CN203746014U - 一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置，属于多点静电力触觉再现装置。静电力控制器，阻抗检测单元，信号驱动单元以及触觉再现屏，其中静电力控制器包括核心处理器以及波形产生电路，用于产生幅度频率可程控的驱动波形；阻抗检测单元用于测量系统的阻抗，从而改变驱动信号的参数来保持触觉感受的一致；信号驱动单元由集成运算放大器，射极跟随器电路以及晶体管放大电路构成，用于放大输出波形的幅度；触觉再现屏包括玻璃底板、透明导电极板阵列和透明绝缘膜，用于实现多点触觉反馈。优点是：触觉反馈速度快，系统功耗低，实时性强，稳定度高，精度高，输出触觉反馈范围大，可以实现多点触觉反馈。

Description

一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置

技术领域

本实用新型涉及一种自适应多点静电力触觉再现装置。

背景技术

触觉再现在人机交互和虚拟现实中都扮演着非常重要的角色，可以提供更真实的沉浸感，使用户的感受得到大幅度的提升。结合触觉感受，可以使虚拟现实变得更为自然，提高系统的稳定性和可靠性。目前，国内外有着多种触觉再现解决方案，如基于机械振动的触觉再现，基于磁悬浮的触觉再现以及基于静电力的触觉再现等。

基于机械振动的触觉再现是利用实际的机械振动来模拟触觉感受，可以实现较高的作用力输出和再现刚度，能够满足纹理再现所需的高精度，但功耗比较大且机械结构复杂昂贵。基于磁悬浮的触觉再现是通过磁悬浮技术来施加方向力和力矩，再现的触觉精度高，但是实现触觉的设备笨重，难以在移动终端设备上应用。

基于静电力的触觉再现技术是通过给覆盖有绝缘层的导电极板施加不同的驱动信号来产生不同触觉感受的技术。基于电触觉技术的研究是国际上研究触觉反馈的一大热点，属于前沿技术。与其他几种触觉再现解决方案相比，基于静电力的触觉再现有以下几方面的优势：

1、工作过程中驱动信号的电压高但是电流很小，系统功耗很低。

2、绝缘层和皮肤上感应电荷之间的作用力来使皮肤变形，没有机械移动，基本上没有噪声。

3、只有移动的手指才能感受到触觉力，系统中同一时刻只有一个手指移动时，可以实现多点交互。

4、装置尺寸小，结构简单，可以在移动终端设备上应用。

静电力触觉再现作为一种优点突出的触觉再现技术，一直受到关注。孙晓颖等在题为“一种基于静电力触觉再现的装置”的中国专利CN202694260U中公开了一种基于静电力的触觉再现技术。由手指跟踪单元检测手指在触觉屏上的位置，根据电信号与触觉力对应关系，生成表示相应触觉力的电信号参量，从而实现触觉再现。但是触觉再现信号不能根据实际情况进行自适应的改变，而且只能够实现单点的触觉再现。Ivan POUPYREV等在题为“Electrovibration for Touch Surfaces”的美国专利US2011/0285667A1中公开了一种基于电震动的触觉再现交互技术，利用电荷间的库仑吸引力以及手指滑动产生的摩擦力来模拟触觉感受，给出了触觉反馈的原理及相关的初步实验，并没有给出具体的实现方法。Ville Makinen等在题为“Techniques forPresenting Vehicle‐related Information”的美国专利US8026798B2中提出了利用触觉再现装置呈现车辆相关信息的方法。给出了触觉再现面板在方向盘上的摆放方式以及所呈现的车辆相关信息的编码方式。可以通过触觉再现面板提供触觉感受的不同来给出车辆速度等信息。但这种方式仅能提供一些比较简单的可以量化的信息，并不能提供丰富的触觉感受。

发明内容

本实用新型提供一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置，以解决目前触觉再现系统精度低、实时性差、稳定度不高以及不适合嵌入到便携设备中等问题。

本实用新型采取的方案是：包括：

静电力控制器，包括处理器，该处理器与数模转换器连接，该数模转换器与低通滤波器连接，电源、存储器、编程接口、晶振、阻抗检测接口，幅度控制接口，按键显示接口分别与处理器连接；

信号驱动单元，包括集成运算放大器与射极跟随器电路相连接，射极跟随器电路与晶体管放大电路相连接；

阻抗检测单元，包括顺序电连接的交流电流源，信号拾取器、信号放大器、信号解调器、模数转换器以及阻抗信号分析处理器；

触觉再现屏，包括相互连接的玻璃底板、透明导电极板阵列和透明绝缘膜。

本实用新型具有以下的优点：

1、采用直接数字频率合成技术合成波形，得到的波形频率分辨率高、输出频点多、频率切换速度快、可以产生任意波形、全数字化实现、便于集成、体积小、重量轻。

2、数模转换器参考电压取前级波形的形式控制输出波形的幅度，可以实现波形幅度的程序控制，输出波形幅度精度高，稳定性好。

3、信号驱动单元采用负反馈的放大电路，可以有效的抑制温度等外界因素对电路的影响，提高电路的稳定性。集成运算放大器接成同相比例放大器的形式，放大倍数修改方便。

4、工作过程中驱动信号的电压高但是电流小，系统功耗低，可以应用在对功耗要求比较高的移动终端上。

5、绝缘层和皮肤上感应电荷之间的作用力来使皮肤变形，没有机械移动，基本上没有噪声。

6、只有移动的手指才能感受到触觉力，系统中同一时刻只有一个手指移动时，可以实现多点交互。

7、装置尺寸小，结构简单，对现有设备进行很小的改动就可以增加触觉反馈，有非常好的可扩展性。

附图说明

图1是本实用新型装置的整体框图；

图2是本实用新型中静电力控制器的硬件结构布局图；

图3是本实用新型中信号驱动单元的结构框图；

图4是本实用新型中信号检测单元的结构框图；

图5是本实用新型中静电力触觉再现的基本原理；

图6是本实用新型中多点触觉再现的独立信号源实现方式；

图7是本实用新型中多点触觉再现的寻址扫描实现方式；

图8是本实用新型静电力触觉再现实现的流程图；

图9A是设备接地时静电力触觉再现面板电容耦合示意图；

图9B是设备不接地时静电力触觉再现面板电容耦合示意图；

图9C是导电极板和手指导电组织之间的电容耦合示意图；

图10是驱动信号幅度变化给人触觉感受的不同；

图11是驱动信号幅度以及频率变化给人触觉感受的不同。

具体实施方式

一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置，包括：

静电力控制器101，包括处理器，该处理器与数模转换器连接，该数模转换器与低通滤波器连接，电源、存储器、编程接口、晶振、阻抗检测接口，幅度控制接口，按键显示接口分别与处理器连接；

信号驱动单元102，包括集成运算放大器1021与射极跟随器电路1022相连接，射极跟随器电路与晶体管放大电路1023相连接；

阻抗检测单元103，包括顺序电连接的交流电流源1031，信号拾取器1032、信号放大器1033、信号解调器1034、模数转换器1035以及阻抗信号分析处理器1036；

触觉再现屏104，包括相互连接的玻璃底板1043、透明导电极板阵列1042和透明绝缘膜1043。

下面结合附图对本实用新型做进一步描述：

图1是本实用新型提出的一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置100的整体框图。由图所示，该系统由静电力控制器101，信号驱动单元102，阻抗检测单元103以及触觉再现屏104组成。静电力控制器101包括核心处理器以及波形产生电路，用于产生幅度频率可程控的驱动波形；信号驱动单元102由集成运算放大器，射极跟随器电路以及晶体管放大电路构成，用于放大输出波形的幅度；阻抗检测单元103用于测量用户和地之间的阻抗，从而改变驱动信号的参数来保持触觉感受的一致；触觉再现屏104包括玻璃底板、导电极板阵列以及透明绝缘层构成，用于实现多点触觉反馈。

图2是静电力控制器101的硬件结构布局图，如图所示，根据本实用新型，将波形数据存储在存储器中，处理器将波形数据送到数模转换器中，在数模转换器的输出端输出模拟波形，低通滤波器滤除波形中的高频分量，得到较为平滑的输出波形。除此之外还包括电源、存储器、编程接口、幅度控制接口、按键显示接口等，由于这些组件是本领域人员已知的常用组件，因此，这里不再赘述。

图3是本实用新型中信号驱动单元的结构框图。信号驱动单元102由集成运算放大器1021，射极跟随器电路1022以及晶体管放大电路1023构成，用于放大输出波形的幅度。集成运算放大器1021接成同相比例放大电路的形式，将输入电压等比例的放大，通过射极跟随器1022提高电路的负载能力，最后通过两级级联的晶体管放大电路1023将波形幅度进一步提高。

图4是本实用新型中阻抗检测单元103的结构框图。阻抗检测单元103包括交流电流源1031，信号拾取器1032、信号放大器1033、信号解调器1034、模数转换器1035以及阻抗信号分析处理器1036，用于测量用户和地之间的阻抗，从而改变驱动信号的幅度、频率、载波频率以及直流偏置电压等相关参数来保持触觉感受的一致。

图5是本实用新型中静电力触觉再现屏的基本结构及原理，触觉再现屏104包括玻璃底板1043、透明导电极板1042以及透明绝缘层1041。将驱动波形加载到透明导电极板1042上，导电极板上带有相应极性的电荷，手指中导电组织感应出相反极性的电荷，电荷之间相互吸引产生库仑力，使手指皮肤发生变形，感受到相应的吸引力f_e，手指滑动和透明绝缘层摩擦，感受到相应的摩擦力f_r。透明导电极板和手指的导电组织构成电容器的两个极板，外层干燥皮肤和透明绝缘层构成电容器的介质层。吸引力大小为：

$f_e\left(t\right)=\frac{\mathrm{QE}}{2}=\frac{\mathrm{QU}}{2d}=\frac{{\mathrm{CU}}^2}{2d}$

由于手指和透明绝缘层接触，等效空间电容极板的间距很小，所以这里电容C可以等效为透明绝缘层电容和手指外层皮肤电容的串联：

将电容C带入吸引力公式可得：

$f_e\left(t\right)=\frac{{\mathrm{CU}}^2}{2d}=\frac{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_p}{{\mathrm{\ϵ}}_s{d}_p+{\mathrm{\ϵ}}_p{d}_s}{V}^2\left(t\right)}{2(d_s+d_p)}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A{V}^2\left(t\right)}{2(d_s+d_p)\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s{d}_p+{\mathrm{\ϵ}}_p+d_s}{{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_p}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A{V}^2\left(t\right)}{2(d_s+d_p)(\frac{d_s}{{\mathrm{\ϵ}}_s}+\frac{d_p}{{\mathrm{\ϵ}}_p})}$

经过变形，可以得出：

$V\left(t\right)=\sqrt{\frac{2f_e\left(t\right)(\frac{d_s}{{\mathrm{\ϵ}}_s}+\frac{d_p}{{\mathrm{\ϵ}}_p})(d_s+d_p)}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}}$

这里f_e是静电力的大小；V是手指和导电极板之间的驱动电压；ε₀、ε_s、ε_p分别是空间、外层皮肤以及绝缘层的介电常数；d_s和d_p分别是外层皮肤和绝缘层的厚度，A是有效接触面积。透明导电极板和手指的导电极板上加载不同的驱动信号，手指感受到的吸引力和摩擦力就不同，从而得到不同的触觉感受。

图6和图7是多点触觉再现的两种实现方式。如图4所示，可以为每一个触觉再现面板104提供独立的驱动信号产生电路，各个驱动电路之间互不影响，这种实现方式简单有效，但是当触觉再现面板数目多的时候电路会很复杂。如图7所示，可以利用一个驱动电路，通过一个程控开关701来为不同的触觉再现面板加载驱动信号。程控开关701依次循环地为每个触觉再现面板104提供驱动信号，且同一时刻只有一个触觉面板104加载有驱动信号。程控开关701转换非常快，每个触觉再现面板104得到的驱动波形都是脉冲幅度调制波形。

图8是触觉反馈的流程图。首先阻抗检测单元103检测用户和设备之间的阻抗801，静电力控制器101根据阻抗生成相应大小的驱动信号802，程控开关701将驱动信号加载到触觉再现面板104上，触觉再现面板上滑动的手指105中导电组织带有感应电荷，电荷吸引产生吸引力及相应的摩擦力，使手指皮肤发生变形，就可以感受到相应的触觉感受804。

图9A是设备接地时触觉屏电容耦合模型的电场分布情况,如图所示,C1是透明导电极板和手指中导电组织之间形成的电容，而C2是用户的寄生电容。加载到导电极板和用户之间的电压是由电容C1和电容C2的比例决定的，也就是图中所示的U1:

$U1=\frac{C2}{C1+C2}U$

加载到手指上的电压U1小于系统的驱动电压U，而且在一般情况下，设备的参考电压不能保证接地，如图11所示，这样的话就进一步减小了加载到手指上的电压。在设计的过程中应当尽量减小电容C1的值，至少要保证C1的值不能明显大于C2的值。

图9C是透明导电极板和手指导电组织之间的电容等效模型，由三个电容串联组成，透明绝缘层电容C_i，透明绝缘层和手指之间空气间隙电容C_a，手指最外层皮肤电容C_s，每个电容容值可由以下公式给出：

$C=\mathrm{\ϵ}\frac{S}{d}$

ε是绝缘材料的介电常数，S是等效电容器的有效面积，d是电容器两个极板之间的距离。C1的整体容值由三个串联电容中容值最小的电容决定。当手指接近而不是触摸触觉再现面板的时候，电容耦合作用非常微弱，C1主要由空气间隙电容C_a决定。当手指触摸触觉再现面板的时候，有效的空气间隙非常小，由于电容的容值和电容器两个导电极板之间的距离成反比，这时空气间隙电容比较大，C1主要由透明绝缘层电容C_i和手指最外层皮肤电容C_s决定。因此，选择好绝缘层的厚度和介电常数有助于增强触觉感受。

图10是触觉面板104上驱动信号强度的变化可以用来实现不同的触觉感受。触觉再现面板104由玻璃底板1043，透明导电极板1042，透明绝缘层1041组成。触觉面板104上包含三个触觉感应区域A、B、C，分别位于x轴的{x₁，x₂}，{x₃，x₄}，{x₅，x₇}上。当控制器1001探测到手指运动到三个触觉感应区域中任何一个的左端时，就改变提供给透明导电极板1042驱动信号的强度。手指在触觉感应区域A左端运动的时候提供低强度的驱动信号，在触觉感应区域A上运动的时候提供中等强度的驱动信号，在运动到区域A和区域B之间的时候再一次提供低强度的驱动信号，区域A和区域B的情况基本相同，而手指运动到区域C的时候驱动信号强度由中等强度突变为高强度。这样，手指在触觉感应区域A和B上感受到的触觉感受是相同的，在触觉感应区域C上得到的是另一种触觉感受。图11对图10进行了推广，不同触觉感受区域中不仅驱动信号的强度发生了改变，驱动信号的频率也发生了改变，这样可以提供更为丰富的触觉感受。

Claims (1)

1.一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置，其特征在于包括：

静电力控制器，包括处理器，该处理器与数模转换器连接，该数模转换器与低通滤波器连接，电源、存储器、编程接口、晶振、阻抗检测接口，幅度控制接口，按键显示接口分别与处理器连接；

信号驱动单元，包括集成运算放大器与射极跟随器电路相连接，射极跟随器电路与晶体管放大电路相连接；

阻抗检测单元，包括顺序电连接的交流电流源、信号拾取器、信号放大器、信号解调器、模数转换器以及阻抗信号分析处理器；

触觉再现屏，包括相互连接的玻璃底板、透明导电极板阵列和透明绝缘膜。