CN105511613A - 一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，包括光源、触摸板、边框、石蜡传感器和控制器，所述边框结构上刻有45°角均匀的槽，其中充满石蜡。通过该手指定位装置实时检测手指位置，进而控制触摸板背面的执行器件产生触觉反馈。本发明适用范围广，特别是在触觉反馈系统的接触终端所要求的高频振动环境下，本发明检测手指位置不会受高频振动的影响，且检测精度高，体积小，装置透明度高，使触觉反馈系统更加集成化，为触觉反馈系统提供了更加广阔的发展前景。

Description

一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置

技术领域

本发明涉及一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置。

背景技术

目前，触觉反馈系统主要研究物体表面纹理的再现，它通过模拟操作者与纹理表面接触时的凹凸感和粗糙感，将纹理的物理属性传递给操作者。其中，基于摩擦力的触觉反馈系统是利用挤压气膜效应来实现手指触感的变化的。此类触觉反馈系统通过手指定位装置实时检测手指位置，进而控制压电陶瓷矩阵驱动单元驱动触摸板背面的压电片产生不同的振动幅度，带动触摸板高频振动，从而实现微小纹理粗糙感的再现。因此，设计一种高精度与高集成化，并能在高频振动环境下工作的手指定位装置成为触觉反馈设计的技术要点。

现有的手指定位装置有多种方案，比如应用较为广泛的电阻或电容屏，但其工作原理决定了不能在它们的背面增加执行器件使其高频振动，这样会使手指定位严重失真，因此其最大的问题是不能应用于触觉反馈系统中高频振动的环境。利用力传感器可以实现高频振动环境下的手指定位，但定位精度不高，误差等级为毫米。利用红外定位，可以实现装置高度集成，只在边框安装红外发射管和红外接收管，但由于红外线接收管体积的限制，其分辨率为0.5mm，定位精度也不高。还有一些定位装置虽然精度较高，但集成度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，属于基于变摩擦力的纹理再现系统的手指定位装置，适用范围广，特别是在触觉反馈系统的接触终端所要求的高频振动环境下，检测手指位置不会受高频振动的影响；且检测精度高，体积小，装置透明度高，使触觉反馈系统更加集成化，为触觉反馈系统提供了更加广阔的发展前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，包括相互信号连接的用于手指触摸的触摸板、传感器和控制器；触摸板边缘设有边框；边框一端设有光源；该边框为第一透明材料制成，该边框的内侧边缘沿离光源由近至远的方向呈由低至高的阶梯状结构，边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜地切割有槽，槽内填充有第二透明材料，以使第一透明材料与第二透明材料交替排布；第一透明材料与第二透明材料间形成第一分界面，第二透明材料与另一侧的第一透明材料间形成第二分界面，第二透明材料与空气间形成第三分界面；光源产生的光线进入边框内部，在第一个阶梯处依次经过第一分界面、第二分界面和第三分界面并在该三个分界面上分别发生反射与折射，在第一分界面产生的反射光线在射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行，在第二分界面产生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个阶梯的第一分界面；以此通过依次进入各阶梯以产生一组平行光，该平行光分布于触摸板上表面；通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光强改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算确定手指在触摸板上的位置。

一实施例中：所述边框位于触摸板边缘的至少两侧，以使通过该位于至少两侧的边框产生的至少两组平行光相互交织成网状并分布于触摸板上表面。

一实施例中：所述在第一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与在第三分界面产生的折射光线相互平行。

一实施例中：所述边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽；光线在所述第一分界面的入射角为45°。

一实施例中：所述第一透明材料为玻璃，所述第二透明材料为石蜡，所述第一分界面为玻璃-石蜡分界面，所述第二分界面为石蜡-玻璃分界面，所述第三分界面为石蜡-空气分界面。

一实施例中：所述玻璃的折射率为1.80～1.85，反射系数为0.06～0.07。

一实施例中：所述触摸板为矩形，矩形触摸板的两个相邻的边缘设有所述边框，所述边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽；所述光源为两个且沿矩形的对角线相对布置；所述第一透明材料为折射率1.80～1.85，反射系数0.06～0.07的玻璃，所述第二透明材料为石蜡，所述第一分界面为玻璃-石蜡分界面，所述第二分界面为石蜡-玻璃分界面，所述第三分界面为石蜡-空气分界面；所述第一分界面的入射角为45°，所述第三分界面的入射角为33°～34°；所述在第一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与在第三分界面产生的折射光线相互平行。

