一種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)方法和裝置，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，提出了一種凸起幾何模型的靜電力觸覺再現(xiàn)算法和一種凹陷幾何模型的靜電力觸覺再現(xiàn)算法，應(yīng)用于靜電力觸覺再現(xiàn)裝置中，可明顯引起凸起或凹陷的觸覺感。同時(shí)，本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)裝置，主要包括靜電力觸覺再現(xiàn)交互單元、靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元、紅外定位單元以及ARM核心處理單元。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：易于小型化，可以應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦以及筆記本電腦等移動(dòng)終端；本發(fā)明公開的靜電力觸覺再現(xiàn)方法，計(jì)算復(fù)雜度低，特別適合平板電腦、手機(jī)等計(jì)算能力有限的移動(dòng)終端，能夠獲得良好的觸覺體驗(yàn)。
【專利說明】—種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)裝置及一種靜電力觸覺再現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]觸覺再現(xiàn)能夠?yàn)槿颂峁└诱鎸?shí)和直觀的交互體驗(yàn)，是目前國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)【技術(shù)領(lǐng)域】的研究熱點(diǎn)。觸覺再現(xiàn)在教育、網(wǎng)絡(luò)購物、盲人視圖、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域有著重要作用。
[0003]韓國釜山國立大學(xué)的Jin-Hun Park等提出了基于磁路設(shè)計(jì)的線性振動(dòng)傳感器，增加了磁力，使其在保證快速響應(yīng)的同時(shí)，提高線性振動(dòng)器傳遞的力，增強(qiáng)線型振動(dòng)器的振動(dòng)強(qiáng)度，但是對(duì)觸覺模擬的效果有限。日本電信通信大學(xué)研制的一種用于移動(dòng)觸摸屏的透明電觸覺薄膜，該薄膜上的電極呈點(diǎn)陣式分布，可吸附在顯示上，觸摸時(shí)會(huì)根據(jù)圖像的紋理給予電觸覺反饋，但其采用直接式電刺激，不適性大。美國迪斯尼公司研制了一種靜電力引起觸覺反饋的技術(shù)，可在普通觸摸屏實(shí)現(xiàn)觸覺再現(xiàn)，這種技術(shù)被普遍認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)小型化的最主要方式，是觸覺再現(xiàn)領(lǐng)域的最新技術(shù)。
[0004]2011年美國專利US 2011/0285667A1中公開了一種基于電震動(dòng)的觸覺再現(xiàn)技術(shù)，采用電荷的庫侖作用，使人感知觸覺，介紹了其工作原理，并其不是一個(gè)完整的觸覺再現(xiàn)裝置，并沒有涉及具體的觸覺再現(xiàn)算法。2012年中國專利CN202694260U中公開了一種基于靜電力的觸覺再現(xiàn)裝置，其主控單元采用PC機(jī)，不利于小型化，且其在驅(qū)動(dòng)信號(hào)與觸覺的關(guān)系方面未做具體研究，也未涉及具體的觸覺再現(xiàn)算法。
[0005]在靜電力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)中，手指產(chǎn)生的觸覺力的大小可用以下公式近似得到
F入 n=⑴
_6]2(1' 4.1 r、(T +T )
S ερ Ρ
[0007]其中，ε C1為真空介電常數(shù)，^和％分別為皮膚和透明絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)，A為手指與導(dǎo)電極板接觸面積，V(t)為導(dǎo)電極板通電電壓，Ts和Tp分別為皮膚和透明絕緣層的厚度。從上式可以得出靜電力的大小與驅(qū)動(dòng)電壓V(t)、接觸面積A，以及皮膚和透明絕緣層的性質(zhì)有關(guān)，其中可控制的關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)電壓V(t)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)方法和裝置，并建立了驅(qū)動(dòng)信號(hào)v(t)與圖像表面高度的觸覺感受之間的聯(lián)系，提出凸起和凹陷幾何形狀的觸覺再現(xiàn)算法。
[0009]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0010]靜電力的觸覺再現(xiàn)裝置包括靜電力觸覺再現(xiàn)交互單元、靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元、紅外定位單元以及ARM核心處理單元；
[0011](I)所述靜電力觸覺再現(xiàn)交互單元包括IXD顯示屏、紅外定位框和靜電力觸覺再現(xiàn)面板；
[0012]所述IXD顯示屏用來顯示圖像信息；
[0013]所述紅外定位框由紅外定位單元來驅(qū)動(dòng)，用于實(shí)時(shí)獲取手指位置信息；
[0014]所述靜電力觸覺再現(xiàn)面板分三層結(jié)構(gòu)，由上到下依次是:透明絕緣層、透明導(dǎo)電極板、玻璃底板；所述透明導(dǎo)電極板采用氟摻雜錫氧化物(FTO)，經(jīng)磁控濺射技術(shù)均勻噴涂在玻璃底板上，F(xiàn)TO層厚度0.185um±0.005um，透光率為94% ；
[0015]所述透明絕緣層位于靜電力觸覺再現(xiàn)面板的最頂層，是手指接觸的平面，也是在對(duì)透明導(dǎo)電極板施加電信號(hào)后，另手指產(chǎn)生靜電力觸覺的部分，采用了厚度為2um的聚醚砜(PES)，其介電常數(shù)為3.5，該聚醚砜采用磁控濺射技術(shù)均勻噴涂在透明導(dǎo)電極板上。
[0016](2)所述靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元，采用32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812，運(yùn)行時(shí)鐘頻率可達(dá)150M，處理性能可達(dá)150MIPS。使用兩片12位D/A轉(zhuǎn)芯片根據(jù)直接數(shù)字式頻率合成(DDS)技術(shù)，生成波形、頻率、幅度可變的控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)過高壓放大芯片PA90，將控制信號(hào)放大到峰峰值O — 400V可調(diào)的高壓信號(hào)，波形種類為正弦波、方波、鋸齒波、三角波、調(diào)幅波、或調(diào)頻波，頻率范圍為20—20KHz，用以驅(qū)動(dòng)靜電力觸覺再現(xiàn)面板，產(chǎn)生靜電力觸覺；
[0017](3)所述紅外定位單元用于驅(qū)動(dòng)紅外定位邊框，實(shí)時(shí)檢測(cè)手指觸碰觸覺再現(xiàn)交互屏的位置，并將檢測(cè)到的位置信息發(fā)送給ARM核心處理單元，紅外定位單元的核心采用單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)同時(shí)定位，采用USB將位置信息發(fā)送至ARM核心處理單元；
[0018](4) ARM核心處理單元以ARM處理器為核心，主要負(fù)責(zé)根據(jù)紅外定位單元傳來的手指觸碰圖像的位置信息，然后提取該位置的輪廓、紋理等信息，再根據(jù)靜電力觸覺算法，將要生成的靜電力驅(qū)動(dòng)信號(hào)信息發(fā)送給靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元，從而產(chǎn)生靜電力觸覺；
[0019]本ARM核心處理單元采用三星S5PV210芯片，主頻達(dá)1GHz，并配有IG內(nèi)存，運(yùn)行Android 4.0 系統(tǒng)；
[0020]該單元是整個(gè)靜電力觸覺再現(xiàn)裝置的核心，本專利所述的第二部分——靜電力觸覺再現(xiàn)算法就在本單元運(yùn)行。
[0021]根據(jù)本發(fā)明所描述的靜電力觸覺再現(xiàn)裝置，具有易于小型化的特點(diǎn)，可以使用在智能手機(jī)、平板電腦等Android系統(tǒng)平臺(tái)，也可以移植到蘋果1S平臺(tái)以及筆記本電腦等移動(dòng)終端。
[0022]本靜電力觸覺再現(xiàn)裝置中主要通過改變驅(qū)動(dòng)電壓V(t)來改變靜電力的大小，V(t)由靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的種類可以為正弦波、方波、鋸齒波、三角波、調(diào)幅波、調(diào)頻波等。
[0023]經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率范圍在20 — ΙΚΗζ，峰峰值為60—400V時(shí)可明顯感覺到靜電力觸覺，且電壓越高，效果越明顯。
[0024]特別的，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為調(diào)幅波時(shí):
[0025]設(shè)調(diào)制信號(hào)Ui2⑴:
[0026]Ufi (t) = UfimCos Ω t
[0027]載波信號(hào)U。⑴:
[0028]Uc (t) = UcmCos Ω ct
[0029]則調(diào)幅波信號(hào)V (t):
[0030]V (t) = Ucm (l+macos Ω t) cos Ω ct
[0031]其中ma為調(diào)制系數(shù)，本裝置中ma = I。當(dāng)載波信號(hào)頻率ω。為20KHz，調(diào)制信號(hào)頻率Ω為20— 500Hz，典型值為240Hz，系統(tǒng)的靜電力觸覺效果最為明顯。
[0032]本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)方法，包括下列步驟:
[0033](I)當(dāng)手指觸摸IXD顯示屏?xí)r，紅外定位單元檢測(cè)到手指的位置(X，y)，并將此位置信息發(fā)送至ARM核心處理單元；
[0034](2) ARM核心處理單元首先對(duì)IXD顯示屏顯示的MXN大小圖像進(jìn)行處理，M、N表示圖像的像素點(diǎn)，將此圖像灰度化，灰度化矩陣L:

【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)方法，其特征在于包括下列步驟: (1)當(dāng)手指觸摸LCD顯示屏?xí)r，紅外定位單元檢測(cè)到手指的位置(X，y)，并將此位置信息發(fā)送至ARM核心處理單元； (2)ARM核心處理單元首先對(duì)IXD顯示屏顯示的MXN大小圖像進(jìn)行處理(M、N表示圖像的像素點(diǎn))，將此圖像灰度化，灰度化矩陣L:
其中，R、G、B為圖像紅、綠、藍(lán)顏色分量； 然后計(jì)算整個(gè)MXN大小的圖像的平均高度值1:1 M N'
最后計(jì)算觸摸位置(x，y)相對(duì)高度值H(x，y):
其中，k為常系數(shù)； (3)判斷觸摸位置的高度信息，若H(x，y)>H'(x，y)，說明此處為凸起，則采用凸起幾何模型的靜電力觸覺再現(xiàn)算法，若H(x，y)〈H' (x，y)，說明此處為凹陷，則采用凹陷幾何模型的靜電力觸覺再現(xiàn)算法(x, y)為前一觸摸位置的高度值； (4)采用正弦高度模型分別對(duì)凸起和凹陷的幾何形狀建模: 凸起幾何模型L±:
凹陷幾何模型Lt:
(5)凸起和凹陷的幾何模型僅反映了圖像的高度信息，實(shí)際在靜電力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)中，表面高度的相對(duì)變化量是產(chǎn)生觸覺紋理或是輪廓的反饋力的關(guān)鍵，因而對(duì)凸起幾何模型和凹陷幾何模型求導(dǎo)，使其變?yōu)樘荻饶Ｐ?
