CN104898842A - 面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置及实现方法，包括安装紧固模块、触觉刺激执行模块、信号测量调理模块和核心控制接口模块，所述安装紧固模块为可穿戴主要机构装置，其上设置有触觉刺激执行模块和信号测量调理模块，所述信号测量调理模块的信号输出端与核心控制接口模块的信号输入端连接，所述核心控制接口模块与移动终端无线连接，移动终端与触觉刺激执行模块映射，所述核心控制接口模块的信号输出端与触觉刺激执行模块的信号输入端连接。本发明操控原理简单、便携性好，可用于不同的移动终端进行交互。

Description

面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置及实现方法

技术领域

本发明属于力触觉交互领域，具体涉及一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置。

背景技术

在传统的视听觉人机交互中加入力触觉再现技术，能够有效提高人机交互的真实感和操控性，同时扩展人机交互系统的功能和使用范围。移动终端设备作为新型的人机交互设备，其使用也日益广泛，研制与之相适应的便携式力触觉再现装置，也有着极大的研究和实用价值。

国外面向移动终端的力触觉交互设备，主要是基于静电力、惯性触觉传动器、超声波、压电致动器等方式实现的。韩国的Kyung等人研制了一款基于3×3的超声直线振动电机阵列作为触觉制动器的笔式触觉交互装置Ubi-Pen，该装置通过对3×3的振动阵列进行触觉编码以显示不同的二维形状。东京大学的Hideaki Yokota等设计了一个使用静电触觉显示器来表达虚拟物体表面纹理触觉特征的装置，该装置中，电极阵列的不同电极加载不同的电压，手指在电极阵列上滑动以感受虚拟物体表面纹理。迪斯尼研究所的Olivier Bau等人设计了一款基于移动终端得TeslaTouch，该装置在移动终端的屏幕表面利用手指和屏幕上正负电荷的吸引或者排斥来改变手指和屏幕之间的摩擦力来进行触觉反馈，增强了触摸交互体验。Tactus Technology公司使用特殊的材料设计出了在触摸屏幕上产生能够凸起的按钮，为面向移动终端的力触觉交互开辟了新的研究方向。跟国外相比，国内进入面向移动终端的力触觉交互的研究领域较迟，目前基本上处于空白，无论在深度上或者规模上都存在着比较明显的差距，但是，国内对于面向移动终端的力触觉交互的核心技术即力触觉再现及其交互技术已经开展了一些研究。先后有东南大学、清华大学、天津大学、上海交通大学、中科院智能机械研究所、北京航空航天大学等多家单位积极开展了力触觉传感器以及力触觉再现装置等相关方面的研究工作。目前大部分移动终端的力触觉交互设备均采用静电力与移动终端结合的方式设计，外置式的力触觉交互设备较少。且已经存在的外置式力触觉设备普遍存在体积臃肿、功耗较大、力触觉反馈不够真实和准确等缺点，不能给用户良好的力触觉交互真实感体验。携带不便和适用性差导致多数设备实用性较差。

大多数已经公开的基于移动终端的力触觉交互装置均采用了不同的力触觉产生方式，如静电膜、振动电机、电极阵列等，但这些装置往往没有充分考虑到人的力触觉特性和交互过程中用户手指主动施加力的变化和手指姿态变化对于力触觉交互感受的影响。移动触摸屏只能跟踪手指的触摸位置而无法获得手指的姿态，因此无法在最大程度上逼真的模拟手指触摸虚拟物体的触感，尤其是硬度和形状的触觉表达。在某些系统中，通过相机实时捕捉用户手指姿态，但是这会大大增加系统的体积，降低便携性且计算量过大。这些移动终端平面上的手指交互特性，缺乏必要的深度和交互姿态信息的检测，限制了对虚拟交互过程接触状态的精确计算和表达。本发明在装置中加入了压力传感器和姿态测量传感器，通过压力传感器可进一步获得交互过程中人主动按压力，姿态传感器可以通过测量交互过程中手指的速度信息和加速度信息，获得手指姿态变化信息，将力信息和姿态信息用于虚拟建模，改变了传统的虚拟力触觉再现的信号输入方式，且传感器安装在指套上，体积小，适用于便携式交互系统。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，操控原理简单、便携性好，可用于不同的移动终端进行交互。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，包括安装紧固模块、触觉刺激执行模块、信号测量调理模块和核心控制接口模块，所述安装紧固模块为可穿戴主要机构装置，其上设置有触觉刺激执行模块和信号测量调理模块，所述信号测量调理模块的信号输出端与核心控制接口模块的信号输入端连接，所述核心控制接口模块与移动终端无线连接，移动终端与触觉刺激执行模块映射，所述核心控制接口模块的信号输出端与触觉刺激执行模块的信号输入端连接。

