一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及触觉再现人机交互领域，尤其涉及一种宽幅摩擦力控制触觉再现 装置。
【背景技术】
[0002] 人类的视觉、听觉、嗅觉、味觉和力触觉等各种感知系统中，力触觉提供了人类与 环境之间双向的信息交互渠道，形成其他感知系统无法实现的各种主动性行为（如触摸感 知物体、操作工具和探索环境等），因而具有独特的重要地位。目前，触觉再现技术主要有： 基于振动的触觉再现、基于力反馈设备的触觉再现、基于阵列的触觉再现等。
[0003] 基于振动的信息表达是目前普遍使用的触觉再现模式。各种振动触觉的致动器 为手持设备引入触觉振动提供了一种解决方案，促进触觉再现的便携性发展。一些研宄 者使用这些致动器用于生成各种振动模式、触觉图标来实现非视觉性信息的交流。Jussi Rantala等人利用振动触觉技术设计了一款能够模拟不同触摸姿势的手持设备。但是，基于 振动的触觉再现是一种触觉转换技术，其不够直观。
[0004] 力反馈设备主要用于实现人机交互中的作用力反馈，操作者使用力反馈设备与虚 拟物体交互作用时，力反馈设备可以阻止操作者的运动以避免穿刺交互。东南大学李佳璐 和宋爱国等基于Phantom手控器，提出了基于虚拟物体表面三维轮廓信息，进而实现纹理 触觉再现的方法。基于力反馈的触觉再现方法优势在于能在力觉再现的基础上增加触觉再 现，且无需另外设计用于触觉再现的装置。然而，该方法也有一定的缺点：操作范围有限、体 积笨重、价格昂贵、设备的固有性和系统稳定性易影响触觉再现性能等。
[0005] 相对与使用力反馈设备来获得触觉再现而言，采用阵列式的结构来构建触觉再现 设备是最直接的方法，因而一直受到人们的关注。早期的阵列式触觉再现设备的设计灵感 来源于点阵式打印机和盲文系统，它们的驱动方法各有不同，有使用形状记忆合金、有使用 气压系统的、也有使用音圈激励的。德国亚琛工业大学的Weiss和Wacharamanotham等利 用贴在操作者手指上的永磁铁和电磁激励构建了FingerFlux系统。该系统中的电磁激励 采用了Madgets表的设计思想，即利用一个19X12的离散电磁铁网格来合成一个电磁场 二维矩阵（其中每个电磁铁包含3500匝的铜线）。此外，加拿大McGill大学的Haywardy 等设计的名为"LATER0"装置，其利用可侧向移动的探针阵列来获得触觉感知，他们说设计 的探针阵列估摸为6X10,分辨率高达1. 8X1. 2mm。阵列式触觉再现系统的优势在于比较 直观、能主动对操作者施加触觉刺激，但是它也有一定的局限性：受工艺和技术水平限制、 功耗和成本高、难以微型化等。
[0006] 法国的里尔科技技术大学申请的名为"振动触觉界面"的专利中（专利号为： CN101632054A)，其所提到的振动触觉界面是通过减小操作者手指与触觉界面之间的摩擦 力系数来再现精细的纹理触觉的。这种触觉界面仅采用了空气压膜效应原理，仅能实现单 一方向的摩擦力系数调节。此外，同一时刻触觉界面上各点的摩擦力系数相同，不能实现面 板表面的多点触控。
[0007] 在senseg公司申请的名为"感官刺激的方法与装置"的专利（专利号为 US7982588B2)中，所提到的触觉界面是基于电致振动原理来实现的。该触觉面板的表面有 一层以静电为主的系统，可以仿真出不同的粗糙度和阻力，产生不同的纹理触觉。基于电致 振动效应的触觉再现设备功耗低、可以实现多点触控，但是只能实现摩擦力系数的增大。
[0008] 南京航空航天大学申请的名为"基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现 方法"的专利（专利号为：CN104063054A)中，所提到的触觉界面是将电致振动效应原理与 空气压膜效应原理相结合。该触觉面板采用在表面加工电极阵列以及在面板下方粘贴压电 陶瓷的方法实现触觉再现，电极阵列包括若干电极组，每个电极组中不同电极之间存在高 度差，可以实现摩擦力系数的双向调节。这种触觉界面采用的电极阵列不易于加工，而且摩 擦力系数的调节范围不够宽泛。
[0009] 本实用新型所设计的触觉再现装置融合了空气压膜效应、电致振动效应以及电磁 力控制三种原理，既能实现双向的摩擦力系数调节，又能实现摩擦力系数的微调，而且摩擦 力系数的可调范围更加宽泛。本实用新型所设计的装置能够实现摩擦力调节范围幅度更为 宽广、摩擦力系数调节更为细致的触觉再现模式。因此，本装置与以上三种触觉界面有着本 质的区别。 【实用新型内容】
[0010] 本实用新型所要解决的技术问题是针对【背景技术】中的缺陷，提供一种宽幅摩擦力 控制触觉再现装置。
[0011] 本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0012] 一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置，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模块；
