CN105653042B - 面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力‑触觉再现装置，主要包括电容笔头、连接筒、套环、连接杆、弹簧、圆筒形笔壳、磁流变液阻尼器、方形笔壳、圆形挡板、振动电机、测控电路、压电陶瓷振动器、电池、拨动开关和盖子；连接筒连接电容笔头和圆筒形笔壳前端；套环套在连接筒之上，可通过连接杆带动磁流变液阻尼器的活塞杆在连接筒上滑动；圆筒形笔壳内部放置有磁流变液阻尼器；方形笔壳后部的空腔内放置有振动电机、测控电路、压电陶瓷振动器、电池和拨动开关；该装置主要解决人与移动终端交互缺乏力/触觉交互感受的问题，可与移动终端无线通信，能够产生一种被动力反馈和两种振动触觉反馈，具有体积小、功耗低、重量轻和便携的特点。

Description

面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置
技术领域
本发明属于人机交互领域的人机交互接口装置，主要涉及一种面向多媒体移动终端交互应用的小型笔式力/触觉再现装置，能够实现移动终端中虚拟对象特征信息的力/触觉再现和交互。
背景技术
移动终端作为个人计算与通信系统已经被普遍使用在人们的日常生活中。通过触摸屏，用户可以方便的与移动终端进行视觉和听觉的交互操作，但触摸屏无法为用户提供与真实物体交互一样的力/触觉反馈。因此，用户几乎完全依靠视觉来实现对虚拟物体的操作，这样不仅增加了视觉的负担，还使人机交互的用户体验变差。力/触觉是人类感受环境信息的必要媒介，是获得信息极为有效的感觉通道，尤其对于视觉障碍的人或是处于视觉和听觉信息获取受限的环境中，力/触觉几乎是人们认识三维世界和建立空间概念的唯一信息通道。
力/触觉交互技术是一种新型的人机交互技术，它能够帮助操作者在人机交互过程中，通过力/触觉再现装置获取视觉场景中虚拟物体的三维形状、纹理、柔软度、材质等力/触觉特征，能够让操作者触摸、感知和操纵虚拟物体，实现对虚拟环境的主动探索。将力/触觉交互技术应用于移动设备，不但能够通过力/触觉反馈再现移动终端中虚拟物体的空间特征信息，还为用户提供了一种全新的交互体验。这项技术将极大地增强移动设备的功能，实现人与虚拟物体的碰撞、摩擦等动态信息交互，为用户带来更为逼真的交互体验，增强了交互的临场感。同时，拓宽了移动设备的应用范围和受众人群，对于视障患者来说，力/触觉反馈为他们与移动终端的交互提供了一条重要的途径。由于力/触觉交互技术具有实现虚拟物体的再现与感知，以及增强与虚拟环境进行交互操作的真实感和临场感等功能，其对于远程医疗、遥操作机器人、航空航天等人机交互领域同样具有重要的意义。
目前，众多的研究机构和研究学者已经对对力/触觉再现与交互技术的多个方面内容进行了广泛的研究，并取得了大量的成果。但由于移动终端的特殊性，传统的力/触觉再现设备不适用于直接与便携式的移动终端进行交互操作，如应用广泛的Phantom系列力反馈装置、振动触觉阵列、气动设备等大尺寸力/触觉再现设备因此，能够应用于移动终端的力/触觉再现装置应该具有便携、紧凑、稳定和通用的特点。其次，一直以来，应用于移动终端的力/触觉再现装置和交互技术在力/触觉再现的真实感和有效性方面还不能满足便携性和实用化的需求。例如，移动设备内置的振动电机所产生的简单的振动触觉提示不足以表达丰富的触觉信息。再次，为了适应移动终端的便携性，大多数力/触觉再现装置都倾向于表达交互过程中产生的触觉信息，而很少表达力觉信息，这主要是因为力/触觉交互过程中产生的力觉信息需要使用一定的机电结构来表达，但机电结构一般体积较大，且耗能较多，不便于集成在便携式小型化的力/触觉再现装置中。因此，伴随着人机交互和虚拟现实技术的发展，研发适用于移动终端的实时、高效的人机接口装置和交互技术成为移动终端智能化应用的热点。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种面向多媒体移动终端交互应用的小型笔式力-触觉再现装置，该装置是一种独立设备，可通过蓝牙与移动终端通信，具有体积小、功耗低、重量轻和便携的特点，能够由振动电机和压电陶瓷振动器提供两种类型的振动触觉反馈，由磁流变液阻尼器提供被动力反馈；该装置主要解决人与移动终端交互缺乏力/触觉交互感受的问题，增强了操作者与虚拟环境交互的真实感和沉浸感，提高了人机交互的效果和工作效率。
