上表面之间的摩擦力 系数减小到最小，然后控制压电陶瓷阵列模块将操作者手指与透明电极阵列模块的上表面 之间的摩擦力系数减小至y;
[0033] 步骤7)，如果卜1在[.丨.丨0-A(_isq/-A卜，,u0+A(_ii:v+A,u\iA(i]，则根据系统能再现的摩 擦力范围，对当前再现的触觉模式中的摩擦力系数进行处理，使其属于系统能再现的范围。 [0034] 作为根据该宽幅摩擦力控制触觉再现装置的再现方法进一步的优化方案，所述步 骤7)的详细步骤为：根据当前再现的触觉模式中摩擦力系数最大最小值，做归一化处理。
[0035] 作为根据该宽幅摩擦力控制触觉再现装置的再现方法进一步的优化方案，所述步 骤7)的详细步骤还可以为：如果手指位置处所需的等效摩擦力系数值y超出当前再现的 触觉模式中摩擦力系数最大最小值范围，直接使用系统摩擦力系数上下限值来表示。
[0036] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0037] 1.该装置在已有的基于空气压膜效应、电致振动效应、电磁力控制单一原理或将 空气压膜效应与电致振动效应相结合的基础上，创造性的将三种原理融合在一起，电磁力 控制既可以产生增大摩擦力的效果，也可以产生减小摩擦力的效果，使得触觉再现装置的 摩擦力系数可调范围变的更宽，三种原理融合在一起既可以在增大摩擦力方向实现精细的 调节，也可以在减小摩擦力的方向上实现精细的调节，即可以运用更为丰富的摩擦力等级 来再现虚拟物体，从而使操作者更为清晰的感觉到虚拟物体，增加了系统的真实感；
[0038] 2.该装置采用透明的触觉面板，电极阵列也采用透明电极阵列，因此可以在触觉 面板下添加显示屏以显示虚拟物体，可以实现多模态的感知；
[0039] 3.人手指上佩戴的永磁铁可以与触觉再现装置中的电磁铁产生电磁力，从而可以 实现非接触式的触觉再现。
【附图说明】
[0040] 图1是本发明中的触觉再现装置结构示意图；
[0041] 图2是本发明中触觉面板上电极阵列结构俯视图；
[0042] 图3是本发明中触觉面板上电极阵列结构侧视图；
[0043] 图4是本发明中的综合触觉面板结构俯视图；
[0044] 图5是本发明中的综合触觉面板结构侧视图。
[0045] 图中，10-触觉面板、20-透明电极阵列、30-压电陶瓷阵列模块、40-电磁铁阵列 模块、50-永磁铁、IOa-触觉面板的上表面、IOb-触觉面板的下表面、20a-第一层横向菱形 电极阵列层、20b-第二层纵向菱形电极阵列层、60a-第一层绝缘层、60b-第二层绝缘层、 70-液晶显示屏、80-硬质海绵。
【具体实施方式】
[0046] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0047] 本发明所涉及的触觉再现装置，采用了空气压膜效应、电致振动效应以及电磁力 控制三种原理相融合来实现摩擦力的综合控制。其整个触觉再现装置的结构示意图如图1 所示。
[0048] 该装置包含触觉再现模块、压电陶瓷激励信号生成模块、电极阵列激励信号生成 模块、电磁铁阵列激励信号生成模块、手指位置检测模块、粘贴于操作者手指背上的永磁铁 以及中央控制I旲块。
[0049] 触觉再现模块如图4、图5所示，包括触觉面板10、透明电极阵列模块20、压电陶瓷 阵列模块30、电磁铁阵列模块40、液晶显示屏70和硬质海绵80。
[0050] 触觉面板10为透明的、刚性的矩形板,具有一个上表面IOa和一个下表面10b。触 觉面板10由硬质海绵80来固定。
[0051] 透明电极阵列20包含若干透明电极阵列层，每一层透明电极阵列层包含若干电 极，每一层透明电极阵列层上方都加工一层绝缘层，每个电极与电极阵列激励信号生成模 块驱动信号的输出端 对应连接。在本实例中，第一层横向菱形透明电极阵列层20a被 加工在触觉面板的上表面IOa上。并在其上表面加工第一层绝缘层60a。第二层纵向透明 菱形电极阵列层20b被加工在绝缘层60a上，并在其上加工第二层绝缘层60b。
[0052] 压电陶瓷阵列模块通过粘结剂薄层固定在触觉面板10的下表面IOb上，并由硬质 海绵80支撑，电极阵列通过微加工技术固定在触觉面板的内部，电磁铁阵列通过粘结剂薄 层固定在液晶显示屏下方，并放置于触觉面板10的正下方。
[0053] 压电陶瓷阵列模块30在所述的例子中，由压电陶瓷元件矩阵构成，这些压电陶瓷 元件矩阵被粘贴在触觉面板10的下表面IOb上，并由硬质海绵80支撑。
[0054] 电磁铁阵列模块40由若干高度相同的电磁铁组成电磁场二维矩阵（其中每个电 磁铁包含的铜线匝数相同），均匀粘贴在液晶显示屏70下方，与佩戴在在人手指上的永磁 铁50产生电磁力，其中液晶显不屏70被放置于触觉面板10的正下方，中间留出一定空气 间隙。
[0055] 透明电极阵列模块如图2、图3所示，在触觉面板上加工第一层透明电极阵列层， 并在其上加工绝缘层（如聚酰亚胺薄膜），依次加工若干层透明电极阵列层（两个或者更 多）。每个透明电极阵列层包含若干电极，每一层透明电极阵列层上方都加工一层绝缘层， 每个电极与电极阵列激励信号生成模块驱动信号的输出端一一对应连接。
[0056] 空气压膜效应的激励信号包括两个相位相反的正弦波电压信号Vl和V2,且其峰 峰值和频率均是可调的。给压电陶瓷元件施加电压信号Vl和V2,就激励了压电陶瓷元件产 生振动，此时的压电陶瓷元件作为激振源，使触觉面板做高频振动，进而在操作者手指与透 明电极阵列模块的上表面之间产生空气压膜效应，即在两者之间产生"气膜"，达到摩擦力 系数减小的目的，使操作者手指在触摸透明电极阵列模块的上表面时产生光滑感。
[0057] 电致振动效应的激励信号为幅值和频率均可调的交变信号V3(如方波、正弦波 等），电极阵列激励模块主要用于产生多通道的各自相互独立的幅值和频率均可调的交变 信号，然后将所述多通道的交变信号一一对应施加给每一个电极。这样手指与电极之间就 形成了一个电容，电极上施加的电压使的手指与电极之间产生静电作用力，即电极对手指 产生了吸引力。但是，产生的静电作用力很小，并且手指的角质层里面没有感知神经末梢， 因此感受不到这个法向静电吸引力。然而，当手指在触觉面板10的上表面IOa上滑动时， 这个静电力就会对皮肤产生一个切向的滑动摩擦力，假设滑动摩擦力系数是U，那么切向 滑动摩擦力的大小为：
[0058] ft=U(Fe+FN),
[0059] 其中Fn是手指给面板的压力，Fe是静电力，y是面板和手指的滑动摩擦系数。
[0060] 通过改变施加的电压的幅值、频率、等因素，就可以改变这个滑动摩擦力的大小。 从手指感知的角度，人就会感知到摩擦表面的凹凸感。
[0061] 电磁铁阵列的激励信号为多通道PWM波电压信号V4,且其幅值和频率是可调的。 对应施加给每一个电磁铁，通过改变电压信号，就可以改变电磁力，进而可以改变人手指与 触觉再现模块的摩擦力系数，操作者在触摸触觉再现模块时就可以产生粗糙感和光滑感。 [0062] 1.触觉再现模块。我们采用在透明材料（如石英玻璃）上微加工透明电极阵列、 在其下表面粘贴压电陶瓷片、将电磁铁铁阵列粘贴在液晶显示屏下表面并将显示屏放置在 触觉再现模块下方的方法获得综合触觉再现模块，其结构示意图如图2、图3所示。
[0063] 2.用于产生空气压膜效应的激励信号。为了获得空气压膜效应和避免振动带来的 噪声干扰，振动平板将工作于超声振动状态。空气压膜效应所获得的摩擦力系数的控制，是 通过调节平板的振动幅度来实现的。我们设计的压电陶瓷激励信号为：电压可调（峰峰值 0-70V)、频率可调（0-40KHZ)的交流信号。
[0064] 3.用于产生电致振动效应的激励信号。电致振动效应所需的典型激励信号为高电 压、低电流的脉冲信号。我们通过高压电源（250V左右）、限流电阻和开关阵列这几部分实 现。由于电致振动系统依靠操作者手指感受到的电场力来调节摩擦力系数，电极阵列上的 激励信号电压越高，效果越明显。然而，为了确保操作者的绝对安全，我们将采用限流电阻 和隔直电容等元器件对输出最大的电流作严格的限制。
[0065] 4.用于产生电磁作用力的激励信号。本系统设计的电磁铁阵列的激励信号为：电 压、频率、占空比可调的PWM波。
[0066] 5.基于微控制器的中央控制系统。该模块选用基于ARMCortex内核的多功能微 控制器来实现。作为整个触觉再现设备的中央控制系统，该模块将完成系统配置、激励信号 生成和控制、操作者手指位置检测、与外界数据通讯、液晶显示屏显示等重要功能。<