554SQ201410483583
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月21日 优先权日:2014年9月21日
【发明者】孙晓颖, 王庆龙, 王婷婷, 吴赛文, 董杨瑞, 龙慧, 陈建, 燕学智 申请人:吉林大学