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触觉力反馈系统和触觉力反馈系统实现方法

xiaoxiao2020-07-22  1

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触觉力反馈系统和触觉力反馈系统实现方法
【专利摘要】本发明提供了一种触觉力反馈系统和触觉力反馈系统实现方法,触觉力反馈系统,包括:力反馈数据获取机构和力反馈执行机构;所述力反馈数据获取机构包括:用于记录皮肤接触部位产生的形变信息,并根据所述形变信息产生电信号的第一换能模块,以及根据所述电信号生成力反馈数据信息的数据处理装置;所述力反馈执行机构包括:可产生与所述形变信息相对应的机械形变的第二换能模块,以及用于驱动所述第二换能模块发生所述机械形变的驱动装置。通过本发明的技术方案,能够获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现。
【专利说明】触觉力反馈系统和触觉力反馈系统实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及力反馈【技术领域】,具体而言,涉及一种触觉力反馈系统和一种触觉力反馈系统实现方法。
【背景技术】
[0002]力反馈技术是一种利用机械应力在触觉上给予人真实感受的交互技术,现有技术公开了一种力反馈的实现系统及方法,在获取力反馈数据信息时是在敏感区域安装“多轴机械应力传感器”来进行震动数据的采集,而“多轴机械应力传感器”本质是通过电磁、压电材料或者是加速度计采集连接在电磁、压电材料上的配重块的位移或者是采集物本身的位移来实现微小震动的采集。在执行力反馈动作时是以电磁或者其他方法驱动配重块来产生位移,将位移导致的震动传导给装置的外壳与人的皮肤发生力反馈的作用,导致在应用场景上范围较窄,仅适合有震动的情形,例如枪械射击以及模拟驾驶等。同时,该方案通过传感器和执行装置来合成某个方向上的震动,功耗高,结构复杂,成本高,效果较差,尤其是在立体显示交互领域里,使用现有的力反馈系统无法满足人们对交互真实性的要求,因此,如何获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现成为目前亟待解决的技术问题。

【发明内容】

[0003]本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
[0004]为此,本发明的一个目的在于提出了一种能够获得更加真实和细腻的触觉效果以实现对人体触觉再现的触觉力反馈系统。
[0005]本发明的另一个目的在于提出了 一种触觉力反馈系统实现方法。
[0006]为实现上述目的,根据本发明的第一方面的实施例,提出了一种触觉力反馈系统,包括:力反馈数据获取机构和力反馈执行机构;所述力反馈数据获取机构包括:用于记录皮肤接触部位产生的形变信息,并根据所述形变信息产生电信号的第一换能模块,以及根据所述电信号生成力反馈数据信息的数据处理装置;所述力反馈执行机构包括:可产生与所述形变信息相对应的机械形变的第二换能模块,以及用于驱动所述第二换能模块发生所述机械形变的驱动装置。
[0007]在该技术方案中,第一换能模块记录皮肤接触部位产生的形变信息,并根据形变信息产生电信号,经过信号处理后生成力反馈数据信息,当需要执行力反馈系统时,驱动装置读取力反馈数据信息,驱动第二换能模块产生与形变信息相对应的机械形变,相比于现有技术提供的力反馈系统采用“多轴机械应力传感器”采集力反馈数据信息,以电磁或其他方法驱动配重块产生位移,并通过位移产生震动的力反馈方式,本发明提供的触觉力反馈系统通过使用第一换能模块记录形变信息和第二换能模块产生与形变信息相对应的机械形变,能够获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现。另外,根据本发明上述实施例的触觉力反馈系统,还可以具有如下附加的技术特征:
[0008]根据本发明的一个实施例,所述第一换能模块包括:多个呈阵列排布并产生所述电信号的第一微型换能单元;所述数据处理装置包括:用于采集所述电信号,并对所述电信号进行数字处理生成数字信号的数据采集模块和根据所述数字信号生成所述力反馈数据信息的数据生成模块。
[0009]在该技术方案中,第一微型换能单元呈阵列排布,阵列设置的第一微型换能单元连续布置在采集物表面上并构成触觉采集面,这个采集面的形状和空间分布与具体的采集物的物理形状有关,当皮肤接触部位发生形变时,每一个第一微型换能单元都能记录相应的形变信息并生成相应的电信号,数据处理装置采集第一微型换能单元生成的电信号,生成力反馈数据信息,进而在力反馈执行机构执行力反馈动作时,根据力反馈数据信息,获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现的效果O
[0010]根据本发明的一个实施例,所述数据采集模块包括:与所述第一微型换能单元一一对应的并用于对所述电信号进行放大处理的放大器,以及与所述放大器相对应并将放大处理后的所述电信号转换成所述数字信号的模数转换器。
