手指湿度对移动终端静电力触觉再现效果影响研究

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随着智能手机和平板电脑的智能化水平不断提高,具有触觉再现功能的移动终端是技术发展的必然趋势。静电力式是在移动终端上产生触觉反馈的有效方式之一,通过在屏幕上施加驱动信号的方式改变手指和屏幕两端的摩擦力,使用户产生不同触感。静电力触觉再现设备具有快速、低功耗以及实时性强的特点,是目前最具潜力的移动终端触觉再现解决方案。推进移动终端静电力触觉再现技术的产业化应用必须解决人类手指适应性的问题,目前的静电力触觉再现装置在手指湿度高时易出现失灵现象,为了解决这个问题,我们必须深入研究手指湿度对静电力触觉再现效果的影响机理。现有的静电力触觉再现机理主要针对自然状态手指和屏幕接触过程,从静电场和等效电路两个方面展开研究,并在此基础上衍生了很多渲染方法和评测方法,取得了一定的进展。但是,针对手指湿度对静电力触觉再现效果影响问题的相关研究还有待深入,手指湿度对触觉再现的影响问题缺少系统的结论和数据。针对上述问题,本文分析了湿润状态手指和屏幕接触的静电粘附机制,研究了手指和屏幕接触间隙物质的相对介电常数和电场强度的定量关系,以及驱动信号参数和屏幕参数对静电粘附效果的影响,在此基础上,尝试将手指湿度参量引入现有渲染方法并检验其效果,为进一步解决手指湿度对静电力触觉再现效果影响问题提供参考。本文的主要贡献如下:(1)分析了手指和屏幕接触间隙物质相对介电常数和电场强度的定量关系,使静电力触觉再现的静电粘附模型分析更加完备。从手指和屏幕之间的电荷分布、电荷产生电场强度大小以及静电吸引力产生机理等方面深入分析静电粘附触觉再现原理,在Persson静电粘附基本原理的基础上,引入手指和屏幕接触间隙物质相对介电常数这一物理量,研究了间隙物质相对介电常数和电场强度之间的定量关系,完善了手指和屏幕之间静电粘附效应的分析过程。在此基础上,系统分析皮肤参数、屏幕参数以及驱动信号参数对静电粘附效果的影响。(2)分析了手指湿度对手指和屏幕之间阻抗、手指受力的影响,获得了手指湿度对静电力触觉再现效果影响的实测数据。制定了不同湿度时测量间隙层阻抗的实验方案,在手指和静电力触觉再现设备交互时,在人体和接地端之间串联定值电阻,通过测量手指在屏幕上滑动时驱动电路输出电压和定值电阻两端电压,计算手指和屏幕之间的电压和电流,以画李萨如图的形式分析手指和屏幕之间阻抗性质,根据欧姆定律计算手指和屏幕之间的阻抗幅值。另外,还测量了不同湿度时手指和屏幕之间切向力、摩擦力和静电力。得出结论:手指湿度增高时,手指和屏幕两端阻抗以及受力均减小这是设备失灵的主要原因。(3)将体现手指湿度的接触间隙物质相对介电常数这一参量引入现有渲染方法,证明在一定的湿度范围内可以通过渲染方法提高静电力触觉再现设备的湿度适应性。该方法提取图像灰度特征,建立手指湿度和接触间隙相对介电常数的映射关系、相对介电常数和驱动信号幅度参量的映射关系,实现了由手指湿度和受力联合确定驱动信号幅度的渲染方法,为进一步解决手指湿度对静电力触觉再现效果影响问题提供参考。触觉感知强度实验结果表明:手指湿度在一定范围内时,通过修正渲染方法可以改善静电力触觉再现对手指湿度的适应性。
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