CN106502393B - 一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，可为人手指提供多模式的力觉和振动触觉反馈。利用平面四连杆机构和直流电机作为执行机构为操作者提供连续可控的力觉反馈；通过控制音圈振动器的振动幅值和频率为操作者提供不同类型的触觉反馈，增强交互过程中触觉感知的真实性；利用振动马达可以增强图像的边缘信息，实现碰撞检测的效果。最终能够表达触摸屏中虚拟物体的纹理、轮廓形状、粗糙度等三维特征信息。对于提高力触觉反馈的真实感、逼真度具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置。
背景技术
虚拟现实技术从视觉、听觉等方面,使用户产生“身临其境”的沉浸感。随着虚拟现实技术的发展，将力触觉感知引入到虚拟环境中显得越来越重要，特别是对于像虚拟装配、遥操作等需要灵巧操作的任务，因此力触觉交互设备的研究为国内外学者所重视。触觉指的是人通过皮肤对热、压力、振动、滑动以及物体表面纹理、粗糙度等特性的感知，而力觉指的是人的肌腱感受器所接收到的运动和受力信息，包括对位置、速度、压力、惯性力等特性的感知。传统的人机交互设备一般只能实现视觉的交互，而要增加虚拟现实系统的沉浸感以及交互性，力觉和触觉的感知是不可或缺的。例如遥操作系统的操作者需要具有交互作用的远处场景的感觉，即要求对物体轮廓表面及抓握力进行探测和感知；基于虚拟现实的外科手术训练中，手术刀端部对虚拟生理组织剖切力的测量，可以给受训人员提供触觉感知反馈等等。在虚拟环境中，由于缺乏触觉感知反馈手段，而使许许多多的信息源很难反馈和显示给异地的用户，从而难以实现更加全面的人机交互作用。显而易见，没有基于虚拟现实的触觉、力觉感知反馈作用，就很难满足各种工程实际应用的要求。
近几年来，随着移动终端的迅速发展，国外一些大学、研究机构和包括诺基亚、三星、苹果在内的多个公司都开始关注力触觉交互技术，并在面向移动终端的力触觉再现与交互领域开展了一系列的研究。Koo等人提出了一种阵列式柔性触觉交互指套，该指套是基于电活性聚合物(Electroactive polymers，缩写为EAPs)技术设计的。电活性聚合物是一种可以通过电场激励控制其形状及大小发生变化的新型材料。Koo等人将该该材料设计成点阵形式贴附在手指表面，并对EAPs点阵进行编码，通过电压控制可以使对应的EAPs点发生形变，由平坦变为凸起状，从而产生触觉感受。该设备非常柔软、轻便，使用中不会干扰操作者的视线，并且EAPs形变量可通过电压进行控制，能提供较为精准的触觉体验。但该设备由于使用了EAPs材料，其驱动电压需达到kV级别，给设计和使用带来一定的局限性。Poupyrev等人设计了一款基于电振动的触觉交互装置，称为TeslaTouch。该装置采用了3M公司的触控面板，能够在高电压刺激下使屏幕产生频率可控的电刺激振动信号，从而实现图像触觉信息的表达。该触控面板是透明薄膜材料，不影响使用时的视觉交互，且支持多点交互，并且能对图像纹理、摩擦等信息进行较好的触觉反馈。但该设备需要采用100V左右的高电压驱动，系统较为复杂，难以小型化。
在移动终端领域，可穿戴式力触觉交互装置以振动触觉表达为主，力觉信息的表达仍在起步阶段，不能提供较为精准的触觉体验。因此难以通过力触觉交互装置获取触摸屏中物体的三维形状信息。实际操作中发现，人手是感知实际物体的力触觉最常用的手段之一。而现有的外骨架穿戴式力触觉交互装置体积相对较大，功耗大，给设计和使用带来一定的局限性。
发明内容
发明目的：本发明提出一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，能够对人手提供丰富的力触觉反馈信息，使用的同时可以最大限度地满足人手指关节的运动范围，对于提高力触觉反馈的真实感、逼真度具有重要的意义。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，包括连杆、手指外骨架基座、电机、测控电路；所述连杆包括贴近手指中节内侧的底板，底板前后两端分别连接向上折起的前折板、后折板，前折板连接中间板；前折板、后折板上分别设有供手指穿过的通孔；底板上安装有音圈振动器、压力传感器；
所述手指外骨架基座下端为供手指近节佩戴的通孔，上端为两个对称设计的竖板；手指外骨架基座的竖板通过轴连接电机座，电机座与电机通过螺纹配合保持相对固定；电机通过电机座绕轴相对竖板转动；
中间板与竖板通过轴连接，连杆绕轴能够相对手指外骨架基座转动；中间板上方与连接件螺纹配合保持相对固定，连接件通过轴连接固定件，固定件通过左右对称的两个螺钉与滑块保持相对固定，滑块套设在电机丝杆上，滑块与电机丝杆螺纹配合，因此滑块被限位在固定件中，这使得滑块在电机丝杆的带动下只能前后移动，不会产生转动；中间板上装有角度传感器；
电机尾端为光电编码盘，能够对电机的旋转圈数进行计数，从而控制滑块的运动距离；