[0011]在该技术方案中,由于独立的第一微型换能单兀在发生形变的时候产生的电压信号幅度很小,需要通过放大器进行信号放大,然后送入模数转换器中转化为数字信号,因此,每个独立的第一微型换能单元将有一个放大器和模数转换器,专门负责将对应的第一微型换能单元所产生的微小电信号放大并进行模数转换,转化为数字信号,数据生成模块将数字信号生成相应的力反馈数据信息。
[0012]根据本发明的一个实施例,所述数据生成模块包括:对所述数字信号进行编码压缩的数据压缩单元和对所述数字信号进行信息标识的数据标识单元。
[0013]在该技术方案中,对每个模数转换器转换后的数字信号进行编码时可以采用类似音频领域的PCM(Pulse Code Modulation,脉冲编码调制)技术;在压缩时也可以采用类似音频领域的MP3 (Moving Picture Experts Group Audio Layer III,动态影像专家压缩标准音频层面3)的有损压缩的形式,仅滤除皮肤触觉不敏感的数据来达到压缩的目的,也可以使用类似FLAC(Free Lossless Audio Codec,无损音频压缩编码)或APE (—种数字音乐无损压缩格式)的采用预测以及熵编码的形式进行高品质的无损压缩。
[0014]根据本发明的一个实施例,所述第二换能模块包括:多个呈阵列排布并能够产生所述机械形变的第二微型换能单元;所述驱动装置包括:与所述第二微型换能单元相对应并用于驱动所述第二微型换能单元产生所述机械形变的驱动电路、根据所述力反馈数据信息控制所述驱动电路产生驱动信号的数据控制模块以及读取所述力反馈数据信息并将所述力反馈数据信息传送给所述数据控制模块的数据通信模块。
[0015]在该技术方案中,通过多个呈阵列排布的第二微型换能单元执行力反馈动作,阵列设置的第二微型换能单元连续布置在目标物表面上并构成触觉力反馈执行面,这个执行面的形状和空间分布与具体的目标物的物理形状有关,数据通信模块读取力反馈数据信息,并将力反馈数据信息传送给数据控制模块,数据控制模块根据力反馈数据信息控制驱动电路产生驱动信号,驱动信号驱动第二微型换能单元产生与形变信息相对应的机械形变,形成更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现的效果。
[0016]根据本发明的一个实施例,所述驱动电路包括:与所述第二微型换能单元一一对应的H桥电路和与所述H桥电路相对应的PWM单元,所述H桥电路与相对应的所述第二微型换能单元连接,所述PWM单元的一端与相对应的所述H桥电路连接,另一端与所述数据控制模块连接,所述驱动信号包括PWM信号以及换向控制信号。
[0017]在该技术方案中,为了控制第二微型换能单元的形变方向,需要对施加在第二微型换能单元上的电压方向进行控制,因此可以通过H桥电路控制第二微型换能单元的形变方向,具体地,在同一时间,控制H桥电路中仅位于对角线上的两个晶体管导通,以在第二微型换能单元上施加电压,并可以通过对两条对角线中导通的对角线进行选择,以实现对施加在第二微型换能单元的电压方向进行控制。同时,可以通过控制向H桥电路中晶体管输入的脉冲信号的占空比,以对第二微型换能单元的形变量进行控制。其中,驱动信号中的换向控制信号用于控制H桥电路中导通的晶体管,PWM信号用于控制向H桥电路中的晶体管输入的脉冲信号的占空比。通过使用H桥电路结合PWM单元作为第二微型换能单元的驱动电路,使得仅通过改变H桥电路中导通的晶体管就能够方便地实现对第二微型换能单元的形变方向进行控制,并且由于在PWM单元传送至H桥电路的PWM信号的占空比不同时,第二微型换能单元的形变量是不同的,因此仅需要调整PWM信号的占空比就可以控制第二微型换能单元的形变量,能够实现第二微型换能单元较大的形变范围,同时,H桥电路的结构简单,易于实现。
[0018]此外,PWM信号是脉冲宽度调制信号,PWM信号的占空比是单个周期内高电平时长与周期的比例,因此可以通过调节单个周期内的高电平时长对PWM信号的占空比进行控制;而换向控制信号是用于控制H桥电路中晶体管的导通的方向,以对施加在第二微型换能单元上的电压方向进行控制,进而控制第二微型换能单元的形变方向。
[0019]根据本发明的一个实施例,所述驱动电路包括:与所述第二微型换能单元一一对应的功率放大器和与所述功率放大器相对应的数模转换器,所述功率放大器与相对应的所述第二微型换能单元连接,所述数模转换器的一端与所述数据控制模块连接,另一端与所述功率放大器连接,所述驱动信号包括电压幅度信号。
[0020]在该技术方案中,由于数据控制模块输出的信号为数字信号,需要送入数模转换器中转化为电压信号,而转化后的电压信号幅度较小,需要通过功率放大器进行放大,同时由于对每个独立的第二微型换能单元输送的驱动信号不同,因此,每个独立的第二微型换能单元将有一个功率放大器和数模转换器专门负责将数据控制模块输出的数字信号进行数模转换并进行放大处理。而通过使用数模转换器与功率放大器串联组成的驱动电路,能够实现更加细微的形变量,以更加精确地控制第二微型换能单元的形变量。其中,电压幅度信号主要用于驱动第二微型换能单元的形变量,具体地,若电压幅度信号的幅度较小,则第二微型换能单元的形变量较小,相对地,若电压幅度信号的幅度较大,则第二微型换能单元的形变量较大,因此可以通过控制数据控制模块输出的数字信号的值,以对经过数模转换之后的电压幅度进行控制,进而对第二微型换能单元的形变量进行控制。
