[发明专利]一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种触觉再现装置及方法，尤其是指一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法。

背景技术

触觉再现在人机交互和虚拟现实中都扮演着非常重要的角色，可以提供更真实的沉浸感，使用户的感受得到大幅度的提升；基于静电力的触觉再现技术是通过给覆盖有绝缘层的导电极板施加不同的驱动信号来产生不同触觉感受的技术。

静电力触觉再现是通过透明导电极板和皮肤导电层感应电荷之间静电力来产生触觉感受的，因此需要高幅值的驱动信号；触觉再现面板不同位置对应的触觉感受不同，因此需要结合定位技术来实现丰富的触觉反馈。

现有多点静电力触觉再现装置中的驱动电路多采用直接频率合成技术合成幅频可程控的低压波形，再经过功率放大晶体管将幅值放大；定位技术多采用红外、光学等技术，需要额外增加红外边框以及摄像头等器件及驱动电路；现有静电力触觉再现装置存在结构复杂，功耗高，体积大，精度不够，稳定性差等缺点。

发明内容

本发明提供了一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法，以解决目前多点静电力触觉再现装置结构复杂，功耗高，体积大，精度不够，稳定性差的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(一)定位输入单元采用电容定位原理，以透明导电极板阵列作为电容定位的工作面进行电容定位，获取多个手指在触觉再现面板上的位置信息，反馈给核心控制单元；

(二)核心控制单元获取到手指在触觉再现面板上的位置，将位置信息映射为相应的触觉感受；

(三)直流升压单元通过升压变压器结合倍压电路以及相应的交直流转换电路将低压直流转换为高压直流，为高压开关阵列单元提供高压输入信号；

(四)核心控制单元根据需要反馈的触觉信息，采用脉冲宽度调制方式将相应波形效果的脉冲序列加载到高压开关阵列单元上；脉冲宽度调制波形多采用调制法得到，以等腰三角波作为载波，正弦调制信号为：

u_m＝asinω_mt

经等腰三角波调制由

得到等效脉冲宽度为

其中，u_m为正弦调制信号，a为调制度，ω_m为调制波频率，t_M为三角波底边中点时刻，δ为等效脉冲宽度，T_c为三角波底边长度；

(五)核心控制单元控制高压开关阵列单元104将不同波形效果的脉冲序列加载到透明导电极板阵列上；

其中高压开关阵列单元，采用移位寄存器结合锁存器的方式将串行输入信号转换为并行信号，通过控制高压输出缓冲1043驱动透明导电极板阵列；透明导电极板阵列为n*n阵列；移位寄存器输入信号为串行信号{x₁₁，x₁₂，…，x_1n，x₂₁，x₂₂，…，x_2n，…x_nn}，经移位寄存器转换可以映射为并行阵列信号

经锁存器锁存，最终加载到透明导电极板阵列上，不同手指就可以感受到不同的触觉感受；

(六)触觉再现面板上滑动的多个手指感应出分布不同的电荷，电荷之间的库仑力导致皮肤发生形变，从而使不同手指感受到不同的触觉感受；其中定位输入单元和触觉反馈分时共用触觉再现面板；产生的触觉驱动信号均为脉冲信号；脉冲信号在时间轴上占据的时间片小，留出足够的时间片供定位输入单元使用；脉冲信号频率为f_p，每个驱动波形周期中脉冲占空比有一个由小到大再由大到小的变化过程，占空比最小为τ，故每个驱动波形周期中留给定位输入单元最大的时间片为

足够定位输入单元定位使用，满足定位输入和触觉反馈输出分时复用的设计，触觉刷新频率快，给人的触觉感受更为细腻。

一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置，包括：

核心控制单元包括微控制器，用于控制高压开关阵列单元和定位输入单元；采用脉冲宽度调制方式改变驱动信号的参数来改变相应的触觉感受；此外，还包括编程接口、存储器、复位电路、时钟电路、定位输入接口以及驱动控制接口，用于保证处理器的正常运行；

定位输入单元包括振荡电路、电流转电压电路、模数转换器以及处理分析接口；采用电容定位原理，以透明导电极板阵列作为电容定位的工作面进行电容定位，获取多个手指在触觉面板上的位置信息，反馈给核心控制单元；