CN103885615A - 一种用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，包括笔头、套环、第一壳体、连接筒、第二壳体、端部壳体、电机、弹簧、滑块、丝杆、光电编码盘、测控模块、振动触觉模块和电源；第一壳体包括前壳体和后壳体，第一壳体内壁上设有限位槽；笔头与连接筒的一端固定连接，连接筒的另一端穿过前壳体的端部通孔；套环与连接筒间隙配合；丝杆的一端连接在连接筒中，丝杆的另一端与电机连接；滑块套装在丝杆上，滑块与丝杆相配合；弹簧的一端连接在滑块上，弹簧的另一端连接在套环上；光电编码盘连接在电机上，测控模块分别与光电编码盘和电机连接。该力触觉反馈电容笔解决移动终端的力触觉交互难以实现的问题，且能够产生连续的力觉反馈。

Description

一种用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔
技术领域
本发明属于人机交互装置，具体来说，涉及一种用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，实现了人与移动终端之间的力触觉交互。
背景技术
力触觉（haptic）是力觉（force）与触觉（tactile）的统称。触觉是指由压力、振动等机械刺激引起的与触摸有关的感受。力觉是指肌肉、骨骼的内部力量和运动等引起的身体感受。人在触摸物体的过程中，可以获得物体压觉、柔顺性、纹理等力触觉感受。虽然人获取信息的主要方式是视觉和听觉，但是力触觉有着不可替代的作用：首先，力触觉是获取信息的重要通道。当人们与环境进行信息交互时，通过触摸可以对物体的形状、材质、纹理等属性达到更好的认知。特别是当视觉或听觉受限时，可以使用力触觉交互方式表征当前的信息。其次，力触觉是实现精确操作和控制的有效手段。例如，当遥操作机器人与环境相互作用时，操作者需要通过力触觉提示感知物***置等信息，才能保证准确地完成任务。
移动终端作为迅速发展的个人计算与通讯设备，近年来进入智能化发展阶段，其人机交互接口的功能目前主要集中在视听觉交互上，能提供的力触觉功能很有限。力触觉再现与交互技术是一种新兴的人机交互技术，能够让操作者触摸、感知和操纵虚拟物体，实现对虚拟环境的主动探索，拓展了传统的人机交互模式，进一步提高人机交互的质量。将触觉再现与交互技术应用于移动终端能够拓宽移动终端的功能和应用范围，能够扩大受众人群（如视听障碍者），增强临场感，具有广阔的应用前景和市场价值。
目前国内外的力触觉笔式交互装置仅能够通过振动给予操作者简单触觉提示，而无法给予连续的力觉反馈感知，因此难以通过触摸来感知屏幕中物体的三维形状。本装置与移动终端技术相结合，实现一种有效的便携式力触觉交互电容笔装置，不仅能实现可控频率的振动触觉反馈提示，还能够产生连续的力觉反馈，填补目前移动终端力触觉人机交互领域的空白。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，该力触觉反馈电容笔解决移动终端的力触觉交互难以实现的问题，且能够产生连续的力觉反馈。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，该电容笔包括笔头、套环、第一壳体、连接筒、第二壳体、端部壳体、位于第一壳体中的电机、弹簧、滑块和丝杆，以及位于第二壳体中的光电编码盘、测控模块和电源；第二壳体固定连接在第一壳体和端部壳体之间；第一壳体包括前壳体和与前壳体固定连接的后壳体，前壳体的外径小于后壳体的外径，第一壳体的内壁上设有限位槽；笔头与连接筒的一端固定连接，连接筒的另一端穿过前壳体的端部通孔，位于前壳体内，且连接筒的筒径小于前壳体的端部通孔直径；套环套装在前壳体上，套环可沿前壳体轴向移动；套环与连接筒间隙配合；丝杆的一端通过轴承连接在连接筒中，丝杆的另一端与电机的输出轴连接；滑块套装在丝杆上，滑块与丝杆相配合，且滑块上设有吊耳，吊耳位于第一壳体的限位槽中；弹簧的一端连接在滑块上，弹簧的另一端连接在套环上；光电编码盘连接在电机上，测控模块分别与光电编码盘和电机连接，电源为测控模块和电机供电。
进一步，所述的笔头、连接筒、轴承、套环、弹簧、滑块、丝杆、第一壳体均采用导电材料制成。
进一步，所述的第二壳体和端部壳体均采用非金属材料制成。
