CN104063054B - 基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，包括触觉再现模块、压电陶瓷激励模块、中央控制模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块，所述触觉再现模块包括刚性触觉面板、压电陶瓷阵列模块、电极阵列模块；所述压电陶瓷阵列模块设置于刚性触觉面板的下表面，所述电极阵列模块嵌入刚性触觉面板的内部，实现更为宽广的、细致、灵活的触觉再现模式。本发明还公开了一种基于双向摩擦力控制的触觉再现方法，通过手指触摸刚性触觉面板，使得手指与刚性触觉面板之间产生空气压膜效应，手指与电极阵列层之间产生电致振动效应；实现双向的摩擦力系数调节以及摩擦力系数的微调,进而实现基于摩擦力控制的触觉再现。

Description

基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法

技术领域

本发明属于触觉再现人机交互领域，具体涉及一种基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法。

背景技术

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。

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。一些研究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。Ahmaniemi等使用含有运动传感器和触觉致动器的手持盒子，实现了动态振动触觉再现。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。

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。东南大学邹垂国和宋爱国等基于Delta手控器，利用图像处理的方法生成虚拟物体表面粗糙特性，进而建立法向和切向接触力模型的方法获得虚拟触觉再现。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，该方法也有缺点：该方法所实现的是一种间接的触觉再现模式，降低了触觉感知的真实感；此外，该方法操作范围有限、价格昂贵、体积笨重、稳定性易影响触觉再现性能。

采用阵列式的结构来实现触觉再现是最直接的方法，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。Wagner和Lederman等利用RC伺服电机驱动的探针阵列构建了一个触觉再现装置。该装置阵列规模为6×6探针，探针相互间距为2mm，最大垂直方向位移为2mm。此外，东南大学陈旭和宋爱国等利用分布大小各异凹孔和凸点的、可以旋转的圆筒来构建纹理触觉再现装置。该系统在使用时，操作者手指通过接触不同区域、不同转速的凸点而形成触觉感受。但是这种方法缺少触觉感知的直观性和主动性。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，但是它也有局限性：难以实现精细的触觉再现，且易受工艺和技术水平限制、功耗和成本高、难以微型化。

电触觉是一种通过流过表层电极的电流刺激皮肤内神经纤维的触觉再现装置，能够在没有机械激励的情况下面产生压力或震动感觉。日本的Kajimoto、Kawakami等人设计了SmartTouch来增强现实皮肤感觉，该系统采用点刺激方式，物体的视觉信息可以通过光传感器采集并转换为触觉信息，电极以Braille的方式安排成4×4的点刺激阵列。采用的正/负脉冲有选择的对Merkel细胞和Messner小体分别进行了刺激。上海交通大学的张竹茂、柴新禹等人基于电触觉研制了一套基于手指的触觉替代视觉系统。电触觉设备功耗低、体积小,但是由于电触觉是通过直接刺激与机械刺激感受器相连的神经而产生的触感，所以电触觉是一种能够产生和机械刺激一样的感觉的触觉再现技术。

此外，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。

另外，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。同样基于电致振动效应原理，由迪士尼研究中心和卡内基梅隆大学人机交互研究所等机构共同研制的TeslaTouch系统，通过调节电极和操作者手指之间的电场强度，改变手指皮肤所受的法向电场力，从而获得侧向摩擦力的改变。由于采用了透明电极和基底材料，TeslaTouch系统能够与触摸屏结合使用。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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法，结合了空气压膜效应和电致振动效应两种原理，既能实现触觉面板表面双向的摩擦力系数调节，又能在一种原理为主的情况下利用另一种原理实现摩擦力系数的微调。本发明所设计的装置能够实现更为宽广、更为细致、更为灵活的触觉再现模式。解决了现有技术中触觉再现装置摩擦力系数控制范围窄，不能够有效实现触觉再现的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，包括触觉再现模块、压电陶瓷激励模块、中央控制模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块，所述触觉再现模块包括刚性触觉面板、压电陶瓷阵列模块、电极阵列模块；所述压电陶瓷阵列模块设置于刚性触觉面板的下表面，所述电极阵列模块嵌入刚性触觉面板的内部；所述手指位置检测模块位于所述触觉再现模块的上部；所述压电陶瓷阵列模块与压电陶瓷激励模块连接；所述电极阵列模块与电极阵列激励模块连接；所述中央控制模块分别与压电陶瓷激励模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块连接。