一实施例中：还包括用于产生振动的压电片和压电片驱动装置，压电片装接在触摸板上，压电片驱动装置信号连接控制器；通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光强改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算以确定手指在触摸板上的位置并信号传输至压电片驱动装置，压电片驱动装置控制压电片产生振动并带动触摸板振动以实现触觉反馈。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

上述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置的制备方法，所述边框的制备过程包括：

利用第一透明材料制作出边框初品，在该边框初品上沿倾斜地切割出若干平行间隔布置的槽，在该槽内填充第二透明材料；根据光源位置、边框初品尺寸、槽角度和尺寸、光线在第一分界面、第二分界面和第三分界面上的反射与折射情况，按照在第一分界面产生的反射光线在射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行、在第二分界面产生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个第一分界面的要求，确定需要切割的部分，并对边框初品进行切割形成所述阶梯状结构。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.本发明的装置设计简易，将玻璃边框采用全息光刻技术刻出均匀的槽，槽内部充满石蜡，利用光线在玻璃与石蜡分界面、石蜡与空气分界面发生反射与折射从而产生平行光，装置集成度高，体积小，布局合理，操作方便，更加符合现代对智能化、集成化、小型化的要求。

2.本发明适用范围广，特别是在触觉反馈系统终端高频振动环境下，检测手指的位置时不会受高频振动的影响，尤其适合应用于高频振动的动态环境。

3.本发明测量精度高，利用全息光刻技术，本发明的槽可以达到纳米级，从而产生密集的平行光，其对触摸板的覆盖性较强。线性CCD传感器可以检测弱光信号，光强低于一定范围时线性响应特性较好，且像素大的传感器采集到的数据更完善，比起红外检测来说，定位精度更高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例1的可用于触觉反馈系统的手指定位装置结构示意图。

图2是本发明的可用于触觉反馈系统的手指定位装置结构具体的光路原理图。

图3a是本发明的边框的俯视图。

图3b是本发明的边框的立体结构示意图。

图4a是本发明的边框的制作原理图之一。

图4b是本发明的边框的制作原理图之二。

图5是本发明实施例2的可用于触觉反馈系统的手指定位装置的背面结构示意图。

附图标记：触摸板1，边框2，石蜡3，触摸板4，线性CCD传感器5，第一分界面(玻璃-石蜡分界面)6，第二分界面(石蜡-玻璃分界面)7，第三分界面(石蜡-空气分界面)8，压电片9。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

实施例1

一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，包括相互信号连接的用于手指触摸的触摸板、传感器和控制器；触摸板边缘设有边框；边框一端设有光源；该边框为第一透明材料制成，该边框的内侧边缘沿离光源由近至远的方向呈由低至高的阶梯状结构，边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜地切割有槽，槽内填充有第二透明材料，以使第一透明材料与第二透明材料交替排布；第一透明材料与第二透明材料间形成第一分界面，第二透明材料与另一侧的第一透明材料间形成第二分界面，第二透明材料与空气间形成第三分界面；光源产生的光线进入边框内部，在第一个阶梯处依次经过第一分界面、第二分界面和第三分界面并在该三个分界面上分别发生反射与折射，在第一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与在第三分界面产生的折射光线相互平行，在第二分界面产生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个阶梯的第一分界面；以此通过依次进入各阶梯以产生一组平行光，该平行光分布于触摸板上表面；通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光强改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算确定手指在触摸板上的位置。

具体到本实施例的可用于触觉反馈系统的手指定位装置中，请参照图1，所述触摸板4为矩形的玻璃触摸板，所述传感器为线性CCD传感器5；所述控制器例如为DSP控制器；线性CCD传感器5连接DSP控制器的AD口；玻璃触摸板4两个相邻的边缘均设有第一透明材料玻璃制成的边框2，所述光源1为两个激光光源且沿矩形的对角线相对布置在边框2上；触摸板4在两个边缘的边框2的内侧边缘分别沿离两个光源1由近至远的方向呈由低至高的阶梯状结构，每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽，各槽相互平行间隔布置；槽内填充有第二透明材料石蜡3，玻璃与石蜡3呈交替排布。本实施例之中，采用的玻璃为折射率1.8141，反射系数0.0644的高折射率、低色散的环保镧系玻璃。根据玻璃、石蜡、空气的折射率，以及光线的入射角度，可以实现通过阶梯状结构产生平行光的技术效果，具体如下：

