CN112834024A - 基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，应用于接触力复现技术领域，包括：手套本体、传感器、振动器、电源模块、主控模块、通信模块和驱动模块；其中，所述传感器获取前端传感数据；所述振动器安装在所述手套本体内；所述传感数据通过所述通信模块传输给所述主控模块；所述主控模块通过所述驱动模块驱动所述振动器振动；所述电源模块分别为所述主控模块和所述驱动模块供电。本发明将传感数据映射转换成振动器的振动幅值和频率，从而反映接触力的大小和方向，为实现穿戴和使用便携性，振动器的控制和驱动采用低功耗小型电路设计，可整体嵌入手套中，使用电池供电，数据通信采用低功耗无线传输方式。

Description

基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置及方法

技术领域

本发明涉及触觉复现技术领域，更具体的说是涉及基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置及方法。

背景技术

目前人们进行远程交流或者机械操控主要以视觉和听觉反馈为主，且视觉和听觉反馈技术在不断创新和进步，但触觉方面的反馈和复现技术还停滞不前，使得人们进行远程交流仍局限于视觉和听觉。对于远程交流通话，视听通信技术或许已能够满足用户需求。但在远程机械操控或远程人机交互方面，仅仅是视听的反馈还远远不够，操作者无法凭借视觉和听觉的信息准确判断出机械操作的真实情况，而需要融入触觉复现的装置，模拟出信号采集端的触觉信号，为操作者提供触觉层面的反馈，增加远程操作的真实感和沉浸式体验。

触觉包括力触觉、纹理力触觉、热触觉等，目前触觉复现方面已经有一定的研究，但对于复现触觉震动，例如脉搏跳动，并未有有效的实现方法。

因此，有必要提出一种能够复现出皮肤可感的震动触觉信号的方法，提高真实感和实现反馈调节，对复现出的触觉信号进行调节，在医疗和电子产业有较大应用空间。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置及方法，实时获取执行前端的传感数据，将传感数据映射转换成振动器的振动幅值和频率，从而反映接触力的大小和方向，为实现穿戴和使用便携性，振动器的控制和驱动采用低功耗小型电路设计，可整体嵌入手套中，使用电池供电，数据通信采用低功耗无线传输方式。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，包括：手套本体、传感器、振动器、电源模块、主控模块、通信模块和驱动模块；其中，所述传感器获取前端传感数据；所述振动器安装在所述手套本体内；所述传感数据通过所述通信模块传输给所述主控模块；所述主控模块通过所述驱动模块驱动所述振动器振动；所述电源模块分别为所述主控模块和所述驱动模块供电。

优选的，在上述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置中，所述振动器至少设置有五个；所述振动器厚度小于或等于2mm，直径小于或等于8mm。

优选的，在上述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置中，所述通信模块使用XG-BM02X蓝牙透传模块，所述传感器与所述通信模块无线方式进行连接。

优选的，在上述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置中，所述主控模块用于给所述驱动模块提供至少5路独立的驱动信号以及对上位机命令做出响应。

优选的，在上述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置中，主控模块的MCU选用STMF030K6T6芯片。

优选的，在上述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置中，所述驱动模块用于直接驱动振动器；所述驱动模块选用BDR6122T驱动芯片，所述驱动芯片有两路输入IN1，IN2，通过控制IN1，IN2的状态进行控制所述振动器启停，刹车，并通过所述主控模块输出的PWM调节所述驱动芯片的输出电压进而控制所述振动器的振幅与频率。

优选的，在上述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置中，所述电源模块使用5V锂电池对所述驱动模块供电，并经过AMS-1117电源芯片将电压降至3.3V为所述主控模块与所述通信模块供电。

基于振动阵列的可穿戴多维力反馈方法，具体步骤包括：

获取传感数据，所述传感数据包含3轴力信息和3轴力矩信息；

所述传感数据映射成所述振动器的振动幅值、频率以及不同振动器的振动。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于振动阵列的可穿戴多维力反馈方法及装置，能够复现出皮肤可感的震动触觉信号，提高真实感和实现反馈调节。实时获取执行前端的传感数据，将传感数据映射转换成振动器的振动幅值和频率，从而反映接触力的大小和方向，为实现穿戴和使用便携性，振动器的控制和驱动采用低功耗小型电路设计，可整体嵌入手套中，使用电池供电，数据通信采用低功耗无线传输方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的结构框图；

