CN107122056A - 一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法 - Google Patents
一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107122056A CN107122056A CN201710402135.4A CN201710402135A CN107122056A CN 107122056 A CN107122056 A CN 107122056A CN 201710402135 A CN201710402135 A CN 201710402135A CN 107122056 A CN107122056 A CN 107122056A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- msub
- mtr
- mtd
- mrow
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
- G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
- G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
- G06F2203/01—Indexing scheme relating to G06F3/01
- G06F2203/014—Force feedback applied to GUI
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
- G06F2203/041—Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
- G06F2203/04104—Multi-touch detection in digitiser, i.e. details about the simultaneous detection of a plurality of touching locations, e.g. multiple fingers or pen and finger
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Position Input By Displaying (AREA)
- User Interface Of Digital Computer (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法，属于虚拟现实触觉再现领域。包括触感表面、控制模块、信号驱动模块和法向力检测模块。触感表面包括隔热层、压电层、支撑结构；压电层设置于支撑结构的上部，隔热层设置于压电层的上部。当手指触摸于触感表面，压电层用来产生能够减小滑动摩擦力的挤压气膜，挤压气膜将会改变手指与触感表面的相对摩擦系数，进而提供触觉反馈，本发明利用压电层的压电效应分时复用，可同时实现触点定位和触觉再现的功能，压电层以阵列的形式分布还可以实现多点触觉反馈。本发明的优点是：同时实现定位和触觉反馈的功能，省去外加定位装置的步骤，可实现多点挤压气膜效应触觉反馈，可扩展性强，触觉感受丰富，稳定度高。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实触觉再现领域，具体涉及了一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置及触觉再现方法。
背景技术
触觉再现是一门综合了电子、物理、计算机、心理等众多学科最新研究成果的新技术，在视觉技术听觉技术广泛发展的今天，触觉再现技术仅仅处于朝阳阶段，其应用领域例如虚拟现实，增强现实，人机交互等同样处于未来改变世界的一项新的技术手段，触觉再现在这些领域中打开了人与虚拟世界沟通的新通道，能够给人更加真实的沉浸感，将人类与虚拟世界的交流推向听觉、视觉与触觉三维融合的崭新阶段。因此可以断定的是，触觉再现方法和技术手段是信息技术发展的国际潮流和必然趋势。
近年来，国内外对触觉再现技术研究广泛，根据触觉再现原理的不同，触觉再现装置可分为机械式触觉再现、振动式触觉再现、阵列式触觉再现、摩擦力控制式触觉再现四种类型。
摩擦力控制式触觉再现装置通过交互界面上的侧向作用力的变化来表达触觉信息，具体生成方式包括空气压膜效应法和静电力法两种。相对于阵列式装置，该类装置力的输出连续性好，能够呈现精细的触觉效果。基于空气压膜效应的摩擦力再现装置在显示设备上增加一层薄膜并施加高频振动产生空气薄膜，通过调节振动的频率和强度调节摩擦系数，进而改变手指的受力，使操作者感知触觉纹理。2007年，美国西北大学Winfield等研制出基于压电振动产生空气压膜效应的TPaD装置，通过改变屏幕表面摩擦系数来使操作者感知触觉纹理。2013年，美国西北大学的Colgate等将前述成果集成到便携终端TPaD Fire上，可在玻璃表面上呈现出可定制的纹理，反馈力可达100mN。但是该类装置只是通过振动产生摩擦力，动态范围较小，同时需带动整个面板振动，无法提供多点反馈。M.比耶等在题为“振动触觉界面”的专利CN101632054A中，将压电阵列固定于一块矩形板上，利用压电阵列的高频振动产生挤压气膜效应来产生触觉反馈，但是专利中没有说明如何确定触点位置，也没有详细描述如何产生多点触觉反馈。Yu-Chou Yeh等在“阵列式触觉反馈触摸面板”的专利US20100328053A1中，将阵列式振动单元设置在触摸单元的下方，触摸单元用于记录触摸体的运动轨迹，振动单元用于产生振动提供触觉。这样一来，触点的定位需要额外的单元模块不能有效的缩减装置的体积，也不利于集成于现有终端上。
