[发明专利]一种纹理触觉再现装置、显示装置与弧度再现装置

说明书

本发明涉及一种纹理触觉再现装置、显示装置与弧度再现装置，通过在触摸板的导电面的两端分别设置两列压电陶瓷；基于挤压气膜效应，通过挤压气膜效应改变手指与接触表面的摩擦力，以变摩擦力形式再现虚拟物体的表面纹理信息，可以使手指自由地动态触摸接口表面，是最为接近自然的探知方式。本发明对现有技术的压电陶瓷矩阵进行改进，以两列压电陶瓷即可实现纹理再现，使装置更加轻薄，有效触摸面积大大增加，可与市面上常见的电子产品集成，实用性很强。所述的纹理触觉再现装置可以集成到电子产品的显示屏上，增加了电子产品的触觉反馈功能，操作者可以以变摩擦力形式感知虚拟物体的表面纹理信息，从而增强虚拟环境的真实感和沉浸感。

技术领域

本发明涉及纹理再现技术，更具体地说，涉及一种纹理触觉再现装置，一种纹理触觉再现的显示装置，一种纹理触觉再现的弧度再现装置。

背景技术

就传统而言，人们常使用视觉和听觉进行人机交互，而经常忽略触觉的作用，虽然人类获取的信息不到2％来源于触觉，但它的作用却不可或缺，尤其是在分辨物质材料属性方面。因此，为了增强人机交互时的沉浸感，可采取多感觉模式融合来实现，其中最新的技术就是触觉交互。触觉交互技术主要是操作者通过运动或力的形式感知虚拟物体的形状、硬度、纹理等丰富的环境信息，从而增强虚拟环境的真实感。

在触觉交互研究中，物体表面纹理再现是其中的热点，同时也是其中的难点。所谓物体表面纹理再现，是通过模拟与纹理表面相接触时的生理及心理感觉，从而将纹理的物理属性传递给操作者。与视觉和听觉的单一刺激源不同的是，触觉的刺激源至少存在四个相关维度。大量的多维度分析表明，其中的粗糙度与纹理感知最为相关。

纹理粗糙度的触觉感知主要有三种方法：第一种方法是基于几何再现，通过图像处理提取表面轮廓，分别建立正、切向接触力模型，最后利用力反馈装置实现纹理的触觉表达，该方法的纹理表述误差相对较大。

第二种方法是基于振动，通过构造针形接触阵列并精确控制针的震动幅值和频率从而再现纹理。这种方法优点在于简单且便于控制，但同时也存在两个问题：一是很难再现微米级的纹理，这跟针的粗细和分布密度相关；二是所能再现的纹理凹凸范围有限，这是因为针的振幅范围通常很小。

第三种方法是基于摩擦力变化，当手指触摸表面纹理并来回移动时，手指与接触表面之间的摩擦力使软组织产生相应的变形，通过一系列的神经传导最终形成纹理感。Yamamoto等研制的变摩擦力纹理再现装置通过改变固定板与薄膜间的动摩擦力使手指感受到不同的纹理感。这种方法的缺点是手指跟装置接口表面隔着一层薄膜，属于非直接接触，从而降低了操作者的沉浸感。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能模拟更大范围和更加复杂的物体表面纹理的纹理触觉再现装置，并能够与一般消费电子产品集成，得到纹理触觉再现的显示装置，以及纹理触觉再现的弧度再现装置。

本发明的技术方案如下：

一种纹理触觉再现装置，包括触摸板、压电陶瓷、共振驱动装置，触摸板的导电面的两端分别设置两列压电陶瓷；共振驱动装置驱动压电陶瓷振动，使触摸板与压电陶瓷形成共振；基于挤压气膜效应，气膜减小了触摸板与压电陶瓷间的正压力，从而减小了触摸板与压电陶瓷间的相对摩擦系数，以变摩擦力形式再现虚拟物体的表面纹理信息。

作为优选，触摸板为透明的单面导电的ITO玻璃，压电陶瓷的负极贴于ITO玻璃的导电面，压电陶瓷的正极相连，实现并联。

作为优选，共振驱动装置产生对称的正弦波，用于驱动压电陶瓷，共振的振动形式为驻波振型。

作为优选，利用长为半波长的单元共振结构的一阶固有频率来估算共振频率：

其中，f_n为共振频率，M_b为结构的线密度，G_b为结构的抗弯刚度。