一種基于開關(guān)陣列的多點靜電力觸覺再現(xiàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種觸覺再現(xiàn)裝置及方法，尤其是指一種基于開關(guān)陣列的多點靜電力 觸覺再現(xiàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 觸覺再現(xiàn)在人機交互和虛擬現(xiàn)實中都扮演著非常重要的角色，可以提供更真實的 沉浸感，使用戶的感受得到大幅度的提升；基于靜電力的觸覺再現(xiàn)技術(shù)是通過給覆蓋有絕 緣層的導電極板施加不同的驅(qū)動信號來產(chǎn)生不同觸覺感受的技術(shù)。
[0003] 靜電力觸覺再現(xiàn)是通過透明導電極板和皮膚導電層感應(yīng)電荷之間靜電力來產(chǎn)生 觸覺感受的，因此需要高幅值的驅(qū)動信號；觸覺再現(xiàn)面板不同位置對應(yīng)的觸覺感受不同，因 此需要結(jié)合定位技術(shù)來實現(xiàn)豐富的觸覺反饋。
[0004] 現(xiàn)有多點靜電力觸覺再現(xiàn)裝置中的驅(qū)動電路多采用直接頻率合成技術(shù)合成幅頻 可程控的低壓波形，再經(jīng)過功率放大晶體管將幅值放大；定位技術(shù)多采用紅外、光學等技 術(shù)，需要額外增加紅外邊框以及攝像頭等器件及驅(qū)動電路；現(xiàn)有靜電力觸覺再現(xiàn)裝置存在 結(jié)構(gòu)復雜，功耗高，體積大，精度不夠，穩(wěn)定性差等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種基于開關(guān)陣列的多點靜電力觸覺再現(xiàn)裝置及方法，以解決目前 多點靜電力觸覺再現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)復雜，功耗高，體積大，精度不夠，穩(wěn)定性差的問題。
[0006] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，包括下列步驟：
[0007](一）定位輸入單元采用電容定位原理，以透明導電極板陣列作為電容定位的工 作面進行電容定位，獲取多個手指在觸覺再現(xiàn)面板上的位置信息，反饋給核心控制單元；
[0008](二）核心控制單元獲取到手指在觸覺再現(xiàn)面板上的位置，將位置信息映射為相 應(yīng)的觸覺感受；
[0009] (三）直流升壓單元通過升壓變壓器結(jié)合倍壓電路以及相應(yīng)的交直流轉(zhuǎn)換電路將 低壓直流轉(zhuǎn)換為高壓直流，為高壓開關(guān)陣列單元提供高壓輸入信號；
[0010] (四）核心控制單元根據(jù)需要反饋的觸覺信息，采用脈沖寬度調(diào)制方式將相應(yīng)波 形效果的脈沖序列加載到高壓開關(guān)陣列單元上；脈沖寬度調(diào)制波形多采用調(diào)制法得到，以 等腰三角波作為載波，正弦調(diào)制信號為：
[0011] Um=asin?mt
[0012] 經(jīng)等腰三角波調(diào)制由
【主權(quán)項】
1. 一種基于開關(guān)陣列的多點靜電力觸覺再現(xiàn)方法，其特征在于包括下列步驟： (一） 定位輸入單元采用電容定位原理，W透明導電極板陣列作為電容定位的工作面 進行電容定位，獲取多個手指在觸覺再現(xiàn)面板上的位置信息，反饋給核屯、控制單元； (二） 核屯、控制單元獲取到手指在觸覺再現(xiàn)面板上的位置，將位置信息映射為相應(yīng)的 觸覺感受； (=)直流升壓單元通過升壓變壓器結(jié)合倍壓電路W及相應(yīng)的交直流轉(zhuǎn)換電路將低壓 直流轉(zhuǎn)換為高壓直流，為高壓開關(guān)陣列單元提供高壓輸入信號； (四） 核屯、控制單元根據(jù)需要反饋的觸覺信息，采用脈沖寬度調(diào)制方式將相應(yīng)波形效 果的脈沖序列加載到高壓開關(guān)陣列單元上；脈沖寬度調(diào)制波形多采用調(diào)制法得到，W等腰 S角波作為載波，正弦調(diào)制信號為： Um=asinomt 經(jīng)等腰S角波調(diào)制由
得到等效脈沖寬度為