[0021 ] 在上述技术方案中,优选地,所述第一微型换能单元为第一电活性聚合物,所述第一换能模块包括用于对所述第一电活性聚合物进行处理的第一处理电路;所述第二微型换能单元为第二电活性聚合物,所述第二换能模块包括用于对所述第二电活性聚合物进行处理的第二处理电路。
[0022]在该技术方案中,电活性聚合物(Electroactive Polymers,ΕΑΡ)是一类能够在电场作用下,改变形状或大小的聚合物材料,这类材料通常应用在执行器和传感器上。电活性聚合物的典型特性是能够在维持巨大受力作用的同时进行大幅度的变形,而且电活性聚合物本身可以作为一种换能材料,目前业界对它的研究普遍都放在将电能转化为机械能,但是它本身还具有将形变转化为电信号的能力,可以用于采集形变信息。并且,电活性聚合物还具有驱动功率低、驱动简单、材料轻薄等特点。同时,驱动电活性聚合物所需要的信号线非常少,并且可以分割成非常小的模块,即可以以类似液晶屏的像素点来进行面积排布。由于电活性聚合物具有功率低、驱动简单、材料轻薄等优点,因此通过使用第一电活性聚合物和第二电活性聚合物实现触觉力反馈系统,可以在充分利用电活性聚合物优点的基础上,获得高分辨率的触觉力反馈效果。
[0023]根据本发明第二方面的实施例,还提出了一种触觉力反馈系统实现方法,包括:根据与皮肤接触部位产生的形变信息生成电信号,根据所述电信号生成力反馈数据信息;当需要产生触觉力反馈时,读取所述力反馈数据信息,根据所述力反馈数据信息产生与所述形变信息相对应的机械形变。
[0024]在该技术方案中,通过记录皮肤接触部位产生的形变信息,并将形变信息转化成电信号,以根据电信号生成力反馈数据信息,使得在执行触觉力反馈时,读取力反馈数据信息,根据力反馈数据信息生成与形变信息相对应的机械形变。相比于采用“多轴机械应力传感器”采集力反馈数据信息,以电磁或其他方法驱动配重块产生位移,并通过位移产生震动的力反馈方式,能够获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现的效果。
[0025]根据本发明的一个实施例,根据所述电信号生成力反馈数据信息的具体步骤为:采集所述电信号,并对所述电信号进行数字处理生成数字信号;根据所述数字信号生成所述力反馈数据信息。
[0026]根据本发明的一个实施例,根据所述力反馈数据信息产生与所述形变信息相对应的机械形变的具体步骤为:根据所述力反馈数据信息产生驱动信号;根据所述驱动信号产生与所述形变信息相对应的机械形变。
[0027]根据本发明的一个实施例,所述驱动信号包括:PWM信号以及换向控制信号。
[0028]PWM信号是脉冲宽度调制信号,PWM信号的占空比是单个周期内高电平时长与周期的比例,因此可以通过调节单个周期内的高电平时长对PWM信号的占空比进行控制;而换向控制信号是用于控制H桥电路中晶体管的导通的方向,以对施加在第二微型换能单元上的电压方向进行控制,进而控制第二微型换能单元的形变方向。
[0029]根据本发明的一个实施例,所述驱动信号包括电压幅度信号。
[0030]电压幅度信号主要用于驱动第二微型换能单元的形变量,具体地,若电压幅度信号的幅度较小,则第二微型换能单元的形变量较小,相对地,若电压幅度信号的幅度较大,则第二微型换能单元的形变量较大,因此可以通过控制数据控制模块输出的数字信号的值,以对经过数模转换之后的电压幅度进行控制,进而对第二微型换能单元的形变量进行控制。
[0031]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】

【附图说明】
[0032]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
[0033]图1示出了根据本发明的实施例的触觉力反馈系统的示意框图;
[0034]图2示出了根据本发明的实施例的第二微型换能单元具有可逆换能效应的示意图;
[0035]图3A示出了根据本发明的实施例的H桥电路驱动第二微型换能单元进行膨胀的电路结构意图;
[0036]图3B示出了根据本发明的实施例的H桥电路驱动第二微型换能单元进行收缩的电路结构意图;
[0037]图4示出了根据本发明的一个实施例的驱动电路示意图;
[0038]图5示出了根据本发明的实施例的触觉力反馈系统实现方法的示意流程图;
[0039]图6A示出了根据本发明的一个实施例的获取触觉力反馈数据信息的系统结构示意图;
[0040]图6B示出了图6A中所示的获取触觉力反馈数据信息的系统内的数据采集系统的结构示意图;
[0041]图7A示出了根据本发明的一个实施例的触觉力反馈执行系统的结构示意图;
[0042]图7B至图7 C示出了图7A中所示的触觉力反馈执行系统内的驱动电路的结构示意图;
[0043]图8A示出了根据本发明的实施例的触觉采集面由高分辨率转化成低分辨率的触觉力反馈执行面的示意图;
[0044]图8B示出了根据本发明的实施例的触觉采集面由低分辨率转化成高分辨率的触觉力反馈执行面的示意图;
[0045]图9A至图9B示出了根据本发明的另一个实施例的力反馈实现系统的示意图。【具体实施方式】
