一種用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置及交互方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置，包括指套組件和移動終端，觸摸屏表面貼有絕緣薄膜和靜電薄膜；指套組件包括控制模塊、導電橡膠套、測力傳感器和壓電傳送器，測力傳感器固定連接在壓電傳送器上表面；控制模塊包括觸覺裝置控制單元、電源、無線通信模塊、第一觸覺驅動器和第二觸覺驅動器，無線通信模塊與觸覺裝置控制單元的串口連接，第一觸覺驅動器的電壓輸出端口與壓電傳送器連接，第二觸覺驅動器的電壓輸出端口與靜電薄膜連接。該交互裝置使用穿戴式指套和移動終端進行力觸覺交互，便于攜帶。同時還提供該裝置的交互方法，該方法提供切向和法向的力觸覺反饋，給使用者提供良好的觸覺交互體驗。
【專利說明】一種用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置及交互方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于力觸覺交互領域，具體來說，涉及一種用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置及交互方法。
【背景技術】
[0002]高效自然的力觸覺再現技術能夠加強虛擬現實的沉浸感和真實感，能夠提供更為真實和直接的交互體驗，將人類與虛擬世界的交流推向一個新的階段，是目前虛擬現實領域的熱點。隨著力觸覺再現技術應用領域的拓寬，便攜式、能與移動終端無縫銜接的力觸覺交互裝置的設計也日益迫切。
[0003]國內外在移動終端的力觸覺交互設備研究中，大部分采用了靜電薄膜的方法。日本電信通信大學研制的一種用于移動觸摸屏的透明電觸覺薄膜，該薄膜在顯示屏關機情況下能看出其形狀，但在顯示屏亮起后近似為透明，可以貼附在普通電容屏上使用，電極點陣式分布，觸摸時會根據圖像的凹凸給予靜電反饋，增強手部觸覺感受。美國西北大學的Michael A.Peshkin研制了一種能夠讓人感知運動過程中剪切力的靜電薄膜。也有一些力觸覺交互設備僅僅采用振動的方法。布里斯托爾大學計算機科學系研制了一款能夠提供多點力觸覺反饋的移動電視輔助裝置。該力反饋裝置安裝在普通移動電視的背面，在移動電視背面安裝超聲發射器陣列，手指觸摸時能夠感受到超聲空氣壓力波的振動感。韓國釜山國立大學的Jin-Hun Park等人致力于提升手機中的線性振動傳感器性能，提出了一個新穎有效的磁路設計，從而增加了磁力，使其在保證快速響應的同時，提高線性振動器傳遞的力，增強線型振動器的振動強度。
[0004]目前大部分移動終端的力觸覺交互設備均采用靜電力與移動終端結合的方式設計，外置式的力觸覺交互設備較少。此外，力反饋大多局限在開關型力信號的輸出，難以表達出圖像完整的凹凸信息。以上用于移動終端的力觸覺交互設備體積較大，不利于攜帶，成本較高，并且只能提供切向或者法向的力反饋，無法給使用者提供良好的交互體驗。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提供一種用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置，該交互裝置使用穿戴式指套和移動終端進行力觸覺交互，便于攜帶和穿戴、體積小、成本低。同時還提供該裝置的交互方法，該方法提供切向和法向的力觸覺反饋，能夠給使用者提供良好的觸覺交互體驗。
[0006]技術方案:為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:
[0007]—種用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置，該力觸覺交互裝置包括指套組件和含有觸摸屏的移動終端，觸摸屏表面貼有絕緣薄膜和靜電薄膜，靜電薄膜位于觸摸屏表面和絕緣薄膜之間；指套組件包括控制模塊、呈指套狀的導電橡膠套、以及位于導電橡膠套內側底端的測力傳感器和壓電傳送器，導電橡膠套的上端為開口端，壓電傳送器固定連接在導電橡膠套的底面，測力傳感器固定連接在壓電傳送器上表面；控制模塊包括觸覺裝置控制單元、電源、無線通信模塊、第一觸覺驅動器和第二觸覺驅動器，電源為觸覺裝置控制單元供電，無線通信模塊與觸覺裝置控制單元的串口連接，第一觸覺驅動器的I2C端口和第二觸覺驅動器的I2C端口分別通過I2C總線與觸覺裝置控制單元連接，第一觸覺驅動器的電壓輸出端口通過導線與壓電傳送器連接，第二觸覺驅動器的電壓輸出端口通過導線與靜電薄膜連接。
