一種基于擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)裝置與方法與流程
本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實觸覺再現(xiàn)領域，具體涉及了一種基于擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)裝置及觸覺再現(xiàn)方法。
背景技術：
觸覺再現(xiàn)是一門綜合了電子、物理、計算機、心理等眾多學科最新研究成果的新技術，在視覺技術聽覺技術廣泛發(fā)展的今天，觸覺再現(xiàn)技術僅僅處于朝陽階段，其應用領域例如虛擬現(xiàn)實，增強現(xiàn)實，人機交互等同樣處于未來改變世界的一項新的技術手段，觸覺再現(xiàn)在這些領域中打開了人與虛擬世界溝通的新通道，能夠給人更加真實的沉浸感，將人類與虛擬世界的交流推向聽覺、視覺與觸覺三維融合的嶄新階段。因此可以斷定的是，觸覺再現(xiàn)方法和技術手段是信息技術發(fā)展的國際潮流和必然趨勢。
近年來，國內外對觸覺再現(xiàn)技術研究廣泛，根據(jù)觸覺再現(xiàn)原理的不同，觸覺再現(xiàn)裝置可分為機械式觸覺再現(xiàn)、振動式觸覺再現(xiàn)、陣列式觸覺再現(xiàn)、摩擦力控制式觸覺再現(xiàn)四種類型。
摩擦力控制式觸覺再現(xiàn)裝置通過交互界面上的側向作用力的變化來表達觸覺信息，具體生成方式包括空氣壓膜效應法和靜電力法兩種。相對于陣列式裝置，該類裝置力的輸出連續(xù)性好，能夠呈現(xiàn)精細的觸覺效果?；诳諝鈮耗ば哪Σ亮υ佻F(xiàn)裝置在顯示設備上增加一層薄膜并施加高頻振動產生空氣薄膜，通過調節(jié)振動的頻率和強度調節(jié)摩擦系數(shù)，進而改變手指的受力，使操作者感知觸覺紋理。2007年，美國西北大學winfield等研制出基于壓電振動產生空氣壓膜效應的tpad裝置，通過改變屏幕表面摩擦系數(shù)來使操作者感知觸覺紋理。2013年，美國西北大學的colgate等將前述成果集成到便攜終端tpadfire上，可在玻璃表面上呈現(xiàn)出可定制的紋理，反饋力可達100mn。但是該類裝置只是通過振動產生摩擦力，動態(tài)范圍較小，同時需帶動整個面板振動，無法提供多點反饋。m.比耶等在題為“振動觸覺界面”的專利cn101632054a中，將壓電陣列固定于一塊矩形板上，利用壓電陣列的高頻振動產生擠壓氣膜效應來產生觸覺反饋，但是專利中沒有說明如何確定觸點位置，也沒有詳細描述如何產生多點觸覺反饋。yu-chouyeh等在“陣列式觸覺反饋觸摸面板”的專利us20100328053a1中，將陣列式振動單元設置在觸摸單元的下方，觸摸單元用于記錄觸摸體的運動軌跡，振動單元用于產生振動提供觸覺。這樣一來，觸點的定位需要額外的單元模塊不能有效的縮減裝置的體積，也不利于集成于現(xiàn)有終端上。
從實現(xiàn)的方法上來看，可以看出基于擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)是通過控制側向力來表達觸覺信息。在集成到便攜終端的樣機中卻有很多問題，問題1：帶動共振器形成共振時，整個面板振動無法提供多點觸覺反饋；問題2：帶動共振器形成共振時，由于使用者施加的法向力一定程度上會衰減機械振動的幅度，弱化擠壓氣膜產生的觸覺反饋，帶來產生相對摩擦系數(shù)不準的問題；問題3：集成到終端樣機時，需要額外添加定位裝置，這樣會嚴重影響觸覺體驗。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種基于擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)裝置與方法，以解決如下問題；帶動共振器形成共振時，整個面板振動無法提供多點觸覺反饋的問題；帶動共振器形成共振時，由于使用者施加的法向力一定程度上會衰減機械振動的幅度，弱化擠壓氣膜產生的觸覺反饋，帶來產生相對摩擦系數(shù)不準的問題；集成到終端樣機時，需要額外添加定位裝置，會嚴重影響觸覺體驗的問題。