从实现的方法上来看，可以看出基于挤压气膜效应的触觉再现是通过控制侧向力来表达触觉信息。在集成到便携终端的样机中却有很多问题，问题1：带动共振器形成共振时，整个面板振动无法提供多点触觉反馈；问题2：带动共振器形成共振时，由于使用者施加的法向力一定程度上会衰减机械振动的幅度，弱化挤压气膜产生的触觉反馈，带来产生相对摩擦系数不准的问题；问题3：集成到终端样机时，需要额外添加定位装置，这样会严重影响触觉体验。
发明内容
本发明提供一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法，以解决如下问题；带动共振器形成共振时，整个面板振动无法提供多点触觉反馈的问题；带动共振器形成共振时，由于使用者施加的法向力一定程度上会衰减机械振动的幅度，弱化挤压气膜产生的触觉反馈，带来产生相对摩擦系数不准的问题；集成到终端样机时，需要额外添加定位装置，会严重影响触觉体验的问题。
本发明采取的技术方案是，基于挤压气膜效应的触觉再现装置由以下几部分构成：
触感表面，被配置为检测触点位置并呈现触觉；
控制模块，被配置为接收触点位置信息并根据法向力大小计算电信号信息；
信号驱动模块，被配置为提供触感表面所需要的驱动信号；
法向力检测模块，被配置为检测用户施加的法向力。
所述触感表面包括：压电层、隔热层、支撑结构，所述压电层设置于支撑结构的上部，所述隔热层设置于压电层的上部，所述的隔热层、压电层和支撑结构是之间是刚性连接的。
所述压电层、隔热层、支撑结构都是以阵列形式呈现的，阵列的行数和列数分别为m和n。
所述压电层包括一个压电阵列，所述压电阵列的每一部分为长方体，压电阵列的每一部分被称为压电振子，所述压电阵列中的每个压电振子由两条信号线控制，分别连接至行信号总线和列信号总线。行信号总线和列信号总线连接至信号驱动模块，且连接至法向力检测模块。利用压电层的正压电效应，通过法向力检测模块将压电层产生的电信号大小转化成法向力的大小，根据法向力大小判断触点位置并判断是否需要启动挤压气膜效应补偿机制；利用压电层的逆压电效应通过信号驱动模块产生驱动信号，驱动压电层高频振动，形成挤压气膜效应形成触觉反馈。
所述压电层和支撑结构所呈现的机械振动变形至少是以40kHz为共振频率的机械振动，所呈现的机械振动幅度至少为1μm。
所述的法向力检测模块包括：前置放大器和模数转换器。前置放大器的作用是将压电层产生的微弱的电压信号进行适当放大，经过模数转换器将电压信号转换成数字信号，数字信号的大小对应于法向力的大小，将产生的数字信号发送给控制模块。
所述控制模块包括控制器，控制器中存储了法向力与补偿驱动信号对应表和法向力与电信号对应表，控制器被配置为接收法向力检测模块发送的数字信号并根据该数字信号计算法向力的大小，同时根据该法向力的大小判断是否大于法向力阈值，并计算触感表面需要驱动信号的大小，如果小于法向力阈值，则产生正常驱动信号；如果大于法向力阈值，则根据法向力与补偿驱动信号对应表，产生补偿驱动信号。
所述信号驱动模块包括：DDS信号发生器，数模转换器，电压放大器和功率放大器，控制模块的控制器给DDS信号发生器发送控制字产生基础波形，基础波形的频率和产生的波形种类都是可控制的，将基础波形连接至数模转换器的参考电压引脚，利用数模转换器参考电压加波形的形式控制输出波形的幅度，数模转换器的参考电压取前一级的输出波形，通过改变控制字来改变输出波形的幅度，数模转换器的控制字由控制器发送，当输入的控制字一定时参考电压引脚的电压值改变，输出端的电压值也相应的改变，从而完成幅度控制的功能，电压放大器和功率放大器连接成比例放大电路的形式，按照两级放大的形式级联，经过放大后形成压电层需要的高幅值高幅频大电流的驱动信号。
一种基于挤压气膜效应的触觉再现方法，包括以下步骤：
(1)建立法向力与电信号对应表和法向力与补偿驱动信号对应表，存储在控制模块中；
(2)采集数据并判断触点位置，具体过程如下：
将压电振子进行编号，将第一行第一列的压电振子称为A11，第一行第二列的压电振子称为A12，以此类推产生由压电振子编号构成的矩阵形式，控制模块通过检测行列压电阵列产生的电信号，确定触点位置，由于每一个压电振子都有2根信号线控制，分别与行信号总线和列信号总线相连，当控制模块检测到第m行和第n列产生了电信号，则可确定编号为Amn的压电振子为触点；
(3)因使用者施加的法向力与压电阵列产生的电信号呈正相关，根据法向力与压电阵列产生的电信号的对应表，控制模块检测使用者施加的法向力的大小；
(4)判断使用者施加的法向力是否超过法向力阈值；
(5)若已超过法向力阈值，则启用挤压气膜效应补偿机制，根据法向力与补偿驱动信号对应表产生补偿驱动信号；若未超过法向力阈值，则产生正常驱动信号；
(6)驱动信号驱动触感表面的触点位置处产生挤压气膜效应的触觉反馈。
本发明所述步骤(1)中法向力与补偿驱动信号对应表的建立方法，包括以下步骤：
(1)测量手指在触感表面触摸时的法向力和对应的触感表面机械振动幅度衰减的百分量；
(2)测量没超过法向力阈值时的驱动电压与振动幅度的关系，记为hvib＝a*V，hvib为振动幅度，V为施加的驱动电压，a为系数；测量超过法向力阈值时的驱动电压与振动幅度的关系，记为hvib1＝a1*V1，hvib1为振动幅度，V1为施加的驱动电压，a1为系数；
(3)建立法向力与补偿驱动信号对应表，如下表示：
其中，N1,N2…Nk表示为用户施加的法向力从小到大表示，
-P1％,-P2％…-Pk％，表示为对应的振动幅度变化百分量，
表示为对应的补偿驱动信号；当施加法向力没超过法向力阈值时，驱动电压与振动幅度可近似看成线性关系，即hvib＝a*V；hvib为振动幅度，V为施加的驱动电压，a为系数，当超过法向力阈值时，振动幅度与驱动电压间的关系为：hvib1＝a1*V1，hvib1为振动幅度，V1为施加的驱动电压，a1为系数，因施加的法向力导致振动幅度缩减，a1小于a；如果施加的法向力为Nk，导致振动幅度缩减了Pk％，则振动幅度的变化量为(1-Pk％)*hvib；为使振动幅度达到不超过法向力阈值时的幅度hvib，则驱动电压的变化量应为补偿驱动信号为