其中，Um為正弦調(diào)制信號，a為調(diào)制度，《m為調(diào)制波頻率，角波底邊中點時刻， 5為等效脈沖寬度，T。為=角波底邊長度； (五） 核屯、控制單元控制高壓開關(guān)陣列單元104將不同波形效果的脈沖序列加載到透 明導電極板陣列上； (六） 觸覺再現(xiàn)面板上滑動的多個手指感應(yīng)出分布不同的電荷，電荷之間的庫侖力導 致皮膚發(fā)生形變，從而使不同手指感受到不同的觸覺感受。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于開關(guān)陣列的多點靜電力觸覺再現(xiàn)方法，其特征在 于；步驟（五）中高壓開關(guān)陣列單元，采用移位寄存器結(jié)合鎖存器的方式將串行輸入信號轉(zhuǎn) 換為并行信號，通過控制高壓輸出緩沖1043驅(qū)動透明導電極板陣列；透明導電極板陣列為 n*n陣列；移位寄存器輸入信號為串行信號{Xii，Xi2，…，Xl。，X2l，X22，…，X2。，…XnJ，經(jīng)移 位寄存器轉(zhuǎn)換可W映射為并行陣列信號
經(jīng)鎖存器鎖存，最終加載到透明導電極板陣列上，不同手指就可W感受到不同的觸覺 感受。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于開關(guān)陣列的多點靜電力觸覺再現(xiàn)方法，其特征在 于；步驟（六）中定位輸入單元和觸覺反饋分時共用觸覺再現(xiàn)面板，產(chǎn)生的觸覺驅(qū)動信號均 為脈沖信號，脈沖信號在時間軸上占據(jù)的時間片小，留出足夠的時間片供定位輸入單元使 用，脈沖信號頻率為fp，每個驅(qū)動波形周期中脈沖占空比有一個由小到大再由大到小的變 化過程，占空比最小為T，故每個驅(qū)動波形周期中留給定位輸入單元最大的時間片為；
足夠定位輸入單元定位使用，滿足定位輸入和觸覺反饋輸出分時復用的設(shè)計，觸覺刷 新頻率快，給人的觸覺感受更為細膩。
4. 一種基于開關(guān)陣列的多點靜電力觸覺再現(xiàn)裝置，其特征在于包括： 核屯、控制單元包括微控制器，用于控制高壓開關(guān)陣列單元和定位輸入單元；采用脈沖 寬度調(diào)制方式改變驅(qū)動信號的參數(shù)來改變相應(yīng)的觸覺感受；此外，還包括編程接口、存儲 器、復位電路、時鐘電路、定位輸入接口W及驅(qū)動控制接口，用于保證處理器的正常運行； 定位輸入單元包括振蕩電路、電流轉(zhuǎn)電壓電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器W及處理分析接口；采用電 容定位原理，W透明導電極板陣列作為電容定位的工作面進行電容定位，獲取多個手指在 觸覺面板上的位置信息，反饋給核屯、控制單元； 直流升壓單元包括自激振蕩電路、升壓變壓器、倍壓電路W及整流濾波電路，用于生成 直流高壓；自激振蕩電路將低壓直流轉(zhuǎn)換為高頻低壓交流，通過升壓變壓器將幅度放大，再 經(jīng)過倍壓電路將幅值進行二次放大，最后通過整流濾波電路將高頻交流轉(zhuǎn)換為直流； 高壓開關(guān)陣列單元由移位寄存器，鎖存器W及高壓輸出緩沖組成，移位寄存器用于將 串行輸入信號轉(zhuǎn)換為并行信號，通過鎖存器將并行信號鎖存住，最后控制高壓輸出緩沖輸 出高壓驅(qū)動信號； 觸覺再現(xiàn)面板包括玻璃底板、透明導電極板陣列W及透明絕緣膜，用于實現(xiàn)多點觸覺 反饋；高壓開關(guān)陣列單元將驅(qū)動信號加載到透明導電極板陣列上，滑動的多個手指上感應(yīng) 出不同分布的電荷，電荷之間的庫侖力導致皮膚發(fā)生形變，從而使不同手指感受到不同的 觸覺感受。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于開關(guān)陣列的多點靜電力觸覺再現(xiàn)裝置及方法，屬于觸覺再現(xiàn)裝置及方法。包括核心控制單元，直流電源，定位輸入單元，直流升壓單元，高壓開關(guān)陣列以及觸覺再現(xiàn)面板；直流升壓單元將低壓直流轉(zhuǎn)換為高壓直流，微控制器通過定位輸入單元采集手指位置，控制加載有直流高壓的開關(guān)陣列的狀態(tài)來改變觸覺驅(qū)動信號，在多個手指上感應(yīng)出不同的電荷分布，電荷之間的靜電力使手指皮膚產(chǎn)生形變，從而使用戶不同手指感受到不同的觸覺感受。本發(fā)明的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)新穎，體積小，功耗低，實時性強，觸覺刷新頻率高，可以驅(qū)動多點觸覺面板；可廣泛應(yīng)用在教育、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域的小型化便攜式的嵌入式設(shè)備中。
【IPC分類】G06F3-044, G06F3-01
【公開號】CN104793746
【申請?zhí)枴緾N201510202085
【發(fā)明人】燕學智, 董楊瑞, 孫曉穎, 王慶龍, 吳賽文, 王婷婷, 陳建
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月25日