觸覺力反饋系統(tǒng)和觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種觸覺力反饋系統(tǒng)和觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，觸覺力反饋系統(tǒng)，包括：力反饋數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)和力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)；所述力反饋數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)包括：用于記錄皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息，并根據(jù)所述形變信息產(chǎn)生電信號(hào)的第一換能模塊，以及根據(jù)所述電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)處理裝置；所述力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：可產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變的第二換能模塊，以及用于驅(qū)動(dòng)所述第二換能模塊發(fā)生所述機(jī)械形變的驅(qū)動(dòng)裝置。通過本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)。
【專利說明】觸覺力反饋系統(tǒng)和觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及力反饋【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及一種觸覺力反饋系統(tǒng)和一種觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]力反饋技術(shù)是一種利用機(jī)械應(yīng)力在觸覺上給予人真實(shí)感受的交互技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)公開了一種力反饋的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及方法，在獲取力反饋數(shù)據(jù)信息時(shí)是在敏感區(qū)域安裝“多軸機(jī)械應(yīng)力傳感器”來進(jìn)行震動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，而“多軸機(jī)械應(yīng)力傳感器”本質(zhì)是通過電磁、壓電材料或者是加速度計(jì)采集連接在電磁、壓電材料上的配重塊的位移或者是采集物本身的位移來實(shí)現(xiàn)微小震動(dòng)的采集。在執(zhí)行力反饋動(dòng)作時(shí)是以電磁或者其他方法驅(qū)動(dòng)配重塊來產(chǎn)生位移，將位移導(dǎo)致的震動(dòng)傳導(dǎo)給裝置的外殼與人的皮膚發(fā)生力反饋的作用，導(dǎo)致在應(yīng)用場景上范圍較窄，僅適合有震動(dòng)的情形，例如槍械射擊以及模擬駕駛等。同時(shí)，該方案通過傳感器和執(zhí)行裝置來合成某個(gè)方向上的震動(dòng)，功耗高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，效果較差，尤其是在立體顯示交互領(lǐng)域里，使用現(xiàn)有的力反饋系統(tǒng)無法滿足人們對(duì)交互真實(shí)性的要求，因此，如何獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)成為目前亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)或相關(guān)技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。
[0004]為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出了一種能夠獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體觸覺再現(xiàn)的觸覺力反饋系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出了 一種觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的實(shí)施例，提出了一種觸覺力反饋系統(tǒng)，包括:力反饋數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)和力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)；所述力反饋數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)包括:用于記錄皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息，并根據(jù)所述形變信息產(chǎn)生電信號(hào)的第一換能模塊，以及根據(jù)所述電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)處理裝置；所述力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:可產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變的第二換能模塊，以及用于驅(qū)動(dòng)所述第二換能模塊發(fā)生所述機(jī)械形變的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0007]在該技術(shù)方案中，第一換能模塊記錄皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息，并根據(jù)形變信息產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后生成力反饋數(shù)據(jù)信息，當(dāng)需要執(zhí)行力反饋系統(tǒng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置讀取力反饋數(shù)據(jù)信息，驅(qū)動(dòng)第二換能模塊產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變，相比于現(xiàn)有技術(shù)提供的力反饋系統(tǒng)采用“多軸機(jī)械應(yīng)力傳感器”采集力反饋數(shù)據(jù)信息，以電磁或其他方法驅(qū)動(dòng)配重塊產(chǎn)生位移，并通過位移產(chǎn)生震動(dòng)的力反饋方式，本發(fā)明提供的觸覺力反饋系統(tǒng)通過使用第一換能模塊記錄形變信息和第二換能模塊產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變，能夠獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)。另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)，還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第一換能模塊包括:多個(gè)呈陣列排布并產(chǎn)生所述電信號(hào)的第一微型換能單元；所述數(shù)據(jù)處理裝置包括:用于采集所述電信號(hào)，并對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理生成數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊和根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)生成所述力反饋數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)生成模塊。
[0009]在該技術(shù)方案中，第一微型換能單元呈陣列排布，陣列設(shè)置的第一微型換能單元連續(xù)布置在采集物表面上并構(gòu)成觸覺采集面，這個(gè)采集面的形狀和空間分布與具體的采集物的物理形狀有關(guān)，當(dāng)皮膚接觸部位發(fā)生形變時(shí)，每一個(gè)第一微型換能單元都能記錄相應(yīng)的形變信息并生成相應(yīng)的電信號(hào)，數(shù)據(jù)處理裝置采集第一微型換能單元生成的電信號(hào)，生成力反饋數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而在力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行力反饋動(dòng)作時(shí)，根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息，獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)的效果O