本发明针对多点挤压气膜效应的触觉再现问题设计了以阵列形式分布的压电层，在检测出多个触点时，不同触点处的压电材料分别由不同的电信号控制启动，可在不同触点位置处形成多点的挤压气膜效应触觉反馈。
本发明针对终端样机需额外加定位装置的问题，提出通过分时复用压电层的方法，当手指触摸在压电层时，压电层会产生相应的电信号，通过法向力检测模块检测产生的电信号发送给控制模块确定触点位置。在压电层确定触点位置后，控制模块控制信号驱动模块向压电层施加高压信号控制产生挤压气膜效应的触觉反馈，省去了外加触点定位装置，优化了整个触觉再现装置的体积且简化了制作步骤。
本发明针对使用者所施加的法向力一定程度上会衰减机械振动幅度和频率，弱化挤压气膜效应产生的触觉反馈，提出了挤压气膜效应补偿机制，当法向力大于某一数值时(法向力阈值)，启动挤压气膜效应补偿机制，控制模块存储法向力与补偿驱动信号对应表。基于法向力与补偿驱动信号对应表，控制模块控制信号驱动模块产生一种补偿驱动信号，补偿驱动信号将增大压电层机械振动的幅度，以补偿因使用者施加的法向力减小的压电层机械振动的幅度，达到稳定准确的相对摩擦系数。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的触觉再现装置利用压电效应，将压电层分时复用，使其具有触点定位和触觉反馈的功能，节省装置体积，便携性好，简化装置的制作步骤；
(2)本发明所述的触觉再现装置将使用者施加的法向力与压电层产生的电信号一一对应，量化了施加法向力的大小，并根据法向力的大小自适应产生一种补偿驱动信号，用来增强压电层机械振动的幅度，使产生相对摩擦系数更准确，模拟背景纹理的效果更好，可呈现丰富的纹理图像触觉；
(3)本发明所述的触觉再现装置将压电层制作成阵列形式，并分别施加驱动信号控制，可以产生多点挤压气膜效应的触觉再现，同时避开了压电材料带动整个面板振动时产生振型节线的问题，装置的功耗低，具有非常好的可扩展性。
附图说明
图1是本发明的触觉再现装置的结构图；
图2是为本发明的触感表面的侧视图；
图3是为本发明的多点触觉再现装置的工作原理图；
图4是为本发明的硬件结构框图。
具体实施方式
本发明的装置由以下几部分构成：
触感表面1，被配置为检测触点位置并呈现触觉；
控制模块2，被配置为接收触点位置信息并根据法向力大小计算电信号信息；
信号驱动模块3，被配置为提供触感表面所需要的驱动信号；
法向力检测模块4，被配置为检测用户施加的法向力；
所述触感表面包括：隔热层101、压电层102、支撑结构103，所述压电层设置于支撑结构的上部，所述隔热层设置于压电层的上部；所述的隔热层、压电层和支撑结构是之间是刚性连接的。
隔热层、压电层和支撑结构由阵列形式呈现，每一部分为长方体，阵列的行数和列数分别为m和n，两两之间间距小；
所述压电层包括一个压电阵列，压电阵列的每一部分被称为压电振子，由两条信号线控制，分别连接至行信号总线和列信号总线，行信号总线和列信号总线连接至信号驱动模块，且行信号总线和列信号总线连接至法向力检测模块，每个压电振子可单独控制，利用压电层的正压电效应，通过法向力检测模块将压电层产生的电信号大小转化成法向力的大小，根据法向力大小计算驱动信号信息；利用压电层的逆压电效应通过信号驱动模块产生驱动信号，驱动压电层高频振动，形成挤压气膜效应形成触觉反馈，在选择压电材料时，应注重以下几个方面：
(1)转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；
(2)机械性能：具有较高的机械强度和具有较大的机械品质因数；
(3)温度稳定性：具有较高的居里点；
(4)尺寸、谐振频率适中，灵敏度好；
所述压电阵列的分辨率是基于裸指最小触觉分辨率设计的，采用透光性良好的压电材料组成，每一块压电材料由两种电信号控制，压电阵列、隔热层与支撑结构之间，压电材料之间必须是刚性连接的，以确保机械损耗不会太大。
所述压电层设置于支撑结构上部，支撑结构包括一些透明且硬度大的材料，厚度范围为1mm至2mm，如玻璃基板，塑料材质等；所述的压电阵列层可分为X方向压电阵列和Y方向压电阵列，分别连接信号驱动模块和法向力检测模块，然后连接至控制模块；当手指触摸在透明压电阵列层上时，在透明压电层会产生一个低压电信号，低压电信号经过前置放大和模数转换传递给控制模块，根据接收的数字信号的有无，来确定触点的具体位置；然后，控制模块控制信号驱动模块发出高压激励信号给手指触摸区域施加触觉反馈，这样，压电层采用分时复用的方法同时具有手指定位功能和呈现触觉反馈的功能。若判断为单点触摸模式，则控制模块控制产生单点位置处的摩擦系数μi，其中i＝1；若判断为多点触摸模式，则控制模块配合多路选通器控制产生不同激励信号控制相应的行列压电阵列产生不同位置处的摩擦系数μi，其中i＝1，2，3…n，实现多点触觉再现；
所述压电层、隔热层与支撑结构共振频率应大于40kHz，考虑到机械损耗和支撑结构质量大小应适当提高共振频率，在满足共振频率的同时还应考虑共振幅度的大小。一般地，共振幅度大于1μm可以明显感觉到挤压气膜效应，信号驱动模块应产生直流交变信号，例如正弦波，其峰峰值与频率应是可调的，在选择功率放大器时还应注意散热问题。压电层的每个部分的宽度等于在压电层表面产生的驻波的半波长，触感表面的宽度应等于驻波半波长的整数倍。
所述的法向力检测模块包括：前置放大器和模数转换器，前置放大器的作用是将压电层产生的微弱的电压信号进行适当放大，经过模数转换器将电压信号转换成数字信号，数字信号的大小对应于法向力的大小，将产生的数字信号发送给控制模块。