技术方案：本发明的一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，该装置包括电容笔头、连接筒、套环、连接杆、弹簧、圆筒形笔壳、磁流变液阻尼器、方形笔壳、圆形挡板、振动电机、测控电路、压电陶瓷振动器、电池、拨动开关和盖子。
所述的电容笔头通过螺纹与连接筒连接；套环在连接筒的外部，两者采用间隙配合；连接杆连接着套环和左活塞杆，能够在圆筒形笔壳前部预留的导轨内左右运动；弹簧放置于连接杆与左封盖之间；磁流变液阻尼器放置于圆筒形笔壳内部；圆筒形笔壳的两端分别连接着连接筒和方形笔壳，均采用过盈配合；圆筒形笔壳后部的外筒径与套环的外径相等；方形笔壳的前部有一个圆形挡板，其与圆筒形笔壳配合以便固定磁流变液阻尼器的位置；在方形笔壳的中部，两个挡板之间留有右活塞杆运动的空间；方形笔壳后部的空腔内放置有振动电机、测控电路、压电陶瓷振动器、电池和拨动开关；测控电路分别通过导线与磁流变液阻尼器、振动电机、压电陶瓷振动器、电池和拨动开关连接；电池放置于两个支撑台上，其与支撑台之间放置有压电陶瓷振动器，盖子采用抽屉式设计，与方形笔壳形成间隙配合，方便方形笔壳内组件的安装和拆卸。
所述的磁流变液阻尼器为剪切阀式双出杆直动型，包括左活塞杆、连接孔、左封盖、密封圈、外壳、活塞、励磁线圈、磁流变液、右封盖、右活塞杆、引出线；左活塞杆与右活塞杆均与活塞通过螺纹连接；连接孔与连接杆采用紧配合；左封盖与右封盖均与外壳通过螺纹连接；密封圈可分别放置于左封盖与右封盖之内，其外径大于外壳的内径，当左、右封盖与外壳通过螺纹连接后，能够将密封圈的位置固定，另外，为了减少漏液，密封圈选用柔性材料，其与活塞杆采用过盈配合；外壳与左、右封盖的外径相同；活塞的右侧内部和右活塞杆内部均开有引出线经过的小孔；励磁线圈由漆包铜导线在活塞的中部绕制而成，绕制完成后，两根引出线通过活塞与右活塞杆内部的小孔引出；磁流变液填充于阻尼器内部的空腔中，有效的工作部分为活塞两翼与外壳内壁之间的阻尼通道，阻尼通道的厚度仅为0.3mm。
所述的电容笔头的外部包裹一层导电橡胶，导电橡胶内部、连接筒、套环和弹簧均由导电金属材料制成；连接杆、圆筒形笔壳、密封圈、方形笔壳、圆形挡板和盖子均由非金属材料制成；外壳和活塞均由导磁金属材料制成；左活塞杆、左封盖、右封盖和右活塞杆均由非导磁金属材料制成；磁流变液为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。
所述的测控电路包括电源适配电路、控制电路、姿态检测电路、压控恒流源电路、压电陶瓷振动器驱动电路、振动电机驱动电路和蓝牙无线通信模块。
工作原理：本发明的小型笔式力/触觉再现装置在使用时，操作者的手指握住套环使装置的电容笔头在触摸屏上滑动，移动终端可通过蓝牙读取姿态检测电路检测的装置空间姿态信息，并根据电容笔头在触摸屏上滑动的坐标信息，确定装置在虚拟环境中的位置和姿态，从而判断电容笔头与虚拟物体的接触状态；然后根据要表达的虚拟物体的特征信息，通过力/触觉建模算法计算出交互过程中产生的力/触觉信息，并将相应的控制指令通过蓝牙发送至笔式力/触觉再现装置。装置接收到控制指令后，会根据操作者选择的力/触觉再现模式，以及控制指令里的信息，驱动内部的执行机构做出响应，即通过振动电机或压电陶瓷振动器来产生可控的振动触觉反馈，或控制输入到励磁线圈中的电流值，使磁流变液阻尼器产生阻尼力，当操作者的手指向下按压套环时，即可感受到被动力反馈。