所述电极阵列模块包括基底层、电极阵列层、绝缘层；所述基底层上表面设置电极阵列层，所述电极阵列层上部设置绝缘层；所述电极阵列层包括若干电极组，每个电极组中包含多个电极，所述多个电极两两之间保持电绝缘，每个电极组中不同电极之间存在高度差，对每个电极施加不同的驱动信号；所述电极阵列激励模块包括多个驱动信号的输出端，每个电极与电极阵列激励模块驱动信号的输出端一一对应连接。

所述每个电极组中的多个电极均为多边形柱体，电极与电极之间有间隙或设置绝缘材料。

基于双向摩擦力控制的触觉再现方法，包括如下步骤：

首先，中央控制模块系统将所选触觉面板材料的本身摩擦力系数记为f0，并根据所要再现的虚拟物体选择所需的触觉模式，建立虚拟物体与触觉再现面板表面各点的摩擦力系数之间的映射关系1和映射关系2；其中映射关系1用于单点交互模式，映射关系2用于多点交互模式；映射关系1和映射关系2分别确定了单点交互模式和多点交互模式中触觉再现面板表面各点的摩擦力系数；

其次，手指位置检测模块在中央控制模块的控制下检测获得手指位置，中央控制模块根据手指位置的值，判断当前的交互模式是单点交互或多点交互模式；中央控制模块根据单点交互模式或多点交互模式下虚拟物体与摩擦力系数之间的映射关系1或映射关系2获得单点或多点手指触摸区域对应的摩擦力系数fi；在单点交互模式中，i＝1，在多点交互模式中，i＝1…n，n等于多点触摸的个数；

然后，中央控制模块判断fi与f0的大小并根据结果选择控制电极阵列激励模块或压电陶瓷激励模块；若fi>f0，中央控制模块控制电极阵列激励模块产生多个通道的各自独立的交变信号，并将多个通道的交变信号一一对应施加至电极阵列模块中的每一个电极，在所述刚性触觉面板与手指之间产生电致振动效应，使得触觉面板表面的摩擦力系数增大至fi；若fi<f0，中央控制模块控制压电陶瓷激励模块产生一组各自独立的交变电信号，并将所述交变电信号分别施加到压电陶瓷阵列模块中的每个压电陶瓷上，在刚性触觉面板与手指之间产生空气压膜效应，使得刚性触觉面板表面摩擦力系数减小至fi；

最后，根据所述刚性触觉面板表面的摩擦力系数的增大或减小，形成基于摩擦力控制的触觉再现。

所述刚性触觉面板与手指接触时，刚性触觉面板表面的摩擦力受空气压膜效应和电致振动效应的影响而改变，由如下公式计算：

f_e＝μ′(F_N+F_e)

其中，μ'为操作者手指与所述刚性触觉面板表面之间的交互摩擦力系数，该交互摩擦力系数能在空气压膜效应的作用下减小；F_N为操作者手指施加给面板表面的法向压力；F_e为所述刚性触觉面板与手指之间的静电力，该静电力F_e是一个由电致振动效应决定的、大于等于0的值，由如下公式计算：

其中，ε₀为真空中介电常数，T_p为所述电极阵列模块中电极阵列层表面覆盖的绝缘层的厚度，T_s为手指表面中绝缘角质层厚度，ε_s和ε_p分别为手指绝缘角质层和电极表面绝缘层的相对介电常数，A为电极的面积，v为电容两极板之间的电压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、该装置创造性的将空气压膜效应与电致振动效应两种原理结合在一起，使其具有较宽的摩擦力系数控制范围，即可以运用较为丰富的摩擦力等级来再现虚拟物体。

2、该装置中采用的摩擦力控制方法将空气压膜效应和电致振动效应两种原理相结合，既可以实现摩擦力系数的单向或双向调节，又可以实现摩擦力系数的微调及面板表面的多点触控，实现了更为丰富的摩擦力系数等级。