进一步的，所述安装紧固模块包括支撑外框、笔头基座、电容笔头和指套，所述信号测量调理模块包括压力传感器、手指姿态测量传感器和滤波电路，所述压力传感器和手指姿态测量传感器通过滤波电路与核心控制接口模块连接，所述手指姿态测量传感器设置在指套的顶部，所述支撑外框的上部与指套的底部连接，所述支撑外框内由上至下依次设置有位于同一中心线上的触觉刺激执行模块、压力传感器和笔头基座，所述电容笔头露置在支撑外框底部外，且所述电容笔头与笔头基座连接。

进一步的，所述触觉刺激执行模块为3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器。所述3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器嵌套安装在支撑外框顶部的压电陶瓷致动阵列槽中，压力传感器安装在压电陶瓷致动阵列槽下方的凹槽之中，并通过下方的笔头基座固定。

进一步的，所述核心控制接口模块包括主微控制器、WiFi通信模块和控制接口电路，所述压力传感器和手指姿态测量传感器通过滤波电路与主微控制器连接，所述主微控制器通过WiFi通信模块与移动终端无线连接，所述主微控制器通过控制接口电路和驱动电路与触觉刺激执行模块4连接。

进一步的，所述滤波电路包括二阶有源巴特沃斯低通滤波器和卡尔曼滤波器，与压力传感器连接的滤波器为二阶有源巴特沃斯低通滤波器，与手指姿态测量传感器连接的滤波器为卡尔曼滤波器。

基于面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置的实现方法：所述压电传感器将采集交互过程中的手指压力，经滤波电路将手指主动按压力信息送入主微控制器，手指姿态测量传感器通过与可穿戴主要机构装置同步运动采集交互过程中的手指姿态信息，经滤波电路将采集的手指姿态信息送入主微控制器，主微控制器将手指姿态信息送入移动终端；

移动终端从图像中提取触觉表达信息并综合手指交互信息进行建模处理分析后得到驱动控制信息，并将驱动控制信息映射到触觉刺激执行模块，主微控制器获得移动终端发送的驱动控制信息，将驱动控制信息送入驱动电路使触觉刺激执行模块产生相应振动使用户获得力触觉交互的真实感受。

有益效果：本发明装置利用分布式的致动阵列产生振幅、强度可控的分布式振动刺激，通过随时空变化的振动刺激模拟形状、纹理、硬度等触觉特征，具备操控原理简单、便携性好，可用于不同的移动终端进行交互。

附图说明

图1为本发明工作方式示意图。

图2为本发明结构的侧视图。

图3为本发明结构的剖视图。

图4位本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，包括安装紧固模块、触觉刺激执行模块4、信号测量调理模块和核心控制接口模块，所述安装紧固模块为可穿戴主要机构装置，其上设置有触觉刺激执行模块4和信号测量调理模块，所述信号测量调理模块的信号输出端与核心控制接口模块的信号输入端连接，所述核心控制接口模块与移动终端无线连接，通过移动终端将触觉表达信息映射到触觉刺激执行模块4，所述核心控制接口模块的信号输出端与触觉刺激执行模块4的信号输入端连接。

所述安装紧固模块包括支撑外框1、笔头基座2、电容笔头5和指套8，所述信号测量调理模块包括压力传感器6、手指姿态测量传感器7和滤波电路，所述压力传感器6和手指姿态测量传感器7通过滤波电路与核心控制接口模块连接，所述手指姿态测量传感器7设置在指套8的顶部，所述支撑外框1的上部与指套8的底部连接，所述支撑外框1内由上至下沿y轴分布依次设置有位于同一中心线上的触觉刺激执行模块4、压力传感器6和笔头基座2，所述电容笔头5露置在支撑外框1底部外，且所述电容笔头5与笔头基座2连接。

所述核心控制接口模块包括主微控制器、WiFi通信模块和控制接口电路，所述压力传感器6和手指姿态测量传感器7通过滤波电路与主微控制器连接，所述主微控制器通过WiFi通信模块与移动终端连接，所述主微控制器通过控制接口电路和驱动电路与触觉刺激执行模块4连接。Wifi通信模块通过USART接口与主微控制器进行信息交换，主微控制器通过I^2C总线控制触觉刺激执行模块4，主微控制器通过串口与压力传感器6和手指姿态测量传感器7进行通信。各个模块数据交换方式均采用DMA交换模式。

