基于振型叠加触觉反馈方法技术

本发明专利技术公开了一种基于振型叠加触觉反馈方法，其利用动力学方法来完善振动效果，利用触摸梁的多个固有振型叠加，从而合成特殊的振动形式，然后将多个触摸梁进行排列布置形成一个触摸平面，将每个触摸梁各自的振动形式合并成一个具体的触觉纹理。该方法解决了单一振型不能呈现特殊纹理的局限性，可以实现特殊纹理的振动再现，并减少了对软件控制方面的需求，从而简化了整个装置的复杂程度，降低了装置成本。

【技术实现步骤摘要】
基于振型叠加触觉反馈方法
本专利技术属于触觉反馈
，具体涉及一种基于振型叠加触觉反馈方法。
技术介绍
触觉反馈技术是利用力、振动等一系列动作产生特殊的振动，来实现触感再现。目前触觉反馈技术主要用于定制独特的触觉反馈效果提升用户体验，增强游戏、视频和音乐的效果，解决驾驶或手术中注意力分散的问题以提高安全性，在实施机械医疗程序和培训模拟时提供逼真的触觉反馈。但是基于振动实现特殊信息传递的技术研究还刚起步，目前压电式触觉技术主要利用压电陶瓷单一振型的高频振动来实现摩擦力的减小或者触摸面的振与不振，实现的触觉比较简单，感觉不丰富，并且目前利用压电陶瓷实现触觉的装置过于复杂，主要利用编程控制来实现，结构相对复杂，成本相对较高。对于利用振型叠加的方法实现纹理再现的研究还没出现。因此，完善振动传递的信息是今后触觉反馈
的一个重要发展方向。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种设备简单，触感的丰富性的触觉反馈方法，能够实现特殊纹理，完善触觉体验，解决触觉单一的问题。本专利技术提出一种基于振型叠加触觉反馈方法，其包括以下步骤：步骤1:确定触摸梁的数量、材料、两端的约束形式和在支架上的排列顺序；所述触摸梁的材料可以是任意具有弹性变形的材料；所述触摸梁两端的约束形式包括两端自由、两端固定、两端简支、一端固定一端自由、一端简支一端自由或一端固定一端简支；所述触摸梁的数量和在支架上的排列顺序根据想要实现的整体触摸效果确定；步骤2:按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，依次根据所述触摸梁的材料属性和约束条件，确定所述触摸梁弯曲振动方程，再根据所述弯曲振动方程确定所述触摸梁弯曲振动的频率方程和振型函数，在确保所述触摸梁在后续振型合成中将要用到的最高振型的半波长小于所要使用的压电陶瓷片的长度的前提下，对所述触摸梁的尺寸进行优化；步骤3：按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，利用仿真软件依次对所述优化后的触摸梁进行模态分析，得出所述触摸梁各阶固有振型在固有频率下的振动状态；步骤4：根据步骤3的结果以及想要得到的触觉结果，按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，利用仿真软件依次选取所述触摸梁的若干个固有振型进行叠加，合成所述每根触摸梁所需的振型；步骤5：按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，利用仿真软件依次确定所述每根触摸梁所需的每个固有振型的波峰或者波谷的位置，作为压电陶瓷片在该触摸梁上的粘贴位置；步骤6：利用仿真软件将所述每个触摸梁的振型拼接后形成整体纹理；步骤7：将压电陶瓷片粘贴在所述触摸梁上；步骤8：按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，将所述触摸梁排列连接在支架上，形成一个触摸平面，但是所述触摸梁互不接触，然后将盖板固定在支架上；步骤9：将压电陶瓷片和控制装置连接，通过驱动信号驱动压电陶瓷片振动；每根触摸梁上压电陶瓷片所连接的驱动信号频率为步骤4中所确定的该触摸梁叠加所需各固有振型的固有频率；以及步骤10：手指通过盖板的触摸区域触摸排列布置的触摸梁，感受触摸梁的振动，实现纹理再现。优选的，步骤4中，可以在所述触摸梁不同固有振型的波峰或波谷处粘贴多个压电陶瓷片。优选的，步骤4中，所述压电陶瓷片可以只粘贴于触摸梁的一面，也可以贴于触摸梁的上下两个面。