所述控制模块包括控制器，控制器中存储了法向力与补偿驱动信号对应表和法向力与电信号对应表；控制器被配置为接收法向力检测模块发送的数字信号并根据该数字信号计算法向力的大小，同时根据该法向力的大小计算触感表面需要给信号驱动模块驱动信号的大小，还发送控制字产生基础波形；所述控制模块一方面采集触点位置信息，另一方面控制信号驱动模块产生驱动信号；控制模块对检测用户施加的法向力的大小进行评估，当法向力大于法向力阈值，启动挤压气膜效应补偿机制。根据法向力与补偿驱动信号对应表，控制模块控制信号驱动模块产生一种补偿驱动信号，所述补偿驱动信号大于无法向力或低于法向力阈值时的电信号，所述补偿驱动信号将增大压电层机械振动的幅度，以补偿因使用者施加的法向力减小的压电层机械振动的幅度，达到稳定准确的相对摩擦系数；
所述信号驱动模块包括：DDS信号发生器，数模转换器，电压放大器和功率放大器，控制模块的控制器给DDS信号发生器发送控制字产生基础波形，基础波形的频率和产生的波形种类都是可控制的；将基础波形连接至数模转换器的参考电压引脚。利用数模转换器参考电压加波形的形式控制输出波形的幅度。数模转换器的参考电压取前一级的输出波形，通过改变控制字来改变输出波形的幅度。数模转换器的控制字由控制器发送，当输入的控制字一定时参考电压引脚的电压值改变，输出端的电压值也相应的改变，从而完成幅度控制的功能，电压放大器和功率放大器连接成比例放大电路的形式，按照两级放大的形式级联，经过放大后形成压电层需要的高幅值高幅频大电流的驱动信号。
本发明针对多点挤压气膜效应的触觉再现问题设计了以阵列形式分布的压电层。在检测出多个触点时，不同触点处的压电材料分别由不同的电信号控制启动工作，可在不同触点位置处形成多点的挤压气膜效应触觉反馈。
本发明针对终端样机需额外加定位装置的问题，提出通过分时复用压电层的方法，当手指触摸在压电层时，压电层会产生相应的电信号，通过法向力检测模块检测产生的电信号发送给控制模块确定触点位置。在压电层确定触点位置后，控制模块控制信号驱动模块向压电层施加高压信号控制产生挤压气膜效应的触觉反馈，省去了外加触点定位装置，优化了整个触觉再现装置的体积且简化了制作步骤。
本发明针对使用者所施加的法向力一定程度上会衰减机械振动幅度和频率，弱化挤压气膜效应产生的触觉反馈，提出了挤压气膜效应补偿机制，当法向力大于某一数值时(法向力阈值)，启动挤压气膜效应补偿机制。基于法向力与补偿驱动信号对应表，控制模块控制信号驱动模块产生一种补偿驱动信号，补偿驱动信号将增大压电层机械振动的幅度，以补偿因使用者施加的法向力减小的压电层机械振动的幅度，达到稳定准确的相对摩擦系数。
一种基于挤压气膜效应的触觉再现方法，包括以下步骤：
(1)建立法向力与电信号对应表和法向力与补偿驱动信号对应表，存储在控制模块中；
(2)采集数据并判断触点位置，具体过程如下：
将压电振子进行编号，将第一行第一列的压电振子称为A11，第一行第二列的压电振子称为A12，以此类推产生由压电振子编号构成的矩阵形式，控制模块通过检测行列压电阵列产生的电信号，确定触点位置，由于每一个压电振子都有2根信号线控制，分别与行信号总线和列信号总线相连，当控制模块检测到第m行和第n列产生了电信号，则可确定编号为Amn的压电振子为触点；
(3)因使用者施加的法向力与压电阵列产生的电信号呈正相关，根据法向力与压电阵列产生的电信号的对应表，控制模块检测使用者施加的法向力的大小；
(4)判断使用者施加的法向力是否超过法向力阈值；
(5)若已超过法向力阈值，则启用挤压气膜效应补偿机制，根据法向力与补偿驱动信号对应表产生补偿驱动信号；若未超过法向力阈值，则产生正常驱动信号；
(6)驱动信号驱动触感表面的触点位置处产生挤压气膜效应的触觉反馈。
本发明所述步骤(1)中法向力与补偿驱动信号对应表的建立方法，包括以下步骤：
(1)测量手指在触感表面触摸时的法向力和对应的触感表面机械振动幅度衰减的百分量；
(2)测量没超过法向力阈值时的驱动电压与振动幅度的关系，记为hvib＝a*V，hvib为振动幅度，V为施加的驱动电压，a为系数；测量超过法向力阈值时的驱动电压与振动幅度的关系，记为hvib1＝a1*V1，hvib1为振动幅度，V1为施加的驱动电压，a1为系数；
(3)建立法向力与补偿驱动信号对应表，如下表示：
其中，N1,N2…Nk表示为用户施加的法向力从小到大表示，
-P1％,-P2％…-Pk％，表示为对应的振动幅度变化百分量，
表示为对应的补偿驱动信号；当施加法向力没超过法向力阈值时，驱动电压与振动幅度可近似看成线性关系，即hvib＝a*V；hvib为振动幅度，V为施加的驱动电压，a为系数，当超过法向力阈值时，振动幅度与驱动电压间的关系为：hvib1＝a1*V1，hvib1为振动幅度，V1为施加的驱动电压，a1为系数，因施加的法向力导致振动幅度缩减，a1小于a；如果施加的法向力为Nk，导致振动幅度缩减了Pk％，则振动幅度的变化量为(1-Pk％)*hvib；为使振动幅度达到不超过法向力阈值时的幅度hvib，则驱动电压的变化量应为补偿驱动信号为
Claims (10)
1.一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置，其特征在于，由以下几部分构成：
触感表面，被配置为检测触点位置并呈现触觉；
控制模块，被配置为接收触点位置信息并根据法向力大小计算电信号信息；
信号驱动模块，被配置为提供触感表面所需要的驱动信号；
法向力检测模块，被配置为检测用户施加的法向力。
2.根据权利要求1所述的一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置，其特征在于：所述触感表面包括：压电层、隔热层、支撑结构，所述压电层设置于支撑结构的上部，所述隔热层设置于压电层的上部，所述的隔热层、压电层和支撑结构是之间是刚性连接的。
3.根据权利要求2所述的一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置，其特征在于：所述压电层、隔热层、支撑结构都是以阵列形式呈现的，阵列的行数和列数分别为m和n。