[0008]進一步，所述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置，其特征在于:還包括腕帶，控制模塊連接在腕帶上。
[0009]一種上述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置的交互方法，該交互方法包括以下步驟:
[0010]步驟I)檢測人手指的觸摸位置以及人手指主動施加的作用力:將導電橡膠套套裝在人手指上，人手指用導電橡膠套觸碰移動終端屏幕上的虛擬物體，移動終端感應導電橡膠套和屏幕的接觸點，控制模塊通過測力傳感器測量人手指通過導電橡膠套向虛擬物體施加的壓力，該壓力為虛擬接觸力，控制模塊將該虛擬接觸力通過無線通信模塊發送給移動終端；
[0011]步驟2)力觸覺建模:移動終端根據導電橡膠套和屏幕的接觸點位置，建立力觸覺模型，測算出虛擬接觸力的切向力和法向力，再通過無線通信發送給控制模塊；其中，法向力方向是垂直于屏幕并指向操作者的方向，切向力方向是平行于屏幕并和人手指在屏幕上的運動方向相反的方向；
[0012]步驟3)手指和移動終端的觸覺交互:控制模塊根據移動終端建立的力觸覺模型，進行虛擬接觸力的力信號和電信號的轉換，然后通過控制第一觸覺驅動器產生對應頻率和幅值的正弦電壓作用于壓電傳送器，使手指感受到法向的振動力；通過控制第二觸覺驅動器產生對應頻率和幅值的正弦電壓作用于靜電薄膜，使手指感受到切向的摩擦力，實現人手指和移動終端的觸覺交互。
[0013]進一步:所述的步驟3)中，虛擬接觸力的力信號和電信號轉換的過程為:觸覺裝置控制單元實時采集測力傳感器的信號，計算人手指的主動按壓力F，并通過無線通信發送給移動終端，移動終端接收到壓力F后，將其作為手指刺穿虛擬物體的深度信號對虛擬物體進行力觸覺建模，得到虛擬接觸力的法向力和切向力fr，并通過無線通信發送給觸覺裝置控制單元，觸覺裝置控制單元控制通過I2C通信控制第一觸覺驅動器產生正弦電壓V1 (t)，該正弦電壓V1 (t)作用于壓電傳送器產生法向作用力，同時通過I2C通信控制第二觸覺驅動器產生正弦電壓V2 (t)，該正弦電壓V2 (t)作用于靜電薄膜產生切向力；
[0014]V I(I) = kiXyfF xsin(k:xk x I)
[0015]V2(t) - kr,XyjFx /,' xsin(k4xkxt)
[0016]其中，t表示時間，k表示與虛擬物體的材質有關的參數，為常數；F表示人手指主動按壓虛擬物體的作用力，f。為觸摸屏中虛擬物體表面的摩擦系數，Ic1表示和不同壓電傳送器的厚度相關的參數，k2表示和不同壓電傳送器的層數相關的參數；k3表示與絕緣薄膜厚度相關的第一參數，k4表示與絕緣薄膜厚度相關的第二參數。
[0017]有益效果:與現有技術相比較，本發明的優點在于:
[0018](I)采用指套式結構實現力觸覺交互，便于攜帶和穿戴、體積小、成本低、靈活性高、適用性強。本發明的指套式力觸覺交互裝置，包括指套組件和含有觸摸屏的移動終端。指套組件包括控制模塊、呈指套狀的導電橡膠套、以及位于導電橡膠套內側底端的測力傳感器和壓電傳送器。在使用時，人的一根手指位于導電橡膠套中，通過手指向位于導電橡膠套內側底端的測力傳感器和壓電傳送器施加壓力，移動終端根據導電橡膠套和屏幕的接觸點位置，建立力觸覺模型，測算出虛擬接觸力的切向力和法向力，再通過無線通信發送給控制模塊。力觸覺交互中過程，人手指只要帶上導電橡膠套即可實現該交互體驗。尤其，所述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置還包括腕帶，控制模塊連接在腕帶上。在使用時，腕帶戴在人的手腕上。