这样，操作者使用装置在移动终端上滑动的过程中，就能通过力反馈或振动触觉反馈感受到移动终端中虚拟物体的形状、轮廓、柔软性和纹理等特征信息，实现笔式力/触觉再现装置与移动终端的力/触觉交互操作。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明设计的小型笔式力/触觉再现装置，是一种适用于移动终端交互应用的实时、高效的人机接口装置，其采用可充电电池供能，可通过蓝牙与移动终端通信，具有体积小、功耗低、重量轻和便携的特点，能够满足便携性和实用化的需求，非常适用于基于移动终端的力/触觉再现与交互。
2、本发明设计的小型笔式力/触觉再现装置，能够为人与移动终端的交互提供一种被动力反馈和两种振动触觉反馈，有效增强了操作者与虚拟环境交互的真实感和沉浸感，提高了人机交互的效果和工作效率。
3、本发明设计的小型笔式力/触觉再现装置可利用磁流变液阻尼器输出的阻尼力来再现虚拟物体的柔软性、硬度和重量等力觉特征信息。装置用于再现虚拟物体的力觉特征信息时，操作者的手指握住套环向下按压，带动阻尼器内的活塞相对外壳运动，操作者即可感受到磁流变液阻尼器输出的阻尼力；其中阻尼器可根据虚拟物体的力觉特征信息，通过控制输入励磁线圈中电流的大小，改变施加在磁流变液上的磁场强度，从而动态的改变输出阻尼力的大小，实现力反馈的连续可调。另外，这种被动力反馈的再现方法符合人通过主动按压感受物体特征信息的过程。
4、本发明设计的小型笔式力/触觉再现装置利用振动电机和压电陶瓷振动器为操作者提供粗糙和精细两种振感的振动触觉反馈，可表达虚拟物体在不同分辨率下的形状、轮廓和纹理等三维表面特征信息。
5、本发明设计的小型笔式力/触觉再现装置可表达虚拟物体的多种特征信息，并广泛应用于多种类型的移动终端，再现效果具有高度的真实感，因此具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明的小型笔式力-触觉再现装置的总体结构示意图；
图2为本发明的磁流变液阻尼器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步叙述本发明。
如图1和图2所示，发明的一种面向多媒体移动终端交互应用的小型笔式力/触觉再现装置包括电容笔头1、连接筒2、套环3、连接杆4、弹簧5、圆筒形笔壳6、磁流变液阻尼器7、方形笔壳8、圆形挡板9、振动电机10、测控电路11、压电陶瓷振动器12、电池13、拨动开关14和盖子15。
所述的电容笔头1通过螺纹与连接筒2连接，电容笔头1用于实现装置与移动终端的交互和在触摸屏上定位；套环3在连接筒2的上部，两者采用间隙配合；连接杆4连接着套环3和左活塞杆701，能够在圆筒形笔壳6前部预留的导轨内左右运动；弹簧5放置于连接杆4与左封盖703之间，用于消除磁流变液阻尼器内部密封圈与活塞杆之间存在的摩擦力，减小阻尼器零电流初始摩擦力对力反馈准确性的影响；磁流变液阻尼器7放置于圆筒形笔壳6内部；圆筒形笔壳6连接着连接筒2和方形笔壳8，均采用过盈配合；圆筒形笔壳6后部的外筒径、套环3的外径，以及连接杆4的长度相等；方形笔壳8的前部有一个圆形挡板9，其与圆筒形笔壳6配合可固定磁流变液阻尼器7的位置；方形笔壳8的中部，在两个挡板之间留有右活塞杆710运动的空间；方形笔壳8后部的空腔内放置有振动电机10、测控电路11、压电陶瓷振动器12、电池13和拨动开关14；测控电路11分别通过导线与磁流变液阻尼器7、振动电机10、压电陶瓷振动器12、电池13和拨动开关14连接；电池13放置于两个支撑台上，其与支撑台之间放置有压电陶瓷振动器12，电池13为可充电锂电池，用于为整个装置提供电能；拨动开关14可嵌入到方形笔壳8尾部的方格内；盖子15采用抽屉式设计，与方形笔壳8形成间隙配合，方便方形笔壳8内组件的安装和拆卸。