4.根据权利要求3所述的一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置，其特征在于：所述压电层包括一个压电阵列，所述压电阵列的每一部分为长方体，压电阵列的每一部分被称为压电振子，所述压电阵列中的每个压电振子由两条信号线控制，分别连接至行信号总线和列信号总线，行信号总线和列信号总线连接至信号驱动模块，且连接至法向力检测模块，利用压电层的正压电效应，通过法向力检测模块将压电层产生的电信号大小转化成法向力的大小，根据法向力大小判断触点位置并判断是否需要启动挤压气膜效应补偿机制；利用压电层的逆压电效应通过信号驱动模块产生驱动信号，驱动压电层高频振动，形成挤压气膜效应形成触觉反馈。
5.根据权利要求2所述的一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置，其特征在于：所述压电层和支撑结构所呈现的机械振动变形至少是以40kHz为共振频率的机械振动，所呈现的机械振动幅度至少为1μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置，其特征在于：所述的法向力检测模块包括：前置放大器和模数转换器。前置放大器的作用是将压电层产生的微弱的电压信号进行适当放大，经过模数转换器将电压信号转换成数字信号，数字信号的大小对应于法向力的大小，将产生的数字信号发送给控制模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置，其特征在于：所述控制模块包括控制器，控制器中存储了法向力与补偿驱动信号对应表和法向力与电信号对应表，控制器被配置为接收法向力检测模块发送的数字信号并根据该数字信号计算法向力的大小，同时根据该法向力的大小判断是否大于法向力阈值，并计算触感表面需要驱动信号的大小，如果小于法向力阈值，则产生正常驱动信号；如果大于法向力阈值，则根据法向力与补偿驱动信号对应表，产生补偿驱动信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置，其特征在于：所述信号驱动模块包括：DDS信号发生器，数模转换器，电压放大器和功率放大器，控制模块的控制器给DDS信号发生器发送控制字产生基础波形，基础波形的频率和产生的波形种类都是可控制的，将基础波形连接至数模转换器的参考电压引脚。利用数模转换器参考电压加波形的形式控制输出波形的幅度，数模转换器的参考电压取前一级的输出波形，通过改变控制字来改变输出波形的幅度，数模转换器的控制字由控制器发送，当输入的控制字一定时参考电压引脚的电压值改变，输出端的电压值也相应的改变，从而完成幅度控制的功能，电压放大器和功率放大器连接成比例放大电路的形式，按照两级放大的形式级联，经过放大后形成压电层需要的高幅值高幅频大电流的驱动信号。
9.一种基于挤压气膜效应的触觉再现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立法向力与电信号对应表和法向力与补偿驱动信号对应表，存储在控制模块中；
(2)采集数据并判断触点位置，具体过程如下：
将压电振子进行编号，将第一行第一列的压电振子称为A11，第一行第二列的压电振子称为A12，以此类推产生由压电振子编号构成的矩阵形式，控制模块通过检测行列压电阵列产生的电信号，确定触点位置，由于每一个压电振子都有2根信号线控制，分别与行信号总线和列信号总线相连，当控制模块检测到第m行和第n列产生了电信号，则可确定编号为Amn的压电振子为触点；
(3)因使用者施加的法向力与压电阵列产生的电信号呈正相关，根据法向力与压电阵列产生的电信号的对应表，控制模块检测使用者施加的法向力的大小；
(4)判断使用者施加的法向力是否超过法向力阈值；
(5)若已超过法向力阈值，则启用挤压气膜效应补偿机制，根据法向力与补偿驱动信号对应表产生补偿驱动信号；若未超过法向力阈值，则产生正常驱动信号；
(6)驱动信号驱动触感表面的触点位置处产生挤压气膜效应的触觉反馈。
10.根据权利要求9所述的一种基于挤压气膜效应的触觉再现方法，其特征在于，所述步骤(1)中法向力与补偿驱动信号对应表的建立方法，包括以下步骤：
(1)测量手指在触感表面触摸时的法向力和对应的触感表面机械振动幅度衰减的百分量；
(2)测量没超过法向力阈值时的驱动电压与振动幅度的关系，记为hvib＝a*V，hvib为振动幅度，V为施加的驱动电压，a为系数；测量超过法向力阈值时的驱动电压与振动幅度的关系，记为hvib1＝a1*V1，hvib1为振动幅度，V1为施加的驱动电压，a1为系数；
(3)建立法向力与补偿驱动信号对应表，如下表示：
<mrow>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>&RightArrow;</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mi>%</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>%</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
<mi>%</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mi>%</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>&RightArrow;</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>*</mo>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mi>%</mi>
<mo>)</mo>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>h</mi>