进一步，所述的测控模块包括无线通信电路、控制电路、电源管理电路，控制电路通过导线分别与无线通信电路和电源管理电路连接，电源管理电路通过导线连接电源，无线通信电路与移动终端中的无线通信模块通讯连接；无线通信电路用于接收移动终端的数据，以及向移动终端发送数据。
进一步，所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：还包括振动触觉模块，振动触觉模块位于第二壳体中，电源为振动触觉模块供电，且振动触觉模块与测控模块通过导线连接。
进一步，所述的套环包括外环、内环、安装孔以及支撑块；内环位于外环中，且外环和内环之间通过支撑块固定连接，每个支撑块上设有一个安装孔；弹簧的一端套装在安装孔中；第一壳***于外环和内环之间的空隙中，连接筒位于内环的空腔中，且连接筒和内环之间有空隙。
进一步，所述的前壳体上开有开口槽，开口槽与套环的支撑块间隙配合，第一壳体的一端穿过套环的内环和外环之间的空隙，与笔头进行螺纹连接。
进一步，所述的开口槽的长度大于支撑块的长度。
进一步，所述的支撑块为两个，且相对布设在外环和内环之间；前壳体上的开口槽为两个；每个支撑块分别与一个开口槽间隙配合。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)  本发明设计了一种用于移动终端交互的带有力触觉反馈功能的电容笔，当人手握住该电容笔在移动终端屏幕上进行运动时，该电容笔内的弹簧在电机的带动下发生形变，从而在人的手部产生弹性力反馈，从而可以感受到屏幕所显示的图像的轮廓、凹凸等三维信息，并且利用该电容笔的振动触觉模块产生多种模式的振动可以增强图像的边缘信息，从而实现碰撞运动的效果，利用电机带动弹簧形变的方式产生弹性力反馈，可以实现阻尼运动的效果，拓展了移动终端的触觉人机交互方式，填补了目前移动终端力触觉人机交互领域的空白。
(2) 本发明的力触觉反馈电容笔利用滑块丝杆机构，通过控制电路控制电机的旋转速度及旋转圈数，使滑块沿丝杆发生定量的位移，导致弹簧发生形变，从而在人手部产生相应的力觉反馈效果，通过计算滑块运动的速度及位移，可对电容笔的力觉反馈进行连续地、精确地控制。因此本发明设计的力触觉反馈电容笔能够产生连续的、可控的力觉反馈。 
(3) 本发明设计的力触觉反馈电容笔通过无线通信方式与移动终端进行点对点的交互，不受移动终端的接口限制，该力触觉反馈电容笔可以适配于任意带有同类无线通信模块的移动终端，应用范围广泛，使用方便，具有极大的市场前景。
(4) 本发明设计的力触觉反馈电容笔采用无线通信方式，且机械结构呈直线排布，简单、紧凑，有利于安装在笔壳中，该电容笔体积小、重量轻，具有良好的便携性、移动性。
附图说明
图1为本发明的总体结构图。
图2为本发明的局部***图。
图3为本发明中的套环结构图。
图4为本发明中的第一壳体的结构图。
图5为本发明中的第一壳体的正视图。
图6为本发明的使用状态图。
图7为本发明工作中的弹簧形变图。
图8为本发明工作时，电容笔和人手接触点的受力分析图。
图9为本发明工作时，弹簧形变的原理图。
图中有：1.笔头，2.套环，3.第一壳体，4.电机，5.第二壳体，6.控制电路，7.振动触觉模块，8.连接筒，9.弹簧，10.滑块，11.丝杆，12. 光电编码盘，13. 电源管理电路，14. 无线通信电路，15. 电源，16. 端部壳体，17. 轴承、外环201、内环202、安装孔203、支撑块204、开口槽301、限位槽302。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做更进一步的解释。
如图1和图2所示，本发明的一种用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，包括笔头1、套环2、第一壳体3、连接筒8、第二壳体5、端部壳体16、位于第一壳体3中的电机4、弹簧9、滑块10和丝杆11，以及位于第二壳体5中的光电编码盘12、测控模块和电源15。第二壳体5固定连接在第一壳体3和端部壳体16之间；第一壳体3包括前壳体和与前壳体固定连接的后壳体，前壳体的外径小于后壳体的外径，第一壳体3的内壁上设有限位槽302。笔头1与连接筒8的一端固定连接，连接筒8的另一端穿过前壳体的端部通孔，位于前壳体内，且连接筒8的筒径小于前壳体的端部通孔直径；套环2套装在前壳体上，套环2可沿前壳体轴向移动；套环2与连接筒8间隙配合；丝杆11的一端通过轴承17连接在连接筒8中，丝杆11的另一端与电机4的输出轴连接；滑块10套装在丝杆11上，滑块10与丝杆11相配合，且滑块10上设有吊耳，吊耳位于第一壳体3的限位槽302中；弹簧9的一端连接在滑块10上，弹簧9的另一端连接在套环2上；光电编码盘12连接在电机4上，测控模块分别与光电编码盘12和电机4连接，电源15为测控模块和电机4供电。测控模块用于与移动终端的无线模块进行通讯，并根据移动终端传输的指令控制电机4的运转，进而控制弹簧9的移动。测控模块对电源15进行管理，用于为电容笔供电。
