[发明专利]一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统及再现方法

说明书

技术领域

本发明涉及触觉再现人机交互领域，具体的说是涉及一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统及再现方法。

背景技术

未来几十年内，虚拟现实与人工智能这两样技术将会为科学界开启一扇“超现实之门”，并引领下一波科技变革。触觉再现技术作为人机交互领域的重要技术，可以预见其在虚拟现实与人工智能的实现中占据重要的地位，将对人们的信息交流和沟通方式产生深远的影响。目前，比较常见的触觉再现技术可以分为：基于振动的触觉再现、基于力反馈的触觉再现、基于阵列的触觉再现、基于气体压力的触觉再现和基于摩擦力的触觉再现。其中，基于摩擦力的触觉再现技术又可分为基于电致振动效应和基于空气压膜效应。

振动是触觉再现中比较常见的一种方式。Tokyo Metropolitan Institute of Technology的Yasushi Ikei等人研制了一种基于振动的触觉再现装置。该系统是一个振动针型阵列，针在压电激励器的驱动下跳动。根据手指位置的移动和虚拟物体的表面纹理来改变针的振幅。现实中操作者的手控制鼠标在桌面上移动对应虚拟环境中的手在触摸虚拟物体的表面，通过控制针的振幅，在手指上就能模拟出物体表面的纹理。针的不同振幅对应着不同的纹理。这种方式来再现纹理触觉，易于实现，方便控制，但是由于该方法的实现与针的直径大小与分布密度有关，所以模拟微米级纹理尚有难度。同样地，振动方式来实现触觉再现难以达到微米级的精细再现。

力反馈原本是应用于军事上的一种虚拟现实技术，在机械上施加反作用力。目前，应用在游戏领域的触觉再现技术大多数都是基于力反馈，比如CH PRODUCTS出品的Force FX、罗技的Wingman force等。目前，实现力反馈的商业化产品已有不少，比如SensAble公司的Phantom系列产品和Force Dimension公司的Omega、Delta系列产品。李佳璐和宋爱国等依据Taai&Shah算法求出的高度图绘制虚拟表面，应用Phantom Omni手控器，能够较为真实地模拟出对纹理表面的微观轮廓。邹垂国和宋爱国等基于图像处理的方法提取出纹理表面的几何轮廓信息，根据物体表面的粗糙特性，在两个互相垂直的方向上建立接触力模型，使用Delta手控器让操作者真实地感受到虚拟物体表面的接触力，从而实现纹理的力触觉模拟。基于力反馈的触觉再现，其优点是在力反馈的基础上增添了触觉再现，但现有的力反馈设备决定了其笨重和有限的操作范围的缺陷。

初期的基于阵列的触觉再现设备的驱动方式多种多样。Roman Vitushinsky和Sam Schmitz等人研制了一款针矩阵型虚拟物体表面轮廓显示装置。该装置以双稳态记忆合金薄膜为驱动，通过表面针矩阵中某些针的升降来实现模拟物体轮廓。在国内，东南大学的陈旭和宋爱国等提出了一个新的纹理触觉再现方法并研制出了相应装置，此装置能在操作者手指指尖进行纹理的触觉再现。装置的主要部分是以铝合金为材料制作的圆筒，表面上覆盖着大小不均的凸点和凹孔，在伺服电机的带动下旋转。圆筒匀速旋转，手指触摸上面的凸点和凹孔，结果表明触感明显，且旋转速度不同触觉效果也不一样。由此可知基于阵列的触觉再现设备可以主动地对操作者产生触觉刺激，但受工艺等技术的限制，阵列密度不够高，难以实现精细的纹理触觉。

东京农工大学的NaoyaAsamura等人提出了一种基于气体压力的触觉再现方法。此方法依赖于空气压力实现，它的表面上有2mm直径、0.5mm深度的空气压力振动器。穿过试管的活塞控制压力，当活塞垂直运动时，孔内气体压缩从而在皮肤表面产生压力。假设操作者的手指和装置紧密接触(即手指不能在装置的表面移动)，手指指尖皮肤表面就会产生反向力来抵抗空气压力。气体压力的刺激会在操作者的手指指尖皮肤表面产生纹理触觉，使用不同的激励模式会产生不同物体的表面纹理。虽然这种方法较易实现，但不利于控制，并且振动器的体积较大。

基于摩擦力控制的触觉再现又可分为两种方法，分别是基于电致振动效应和基于空气压膜效应。