器，與壓力傳感器6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(cè)量傳感器7連接的濾波器為卡爾曼濾波器。
[0025]壓力測(cè)量和手指姿態(tài)測(cè)量信息采用不同的濾波電路的原因如下:對(duì)于手指壓力信息的測(cè)量，由于人手指的主動(dòng)按壓力頻率主要集中在5Hz以下，3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器振動(dòng)頻率主要集中在1Hz以上，為確保在不改變?nèi)耸种鲃?dòng)按壓力大小的同時(shí)，盡量消除由于3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器振動(dòng)引起的干擾，濾波電路的截止頻率選擇在5Hz左右，二階有源巴特沃斯低通濾波器既有滿足系統(tǒng)要求的截止頻率且簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，因此本系統(tǒng)采用了截止頻率為5Hz的二階有源巴特沃斯低通濾波器。對(duì)于手指姿態(tài)信息的采集，需要對(duì)三軸MEMS陀螺儀輸出值和三軸MEMS加速度計(jì)輸出值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以較高精度輸出人手的實(shí)時(shí)姿態(tài)，因此采用卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)手指姿態(tài)信息的整合與濾波。
[0026]所述觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊4為壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器。本發(fā)明通過(guò)基于陶瓷馬達(dá)的振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器的振動(dòng)模擬人類的觸覺(jué)感受，陶瓷馬達(dá)是采用壓電陶瓷材料制作的。當(dāng)有電壓加載在壓電陶瓷馬達(dá)上時(shí)，壓電陶瓷馬達(dá)由于其材料本身的特性而迅速產(chǎn)生跟加載電壓和自身長(zhǎng)度正相關(guān)的微小形變。驅(qū)動(dòng)電壓的快速改變會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷的長(zhǎng)度隨加載電壓迅速增大或減小，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)，改變壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓、頻率、振動(dòng)方向、振動(dòng)時(shí)間，人就可以感受到不同的觸覺(jué)效果。
[0027]本發(fā)明采用的壓電致動(dòng)器的最大工作電流20A，諧振頻率220Hz，容值為0.48 μ F,最大形變量為18 ym。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，根據(jù)人類感知差別閾限的特性，將壓電致動(dòng)器在人可感知的正弦電壓范圍(0-100V)內(nèi)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)強(qiáng)度分為6個(gè)等級(jí)，驅(qū)動(dòng)電壓頻率變化控制在220Hz以下。移動(dòng)終端根據(jù)提取的圖像信息以及獲得的人主動(dòng)按壓力信息和手指姿態(tài)信息建模計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)的控制電壓大小和頻率，并對(duì)應(yīng)到不同的振動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)，微控制器根據(jù)移動(dòng)終端處理得到的結(jié)果控制壓電致動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)等級(jí)強(qiáng)度的振動(dòng)。
[0028]定義平行于移動(dòng)終端平面且與手指方向垂直為X軸，垂直于移動(dòng)終端平面方向?yàn)閥軸。所述壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器嵌套安裝在支撐外框I頂部的壓電陶瓷致動(dòng)陣列槽中，可執(zhí)行不同機(jī)械強(qiáng)度的沿y軸方向振動(dòng)。壓力傳感器6安裝在壓電陶瓷致動(dòng)陣列槽下方的凹槽之中，并通過(guò)下方的筆頭基座2固定。筆頭基座2通過(guò)緊固銷3與支撐外框I進(jìn)行X軸方向固定，通過(guò)緊固銷3卡槽限制筆頭基座2工作過(guò)程中的y軸方向移動(dòng)范圍。
[0029]對(duì)于物體粗糙度的觸覺(jué)表達(dá)，移動(dòng)終端從圖片中提取物體的粗糙度信息后通過(guò)變換把粗糙度映射到壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓的頻率上，粗糙度與驅(qū)動(dòng)電壓的頻率在人可感知范圍內(nèi)成線性正相關(guān)，即粗糙度越大，驅(qū)動(dòng)電壓頻率越大。當(dāng)手指觸摸屏幕中的圖片時(shí)，移動(dòng)終端將手指觸摸圖片的粗糙度映射的驅(qū)動(dòng)電壓頻率數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi通信模塊發(fā)送給主微控制器，主微控制器通過(guò)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的控制電壓波形，進(jìn)而使人的手指感受到與物體粗糙度成一定關(guān)系的壓電制動(dòng)器振感。