[发明专利]面向触摸屏应用的笔式力-触觉再现装置及其力控制方法

权利要求书

1.一种面向触摸屏应用的笔式力-触觉再现装置的力控制方法，笔式力-触觉再现装置包括电容笔头(1)、连接筒(2)、位移传感器(3)、套环(4)、连接杆(5)、圆筒形笔壳(6)、磁流变液阻尼器(7)、音圈电机(8)、方形笔壳(9)、振动电机(10)、可充电电池(11)、测控电路(12)、压电陶瓷振动器(13)、拨动开关(14)和盖子(15)；所述磁流变液阻尼器(7)包括左活塞杆(701)、活塞(709)、右活塞杆(711)；所述的连接筒(2)和方形笔壳(9)均与圆筒形笔壳(6)通过紧配合进行连接，以形成装置的主体结构；所述的连接筒(2)的筒口处具有内螺纹，电容笔头(1)通过螺纹固定于连接筒(2)的筒口处，用于实现装置与触摸屏的交互和定位；所述位移传感器(3)固定于连接筒(2)内部，其与磁流变液阻尼器(7)的左活塞杆(701)通过螺纹连接；所述套环(4)套在连接筒(2)的外部，其可在连接筒(2)的外部自由滑动；套环(4)的右端开有两个小孔，连接杆(5)可通过紧配合贯穿两个小孔进行连接，且连接杆(5)的长度与套环(4)的直径相同；连接筒(2)与圆筒形笔壳(6)连接的部分开设有槽口，连接杆(5)可在槽口内运动；所述磁流变液阻尼器(7)限位固定于圆筒形笔壳(6)内，其左活塞杆(701)的左端开有连接孔(702)，连接杆(5)通过紧配合固定于连接孔(702)内；所述音圈电机(8)固定于方形笔壳(9)内部，其动圈与磁流变液阻尼器(7)的右活塞杆(711)通过螺纹连接；当手指握住套环(4)在连接筒(2)上左右移动时，套环(4)可通过连接杆(5)带动左活塞杆(701)、活塞(709)、右活塞杆(711)和音圈电机(8)的动圈一起运动；可充电电池(11)、振动电机(10)、测控电路(12)、压电陶瓷振动器(13)、拨动开关(14)位于方形笔壳(9)内；测控电路(12)通过导线分别与位移传感器(3)、磁流变液阻尼器(7)、音圈电机(8)、振动电机(10)、可充电电池(11)、压电陶瓷振动器(13)、拨动开关(14)连接；所述拨动开关(14)部分暴露于方形笔壳(9)外；所述方形笔壳(9)上设置有用于开闭的盖子(15)；所述磁流变液阻尼器(7)还包括外壳(708)，外壳(708)为两端开口的管状结构，外壳(708)的两端分别设有带通孔的封盖(703)，外壳(708)内设有活塞(709)；所述外壳(708)的内壁与活塞(709)的外壁之间具有环形间隙，作为磁流变液的工作区；所述活塞(709)的两侧分别与左活塞杆(701)和右活塞杆(711)通过螺纹连接，左活塞杆(701)和右活塞杆(711)均穿过各自一侧的封盖(703)的通孔；所述左活塞杆(701)和右活塞杆(711)外围填充有磁流变液(706)；所述活塞(709)靠近左活塞杆(701)的一侧集成有霍尔传感器(707)，霍尔传感器(707)与处于工作区的磁流变液直接接触；所述封盖(703)朝向活塞(709)方向依次设有套于左活塞杆(701)或右活塞杆(711)的防水海绵(713)、圆形磁环(704)、铝环(712)和密封圈(705)，以实现对磁流变液阻尼器的磁密封；所述活塞(709)的线轴上有由漆包线绕制而成的激励线圈(710)；激励线圈(710)的右端有引出线(714)，其通过活塞(709)右端以及右活塞杆(711)内部的孔引出；其特征在于，所述笔式力-触觉再现装置的力控制方法包括以下步骤：

步骤1：构建磁流变液阻尼器和音圈电机的标定平台，该平台包括直流稳压电源、测力计、位置驱动器、示波器和固定装置，进行磁流变液阻尼器的标定试验，磁流变液阻尼器固定于标定平台上，测力计的拉环与磁流变液阻尼器左侧的连接孔(702)通过钢丝绳连接，测力计被固定在位置驱动器上，直流稳压电源为磁流变液阻尼器中的激励线圈(710)提供电流；在不同的电流水平下，位置驱动器带动测力计匀速拉动磁流变液阻尼器的活塞(709)，使其与外壳(708)发生相对运动；示波器显示和记录由测力计和霍尔传感器测量的磁流变液阻尼器的阻尼力和作用在磁流变液工作区上的磁感应强度，进行音圈电机的标定试验，采用了与磁流变液阻尼器的标定试验相同做装置和测试方法，由此，分别获得磁流变液阻尼器的力-电流关系曲线、力-磁感应强度关系曲线和磁感应强度-电流关系曲线，以及音圈电机的力-电流关系曲线；

步骤2：带有触摸屏的智能设备水平放置于桌面上，笔式力-触觉再现装置与智能设备通过蓝牙建立连接，并初始化智能设备上显示的虚拟场景；

步骤3：用户的一只手握住再现装置在触摸屏的表面滑动，当装置在虚拟场景中的虚拟代理与虚拟物体发生碰撞时，由振动电机(10)产生的振动提示；

步骤4：用户根据振动提示，使装置的电容笔头(1)与触摸屏保持相对静止和垂直，接着使用大拇指和食指握住套环(4)，向下按压；

步骤5：在按压过程中，根据以下力反馈控制算法向用户再现虚拟交互力，过程如下：

(A)装置中的位移传感器(3)记录套环(4)的位移P_m，并将P_m实时映射到虚拟场景中，虚拟场景根据虚拟代理刺入虚拟物体的深度，计算出虚拟交互力F_obj；同时，用户可通过视觉观察到虚拟物体的形变；

(B)虚拟交互力F_obj先通过低通滤波器，获得平滑后的力F′_obj，并使用磁流变液阻尼器对其进行再现，具体为：F′_obj根据磁流变液阻尼器的磁感应强度-力关系曲线获得对应的目标磁感应强度的值B；数控恒流电源先根据磁流变液阻尼器的力-电流关系曲线向磁流变液阻尼器输出激励电流I_d；由霍尔传感器测量施加在磁流变液工作区上的实测磁感应强度B′；B′作为负反馈量与B进行比较，两者的差值ΔB经PID控制器对数控恒流电源输出的激励电流I_d进行调节；

(C)根据磁流变液阻尼器的力-磁感应强度关系曲线，由B′获得磁流变液阻尼器的实际输出力F_d；比较F_obj与F_d，获得力的差值ΔF，则ΔF即为低通滤波器滤除的F_obj中的高频部分；

(D)借助音圈电机的高频响应再现ΔF；根据音圈电机的力-电流关系曲线，获得对应的驱动电流I_v，并由H桥电机驱动器来驱动音圈电机输出力F_v；将F_d与F_v进行叠加反馈给用户，则实现了精确的力反馈控制过程；

步骤6：用户的按压深度达到装置的最大行程后，振动电机产生另一种特定的振动提示，用户停止按压套环(4)；当用户将装置与触摸屏脱离后，音圈电机(8)立即对套环(4)进行复位。