基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)裝置及觸覺再現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)裝置，包括觸覺再現(xiàn)模塊、壓電陶瓷激勵模塊、中央控制模塊、電極陣列激勵模塊、手指位置檢測模塊、通訊接口模塊，所述觸覺再現(xiàn)模塊包括剛性觸覺面板、壓電陶瓷陣列模塊、電極陣列模塊；所述壓電陶瓷陣列模塊設(shè)置于剛性觸覺面板的下表面，所述電極陣列模塊嵌入剛性觸覺面板的內(nèi)部，實現(xiàn)更為寬廣的、細致、靈活的觸覺再現(xiàn)模式。本發(fā)明還公開了一種基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法，通過手指觸摸剛性觸覺面板，使得手指與剛性觸覺面板之間產(chǎn)生空氣壓膜效應(yīng)，手指與電極陣列層之間產(chǎn)生電致振動效應(yīng)；實現(xiàn)雙向的摩擦力系數(shù)調(diào)節(jié)以及摩擦力系數(shù)的微調(diào),進而實現(xiàn)基于摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)。
【專利說明】基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)裝置及觸覺再現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于觸覺再現(xiàn)人機交互領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙向摩擦力控制的觸覺再 現(xiàn)裝置及觸覺再現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 人類的視覺、聽覺、嗅覺、味覺和力觸覺等各種感知系統(tǒng)中，力觸覺提供了人類與 環(huán)境之間雙向的信息交互渠道，形成其他感知系統(tǒng)無法實現(xiàn)的各種主動性行為（如觸摸感 知物體、操作工具和探索環(huán)境等），因而具有獨特的重要地位。目前，觸覺再現(xiàn)技術(shù)主要有： 基于振動的觸覺再現(xiàn)、基于力反饋設(shè)備的觸覺再現(xiàn)、基于陣列的觸覺再現(xiàn)等。
[0003] 基于振動的信息表達是目前普遍使用的觸覺再現(xiàn)模式。各種振動觸覺的致動器為 手持設(shè)備引入觸覺振動提供了一種解決方案，促進觸覺再現(xiàn)的便攜性發(fā)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(xiàn)非視覺性信息的交流。Ahmaniemi等 使用含有運動傳感器和觸覺致動器的手持盒子，實現(xiàn)了動態(tài)振動觸覺再現(xiàn)。但是，基于振動 的觸覺再現(xiàn)是一種觸覺轉(zhuǎn)換技術(shù)，其不夠直觀。
[0004] 力反饋設(shè)備主要用于實現(xiàn)人機交互中的作用力反饋，操作者使用力反饋設(shè)備與虛 擬物體交互作用時，力反饋設(shè)備可以阻止操作者的運動以避免穿刺交互。東南大學(xué)鄒垂國 和宋愛國等基于Delta手控器，利用圖像處理的方法生成虛擬物體表面粗糙特性，進而建 立法向和切向接觸力模型的方法獲得虛擬觸覺再現(xiàn)?；诹Ψ答伒挠|覺再現(xiàn)方法優(yōu)勢在于 能在力覺再現(xiàn)的基礎(chǔ)上增加觸覺再現(xiàn)，且無需另外設(shè)計用于觸覺再現(xiàn)的裝置。然而，該方法 也有缺點：該方法所實現(xiàn)的是一種間接的觸覺再現(xiàn)模式，降低了觸覺感知的真實感；此外， 該方法操作范圍有限、價格昂貴、體積笨重、穩(wěn)定性易影響觸覺再現(xiàn)性能。
[0005] 采用陣列式的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)觸覺再現(xiàn)是最直接的方法，因而一直受到人們的關(guān)注。 早期的陣列式觸覺再現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計靈感來源于點陣式打印機和盲文系統(tǒng)，它們的驅(qū)動方 法各有不同，有使用形狀記憶合金、有使用氣壓系統(tǒng)的、也有使用音圈激勵的。Wagner和 Lederman等利用RC伺服電機驅(qū)動的探針陣列構(gòu)建了一個觸覺再現(xiàn)裝置。該裝置陣列規(guī)模 為6X6探針，探針相互間距為2mm，最大垂直方向位移為2mm。此外，東南大學(xué)陳旭和宋愛 國等利用分布大小各異凹孔和凸點的、可以旋轉(zhuǎn)的圓筒來構(gòu)建紋理觸覺再現(xiàn)裝置。該系統(tǒng) 在使用時，操作者手指通過接觸不同區(qū)域、不同轉(zhuǎn)速的凸點而形成觸覺感受。但是這種方法 缺少觸覺感知的直觀性和主動性。陣列式觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于比較直觀、能主動對操 作者施加觸覺刺激，但是它也有局限性：難以實現(xiàn)精細的觸覺再現(xiàn)，且易受工藝和技術(shù)水平 限制、功耗和成本高、難以微型化。
[0006] 電觸覺是一種通過流過表層電極的電流刺激皮膚內(nèi)神經(jīng)纖維的觸覺再現(xiàn)裝置，能 夠在沒有機械激勵的情況下面產(chǎn)生壓力或震動感覺。日本的Kajimoto、Kawakami等人設(shè) 計了 SmartTouch來增強現(xiàn)實皮膚感覺，該系統(tǒng)采用點刺激方式，物體的視覺信息可以通過 光傳感器采集并轉(zhuǎn)換為觸覺信息，電極以Braille的方式安排成4X4的點刺激陣列。采用 的正/負脈沖有選擇的對Merkel細胞和Messner小體分別進行了刺激。上海交通大學(xué)的 張竹茂、柴新禹等人基于電觸覺研制了一套基于手指的觸覺替代視覺系統(tǒng)。電觸覺設(shè)備功 耗低、體積小，但是由于電觸覺是通過直接刺激與機械刺激感受器相連的神經(jīng)而產(chǎn)生的觸 感，所以電觸覺是一種能夠產(chǎn)生和機械刺激一樣的感覺的觸覺再現(xiàn)技術(shù)。
[0007] 此外，法國的里爾科技技術(shù)大學(xué)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(shù)來再現(xiàn)精細的紋理觸覺的。這種觸覺界面僅采用了空氣壓膜效應(yīng)原理，僅能實現(xiàn) 單一方向的摩擦力系數(shù)調(diào)節(jié)。此外，同一時刻觸覺界面上各點的摩擦力系數(shù)相同，不能實現(xiàn) 面板表面的多點觸控。
[0008] 另外，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(xiàn)的。該觸覺面板的表面有 一層以靜電為主的系統(tǒng)，可以仿真出不同的粗糙度和阻力，產(chǎn)生不同的紋理觸覺。同樣基于 電致振動效應(yīng)原理，由迪士尼研究中心和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)人機交互研究所等機構(gòu)共同研制 的TeslaTouch系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電極和操作者手指之間的電場強度，改變手指皮膚所受的法 向電場力，從而獲得側(cè)向摩擦力的改變。由于采用了透明電極和基底材料，TeslaTouch系 統(tǒng)能夠與觸摸屏結(jié)合使用?；陔娭抡駝有?yīng)的觸覺再現(xiàn)設(shè)備功耗低、可以實現(xiàn)多點觸控， 但是只能實現(xiàn)摩擦力系數(shù)的增大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明提供一種基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn) 裝置及觸覺再現(xiàn)方法，結(jié)合了空氣壓膜效應(yīng)和電致振動效應(yīng)兩種原理，既能實現(xiàn)觸覺面板 表面雙向的摩擦力系數(shù)調(diào)節(jié)，又能在一種原理為主的情況下利用另一種原理實現(xiàn)摩擦力系 數(shù)的微調(diào)。本發(fā)明所設(shè)計的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)更為寬廣、更為細致、更為靈活的觸覺再現(xiàn)模式。 解決了現(xiàn)有技術(shù)中觸覺再現(xiàn)裝置摩擦力系數(shù)控制范圍窄，不能夠有效實現(xiàn)觸覺再現(xiàn)的問 題。
