CN109240485B - 一种纹理触觉再现装置、显示装置与弧度再现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纹理触觉再现装置、显示装置与弧度再现装置，通过在触摸板的导电面的两端分别设置两列压电陶瓷；基于挤压气膜效应，通过挤压气膜效应改变手指与接触表面的摩擦力，以变摩擦力形式再现虚拟物体的表面纹理信息，可以使手指自由地动态触摸接口表面，是最为接近自然的探知方式。本发明对现有技术的压电陶瓷矩阵进行改进，以两列压电陶瓷即可实现纹理再现，使装置更加轻薄，有效触摸面积大大增加，可与市面上常见的电子产品集成，实用性很强。所述的纹理触觉再现装置可以集成到电子产品的显示屏上，增加了电子产品的触觉反馈功能，操作者可以以变摩擦力形式感知虚拟物体的表面纹理信息，从而增强虚拟环境的真实感和沉浸感。

Description

一种纹理触觉再现装置、显示装置与弧度再现装置
技术领域
本发明涉及纹理再现技术，更具体地说，涉及一种纹理触觉再现装置，一种纹理触觉再现的显示装置，一种纹理触觉再现的弧度再现装置。
背景技术
就传统而言，人们常使用视觉和听觉进行人机交互，而经常忽略触觉的作用，虽然人类获取的信息不到2％来源于触觉，但它的作用却不可或缺，尤其是在分辨物质材料属性方面。因此，为了增强人机交互时的沉浸感，可采取多感觉模式融合来实现，其中最新的技术就是触觉交互。触觉交互技术主要是操作者通过运动或力的形式感知虚拟物体的形状、硬度、纹理等丰富的环境信息，从而增强虚拟环境的真实感。
在触觉交互研究中，物体表面纹理再现是其中的热点，同时也是其中的难点。所谓物体表面纹理再现，是通过模拟与纹理表面相接触时的生理及心理感觉，从而将纹理的物理属性传递给操作者。与视觉和听觉的单一刺激源不同的是，触觉的刺激源至少存在四个相关维度。大量的多维度分析表明，其中的粗糙度与纹理感知最为相关。
纹理粗糙度的触觉感知主要有三种方法：第一种方法是基于几何再现，通过图像处理提取表面轮廓，分别建立正、切向接触力模型，最后利用力反馈装置实现纹理的触觉表达，该方法的纹理表述误差相对较大。
第二种方法是基于振动，通过构造针形接触阵列并精确控制针的震动幅值和频率从而再现纹理。这种方法优点在于简单且便于控制，但同时也存在两个问题：一是很难再现微米级的纹理，这跟针的粗细和分布密度相关；二是所能再现的纹理凹凸范围有限，这是因为针的振幅范围通常很小。
第三种方法是基于摩擦力变化，当手指触摸表面纹理并来回移动时，手指与接触表面之间的摩擦力使软组织产生相应的变形，通过一系列的神经传导最终形成纹理感。Yamamoto等研制的变摩擦力纹理再现装置通过改变固定板与薄膜间的动摩擦力使手指感受到不同的纹理感。这种方法的缺点是手指跟装置接口表面隔着一层薄膜，属于非直接接触，从而降低了操作者的沉浸感。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能模拟更大范围和更加复杂的物体表面纹理的纹理触觉再现装置，并能够与一般消费电子产品集成，得到纹理触觉再现的显示装置，以及纹理触觉再现的弧度再现装置。
本发明的技术方案如下：
一种纹理触觉再现装置，包括触摸板、压电陶瓷、共振驱动装置，触摸板的导电面的两端分别设置两列压电陶瓷；共振驱动装置驱动压电陶瓷振动，使触摸板与压电陶瓷形成共振；基于挤压气膜效应，气膜减小了触摸板与压电陶瓷间的正压力，从而减小了触摸板与压电陶瓷间的相对摩擦系数，以变摩擦力形式再现虚拟物体的表面纹理信息。
作为优选，触摸板为透明的单面导电的ITO玻璃，压电陶瓷的负极贴于ITO玻璃的导电面，压电陶瓷的正极相连，实现并联。
作为优选，共振驱动装置产生对称的正弦波，用于驱动压电陶瓷，共振的振动形式为驻波振型。
作为优选，利用长为半波长
Figure BDA0001675529450000021
的单元共振结构的一阶固有频率来估算共振频率：
Figure BDA0001675529450000022
其中，fn为共振频率，Mb为结构的线密度，Gb为结构的抗弯刚度。
作为优选，共振频率大于25kHz，半波长不大于20.87mm，压电陶瓷的宽度不大于半波长。
作为优选，通过动态挠度衡量触摸板的振动幅值大小，动态挠度的计算公式为：
Figure BDA0001675529450000023
其中，wdyn为动态挠度，Qm为机械品质因数，d31为压电应变常数，Vz为压电陶瓷的供电电压，hp为压电陶瓷厚度，f0为中性面高度与压电陶瓷厚度的比值。
作为优选，振动幅值大于1um，半波长不小于8.26mm。
作为优选，利用Ansys有限元分析法进行模态分析，确定使振动幅度达到最大的共振频率，实现最大程度地输出纹理信息。
一种纹理触觉再现的显示装置，集成纹理触觉再现装置，用于实现显示装置的触觉反馈。
一种纹理触觉再现的弧度再现装置，集成纹理触觉再现装置，用于实现曲面纹理再现。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的纹理触觉再现装置，通过在触摸板的导电面的两端分别设置两列压电陶瓷；基于挤压气膜效应，通过挤压气膜效应改变手指与接触表面的摩擦力，以变摩擦力形式再现虚拟物体的表面纹理信息，可以使手指自由地动态触摸接口表面，是最为接近自然的探知方式。本发明对现有技术的压电陶瓷矩阵进行改进，以两列压电陶瓷即可实现纹理再现，使装置更加轻薄，有效触摸面积大大增加，可与市面上常见的电子产品集成，实用性很强。
所述的纹理触觉再现装置可以集成到电子产品的显示屏上，得到纹理触觉再现的显示装置，增加了电子产品的触觉反馈功能，操作者可以以变摩擦力形式感知虚拟物体的表面纹理信息，从而增强虚拟环境的真实感和沉浸感。
所述的纹理触觉再现装置可以与弧度再现装置集成，得到纹理触觉再现的弧度再现装置，实现更加丰富的曲面纹理再现。
附图说明
图1是纹理触觉再现装置的结构示意图；
图2是共振频率与半波长的关系图；
图3是动态挠度与半波长的关系图；
图4是玻璃模态分析图；
图5是压电陶瓷的布局图；
图6是驻波振型示意图；
图7是共振驱动装置的原理框图；
图8是纹理触觉再现的显示装置的结构爆炸图；
图9是纹理触觉再现的显示装置的使用状态图；
图中：101是触摸板，102是压电陶瓷，201是触控板，202是显示屏。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明为了解决现有技术存在的纹理表述误差大、精确低、操作者的沉浸感低等不足，提供一种纹理触觉再现装置，是基于减小接触面摩擦力的触觉交互装置，并与一般消费电子产品集成，得到纹理触觉再现的显示装置，以及纹理触觉再现的弧度再现装置。
如图1所示，纹理触觉再现装置包括触摸板101、压电陶瓷102、共振驱动装置，触摸板101的导电面的两端分别设置两列压电陶瓷102；共振驱动装置驱动压电陶瓷102振动，使触摸板101与压电陶瓷102形成共振；基于挤压气膜效应，气膜减小了触摸板101与压电陶瓷102间的正压力，从而减小了触摸板101与压电陶瓷102间的相对摩擦系数，以变摩擦力形式再现虚拟物体的表面纹理信息。
本发明的理论基础是挤压气膜效应，指两个平板中的一块处于高频振动，板间的气压高于外界大气压，从而在板间形成挤压气膜。所述气膜减小了两个平板间的正压力，从而减小了两平板间的相对摩擦系数。本发明中，触摸板101与压电陶瓷102作为共振装置的基本组成，用于细致地动态感知纹理。
本实施例中，纹理触觉再现装置的尺寸设置为194*100*2mm，触摸板101为透明的单面导电的ITO玻璃，玻璃的表面最大静摩擦力比StimTac平板的铍铜大，有更大的摩擦系数可控范围，可以模拟更加丰富的纹理。选用P-51压电陶瓷102作为驱动器，用两列压电陶瓷102作为驱动，其置于触摸板101的两端，用AB型环氧胶粘接剂将压电陶瓷102粘贴在触摸板101的导电面。为了不破坏压电陶瓷102的特性，焊接时烙铁在压电陶瓷102上停留的时间要尽可能短。
具地的制作过程为：将压电陶瓷102紧靠ITO玻璃两侧贴好，每一列有8片压电陶瓷102，间隔1mm，共2列16片压电陶瓷102。要将压电陶瓷102的负极贴于ITO玻璃的导电面，将压电陶瓷102的正极用导线连接，实现压电陶瓷102的并联。
本实施例中，选用的ITO玻璃和压电陶瓷102片的参数如表1所示。
表1：ITO玻璃和压电陶瓷102片参数表
Figure BDA0001675529450000051
所述的纹理触觉再现装置设计的核心是确定压电陶瓷102的尺寸和确定其布局。研究表明，人的手指要想较好地感知与区分纹理信息，触摸板101的振动幅值必须大于1um。由于压电陶瓷102带动触摸板101振动的幅值极小，要使振动幅值大于1um，必须使整套装置处于共振。理论上，整套装置的共振频率可以利用长为半波长
Figure BDA0001675529450000052
的单元共振结构的一阶固有频率估算，且共振频率与半波长呈负相关，具体计算公式如下：
Figure BDA0001675529450000053
其中，fn为共振频率，Mb为结构的线密度，Gb为结构的抗弯刚度。
结合表1所示的材料参数，可以得到如图2所示的共振频率与半波长的关系图。由于当挤压数大于10时，振动频率必须大于25kHz，要使共振频率大于25kHz，半波长的最大值为20.87mm。
此外，动态挠度可以衡量触摸板101的振动幅值大小，通过动态挠度衡量触摸板101的振动幅值大小，且动态挠度与半波长呈正相关，动态挠度的计算公式如下：
Figure BDA0001675529450000061
其中，wdyn为动态挠度，Qm为机械品质因数，d31为压电应变常数，Vz为压电陶瓷102的供电电压，hp为压电陶瓷102厚度，f0为中性面高度与压电陶瓷102厚度的比值。
结合表1所示的材料参数，可以得出如图3所示的动态挠度与半波长的关系图，由人体感知信息效果知，动态挠度必须大于1um，即振动幅值大于1um。如果要使感知效果更好，动态挠度应大于1.5um，这样半波长的最小值为8.26mm。
综上可确定，半波长的范围为8.26mm～20.87mm，而压电陶瓷102的宽度应小于或等于半波长。
最后，利用Ansys有限元分析法进行模态分析，确定使振动幅度达到最大的共振频率，实现最大程度地输出纹理信息。
对触摸板101(或玻璃)进行模态分析，所得结果如图4所示，玻璃的驻波振型长度方向有17个波腹，两侧可以合为一个波腹，即可视为有18个波腹，所以半波长为10.78mm(＝194mm/18)，符合理论分析结果。根据计算所得的半波长，所述装置采用9*11*1mm的P-51的压电陶瓷102，其宽度略小于半波长。另外，因为驻波波腹处的动能最大，所以将压电陶瓷102粘贴在半波长范围内且靠近波腹的位置，如图5所示。
需要注意的是，除了εS矩阵不变，Ansys中定义压电陶瓷102的矩阵形式跟IEEE定义的标准矩阵形式都不一样。Ansys定义的标准矩阵形式如下：
Figure BDA0001675529450000062
Figure BDA0001675529450000063
Figure BDA0001675529450000071
对于z方向极化的压电陶瓷102来说，则有：
Figure BDA0001675529450000072
Figure BDA0001675529450000073
Figure BDA0001675529450000074
如图6所示，可以确定理论上共振装置的共振频率为37.83kHz，半波长约为10.78mm。
本发明中，共振驱动装置产生对称的正弦波，用于驱动压电陶瓷102，并且，要求共振的振动形式为驻波振型，即振型符合驻波的特点。
为了便于与消费电子集成，共振驱动装置实施为紧凑型放大电路，如图7所示，利用芯片产生高频率、小幅值的对称正弦波，经运算放大器CA3240进行一级放大，再经两级运算放大器OPA452、晶体管PZTA29、PZT2907AT1组成的功率放大电路进行二级放大(放大倍数可调)，最终得到频率可调、峰峰值可达70V且对称的正弦波。
基于纹理触觉再现装置，本发明提供一种纹理触觉再现的显示装置(如消费电子的显示装置)，集成纹理触觉再现装置，用于实现显示装置的触觉反馈。如图8所示，纹理触觉再现装置粘贴压电陶瓷102的背面附着一个7英寸的电容式触控板201，用于实时测量手指的位置，然后粘贴到一个7英寸的显示屏202上，以实现视觉和触觉的结合。
所述的显示装置也同时用于评估纹理触觉再现装置，以检查纹理触觉再现装置的纹理感知效果。如图9所示，显示屏202中央显示了三个不同颜色的矩形。中间的色块代表高摩擦系数，两侧的色块代表低摩擦系数。穿越三个色块的线为手指探索的轨迹。共振驱动装置的输出取决于电容式触控板201捕获的手指位置信息和不同摩擦系数矩形的位置。
评价结果显示，当受试者的手指划过触摸板101时，能感觉到不同矩形边缘的摩擦变化。
基于纹理触觉再现装置，本发明还提供一种纹理触觉再现的弧度再现装置，集成纹理触觉再现装置，实现更加丰富的曲面纹理再现。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种纹理触觉再现装置，其特征在于，包括触摸板、压电陶瓷、共振驱动装置，触摸板的导电面的两端分别设置两列压电陶瓷；共振驱动装置驱动压电陶瓷振动，使触摸板与压电陶瓷形成共振；基于挤压气膜效应，气膜减小了触摸板与手指间的正压力，从而减小了触摸板与手指间的相对摩擦系数，以变摩擦力形式再现虚拟物体的表面纹理信息；
利用长为半波长
Figure FDA0002598305280000011
的单元共振结构的一阶固有频率来估算共振频率：
Figure FDA0002598305280000012
其中，fn为共振频率，Mb为结构的线密度，Gb为结构的抗弯刚度；
通过动态挠度衡量触摸板的振动幅值大小，动态挠度的计算公式为：
Figure FDA0002598305280000013
其中，wdyn为动态挠度，Qm为机械品质因数，d31为压电应变常数，Vz为压电陶瓷的供电电压，hp为压电陶瓷厚度，f0为中性面高度与压电陶瓷厚度的比值。
2.根据权利要求1所述的纹理触觉再现装置，其特征在于，触摸板为透明的单面导电的ITO玻璃，压电陶瓷的负极贴于ITO玻璃的导电面，压电陶瓷的正极相连，实现并联。
3.根据权利要求1所述的纹理触觉再现装置，其特征在于，共振驱动装置产生对称的正弦波，用于驱动压电陶瓷，共振的振动形式为驻波振型。
4.根据权利要求1所述的纹理触觉再现装置，其特征在于，共振频率大于25kHz，半波长不大于20.87mm，压电陶瓷的宽度不大于半波长。
5.根据权利要求1所述的纹理触觉再现装置，其特征在于，振动幅值大于1um，半波长不小于8.26mm。
6.根据权利要求1至3任一项所述的纹理触觉再现装置，其特征在于，利用Ansys有限元分析法进行模态分析，确定使振动幅度达到最大的共振频率，实现最大程度地输出纹理信息。
7.一种纹理触觉再现的显示装置，其特征在于，集成权利要求1至6任一项所述的纹理触觉再现装置，用于实现显示装置的触觉反馈。
8.一种纹理触觉再现的弧度再现装置，其特征在于，集成权利要求1至6任一项所述的纹理触觉再现装置，用于实现曲面纹理再现。
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