對(duì)于物體硬度的振動(dòng)力觸覺(jué)表達(dá)，本發(fā)明通過(guò)9個(gè)壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器構(gòu)成3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器的振動(dòng)來(lái)模擬虛擬物體給人手指的作用力，將物體的硬度映射到壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓的頻率上，而將手指主動(dòng)按壓力映射到驅(qū)動(dòng)電壓的幅值上，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的變化速率實(shí)現(xiàn)硬度信息的表達(dá)。人手主動(dòng)按壓所做的功與振動(dòng)裝置產(chǎn)生的功相等，物體越硬，振動(dòng)頻率越高，主動(dòng)按壓力越大，振動(dòng)強(qiáng)度越大，由此實(shí)現(xiàn)了根據(jù)硬度和按壓力大小，對(duì)振動(dòng)頻率和強(qiáng)度的控制。
[0030]對(duì)于圖像三維形狀的表達(dá)，本發(fā)明采用加入手指姿態(tài)測(cè)量傳感器7的方法，通過(guò)檢測(cè)交互時(shí)用戶手指相對(duì)姿態(tài)的變化，控制3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器產(chǎn)生與相對(duì)姿態(tài)一致的振動(dòng)刺激。具體實(shí)現(xiàn)方法為:當(dāng)使用者的手指在屏幕中的虛擬物體表面移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)終端通過(guò)計(jì)算虛擬物體表面沿手指運(yùn)動(dòng)方向的切線角度和通過(guò)手指姿態(tài)測(cè)量傳感器7測(cè)量得到的手指沿運(yùn)動(dòng)方向的傾角之間的差值，并將兩個(gè)角度的差映射到3X 3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器上。當(dāng)兩個(gè)角度基本一致時(shí)，3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器中的中間行或列開(kāi)始振動(dòng)，而當(dāng)兩個(gè)角度不一致時(shí)，3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生跟兩個(gè)角度之差相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)，使用者通過(guò)調(diào)整手指沿運(yùn)動(dòng)方向的姿態(tài)直至感受到3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器的中間列或行的3個(gè)觸覺(jué)發(fā)生器開(kāi)始振動(dòng)，進(jìn)而感知沿手指運(yùn)動(dòng)方向上觸摸點(diǎn)物體表面的切向方向，從而感知物體的三維形狀。
[0031]本發(fā)明中，用戶穿戴了指套式力觸覺(jué)交互裝置的手在移動(dòng)終端上移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)檢測(cè)交互過(guò)程中人主動(dòng)施加的按壓力以及手指姿態(tài)信息，以此作為系統(tǒng)輸入，根據(jù)事先建立的虛擬物體的柔順性、紋理以及形狀的振動(dòng)觸覺(jué)表達(dá)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算并驅(qū)動(dòng)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器的上每個(gè)振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)頻率、強(qiáng)度等，產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)觸覺(jué)刺激，從而實(shí)現(xiàn)了觸摸過(guò)程中的虛擬物體的各種觸感的再現(xiàn)。該交互裝置具有可穿戴、小型化和實(shí)用化的特點(diǎn)，可用于不同的移動(dòng)終端進(jìn)行交互。
[0032]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種面向移動(dòng)終端的可穿戴指套式力觸覺(jué)交互裝置，其特征在于:包括安裝緊固模塊、觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊(4)、信號(hào)測(cè)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(jué)刺激執(zhí)行模塊(4)和信號(hào)測(cè)量調(diào)理模塊，所述信號(hào)測(cè)量調(diào)理模塊的信號(hào)輸出端與核心控制接口模塊的信號(hào)輸入端連接，所述核心控制接口模塊與移動(dòng)終端無(wú)線連接，移動(dòng)終端與觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊映射，所述核心控制接口模塊的信號(hào)輸出端與觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊(4)的信號(hào)輸入端連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向移動(dòng)終端的可穿戴指套式力觸覺(jué)交互裝置，其特征在于:所述安裝緊固模塊包括支撐外框(I)、筆頭基座(2)、電容筆頭(5)和指套(8)，所述信號(hào)測(cè)量調(diào)理模塊包括壓力傳感器￠)、手指姿態(tài)測(cè)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(cè)量傳感器(7)通過(guò)濾波電路與核心控制接口模塊連接，所述手指姿態(tài)測(cè)量傳感器(7)設(shè)置在指套⑶的頂部，所述支撐外框⑴的上部與指套⑶的底部連接，所述支撐外框(I)內(nèi)由上至下依次設(shè)置有位于同一中心線上的觸覺(jué)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。