所述测控电路包括蓝牙通信模块、音圈振动器驱动模块、直流电机驱动模块、MCU控制模块；所述压力传感器和角度传感器通过滤波电路与MCU控制模块连接，所述MCU控制模块通过蓝牙通信模块与触摸屏终端连接，所述MCU控制模块通过控制接口电路和驱动电路分别与音圈振动器模块、直流电机驱动模块连接。
进一步的，所述手指外骨架基座下端的通孔在使用时穿有能够根据不同人的手指尺寸调节松紧的固定带。
进一步的，测控电路中安装有线性马达及线性马达驱动模块，用以增强图像的边缘信息，实现碰撞检测的效果，MCU控制模块通过控制接口电路和驱动电路与线性马达驱动模块连接。
进一步的，所述测控电路集成在一个长方体盒中，盒子两侧各有一小孔，穿有紧固腕带，能够将测控电路部分固定于手背。
进一步的，连接件、固定件以及电机座采用铝合金材质，易加工成型，成本较低；手指外骨架基座、连杆等其他零部件由于设计结构较复杂，利用solidworks软件画出结构图然后采用3D打印技术，材质为白色光敏树脂，精度为100微米。
有益效果：1、本发明提供的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置根据人手生物学模型，将装置设计成人手指可穿戴外骨架式，可为人手指关节提供多模式的力觉和振动触觉反馈。利用平面四连杆机构和直流电机作为执行机构为操作者提供力觉反馈；利用振动马达可以增强图像的边缘信息，实现碰撞检测的效果；通过控制音圈振动器的振动幅值和频率为操作者提供不同类型的触觉反馈，增强交互过程中触觉感知的真实性，最终能够表达触摸屏中虚拟物体的纹理、轮廓形状、粗糙度等三维特征信息。对于提高力触觉反馈的真实感、逼真度具有重要的意义。
2、本发明提供的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置利用平面四杆机构，通过控制电路调整电机的旋转速度和圈数，使丝杆上的滑块产生相应的前后位移，从而带动连杆及人手指关节产生上下位移，从而在人手部产生相应的法向力。通过控制四杆机构中滑块运动的速度及位移，能够对人手指的力觉反馈进行连续地、精确地控制。因此本发明设计的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置能够产生连续的、可控的力觉反馈。
3、本发明设提供的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置穿戴使用时，人手指可通过静电薄膜与触摸屏进行接触性交互，使人手感受到切向的摩擦力，实现人手与触摸屏的触觉交互。
4、本发明提供的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置体积小、重量轻，功耗小，使用蓝牙通信，可扩展性强，方便使用及携带，解决了在现有阶段，可穿戴式力触觉交互装置体积和功耗均较大等诸多问题。
附图说明
图1为手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置的主体结构示意图；
图2为连杆的结构示意图；
图3为手指外骨架基座的结构示意图；
图4为测控电路的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2、图3所示，手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置包括连杆1、手指外骨架基座11、电机7；所述连杆1包括贴近手指中节内侧的底板1-1，底板1-1前后两端分别连接向上折起的前折板1-3、后折板1-2，前折板1-3连接中间板1-4；前折板1-3、后折板1-2上分别设有供手指穿过的通孔。连杆1根据人手指的特点设计成外骨架式，使用时手指中节穿过连杆1中的两个通孔进行固定，手指末节可直接在触摸屏上进行交互。
底板1-1上设有音圈振动器13、压力传感器14；所述手指外骨架基座11下端为供手指近节佩戴的通孔12，上端为两个对称设计的竖板15；手指外骨架基座11的竖板15通过轴16连接电机座9，电机座9与电机7通过螺纹连接，保持相对固定。电机7绕轴16相对竖板15转动。
中间板1-4与手指外骨架基座11上端竖板15通过轴10连接，连杆1绕轴10相对手指外骨架基座11转动；中间板1-4与连接件3螺纹连接保持相对固定，连接件3通过轴4连接固定件6，固定件6通过左右对称的两个螺钉与滑块5保持相对固定，因此滑块5被限位在固定件6中，这使得滑块5在丝杆2的带动下只能前后移动，不会产生转动。滑块5套设在电机丝杆2上，滑块5与电极丝杆2螺纹配合，滑块5可沿电机丝杆2前后滑动。中间板1-4上装有角度传感器17。电机7尾端为光电编码盘8，能够对电机7的旋转圈数进行计数，从而控制滑块5的运动距离。
利用平面四杆机构，通过控制电路控制电机7的转速度和圈数，使电机丝杆2上的滑块5产生相应的前后位移，从而带动连杆1及人手指产生上下位移，从而在人手部产生相应的法向力。通过控制四杆机构中滑块运动的速度及位移，能够对人手指的力觉反馈进行连续地、精确地控制。
