CN104793746B - 一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法，属于触觉再现装置及方法。包括核心控制单元，直流电源，定位输入单元，直流升压单元，高压开关阵列以及触觉再现面板；直流升压单元将低压直流转换为高压直流，微控制器通过定位输入单元采集手指位置，控制加载有直流高压的开关阵列的状态来改变触觉驱动信号，在多个手指上感应出不同的电荷分布，电荷之间的静电力使手指皮肤产生形变，从而使用户不同手指感受到不同的触觉感受。本发明的优点是结构新颖，体积小，功耗低，实时性强，触觉刷新频率高，可以驱动多点触觉面板；可广泛应用在教育、体育、医疗等领域的小型化便携式的嵌入式设备中。

Description

一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法

技术领域

本发明涉及一种触觉再现装置及方法，尤其是指一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法。

背景技术

触觉再现在人机交互和虚拟现实中都扮演着非常重要的角色，可以提供更真实的沉浸感，使用户的感受得到大幅度的提升；基于静电力的触觉再现技术是通过给覆盖有绝缘层的导电极板施加不同的驱动信号来产生不同触觉感受的技术。

静电力触觉再现是通过透明导电极板和皮肤导电层感应电荷之间静电力来产生触觉感受的，因此需要高幅值的驱动信号；触觉再现面板不同位置对应的触觉感受不同，因此需要结合定位技术来实现丰富的触觉反馈。

现有多点静电力触觉再现装置中的驱动电路多采用直接频率合成技术合成幅频可程控的低压波形，再经过功率放大晶体管将幅值放大；定位技术多采用红外、光学等技术，需要额外增加红外边框以及摄像头等器件及驱动电路；现有静电力触觉再现装置存在结构复杂，功耗高，体积大，精度不够，稳定性差等缺点。

发明内容

本发明提供了一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法，以解决目前多点静电力触觉再现装置结构复杂，功耗高，体积大，精度不够，稳定性差的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(一)定位输入单元采用电容定位原理，以透明导电极板阵列作为电容定位的工作面进行电容定位，获取多个手指在触觉再现面板上的位置信息，反馈给核心控制单元；

(二)核心控制单元获取到手指在触觉再现面板上的位置，将位置信息映射为相应的触觉感受；

(三)直流升压单元通过升压变压器结合倍压电路以及相应的交直流转换电路将低压直流转换为高压直流，为高压开关阵列单元提供高压输入信号；

(四)核心控制单元根据需要反馈的触觉信息，采用脉冲宽度调制方式将相应波形效果的脉冲序列加载到高压开关阵列单元上；脉冲宽度调制波形多采用调制法得到，以等腰三角波作为载波，正弦调制信号为：

u_m＝asinω_mt

经等腰三角波调制由

得到等效脉冲宽度为

其中，u_m为正弦调制信号，a为调制度，ω_m为调制波频率，t_M为三角波底边中点时刻，δ为等效脉冲宽度，T_c为三角波底边长度；

(五)核心控制单元控制高压开关阵列单元104将不同波形效果的脉冲序列加载到透明导电极板阵列上；

其中高压开关阵列单元，采用移位寄存器结合锁存器的方式将串行输入信号转换为并行信号，通过控制高压输出缓冲1043驱动透明导电极板阵列；透明导电极板阵列为n*n阵列；移位寄存器输入信号为串行信号{x₁₁，x₁₂，…，x_1n，x₂₁，x₂₂，…，x_2n，…x_nn}，经移位寄存器转换可以映射为并行阵列信号

经锁存器锁存，最终加载到透明导电极板阵列上，不同手指就可以感受到不同的触觉感受；

(六)触觉再现面板上滑动的多个手指感应出分布不同的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受；其中定位输入单元和触觉反馈分时共用触觉再现面板；产生的触觉驱动信号均为脉冲信号；脉冲信号在时间轴上占据的时间片小，留出足够的时间片供定位输入单元使用；脉冲信号频率为f_p，每个驱动波形周期中脉冲占空比有一个由小到大再由大到小的变化过程，占空比最小为τ，故每个驱动波形周期中留给定位输入单元最大的时间片为

足够定位输入单元定位使用，满足定位输入和触觉反馈输出分时复用的设计，触觉刷新频率快，给人的触觉感受更为细腻。

一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置，包括：

核心控制单元包括微控制器，用于控制高压开关阵列单元和定位输入单元；采用脉冲宽度调制方式改变驱动信号的参数来改变相应的触觉感受；此外，还包括编程接口、存储器、复位电路、时钟电路、定位输入接口以及驱动控制接口，用于保证处理器的正常运行；

定位输入单元包括振荡电路、电流转电压电路、模数转换器以及处理分析接口；采用电容定位原理，以透明导电极板阵列作为电容定位的工作面进行电容定位，获取多个手指在触觉面板上的位置信息，反馈给核心控制单元；

直流升压单元包括自激振荡电路、升压变压器、倍压电路以及整流滤波电路，用于生成直流高压；自激振荡电路将低压直流转换为高频低压交流，通过升压变压器将幅度放大，再经过倍压电路将幅值进行二次放大，最后通过整流滤波电路将高频交流转换为直流；

高压开关阵列单元由移位寄存器，锁存器以及高压输出缓冲组成，移位寄存器用于将串行输入信号转换为并行信号，通过锁存器将并行信号锁存住，最后控制高压输出缓冲输出高压驱动信号；

触觉再现面板包括玻璃底板、透明导电极板阵列以及透明绝缘膜，用于实现多点触觉反馈；高压开关阵列单元将驱动信号加载到透明导电极板阵列上，滑动的多个手指上感应出不同分布的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受。

本发明的优点是：利用触觉再现面板和电容定位屏结构相同的情况，采用时分复用的方式完成定位输入以及触觉输出的功能；结构新颖，高压开关阵列单元采用移位寄存器结合锁存器的方式，用少量信号线控制多路驱动信号输出，有利于后期透明导电极板阵列的扩充；没有功率放大元件，避免了功率放大元件上功率的消耗，降低了系统功耗，能够有效延长电源使用时间；生成驱动信号均为脉冲信号，在时间轴上占用的时间片较小，有利于和定位输入信号的时分复用设计；装置尺寸小，结构简单，可以在移动终端设备上应用。

附图说明

图1是本发明的电路原量框图；

图2是本发明核心控制单元101的硬件结构框图；

图3是本发明高压开关阵列单元104的硬件结构布局图；

图4是本发明定位输入单元105的硬件结构框图；

图5是本发明中静电力触觉再现屏的工作原理图；

图6是本发明采用脉冲宽度调制方式改变驱动信号参数的原理图；

图7是本发明采用脉冲宽度调制计算脉冲宽度的方法图；

图8是本发明定位输入和触觉输出分时复用的原理。

具体实施方式

包括下列步骤：

(一)定位输入单元105采用电容定位原理，以透明导电极板阵列1062作为电容定位的工作面进行电容定位，获取多个手指在触觉再现面板106上的位置信息，反馈给核心控制单元101；

(二)核心控制单元101获取到手指在触觉再现面板106上的位置，将位置信息映射为相应的触觉感受；

(三)直流升压单元103通过升压变压器1032结合倍压电路1033以及相应的交直流转换电路将低压直流转换为高压直流，为高压开关阵列单元104提供高压输入信号；

(四)核心控制单元101根据需要反馈的触觉信息，采用脉冲宽度调制方式将相应波形效果的脉冲序列加载到高压开关阵列单元104上；脉冲宽度调制波形多采用调制法得到，以等腰三角波作为载波，正弦调制信号为：

u_m＝asinω_mt

经等腰三角波调制由

得到等效脉冲宽度为

其中，u_m为正弦调制信号，a为调制度，ω_m为调制波频率，t_M为三角波底边中点时刻，δ为等效脉冲宽度，T_c为三角波底边长度；

(五)核心控制单元101控制高压开关阵列单元104将不同波形效果的脉冲序列加载到透明导电极板阵列1062上；

其中高压开关阵列单元104，采用移位寄存器1041结合锁存器1042的方式将串行输入信号转换为并行信号，通过控制高压输出缓冲1043驱动透明导电极板阵列1062；透明导电极板阵列1062为n*n阵列；移位寄存器1041输入信号为串行信号{x₁₁，x₁₂，…，x_1n，x₂₁，x₂₂，…，x_2n，…x_nn}，经移位寄存器1041转换可以映射为并行阵列信号

