[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

说明书

技术领域

本发明属于触觉再现人机交互领域，具体涉及一种基于双向摩擦力控制的触觉再现装置及触觉再现方法。

背景技术

人类的视觉、听觉、嗅觉、味觉和力触觉等各种感知系统中，力触觉提供了人类与环境之间双向的信息交互渠道，形成其他感知系统无法实现的各种主动性行为(如触摸感知物体、操作工具和探索环境等)，因而具有独特的重要地位。目前，触觉再现技术主要有：基于振动的触觉再现、基于力反馈设备的触觉再现、基于阵列的触觉再现等。

基于振动的信息表达是目前普遍使用的触觉再现模式。各种振动触觉的致动器为手持设备引入触觉振动提供了一种解决方案，促进触觉再现的便携性发展。一些研究者使用这些致动器用于生成各种振动模式、触觉图标来实现非视觉性信息的交流。Ahmaniemi等使用含有运动传感器和触觉致动器的手持盒子，实现了动态振动触觉再现。但是，基于振动的触觉再现是一种触觉转换技术，其不够直观。

力反馈设备主要用于实现人机交互中的作用力反馈，操作者使用力反馈设备与虚拟物体交互作用时，力反馈设备可以阻止操作者的运动以避免穿刺交互。东南大学邹垂国和宋爱国等基于Delta手控器，利用图像处理的方法生成虚拟物体表面粗糙特性，进而建立法向和切向接触力模型的方法获得虚拟触觉再现。基于力反馈的触觉再现方法优势在于能在力觉再现的基础上增加触觉再现，且无需另外设计用于触觉再现的装置。然而，该方法也有缺点：该方法所实现的是一种间接的触觉再现模式，降低了触觉感知的真实感；此外，该方法操作范围有限、价格昂贵、体积笨重、稳定性易影响触觉再现性能。

采用阵列式的结构来实现触觉再现是最直接的方法，因而一直受到人们的关注。早期的阵列式触觉再现设备的设计灵感来源于点阵式打印机和盲文系统，它们的驱动方法各有不同，有使用形状记忆合金、有使用气压系统的、也有使用音圈激励的。Wagner和Lederman等利用RC伺服电机驱动的探针阵列构建了一个触觉再现装置。该装置阵列规模为6×6探针，探针相互间距为2mm，最大垂直方向位移为2mm。此外，东南大学陈旭和宋爱国等利用分布大小各异凹孔和凸点的、可以旋转的圆筒来构建纹理触觉再现装置。该系统在使用时，操作者手指通过接触不同区域、不同转速的凸点而形成触觉感受。但是这种方法缺少触觉感知的直观性和主动性。阵列式触觉再现系统的优势在于比较直观、能主动对操作者施加触觉刺激，但是它也有局限性：难以实现精细的触觉再现，且易受工艺和技术水平限制、功耗和成本高、难以微型化。

电触觉是一种通过流过表层电极的电流刺激皮肤内神经纤维的触觉再现装置，能够在没有机械激励的情况下面产生压力或震动感觉。日本的Kajimoto、Kawakami等人设计了SmartTouch来增强现实皮肤感觉，该系统采用点刺激方式，物体的视觉信息可以通过光传感器采集并转换为触觉信息，电极以Braille的方式安排成4×4的点刺激阵列。采用的正/负脉冲有选择的对Merkel细胞和Messner小体分别进行了刺激。上海交通大学的张竹茂、柴新禹等人基于电触觉研制了一套基于手指的触觉替代视觉系统。电触觉设备功耗低、体积小,但是由于电触觉是通过直接刺激与机械刺激感受器相连的神经而产生的触感，所以电触觉是一种能够产生和机械刺激一样的感觉的触觉再现技术。

此外，法国的里尔科技技术大学申请的名为“振动触觉界面”的专利中(专利号为：CN101632054A)，其所提到的振动触觉界面是通过减小操作者手指与触觉界面之间的摩擦力系数来再现精细的纹理触觉的。这种触觉界面仅采用了空气压膜效应原理，仅能实现单一方向的摩擦力系数调节。此外，同一时刻触觉界面上各点的摩擦力系数相同，不能实现面板表面的多点触控。

另外，在Senseg公司申请的名为“感官刺激的方法与装置”的专利(专利号为US7982588B2)中，所提到的触觉界面是基于电致振动原理来实现的。该触觉面板的表面有一层以静电为主的系统，可以仿真出不同的粗糙度和阻力，产生不同的纹理触觉。同样基于电致振动效应原理，由迪士尼研究中心和卡内基梅隆大学人机交互研究所等机构共同研制的TeslaTouch系统，通过调节电极和操作者手指之间的电场强度，改变手指皮肤所受的法向电场力，从而获得侧向摩擦力的改变。由于采用了透明电极和基底材料，TeslaTouch系统能够与触摸屏结合使用。基于电致振动效应的触觉再现设备功耗低、可以实现多点触控，但是只能实现摩擦力系数的增大。

发明内容