(6)利用韋伯-費(fèi)希納靜電力觸覺模型映射凸起和凹陷梯度模型的驅(qū)動(dòng)電壓振幅，其中，韋伯-費(fèi)希納靜電力觸覺模型: V=KlgU + A 其中，▽為凸起或凹陷梯度模型，U為靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元的驅(qū)動(dòng)電壓的振幅，K和A為常數(shù)，A代表靜電力觸覺系統(tǒng)的最小刺激閾值電壓，K和A實(shí)際中可采用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得; 所以，凸起梯度模型對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓振幅U±:
凹陷梯度模型對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓振幅Ut:
(J)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以UJ^P Ut為振幅，形式采用調(diào)幅波，則驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形為:
其中，ma為調(diào)制系數(shù)，取ma= l，t為時(shí)間，Ω。為載波信號(hào)頻率，取Ωε = 20ΚΗζ，Ω為調(diào)制信號(hào)頻率，頻率范圍20~500Hz，典型值為240Hz ； 將此凸起模型調(diào)制信號(hào)形式與凹陷模型調(diào)制信號(hào)形式根據(jù)手指的位置(X，y)，傳送至靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元，然后驅(qū)動(dòng)靜電力觸覺再現(xiàn)交互單元中的靜電力觸覺再現(xiàn)面板，手指可以產(chǎn)生明顯凸起或是凹陷的觸覺感。
2.一種應(yīng)用于移動(dòng)終端的靜電力觸覺再現(xiàn)裝置，其特征包括:靜電力觸覺再現(xiàn)交互單元、靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元、紅外定位單元以及ARM核心處理單元； (1)所述靜電力觸覺再現(xiàn)交互單元包括LCD顯示屏、紅外定位框和靜電力觸覺再現(xiàn)面板； 所述IXD顯示屏主要用來顯示圖像信息； 所述紅外定位框由紅外定位單元來驅(qū)動(dòng)，用于實(shí)時(shí)獲取手指位置信息； 所述靜電力觸覺再現(xiàn)交互單元中的靜電力觸覺再現(xiàn)面板分三層結(jié)構(gòu)，由上到下依次是:透明絕緣層、透明導(dǎo)電極板、玻璃底板；所述透明導(dǎo)電極板采用氟摻雜錫氧化物，經(jīng)磁控濺射技術(shù)均勻噴涂在玻璃底板上，氟摻雜錫氧化物層厚度0.185um±0.005um，透光率為94% ;所述透明絕緣層采用聚醚砜，厚度為2um，介電常數(shù)為3.5，經(jīng)磁控濺射技術(shù)均勻噴涂在透明導(dǎo)電極板上； (2)所述靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元，采用數(shù)字信號(hào)處理器；使用兩片D/A轉(zhuǎn)芯片根據(jù)直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)，生成波形、頻率、幅度可變的控制信號(hào)；該控制信號(hào)經(jīng)過高壓放大芯片，將控制信號(hào)放大到峰峰值O — 400V可調(diào)的高壓信號(hào)；波形種類可為正弦波、方波、鋸齒波、三角波、調(diào)幅波、調(diào)頻波等，頻率范圍為20~20KHz，用以驅(qū)動(dòng)觸覺再現(xiàn)面板，產(chǎn)生靜電力觸覺； (3)所述紅外定位單元用于驅(qū)動(dòng)紅外定位邊框，實(shí)時(shí)檢測(cè)手指觸碰觸覺再現(xiàn)交互屏的位置，并將檢測(cè)到的位置信息發(fā)送給ARM核心處理單元； (4)所述ARM核心處理單元以ARM處理器為核心，主要負(fù)責(zé)根據(jù)紅外定位單元傳來的手指觸碰圖像的位置信息，然后提取該位置的輪廓、紋理等信息，再根據(jù)靜電力觸覺算法，將要生成的靜電力驅(qū)動(dòng)信號(hào)信息發(fā)送給靜電力觸覺再現(xiàn)控制單元，從而產(chǎn)生靜電力觸覺。
【文檔編號(hào)】G06F3/01GK104199554SQ201410483583
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月21日
【發(fā)明者】孫曉穎, 王慶龍, 王婷婷, 吳賽文, 董楊瑞, 龍慧, 陳建, 燕學(xué)智 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)