[0046]为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0047]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
[0048]图1示出了根据本发明的实施例的触觉力反馈系统的示意框图。
[0049]如图1所示,根据本发明的实施例的触觉力反馈系统100,包括:力反馈数据获取机构102和力反馈执行机构104 ;力反馈数据获取机构102包括:用于记录皮肤接触部位产生的形变信息,并根据形变信息产生电信号的第一换能模块106,以及根据电信号生成力反馈数据信息的数据处理装置108 ;力反馈执行机构104包括:可产生与形变信息相对应的机械形变的第二换能模块110,以及用于驱动第二换能模块110发生机械形变的驱动装置112。
[0050]在该技术方案中,通过第一换能模块106记录皮肤接触部位产生的形变信息,并根据形变信息产生电信号,经过信号处理后生成力反馈数据信息,当需要执行力反馈时,驱动装置112读取力反馈数据信息,并驱动第二换能模块110产生与形变信息相对应的机械形变,相比于现有技术提供的力反馈系统采用“多轴机械应力传感器”采集力反馈数据信息,以电磁或其他方法驱动配重块产生位移,并通过位移产生震动的力反馈方式,本发明提供的触觉力反馈系统100通过使用第一换能模块106记录形变信息和第二换能模块110产生与形变信息相对应的机械形变,能够获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现。
[0051]另外,根据本发明上述实施例的触觉力反馈系统100,还可以具有如下附加的技术特征:
[0052]根据本发明的一个实施例,第一换能模块106包括:多个呈阵列排布并产生电信号的第一微型换能单元1062 ;数据处理装置108包括:用于采集电信号,并对电信号进行数字处理生成数字信号的数据采集模块1082和根据数字信号生成力反馈数据信息的数据生成模块1084。
[0053]在该技术方案中,第一微型换能单兀1062呈阵列排布,阵列设置的第一微型换能单元1062连续布置在采集物表面上并构成触觉采集面,这个采集面的形状和空间分布与具体的采集物的物理形状有关,当皮肤接触部位发生形变时,每一个第一微型换能单元1062都能记录相应的形变信息并生成电信号,数据处理装置108采集第一微型换能单元1062生成的电信号,形成更加接近人类触觉的力反馈数据信息,进而在力反馈执行机构104执行力反馈动作时,根据力反馈数据信息,能够获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现的效果。
[0054]根据本发明的一个实施例,数据采集模块1082包括:与第一微型换能单元1062一一对应的并用于对电信号进行放大处理的放大器(图1中未示出),以及与放大器相对应并将放大处理后的电信号转换为数字信号的模数转换器(图1中未示出)。
[0055]在该技术方案中,由于独立的第一微型换能单兀1062在发生形变的时候产生的电压信号幅度很小,需要通过放大器进行信号放大,然后送入模数转换器中转化为数字信号,因此,每个独立的第一微型换能单元1062将有一个放大器和模数转换器,专门负责将对应的第一微型换能单元1062所产生的微小电信号放大并进行模数转换,转化为数字信号,数据生成模块1084将数字信号生成相应的力反馈数据信息。
[0056]根据本发明的一个实施例,数据生成模块1084包括:对数字信号进行编码压缩的数据压缩单元(图1中未示出)和对数字信号进行信息标识的数据标识单元(图1中未示出)。
[0057]在该技术方案中,对每个模数转换器转换后的数字信号进行编码时可以采用类似音频领域的PCM(Pulse Code Modulation,脉冲编码调制)技术;在压缩时也可以采用类似音频领域的MP3 (Moving Picture Experts Group Audio Layer III,动态影像专家压缩标准音频层面3)的有损压缩的形式,仅滤除皮肤触觉不敏感的数据来达到压缩的目的,也可以使用类似FLAC(Free Lossless Audio Codec,无损音频压缩编码)或APE(—种数字音乐无损压缩格式)的采用预测以及熵编码的形式进行高品质的无损压缩。
[0058]根据本发明的一个实施例,第二换能模块110包括:多个呈阵列排布并能够产生机械形变的第二微型换能单元1102 ;驱动装置112包括:与第二微型换能单元1102相对应并用于驱动第二微型换能单元1102产生机械形变的驱动电路1122、根据力反馈数据信息控制驱动电路1122产生驱动信号的数据控制模块1124以及读取力反馈数据信息并将力反馈数据信息传送给数据控制模块1124的数据通信模块1126。
[0059]在该技术方案中,通过多个呈阵列排布的第二微型换能单元1102执行力反馈动作,阵列设置的第二微型换能单元1102连续布置在目标物表面上并构成触觉力反馈执行面,这个执行面的形状和空间分布与具体的目标物的物理形状有关,数据通信模块1126读取力反馈数据信息,并将力反馈数据信息传送给数据控制模块1124,数据控制模块1124根据力反馈数据信息控制驱动电路1122产生驱动信号,驱动信号驱动第二微型换能单元1102产生相应的机械形变,形成更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人体皮肤触觉的再现的效果。
