CN202694260U - 一种基于静电力触觉再现的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于静电力触觉再现的装置，属于触觉再现装置。包括：静电力触觉再现交互屏、手指轨迹跟踪单元、静电力触觉再现控制器、信号驱动单元、PC机。由手指轨迹跟踪单元检测手指位置，映射出视觉对象在该位置的触觉力表示方法；再根据电信号与触觉力的对应关系，生成表示该触觉力的电信号参量，输出驱动信号，放大驱动信号，作用于静电力触觉再现交互屏，引起手指皮肤形变而感知吸附和排斥，从而实现触觉的再现。优点在于：成本低、灵活性高、适用性强，可以在小型移动终端上实现触觉再现功能。
Description
技术领域
本实用新型属于一种触觉再现装置。
背景技术
高效自然的触觉再现技术能够加强虚拟现实的沉浸感和真实感，能够提供更为真实和直接的交互体验，将人类与虚拟世界的交流推向一个新的阶段，是目前虚拟现实领域的热点。触觉再现技术在科学教育、工业设计、盲人看图、远程医疗等起到重要的辅助作用。
目前，触觉再现技术大多是基于机械力的，比较典型的装置有日本Yasushi Ikei等人研制的针型接触式阵列，日本东京农业科技大学的Naoya Asamura等人研制的气体压力触觉再现装置，日本Takaaki Nara等人研制的基于锯齿表面的触觉再现装置，但是由于设备笨重很难在日常是生活中应用推广，静电触觉再现技术目前被普遍认为是实现触觉再现系统小型化的最主要方式，是触觉再现领域的最新技术。
2011年Ivan Poupyrev等在题为“Electrovibration for Touch Surfaces”的美国专利US 2011/0285667 A1中公开了一种基于电震动的触觉再现交互技术，采用电荷感应，在库仑力的相互作用，使人感知触觉的再现，介绍了触觉交互屏的工作原理，并不是一个完整的触觉再现装置。2011年Kajimoto Hiroyuki等在题为“Electrical Stimulation Device and Electrical Stimulation Method”的日本专利WO 2011/155089 A1中公开了一种基于电刺激的装置和电刺激的方法，但系统庞大复杂，难以小型化，适用性差。
发明内容
本实用新型提供一种基于静电力触觉再现的装置。
本实用新型采取的技术方案是：包括：
（1）静电力触觉再现交互屏，包括光学传感单元、静电力触觉再现面板、LCD显示面板，用于用户对静电力触觉再现装置的交互操作，
（2）手指轨迹跟踪单元，包括处理器及通信接口，用于获取图像信息后，计算出手指的位置坐标；
（3）静电力触觉再现控制器由处理单元、存储器、输出接口、USB通信接口、驱动信号输出接口、驱动控制接口组成，用于实时处理触觉再现算法，发射驱动信号，负责与PC机通信，控制整个系统的工作；
（4）信号驱动单元，由程控增益放大器组成，用于放大输出信号，驱动静电力触觉再现面板工作；
（5）PC机，具有USB接口的普通计算机。
本实用新型所述的静电力触觉再现交互屏结构是；LCD显示面板与PC机通信、用于显示视觉对象；光学传感单元与手指轨迹跟踪单元连接、用于实时获取手指位置检测图像；静电力触觉再现面板与信号驱动单元连接，在驱动信号作用下，实现触觉再现功能。
本实用新型所述的手指轨迹跟踪单元与光学传感单元连接，实时获取四个红外摄像头的成像信息，根据设定图像处理算法计算出手指的位置坐标，通过位置检测接口将手指位置坐标信息发送给静电力触觉再现控制器。
本实用新型所述的静电力触觉再现面板由透明绝缘薄膜、透明导电极板、玻璃底板组成，透明导电极板是通过喷镀的方法镀到玻璃底板上，透明绝缘薄膜粘合到透明导电极板上；给透明导电极板施加一定幅值电压与一定频率的驱动信号时，透明绝缘薄膜中的电子在库仑力的作用下脱离原子核的束缚，并且均匀排列在透明绝缘薄膜的下层，正电荷均匀分布在透明绝缘薄膜的上层，形成一个小型电场，手指触摸透明绝缘体薄膜的上表面，皮肤会感应电荷，当驱动信号电压或者频率变化时，手指感知不同触觉。
本实用新型所述的静电力触觉再现控制器结构是：处理单元与存储器连接，用于存储图像、算法程序等信息；处理单元通过信号增益控制接口控制信号驱动单元的放大倍数；处理单元控制D/A转换器产生特定电压幅度与频率的驱动信号；处理单元通过位置检测接口控制手指轨迹跟踪单元工作，以及接收位置坐标信息；处理单元通过USB通信接口与PC机通信。
本实用新型所述的信号驱动单元，通过D/A转换器接收驱动信号，与信号增益控制接口接收增益放大倍数信号，由程控增益放大器实时放大驱动信号，作用于透明导电极板，使静电力触觉再现面板工作。
本实用新型的优点在于：采用静电的库仑力作用实现触觉再现，装置成本低、灵活性高、适用性强，可以在小型移动终端上实现触觉再现功能。
附图说明
图1 是本实用新型的整体框图；
图2 是本实用新型的静电力触觉再现控制器框图；
图3 是本实用新型的静电力触觉再现控制器工作流程图；
图 4(A) 是本实用新型静电力触觉再现面板的结构示意图；
图4(B) 是本实用新型静电力触觉再现面板的结构截面图；
图5是本实用新型光学传感单元安装及手指轨迹跟踪单元原理框图；
图6是本实用新型手指轨迹跟踪单元的工作流程图；
图7 是本实用新型的信号驱动单元原理框图；
图8 是本实用新型静电力触觉再现的基本原理图；
图9(A) 是作用于导电极板的驱动信号为正电压时，静电力触觉再现面板与手指的电荷分布情况；
图9(B) 是作用于导电极板的驱动信号由正电压变为负电压时，静电力触觉再现面板与手指的电荷分布情况；
图9(C) 是作用于导电极板的驱动信号为负电压时，静电力触觉再现面板与手指的电荷分布情况；
图10(A) 是作用于静电力触觉再现面板上的手指产生吸引力的情况；
图10(B) 是示出手指与静电力触觉再现面板产生摩擦力的情况；
图11 是静电力触觉再现面板产生触觉力的流程图。
具体实施方式
包括：
（1）静电力触觉再现交互屏108，包括光学传感单元105、静电力触觉再现面板106、LCD显示面板107，用于用户对静电力触觉再现装置的交互操作，
（2）手指轨迹跟踪单元102，包括了处理器10201及通信接口10202，用于获取图像信息后，计算出手指的位置坐标；
（3）静电力触觉再现控制器103由处理单元201、存储器202、位置检测接口203、D/A转换器204，信号增益控制接口205，USB通信接口206，用于实时处理触觉再现算法，发射驱动信号，负责与PC机101通信，控制整个系统的工作；
（4）信号驱动单元104，由程控增益放大器组成，用于放大输出信号，驱动静电力触觉再现面板工作；
（5）PC机101，具有USB接口的普通计算机。
本实用新型所述的静电力触觉再现交互屏结构是；LCD显示面板107与PC机101通信、用于显示视觉对象；光学传感单元105与手指轨迹跟踪单元102连接、用于实时获取手指位置检测图像；静电力触觉再现面板106与信号驱动单元104连接，在驱动信号作用下，实现触觉再现功能。
本实用新型所述的手指轨迹跟踪单元102与光学传感单元105连接，实时获取四个红外摄像头10502的成像信息，根据设定图像处理算法计算出手指的位置坐标，通过位置检测接口203将手指位置坐标信息发送给静电力触觉再现控制器。
本实用新型所述的静电力触觉再现面板由透明绝缘薄膜10601、透明导电极板10602、玻璃底板10603组成，透明导电极板是通过喷镀的方法镀到玻璃底板上，透明绝缘薄膜通过粘合剂10604粘合到透明导电极板上；给透明导电极板施加一定幅值电压与一定频率的驱动信号时，透明绝缘薄膜中的电子在库仑力的作用下脱离原子核的束缚，并且均匀排列在透明绝缘薄膜的下层，正电荷均匀分布在透明绝缘薄膜的上层，形成一个小型电场，手指触摸透明绝缘体薄膜的上表面，皮肤会感应电荷，当驱动信号电压或者频率变化时，手指感知不同触觉。
本实用新型所述的静电力触觉再现控制器结构是：处理单元201与存储器202连接，用于存储图像、算法程序等信息；处理单元通过信号增益控制接口205控制信号驱动单元104的放大倍数；处理单元控制D/A转换器204产生特定电压幅度与频率的驱动信号；处理单元通过位置检测接口203控制手指轨迹跟踪单元工作，以及接收位置坐标信息；处理单元通过USB通信接口206与PC机101通信。
本实用新型所述的信号驱动单元104，通过D/A转换器接收驱动信号，与信号增益控制接口接收增益放大倍数信号，由程控增益放大器实时放大驱动信号，作用于透明导电极板，使静电力触觉再现面板工作。
下面结合附图对本实用新型作进一步描述：
图1是示出本实用新型提出的静电力触觉再现装置的整体框图，包括：PC机101、静电力触觉再现交互屏108、手指轨迹跟踪单元102、静电力触觉再现控制器103、信号驱动单元104。
主要功能：利用手指轨迹跟踪单元102检测用户的手指位置，将虚拟环境中生成的触觉反馈给用户。用户和虚拟模型之间通过触觉再现交互屏进行交互，虚拟物体模型要能准确反映手指受力后的变形情况，而静电力触觉再现控制器103根据交互情况，获取物体的位置，计算反作用力的大小、映射触觉力的特性、改变电信号参量、生成特定频率与幅度信号，经信号驱动单元104驱动后作用于静电力触觉再现交互屏108，将触觉信息实时反馈给用户。
工作流程：首先，静电力触觉再现控制器103根据视觉对象的物理属性，建立物体的三维触觉反馈模型。接着，由手指轨迹跟踪单元102检测手指的位置，发送给静电力触觉再现控制器103，根据视觉对象的三维触觉反馈模型对应关系，推导出视觉对象所对应位置触觉力的表示方法，再根据电信号与触觉力模型的映射关系，生成表示该触觉力的电信号参量，输出一定频率和幅度的驱动信号。驱动信号经过信号驱动单元104放大，控制触觉交互屏上的电荷变化，在透明绝缘薄膜中形成一个小型电场，由于库仑力的相互作用，引起手指的皮肤变形而感知吸附和排斥触觉，从而实现触觉的再现。
图2是示出根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的静电力触觉再现控制器框图，由处理单元201、存储器202、USB通信接口206、信号增益控制接口205、位置检测接口203、D/A转换器204组成，处理单元201使用的是TI公司的TMS320VC5502，存储器202由SDRAM和FLASH组成。使用D/A转换器TLC320AD50C 204与DSP连接产生正/负周期震荡信号，并且通过信号增益控制接口205控制信号驱动单元104放大驱动信号，USB通信接口206负责与PC机101通信。位置检测接口203与手指轨迹跟踪单元102连接。当然，它的功能不局限与这些，可以根据不同环境的需求，集成不同的模块。
图3是示出了根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的静电力触觉再现控制器的工作流程图。首先初始化通信接口301，接收PC机发送的图像信息、建立图像纹理力模型302，在控制手指位置检测单元获取手指位置坐标303，计算手指位置坐标对应的纹理力的信号表示方法304，控制D/A转换器输出特定频率及幅度的驱动信号305，控制信号驱动单元放大驱动信号306。
图4(A) 是示出了根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的静电力触觉再现面板106的结构图，触觉再现交互板面中的透明绝缘薄膜10601位于触觉再现交互板面的最顶层，是手指接触的平面，也是在给透明导电极板10602供电后，电子在库仑力作用下脱离原子核束缚，形成一个小型电场。该层透明绝缘薄膜10601需要满足一下条件：透明、绝缘、低电压电离作用。按理论分析，只要满足以上条件的透明绝缘薄膜10601都可以使用在该静电力触觉再现板面上，但是透明绝缘薄膜10601位于静电力触觉再现板面的最上层，是手指直接接触的表面，需要考虑该绝缘层对人的固有触觉反应，因此采用大量实验选择出使人触摸感觉到柔软度、纹理属性合适的材料。
透明导电极板10602与信号驱动单元连接，是触觉再现交互板面的电信号驱动部分。该极板的材料可以为导电橡胶、导电液体、导电胶合物、导电玻璃及ITO等导电物质。经过比较，选择了透明导电薄膜ITO，该薄膜的透光率在90%以上，电阻率介于10- 3～10- 4 Ω·cm 之间，满足静电力触觉再现面板106的使用要求。
玻璃底板10603是为了屏蔽下层显示设备对导电极板的干扰，拟使用不能导电的透明玻璃平板作为该层底板。
图4(B) 是示出根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的静电力触觉再现面板的结构截面图，静电力触觉再现面板的三层结构由下而上分别是玻璃底板10603、透明导电极板10602、透明绝缘薄膜10601。透明导电极板10602通过喷镀的方法将ITO透明薄膜镀在玻璃底板上，而透明绝缘薄膜10601是通过粘合剂10604粘贴在导电极板上。
图5是示出根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的光学传感单元安装及手指轨迹跟踪单元原理框图。光学传感单元105位于静电力触觉交互屏的最顶层，光学传感单元105的四个角装有红外摄像头10502，上边缘两角装有红外发光管10501，其余三边装有红外光反色条10503、光学传感单元105与手指轨迹跟踪单102连接。手指轨迹跟踪单元102，由处理器10201与通信接口10202组成，处理器控制光学传感单元105，获取图像信息，实现手指位置406的定位，通过通信接口10202发送给静电力触觉再现控制器。
图6是示出根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的手指轨迹跟踪单元的工作流程图。初始化通信接口601，接收静电力触觉再现控制器发送的启动信号602，控制光学传感单元获取图像信息603，经过图像处理算法计算出手指的位置坐标604。通过通信接口向静电力触觉再现控制器发送手指位置坐标信息605。
图7 是示出根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的信号驱动单元104原理框图，主要由程控增益放大器组成，接收D/A转换器204发送过来的驱动信号，在信号增益控制接口205的控制信号作用下放大驱动信号，作用于静电力触觉再现面板106。
图8是示出根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的静电力触觉再现面板的基本原理框图，给透明导电极板施加电信号V（t）时，手指触摸透明绝缘薄膜10601的上表面，手指皮肤表面感应有静电荷，电荷之间有库仑力的相互作用，使手指的皮肤发生变形，感受到有吸引力Fe的作用，当手指滑动时，手指会感受到手指与透明绝缘薄膜10601之间有摩擦力Fr的作用。由于施加的电信号V（t）的幅度是周期性变化的，所以手指变形也是周期性变化的，导致Fe与Fr也发生了周期形变，从而实时改变手指触觉。
图9(A)-(C)是示出根据本实用新型基于静电力触觉再现装置提出的正/负周期性震荡信号产生静电场过程图，在透明导电极板10602上输入正/负周期性震荡信号V（t）时，透明导电极板上将交替布满正/负电荷，如图9(A)中的时刻，透明导电极板上带正电荷，在库仑力的吸引作用下，透明绝缘薄膜10601下表面布满了负电荷，而上表面分布着正电荷，形成一个小型电场，当人的手指触碰透明绝缘薄膜的上表面时，手指的皮肤感应负电荷。
图9(B)是示出随着导透明电极板10602的输入信号V（t）正/负周期性振荡，透明绝缘薄膜10601内的电荷周期性“跳跃”，导致手指的皮肤上同时聚集了正/负电荷。
图9(C)是示出输入信号V（t）的电压幅值由负电压变为负电压后，透明导电极板10602均匀分布负电荷时，引起透明绝缘薄膜10601下表面聚集了正电荷，上表面分布着负电荷。手指接触绝缘体上表面时，由库仑力的相互作用，指尖上携带了正电荷。
综上所述，输入正弦波信号V（t）施加于导电极板，绝缘薄膜内部正负电荷周期性“跳跃”，从而产生一个周期性振荡电场。当手指触摸触觉力反馈面板时，手指因电荷感应而周期性携带正负电荷，电荷间库仑力相互作用，使手指感知触觉力作用。
图10(A)-(B)是示出本实用新型基于静电力触觉再现装置，电荷间的库仑力相互作用产生触觉力的过程图，当电压峰值足够大的正/负周期震动信号V（t）作用于透明导电极板10602时，由于库仑力的作用，在手指感知到透明绝缘薄膜10601吸引力Fe的作用，Fe的强弱与手指上的感应电荷多少有关，也是与驱动信号的电压幅度有关。感应吸引力Fe的大小在图10(A)中用实心箭头表示。
图10(B)表示了手指感知吸引力及手指移动时与透明绝缘薄膜表面产生的摩擦力。吸引力Fe的大小与输入信号V（t）的电压幅值有关，故摩擦力也随输入信号V（t）周期性变化，导致手指上皮肤变形也是周期性的。
图11是示出静电力触觉再现面板产生触觉力的流程图，首先在玻璃底板与透明绝缘薄膜的之间的透明导电极板施加驱动信号V(t)1101，当人的手指在静电力触觉再现交互屏表面滑动时，吸引力Fe与摩擦力Fr的周期性变化使手指与触摸表面的皮肤发生变形，产生触觉反馈1102，使人感知视觉对象的纹理变化。
一种基于本实用新型静电力触觉再现装置的静电触觉再现原理如下：
一．在导电极板上输入峰值足够大的正/负电压周期振荡信号，导电极板上将交替布满正/负电荷。当信号幅值为正电压时，透明导电极板上布满了正电荷，由于库仑力的吸引作用，透明绝缘体薄膜的下表面分布着负电荷，而上表面分布着正电荷。当人的手指接触透明绝缘体薄膜的上表面时，手指皮肤感应负电荷。
二．当信号幅值为负电压时，导电极板上带负电荷，由于库仑力的吸引作用，绝缘体薄膜的下表面布满了正电荷，而上表面分布着负电荷。当人的手指触摸透明绝缘体薄膜的上表面时，手指的皮肤感应正电荷。
三．随着输入信号的周期振荡，透明绝缘薄膜内的电荷周期性“跳跃”，导致手指皮肤上同时聚集正/负电荷。
四．在静电力触觉再现面板上施加驱动信号后，若手指触碰静电力触觉再现面板，由于电荷间库仑力相互作用，手指会感觉到有吸引力的作用。此时，手指在静电力触觉再现面板上表面滑动，将产生手指与静电力触觉再现面板上表面间的摩擦力。
五．驱动信号与触觉的关系，手指触觉感知取决于驱动信号的变化，因为电信号的幅度和频率变化时，手指皮肤的变形发生变化，人感知的触觉也在变化。静电力触觉再现面板可以抽象为一个平行板电容器，对手指产生的触觉力的大小可用以下公式近似得到
其中， 为常数，d为两平行板间的距离。
然而，该公式仅表征了力的大小，仅与电压信号的幅度有关。但是，在实际中触觉并不仅是单纯的力，更是一种细腻的感觉，触觉的再现也与电压的频率有密切关系。经过实际测试，在高频时，电压幅度的增加会给人更强的柔滑的感觉，在低频时，电压幅度的增加会给人更强的粘性的感觉。驱动信号与触觉的关系是非线性的，且受多种因素的影响。同时，由于每个人的感觉是千差万别的，涉及到了生理学、心理学等多方面因素，属于交叉前沿技术。采用以下方法协调人的感知，首先记录当电压幅度一定时，不同的频率变化所给人的感觉的体验；再记录当电压频率一定时，不同的幅度变化所给人的感觉的体验。由于每个人的个体生理差异，需要对多个人进行测试，建立一个数据库，由其中的数据，利用统计学的方法，通过模式识别的相关理论，采用人工神经网络的处理办法，建立一个网络系统，通过学习与训练，使其具有自适应与自组织能力，从而抽象出两者之间的关系模型，进而更加真实的再现触觉力。
Claims (6)
1.一种基于静电力触觉再现的装置，其特征在于：包括：
（1）静电力触觉再现交互屏，包括光学传感单元、静电力触觉再现面板、LCD显示面板，用于用户对静电力触觉再现装置的交互操作，
（2）手指轨迹跟踪单元，包括处理器及通信接口，用于获取图像信息后，计算出手指的位置坐标；
（3）静电力触觉再现控制器由处理单元、存储器、输出接口、USB通信接口、驱动信号输出接口、驱动控制接口组成，用于实时处理触觉再现算法，发射驱动信号，负责与PC机通信，控制整个系统的工作；
（4）信号驱动单元，由程控增益放大器组成，用于放大输出信号，驱动静电力触觉再现面板工作；
（5）PC机，具有USB接口的普通计算机。
2.根据权利要求1所述的一种基于静电力触觉再现的装置，其特征在于：静电力触觉再现交互屏结构是；LCD显示面板与PC机通信、用于显示视觉对象；光学传感单元与手指轨迹跟踪单元连接、用于实时获取手指位置检测图像；静电力触觉再现面板与信号驱动单元连接，在驱动信号作用下，实现触觉再现功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于静电力触觉再现的装置，其特征在于：手指轨迹跟踪单元与光学传感单元连接，实时获取四个红外摄像头的成像信息，根据设定图像处理算法计算出手指的位置坐标，通过位置检测接口将手指位置坐标信息发送给静电力触觉再现控制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于静电力触觉再现的装置，其特征在于：静电力触觉再现面板由透明绝缘薄膜、透明导电极板、玻璃底板组成，透明导电极板是通过喷镀的方法镀到玻璃底板上，透明绝缘薄膜粘合到透明导电极板上；给透明导电极板施加一定幅值电压与一定频率的驱动信号时，透明绝缘薄膜中的电子在库仑力的作用下脱离原子核的束缚，并且均匀排列在透明绝缘薄膜的下层，正电荷均匀分布在透明绝缘薄膜的上层，形成一个小型电场，手指触摸透明绝缘体薄膜的上表面，皮肤会感应电荷，当驱动信号电压或者频率变化时，手指感知不同触觉。
5.根据权利要求1所述的基于静电力触觉再现的装置，其特征在于：静电力触觉再现控制器结构是：处理单元与存储器连接，用于存储图像、算法程序等信息；处理单元通过信号增益控制接口控制信号驱动单元的放大倍数；处理单元控制D/A转换器产生特定电压幅度与频率的驱动信号；处理单元通过位置检测接口控制手指轨迹跟踪单元工作，以及接收位置坐标信息；处理单元通过USB通信接口与PC机通信。
6.根据权利要求1所述的基于静电力触觉再现的装置，其特征在于：信号驱动单元，通过D/A转换器接收驱动信号，与信号增益控制接口接收增益放大倍数信号，由程控增益放大器实时放大驱动信号，作用于透明导电极板，使静电力触觉再现面板工作。
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