始实时采集压力值，并通过滤波等方法提取人手主动按压力值的大小。再将人手主 动按压力值按比例转换成压电致动器的振动幅值大小。人手指按压移动终端所用的力一般 在5N以内，设定按压力最大值F ni为5N。而本发明所用的压电致动器的振动幅值所能达到 的最大值Lni为18 μ m。由此可得转换系数/a = ·# = 3.6，从而振动幅值与人手主动按压力值 Fm- 的转换公式为：L(t) = 3. 6F(t)。
[0030] 假设在单位时间内，人手按压移动终端中刚度为0. 57N/mm和0. 34N/mm的虚拟物 体的力不同，在通过压力传感器采集并提取人手主动按压力后，将离散的数据拟合成连续 曲线，如图3和图4所示。
[0031] 限于压电致动器对控制信号的瞬态响应延迟，以及人手指难以精确感知振动幅 值的连续变化，在具体实施时，对振动幅值进行分级控制即可。如表1所示，将振动幅值 0-18 μ m分成5个等级。
[0032]
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[0033] 表1振动幅值分级
[0034] 结合图3和图4以及振动幅值与人手主动按压力的转换公式，可得在进行分级控 制处理后，实际需要控制输出的振动幅值表达式分别为：
[0035] (1)
[0036] (M)
[0037] (2)根据该虚拟物体的刚度系数计算压电致动器的振动节奏。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进行振动，即基频信号持续以一定的周期间隔 振动和停止。根据之前的实验研究，物体柔软度与振动节奏之间存在相关性：虚拟物体刚度 越大，则振动刺激的节奏越快，且5-40Hz的振动节奏为人手最佳区分范围。由于压电致动 器本身所能表达的范围的限制，本发明将刚度系数在〇. 2-2N/mm的虚拟物体的柔软度，映 射到5-40Hz范围内的振动节奏上。根据这两个范围的上下限可以计算出转换公式中的系 数，转换公式为：f = 0. 35X (kX60+2. 5)。从而得到本实例中的振动节奏分别为f1= 13Hz 和 f2= 8Hz。
[0038] (3)计算压电致动器的驱动控制电压，以达到对振动幅值和振动节奏的控制。驱 动控制电压是一个交流信号，其幅值正比于压电致动器的振动幅值，其频率正比于压电致 动器的基频。该交互装置所用的压电致动器控制电压范围为0-120V，线性对应振动幅值 0-18 μ m，故压电致动器控制电压的幅值U和压电致动器振动幅值L之间的比例关系为： K = 120 X ^ s其关系曲线如图5所示。本实例中压电致动器的基频为270Hz，再结合上述比 1 〇 例关系以及式（1)和式（2)，则控制振动幅值的电压分别为：
[0039] (3)
[0040] ⑷
[0041] 同时，对驱动控制电压进行时间域上的调节，本实例要达到的振动节奏分别为 13Hz和8Hz，故调节周期= = ^ 在单位时间内，振动周
[0042] (5) 期数N即为振动节奏个数。从而控制振动节奏的周期控制信号的表达式分别为：
[0043] (6)
[0044] 综上，由式⑴到式（6)可得，在单位时间内，不同按压力的作用下，刚度为0. 57N/ mm和0. 34N/mm的虚拟物体对应的压电致动器的驱动控制电压分别为：
[0045]
[0046]
[0047] 公式中，振动信号的幅值与主动按压力有关，振动信号的节奏与虚拟物体的刚度 有关。
[0048] 在本实例中，对应刚度是0. 57N/mm和0. 34N/mm的虚拟物体，压电致动器实际产生 的振动刺激随时间变化的示意图分别如图6和图7所示。对于刚度是0. 57N/mm和0. 34N/ _的虚拟物体，在按压时，由于人的主动按压力不同，呈现包络线所示的变化趋势也不同， 因此，振动信号的幅值也呈现类似的变化趋势。根据刚度计算出单位时间内的振动节奏分 别为13个和8个，由此可知，虚拟物体刚度越大，则振动节奏将会越快。
【主权项】
1. 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，该方法 所借助的指套式力触觉交互装置包含压力传感器和压电致动器，压力传感器用于测量接触 过程中人手主动施加的作用力，压电致动器驱动电压的幅值和频率可调，从而产生一定幅 值和节奏的振动信号；通过控制指套式力触觉交互装置自带的压电致动器产生不同振动幅 值和振动节奏的振动刺激，模拟真实环境下按压不同柔软度物体的触觉感受；该方法具体 包括以下步骤： 1) 利用指套式力触觉交互装置上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； 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； 3) 计算压电致动器的驱动控制电压，调制产生前两步骤计算所得振动幅值和振动节 奏，模拟与接触力和硬度相一致的振动触觉刺激。2. 根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述的步骤1)中，指套式力触觉交互装置本身结合了微型 压力传感器，通过软件滤波的方法剔除压电致动器所产生的振动信号，提取出人手主动按 压力的大小；根据主动按压力越大，则触觉响应的振动触觉强度越大的原则，建立人手主动 按压力与振动幅值之间的转换关系，并对振动幅值进行分级控制；压电致动器振动幅值的 大小依据式（1)计算得到： L(t) = kiXF(t) (I) 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，Ic1表示转换系数，转换系数k i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。3. 根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述的步骤2)中，振动节奏是指压电致动器在时间域上以 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；压电致动器振动节奏 的大小依据式（2)计算得到： f = k2X (aXk+b) (2) 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。4. 根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述的步骤3)中，通过调节压电致动器控制电压控制振动 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；驱动控制电压依据式（3)计算 得到：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，f :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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F3/0481, G06F3/0488, G06F3/0484
【公开号】CN105138223
【申请号】CN201510532372
【发明人】吴涓, 龚逸, 李娜, 邓鹏 , 宋爱国
【申请人】东南大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月27日