基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法及装置，属于触摸反馈技术领域。采用多马达数字按键反馈装置，以及多马达数字按键渲染方法，包括实时获取用户按下压力F的大小，将其传送至核心处理器，根据渲染算法确定提供反馈的马达，并施加不同的驱动信号；在用户施加压力的过程中分别提供摩擦力反馈和振动反馈，使其产生一种类似物理按键按下过程的感觉。本发明专利技术利用压电陶瓷片马达在高频振动下产生的空气压膜效应，结合刚性表面柔顺性触觉错觉方法，将压膜效应产生的摩擦力和用颗粒振动模拟的在物体发生形变过程中，由于克服摩擦而产生力的感觉结合起来，增强数字按键按下过程的摩擦感知。

Tactile rendering method and device of digital buttons based on vibration and film pressing effect

【技术实现步骤摘要】
基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法及装置
本专利技术涉及触摸反馈
，特别是一种基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法及装置。
技术介绍
触摸屏因具有用户操作界面更加便捷，交互区域面积更大，交互过程更加直观等优点而大力发展。目前，在移动终端，手持设备，以及电器设备等多个领域应用广泛。但是触摸屏界面上的主要控件，数字按键由于缺乏真实的触觉反馈，使得用户在交互过程中的操作效率和操作准确率不高，且必须有视觉的参与。并且当前随着AR、VR的发展，对触觉反馈的需求日益增大，解决三维空间中的界面交互时数字按键的触觉反馈也是一项亟待解决的问题。目前大多是对于触摸屏上数字按键触觉反馈方法的研究，主要集中在使其具有点击的感觉，或者是给予一定的，单一的振动反馈。而对按钮按下的整个过程，数字按键的真实感渲染，以及法向上触觉反馈的研究较少，且大多是基于一种单一效果，比如振动，或者压膜效应的反馈。一些触觉反馈装置主要在于通过更改触摸屏上数字按键的产生方式，以及触摸屏上数字按键的硬件结构来提升用户体验或者是提升触摸屏的性能。而应用于三维空间，或者是提供数字按键触觉反馈装置方面的研究还很匮乏。因此，开发出具有真实感的数字按键触觉反馈渲染方法及其反馈装置是十分必要的。目前已经有了一些数字按键触觉反馈方法及触觉反馈装置。2013年中国专利“基于触摸屏的物理按键模拟方法及装置”CN103620542B中公开了一种基于触摸屏的物理按键模拟方法及装置，它通过获取手指与触摸屏交互过程中的接触面积，将获取到的接触面积值与设定好的面积阈值对比，来判断当前接触面积下的触摸类型对应的物理按键事件，以此来触发事件。2015年中国专利“电子设备的触摸屏上的数字按键的物理存在的装置”CN104850256A中公开了一种提供电子设备的触摸屏上的数字按键的物理存在的装置，其中利用装置的双层结构特点，在要产生按钮时，映射至屏幕上该按钮位置处相应的x,y坐标膨胀，利用装置顶层小的透明状物的矩阵是按钮位置处的体积发生变化，从而使显示器的表面产生凸起，产生触摸的感觉。2015年中国专利“一种基于玻璃电容式触摸屏上3D按键的涂层结构”CN204605364U中公开了一种基于玻璃电容式触摸屏上3D按键的涂层结构，其中利用涂层的结构特性，通过在数字按键区域形成3D立体效果来增加按键的视觉效应。2017年中国专利“一种3D按键触摸屏以及电子设备”CN107122088A中公开了一种3D按键触摸屏以及电子设备，其中通过获取3D按键处的压力变化来驱动触控执行单元执行不同的指令，且3D表面为浮雕结构，使得触摸屏在原有的平面触摸的基础上，能够感知到垂直位置的触摸信息。2017年中国专利“一种车载多媒体触摸屏按键装置”CN207099514U中公开了一种车载多媒体触摸屏按键装置，实现了车载多媒体触摸屏按键装置通过设有复位弹簧，在使用后可以自行复位反弹，以提高使用寿命及装置实用性。2013年论文“HapticFeedbackDesignforaVirtualButtonAlongForce-DisplacementCurves”提出了基于力-位移曲线的数字按键渲染方法，该方法将物理按键的力-位移曲线进行划分，根据按下物理按键过程中各部分的特性选择不同的驱动信号，从而实现对按键按下整个过程的模拟。通过上述分析，现有产生数字按键触觉反馈的方法大多为给用户提供提示信息，比如简单的振动反馈或者一定的视觉提示。现有的数字按键触觉反馈方式大多是基于振动产生的，且主要是点击瞬间效果的渲染，渲染方法和反馈效果较为单一，且多为单一方向上的反馈。大部分数字按键触觉渲染方法不强调对触觉反馈真实感的提升，部分有真实感效果的触觉反馈大多依赖于装置本身的结构特性，应用场景有很大的局限性。本专利技术提出的基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法及装置，利用空气压膜产生的切向摩擦力和振动马达产生的法向振动两种反馈方式来实现对数字按键按下过程的模拟，且根据物理按键力-位移曲线图的特性进行分段模拟，增加了触觉反馈的感知方向和反馈类型，使数字按键具有更真实的触觉反馈。目前大多数数字按键触觉反馈方法和装置，大多基于振动反馈、空气压膜效应的摩擦力反馈等单一的反馈方式，或者依靠反馈装置本身的结构特性，为数字按键的触觉反馈提供一定的线索，在真实感渲染方面的效果不是很好。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法及装置，利用空气压膜效应产生的摩擦力和振动马达产生的振动反馈，使用户在与刚性表面的数字按键交互过程中，可以产生一种类似于与物理按键交互时按下去的感觉，并且可根据所选物理按键参数的不同，在同一反馈装置上产生多种物理按键的反馈感觉。本专利技术采取的技术方案是，包括下列部分：(1)、采用多马达数字按键反馈装置，其结构包括压力传感器和马达；(2)、多马达数字按键渲染方法，包括实时获取用户按下压力F的大小，将其传送至核心处理器，根据渲染算法确定提供反馈的马达，并施加不同的驱动信号；在用户施加压力的过程中分别提供摩擦力反馈和振动反馈，使其产生一种类似物理按键按下过程的感觉。本专利技术所述的多马达数字按键反馈装置包括：一个力传感器，两个压电陶瓷片马达，一个振动触觉马达，刚性外壳以及驱动电路，其中振动触觉马达、驱动电路安装在刚性外壳内部，力传感器安装在刚性外壳的上方内部下表面中部，两个压电陶瓷片马达分别固定连接在刚性外壳上表面、且位于力传感两侧。本专利技术所述的力传感器用来获取用户交互过程中施加压力F的大小，压电陶瓷片马达利用高频振动产生压膜效应，在用户手指与刚性表面数字按键交互的过程中产生切向摩擦力，振动触觉马达用来为基于力-位移曲线的数字按键渲染方法提供法向上主要的振动反馈。本专利技术所述的所述的多马达数字按键渲染方法如下：1)获取用户在交互过程中施加压力F的大小；2)根据所要模拟物理按键的力-位移曲线图，以及物理按键按下过程中力和位移的特性，将其划分为三个力区间，分别为平滑区间，跳跃区间，触底区间；3)根据用户施加的压力F，判断当前压力F所处力-位移曲线图的哪一个力区间；4)根据步骤3)所匹配的压力F的区间，确定提供反馈的马达：当用户施加压力F的大小匹配为平滑区间时，压电陶瓷片马达产生压膜效应，在用户指尖提供摩擦力，并且振动触觉马达产生振动反馈；当用户施加的压力F大小匹配为跳跃区间和触底区间时，只有振动触觉马达产生振动反馈，压电陶瓷片马达不工作。本专利技术所述的各个力区间的反馈效果如下：1)压力F的大小处在平滑区间时，压膜效应产生的摩擦力随着用户施加压力F的增大而线性减小，其中摩擦力与施加电压呈负相关，振动触觉马达根据用户施加压力F的变化量提供振动反馈，即压力F每变化一定数值时，振动触觉马达产生一个颗粒振动信号；2)压力F的大小处在跳跃区间时，压电陶瓷片不产生压膜效应，即不提供摩擦力，振动触觉马达产生一个突变力的振动信号；3)压力F的大小处在触底区间时，压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法，其特征在于包括下列部分：/n(1)、采用多马达数字按键反馈装置，其结构包括压力传感器和马达；/n(2)、多马达数字按键渲染方法，包括实时获取用户按下压力F的大小，将其传送至核心处理器，根据渲染算法确定提供反馈的马达，并施加不同的驱动信号；/n在用户施加压力的过程中分别提供摩擦力反馈和振动反馈，使其产生一种类似物理按键按下过程的感觉。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法，其特征在于包括下列部分：
(1)、采用多马达数字按键反馈装置，其结构包括压力传感器和马达；
(2)、多马达数字按键渲染方法，包括实时获取用户按下压力F的大小，将其传送至核心处理器，根据渲染算法确定提供反馈的马达，并施加不同的驱动信号；
在用户施加压力的过程中分别提供摩擦力反馈和振动反馈，使其产生一种类似物理按键按下过程的感觉。


2.根据权利要求1所述的基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法，其特征在于，所述的多马达数字按键反馈装置包括：一个力传感器，两个压电陶瓷片马达，一个振动触觉马达，刚性外壳以及驱动电路，其中振动触觉马达、驱动电路安装在刚性外壳内部，力传感器安装在刚性外壳的上方内部下表面中部，两个压电陶瓷片马达分别固定连接在刚性外壳上表面、且位于力传感两侧。


3.根据权利要求2所述的基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法，其特征在于：力传感器用来获取用户交互过程中施加压力F的大小，压电陶瓷片马达利用高频振动产生压膜效应，在用户手指与刚性表面数字按键交互的过程中产生切向摩擦力，振动触觉马达用来为基于力-位移曲线的数字按键渲染方法提供法向上主要的振动反馈。


4.根据权利要求1所述的基于振动和压膜效应的数字按键触觉渲染方法，其特征在于，所述的多马达数字按键渲染方法如下：
1)获取用户在交互过程中施加压力F的大小；
2)根据所要模拟物理按键的力-位移曲线图，以及物理按键按下过程中力和位移的特性，将其划分为三个力区间，分别为平滑区间，跳跃区间，触底区间；
3)根据用户施加的压力F，判断当前压力F所处力-位移曲线图的哪一个力区间；
4)根据步骤3)所匹配的压力F的区间，确定提供反馈的马达：
当用户施加压力F的大小匹配为平滑区间时，压电陶瓷片马达产生压膜效应，在用户指尖提供摩擦力，并且振动触觉马达产生振动反馈；

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓颖，李萌芽，佴威至，祝双运，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22