上述结构的力触觉反馈电容笔中，滑块10被第一壳体3的限位槽302限位，滑块10与套环2之间用弹簧9进行连接，丝杆11末端与执行电机4输出轴连接。通过读取光电编码盘12的信息及电机4转速，即可计算出滑块10的位移，滑块10位移变化导致弹簧9形变，因此可以在手指握住的套环2处产生连续力反馈变化。
进一步：所述的笔头1、连接筒8、轴承17、套环2、弹簧9、滑块10、丝杆11、第一壳体3均采用导电材料制成。这样人手握在套环2上时，便于将手部的电荷传导至笔尖。
进一步：所述的第二壳体5和端部壳体16均采用非金属材料制成。这样保证无线通信电路14发出的信号不被屏蔽。
进一步：所述的测控模块包括无线通信电路14、控制电路6和电源管理电路13，控制电路6通过导线分别与无线通信电路14和电源管理电路13连接，电源管理电路13通过导线连接电源15，无线通信电路14与移动终端中的无线通信模块通讯连接，无线通信电路14用于接收移动终端的数据，以及向移动终端发送数据。控制电路6用于根据无线通信电路14传回的信息控制电机4的转速及振动触觉模块7的振动频率、振动时间，并且读取电机4旋转圈数，并将其经过无线通信电路14发送至移动终端。电源管理电路13能够检测电源15电量，并在充电时保护电源15防止过充，在电源15使用中防止过放。
无线通信电路14可以选用常见的蓝牙模块，例如HC05。控制电路6可以选用STM32微处理器为核心，搭载TI公司的DRV8830芯片驱动电机。电源管理电路13可以选用TI(德州仪器)公司的bq3060芯片。本专利的重点不在于这些具体型号的芯片选择，只要能够实现其功能的现有芯片，皆可以应用到本发明中。
进一步，所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，还包括振动触觉模块7，振动触觉模块7位于第二壳体5中，电源15为振动触觉模块7供电，且振动触觉模块7与测控模块通过导线连接。振动触觉模块7的振动频率及振动时间可通过电信号由测控模块中的控制电路6进行控制。振动触觉模块7用于产生不同频率、不同持续时间的振动触觉反馈。
进一步，如图3所示，套环2为环状结构，具体包括外环201、内环202、安装孔203以及支撑块204。内环202位于外环201中，且外环201和内环202之间通过支撑块204固定连接，每个支撑块204上设有一个安装孔203。弹簧9的一端套装在安装孔203中。第一壳体3位于外环201和内环202之间的空隙中，连接筒8位于内环202的空腔中，且连接筒8和内环202之间有空隙。按照正常握笔方式，人的食指及大拇指握住外环201。
进一步，如图4和图5所示，作为优选，第一壳体3呈圆筒状。第一壳体3包括前壳体和后壳体，前壳体上开有开口槽301，前壳体内壁上设有限位槽302。限位槽302用于对滑块10进行限位，使得滑块10在丝杆11发生转动时只能沿限位槽302进行直线运动。开口槽301与套环2的支撑块204间隙配合，使第一壳体3末端可以穿过套环2的内环202和外环201，并与笔头1进行螺纹连接。开口槽301的长度大于支撑块204的长度，使得套环2沿开口槽301移动。
作为优选，所述的支撑块204为两个，且相对布设在外环201和内环202之间。前壳体上的开口槽301为两个。每个支撑块204分别与一个开口槽301间隙配合。
如图6所示，本发明的力触觉反馈电容笔在使用时，人手以正常握笔方式握住力触觉反馈电容笔，其中食指及大拇指握在套环2上，食指末端与第一壳体3相接触，如图6中Q点所示。本发明的笔头1、连接筒8、轴承17、套环2、弹簧9、滑块10、丝杆11、第一壳体3全部采用导电材料。因此，在正常握笔方式下，人手部的电荷可以顺利传导至力触觉反馈电容笔的笔头1。本发明的无线通信电路14安装在第二壳体5内部。由于第二壳体5与端部壳体16均采用非金属材料，因此可以保证无线模块发出的信号不被屏蔽。
如图7所示，为本发明的力触觉反馈电容笔中力触觉反馈机构弹簧形变图。电机4转动，带动丝杆11转动，滑块10沿丝杆11上下移动，从而带动弹簧9发生形变。套环2可以在第一壳体3的开口槽301中上下移动，也会造成弹簧9发生形变。因此，弹簧9的总形变量是由套环2的移动对弹簧9造成的形变量与滑块10的移动对弹簧9造成的形变量两部分构成。但是，套环2的移动对弹簧9造成的形变量远小于滑块10的移动对弹簧9造成的形变量，所以，套环2的移动对弹簧9造成的形变量可忽略不计。
如图8所示，为本发明的力触觉反馈受力分析图。人手握在套环2上，首先，对套环2进行受力分析：P点为作用点，人手所受到力的是由弹簧9形变造成的弹力F 弹，同时套环2受到人手对它的压力F 压，F 弹与F 压是一对相互作用力，F 弹=F 压，作用方向相反。其次，对力触觉反馈电容笔整体进行受力分析：将力触觉反馈电容笔整体记为O，（将力触觉反馈电容笔整体记为O是指将整个电容笔看作一个质点，进行外力分析，此时无需考虑电容笔内部的弹簧的作用力）该电容笔受到人手对它的压力F 压，以及移动终端的屏幕对电容笔施加的沿该电容笔方向的作用力F?，F 压=F?。因此可得：F?=F 压=F 弹=k·ΔX，其中，k为弹簧9的弹性系数，ΔX为弹簧9的形变量。当ΔX发生变化时，人手握在套环2可以感受到变化的力触觉反馈。
如图6、图7、图8和图9，人手握住力触觉反馈电容笔，在移动终端的电容屏表面运动，以图6中A点运动到B点为例说明力触觉反馈电容笔的工作过程：在初始状态下，以正常握笔方式接触屏幕，则F?>0，根据F?= k·ΔX可知，弹簧9存在初始形变量ΔX=Δx >0，即弹簧9在初始状态下呈伸长状态。当力触觉反馈电容笔从A点滑动到B点时，移动终端电容屏能够根据屏幕电容变化获得A点的坐标信息(x A , y A )和B点的坐标信息(x B , y B )，上位机软件根据两点的坐标信息，可以计算出A(x A , y A )坐标下图像的高度信息h A ，B(x B , y B )坐标下的图像高度信息h B ，记Δh= h B -h A 。如图9所示，套环2的运动对弹簧9造成的形变量远小于滑块10的运动对弹簧9造成的形变量，因此套环2的运动对弹簧9造成的形变量可忽略不计，即Δx 1?≈0，Δx 2?≈0。若Δh>0，则说明B点的图像高度高于A点的图像高度，电机4通过丝杆11带动滑块10向上运动，使弹簧9的形变量增加了Δx 1，因此人手感受到的阻尼力F 弹1=k(Δx+Δx 1)>F 弹，滑动过程中人手会感受到阻尼力增大，从A点到B点有凸起的感受。反之，若Δh<0，说明B点的图像高度低于A点的图像高度，电机4通过丝杆11带动滑块10向下运动，使弹簧9的形变量减少了Δx 2，因此人手感受到的阻尼力F 弹2=k(Δx-Δx 2)< F 弹，阻尼力变小，人手感受到从A点到B点高度变低，有下凹的感受。因此，通过控制电机4的运动，使弹簧9的形变量ΔX发生变化，从而使人手感受到变化的力觉反馈。
本发明的力触觉反馈电容笔的测控模块包括无线通信电路14、控制电路6和电源管理电路13。当笔头1在屏幕上滑动时，移动终端通过触屏获取笔头1在屏幕上的位置信息，并进行该位置的图像高度信息的提取及计算。移动终端自身携带的无线通信模块向本发明的测控模块中的无线通信电路14发送振动触觉模块7的振动频率、振动时间控制信息以及电机4的转速信息。无线通信电路14收到来自移动终端的数据后，将其发送给控制电路6。控制电路6用于分析无线通信电路14接收到的控制信息，从而控制电机4的转速及振动触觉模块7的振动频率和振动时间，并将光电编码盘12检测到的电机的旋转圈数通过无线通信电路14发送给移动终端。电源管理电路13能够检测电源15的电量并在充电时防止过充，在电源15使用中防止过放。电源15的电量信息通过无线通信电路14发送给移动终端，使移动终端可以实时显示电容笔电量。
本发明的电容笔中，套环2、弹簧9、滑块10、丝杆11、第一壳体3组成力反馈模块。力反馈模块用于产生连续的力觉反馈。测控模块用于与移动终端的无线模块进行通讯，并根据移动终端传输的指令控制力反馈模块及振动触觉模块7，并对电源15进行管理。电源15用于为电容笔供电。本发明的电容笔可以提供弹性力反馈及振动触觉反馈。通过读取光电编码盘12的信息及电机4的转速计算滑块10的位移，滑块10位移变化导致弹簧9形变，在手指握住的套环2处产生连续力反馈变化。

Claims (10)