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括:與所述第一微型換能單元一一對(duì)應(yīng)的并用于對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行放大處理的放大器，以及與所述放大器相對(duì)應(yīng)并將放大處理后的所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0011]在該技術(shù)方案中，由于獨(dú)立的第一微型換能單兀在發(fā)生形變的時(shí)候產(chǎn)生的電壓信號(hào)幅度很小，需要通過放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，因此，每個(gè)獨(dú)立的第一微型換能單元將有一個(gè)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，專門負(fù)責(zé)將對(duì)應(yīng)的第一微型換能單元所產(chǎn)生的微小電信號(hào)放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)生成模塊將數(shù)字信號(hào)生成相應(yīng)的力反饋數(shù)據(jù)信息。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述數(shù)據(jù)生成模塊包括:對(duì)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮的數(shù)據(jù)壓縮單元和對(duì)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信息標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)單元。
[0013]在該技術(shù)方案中，對(duì)每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼時(shí)可以采用類似音頻領(lǐng)域的PCM(Pulse Code Modulation,脈沖編碼調(diào)制)技術(shù)；在壓縮時(shí)也可以采用類似音頻領(lǐng)域的MP3 (Moving Picture Experts Group Audio Layer III，動(dòng)態(tài)影像專家壓縮標(biāo)準(zhǔn)音頻層面3)的有損壓縮的形式，僅濾除皮膚觸覺不敏感的數(shù)據(jù)來達(dá)到壓縮的目的，也可以使用類似FLAC(Free Lossless Audio Codec，無損音頻壓縮編碼)或APE (—種數(shù)字音樂無損壓縮格式)的采用預(yù)測(cè)以及熵編碼的形式進(jìn)行高品質(zhì)的無損壓縮。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第二換能模塊包括:多個(gè)呈陣列排布并能夠產(chǎn)生所述機(jī)械形變的第二微型換能單元；所述驅(qū)動(dòng)裝置包括:與所述第二微型換能單元相對(duì)應(yīng)并用于驅(qū)動(dòng)所述第二微型換能單元產(chǎn)生所述機(jī)械形變的驅(qū)動(dòng)電路、根據(jù)所述力反饋數(shù)據(jù)信息控制所述驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)控制模塊以及讀取所述力反饋數(shù)據(jù)信息并將所述力反饋數(shù)據(jù)信息傳送給所述數(shù)據(jù)控制模塊的數(shù)據(jù)通信模塊。
[0015]在該技術(shù)方案中，通過多個(gè)呈陣列排布的第二微型換能單元執(zhí)行力反饋動(dòng)作，陣列設(shè)置的第二微型換能單元連續(xù)布置在目標(biāo)物表面上并構(gòu)成觸覺力反饋執(zhí)行面，這個(gè)執(zhí)行面的形狀和空間分布與具體的目標(biāo)物的物理形狀有關(guān)，數(shù)據(jù)通信模塊讀取力反饋數(shù)據(jù)信息，并將力反饋數(shù)據(jù)信息傳送給數(shù)據(jù)控制模塊，數(shù)據(jù)控制模塊根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息控制驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變，形成更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)的效果。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述驅(qū)動(dòng)電路包括:與所述第二微型換能單元一一對(duì)應(yīng)的H橋電路和與所述H橋電路相對(duì)應(yīng)的PWM單元，所述H橋電路與相對(duì)應(yīng)的所述第二微型換能單元連接，所述PWM單元的一端與相對(duì)應(yīng)的所述H橋電路連接，另一端與所述數(shù)據(jù)控制模塊連接，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括PWM信號(hào)以及換向控制信號(hào)。
[0017]在該技術(shù)方案中，為了控制第二微型換能單元的形變方向，需要對(duì)施加在第二微型換能單元上的電壓方向進(jìn)行控制，因此可以通過H橋電路控制第二微型換能單元的形變方向，具體地，在同一時(shí)間，控制H橋電路中僅位于對(duì)角線上的兩個(gè)晶體管導(dǎo)通，以在第二微型換能單元上施加電壓，并可以通過對(duì)兩條對(duì)角線中導(dǎo)通的對(duì)角線進(jìn)行選擇，以實(shí)現(xiàn)對(duì)施加在第二微型換能單元的電壓方向進(jìn)行控制。同時(shí)，可以通過控制向H橋電路中晶體管輸入的脈沖信號(hào)的占空比，以對(duì)第二微型換能單元的形變量進(jìn)行控制。其中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的換向控制信號(hào)用于控制H橋電路中導(dǎo)通的晶體管，PWM信號(hào)用于控制向H橋電路中的晶體管輸入的脈沖信號(hào)的占空比。通過使用H橋電路結(jié)合PWM單元作為第二微型換能單元的驅(qū)動(dòng)電路，使得僅通過改變H橋電路中導(dǎo)通的晶體管就能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)第二微型換能單元的形變方向進(jìn)行控制，并且由于在PWM單元傳送至H橋電路的PWM信號(hào)的占空比不同時(shí)，第二微型換能單元的形變量是不同的，因此僅需要調(diào)整PWM信號(hào)的占空比就可以控制第二微型換能單元的形變量，能夠?qū)崿F(xiàn)第二微型換能單元較大的形變范圍，同時(shí)，H橋電路的結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0018]此外，PWM信號(hào)是脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，PWM信號(hào)的占空比是單個(gè)周期內(nèi)高電平時(shí)長與周期的比例，因此可以通過調(diào)節(jié)單個(gè)周期內(nèi)的高電平時(shí)長對(duì)PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行控制；而換向控制信號(hào)是用于控制H橋電路中晶體管的導(dǎo)通的方向，以對(duì)施加在第二微型換能單元上的電壓方向進(jìn)行控制，進(jìn)而控制第二微型換能單元的形變方向。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述驅(qū)動(dòng)電路包括:與所述第二微型換能單元一一對(duì)應(yīng)的功率放大器和與所述功率放大器相對(duì)應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述功率放大器與相對(duì)應(yīng)的所述第二微型換能單元連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一端與所述數(shù)據(jù)控制模塊連接，另一端與所述功率放大器連接，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括電壓幅度信號(hào)。
[0020]在該技術(shù)方案中，由于數(shù)據(jù)控制模塊輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，需要送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，而轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)幅度較小，需要通過功率放大器進(jìn)行放大，同時(shí)由于對(duì)每個(gè)獨(dú)立的第二微型換能單元輸送的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同，因此，每個(gè)獨(dú)立的第二微型換能單元將有一個(gè)功率放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器專門負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)控制模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并進(jìn)行放大處理。而通過使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器與功率放大器串聯(lián)組成的驅(qū)動(dòng)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)更加細(xì)微的形變量，以更加精確地控制第二微型換能單元的形變量。其中，電壓幅度信號(hào)主要用于驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元的形變量，具體地，若電壓幅度信號(hào)的幅度較小，則第二微型換能單元的形變量較小，相對(duì)地，若電壓幅度信號(hào)的幅度較大，則第二微型換能單元的形變量較大，因此可以通過控制數(shù)據(jù)控制模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的值，以對(duì)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換之后的電壓幅度進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)第二微型換能單元的形變量進(jìn)行控制。
