CN109144261A - 一种基于平面交互的三维触觉再现装置与方法 - Google Patents

一种基于平面交互的三维触觉再现装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于平面交互的三维触觉再现装置与方法，属于人机交互领域。包括：定位单元、处理单元、信号发生器、交互单元，能够实时的根据图像上手指的位置信息，获取灰度值并计算相应灰度值变化率，进而用振动提供切向力，用静电力或空气压膜提供法向力，通过这种基于平面交互的三维触觉再现方法对轮廓信息进行呈现。优点在于：装置的可移植性好，能够实现同时对手指施加切向力和法向力，将反馈力从一个维度扩展到两个维度，突破了静电力只在运动过程中有反馈作用的限制，实现了切向力既可以增大又可以减小的双向宽幅调节，有更加真实的三维触觉再现效果，可以广泛应用于人机交互领域。

Description

一种基于平面交互的三维触觉再现装置与方法
技术领域
本发明属于虚拟现实与人机交互领域，尤其涉及一种三元融合触觉再现装置。
背景技术
科技的飞速发展给人们的视觉听觉感官带来了巨大改变，造成人们视觉听觉负载超荷，而触觉作为人的一大感官，却未被充分利用。近年来，人工智能与人机交互领域迎来了发展热潮，触觉再现技术作为人机交互领域的重要技术，在虚拟现实和人工智能的实现中占有重要的地位，高效自然的触觉再现技术能够给人真实的沉浸感，听觉视觉触觉的完美结合将会给人一种更好的多感官体验。
随着研究的推进，目前已经存在一些实现触觉再现的装置和方法。
中国专利“可穿戴超声触觉反馈系统”(申请号201621262246.7)公开了一种可穿戴超声触觉反馈系统，该系统通过各超声发射器发出的超声波汇聚于选定的转换器的位置,并由此刺激使用者的触觉。这种基于阵列式的超声触觉反馈系统结构和算法都较为复杂，不易于控制和集成。
中国专利“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”(申请号201510292295.9)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，系统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，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。但是该系统要求用户穿戴了指套式力触觉交互装置在移动终端上移动，不属于裸指交互，触觉反馈真实感较低，会使用户感觉到交互不自然。
中国专利“一种基于静电力触觉再现的装置”(申请号201210143828.3)及中国专利“一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法”(申请号201510202085.6)公开了一种基于静电力触觉再现的装置与方法，该装置与方法灵活性高、实用性强。但是其是一维反馈力即只能改变手指所受到的切向力，并不能改变手指所受到的法向力，并且只有手指处于运动状态时才能感受到触觉反馈，这种维度和运动的条件限制使得触觉再现的效果不是十分理想。
中国专利“基于高压电特性陶瓷材料的振动装置”(申请号201620476481.8)公开了一种基于压电陶瓷实现的振动触觉反馈，振动作为一种常用的触觉反馈方式，主要应用在智能手机、智能手表等设备的上，用来起到信息提示的作用，这种利用振动的反馈方式触感比较单一，交互体验不够丰富。
中国专利“一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法”(申请号201710402135.4)及中国专利“一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统及再现方法”(申请号201710242375.2)公开了一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法。基于空气压膜效应的摩擦力再现装置在显示设备上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。但是其反馈力也只是切向方向，局限于一个维度，并且基于空气压膜原理只能实现减小切向力，触觉再现效果不是很理想。除此之外基于空气压膜原理的实现装置屏幕上各处触觉感受强度不一致，在算法上较难处理。
