[发明专利]一种基于指套式力触觉交互装置的物体柔软度再现方法

说明书

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。

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的建模与实现方法。

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Kinya Fujita和Yoshiaki Ikeda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：