[0019](2)在移動終端上實現力觸覺交互。本發明的交互方法中，移動終端根據手指在移動終端觸摸屏上主動施加的作用力和導電橡膠套和屏幕的接觸點位置，建立力觸覺模型。控制模塊根據移動終端建立的力觸覺模型，進行虛擬接觸力的力信號和電信號的轉換，然后通過控制第一觸覺驅動器產生對應頻率和幅值的正弦電壓作用于壓電傳送器，使手指感受到法向的振動力，通過控制第二觸覺驅動器產生對應頻率和幅值的正弦電壓作用于靜電薄膜，使手指感受到切向的摩擦力，實現人手指和移動終端的觸覺交互。該力觸覺交互過程具有高度真實感。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的安裝示意圖。
[0021]圖2為本發明的使用狀態示意圖。
[0022]圖3為本發明交互過程中虛擬力的計算示意圖。
[0023]圖中有:導電橡膠套101、測力傳感器102、壓電傳送器103、絕緣薄膜104、靜電薄膜105、觸摸屏106、腕帶107。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0025]如圖1和圖2所示，本發明的一種用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置，包括指套組件和含有觸摸屏106的移動終端。觸摸屏106表面貼有絕緣薄膜104和靜電薄膜105。靜電薄膜105位于觸摸屏106表面和絕緣薄膜104之間。指套組件包括控制模塊、呈指套狀的導電橡膠套101、以及位于導電橡膠套101內側底端的測力傳感器102和壓電傳送器103。作為優選方案，所述的測力傳感器102為薄膜測力傳感器。導電橡膠套101的上端為開口端。壓電傳送器103固定連接在導電橡膠套101的底面，測力傳感器102固定連接在壓電傳送器103上表面。控制模塊包括觸覺裝置控制單元、電源、無線通信模塊、第一觸覺驅動器和第二觸覺驅動器。電源為觸覺裝置控制單元供電，無線通信模塊與觸覺裝置控制單元的串口連接，第一觸覺驅動器的I2C端口和第二觸覺驅動器的I2C端口分別通過I2C總線與觸覺裝置控制單元連接，第一觸覺驅動器的電壓輸出端口通過導線與壓電傳送器103連接，第二觸覺驅動器的電壓輸出端口通過導線與靜電薄膜105連接。
[0026]進一步，所述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置還包括腕帶，控制模塊連接在腕帶107上。在使用時，腕帶107戴在人的手腕上，導電橡膠套101套在人的手指上。
[0027]上述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置的交互方法，包括以下步驟:[0028]步驟I)檢測人手指的觸摸位置以及人手指主動施加的作用力:將導電橡膠套101套裝在人手指上，人手指用導電橡膠套101觸碰移動終端屏幕上的虛擬物體，移動終端感應導電橡膠套101和屏幕的接觸點，控制模塊通過測力傳感器102測量人手指通過導電橡膠套101向虛擬物體施加的壓力，該壓力為虛擬接觸力，控制模塊將該虛擬接觸力通過無線通信模塊發送給移動終端。
[0029]步驟2)力觸覺建模:移動終端根據導電橡膠套101和屏幕的接觸點位置，建立力觸覺模型，測算出虛擬接觸力的切向力和法向力，再通過無線通信發送給控制模塊；其中，法向力方向是垂直于屏幕并指向操作者的方向，切向力方向是平行于屏幕并和人手指在屏幕上的運動方向相反的方向。建立力觸覺模型為現有技術，例如:彈簧質子模型、有限元模型。
[0030]步驟3)手指和移動終端的觸覺交互:控制模塊根據移動終端建立的力觸覺模型，進行虛擬接觸力的力信號和電信號的轉換，然后通過控制第一觸覺驅動器產生對應頻率和幅值的正弦電壓作用于壓電傳送器103，使手指感受到法向的振動力，通過控制第二觸覺驅動器產生對應頻率和幅值的正弦電壓作用于靜電薄膜105，使手指感受到切向的摩擦力，實現人手指和移動終端的觸覺交互。
[0031]如圖3所示，所述的步驟3)中，虛擬接觸力的力信號和電信號轉換的過程為:觸覺裝置控制單元實時采集測力傳感器102的信號，計算人手指的主動按壓力F，并通過無線通信發送給移動終端，移動終端接收到壓力F后，將其作為手指刺穿虛擬物體的深度信號對虛擬物體進行力觸覺建模，得到虛擬接觸力的法向力和切向力fr，并通過無線通信發送給觸覺裝置控制單元，觸覺裝置控制單元控制通過I2C通信控制第一觸覺驅動器產生正弦電壓V1 (t)，該正弦電壓V1 (t)作用于壓電傳送器103產生法向作用力，同時通過I2C通信控制第二觸覺驅動器產生正弦電壓V2 (t)，該正弦電壓V2 (t)作用于靜電薄膜105產生切向力；