发明内容
本发明提供一种基于平面交互的三维触觉再现装置与方法，以解决如下问题：即许多间接接触的穿戴性触觉再现设备，使人感觉交互不自然；基于阵列式的超声触觉反馈系统结构和算法都较为复杂，不易于控制和集成；基于静电力原理和空气压膜原理的触觉再现装置提供的是一维反馈力，只能改变手指所受到的切向力，并不能改变手指所受到的法向力；并且在静电力触觉再现装置中，只有手指处于运动状态时才能感受到触觉反馈，这种维度和运动的条件限制使得触觉再现的效果不是十分理想。
本发明采取的技术方案是，一种基于平面交互的三维触觉再现装置，包括：
(1)定位单元，包括能实现定位功能的装置，用于实时地跟踪手指的位置坐标，并将该坐标信息发送到处理单元；
(2)处理单元，包括各种多媒体终端，用于输出视觉信息，接收定位单元实时发送过来的手指的位置信息，同时对手指位置处的图像进行渲染得到触觉驱动信号的幅度、频率、波形参数，并将该参数发送到信号发生器；
(3)信号发生器，根据处理单元发送过来的驱动信号参数生成相应的驱动信号，并将该信号输入到交互单元进行驱动；
(4)交互单元，可以同时改变手指受到的切向力和法向力，从而实现三维的触觉再现感受；
本发明所述的交互单元中，改变手指所受切向力的方式包括但不局限于静电力触觉再现、空气压膜触觉再现；改变手指所受法向力的方式包括但不局限于振动触觉再现；
一种基于平面交互的三维触觉再现方法，包括下列步骤：
(1)首先通过测量得到如下三种触觉再现方式中切向力和法向力与电压的函数对应关系：
静电力触觉再现方式下，切向力f静与驱动信号幅度v1函数关系为：f静＝f(v1)；
空气压膜触觉再现方式下，切向力f空与驱动信号幅度v2函数关系为：f空＝f(v2)；
振动触觉再现方式下，法向力f振与驱动信号幅度v3函数关系为：f振＝f(v3)；
(2)根据灰度变化率判断切向力选用的触觉再现方式
对于一个M像素*N像素的图像，设定手指滑动到当前位置为i时刻，该像素点为Pi，前一时刻为i-1时刻，所在像素点记为Pi-1，当手指从Pi-1滑动到Pi位置时，可以分别获得两点的灰度值，计算出差值记为g，由此计算得到i-1时刻到i时刻的灰度变化率
其中的值可由Pi-1、Pi两个时刻的位置判断，当以水平和竖直两种方式滑动时其值为一倍像素间距，当以对角线方式滑动时其值倍像素间距；
获取灰度变化率之后，对其进行判断，如若变化率为正，则用静电力触觉再现方式来提供切向力，来达到增大摩擦的效果；
此时其中f静max是静电力触觉再现方式所能提供的切向摩擦力的最大值，驱动信号幅度v1＝f-1(Fx静)；
如若灰度变化率为负，则用空气压膜触觉再现方式来提供切向力，来达到减小摩擦的效果；
此时其中f空max是空气压膜触觉再现方式所能提供的切向摩擦力的最大值，驱动信号幅度v2＝f-1(Fx空)；
(3)由振动触觉再现方式来提供法向力Fy
对于一个M像素*N像素的图像，设定手指滑动到当前位置为i时刻，该像素点为Pi，该位置灰度为h；
此时用振动触觉再现方式来提供法向力其中f振max是振动触觉再现方式能提供的最大法向力，驱动信号幅度v3＝f-1(Fy)。
本发明为了达到更加理想的触觉反馈效果，将静电力、空气压膜、振动三种触觉再现方式融合到一起，从而将反馈力从一个维度扩展到两个维度，突破了静电力只在运动过程中有反馈作用的限制，实现了切向力既可以增大又可以减小的双向调节。在静电力、空气压膜、振动三种触觉反馈融合的装置中，通过静电力与空气压膜触觉反馈来提供切向力，通过振动来提供法向力；手指静止时可以通过振动源的振动来产生触觉感受，手指运动时，可以结合静电力与振动、空气压膜与振动来改变手指受到的切向力与法向力，从而产生更加精细的触觉感受，这样就可以达到更好的触觉再现效果。该装置可以同时改变手指所受的切向力和法向力，并且在切向力方向上实现了力的更宽幅度的控制，能够实现更加真实的触觉再现效果。
