CN109533000A - 一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，包括方向盘装置、ECU和柔性感知层；其中，所述柔性感知层套设安装在所述方向盘装置的方向盘上，所述方向盘装置和所述柔性感知层分别与所述ECU电性连接；本发明在传统方向盘的基础上添加柔性感知层，采集驾驶者的触感信息，通过触觉结合听觉和视觉的方式将信息传递给驾驶员，为驾驶员提供兼顾智能化，效率化和安全化的驾驶辅助，对安全驾驶和交通安全有着十分重大的意义。

Description

一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置和应用方法

技术领域

本发明涉及智能汽车主动安全技术领域，更具体的说是涉及将触觉感知理念融入方向盘，能提供驾驶员触觉监测，辅助驾驶员操作的方向盘装置及应用方法。

背景技术

未来汽车人机交互技术的发展方向朝着更加人性化、安全化的方向发展。未来的交互形式不再过分依赖视觉信息，更强调多感官通道结合。从车内部件细分来看，主要包括照明单元、中控屏、方向盘等。由当前的研究进展来看驾车场景下，安全与效率仍然是重要的考量指标。

对于近年来的研究热点——较为先进的线控转向(SBW)***。由于取消了机械连接，阻力矩失去了传递到转向盘的媒介从而导致驾驶员无法直接感知汽车行驶中的路感。为了弥补这一缺憾，SBW***通过一定的方法模拟出一个路感，再依靠反馈电机电机把这个模拟的路感提供给驾驶员。

在线控转向***的基础上，将触觉感知技术引入车辆方向盘，在方向盘处通过触觉反馈辅助驾驶员正确和及时的操纵是一种可行有效的人机交互方式。将遥操作领域的触觉引导控制技术引入车辆的操纵装置，开发新型车辆驾驶辅助***，实现车辆驾驶时通过方向盘产生对驾驶员行为的力觉信息提示，减少驾驶员的分心，从而培养驾驶员更好的驾驶决策意识。

与基于听觉和视觉辅助驾驶技术相比，使用触觉结合听觉和视觉的方式将信息传递给驾驶员能够为驾驶员提供更有效和较少干扰的辅助，因此，在许多车载应用中被认为是最优的方式之一。

通过带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，汽车驾驶辅助***如：车载主动安全***，行车和倒车辅助***等将更加兼顾智能化，效率化和安全化。

因此，如何提供一种能够检测车况和路况路况信息、智能人机交互、带有触觉信息感知的智能方向盘装置和应用方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置和应用方法，以解决上述背景技术部分所提到的问题，使方向盘带有触觉信息感知能力，还可以结合路况及车速信息，从而对驾驶者进行辅助提醒，使人机交互更为简捷、智能，对于促进交通安全化有着积极重大作用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，包括方向盘装置、ECU和柔性感知层；其中，所述柔性感知层安装在所述方向盘装置上，所述方向盘装置和所述柔性感知层分别与所述ECU电性连接；

所述方向盘装置包括方向盘、联轴器、转矩传感器和转角传感器、反馈电机和电池盒；其中，所述电池盒与所述方向盘固定连接；所述联轴器和所述反馈电机的主动轴固定连接，所述联轴器和所述方向盘分别与传动轴两端进行连接；所述转矩传感器和所述转角传感器安装在所述传动轴中部，与所述ECU电性连接；所述反馈电机通过支撑装置与车架固定，与所述ECU电性连接；

所述柔性感知层包括柔性基底、凸起层和触觉传感器；其中，所述柔性基底设置多个触觉传感器安装槽，所述凸起层密封固定在所述柔性基底上端面，且与所述触觉传感器安装槽构成密闭腔体；所述触觉传感器安装槽底部粘接固定所述触觉传感器，多个所述触觉传感器构成触觉传感器阵列；所述凸起层受力后，作用于所述触觉传感器阵列和所述柔性基底，所述触觉传感器阵列中受力的所述触觉传感器将压力信号传输到所述ECU，所述ECU将信号处理得到握力分布信息；

所述触觉传感器包括保护层、上电路板、上电极板、介质层、下电极板、下电路板和电极导线；其中，所述保护层与所述下电路板构成容纳腔体；所述上电路板、所述上电极板、所述介质层和所述下电极板均位于所述容纳腔体内；所述介质层上下端面对应设置所述上电极板与所述下电极板，所述上电极板和所述下电极板对应的设置在所述上电路板和所述下电路板上，并且所述上电极板和所述下电极板连接所述电极导线，引出至容纳腔体外；

所述触觉传感器为电容传感器，依据电容计算公式C＝εS/d检测所述柔性感知层的受力变化；当最外层所述凸起层受外力，所述保护层所受法向力压迫所述上电路板和所述介质层，所述介质层采用PDMS材质，表面带有凹槽微结构和弹性特质，所述上电极板与所述下电极板受压迫靠近，极距d降低，则电容增大，引起电信号变化；所述保护层所受切向力会推动所述上电极板相对所述下电极板水平方向移动，减小所述上电极板与所述下电极板正对面积S，则电容减小，引起电信号变化；所述柔性感知层产生的电信号经调制解调传输到所述ECU进行处理，得到触觉信号。

优选的，在上述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置中，所述电池盒嵌合在带有电池盒安装槽的电池盒托架内，通过所述电极导线与所述柔性感知层连接；所述电池盒托架与所述方向盘通过螺钉固定。

优选的，在上述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置中，所述保护层为由硅胶制备且底部开口的壳体，具有惰性和弹性，便于压力的传输，减少干扰，其表面设有与所述凸起层贴合的防滑图案，增加对所述凸起层的附着力，所述保护层通过3D打印技术制作出所需形状的模具，然后用倒模法制备，便于更换形状。

优选的，在上述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置中，所述上电路板与所述下电路板为聚酰亚胺材质，具有较高的热稳定性与耐热性，综合性能优异。

优选的，在上述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置中，所述上电极板与所述下电极板是通过柔性印刷电路板技术镀在所述上电路板与所述下电路板表层的铜箔层，具有重量轻、厚度薄、柔软可弯曲，可做动态挠曲、3D立体安装，可靠性高，散热性强的优点。

优选的，在上述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置中，所述上电极板与所述下电极板包括多个间隔式分布的条形齿和连接所述条形齿的连接板，所述上电极板与所述下电极板的所述条形齿一一正对设置，间隔式分布的条形齿有利于提高极板面积变化率，进而提高灵敏度，所述连接板通过所述电极导线分别连接所述电池盒和所述ECU。

优选的，在上述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置中，所述介质层的制备方法为：首先，通过光刻技术在SiO2衬底或Si衬底上进行刻制，得到暴露的二氧化硅长方形阵列；使用氢氟酸溶液将暴露的二氧化硅刻蚀掉，然后洗掉光刻胶，得到暴露的硅长方形阵列；接下来用氢氟酸溶液对暴露的硅进行各向异性刻蚀，可以得到具有凹槽的硅模板；最后，在硅模板表面灌浇一层PDMS，所述PDMS固化后剥离下来，可以得到具有锯齿槽形状的柔性PDMS薄膜，分割处理得到表面带有凹槽的所述介质层。

一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置的应用方法，所述ECU接收汽车安装的所述柔性感知层、车速传感器、摄像头、雷达传感器、转矩传感器和转角传感器的信号，进行算法分析处理，将转矩模拟信号传送到所述反馈电机，实现路感模拟；将车辆保持规划路径分析结果发送到多媒体显示屏、组合仪表、移动设备，并进行提示；

所述转矩传感器和所述转角传感器采集驾驶员作用在所述方向盘上的转矩和转角信息，将信息传输所述ECU，所述ECU结合所述车速传感器信号计算出的模拟的转角和转矩信息，和驾驶员操作输入转角的转矩差异进行比对，构建车辆保持规划路径行驶的反馈引导；

所述车速传感器、所述摄像头、所述雷达传感器接收车辆外部信息和路况信息，所述柔性感知层接收驾驶员的触觉信号，进行综合计算处理，分辨驾驶者驾驶者状态，规划驾驶车辆的行进路径；驾驶过程中，当排除路况因素，所述柔性感知层检测的触觉信号在预设时间内无变化时，所述ECU发出提示信号，所述多媒体显示屏、所述组合仪表、所述移动设备进行提示；所述雷达传感器和所述摄像头对远近距离路况进行监测，规划行进路线，前方出现障碍物或岔路，结合所述车速传感器车速信息进行测算，安全距离内，所述柔性感知层没有感应到应对触觉信号，所述ECU发出提示信号，所述多媒体显示屏、所述组合仪表、所述移动设备进行提示；当倒车操纵时，结合车速及障碍物信息，安全距离内所述多媒体显示屏、所述组合仪表、所述移动设备时刻监测提示。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置和应用方法，通过触觉传感器与柔性基底、凸起层构成柔性感知层；套设在方向盘上，使其具备触觉感知能力；本申请中的触觉传感器结构紧凑、体积小，灵敏度高，可以采集精准采集驾驶员的驾驶触觉信息，结合车体安装的雷达传感器、摄像头、车速传感器等传感装置采集的外部信息，使人机交互实现智能化，效率化和安全化。

本发明将触觉、听觉和视觉三种信息计算处理后的信号传递给驾驶员，能够为驾驶员提供更有效和较少干扰的辅助驾驶体系，在提高交通安全性有重要意义，解决了目前以听觉、视觉为人机交互手段造成的交互效率低，智能化程度不足，辅助安全驾驶能力低的缺点，使人机交互和辅助安全驾驶兼顾智能化，效率化和安全化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为柔性感知层的结构示意图；

图2附图为触觉传感器的剖视图；

图3附图为触觉传感器的结构***图；

图4附图为本发明的控制框图；

图5附图为柔性感知层在方向盘装置上的安装结构***图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置和应用方法，使方向盘带有触觉感知能力，可以获得驾驶员的触觉变化信息，结合车辆传感器，从而判断驾驶员状态，对于辅助安全驾驶和交通安全起着积极重大作用。

请参阅附图1-5，为本发明的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，包括方向盘装置、ECU1和柔性感知层3；其中，柔性感知层3安装在所述方向盘装置上，所述方向盘装置和柔性感知层3分别与ECU1电性连接；

方向盘装置包括方向盘21、联轴器24、转矩传感器26和转角传感器23、反馈电机25和电池盒28；其中，电池盒28与方向盘21固定连接；联轴器22和反馈电机25的主动轴固定连接，联轴器24和方向盘21分别与传动轴22两端进行连接；转矩传感器26和转角传感器23安装在传动轴22中部，与ECU1电性连接；反馈电机25通过支撑装置与车架固定，与ECU1电性连接；

柔性感知层3包括柔性基底31、凸起层33和触觉传感器30；其中，柔性基底31设置多个触觉传感器安装槽32，凸起层33密封固定在柔性基底31上端面，且与触觉传感器安装槽32构成密闭腔体；触觉传感器安装槽32底部粘接固定触觉传感器30，多个触觉传感器30构成触觉传感器阵列；凸起层33受力后，作用于触觉传感器阵列和柔性基底31，触觉传感器阵列中受力的触觉传感器30将压力信号传输到ECU1，ECU1将信号处理得到握力分布信息；

触觉传感器30包括保护层301、上电路板302、上电极板303、介质层304、下电极板305、下电路板306和电极导线29；其中，保护层301与下电路板306构成容纳腔体；上电路板302、上电极板303、介质层304和下电极板305位于容纳腔体内，介质层304上下端面对应设置上电极板303与所下电极板305，上电极板303和下电极板305对应的设置在上电路板302和下电路板306上，并且上电极板303和下电极板305连接电极导线29，引出至容纳腔体外；

触觉传感器30为电容传感器，依据电容计算公式C＝εS/d检测柔性感知层3的受力变化；当最外层凸起层33受外力，保护层301所受法向力压迫上电路板302和介质层304，介质层304采用PDMS材质，带有微结构和弹性特质，上电极板303与下电极板305受压迫靠近，极距d降低，则电容增大，引起电信号变化；保护层301所受切向力会推动上电极板303相对下电极板305水平方向移动，减小上电极板303与下电极板305正对面积S，则电容减小，引起电信号变化；柔性感知层3产生的电信号经调制解调传输到ECU1进行处理，得到触觉信号。

为了进一步优化上述技术方案，电池盒28嵌合在带有电池盒安装槽的电池盒托架27内，通过电极导线29与柔性感知层3连接；电池盒托架27与方向盘21通过螺钉固定。

为了进一步优化上述技术方案，保护层301为由硅胶制备且底部开口的壳体，其表面设有与凸起层33贴合的防滑图案3010，保护层301通过3D打印技术制作出所需形状的模具，然后用倒模法制备。

为了进一步优化上述技术方案，上电路板302与下电路板306为聚酰亚胺材质。

为了进一步优化上述技术方案，上电极板303与下电极板305是通过柔性印刷电路板技术镀在上电路板302与下电路板305表层的铜箔层。

为了进一步优化上述技术方案，上电极板303与下电极板305包括多个间隔式分布的条形齿3030和连接所述条形齿的连接板3031，上电极板303和下电极板305的条形齿3030一一正对设置，连接板3031通过电极导线29分别连接电池盒28和ECU1。

为了进一步优化上述技术方案，介质层304的制备方法为：首先，通过光刻技术在SiO2衬底或Si衬底上进行刻制，得到暴露的二氧化硅长方形阵列；使用氢氟酸溶液将暴露的二氧化硅刻蚀掉，然后洗掉光刻胶，得到暴露的硅长方形阵列；接下来用氢氟酸溶液对暴露的硅进行各向异性刻蚀，可以得到具有凹槽的硅模板；最后，在硅模板表面灌浇一层PDMS，所述PDMS固化后剥离下来，可以得到具有锯齿槽形状的柔性PDMS薄膜，分割处理得到介质层304。

一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置的应用方法，ECU1接收汽车安装的柔性感知层3、车速传感器4、摄像头5、雷达传感器6、转矩传感器26和转角传感器23的信号，进行算法分析处理，将转矩模拟信号传送到反馈电机25，实现路感模拟；将车辆规划路径分析结果发送到多媒体显示屏7、组合仪表8、移动设备9，并进行提示；

转矩传感器26和转角传感器23采集驾驶员作用在方向盘21上的转矩和转角信息，将信息传输到ECU1，ECU1结合车速传感器4信号计算出的模拟的转角和转矩信息，和驾驶员操作输入转角的转矩差异进行比对，构建车辆保持规划路径行驶的反馈引导；

车速传感器4、摄像头5、雷达传感器6接收车辆外部信息和路况信息，柔性感知层3接收驾驶员的触觉信号，进行综合计算处理，分辨驾驶者驾驶者状态，规划驾驶车辆的行进路径；驾驶过程中，当排除路况因素，柔性感知层3检测的触觉信号在预设时间内无变化时，ECU1发出提示信号，多媒体显示屏7、组合仪表8、移动设备9进行提示；雷达传感器6和摄像头5对远近距离路况进行监测，规划行进路线，前方出现障碍物或岔路，结合车速传感器4车速信息进行测算，安全距离内，柔性感知层3没有感应到应对触觉信号，ECU1发出提示信号，多媒体显示屏7、组合仪表8、移动设备9进行提示；当倒车操纵时，结合车速及障碍物信息，安全距离内多媒体显示屏7、组合仪表8、移动设备9时刻监测提示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，其特征在于，包括方向盘装置、ECU和柔性感知层；其中，所述柔性感知层安装在所述方向盘装置上，所述方向盘装置和所述柔性感知层分别与所述ECU电性连接；

所述方向盘装置包括方向盘、联轴器、转矩传感器和转角传感器、反馈电机和电池盒；其中，所述电池盒与所述方向盘固定连接；所述联轴器和所述反馈电机的主动轴固定连接，所述联轴器和所述方向盘分别与传动轴两端进行连接；所述转矩传感器和所述转角传感器安装在所述传动轴中部，与所述ECU电性连接；所述反馈电机通过支撑装置与车架固定，与所述ECU电性连接；

所述柔性感知层包括柔性基底、凸起层和触觉传感器；其中，所述柔性基底设置多个触觉传感器安装槽，所述凸起层密封固定在所述柔性基底上端面，且与所述触觉传感器安装槽构成密闭腔体；所述触觉传感器安装槽底部粘接固定所述触觉传感器，多个所述触觉传感器构成触觉传感器阵列；所述凸起层受力后，作用于所述触觉传感器阵列和所述柔性基底，所述触觉传感器阵列中受力的所述触觉传感器将压力信号传输到所述ECU，所述ECU将信号处理得到握力分布信息；

所述触觉传感器包括保护层、上电路板、上电极板、介质层、下电极板、下电路板和电极导线；其中，所述保护层与所述下电路板构成容纳腔体；所述上电路板、所述上电极板、所述介质层和所述下电极板均位于所述容纳腔体内；所述介质层上下端面对应设置所述上电极板与所述下电极板，所述上电极板和所述下电极板对应的设置在所述上电路板和所述下电路板上，并且所述上电极板和所述下电极板连接所述电极导线，引出至容纳腔体外；

所述触觉传感器为电容传感器，依据电容计算公式C＝εS/d检测所述柔性感知层的受力变化；当最外层所述凸起层受外力，所述保护层所受法向力压迫所述上电路板和所述介质层，所述介质层采用PDMS材质，表面带有凹槽微结构和弹性特质，所述上电极板与所述下电极板受压迫靠近，极距d降低，则电容增大，引起电信号变化；所述保护层所受切向力会推动所述上电极板相对所述下电极板水平方向移动，减小所述上电极板与所述下电极板正对面积S，则电容减小，引起电信号变化；所述柔性感知层产生的电信号经调制解调传输到所述ECU进行处理，得到触觉信号。

2.根据权利要求1所述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，其特征在于，所述电池盒嵌合在带有电池盒安装槽的电池盒托架内，通过所述电极导线与所述柔性感知层连接；所述电池盒托架与所述方向盘通过螺钉固定。

3.根据权利要求1所述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，其特征在于，所述保护层为由硅胶制备且底部开口的壳体，其表面设有与所述凸起层贴合的防滑图案，所述保护层通过3D打印技术制作出所需形状模具，然后用倒模法制备。

4.根据权利要求1所述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，其特征在于，所述上电路板与所述下电路板为聚酰亚胺材质。

5.根据权利要求1或4所述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，其特征在于，所述上电极板与所述下电极板是通过柔性印刷电路板技术镀在所述上电路板与所述下电路板表层的铜箔层。

6.根据权利要求5所述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，其特征在于，所述上电极板与所述下电极板包括多个间隔式分布的条形齿和连接所述条形齿的连接板，所述上电极板与所述下电极板的所述条形齿一一正对设置，所述连接板通过所述电极导线分别连接所述电池盒和所述ECU。

7.根据权利要求1所述的一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置，其特征在于，所述介质层的制备方法为：首先，通过光刻技术在SiO2衬底或Si衬底上进行刻制，得到暴露的二氧化硅长方形阵列；使用氢氟酸溶液将暴露的二氧化硅刻蚀掉，然后洗掉光刻胶，得到暴露的硅长方形阵列；接下来用氢氟酸溶液对暴露的硅进行各向异性刻蚀，可以得到具有凹槽的硅模板；最后，在硅模板表面灌浇一层PDMS，所述PDMS固化后剥离下来，可以得到具有锯齿槽形状的柔性PDMS薄膜，分割处理得到表面带有凹槽的所述介质层。

8.一种带有触觉感知的智能人机交互方向盘装置的应用方法，其特征在于，所述ECU接收汽车安装的所述柔性感知层、车速传感器、摄像头、雷达传感器、转矩传感器和转角传感器的信号，进行算法分析处理，将转矩模拟信号传送到所述反馈电机，实现路感模拟；将车辆保持规划路径分析结果发送到多媒体显示屏、组合仪表、移动设备，并进行提示；

所述转矩传感器和所述转角传感器采集驾驶员作用在所述方向盘上的转矩和转角信息，将信息传输所述ECU，所述ECU结合所述车速传感器信号计算出的模拟的转角和转矩信息，和驾驶员操作输入转角的转矩差异进行比对，构建车辆保持规划路径行驶的反馈引导；

所述车速传感器、所述摄像头、所述雷达传感器接收车辆外部信息和路况信息，所述柔性感知层接收驾驶员的触觉信号，进行综合计算处理，分辨驾驶者驾驶者状态，规划驾驶车辆的行进路径；驾驶过程中，当排除路况因素，所述柔性感知层检测的触觉信号在预设时间内无变化时，所述ECU发出提示信号，所述多媒体显示屏、所述组合仪表、所述移动设备进行提示；所述雷达传感器和所述摄像头对远近距离路况进行监测，规划行进路线，前方出现障碍物或岔路，结合所述车速传感器车速信息进行测算，安全距离内，所述柔性感知层没有感应到应对触觉信号，所述ECU发出提示信号，所述多媒体显示屏、所述组合仪表、所述移动设备进行提示；当倒车操纵时，结合车速及障碍物信息，安全距离内所述多媒体显示屏、所述组合仪表、所述移动设备时刻监测提示。