面向移動終端的可穿戴指套式力觸覺交互裝置及實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于力觸覺交互領(lǐng)域，具體涉及一種面向移動終端的可穿戴指套式力觸覺交互裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的視聽覺人機(jī)交互中加入力觸覺再現(xiàn)技術(shù)，能夠有效提高人機(jī)交互的真實(shí)感和操控性，同時擴(kuò)展人機(jī)交互系統(tǒng)的功能和使用范圍。移動終端設(shè)備作為新型的人機(jī)交互設(shè)備，其使用也日益廣泛，研制與之相適應(yīng)的便攜式力觸覺再現(xiàn)裝置，也有著極大的研宄和實(shí)用價值。
[0003]國外面向移動終端的力觸覺交互設(shè)備，主要是基于靜電力、慣性觸覺傳動器、超聲波、壓電致動器等方式實(shí)現(xiàn)的。韓國的Kyung等人研制了一款基于3X3的超聲直線振動電機(jī)陣列作為觸覺制動器的筆式觸覺交互裝置Ub1-Pen，該裝置通過對3X3的振動陣列進(jìn)行觸覺編碼以顯示不同的二維形狀。東京大學(xué)的Hideaki Yokota等設(shè)計(jì)了一個使用靜電觸覺顯示器來表達(dá)虛擬物體表面紋理觸覺特征的裝置，該裝置中，電極陣列的不同電極加載不同的電壓，手指在電極陣列上滑動以感受虛擬物體表面紋理。迪斯尼研宄所的OlivierBau等人設(shè)計(jì)了一款基于移動終端得TeslaTouch，該裝置在移動終端的屏幕表面利用手指和屏幕上正負(fù)電荷的吸引或者排斥來改變手指和屏幕之間的摩擦力來進(jìn)行觸覺反饋，增強(qiáng)了觸摸交互體驗(yàn)。Tactus Technology公司使用特殊的材料設(shè)計(jì)出了在觸摸屏幕上產(chǎn)生能夠凸起的按鈕，為面向移動終端的力觸覺交互開辟了新的研宄方向。跟國外相比，國內(nèi)進(jìn)入面向移動終端的力觸覺交互的研宄領(lǐng)域較遲，目前基本上處于空白，無論在深度上或者規(guī)模上都存在著比較明顯的差距，但是，國內(nèi)對于面向移動終端的力觸覺交互的核心技術(shù)即力觸覺再現(xiàn)及其交互技術(shù)已經(jīng)開展了一些研宄。先后有東南大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、中科院智能機(jī)械研宄所、北京航空航天大學(xué)等多家單位積極開展了力觸覺傳感器以及力觸覺再現(xiàn)裝置等相關(guān)方面的研宄工作。目前大部分移動終端的力觸覺交互設(shè)備均采用靜電力與移動終端結(jié)合的方式設(shè)計(jì)，外置式的力觸覺交互設(shè)備較少。且已經(jīng)存在的外置式力觸覺設(shè)備普遍存在體積臃腫、功耗較大、力觸覺反饋不夠真實(shí)和準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，不能給用戶良好的力觸覺交互真實(shí)感體驗(yàn)。攜帶不便和適用性差導(dǎo)致多數(shù)設(shè)備實(shí)用性較差。
[0004]大多數(shù)已經(jīng)公開的基于移動終端的力觸覺交互裝置均采用了不同的力觸覺產(chǎn)生方式，如靜電膜、振動電機(jī)、電極陣列等，但這些裝置往往沒有充分考慮到人的力觸覺特性和交互過程中用戶手指主動施加力的變化和手指姿態(tài)變化對于力觸覺交互感受的影響。移動觸摸屏只能跟蹤手指的觸摸位置而無法獲得手指的姿態(tài)，因此無法在最大程度上逼真的模擬手指觸摸虛擬物體的觸感，尤其是硬度和形狀的觸覺表達(dá)。在某些系統(tǒng)中，通過相機(jī)實(shí)時捕捉用戶手指姿態(tài)，但是這會大大增加系統(tǒng)的體積，降低便攜性且計(jì)算量過大。