[0060]根据本发明的一个实施例,驱动电路1122包括:与第二微型换能单元1102--对
应的H桥电路(图1中未示出)和与H桥电路相对应的PWM单元(图1中未示出),H桥电路与相对应的第二微型换能单元1102连接,PWM单元的一端与相对应的H桥电路连接,另一端与数据控制模块1124连接,驱动信号包括PWM信号以及换向控制信号。
[0061]在该技术方案中,为了控制第二微型换能单元1102的形变方向,需要对施加在第二微型换能单元1102上的电压方向进行控制,因此可以通过H桥电路控制第二微型换能单元1102的形变方向,具体地,在同一时间,控制H桥电路中仅位于对角线上的两个晶体管导通,以在第二微型换能单元1102上施加电压,并可以通过对两条对角线中导通的对角线进行选择,以实现对施加在第二微型换能单元1102的电压方向进行控制。同时,可以通过控制向H桥电路中晶体管输入的脉冲信号的占空比,以对第二微型换能单元1102的形变量进行控制。其中,驱动信号中的换向控制信号用于控制H桥电路中导通的晶体管,PWM信号用于控制向H桥电路中的晶体管输入的脉冲信号的占空比。通过使用H桥电路结合PWM单元驱动第二微型换能单元1102的形变,使得仅通过改变H桥电路中导通的晶体管就能够方便地实现对第二微型换能单元1102的形变方向进行控制,并且由于在PWM单元传送至H桥电路的PWM信号的占空比不同时,第二微型换能单元1102的形变量是不同的,因此仅需要调整PWM信号的占空比就可以控制第二微型换能单元1102的形变量,能够实现第二微型换能单元1102较大的形变范围,同时,H桥电路的结构简单,易于实现。
[0062]此外,PWM信号是脉冲宽度调制信号,PWM信号的占空比是单个周期内高电平时长与周期的比例,因此可以通过调节单个周期内的高电平时长对PWM信号的占空比进行控制;而换向控制信号是用于控制H桥电路中晶体管的导通的方向,以对施加在第二微型换能单元1102上的电压方向进行控制,进而控制第二微型换能单元1102的形变方向。
[0063] 具体来说,如图2中(a)所示,以第二微型换能单元1102为例,当对A电极向B电极施加正电压时,第二微型换能单元1102的体积产生膨胀;如图2中(b)所示,当对B电极向A电极施加正电压时,第二微型换能单元1102的体积产生收缩,因此可以通过控制向第二微型换能单元1102提供的电压方向对第二微型换能单元1102的形变方向进行控制。
[0064]如图3A所示,在H桥电路中,向晶体管302的控制端输送预定占空比的脉冲信号,并开启晶体管306(即向晶体管306的控制端输送占空比为I的脉冲信号),且关闭晶体管304和晶体管308(即分别向晶体管304和晶体管308的控制端输送占空比为O的脉冲信号),则在第二微型换能单元1102上对A电极向B电极施加正电压,因此第二微型换能单元1102体积产生膨胀,且膨胀的形变量与向晶体管302的控制端输送的脉冲信号的占空比成正比。
[0065]如图3B所示,在H桥电路中,向晶体管308的控制端输送预定占空比的脉冲信号,并开启晶体管304(即向晶体管304的控制端输送占空比为I的脉冲信号),且关闭晶体管302和晶体管306(即分别向晶体管302和晶体管306的控制端输送占空比为O的脉冲信号),则在第二微型换能单元1102上对B电极向A电极施加正电压,因此第二微型换能单元1102的体积产生收缩,且收缩的形变量与向晶体管308的控制端输送的脉冲信号的占空比成正比。
[0066]当然,为了能够实现更加细微的形变量,以更加精确地控制上述第二微型换能单元1102的形变量,可以通过如图4中所示的使用数模转换器402与功率放大器404串联组成的驱动电路,以对第二微型换能单元1102的形变量进行控制。即驱动电路1122还可以是另一种形式,即包括:与第二微型换能单元1102 —一对应的功率放大器(图1中未示出)和与功率放大器相对应的数模转换器(图1中未不出),功率放大器与相对应的第二微型换能单元1102连接,数模转换器的一端与数据控制模块1124连接,另一端与功率放大器连接,驱动信号包括电压幅度信号。电压幅度信号主要用于驱动第二微型换能单元1102的形变量,具体地,若电压幅度信号的幅度较小,则第二微型换能单元1102的形变量较小,相对地,若电压幅度信号的幅度较大,则第二微型换能单元1102的形变量较大,因此可以通过控制数据控制模块1124输出的数字信号的值,以对经过数模转换之后的电压幅度进行控制,进而对第二微型换能单元1102的形变量进行控制。
