CN111796717A - 柔性触觉反馈电子设备及触觉反馈方法 - Google Patents

柔性触觉反馈电子设备及触觉反馈方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性触觉反馈电子设备及触觉反馈方法,所示电子设备包括上封装层,柔性电路层和下封装层;柔性电路层包括位于上层的储能及控制模块、柔性电路板以及压电振动阵列,控制模块位于柔性电路板的上表面,压电振动阵列位于柔性电路板的下表面,控制模块和压电振动阵列通过柔性电路板的电子线路连接。电路控制模块通过获取编码信息实现振动形状的解码,以此来控制其下层的压电阵列的振动,从而实现物体形状的触觉感知模拟。本发明采用柔性压电材料作为振动产生源,并通过无线设计模块和超级电容器实现能量存储,在柔性程度和厚度上具有显著优势,为构建超薄且高分辨率的端对端柔性触觉可穿戴反馈设备开辟了新的途径。

Description

柔性触觉反馈电子设备及触觉反馈方法
技术领域
本发明涉及触觉反馈,柔性电子及柔性电路,具体涉及一种柔性触觉反馈电子设备,同时还涉及一种基于柔性触觉反馈电子设备的触觉反馈方法。
背景技术
现存的虚拟现实和增强显示技术中的交互反馈多为视觉和听觉反馈。触觉作为人类感知外界信息的主要途径之一,传达的信息是其他感官所无法代替的,例如物体的质地和纹理,打击感等。但是,与眼睛和耳朵相比,作为触觉接口的皮肤在目前的商用VR和AR技术中的反馈交互作用几乎被完全忽略掉,而触觉反馈的缺失也导致了用户沉浸式体验的不完整。因此,如何将触觉反馈技术完美的融入到VR和AR等人机交互技术中是未来的发展的必然趋势和技术要求。
目前,触觉反馈技术的研究方向分为:接触式反馈和非接触式反馈。其中,接触式的触觉反馈技术多采用机械振动、空气压膜、静电力等原理,利用手套、阵列、空气压膜、屏幕等交互界面作为触觉反馈接口。非接触式的触觉反馈由于空气传播介质的参与,与接触式的触觉反馈相比,需要更加复杂的硬件结构和更加精密的软件算法来实现聚焦。同时,其设备是固定在某一位置,无法移动的,人只有进入到设备中才能感受到触觉反馈。因此,对于个人,如果要实现全身的触觉反馈,一是需要构建更加复杂且大型的设备,二是需要对移动聚焦算法进一步的构架与优化。这使得非接触式的触觉反馈技术的在构建基于个人的端对端VR/AR等交互设备上在成本和便携性上具有天然的劣势。
在这一方面,接触式的触觉反馈技术通过多个独立设备的分布式布置和协作,实现全身的触觉反馈,其构建基于个人的端对端VR/AR等交互设备上具有较大的优势。然而,传统的接触式触觉反馈技术多利用手套、阵列、屏幕等笨重,不可延伸的机械设备作为交互接口,其在穿戴便携性具备较大的劣势。因此,想要实现功能完整与穿戴舒适性兼具的个人端对端的VR/AR等交互设备,研究更加轻质化,小型化,穿戴便携性和舒适性的接触式触觉反馈设备是亟需被攻克的关键技术。
柔性电子技术的出现和发展,为制备更适合穿戴的柔性触觉反馈设备提供了全新的器件结构和工作原理。柔性电子以大面积、可变性、便携性和多功能集成为主要特征,特殊地,对于很多烧伤以及截肢等的残疾人士,类皮肤的柔性触觉反馈设备可以以接近皮肤的形态贴合在假肢等功能器件表面,在保证美观性的同时提供给患者相应的触觉,以保证患者的正常生活。因此,结合柔性电子微纳制造等相关技术,制备类皮肤特性的可穿戴柔性触觉反馈器件及探索其在VR/AR等人机交互技术中的应用引起了广泛的关注。由于其固有的柔性和可延伸特点,类皮肤的柔性可穿戴触觉反馈设备在个人VR/AR设备中也被认为是最具有前景的方法之一,其有望在医疗,教育,军事等领域进一步革新交互概念。
发明内容
发明目的:为了解决现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种超薄且高分辨率的端对端柔性触觉反馈电子设备,本发明的另一目的是提供一种能够精确感知物体形状的触觉反馈方法。
