CN111813259B - 一种触摸屏用指套式力触觉装置及其反馈控制办法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种触摸屏用指套式力触觉装置及其反馈控制办法，该装置主要包括主体框架、执行器、位移传感器、基座、按压板、力传感器等组件；执行器和基座分别位于主体框架的上部和中部，位移传感器固定于主体框架的内部；基座中间设置有手指孔，手指孔的下部放置有按压板和力传感器，基座下部的孔中放置有压电执行器；主体框架下端通过轴承安装有摩擦轮，摩擦轮与直流电机相连，直流电机通过固定套和螺钉固定在主体框架的下部；该装置的反馈控制办法包括精确法向力、振动触觉和侧向力反馈控制办法。该装置能够在触摸屏上再现虚拟物体表面的硬度、摩擦和粗糙度等特征，能够进行多模式力触觉反馈，反馈力大，可模拟人与真实物体交互的过程和感受。

Description

一种触摸屏用指套式力触觉装置及其反馈控制办法
技术领域
本发明涉及一种力触觉装置及其反馈控制办法，更具体地，涉及一种触摸屏用指套式力触觉装置及其反馈控制办法。
背景技术
当人们触觉地探索真实物体表面时，摩擦、硬度和粗糙度是通常能够被感觉到的触觉维度，这些触觉维度对于人感知和理解物体的表面特征起着非常重要的作用。然而，由于智能设备的便携性，已有的面向触摸屏应用的力触觉装置还无法综合地再现虚拟表面的摩擦、硬度和粗糙度等特征，并同时具有小型化、便携、通用和低功耗等特点。近年来，可穿戴式力触觉设备的不断涌现为开发面向触摸屏应用的力触觉接口提供了新的思路，可穿戴式力触觉装置具有体积小、易于携带、舒适和不损害佩戴者的运动等特点，其通过将主体接地的基座移动到尽可能靠近刺激施加点的位置来减小装置的体积和结构复杂度。目前，已有多种类型的手指可穿戴式装置被用于与电脑中显示的虚拟环境进行交互，并为交互提供接触、法向力、侧向力、振动、温度等触觉反馈刺激。然而，由于在追求靠近刺激施加点的过程中，可穿戴式装置逐渐丧失了交互的动觉反馈部分，而仅保留了皮肤触觉部分，因此目前可穿戴装置难以应用于触摸屏交互。同时，现有的可穿戴式装置还普遍存在反馈类型和再现模式单一的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是
，本发明的另一目的是提供该装置的反馈控制办法。
技术方案：本发明所述一种触摸屏用指套式力触觉装置，包括主体框架、执行器、位移传感器、基座、按压板、力传感器、压电执行器、轴承、摩擦轮、固定套、螺钉、直流电机、盖子和固定带。执行器位于主体框架上部，位移传感器固定在主体框架内部，基座位于主体框架中部，基座中间设置有手指孔，手指孔的下部平台上分别放置有按压板和与其连接的力传感器，基座的下部放置有压电执行器，主体框架下端通过轴承安装有摩擦轮，摩擦轮与直流电机相连，直流电机通过固定套和螺钉固定在主体框架的下部。
其中，主体框架上部设置有用于固定执行器的支撑台，内部设置有用于固定位移传感器的槽，中部设置有用于放置手指的半圆形支撑台，下部设置有用于安装轴承的圆孔和用于放置直流电机的半圆形支架；半圆形支撑台的两侧有与固定带配合的方形支架，用于固定手指；执行器为磁流变泡沫执行器，包括外壳、活塞、线圈、磁流变泡沫和霍尔传感器，线圈绕设在活塞中部凹槽中，霍尔传感器安装在活塞上，磁流变泡沫包裹在活塞的径向外侧，并夹在活塞的外侧和外壳的内壁之间；执行器的外壳固定在主体框架的上部；磁流变泡沫由聚氨酯泡沫饱和吸收磁流变液制成，厚度为0.2～2mm；基座上部设置有与执行器的活塞配合的螺纹孔，下部设置用于放置压电执行器有方形孔，基座的外壁上开有用于放置位移传感器的拨动开关的小孔，能够使拨动开关随着基座同步运动；摩擦轮包括同步带轮和覆盖在同步带轮上的同步带；直流电机包括编码器、电机、齿轮箱和输出轴，同步带轮中部设有与输出轴配合的圆孔，同步带轮与输出轴同步旋转；执行器、位移传感器、力传感器、压电执行器和直流电机通过导线与控制电路相连，控制电路集成在位于手腕上的控制盒内。
本发明所述的触摸屏用指套式力触觉装置的反馈控制方法，反馈精确法向力时包括以下步骤：
(S1)构建执行器的标定平台，利用直流稳压电源、测力计、位置驱动器、示波器和固定装置获得执行器的力-电流关系曲线、力-磁感应强度关系曲线和磁感应强度-电流关系曲线；
(S2)将带有触摸屏的智能设备水平放置于桌面上，指套式力触觉装置与智能设备通过蓝牙建立连接；用户的一个手指穿戴好指套式力触觉装置通过摩擦轮与触摸屏接触，压电执行器产生振动提示；用户根据振动提示，使用指尖按压基座，基座带动执行器的活塞，以及位移传感器的拨动开关一起运动；
(S3)在按压过程中，装置中的位移传感器记录基座的位移Pm，虚拟场景根据刺入深度来计算虚拟交互力Fobj；虚拟交互力Fobj根据执行器的力-磁感应强度关系曲线获得对应的目标磁感应强度的值B；数控恒流电源先根据力-电流关系曲线向执行器输出激励电流Ia；由霍尔传感器测量施加在执行器工作区上的实际磁感应强度B′；B′作为负反馈量与B进行比较，两者的差值ΔB经PID控制器对激励电流Ia进行调节，从而得到执行器的实际输出力Fa；
(S4)用户的按压深度达到执行器的最大行程后，压电执行器产生振动提示，用户停止按压基座，并通过上抬指尖对基座进行复位。
本发明所述的触摸屏用指套式力触觉装置的反馈控制方法，反馈振动触觉时包括以下步骤：
(S1)利用加速度计和立方体质量块构建振动测试平台，获得压电执行器的加速度-幅值特性和加速度-频率特性；
(S2)根据触摸屏交互的需求，调节驱动信号的幅值、频率、持续时间和包络线等参数，使压电执行器生成高分辨率和易于被感知的振动触觉反馈效果。
本发明所述的触摸屏用指套式力触觉装置的反馈控制方法，反馈侧向力时包括以下步骤：
(S1)构建测量摩擦轮与触摸屏之间最大动/静摩擦系数的平台；
(S2)根据不同激励电流条件测得的侧向力，以及摩擦轮处于静止阶段和滚动阶段由力传感器记录的法向按压力，通过曲线拟合得到摩擦轮与触摸屏之间最大动/静摩擦系数；
(S3)直流电机产生的侧向力通过指套式力触觉装置的刚性结构传递到手指的近端指间关节，用户根据该动觉反馈来感知虚拟交互力；用户的手指穿戴指套式力触觉装置在触摸屏上左右滑动时，控制系统通过调整施加在直流电机上的堵转电流的极性和大小，使用户感受到阻碍或牵引手指运动的侧向力。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、提出的指套式力触觉装置克服了传统手指可穿戴式装置反馈力小、工作于被动感知状态和丧失了动觉反馈感受的缺点，能够在平坦的触摸屏上对手指探索真实物体表面的全部探索规程进行模拟。
2、提出的指套式力触觉装置能为手指与触摸屏的交互提供多模式的力触觉反馈，以便综合地再现虚拟表面的硬度、摩擦力和粗糙度等特征，可显著增强用户与虚拟环境交互的真实感。
3、提出的指套式力触觉装置具有小型化、便携、通用、低功耗，以及符合人体工程学的特点。
4、提出的指套式力触觉装置使用具有柔软特性的导电软橡胶作为与触摸屏接触的媒介，不但能使触摸屏实时检测到交互发生的位置，还显著增大了与触摸屏之间的摩擦系数，有利于在较大的范围内提供可变的侧向反馈力。
5、磁流变泡沫执行器具有以下三个优点：首先，无需对执行器进行密封处理，从而大大减小了执行器的初始阻尼力；其次，通过使用基于霍尔传感器的力控制策略，消除了磁滞效应对执行器的输出力的影响，提高了力反馈的精度；最后，执行器的活塞部分可随手指上下移动，不需要在装置中增加主动执行器来帮助活塞复位。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是主体框架结构示意图；
图3是磁流变泡沫执行器结构示意图；
图4是基座结构示意图；
图5是直流电机和摩擦轮连接结构示意图；
图6是本发明使用状态示意图；
图7是法向力反馈控制算法流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1(a)、图1(b)所示，触摸屏用指套式力触觉装置包括主体框架1、执行器2、位移传感器3、基座4、按压板5、力传感器6、压电执行器7、轴承8、摩擦轮9、固定套10、螺钉11、直流电机12、盖子13和固定带14，如图2所示，主体框架1上部设置有用于固定执行器2的支撑台102和用于固定盖板13的卡槽101，内部设置有用于固定位移传感器3的槽103，中部设置有用于放置手指的半圆形支撑台104，下部设置有用于安装轴承8的圆孔106和用于放置直流电机12的半圆形支架107；固定套10通过与螺钉11配合将直流电机12固定在半圆形支架107上，圆孔106的圆心与半圆形支架107的圆心在同一条直线，半圆形支架107两侧设置有用于固定直流电机12的螺纹孔108；半圆形支撑台104的两侧有与固定带14配合的方形支架105，用于固定手指，如图3(a)和图3(b)所示，执行器2为磁流变泡沫执行器，包括外壳201、活塞202、线圈203、磁流变泡沫204和霍尔传感器205；线圈203绕设在活塞202中部凹槽中，霍尔传感器205安装在活塞202上，磁流变泡沫204包裹在活塞202的径向外侧，并夹在活塞202的外侧和外壳201的内壁之间，磁流变泡沫204由聚氨酯泡沫饱和吸收磁流变液制成，厚度为0.5mm；盖子13和支撑台102将执行器2的外壳201固定在主体框架1的上部。
如图4所示，基座4放置于支撑台102的下部，其上部有螺纹孔401，用于与活塞202上的螺纹连接；基座4的中部设置有手指孔402，手指孔402的下部平台上分别放置有按压板5和与其连接的力传感器6，力传感器6为薄膜力传感器；手指放置在手指孔402中时，指尖的下部会自然地接触到按压板5，按压板5将手指的按压力均匀地分布在薄膜式力传感器6上；基座4的下部设置有放置压电执行器7的方形孔403；基座4的外壁上设置有小孔404，用于放置位移传感器3的拨动开关，使拨动开关能随着基座4同步运动。
如图5所示，主体框架1下端安装有摩擦轮9，摩擦轮9与直流电机12相连，摩擦轮9包括同步带轮901和同步带902，直流电机12包括编码器1201、电机1202、齿轮箱1203和输出轴1204；同步带轮901的中部有用于与直流电机12的输出轴1204进行配合的圆孔，同步带轮901与输出轴1204同步旋转；同步带轮901的径向外表面覆盖有同步带902；同步带902由导电软橡胶制成，具有导电和柔软的特性，其直径大于直流电机12的直径，能够避免摩擦轮9在触摸屏上转动时直流电机12与触摸屏15发生接触。
如图6所示，执行器2、位移传感器3、力传感器6、压电执行器7和直流电机12通过导线16与控制电路相连，控制电路集成在位于手腕上的控制盒17内。
如图7所示，利用触摸屏用指套式力触觉装置进行精确法向力反馈的控制方法包括以下步骤：
S1：构建磁流变泡沫执行器的标定平台，该平台包括直流稳压电源、测力计、位置驱动器、示波器和固定装置；将磁流变泡沫执行器固定于标定平台上，测力计的拉环通过转接口与活塞202通过螺纹连接，测力计被固定在位置驱动器上，直流稳压电源为线圈203提供可控的电流；在不同的电流水平下，位置驱动器带动测力计匀速拉动活塞202，使其与外壳201之间发生相对运动；示波器显示和记录由测力计测量的磁流变泡沫执行器2的阻尼力，以及由霍尔传感器205测量的作用在磁流变泡沫204工作区上的磁感应强度；由此，获得磁流变泡沫执行器的力-电流关系曲线、力-磁感应强度关系曲线和磁感应强度-电流关系曲线；
S2：将带有触摸屏15的智能设备水平放置于桌面上，指套式力触觉装置与智能设备通过蓝牙建立连接；用户的一个手指穿戴好指套式力触觉装置通过同步带902与触摸屏15接触，并保持装置相对静止和与触摸屏15垂直；当装置在虚拟场景中的虚拟代理与虚拟物体发生碰撞时，压电执行器7产生特定的振动提示；用户根据振动提示，使用指尖按压基座4，基座4将带动活塞202和位移传感器3的拨动开关一起运动；
S3：在按压过程中，装置中的位移传感器3记录基座4的位移Pm，虚拟场景根据虚拟代理刺入虚拟物体的深度，计算出虚拟交互力Fobj；同时，用户通过视觉观察虚拟物体的形变；虚拟交互力Fobj根据磁流变泡沫执行器的力-磁感应强度关系曲线获得对应的目标磁感应强度的值B；数控恒流电源先根据力-电流关系曲线向线圈203输出激励电流Ia；由霍尔传感器测量施加在磁流变泡沫204工作区上的实际磁感应强度B′；B′作为负反馈量与B进行比较，两者的差值ΔB经PID控制器对激励电流Ia进行调节，从而得到磁流变泡沫执行器的实际输出力；
S4：按压深度达到磁流变泡沫执行器的最大行程后，压电执行器7产生另一种特定的振动提示，用户停止按压基座4，并通过上抬指尖对基座4进行复位。
实施例2
本实施例与实施例1的区别是：利用触摸屏用指套式力触觉装置进行振动触觉反馈的控制方法包括以下步骤：
S1：利用加速度计和100克的立方体质量块构建振动测试平台，将加速度计和压电执行器7同时粘在质量块的同一面上；分别以幅值和频率为变量驱动压电执行器7振动，处理加速度计记录的数据，获得压电执行器7的加速度-幅值特性和加速度-频率特性；
S2：根据触摸屏15交互的需求，调节驱动信号的幅值、频率、持续时间和包络线等参数，使压电执行器7生成高分辨率和易于被感知的振动触觉反馈效果。
实施例3
本实施例与实施例1的区别是：利用触摸屏用指套式力触觉装置进行侧向力反馈的控制方法包括以下步骤：
S1：构建测量摩擦轮9与触摸屏15之间最大动/静摩擦系数的平台，该平台包括导轨、滑块、测力计、平板电脑、固定板和钢丝绳，两根导轨平行固定在平台上，每根导轨上安装有两个能在其上自由滑动的滑块，测力计也被固定在平台上，其拉环通过钢丝绳与固定板相连，平板电脑被固定在固定板上，固定板四个角的下方与四个的滑块通过螺钉连接；
S2：测试时，直流电机12在激励电流的作用下驱动摩擦轮9转动；用户的一个手指带上指套式力触觉装置，并将摩擦轮9放置在平板电脑的触摸屏15上；指尖向下按压基座4，以保持摩擦轮9刚好在触摸屏15上停止转动；薄膜力传感器记录手指的按压力，并触发磁流变泡沫执行器2输出大于手指按压力的阻尼力，以确保基座4不发生移动；在摩擦轮9刚好能在触摸屏15上滚动而不发生滑动的情况下，手指带动指套式力触觉装置在触摸屏15上匀速运动；在测试的整个过程中，测力计实时测量和记录触摸屏15受到的侧向力；根据不同激励电流条件下测力计记录的触摸屏15受到的侧向力，以及摩擦轮9处于静止阶段和滚动阶段由薄膜力传感器记录的手指的法向按压力，通过曲线拟合得到摩擦轮9与触摸屏15之间最大动/静摩擦系数；
S3：在指套式力触觉装置与触摸屏15交互的过程中，直流电机12一直工作于堵转状态，摩擦轮9的滚动方向始终保持与手指的运动方向一致，直流电机12堵转产生的侧向力通过指套式力触觉装置的刚性结构传递到手指的近端指间关节，用户根据该动觉反馈来感知虚拟交互力；用户的手指穿戴指套式力触觉装置在触摸屏15上左右滑动时，控制系统通过调整施加在直流电机12上的堵转电流的极性和大小，使用户感受阻碍或牵引手指运动的侧向力。

Claims (6)

1.一种触摸屏用指套式力触觉装置，其特征在于，包括主体框架(1)、执行器(2)、位移传感器(3)、基座(4)、按压板(5)、力传感器(6)、压电执行器(7)、轴承(8)、摩擦轮(9)、直流电机(12)；所述执行器(2)位于主体框架(1)上部，所述位移传感器(3)安装在主体框架(1)内部，所述基座(4)位于主体框架中部，基座(4)中间设置有手指孔(402)，所述手指孔(402)的下部平台上分别放置有按压板(5)和与其连接的力传感器(6)，所述压电执行器(7)放置在基座(4)下部的方形孔(403)内，所述主体框架(1)下端通过轴承(8)安装有摩擦轮(9)，所述摩擦轮(9)与直流电机(12)相连，所述直流电机(12)通过固定套(10)和螺钉(11)固定在主体框架(1)的下部；所述执行器(2)为磁流变泡沫执行器，包括外壳(201)、活塞(202)、线圈(203)、磁流变泡沫(204)和霍尔传感器(205)，所述线圈(203)绕设在活塞(202)中部凹槽中，所述霍尔传感器(205)安装在活塞(202)上，所述磁流变泡沫(204)包裹在活塞(202)的径向外侧，并夹在活塞(202)的外侧和外壳(201)的内壁之间，所述执行器(2)的外壳(201)固定在主体框架(1)的上部；
反馈精确法向力时包括以下步骤：
(S1)构建执行器(2)的标定平台，利用直流稳压电源、测力计、位置驱动器、示波器和固定装置获得执行器(2)的力-电流关系曲线、力-磁感应强度关系曲线和磁感应强度-电流关系曲线；
(S2)将带有触摸屏(15)的智能设备水平放置于桌面上，指套式力触觉装置与智能设备通过蓝牙建立连接；用户的一个手指穿戴好指套式力触觉装置通过摩擦轮(9)与触摸屏(15)接触，压电执行器(7)产生振动提示；用户根据振动提示，使用指尖按压基座(4)，基座(4)带动执行器(2)的活塞(202)，以及位移传感器(3)的拨动开关一起运动；
(S3)在按压过程中，装置中的位移传感器(3)记录基座(4)的位移Pm，虚拟场景根据刺入深度来计算虚拟交互力Fobj；虚拟交互力Fobj根据执行器(2)的力-磁感应强度关系曲线获得对应的目标磁感应强度的值B；数控恒流电源先根据力-电流关系曲线向执行器(2)输出激励电流Ia；由霍尔传感器测量施加在执行器(2)工作区上的实际磁感应强度B′；B′作为负反馈量与B进行比较，两者的差值ΔB经PID控制器对激励电流Ia进行调节，从而得到执行器(2)的实际输出力Fa；
(S4)用户的按压深度达到执行器(2)的最大行程后，压电执行器(7)产生振动提示，用户停止按压基座(4)，并通过上抬指尖对基座(4)进行复位；
反馈振动触觉时包括以下步骤：
(S1)利用加速度计和立方体质量块构建振动测试平台，获得压电执行器(7)的加速度-幅值特性和加速度-频率特性；
(S2)根据触摸屏(15)交互的需求，调节驱动信号的幅值、频率、持续时间和包络线参数，使压电执行器(7)生成高分辨率和易于被感知的振动触觉反馈效果；
反馈侧向力时包括以下步骤：
(S1)构建测量摩擦轮(9)与触摸屏(15)之间最大动/静摩擦系数的平台；
(S2)根据不同激励电流条件测得的侧向力，以及摩擦轮(9)处于静止阶段和滚动阶段由力传感器(6)记录的法向按压力，通过曲线拟合得到摩擦轮(9)与触摸屏(15)之间最大动/静摩擦系数；
(S3)直流电机(12)产生的侧向力通过指套式力触觉装置的刚性结构传递到手指的近端指间关节，使用户感知虚拟交互力；用户的手指穿戴指套式力触觉装置在触摸屏(15)上左右滑动时，控制系统通过调整施加在直流电机(12)上的堵转电流的极性和大小，使用户感受到阻碍或牵引手指运动的侧向力。
2.根据权利要求1所述的触摸屏用指套式力触觉装置，其特征在于，所述主体框架(1)上部设置有用于固定执行器(2)的支撑台(102)，内部设置有用于固定位移传感器(3)的槽(103)，中部设置有用于放置手指的半圆形支撑台(104)，下部设置有用于安装轴承(8)的圆孔(106)和用于放置直流电机(12)的半圆形支架(107)，所述半圆形支撑台(104)的两侧有与固定带(14)配合的方形支架(105)。
3.根据权利要求1所述的触摸屏用指套式力触觉装置，其特征在于，所述磁流变泡沫(204)由聚氨酯泡沫饱和吸收磁流变液制成，厚度为0.2～2mm。
4.根据权利要求1所述的触摸屏用指套式力触觉装置，其特征在于，所述基座(4)上部设置有与执行器(2)的活塞(202)配合的螺纹孔(401)，下部设置用于放置压电执行器(7)有方形孔(403)，所述基座(4)的外壁上开有用于放置位移传感器(3)的拨动开关的小孔(404)。
5.根据权利要求1所述的触摸屏用指套式力触觉装置，其特征在于，所述摩擦轮(9)包括同步带轮(901)和覆盖在同步带轮(901)上的同步带(902)，所述直流电机(12)包括编码器(1201)、电机(1202)、齿轮箱(1203)和输出轴(1204)，所述同步带轮(901)中部设有与输出轴(1204)配合的圆孔，所述同步带轮(901)与输出轴(1204)同步旋转。
6.根据权利要求1所述的触摸屏用指套式力触觉装置，其特征在于，所述执行器(2)、位移传感器(3)、力传感器(6)、压电执行器(7)和直流电机(12)通过导线(16)与控制电路相连，所述控制电路集成在位于手腕上的控制盒(17)内。
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