CN103472947B - 舌苔式片针组合触觉显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种舌苔式片针组合触觉显示器，由用于激发光滑触感的片阵装置和激发粗糙触感的针阵装置两部分叠合而成，片阵装置包括立柱，扭转振动压电激振器和音叉，扭转振动压电激振器以切向极化的压电陶瓷晶堆为核心，与立柱下端固定，并固定在底座上；若干音叉组成上下两层片阵，音叉单臂悬挂固定于立柱上；针阵装置包括音圈电机、针阵安装板和球头针杆，球头针杆对称地阵列于针阵安装板上下两侧，组成上下两层针阵；针阵安装板一端固定于两个音圈电机的输出轴上，将针阵安装板上每一列针阵都置于片阵的片与片之间，音圈电机固定在底座上。本发明触觉显示器体积小，结构简单，提供了最大程度的接触面积和丰富的振动模式组合。

Description

舌苔式片针组合触觉显示器

技术领域

本发明属于虚拟现实和远程信息交互领域中触觉再现技术领域，特别涉及到一种舌苔式片针组合触觉显示器。

背景技术

信息技术的高速发展，使人的信息获取和信息交互日益便捷，触觉信息是人感受自然的非常重要的感官信息，目前人类还难以实现丰富和逼真的触觉再现和交互。触觉再现技术是计算机及网络人机接口技术的重要组成部分，表面粗糙度和纹理的感知在人的触觉感受中占有主要部分。为了模拟物体的表面粗糙度和纹理，迄今为止的触觉再现装置从刺激方式来说，有针阵式、电刺激式、射流刺激式和声表面波再现式等，从驱动方式来说，有电磁驱动、压电驱动、记忆合金驱动、气动驱动、柔性致动器驱动等。

研究表明，人对于触觉信息的感知主要是通过皮肤下层的各种机械感受小体，这些小体对于振动、表面凹凸、滑涩等异常敏感，因此振动模式在触觉显示上有明显的优势，适当的振动可以提示人对表面纹理和粗糙度的感知，提示效果与振动刺激的频率、振幅和刺激点分布密切相关。以往的基于振动的触觉显示器主要有二种。一种是用密排的针阵提示表面凹凸不平和粗糙感，另一种是用密排的片阵或旋转针阵，沿切向刺激手指皮肤，提示表面纹理和光滑感，两者各有其局限。根据图像信息由不同黑白配比形成不同灰度的原理，将以上二种提示加以组合并集成在一个触觉显示界面上，精确调节二者的振幅和频率配比，即可实现更丰富的表面纹理和织物质地触感。在众多的驱动方式中，压电激振器和音圈电机激振器以其响应快、频带宽、体积小、性能稳定、造价低廉等优点获得了较多的应用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种舌苔式片针组合触觉显示器，是一种通过组合振动刺激方式来模拟不同的表面纹理、质地触感的触觉显示装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种舌苔式片针组合触觉显示器，由用于激发光滑触感的片阵装置和激发粗糙触感的针阵装置两部分叠合而成，所述片阵装置包括立柱，扭转振动压电激振器和音叉，所述扭转振动压电激振器以切向极化的压电陶瓷晶堆为核心，与立柱下端固定，并固定在底座上；若干音叉组成上下两层片阵，所述音叉单臂悬挂固定于立柱上；所述针阵装置包括音圈电机、针阵安装板和球头针杆，所述球头针杆对称地阵列于针阵安装板上下两侧，组成上下两层针阵；所述针阵安装板一端固定于两个音圈电机的输出轴上，将针阵安装板上每一列针阵都置于片阵的片与片之间，所述音圈电机固定在底座上。

触觉显示界面分上下两个振动接触表面，便于使用者上下同时接触显示器，增加皮肤的接触面积，达到加强触觉感知的作用。也可以单面用指滑擦，感知单面的纹理和粗糙度。片阵做高频横向振动来激发手指的切向光滑触感。针阵通过低频纵向振动激发手指的法向粗糙感。触觉显示界面将两者相互独立的交织在一起，形成组合振动刺激，模拟不同的粗糙度和纹理质感。片阵振动驱动器为扭转振动压电激振器。该激振器的压电激发元件为切向极化的压电陶瓷晶堆，激发片阵在10kHz-100kHz频段内的横向共振振动，经过音叉的放大作用，使振幅放大到亚毫米级，可以获得光滑的触感。针阵驱动器为音圈电机，提供高精度和较大的毫米级驱动振幅，激发针阵的10Hz-1kHz的低频振动，产生粗糙触感。两组振动可以配比成极为丰富的触感提示，经实验获得的各种振动组合模式可以建数据库或知识库，存储于计算机中，人机交互时按需要调用。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

