一种基于指套式力触觉交互装置的物体柔软度再现方法
【技术领域】
[0001] 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方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003]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 X 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
[0007] -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：
[0008] 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：
[0009] L(t) = kiXF(t) (I)
[0010] 其中，F(t)表示人手主动按压力值，L(t)表示与压力值相对应的压电致动器的振 动幅值A 1表示转换系数。转换系数1^由压电致动器能达到幅值最大值以及人手主动按压 力的最大值确定。
[0011] 步骤2)根据所要再现的虚拟物体的刚度系数计算与之对应的振动节奏。本发明 所述振动节奏是指压电致动器在时域上以一定周期间隔振动，即基频信号持续以一定的周 期间隔振动和停止。根据之前实验研究，物体柔软度与振动节奏之间存在相关性：硬度越 大，振动的节奏越快。压电致动器振动节奏的大小依据式（2)计算得到：
[0012] f = k2X (aXk+b) (2)
[0013] 其中，k表示虚拟物体的刚度系数，f表示压电致动器的振动节奏，a、b表示与压电 致动器本身相关的系数，匕表示转换系数。
[0014] 步骤3)计算压电致动器的驱动控制电压，实现对振动幅值和振动节奏的控制，压 电致动器产生相应振动刺激，完成再现过程。通过调节压电致动器的驱动控制电压控制振 动幅值和振动节奏。驱动控制电压为交流信号，通过调节其幅值达到对压电致动器振动幅 值的控制，通过对其进行时域的调节达到对振动节奏的控制。驱动控制电压的幅值U与振 动幅值L成正比例关系，^ 驱动控制电压的频率与驱动控制电压由式（3)计算 JL/ U i 得到：
[0015]
[0016] 其中，Uni表示控制电压的最大值，L "表示压电致动器所能达到的振动幅度最大值， A表示压电致动器的基频，f表示压电致动器振动节奏，L (t)表示与压力传感器实时采集 的压力值相对应的压电致动器振动幅值，N表示整个按压过程中振动周期的个数。
[0017] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
[0018] 本发明的应用于移动终端的基于指套式交互装置的物体柔软度再现方法，借助 振动式指套触觉装置，通过装置上压电致动器产生不同振动幅值与振动节奏的振动刺激， 模拟人手在主动按压过程中的交互作用力特性以及柔性物体柔软度。本发明的优点在于： 1)本发明可以通过压电致动器的持续振动进行柔软度再现，并同时再现交互过程中的人手 主动按压力特性，更具有真实感；2)算法复杂度小，指套式交互装置灵活便携，适合平板电 脑、手机等计算能力有限的移动终端。
【附图说明】
[0019] 图1为指套式交互装置结构示意图。
[0020] 图2为本发明的系统框图。
[0021] 图3为压电制动器控制电压幅值与其振动幅值之间关系图。
[0022] 图4为实例刚度为0. 57N/mm的虚拟物体对应的主动按压力曲线图。
[0023] 图5为实例刚度为0. 34N/mm的虚拟物体对应的主动按压力曲线图。
[0024] 图6为实例刚度为0. 57N/mm的虚拟物体对应的振动刺激示意图。
[0025] 图7位实例刚度为0. 34N/mm的虚拟物体对应的振动刺激示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。
[0027] 如图1所示，本发明借助于一种指套式力触觉交互装置，该装置自带微型压力传 感器以及3x3点阵式压电致动器。参照图2,本发明的基于指套式力触觉交互装置的物体柔 软度再现方法基本步骤：穿戴指套式力触觉交互装置按压移动终端中的虚拟物体，根据人 手主动按压力的变化以及虚拟物体柔软度的不同，指端压电致动器会产生不同振动幅值和 振动节奏的振动刺激，从而模拟真实环境下的触觉感受。
[0028] 以刚度系数分别为0. 57N/mm和0. 34N/mm的虚拟物体为例，阐述本发明的具体实 施过程：
[0029] (1)根据按压过程中人手主动按压力大小计算压电致动器的振动幅值。实验者穿 戴指套式力触觉交互装置在移动终端上按压该虚拟物体，指端压力传感器从接触到移动终 端起开