CN108536280A - 一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置及方法，属于人机交互领域。包括：定位单元、触觉处理单元和指垫单元，触觉再现方法是定位单元实时获取指垫在多媒体终端屏的位置信息，触觉处理单元对指垫的位置信息进行处理并产生静电力驱动信号幅度参数和振动驱动信号幅度参数，通过无线方式传输到指垫单元上，指垫单元将生成静电力驱动信号和振动驱动信号输入到静电屏和振动源中，分别产生静电力和振动，使手指皮肤发生变形，从而使用户手指感受到触觉反馈。本发明优点是：在平面交互的过程中，可同时改变手指受到的切向反馈力和法向反馈力，从而呈现更真实的触觉感受，可移植性好，可实现多点触觉反馈。

Description

一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置及方法

技术领域

本发明属于虚拟现实与人机交互领域，尤其涉及一种触觉再现装置及方法。

背景技术

触觉再现功能的多媒体终端是近年来国际上的研究热点，在电子商务、教育娱乐、视障人群等领域具有重要的应用前景。多媒体触觉再现终端可以让用户通过触摸来感知被显示物体的形状、纹理以及柔软性，将人类与虚拟世界的交流推向听觉、视觉与触觉相融合的崭新阶段，将产生巨大的经济效益。

目前，已经有一些实现触觉再现的装置和方法。

中国专利“一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置”(申请号201610900663.8)公开了一种面向触摸屏的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置，可为人手指提供多模式的力觉和振动触觉反馈，这种装置结构复杂并且不容易集成，有很大的局限性。中国专利“一种超声波触觉反馈***及其制造方法”(申请号201510266849.8)公开了一种基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈***，通过声波聚焦在空间某点产生触觉反馈，这种阵列式触觉再现装置所产生的触觉非常微弱，并且结构复杂、不容易集成、可移植性差。

中国专利“一种基于静电力触觉再现的装置”(申请号201210143828.3)中公开了一种基于静电力的触觉再现技术,由手指跟踪单元检测手指在触觉上的位置，根据电信号与触觉力对应关系，生成表示相应触觉力的电信号参量，但只能够实现单点的触觉再现，可移植性差。中国专利“一种应用阻抗检测的自适应多点静电力触觉再现装置”(申请号201420098225.0)公开了一种基于静电力触觉再现的方法与装置，虽然能实现多点触觉反馈，但只能改变手指所受到的切向摩擦力，并不能改变手指所受到的法向力，而且只有手指处于运动状态时才能感受到触觉反馈，呈现的触觉真实效果较差，并且可移植性差。

目前，触觉再现装置已经有了很大的发展。但是，基于阵列式的触觉再现装置结构都比较复杂，且可移植性差，不易集成在多媒体终端上，静电力触觉再现装置只能提供切向反馈力的变化，且手指静止时无触觉反馈，振动触觉再现装置只能提供法向反馈力变化，触感单一、真实性差。

发明内容

本发明提供一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置及方法。

本发明采取的技术方案是，包括：

(1)定位单元，包括实现定位功能的装置，其作用在于实时读取多媒体终端屏上指垫的位置坐标P(x,y)，并将这位置坐标P(x,y)信息发送到触觉处理单元；

(2)触觉处理单元，包括多媒体终端，其作用在于可呈现视觉信息，并对视觉信息渲染得到静电力驱动信号幅度参数矩阵E和振动驱动信号幅度参数矩阵V，然后根据位置坐标P(x,y)信息，选取静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)，通过无线方式将静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)发送给指垫单元；

(3)指垫单元，包括指垫，其作用在于可实现与多媒体终端的动态无线连接，可实时接收触觉处理单元产生的静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)，并产生相应的静电力驱动信号和振动驱动信号，可同时改变切向反馈力F_x和法向反馈力F_y，从而实现更真实触觉反馈。

本发明所述的多媒体终端屏的结构分为三层：底层为玻璃板，起到支撑作用；中间层为透明导电极板，喷镀在玻璃板上，可施加激励信号；顶层为绝缘层，喷镀在导电极板上，起到绝缘的作用。

本发明所述的指垫结构包括：

(1)静电屏，其结构分为三层：底层为绝缘层，喷镀到电极层，起到绝缘的作用；中间层为电极层，喷镀在玻璃板上，可施加激励信号；顶层为玻璃板，起到支撑作用；其作用在于产生静电力，提供手指切向反馈力；

(2)振动源，放在静电屏上面，其作用在于提供手指法向反馈力；

(3)凹槽，放在振动源上面，其作用在于放置手指，防止手指与指垫发生脱离；

(4)电路，放在指垫的旁边，其结构包括：无线接收器、主控制器、静电力驱动芯片和振动驱动芯片；其作用在于无线接收器将触觉处理单元发出的静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)送入主控制器中，再由主控制器将静电力驱动信号幅度参数E(x,y)发送给静电力驱动芯片，振动驱动信号幅度参数V(x,y)发送给振动驱动芯片，静电力驱动芯片将产生静电力驱动信号送入静电屏的电极层，产生切向反馈力，同时振动驱动芯片将振动驱动信号送入振动源中，产生法向反馈力，则切向反馈力和法向反馈力同时作用于手指，从而实现更真实触觉反馈。

一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现方法，包括下列步骤：

(1)首先，测量基于静电力触觉反馈的静电力驱动信号幅度A₁与静电反馈力F₁之间的关系：

其中k₁为静电力触觉反馈的比例系数；

然后，测量基于振动触觉反馈的振动驱动信号幅度A₂与振动反馈力F₂之间的关系：

F₂＝k₂A₂

其中k₂为振动触觉反馈的比例系数；

(2)求解振动驱动信号幅度参数矩阵V过程为：

首先提取图像的灰度值，得到灰度矩阵也即高度矩阵H，然后对高度矩阵H进行归一化处理：

其中H′为对高度矩阵H归一化，h_max为高度矩阵H中元素的最大值，h_min为高度矩阵H中元素的最小值，再对图像进行渲染，得到图像对应的法向反馈力分量矩阵F_v：

F_v＝f_m1*H′

其中f_m1为振动能产生的最大反馈力，再根据振动驱动信号幅度A₂与振动反馈力F₂的对应关系，即可求出振动驱动信号幅度参数矩阵

(3)进一步求解静电力驱动信号幅度参数矩阵E过程为：

对高度矩阵H横向求偏导，得到图像的梯度矩阵G_x

然后对梯度矩阵G_x进行归一化处理：

其中G_x′为对梯度矩阵G_x归一化，g_xmax为矩阵G_x中元素的最大值，g_xmin为矩阵G_x中元素的最小值，然后对图像进行渲染，得到图像对应的切向反馈力分量矩阵F_e：

F_e＝G′_xf_m2

其中f_m2为静电力触觉反馈所能提供的最大切向力，然后再根据静电力驱动信号幅度A₁与静电反馈力F₁的对应关系，即可求出静电力驱动信号幅度参数矩阵

本发明将静电力与振动这两种触觉再现方式融合到一起，可同时提供切向反馈力与法向反馈力，增大反馈力大小，扩展反馈力维度，提高触觉反馈真实性；达到优势互补的效果；手指静止时可以通过振动源的振动来产生触觉感受，手指运动时，可以结合静电力与振动来改变手指受到的切向反馈力与法向反馈力，从而产生更加精细的触觉感受，这样可以达到更好的触觉再现效果，通过指垫实时与多媒体终端进行动态无线连接，从而实现多点触觉反馈，并且可移植性好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明多媒体终端屏的结构图；

图3是本发明指垫的结构图；

图4是本发明静电屏的结构图；

图5是本发明指垫上电路的结构图；

图6是本发明静电力触觉再现受力分析图；

图7是本发明振动触觉再现受力分析图；

图8是本发明静电力和振动融合装置的渲染过程。

具体实施方式

如图1所示：

(1)定位单元12，包括实现定位功能的装置，其作用在于实时读取多媒体终端屏上指垫的位置坐标P(x,y)，并将这位置坐标P(x,y)信息发送到触觉处理单元；

(2)触觉处理单元13，包括多媒体终端131，其作用在于可呈现视觉信息，并对视觉信息渲染得到静电力驱动信号幅度参数矩阵E和振动驱动信号幅度参数矩阵V，然后根据位置坐标P(x,y)信息，选取静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)，通过无线方式将静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)发送给指垫单元；

(3)指垫单元14，包括指垫，其作用在于可实现与多媒体终端的动态无线连接，可实时接收触觉处理单元产生的静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)，并产生相应的静电力驱动信号和振动驱动信号，可同时改变切向反馈力F_x和法向反馈力F_y，从而实现更真实触觉反馈。

在上述应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置及方法中，所述的多媒体终端屏131如图2所示，其结构分为三层：底层为玻璃板1311，起到支撑作用；中间层为透明导电极板1312，喷镀在玻璃板上，可施加激励信号；顶层为绝缘层1313，喷镀在导电极板上，起到绝缘的作用。

所述的指垫如图3所示，其结构包括：

(1)静电屏141，其结构如图4所示：底层为绝缘层1411，喷镀到电极层，起到绝缘的作用；中间层为电极层1412，喷镀在玻璃板上，可施加激励信号；顶层为玻璃板1413，起到支撑作用；其作用在于产生静电力，提供手指切向反馈力；

(2)振动源142，放在静电屏上面，其作用在于提供手指法向反馈力；

(3)凹槽143，放在振动源上面，其作用在于放置手指，防止手指与指垫发生脱离；

(4)电路144，放在指垫的旁边，其结构如图5所示，包括：无线接收器1441、主控制器1442、静电力驱动芯片1443和振动驱动芯片1444；其作用在于无线接收器1441将触觉处理单元13发出的静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)送入主控制器1442中，再由主控制器1442将静电力驱动信号幅度参数E(x,y)发送给静电力驱动芯片1443，振动驱动信号幅度参数V(x,y)发送给振动驱动芯片1444，静电力驱动芯片1443将产生静电力驱动信号送入静电屏的电极层，产生切向反馈力，同时振动驱动芯片1444将振动驱动信号送入振动源中，产生法向反馈力，则切向反馈力和法向反馈力同时作用于手指，增大反馈力大小，扩展反馈力维度，提高触觉反馈真实性。

图6示出静电力触觉再现受力分析，当指垫14在多媒体终端屏131上时，将多媒体终端屏的透明导电极板1312接地和静电屏的电极层1412施加静电力驱动信号，电极层1412上带有相应极性电荷，多媒体终端屏131感应出相反的极性电荷，电荷之间相互吸引产生库仑力，从而静电屏141与多媒体终端屏131会相互吸引，指垫滑动和多媒体终端屏134产生摩擦，手指会间接感受到切向反馈力F_x。因此，给指垫单元发送不同的静电力驱动信号幅度参数E(x,y)，手指感受到不同切向反馈力，从而得到不同的触觉感受。

图7示出振动触觉再现受力分析，提供指垫不同的振动驱动信号幅度参数V(x,y)，则振动源142产生不同的振感，手指受到法向反馈力F_y不同，从而得到不同的触觉反馈。

应用指垫的静电力和振动融合触觉再现方法，包括下列步骤：

(1)首先，测量基于静电力触觉反馈的静电力驱动信号幅度A₁与静电反馈力F₁之间的关系：

其中k₁为静电力触觉反馈的比例系数；

然后，测量基于振动触觉反馈的振动驱动信号幅度A₂与振动反馈力F₂之间的关系：

F₂＝k₂A₂

其中k₂为振动触觉反馈的比例系数；

(2)求解振动驱动信号幅度参数矩阵V过程为：

首先提取图像的灰度值，得到灰度矩阵也即高度矩阵H，然后对高度矩阵H进行归一化处理：

其中H′为对高度矩阵H归一化，h_max为高度矩阵H中元素的最大值，h_min为高度矩阵H中元素的最小值，再对图像进行渲染，得到图像对应的法向反馈力分量矩阵F_v：

F_v＝f_m1*H′

其中f_m1为振动能产生的最大反馈力，再根据振动驱动信号幅度A₂与振动反馈力F₂的对应关系，即可求出振动驱动信号幅度参数矩阵

(3)进一步求解静电力驱动信号幅度参数矩阵E过程为：

对高度矩阵H横向求偏导，得到图像的梯度矩阵G_x

然后对梯度矩阵G_x进行归一化处理：

其中G′_x为对梯度矩阵G_x归一化，g_xmax为矩阵G_x中元素的最大值，g_xmin为矩阵G_x中元素的最小值，然后对图像进行渲染，得到图像对应的切向反馈力分量矩阵F_e：

F_e＝G′_xf_m2

其中f_m2为静电力触觉反馈所能提供的最大切向力，然后再根据静电力驱动信号幅度A₁与静电反馈力F₁的对应关系，即可求出静电力驱动信号幅度参数矩阵

Claims (4)