技术方案:一种柔性触觉反馈电子设备,包括上封装层,柔性电路层和下封装层;所述柔性电路层包括位于上层的储能及控制模块、柔性电路板以及压电振动阵列,所述控制模块位于柔性电路板的上表面,所述压电振动阵列位于柔性电路板的下表面,所述控制模块和压电振动阵列通过柔性电路板的电子线路连接。
进一步的,所述储能及控制模块包括电路控制模块,所述电路控制模块和下层的压电振动阵列连接;电路控制模块通过无线通信协议获取待反馈物体的形状,针对不同的形状,控制压电振动阵列以不同的模式进行振动,实现不同形状物体的触觉感知模拟。
更进一步的,所述储能及控制模块还包括无线能量收集模块和能量存储模块,无线能量收集模块和能量存储模块连接,能量存储模块和电路控制模块连接,所述无线能量收集模块由送电线圈、受电线圈及相关电路结构组成,采用电磁感应的方式实现电路控制模块的无线供电;其中受电线圈固定在该柔性触觉反馈设备上,而送电线圈为一个独立的设备。当该柔性触觉反馈设备需要供电时,将送电线圈靠近受电线圈并且以一定频率发射磁场信号,根据电磁感应原理,受电线圈会产生一定频率的交变电流信号,而受电线圈中四个二极管组成整流电路,将交变电流信号整成固定的直流信号并给柔性超级电容器供电。优选的能量存储模块为柔性超级电容器,实现能量存储。
进一步的,所述电路控制模块包括一个或多个SOC系统(芯片级系统,systemonchip),所述SOC系统由能量存储模块供电,各个SOC系统的下层分别设有与之对应的压电振动阵列(23),所述压电振动阵列(23)包括多个压电单元,用于模拟不同形状物体的触觉感知。
一种基于所述柔性触觉反馈电子皮肤的物体触觉反馈方法,当所述电路控制模块包括一个SOC系统时,包括如下内容:
(1)SOC系统通过无线通信协议获取某特定形状物体下压电单元振动模式的编码信息;
(2)按照改编码信息,SOC系统控制其压电振动阵列(23)中的相关压电单元进行振动从而在皮肤上产生相应的触觉形状。
一种基于所述柔性触觉反馈电子皮肤的物体触觉反馈方法,当所述电路控制模块包括多个SOC系统时,包括如下内容:
(1)在通信协议约束下,由每个SOC系统的解码软件从整个通讯编码信息中解码出自己所控制的压电阵列下压电单元的振动编码信息;
(2)不同的SOC系统同时控制各自的压电振动阵列振动,其中,每一个SOC系统分时控制其下层所对应压电振动阵列(23)中的相关压电单元进行振动。所有SOC系统协同合作从而在皮肤上产生相应的触觉形状。
优选的,所述上封装层采用纳米纤维纺织材料。
优选的,所述下封装层采用柔性有机高分子聚合物。
优选的,制备所述压电振动阵列的压电材料为无机压电陶瓷,压电半导体,有机压电材料,分子铁电材料和铁电驻极体或具有优异压电性能的复合材料。
本发明的有益效果是:1、采用柔性压电材料作为振动产生源,能够提供优秀的触觉反馈体验;2、通过无线设计模块和超级电容器实现能量存储,舍弃了后端复杂的充电设备;3、在柔性程度和厚度上具有显著优势,其为构建超薄且高分辨率的端对端柔性触觉可穿戴反馈设备开辟了新的途径。
附图说明
图1为一种无线供能的柔性触觉反馈电子设备的结构示意图;
图2为具有无线供能供能的储能及控制模块的结构示意图;
图3为单一SOC控制系统实现形状“十”的控制示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示,本发明的一种无线供能的柔性触觉反馈电子设备,包括上封装层1,柔性电路层2和下封装层3。柔性电路层2包括上层的储能及控制模块21,中间层的柔性电路板22,以及下层的压电振动阵列23,其中储能及控制模块21位于柔性电路板22的上表面,压电振动阵列23位于柔性电路板22的下表面,储能及控制模块21和压电振动阵列23通过柔性电路板22的电子线路连接。
如图2所示,储能及控制模块21包括无线能量收集模块211、能量存储模块和电路控制模块212。电路控制模块包括一个或多个用于控制压电阵列振动的SOC系统(Moudle(1,1),Moudle(1,2)…Moudle(N,N))。SOC系统由能量存储模块供电,各个SOC系统的下层分别设有与之对应的压电振动阵列23,对于Q×M压电振动阵列,其包括多个压电单元(i,j),1≤i≤Q,1≤j≤M。
电路控制模块主要实现以下两者功能:
1、不同形状的物体有不同的编码信息,电路控制模块通过无线通信协议获取待振动反馈的物体形状所需要的编码模式;
2、控制其下层的压电振动阵列的振动模式,来实现物体形状的触觉感知模拟。
具体的,电路控制模块获取待反馈物体对应形状下每个压电单元的状态的编码。具体地,需要振动的压电单元实行1编码,不需要振动的压电单元实现0编码。之后,对于编码为1的压电单元输出一定频率的正弦波信号实现压电单元的振动。而对于编码为0的压电单元固定为0v输出,使其维持原状态,不发生振动。
无线能量收集模块211采用电磁感应的方式实现无线供电,如图2所示,无线能量收集模块由送电线圈、受电线圈及相关电路结构组成,其中受电线圈固定在该柔性触觉反馈设备上,而送电线圈为一个独立的设备。当该柔性触觉反馈设备需要供电时,将送电线圈靠近受电线圈并且以一定频率发射磁场信号,根据电磁感应原理,受电线圈会产生一定频率的交变电流信号,而受电线圈中四个二极管组成整流电路,将交变电流信号整成固定的直流信号并给柔性超级电容器供电。能量存储模块为柔性超级电容器,实现能量存储。
当电路控制模块仅包括一个SOC系统时,SOC系统首先通过无线通信协议获取某特定形状物体下压电单元振动模式的编码信息,然后按照改编码信息,控制其下层所对应压电振动阵列中的相应编码为1的压电单元进行振动,从而在皮肤上产生相应的触觉形状。
对于复杂形状物体或者具有高分辨率需求的场景,电路控制模块包括多个SOC系统,通信协议针对某个特定形状物体作出编码约束,由每个SOC系统的解码软件从整个通讯编码信息中解码出自己控制压电阵列下的振动编码信息;不同的SOC系统同时控制各自下层的压电振动阵列振动,其中,每一个SOC系统分时控制其下层所对应压电振动阵列23中的相应编码为1的压电单元进行振动。所有SOC系统协同合作从而在皮肤上产生相应的触觉形状。
如图3所示,以单一SOC控制系统为例,对于形状“十”的触觉反馈过程做详细说明:
1、首先,SOC系统内部的无线通信协议获取相应的物体形状“十”所需要的的编码信息,对于“十”而言,编码为010111010,即使PA_12,PA_21,PA_22,PA_23,PA_32编码为1,需要振动;而PA_11,PA_13,PA_31,PA_33编码为0,不需要振动,
2、然后该SOC系统分时控制下层的压电阵列中相应的压电振动单元PA分时振动,图3中,SOC系统控制阴影部分的PA单元振动(PA_12,PA_21,PA_22,PA_23,PA_32),从而在皮肤上产生相应的触觉形状“十”。
上封装层1具备电绝缘,阻尘功能和透气性,优选采用静电纺织技术纺织制造的纳米纤维纺织材料,例如纺织PVDF有机纤维材料。本发明的柔性触觉反馈电子设备可通过可穿戴设备用作电子皮肤使用,此时,下封装层3作为压电振动阵列23和皮肤的缓冲层,需要具备优异的振动传递性能与皮肤相似的杨氏模量以及电绝缘特性(避免电泄露),优选采用PVA等柔性有机高分子聚合物。
采用压电材料制备压电振动阵列中的压电单元;以下是对压电材料选择因素的分析论证:
作为功能结构单元,压电材料的选择决定了器件振动的性能高低,进而影响到触觉反馈体验。由于整个器件需要通过无线供电,考虑到能耗问题和安全问题,提供逆压电效应的交变电压应限制在较低的状态,由公式S=d_33E可得,在低电压供给下,压电材料所处电场的场强会降低,因此需要寻求具有高压电系数的压电材料,才能产生较大的位移,从而产生振动触感。另一方面,相关研究表明,人体对振动频率处于100~300Hz之间的振动感知最强烈,所以压电材料的交变电压的频率也应限制在这一频率。因此,需要在100~300Hz振动频率范围内寻找到压电材料逆压电效应最优的振动频率,并研究降低压电材料的振动迟滞响应时间。此外,器件需要具有长时间的振动稳定性,所以一些铁电驻极体等基础压电材料的压电系数需要具备长期稳定性。因此,本器件采用的压电材料为无机陶瓷,压电半导体,有机压电材料,分子铁电材料和铁电驻极体或具有优异压电性能的复合材料等,同时需具备以上所述的性能指标。

Claims (10)

1.一种柔性触觉反馈电子设备,其特征在于,包括上封装层(1),柔性电路层(2)和下封装层(3);所述柔性电路层(2)包括位于上层的储能及控制模块(21)、柔性电路板(22)以及压电振动阵列(23),所述控制模块(21)位于柔性电路板(22)的上表面,所述压电振动阵列(23)位于柔性电路板(22)的下表面,所述控制模块(21)和压电振动阵列(23)通过柔性电路板(22)的电子线路连接。
2.根据权利要求1所述的柔性触觉反馈电子设备,其特征在于:所述储能及控制模块(21)包括电路控制模块,所述电路控制模块和下层的压电振动阵列(23)连接;电路控制模块通过无线通信协议获取待反馈物体的形状,针对不同的形状,控制压电振动阵列(23)以不同的模式进行振动,实现不同形状物体的触觉感知模拟。
3.根据权利要求2所述的柔性触觉反馈电子设备,其特征在于:所述储能及控制模块(21)还包括用于实现无线供能的无线能量收集模块和能量存储模块;所述无线能量收集模块和能量存储模块连接,所述能量存储模块连接和电路控制模块连接;
所述无线能量收集模块包括送电线圈和受电线圈,采用电磁感应的方式实现无线供电。
4.根据权利要求3所述的柔性触觉反馈电子设备,其特征在于:所述能量存储模块为柔性超级电容器。
5.根据权利要求2任一所述的柔性触觉反馈电子设备,其特征在于:所述电路控制模块包括一个或多个SOC系统,所述SOC系统由能量存储模块供电,各个SOC系统的下层分别设有与之对应的压电振动阵列(23),所述压电振动阵列(23)包括多个压电单元,用于模拟不同形状物体的触觉感知。
6.一种基于如权利要求5所述柔性触觉反馈电子设备的物体触觉反馈方法,其特征在于,当所述电路控制模块包括一个SOC系统时,包括如下内容:
(1)SOC系统通过无线通信协议获取某特定形状物体所对应的压电单元振动模式的编码信息;
(2)按照该编码信息,SOC系统控制其压电振动阵列(23)中的相关压电单元进行振动从而在皮肤上产生相应的触觉形状。
7.一种基于如权利要求5所述柔性触觉反馈电子设备的物体触觉反馈方法,其特征在于,当所述电路控制模块包括多个SOC系统时,包括如下内容:
(1)在通信协议约束下,由每个SOC系统的解码软件从整个通讯编码信息中解码出各自压电单元振动模式的编码信息;
(2)不同的SOC系统同时控制各自的压电振动阵列进行振动,其中,每一个SOC系统分时控制其压电振动阵列(23)中的相关压电单元进行振动;所有SOC系统协同合作从而在皮肤上产生相应的触觉形状。
8.根据权利要求1所述的柔性触觉反馈电子设备,其特征在于,所述上封装层采用纳米纤维纺织材料。
9.根据权利要求2所述的柔性触觉反馈电子设备,其特征在于:所述压电振动阵列(23)采用无机压电陶瓷,压电半导体,有机压电材料,分子铁电材料和铁电驻极体或具有优异压电性能的复合材料制备而成。
10.根据权利要求1所述的柔性触觉反馈电子设备,其特征在于,所述下封装层采用柔性有机高分子聚合物。
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