所述的磁流变液阻尼器7为剪切阀式双出杆直动型，包括左活塞杆701、连接孔702、左封盖703、密封圈704、外壳705、活塞706、励磁线圈707、磁流变液708、右封盖709、右活塞杆710、引出线711；左活塞杆701与右活塞杆710均与活塞706通过螺纹连接；连接孔702与连接杆4采用紧配合；左封盖703与右封盖709均与外壳705通过螺纹连接；密封圈704可分别放置于左封盖703与右封盖709之内，其外径大于外壳705的内径，当左、右封盖与外壳705通过螺纹连接后，能够将密封圈704的位置固定，另外，为了减少漏液，密封圈704选用柔性材料，其与活塞杆采用过盈配合，这样就增加了阻尼器零电流时的初始摩擦力；外壳705与左、右封盖的外径相同；活塞706的右侧内部和右活塞杆710内部均开有引出线711经过的小孔；励磁线圈707由漆包铜导线在活塞706的中部绕制而成，绕制完成后，两根引出线711通过活塞706与右活塞杆710内部的小孔引出；磁流变液708填充于阻尼器内部的空腔中，有效的工作部分为活塞706两翼与外壳705内壁之间的阻尼通道，阻尼通道的厚度仅为0.3mm。
所述的电容笔头1的外部包裹一层导电橡胶，用于传导电流，并防止装置在滑动过程中对触摸屏造成损伤，导电橡胶内部、连接筒2、套环3和弹簧5均由导电金属材料制成，可将手部的电流传导至触摸屏，实现装置对触摸屏的操作；连接杆4、圆筒形笔壳6、密封圈704、方形笔壳8、圆形挡板9和盖子15均由非金属材料制成，这样既可减轻装置的重量，又可防止金属材料对无线通信信号的屏蔽作用；外壳705和活塞706均由导磁金属材料制成；左活塞杆701、左封盖703、右封盖709和右活塞杆710均由非导磁金属材料制成；磁流变液708为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。
所述的测控电路11包括电源适配电路、控制电路、姿态检测电路、压控恒流源电路、压电陶瓷振动器驱动电路、振动电机驱动电路和蓝牙无线通信模块；其中电源适配电路用于将电池13的输出电压转换为两种水平的稳定电压值，为其他电路供能；控制电路是整个电路的控制核心，主要包括STM32系列的微处理器及晶振等外围电路；姿态检测电路主要基于MPU6050芯片，与微处理器通过I2C总线进行通信，用于检测装置的空间姿态信息；压控恒流源电路用于控制输入到励磁线圈707中的电流值，其能较好地实现输入电压近似线性地控制输出电流；压电陶瓷振动器驱动电路主要基于DRV2667芯片，与微处理器通过I2C总线进行通信，可通过设定幅值、频率、包络和持续时间来控制压电陶瓷振动器的振感，实现精细的振动触觉反馈；振动电机驱动电路用于驱动振动电机，振动电机的振动强度直接由微处理器发送PWM信号进行控制；蓝牙无线通信模块选用常见的HC-05型蓝牙模块，其与微处理器通过USART连接，用于实现装置与移动终端之间的数据交换。
本发明设计的一种面向多媒体移动终端交互应用的小型笔式力/触觉再现装置是一种独立设备，可通过蓝牙与移动终端通信，具有体积小、功耗低、重量轻和便携的特点，能够由振动电机和压电陶瓷振动器提供两种类型的振动触觉反馈，由磁流变液阻尼器提供被动力反馈；该装置主要解决人与移动终端交互缺乏力/触觉交互感受的问题，增强了操作者与虚拟环境交互的真实感和沉浸感，提高了人机交互的效果和工作效率。

Claims (4)

1.一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，其特征在于：该装置包括电容笔头(1)、连接筒(2)、套环(3)、连接杆(4)、弹簧(5)、圆筒形笔壳(6)、磁流变液阻尼器(7)、方形笔壳(8)、圆形挡板(9)、振动电机(10)、测控电路(11)、压电陶瓷振动器(12)、电池(13)、拨动开关(14)和盖子(15)；