1.一种用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：该电容笔包括笔头（1）、套环（2）、第一壳体（3）、连接筒（8）、第二壳体（5）、端部壳体（16）、位于第一壳体（3）中的电机（4）、弹簧（9）、滑块（10）和丝杆（11），以及位于第二壳体（5）中的光电编码盘（12）、测控模块和电源（15）；
第二壳体（5）固定连接在第一壳体（3）和端部壳体（16）之间；第一壳体（3）包括前壳体和与前壳体固定连接的后壳体，前壳体的外径小于后壳体的外径，第一壳体（3）的内壁上设有限位槽（302）；
笔头（1）与连接筒（8）的一端固定连接，连接筒（8）的另一端穿过前壳体的端部通孔，位于前壳体内，且连接筒（8）的筒径小于前壳体的端部通孔直径；套环（2）套装在前壳体上，套环（2）可沿前壳体轴向移动；套环（2）与连接筒（8）间隙配合；丝杆（11）的一端通过轴承（17）连接在连接筒（8）中，丝杆（11）的另一端与电机（4）的输出轴连接；滑块（10）套装在丝杆（11）上，滑块（10）与丝杆（11）相配合，且滑块（10）上设有吊耳，吊耳位于第一壳体（3）的限位槽（302）中；弹簧（9）的一端连接在滑块（10）上，弹簧（9）的另一端连接在套环（2）上；光电编码盘（12）连接在电机（4）上，测控模块分别与光电编码盘（12）和电机（4）连接，电源（15）为测控模块和电机（4）供电。
2.根据权利要求1所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：所述的笔头（1）、连接筒（8）、轴承（17）、套环（2）、弹簧（9）、滑块（10）、丝杆（11）、第一壳体（3）均采用导电材料制成。
3.根据权利要求1所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：所述的第二壳体（5）和端部壳体（16）均采用非金属材料制成。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：所述的测控模块包括无线通信电路（14）、控制电路（6）、电源管理电路（13），控制电路（6）通过导线分别与无线通信电路（14）和电源管理电路（13）连接，电源管理电路（13）通过导线连接电源（15），无线通信电路（14）与移动终端中的无线通信模块通讯连接；无线通信电路（14）用于接收移动终端的数据，以及向移动终端发送数据。
5.根据权利要求4所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：还包括振动触觉模块（7），振动触觉模块（7）位于第二壳体（5）中，电源（15）为振动触觉模块（7）供电，且振动触觉模块（7）与测控模块通过导线连接。
6.根据权利要求1所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：所述的套环（2）包括外环（201）、内环（202）、安装孔（203）以及支撑块（204）；内环（202）位于外环（201）中，且外环（201）和内环（202）之间通过支撑块（204）固定连接，每个支撑块（204）上设有一个安装孔（203）；弹簧（9）的一端套装在安装孔（203）中；第一壳体（3）位于外环（201）和内环（202）之间的空隙中，连接筒（8）位于内环（202）的空腔中，且连接筒（8）和内环（202）之间有空隙。
7.根据权利要求6所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：所述的套环（2）呈环状。
8.根据权利要求6所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：所述的前壳体上开有开口槽（301），开口槽（301）与套环（2）的支撑块（204）间隙配合，第一壳体（3）的一端穿过套环（2）的内环（202）和外环（201）之间的空隙，与笔头（1）进行螺纹连接。
9.根据权利要求8所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：所述的开口槽（301）的长度大于支撑块（204）的长度。
10.根据权利要求8所述的用于移动终端交互的便携式力触觉反馈电容笔，其特征在于：所述的支撑块（204）为两个，且相对布设在外环（201）和内环（202）之间；前壳体上的开口槽（301）为两个；每个支撑块（204）分别与一个开口槽（301）间隙配合。
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