通过来自机械隔离的执行器的提示的感知组合的矢量触觉反馈制造技术

通过组合来自由非对称振动驱动的两个或更多个1‑D致动器的力提示来提供矢量触觉反馈提示。为了使这个组合正常工作，被组合的所述致动器彼此机械隔离是重要的。这种组合可以是提供给用户的相同身体部位上的不同位置的力提示的感知组合。

Vector tactile feedback via perceptual combinations of cues from mechanically isolated actuators

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过来自机械隔离的执行器的提示的感知组合的矢量触觉反馈
本专利技术涉及触觉反馈。
技术介绍
当向用户提供触觉力反馈时，通常期望提供向量反馈(即，具有2-D或3-D方向的反馈)。为此考虑了两种基本方法。在一种方法中，通过将多个致动器机械地耦合在一起来产生具有所需的若干自由度的单个设备。Leonardis(2015年IEEE世界触觉会议)是这种方法的一个示例，其中在单个接触点处通过三个致动器提供三个自由度。这种方法通常需要设备的复杂机械设计。另一种方法是使用两个或更多个1-D致动器通过组合它们的输出来提供矢量反馈，例如，如Delson等人在US8,981,682中提出的那样。
技术实现思路
然而，我们已经发现通过组合在不同的接触点处的两个或更多个1-D致动器的输出(例如通过将间隔开的若干致动器刚性地安装在公共衬底上)来提供矢量反馈的想法的直接实现在实践中不能起到良好的作用。机械地将执行器彼此隔离对于使该想法起作用是重要的。一旦提供机械隔离，我们发现致动器不必同位配置以提供期望的矢量反馈。人类触摸感知系统甚至可以从相距一定距离但是附接到身体的相同部位的两个1-D致动器提供矢量力感。这项工作的另一个重要方面是该设备没有触地。这与传统的触觉力反馈设备非常不同，传统的触觉力反馈设备位于桌子上并且通过使用电动机和联动装置利用来自桌子的反作用力来推动用户。然而，使用未触地的设备，设备没有任何物理设备可以抵靠向后推，因此净力为零。这使得向用户施加力感更加困难。在这项工作中，非对称振动用于向用户提供这种不触地的力感。在这项工作中，通过使用非对称振动驱动两个或更多个1-D致动器，以向用户显示两个或更多个力的程度或旋转度。1-D致动器是线性致动器，每个致动器只能在单个方向上显示提示。因此，对于期望的每个力方向需要至少一个致动器，并且对于期望的每个旋转方向需要至少两个致动器。非对称振动被定义为在一个方向上具有比在相反方向上更大幅度的振动。当致动器被握持在用户手中时，振动转换为皮肤位移。皮肤位移在较大振动(正)幅度的方向上较大，而在相反(负)方向上较小。然后，用户在较大位移的方向上感知到拉力感。拉动感的强度取决于正皮肤位移和负皮肤位移之间的幅度差异。因此，非对称振动可以用于沿着1-D致动器的运动线提供推动感或拉动感。由非对称振动引起的拉力高度取决于呈现给用户的皮肤变形的轮廓。我们的测试表明，当致动器刚性地安装在设备上(诸如，在板上或手柄中)时，由于振动通过设备本身传播，所以不能保持所需的振动轮廓。替代地，振动展开并沿多个方向传播，而不仅仅是在所需的拉力方向上。当多个致动器附接到设备时，这种振动的改变甚至更加显著，因为它们破坏了通过设备的振动的线性进展。因此，将多个致动器刚性地附接到设备不允许简单的振动的矢量和显示多个方向。代替使用致动器的刚性附接，这项工作依赖于将致动器彼此机械隔离。本文中“机械隔离”意味着在0到100Hz的频率范围内从一个致动器到另一个致动器振动衰减15dB或更多。在100Hz以上的频率下的高衰减不是必需的，因为驱动致动器的频率小于100Hz。这可以采取以下形式：a)通过柔性介质将多个致动器附接到刚性设备，以允许致动器彼此独立地移动；或者b)将多个致动器附接到身体上的不同部位。方法(a)的一个成功实现采取了安装在两个刚性板之间的两个音圈的形式，其中非常有弹性的硅橡胶层将音圈与刚性板分开，如图2C至图2D的示例中那样。这种方法允许我们将致动器安装在刚性设备上或刚性设备中。约束是致动器应该相对于彼此和设备本身自由移动至少1mm。执行器应该灵活地耦合到设备，并且应该彼此机械隔离。下面详细呈现方法(b)的一个实例化，其中三个致动器安装在手指上以显示三个方向的力信息。由于致动器安装在这种自然有弹性的皮肤上，因此它们可以彼此独立地自由移动。即使当两个致动器安装在同一个手指上，我们也没有遇到任何不同致动器之间的信号的消除的干扰的问题。当同时从两个致动器显示信号时，用户感知到两个单独的致动器的两个运动轴线之间的方向上的拉力。因此，即使用户正在感知身体上的两个不同位置上的振动，他们的大脑也可以组合这两个信号并且他们感知到一个“有效”力。