>[0043] 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l〇b上，并由硬质海绵80支撑。
[0044] 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，其中液晶显示屏70被放置于触觉面板10的正下方，中间留出一定空气 间隙。
[0045] 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 对应连接。
[0046] 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VI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VI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。
[0047] 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l〇a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y，那么切向 滑动摩擦力的大小为：
[0048] ft=y(Fe+FN),
[0049] 其中？1<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。
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052] 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。
[0053] 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。
[0054] 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。
[0055] 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。
[0056] 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。
[0057] 6.操作者手指位置检测。操作者手指位置检测是触觉再现系统的重要环节，它直 接影响触觉模式的生成和精确度。电极阵列层包括两层，一层作行阵、一层作列阵。其工作 原理主要是相邻两行、两列之间如果通电，都会在两个相邻电极之间产生固定电容。如果人 手指触摸电极阵列，则会在人手指与电极之间产生新的寄生电容，控制器就可以计算出手 指位置。
[0058] 基于该宽幅摩擦力控制触觉再现装置的再现方法包含以下步骤：
[0059] 步骤1)获取操作者手指位置，根据当前再现的触觉模式计算生成手指位置处所 需的等效摩擦力系数值y;
[0060] 步骤2)获取透明电极阵列模块的上表面的初始摩擦力系数yo、透明电极阵列 模块所能增大的最大摩擦力系数AyEV、压电陶瓷阵列模块所能减小的最大摩擦力系数 AySQZ、以及电磁铁阵列模块所能增大或减小的最大摩擦力系数A
[0061] 步骤3)若yG[y0,y0+AyEV]，控制透明电极阵列模块，产生电致振动效应， 增大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至y;
[0062] 步骤4)若yG[y0-AySQZ，y0]，控制压电陶瓷阵列模块，产生空气压膜效应， 减小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至y;
[0063] 步骤5)若y G [y0+A yEV，y0+A yEV+AUmJ，首先控制电磁铁阵列模块 与永磁铁之间产生吸引力，使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 增大到最大，然后控制透明电极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 的摩擦力系数增大至y;
[0064] 步骤6)若yg[y0-AySQZ-Ay，yCKAySQZ]，首先控制电磁铁阵列模块 与永磁铁之间产生排斥力，使其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;
[0065]步骤7)，如果 #[(_iO-A,usQ/-A,UMA(i，|lO+A>U|:v+A(_l\1AG]，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。
[0066] 进一步的，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。
[0067] 进一步的，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。
[0068] 本实用新型所涉及的摩擦力控制是通过将空气压膜效应、电致振动效应以及电磁 激励三种原理相融合的方式来实现的。其中，空气压膜效应可用于减小摩擦力系数，电致振 动效应可用于增大摩擦力系数，电磁力控制既可以用于增大摩擦力，也可以用于减小摩擦 力，可以作为背景作用力来设置触觉再现模块的初始摩擦力系数。这样就可以实现较宽的 摩擦力系数控制范围，从而能够再现较为精细的纹理触觉，提高了触觉再现的真实性。
【主权项】
1. 一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，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； 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 丰旲块、显不t旲块和壳体； 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 丰旲块振动的空间； 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； 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； 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； 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； 所述显示模块用于显示虚拟物体； 所述手指位置检测模块用于检测人手指位置； 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。
2. 根据权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，所述显示模块 采用液晶显示模块。
3. 根据权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，所述壳体采用 硬质海绵。
4. 根据权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，所述永磁铁为 扁圆柱形铷磁铁。
5. 根据权利要求1所述的宽幅摩擦力控制触觉再现装置，其特征在于，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。
【专利摘要】本实用新型公开了一种宽幅度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；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。本实用新型的再现方法将空气压膜效应、电致振动效应、电磁力控制三种原理相融合，实现操作者手指与触觉再现模块之间摩擦力的增大和减小双向宽幅度调节，进而实现高性能的触觉再现。本实用新型能够实现多模态的感知，具有较大的实用价值。
【IPC分类】G06F3-041, G06F3-01
【公开号】CN204440315
【申请号】CN201520070199
【发明人】陆熊, 李沅泽, 赵丽萍, 胡叙胜
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年1月30日