時(shí)間反演觸覺激勵(lì)界面的制作方法
【專利摘要】觸覺激勵(lì)界面包括支架(2)、柔性表面、致動(dòng)器(6)和用于控制致動(dòng)器(6)的裝置，柔性表面懸吊在支架(2)上適用于操作者進(jìn)行觸覺探測(cè)，位于柔性表面的輪廓上的致動(dòng)器(6)適用于在柔性表面(4)上施加力?？刂蒲b置適用于根據(jù)待生成于柔性表面(4)上的觸覺激勵(lì)向致動(dòng)器(6)發(fā)送與待施加在柔性表面(4)上的力對(duì)應(yīng)的信號(hào)，該力通過(guò)時(shí)間反演方法確定。表面(4)包括至少一個(gè)例如由制成的足夠柔性區(qū)域，以使得由此生成的波的傳播速度慢到足以在較低頻率下達(dá)到足夠短的波長(zhǎng)，借此大幅提高在與觸覺激勵(lì)相容的分辨率下的聚焦。
【專利說(shuō)明】時(shí)間反演觸覺激勵(lì)界面

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種時(shí)間反演觸覺激勵(lì)界面，該時(shí)間反演觸覺激勵(lì)界面使得形狀和大 小可變的觸覺激勵(lì)能夠得到展示。

【背景技術(shù)】
[0002] 觸覺激勵(lì)界面適用于提供諸如紋理、起伏、或粗糙度之類的隨時(shí)間和/或空間變 化的觸覺信息。
[0003] 此類界面例如用于人機(jī)交互界面領(lǐng)域。該界面還可以用于光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)和自動(dòng) 化制造領(lǐng)域。
[0004] 為了生產(chǎn)此類可以顯示觸覺模式的觸覺界面，通常使用致動(dòng)器矩陣，每個(gè)致動(dòng)器 直接在皮膚表面上施加法向或切向的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。此類界面的分辨率受到致動(dòng)器大 小的限制。而且，這些界面體積較大并且需要與所探測(cè)的觸覺表面成正比的大量致動(dòng)器， 每個(gè)致動(dòng)器對(duì)應(yīng)于一個(gè)觸覺像素。最終，這些存在于待探測(cè)表面下方的致動(dòng)器致使界面 無(wú)法透光，這使得無(wú)法將界面疊加到屏幕上。此類界面例如在Benali-khoudja，M. Hafez, J. M. Alexandre和A. Kheddar在2004年的國(guó)際機(jī)器人研討會(huì)會(huì)議記錄的文獻(xiàn)"Tactile interfaces:a state of the art survey"（觸覺界面：現(xiàn)有技術(shù)概覽）中進(jìn)行了描述。
[0005] 在其它界面中，待探測(cè)的表面根據(jù)接觸位置相對(duì)于圖案切向振動(dòng)。隨之可以通過(guò) 根據(jù)手指在表面上的位置調(diào)節(jié)剪切力以給出邊界和紋理的幻覺。整個(gè)板塊具有相同的運(yùn) 動(dòng)，并且無(wú)法以不同方式激勵(lì)多個(gè)手指：探測(cè)表面的兩個(gè)手指將接收相同的激勵(lì)。
[0006] M. R. Bai和Y. K. Tsai在2011年美國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)期刊，129(3)，1297-1305的文獻(xiàn) "Impact localization combined with haptic feedback for touch panel applications based on the time-reversal approach"（基于時(shí)間反演方法的用于觸摸面板應(yīng)用的結(jié)合 有觸摸反饋的沖擊定位）中說(shuō)明了一種界面，該界面使用時(shí)間反演方法來(lái)在玻璃片中傳播 聲波并且產(chǎn)生觸覺激勵(lì)界面。
[0007] 時(shí)間反演方法在于將聲能集中在給定位置。該方法被用于例如腫瘤切除或者諸如 地雷之類爆炸設(shè)備的摧毀。
[0008] 在厚度例如大于Imm的厚玻璃片中傳播聲波的觸覺激勵(lì)界面具有眾多缺點(diǎn)。玻璃 中的波速很高，大約為1500m/s。因此，為了獲得厘米量級(jí)的焦點(diǎn)，則需要大約150kHz的頻 率。為了獲得足以感知的運(yùn)動(dòng)，則需要非常大的功率。最終，2mm的玻璃片的抗撓剛度過(guò)高 而無(wú)法獲得足夠用于觸覺應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)。例如，該文獻(xiàn)提到了對(duì)于3cm寬的焦點(diǎn)的2 μ m的運(yùn) 動(dòng)。