<mrow>
<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
<mi>b</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>a</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>*</mo>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>%</mi>
<mo>)</mo>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>h</mi>
<mrow>
<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
<mi>b</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>a</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
<mo>*</mo>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
<mi>%</mi>
<mo>)</mo>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>h</mi>
<mrow>
<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
<mi>b</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>a</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mo>*</mo>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mi>%</mi>
<mo>)</mo>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>h</mi>
<mrow>
<mi>v</mi>
<mi>i</mi>
<mi>b</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>a</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中，N1,N2…Nk表示为用户施加的法向力从小到大表示，
-P1％,-P2％…-Pk％，表示为对应的振动幅度变化百分量，
表示为对应的补偿驱动信号；当施加法向力没超过法向力阈值时，驱动电压与振动幅度可近似看成线性关系，即hvib＝a*V；hvib为振动幅度，V为施加的驱动电压，a为系数，当超过法向力阈值时，振动幅度与驱动电压间的关系为：hvib1＝a1*V1，hvib1为振动幅度，V1为施加的驱动电压，a1为系数，因施加的法向力导致振动幅度缩减，a1小于a；如果施加的法向力为Nk，导致振动幅度缩减了Pk％，则振动幅度的变化量为(1-Pk％)*hvib；为使振动幅度达到不超过法向力阈值时的幅度hvib，则驱动电压的变化量应为补偿驱动信号为
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710402135.4A CN107122056B (zh) | 2017-05-31 | 2017-05-31 | 一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710402135.4A CN107122056B (zh) | 2017-05-31 | 2017-05-31 | 一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107122056A true CN107122056A (zh) | 2017-09-01 |
| CN107122056B CN107122056B (zh) | 2019-12-31 |
Family
ID=59729045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710402135.4A Active CN107122056B (zh) | 2017-05-31 | 2017-05-31 | 一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107122056B (zh) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018133021A (ja) * | 2017-02-17 | 2018-08-23 | 富士通コンポーネント株式会社 | 触感提示装置及びタッチパネル |
| CN108509079A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-09-07 | 北京小米移动软件有限公司 | 触控组件及包括该触控组件的电子设备 |
| CN109101111A (zh) * | 2018-08-24 | 2018-12-28 | 吉林大学 | 融合静电力、空气压膜和机械振动的触觉再现方法与装置 |
| CN109240485A (zh) * | 2018-05-28 | 2019-01-18 | 厦门大学 | 一种纹理触觉再现装置、显示装置与弧度再现装置 |
| CN109602423A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-04-12 | 清华大学深圳研究生院 | 一种用于预防糖尿病足的可穿戴设备 |