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種面向移動(dòng)終端的可穿戴指套式力觸覺(jué)交互裝置，其特征在于:所述觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊(4)為3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種面向移動(dòng)終端的可穿戴指套式力觸覺(jué)交互裝置，其特征在于:所述3X3壓電陶瓷馬達(dá)振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器嵌套安裝在支撐外框(I)頂部的壓電陶瓷致動(dòng)陣列槽中，壓力傳感器(6)安裝在壓電陶瓷致動(dòng)陣列槽下方的凹槽之中，并通過(guò)下方的筆頭基座⑵固定。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種面向移動(dòng)終端的可穿戴指套式力觸覺(jué)交互裝置，其特征在于: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(cè)量傳感器(7)通過(guò)濾波電路與主微控制器連接，所述主微控制器通過(guò)WiFi通信模塊與移動(dòng)終端無(wú)線連接，所述主微控制器通過(guò)控制接口電路和驅(qū)動(dòng)電路與觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊(4)連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種面向移動(dòng)終端的可穿戴指套式力觸覺(jué)交互裝置，其特征在于: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(6)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(cè)量傳感器(7)連接的濾波器為卡爾曼濾波器。7.基于面向移動(dòng)終端的可穿戴指套式力觸覺(jué)交互裝置的實(shí)現(xiàn)方法:其特征在于: 所述壓電傳感器(6)將采集交互過(guò)程中的手指壓力，經(jīng)濾波電路將手指主動(dòng)按壓力信息送入主微控制器，手指姿態(tài)測(cè)量傳感器(7)通過(guò)與可穿戴主要機(jī)構(gòu)裝置同步運(yùn)動(dòng)采集交互過(guò)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(dòng)終端； 移動(dòng)終端從圖像中提取觸覺(jué)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(dòng)控制信息，并將驅(qū)動(dòng)控制信息映射到觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊(4)，主微控制器獲得移動(dòng)終端發(fā)送的驅(qū)動(dòng)控制信息，將驅(qū)動(dòng)控制信息送入驅(qū)動(dòng)電路使觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊(4)產(chǎn)生相應(yīng)振動(dòng)使用戶獲得力觸覺(jué)交互的真實(shí)感受。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種面向移動(dòng)終端的可穿戴指套式力觸覺(jué)交互裝置及實(shí)現(xiàn)方法，包括安裝緊固模塊、觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊、信號(hào)測(cè)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(jué)刺激執(zhí)行模塊和信號(hào)測(cè)量調(diào)理模塊，所述信號(hào)測(cè)量調(diào)理模塊的信號(hào)輸出端與核心控制接口模塊的信號(hào)輸入端連接，所述核心控制接口模塊與移動(dòng)終端無(wú)線連接，移動(dòng)終端與觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊映射，所述核心控制接口模塊的信號(hào)輸出端與觸覺(jué)刺激執(zhí)行模塊的信號(hào)輸入端連接。本發(fā)明操控原理簡(jiǎn)單、便攜性好，可用于不同的移動(dòng)終端進(jìn)行交互。
【IPC分類】G06F3/033, G06F3/01, G06F3/041, G06F3/038
【公開(kāi)號(hào)】CN104898842
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510292295
【發(fā)明人】吳涓, 邵知宇, 王路, 鄧鵬 , 宋愛(ài)國(guó)
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年6月1日