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融合静电力与振动的触觉再现方法与装置制造方法及图纸

技术编号:17779209 阅读:40 留言:0更新日期:2018-04-22 07:27
本发明专利技术涉及一种融合静电力与振动的触觉再现方法与装置,属于人机交互领域。包括:手指定位单元、触觉处理单元、触觉驱动单元和触觉呈现单元;手指定位单元获取手指的坐标信息,触觉处理单元提取视觉对象的视觉信息并进行渲染然后得到相应的触觉驱动信号参数,触觉驱动单元根据驱动信号参数产生相应的驱动信号,触觉呈现单元改变手指受到的切向力以及法向力,从而实现三维的触觉再现效果。其优点在于:在平面交互的过程中同时改变手指受到的切向力以及法向力,从而呈现更真实的三维触觉感受,并且装置的结构简单、容易实现、移植性好,可集成在各种多媒体终端上。

【技术实现步骤摘要】
融合静电力与振动的触觉再现方法与装置
本专利技术涉及一种触觉再现装置,属于虚拟现实与人机交互领域。
技术介绍
触觉是人类五种感觉通道之一,可以实现人类与环境之间的双向信息交互。近年来,随着人机交互、虚拟现实技术的不断发展,触觉再现技术的应用使得用户在视觉、听觉交互的基础上,又打开了触觉的交互通道,从而在交互的过程中有了更加真实的沉浸感。因此触觉在人机交互中起着非常重要的作用。目前,已经有一些实现触觉再现的方法与装置。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系统及其制造方法”(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系统,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。中国专利“一种基于静电力触觉再现的装置”(申请号201210143828.3)以及中国专利“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,这种方法与装置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,呈现的触觉效果较差。中国专利“触觉反馈模块及按钮”(申请号201611059008.0)公开了一种里用压电陶瓷振动实现局部定点精确反馈,中国专利“基于高压电特性陶瓷材料的振动装置”(申请号201620476481.8)公开了一种基于压电陶瓷实现的振动触觉反馈。这种振动反馈实现的触感单一,适合信息提示等功能,所以其局限性比较大。通过上述分析,可以将静电力与振动这两种触觉再现方式融合到一起,从而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力与法向力,从而产生更加精细的触觉感受,这样就可以达到更好的触觉再现效果。因此,本专利技术提出的融合静电力与振动的触觉再现方法与装置,可以达到更好的触觉再现效果,从而提高触觉再现的真实感。
技术实现思路
本专利技术提供一种融合静电力与振动的触觉再现方法与装置,以解决基于阵列式的触觉再现装置以及力触觉再现装置的结构都比较复杂,且可移植性差,不易集成在多媒体终端上,而静电力触觉再现装置只能提供切向力的变化,且手指静止时无触觉反馈,振动触觉再现装置的触感单一、真实性差等问题。通过融合静电力以及振动触觉反馈的触觉呈现方式,可以同时改变手指所受到的切向力以及法向力,能在平面呈现出三维的触觉反馈效果,从而呈现出更加真实的触感。本专利技术采取的技术方案是,一种融合静电力与振动的触觉再现装置,包括:(1)手指定位单元,包括能实现定位功能的装置,其作用在于实时读取手指的位置坐标,并将该坐标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,其作用在于呈现视觉信息,同时对视觉信息进行特征提取与渲染将其映射成触觉驱动信号参数,然后将驱动信号参数发送到触觉驱动单元;(3)触觉驱动单元,其作用在于同时产生静电力以及振动这两种触觉再现方式所需要的驱动信号,并将其施加到触觉呈现单元;(4)触觉呈现单元,包括单点电容屏和振动源,其作用在于改变手指所受的切向力和法向力,实现三维触觉的呈现功能。本专利技术所述的触觉呈现单元的结构为:(1)单点电容屏,其结构分为三层:底层为玻璃板,起到支撑作用;中间层为透明导电极板,喷镀在玻璃地底上,可施加激励信号;顶层为一层绝缘膜,喷镀在导电极板上,起到绝缘的作用;(2)振动源,主要产生法向振动力而其他方向的振动力较小,牢固的粘贴在单点电容屏的绝缘膜侧,且需要对称粘贴在单点电容屏的长边边缘,数量需要根据电容屏的尺寸来确定;本专利技术所述触觉驱动单元包括:(1)核心控制器模块,存储着常见波形的波形数据,负责接收两种触觉再现方式的驱动信号参数,同时控制其他功能模块的工作状态;(2)静电力驱动模块,包括数模转换器一、数模转换器二、低通滤波器、功率放大器,负责产生符合静电力触觉再现条件的驱动信号;(3)振动驱动模块,负责产生符合振动触觉再现条件的驱动信号。本专利技术所述的触觉呈现单元与触觉处理单元的显示屏幕之间使用双面胶粘贴连接。一种融合静电力与振动的触觉再现方法,包括下列步骤:(1)得到静电力信号幅度矩阵E对于一个M像素*N像素的图像,首先提取其灰度值,得到图像的灰度矩阵H,然后对图像的灰度矩阵H横向求偏导,可以求得图像的梯度矩阵Gx然后将Gx进行归一化处理,得到归一化梯度矩阵Gx′其中gxmin为梯度矩阵Gx中元素的最小值,gxmax为梯度矩阵Gx中元素的最大值;接下来根据归一化梯度矩阵Gx′求得切向力分量矩阵Fx其中fe为静电力触觉再现方式所能产生的最大切向力;接下来测量静电力触觉再现中,不同驱动信号幅度VE所能产生的切向力fx,得到驱动信号幅度VE与切向力fx的关系曲线:fx=kVE2其中k为比例系数;最后,根据静电力触觉再现中驱动信号幅度VE与切向力fx的关系曲线,即可得到切向力分量矩阵Fx所对应的静电力信号幅度矩阵E;(2)得到夹角矩阵θ当手指触摸到图片的某一像素点P(i,j)时,手指在P点受到虚拟物体的支持力为Fn、摩擦力为Ff,这两个力的合力为F′,合力F′与水平面夹角αij计算方法如下:αij=90-arctangxij-arctanμ其中1≤i≤M、1≤j≤N,gxij为梯度矩阵Gx中第i行、第j列的元素,μ为触觉呈现单元的摩擦系数,这样即可计算出手指在该点所受合力与水平面的夹角αij;用同样的方法,即可求出图像中每一点手指所受合力与水平面的夹角,从而得到夹角矩阵θ;(3)得到振动信号幅度矩阵V将切向力分量矩阵Fx中的元素与夹角矩阵θ中对应位置元素的正切值相乘,得到法向力分量矩阵Fy中的元素,即其中为夹角矩阵θ中第i行、第j列元素;然后测量振动触觉再现中,不同驱动信号幅度VV所能产生的法向力fy,得到驱动信号幅度VV与法向力fy的关系曲线:fy=mVV其中m为比例系数。最后,根据振动触觉再现中驱动信号幅度VV与法向力fy的关系曲线,即可得到法向力分量矩阵Fy所对应的振动信号幅度矩阵V;本专利技术优点在于:1.融合了静电力与振动两种触觉再现方式,可同时提供法向力与切向力,使得触觉再现的效果更加真实;2.触觉再现装置可以放在任何多媒体终端上使用,增强了可移植性;3.提出了一种基于图像的触觉再现算法,使得该算法更具有普遍性。附图说明图1是本专利技术的结构示意图;图2是本专利技术触觉驱动单元的原理框图;图3是本专利技术触觉呈现单元的结构示意图;图4是本专利技术静电力触觉再现受力分析图;图5是本专利技术振动触觉再现受力分析图;图6是本专利技术基于融合装置的图像渲染过程图;图7是本专利技术手指触摸图片中虚拟物体的受力分析图;图8是本专利技术融合触觉再现装置的再现效果分析图。具体实施方式一种融合静电力与振动的触觉再现装置1,如图1所示,包括:(1)手指定位单元13,包括能实现定位功能的装置,其作用在于实时读取手指的位置坐标,本文档来自技高网
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融合静电力与振动的触觉再现方法与装置

【技术保护点】
一种融合静电力与振动的触觉再现装置,其特征在于,包括:(1)手指定位单元,包括能实现定位功能的装置,其作用在于实时读取手指的位置坐标,并将该坐标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,其作用在于呈现视觉信息,同时对视觉信息进行特征提取与渲染将其映射成触觉驱动信号参数,然后将驱动信号参数发送到触觉驱动单元;(3)触觉驱动单元,其作用在于同时产生静电力以及振动这两种触觉再现方式所需要的驱动信号,并将其施加到触觉呈现单元;(4)触觉呈现单元,包括单点电容屏和振动源,其作用在于改变手指所受的切向力和法向力,实现三维触觉的呈现功能。

【技术特征摘要】
1.一种融合静电力与振动的触觉再现装置,其特征在于,包括:(1)手指定位单元,包括能实现定位功能的装置,其作用在于实时读取手指的位置坐标,并将该坐标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,其作用在于呈现视觉信息,同时对视觉信息进行特征提取与渲染将其映射成触觉驱动信号参数,然后将驱动信号参数发送到触觉驱动单元;(3)触觉驱动单元,其作用在于同时产生静电力以及振动这两种触觉再现方式所需要的驱动信号,并将其施加到触觉呈现单元;(4)触觉呈现单元,包括单点电容屏和振动源,其作用在于改变手指所受的切向力和法向力,实现三维触觉的呈现功能。2.根据权利要求1所述的融合静电力与振动的触觉再现装置,其特征在于所述的触觉呈现单元的结构为:(1)单点电容屏,其结构分为三层:底层为玻璃板,起到支撑作用;中间层为透明导电极板,喷镀在玻璃地底上,可施加激励信号;顶层为一层绝缘膜,喷镀在导电极板上,起到绝缘的作用;(2)振动源,主要产生法向振动力而其他方向的振动力较小,牢固的粘贴在单点电容屏的绝缘膜侧,且需要对称粘贴在单点电容屏的长边边缘,数量需要根据电容屏的尺寸来确定。3.根据权利要求1所述的融合静电力与振动的触觉再现装置,其特征在于所述触觉驱动单元包括:(1)核心控制器模块,存储着常见波形的波形数据,负责接收两种触觉再现方式的驱动信号参数,同时控制其他功能模块的工作状态;(2)静电力驱动模块,包括数模转换器一、数模转换器二、低通滤波器、功率放大器,负责产生符合静电力触觉再现条件的驱动信号;(3)振动驱动模块,负责产生符合振动触觉再现条件的驱动信号。4.根据权利要求1所述的融合静电力与振动的触觉再现装置,其特征在于所述的触觉呈现单元与触觉处理单元的显示屏幕之间使用双面胶粘贴连接。5.一种融合静电力与振动的触觉再现方法,其特征在于,包括下列步...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙晓颖曹德坤刘国红陈建宋瑞
申请(专利权)人:吉林大学
类型:发明
国别省市:吉林,22

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