本发明优点在于：
1、融合了静电力振动与空气压膜三种触觉再现方式，可同时提供法向力与切向力，并且增大了切向力的调节范围，使得触觉再现的效果更加真实；
2、触觉再现装置可以放在任何多媒体终端上使用，可移植性好；
3、提出了一种基于图像的触觉再现方法，该方法再现真实性高，实时性好。
附图说明
图1是基于平面交互的三维触觉再现装置的示意图；
图2是信号发生器的结构框图；
图3是交互单元的结构框图；
图4是静电力触觉再现受力分析图；
图5是空气压膜触觉再现受力分析图；
图6是振动触觉再现受力分析图；
图7是手指总体受力示意图；
图8是基于平面交互的三维触觉再现方法的轮廓渲染过程；
图9是灰度变化率中值计算示意图。
具体实施方式
一种基于平面交互的三维触觉再现装置，包括：
(1)定位单元11，包括能实现定位功能的装置，用于实时地跟踪手指的位置坐标，并将该坐标信息发送到处理单元14；
(2)处理单元14，包括各种多媒体终端，用于输出视觉信息，接收定位单元11实时发送过来的手指的位置信息，对手指位置处的图像进行渲染得到触觉驱动信号的幅度、频率、波形参数，并将该参数发送到信号发生器13；
(3)信号发生器13，根据处理单元14发送过来的驱动信号参数生成相应的驱动信号，并将该信号输入到交互单元12进行驱动；
(4)交互单元12，可以同时改变手指受到的切向力和法向力，从而实现三维的触觉再现感受。
如图2所示，所述的信号发生器13主要的功能单元以及工作流程如下：
(1)核心控制器1301，其存储着常用波形的波形数据，如方波、正弦波、三角波等，接收处理单元14传递过来的静电力触觉驱动信号的幅度v1、频率f1、波形参数w1，空气压膜触觉驱动信号的幅度v2、频率f2、波形参数w2，以及振动触觉驱动信号的幅度v3、频率f3、波形参数w3，同时控制功能模块130201、130202、1303、100401、130402的工作状态；
(2)静电力驱动模块1302，包括数模转换器一130201、数模转换器二130202、功率放大器130203，其中数模转换器一130201通过接收核心控制器模块1301发送的波形数据产生频率f1、波形w1可调的基础信号，该基础信号作为数模转换器二130202的参考电压，再结合核心控制器模块1301的幅度控制数据v1就可以实现基础信号的电压调节，之后将该信号输入到功率放大器130203进行电压放大，进而输出静电力驱动信号；
(3)振动驱动模块1303，根据处理单元传递过来的振动触觉驱动信号的幅度v3、频率f3、波形参数w3，产生符合振动触觉再现条件的驱动信号；
(4)空气压膜驱动模块1304，包括DDS模块130401，数字电位器130402，高频功放模块130403，其中DDS模块130401通过接收核心控制器模块1301发送的波形数据产生频率f2、波形w2可调的基础信号，该基础信号经过数字电位器130402实现基础信号的电压调节，之后将该信号输入到高频功放模块130403进行电流和电压的放大，进而输出空气压膜驱动信号。
在上述的基于平面交互的三维触觉再现装置与方法中，所述的交互单元12如图3所示，主要包括以下三部分：单点电容屏1201，压电陶瓷1202、粘贴在单点电容屏绝缘膜侧的一组对边上，振动源1203、粘贴在单点电容屏绝缘膜侧的另外一组对边上；
(1)、单点电容屏1201，通过产生静电力改变手指受到的切向力，主要起到增大摩擦力的作用，其结构以及受力分析如图4所示，最底层为玻璃板120101，起到支撑作用，中间层为透明导电极板120102，可施加激励信号，顶层为一层绝缘膜120103。不施加驱动信号时手指所受到的屏幕的支持力为FN，受到的摩擦力为Ff；施加驱动信号时，指尖内的组织液和导电极板形成一个电容结构，当手指在屏幕上滑动时，手指受到一个静电吸引力Fe，进而导致屏幕对手指的支持力增大FN'＝FN+Fe，手指所受的摩擦力也增大为F'f，达到了改变手指受到的切向力的效果；改变施加在导电极板上的信号参数，就会导致手指受到的吸引力发生变化，进而控制切向力的变化程度；
(2)、压电陶瓷1202，通过空气压膜效应改变手指受到的切向力，主要起到减小摩擦力的作用，压电陶瓷1202需要牢固的粘贴在单点电容屏1201的绝缘膜120103侧，且需要对称粘贴在单点电容屏的一组对边，数量需要根据电容屏的尺寸来确定。其受力分析如图5所示，不激励压电陶瓷时，手指所受到的屏幕的支持力为FN，受到的摩擦力为Ff；激励压电陶瓷时，压电陶瓷带动单点电容屏高频振动，在手指尖和单点电容屏之间形成了挤压气膜，空气挤压膜效应是空气粘性和压缩性效应之间关系的结果，导致手指受到的支持力FN”变小，所受到的摩擦力变小为Ff”，达到了减小切向力的效果。调节驱动信号幅度的大小，即可改变手指受到切向力的大小；
(1)(3)、振动源1203，主要改变手指受到的法向力，选型时要注意振动源应满足法向振动力较大而切向振动相对于法向振动较小，振动源1203需要牢固的粘贴在单点电容屏1201的绝缘膜120103侧，且需要对称粘贴在单点电容屏的另外一组对边，数量需要根据电容屏的尺寸来确定，其受力分析如图6所示，单个振动源1203可产生Fn大小的法向反馈力，多个振动源产生的机械波在单点电容屏1201的表面传播，从而使手指受到相应的法向力F'n，调节驱动信号大小，即可改变手指所受法向力的大小。
上述基于平面交互的三维触觉再现装置在于融合了静电力、空气压膜两种触觉再现方式，增大了切向力的调节范围，再加上振动触觉再现方式，这三种方式的融合，实现了反馈力从一个维度到两个维度的扩充，使得触觉再现的效果更加真实。
在我们用视觉感知图像时，亮的区域对应于凸起的感觉，暗的区域对应于凹陷的感觉。图像的亮暗体现出图像中虚拟物体的高低，图像的高低可以由法向力表征，法向力由振动触觉反馈方式提供。图像高度的变化体现出图像亮暗的变化程度，图像的高度变化由切向力表征，切向力由静电力或空气压膜触觉反馈方式提供。
这个由暗到亮的过程我们用灰度值的变化来表征，并且把其映射到由振动提供的法向力；而由暗到亮的变化程度，我们用灰度的变化率来表征，并且把其映射到由静电力和空气压膜提供的可宽幅度调节的切向力，如图7所示。
由上述思路构想出的三维触觉再现方法如图8所示，步骤如下：
(1)首先通过测量得到这三种触觉再现方式中切向力和法向力与电压的函数对应关系：
静电力触觉再现方式下，切向力f静与驱动信号幅度v1函数关系为：f静＝f(v1)；
空气压膜触觉再现方式下，切向力f空与驱动信号幅度v2函数关系为：f空＝f(v2)；
振动触觉再现方式下，法向力f振与驱动信号幅度v3函数关系为：f振＝f(v3)；
(2)根据灰度变化率判断切向力选用的触觉再现方式
对于一个M像素*N像素的图像，设定手指滑动到当前位置为i时刻，该像素点为Pi，前一时刻为i-1时刻，所在像素点记为Pi-1，当手指从Pi-1滑动到Pi位置时，可以分别获得两点的灰度值，计算出差值记为g，由此计算得到i-1时刻到i时刻的灰度变化率
其中的值可由Pi-1、Pi两个时刻的位置判断，当以水平和竖直两种方式滑动时其值为一倍像素间距，当以对角线方式滑动时其值倍像素间距；
获取灰度变化率之后，对其进行判断，如若变化率为正，则用静电力触觉再现方式来提供切向力，来达到增大摩擦的效果；
此时其中f静max是静电力触觉再现方式所能提供的切向摩擦力的最大值，驱动信号幅度v1＝f-1(Fx静)；
如若灰度变化率为负，则用空气压膜触觉再现方式来提供切向力，来达到减小摩擦的效果；
此时其中f空max是空气压膜触觉再现方式所能提供的切向摩擦力的最大值，驱动信号幅度v2＝f-1(Fx空)；
(3)由振动触觉再现方式来提供法向力Fy
对于一个M像素*N像素的图像，设定手指滑动到当前位置为i时刻，该像素点为Pi，该位置灰度为h；
此时用振动触觉再现方式来提供法向力其中f振max是振动触觉再现方式能提供的最大法向力，驱动信号幅度v3＝f-1(Fy)；