[0021 ] 在上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，所述第一微型換能單元為第一電活性聚合物，所述第一換能模塊包括用于對(duì)所述第一電活性聚合物進(jìn)行處理的第一處理電路；所述第二微型換能單元為第二電活性聚合物，所述第二換能模塊包括用于對(duì)所述第二電活性聚合物進(jìn)行處理的第二處理電路。
[0022]在該技術(shù)方案中，電活性聚合物(Electroactive Polymers,ΕΑΡ)是一類能夠在電場作用下，改變形狀或大小的聚合物材料，這類材料通常應(yīng)用在執(zhí)行器和傳感器上。電活性聚合物的典型特性是能夠在維持巨大受力作用的同時(shí)進(jìn)行大幅度的變形，而且電活性聚合物本身可以作為一種換能材料，目前業(yè)界對(duì)它的研究普遍都放在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，但是它本身還具有將形變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的能力，可以用于采集形變信息。并且，電活性聚合物還具有驅(qū)動(dòng)功率低、驅(qū)動(dòng)簡單、材料輕薄等特點(diǎn)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電活性聚合物所需要的信號(hào)線非常少，并且可以分割成非常小的模塊，即可以以類似液晶屏的像素點(diǎn)來進(jìn)行面積排布。由于電活性聚合物具有功率低、驅(qū)動(dòng)簡單、材料輕薄等優(yōu)點(diǎn)，因此通過使用第一電活性聚合物和第二電活性聚合物實(shí)現(xiàn)觸覺力反饋系統(tǒng)，可以在充分利用電活性聚合物優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，獲得高分辨率的觸覺力反饋效果。
[0023]根據(jù)本發(fā)明第二方面的實(shí)施例，還提出了一種觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，包括:根據(jù)與皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息生成電信號(hào)，根據(jù)所述電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息；當(dāng)需要產(chǎn)生觸覺力反饋時(shí)，讀取所述力反饋數(shù)據(jù)信息，根據(jù)所述力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變。
[0024]在該技術(shù)方案中，通過記錄皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息，并將形變信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，以根據(jù)電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息，使得在執(zhí)行觸覺力反饋時(shí)，讀取力反饋數(shù)據(jù)信息，根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息生成與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變。相比于采用“多軸機(jī)械應(yīng)力傳感器”采集力反饋數(shù)據(jù)信息，以電磁或其他方法驅(qū)動(dòng)配重塊產(chǎn)生位移，并通過位移產(chǎn)生震動(dòng)的力反饋方式，能夠獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)的效果。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)所述電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息的具體步驟為:采集所述電信號(hào)，并對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理生成數(shù)字信號(hào)；根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)生成所述力反饋數(shù)據(jù)信息。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)所述力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變的具體步驟為:根據(jù)所述力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)；根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括:PWM信號(hào)以及換向控制信號(hào)。
[0028]PWM信號(hào)是脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，PWM信號(hào)的占空比是單個(gè)周期內(nèi)高電平時(shí)長與周期的比例，因此可以通過調(diào)節(jié)單個(gè)周期內(nèi)的高電平時(shí)長對(duì)PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行控制；而換向控制信號(hào)是用于控制H橋電路中晶體管的導(dǎo)通的方向，以對(duì)施加在第二微型換能單元上的電壓方向進(jìn)行控制，進(jìn)而控制第二微型換能單元的形變方向。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括電壓幅度信號(hào)。
[0030]電壓幅度信號(hào)主要用于驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元的形變量，具體地，若電壓幅度信號(hào)的幅度較小，則第二微型換能單元的形變量較小，相對(duì)地，若電壓幅度信號(hào)的幅度較大，則第二微型換能單元的形變量較大，因此可以通過控制數(shù)據(jù)控制模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的值，以對(duì)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換之后的電壓幅度進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)第二微型換能單元的形變量進(jìn)行控制。
[0031]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0033]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)的示意框圖；
[0034]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的第二微型換能單元具有可逆換能效應(yīng)的示意圖；
[0035]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的H橋電路驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元進(jìn)行膨脹的電路結(jié)構(gòu)意圖；
[0036]圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的H橋電路驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元進(jìn)行收縮的電路結(jié)構(gòu)意圖；
[0037]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路示意圖；
[0038]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的示意流程圖；
[0039]圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的獲取觸覺力反饋數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖6B示出了圖6A中所示的獲取觸覺力反饋數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的觸覺力反饋執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖7B至圖7 C示出了圖7A中所示的觸覺力反饋執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的觸覺采集面由高分辨率轉(zhuǎn)化成低分辨率的觸覺力反饋執(zhí)行面的示意圖；