本發(fā)明采取的技術方案是，基于擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)裝置由以下幾部分構成：
觸感表面，被配置為檢測觸點位置并呈現(xiàn)觸覺；
控制模塊，被配置為接收觸點位置信息并根據(jù)法向力大小計算電信號信息；
信號驅動模塊，被配置為提供觸感表面所需要的驅動信號；
法向力檢測模塊，被配置為檢測用戶施加的法向力。
所述觸感表面包括：壓電層、隔熱層、支撐結構，所述壓電層設置于支撐結構的上部，所述隔熱層設置于壓電層的上部，所述的隔熱層、壓電層和支撐結構是之間是剛性連接的。
所述壓電層、隔熱層、支撐結構都是以陣列形式呈現(xiàn)的，陣列的行數(shù)和列數(shù)分別為m和n。
所述壓電層包括一個壓電陣列，所述壓電陣列的每一部分為長方體，壓電陣列的每一部分被稱為壓電振子，所述壓電陣列中的每個壓電振子由兩條信號線控制，分別連接至行信號總線和列信號總線。行信號總線和列信號總線連接至信號驅動模塊，且連接至法向力檢測模塊。利用壓電層的正壓電效應，通過法向力檢測模塊將壓電層產生的電信號大小轉化成法向力的大小，根據(jù)法向力大小判斷觸點位置并判斷是否需要啟動擠壓氣膜效應補償機制；利用壓電層的逆壓電效應通過信號驅動模塊產生驅動信號，驅動壓電層高頻振動，形成擠壓氣膜效應形成觸覺反饋。
所述壓電層和支撐結構所呈現(xiàn)的機械振動變形至少是以40khz為共振頻率的機械振動，所呈現(xiàn)的機械振動幅度至少為1μm。
所述的法向力檢測模塊包括：前置放大器和模數(shù)轉換器。前置放大器的作用是將壓電層產生的微弱的電壓信號進行適當放大，經過模數(shù)轉換器將電壓信號轉換成數(shù)字信號，數(shù)字信號的大小對應于法向力的大小，將產生的數(shù)字信號發(fā)送給控制模塊。
所述控制模塊包括控制器，控制器中存儲了法向力與補償驅動信號對應表和法向力與電信號對應表，控制器被配置為接收法向力檢測模塊發(fā)送的數(shù)字信號并根據(jù)該數(shù)字信號計算法向力的大小，同時根據(jù)該法向力的大小判斷是否大于法向力閾值，并計算觸感表面需要驅動信號的大小，如果小于法向力閾值，則產生正常驅動信號；如果大于法向力閾值，則根據(jù)法向力與補償驅動信號對應表，產生補償驅動信號。
所述信號驅動模塊包括：dds信號發(fā)生器，數(shù)模轉換器，電壓放大器和功率放大器，控制模塊的控制器給dds信號發(fā)生器發(fā)送控制字產生基礎波形，基礎波形的頻率和產生的波形種類都是可控制的，將基礎波形連接至數(shù)模轉換器的參考電壓引腳，利用數(shù)模轉換器參考電壓加波形的形式控制輸出波形的幅度，數(shù)模轉換器的參考電壓取前一級的輸出波形，通過改變控制字來改變輸出波形的幅度，數(shù)模轉換器的控制字由控制器發(fā)送，當輸入的控制字一定時參考電壓引腳的電壓值改變，輸出端的電壓值也相應的改變，從而完成幅度控制的功能，電壓放大器和功率放大器連接成比例放大電路的形式，按照兩級放大的形式級聯(lián)，經過放大后形成壓電層需要的高幅值高幅頻大電流的驅動信號。
一種基于擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)方法，包括以下步驟：
(1)建立法向力與電信號對應表和法向力與補償驅動信號對應表，存儲在控制模塊中；
(2)采集數(shù)據(jù)并判斷觸點位置，具體過程如下：
將壓電振子進行編號，將第一行第一列的壓電振子稱為a11，第一行第二列的壓電振子稱為a12，以此類推產生由壓電振子編號構成的矩陣形式，
(3)因使用者施加的法向力與壓電陣列產生的電信號呈正相關，根據(jù)法向力與壓電陣列產生的電信號的對應表，控制模塊檢測使用者施加的法向力的大??；
(4)判斷使用者施加的法向力是否超過法向力閾值；
