一種寬幅摩擦力控制觸覺再現裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及觸覺再現人機交互領域，尤其涉及一種寬幅摩擦力控制觸覺再現裝置 及方法。
【背景技術】
[0002] 人類的視覺、聽覺、嗅覺、味覺和力觸覺等各種感知系統中，力觸覺提供了人類與 環境之間雙向的信息交互渠道，形成其他感知系統無法實現的各種主動性行為（如觸摸感 知物體、操作工具和探索環境等），因而具有獨特的重要地位。目前，觸覺再現技術主要有： 基于振動的觸覺再現、基于力反饋設備的觸覺再現、基于陣列的觸覺再現等。
[0003] 基于振動的信息表達是目前普遍使用的觸覺再現模式。各種振動觸覺的致動器 為手持設備引入觸覺振動提供了一種解決方案，促進觸覺再現的便攜性發展。一些研究 者使用這些致動器用于生成各種振動模式、觸覺圖標來實現非視覺性信息的交流。Jussi Rantala等人利用振動觸覺技術設計了一款能夠模擬不同觸摸姿勢的手持設備。但是，基于 振動的觸覺再現是一種觸覺轉換技術，其不夠直觀。
[0004] 力反饋設備主要用于實現人機交互中的作用力反饋，操作者使用力反饋設備與虛 擬物體交互作用時，力反饋設備可以阻止操作者的運動以避免穿刺交互。東南大學李佳璐 和宋愛國等基于Phantom手控器，提出了基于虛擬物體表面三維輪廓信息，進而實現紋理 觸覺再現的方法。基于力反饋的觸覺再現方法優勢在于能在力覺再現的基礎上增加觸覺再 現，且無需另外設計用于觸覺再現的裝置。然而，該方法也有一定的缺點：操作范圍有限、體 積笨重、價格昂貴、設備的固有性和系統穩定性易影響觸覺再現性能等。
[0005] 相對與使用力反饋設備來獲得觸覺再現而言，采用陣列式的結構來構建觸覺再現 設備是最直接的方法，因而一直受到人們的關注。早期的陣列式觸覺再現設備的設計靈感 來源于點陣式打印機和盲文系統，它們的驅動方法各有不同，有使用形狀記憶合金、有使用 氣壓系統的、也有使用音圈激勵的。德國亞琢工業大學的Weiss和Wacharamanotham等利 用貼在操作者手指上的永磁鐵和電磁激勵構建了FingerFlux系統。該系統中的電磁激勵 采用了Madgets表的設計思想，即利用一個19X12的離散電磁鐵網格來合成一個電磁場 二維矩陣（其中每個電磁鐵包含3500阻的銅線）。此外，加拿大McGill大學的Haywardy 等設計的名為"LATER0"裝置，其利用可側向移動的探針陣列來獲得觸覺感知，他們說設計 的探針陣列估摸為6X10,分辨率高達I. 8X1. 2_。陣列式觸覺再現系統的優勢在于比較 直觀、能主動對操作者施加觸覺刺激，但是它也有一定的局限性：受工藝和技術水平限制、 功耗和成本1?、難以微型化等。
[0006] 法國的里爾科技技術大學申請的名為"振動觸覺界面"的專利中（專利號為： CN101632054A)，其所提到的振動觸覺界面是通過減小操作者手指與觸覺界面之間的摩擦 力系數來再現精細的紋理觸覺的。這種觸覺界面僅采用了空氣壓膜效應原理，僅能實現單 一方向的摩擦力系數調節。此外，同一時刻觸覺界面上各點的摩擦力系數相同，不能實現面 板表面的多點觸控。
[0007] 在senseg公司申請的名為"感官刺激的方法與裝置"的專利（專利號為 US7982588B2)中，所提到的觸覺界面是基于電致振動原理來實現的。該觸覺面板的表面有 一層以靜電為主的系統，可以仿真出不同的粗糙度和阻力，產生不同的紋理觸覺。基于電致 振動效應的觸覺再現設備功耗低、可以實現多點觸控，但是只能實現摩擦力系數的增大。
[0008] 南京航空航天大學申請的名為"基于雙向摩擦力控制的觸覺再現裝置及觸覺再現 方法"的專利（專利號為：CN104063054A)中，所提到的觸覺界面是將電致振動效應原理與 空氣壓膜效應原理相結合。該觸覺面板采用在表面加工電極陣列以及在面板下方粘貼壓電 陶瓷的方法實現觸覺再現，電極陣列包括若干電極組，每個電極組中不同電極之間存在高 度差，可以實現摩擦力系數的雙向調節。這種觸覺界面采用的電極陣列不易于加工，而且摩 擦力系數的調節范圍不夠寬泛。
[0009] 本發明所設計的觸覺再現裝置融合了空氣壓膜效應、電致振動效應以及電磁力控 制三種原理，既能實現雙向的摩擦力系數調節，又能實現摩擦力系數的微調，而且摩擦力系 數的可調范圍更加寬泛。本發明所設計的裝置能夠實現摩擦力調節范圍幅度更為寬廣、摩 擦力系數調節更為細致的觸覺再現模式。因此，本裝置與以上三種觸覺界面有著本質的區 別。