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供一种基于振型叠加触觉反馈方法，利用动力学方法来完善振动效果，利用触摸梁的多个固有振型叠加后合成一种理想的振型，从而合成一种特殊的振动形式，然后将多个触摸梁进行排列布置形成一个触摸平面，每个触摸梁各自的振动形式合并成一个具体的触觉纹理；该方法解决了单一振型不能呈现特殊纹理的局限性，可以实现特殊纹理的振动再现，并减少了对软件控制方面的需求，从而简化了整个装置的复杂程度，降低了装置成本。附图说明图1是本专利技术实施例的装置示意图；图2是本专利技术实施例的支架示意图；图3是本专利技术实施例的盖板示意图；图4是本专利技术实施例的触摸梁示意图；图5是本专利技术实施例的触摸梁排列示意图；图6是本专利技术实施例的压电陶瓷片接线示意图；图7是本专利技术实施例的根据振型确定压电陶瓷片粘贴位置示意图；图8是长宽高为145mm×5mm×4mm的黄铜触摸梁的第1阶和第3阶固有振型和固有频率以及固有振型叠加后的振型状态；图9是长宽高为145mm×5mm×4mm的黄铜触摸梁的第5阶和第7阶固有振型和固有频率以及固有振型叠加后的振型状态；以及图10是本实施例实现的整体触摸纹理；图中：1支架，2螺栓，3盖板，4触摸梁，5盖板，6控制装置，7驱动电池，8盖板触摸区域，9压电陶瓷片，10触摸梁，11触摸梁，12触摸梁，13触摸梁，14触摸梁。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的一种实施方式进行详细的说明。图1是本专利技术实施例的装置示意图。本实施例选用6根触摸梁，包括触摸梁4和触摸梁10-14，触摸梁的材料可以是任意具有弹性变形的材料，本实施例采用的是黄铜；触摸梁两端的约束形式包括两端自由、两端固定、两端简支、一端固定一端自由、一端简支一端自由和一端固定一端简支，本实施例采用的是两端自由的方式，表1给出了常见的等截面梁在几种简单边界条件下的频率方程和振型函数。根据材料属性和约束条件，确定等截面触摸梁弯曲振动方程为：自由振动时取f(x,t)＝0，将方程分离变量写为：y(x,t)＝Y(x)q(t)(2)其中振型函数Y(x)的通解写为：A1cosβx+A2sinβx+A3chβx+A4shβx(3)根据自由梁的边界条件代入通解(3)后可得到频率方程为：cos(βL)ch(βL)-1＝0(4)振型函数为：Y(x)＝cosβix+chβix+ηi(sinβix+shβix)(5)其中，利用上述方法得出的触摸梁的各阶固有振型，再结合实际需求对每根触摸梁进行尺寸优化，确定触摸梁的尺寸。尺寸优化方法如下：根据整体装置的尺寸大体确定触摸梁的尺寸，同时考虑固有频率越高的振型其产生波长越短，如果波长过短不利于下面步骤中压电陶瓷片9的粘贴，压电陶瓷片9的长度应该小于半波长，因此需要尽可能使能够用到的最高振型的半波长小于所要使用的压电陶瓷片9的长度。通过设计最终确定梁的尺寸为145mm×5mm×4mm；利用仿真软件可以得到触摸梁在各阶固有频率下的振动状态；图8(a)和图8(b)是长宽高为145mm×5mm×4mm的黄铜的两端自由触摸梁的第1阶和第3阶固有频率下的固有振型；图9(a)和图9(b)是长宽高为145mm×5mm×4mm的黄铜的两端自由触摸梁的第5阶和第7阶固有频率下的固有振型。前述触摸梁固有振型的叠加不是固定不变的，可以两个、三个以及多个固有振型的叠加组合；每个固有振型的振动频率为其对应的固有频率；叠加后的结果可以是驻波、行波、行驻波等，或者这几种状态同时存在；也可以产生其它的振动形态；如图8(c)所示，长宽高为145mm×5mm×4mm的黄铜触摸梁的第1阶和第3阶固有振型以各自的固有频率振动叠加后，出现中间位置的振幅高于附近两侧的振幅的现象，并且中间位置为驻波形式，只有上下振动，而两侧部分既有上下振动也有左右振动；而图9(c)表明第5阶固有振型和第7阶固有振型叠加后会出现5个振幅高点；将压电陶瓷片9粘贴在对应固有振型的波峰或者波谷处；一个触摸梁在不同频率段有不同的固有频率和固有振型，可以在不同固有振型的波峰或波谷处粘贴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于振型叠加触觉反馈方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1:确定触摸梁的数量、材料、两端的约束形式和在支架上的排列顺序；所述触摸梁的材料可以是任意具有弹性变形的材料；所述触摸梁两端的约束形式包括两端自由、两端固定、两端简支、一端固定一端自由、一端简支一端自由或一端固定一端简支；所述触摸梁的数量和在支架上的排列顺序根据想要实现的整体触摸效果确定；步骤2:按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，依次根据所述触摸梁的材料属性和约束条件，确定所述触摸梁弯曲振动方程，再根据所述弯曲振动方程确定所述触摸梁弯曲振动的频率方程和振型函数，在确保所述触摸梁在后续振型合成中将要用到的最高振型的半波长小于所要使用的压电陶瓷片的长度的前提下，对所述触摸梁的尺寸进行优化；步骤3：按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，利用仿真软件依次对所述优化后的触摸梁进行模态分析，得出所述触摸梁各阶固有振型在固有频率下的振动状态；步骤4：根据步骤3的结果以及想要得到的触觉结果，按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，利用仿真软件依次选取所述触摸梁的若干个固有振型进行叠加，合成所述每根触摸梁所需的振型；步骤5：按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，利用仿真软件依次确定所述每根触摸梁所需的每个固有振型的波峰或者波谷的位置，作为压电陶瓷片在该触摸梁上的粘贴位置；步骤6：利用仿真软件将所述每个触摸梁的振型拼接后形成整体纹理；步骤7：将压电陶瓷片粘贴在所述触摸梁上；步骤8：按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，将所述触摸梁排列连接在支架上，形成一个触摸平面，但是所述触摸梁互不接触，然后将盖板固定在支架上；步骤9：将压电陶瓷片和控制装置连接，通过驱动信号驱动压电陶瓷片振动；每根触摸梁上压电陶瓷片所连接的驱动信号频率为步骤4中所确定的该触摸梁叠加所需各固有振型的固有频率；以及步骤10：手指通过盖板的触摸区域触摸排列布置的触摸梁，感受触摸梁的振动，实现纹理再现。...

【技术特征摘要】
1.一种基于振型叠加触觉反馈方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1:确定触摸梁的数量、材料、两端的约束形式和在支架上的排列顺序；所述触摸梁的材料可以是任意具有弹性变形的材料；所述触摸梁两端的约束形式包括两端自由、两端固定、两端简支、一端固定一端自由、一端简支一端自由或一端固定一端简支；所述触摸梁的数量和在支架上的排列顺序根据想要实现的整体触摸效果确定；步骤2:按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，依次根据所述触摸梁的材料属性和约束条件，确定所述触摸梁弯曲振动方程，再根据所述弯曲振动方程确定所述触摸梁弯曲振动的频率方程和振型函数，在确保所述触摸梁在后续振型合成中将要用到的最高振型的半波长小于所要使用的压电陶瓷片的长度的前提下，对所述触摸梁的尺寸进行优化；步骤3：按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，利用仿真软件依次对所述优化后的触摸梁进行模态分析，得出所述触摸梁各阶固有振型在固有频率下的振动状态；步骤4：根据步骤3的结果以及想要得到的触觉结果，按照所述触摸梁在支架上的排列顺序，利用仿真软件依次选取所述触摸梁的若干个固有振型进行叠加，合成所述每根触摸梁所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢继春，李华军，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13