具有受控牽引力的觸覺設備的制作方法

專利名稱：具有受控牽引力的觸覺設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及觸覺設備，該觸覺設備可以提供作用于在設備表面上的用戶手指或者物體的切力。
背景技術：
共同受讓人的在2007年3月21日提交的共同待審的美國專利申請序列號第 11/726，391號公開了一種具有觸感交接面的觸覺設備，該觸感交接面基于使用超聲振動調制諸如玻璃板的基板的表面摩擦。該設備可以通過響應于一個或多個感測參數和/或響應于時間(即，與手指位置無關)的表面摩擦的調制向用戶提供間接觸覺反饋以及虛擬的紋理感覺主動探查設備表面的用戶能夠感受到紋理以及表面特征的觸覺假象。該觸覺設備在它只能夠改變抵制在交接表面上的手指運動的力方面是有抵制力的，但是它不能夠，例如，重定向手指運動。提供該觸覺設備的可變摩擦益處以及向玻璃板基板的交接表面上的用戶手指或物體提供切力將是可取的。發明概述本發明提供了一種觸覺設備，該觸覺設備能夠通過以某種方式使基板進行橫向運動或者橫向振動以及摩擦減小的超聲振動的調制以產生力，提供作用于與基板表面相接觸的手指或者物體的力。本發明的一個實施方式提供了一種觸覺設備，該觸覺設備包括基板， 用于使基板進行橫向運動或者橫向振動的一個或多個促動器，以及用于使基板進行摩擦減小的超聲振動的一個或多個其他促動器。提供了一種控制設備，該控制設備用于以某種方式控制促動器以使基板進行橫向運動或振動以及摩擦減小的振動的調制，以產生作用于與基板相接觸的用戶手指或者物體的力。力的改變響應于在基板表面上的用戶手指或者物體的位置，該力的改變可以在基板表面的平面中提供力場。在本發明的說明性實施方式中，平面(平板)觸覺設備通過使用諸如玻璃板的水平基板的垂直超聲振蕩調制摩擦以提供變化的摩擦(摩擦減小)效果。當在低和高的變化的摩擦狀態之間交替時，該設備還在水平平面上以一個自由度(在一個軸上振動)、兩個自由度(在兩個軸上振動)或者更多的自由度橫向振動基板，以產生作用于與基板相接觸的用戶手指或者物體的非零的時間平均的凈切力。例如，對于一個自由度的橫向振動，隨著基板在水平平面的一個方向上運動，摩擦減小(低摩擦狀態)。隨著基板向相反方向運動，摩擦增大(高摩擦狀態)。作用于用戶手指或者是作用于部件的時間平均的凈力是非零的，并且可被用作直線切力源，該切力源施加于與表面相接觸的手指或者物體。對于兩個自由度的橫向振動(例如，X和Y軸)，基板可能以渦旋的方式運動以提供圓形的平面內運動(在基板表面的平面內)。當基板渦旋時，它的速度向量會在一瞬間與期望的力的方向對齊。在那瞬間前后，基板被設置為它的高摩擦狀態，并且力的沖量因此施加于用戶手指或者物體。在“渦旋”圓環的剩余期間，基板被設置為低摩擦狀態，從而極小地影響到作用于手指或者物體的力。因為速度向量在渦旋期間經過全部360°，力可以產生于平面內的任意方向。可選地，在另一個實施方式中，基板可在水平平面內的單方向上振動，但是這個單方向可能被改變以符合在任意瞬間的期望的力的方向。在本發明的又一個實施方式中，基板可能在三個軸上被振動(X和Y平移以及繞垂直軸的平面內旋轉)。還應該了解到橫向振動不需要是正弦曲線，不需要是恒定振幅，并且不需要無限地延續。例如，在本發明的另一個實施方式中，可能用到基板的單橫向運動或者短系列的橫向運動或者移位。本發明便利地提供了觸覺設備，該觸覺設備為用戶的手指提供導向力，以使得用戶能夠探查顯示器。甚至用戶手指的主動推進可能有用地提供吸引人的觸覺感受。本發明還便利地提供了觸覺設備，該觸覺設備以某種方式為基板上的一個或多個物體提供導向力以提供用于在送料、機器人應用中以及制造業應用中的物體或者部件操作設備。本發明的優點通過以下伴有以下附圖進行的詳細描述會變得更加明顯。附圖簡述圖IA是具有可變的摩擦效果的能力的觸覺設備TPaD的透視圖。圖IB是用于觸覺設備TPaD的座架的透視圖。圖2是粘附在座架上的觸覺設備TPaD的透視圖。圖3是平面觸覺設備的示意透視圖，該平面觸覺設備包括了依據本發明的觸覺設備TPaD以及其他零件。圖3A是力的測量設備的視圖，該設備用于測量橫向力。圖:3B是可選的力的測量設備的視圖，該設備用于測量橫向力。圖4是控制系統的示意圖，該控制系統用于以某種方式控制促動器以使基板進行與摩擦減小的振動同步的橫向振動，以產生作用于與基板相接觸的用戶手指或者物體的切力。圖5是手指位置傳感器系統的示意圖，該系統用于實踐本發明的實施方式。圖6A是示出伴有高摩擦的TPaD向右運動的示意圖，該運動在手指上產生向右的沖量。圖6B是示出伴有低摩擦的TPaD向左運動的示意圖，該運動為另一個向右的沖量做準備。圖7以未過濾的力信號示出了力的沖量，其中TPaD在Φ開啟=40°時開啟(低摩擦狀態)，并在180°內保留在開啟狀態。圖8示出了當Φ 隨時間旋轉時的合力改變，其中未過濾的40Hz力信號與TPaD 的橫向運動具有相同的頻率。Φ 在0. 5Hz時旋轉通過了所有的相位角，同時合(過濾的) 力相應地改變。圓環的最大受力點出現在“最優Φ^^”值處。圖9示出了力與Φ開啟的關系曲線的繪圖，其中隨著Φ開啟的變化，合力從左側移向右側然后再返回。產生最大的向左和向右的力的最優Φ 值被標注了出來。另外，產生零合力的兩個Φ 值中的一個被標注了出來。


圖10是最大力與RMS(均方根)位移的關系曲線的繪圖，示出振動的振幅與多種橫向振動頻率下，Fn = 392mN，μ m= 0. 70，并且μ開啟=0. 06時的最大合力之間的關系。圖11是圖10的數據作為TPaD RMS速度的函數的重制繪圖。圖12圖解了線源力場以及表面觸覺設備(SHD)控制器使用的生成線源場的Φ
啟請求。圖13從包括兩個線源力場和兩個線庫力場的四個不同的力場，示出了數據、合力與在TPaD上的手指位置的關系曲線。圖14A示出了勢能和力與χ軸位置的關系曲線的繪圖。圖14B是兩個線庫(力場)和一個線源(力場)的平面視圖。圖14C示意性地示出了觸覺撥動開關效果。圖15是兩個自由度的觸覺設備的示意圖，其中觸覺設備TPaD安裝在適用的支架上。發明詳述本發明提供了一種以下稱作表面觸覺設備(SHD)的觸覺設備，該表面觸覺設備能夠提供作用于與觸覺基板表面相接觸的手指或者物體的力，該過程通過使基板進行橫向運動或者橫向振動以及摩擦減小的振動的調制得以實現。本發明的實施方式提供的觸覺設備包括基板，例如，平板玻璃或者其他板，用于使基板進行橫向運動或者橫向振動的一個或多個促動器，以及用于使基板進行摩擦減小的超聲振動的一個或多個其他促動器。在實施方式中，促動器由計算機控制設備所控制，從而以某種方式使基板進行與摩擦減小的振動的調制同步地橫向運動或者橫向振動，以產生作用于與基板表面相接觸的用戶手指或者物體的切力。本發明預想使基板進行在單軸(例如，X軸)或者多軸(例如，X和Y軸)上橫向運動或者振動，如以下所描述的。在說明性的實施方式中，本發明可用圖1A、1B以及圖2中示出的說明性類型的可變摩擦觸覺設備TPaD( “觸感模式顯示器”)實踐，該TPaD具有擁有運轉的觸覺表面的基板100，以及一個或多個促動器(振蕩器)，該促動器可操作地以某種方式與基板相關聯從而以某種方式傳遞振蕩(振動)到基板那里，從而提供可變的摩擦能力，如共同受讓人的在 2007年3月21日提交的共同待審的美國申請序列號第11/726，391號以及在2009年3月 19日提交的共同待審的美國申請序列號第12/383,120號所描述的，其公開內容據此以引用方式并入。把共同待審的申請中的可變摩擦觸覺設備VFHD以下稱為可變的摩擦觸覺設備 TPaD。參考圖1A、1B與圖2，根據本發明的說明性實施方式的可變的摩擦觸覺設備TPaD 被示出，該TPaD具有基板100，該基板100包括處于壓電片或層構件形式的壓電撓曲元件 102，其附著于具有觸感(觸覺)表面10 的被動基板片或層構件104，以提供相對薄的層板結構，以及從而提供纖細的觸覺設備設計，這樣可以提供纖細、高表面摩擦、不可聽到以及可控制摩擦的優點。相對薄的觸覺設備可以由膠合到或以其他方式附著到被動載體片或層104的壓電陶瓷片或層制成。當在壓電片或者層102兩端施加電壓時，壓電片或者層102 試圖擴大或者縮小，但是由于它與被動載體片或者層104粘合在一起，所以不能擴大或者縮小。當壓電片或者層102被通電時，層板會具有在碟片中央有單峰或者谷的彎曲的形狀。 產生的壓力造成撓曲。施加到壓電片或者層的電壓越大，撓度越大。當壓電撓曲元件被正激勵電壓所激勵時，它以向上/正曲率撓曲。當壓電撓曲元件被負激勵電壓所激勵時，它以向下/負曲率撓曲。當施加正弦波(正弦的)激勵電壓時，壓電撓曲元件會在這些曲率之間交替撓曲。當正弦波激勵電壓在頻率上匹配基板100的共振頻率時，振動的振幅被最大化。座架150可用于將撓曲限制為只有一種期望的模式或者任意量的期望的模式。優選的是觸覺設備的所有機械部件的振蕩都處于可被聽到的范圍之外。為此目的，基板100優選地設計為在20kHz以上的共振點振動。出于說明及不加以限定的目的，壓電構件102的厚度可以為大約0.01英寸到大約 0. 125英寸。基板構件104的說明性的厚度可以為大約0. 01到大約0. 125英寸。這樣在本發明的說明性實施方式中的觸覺設備的總厚度可以控制在不超過大約0. 25英寸。如圖1A、1B以及圖2所示，碟形的觸覺設備被安置在座架150上以將撓曲元件碟片的振蕩限制在01模式，其中01模式是指當壓電片或者層被激勵時，層板具有在碟片中央有單峰或者谷的曲率。座架150可以沿著薄環或者環形表面150a而被附著于壓電碟片，該薄環或者環形表面150a的直徑可以是壓電碟片的直徑的2/3。相同的非常低粘度的環氧膠粘劑可以被用于到座架150的粘合，如用于粘合壓電碟片以及玻璃基板碟片。座架150的內部高度有些隨意，并且也可以制成幾毫米薄。座架150適應于被安裝在終端使用產品上或者終端使用產品內，例如，包括但不限于，機動車控制臺、儀表板、轉向盤、門、計算機、或者其它終端使用應用/產品的表面上或者表面內。當觸覺設備被安置在觸摸屏上、視覺顯示器上，或者機動車的內表面或者外表面上時，優選地提供透明的觸覺設備，其中觸覺設備的存在被偽裝了起來，以和周圍表面融合在一起，這樣就不容易被隨意的觀察者看到了。為此目的，壓電構件102以及基板構件104 中的一個或者兩者可以由透明材料制成。在壓電元件102的反面，壓電元件102包括了用于給壓電構件102通電的相應的透明電極(未示出)。出于說明及不加以限定的目的，基板104可以是玻璃或者其它透明材料。對于電極材料，如Kumade等人、美國專利4，352，961所描述的，In2O3-SnO2銦錫氧化物系統的薄膜可以被使用，以提供透明電極。為了實現透明觸覺設備而采用透明壓電材料是不必要的。應當理解到被動基板片104可以由諸如玻璃的透明材料制成，并且在表面區域，它看起來可能會明顯的比壓電片102大。壓電片102可能只會在被動基板片104的周邊占據很小的一塊區域，以使得被動基板片104能夠在不遮擋顯示器的情況下放置在圖形顯示器上。壓電材料可以包括，但不限于，基于壓電陶瓷(PZT) (Pb (Zr, Ti) O3)的陶瓷，例如，摻雜鑭的鈦酸鋯(PLZT)、(PbBa) (Zr，Ti)03、(PbSr) (ZrTi)O3 以及(PbCa) (ZrTi)O3、鈦酸鋇、石英或者諸如聚偏二氟乙烯的有機材料。本領域的技術人員會理解到本發明并不限于透明的壓電以及基板構件，并且本發明可以用半透明或者不透明的壓電以及基板構件來實踐，這些壓電以及基板構件可以上色為期望的顏色，以用于給定的服務應用，其中，彩色的觸覺設備因為裝飾性、防護性或者安全性的原因被期望。可以被用于制造基板構件104的非透明材料包括但不局限于，鋼、鋁、 黃銅、丙烯酸酯、聚碳酸酯、三氧化二鋁，以及其他金屬，塑料和陶瓷。圓形的碟形觸覺設備TPaD的設計包括選擇合適的碟片半徑，壓電陶瓷碟片厚度， 以及基板碟片的材料和厚度。特別地制作選擇會決定設備的共振頻率。碟形觸覺設備的優選實施方式采用了具有0. 5mm到2mm范圍厚度并且由玻璃而不是鋼或者其他金屬制成的基板碟片，以在不明顯犧牲相對振幅的情況下增加共振頻率(保證在聽覺范圍以外的操作)。
本領域的技術人員會理解到壓電撓曲元件102以及基板104的設計并不強制于所述的圓形碟片形狀。其他的形狀，例如矩形或者其它多邊形的形狀都可以用于這些零件，這些將會在下面描述到，并且它們會表現出不同的相對振幅以及共振頻率。關于圖1A、1B以及圖2的說明性碟形觸覺設備，由用戶在觸覺設備的觸摸(觸覺) 表面10 感覺到的摩擦量是在壓電構件102的激勵電壓的振幅的函數。激勵電壓如在以下實施例以及同樣在于2007年3月21日提交的共同待審的美國申請序列號第11/7 ，391 號，以及于2009年3月19日提交的共同待審的美國申請序列號第12/383，120號中所描述的，上述申請在此通過引用并入。激勵電壓是振幅調制的周期性波形，該波形優選地具有實質上等于觸覺設備的共振頻率的振動頻率。控制系統可以與受電弓/光學編碼器，或者與光學平面(二維)定位傳感系統，或者與任意其它單軸或者與雙軸手指位置傳感器，或者本領域已知的許多任意其它種類的手指位置傳感器一起使用，雙軸手指位置傳感器在共同待審的申請序列號第11/726，391號中被描述過，在此通過引用并入。
實施例—個自由度的平面觸覺設備參考圖3，示出了依照本發明的說明性實施方式的說明性的平面表面觸覺設備 SHD，其包含以下稱為TPaD的圖1A、1B與圖2的碟形觸覺設備TPaD。碟形觸覺設備TPaD 使用單圓形碟片的壓電撓曲元件(單變形類別)以及單圓形碟片的玻璃板基板構成，以生成為實現摩擦減小的間接觸覺效果所必需的超聲頻率以及振幅。壓電撓曲元件碟片包括 PIC151壓電陶瓷材料(由PI陶瓷有限責任公司生產)，該壓電陶瓷材料具有一(1)毫米的厚度以及25毫米(mm)的直徑。玻璃板基板碟片包括厚度為1. 57mm以及直徑為25mm。應用諸如Locitite E-30CL Hysol環氧膠粘劑的非常低粘度的環氧膠粘劑使壓電陶瓷碟片被粘合到玻璃基板碟片。碟形觸覺設備被安置在由鋁制成的座架上，并沿著薄環或者環形表面150a而被附著于壓電碟片，該薄環或者環形表面150a的直徑是壓電碟片的直徑的2/3。 相同的非常低粘度的環氧膠粘劑被用于到座架150的粘合，如用于粘合壓電碟片以及玻璃基板碟片。觸覺設備SHD還包括了線性促動器200，例如音圈，該線性促動器200通過聯接桿 211與線性滑塊210相連接，在該線性滑塊210上固定放置了觸覺設備TPaD以做相關的運動。TPad可以用諸如夾具、膠水、螺絲或者鉚釘的任意的連接方式保持在滑塊210上的固定位置。線性滑塊210被可移動地安置在固定基底B上的載體212上，以在單X軸上運動。 線性音圈促動器200在20到1000Hz之間的頻率被正弦激活，使得滑塊210和其上的觸覺設備TPaD以相同頻率在X方向橫向地運動振動。雖然本發明不局限于這樣的正弦激活，當音圈促動器200被以該系統的共振頻率正弦激活時，橫向振動的振幅增加。通過將39kHz的正弦波施加至安裝在玻璃板基板104下面的壓電元件102在觸覺設備TPaD的玻璃板基板表面10 上調制摩擦。該39kHz的信號由AD9833波形發生器芯片生成，并且使用音頻放大器增大至+0-20V。當施加該信號至壓電元件102時，它引起玻璃板基板的共振振蕩。這些振蕩產生指尖下部空氣的擠壓膜，導致摩擦的減小。在高激活電壓時，在玻璃板基板和手指之間的摩擦近似于μ =0.15，而在零電壓時，表面具有標準玻璃的摩擦(近似于μ = 0.95)。
可編程的集成電路(PIC-18F4520)生成用于音圈(x_促動器)的低頻信號，并且發布命令給波形信號發生器(AD98330)，如圖4所示，以開始/停止對壓電元件102的39kHz 信號。由于它提供了兩種函數，它能夠操控觸覺設備TPaD的摩擦級別與橫向運動之間的相位關系。圖4示出了具有微控制器和手指位置傳感器250的控制系統，該微控制器有PIC 或者其它控制器。圖4示出了在X軸上振動線性滑塊210的X軸促動器以及Y軸促動器， 供以下描述的兩個自由度的平面觸覺設備使用，其中TPaD在X軸以及Y軸上同時振動。為了測量手指的位置，可以使用雙軸手指定位系統250中的一個單軸。這個系統是類似于雙軸手指位置傳感器類型的系統，該類型在共同待審的美國申請序列號第 11/726，391號中被描述，然而，該系統的紅外發光二極管由激光線發生器252和菲涅爾透鏡2M代替了，激光線發生器252和菲涅爾透鏡2M產生照射在線性光電二極管陣列256 上的平行光片，如圖5所示。平行光片被立即投放至TPad的表面10 上，觸摸TPad表面 10 的手指阻礙了那片光，從而在線性光電二極管陣列256上投下陰影。PIC微控制器讀取線性光電二極管陣列256的輸出，并計算手指陰影的重心，這被用作手指位置的測量。力的生成的特征在一個自由度的實施方式中，力由在同一頻率下在低摩擦狀態和高摩擦狀態之間的交替產生，在該頻率下，觸覺設備TPaD在平面內橫向地振動。為了產生向左的合力，觸覺設備TPaD當它的速度向左時，設置為高摩擦，當它的速度向右時，設置為低摩擦。觸覺設備TPaD在將用戶手指向左推與滑動手指下側回到右側之間交替。這個“推滑”循環自我重復，并且一系列的向左的強脈沖后跟隨著向右的弱脈沖導致向左的合力。這些脈沖在圖8 中的未過濾力信號中可以看到，在SHD的表面10 與指尖之間的橫向力或者切力，可以用一個自由度的膨脹力/壓縮力的測壓元件來測量，該測壓元件可操作性地連接到指尖替代物，如圖3A所示。測壓元件可以在線性滑塊上垂直地運動。測壓元件和指尖的重量由低剛度彈簧使之懸浮。指尖的垂直位置通過蝶形螺母得以是可調節的。當指尖降低至TPaD接近閉合(小于0.5mm)內后，通過增添砝碼至所示L形指狀元件以控制正向力。在本實施例中使用的是392mM40g)的正向負載。這種安排允許作用于手指替代物的包括橫向振動的影響的力，得以被高精確度地測量。在本實施例中使用的指尖替代物包括了作為手指替代物墊的用砂紙打磨的電工膠帶包裹的葡萄。手指替代物被用電工膠帶穩固在圖3A中所示的L形鋁制“手指”上，而鋁制手指被螺到測壓元件上。在指尖到手指的連接中有某種靈活性，但是由于人類手指有相似的靈活性，所以這是適當的。可選地，在SHD的表面10 與指尖之間的橫向力或者切力也可以通過將基底B安裝在載體組件上來測量，該基底B允許整個組件裝置本質上無摩擦地橫向運動，如圖:3B所示。例如，基底B可以被安裝在很重的黃銅塊或者板230上，黃銅塊或者板230擱置在隔音泡沫板232上。隔音泡沫板232順次擱置在精密研磨鋼板234上，該精密研磨鋼板234擱置在三個大鋼球236上。鋼球順次擱置在最底下的精密研磨鋼板B2上，該精密研磨鋼板B2 作為整個測量系統的基底。黃銅塊或者板230通過低剛度彈簧238被連接至測壓元件M0， 以使限定橫向運動的唯一零件是測壓元件對0，以及使得所有作用于手指的橫向力都必須匹配作用于測壓元件上的力。大部分的黃銅塊或者板230與低剛度彈簧238的結合，作用就像是力學上的低通濾波器，使得橫向振動對測壓元件的測量產生最小影響。因此，測壓元件輸出的是作用到指尖的平均力的精確測量。
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圖6A、6B圖示了相似的“推滑”循環，該循環生成向右的反向合力，其中向右的強脈沖后跟隨著向左的弱脈沖，從而產生作用于用戶手指的向右的合力。相位調整對力的影響通過改變橫向速度以及觸覺設備TPaD開啟/關閉信號之間的相位角，合力的方向和幅度可以被改變。作為說明，當觸覺設備TPaD開啟(低摩擦狀態開啟)時，項被定義為橫向速度的相位角。在圖7中用圖形示出了這個概念。在所有展現出的數據中，TPaD 在橫向振動的半個(180° )全循環中處于開啟狀態。為了確定哪個相位產生最大幅度的力，Φ m在大約2秒的過程中在0到360°之間被緩慢旋轉，為了查找合力，未過濾的力數據被通過二階、低通、巴特沃斯、零相位濾波器 (f截止=10Ηζ)。圖8示出了過濾的力信號。圈出的最大力點對應于橫向振動的這一特定頻率和振幅的兩個“最優的值。這些在IOOmN范圍內的最大合力對于申請人是很容易察覺到的。另外，文獻示出這個幅度對于人類來說是可察覺到的；參看參考文獻51
8。圖8示出了 Φ 隨著時間推移而旋轉時，合力的改變。在任意給出的速度循環中的Φ ^^的值通過以與圖7中示出的比較相似的方式比較TPaD狀態信號與速度信號被查找到。針對圖8示出的過濾的力數據繪出上述數據。圖9的結果提供了關于優化力的Ctffia 值的更具體的信息。即使力和Φ 之間的確切關系依賴于振動振幅以及頻率，但該數據代表了產生人類可察覺的力的較廣范圍的振幅。系統中沒有延遲的話，人們可以預期的是在 0°時開啟TPaD會產生向左的最大力并且C^ffia= 180°時會產生向右的最大力。然而數據顯示最優角度分別是Φ ^a= 340°以及φ 貞=160°。即使申請人不打算或者不希望在這方面被任何理論所束縛，需要該相位提前可能是由于需要時間創建和分解擠壓膜。還要注意到的是零合力被預期發生在Φ開啟=270°卻發生在Φ開啟=250°。本領域的技術人員會認識到不只是可以通過調整相位來控制力，還可以通過調制 TPaD基板處于相對高摩擦狀態的時間量來控制力。力可以通過減小摩擦很高的循環量來減振動振幅對力的影響實驗發現隨著橫向移位振幅的增大，平均合力開始也相應地增大，然后飽和。圖10 示出了多種橫向振動頻率下的這種趨勢。每個數據點表示了由在最優的Φ^^處振動的特定振幅產生的合力。在圖10中的漸進表現是由于庫倫摩擦的性質。一旦振幅足夠高以保持手指和 TPaD多數情況下處于滑動接觸，當速度指向一個方向時手指會感受到μ 的力，而當速度指向另一個方向時，手指會感受到的-μ 力。在這里，μ SSJg是玻璃的運動摩擦系數； μ ffe是當TPaD處于低摩擦狀態時，它的運動摩擦系數；而&是正向力。為了找到SHD能產生的理論上的最大合力，我們假設手指感受兩個力水平中的每一個的時間為總周期的一半。那么時間平均力僅僅為兩個力水平的簡單平均值。因此，最大合力F的方程式是Ffflax = [ ( μ 玻璃—μ 開啟)Κ] /2方程(1)圖10中漸近線的值使用方程1來計算，其中μ _= 0. 70是通過當TPaD與橫向振子靜止時將手指替代物掃過表面過程中記錄最大力得到的；μ 0. 06以相似的方式得到，但是TPaD在該過程是開啟的；以及& = 392mN,來自40g的砝碼。頻率選擇重要的是需注意到，由于力以沖量被施加在20到1000Hz之間的頻率處，用戶意識到的不僅僅是在一個方向上的整體的力，還有不期望的TPaD的基礎振蕩。在心理物理學領域中，眾所周知的是人類指尖對20Hz到大約500Hz范圍中的振蕩是敏感的，在大約250Hz 時敏感度達到頂峰。我們發現SHD的最好性能是在橫向振蕩不很引人注意的高頻率(例如， 850Hz)處，或者在振蕩是可被注意到但是并不使人感到厭惡的大約40Hz處。減小手指接觸到橫向振蕩的一種設計方法是保持TPaD持續開啟(低摩擦狀態開啟)直到需要力的產生。在這個策略中，擠壓膜將用戶與底層的低頻率振蕩相隔離，使得該振蕩幾乎不會被注意到直到施加力。另一種方法是在除了需要橫向震蕩的情況下，關閉它們。手指探查速度的影響當振動的振幅足夠大至使Fmax附近的力增大振幅時，進一步為作用到靜止手指的力提供可忽略不計的增長。從另一方面說，如果用戶主動探查表面，他們的手指速度可能造成手指與板之間的相對速度變小，減小合力。因此，手指探查速度越高，維持目標力所需要的振動振幅就越高。對于可接受的手指探查速度的一種構思可以通過針對速度而不是位移繪制圖10 中的相同數據而得到。在圖11中，可以看到以77Hz振動的TPaD在20mm/s RMS速度附近達到了產生的最大的力的85%。在圖11中，通過77Hz振動產生的力看起來對于低于20mm/s 的RMS速度的改變很敏感，但是對于高于20mm/s不敏感。因此，可以確信的是在22mm/s時 SHD振動產生的力對于手指速度的改變是很敏感的，但是在60mm/s時運行的SHD會在明顯的力減小發生前允許手指以提速至大約40mm/s的速度行進。顯示力場由于SHD是有效地力源，它是可能產生或者顯示任意力場的。人們可以選擇顯示彈簧、阻尼器、或其他單元，但是出于舉例的目的，我們會描述線庫和源的顯示。在任意給定的時間時刻，設備具有穿過其表面的恒力場，由此產生空間變化的力場的概念，根據手指位置改變力是必要的。在實踐中，隨著手指在表面上運動，Φ 被調整以產生所期望方向和幅度的力。在圖12中，提供了線源力場外觀的頂視圖，以及用于生成這樣的場的Φ^^命令。注意圖12中的命令Φ 啟與圖9中的力和Φ 的關系曲線之間的相似性。為了產生線源，人們想要零力沿著中心線，這樣在X = O處Cj5ffia= 250°。在需求最大力的向量場的右邊緣和左邊緣，Φ 命令采取340°以及160°的最優Φ 啟角。力場圖13示出了來自4個不同力場的數據。有兩個線源以及兩個線庫，它們的每一個都具有“剛性”和“柔性”的形式。以力與位置的形式提供了原始數據，但是為了為觸覺感受提供更直觀的構思，申請人還將數據集成以形成“勢函數”。該勢函數定義為V(X) = / F(χ) dx，其中F(x)是根據位置χ作用于手指上的力。從Robles-De-La-Torre以及Hayward的文獻65得出的結果表明勢函數的形狀與所感知的虛擬凸起或坑的形狀相似。當從勢函數的角度觀察數據時，人們看到表面上陡峭的凸起，而不是看到剛性的平面線源。相似地，柔性的平面線庫可以被認為是表面上的淺坑。
建立勢函數概念以創建更精密的觸覺行為是可能的，例如在圖14A、14B以及14C 中圖示的撥動開關。觸覺撥動開關是由一個高勢域(源)分開的兩個低勢域(庫)，如圖 14A、14B所示。當將手指從一個低勢域滑向下一個低勢域時，手指傾向于“砰”得進入低勢域，很像翻轉物理撥動開關，如圖14C所示。以上所描述的說明性的平面(平板)觸覺顯示器SHD能夠施加和控制作用于手指的合切力。由于具有任意可控制的力源，當與手指位置的反饋相聯接時，該SHD允許人們顯示人們所選擇的力場。顯示線源與線庫的能力已經證實過了，并且它們可以被看作平面實體，或者3D突起和凹陷。可以推知SHD是能夠顯示平面彈簧、阻尼器、慣性質量、以及表面特征假象的工具。說明性的觸覺設備SHD提供平面觸覺顯示器，該平面觸覺顯示器能夠對手指施加任意的切力。它將具有顯示由彈簧、阻尼器、慣性質量，以及其它力構成的二維OD)世界， 而且，通過使用橫向力能夠創建形狀的假象的構思，SHD能夠產生三維(3D)紋理的假象以及其2D表面的形狀。兩個自由度的平面觸覺設備鑒于以上描述的圖3的一個自由度的說明性的觸覺設備SHD，可以構建具有兩個自由度振動基板的平面觸覺設備。對于兩個自由度的平面內振動，圖3示出的觸覺設備TPaD可在平面內的例如X軸和Y軸的多個軸上振動。例如，兩個自由度的運動通過設計復合滑塊提供，觸覺設備TPaD 擱置在該復合滑塊上以在正交的X和Y軸上滑動，參看圖3中的X和Y軸。復合滑塊將具有在X軸和Y軸上獨立地移動觸覺設備TPad的能力。例如，復合滑塊將具有像滑塊210的用于X軸振動的第一滑塊，以及安裝在第一滑塊上或在第一滑塊下部的用于獨立的X軸振動的第二滑塊。第一滑塊將通過示出的線性促動器200驅動以在X軸上振動，以及第二滑塊將通過第二線性促動器(未示出)驅動以在Y軸上振動，第二線性促動器以具有連接到 Y軸滑塊的促動器桿的相似揚聲器的形式。圖5示出的類型的手指位置傳感器可以被用于感應輸入至控制系統的X和Y手指位置，控制系統按需改變基板的橫向速度與TPaD開啟/ 關閉信號之間的相位角Φ^^，以生成切力。兩個自由度的該實施方式因此包含了具有用于振動X軸和Y軸上的TPaD的分開的促動器。電磁促動器(例如，音圈)、壓電撓曲促動器、形狀記憶合金促動器、人工肌肉促動器(http://VSWW. artificialmuscle. com/)以及其它促動器是這些促動器的可能的選擇。一般來說，如果觸覺設備TPaD以及它的座架150在振動頻率處對于X振蕩和Y振蕩都是共振的，則觸覺設備TPaD會最小化所需的促動器的努力。可以控制觸覺設備TPaD在X軸和Y軸上的振動，以生成基板的渦旋運動，從而以某種方式創建圓形的、平面內運動(在基板平面10 的平面內)。隨著基板旋轉，它的速度向量會在一瞬間與期望的力的方向對齊。在那一瞬間前后，基板被設置為它的高摩擦狀態， 并且力的沖量被施加到用戶手指或者物體。在“渦旋”圓形的剩余時間期間，基板被設置為低摩擦狀態，使得它極小地影響作用于手指或者物體的力。因為速度向量在渦旋期間經過全部360°，所以可以在任意平面內方向上創建力。在本發明的該實施方式中，根據所述，垂直于基板的超聲振蕩與較低頻率、較高振幅的橫向振蕩(例如，表面平面內的運動，以生成 “漩渦”)相結合。
作為結果，觸覺設備TPaD的玻璃板表面上的每個點都會在X-Y平面內執行小的、 圓形的、逆時針(從上方看)運動，以生成渦旋模式的運動。該渦旋運動在某種意義上完全類似于以上通過線性促動器200生成的、應用了相同考慮的頻率和振幅的X方向振動。然而，因為運動現在是沿著玻璃板基板的兩個軸發生的，摩擦調制的效果不相同。特別是，合力從未歸于零(或者在幅度上改變)，它僅僅改變方向。此外，因為力總是與設備的速度處于相同的方向，并且該速度是不斷改變的，所以平均力不會與單軸實施方式中的一樣大。假設摩擦依賴關系如上所述，可以證明，平均力具有幅度以及方向Φ。渦旋運動的相位可以在計算機控制下改變以創建邊緣或者其它觸摸效果，在渦旋運動期間用于摩擦減小的超聲振蕩被開啟或者關閉(或者調制)。該調制可以響應于所測量的手指位置，或者對于一些觸摸效果，手指位置的測量是不必要的。關于兩個自由度的觸覺設備SHD的本發明的另一個實施方式在圖15中示出，且包含將觸覺設備TPaD安裝在諸如機動座架410的柔性載體上，該機動座架被支撐于柔韌的金屬支柱400上，使得觸覺設備TPaD視需要自由地在某些限制內四處運動。柔韌的支柱400 在底部被連接到固定的基底。TPaD被固定地安裝在安裝板430上，該安裝板430通過角柱 422被剛性連接到機動座架410。偏心質量電機MM(例如在尋呼機中所用的那些)可被安裝在機動座架410上，并且包括偏心質量411。電機的輸出軸心線垂直于TPaD觸覺表面。 偏心質量電機MM通過其輸出軸，使偏心質量旋轉從而以旋轉的頻率產生旋轉反作用力。反之，這會導致機動座架410和其上的TPaD基板104以渦旋模式振蕩。描述的本發明的實施方式允許計算機(軟件)控制的觸覺效果被顯示在玻璃板基板表面上，不僅包括可變的摩擦，還包括積極地在表面上推動手指或者物體的橫向力。更強的觸覺效果是可能的。另外的使用也是可能的，不作為觸覺顯示，而是作為在計算機控制下在表面周圍驅使小物體的機理，因為在送料或者在機器人技術或者制造業中的相似應用中可能是有用的。在描述的實施方式中，觸覺設備TPaD作為一個單元，為摩擦減小效果被超聲振蕩。作為可選的方式，可以使用多于一個的超聲促動器，使得玻璃板表面的不同區域具有不同的超聲振幅，也許每一個超聲振幅被調制為對應于渦旋狀運動的不同相位。獲得穿過玻璃板表面的超聲振幅的空間變化的另一種方法是，使用超聲振蕩的節點模式(參看于2009 年3月19日提交的共同待審的美國申請序列號第12/383，120號)，或者將該節點模式與多于一個的超聲頻率結合起來，或者使用不同相位驅動的超聲促動器。應當理解，本發明并不局限于平面基板表面。例如，可以通過在徑向方向上創建超聲振蕩以及在軸向和/或圓周方向上創建“橫向”振動以在柱狀旋鈕的表面處生成牽引力。 事實上，任何表面會有表面法線以及位于該表面內的兩個軸，至少在局部上有。沿著法線的超聲振蕩以及沿著一個或者兩個表面內的軸的較低頻率振蕩可以互相協調以生成牽弓I力。橫向振動需要持久是沒有理由的。在很多應用中，只有必要短暫瞬間地施加主動牽引力。在這樣的情況下，橫向振動可以關閉直到需要它們生成牽引力為止。事實上，對于一些觸覺效果，橫向振動的僅僅單個循環或甚至僅僅半個循環可能足夠了。橫向振動的振幅或者次數可以被選擇以足夠將用戶手指移動期望的距離，或者對用戶手指施加期望的持續時間的作用力，以及然后可以中斷橫向振動。雖然關于本發明的某些說明性實施方式描述了本發明，但本領域的技術人員會理解，在如待審權利要求中所提出的本發明的范圍內可以對本發明進行改變或修改。參考文獻1 M. Biet, F. Giraud 禾口 B. Lemaire-Semail. Implementation of tactile feedback by modifying the perceived friction(通過修改所感知的摩擦實現觸覺反饋).European Physical Journal Appl. Phys.，43 123135，2008。2S.Μ· Biggs. S. Haptic hterfaces (觸覺接口)，第 5 章，93-115 頁.由 Lawrence Erlbaum Associates 出版，2002。3 Μ· Minsky. Computational Haptics :The Sandpaper System for Synthesizing texture for a force-feedback display(用于；^反饋！!示白勺合成紋 白勺砂紙系統).博士論文，麻省理工學院.Cambridge, ΜΑ, 1995。4J. Pasquero 禾口 V. Hayward. Stress :A practical tactile display with one millimeter spatial resolution and 700hz refresh rate ( 一禾中具有一毫^空|、司分辨率和700Hz刷新率的實用的觸感顯示器).Dublin，Ireland, 2003年7月。[5] G. Robles-De-La-Torre. Comparing the Role of Lateral Force During Active and Passive Touch Lateral Force and its Correlates are Inherently Ambiguous Cues for Shape Perception under Passive Touch Conditions (主動禾口被動觸摸期間橫向力角色的比較在被動觸摸條件下，橫向力及其相關因素對于形狀感知是本質上不明確的暗示)，159-164頁，2002。6G. Robles-De-La-Torre和V. Hayward. Force can overcome object geometry in the perception of shape through active touch (在通過主動觸摸的形狀的感知中， 力可以克服物體的幾何形狀)· Nature (自然)，412 445-448，2001年7月。7 M. Takasaki , H. Kotani , T. Mizuno 禾口 T. Nara. Transparent surface acoustic wave tactile display (jfBj^M^^M^M^^I). Intelligent Robots and Systems (智能機器人與系統)，2005. (IROS 2005). 2005IEEE/RSJ 國際會議，33M-3359 頁， 2005年8月。8V. Vincent Levesque 禾口 V. Hayward. Experimental evidence of lateral skin strain during tactile exploration (觸感探查期間橫向皮膚應變的實驗證據).In Proc. of Eurohaptics, Dublin, Ireland, 2003 年 7 月。9Τ· Watanabe 禾口 S. Fukui. A method for controlling tactile sensation of surface roughness using ultrasonic vibration (使用超聲振蕩控制表面粗糙的觸感的方法)· Robotics and Automation (機器人與自動化)· 1995. Proceedings. . 1995IEEE 國際會議，第 1 卷 1 :11；34-1139，1995 年 5 月。10L.Winfield， J. Glassmire, J. Ε. Colgate 禾口 Μ· Peshkin. T-pad :Tactile pattern display through variable friction reduction(T-pad : !^! ' ^ 7]''! ' 觸感模式顯示器).World Haptics Conference (世界觸覺會議)，421_似6頁，2007。11 A. Yamamoto, T. Ishii 禾口 T. Higuchi. Electrostatic tactile display for presenting surface roughness sensation(用于表現表面粗糙感的靜電觸感顯示器)， 680-684 頁，2003 年 12 月。
權利要求
1.一種觸覺設備，該觸覺設備包括基板，用于使所述基板進行橫向運動的一個或多個促動器，以及用于使所述基板進行摩擦減小的超聲振動的一個或多個其它促動器。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述一個或多個促動器使所述基板進行橫向振動。
3.如權利要求1所述的設備，包括控制設備，該控制設備用于控制所述一個或多個促動器以產生作用于與所述基板相接觸的用戶手指或者物體的力的方式使所述基板進行與所述摩擦減小的振動的調制同步的橫向運動。
4.如權利要求1所述的設備，其中，所述一個或多個促動器使所述基板進行單軸上的橫向運動。
5.如權利要求1所述的設備，其中，所述一個或多個促動器使所述基板進行在兩個軸上的橫向運動。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述一個或多個促動器使所述基板進行三個軸上的橫向運動，所述軸中的一個是旋轉的。
7.如權利要求3所述的設備，其中，所述基板的橫向速度與所述摩擦減小的振動的調制之間的相位角被改變，以改變所述力的方向。
8.如權利要求1所述的設備，其中，所述一個或多個促動器使所述基板產生非直線運動。
9.如權利要求8所述的設備，其中，所述一個或多個促動器使所述基板產生橫向圓形運動。
10.如權利要求1所述的設備，其中，所述一個或多個其他促動器使所述基板在垂直于所述基板的平面的方向上產生超聲振動，以產生摩擦減小的效果。
11.如權利要求1所述的設備，其中所述基板包括平板。
12.一種用于生成作用于與觸覺設備的基板的表面相接觸的用戶手指或者物體的力的方法，所述方法包括使所述基板進行橫向運動，使所述基板進行摩擦減小的超聲振動，以及控制所述橫向運動和所述摩擦減小的振動的調制以生成作用于與所述基板相接觸的用戶手指或者物體的所述力。
13.如權利要求12所述的方法，包括控制與所述摩擦減小的振動的調制同步的橫向運動。
14.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板經受橫向振動。
15.如權利要求12所述的方法，其中，所述橫向運動發生一次。
16.如權利要求12所述的方法，其中，所述橫向運動發生多次。
17.如權利要求12所述的方法，其中，所述橫向運動是持續的。
18.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板在單軸上橫向運動或者振動。
19.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板在兩個軸上橫向運動或者振動。
20.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板在三個軸上橫向運動或者振動，所述軸中的一個是旋轉的。
21.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板正弦曲線地橫向振動。
22.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板的橫向速度與所述摩擦減小的振動的開啟或者關閉狀態之間的相位角被改變，以改變所述力的方向和幅度。
23.如權利要求12所述的方法，其中所述基板在兩個軸上橫向振動以由此提供非線性運動。
24.如權利要求23所述的方法，其中，所述非線性運動包括所述基板的圓形運動。
25.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板在與其平面垂直的方向上超聲振動，以產生摩擦減小的效果。
26.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板包括平板。
27.如權利要求12所述的方法，包括響應于用戶手指或者物體的位置改變所述力以提供所述基板的表面的平面內的力場。
28.如權利要求12所述的方法，其中，所述基板交替地經受相對高的摩擦狀態以及較低摩擦狀態。
29.如權利要求12所述的方法，包括調制所述基板處于相對高的摩擦狀態的時間量。
全文摘要
一種包括基板的觸覺設備，該基板以某種方式被支配為諸如具有一個或多個自由度以及具有摩擦減小的振動的調制的橫向振動的橫向運動，從而能夠產生作用于設備的用戶手指或物體的切力。
文檔編號G06F3/033GK102576258SQ201080046843
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月29日 優先權日2009年10月19日
發明者詹姆斯·愛德華·科爾蓋特, 邁克爾·佩什金 申請人:西北大學