3、该装置中的触觉界面采用透明的材料，可以在触觉面板下添加显示屏以显示虚拟物体，实现与视觉再现的结合。

附图说明

图1为本发明中触觉再现装置结构示意图。

图2为本发明中触觉再现模块安装示意图。

图3为本发明中触觉面板上电极阵列结构俯视图。

图4为本发明中触觉面板上电极阵列结构侧视图。

图5为本发明中摩擦力双向控制的触觉面板结构俯视图。

图6为本发明中摩擦力双向控制的触觉面板结构侧视图。

其中，图中的标记分别为：1-触觉再现面板；2-振动结构；4-线性传感器阵列；10a-谐振基体上表面；10b-谐振基体下表面；10-谐振基体；20-压电陶瓷层；21-压电陶瓷元件；30-电极阵列层；310-第一电极；320-第二电极；330-第三电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明所涉及的触觉再现装置，采用了空气压膜效应和电致振动效应两种原理相结合来实现摩擦力的综合控制，进而实现基于双向摩擦力控制的触觉再现。其整个触觉再现装置的结构示意图如图1所示。

该装置主要包括以下几个关键组成部分：触觉再现模块、压电陶瓷激励模块、中央控制模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块；所述触觉再现模块包括刚性触觉面板、压电陶瓷阵列模块、电极阵列模块；所述压电陶瓷阵列模块设置于刚性触觉面板的下表面，所述电极阵列模块嵌入刚性触觉面板的内部；所述中央控制模块控制压电陶瓷激励模块产生压电陶瓷阵列模块的驱动信号，控制电极阵列激励模块产生电极阵列模块的驱动信号；所述压电陶瓷阵列模块的驱动信号使刚性触觉面板产生超声振动，当手指触摸刚性触觉面板时，刚性触觉面板与手指之间产生空气压膜效应并以减小摩擦力的方式改变触摸所述刚性触觉面板的触觉感知，所述电极阵列模块的驱动信号对电极阵列模块施加不同的电压，从而在所述刚性触觉面板与手指之间产生电致振动效应并以增大摩擦力的方式改变触摸所述刚性触觉面板的触觉感知；所述手指位置检测模块包括光学线性阵列，所述光学阵列可选择TAOS TSL1410R，设置于刚性触觉面板的相邻两个边上，所述手指位置检测模块实时采集不断变化的操作者手指位置信息，并将采集到的位置信息转换成数字量信息，传送至中央控制模块；所述中央控制模块根据手指位置数字量信息，改变压电陶瓷激励模块与电极阵列激励模块的控制信号，改变所述刚性触觉面板与手指之间的空气压膜效应和电致振动效应强度，改变所述刚性触觉面板表面的摩擦力，形成不同的触觉再现。

图2所示为本发明中触觉再现模块安装示意图，其中两个线性传感器阵列4分别沿触觉面板1两个边的方向安装，并且两个线性传感器阵列4相互垂直排列。

所述电极阵列模块如图3、图4所示，包括基底层、电极阵列层30、绝缘层；所述基底层上表面设置电极阵列层30，所述电极阵列层30上部设置绝缘层；所述电极阵列层30包括多个阵列设置的电极组，每个电极组均包括多个电极(如3个或者更多)，所述多个电极两两之间均存在间隙并保持绝缘，且不同电极之间存在高度差，使得可以对每个电极施加不同的驱动信号；所述电极阵列激励模块包括多个驱动信号的输出端，每个电极与电极阵列激励模块驱动信号的输出端一一对应连接。

所述每个电极组中多个电极为多边形柱体，共同实现对二维平面的分割，电极与电极之间保持一定的间隙或设置绝缘材料，使得电极之间相互绝缘。

其中，触觉再现模块如图5、图6所示，包括一个振动结构2，该振动结构2由一个谐振基体、一个压电陶瓷层20和一个电极阵列层30组成，所述谐振基体包括基底、谐振基体上表面10a、谐振基体下表面10b，该压电陶瓷层20通过一个粘结剂薄层固定在基底上，所述压电陶瓷层20上设置压电陶瓷原件21，电极阵列30通过微加工技术固定在基体的内部。

谐振基体由一个长度为L、宽度为W、厚度为h1的矩形板构成，并且该矩形板是透明的、刚性的。该基体具有一个光滑的上表面和一个下表面。上表面构成触觉再现界面，用于操作者手指触摸。