图1A示出了本专利技术的第一实施例。本文中，两个或更多个1-D致动器104和106以非对称振动驱动，以向用户102提供力提示108和110。至少两个致动器被配置为通过它们的输出的组合来提供矢量力提示，如该示例中所示，其中矢量力提示112是力提示108和110的组合。如上所述，矢量力提示112可以是力提示108和110的感知组合。两个或更多个1-D致动器彼此机械隔离。图1B的示例示出了实现这种机械隔离的一种方式。本文中，弹性织物构件120和122被配置为分别保持致动器104和106与用户102的皮肤接触。优选地，弹性织物构件不在其相应的1-D致动器的致动方向上拉伸。替代地，该图中的120和122可以是弹性套管构件，其被配置为在操作中将致动器保持与用户的皮肤接触。实现机械隔离的另一个方法在图2A至图2B中示出。本文中，图2A是俯视图并且图2B是侧视图。本文中，202是刚性衬底，并且致动器104和106通过柔性的并且机械隔离的介质204安装到衬底202，介质204被配置为将两个或更多个致动器彼此机械地解耦。图2C至图2D中示出了实现机械隔离的进一步方法。本文中，图2C是由线220所示的横截面图，并且图2D是侧视图。本文中，212和214是刚性板，并且致动器216和218通过柔性的并且机械隔离的垫222、224、226、228安装在板之间，柔性的并且机械隔离的垫222、224、226、228被配置为使两个或更多个致动器彼此机械地解耦。这种设备可以由使用者握持或绑在用户的身体的一部分上。来自致动器的振动可以通过板212和214以被用户感知。本专利技术的实践并不严格依赖于致动器的位置，尽管它们应设置在同一身体部位上以提供如上所述的感知力提示组合。合适的身体部位包括但不限于：手指、手、手腕、手臂、头部、颈部、脚踝、脚、膝盖和胸部。见图7A至图12B。通过提供至少一对线性致动器，可以与矢量力组合想法相结合提供旋转提示，该至少一对线性致动器被设置成向用户的皮肤递送基本相等和相反的力，以产生触觉旋转提示。见图4D。尽管下文给出的详细示例使用音圈用于1-D致动器，但是本专利技术的实践并不严格依赖于致动器的选择。可以采用能够以非对称振动驱动的任何其他1-D致动器，包括但不限于：弹簧上的振荡质量，其中质量的位置由电动机或者音圈控制；线性伺服；旋转电动机，具有将旋转转换成皮肤的位移的机械联动装置；旋转伺服电动机，具有将旋转转换成皮肤的位移的机械联动装置；以及线性谐振致动器。附图说明图1A至图1B示出了本专利技术的第一实施例。图2A至图2B示出了本专利技术的第二实施例。图2C至图2D示出了本专利技术的第三实施例。图3示出了示例性的非对称振动波形。图4A至图4D示出了用于实验演示的致动器布置。图5示出了图4A至图4D的实验的平移结果。图6示出了图4A至图4D的实验的旋转结果。图7A至图7C示出了用户手上的致动器的若干配置。图8A至图8D示出了用户手臂上的致动器的若干配置。图9A至图9C示出了用户头部或颈部上的致动器的若干配置。图10A至图10C示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种触觉反馈设备，包括：两个或更多个1‑D致动器，所述两个或更多个1‑D致动器以非对称振动驱动以向用户提供力提示，其中，所述致动器中的至少两个致动器被配置为通过所述致动器的输出的组合提供矢量力提示；其中，所述两个或更多个1‑D致动器彼此机械隔离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.01 US 62/428,8071.一种触觉反馈设备，包括：两个或更多个1-D致动器，所述两个或更多个1-D致动器以非对称振动驱动以向用户提供力提示，其中，所述致动器中的至少两个致动器被配置为通过所述致动器的输出的组合提供矢量力提示；其中，所述两个或更多个1-D致动器彼此机械隔离。2.如权利要求1所述的触觉反馈设备，进一步包括刚性衬底，其中，所述两个或更多个1-D致动器通过柔性的并且机械隔离的介质安装到所述刚性衬底，所述柔性的并且机械隔离的介质被配置为使所述两个或更多个致动器彼此机械解耦。3.如权利要求1所述的触觉反馈设备，进一步包括一个或多个弹性织物构件，所述一个或多个弹性织物构件被配置为将所述1-D致动器中的至少一个1-D致动器保持与操作中的用户的皮肤接触。4.如权利要求1所述的触觉反馈设备，其中，所述弹性织物构件不在所述弹性织物构件的相应的1-D致动器的致动方向上伸展。5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·卡伯特森，A·M·冈村，J·沃克，
申请(专利权)人：小利兰·斯坦福大学托管委员会，
类型：发明
国别省市：美国,US