[0044]圖8B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的觸覺采集面由低分辨率轉(zhuǎn)化成高分辨率的觸覺力反饋執(zhí)行面的示意圖；
[0045]圖9A至圖9B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的力反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0046]為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0047]在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實(shí)施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于下面公開的具體實(shí)施例的限制。
[0048]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)的示意框圖。
[0049]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)100，包括:力反饋數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)102和力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)104 ;力反饋數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)102包括:用于記錄皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息，并根據(jù)形變信息產(chǎn)生電信號(hào)的第一換能模塊106，以及根據(jù)電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)處理裝置108 ;力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)104包括:可產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變的第二換能模塊110，以及用于驅(qū)動(dòng)第二換能模塊110發(fā)生機(jī)械形變的驅(qū)動(dòng)裝置112。
[0050]在該技術(shù)方案中，通過第一換能模塊106記錄皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息，并根據(jù)形變信息產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后生成力反饋數(shù)據(jù)信息，當(dāng)需要執(zhí)行力反饋時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置112讀取力反饋數(shù)據(jù)信息，并驅(qū)動(dòng)第二換能模塊110產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變，相比于現(xiàn)有技術(shù)提供的力反饋系統(tǒng)采用“多軸機(jī)械應(yīng)力傳感器”采集力反饋數(shù)據(jù)信息，以電磁或其他方法驅(qū)動(dòng)配重塊產(chǎn)生位移，并通過位移產(chǎn)生震動(dòng)的力反饋方式，本發(fā)明提供的觸覺力反饋系統(tǒng)100通過使用第一換能模塊106記錄形變信息和第二換能模塊110產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變，能夠獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)。
[0051]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)100，還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0052]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一換能模塊106包括:多個(gè)呈陣列排布并產(chǎn)生電信號(hào)的第一微型換能單元1062 ;數(shù)據(jù)處理裝置108包括:用于采集電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理生成數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊1082和根據(jù)數(shù)字信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)生成模塊1084。
[0053]在該技術(shù)方案中，第一微型換能單兀1062呈陣列排布，陣列設(shè)置的第一微型換能單元1062連續(xù)布置在采集物表面上并構(gòu)成觸覺采集面，這個(gè)采集面的形狀和空間分布與具體的采集物的物理形狀有關(guān)，當(dāng)皮膚接觸部位發(fā)生形變時(shí)，每一個(gè)第一微型換能單元1062都能記錄相應(yīng)的形變信息并生成電信號(hào)，數(shù)據(jù)處理裝置108采集第一微型換能單元1062生成的電信號(hào)，形成更加接近人類觸覺的力反饋數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而在力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)104執(zhí)行力反饋動(dòng)作時(shí)，根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息，能夠獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)的效果。
[0054]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，數(shù)據(jù)采集模塊1082包括:與第一微型換能單元1062一一對(duì)應(yīng)的并用于對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大處理的放大器(圖1中未示出)，以及與放大器相對(duì)應(yīng)并將放大處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(圖1中未示出)。
[0055]在該技術(shù)方案中，由于獨(dú)立的第一微型換能單兀1062在發(fā)生形變的時(shí)候產(chǎn)生的電壓信號(hào)幅度很小，需要通過放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，因此，每個(gè)獨(dú)立的第一微型換能單元1062將有一個(gè)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，專門負(fù)責(zé)將對(duì)應(yīng)的第一微型換能單元1062所產(chǎn)生的微小電信號(hào)放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)生成模塊1084將數(shù)字信號(hào)生成相應(yīng)的力反饋數(shù)據(jù)信息。
[0056]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，數(shù)據(jù)生成模塊1084包括:對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮的數(shù)據(jù)壓縮單元(圖1中未示出)和對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信息標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)單元(圖1中未示出)。
[0057]在該技術(shù)方案中，對(duì)每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼時(shí)可以采用類似音頻領(lǐng)域的PCM(Pulse Code Modulation,脈沖編碼調(diào)制)技術(shù)；在壓縮時(shí)也可以采用類似音頻領(lǐng)域的MP3 (Moving Picture Experts Group Audio Layer III，動(dòng)態(tài)影像專家壓縮標(biāo)準(zhǔn)音頻層面3)的有損壓縮的形式，僅濾除皮膚觸覺不敏感的數(shù)據(jù)來達(dá)到壓縮的目的，也可以使用類似FLAC(Free Lossless Audio Codec，無損音頻壓縮編碼)或APE(—種數(shù)字音樂無損壓縮格式)的采用預(yù)測(cè)以及熵編碼的形式進(jìn)行高品質(zhì)的無損壓縮。
[0058]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第二換能模塊110包括:多個(gè)呈陣列排布并能夠產(chǎn)生機(jī)械形變的第二微型換能單元1102 ;驅(qū)動(dòng)裝置112包括:與第二微型換能單元1102相對(duì)應(yīng)并用于驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元1102產(chǎn)生機(jī)械形變的驅(qū)動(dòng)電路1122、根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息控制驅(qū)動(dòng)電路1122產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)控制模塊1124以及讀取力反饋數(shù)據(jù)信息并將力反饋數(shù)據(jù)信息傳送給數(shù)據(jù)控制模塊1124的數(shù)據(jù)通信模塊1126。
[0059]在該技術(shù)方案中，通過多個(gè)呈陣列排布的第二微型換能單元1102執(zhí)行力反饋動(dòng)作，陣列設(shè)置的第二微型換能單元1102連續(xù)布置在目標(biāo)物表面上并構(gòu)成觸覺力反饋執(zhí)行面，這個(gè)執(zhí)行面的形狀和空間分布與具體的目標(biāo)物的物理形狀有關(guān)，數(shù)據(jù)通信模塊1126讀取力反饋數(shù)據(jù)信息，并將力反饋數(shù)據(jù)信息傳送給數(shù)據(jù)控制模塊1124，數(shù)據(jù)控制模塊1124根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息控制驅(qū)動(dòng)電路1122產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元1102產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械形變，形成更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體皮膚觸覺的再現(xiàn)的效果。
[0060]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)電路1122包括:與第二微型換能單元1102--對(duì)
應(yīng)的H橋電路(圖1中未示出)和與H橋電路相對(duì)應(yīng)的PWM單元(圖1中未示出)，H橋電路與相對(duì)應(yīng)的第二微型換能單元1102連接，PWM單元的一端與相對(duì)應(yīng)的H橋電路連接，另一端與數(shù)據(jù)控制模塊1124連接，驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括PWM信號(hào)以及換向控制信號(hào)。
[0061]在該技術(shù)方案中，為了控制第二微型換能單元1102的形變方向，需要對(duì)施加在第二微型換能單元1102上的電壓方向進(jìn)行控制，因此可以通過H橋電路控制第二微型換能單元1102的形變方向，具體地，在同一時(shí)間，控制H橋電路中僅位于對(duì)角線上的兩個(gè)晶體管導(dǎo)通，以在第二微型換能單元1102上施加電壓，并可以通過對(duì)兩條對(duì)角線中導(dǎo)通的對(duì)角線進(jìn)行選擇，以實(shí)現(xiàn)對(duì)施加在第二微型換能單元1102的電壓方向進(jìn)行控制。同時(shí)，可以通過控制向H橋電路中晶體管輸入的脈沖信號(hào)的占空比，以對(duì)第二微型換能單元1102的形變量進(jìn)行控制。其中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的換向控制信號(hào)用于控制H橋電路中導(dǎo)通的晶體管，PWM信號(hào)用于控制向H橋電路中的晶體管輸入的脈沖信號(hào)的占空比。通過使用H橋電路結(jié)合PWM單元驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元1102的形變，使得僅通過改變H橋電路中導(dǎo)通的晶體管就能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)第二微型換能單元1102的形變方向進(jìn)行控制，并且由于在PWM單元傳送至H橋電路的PWM信號(hào)的占空比不同時(shí)，第二微型換能單元1102的形變量是不同的，因此僅需要調(diào)整PWM信號(hào)的占空比就可以控制第二微型換能單元1102的形變量，能夠?qū)崿F(xiàn)第二微型換能單元1102較大的形變范圍，同時(shí)，H橋電路的結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0062]此外，PWM信號(hào)是脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，PWM信號(hào)的占空比是單個(gè)周期內(nèi)高電平時(shí)長與周期的比例，因此可以通過調(diào)節(jié)單個(gè)周期內(nèi)的高電平時(shí)長對(duì)PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行控制；而換向控制信號(hào)是用于控制H橋電路中晶體管的導(dǎo)通的方向，以對(duì)施加在第二微型換能單元1102上的電壓方向進(jìn)行控制，進(jìn)而控制第二微型換能單元1102的形變方向。
[0063] 具體來說，如圖2中(a)所示，以第二微型換能單元1102為例，當(dāng)對(duì)A電極向B電極施加正電壓時(shí)，第二微型換能單元1102的體積產(chǎn)生膨脹；如圖2中(b)所示，當(dāng)對(duì)B電極向A電極施加正電壓時(shí)，第二微型換能單元1102的體積產(chǎn)生收縮，因此可以通過控制向第二微型換能單元1102提供的電壓方向?qū)Φ诙⑿蛽Q能單元1102的形變方向進(jìn)行控制。
[0064]如圖3A所示，在H橋電路中，向晶體管302的控制端輸送預(yù)定占空比的脈沖信號(hào)，并開啟晶體管306(即向晶體管306的控制端輸送占空比為I的脈沖信號(hào))，且關(guān)閉晶體管304和晶體管308(即分別向晶體管304和晶體管308的控制端輸送占空比為O的脈沖信號(hào))，則在第二微型換能單元1102上對(duì)A電極向B電極施加正電壓，因此第二微型換能單元1102體積產(chǎn)生膨脹，且膨脹的形變量與向晶體管302的控制端輸送的脈沖信號(hào)的占空比成正比。
[0065]如圖3B所示，在H橋電路中，向晶體管308的控制端輸送預(yù)定占空比的脈沖信號(hào)，并開啟晶體管304(即向晶體管304的控制端輸送占空比為I的脈沖信號(hào))，且關(guān)閉晶體管302和晶體管306(即分別向晶體管302和晶體管306的控制端輸送占空比為O的脈沖信號(hào))，則在第二微型換能單元1102上對(duì)B電極向A電極施加正電壓，因此第二微型換能單元1102的體積產(chǎn)生收縮，且收縮的形變量與向晶體管308的控制端輸送的脈沖信號(hào)的占空比成正比。
[0066]當(dāng)然，為了能夠?qū)崿F(xiàn)更加細(xì)微的形變量，以更加精確地控制上述第二微型換能單元1102的形變量，可以通過如圖4中所示的使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器402與功率放大器404串聯(lián)組成的驅(qū)動(dòng)電路，以對(duì)第二微型換能單元1102的形變量進(jìn)行控制。即驅(qū)動(dòng)電路1122還可以是另一種形式，即包括:與第二微型換能單元1102 —一對(duì)應(yīng)的功率放大器(圖1中未示出)和與功率放大器相對(duì)應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(圖1中未不出)，功率放大器與相對(duì)應(yīng)的第二微型換能單元1102連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一端與數(shù)據(jù)控制模塊1124連接，另一端與功率放大器連接，驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括電壓幅度信號(hào)。電壓幅度信號(hào)主要用于驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元1102的形變量，具體地，若電壓幅度信號(hào)的幅度較小，則第二微型換能單元1102的形變量較小，相對(duì)地，若電壓幅度信號(hào)的幅度較大，則第二微型換能單元1102的形變量較大，因此可以通過控制數(shù)據(jù)控制模塊1124輸出的數(shù)字信號(hào)的值，以對(duì)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換之后的電壓幅度進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)第二微型換能單元1102的形變量進(jìn)行控制。
[0067]此夕卜，由于電活性聚合物(Electroactive Polymers,ΕΑΡ)是一類能夠在電場作用下，改變形狀或大小的聚合物材料，這類材料通常應(yīng)用在執(zhí)行器和傳感器上。電活性聚合物的典型特性是能夠在維持巨大受力作用的同時(shí)進(jìn)行大幅度的變形，而且電活性聚合物本身可以作為一種換能材料，目前業(yè)界對(duì)它的研究普遍都放在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，但是它本身還具有將形變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的能力，可以用于采集形變信息。并且，電活性聚合物還具有驅(qū)動(dòng)功率低、驅(qū)動(dòng)簡單、材料輕薄等特點(diǎn)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電活性聚合物所需要的信號(hào)線非常少，并且可以分割成非常小的模塊，即可以以類似液晶屏的像素點(diǎn)來進(jìn)行面積排布。因此在以上的實(shí)施例中，第一微型換能單元1062可以為第一電活性聚合物，第一換能模塊106包括用于對(duì)第一電活性聚合物進(jìn)行處理的第一處理電路(圖1中未示出)；第二微型換能單元1102為第二電活性聚合物，第二換能模塊110包括用于對(duì)第二電活性聚合物進(jìn)行處理的第二處理電路(圖1中未示出)。以在充分利用電活性聚合物優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，獲得高分辨率的觸覺力反饋效果。
