一种基于指套式力触觉交互装置的物体柔软度再现方法

摘要

本发明公开了一种基于指套式力触觉交互装置的物体柔软度再现方法。其特征是利用结合了压力传感器、压电致动器的指套式力触觉交互装置，通过控制指套上3x3点阵式压电致动器产生与人手主动按压力大小、虚拟物体软硬度相关的振动刺激，模拟物体的软硬度。压电致动器的振动幅值和振动节奏可调，振动幅值与人手主动按压力相关，模拟人手主动按压过程中作用力的大小，振动节奏与虚拟物体刚度系数相关，反映物体的软硬度特性。

说明书

技术领域

本发明属于力触觉建模领域，具体涉及一种应用于移动终端的基于指套式力触觉交互装 置的物体柔软度再现方法。

背景技术

移动终端作为迅速发展的个人计算与通讯设备，今年来进入智能发展阶段，人们对其智 能程度需求也随着它在日常生活中重要性的日益增长在提高。然而，纵观目前移动终端设备， 其人机交互接口的功能主要集中在视听觉方面，能提供的力触觉功能很有限。力触觉再现与 交互技术作为一种新兴的人机交互技术，能够让操作者触摸、感知以及操纵虚拟物体。将力 触觉再现与交互技术应用于移动终端能够扩宽移动终端的功能以及应用范围，能够让用户感 受虚拟物体的三维形状、表面纹理以及柔软度，给用户带来更加逼真的体验。因此，能与移 动终端无缝衔接的便携式力触觉交互装置的设计以及力触觉再现算法成为力触觉领域的研 究热点。

目前，基于不同力触觉交互设备的柔软度再现方法并不太多，其中较具有代表性的有基 于电流变液的再现方法、基于气囊触觉的再现方法、基于气动阵列的再现方法。美国Rutgers 大学和喷气推进实验室的研究人员提出一种称为MEMICA的柔顺性表达装置，该装置由一 系列装有电流变液的ECS刚性元件组成，通过对电流变液流量的控制产生不同大小的阻尼 力，以模拟不同的刚度。该方法虽有较高的可控性以及较快的响应速度，但电流变液不够稳 定也有着高电压的危险。东京大学的KinyaFujita和YoshiakiIkeda提出一种基于气囊触觉的 再现方法，通过赫兹接触理论计算接触面积并通过杨氏模量转化为刚度，从而建立起刚度与 接触面积之间的关系，人手按压气囊时，通过控制接触面积的变化来表达不同的刚度。该方 法所用装置简单，但可控性以及精度较低。加利弗里亚大学的G.Moy等人提出了一种气动 阵列的柔顺性触觉表达方法，该方法借助一种由气动阵列和接触面组成的装置，用脉宽调制 方法对5×5的气动触器元件进行控制，通过接触面在人手指皮肤表面产生不同大小的压力， 通过压力大小的不同表达不同的硬度。该方法装置简单且稳定性较高，但控制精度相对较低。

在目前的柔软度表达的研究中，面向移动终端的柔软度再现方法较少。本文提出的是面 向移动终端的柔软度表达算法，该方法借助一种外置式指套力触觉交互装置，利用振动刺激 表达与虚拟物体接触时触觉特征。通过检测人的主动按压力大小，并作为触觉模型的输入信 号，调节振动触觉刺激的强度和节奏，模拟接触虚拟物体的触觉响应以及硬度特征，从而可 以实现虚拟物体柔软度的再现。

发明内容

在移动终端等便携式触摸装置上，借助振动式触觉指套装置，产生与柔性物体软硬度和 人主动探索按压力相一致的振动触觉刺激，从而实现一种具有真实感的虚拟物体软硬度的表 达。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

一种基于指套式力触觉交互装置的物体柔软度再现方法，实现步骤包括以下三步：

步骤1)根据人手主动按压力计算压电致动器振动幅值。使用者穿戴指套式力触觉交 互装置按压移动终端中的虚拟物体，利用指套式力触觉交互装置上自带的微型压力传感器实 时检测人手按压力的大小，并计算与之对应的振动幅值，以模拟接触虚拟物体时的触觉响应。 压力传感器实时采集压力值，并通过软件滤波的方法剔除压电致动器产生的振动信号，提取 出人手主动按压力的值。由于装置本身控制精度的限制，以及人手对微小振动幅值变化分辨 率不高，在具体实施时，可以根据振动幅值的范围进行分级控制。通过线性映射的方法，建 立人手主动按压力值与振动幅值之间的转换关系。压电致动器振动幅值的大小依据式(1) 计算得到：

L(t)＝k₁×F(t)(1)

其中，F(t)表示人手主动按压力值，L(t)表示与压力值相对应的压电致动器的振动幅 值，k₁表示转换系数。转换系数k₁由压电致动器能达到幅值最大值以及人手主动按压力的 最大值确定。

步骤2)根据所要再现的虚拟物体的刚度系数计算与之对应的振动节奏。本发明所述 振动节奏是指压电致动器在时域上以一定周期间隔振动，即基频信号持续以一定的周期间隔 振动和停止。根据之前实验研究，物体柔软度与振动节奏之间存在相关性：硬度越大，振动 的节奏越快。压电致动器振动节奏的大小依据式(2)计算得到：

f＝k₂×(a×k+b)(2)

其中，k表示虚拟物体的刚度系数，f表示压电致动器的振动节奏，a、b表示与压电 致动器本身相关的系数，k₂表示转换系数。

步骤3)计算压电致动器的驱动控制电压，实现对振动幅值和振动节奏的控制，压电 致动器产生相应振动刺激，完成再现过程。通过调节压电致动器的驱动控制电压控制振动幅 值和振动节奏。驱动控制电压为交流信号，通过调节其幅值达到对压电致动器振动幅值的控 制，通过对其进行时域的调节达到对振动节奏的控制。驱动控制电压的幅值U与振动幅值L 成正比例关系，驱动控制电压的频率与驱动控制电压由式(3)计算得到：

$U\left(t\right)=U_m\times \frac{L\left(t\right)}{L_m}\times \sin \left(f_{1}t\right)\times \underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\left[ϵ\right(t-\frac{i}{f})-ϵ(t-\frac{i}{f}-\frac{1}{2f}\left)\right]---\left(3\right)$

其中，U_m表示控制电压的最大值，L_m表示压电致动器所能达到的振动幅度最大值，f₁表示压电致动器的基频，f表示压电致动器振动节奏，L(t)表示与压力传感器实时采集的 压力值相对应的压电致动器振动幅值，N表示整个按压过程中振动周期的个数。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的应用于移动终端的基于指套式交互装置的物体柔软度再现方法，借助振动式指 套触觉装置，通过装置上压电致动器产生不同振动幅值与振动节奏的振动刺激，模拟人手在 主动按压过程中的交互作用力特性以及柔性物体柔软度。本发明的优点在于：1)本发明可 以通过压电致动器的持续振动进行柔软度再现，并同时再现交互过程中的人手主动按压力特 性，更具有真实感；2)算法复杂度小，指套式交互装置灵活便携，适合平板电脑、手机等 计算能力有限的移动终端。

附图说明

图1为指套式交互装置结构示意图。

图2为本发明的系统框图。

图3为压电制动器控制电压幅值与其振动幅值之间关系图。

图4为实例刚度为0.57N/mm的虚拟物体对应的主动按压力曲线图。

图5为实例刚度为0.34N/mm的虚拟物体对应的主动按压力曲线图。

图6为实例刚度为0.57N/mm的虚拟物体对应的振动刺激示意图。

图7位实例刚度为0.34N/mm的虚拟物体对应的振动刺激示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明借助于一种指套式力触觉交互装置，该装置自带微型压力传感器以 及3x3点阵式压电致动器。参照图2，本发明的基于指套式力触觉交互装置的物体柔软度再 现方法基本步骤：穿戴指套式力触觉交互装置按压移动终端中的虚拟物体，根据人手主动按 压力的变化以及虚拟物体柔软度的不同，指端压电致动器会产生不同振动幅值和振动节奏的 振动刺激，从而模拟真实环境下的触觉感受。

以刚度系数分别为0.57N/mm和0.34N/mm的虚拟物体为例，阐述本发明的具体实施 过程：

(1)根据按压过程中人手主动按压力大小计算压电致动器的振动幅值。实验者穿戴 指套式力触觉交互装置在移动终端上按压该虚拟物体，指端压力传感器从接触到移动终 端起开始实时采集压力值，并通过滤波等方法提取人手主动按压力值的大小。再将人手 主动按压力值按比例转换成压电致动器的振动幅值大小。人手指按压移动终端所用的力 一般在5N以内，设定按压力最大值F_m为5N。而本发明所用的压电致动器的振动幅值所 能达到的最大值L_m为18μm。由此可得转换系数从而振动幅值与人手主动 按压力值的转换公式为：L(t)＝3.6F(t)。

假设在单位时间内，人手按压移动终端中刚度为0.57N/mm和0.34N/mm的虚拟物体 的力不同，在通过压力传感器采集并提取人手主动按压力后，将离散的数据拟合成连续 曲线，如图3和图4所示。

限于压电致动器对控制信号的瞬态响应延迟，以及人手指难以精确感知振动幅值的 连续变化，在具体实施时，对振动幅值进行分级控制即可。如表1所示，将振动幅值0-18 μm分成5个等级。

振动幅值级别 1 2 3 4 5 振动幅值范围(微米) 0＜L≤4 4＜L≤8 8＜L≤12 12＜L≤15 15＜L≤18 对应振动幅值(微米) 2 6 10 14 18

表1振动幅值分级

结合图3和图4以及振动幅值与人手主动按压力的转换公式，可得在进行分级控制 处理后，实际需要控制输出的振动幅值表达式分别为：

$L_2\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}2,& 0\le t\le 0.5\\ 6,& 0.5<t\le 0.71\\ 10,& 0.71<t\le 0.86\\ 14,& 0.86<t\le 1\end{array}\right)---\left(2\right)$

(2)根据该虚拟物体的刚度系数计算压电致动器的振动节奏。本发明所述振动节奏 是指压电致动器在时域上以一定周期间隔进行振动，即基频信号持续以一定的周期间隔 振动和停止。根据之前的实验研究，物体柔软度与振动节奏之间存在相关性：虚拟物体 刚度越大，则振动刺激的节奏越快，且5-40Hz的振动节奏为人手最佳区分范围。由于压 电致动器本身所能表达的范围的限制，本发明将刚度系数在0.2-2N/mm的虚拟物体的柔 软度，映射到5-40Hz范围内的振动节奏上。根据这两个范围的上下限可以计算出转换公 式中的系数，转换公式为：f＝0.35×(k×60+2.5)。从而得到本实例中的振动节奏分 别为f₁＝13Hz和f₂＝8Hz。

(3)计算压电致动器的驱动控制电压，以达到对振动幅值和振动节奏的控制。驱动 控制电压是一个交流信号，其幅值正比于压电致动器的振动幅值，其频率正比于压电致 动器的基频。该交互装置所用的压电致动器控制电压范围为0-120V，线性对应振动幅值 0-18μm，故压电致动器控制电压的幅值U和压电致动器振动幅值L之间的比例关系为： 其关系曲线如图5所示。本实例中压电致动器的基频为270Hz，再结合 上述比例关系以及式(1)和式(2)，则控制振动幅值的电压分别为：

$U_{L_1}\left(t\right)=120\times \frac{L_1\left(t\right)}{18}\times \sin \left(270t\right)---\left(3\right)$

$U_{L_2}\left(t\right)=120\times \frac{L_2\left(t\right)}{18}\times \sin \left(270t\right)---\left(4\right)$

同时，对驱动控制电压进行时间域上的调节，本实例要达到的振动节奏分别为13Hz 和8Hz，故调节周期$T_1=\frac{1}{f}=\frac{1}{13Hz}\approx 0.076s,$$T_2=\frac{1}{f}=\frac{1}{8Hz}=0.125s.$在单位时间内，振 动周期数N即为振动节奏个数。从而控制振动节奏的周期控制信号的表达式分别为：

$U_{f_1}\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{13}{\Sigma }}[ϵ(t-0.076i)-ϵ(t-0.076i-0.038)]---\left(5\right)$

$U_{f_2}\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{8}{\Sigma }}[ϵ(t-0.125i)-ϵ(t-0.125i-0.063)]---\left(6\right)$

综上，由式(1)到式(6)可得，在单位时间内，不同按压力的作用下，刚度为0.57N/mm 和0.34N/mm的虚拟物体对应的压电致动器的驱动控制电压分别为：

$U_1\left(t\right)=120\times \frac{F_1\left(t\right)}{18}\times \sin \left(270t\right)\times \underset{i=0}{\overset{13}{\Sigma }}[ϵ(t-0.076i)-ϵ(t-0.076i-0.038)]---\left(7\right)$

$U_2\left(t\right)=120\times \frac{F_2\left(t\right)}{18}\times \sin \left(270t\right)\times \underset{i=0}{\overset{8}{\Sigma }}[ϵ(t-0.125i)-ϵ(t-0.125i-0.063)]---\left(8\right)$

公式中，振动信号的幅值与主动按压力有关，振动信号的节奏与虚拟物体的刚度有关。

在本实例中，对应刚度是0.57N/mm和0.34N/mm的虚拟物体，压电致动器实际产生的 振动刺激随时间变化的示意图分别如图6和图7所示。对于刚度是0.57N/mm和0.34N/mm 的虚拟物体，在按压时，由于人的主动按压力不同，呈现包络线所示的变化趋势也不同，因 此，振动信号的幅值也呈现类似的变化趋势。根据刚度计算出单位时间内的振动节奏分别为 13个和8个，由此可知，虚拟物体刚度越大，则振动节奏将会越快。