[发明专利]一种触摸屏用指套式力触觉装置及其反馈控制办法

权利要求书

1.一种触摸屏用指套式力触觉装置，其特征在于，包括主体框架(1)、执行器(2)、位移传感器(3)、基座(4)、按压板(5)、力传感器(6)、压电执行器(7)、轴承(8)、摩擦轮(9)、直流电机(12)；所述执行器(2)位于主体框架(1)上部，所述位移传感器(3)安装在主体框架(1)内部，所述基座(4)位于主体框架中部，基座(4)中间设置有手指孔(402)，所述手指孔(402)的下部平台上分别放置有按压板(5)和与其连接的力传感器(6)，所述压电执行器(7)放置在基座(4)下部的方形孔(403)内，所述主体框架(1)下端通过轴承(8)安装有摩擦轮(9)，所述摩擦轮(9)与直流电机(12)相连，所述直流电机(12)通过固定套(10)和螺钉(11)固定在主体框架(1)的下部；所述执行器(2)为磁流变泡沫执行器，包括外壳(201)、活塞(202)、线圈(203)、磁流变泡沫(204)和霍尔传感器(205)，所述线圈(203)绕设在活塞(202)中部凹槽中，所述霍尔传感器(205)安装在活塞(202)上，所述磁流变泡沫(204)包裹在活塞(202)的径向外侧，并夹在活塞(202)的外侧和外壳(201)的内壁之间，所述执行器(2)的外壳(201)固定在主体框架(1)的上部；

反馈精确法向力时包括以下步骤：

(S1)构建执行器(2)的标定平台，利用直流稳压电源、测力计、位置驱动器、示波器和固定装置获得执行器(2)的力-电流关系曲线、力-磁感应强度关系曲线和磁感应强度-电流关系曲线；

(S2)将带有触摸屏(15)的智能设备水平放置于桌面上，指套式力触觉装置与智能设备通过蓝牙建立连接；用户的一个手指穿戴好指套式力触觉装置通过摩擦轮(9)与触摸屏(15)接触，压电执行器(7)产生振动提示；用户根据振动提示，使用指尖按压基座(4)，基座(4)带动执行器(2)的活塞(202)，以及位移传感器(3)的拨动开关一起运动；

(S3)在按压过程中，装置中的位移传感器(3)记录基座(4)的位移P_m，虚拟场景根据刺入深度来计算虚拟交互力F_obj；虚拟交互力F_obj根据执行器(2)的力-磁感应强度关系曲线获得对应的目标磁感应强度的值B；数控恒流电源先根据力-电流关系曲线向执行器(2)输出激励电流I_a；由霍尔传感器测量施加在执行器(2)工作区上的实际磁感应强度B′；B′作为负反馈量与B进行比较，两者的差值ΔB经PID控制器对激励电流I_a进行调节，从而得到执行器(2)的实际输出力F_a；

(S4)用户的按压深度达到执行器(2)的最大行程后，压电执行器(7)产生振动提示，用户停止按压基座(4)，并通过上抬指尖对基座(4)进行复位；

反馈振动触觉时包括以下步骤：

(S1)利用加速度计和立方体质量块构建振动测试平台，获得压电执行器(7)的加速度-幅值特性和加速度-频率特性；

(S2)根据触摸屏(15)交互的需求，调节驱动信号的幅值、频率、持续时间和包络线参数，使压电执行器(7)生成高分辨率和易于被感知的振动触觉反馈效果；

反馈侧向力时包括以下步骤：

(S1)构建测量摩擦轮(9)与触摸屏(15)之间最大动/静摩擦系数的平台；

(S2)根据不同激励电流条件测得的侧向力，以及摩擦轮(9)处于静止阶段和滚动阶段由力传感器(6)记录的法向按压力，通过曲线拟合得到摩擦轮(9)与触摸屏(15)之间最大动/静摩擦系数；

(S3)直流电机(12)产生的侧向力通过指套式力触觉装置的刚性结构传递到手指的近端指间关节，使用户感知虚拟交互力；用户的手指穿戴指套式力触觉装置在触摸屏(15)上左右滑动时，控制系统通过调整施加在直流电机(12)上的堵转电流的极性和大小，使用户感受到阻碍或牵引手指运动的侧向力。

2.根据权利要求1所述的触摸屏用指套式力触觉装置，其特征在于，所述主体框架(1)上部设置有用于固定执行器(2)的支撑台(102)，内部设置有用于固定位移传感器(3)的槽(103)，中部设置有用于放置手指的半圆形支撑台(104)，下部设置有用于安装轴承(8)的圆孔(106)和用于放置直流电机(12)的半圆形支架(107)，所述半圆形支撑台(104)的两侧有与固定带(14)配合的方形支架(105)。