這些移動終端平面上的手指交互特性，缺乏必要的深度和交互姿態(tài)信息的檢測，限制了對虛擬交互過程接觸狀態(tài)的精確計(jì)算和表達(dá)。本發(fā)明在裝置中加入了壓力傳感器和姿態(tài)測量傳感器，通過壓力傳感器可進(jìn)一步獲得交互過程中人主動按壓力，姿態(tài)傳感器可以通過測量交互過程中手指的速度信息和加速度信息，獲得手指姿態(tài)變化信息，將力信息和姿態(tài)信息用于虛擬建模，改變了傳統(tǒng)的虛擬力觸覺再現(xiàn)的信號輸入方式，且傳感器安裝在指套上，體積小，適用于便攜式交互系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種面向移動終端的可穿戴指套式力觸覺交互裝置，操控原理簡單、便攜性好，可用于不同的移動終端進(jìn)行交互。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種面向移動終端的可穿戴指套式力觸覺交互裝置，包括安裝緊固模塊、觸覺刺激執(zhí)行模塊、信號測量調(diào)理模塊和核心控制接口模塊，所述安裝緊固模塊為可穿戴主要機(jī)構(gòu)裝置，其上設(shè)置有觸覺刺激執(zhí)行模塊和信號測量調(diào)理模塊，所述信號測量調(diào)理模塊的信號輸出端與核心控制接口模塊的信號輸入端連接，所述核心控制接口模塊與移動終端無線連接，移動終端與觸覺刺激執(zhí)行模塊映射，所述核心控制接口模塊的信號輸出端與觸覺刺激執(zhí)行模塊的信號輸入端連接。
[0008]進(jìn)一步的，所述安裝緊固模塊包括支撐外框、筆頭基座、電容筆頭和指套，所述信號測量調(diào)理模塊包括壓力傳感器、手指姿態(tài)測量傳感器和濾波電路，所述壓力傳感器和手指姿態(tài)測量傳感器通過濾波電路與核心控制接口模塊連接，所述手指姿態(tài)測量傳感器設(shè)置在指套的頂部，所述支撐外框的上部與指套的底部連接，所述支撐外框內(nèi)由上至下依次設(shè)置有位于同一中心線上的觸覺刺激執(zhí)行模塊、壓力傳感器和筆頭基座，所述電容筆頭露置在支撐外框底部外，且所述電容筆頭與筆頭基座連接。
[0009]進(jìn)一步的，所述觸覺刺激執(zhí)行模塊為3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動觸覺致動器。所述3 X 3壓電陶瓷馬達(dá)振動觸覺致動器嵌套安裝在支撐外框頂部的壓電陶瓷致動陣列槽中，壓力傳感器安裝在壓電陶瓷致動陣列槽下方的凹槽之中，并通過下方的筆頭基座固定。
[0010]進(jìn)一步的，所述核心控制接口模塊包括主微控制器、WiFi通信模塊和控制接口電路，所述壓力傳感器和手指姿態(tài)測量傳感器通過濾波電路與主微控制器連接，所述主微控制器通過WiFi通信模塊與移動終端無線連接，所述主微控制器通過控制接口電路和驅(qū)動電路與觸覺刺激執(zhí)行模塊4連接。
[0011]進(jìn)一步的，所述濾波電路包括二階有源巴特沃斯低通濾波器和卡爾曼濾波器，與壓力傳感器連接的濾波器為二階有源巴特沃斯低通濾波器，與手指姿態(tài)測量傳感器連接的濾波器為卡爾曼濾波器。
[0012]基于面向移動終端的可穿戴指套式力觸覺交互裝置的實(shí)現(xiàn)方法:所述壓電傳感器將采集交互過程中的手指壓力，經(jīng)濾波電路將手指主動按壓力信息送入主微控制器，手指姿態(tài)測量傳感器通過與可穿戴主要機(jī)構(gòu)裝置同步運(yùn)動采集交互過程中的手指姿態(tài)信息，經(jīng)濾波電路將采集的手指姿態(tài)信息送入主微控制器，主微控制器將手指姿態(tài)信息送入移動終端;
[0013]移動終端從圖像中提取觸覺表達(dá)信息并綜合手指交互信息進(jìn)行建模處理分析后得到驅(qū)動控制信息，并將驅(qū)動控制信息映射到觸覺刺激執(zhí)行模塊，主微控制器獲得移動終端發(fā)送的驅(qū)動控制信息，將驅(qū)動控制信息送入驅(qū)動電路使觸覺刺激執(zhí)行模塊產(chǎn)生相應(yīng)振動使用戶獲得力觸覺交互的真實(shí)感受。
[0014]有益效果:本發(fā)明裝置利用分布式的致動陣列產(chǎn)生振幅、強(qiáng)度可控的分布式振動刺激，通過隨時空變化的振動刺激模擬形狀、紋理、硬度等觸覺特征，具備操控原理簡單、便攜性好，可用于不同的移動終端進(jìn)行交互。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明工作方式示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
[0017]圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0018]圖4位本發(fā)明的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0020]如圖1所示，一種面向移動終端的可穿戴指套式力觸覺交互裝置，包括安裝緊固模塊、觸覺刺激執(zhí)行模塊4、信號測量調(diào)理模塊和核心控制接口模塊，所述安裝緊固模塊為可穿戴主要機(jī)構(gòu)裝置，其上設(shè)置有觸覺刺激執(zhí)行模塊4和信號測量調(diào)理模塊，所述信號測量調(diào)理模塊的信號輸出端與核心控制接口模塊的信號輸入端連接，所述核心控制接口模塊與移動終端無線連接，通過移動終端將觸覺表達(dá)信息映射到觸覺刺激執(zhí)行模塊4，所述核心控制接口模塊的信號輸出端與觸覺刺激執(zhí)行模塊4的信號輸入端連接。
[0021]所述安裝緊固模塊包括支撐外框1、筆頭基座2、電容筆頭5和指套8，所述信號測量調(diào)理模塊包括壓力傳感器6、手指姿態(tài)測量傳感器7和濾波電路，所述壓力傳感器6和手指姿態(tài)測量傳感器7通過濾波電路與核心控制接口模塊連接，所述手指姿態(tài)測量傳感器7設(shè)置在指套8的頂部，所述支撐外框I的上部與指套8的底部連接，所述支撐外框I內(nèi)由上至下沿y軸分布依次設(shè)置有位于同一中心線上的觸覺刺激執(zhí)行模塊4、壓力傳感器6和筆頭基座2，所述電容筆頭5露置在支撐外框I底部外，且所述電容筆頭5與筆頭基座2連接。
[0022]所述核心控制接口模塊包括主微控制器、WiFi通信模塊和控制接口電路，所述壓力傳感器6和手指姿態(tài)測量傳感器7通過濾波電路與主微控制器連接，所述主微控制器通過WiFi通信模塊與移動終端連接，所述主微控制器通過控制接口電路和驅(qū)動電路與觸覺刺激執(zhí)行模塊4連接。Wifi通信模塊通過USART接口與主微控制器進(jìn)行信息交換，主微控制器通過I~2C總線控制觸覺刺激執(zhí)行模塊4，主微控制器通過串口與壓力傳感器6和手指姿態(tài)測量傳感器7進(jìn)行通信。各個模塊數(shù)據(jù)交換方式均采用DMA交換模式。
[0023]本發(fā)明中壓電傳感器6通過筆頭基座2和電容筆頭5感受交互過程中的手指壓力，經(jīng)濾波電路將采集手指主動按壓力信息送入主微控制器，手指姿態(tài)測量傳感器7通過與可穿戴主要機(jī)構(gòu)裝置同步運(yùn)動采集交互過程中的手指姿態(tài)信息，經(jīng)濾波電路將采集的手指姿態(tài)信息送入主微控制器。移動終端從圖像中提取三維形狀、硬度和粗糙度等觸覺表達(dá)信息并進(jìn)行建模處理分析后得到驅(qū)動控制信息，將建模處理分析后得到的驅(qū)動控制信息映射到觸覺刺激執(zhí)行模塊4。主微控制器通過與移動終端的WiFi通信模塊獲得圖像紋理信息以及經(jīng)移動終端進(jìn)行建模處理分析后得到的驅(qū)動控制信息，同時主微控制器將驅(qū)動控制信息通過控制接口電路和驅(qū)動電路使觸覺刺激執(zhí)行模塊4產(chǎn)生相應(yīng)振動使用戶獲得力觸覺交互的真實(shí)感受。
[0024]上述濾波電路包括二階有源巴特沃斯低通濾波器和卡爾曼濾波