[0009] 文獻(xiàn)US2010/0225596說(shuō)明了一種觸覺界面，該觸覺界面包括在具有壓電致動(dòng)器 的框架上延展的彈性體薄膜并在該薄膜中產(chǎn)生駐波。該界面使得無(wú)法生成在時(shí)間和空間上 定位的激勵(lì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 因而，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種觸覺激勵(lì)界面，該觸覺激勵(lì)界面具有良好的 空間分辨率和良好的時(shí)間分辨率，并且提供能夠由觸覺檢測(cè)的大幅運(yùn)動(dòng)。
[0011] 本發(fā)明的一個(gè)額外目標(biāo)是提供一種觸覺界面，該觸覺界面使得可以生成諸如圖像 輪廓之類的具有復(fù)雜形狀的圖案。
[0012] 上述目標(biāo)通過(guò)一種實(shí)施時(shí)間反演方法的觸覺激勵(lì)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述界面包括至少 一個(gè)面適用于傳遞觸覺激勵(lì)的元件、能夠發(fā)射信號(hào)以使聲波在界面元件中傳播的致動(dòng)器， 所述元件由柔性表面形成，施加到表面上的信號(hào)通過(guò)時(shí)間反演方法確定。
[0013] 因?yàn)閭鞑ヂ暡ǖ脑侨嵝缘?，聲波在該元件中的傳播慢得足以在較低頻率下獲 得足夠短的波長(zhǎng)，從而提高在與觸覺激勵(lì)相容的分辨率下的聚焦。柔性表面使得可以獲得 較小曲率半徑并因而以短波長(zhǎng)獲得較大運(yùn)動(dòng)。
[0014] 在支承觸覺表面的框架上的致動(dòng)器可以是分立的。由聲波生成的激勵(lì)獨(dú)立于手指 的位置，這使得多個(gè)手指能夠探測(cè)表面。激勵(lì)可以例如以大約IOOHz的頻率隨時(shí)間并以幅 度調(diào)制方式重復(fù)。這些激勵(lì)可能位于表面的任意位置，聚焦于一點(diǎn)或者描繪出某一形狀的 輪廓。
[0015] 因?yàn)橹聞?dòng)器可以位于界面元件的邊緣，該元件可以是透明的并且被用在屏幕上。
[0016] 觸覺表面例如由聚合物材料膜、復(fù)合材料膜、厚度大約為ΙΟΟμπι的薄玻璃板形 成，或者是柔性屏幕。
[0017] 換句話說(shuō)，本發(fā)明涉及一種激勵(lì)器，該激勵(lì)器能夠在表面內(nèi)建立可修改變形，從而 對(duì)能夠觸覺感知并能夠隨時(shí)間改變的起伏或者局部振動(dòng)進(jìn)行顯示。激勵(lì)器具有由一個(gè)或更 多致動(dòng)器激活的表面。這些致動(dòng)器在所述表面上施加根據(jù)時(shí)間反演方法計(jì)算的力。該方法 使得聲波能夠聚焦于表面的一個(gè)或更多點(diǎn)或者直線處，引起在小范圍的時(shí)間和空間上的可 感知的幅度峰值。該動(dòng)態(tài)觸覺激勵(lì)器使得手的多個(gè)手指或諸如手掌之類的部分能夠?qū)Ρ砻?進(jìn)行探測(cè)。
[0018] 本發(fā)明的主旨是一種包括適用于由操作者觸摸探測(cè)的元件的觸覺激勵(lì)界面，適用 于觸覺探測(cè)的所述元件由至少一個(gè)表面、至少一個(gè)配置為在所述表面上施加力的致動(dòng)器、 以及用于控制至少一個(gè)致動(dòng)器的裝置形成，所述控制裝置配置為根據(jù)待生成于表面上的觸 覺激勵(lì)向致動(dòng)器發(fā)送與待施加到所述表面的力相應(yīng)的信號(hào)，所述力通過(guò)時(shí)間反演方法確 定，所述表面由至少一個(gè)區(qū)域組成以使得：

【權(quán)利要求】
1. 一種觸覺激勵(lì)界面，包括適用于操作者進(jìn)行觸覺探測(cè)的元件，所述適用于進(jìn)行觸 覺探測(cè)的元件由至少一個(gè)表面、配置為在所述表面上施加力的至少一個(gè)致動(dòng)器化、1006、 1006')和用于控制所述至少一個(gè)致動(dòng)器的裝置形成，所述控制裝置配置為根據(jù)待在所述表 面上生成的觸覺刺激，向所述致動(dòng)器化、1006U006')發(fā)送與待施加到所述表面（4、1004) 上的力對(duì)應(yīng)的信號(hào)， 其中，所述力通過(guò)時(shí)間反演方法確定，所述表面（4、1004)包括至少一個(gè)區(qū)域W使得：
入為在所述區(qū)域中傳播的彎曲波的波長(zhǎng)， C為所述彎曲波的速度， P為所述區(qū)域的單位面積質(zhì)量，并且 其中，所述至少一個(gè)致動(dòng)器化、1006、1006')具有在mz和20曲Z之間延展的帶寬，從 而激勵(lì)大量的特定于所述表面（4、1004)的模式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺激勵(lì)界面，包括至少一個(gè)形成對(duì)所述表面進(jìn)行支持的框 架的支架（2、1002)，所述致動(dòng)器化、1006、1006'）位于所述框架附近。