[0067]此夕卜,由于电活性聚合物(Electroactive Polymers,ΕΑΡ)是一类能够在电场作用下,改变形状或大小的聚合物材料,这类材料通常应用在执行器和传感器上。电活性聚合物的典型特性是能够在维持巨大受力作用的同时进行大幅度的变形,而且电活性聚合物本身可以作为一种换能材料,目前业界对它的研究普遍都放在将电能转化为机械能,但是它本身还具有将形变转化为电信号的能力,可以用于采集形变信息。并且,电活性聚合物还具有驱动功率低、驱动简单、材料轻薄等特点。同时,驱动电活性聚合物所需要的信号线非常少,并且可以分割成非常小的模块,即可以以类似液晶屏的像素点来进行面积排布。因此在以上的实施例中,第一微型换能单元1062可以为第一电活性聚合物,第一换能模块106包括用于对第一电活性聚合物进行处理的第一处理电路(图1中未示出);第二微型换能单元1102为第二电活性聚合物,第二换能模块110包括用于对第二电活性聚合物进行处理的第二处理电路(图1中未示出)。以在充分利用电活性聚合物优点的基础上,获得高分辨率的触觉力反馈效果。
[0068]当然,第一微型换能单元1062和第二微型换能单元1102还可以是其他具备形变-电信号可逆换能效应的材料,如压电陶瓷、形状记忆合金等。
[0069]图5示出了根据本发明的实施例的触觉力反馈系统实现方法的示意流程图。
[0070]如图5所示,根据本发明的实施例的触觉力反馈系统实现方法,包括:步骤502,根据与皮肤接触部位产生的形变信息生成电信号,根据电信号生成力反馈数据信息;步骤504,当需要产生触觉力反馈时,读取力反馈数据信息,根据力反馈数据信息产生与形变信息相对应的机械形变。
[0071]在该技术方案中,通过记录皮肤接触部位产生的形变信息,并根据形变信息产生电信号,以将电信号生成力反馈数据信息,使得在执行触觉力反馈时,读取力反馈数据信息,将力反馈数据信息转化成与形变信息相对应的机械形变。相比于采用“多轴机械应力传感器”采集力反馈数据信息,以电磁或其他方法驱动配重块产生位移,并通过位移产生震动的力反馈方式,能够获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈,实现对人类皮肤触觉的再现的效果。
[0072]根据本发明的一个实施例,根据电信号生成力反馈数据信息的具体步骤为:采集电信号,并对电信号进行数字处理生成数字信号;根据数字信号生成力反馈数据信息。
[0073]根据本发明的一个实施例,根据力反馈数据信息产生与形变信息相对应的机械形变的具体步骤为:读取力反馈数据信息;根据力反馈数据信息产生驱动信号;根据驱动信号产生与形变信息相对应的机械形变。
[0074]根据本发明的一个实施例,驱动信号包括:PWM信号以及换向控制信号。
[0075]PWM信号是脉冲宽度调制信号,PWM信号的占空比是单个周期内高电平时长与周期的比例,因此可以通过调节单个周期内的高电平时长对PWM信号的占空比进行控制;而换向控制信号是用于控制H桥电路中晶体管的导通的方向,以对施加在第二微型换能单元上的电压方向进行控制,进而控制第二微型换能单元的形变方向。
[0076]根据本发明的一个实施例,驱动信号包括电压幅度信号。
[0077]电压幅度信号主要用于驱动第二微型换能单元的形变量,具体地,若电压幅度信号的幅度较小,则第二微型换能单元的形变量较小,相对地,若电压幅度信号的幅度较大,则第二微型换能单元的形变量较大,因此可以通过控制数据控制模块输出的数字信号的值,以对经过数模转换之后的电压幅度进行控制,进而对第二微型换能单元的形变量进行控制。
[0078]以下结合图6A至图SB详细介绍本发明的另一个实施例的触觉力反馈系统的实现方案。
[0079]图6A示出了根据本发明的一个实施例的获取触觉力反馈数据信息的系统结构示意图。
[0080]如图6A所示,根据本发明的一个实施例的生成力反馈数据信息的系统,包括:
[0081]微型换能单元602,微型换能单元602可以将机械能转换为电能,即根据形变量产生相对应的电信号。
[0082]触觉采集面604,触觉采集面604由多个微型换能单元602组合构成,在触觉采集面604上,多个微型换能单元602是连续布置在触觉采集面604的表面。触觉采集面604的形状和空间分布与具体的被采集物的物理形状有关。
[0083]数据采集系统606,用于采集触觉采集面604上每个微型换能单元602的电信号,并经过数字化处理后传送给计算机系统608。
[0084]计算机系统608,用于将数据采集系统606传送的数据进行编码压缩和信息标识,以生成力反馈数据信息610。
[0085]力反馈数据信息610是经过编码压缩和信息标识后生成的。[0086]通过该系统可以实现物体体表的高分辨率力反馈信息的采集,为实现在空间和时间上连续的触觉力反馈提供数据源。
[0087]其中,数据采集系统606的具体结构如图6B所示。
[0088]如图6B所示,由于独立的微型换能单元602在发生形变时产生的电压信号幅度很小,需要通过放大器进行放大,然后再送入模数转换器中转化为数字量。因此每个独立的微型换能单元均有一个放大器AMP和模数转换器ADC,以将对应的微型换能单元所感知到的微小形变电信号放大并进行模数转换,转换为数字量。具体地,如图6B所示,对应于微型换能单元602的放大器为606A,模数转换器为606B。
[0089]在每个独立的微型换能单元的形变数据经模数转换器转换后,由并串转换逻辑控制模块606C将并行的数据转化为串行的数据,并送入到缓存器606D内进行缓存,发送单元606E将缓存器606D内的缓存数据通过如USB接口、蓝牙等发送至计算机系统608。其中,缓存器606D可以是FIFD (First Input First Output,先进先出队列)。
[0090]图7A示出了根据本发明的一个实施例的触觉力反馈执行系统的结构示意图。
[0091]如图7A所示,根据本发明的一个实施例的力反馈系统,包括:
[0092]力反馈数据信息610,是如图6A中所示的触觉力反馈生成系统经过采集、编码压缩和信息标识后生成的。
[0093]用户设备704,可以是计算机或手机等。用户设备704可以运行与触觉力反馈相关的应用程序,当需要产生触觉力反馈时,读取力反馈数据信息610,并传送给控制器706。
[0094]控制器706,用于根据用户设备704传送的力反馈数据信息转换为驱动电路708所需的驱动/[目号。
[0095]驱动电路708,用于驱动触觉力反馈执行面712上的每一个微型换能单元710产生相应的机械形变。
[0096]微型换能单元710,驱动信号驱动微型换能单元710产生相应的机械形变。
[0097]触觉力反馈执行面712,包括多个微型换能单元710。触觉力反馈执行面712的形状和空间分布与具体的目标物的物理形状有关。
[0098]其中,驱动电路708的结构如图7B和图7C所示。
[0099]如图7B所示,驱动电路708包括H桥电路7084和PWM单元7082,控制器706根据用户设备704传送的触觉力反馈数据控制PWM单元7082产生相应占空比的PWM信号(脉宽调制信号),输入至H桥电路7084,以驱动相应的微型换能单元710进行形变。具体地,如图7B所示,PWM单元7082与H桥电路7084驱动微型换能单元710发生形变。
[0100]此外,驱动电路708还可以如图7C所示,采用数模转换器DAC配合功率放大器AMP的方案来实现,此时控制器706传送给数模转换器DAC的是触觉力反馈的电压幅度信号对应的数字信号,数模转换器DAC将数字信号转换为对应的电压幅度信号,并经过功率放大器AMP进行放大之后,驱动微型换能单元发生形变。具体地,如图7C所示,数模转换器7086配合功率放大器7088用于驱动微型换能单元710发生形变。
[0101]在以上实施例中,触觉力反馈执行面712是均匀而连续布置在需要产生触感的物体表面,这个物体的物理形状要和采集的时候一致,以保证即便采集的时候的“分辨率”与最终表达的时候的“分辨率”不一致也仍然可以在目标物上正确的空间位置发生力反馈。其中,“分辨率”是指触觉采集面604与触觉力反馈执行面712的比例不同。[0102]具体地,如图8A所示,(a)图是采集到的触觉力反馈数据分布图,即触觉采集面604上的力反馈数据分布图,颜色深浅表示膨胀或收缩的程度,(b)图是对应的触觉力反馈执行面712上的力反馈数据分布图,由图中可以得出,触觉力反馈执行面712的分辨率小于触觉采集面604的分辨率。
[0103]如图SB所示,(a)图是采集到的触觉力反馈数据分布图,即触觉采集面604上的力反馈数据分布图,颜色深浅表示膨胀或收缩的程度,(b)图是对应的触觉力反馈执行面712上的力反馈数据分布图,由图中可以得出,触觉力反馈执行面712的分辨率大于触觉采集面604的分辨率。
[0104]在图6A至图8B所不的触觉力反馈实现系统中,触觉米集面604中的微型换能单元和触觉力反馈执行面712上的微型换能单元可以采用电活性聚合物材料,也可以是其他具备形变-电信号可逆换能效应的材料,如压电陶瓷、形状记忆合金等。
[0105]以下结合图9A至图9B以具体的一个实施例详细说明根据本发明的实施例的力反馈实现系统的技术方案。
[0106]以在立体显示交互领域中,使用操作棒等辅助设备与屏幕外视差的物体进行碰撞或侵入交互为例进行说明:
[0107]例如有一种配合立体显示器的模拟刀具,用来进行切削或穿刺虚拟物体的游戏互动。当操作者手持这种虚拟刀具在屏幕前切割虚拟物体时,相关技术中并没有提出切割时刀柄传递给操作者作用力的技术方案。
[0108]而根据本发明的技术方案,如图9A所示,可以在真实刀具902的刀柄表面安装触觉力反馈采集面906,并连接至数据采集系统908和计算机系统910,并使用该刀具在真实场景里切割各种虚拟场景里可能出现的物体(如图9A中所示的物体904),以生成力反馈数据信息912。
[0109]如图9B所示,当操作者使用模拟刀具在虚拟场景里切削虚拟物体时,用户设备914例如平板电脑手机游戏机等上运行的应用程序判断刀具正在切削虚拟物体,应用程序会读取力反馈数据信息912中对应的触觉力反馈数据传送给控制器916,控制器916控制安装于刀柄上的触觉力反馈执行面918发生形变,用户的皮肤会因为形变而产生手中的模拟刀具在切削物体的感觉。
[0110]此外,根据本发明的另一个具体的实施例,触觉力反馈系统还可以应用于医学领域的虚拟手术仿真器、远程手术、辅助手术等方面。
[0111]具体地,在手术仿真中,主要包括虚拟手术器械挤压软组织模型的面弹力和在软组织表面上的粘滞摩擦力。下面以虚拟手术器械挤压软组织模型的面弹力为例进行说明:
[0112]由于在仿真手术操作的过程中,操作者需要实时感知虚拟手术器械挤压软组织模型的面弹力等反馈信息。实际上的触觉力反馈是体现在操作者感知人体模型对于施加的作用力的反抗作用。因此,可以事先采集手术器械挤压软组织时的面弹力反馈数据,具体地,在手术器械上增加触觉力反馈数据采集面,在手术器械挤压软组织时,记录相应的力反馈数据信息,并生成力反馈数据信息。当操作者需要进行虚拟手术时,读取力反馈数据信息,在虚拟手术器械与操作者接触位置的触觉力反馈执行面上发生形变,以由操作者产生通过手术器械挤压人体软组织的感觉。
[0113]根据本发明的再一个实施例,触觉力反馈系统还可以应用于仿真皮肤领域。具体地,如人体皮肤的某一区域的触觉损坏,则可以通过仿真皮肤替代该区域的真实皮肤,而仿真皮肤可以将机械形变转换为电信号,在该区域的仿真皮肤接触到物体并发生形变时,产生相应的电信号,电信号由特殊的芯片(如神经信号转换芯片)进行处理转换为人体大脑皮层能够接受的神经信号,并传送至人体大脑皮层,则可以产生相应的触觉感受。
[0114]以上结合附图详细说明了本发明的技术方案,本发明提出了一种新的触觉力反馈实现方案,能够获得更加真实和细腻的触觉效果,还原物体的力反馈信息,实现对人类皮肤触觉的再现。
[0115]以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种触觉力反馈系统,其特征在于,包括:力反馈数据获取机构和力反馈执行机构; 所述力反馈数据获取机构包括:用于记录皮肤接触部位产生的形变信息,并根据所述形变信息产生电信号的第一换能模块,以及根据所述电信号生成力反馈数据信息的数据处理装置; 所述力反馈执行机构包括:可产生与所述形变信息相对应的机械形变的第二换能模块,以及用于驱动所述第二换能模块发生所述机械形变的驱动装置。
2.根据权利要求1所述的触觉力反馈系统,其特征在于,所述第一换能模块包括:多个呈阵列排布并产生所述电信号的第一微型换能单元; 所述数据处理装置包括:用于采集所述电信号,并对所述电信号进行数字处理生成数字信号的数据采集模块和根据所述数字信号生成所述力反馈数据信息的数据生成模块。
3.根据权利要求2所述的触觉力反馈系统,其特征在于,所述数据采集模块包括:与所述第一微型换能单元一一对应并用于对所述电信号进行放大处理的放大器,以及与所述放大器相对应并将放大处理后的所述电信号转换成所述数字信号的模数转换器。
4.根据权利要求3所述的触觉力反馈系统,其特征在于,所述数据生成模块包括:对所述数字信号进行编码压缩的数据压缩单元和对所述数字信号进行信息标识的数据标识单
5.根据权利要求2至4中任一项所述的触觉力反馈系统,其特征在于,所述第二换能模块包括:多个呈阵列排布并能够产生所述机械形变的第二微型换能单元; 所述驱动装置包括:与所述第二微型换能单元相对应并用于驱动所述第二微型换能单元产生所述机械形变的驱动电路、根据所述力反馈数据信息控制所述驱动电路产生驱动信号的数据控制模块以及读取所述力反馈数据信息并将所述力反馈数据信息传送给所述数据控制模块的数据通信模块。
6.根据权利要求5所述的触觉力反馈系统,其特征在于,所述驱动电路包括:与所述第二微型换能单元——对应的H桥电路和与所述H桥电路相对应的PWM单元,所述H桥电路与相对应的所述第二微型换能单元连接,所述PWM单元的一端与相对应的所述H桥电路连接,另一端与所述数据控制模块连接,所述驱动信号包括PWM信号以及换向控制信号。
7.根据权利要求5所述的触觉力反馈系统,其特征在于,所述驱动电路包括:与所述第二微型换能单兀对应的功率放大器和与所述功率放大器相对应的数模转换器,所述功率放大器与相对应的所述第二微型换能单元连接,所述数模转换器的一端与所述数据控制模块连接,另一端与所述功率放大器连接,所述驱动信号包括电压幅度信号。
8.根据权利要求5所述的触觉力反馈系统,其特征在于,所述第一微型换能单元为第一电活性聚合物,所述第一换能模块包括用于对所述第一电活性聚合物进行处理的第一处理电路;所述第二微型换能单元为第二电活性聚合物,所述第二换能模块包括用于对所述第二电活性聚合物进行处理的第二处理电路。
9.一种触觉力反馈系统实现方法,其特征在于,包括: 根据与皮肤接触部位产生的形变信息生成电信号,根据所述电信号生成力反馈数据信息; 当需要产生触觉力反馈时,读取所述力反馈数据信息,根据所述力反馈数据信息产生与所述形变信息相对应的机械形变。
10.根据权利要求9所述的触觉力反馈系统实现方法,其特征在于,根据所述电信号生成力反馈数据信息的具体步骤为: 采集所述电信号,并对所述电信号进行数字处理生成数字信号; 根据所述数字信号生成所述力反馈数据信息。
11.根据权利要求9所述的触觉力反馈系统实现方法,其特征在于,根据所述力反馈数据信息产生与所述形变信息相对应的机械形变的具体步骤为: 根据所述力反馈数据信息产生驱动信号; 根据所述驱动信号产生与所述形变信息相对应的机械形变。
12.根据权利要求11所述的触觉力反馈系统实现方法,其特征在于,所述驱动信号包括:PWM信号以及换向控制信号。
13.根据权利要 求11所述的触觉力反馈系统实现方法,其特征在于,所述驱动信号包括电压幅度信号。
【文档编号】G06F3/01GK103984411SQ201410174135
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】蒋凌锋 申请人:深圳超多维光电子有限公司

【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

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