[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

说明书

本发明公开的一种面向触摸屏应用的笔式力‑触觉再现装置及其力控制方法，是针对发明专利ZL201610111304.4中实现力反馈所用到的装置和方法的改进。装置改进包括：（1）增加了位移传感器；（2）将磁流变液阻尼器与音圈电机相结合，形成混合力反馈执行器；（3）在磁流变液阻尼器中增加了霍尔传感器，并采用磁密封技术。提出的力反馈控制方法将虚拟交互力分为低频力信号和高频力信号两部分，并分别采用磁流变液阻尼器和音圈电机来再现。在磁流变液阻尼器中集成霍尔传感器，解决了磁滞效应引起的阻尼器输出力无法被准确预测和控制的问题。该装置可在大的输出力范围内高精度的向用户再现虚拟交互力，并提高用户使用该装置与触摸屏交互的真实感和连续性。

技术领域

本发明属于人机交互领域的人机交互接口装置，尤其涉及一种能够精确再现虚拟交互力的笔式力-触觉再现装置和力反馈控制方法。

背景技术

在触摸屏上实现与虚拟环境的力触觉交互，需要使用适应智能设备便携性的力触觉接口装置。如今，已有大量的研究将不同类型的装置应用于与触摸屏交互，笔式设备以其在便携和自然交互方面的优势引起了人们的大量关注。其中有一些笔式输入设备已投入到商业应用，如美国苹果公司的Apple Pencil、美国微软公司的Microsoft Surface Pen和韩国三星公司的Samsung S-Pen等。这些设备对于提高触摸屏操作的准确性是有用的。然而，为了适应移动终端的便携性，现有的笔式力触觉装置在追求小型化的过程中，大多侧重于在用户点击、滑动等交互操作时产生触觉刺激，却很少对交互中产生的力信息进行表达。

为了再现虚拟交互力，在发明专利《面向多媒体移动终端交互应用的笔式力-触觉再现装置》(ZL201610111304.4)中，我们已经介绍了一种笔式力触觉再现装置。该装置仅使用一个直动式磁流变液阻尼器为用户提供被动力反馈，并在阻尼器的一端加入了弹簧，以减小初始阻尼力对力反馈准确性的影响。虽然磁流变液阻尼器具有比主动执行器(如电机)更大的力-体积比，但也存在一些缺点，例如：(1)由于受到初始阻尼力和磁滞效应的影响，其输出力不能被精确的预测和控制；(2)磁流变液阻尼器的对高频力信号的响应精度不够；(3)由于被动特性，阻尼器无法自动复位。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对背景技术所提出的问题，对发明专利ZL201610111304.4中装置的力反馈结构进行改进，通过将磁流变液阻尼器与音圈电机相结合来形成混合力反馈执行器；并提出一种能够在执行直线运动时，精确再现虚拟交互力的力反馈控制方法，从而提高用户使用该装置与触摸屏交互的真实感和连续性。

技术方案：本发明的技术方案是：面向触摸屏应用的笔式力-触觉再现装置，该装置包括电容笔头、连接筒、位移传感器、套环、连接杆、圆筒形笔壳、磁流变液阻尼器、音圈电机、方形笔壳、振动电机、可充电电池、测控电路、压电陶瓷振动器、拨动开关和盖子；

所述磁流变液阻尼器包括左活塞杆、活塞、右活塞杆；

所述的连接筒和方形笔壳均与圆筒形笔壳通过紧配合进行连接，以形成装置的主体结构；所述的连接筒的筒口处具有内螺纹，电容笔头通过螺纹固定于连接筒的筒口处，用于实现装置与触摸屏的交互和定位；所述位移传感器固定于连接筒内部，其与磁流变液阻尼器的左活塞杆通过螺纹连接；所述套环套在连接筒的外部，其可在连接筒的外部自由滑动；套环的右端开有两个小孔，连接杆可通过紧配合贯穿两个小孔进行连接，且连接杆的长度与套环的直径相同；连接筒与圆筒形笔壳连接的部分开设有槽口，连接杆可在槽口内运动；所述磁流变液阻尼器限位固定于圆筒形笔壳内，其左活塞杆的左端开有连接孔，连接杆通过紧配合固定于连接孔内；所述音圈电机固定于方形笔壳内部，其动圈与磁流变液阻尼器的右活塞杆通过螺纹连接；当手指握住套环在连接筒上左右移动时，套环可通过连接杆带动左活塞杆、活塞、右活塞杆和音圈电机的动圈一起运动；可充电电池、振动电机、测控电路、压电陶瓷振动器、拨动开关位于方形笔壳内；测控电路通过导线分别与位移传感器、磁流变液阻尼器、音圈电机、振动电机、可充电电池、压电陶瓷振动器、拨动开关连接；所述拨动开关部分暴露于方形笔壳外；所述方形笔壳上设置有用于开闭的盖子。