经锁存器1042锁存，最终加载到透明导电极板阵列1062上，不同手指就可以感受到不同的触觉感受；这样可以简化透明导电极板阵列1062的驱动结构；

(六)触觉再现面板106上滑动的多个手指感应出分布不同的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受；其中定位输入单元和触觉反馈分时共用触觉再现面板；产生的触觉驱动信号均为脉冲信号；脉冲信号在时间轴上占据的时间片小，留出足够的时间片供定位输入单元使用；脉冲信号频率为f_p，每个驱动波形周期中脉冲占空比有一个由小到大再由大到小的变化过程，占空比最小为τ，故每个驱动波形周期中留给定位输入单元最大的时间片为

足够定位输入单元定位使用，满足定位输入和触觉反馈输出分时复用的设计，触觉刷新频率快，给人的触觉感受更为细腻。

一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置，包括：

核心控制单元101包括微控制器1011，用于控制高压开关阵列单元104和定位输入单元105；采用脉冲宽度调制方式改变驱动信号的参数来改变相应的触觉感受；此外，还包括编程接口1012、存储器1013、复位电路1014、时钟电路1015、定位输入接口1016以及驱动控制接口1017，用于保证处理器的正常运行；

定位输入单元105包括振荡电路1051、电流转电压电路1052、模数转换器1053以及处理分析接口1054；采用电容定位原理，以透明导电极板阵列1062作为电容定位的工作面进行电容定位，获取多个手指在触觉面板上的位置信息，反馈给核心控制单元101；

直流升压单元103包括自激振荡电路1031、升压变压器1032、倍压电路1033以及整流滤波电路1034，用于生成直流高压；自激振荡电路1031将低压直流转换为高频低压交流，通过升压变压器1032将幅度放大，再经过倍压电路1033将幅值进行二次放大，最后通过整流滤波电路1034将高频交流转换为直流；

高压开关阵列单元104由移位寄存器1041，锁存器1042以及高压输出缓冲1043组成，移位寄存器1041用于将串行输入信号转换为并行信号，通过锁存器1042将并行信号锁存住，最后控制高压输出缓冲1043输出高压驱动信号；

触觉再现面板106包括玻璃底板1063、透明导电极板阵列1062以及透明绝缘膜1061，用于实现多点触觉反馈；高压开关阵列单元104将驱动信号加载到透明导电极板阵列1062上，滑动的多个手指上感应出不同分布的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受。

下面结合附图对本发明做进一步描述：

图1示出了本发明提出的一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法的整体框图；由图所示，该系统由核心控制单元101，直流电源102，直流升压单元103、高压开关阵列单元104、定位输入单元105以及触觉再现面板106组成；核心控制单元101控制定位输入单元105获取手指107_1或手指107_2在触觉面板上的位置信息，控制高压开关阵列单元104，采用脉冲宽度调制方式改变驱动信号的参数来改变相应的触觉感受；直流电源102为核心控制单元以及直流升压单元提供所需的供电电源；直流升压单元103包括自激振荡电路1031、变压器电路1032、倍压电路1033以及整流滤波电路1034，用于生成直流高压；高压开关阵列单元104用于完成串并转换以及高压输出缓冲的功能，从而输出触觉再现驱动信号；触觉再现面板106包括玻璃底板1063、透明导电极板阵列1062和透明绝缘膜1063，用于提供多点触觉反馈；

图2示出了核心控制单元101的硬件结构框图；核心控制单元101主要包括微控制器1011、定位输入接口1016以及驱动控制接口1017；微控制器1011控制定位输入接口1016获取多个手指在触觉再现面板106上的位置信息，将位置信息映射为触觉感受；从而控制高压开关阵列单元104产生相应的触觉驱动信号；此外，还包括编程接口1012、存储器1013、复位电路1014、时钟电路1015以及相应的接口组件，用于保证处理器的正常运行；