这样当手指划过某一像素点时，就可以实时的得到该时刻灰度值，映射到振动提供的法向力；并由当前时刻和前一时刻的灰度值计算得到灰度值变化率，当灰度值变化率为正值的时候，由静电力触觉再现方式来提供切向力，起到增大摩擦力的效果，模拟一个凸起上坡时的感觉；当灰度值变化率为负值的时候，由空气压膜触觉再现方式来提供切向力，起到减小摩擦力的效果，模拟一个凸起下坡时的感觉，由此切向力和法向力合成实现了给手指的实时力的反馈。在这个基于平面交互的三维触觉再现装置与方法中，能够同时对手指施加切向力和法向力，并且实现了切向力既可以增大又可以减小的双向宽幅调节，达到了更真实的触觉再现效果。
以上对本发明所述的基于平面交互的三维触觉再现装置与方法进行了详细说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。本领域的一般技术人员，在不背离本发明所述方法的精神和原则的情况下对其进行各种显而易见变化与修改都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于平面交互的三维触觉再现装置，其特征在于，包括：
(1)定位单元，包括能实现定位功能的装置，用于实时地跟踪手指的位置坐标，并将该坐标信息发送到处理单元；
(2)处理单元，包括各种多媒体终端，用于输出视觉信息，接收定位单元实时发送过来的手指的位置信息，同时对手指位置处的图像进行渲染得到触觉驱动信号的幅度、频率、波形参数，并将该参数发送到信号发生器；
(3)信号发生器，根据处理单元发送过来的驱动信号参数生成相应的驱动信号，并将该信号输入到交互单元进行驱动；
(4)交互单元，可以同时改变手指受到的切向力和法向力，从而实现三维的触觉再现感受。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面交互的三维触觉再现装置，其特征在于：所述的交互单元中，改变手指所受切向力的方式包括但不局限于静电力触觉再现、空气压膜触觉再现；改变手指所受法向力的方式包括但不局限于振动触觉再现。
3.一种基于平面交互的三维触觉再现方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)首先通过测量得到如下三种触觉再现方式中切向力和法向力与电压的函数对应关系：
静电力触觉再现方式下，切向力f静与驱动信号幅度v1函数关系为：f静＝f(v1)；
空气压膜触觉再现方式下，切向力f空与驱动信号幅度v2函数关系为：f空＝f(v2)；
振动触觉再现方式下，法向力f振与驱动信号幅度v3函数关系为：f振＝f(v3)；
(2)根据灰度变化率判断切向力选用的触觉再现方式
对于一个M像素*N像素的图像，设定手指滑动到当前位置为i时刻，该像素点为Pi，前一时刻为i-1时刻，所在像素点记为Pi-1，当手指从Pi-1滑动到Pi位置时，可以分别获得两点的灰度值，计算出差值记为g，由此计算得到i-1时刻到i时刻的灰度变化率
获取灰度变化率之后，对其进行判断，如若变化率为正，则用静电力触觉再现方式来提供切向力，来达到增大摩擦的效果；
此时其中f静max是静电力触觉再现方式所能提供的切向摩擦力的最大值，驱动信号幅度v1＝f-1(Fx静)；
如若灰度变化率为负，则用空气压膜触觉再现方式来提供切向力，来达到减小摩擦的效果；
此时其中f空max是空气压膜触觉再现方式所能提供的切向摩擦力的最大值，驱动信号幅度v2＝f-1(Fx空)；
(3)由振动触觉再现方式来提供法向力Fy
对于一个M像素*N像素的图像，设定手指滑动到当前位置为i时刻，该像素点为Pi，该位置灰度为h；
此时用振动触觉再现方式来提供法向力其中f振max是振动触觉再现方式能提供的最大法向力，驱动信号幅度v3＝f-1(Fy)。
4.根据权利要求3所述的基于平面交互的三维触觉再现方法，其特征在于：步骤(2)中，灰度变化率的计算公式，的值由Pi-1、Pi两个时刻的位置判断，当以水平和竖直两种方式滑动时其值为一倍像素间距，当以对角线方式滑动时其值倍像素间距。
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