【發明內容】
[0010] 本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中的缺陷，提供一種寬幅摩擦力控制 觸覺再現裝置及方法。
[0011] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0012] 一種寬幅摩擦力控制觸覺再現裝置，包含觸覺再現模塊、壓電陶瓷激勵信號生成 模塊、電極陣列激勵信號生成模塊、電磁鐵陣列激勵信號生成模塊、手指位置檢測模塊、粘 貼于操作者手指背上的永磁鐵以及中央控制模塊；
[0013] 所述觸覺再現模塊包含觸覺面板、透明電極陣列模塊、壓電陶瓷陣列模塊、電磁鐵 陣列模塊、顯75模塊和殼體；
[0014] 所述觸覺面板為透明的、剛性的矩形板；所述透明電極陣列模塊設置在觸覺面板 上；所述壓電陶瓷陣列模塊固定在觸覺面板的下表面和殼體之間；所述電磁鐵陣列固定在 顯示模塊下方；所述顯示模塊固定在觸覺面板的正下方，且與觸覺面板之間留出足夠觸覺 再現模塊振動的空間；
[0015] 所述壓電陶瓷激勵信號生成模塊和壓電陶瓷陣列模塊電氣相連，所述電極陣列激 勵信號生成模塊和透明電極陣列模塊電氣相連，所述電磁鐵陣列激勵信號生成模塊和電磁 鐵陣列模塊電氣相連，所述中央控制模塊分別和壓電陶瓷激勵信號生成模塊、電極陣列激 勵信號生成模塊、電磁鐵陣列激勵信號生成模塊、顯示模塊、手指位置檢測模塊電氣相連；
[0016] 所述壓電陶瓷激勵信號生成模塊用于產生壓電陶瓷陣列模塊的驅動信號；
[0017] 所述電極陣列激勵信號生成模塊用于產生透明電極陣列模塊的驅動信號；
[0018] 所述電磁鐵陣列激勵信號生成模塊用于產生電磁鐵陣列的驅動信號；
[0019] 所述顯示模塊用于顯示虛擬物體；
[0020] 所述手指位置檢測模塊用于檢測人手指位置；
[0021] 所述中央控制模塊用于控制壓電陶瓷激勵信號生成模塊、電極陣列激勵信號生成 模塊、電磁鐵陣列激勵信號生成模塊產生驅動信號，控制手指位置檢測模塊獲取操作者手 指位置，以及控制顯示模塊顯示虛擬物體。
[0022] 作為本發明一種寬幅摩擦力控制觸覺再現裝置進一步的優化方案，所述顯示模塊 采用液晶顯示模塊。
[0023] 作為本發明一種寬幅摩擦力控制觸覺再現裝置進一步的優化方案，所述殼體采用 硬質海綿。
[0024] 作為本發明一種寬幅摩擦力控制觸覺再現裝置進一步的優化方案，所述永磁鐵為 扁圓柱形銣磁鐵。
[0025] 作為本發明一種寬幅摩擦力控制觸覺再現裝置進一步的優化方案，所述透明電極 陣列包含至少兩層透明電極陣列層，且每層透明電極陣列層上均加工有絕緣層。
[0026] 本發明還公開了一種根據該寬幅摩擦力控制觸覺再現裝置的再現方法，包含以下 步驟：
[0027] 步驟1)獲取操作者手指位置，根據當前再現的觸覺模式計算生成手指位置處所 需的等效摩擦力系數值U;
[0028] 步驟2)獲取透明電極陣列模塊的上表面的初始摩擦力系數yO、透明電極陣列 模塊所能增大的最大摩擦力系數AUev、壓電陶瓷陣列模塊所能減小的最大摩擦力系數 AUsqz、以及電磁鐵陣列模塊所能增大或減小的最大摩擦力系數A
[0029] 步驟3)若iiG[ii0,ii0+AUEV]，控制透明電極陣列模塊，產生電致振動效應， 增大操作者手指與透明電極陣列模塊的上表面之間的摩擦力系數至U;
[0030] 步驟4)若i!G[iiO-AUSQZ，U0]，控制壓電陶瓷陣列模塊，產生空氣壓膜效應， 減小操作者手指與透明電極陣列模塊的上表面之間的摩擦力系數至U;
[0031] 步驟5)若iiG|> 〇+AiiEV,ii0+AiiEV+AiiIttJ,首先控制電磁鐵陣列模塊 與永磁鐵之間產生吸引力，使操作者手指與透明電極陣列模塊的上表面之間的摩擦力系數 增大到最大，然后控制透明電極陣列模塊將操作者手指與透明電極陣列模塊的上表面之間 的摩擦力系數增大至U;
[0032]步驟6)若iiG|> 〇-Ai! SQZ-Ai!Itte,i!O-Ai! SQZ],首先控制電磁鐵陣列模塊 與永磁鐵之間產生排斥力，使其將操作者手指與透明電極陣列模塊的