压电陶瓷层厚度为h2，由压电陶瓷阵列构成，这个压电陶瓷阵列被粘贴在基底的下表面上。电极阵列层由高度不同的多层电极组成，所述多层电极构成若干电极组，所述每个电极组中包含多个电极。所述多个电极两两之间保持电绝缘，属于不同高度的电极层，即每个电极组中不同电极之间存在高度差。所述多个电极均为多边形柱体，且电极与电极之间保持一定间隙或设置绝缘材料，使得电极之间相互电绝缘。本实例中，每个电极组由高度分别为e1、e2和e3的第一电极310、第二电极320和第三电极330组成，且所述第一至第三电极均采用四边形(或其他多边形)的形状，以图2所示的方式覆盖基底的全部表面。

压电陶瓷激励模块主要包括波形发生器、模拟乘法器及运算放大器等。其主要用于产生一组各自独立的交变电信号，且其峰峰值和频率均是可调的。所述交变电信号施加给压电陶瓷元件，就激励了压电陶瓷元件产生超声高频振动，此时的压电陶瓷元件作为激振源，使刚性触摸面板产生超声高频振动，进而在操作者手指与刚性触觉面板的上表面之间产生空气压膜效应，即在两者之间产生“气膜”，实现摩擦力系数减小，使操作者手指在触摸刚性触觉面板的上表面时产生光滑感。

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。所述交变信号可以通过一个高压电源和多通道高压集成芯片来产生，也可以通过给多个电极分别连接高压电源模块来产生。

当操作者手指和刚性触觉面板接触的时候，同时给电极阵列施加交变信号，手指和这一层导电层就类似于电容的两个极板，手指角质层、空气层和装置表面的绝缘层就构成了这个电容的电介质。根据静电理论，电容两极板在电场的作用下会对彼此产生静电吸引力，这个力F_e可以用下面的公式来描述：

其中，ε₀为真空中介电常数，T_p为所述电极阵列模块中电极阵列层表面覆盖的绝缘层的厚度，T_s为手指表面中绝缘角质层厚度，ε_s和ε_p分别为手指绝缘角质层和电极表面绝缘层的相对介电常数，A为电极的面积，v为电容两极板之间的电压。

当操作者手指在刚性触觉面板表面滑动的时候，面板表面就会给手指一个阻碍手指移动的摩擦力。这个滑动摩擦力fe可以通过下面公式来描述：

f_e＝μ(F_N+F_e)

其中，μ为刚性触觉面板表面的摩擦力系数，F_N为操作者手指施加给面板表面的法向压力，F_e为刚性触觉面板与手指之间的静电力。

通过改变施加的交变信号的幅值、频率、占空比等参数，就可以改变这个静电力F_e的大小，进而实现滑动摩擦力f_e大小的控制。

操作者手指位置检测模块主要包括线性传感器阵列、模数传感器及线性光源,主要用于实时检测操作者手指在触觉面板上的位置。当操作者手指在触觉面板上进行触觉感知时，手指会在线性传感器阵列上产生阴影区域。中央控制系统利用这个阴影区域就可以计算出操作者手指在触觉面板上的位置。

通讯接口模块主要用于实现系统与PC机之间的通信，实现控制信息和数据信息的传输。

基于微控制器的中央控制模块主要包括基于微控制器的嵌入式应用系统。其主要用于协调各个模块间的工作，使整个装置实现基于双向摩擦力控制的触觉再现。该装置的主要工作流程如下：装置首先根据输入的虚拟物体模型选择相应的触觉再现模式，即分配相应的摩擦力系数场；然后，装置采集刚性触觉面板上操作者手指位置信息，并根据这个位置信息选择相应的原理(空气压膜效应或电致振动效应或两者相结合)来实现操作者手指与刚性触觉面板间摩擦力系数的控制(增大、减小和微调)；最后，装置根据不同的摩擦力系数产生不同的触觉再现输出，使操作者在刚性触觉面板表面能触摸感知到虚拟物体，实现基于双向摩擦力控制的触觉再现。

Claims (5)

1.基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，包括触觉再现模块、压电陶瓷激励模块、中央控制模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块，所述双向摩擦力包括摩擦力的增大和减小，其特征在于：所述触觉再现模块包括刚性触觉面板、压电陶瓷阵列模块、电极阵列模块；所述压电陶瓷阵列模块设置于刚性触觉面板的下表面，所述电极阵列模块嵌入刚性触觉面板的内部；所述手指位置检测模块位于所述触觉再现模块的上部；所述压电陶瓷阵列模块与压电陶瓷激励模块连接；所述电极阵列模块与电极阵列激励模块连接；所述中央控制模块分别与压电陶瓷激励模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块连接；压电陶瓷阵列模块的驱动信号使刚性触觉面板产生超声振动，此时，当手指触摸刚性触觉面板时产生空气压膜效应；电极阵列模块的驱动信号对电极阵列模块施加不同的电压，此时，当手指触摸刚性触觉面板时产生电致振动效应，通过改变刚性触觉面板与手指之间的空气压膜效应和电致振动效应强度，改变所述刚性触觉面板表面的摩擦力，形成不同的触觉再现。