| CN109708810A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-05-03 | 钛深科技(深圳)有限公司 | 一种用于薄膜触觉传感芯片测试的装置及系统 |
| CN111338471A (zh) * | 2020-02-11 | 2020-06-26 | 吉林大学 | 应用于融合静电力和空气压膜触觉再现装置的图像渲染方法 |
| CN112083807A (zh) * | 2020-09-20 | 2020-12-15 | 吉林大学 | 一种基于音触转换的足部地形触觉再现方法及装置 |
| WO2022178792A1 (zh) * | 2021-02-26 | 2022-09-01 | 京东方科技集团股份有限公司 | 触觉再现系统及驱动方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101632054A (zh) * | 2007-02-12 | 2010-01-20 | 里尔科学技术大学 | 振动触觉界面 |
| CN101819462A (zh) * | 2010-03-12 | 2010-09-01 | 东南大学 | 基于力/触觉交互设备的图像纹理的力触觉再现系统 |
| TW201101137A (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-01 | J Touch Corp | Touch panel with matrix type tactile feedback |
| US20130321299A1 (en) * | 2012-05-31 | 2013-12-05 | Korea Institute Of Science And Technology | Electronic device having tactile display using squeeze film effect |
| CN103793062A (zh) * | 2014-03-05 | 2014-05-14 | 吉林大学 | 应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置及方法 |
| CN104238821A (zh) * | 2014-09-21 | 2014-12-24 | 长春吉大博硕科技有限责任公司 | 一种应用于盲文阅读的触觉再现装置和方法 |
| CN204102072U (zh) * | 2014-10-20 | 2015-01-14 | 长春吉大博硕科技有限责任公司 | 一种同屏实现触觉再现和电容定位的时分控制器 |
| CN104750411A (zh) * | 2013-12-31 | 2015-07-01 | 意美森公司 | 提供触觉通知的系统和方法 |
-
2017
- 2017-05-31 CN CN201710402135.4A patent/CN107122056B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101632054A (zh) * | 2007-02-12 | 2010-01-20 | 里尔科学技术大学 | 振动触觉界面 |
| TW201101137A (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-01 | J Touch Corp | Touch panel with matrix type tactile feedback |
| CN101819462A (zh) * | 2010-03-12 | 2010-09-01 | 东南大学 | 基于力/触觉交互设备的图像纹理的力触觉再现系统 |
| US20130321299A1 (en) * | 2012-05-31 | 2013-12-05 | Korea Institute Of Science And Technology | Electronic device having tactile display using squeeze film effect |
| CN104750411A (zh) * | 2013-12-31 | 2015-07-01 | 意美森公司 | 提供触觉通知的系统和方法 |
| CN103793062A (zh) * | 2014-03-05 | 2014-05-14 | 吉林大学 | 应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置及方法 |
| CN104238821A (zh) * | 2014-09-21 | 2014-12-24 | 长春吉大博硕科技有限责任公司 | 一种应用于盲文阅读的触觉再现装置和方法 |
| CN204102072U (zh) * | 2014-10-20 | 2015-01-14 | 长春吉大博硕科技有限责任公司 | 一种同屏实现触觉再现和电容定位的时分控制器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 马露，陆熊: ""基于摩擦力控制的触觉再现系统研究"", 《计算机技术与发展》 * |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018133021A (ja) * | 2017-02-17 | 2018-08-23 | 富士通コンポーネント株式会社 | 触感提示装置及びタッチパネル |
| CN108509079B (zh) * | 2018-03-29 | 2022-04-08 | 北京小米移动软件有限公司 | 触控组件及包括该触控组件的电子设备 |