图3示出了高压开关阵列单元104的硬件结构布局图；如图所示，高压开关阵列单元104由移位寄存器1041、锁存器1042以及高压输出缓冲1043组成；移位寄存器1041按照时钟输入信号将低压串行输入转换为低压并行输出，控制信号控制锁存器1042将想要的的控制信号锁存住，这样可以将控制信号和移位寄存器1041中的串行移位信号隔离开；最后再由锁存的控制信号控制高压输出缓冲1043输出驱动信号，高压输出缓冲可以实现电平转换和增加输出能力的作用；

图4示出了定位输入单元105的硬件结构框图；包括振荡电路1051、电流转电压电路1052、模数转换电路1053以及处理分析接口1054；振荡电路1051用来产生电容定位所需的驱动信号；电流转电压电路1052用来将采集到的电流信号转换为电压信号；模数转换电路1053用来将模拟电压信号转换为微处理器可以识别的数字信号；处理分析接口1054用来计算手指的位置信息并传送给核心处理单元101；

图5示出了本发明中静电力触觉再现屏的基本原理；触觉再现屏106包括玻璃底板1063、透明导电极板1062以及透明绝缘层1061；将驱动波形加载到透明导电极板1062上，导电极板上带有相应极性的电荷，手指中导电组织感应出相反极性的电荷，电荷之间相互吸引产生库仑力，使手指皮肤发生变形，感受到相应的吸引力f_e，手指滑动和透明绝缘层摩擦，感受到相应的摩擦力f_r；透明导电极板和手指的导电极板上加载不同的驱动信号，手指感受到的吸引力和摩擦力就不同，从而得到不同的触觉感受；

图6示出了采用脉冲宽度调制方式改变驱动信号参数的基本原理；核心控制单元101将不同波形等效的脉冲宽度调制序列存储在存储器中，核心控制单元101按照不同波形等效序列数据控制开关阵列，从而得到多种波形效果的触觉感受；脉冲宽度调制序列403由三角载波信号401和调制信号402经调制得到，给触觉再现面板105加载脉冲宽度调制序列403和加载调制信号402给人的触觉感受基本一致；

图7示出了采用脉冲宽度调制法计算脉冲宽度的方法；以等腰三角波作为载波，正弦调制信号波为：

u_m＝asinω_mt

经等腰三角波调制由

可以得到等效脉冲宽度为

其中，a为调制度，ω_m为调制波频率，sinω_mt_M为对应三角波底边中点时刻正弦波的幅值；T_c为三角波底边长度；

图8示出了三组定位输入601_1、601_2、601_3和触觉输出602_1、602_2、602_3分时复用的原理；静电力触觉再现面板和现有电容定位屏结构相似，本专利提出的基于开关阵列驱动电路产生的驱动信号为脉冲形式，在时间轴上占用的时间片较少，为后期电容定位和触觉输出相结合提供了有力的支撑；定位结构可以先采用屏幕进行定位，当需要输出触觉驱动信号的时候在将屏幕作为触觉面板使用，给屏幕加载驱动信号；脉冲信号频率为1/T_c，每个驱动波形周期中脉冲占

空比有一个由小到大再由大到小的变化过程，占空比最小为τ，故每个驱动波形周期中驱动波形周期中留给定位输入单元最大的时间片为

足够定位输入单元定位使用，满足定位输入和触觉反馈输出分时复用的设计。

Claims (4)

1.一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现方法，其特征在于包括下列步骤：

(一)定位输入单元采用电容定位原理，以透明导电极板阵列作为电容定位的工作面进行电容定位，获取多个手指在触觉再现面板上的位置信息，反馈给核心控制单元；

(二)核心控制单元获取到手指在触觉再现面板上的位置，将位置信息映射为相应的触觉感受；

(三)直流升压单元通过升压变压器结合倍压电路以及相应的交直流转换电路将低压直流转换为高压直流，为高压开关阵列单元提供高压输入信号；

(四)核心控制单元根据需要反馈的触觉信息，采用脉冲宽度调制方式将相应波形效果的脉冲序列加载到高压开关阵列单元上；脉冲宽度调制波形多采用调制法得到，以等腰三角波作为载波，正弦调制信号为：