所述的电容笔头(1)通过螺纹与连接筒(2)连接；套环(3)在连接筒(2)的外部，两者采用间隙配合；连接杆(4)连接着套环(3)和左活塞杆(701)，能够在圆筒形笔壳(6)前部预留的导轨内左右运动；弹簧(5)放置于连接杆(4)与左封盖(703)之间；磁流变液阻尼器(7)放置于圆筒形笔壳(6)内部；圆筒形笔壳(6)的两端分别连接着连接筒(2)和方形笔壳(8)，均采用过盈配合；圆筒形笔壳(6)后部的外筒径与套环(3)的外径相等；方形笔壳(8)的前部有一个圆形挡板(9)，其与圆筒形笔壳(6)配合以便固定磁流变液阻尼器(7)的位置；在方形笔壳(8)的中部，两个挡板之间留有右活塞杆(710)运动的空间；方形笔壳(8)后部的空腔内放置有振动电机(10)、测控电路(11)、压电陶瓷振动器(12)、电池(13)和拨动开关(14)；测控电路(11)分别通过导线与磁流变液阻尼器(7)、振动电机(10)、压电陶瓷振动器(12)、电池(13)和拨动开关(14)连接；电池(13)放置于两个支撑台上，其与支撑台之间放置有压电陶瓷振动器(12)，盖子(15)采用抽屉式设计，与方形笔壳(8)形成间隙配合，方便方形笔壳(8)内组件的安装和拆卸。
2.根据权利要求1所述的一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，其特征在于：所述的磁流变液阻尼器(7)为剪切阀式双出杆直动型，包括左活塞杆(701)、连接孔(702)、左封盖(703)、密封圈(704)、外壳(705)、活塞(706)、励磁线圈(707)、磁流变液(708)、右封盖(709)、右活塞杆(710)、引出线(711)；左活塞杆(701)与右活塞杆(710)均与活塞(706)通过螺纹连接；连接孔(702)与连接杆(4)采用紧配合；左封盖(703)与右封盖(709)均与外壳(705)通过螺纹连接；密封圈(704)可分别放置于左封盖(703)与右封盖(709)之内，其外径大于外壳(705)的内径，当左、右封盖与外壳(705)通过螺纹连接后，能够将密封圈(704)的位置固定，另外，为了减少漏液，密封圈(704)选用柔性材料，其与活塞杆采用过盈配合；外壳(705)与左、右封盖的外径相同；活塞(706)的右侧内部和右活塞杆(710)内部均开有引出线(711)经过的小孔；励磁线圈(707)由漆包铜导线在活塞(706)的中部绕制而成，绕制完成后，两根引出线(711)通过活塞(706)与右活塞杆(710)内部的小孔引出；磁流变液(708)填充于阻尼器内部的空腔中，有效的工作部分为活塞(706)两翼与外壳(705)内壁之间的阻尼通道，阻尼通道的厚度仅为0.3mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，其特征在于：所述的电容笔头(1)的外部包裹一层导电橡胶，导电橡胶内部、连接筒(2)、套环(3)和弹簧(5)均由导电金属材料制成；连接杆(4)、圆筒形笔壳(6)、密封圈(704)、方形笔壳(8)、圆形挡板(9)和盖子(15)均由非金属材料制成；外壳(705)和活塞(706)均由导磁金属材料制成；左活塞杆(701)、左封盖(703)、右封盖(709)和右活塞杆(710)均由非导磁金属材料制成；磁流变液(708)为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。
4.根据权利要求1所述的一种面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置，其特征在于：所述的测控电路(11)包括电源适配电路、控制电路、姿态检测电路、压控恒流源电路、压电陶瓷振动器驱动电路、振动电机驱动电路和蓝牙无线通信模块。
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