为了便于描述，请参照图2，每个阶梯中，按照光线行进的方向来看，光线从光源1(图中未示出)中射出形成光线R1，R1进入边框2内部后首先在第一个阶梯处遇到第一分界面6为玻璃-石蜡分界面，由于槽是沿45°设置的，而光线又垂直射入玻璃，因此第一分界面6上的入射角A即为45°，发生反射与折射后，反射光线R2与R1垂直，且设置边框2的形状以保证R2垂直射出边框2之外，折射光线R3遇到第二分界面7，为石蜡-玻璃分界面，发生反射与折射，反射光线R4遇到第三分界面8，为石蜡-空气分界面，通过设置石蜡与空气交界处的石蜡形状以使R4在第三分界面8上的入射角B为33.68°，再次发生反射与折射，产生的折射光线R6正好与R2平行；由于各槽平行间隔布置，因此第一分界面与第二分界面平行，在第二分界面7产生的折射光线R5根据光路原理与R1平行，继续在下一个阶梯发生反射与折射。以此通过依次进入各阶梯以产生一组平行光，两侧的边框2产生的平行光相互垂直并交织成网状，分布于触摸板4上表面。此时，手指若接触触摸板4，由于手指的遮挡，相应位置的平行光光强会降低，线性CCD传感器5接收的光强降低，并信号传输至DSP控制器，DSP控制器将数据进行模数转换，通过编程计算即可确定手指在触摸板上的位置。

本实施例之中，为了避免光线在介质分界面产生全反射，因此将玻璃边框的槽中嵌入石蜡，而不能只是空气槽；另一方面，反射与折射介质选择玻璃和石蜡，它们均属于无定形体，是透明材料，无法吸收可见光，光线可以直接穿透过去。所以当激光光源垂直照射玻璃与石蜡时，基本不吸收光强，只在玻璃与石蜡分界面、石蜡与空气分界面发生反射与折射。

当光照射到两种介质的分界面时，不仅发生反射与折射，同时也存在能量分配问题。根据菲涅尔公式，可以得出光在反射与折射过程中的能量分配规律，即反射系数：

$R=\frac{1}{2}\{{\left(\frac{n_2{\mathrm{cosi}}_2-n_1{\mathrm{cosi}}_2}{n_2{\mathrm{cosi}}_1+n_1{\mathrm{cosi}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{n_1{\mathrm{cosi}}_1-n_2{\mathrm{cosi}}_2}{n_1{\mathrm{cosi}}_1+n_2{\mathrm{cosi}}_2}\right)}^2\}$

其中n₁与n₂分别为入射光所在介质的折射率、折射光所在介质的折射率，i₁与i₂分别为入射角、折射角。普通玻璃的反射系数较小，为0.0147，为了使得获取的平行光的光强不至于过低，需要增加玻璃的折射率，因此本实施例采用的是高折射率、低色散的环保镧系玻璃，折射率为1.8141，这样反射系数可达0.0644。

本实施例之中，采用的传感器为线性CCD传感器，可以检测微弱信号，尤其在低光照时线性特性较好，激光光源经反射与折射后衰减的光强不多，可以满足线性CCD传感器的线性响应。

本实施例之中，所述边框的制备过程包括：

利用玻璃制作出边框初品，如图4a所示，在该边框初品上沿45°角倾斜地利用全息光刻技术切割出若干平行间隔布置的槽，在该槽内填充石蜡3；根据光源1位置、边框初品尺寸、槽角度和尺寸、光线在第一分界面、第二分界面和第三分界面上的反射与折射情况，按照在第一分界面产生的反射光线在射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行、在第二分界面产生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个第一分界面的要求，确定需要切割的部分，并对边框初品进行切割形成所述阶梯状结构。例如，反射光线R4(图中未示出)经过第三分界面8折射出光线R6，且光线R5(图中未示出)反射时需保证玻璃与反射光成90°，所以切割掉的部分为abcd所包围的面积，依次类推，应该沿线段a-b-c-d-e-f-g-j切割玻璃边框2，切割后的玻璃边框参照图4b。

