[發明專利]一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置和應用方法

在審

• 申請號: 201811534138.4
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109533000A
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 朱冰;馬馳;趙健;李偉男
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B62D1/04
• 分類號: B62D1/04;B60W50/16
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 李冉

1.一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置，其特征在于，包括方向盤裝置、ECU和柔性感知層；其中，所述柔性感知層安裝在所述方向盤裝置上，所述方向盤裝置和所述柔性感知層分別與所述ECU電性連接；

所述方向盤裝置包括方向盤、聯軸器、轉矩傳感器和轉角傳感器、反饋電機和電池盒；其中，所述電池盒與所述方向盤固定連接；所述聯軸器和所述反饋電機的主動軸固定連接，所述聯軸器和所述方向盤分別與傳動軸兩端進行連接；所述轉矩傳感器和所述轉角傳感器安裝在所述傳動軸中部，與所述ECU電性連接；所述反饋電機通過支撐裝置與車架固定，與所述ECU電性連接；

所述柔性感知層包括柔性基底、凸起層和觸覺傳感器；其中，所述柔性基底設置多個觸覺傳感器安裝槽，所述凸起層密封固定在所述柔性基底上端面，且與所述觸覺傳感器安裝槽構成密閉腔體；所述觸覺傳感器安裝槽底部粘接固定所述觸覺傳感器，多個所述觸覺傳感器構成觸覺傳感器陣列；所述凸起層受力后，作用于所述觸覺傳感器陣列和所述柔性基底，所述觸覺傳感器陣列中受力的所述觸覺傳感器將壓力信號傳輸到所述ECU，所述ECU將信號處理得到握力分布信息；

所述觸覺傳感器包括保護層、上電路板、上電極板、介質層、下電極板、下電路板和電極導線；其中，所述保護層與所述下電路板構成容納腔體；所述上電路板、所述上電極板、所述介質層和所述下電極板均位于所述容納腔體內；所述介質層上下端面對應設置所述上電極板與所述下電極板，所述上電極板和所述下電極板對應的設置在所述上電路板和所述下電路板上，并且所述上電極板和所述下電極板連接所述電極導線，引出至容納腔體外；

所述觸覺傳感器為電容傳感器，依據電容計算公式C＝εS/d檢測所述柔性感知層的受力變化；當最外層所述凸起層受外力，所述保護層所受法向力壓迫所述上電路板和所述介質層，所述介質層采用PDMS材質，表面帶有凹槽微結構和彈性特質，所述上電極板與所述下電極板受壓迫靠近，極距d降低，則電容增大，引起電信號變化；所述保護層所受切向力會推動所述上電極板相對所述下電極板水平方向移動，減小所述上電極板與所述下電極板正對面積S，則電容減小，引起電信號變化；所述柔性感知層產生的電信號經調制解調傳輸到所述ECU進行處理，得到觸覺信號。

2.根據權利要求1所述的一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置，其特征在于，所述電池盒嵌合在帶有電池盒安裝槽的電池盒托架內，通過所述電極導線與所述柔性感知層連接；所述電池盒托架與所述方向盤通過螺釘固定。

3.根據權利要求1所述的一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置，其特征在于，所述保護層為由硅膠制備且底部開口的殼體，其表面設有與所述凸起層貼合的防滑圖案，所述保護層通過3D打印技術制作出所需形狀模具，然后用倒模法制備。

4.根據權利要求1所述的一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置，其特征在于，所述上電路板與所述下電路板為聚酰亞胺材質。

5.根據權利要求1或4所述的一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置，其特征在于，所述上電極板與所述下電極板是通過柔性印刷電路板技術鍍在所述上電路板與所述下電路板表層的銅箔層。

6.根據權利要求5所述的一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置，其特征在于，所述上電極板與所述下電極板包括多個間隔式分布的條形齒和連接所述條形齒的連接板，所述上電極板與所述下電極板的所述條形齒一一正對設置，所述連接板通過所述電極導線分別連接所述電池盒和所述ECU。

7.根據權利要求1所述的一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置，其特征在于，所述介質層的制備方法為：首先，通過光刻技術在SiO2襯底或Si襯底上進行刻制，得到暴露的二氧化硅長方形陣列；使用氫氟酸溶液將暴露的二氧化硅刻蝕掉，然后洗掉光刻膠，得到暴露的硅長方形陣列；接下來用氫氟酸溶液對暴露的硅進行各向異性刻蝕，可以得到具有凹槽的硅模板；最后，在硅模板表面灌澆一層PDMS，所述PDMS固化后剝離下來，可以得到具有鋸齒槽形狀的柔性PDMS薄膜，分割處理得到表面帶有凹槽的所述介質層。

8.一種帶有觸覺感知的智能人機交互方向盤裝置的應用方法，其特征在于，所述ECU接收汽車安裝的所述柔性感知層、車速傳感器、攝像頭、雷達傳感器、轉矩傳感器和轉角傳感器的信號，進行算法分析處理，將轉矩模擬信號傳送到所述反饋電機，實現路感模擬；將車輛保持規劃路徑分析結果發送到多媒體顯示屏、組合儀表、移動設備，并進行提示；

所述轉矩傳感器和所述轉角傳感器采集駕駛員作用在所述方向盤上的轉矩和轉角信息，將信息傳輸所述ECU，所述ECU結合所述車速傳感器信號計算出的模擬的轉角和轉矩信息，和駕駛員操作輸入轉角的轉矩差異進行比對，構建車輛保持規劃路徑行駛的反饋引導；

所述車速傳感器、所述攝像頭、所述雷達傳感器接收車輛外部信息和路況信息，所述柔性感知層接收駕駛員的觸覺信號，進行綜合計算處理，分辨駕駛者駕駛者狀態，規劃駕駛車輛的行進路徑；駕駛過程中，當排除路況因素，所述柔性感知層檢測的觸覺信號在預設時間內無變化時，所述ECU發出提示信號，所述多媒體顯示屏、所述組合儀表、所述移動設備進行提示；所述雷達傳感器和所述攝像頭對遠近距離路況進行監測，規劃行進路線，前方出現障礙物或岔路，結合所述車速傳感器車速信息進行測算，安全距離內，所述柔性感知層沒有感應到應對觸覺信號，所述ECU發出提示信號，所述多媒體顯示屏、所述組合儀表、所述移動設備進行提示；當倒車操縱時，結合車速及障礙物信息，安全距離內所述多媒體顯示屏、所述組合儀表、所述移動設備時刻監測提示。