[发明专利]一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及触觉再现人机交互领域，尤其涉及一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置及方法。

背景技术

人类的视觉、听觉、嗅觉、味觉和力触觉等各种感知系统中，力触觉提供了人类与环境之间双向的信息交互渠道，形成其他感知系统无法实现的各种主动性行为(如触摸感知物体、操作工具和探索环境等)，因而具有独特的重要地位。目前，触觉再现技术主要有：基于振动的触觉再现、基于力反馈设备的触觉再现、基于阵列的触觉再现等。

基于振动的信息表达是目前普遍使用的触觉再现模式。各种振动触觉的致动器为手持设备引入触觉振动提供了一种解决方案，促进触觉再现的便携性发展。一些研究者使用这些致动器用于生成各种振动模式、触觉图标来实现非视觉性信息的交流。Jussi Rantala等人利用振动触觉技术设计了一款能够模拟不同触摸姿势的手持设备。但是，基于振动的触觉再现是一种触觉转换技术，其不够直观。

力反馈设备主要用于实现人机交互中的作用力反馈，操作者使用力反馈设备与虚拟物体交互作用时，力反馈设备可以阻止操作者的运动以避免穿刺交互。东南大学李佳璐和宋爱国等基于Phantom手控器，提出了基于虚拟物体表面三维轮廓信息，进而实现纹理触觉再现的方法。基于力反馈的触觉再现方法优势在于能在力觉再现的基础上增加触觉再现，且无需另外设计用于触觉再现的装置。然而，该方法也有一定的缺点：操作范围有限、体积笨重、价格昂贵、设备的固有性和系统稳定性易影响触觉再现性能等。

相对与使用力反馈设备来获得触觉再现而言，采用阵列式的结构来构建触觉再现设备是最直接的方法，因而一直受到人们的关注。早期的阵列式触觉再现设备的设计灵感来源于点阵式打印机和盲文系统，它们的驱动方法各有不同，有使用形状记忆合金、有使用气压系统的、也有使用音圈激励的。德国亚琛工业大学的Weiss和Wacharamanotham等利用贴在操作者手指上的永磁铁和电磁激励构建了FingerFlux系统。该系统中的电磁激励采用了Madgets表的设计思想,即利用一个19×12的离散电磁铁网格来合成一个电磁场二维矩阵(其中每个电磁铁包含3500匝的铜线)。此外，加拿大McGill大学的Haywardy等设计的名为“LATERO”装置，其利用可侧向移动的探针阵列来获得触觉感知，他们说设计的探针阵列估摸为6×10，分辨率高达1.8×1.2mm。阵列式触觉再现系统的优势在于比较直观、能主动对操作者施加触觉刺激，但是它也有一定的局限性：受工艺和技术水平限制、功耗和成本高、难以微型化等。

法国的里尔科技技术大学申请的名为“振动触觉界面”的专利中(专利号为：CN101632054A)，其所提到的振动触觉界面是通过减小操作者手指与触觉界面之间的摩擦力系数来再现精细的纹理触觉的。这种触觉界面仅采用了空气压膜效应原理，仅能实现单一方向的摩擦力系数调节。此外，同一时刻触觉界面上各点的摩擦力系数相同，不能实现面板表面的多点触控。

在senseg公司申请的名为“感官刺激的方法与装置”的专利(专利号为US7982588B2)中，所提到的触觉界面是基于电致振动原理来实现的。该触觉面板的表面有一层以静电为主的系统，可以仿真出不同的粗糙度和阻力，产生不同的纹理触觉。基于电致振动效应的触觉再现设备功耗低、可以实现多点触控，但是只能实现摩擦力系数的增大。

南京航空航天大学申请的名为“基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法”的专利(专利号为：CN104063054A)中，所提到的触觉界面是将电致振动效应原理与空气压膜效应原理相结合。该触觉面板采用在表面加工电极阵列以及在面板下方粘贴压电陶瓷的方法实现触觉再现，电极阵列包括若干电极组，每个电极组中不同电极之间存在高度差，可以实现摩擦力系数的双向调节。这种触觉界面采用的电极阵列不易于加工，而且摩擦力系数的调节范围不够宽泛。

本发明所设计的触觉再现装置融合了空气压膜效应、电致振动效应以及电磁力控制三种原理，既能实现双向的摩擦力系数调节，又能实现摩擦力系数的微调，而且摩擦力系数的可调范围更加宽泛。本发明所设计的装置能够实现摩擦力调节范围幅度更为宽广、摩擦力系数调节更为细致的触觉再现模式。因此，本装置与以上三种触觉界面有着本质的区别。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中的缺陷，提供一种宽幅摩擦力控制触觉再现装置及方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案: