陳思凡，陸 熊

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

觸覺(jué)能讓人感知物體的表面特征以及物理特性，如柔軟度、硬度、彈性、粗糙度以及材質(zhì)等。觸覺(jué)的研究一直是虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程操作以及人機(jī)交互等領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。借助于觸覺(jué)再現(xiàn)設(shè)備以及軟件仿真環(huán)境，觸覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)能夠提供觸覺(jué)反饋，使用戶(hù)可以通過(guò)觸覺(jué)再現(xiàn)設(shè)備來(lái)觸摸、感覺(jué)和操控虛擬環(huán)境中的物體［1］。

按照觸覺(jué)再現(xiàn)原理可以將觸覺(jué)再現(xiàn)方法分為基于摩擦力控制的和基于非摩擦力控制的觸覺(jué)再現(xiàn)方法。在基于非摩擦力控制的方法當(dāng)中，人們利用諸如壓電單元［2］、氣動(dòng)裝置［3］、直流電機(jī)［4］等機(jī)械制動(dòng)器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)再現(xiàn)。電觸覺(jué)方法［5-6］利用電流直接刺激人體皮膚內(nèi)神經(jīng)纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)再現(xiàn)。在基于摩擦力控制的觸覺(jué)再現(xiàn)方法當(dāng)中，基于空氣壓膜效應(yīng)［7］的觸覺(jué)再現(xiàn)方法受限于壓電陶瓷的體積以及功耗，使得該方法較難實(shí)現(xiàn)大面積、低功耗的觸覺(jué)再現(xiàn)裝置?；陔娭抡駝?dòng)效應(yīng)［8-16］的觸覺(jué)再現(xiàn)方法，利用電極和手指之間的靜電吸引力能夠?qū)崿F(xiàn)較為精細(xì)的、大面積的觸覺(jué)再現(xiàn)。

本文結(jié)合電致振動(dòng)效應(yīng)原理和微加工技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于電致振動(dòng)效應(yīng)的觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)。

1 觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)基本原理

圖1 觸覺(jué)再現(xiàn)面板示意圖

本系統(tǒng)的觸覺(jué)再現(xiàn)面板包含3個(gè)部分(見(jiàn)圖1):基底層、電極層和絕緣層。人手和觸覺(jué)裝置面板絕緣層接觸或者靠近的時(shí)候，給觸覺(jué)再現(xiàn)面板里的電極層施加電信號(hào)，人手和觸覺(jué)再現(xiàn)面板的電極層就類(lèi)似于電容的2個(gè)極板。人手角質(zhì)層、空氣層和觸覺(jué)再現(xiàn)面板的絕緣層就充當(dāng)了這個(gè)電容的電介質(zhì)。

如圖1所示，電容兩極板在電場(chǎng)的作用下對(duì)彼此產(chǎn)生靜電吸引力Fe為:

其中，ε0代表自由空間介電常數(shù)，A代表手指和面板的有效接觸面積，Vf代表手指和電極層的電勢(shì)差，εi、εsc分別代表絕緣層和人手角質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)，di、dsc分別代表絕緣層和人手角質(zhì)層的厚度。

當(dāng)人手手指在觸覺(jué)裝置面板表面滑動(dòng)的時(shí)候，面板表面就會(huì)給手指一個(gè)阻礙手指移動(dòng)的摩擦力。這個(gè)摩擦力fe可以通過(guò)公式(2)來(lái)描述:

其中，μ代表面板表面和手指的滑動(dòng)摩擦力系數(shù)，F(xiàn)n代表人手指施加給面板表面的法向壓力，F(xiàn)e代表手指和觸覺(jué)裝置面板之間的靜電吸引力。

2 觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)成

基于電致振動(dòng)效應(yīng)的觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)由如下幾個(gè)模塊組成:觸覺(jué)再現(xiàn)面板、開(kāi)關(guān)陣列模塊、電源模塊、液晶顯示模塊、中央控制模塊等。各個(gè)模塊框圖如圖2所示。

圖2 基于電致振動(dòng)效應(yīng)的觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)模塊框圖

各模塊的功能如下:中央控制模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的初始化以及對(duì)其它模塊的控制;電源模塊主要由高壓電源和低壓轉(zhuǎn)換電路組成;開(kāi)關(guān)陣列模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)觸覺(jué)面板上各個(gè)電極的激勵(lì)信號(hào)的控制;觸覺(jué)面板主要功能是實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)再現(xiàn)，由8×8電極陣列組成;液晶顯示模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的記錄等功能。

2.1 觸覺(jué)再現(xiàn)面板

觸覺(jué)再現(xiàn)面板是本系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一。如圖1所示，基底層是電極層的加工基底;電極層由8×8的電極陣列組成;絕緣層主要由絕緣薄膜組成。每一塊電極為2.29mm×2.29mm的正方形方塊電極，電極間中心距離為3.15mm。

觸覺(jué)再現(xiàn)面板的加工過(guò)程如下:首先利用PCB加工技術(shù)完成電極層及電極引線(xiàn)的制作。然后在PCB板上旋涂一層絕緣薄膜，將電極之間的間隙填充起來(lái)。接下來(lái)對(duì)已經(jīng)填充的電路板進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，直至裸露出銅電極為止。最后利用旋涂工藝在平整的銅電極表面旋涂一層聚酰亞胺薄膜。觸覺(jué)再現(xiàn)面板實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 加工后的觸覺(jué)面板實(shí)物圖

2.2 開(kāi)關(guān)陣列模塊

該模塊采用HV507芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)電極信號(hào)的控制。HV507是一款將串行低壓轉(zhuǎn)換到并行高壓推挽輸出的64路高壓集成轉(zhuǎn)換器。其直流輸出電壓可以達(dá)到300V，每一個(gè)輸出通道的輸出電流在±1mA以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足本系統(tǒng)所需的電壓要求以及系統(tǒng)安全要求。該芯片的64路輸出通道和觸覺(jué)再現(xiàn)面板的64個(gè)電極相連。

HV507的控制時(shí)序主要由時(shí)鐘信號(hào)(CLK)、鎖存信號(hào)(LE)、串行輸入信號(hào)(DA)來(lái)產(chǎn)生:(1)拉低LE，通過(guò)64次時(shí)鐘上升沿觸發(fā)信號(hào)，將串行數(shù)據(jù)從DA管腳移位至芯片內(nèi)部的64位移位寄存器;(2)拉高LE，64路高壓輸出管腳按照移位寄存器內(nèi)每一位的邏輯電平輸出相對(duì)應(yīng)的高壓信號(hào)，其中邏輯1對(duì)應(yīng)高壓輸出，邏輯0對(duì)應(yīng)0V電壓輸出。

2.3 電源模塊

電源模塊包括邏輯電壓模塊和高電壓模塊2部分。邏輯電壓模塊主要由5V轉(zhuǎn)3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路組成，轉(zhuǎn)換芯片為低壓差線(xiàn)性調(diào)壓器LM1117;高電壓模塊選用的高壓電源規(guī)格為:5V電壓輸入，0V～400V電壓輸出，最大電流輸出為1.5mA。

2.4 液晶顯示模塊

此模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的配置、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示等功能。實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括電壓幅度、電壓頻率、占空比、電極尺寸、電極電壓模式等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存功能主要是用戶(hù)感知的結(jié)果保存到系統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)器當(dāng)中。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示功能主要是實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示到液晶顯示屏上。

2.5 中央控制模塊

此模塊采用ARM11處理器S3C6410，其硬件平臺(tái)為核心板加底板設(shè)計(jì)，配備有串口、JTAG、液晶顯示接口、Flash存儲(chǔ)、GPIO擴(kuò)展接口等。此模塊軟件采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用Qt開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)的圖形用戶(hù)界面。Qt程序的軟件框圖如圖4所示，軟件主線(xiàn)程主要完成對(duì)系統(tǒng)主界面的初始化;子線(xiàn)程用來(lái)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)陣列的時(shí)序波形。

圖4 觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)軟件框圖

3 觸覺(jué)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

觸覺(jué)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。電致振動(dòng)效應(yīng)的觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)的工作原理決定了系統(tǒng)性能受人體皮膚特性以及環(huán)境條件等影響:手指皮膚中的汗液、油脂等，觸覺(jué)面板表面的空氣水分會(huì)造成手指和面板間電場(chǎng)強(qiáng)度的減小，繼而影響靜電力的大小，因而會(huì)影響人手的感知效果。因此，本文采用以下措施來(lái)盡可能降低手指皮膚特性和環(huán)境濕度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響:(1)實(shí)驗(yàn)對(duì)象在實(shí)驗(yàn)前先用肥皂水清洗手指，以除去手指上的汗液、油脂、污漬等;(2)通過(guò)空調(diào)的調(diào)溫和除濕功能使得室內(nèi)溫度保持在19℃ ～25℃之間，室內(nèi)濕度保持在35%～48%之間。

圖5 觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)觸覺(jué)再現(xiàn)的有效性，本文邀請(qǐng)了7名實(shí)驗(yàn)對(duì)象來(lái)參與實(shí)驗(yàn)，采用3種圖形模式(如圖6所示)作為感知目標(biāo)，開(kāi)展觸覺(jué)再現(xiàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用電壓信號(hào)為方波信號(hào)，幅值為204V，頻率為149Hz，占空比為50%。

圖6 觸覺(jué)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)3種圖形模式

實(shí)驗(yàn)步驟具體如下:(1)本實(shí)驗(yàn)建立如圖6所示的圖形模式。通過(guò)Qt程序產(chǎn)生開(kāi)關(guān)陣列模塊對(duì)應(yīng)與相關(guān)圖形模式的時(shí)序，以此來(lái)控制相應(yīng)電極信號(hào)的有和無(wú);(2)實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)不同的圖形模式進(jìn)行觸摸感知，判斷其感知出的圖形模式和圖6中哪一個(gè)最接近。如果其感知的圖形模式和系統(tǒng)設(shè)定圖形模式相符合，就認(rèn)為其感知成功，并且記錄下這個(gè)結(jié)果。對(duì)7位實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(不限定次數(shù))，結(jié)果如表1所示。

表1 觸覺(jué)再現(xiàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論，對(duì)于輪廓比較鮮明的圖形模式(如正方形等)，人手指的感知成功率較高，而對(duì)輪廓不鮮明的圖形模式(如圓等)的感知成功率相對(duì)較低。盡管有很多因素(如電壓特性、電極尺寸參數(shù)、觸覺(jué)面板的物理參數(shù)等)可能會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是人手指仍然能夠?qū)?jiǎn)單的圖形進(jìn)行認(rèn)知，這為將來(lái)更加復(fù)雜圖形模式的觸覺(jué)再現(xiàn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為人機(jī)交互模式的擴(kuò)展，觸覺(jué)再現(xiàn)可以進(jìn)一步改善人機(jī)交互的質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于電致振動(dòng)效應(yīng)的觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在觸覺(jué)再現(xiàn)領(lǐng)域的有效性和可行性。

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