CN117666783A - 一种基于震动触觉的触控屏与触控笔交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于震动触觉的触控屏与触控笔交互方法，该方法通过在触控笔中内嵌传感器与震动触觉生成装置，向用户提供具有方向性的触觉信息和自定义触觉，所述触觉触控笔装置包含触控笔外壳，传感器阵列、控制单元和触觉生成装置。所述触控笔外壳用于容纳其他设备；所述传感器阵列位于触控笔外壳内，主要负责收集触控笔在使用过程中的压力和姿态信息；所述触觉生成装置位于触控笔外壳尾部，负责按照对应控制信息生成具有方向性的触觉信息和自定义触觉；所述控制单元位于触控笔内部，传感器阵列和触觉生成装置之间，数据连接传感器阵列、触觉生成装置和上位机，负责计算传感器阵列数据并生成触觉生成装置的控制信息。

Description

一种基于震动触觉的触控屏与触控笔交互方法

技术领域

本发明属于震动触觉领域，具体涉及一种使用压力传感器，陀螺仪和线性马达进行触觉交互的方法。

背景技术

随着触控屏幕技术的发展，触控屏幕的成本不断降低，近年来使用触控屏幕的设备越来越多，随着触控屏幕设备发展的还有触控屏幕书写笔设备，触控笔的出现意在帮助触控屏幕设备在一定程度上取代例如黑板和纸张等传统书写设备，触控笔使得触控屏相比传统书写设备具有良好的可扩展性和重复利用性，同时可以借助高性能计算器械辅助完成复杂功能的实现，但是纸张书写的体验同样有无法取代的优势，例如优秀的书写手感，优美的字体等。虽然触控笔在设计迭代过程中总是将书写手感的提升作为重要指标，但是目前的设计总是将提升触觉反馈的改进集中在触控屏端，例如使用依附在触控屏上的线性马达配合使用者动作给与触觉反馈，或是使用特殊的屏幕覆膜增加触控屏幕表面摩擦力都是在触控屏本身做改进，同时，这种改进还会对触控屏幕本身的使用造成一定的负面影响。

触觉是由嵌入皮肤的触觉小体感受并反馈给大脑的，触觉小体的种类有很多种，每种都负责感知并对特定类型的触觉刺激作出反应，其中人类手掌的触觉小体分布最密集，尤其是指尖部位，因此人类对手中的触觉反馈最敏感。触觉感知机理主要是基于触觉生物力学理论，采用有限元分析方法，研究在外部动态载荷作用下手指的变形以及皮肤内部软组织产生的应力应变等力学响应对与触觉有关的机械感神经元细胞的影响，分析外部机械刺激、手指力学响应、感知信号和触觉感知之间的内在联系。而目前对触控屏幕本身的触觉增强体验需要通过多层介质传达给使用者，这降低了触觉强度并削弱了触觉反馈传达时间。

触觉中如今使用最广泛的是震动触觉，震动触觉是一种效果出众成本低廉的触觉产生方式，实现震动触觉主要依靠震动马达，震动马达应用广泛，尺寸可以满足搭载在触控笔这种小型设备上。线性马达是震动马达中的一种，它使用电磁力转化为机械能，并在一个轴线上进行往复运动，相比传统的转子马达，它具有启动时间段，响应快的优点，同时由于线性马达振子在一条轴线上运动的原因，其可以为使用者提供方向性指引信息的能力已经得到证明。有研究表明，人们在非传统介质上书写的过程中，方向感的缺失是降低书写精度的重要因素，通过给予使用者方向性信息，他们可以在非传统介质中用更高的精度书写。

通过线性马达的特定排布，并使用薄膜压力传感器为线性马达提供所需的参数值，可以在使用触控笔的过程中为使用者提供包括方向性信息在内的多种触觉感受。基于震动触觉开发一种依附在触控笔上的小型的简单可靠的技术对于增加使用触控笔的真实性和触觉丰富性有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于震动触觉的触控笔与触控屏交互方法，该方法通过收集压力传感器和陀螺仪的数据控制特定排布的线性马达有序震动，向触控笔使用者提供方向性信息和自定义触觉反馈。

为达到上述目的，本发明设计了一种基于震动触觉的触控屏触觉交互触控笔装置，其包括：

触觉触控笔装置，包含传感器阵列，内有多种传感器，用于收集笔杆目前状态

触觉生成装置，由多个线性马达以不同姿态排布而成，用于向触控笔使用者输出方向性信息及自定义触觉。

进一步地，所述触觉触控笔装置材料为光敏树脂，外形呈笔状，尺寸为25*25*230(mm),总重量为78g。

进一步地，所述触觉触控笔装置包含压力传感器阵列和触觉生成装置安装口，所述压力传感器阵列位于触控笔装置内部，与笔身无刚性连接，其主要负责收集触控笔在使用过程中的各种信息。所述传感器阵列包含薄膜压力传感器，分别位于传感器阵列的四周和底部，所述传感器阵列包含陀螺仪传感器，位于传感器阵列末端。所述触觉生成装置安装口位于触觉触控笔装置的尾部，可以为触觉生成装置的更换提供便利。

进一步地，所述薄膜压力传感器都是由直径为7.5(mm)的圆形薄膜压力感受界面和导线组成，根据感受界面所受到的压力不同，压力传感器的电阻不同，可以换算为不同的压力值，量程2-5000(g)，

进一步地，所述陀螺仪可以测量三轴姿态和三轴加速度，用于实时测量触控笔装置当前姿态，姿态量程2000(度每秒)，加速度量程16(G)，使得触觉触控笔装置可以根据姿态匹配不同触觉。

进一步地，通过收集触控笔5向压力数据和陀螺仪姿态及加速度数据可以模拟还原触控笔装置在被使用过程中的实时状态，并通过尾部的数据线将信息上传给上位机，上位机通过传感器数据判断并输出最佳触觉。

进一步地，触觉生成装置为多个线性马达的组合，通过与触控笔装置轴心相垂直的四个线性马达提供垂直于触控笔的方向性信息，通过平行于触控笔轴心的两个线性马达提供平行于触控笔的方向性信息，触觉生成装置非刚性连接到触控笔装置的安装口，并通过接收上位机处理与映射的传感器数据提供相对应的触觉模式。

与现有技术相比，本发明具有的积极效果是：

本发明为触摸屏上的书写行为提供了一种基于震动触觉的触控笔装置，通过内置的传感器收集环境信息并进行分析，并使用包含线性马达的触觉生成装置接收分析后的指令并向使用者提供方向性信息和多种触觉体验，增加了使用触控笔书写过程中的触觉体验，同时不影响触控屏幕设备本身的属性，对触控笔交交互真实性和交互丰富性的提高有着重要的意义。

附图说明

图1为本发明触觉触控笔装置的示意图，图中虚线表示从当前方向看不到的装置的内部结构。

图2为本发明触觉生成装置提供的触觉模式示意图，图中虚线表示装置内部的震动马达。

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e为本发明触觉生成装置提供触觉模式示意图，其中坐标系以地面为YZ平面。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图做详细说明如下，本发明所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实例提供一种基于震动触觉的触控笔装置，包括触觉触控笔装置和触觉生成装置，如图一所示，其中1为触控笔外壳，2为压力传感器阵列，3为陀螺仪传感器,4为控制装置，5为触觉生成装置。其中触控笔外壳包含容纳2～4设备的接口，使得2～4与触控笔外壳非刚性连接，其中1～4构成触觉触控笔装置。

其中，压力传感器阵列包含承载薄膜压力传感器的基底和5个薄膜压力传感器。传感器基底从后部放入触控笔外壳，与外壳具有一定间距，并由装置3陀螺仪传感器限制基底的位置。薄膜压力传感器由压力感受面和信号导线，压力感受面通过粘性物质固定在传感器基底的指定位置上。

其中，陀螺仪传感器可以测量三轴陀螺仪和三轴加速度信息，陀螺仪传感器外壳不做明确规定，通过非刚性连接在触控笔外壳内，并通过信号导线向外传输信息。

其中，触觉生成装置位于触控笔外壳的尾部，与触控笔外壳非刚性连接，本发明不对触觉生成装置的外观最明确规定。触觉生成装置内部需要包含至少5个X轴线性马达，如图二所示，线性马达型号不做明确规定。其中4个线性马达呈垂直与触控笔中轴线偏心排布，且相互角度呈90度，使得4个线性马达可以模拟垂直于触控笔轴线上的所有方向的力，在实际使用过程中，四对马达相对于地面的方向可能并不相同，此时则通过姿态传感器的数据信息控制每个马达生成相对于地面坐标系固定的震动方向信息。其中最后一个线性马达的震动轴线与触控笔中轴线相重合，使得触控笔具有三轴触觉信息生成能力。触觉生成装置具有信号传输导线，通过导线接收线性马达控制信号。

其中控制装置位于触觉生成装置和陀螺仪传感器之间，通过信号导线连接装置2、3、5。控制装置内有高性能处理器，需要具备信息处理和传输能力。本发明不明确限定控制装置内处理器型号，是否需要与上位机连接及其连接方式。控制装置需要接受并处理装置2、3的传感器数据并给装置5发送控制信号。

经研究表明，有规律的震动可以为人体提供方向感的信息，而在玻璃屏幕上使用触控笔与使用传统纸质平面上书写的主要体验区别在玻璃屏幕摩擦系数较低，无法为触控笔提供与纸张相似大小的摩擦力，这使得触控笔使用者无法准确定位书写位置从而导致书写体验远不及纸张。使用经过设计的震动为使用者提供模拟摩擦力方向的触觉可以有效增强触控笔使用者的体验，本触觉触控笔提供至少5种类型的触觉，触觉示意图如图2所示：

1)第一线性马达、第二线性马达震动提供X轴方向上的方向性震动触觉。

2)第三线性马达、第四线性马达震动提供Y轴方向上的方向性震动触觉。

3)第一线性马达、第二线性马达、第三线性马达、第四线性马达依次震动提供围绕Z轴方向上的顺时针震动触觉。

4)第四线性马达、第三线性马达、第二线性马达、第一线性马达依次震动提供围绕Z轴方向上的逆时针震动触觉。

5)第五线性马达震动提供Z轴方向上的方向性震动触觉。

当第一线性马达、第二线性马达、第三线性马达、第四线性马达分别震动时，由于位置偏离触控笔中轴线，可以给触控笔使用者提供垂直于触控笔中轴线上、下、左、右四种方向性触觉信息，当第五线性马达震动时，由于与触控笔中轴线重合，可以随使用者按压笔尖力度而改变震动强度，给使用者提供反馈按压力度的触觉信息。

在图3的驱动示意图中详细说明了本实施例的驱动过程，图3a、图3b表示由两个线性马达生成的单一方向性触觉反馈过程，图3c表示了由四个线性马达参与生成的具有单一方向性触觉反馈过程；图3d表示了由4个线性马达参与产生的顺时针和逆时针触觉反馈过程，图3e表示虚拟力度触觉反馈过程，为了便于理解，现将其简要实施描述如下：

在图3a中，压力传感器收集压力值，陀螺仪装置收集触控笔目前姿态和加速度信息，压力传感器和陀螺仪将收集到的数据通过信号导线传输给控制装置，控制装置计算当前线性马达的震动强度，通过信号导线将对应控制信息传输给对应马达：图3a中第一线性马达震动、第三线性马达先后震动，由此产生X轴负方向的震动触觉；第三线性马达震动、第一线性马达先后震动，由此产生X轴正方向的震动触觉。

图3b中触觉产生原理与图3a中相似：图3b中第二线性马达震动、第四线性马达先后震动，由此产生Y轴负方向的震动触觉；第四线性马达震动、第二线性马达先后震动，由此产生Y轴正方向的震动触觉。

在图3c中，垂直于触控笔轴心的4个马达全部参与方向性触觉的生成，两个相邻的马达共同参与生成一个阶段的触觉，通过控制装置调节同一个阶段震动的两个相邻马达的震动强度大小，可以生成介于两个震动马达之间任意角度和前度的触觉：第一线性马达和第二线性马达先震动，第三线性马达和第四线性马达后震动，由此产生由第一象限到第三象限方向的震动触觉；第三线性马达和第四线性马达先震动，第一线性马达和第二线性马达后震动，由此产生由第三象限到第一象限方向的震动触觉；第一线性马达和第四线性马达先震动，第二线性马达和第三线性马达后震动，由此产生由第二象限到第四象限方向的震动触觉；第二线性马达和第三线性马达先震动，第一线性马达和第四线性马达后震动，由此产生由第四象限到第二象限方向的震动触觉。

图3d为顺时针与逆时针触觉生成过程：线性马达按第一线性马达、第二线性马达、第三线性马达、第四线性马达的顺序依次震动完成一个循环，重复播放该循环可以给使用者以Z轴正方向顺时针的触觉；线性马达按第四线性马达、第三线性马达、第二线性马达、第一线性马达的顺序依次震动完成一个循环，重复播放该循环可以给使用者以Z轴正方向逆时针的触觉。

图3e中，通过控制模块将压力传感器5的读书线性映射到第五线性马达中，可以给使用者以按压力度的触觉反馈。

以上通过形式表达和实施例对本发明方法进行了详细的说明，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，可以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的变化与修改。本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (5)

1.一种基于震动触觉的触控屏触觉交互触控笔装置，其特征在于包括：

触觉触控笔装置，包含传感器阵列，内有多种传感器，用于收集笔杆目前状态；

触觉生成装置，由多个线性马达以不同姿态排布而成，用于向触控笔使用者输出方向性信息及自定义触觉；

所述触觉触控笔装置包含压力传感器阵列和触觉生成装置安装口，所述压力传感器阵列位于触控笔装置内部，与笔身无刚性连接，负责收集触控笔在使用过程中的各种信息；所述传感器阵列包含薄膜压力传感器，分别位于传感器阵列的四周和底部，所述传感器阵列包含陀螺仪传感器，位于传感器阵列末端；所述触觉生成装置安装口位于触觉触控笔装置的尾部；

所述陀螺仪测量三轴姿态和三轴加速度，用于实时测量触控笔装置当前姿态，通过收集触控笔向压力数据和陀螺仪姿态及加速度数据模拟还原触控笔装置在被使用过程中的实时状态，并通过尾部的数据线将信息上传给上位机，上位机通过传感器数据判断并输出触觉；

触觉生成装置为多个线性马达的组合，通过与触控笔装置轴心相垂直的四个线性马达提供垂直于触控笔的方向性信息，通过平行于触控笔轴心的两个线性马达提供平行于触控笔的方向性信息，触觉生成装置非刚性连接到触控笔装置的安装口，并通过接收上位机处理与映射的传感器数据提供相对应的触觉模式。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：其中4个线性马达呈垂直与触控笔中轴线偏心排布，且相互角度呈90度，使得4个线性马达可以模拟垂直于触控笔轴线上的所有方向的力，在实际使用过程中，四对马达相对于地面的方向可能并不相同，此时则通过姿态传感器的数据信息控制每个马达生成相对于地面坐标系固定的震动方向信息；其中最后一个线性马达的震动轴线与触控笔中轴线相重合，使得触控笔具有三轴触觉信息生成能力；触觉生成装置具有信号传输导线，通过导线接收线性马达控制信号。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于：本触觉触控笔提供至少5种类型的触觉，具体如下：

第一线性马达、第二线性马达在同一水平线即第一水平线上上，第四线性马达、第三线性马达在另一条平行于前水平线上的第二水平线上；第五线性马达在第三个水平线上；

1)第一线性马达、第二线性马达震动提供X轴方向上的方向性震动触觉；

2)第三线性马达、第四线性马达震动提供Y轴方向上的方向性震动触觉；

3)第一线性马达、第二线性马达、第三线性马达、第四线性马达依次震动提供围绕Z轴方向上的顺时针震动触觉；

4)第四线性马达、第三线性马达、第二线性马达、第一线性马达依次震动提供围绕Z轴方向上的逆时针震动触觉；

5)第五线性马达震动提供Z轴方向上的方向性震动触觉。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于：当第一线性马达、第二线性马达、第三线性马达、第四线性马达分别震动时，由于位置偏离触控笔中轴线，可以给触控笔使用者提供垂直于触控笔中轴线上、下、左、右四种方向性触觉信息，当第五线性马达震动时，由于与触控笔中轴线重合，随使用者按压笔尖力度而改变震动强度，给使用者提供反馈按压力度的触觉信息。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于：压力传感器收集压力值，陀螺仪装置收集触控笔目前姿态和加速度信息，压力传感器和陀螺仪将收集到的数据通过信号导线传输给控制装置，控制装置计算当前线性马达的震动强度，通过信号导线将对应控制信息传输给对应马达：第一线性马达震动、第三线性马达先后震动，由此产生X轴负方向的震动触觉；第三线性马达震动、第一线性马达先后震动，由此产生X轴正方向的震动触觉；

第二线性马达震动、第四线性马达先后震动，由此产生Y轴负方向的震动触觉；第四线性马达震动、第二线性马达先后震动，由此产生Y轴正方向的震动触觉；

垂直于触控笔轴心的4个马达全部参与方向性触觉的生成，两个相邻的马达共同参与生成一个阶段的触觉，通过控制装置调节同一个阶段震动的两个相邻马达的震动强度大小，可以生成介于两个震动马达之间任意角度和前度的触觉：第一线性马达和第二线性马达先震动，第三线性马达和第四线性马达后震动，由此产生由第一象限到第三象限方向的震动触觉；第三线性马达和第四线性马达先震动，第一线性马达和第二线性马达后震动，由此产生由第三象限到第一象限方向的震动触觉；第一线性马达和第四线性马达先震动，第二线性马达和第三线性马达后震动，由此产生由第二象限到第四象限方向的震动触觉；第二线性马达和第三线性马达先震动，第一线性马达和第四线性马达后震动，由此产生由第四象限到第二象限方向的震动触觉；

线性马达按第一线性马达、第二线性马达、第三线性马达、第四线性马达的顺序依次震动完成一个循环，重复播放该循环可以给使用者以Z轴正方向顺时针的触觉；线性马达按第四线性马达、第三线性马达、第二线性马达、第一线性马达的顺序依次震动完成一个循环，重复播放该循环可以给使用者以Z轴正方向逆时针的触觉；

通过控制模块将压力传感器的读书线性映射到第五线性马达中，可以给使用者以按压力度的触觉反馈。