[0068]當(dāng)然，第一微型換能單元1062和第二微型換能單元1102還可以是其他具備形變-電信號(hào)可逆換能效應(yīng)的材料，如壓電陶瓷、形狀記憶合金等。
[0069]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的示意流程圖。
[0070]如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，包括:步驟502，根據(jù)與皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息生成電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息；步驟504，當(dāng)需要產(chǎn)生觸覺力反饋時(shí)，讀取力反饋數(shù)據(jù)信息，根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變。
[0071]在該技術(shù)方案中，通過記錄皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息，并根據(jù)形變信息產(chǎn)生電信號(hào)，以將電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息，使得在執(zhí)行觸覺力反饋時(shí)，讀取力反饋數(shù)據(jù)信息，將力反饋數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變。相比于采用“多軸機(jī)械應(yīng)力傳感器”采集力反饋數(shù)據(jù)信息，以電磁或其他方法驅(qū)動(dòng)配重塊產(chǎn)生位移，并通過位移產(chǎn)生震動(dòng)的力反饋方式，能夠獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)的效果。
[0072]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息的具體步驟為:采集電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理生成數(shù)字信號(hào)；根據(jù)數(shù)字信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息。
[0073]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變的具體步驟為:讀取力反饋數(shù)據(jù)信息；根據(jù)力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生與形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變。
[0074]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括:PWM信號(hào)以及換向控制信號(hào)。
[0075]PWM信號(hào)是脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，PWM信號(hào)的占空比是單個(gè)周期內(nèi)高電平時(shí)長與周期的比例，因此可以通過調(diào)節(jié)單個(gè)周期內(nèi)的高電平時(shí)長對(duì)PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行控制；而換向控制信號(hào)是用于控制H橋電路中晶體管的導(dǎo)通的方向，以對(duì)施加在第二微型換能單元上的電壓方向進(jìn)行控制，進(jìn)而控制第二微型換能單元的形變方向。
[0076]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括電壓幅度信號(hào)。
[0077]電壓幅度信號(hào)主要用于驅(qū)動(dòng)第二微型換能單元的形變量，具體地，若電壓幅度信號(hào)的幅度較小，則第二微型換能單元的形變量較小，相對(duì)地，若電壓幅度信號(hào)的幅度較大，則第二微型換能單元的形變量較大，因此可以通過控制數(shù)據(jù)控制模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的值，以對(duì)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換之后的電壓幅度進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)第二微型換能單元的形變量進(jìn)行控制。
[0078]以下結(jié)合圖6A至圖SB詳細(xì)介紹本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的觸覺力反饋系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。
[0079]圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的獲取觸覺力反饋數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0080]如圖6A所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的生成力反饋數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)，包括:
[0081]微型換能單元602，微型換能單元602可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，即根據(jù)形變量產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
[0082]觸覺采集面604，觸覺采集面604由多個(gè)微型換能單元602組合構(gòu)成,在觸覺采集面604上，多個(gè)微型換能單元602是連續(xù)布置在觸覺采集面604的表面。觸覺采集面604的形狀和空間分布與具體的被采集物的物理形狀有關(guān)。
[0083]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)606，用于采集觸覺采集面604上每個(gè)微型換能單元602的電信號(hào)，并經(jīng)過數(shù)字化處理后傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)608。
[0084]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)608，用于將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)606傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮和信息標(biāo)識(shí)，以生成力反饋數(shù)據(jù)信息610。
[0085]力反饋數(shù)據(jù)信息610是經(jīng)過編碼壓縮和信息標(biāo)識(shí)后生成的。[0086]通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)物體體表的高分辨率力反饋信息的采集，為實(shí)現(xiàn)在空間和時(shí)間上連續(xù)的觸覺力反饋提供數(shù)據(jù)源。
[0087]其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)606的具體結(jié)構(gòu)如圖6B所示。
[0088]如圖6B所示，由于獨(dú)立的微型換能單元602在發(fā)生形變時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)幅度很小，需要通過放大器進(jìn)行放大，然后再送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。因此每個(gè)獨(dú)立的微型換能單元均有一個(gè)放大器AMP和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，以將對(duì)應(yīng)的微型換能單元所感知到的微小形變電信號(hào)放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。具體地，如圖6B所示，對(duì)應(yīng)于微型換能單元602的放大器為606A，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為606B。
[0089]在每個(gè)獨(dú)立的微型換能單元的形變數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，由并串轉(zhuǎn)換邏輯控制模塊606C將并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行的數(shù)據(jù)，并送入到緩存器606D內(nèi)進(jìn)行緩存，發(fā)送單元606E將緩存器606D內(nèi)的緩存數(shù)據(jù)通過如USB接口、藍(lán)牙等發(fā)送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)608。其中，緩存器606D可以是FIFD (First Input First Output,先進(jìn)先出隊(duì)列)。
