時間反演觸覺激勵界面的制作方法
【專利摘要】觸覺激勵界面包括支架(2)、柔性表面、致動器(6)和用于控制致動器(6)的裝置，柔性表面懸吊在支架(2)上適用于操作者進行觸覺探測，位于柔性表面的輪廓上的致動器(6)適用于在柔性表面(4)上施加力。控制裝置適用于根據待生成于柔性表面(4)上的觸覺激勵向致動器(6)發送與待施加在柔性表面(4)上的力對應的信號，該力通過時間反演方法確定。表面(4)包括至少一個例如由制成的足夠柔性區域，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到足夠短的波長，借此大幅提高在與觸覺激勵相容的分辨率下的聚焦。
【專利說明】時間反演觸覺激勵界面
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種時間反演觸覺激勵界面，該時間反演觸覺激勵界面使得形狀和大 小可變的觸覺激勵能夠得到展示。
【背景技術】
[0002] 觸覺激勵界面適用于提供諸如紋理、起伏、或粗糙度之類的隨時間和/或空間變 化的觸覺信息。
[0003] 此類界面例如用于人機交互界面領域。該界面還可以用于光學、聲學、化學和自動 化制造領域。
[0004] 為了生產此類可以顯示觸覺模式的觸覺界面，通常使用致動器矩陣，每個致動器 直接在皮膚表面上施加法向或切向的靜態或動態運動。此類界面的分辨率受到致動器大 小的限制。而且，這些界面體積較大并且需要與所探測的觸覺表面成正比的大量致動器， 每個致動器對應于一個觸覺像素。最終，這些存在于待探測表面下方的致動器致使界面 無法透光，這使得無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年的國際機器人研討會會議記錄的文獻"Tactile interfaces:a state of the art survey"（觸覺界面：現有技術概覽）中進行了描述。
[0005] 在其它界面中，待探測的表面根據接觸位置相對于圖案切向振動。隨之可以通過 根據手指在表面上的位置調節剪切力以給出邊界和紋理的幻覺。整個板塊具有相同的運 動，并且無法以不同方式激勵多個手指：探測表面的兩個手指將接收相同的激勵。
[0006] M. R. Bai和Y. K. Tsai在2011年美國聲學學會期刊，129(3)，1297-1305的文獻 "Impact localization combined with haptic feedback for touch panel applications based on the time-reversal approach"（基于時間反演方法的用于觸摸面板應用的結合 有觸摸反饋的沖擊定位）中說明了一種界面，該界面使用時間反演方法來在玻璃片中傳播 聲波并且產生觸覺激勵界面。
[0007] 時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界面具有眾多缺點。玻璃 中的波速很高，大約為1500m/s。因此，為了獲得厘米量級的焦點，則需要大約150kHz的頻 率。為了獲得足以感知的運動，則需要非常大的功率。最終，2mm的玻璃片的抗撓剛度過高 而無法獲得足夠用于觸覺應用的運動。例如，該文獻提到了對于3cm寬的焦點的2 μ m的運 動。
[0009] 文獻US2010/0225596說明了一種觸覺界面，該觸覺界面包括在具有壓電致動器 的框架上延展的彈性體薄膜并在該薄膜中產生駐波。該界面使得無法生成在時間和空間上 定位的激勵。
【發明內容】
[0010] 因而，本發明的一個目標是提供一種觸覺激勵界面，該觸覺激勵界面具有良好的 空間分辨率和良好的時間分辨率，并且提供能夠由觸覺檢測的大幅運動。
[0011] 本發明的一個額外目標是提供一種觸覺界面，該觸覺界面使得可以生成諸如圖像 輪廓之類的具有復雜形狀的圖案。
[0012] 上述目標通過一種實施時間反演方法的觸覺激勵界面來實現，所述界面包括至少 一個面適用于傳遞觸覺激勵的元件、能夠發射信號以使聲波在界面元件中傳播的致動器， 所述元件由柔性表面形成，施加到表面上的信號通過時間反演方法確定。
[0013] 因為傳播聲波的元件是柔性的，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，從而提高在與觸覺激勵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獲得較大運動。
[0014] 在支承觸覺表面的框架上的致動器可以是分立的。由聲波生成的激勵獨立于手指 的位置，這使得多個手指能夠探測表面。激勵可以例如以大約IOOHz的頻率隨時間并以幅 度調制方式重復。這些激勵可能位于表面的任意位置，聚焦于一點或者描繪出某一形狀的 輪廓。
[0015] 因為致動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，本發明涉及一種激勵器，該激勵器能夠在表面內建立可修改變形，從而 對能夠觸覺感知并能夠隨時間改變的起伏或者局部振動進行顯示。激勵器具有由一個或更 多致動器激活的表面。這些致動器在所述表面上施加根據時間反演方法計算的力。該方法 使得聲波能夠聚焦于表面的一個或更多點或者直線處，引起在小范圍的時間和空間上的可 感知的幅度峰值。該動態觸覺激勵器使得手的多個手指或諸如手掌之類的部分能夠對表面 進行探測。
[0018] 本發明的主旨是一種包括適用于由操作者觸摸探測的元件的觸覺激勵界面，適用 于觸覺探測的所述元件由至少一個表面、至少一個配置為在所述表面上施加力的致動器、 以及用于控制至少一個致動器的裝置形成，所述控制裝置配置為根據待生成于表面上的觸 覺激勵向致動器發送與待施加到所述表面的力相應的信號，所述力通過時間反演方法確 定，所述表面由至少一個區域組成以使得：
【權利要求】
1. 一種觸覺激勵界面，包括適用于操作者進行觸覺探測的元件，所述適用于進行觸 覺探測的元件由至少一個表面、配置為在所述表面上施加力的至少一個致動器化、1006、 1006')和用于控制所述至少一個致動器的裝置形成，所述控制裝置配置為根據待在所述表 面上生成的觸覺刺激，向所述致動器化、1006U006')發送與待施加到所述表面（4、1004) 上的力對應的信號， 其中，所述力通過時間反演方法確定，所述表面（4、1004)包括至少一個區域W使得：
入為在所述區域中傳播的彎曲波的波長， C為所述彎曲波的速度， P為所述區域的單位面積質量，并且 其中，所述至少一個致動器化、1006、1006')具有在mz和20曲Z之間延展的帶寬，從 而激勵大量的特定于所述表面（4、1004)的模式。
2. 根據權利要求1所述的觸覺激勵界面，包括至少一個形成對所述表面進行支持的框 架的支架（2、1002)，所述致動器化、1006、1006'）位于所述框架附近。
3. 根據權利要求2所述的觸覺激勵界面，其中，所述致動器（6)直接在所述表面上施加 一個與所述表面垂直的力。
4. 根據權利要求2所述的觸覺激勵界面，其中，所述致動器（1006'）直接在所述支架 (1002)上施加力。
5. 根據權利要求1所述的觸覺激勵界面，包括采用息掛有所述表面（1004)的框架形 式的支架（1002)、至少一個第一和第二致動器，所述第一制動器（1006)直接在所述表面 (1004)上施加力并且所述第二制動器在所述支架（1002)上施加力。
6. 根據權利要求1所述的觸覺激勵界面，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 個安裝在所述支架上的致動器。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的觸覺激勵界面，包括至少一個能夠對所述力在 所述表面上的作用施加影響的參數的傳感器。
8. 根據權利要求7所述的觸覺激勵界面，包括至少一個用于對操作者與所述界面之間 的接觸存在性進行檢測的傳感器。
9. 根據權利要求1至8中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述致動器（6)為電磁制 動器。
10. 根據權利要求9并結合權利要求2至6中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述 致動器（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. 根據權利要求1至8中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述致動器由壓電材料 制成。
12. 根據權利要求11并結合權利要求2至6中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述 致動器包括梁，所述梁的一端固定于所述支架內并且所述梁的另一端適用于在所述表面上
施加力。
13. 根據權利要求1至12中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述表面配備有適用于 與操作者接觸的針腳。
14. 根據權利要求1至13中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述表面由至少兩種不 同材料和/或兩個不同的相組成。
15. 根據權利要求1至14中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述表面是透明的。
16. 根據權利要求1至15中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述表面由至少一個由 聚合材料或復合材料制成的薄膜組成。
17. 根據權利要求16所述的觸覺激勵界面，包括：所述表面于之上延展的支架。
18. 根據權利要求1至15中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述表面由至少一個厚 度大約為100 y m的玻璃片組成。
19. 根據權利要求1至18中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述控制裝置包括模態 庫或沖擊響應庫。
20. 根據權利要求19所述的觸覺激勵界面，其中，所述沖擊響應庫包含待發送到所述 致動器化、1006、1006'）處的信號，所述信號已經通過所述時間反演方法加^確定。
21. 根據權利要求19所述的觸覺激勵界面，其中，所述模態庫由用于通過所述時間反 演方法對待發送到所述致動器化、1006、1006'）處的信號進行確定（A)的單元組成。
22. 根據權利要求1至21中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述控制裝置由將所述 信號發送到所述致動器化、1006、1006'）處的致動器控制器組成。
23. 根據權利要求1至22中任一項所述的觸覺激勵界面，其中，所述彎曲波的速度為大 約 50m/s。
【文檔編號】G06F3/01GK104428733SQ201380036435
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年6月5日 優先權日:2012年6月6日
【發明者】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 申請人:原子能和替代能源委員會