| CN108509079A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-09-07 | 北京小米移动软件有限公司 | 触控组件及包括该触控组件的电子设备 |
| CN109240485A (zh) * | 2018-05-28 | 2019-01-18 | 厦门大学 | 一种纹理触觉再现装置、显示装置与弧度再现装置 |
| CN109101111A (zh) * | 2018-08-24 | 2018-12-28 | 吉林大学 | 融合静电力、空气压膜和机械振动的触觉再现方法与装置 |
| CN109101111B (zh) * | 2018-08-24 | 2021-01-29 | 吉林大学 | 融合静电力、空气压膜和机械振动的触觉再现方法与装置 |
| CN109602423A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-04-12 | 清华大学深圳研究生院 | 一种用于预防糖尿病足的可穿戴设备 |
| CN109602423B (zh) * | 2019-02-01 | 2023-11-03 | 清华大学深圳研究生院 | 一种用于预防糖尿病足的可穿戴设备 |
| CN109708810A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-05-03 | 钛深科技(深圳)有限公司 | 一种用于薄膜触觉传感芯片测试的装置及系统 |
| CN111338471A (zh) * | 2020-02-11 | 2020-06-26 | 吉林大学 | 应用于融合静电力和空气压膜触觉再现装置的图像渲染方法 |
| CN111338471B (zh) * | 2020-02-11 | 2021-04-16 | 吉林大学 | 应用于融合静电力和空气压膜触觉再现装置的图像渲染方法 |
| CN112083807B (zh) * | 2020-09-20 | 2021-10-29 | 吉林大学 | 一种基于音触转换的足部地形触觉再现方法及装置 |
| CN112083807A (zh) * | 2020-09-20 | 2020-12-15 | 吉林大学 | 一种基于音触转换的足部地形触觉再现方法及装置 |
| WO2022178792A1 (zh) * | 2021-02-26 | 2022-09-01 | 京东方科技集团股份有限公司 | 触觉再现系统及驱动方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107122056B (zh) | 2019-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107122056A (zh) | 一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法 | |
| CN104063054B (zh) | 基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法 | |
| CN104395866B (zh) | 触觉提示装置及触觉提示方法 | |
| US6747579B1 (en) | Variable whistle pitch control for model train layouts | |
| CN102111496B (zh) | 在便携终端中产生振动的方法和装置 | |
| JP6392747B2 (ja) | ディスプレイ装置 | |
| JP2019515370A (ja) | 人間コンピュータインタフェースシステム | |
| CN107943290A (zh) | 融合静电力与振动的触觉再现方法与装置 | |
| KR20160030927A (ko) | 공진 주파수에 기초한 햅틱 피드백 생성 | |
| JP2015111416A (ja) | 摩擦効果及び振動触覚効果を生成するシステム及び方法 | |
| CN103513767A (zh) | 触觉反馈控制系统 | |
| CN105138223B (zh) | 一种基于指套式力触觉交互装置的物体柔软度再现方法 | |
| CN102498460A (zh) | 触感提供装置和触感提供装置的控制方法 | |
| CN110413099A (zh) | 触觉反馈系统及方法 | |
| CN101206544B (zh) | 人机互动的触觉感测装置及其方法 | |
| CN105159459A (zh) | 一种可用于移动终端的虚拟物体三维形状触觉再现方法 | |
| CN110032281B (zh) | 基于融合静电力与振动触觉再现装置的3d凸起渲染方法 | |
| JP2019519856A (ja) | マルチモーダルハプティック効果 | |
| CN103164134A (zh) | 一种触控屏用操控装置及其操控方法 | |
| CN109240485B (zh) | 一种纹理触觉再现装置、显示装置与弧度再现装置 | |
| CN102427354B (zh) | 具有电流模拟触感反馈的按键开关以及触敏显示器 | |
| CN103984411A (zh) | 触觉力反馈系统和触觉力反馈系统实现方法 | |
| JP6205043B1 (ja) | キーボード、情報処理装置、フィードバック方法、及びプログラム | |
| Garcia et al. | Control of an ultrasonic haptic interface for button simulation | |
| CN113778229A (zh) | 信号控制系统、显示设备、控制方法、装置及存储介质 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |