一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术优点是：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。

A haptic display device and method for applying electrostatic force and vibration of finger pad

The invention relates to an electrostatic force and vibration fusion tactile reproduction device and a method for applying a finger pad, belonging to the field of human-computer interaction. The tactile reproduction method is to acquire the position information of the finger pad on the multimedia terminal screen in real time by the positioning unit. The tactile processing unit processes the position information of the finger pad and generates the amplitude parameters of the electrostatic driving signal and the vibration driving signal. The amplitude parameters of the electrostatic driving signal are obtained by the wireless side. The finger pad unit inputs the electrostatic force driving signal and the vibration driving signal into the electrostatic screen and the vibration source, respectively, to produce the electrostatic force and vibration, thus causing the finger skin to deform, so that the user finger can feel the tactile feedback. The invention has the advantages that the tangential feedback force and the normal feedback force of the finger can be changed simultaneously in the process of planar interaction, thereby presenting a more real tactile feeling, good portability and realizing multi-point tactile feedback.

【技术实现步骤摘要】
一种应用指垫的静电力和振动融合触觉再现装置及方法
本专利技术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。
技术介绍
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、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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采取的技术方案是，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Fx和法向反馈力Fy，从而实现更真实触觉反馈。本专利技术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。本专利技术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，hmax为高度矩阵H中元素的最大值，hmin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Fv：Fv＝fm1*H′其中fm1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Gx然后对梯度矩阵Gx进行归一化处理：其中Gx′为对梯度矩阵Gx归一化，gxmax为矩阵Gx中元素的最大值，gxmin为矩阵Gx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Fe：Fe＝G′xfm2其中fm2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专利技术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是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术多媒体终端屏的结构图；图3是本专利技术指垫的结构图；图4是本专利技术静电屏的结构图；图5是本专利技术指垫上电路的结构图；图6是本专利技术静电力触觉再现受力分析图；图7是本专利技术振动触觉再现受力分析图；图8是本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Fx和法向反馈力Fy，从而实现更真实触觉反馈。

【技术特征摘要】
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Fx和法向反馈力Fy，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...

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