[0090]圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的觸覺力反饋執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0091]如圖7A所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的力反饋系統(tǒng)，包括:
[0092]力反饋數(shù)據(jù)信息610，是如圖6A中所示的觸覺力反饋生成系統(tǒng)經(jīng)過采集、編碼壓縮和信息標(biāo)識(shí)后生成的。
[0093]用戶設(shè)備704，可以是計(jì)算機(jī)或手機(jī)等。用戶設(shè)備704可以運(yùn)行與觸覺力反饋相關(guān)的應(yīng)用程序，當(dāng)需要產(chǎn)生觸覺力反饋時(shí)，讀取力反饋數(shù)據(jù)信息610，并傳送給控制器706。
[0094]控制器706，用于根據(jù)用戶設(shè)備704傳送的力反饋數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電路708所需的驅(qū)動(dòng)/[目號(hào)。
[0095]驅(qū)動(dòng)電路708，用于驅(qū)動(dòng)觸覺力反饋執(zhí)行面712上的每一個(gè)微型換能單元710產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械形變。
[0096]微型換能單元710，驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)微型換能單元710產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械形變。
[0097]觸覺力反饋執(zhí)行面712，包括多個(gè)微型換能單元710。觸覺力反饋執(zhí)行面712的形狀和空間分布與具體的目標(biāo)物的物理形狀有關(guān)。
[0098]其中，驅(qū)動(dòng)電路708的結(jié)構(gòu)如圖7B和圖7C所示。
[0099]如圖7B所示，驅(qū)動(dòng)電路708包括H橋電路7084和PWM單元7082，控制器706根據(jù)用戶設(shè)備704傳送的觸覺力反饋數(shù)據(jù)控制PWM單元7082產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)(脈寬調(diào)制信號(hào))，輸入至H橋電路7084，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的微型換能單元710進(jìn)行形變。具體地，如圖7B所示，PWM單元7082與H橋電路7084驅(qū)動(dòng)微型換能單元710發(fā)生形變。
[0100]此外，驅(qū)動(dòng)電路708還可以如圖7C所示，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC配合功率放大器AMP的方案來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)控制器706傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的是觸覺力反饋的電壓幅度信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓幅度信號(hào)，并經(jīng)過功率放大器AMP進(jìn)行放大之后，驅(qū)動(dòng)微型換能單元發(fā)生形變。具體地，如圖7C所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換器7086配合功率放大器7088用于驅(qū)動(dòng)微型換能單元710發(fā)生形變。
[0101]在以上實(shí)施例中，觸覺力反饋執(zhí)行面712是均勻而連續(xù)布置在需要產(chǎn)生觸感的物體表面，這個(gè)物體的物理形狀要和采集的時(shí)候一致，以保證即便采集的時(shí)候的“分辨率”與最終表達(dá)的時(shí)候的“分辨率”不一致也仍然可以在目標(biāo)物上正確的空間位置發(fā)生力反饋。其中，“分辨率”是指觸覺采集面604與觸覺力反饋執(zhí)行面712的比例不同。[0102]具體地，如圖8A所示，(a)圖是采集到的觸覺力反饋數(shù)據(jù)分布圖，即觸覺采集面604上的力反饋數(shù)據(jù)分布圖，顏色深淺表示膨脹或收縮的程度，(b)圖是對(duì)應(yīng)的觸覺力反饋執(zhí)行面712上的力反饋數(shù)據(jù)分布圖，由圖中可以得出，觸覺力反饋執(zhí)行面712的分辨率小于觸覺采集面604的分辨率。
[0103]如圖SB所示，(a)圖是采集到的觸覺力反饋數(shù)據(jù)分布圖，即觸覺采集面604上的力反饋數(shù)據(jù)分布圖，顏色深淺表示膨脹或收縮的程度，(b)圖是對(duì)應(yīng)的觸覺力反饋執(zhí)行面712上的力反饋數(shù)據(jù)分布圖，由圖中可以得出，觸覺力反饋執(zhí)行面712的分辨率大于觸覺采集面604的分辨率。
[0104]在圖6A至圖8B所不的觸覺力反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中，觸覺米集面604中的微型換能單元和觸覺力反饋執(zhí)行面712上的微型換能單元可以采用電活性聚合物材料，也可以是其他具備形變-電信號(hào)可逆換能效應(yīng)的材料，如壓電陶瓷、形狀記憶合金等。
[0105]以下結(jié)合圖9A至圖9B以具體的一個(gè)實(shí)施例詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的力反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的技術(shù)方案。
[0106]以在立體顯示交互領(lǐng)域中，使用操作棒等輔助設(shè)備與屏幕外視差的物體進(jìn)行碰撞或侵入交互為例進(jìn)行說明:
[0107]例如有一種配合立體顯示器的模擬刀具，用來進(jìn)行切削或穿刺虛擬物體的游戲互動(dòng)。當(dāng)操作者手持這種虛擬刀具在屏幕前切割虛擬物體時(shí)，相關(guān)技術(shù)中并沒有提出切割時(shí)刀柄傳遞給操作者作用力的技術(shù)方案。
[0108]而根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，如圖9A所示，可以在真實(shí)刀具902的刀柄表面安裝觸覺力反饋采集面906，并連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)908和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)910，并使用該刀具在真實(shí)場景里切割各種虛擬場景里可能出現(xiàn)的物體(如圖9A中所示的物體904)，以生成力反饋數(shù)據(jù)信息912。
[0109]如圖9B所示，當(dāng)操作者使用模擬刀具在虛擬場景里切削虛擬物體時(shí)，用戶設(shè)備914例如平板電腦手機(jī)游戲機(jī)等上運(yùn)行的應(yīng)用程序判斷刀具正在切削虛擬物體，應(yīng)用程序會(huì)讀取力反饋數(shù)據(jù)信息912中對(duì)應(yīng)的觸覺力反饋數(shù)據(jù)傳送給控制器916，控制器916控制安裝于刀柄上的觸覺力反饋執(zhí)行面918發(fā)生形變，用戶的皮膚會(huì)因?yàn)樾巫兌a(chǎn)生手中的模擬刀具在切削物體的感覺。
[0110]此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體的實(shí)施例，觸覺力反饋系統(tǒng)還可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的虛擬手術(shù)仿真器、遠(yuǎn)程手術(shù)、輔助手術(shù)等方面。
[0111]具體地，在手術(shù)仿真中，主要包括虛擬手術(shù)器械擠壓軟組織模型的面彈力和在軟組織表面上的粘滯摩擦力。下面以虛擬手術(shù)器械擠壓軟組織模型的面彈力為例進(jìn)行說明:
[0112]由于在仿真手術(shù)操作的過程中，操作者需要實(shí)時(shí)感知虛擬手術(shù)器械擠壓軟組織模型的面彈力等反饋信息。實(shí)際上的觸覺力反饋是體現(xiàn)在操作者感知人體模型對(duì)于施加的作用力的反抗作用。因此，可以事先采集手術(shù)器械擠壓軟組織時(shí)的面彈力反饋數(shù)據(jù)，具體地，在手術(shù)器械上增加觸覺力反饋數(shù)據(jù)采集面，在手術(shù)器械擠壓軟組織時(shí)，記錄相應(yīng)的力反饋數(shù)據(jù)信息，并生成力反饋數(shù)據(jù)信息。當(dāng)操作者需要進(jìn)行虛擬手術(shù)時(shí)，讀取力反饋數(shù)據(jù)信息，在虛擬手術(shù)器械與操作者接觸位置的觸覺力反饋執(zhí)行面上發(fā)生形變，以由操作者產(chǎn)生通過手術(shù)器械擠壓人體軟組織的感覺。
[0113]根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，觸覺力反饋系統(tǒng)還可以應(yīng)用于仿真皮膚領(lǐng)域。具體地，如人體皮膚的某一區(qū)域的觸覺損壞，則可以通過仿真皮膚替代該區(qū)域的真實(shí)皮膚，而仿真皮膚可以將機(jī)械形變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在該區(qū)域的仿真皮膚接觸到物體并發(fā)生形變時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)由特殊的芯片(如神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為人體大腦皮層能夠接受的神經(jīng)信號(hào)，并傳送至人體大腦皮層，則可以產(chǎn)生相應(yīng)的觸覺感受。
[0114]以上結(jié)合附圖詳細(xì)說明了本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明提出了一種新的觸覺力反饋實(shí)現(xiàn)方案，能夠獲得更加真實(shí)和細(xì)膩的觸覺效果，還原物體的力反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類皮膚觸覺的再現(xiàn)。
[0115]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種觸覺力反饋系統(tǒng)，其特征在于，包括:力反饋數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)和力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)； 所述力反饋數(shù)據(jù)獲取機(jī)構(gòu)包括:用于記錄皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息，并根據(jù)所述形變信息產(chǎn)生電信號(hào)的第一換能模塊，以及根據(jù)所述電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)處理裝置； 所述力反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:可產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變的第二換能模塊，以及用于驅(qū)動(dòng)所述第二換能模塊發(fā)生所述機(jī)械形變的驅(qū)動(dòng)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺力反饋系統(tǒng)，其特征在于，所述第一換能模塊包括:多個(gè)呈陣列排布并產(chǎn)生所述電信號(hào)的第一微型換能單元； 所述數(shù)據(jù)處理裝置包括:用于采集所述電信號(hào)，并對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理生成數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊和根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)生成所述力反饋數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)生成模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的觸覺力反饋系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括:與所述第一微型換能單元一一對(duì)應(yīng)并用于對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行放大處理的放大器，以及與所述放大器相對(duì)應(yīng)并將放大處理后的所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的觸覺力反饋系統(tǒng)，其特征在于,所述數(shù)據(jù)生成模塊包括:對(duì)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮的數(shù)據(jù)壓縮單元和對(duì)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信息標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)單
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的觸覺力反饋系統(tǒng)，其特征在于，所述第二換能模塊包括:多個(gè)呈陣列排布并能夠產(chǎn)生所述機(jī)械形變的第二微型換能單元； 所述驅(qū)動(dòng)裝置包括:與所述第二微型換能單元相對(duì)應(yīng)并用于驅(qū)動(dòng)所述第二微型換能單元產(chǎn)生所述機(jī)械形變的驅(qū)動(dòng)電路、根據(jù)所述力反饋數(shù)據(jù)信息控制所述驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)控制模塊以及讀取所述力反饋數(shù)據(jù)信息并將所述力反饋數(shù)據(jù)信息傳送給所述數(shù)據(jù)控制模塊的數(shù)據(jù)通信模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的觸覺力反饋系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路包括:與所述第二微型換能單元——對(duì)應(yīng)的H橋電路和與所述H橋電路相對(duì)應(yīng)的PWM單元，所述H橋電路與相對(duì)應(yīng)的所述第二微型換能單元連接，所述PWM單元的一端與相對(duì)應(yīng)的所述H橋電路連接，另一端與所述數(shù)據(jù)控制模塊連接，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括PWM信號(hào)以及換向控制信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的觸覺力反饋系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路包括:與所述第二微型換能單兀對(duì)應(yīng)的功率放大器和與所述功率放大器相對(duì)應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述功率放大器與相對(duì)應(yīng)的所述第二微型換能單元連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一端與所述數(shù)據(jù)控制模塊連接，另一端與所述功率放大器連接，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括電壓幅度信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的觸覺力反饋系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微型換能單元為第一電活性聚合物，所述第一換能模塊包括用于對(duì)所述第一電活性聚合物進(jìn)行處理的第一處理電路；所述第二微型換能單元為第二電活性聚合物，所述第二換能模塊包括用于對(duì)所述第二電活性聚合物進(jìn)行處理的第二處理電路。
9.一種觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括: 根據(jù)與皮膚接觸部位產(chǎn)生的形變信息生成電信號(hào)，根據(jù)所述電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息； 當(dāng)需要產(chǎn)生觸覺力反饋時(shí)，讀取所述力反饋數(shù)據(jù)信息，根據(jù)所述力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，根據(jù)所述電信號(hào)生成力反饋數(shù)據(jù)信息的具體步驟為: 采集所述電信號(hào)，并對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理生成數(shù)字信號(hào)； 根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)生成所述力反饋數(shù)據(jù)信息。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，根據(jù)所述力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變的具體步驟為: 根據(jù)所述力反饋數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生與所述形變信息相對(duì)應(yīng)的機(jī)械形變。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括:PWM信號(hào)以及換向控制信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要 求11所述的觸覺力反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括電壓幅度信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G06F3/01GK103984411SQ201410174135
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】蔣凌鋒 申請(qǐng)人:深圳超多維光電子有限公司