图2附图为本发明的电源模块电路原理图；

图3附图为本发明的主控模块电路原理图；

图4附图为本发明的驱动模块电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，如图1所示，包括：手套本体、传感器、振动器、电源模块、主控模块、通信模块和驱动模块；其中，传感器获取前端传感数据；振动器安装在手套本体内；传感数据通过通信模块传输给主控模块；主控模块通过驱动模块驱动振动器振动。

在本发明的实施例中，振动器至少设置有五个；振动器厚度小于或等于2mm，直径小于或等于8mm。

在本发明的实施例中，通信模块使用XG-BM02X蓝牙透传模块，传感器与通信模块无线方式进行连接。

进一步，通讯协议：数据包由包头，字长，有效数据，包尾组成，实现对五路振动器的单独振幅和频率控制。

在本发明的实施例中，如图3所示，主控模块用于给驱动模块提供至少5路独立的驱动信号以及对上位机命令做出响应。

主控模块采用脉宽调制方式产生PWM调制波，脉宽的占空比与驱动模块的输出电压成近似正比例关系。主控模块的MCU选用STMF030K6T6芯片，该款芯片采用M0内核，最高主频可达48Mhz，拥有5个定时器，最大可输出11路PWM，1路USART串口，可以实现同时对多路振动器控制，并可通过串口与通信模块相连。

在本发明的实施例中，如图4所示，驱动模块用于直接驱动振动器；驱动模块选用BDR6122T驱动芯片，驱动芯片有两路输入IN1，IN2，通过控制IN1，IN2的状态进行控制振动器启停，刹车，并通过主控模块输出的PWM调节驱动芯片的输出电压进而控制振动器的振幅与频率。

在本发明的实施例中，如图2所示，电源模块使用5V锂电池对驱动模块供电，并经过AMS-1117电源芯片将电压降至3.3V为主控模块与通信模块供电。

基于振动阵列的可穿戴多维力反馈方法，具体步骤包括：

获取传感数据，传感数据包含3轴力信息和3轴力矩信息；

传感数据映射成振动器的振动幅值、频率以及不同振动器的振动。

进一步，在振动控制方法上，采用多分量振动组合模式模拟力/力矩的幅度与方向。传感前端包含3轴力和3轴力矩信息，设计振动模式，将多轴力/力矩大小和矢量映射为不同位置振动片的幅度、频率和持续时间组合。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，其特征在于，包括：手套本体、传感器、振动器、电源模块、主控模块、通信模块和驱动模块；其中，所述传感器获取前端传感数据；所述振动器安装在所述手套本体内；所述传感数据通过所述通信模块传输给所述主控模块；所述主控模块通过所述驱动模块驱动所述振动器振动；所述电源模块分别为所述主控模块和所述驱动模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，其特征在于，所述振动器至少设置有五个；所述振动器厚度小于或等于2mm，直径小于或等于8mm。

3.根据权利要求1所述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，其特征在于，所述通信模块使用XG-BM02X蓝牙透传模块，所述传感器与所述通信模块无线方式进行连接。

4.根据权利要求1所述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，其特征在于，所述主控模块用于给所述驱动模块提供至少5路独立的驱动信号以及对上位机命令做出响应。

5.根据权利要求4所述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，其特征在于，主控模块的MCU选用STMF030K6T6芯片。

6.根据权利要求1所述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，其特征在于，所述驱动模块用于直接驱动振动器；所述驱动模块选用BDR6122T驱动芯片，所述BDR6122T驱动芯片有两路输入IN1，IN2，通过控制IN1，IN2的状态进行控制所述振动器启停，刹车，并通过所述主控模块输出的PWM调节所述BDR6122T驱动芯片的输出电压进而控制所述振动器的振幅与频率。

7.根据权利要求1所述的基于振动阵列的可穿戴式多维力反馈装置，其特征在于，所述电源模块使用5V锂电池对所述驱动模块供电，并经过AMS-1117电源芯片将电压降至3.3V为所述主控模块与所述通信模块供电。

8.基于振动阵列的可穿戴多维力反馈方法，其特征在于，具体步骤包括：

获取传感数据，所述传感数据包含3轴力信息和3轴力矩信息；

所述传感数据映射成所述振动器的振动幅值、频率以及不同振动器的振动。

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