(5)若已超過法向力閾值，則啟用擠壓氣膜效應補償機制，根據(jù)法向力與補償驅動信號對應表產生補償驅動信號；若未超過法向力閾值，則產生正常驅動信號；
(6)驅動信號驅動觸感表面的觸點位置處產生擠壓氣膜效應的觸覺反饋。
本發(fā)明所述步驟(1)中法向力與補償驅動信號對應表的建立方法，包括以下步驟：
(1)測量手指在觸感表面觸摸時的法向力和對應的觸感表面機械振動幅度衰減的百分量；
(2)測量沒超過法向力閾值時的驅動電壓與振動幅度的關系，記為hvib＝a*v，hvib為振動幅度，v為施加的驅動電壓，a為系數(shù)；測量超過法向力閾值時的驅動電壓與振動幅度的關系，記為hvib1＝a1*v1，hvib1為振動幅度，v1為施加的驅動電壓，a1為系數(shù)；
(3)建立法向力與補償驅動信號對應表，如下表示：
其中，n1,n2…nk表示為用戶施加的法向力從小到大表示，
-p1％,-p2％…-pk％，表示為對應的振動幅度變化百分量，
本發(fā)明針對多點擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)問題設計了以陣列形式分布的壓電層，在檢測出多個觸點時，不同觸點處的壓電材料分別由不同的電信號控制啟動，可在不同觸點位置處形成多點的擠壓氣膜效應觸覺反饋。
本發(fā)明針對終端樣機需額外加定位裝置的問題，提出通過分時復用壓電層的方法，當手指觸摸在壓電層時，壓電層會產生相應的電信號，通過法向力檢測模塊檢測產生的電信號發(fā)送給控制模塊確定觸點位置。在壓電層確定觸點位置后，控制模塊控制信號驅動模塊向壓電層施加高壓信號控制產生擠壓氣膜效應的觸覺反饋，省去了外加觸點定位裝置，優(yōu)化了整個觸覺再現(xiàn)裝置的體積且簡化了制作步驟。
本發(fā)明針對使用者所施加的法向力一定程度上會衰減機械振動幅度和頻率，弱化擠壓氣膜效應產生的觸覺反饋，提出了擠壓氣膜效應補償機制，當法向力大于某一數(shù)值時(法向力閾值)，啟動擠壓氣膜效應補償機制，控制模塊存儲法向力與補償驅動信號對應表?；诜ㄏ蛄εc補償驅動信號對應表，控制模塊控制信號驅動模塊產生一種補償驅動信號，補償驅動信號將增大壓電層機械振動的幅度，以補償因使用者施加的法向力減小的壓電層機械振動的幅度，達到穩(wěn)定準確的相對摩擦系數(shù)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明所述的觸覺再現(xiàn)裝置利用壓電效應，將壓電層分時復用，使其具有觸點定位和觸覺反饋的功能，節(jié)省裝置體積，便攜性好，簡化裝置的制作步驟；
(2)本發(fā)明所述的觸覺再現(xiàn)裝置將使用者施加的法向力與壓電層產生的電信號一一對應，量化了施加法向力的大小，并根據(jù)法向力的大小自適應產生一種補償驅動信號，用來增強壓電層機械振動的幅度，使產生相對摩擦系數(shù)更準確，模擬背景紋理的效果更好，可呈現(xiàn)豐富的紋理圖像觸覺；
(3)本發(fā)明所述的觸覺再現(xiàn)裝置將壓電層制作成陣列形式，并分別施加驅動信號控制，可以產生多點擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)，同時避開了壓電材料帶動整個面板振動時產生振型節(jié)線的問題，裝置的功耗低，具有非常好的可擴展性。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的觸覺再現(xiàn)裝置的結構圖；
圖2是為本發(fā)明的觸感表面的側視圖；
圖3是為本發(fā)明的多點觸覺再現(xiàn)裝置的工作原理圖；
圖4是為本發(fā)明的硬件結構框圖。
具體實施方式
本發(fā)明的裝置由以下幾部分構成：
觸感表面1，被配置為檢測觸點位置并呈現(xiàn)觸覺；
控制模塊2，被配置為接收觸點位置信息并根據(jù)法向力大小計算電信號信息；
信號驅動模塊3，被配置為提供觸感表面所需要的驅動信號；
法向力檢測模塊4，被配置為檢測用戶施加的法向力；