本发明中压电传感器6通过笔头基座2和电容笔头5感受交互过程中的手指压力，经滤波电路将采集手指主动按压力信息送入主微控制器，手指姿态测量传感器7通过与可穿戴主要机构装置同步运动采集交互过程中的手指姿态信息，经滤波电路将采集的手指姿态信息送入主微控制器。移动终端从图像中提取三维形状、硬度和粗糙度等触觉表达信息并进行建模处理分析后得到驱动控制信息，将建模处理分析后得到的驱动控制信息映射到触觉刺激执行模块4。主微控制器通过与移动终端的WiFi通信模块获得图像纹理信息以及经移动终端进行建模处理分析后得到的驱动控制信息，同时主微控制器将驱动控制信息通过控制接口电路和驱动电路使触觉刺激执行模块4产生相应振动使用户获得力触觉交互的真实感受。

上述滤波电路包括二阶有源巴特沃斯低通滤波器和卡尔曼滤波器，与压力传感器6连接的滤波器为二阶有源巴特沃斯低通滤波器，与手指姿态测量传感器7连接的滤波器为卡尔曼滤波器。

压力测量和手指姿态测量信息采用不同的滤波电路的原因如下：对于手指压力信息的测量，由于人手指的主动按压力频率主要集中在5Hz以下，3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器振动频率主要集中在10Hz以上，为确保在不改变人手主动按压力大小的同时，尽量消除由于3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器振动引起的干扰，滤波电路的截止频率选择在5Hz左右，二阶有源巴特沃斯低通滤波器既有满足系统要求的截止频率且简单实现，因此本系统采用了截止频率为5Hz的二阶有源巴特沃斯低通滤波器。对于手指姿态信息的采集，需要对三轴MEMS陀螺仪输出值和三轴MEMS加速度计输出值进行数据融合，以较高精度输出人手的实时姿态，因此采用卡尔曼滤波器实现对手指姿态信息的整合与滤波。

所述触觉刺激执行模块4为压电陶瓷马达振动触觉致动器。本发明通过基于陶瓷马达的振动触觉致动器的振动模拟人类的触觉感受，陶瓷马达是采用压电陶瓷材料制作的。当有电压加载在压电陶瓷马达上时，压电陶瓷马达由于其材料本身的特性而迅速产生跟加载电压和自身长度正相关的微小形变。驱动电压的快速改变会导致压电陶瓷的长度随加载电压迅速增大或减小，进而产生振动，改变压电陶瓷马达振动触觉致动器的驱动电压、频率、振动方向、振动时间，人就可以感受到不同的触觉效果。

本发明采用的压电致动器的最大工作电流20A，谐振频率220Hz，容值为0.48μF，最大形变量为18μm。具体实现时，根据人类感知差别阈限的特性，将压电致动器在人可感知的正弦电压范围(0-100V)内对应的振动强度分为6个等级，驱动电压频率变化控制在220Hz以下。移动终端根据提取的图像信息以及获得的人主动按压力信息和手指姿态信息建模计算获得对应的控制电压大小和频率，并对应到不同的振动强度等级，微控制器根据移动终端处理得到的结果控制压电致动器产生相应等级强度的振动。

定义平行于移动终端平面且与手指方向垂直为x轴，垂直于移动终端平面方向为y轴。所述压电陶瓷马达振动触觉致动器嵌套安装在支撑外框1顶部的压电陶瓷致动阵列槽中，可执行不同机械强度的沿y轴方向振动。压力传感器6安装在压电陶瓷致动阵列槽下方的凹槽之中，并通过下方的笔头基座2固定。笔头基座2通过紧固销3与支撑外框1进行x轴方向固定，通过紧固销3卡槽限制笔头基座2工作过程中的y轴方向移动范围。

对于物体粗糙度的触觉表达，移动终端从图片中提取物体的粗糙度信息后通过变换把粗糙度映射到压电陶瓷马达振动触觉致动器驱动电压的频率上，粗糙度与驱动电压的频率在人可感知范围内成线性正相关，即粗糙度越大，驱动电压频率越大。当手指触摸屏幕中的图片时，移动终端将手指触摸图片的粗糙度映射的驱动电压频率数据通过WiFi通信模块发送给主微控制器，主微控制器通过对收到的数据进行解析，进而控制驱动电压产生对应频率的控制电压波形，进而使人的手指感受到与物体粗糙度成一定关系的压电制动器振感。对于物体硬度的振动力触觉表达，本发明通过9个压电陶瓷马达振动触觉致动器构成3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器的振动来模拟虚拟物体给人手指的作用力，将物体的硬度映射到压电致动器驱动电压的频率上，而将手指主动按压力映射到驱动电压的幅值上，通过单位时间内振动的变化速率实现硬度信息的表达。人手主动按压所做的功与振动装置产生的功相等，物体越硬，振动频率越高，主动按压力越大，振动强度越大，由此实现了根据硬度和按压力大小，对振动频率和强度的控制。