2.根据权利要求1所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，其特征在于：所述电极阵列模块包括基底层、电极阵列层、绝缘层；所述基底层上表面设置电极阵列层，所述电极阵列层上部设置绝缘层；所述电极阵列层包括若干电极组，每个电极组中包含多个电极，所述多个电极两两之间保持电绝缘，每个电极组中不同电极之间存在高度差，对每个电极施加不同的驱动信号；所述电极阵列激励模块包括多个驱动信号的输出端，每个电极与电极阵列激励模块驱动信号的输出端一一对应连接。

3.根据权利要求2所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，其特征在于：所述每个电极组中的多个电极均为多边形柱体，电极与电极之间有间隙或设置绝缘材料。

4.基于权利要求1所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现装置的触觉再现方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先，中央控制模块系统将所选触觉面板材料的本身摩擦力系数记为f0，并根据所要再现的虚拟物体选择所需的触觉模式，建立虚拟物体与触觉再现面板表面各点的摩擦力系数之间的映射关系1和映射关系2；其中映射关系1用于单点交互模式，映射关系2用于多点交互模式；映射关系1和映射关系2分别确定了单点交互模式和多点交互模式中触觉再现面板表面各点的摩擦力系数；

其次，手指位置检测模块在中央控制模块的控制下检测获得手指位置，中央控制模块根据手指位置的值，判断当前的交互模式是单点交互或多点交互模式；中央控制模块根据单点交互模式或多点交互模式下虚拟物体与摩擦力系数之间的映射关系1或映射关系2获得单点或多点手指触摸区域对应的摩擦力系数fi；在单点交互模式中，i＝1，在多点交互模式中，i＝1…n，n等于多点触摸的个数；

然后，中央控制模块判断fi与f0的大小并根据结果选择控制电极阵列激励模块或压电陶瓷激励模块；若fi>f0，中央控制模块控制电极阵列激励模块产生多个通道的各自独立的交变信号，并将多个通道的交变信号一一对应施加至电极阵列模块中的每一个电极，在所述刚性触觉面板与手指之间产生电致振动效应，使得触觉面板表面的摩擦力系数增大至fi；若fi<f0，中央控制模块控制压电陶瓷激励模块产生一组各自独立的交变电信号，并将所述交变电信号分别施加到压电陶瓷阵列模块中的每个压电陶瓷上，在刚性触觉面板与手指之间产生空气压膜效应，使得刚性触觉面板表面摩擦力系数减小至fi；

最后，根据所述刚性触觉面板表面的摩擦力系数的增大或减小，形成基于摩擦力控制的触觉再现。

5.根据权利要求4所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现装置的触觉再现方法，其特征在于：所述刚性触觉面板与手指接触时，刚性触觉面板表面的摩擦力受空气压膜效应和电致振动效应的影响而改变，由如下公式计算：

f_e＝μ′(F_N+F_e)

其中，μ'为操作者手指与所述刚性触觉面板表面之间的交互摩擦力系数，该交互摩擦力系数能在空气压膜效应的作用下减小；F_N为操作者手指施加给面板表面的法向压力；F_e为所述刚性触觉面板与手指之间的静电力，该静电力F_e是一个由电致振动效应决定的、大于等于0的值，由如下公式计算：

$F_e=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{Av}}^2\left(t\right)}{2(T_s/{\mathrm{\&epsiv;}}_s+T_p/{\mathrm{\&epsiv;}}_p)(T_s+T_p)}$

其中，ε₀为真空中介电常数，T_p为所述电极阵列模块中电极阵列层表面覆盖的绝缘层的厚度，T_s为手指表面中绝缘角质层厚度，ε_s和ε_p分别为手指绝缘角质层和电极表面绝缘层的相对介电常数，A为电极的面积，v为电容两极板之间的电压。