实施例2

实施例2与实施例1所不同之处在于，在实施例1的基础上还包括用于产生振动的压电片和压电片驱动装置，如图5所示，压电片9粘接在触摸板4的四个角落上，压电片驱动装置信号连接DSP控制器；手指接触触摸板4后，相应位置的平行光光强降低，线性CCD传感器5接收的光强降低，并信号传输至DSP控制器，DSP控制器将数据进行模数转换，通过编程计算即可确定手指在触摸板上的位置；同时，DSP控制器将信号传输至压电片驱动装置，压电片驱动装置驱动触摸板4背面的压电片9产生不同的振动幅度，带动触摸板4高频振动，从而实现微小纹理粗糙感的触觉再现反馈。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，包括相互信号连接的用于手指触摸的触摸板、传感器和控制器；其特征在于：触摸板边缘设有边框；边框一端设有光源；该边框为第一透明材料制成，该边框的内侧边缘沿离光源由近至远的方向呈由低至高的阶梯状结构，边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜地切割有槽，槽内填充有第二透明材料，以使第一透明材料与第二透明材料交替排布；第一透明材料与第二透明材料间形成第一分界面，第二透明材料与另一侧的第一透明材料间形成第二分界面，第二透明材料与空气间形成第三分界面；光源产生的光线进入边框内部，在第一个阶梯处依次经过第一分界面、第二分界面和第三分界面并在该三个分界面上分别发生反射与折射，在第一分界面产生的反射光线在射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行，在第二分界面产生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个阶梯的第一分界面；以此通过依次进入各阶梯以产生一组平行光，该平行光分布于触摸板上表面；通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光强改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算确定手指在触摸板上的位置。

2.根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于：所述边框位于触摸板边缘的至少两侧，以使通过该位于至少两侧的边框产生的至少两组平行光相互交织成网状并分布于触摸板上表面。

3.根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于：所述在第一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与在第三分界面产生的折射光线相互平行。

4.根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于：所述边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽；光线在所述第一分界面的入射角为45°。

5.根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于：所述第一透明材料为玻璃，所述第二透明材料为石蜡，所述第一分界面为玻璃-石蜡分界面，所述第二分界面为石蜡-玻璃分界面，所述第三分界面为石蜡-空气分界面。

6.根据权利要求4所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于：所述玻璃的折射率为1.80～1.85，反射系数为0.06～0.07。

7.根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于：所述触摸板为矩形，矩形触摸板的两个相邻的边缘设有所述边框，所述边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽；所述光源为两个且沿矩形的对角线相对布置；所述第一透明材料为折射率1.80～1.85，反射系数0.06～0.07的玻璃，所述第二透明材料为石蜡，所述第一分界面为玻璃-石蜡分界面，所述第二分界面为石蜡-玻璃分界面，所述第三分界面为石蜡-空气分界面；所述第一分界面的入射角为45°，所述第三分界面的入射角为33°～34°；所述在第一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与在第三分界面产生的折射光线相互平行。

8.根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于：还包括用于产生振动的压电片和压电片驱动装置，压电片装接在触摸板上，压电片驱动装置信号连接控制器；通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光强改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算以确定手指在触摸板上的位置并信号传输至压电片驱动装置，压电片驱动装置控制压电片产生振动并带动触摸板振动以实现触觉反馈。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置的制备方法，其特征在于：所述边框的制备过程包括：

利用第一透明材料制作出边框初品，在该边框初品上沿倾斜地切割出若干平行间隔布置的槽，在该槽内填充第二透明材料；根据光源位置、边框初品尺寸、槽角度和尺寸、光线在第一分界面、第二分界面和第三分界面上的反射与折射情况，按照在第一分界面产生的反射光线在射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行、在第二分界面产生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个第一分界面的要求，确定需要切割的部分，并对边框初品进行切割形成所述阶梯状结构。