[发明专利]基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法

权利要求书

1.基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，包括触觉再现模块、压电陶瓷激励模块、中央控制模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块，其特征在于：所述触觉再现模块包括刚性触觉面板、压电陶瓷阵列模块、电极阵列模块；所述压电陶瓷阵列模块设置于刚性触觉面板的下表面，所述电极阵列模块嵌入刚性触觉面板的内部；所述手指位置检测模块位于所述触觉再现模块的上部；所述压电陶瓷阵列模块与压电陶瓷激励模块连接；所述电极阵列模块与电极阵列激励模块连接；所述中央控制模块分别与压电陶瓷激励模块、电极阵列激励模块、手指位置检测模块、通讯接口模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，其特征在于：所述电极阵列模块包括基底层、电极阵列层、绝缘层；所述基底层上表面设置电极阵列层，所述电极阵列层上部设置绝缘层；所述电极阵列层包括若干电极组，每个电极组中包含多个电极，所述多个电极两两之间保持电绝缘，每个电极组中不同电极之间存在高度差，对每个电极施加不同的驱动信号；所述电极阵列激励模块包括多个驱动信号的输出端，每个电极与电极阵列激励模块驱动信号的输出端一一对应连接。

3.根据权利要求2所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现装置，其特征在于：所述每个电极组中的多个电极均为多边形柱体，电极与电极之间有间隙或设置绝缘材料。

4.基于权利要求1所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先，中央控制模块系统将所选触觉面板材料的本身摩擦力系数记为f0，并根据所要再现的虚拟物体选择所需的触觉模式，建立虚拟物体与触觉再现面板表面各点的摩擦力系数之间的映射关系1和映射关系2；其中映射关系1用于单点交互模式，映射关系2用于多点交互模式；映射关系1和映射关系2分别确定了单点交互模式和多点交互模式中触觉再现面板表面各点的摩擦力系数；

其次，手指位置检测模块在中央控制模块的控制下检测获得手指位置，中央控制模块根据手指位置的值，判断当前的交互模式是单点交互或多点交互模式；中央控制模块根据单点交互模式或多点交互模式下虚拟物体与摩擦力系数之间的映射关系1或映射关系2获得单点或多点手指触摸区域对应的摩擦力系数fi；在单点交互模式中，i＝1，在多点交互模式中，i＝1…n，n等于多点触摸的个数；

然后，中央控制模块判断fi与f0的大小并根据结果选择控制电极阵列激励模块或压电陶瓷激励模块；若fi>f0，中央控制模块控制电极阵列激励模块产生多个通道的各自独立的交变信号，并将多个通道的交变信号一一对应施加至电极阵列模块中的每一个电极，在所述刚性触觉面板与手指之间产生电致振动效应，使得触觉面板表面的摩擦力系数增大至fi；若fi<f0，中央控制模块控制压电陶瓷激励模块产生一组各自独立的交变电信号，并将所述交变电信号分别施加到压电陶瓷阵列模块中的每个压电陶瓷上，在刚性触觉面板与手指之间产生空气压膜效应，使得刚性触觉面板表面摩擦力系数减小至fi；

最后，根据所述刚性触觉面板表面的摩擦力系数的增大或减小，形成基于摩擦力控制的触觉再现。

5.根据权利要求4所述的基于双向摩擦力控制的触觉再现方法，其特征在于：所述刚性触觉面板与手指接触时，刚性触觉面板表面的摩擦力受空气压膜效应和电致振动效应的影响而改变，由如下公式计算：

f_e＝μ′(F_N+F_e)

其中，μ'为操作者手指与所述刚性触觉面板表面之间的交互摩擦力系数，该交互摩擦力系数能在空气压膜效应的作用下减小；F_N为操作者手指施加给面板表面的法向压力；F_e为所述刚性触觉面板与手指之间的静电力，该静电力F_e是一个由电致振动效应决定的、大于等于0的值，由如下公式计算：

Fe=ϵ0Av2(t)2(Ts/ϵs+Tp/ϵp)(Ts+Tp)]]>

其中，ε₀为真空中介电常数，T_p为所述电极阵列模块中电极阵列层表面覆盖的绝缘层的厚度，T_s为手指表面中绝缘角质层厚度，ε_s和ε_p分别为手指绝缘角质层和电极表面绝缘层的相对介电常数，A为电极的面积，v为电容两极板之间的电压。