所述觸感表面包括：隔熱層101、壓電層102、支撐結構103，所述壓電層設置于支撐結構的上部，所述隔熱層設置于壓電層的上部；所述的隔熱層、壓電層和支撐結構是之間是剛性連接的。
隔熱層、壓電層和支撐結構由陣列形式呈現(xiàn)，每一部分為長方體，陣列的行數(shù)和列數(shù)分別為m和n，兩兩之間間距??；
所述壓電層包括一個壓電陣列，壓電陣列的每一部分被稱為壓電振子，由兩條信號線控制，分別連接至行信號總線和列信號總線，行信號總線和列信號總線連接至信號驅動模塊，且行信號總線和列信號總線連接至法向力檢測模塊，每個壓電振子可單獨控制，利用壓電層的正壓電效應，通過法向力檢測模塊將壓電層產生的電信號大小轉化成法向力的大小，根據(jù)法向力大小計算驅動信號信息；利用壓電層的逆壓電效應通過信號驅動模塊產生驅動信號，驅動壓電層高頻振動，形成擠壓氣膜效應形成觸覺反饋，在選擇壓電材料時，應注重以下幾個方面：
(1)轉換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；
(2)機械性能：具有較高的機械強度和具有較大的機械品質因數(shù)；
(3)溫度穩(wěn)定性：具有較高的居里點；
(4)尺寸、諧振頻率適中，靈敏度好；
所述壓電陣列的分辨率是基于裸指最小觸覺分辨率設計的，采用透光性良好的壓電材料組成，每一塊壓電材料由兩種電信號控制，壓電陣列、隔熱層與支撐結構之間，壓電材料之間必須是剛性連接的，以確保機械損耗不會太大。
所述壓電層設置于支撐結構上部，支撐結構包括一些透明且硬度大的材料，厚度范圍為1mm至2mm，如玻璃基板，塑料材質等；所述的壓電陣列層可分為x方向壓電陣列和y方向壓電陣列，分別連接信號驅動模塊和法向力檢測模塊，然后連接至控制模塊；當手指觸摸在透明壓電陣列層上時，在透明壓電層會產生一個低壓電信號，低壓電信號經過前置放大和模數(shù)轉換傳遞給控制模塊，根據(jù)接收的數(shù)字信號的有無，來確定觸點的具體位置；然后，控制模塊控制信號驅動模塊發(fā)出高壓激勵信號給手指觸摸區(qū)域施加觸覺反饋，這樣，壓電層采用分時復用的方法同時具有手指定位功能和呈現(xiàn)觸覺反饋的功能。若判斷為單點觸摸模式，則控制模塊控制產生單點位置處的摩擦系數(shù)μi，其中i＝1；若判斷為多點觸摸模式，則控制模塊配合多路選通器控制產生不同激勵信號控制相應的行列壓電陣列產生不同位置處的摩擦系數(shù)μi，其中i＝1，2，3…n，實現(xiàn)多點觸覺再現(xiàn)；
所述壓電層、隔熱層與支撐結構共振頻率應大于40khz，考慮到機械損耗和支撐結構質量大小應適當提高共振頻率，在滿足共振頻率的同時還應考慮共振幅度的大小。一般地，共振幅度大于1μm可以明顯感覺到擠壓氣膜效應，信號驅動模塊應產生直流交變信號，例如正弦波，其峰峰值與頻率應是可調的，在選擇功率放大器時還應注意散熱問題。壓電層的每個部分的寬度等于在壓電層表面產生的駐波的半波長，觸感表面的寬度應等于駐波半波長的整數(shù)倍。
所述的法向力檢測模塊包括：前置放大器和模數(shù)轉換器，前置放大器的作用是將壓電層產生的微弱的電壓信號進行適當放大，經過模數(shù)轉換器將電壓信號轉換成數(shù)字信號，數(shù)字信號的大小對應于法向力的大小，將產生的數(shù)字信號發(fā)送給控制模塊。
所述控制模塊包括控制器，控制器中存儲了法向力與補償驅動信號對應表和法向力與電信號對應表；控制器被配置為接收法向力檢測模塊發(fā)送的數(shù)字信號并根據(jù)該數(shù)字信號計算法向力的大小，同時根據(jù)該法向力的大小計算觸感表面需要給信號驅動模塊驅動信號的大小，還發(fā)送控制字產生基礎波形；所述控制模塊一方面采集觸點位置信息，另一方面控制信號驅動模塊產生驅動信號；控制模塊對檢測用戶施加的法向力的大小進行評估，當法向力大于法向力閾值，啟動擠壓氣膜效應補償機制。根據(jù)法向力與補償驅動信號對應表，控制模塊控制信號驅動模塊產生一種補償驅動信號，所述補償驅動信號大于無法向力或低于法向力閾值時的電信號，所述補償驅動信號將增大壓電層機械振動的幅度，以補償因使用者施加的法向力減小的壓電層機械振動的幅度，達到穩(wěn)定準確的相對摩擦系數(shù)；
所述信號驅動模塊包括：dds信號發(fā)生器，數(shù)模轉換器，電壓放大器和功率放大器，控制模塊的控制器給dds信號發(fā)生器發(fā)送控制字產生基礎波形，基礎波形的頻率和產生的波形種類都是可控制的；將基礎波形連接至數(shù)模轉換器的參考電壓引腳。利用數(shù)模轉換器參考電壓加波形的形式控制輸出波形的幅度。數(shù)模轉換器的參考電壓取前一級的輸出波形，通過改變控制字來改變輸出波形的幅度。數(shù)模轉換器的控制字由控制器發(fā)送，當輸入的控制字一定時參考電壓引腳的電壓值改變，輸出端的電壓值也相應的改變，從而完成幅度控制的功能，電壓放大器和功率放大器連接成比例放大電路的形式，按照兩級放大的形式級聯(lián)，經過放大后形成壓電層需要的高幅值高幅頻大電流的驅動信號。
本發(fā)明針對多點擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)問題設計了以陣列形式分布的壓電層。在檢測出多個觸點時，不同觸點處的壓電材料分別由不同的電信號控制啟動工作，可在不同觸點位置處形成多點的擠壓氣膜效應觸覺反饋。
本發(fā)明針對終端樣機需額外加定位裝置的問題，提出通過分時復用壓電層的方法，當手指觸摸在壓電層時，壓電層會產生相應的電信號，通過法向力檢測模塊檢測產生的電信號發(fā)送給控制模塊確定觸點位置。在壓電層確定觸點位置后，控制模塊控制信號驅動模塊向壓電層施加高壓信號控制產生擠壓氣膜效應的觸覺反饋，省去了外加觸點定位裝置，優(yōu)化了整個觸覺再現(xiàn)裝置的體積且簡化了制作步驟。
本發(fā)明針對使用者所施加的法向力一定程度上會衰減機械振動幅度和頻率，弱化擠壓氣膜效應產生的觸覺反饋，提出了擠壓氣膜效應補償機制，當法向力大于某一數(shù)值時(法向力閾值)，啟動擠壓氣膜效應補償機制。基于法向力與補償驅動信號對應表，控制模塊控制信號驅動模塊產生一種補償驅動信號，補償驅動信號將增大壓電層機械振動的幅度，以補償因使用者施加的法向力減小的壓電層機械振動的幅度，達到穩(wěn)定準確的相對摩擦系數(shù)。
一種基于擠壓氣膜效應的觸覺再現(xiàn)方法，包括以下步驟：
(1)建立法向力與電信號對應表和法向力與補償驅動信號對應表，存儲在控制模塊中；
(2)采集數(shù)據(jù)并判斷觸點位置，具體過程如下：
將壓電振子進行編號，將第一行第一列的壓電振子稱為a11，第一行第二列的壓電振子稱為a12，以此類推產生由壓電振子編號構成的矩陣形式，
(3)因使用者施加的法向力與壓電陣列產生的電信號呈正相關，根據(jù)法向力與壓電陣列產生的電信號的對應表，控制模塊檢測使用者施加的法向力的大小；
(4)判斷使用者施加的法向力是否超過法向力閾值；
(5)若已超過法向力閾值，則啟用擠壓氣膜效應補償機制，根據(jù)法向力與補償驅動信號對應表產生補償驅動信號；若未超過法向力閾值，則產生正常驅動信號；
(6)驅動信號驅動觸感表面的觸點位置處產生擠壓氣膜效應的觸覺反饋。
本發(fā)明所述步驟(1)中法向力與補償驅動信號對應表的建立方法，包括以下步驟：
(1)測量手指在觸感表面觸摸時的法向力和對應的觸感表面機械振動幅度衰減的百分量；
(2)測量沒超過法向力閾值時的驅動電壓與振動幅度的關系，記為hvib＝a*v，hvib為振動幅度，v為施加的驅動電壓，a為系數(shù)；測量超過法向力閾值時的驅動電壓與振動幅度的關系，記為hvib1＝a1*v1，hvib1為振動幅度，v1為施加的驅動電壓，a1為系數(shù)；
(3)建立法向力與補償驅動信號對應表，如下表示：
其中，n1,n2…nk表示為用戶施加的法向力從小到大表示，
-p1％,-p2％…-pk％，表示為對應的振動幅度變化百分量，
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