对于图像三维形状的表达，本发明采用加入手指姿态测量传感器7的方法，通过检测交互时用户手指相对姿态的变化，控制3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器产生与相对姿态一致的振动刺激。具体实现方法为：当使用者的手指在屏幕中的虚拟物体表面移动时，移动终端通过计算虚拟物体表面沿手指运动方向的切线角度和通过手指姿态测量传感器7测量得到的手指沿运动方向的倾角之间的差值，并将两个角度的差映射到3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器上。当两个角度基本一致时，3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器中的中间行或列开始振动，而当两个角度不一致时，3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器会产生跟两个角度之差相对应的振动，使用者通过调整手指沿运动方向的姿态直至感受到3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器的中间列或行的3个触觉发生器开始振动，进而感知沿手指运动方向上触摸点物体表面的切向方向，从而感知物体的三维形状。

本发明中，用户穿戴了指套式力触觉交互装置的手在移动终端上移动时，系统中的实时检测交互过程中人主动施加的按压力以及手指姿态信息，以此作为系统输入，根据事先建立的虚拟物体的柔顺性、纹理以及形状的振动触觉表达模型，实时计算并驱动振动触觉致动器的上每个振动点的振动频率、强度等，产生相应的振动触觉刺激，从而实现了触摸过程中的虚拟物体的各种触感的再现。该交互装置具有可穿戴、小型化和实用化的特点，可用于不同的移动终端进行交互。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，其特征在于：包括安装紧固模块、触觉刺激执行模块(4)、信号测量调理模块和核心控制接口模块，所述安装紧固模块为可穿戴主要机构装置，其上设置有触觉刺激执行模块(4)和信号测量调理模块，所述信号测量调理模块的信号输出端与核心控制接口模块的信号输入端连接，所述核心控制接口模块与移动终端无线连接，移动终端与触觉刺激执行模块映射，所述核心控制接口模块的信号输出端与触觉刺激执行模块(4)的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，其特征在于：所述安装紧固模块包括支撑外框(1)、笔头基座(2)、电容笔头(5)和指套(8)，所述信号测量调理模块包括压力传感器(6)、手指姿态测量传感器(7)和滤波电路，所述压力传感器(6)和手指姿态测量传感器(7)通过滤波电路与核心控制接口模块连接，所述手指姿态测量传感器(7)设置在指套(8)的顶部，所述支撑外框(1)的上部与指套(8)的底部连接，所述支撑外框(1)内由上至下依次设置有位于同一中心线上的触觉刺激执行模块(4)、压力传感器(6)和笔头基座(2)，所述电容笔头(5)露置在支撑外框(1)底部外，且所述电容笔头(5)与笔头基座(2)连接。

3.根据权利要求2所述一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，其特征在于：所述触觉刺激执行模块(4)为3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器。

4.根据权利要求3所述一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，其特征在于：所述3×3压电陶瓷马达振动触觉致动器嵌套安装在支撑外框(1)顶部的压电陶瓷致动阵列槽中，压力传感器(6)安装在压电陶瓷致动阵列槽下方的凹槽之中，并通过下方的笔头基座(2)固定。

5.根据权利要求2所述一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，其特征在于：所述核心控制接口模块包括主微控制器、WiFi通信模块和控制接口电路，所述压力传感器(6)和手指姿态测量传感器(7)通过滤波电路与主微控制器连接，所述主微控制器通过WiFi通信模块与移动终端无线连接，所述主微控制器通过控制接口电路和驱动电路与触觉刺激执行模块(4)连接。

6.根据权利要求5所述一种面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置，其特征在于：所述滤波电路包括二阶有源巴特沃斯低通滤波器和卡尔曼滤波器，与压力传感器(6)连接的滤波器为二阶有源巴特沃斯低通滤波器，与手指姿态测量传感器(7)连接的滤波器为卡尔曼滤波器。

7.基于面向移动终端的可穿戴指套式力触觉交互装置的实现方法：其特征在于：

所述压电传感器(6)将采集交互过程中的手指压力，经滤波电路将手指主动按压力信息送入主微控制器，手指姿态测量传感器(7)通过与可穿戴主要机构装置同步运动采集交互过程中的手指姿态信息，经滤波电路将采集的手指姿态信息送入主微控制器，主微控制器将手指姿态信息送入移动终端；

移动终端从图像中提取触觉表达信息并综合手指交互信息进行建模处理分析后得到驱动控制信息，并将驱动控制信息映射到触觉刺激执行模块(4)，主微控制器获得移动终端发送的驱动控制信息，将驱动控制信息送入驱动电路使触觉刺激执行模块(4)产生相应振动使用户获得力触觉交互的真实感受。