1.该触觉显示器体积小，结构简单。合理设计了触觉显示界面的安装方式，使触觉界面悬挂伸出呈舌苔状，提供了最大程度的接触面积和丰富的振动模式组合可能。

2.横向片阵振动和纵向针阵振动互不干扰，达到了光滑与粗糙两种触觉感受提示的解耦目的，能很方便的通过改变各自的频率与振幅组合形成不同的触觉刺激。

3.使用切向极化的压电陶瓷晶堆来产生扭转振动并由此激发音叉的横向振动，比现有技术能量转换效率更高，而且结构简单、紧凑。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的用于模拟光滑触感的片阵及其驱动器。

图3是本发明的用于模拟粗糙触感的针阵及其驱动器。

图4是使用本发明的手指捏摸示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2和图3所示，一种舌苔式片针组合触觉显示器，由用于激发光滑触感的片阵装置和激发粗糙触感的针阵装置两部分叠合而成，所述片阵装置包括立柱1，扭转振动压电激振器2和音叉6，所述扭转振动压电激振器2以切向极化的压电陶瓷晶堆为核心，与立柱1下端固定，并固定在底座3上；若干音叉6组成上下两层片阵，所述音叉6单臂悬挂固定于立柱1上；所述针阵装置包括音圈电机4、针阵安装板7和球头针杆8，所述球头针杆8对称地阵列于针阵安装板7上下两侧，组成上下两层针阵；所述针阵安装板7一端固定于两个音圈电机4的输出轴5上，将针阵安装板7上每一列针阵都置于片阵的片与片之间，所述音圈电机4固定在底座3上。

如图2所示，当给扭转振动压电激振器2通以一定频率的正弦电压时，扭转振动压电激振器2带动立柱1做图中a方向所示的扭转振动。片阵由多个音叉6组成，音叉6采用黄铜材料，每个音叉6的上下两个表面须经抛光处理。当立柱1做扭转振动时，会带动片阵产生图中b方向所示的横向高频振动，产生光滑触感。

如图3所示，球头针杆8为空心结构，针阵安装板7用轻的硬塑料制成。针阵由两个音圈电机4驱动产生图中c方向所示的纵向低频振动。

将激发光滑触感的片阵装置和激发粗糙触感的针阵装置叠合起来，每一列针阵都位于片阵的片与片中间，两者之间留有1毫米左右间隙，静止时针阵顶端构成的面与音叉6上（或下）表面重合，针阵和片阵交织成舌苔式的触觉显示界面。本实施例中的触觉显示界面尺寸为22mm×31mm，两触觉显示界面间距为18mm，根据实际情况可以通过改变音叉6数量和球头针杆8的数量改变触觉显示界面面积。由于针阵和片阵由不同的驱动器激发振动，振动解耦，因此通过分别调整扭转振动压电激振器2和音圈电机4的输入信号频率，改变针阵和片阵的振动频率，从而能改变模拟的粗糙度。

如图4所示，使用本装置时，手指保持干燥，以较轻的指压沿图示的水平方向反复滑擦探索触觉显示界面，也可以用拇指和食指沿图示水平方向轻轻反复捏摸上下两个触觉显示界面。为增强使用者对于所要显示的真实物体触感的联想和幻觉，可以在使用本装置的同时，让使用者注视反映真实物体形貌的静止或动态画面。

Claims (1)

1.一种舌苔式片针组合触觉显示器，由用于激发光滑触感的片阵装置和激发粗糙触感的针阵装置两部分叠合而成，其特征在于，所述片阵装置包括立柱（1），扭转振动压电激振器（2）和音叉（6），所述扭转振动压电激振器（2）以切向极化的压电陶瓷晶堆为核心，与立柱（1）下端固定，并固定在底座（3）上；若干音叉（6）组成上下两层片阵，所述音叉（6）单臂悬挂固定于立柱（1）上；所述针阵装置包括音圈电机（4）、针阵安装板（7）和球头针杆（8），所述球头针杆（8）对称地阵列于针阵安装板（7）上下两侧，组成上下两层针阵；所述针阵安装板（7）一端固定于音圈电机（4）的两个输出轴（5）上，将针阵安装板（7）上每一列针阵都置于片阵的片与片之间，所述音圈电机（4）固定在底座（3）上。