连杆1的中间板1-4上装有Engineering Acoustics Inc.(EAI)公司生产的型号为C2的音圈振动器13，该音圈振动器13可以在振动振幅及频率两个参数上进行精准控制，为人手提供丰富的触觉反馈效果。连杆1上装有压力传感器14及角度传感器17。在使用本装置与触摸屏进行交互时，压力传感器14用于采集触摸过程中力反馈的大小。基于平面四连杆运动的确定性原理，安装在连杆件的角度传感器17的测量角度通过几何关系换算，从而得出手指的末节及中节的弯曲角度。此外，人手可通过静电薄膜与触摸屏进行接触性交互，使人手感受到切向的摩擦力，实现人手与触摸屏的触觉交互。
本装置还包括线性马达，安装在测控电路中，用以增强图像的边缘信息，实现碰撞检测的效果。通过控制音圈振动器的振动幅值和频率为操作者提供不同类型的触觉反馈，增强交互过程中触觉感知的真实性，最终能够表达触摸屏中虚拟物体的纹理、轮廓形状、粗糙度等三维特征信息。
图4为测控电路框图，包括电平适配模块、蓝牙通信模块、线性马达驱动模块、音圈振动器驱动模块、直流电机驱动模块、MCU控制模块。压力传感器14和角度传感器17通过滤波电路与MCU控制模块连接，MCU控制模块通过蓝牙通信模块与触摸屏终端连接，MCU控制模块通过控制接口电路和驱动电路分别与音圈振动器模块、直流电机驱动模块、线性马达驱动模块连接。电源模块主要用于电平适配，给不同的芯片提供稳定的电压，采用可充电电池，可循环使用。通信模块使用蓝牙模块HC-05来实现，主要用于可穿戴外骨架装置与触摸屏之间的通信。MCU控制模块中包含STM32微处理器，用于控制执行机构的工作及信息的交互。测控电路集成在一个长方体盒中，盒子两侧各有一小孔，穿有紧固腕带，可将盒子固定于手面。
本装置中连接件3、固定件6以及电机座9采用铝合金材质，易加工成型，成本较低。手指外骨架基座11、连杆1等其他零部件由于设计结构较复杂，利用solidworks软件画出结构图然后采用3D打印技术，材质为白色光敏树脂，精度为100微米。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，其特征在于，包括连杆(1)、手指外骨架基座(11)、电机(7)、测控电路；所述连杆(1)包括贴近手指中节内侧的底板(1-1)，底板(1-1)前后两端分别连接向上折起的前折板(1-3)、后折板(1-2)，前折板(1-3)连接中间板(1-4)；前折板(1-3)、后折板(1-2)上分别设有供手指穿过的通孔；底板(1-1)上安装有音圈振动器(13)、压力传感器(14)；
所述手指外骨架基座(11)下端为供手指近节佩戴的通孔(12)，上端为两个对称设计的竖板(15)；手指外骨架基座(11)的竖板(15)通过轴(16)连接电机座(9)，电机座(9)与电机(7)通过螺纹配合保持相对固定；电机(7)通过电机座(9)绕轴(16)相对竖板(15)转动；
中间板(1-4)与竖板(15)通过轴(10)连接，连杆(1)绕轴(10)能够相对手指外骨架基座(11)转动；中间板(1-4)上方与连接件(3)螺纹配合保持相对固定，连接件(3)通过轴(4)连接固定件(6)，固定件(6)通过左右对称的两个螺钉与滑块(5)保持相对固定，滑块(5)套设在电机丝杆(2)上，滑块(5)与电机丝杆(2)螺纹配合，因此滑块(5)被限位在固定件(6)中，这使得滑块(5)在电机丝杆(2)的带动下只能前后移动，不会产生转动；中间板(1-4)上装有角度传感器(17)；
电机(7)尾端为光电编码盘(8)，能够对电机(7)的旋转圈数进行计数，从而控制滑块(5)的运动距离；
所述测控电路包括蓝牙通信模块、音圈振动器驱动模块、直流电机驱动模块、MCU控制模块；所述压力传感器(14)和角度传感器(17)通过滤波电路与MCU控制模块连接，所述MCU控制模块通过蓝牙通信模块与触摸屏终端连接，所述MCU控制模块通过控制接口电路和驱动电路分别与音圈振动器模块、直流电机驱动模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，其特征在于，所述手指外骨架基座(11)下端的通孔(12)在使用时穿有能够根据不同人的手指尺寸调节松紧的固定带。
3.根据权利要求1所述的一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，其特征在于，测控电路中安装有线性马达及线性马达驱动模块，用以增强图像的边缘信息，实现碰撞检测的效果，所述MCU控制模块通过控制接口电路和驱动电路与线性马达驱动模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，其特征在于，所述测控电路集成在一个长方体盒中，盒子两侧各有一小孔，穿有紧固腕带，能够将测控电路部分固定于手背。
5.根据权利要求1所述的一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，其特征在于，连接件(3)、固定件(6)以及电机座(9)采用铝合金材质；手指外骨架基座(11)、连杆(1)利用solidworks软件画出结构图然后采用3D打印技术，材质为白色光敏树脂，精度为100微米。
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