一种在触摸屏上产生局部振动的装置及控制方法

1.本发明属于触觉反馈技术领域，具体涉及一种在触摸屏上产生局部振动的装置及控制方法。


背景技术：

2.目前，人们与智能设备的交互主要依靠人的视觉、听觉和语音，这些人机交互方式有时会导致交互出错。除此之外，触觉感知也可以显著提高人与智能设备交互的准确度。在表面触觉显示领域，触觉反馈技术已经在手机、平板电脑、汽车操控台等方面被广泛应用。虽然该技术可以增强人对交互信息的感知能力，但为手指接触触摸屏提供局部触觉反馈感受时还存在诸多问题。为了进一步解决这一问题，能够改变机械波在薄板中传播状态的时间反转镜原理被用于在触摸屏的任意位置产生局部触觉刺激。
3.时间反转镜原理是基于对称原理实现的，又被称为波的时间反转聚焦技术。在忽略波的衰减情况下，机械波在任何介质中的传播都符合对称原理。另外，有界传播域内波场的初始状态可以从离散位置波场演化的时间测量中重建。利用以时间反转方式激活的离散换能器对边界条件进行部分重建，能够在给定时刻重建整个场。若初始状态由点脉冲源产生，时间反转的波的初始状态就是一个时间和空间的δ函数。因此，时间反转聚焦技术就可以利用一组远程换能器在混响、色散甚至散射介质中对机械波进行空间和时间聚焦。


技术实现要素：

4.发明目的：针对以上问题，本发明提出一种在触摸屏上产生局部振动的装置及控制方法。
5.技术方案：为实现本发明的目的，本发明首先提出一种在触摸屏上产生局部振动的装置，包括：
6.控制模块、驱动模块、显示模块和触觉反馈模块；
7.所述控制模块，用于实时读取用户与显示模块产生的交互点数据信息，并进行数据处理后，发送至驱动模块；
8.所述驱动模块，用于接收处理后的数据信息并产生驱动信号，发送至触觉反馈模块，使触觉反馈模块产生振动。
9.进一步地，所述显示模块是方形电容式触摸屏；
10.所述触觉反馈模块包括八个压电陶瓷振动片；
11.所述驱动模块是由场效应晶体管、mosfet驱动器以及电容、电感、电阻构成的；每个所述压电陶瓷振动片对应设置一个驱动模块；
12.所述控制模块包括控制电路、信号处理模块和蓝牙通信模块；所述信号处理模块和蓝牙通信模块分别与控制电路电性连接；所述蓝牙通信模块实时读取所述电容式触摸屏产生的交互点坐标数据，并发送至信号处理模块；所述信号处理模块根据交互点坐标数据计算交互过程中的触觉信息，生成控制指令，并发送至所述驱动模块。
13.进一步地，所述压电陶瓷振动片分别设置在所述电容式触摸屏的上表面，具体为：在所述方形电容式触摸屏每条边的边缘处均设置两个所述压电陶瓷振动片，且所述压电陶瓷振动片沿对应边的长度方向等间距设置；
14.所述压电陶瓷振动片距离方形电容式触摸屏的边界不小于其产生的振动波长，且所述压电陶瓷振动片的尺寸小于其产生的振动波长的二倍。
15.进一步地，所述压电陶瓷振动片距离方形电容式触摸屏的边界等于其产生的最小的振动波长；所述最小的振动波长λ
min
的计算公式如下：
[0016][0017]
式中，ρ、y、v、e、f
max
分别为电容式触摸屏的平板密度、杨氏模量、泊松比、平板厚度、压电陶瓷片最大振动频率。
[0018]
进一步地，所述装置
[0019]
还包括刚性框架(5)，所述刚性框架(5)通过透明胶条(6)粘贴在所述显示模块(3)四周，对所述显示模块(3)进行固定。
[0020]
进一步地，本发明还包括一种在触摸屏上产生局部振动的控制方法，具体包括如下步骤：
[0021]
步骤1，在电容式触摸屏的表面进行等间距的网格划分，得到若干个网格，则网格交点位置记为网格点，网格非交点位置记为非网格点；
[0022]
步骤2，取任一网格点a，利用时间反转镜原理对该网格点a进行振动叠加，实现网格点a的局部振动；
[0023]
步骤3，重复步骤2，实现电容式触摸屏全部网格点的振动叠加；
[0024]
步骤4，利用分片线性插值的方法实现电容式触摸屏全部非网格点的振动叠加。
[0025]
进一步地，步骤2所述利用时间反转镜原理对该网格点a进行振动叠加，方法具体如下：
[0026]
步骤2.1，对压电陶瓷振动片q重复施加电脉冲vq(t)，用测振计测量网格点a的位移ua(t)，对vq(t)和ua(t)均进行傅里叶变换，得到频域信号vq(w)和ua(w)，计算传递函数对传递函数h
aq
(w)傅里叶反变换得到脉冲响应h
aq
(t)；
[0027]
步骤2.2，对脉冲响应h
aq
(t)前一个时间周期t内信号进行裁剪后，进行时间反转，得到信号h
aq
(t-t)；然后对脉冲响应h
aq
(t)在1bit上进行信号的量化、偏移和放大，得到驱动信号v
qa
(t)，公式如下：
[0028][0029]
式中，v
pp
为电脉冲vq(t)的峰值电压，sgn()为符号函数；
[0030]
步骤2.3，对全部八个压电陶瓷振动片均重复步骤2.1-步骤2.2，得到全部八个压电陶瓷振动片的驱动信号v
qa1
(t)～v
qa8
(t)；
[0031]
步骤2.4，八个驱动模块(2)在同一时刻将自身的驱动信号发送至各自对应的压电陶瓷振动片，则在驱动信号v
qa
(t)发射后的t时间实现网格点a的振动叠加，达到局部振动的
效果。
[0032]
进一步地，所述步骤4的方法，具体如下：
[0033]
将步骤1中每一个网格均沿任一对角线分割成两个三角形，即上三角和下三角；设置网格的四个顶点为四个插值点，则该四个插值点的函数值表示如下：
[0034]
f(xi,yj)＝f1，f(x
i+1
,yj)＝f2，f(x
i+1
,y
j+1
)＝f3，f(xi,y
j+1
)＝f4[0035]
式中，(xi,yj)、(x
i+1
,yj)、(x
i+1
,y
j+1
)和(xi,y
j+1
)分别为四个插值点坐标，f1、f2、f3和f4分别为四个插值点的振动位移；
[0036]
对于下三角区域中的坐标(x,y)，满足下列不等式：
[0037][0038]
则插值函数为：
[0039]
f(x,y)＝f1+(f
2-f1)(x-xi)+(f
3-f2)(y-yj)
[0040]
对于上三角区域中的坐标(x,y)，满足下列不等式：
[0041][0042]
则插值函数为：
[0043]
f(x,y)＝f1+(f
4-f1)(y-yj)+(f
3-f4)(x-xi)。
[0044]
有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益技术效果：
[0045]
本发明提出一种在触摸屏上产生局部振动的装置及控制方法，包括控制模块、驱动模块、显示模块、触觉反馈模块等组件。方案简单易行，显著提高人与智能设备交互的准确度。本发明在控制方法中引入了时间反转镜原理，通过在触摸屏的不同位置产生局部的振动触觉刺激，可增强多个手指同时与触摸屏接触时的交互体验。
附图说明
[0046]
图1是一种实施例下在触摸屏上产生局部振动的装置结构图；
[0047]
图中，1是控制模块、2是驱动模块、3是显示模块、4是触觉反馈模块、5是刚性框架、6是透明胶条；
[0048]
图2是一种实施例下驱动模块电路图；
[0049]
图3是一种实施例下产生局部振动的控制方法流程图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0051]
本发明所述的一种在触摸屏上产生局部振动的装置，参考图1，包括：控制模块1、驱动模块2、显示模块3、触觉反馈模块4、刚性框架5和透明胶条6。
[0052]
控制模块1实时读取显示模块3的交互点数据并且对数据进行处理，然后发送指令给驱动模块2，使驱动模块2发送驱动信号给触觉反馈模块4，使触觉反馈模块4产生局部振动；刚性框架5起固定的作用，提升局部振动的效果；刚性框架5通过透明胶条6粘贴在显示模块3四周；
[0053]
所述控制模块1包含控制电路、蓝牙通信模块。控制电路主要是用作信号处理，通
过蓝牙通信模块实时读取电容式触摸屏上交互点坐标数据，并由内部的触觉渲染算法计算交互过程中的触觉信息，然后向驱动模块2发送相应的控制指令。蓝牙通信模块主要用作数据的传输；
[0054]
参考图2，驱动模块2是由两个场效应晶体管和mosfet驱动器以及电容、电感、电阻构成的带通滤波器；
[0055]
驱动模块2用于驱动压电陶瓷振动片，每个压电陶瓷振动片对应一个驱动模块2；
[0056]
显示模块3由电容式触摸屏构成；
[0057]
触觉反馈模块4由八个压电陶瓷振动片构成，在电容式触摸屏上表面的玻璃保护层每条边的边缘处均设有两个压电陶瓷振动片，且压电陶瓷振动片沿着对应边的长度方向等间距设置；八个压电陶瓷贴片用环氧树脂均匀粘贴在触摸屏表面上方的四周，距边界的距离大于机械波的波长。另外，压电陶瓷贴片的尺寸小于所产生振动波长的两倍。
[0058]
手指放在屏幕上，通过控制模块1中的信号处理模块可以获取手指接触位置处的触觉交互信息。然后按照触摸屏上产生局部振动触觉反馈的方法，通过驱动模块2向触觉反馈模块4发送控制信号，完成在指定位置的局部振动触觉反馈。
[0059]
每个压电陶瓷振动片距离屏幕边界的距离的最小值为其振动产生的最小波长λ
min
。波在平板中传播时，最小波长λ
min
的计算公式为：
[0060][0061]
其中ρ，y，v，e，f
max
分别为电容式触摸的屏平板密度、杨氏模量、泊松比、平板厚度、压电陶瓷片最大振动频率。
[0062]
参考图3，本发明还提出一种在触摸屏上产生局部振动的控制方法，引入时间反转镜原理达到在平面的任意一点产生局部振动的效果。
[0063]
具体步骤如下：
[0064]
(1)在电容式触摸屏表面进行等间距的网格划分。
[0065]
(2)任取一处网格点记为点a，利用时间反转镜原理对a点进行振动叠加，实现网格点a处的局部振动。
[0066]
(3)重复步骤(2)的工作，实现所有网格点处的振动叠加。
[0067]
(4)非网格点处的振动叠加可以通过分片线性插值的方法实现。
[0068]
进一步地，步骤(2)所述的在网格点a处根据时间反转镜原理实现振动的叠加方法，包括以下步骤：
[0069]
(1)对其中的一个压电陶瓷贴片q施加驱动时间短且重复的电脉冲vq(t)，用测振计测量a点的位移ua(t)，对vq(t)和ua(t)进行傅里叶变换，转成频域vq(w)和ua(w)，得到传递函数对传递函数h
aq
(w)傅里叶反变换得到脉冲响应h
aq
(t)。
[0070]
(2)对脉冲响应h
aq
(t)的前t秒进行裁剪，即一个周期内的信号，然后对脉冲响应h
aq
(t)进行时间反转，得到信号h
aq
(t-t)，接着对信号h
aq
(t)在1bit上进行信号的量化，偏移和放大得到驱动信号v
qa
(t)。具体公式为：
[0071][0072]
其中,v
pp
为步骤(1)中电脉冲vq(t)的峰值电压。
[0073]
(3)步骤(1)和步骤(2)对所有压电陶瓷贴片进行重复，用同样的方法对全部8个压电陶瓷片都得到得到所有的v
qa
(t)，记为v
qa1
(t)～v
qa8
(t)，然后由驱动模块2在同一时刻发送给其相对应的压电陶瓷贴片，这样在驱动信号v
qa
(t)发射后的t秒就可以在点a处实现振动的叠加，达到局部振动的效果。
[0074]
进一步地，步骤(4)所述的非网格点处的振动叠加用分片线性插值实现，包括以下步骤：
[0075]
将网格的对角线连到一起，把方格分割成两个三角形，即上三角和下三角。每个方格做同样处理，那么整个触摸屏就可以看作多个三角形拼接而成。
[0076]
将四个插值点(矩形的四个顶点)处的函数值依次简介为：
[0077]
f(xi,yj)＝f1，f(x
i+1
,yj)＝f2，f(x
i+1
,y
j+1
)＝f3，f(xi,y
j+1
)＝f4。
[0078]
(xi,yj)为网格点坐标，f(xi,yj)为网格点处振动位移。
[0079]
分两片的函数表达式如下：
[0080]
第一片(下三角区域)：(x,y)满足：
[0081][0082]
插值函数为：
[0083]
f(x,y)＝f1+(f
2-f1)(x-xi)+(f
3-f2)(y-yj)
[0084]
第二片(上三角区域)：(x,y)满足：
[0085][0086]
插值函数为：
[0087]
f(x,y)＝f1+(f
4-f1)(y-yj)+(f
3-f4)(x-xi)。
[0088]
以上述依据本发明专利的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明专利技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明专利的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。