[0013] 所述触觉再现模块包含触觉面板、透明电极阵列模块、压电陶瓷阵列模块、电磁铁 阵列模块、显示模块和壳体；
[0014] 所述触觉面板为透明的、刚性的矩形板；所述透明电极阵列模块设置在触觉面板 上；所述压电陶瓷阵列模块固定在触觉面板的下表面和壳体之间；所述电磁铁阵列固定在 显示模块下方；所述显示模块固定在触觉面板的正下方，且与触觉面板之间留出足够触觉 再现模块振动的空间；
[0015] 所述压电陶瓷激励信号生成模块和压电陶瓷阵列模块电气相连，所述电极阵列激 励信号生成模块和透明电极阵列模块电气相连，所述电磁铁阵列激励信号生成模块和电磁 铁阵列模块电气相连，所述中央控制模块分别和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、显示模块、手指位置检测模块电气相连；
[0016] 所述压电陶瓷激励信号生成模块用于产生压电陶瓷阵列模块的驱动信号；
[0017] 所述电极阵列激励信号生成模块用于产生透明电极阵列模块的驱动信号；
[0018] 所述电磁铁阵列激励信号生成模块用于产生电磁铁阵列的驱动信号；
[0019] 所述显示模块用于显示虚拟物体；
[0020] 所述手指位置检测模块用于检测人手指位置；
[0021] 所述中央控制模块用于控制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产生驱动信号，控制手指位置检测模块获取操作者手 指位置，以及控制显示模块显示虚拟物体。
[0022] 作为本实用新型一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置进一步的优化方案，所述显示 模块采用液晶显示模块。
[0023] 作为本实用新型一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置进一步的优化方案，所述壳体 采用硬质海绵。
[0024] 作为本实用新型一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置进一步的优化方案，所述永磁 铁为扁圆柱形铷磁铁。
[0025] 作为本实用新型一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置进一步的优化方案，所述透明 电极阵列包含至少两层透明电极阵列层，且每层透明电极阵列层上均加工有绝缘层。
[0026] 本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0027] 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；
[0028] 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；
[0029] 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】
[0030] 图1是本实用新型中的触觉再现装置结构示意图；
[0031] 图2是本实用新型中触觉面板上电极阵列结构俯视图；
[0032] 图3是本实用新型中触觉面板上电极阵列结构侧视图；
[0033] 图4是本实用新型中的综合触觉面板结构俯视图；
[0034] 图5是本实用新型中的综合触觉面板结构侧视图。
[0035] 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、10a-触觉面板的上表面、10b-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】
[0036] 下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
[0037] 本实用新型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。
[0038] 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 以及中央控制模块。
[0039] 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。
[0040] 触觉面板10为透明的、刚性的矩形板，具有一个上表面10a和一个下表面10b。触 觉面板10由硬质海绵80来固定。
[0041] 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l〇a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。
[0042] 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10b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。