u_m＝a sinω_mt

经等腰三角波调制由

$\frac{1+a{\mathrm{sin\ω}}_m{t}_M}{\mathrm{\δ}/2}=\frac{2}{T_c/2}$

得到等效脉冲宽度为

$\mathrm{\δ}=\frac{T_c}{2}(1+a{\mathrm{sin\ω}}_m{t}_M)$

其中，u_m为正弦调制信号，a为调制度，ω_m为调制波频率，t_M为三角波底边中点时刻，δ为等效脉冲宽度，T_c为三角波底边长度；

(五)核心控制单元控制高压开关阵列单元(104)将不同波形效果的脉冲序列加载到透明导电极板阵列上；

(六)触觉再现面板上滑动的多个手指感应出分布不同的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受。

2.根据权利要求1所述的一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现方法，其特征在于：步骤(五)中高压开关阵列单元，采用移位寄存器结合锁存器的方式将串行输入信号转换为并行信号，通过控制高压输出缓冲(1043)驱动透明导电极板阵列；透明导电极板阵列为n*n阵列；移位寄存器输入信号为串行信号{x₁₁，x₁₂，…，x_1n，x₂₁，x₂₂，…，x_2n，…x_nn}，经移位寄存器转换可以映射为并行阵列信号

经锁存器锁存，最终加载到透明导电极板阵列上，不同手指就可以感受到不同的触觉感受。

3.根据权利要求1所述的一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现方法，其特征在于：步骤(六)中定位输入单元和触觉反馈分时共用触觉再现面板，产生的触觉驱动信号均为脉冲信号，脉冲信号在时间轴上占据的时间片小，留出足够的时间片供定位输入单元使用，脉冲信号频率为f_p，每个驱动波形周期中脉冲占空比有一个由小到大再由大到小的变化过程，占空比最小为τ，故每个驱动波形周期中留给定位输入单元最大的时间片为：

$\begin{array}{c}\frac{1}{f_p}\·(1-\mathrm{\τ})\\ =T_c\·(1-\frac{\mathrm{\δ}}{T_c})\\ =T_c\·(1-\frac{\frac{T_c}{2}(1+a{\mathrm{sin\ω}}_m{t}_M)}{T_c})\\ =T_c\·(1-\frac{1+a{\mathrm{sin\ω}}_m{t}_M}{2})\\ =T_c\·\left(\frac{1-a{\mathrm{sin\ω}}_m{t}_M}{2}\right)\end{array}$

足够定位输入单元定位使用，满足定位输入和触觉反馈输出分时复用的设计，触觉刷新频率快，给人的触觉感受更为细腻。

4.一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置，其特征在于包括：

核心控制单元包括微控制器，用于控制高压开关阵列单元和定位输入单元；采用脉冲宽度调制方式改变驱动信号的参数来改变相应的触觉感受；此外，还包括编程接口、存储器、复位电路、时钟电路、定位输入接口以及驱动控制接口，用于保证处理器的正常运行；

定位输入单元包括振荡电路、电流转电压电路、模数转换器以及处理分析接口；采用电容定位原理，以透明导电极板阵列作为电容定位的工作面进行电容定位，获取多个手指在触觉面板上的位置信息，反馈给核心控制单元；

直流升压单元包括自激振荡电路、升压变压器、倍压电路以及整流滤波电路，用于生成直流高压；自激振荡电路将低压直流转换为高频低压交流，通过升压变压器将幅度放大，再经过倍压电路将幅值进行二次放大，最后通过整流滤波电路将高频交流转换为直流；

高压开关阵列单元由移位寄存器，锁存器以及高压输出缓冲组成，移位寄存器用于将串行输入信号转换为并行信号，通过锁存器将并行信号锁存住，最后控制高压输出缓冲输出高压驱动信号；

触觉再现面板包括玻璃底板、透明导电极板阵列以及透明绝缘膜，用于实现多点触觉反馈；高压开关阵列单元将驱动信号加载到透明导电极板阵列上，滑动的多个手指上感应出不同分布的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受。