[0032]
【權利要求】
1.一種用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置，其特征在于:該力觸覺交互裝置包括指套組件和含有觸摸屏(106)的移動終端，觸摸屏(106)表面貼有絕緣薄膜(104)和靜電薄膜(105)，靜電薄膜(105)位于觸摸屏(106)表面和絕緣薄膜(104)之間；指套組件包括控制模塊、呈指套狀的導電橡膠套(101)、以及位于導電橡膠套(101)內側底端的測力傳感器(102)和壓電傳送器(103)，導電橡膠套(101)的上端為開口端，壓電傳送器(103)固定連接在導電橡膠套(101)的底面，測力傳感器(102)固定連接在壓電傳送器(103)上表面；控制模塊包括觸覺裝置控制單元、電源、無線通信模塊、第一觸覺驅動器和第二觸覺驅動器，電源為觸覺裝置控制單元供電，無線通信模塊與觸覺裝置控制單元的串口連接，第一觸覺驅動器的I2C端口和第二觸覺驅動器的I2C端口分別通過I2C總線與觸覺裝置控制單元連接，第一觸覺驅動器的電壓輸出端口通過導線與壓電傳送器(103)連接，第二觸覺驅動器的電壓輸出端口通過導線與靜電薄膜(105)連接。
2.根據權利要求1所述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置，其特征在于:所述的測力傳感器(102)為薄膜測力傳感器。
3.根據權利要求1所述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置，其特征在于:還包括腕帶，控制模塊連接在腕帶上。
4.一種權利要求1所述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置的交互方法，其特征在于:該交互方法包括以下步驟: 步驟I)檢測人手指的觸摸位置以及人手指主動施加的作用力:將導電橡膠套(101)套裝在人手指上，人手指用導電橡膠套(101)觸碰移動終端屏幕上的虛擬物體，移動終端感應導電橡膠套(101)和屏幕的接觸點，控制模塊通過測力傳感器(102)測量人手指通過導電橡膠套(101)向虛擬物體施加的壓力，該壓力為虛擬接觸力，控制模塊將該虛擬接觸力通過無線通信模塊發送給移動終端； 步驟2)力觸覺建模:移動終·端根據導電橡膠套(101)和屏幕的接觸點位置，建立力觸覺模型，測算出虛擬接觸力的切向力和法向力，再通過無線通信發送給控制模塊；其中，法向力方向是垂直于屏幕并指向操作者的方向，切向力方向是平行于屏幕并和人手指在屏幕上的運動方向相反的方向； 步驟3)手指和移動終端的觸覺交互:控制模塊根據移動終端建立的力觸覺模型，進行虛擬接觸力的力信號和電信號的轉換，然后通過控制第一觸覺驅動器產生對應頻率和幅值的正弦電壓作用于壓電傳送器(103)，使手指感受到法向的振動力；通過控制第二觸覺驅動器產生對應頻率和幅值的正弦電壓作用于靜電薄膜(105)，使手指感受到切向的摩擦力，實現人手指和移動終端的觸覺交互。
5.按照權利要求4所述的用于移動終端的指套式力觸覺交互裝置的交互方法，其特征在于:所述的步驟3)中，虛擬接觸力的力信號和電信號轉換的過程為:觸覺裝置控制單元實時采集測力傳感器(102)的信號，計算人手指的主動按壓力F，并通過無線通信發送給移動終端，移動終端接收到壓力F后，將其作為手指刺穿虛擬物體的深度信號對虛擬物體進行力觸覺建模，得到虛擬接觸力的法向力和切向力fr，并通過無線通信發送給觸覺裝置控制單元，觸覺裝置控制單元控制通過I2C通信控制第一觸覺驅動器產生正弦電壓V1 (t)，該正弦電壓V1U)作用于壓電傳送器(103)產生法向作用力，同時通過I2C通信控制第二觸覺驅動器產生正弦電壓V2 (t)，該正弦電壓V2 (t)作用于靜電薄膜(105)產生切向力；
【文檔編號】G06F3/041GK103853332SQ201410105295
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2014年3月20日
【發明者】吳涓, 王路, 呂昌遠, 劉威, 宋愛國 申請人:東南大學