1.一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置，其特征在于，包括：

(1)定位单元，包括实现定位功能的装置，其作用在于实时读取多媒体终端屏上指垫的位置坐标P(x,y)，并将这位置坐标P(x,y)信息发送到触觉处理单元；

(2)触觉处理单元，包括多媒体终端，其作用在于可呈现视觉信息，并对视觉信息渲染得到静电力驱动信号幅度参数矩阵E和振动驱动信号幅度参数矩阵V，然后根据位置坐标P(x,y)信息，选取静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)，通过无线方式将静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)发送给指垫单元；

(3)指垫单元，包括指垫，其作用在于可实现与多媒体终端的动态无线连接，可实时接收触觉处理单元产生的静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)，并产生相应的静电力驱动信号和振动驱动信号，可同时改变切向反馈力F_x和法向反馈力F_y，从而实现更真实触觉反馈。

2.根据权利要求1所述的应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置，其特征在于：所述的多媒体终端屏的结构分为三层：底层为玻璃板，起到支撑作用；中间层为透明导电极板，喷镀在玻璃板上，可施加激励信号；顶层为绝缘层，喷镀在导电极板上，起到绝缘的作用。

3.根据权利要求1所述的应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置，其特征在于：所述的指垫结构包括：

(1)静电屏，其结构分为三层：底层为绝缘层，喷镀到电极层，起到绝缘的作用；中间层为电极层，喷镀在玻璃板上，可施加激励信号；顶层为玻璃板，起到支撑作用；其作用在于产生静电力，提供手指切向反馈力；

(2)振动源，放在静电屏上面，其作用在于提供手指法向反馈力；

(3)凹槽，放在振动源上面，其作用在于放置手指，防止手指与指垫发生脱离；

(4)电路，放在指垫的旁边，其结构包括：无线接收器、主控制器、静电力驱动芯片和振动驱动芯片；其作用在于无线接收器将触觉处理单元发出的静电力驱动信号幅度参数E(x,y)和振动驱动信号幅度参数V(x,y)送入主控制器中，再由主控制器将静电力驱动信号幅度参数E(x,y)发送给静电力驱动芯片，振动驱动信号幅度参数V(x,y)发送给振动驱动芯片，静电力驱动芯片将产生静电力驱动信号送入静电屏的电极层，产生切向反馈力，同时振动驱动芯片将振动驱动信号送入振动源中，产生法向反馈力，则切向反馈力和法向反馈力同时作用于手指，从而实现更真实触觉反馈。

4.一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)首先，测量基于静电力触觉反馈的静电力驱动信号幅度A₁与静电反馈力F₁之间的关系：

其中k₁为静电力触觉反馈的比例系数；

然后，测量基于振动触觉反馈的振动驱动信号幅度A₂与振动反馈力F₂之间的关系：

F₂＝k₂A₂

其中k₂为振动触觉反馈的比例系数；

(2)求解振动驱动信号幅度参数矩阵V过程为：

首先提取图像的灰度值，得到灰度矩阵也即高度矩阵H，然后对高度矩阵H进行归一化处理：

其中H′为对高度矩阵H归一化，h_max为高度矩阵H中元素的最大值，h_min为高度矩阵H中元素的最小值，再对图像进行渲染，得到图像对应的法向反馈力分量矩阵F_v：

F_v＝f_m1*H′

其中f_m1为振动能产生的最大反馈力，再根据振动驱动信号幅度A₂与振动反馈力F₂的对应关系，即可求出振动驱动信号幅度参数矩阵

(3)进一步求解静电力驱动信号幅度参数矩阵E过程为：

对高度矩阵H横向求偏导，得到图像的梯度矩阵G_x

然后对梯度矩阵G_x进行归一化处理：

其中G_x′为对梯度矩阵G_x归一化，g_xmax为矩阵G_x中元素的最大值，g_xmin为矩阵G_x中元素的最小值，然后对图像进行渲染，得到图像对应的切向反馈力分量矩阵F_e：

F_e＝G_x′f_m2

其中f_m2为静电力触觉反馈所能提供的最大切向力，然后再根据静电力驱动信号幅度A₁与静电反馈力F₁的对应关系，即可求出静电力驱动信号幅度参数矩阵