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述致動(dòng)器（6)直接在所述表面上施加 一個(gè)與所述表面垂直的力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述致動(dòng)器（1006'）直接在所述支架 (1002)上施加力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺激勵(lì)界面，包括采用息掛有所述表面（1004)的框架形 式的支架（1002)、至少一個(gè)第一和第二致動(dòng)器，所述第一制動(dòng)器（1006)直接在所述表面 (1004)上施加力并且所述第二制動(dòng)器在所述支架（1002)上施加力。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述表面限定了填充有加壓流體的封 閉容積，所述表面被所述加壓流體延展，所述界面包括用于所述封閉容積的支架和至少一 個(gè)安裝在所述支架上的致動(dòng)器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，包括至少一個(gè)能夠?qū)λ隽υ?所述表面上的作用施加影響的參數(shù)的傳感器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的觸覺激勵(lì)界面，包括至少一個(gè)用于對(duì)操作者與所述界面之間 的接觸存在性進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述致動(dòng)器（6)為電磁制 動(dòng)器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9并結(jié)合權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述 致動(dòng)器（6)包括線圈化.1)、軟鐵芯和磁體，所述磁體化2)被固定在所述表面上并且所述 線圈化1)被固定在所述支架上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述致動(dòng)器由壓電材料 制成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11并結(jié)合權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述 致動(dòng)器包括梁，所述梁的一端固定于所述支架內(nèi)并且所述梁的另一端適用于在所述表面上
施加力。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述表面配備有適用于 與操作者接觸的針腳。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述表面由至少兩種不 同材料和/或兩個(gè)不同的相組成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述表面是透明的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述表面由至少一個(gè)由 聚合材料或復(fù)合材料制成的薄膜組成。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的觸覺激勵(lì)界面，包括：所述表面于之上延展的支架。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述表面由至少一個(gè)厚 度大約為100 y m的玻璃片組成。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述控制裝置包括模態(tài) 庫(kù)或沖擊響應(yīng)庫(kù)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述沖擊響應(yīng)庫(kù)包含待發(fā)送到所述 致動(dòng)器化、1006、1006'）處的信號(hào)，所述信號(hào)已經(jīng)通過(guò)所述時(shí)間反演方法加^確定。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述模態(tài)庫(kù)由用于通過(guò)所述時(shí)間反 演方法對(duì)待發(fā)送到所述致動(dòng)器化、1006、1006'）處的信號(hào)進(jìn)行確定（A)的單元組成。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述控制裝置由將所述 信號(hào)發(fā)送到所述致動(dòng)器化、1006、1006'）處的致動(dòng)器控制器組成。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的觸覺激勵(lì)界面，其中，所述彎曲波的速度為大 約 50m/s。
【文檔編號(hào)】G06F3/01GK104428733SQ201380036435
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月6日
【發(fā)明者】查爾斯·胡迪恩, 文森特·海沃德, 何塞·洛扎德, 邁克爾·威爾特勒斯科 申請(qǐng)人:原子能和替代能源委員會(huì)