[0010] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0011] 一種基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)裝置，包括觸覺再現(xiàn)模塊、壓電陶瓷激勵模 塊、中央控制模塊、電極陣列激勵模塊、手指位置檢測模塊、通訊接口模塊，所述觸覺再現(xiàn)模 塊包括剛性觸覺面板、壓電陶瓷陣列模塊、電極陣列模塊；所述壓電陶瓷陣列模塊設(shè)置于剛 性觸覺面板的下表面，所述電極陣列模塊嵌入剛性觸覺面板的內(nèi)部；所述手指位置檢測模 塊位于所述觸覺再現(xiàn)模塊的上部；所述壓電陶瓷陣列模塊與壓電陶瓷激勵模塊連接；所述 電極陣列模塊與電極陣列激勵模塊連接；所述中央控制模塊分別與壓電陶瓷激勵模塊、電 極陣列激勵模塊、手指位置檢測模塊、通訊接口模塊連接。
[0012] 所述電極陣列模塊包括基底層、電極陣列層、絕緣層；所述基底層上表面設(shè)置電極 陣列層，所述電極陣列層上部設(shè)置絕緣層；所述電極陣列層包括若干電極組，每個電極組中 包含多個電極，所述多個電極兩兩之間保持電絕緣，每個電極組中不同電極之間存在高度 差，對每個電極施加不同的驅(qū)動信號；所述電極陣列激勵模塊包括多個驅(qū)動信號的輸出端， 每個電極與電極陣列激勵模塊驅(qū)動信號的輸出端一一對應(yīng)連接。
[0013] 所述每個電極組中的多個電極均為多邊形柱體，電極與電極之間有間隙或設(shè)置絕 緣材料。
[0014] 基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法，包括如下步驟：
[0015] 首先，中央控制模塊系統(tǒng)將所選觸覺面板材料的本身摩擦力系數(shù)記為f0,并根據(jù) 所要再現(xiàn)的虛擬物體選擇所需的觸覺模式，建立虛擬物體與觸覺再現(xiàn)面板表面各點的摩擦 力系數(shù)之間的映射關(guān)系1和映射關(guān)系2 ;其中映射關(guān)系1用于單點交互模式，映射關(guān)系2用 于多點交互模式；映射關(guān)系1和映射關(guān)系2分別確定了單點交互模式和多點交互模式中觸 覺再現(xiàn)面板表面各點的摩擦力系數(shù)；
[0016] 其次，手指位置檢測模塊在中央控制模塊的控制下檢測獲得手指位置，中央控制 模塊根據(jù)手指位置的值，判斷當(dāng)前的交互模式是單點交互或多點交互模式；中央控制模塊 根據(jù)單點交互模式或多點交互模式下虛擬物體與摩擦力系數(shù)之間的映射關(guān)系1或映射關(guān) 系2獲得單點或多點手指觸摸區(qū)域?qū)?yīng)的摩擦力系數(shù)fi ;在單點交互模式中，i = 1，在多點 交互模式中，i = 1…η, η等于多點觸摸的個數(shù)；
[0017] 然后，中央控制模塊判斷fi與f0的大小并根據(jù)結(jié)果選擇控制電極陣列激勵模塊或 壓電陶瓷激勵模塊；若fi>f〇,中央控制模塊控制電極陣列激勵模塊產(chǎn)生多個通道的各自獨 立的交變信號，并將多個通道的交變信號 對應(yīng)施加至電極陣列模塊中的每一個電極， 在所述剛性觸覺面板與手指之間產(chǎn)生電致振動效應(yīng)，使得觸覺面板表面的摩擦力系數(shù)增大 至fi ;若fi〈f0,中央控制模塊控制壓電陶瓷激勵模塊產(chǎn)生一組各自獨立的交變電信號，并將 所述交變電信號分別施加到壓電陶瓷陣列模塊中的每個壓電陶瓷上，在剛性觸覺面板與手 指之間產(chǎn)生空氣壓膜效應(yīng)，使得剛性觸覺面板表面摩擦力系數(shù)減小至fi;
[0018] 最后，根據(jù)所述剛性觸覺面板表面的摩擦力系數(shù)的增大或減小，形成基于摩擦力 控制的觸覺再現(xiàn)。
[0019] 所述剛性觸覺面板與手指接觸時，剛性觸覺面板表面的摩擦力受空氣壓膜效應(yīng)和 電致振動效應(yīng)的影響而改變，由如下公式計算：
[0020] fe = μ，（FN+Fe)
[0021] 其中，μ'為操作者手指與所述剛性觸覺面板表面之間的交互摩擦力系數(shù)，該交 互摩擦力系數(shù)能在空氣壓膜效應(yīng)的作用下減??；F N為操作者手指施加給面板表面的法向壓 力；^為所述剛性觸覺面板與手指之間的靜電力，該靜電力匕是一個由電致振動效應(yīng)決定 的、大于等于〇的值，由如下公式計算：
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)裝置，包括觸覺再現(xiàn)模塊、壓電陶瓷激勵模塊、中央 控制模塊、電極陣列激勵模塊、手指位置檢測模塊、通訊接口模塊，其特征在于：所述觸覺再 現(xiàn)模塊包括剛性觸覺面板、壓電陶瓷陣列模塊、電極陣列模塊；所述壓電陶瓷陣列模塊設(shè)置 于剛性觸覺面板的下表面，所述電極陣列模塊嵌入剛性觸覺面板的內(nèi)部；所述手指位置檢 測模塊位于所述觸覺再現(xiàn)模塊的上部；所述壓電陶瓷陣列模塊與壓電陶瓷激勵模塊連接； 所述電極陣列模塊與電極陣列激勵模塊連接；所述中央控制模塊分別與壓電陶瓷激勵模 塊、電極陣列激勵模塊、手指位置檢測模塊、通訊接口模塊連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)裝置，其特征在于：所述電 極陣列模塊包括基底層、電極陣列層、絕緣層；所述基底層上表面設(shè)置電極陣列層，所述電 極陣列層上部設(shè)置絕緣層；所述電極陣列層包括若干電極組，每個電極組中包含多個電極， 所述多個電極兩兩之間保持電絕緣，每個電極組中不同電極之間存在高度差，對每個電極 施加不同的驅(qū)動信號；所述電極陣列激勵模塊包括多個驅(qū)動信號的輸出端，每個電極與電 極陣列激勵模塊驅(qū)動信號的輸出端一一對應(yīng)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)裝置，其特征在于：所述每 個電極組中的多個電極均為多邊形柱體，電極與電極之間有間隙或設(shè)置絕緣材料。
4. 基于權(quán)利要求1所述的基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法，其特征在于：包括如 下步驟： 首先，中央控制模塊系統(tǒng)將所選觸覺面板材料的本身摩擦力系數(shù)記為f〇,并根據(jù)所要 再現(xiàn)的虛擬物體選擇所需的觸覺模式，建立虛擬物體與觸覺再現(xiàn)面板表面各點的摩擦力系 數(shù)之間的映射關(guān)系1和映射關(guān)系2 ;其中映射關(guān)系1用于單點交互模式，映射關(guān)系2用于多 點交互模式；映射關(guān)系1和映射關(guān)系2分別確定了單點交互模式和多點交互模式中觸覺再 現(xiàn)面板表面各點的摩擦力系數(shù)； 其次，手指位置檢測模塊在中央控制模塊的控制下檢測獲得手指位置，中央控制模塊 根據(jù)手指位置的值，判斷當(dāng)前的交互模式是單點交互或多點交互模式；中央控制模塊根據(jù) 單點交互模式或多點交互模式下虛擬物體與摩擦力系數(shù)之間的映射關(guān)系1或映射關(guān)系2獲 得單點或多點手指觸摸區(qū)域?qū)?yīng)的摩擦力系數(shù)fi ;在單點交互模式中，i = 1，在多點交互模 式中，i = 1…η，η等于多點觸摸的個數(shù)； 然后，中央控制模塊判斷fi與f〇的大小并根據(jù)結(jié)果選擇控制電極陣列激勵模塊或壓電 陶瓷激勵模塊；若fi>f〇,中央控制模塊控制電極陣列激勵模塊產(chǎn)生多個通道的各自獨立的 交變信號，并將多個通道的交變信號 對應(yīng)施加至電極陣列模塊中的每一個電極，在所 述剛性觸覺面板與手指之間產(chǎn)生電致振動效應(yīng)，使得觸覺面板表面的摩擦力系數(shù)增大至fi; 若fi〈fO,中央控制模塊控制壓電陶瓷激勵模塊產(chǎn)生一組各自獨立的交變電信號，并將所述 交變電信號分別施加到壓電陶瓷陣列模塊中的每個壓電陶瓷上，在剛性觸覺面板與手指之 間產(chǎn)生空氣壓膜效應(yīng)，使得剛性觸覺面板表面摩擦力系數(shù)減小至fi; 最后，根據(jù)所述剛性觸覺面板表面的摩擦力系數(shù)的增大或減小，形成基于摩擦力控制 的觸覺再現(xiàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙向摩擦力控制的觸覺再現(xiàn)方法，其特征在于：所述剛 性觸覺面板與手指接觸時，剛性觸覺面板表面的摩擦力受空氣壓膜效應(yīng)和電致振動效應(yīng)的 影響而改變，由如下公式計算： fe = μ ' （FN+Fe) 其中，μ'為操作者手指與所述剛性觸覺面板表面之間的交互摩擦力系數(shù)，該交互摩擦 力系數(shù)能在空氣壓膜效應(yīng)的作用下減??；fn為操作者手指施加給面板表面的法向壓力；Fe 為所述剛性觸覺面板與手指之間的靜電力，該靜電力^是一個由電致振動效應(yīng)決定的、大 于等于〇的值，由如下公式計算：
其中，^為真空中介電常數(shù)，τρ為所述電極陣列模塊中電極陣列層表面覆蓋的絕緣層 的厚度，ts為手指表面中絕緣角質(zhì)層厚度，、和％分別為手指絕緣角質(zhì)層和電極表面絕 緣層的相對介電常數(shù)，A為電極的面積，V為電容兩極板之間的電壓。
【文檔編號】G06F3/01GK104063054SQ201410250926
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】陸熊, 馬露, 陳思凡, 李沅澤, 陶想林, 殷斌 申請人:南京航空航天大學(xué)