基于阻力的触觉设备制造技术

触觉设备包括：被配置为绕轴旋转的滚筒，围绕滚筒缠绕的绳索，操作地耦合到滚筒并被配置为接收用户致动力的用户可致动杆，被配置为确定滚筒的旋转位置的位置传感器，以及操作地耦合到绳索的致动器。致动器可以被配置为向绳索施加张力，该绳索进一步施加摩擦力来制动滚筒，以使用户可致动杆提供与用户致动力相反的用户感知的阻力。用户感知的阻力可以作为滚筒的旋转位置的函数来改变。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于阻力的触觉设备
技术介绍
触觉设备可以被用来增强与虚拟环境的交互，诸如视频游戏或虚拟现实体验。特别地，触觉设备可以被用来提供表示虚拟环境中的虚拟力的力反馈。这样的力反馈可以增强虚拟环境的有形性的感知，这可以使虚拟体验更加沉浸和真实。附图说明图1示意性地示出了示例触觉设备。图2示出了由围绕触觉设备缠绕的滚筒的绳索放大以与负载扭矩相反的保持扭矩之间的关系。图3示意性地示出了由用户佩戴的触觉设备，其包括处于延伸位置的用户可致动杆。图4示意性地示出了提供用户感知的阻力的触觉设备，该用户感知的阻力与由用户的手指施加到触觉设备的用户可致动杆的用户致动力相反。图5示意性地示出了用户的手指在触觉设备中采取触发抓握。图6示意性地示出了被配置为提供双向阻力的示例触觉设备。图7示意性地示出了示例触觉设备，其被配置为经由弹簧选择性地提供具有能量存储特性的用户感知的阻力。图8示出了触觉设备的示例用户感知的阻力曲线。图9示出了触觉设备的包括硬停止的示例用户感知的阻力曲线。图10示出了触觉设备的示例用户感知的双向阻力曲线。图11示出了示例计算系统。具体实施方式当今使用的许多常规触觉设备是电振动类型的，其振动以例如在游戏控制器中向用户提供触觉反馈。但是，振动通常不是自然的用户输入——例如，在普通对象被处理时振动是不寻常的。当今使用的另一常规类型的触觉设备是机电主动类型的，其主动地将力直接施加到(多个)人类肢体并且例如经由电机主动地产生人类尺度的力或扭矩。这种类型的主动触觉设备仅能够将电能量直接转换为所施加的力或扭矩。这种类型的主动触觉设备可能需要相对大量的电功率以产生人类尺度的大的施加力。在许多示例中，主动触觉设备可以包括小型电机，该小型电机被齿轮减速以产生大的施加力。但是，这种齿轮减速电机配置虽然增加了电机可以产生的施加力，但可能会引起各种问题。作为示例，这样的配置可能导致致动器输出的较慢的致动速度。作为另一示例，这样的配置可能具有大的电池功率需求。作为又一示例，这样的配置可能不太稳健，因为齿轮可能会被人类尺度的力损坏或以其他方式受到损害。因此，本说明书涉及一种触觉设备，该触觉设备通过控制较小的内部可编程力来机械地抵抗或约束人类对象的移动，该较小的内部可编程力经由机械优势而施用较大的力以抵消外部的用户提供的输入力。在一个示例中，触觉设备包括围绕轴可旋转的滚筒、围绕滚筒缠绕的绳索、操作地耦合到滚筒的用户可致动杆、被配置为确定滚筒的旋转位置的位置传感器以及操作地耦合到绳索的小型致动器。致动器可以向绳索施加张力，使得绳索挤压滚筒以提供与被施加到杆的用户致动力相反的用户感知的阻力。用户感知的阻力可以由致动器作为滚筒的旋转位置的函数来改变。该新颖的触觉设备通过使用来自致动器的相对较小的力来利用绳索和滚筒的布置，以可变地张紧绳索。所得到的滚筒绳索摩擦力使滚筒的旋转制动，使得相对大的人类施加到杆的力可以被抵消，以产生较大的触觉力。例如，这可以支持虚拟对象模仿真实世界对象的感觉和行为的场景。由触觉设备所产生的所得触觉效果可能类似于自行车或汽车上的机械制动器的触觉效果。通过机械地放大小型致动器的输出扭矩以提供用户感知的阻力，致动器的最大输出力能力可以相对较小。此外，在该特定配置中，仅依靠致动器来提供输出扭矩以抵抗人类提供的输入力，而不依靠致动器来主动地移动用户可致动杆(例如，当没有人类输入力被提供时)。这样，与由具有相同或相似尺寸、重量和扭矩能力的电机供电的主动机电触觉设备相比，该新颖的触觉设备能够抵抗更大的力，消耗更少的电功率，操作更快，并且更稳健。此外，在该触觉设备中，可以控制电机来改变被施加到绳索的张力，使得用户感知的阻力作为滚筒的旋转位置的函数来改变。这允许触觉设备提供各种不同类型的阻性反馈，该阻性反馈可以被用来模拟触摸或抓握各种对象，诸如硬对象、软对象或具有粘弹性质的对象、以及其他类型的阻性反馈。此外，通过改变作为滚筒的旋转位置的函数的阻力，该触觉设备可以被用来模拟在被按压或被抓握时具有可变阻力的各种真实世界的对象，诸如按钮、按键、触发器等。由触觉设备提供的这种可变阻性反馈可以特别有益于在虚拟现实/混合现实/增强现实场景中模拟针对虚拟对象的真实世界触觉。图1示意性地示出了用户可穿戴以提供阻性力反馈的示例触觉设备100。触觉设备100被配置为与用户的右手(未示出)上的食指(也被称为指向指、第一指、触发手指)对接。触觉设备100可以以任何合适的方式耦合到用户的手。例如，触觉设备100可以经由条或带耦合到用户的手。在另一示例中，触觉设备100可以被并入到佩戴在用户的手上的手套中。触觉设备100包括指环102，指环102形成孔径104，用户的手指(未示出)可以延伸通过该孔径。指环102连接到杆108的负载端106。特别地，指环102经由接合件110连接到杆108，该接合件110使得指环102能够相对于杆108旋转。接合件110的旋转轴(Y轴)垂直于杆108的致动平面(XZ平面)。注意，X、Y和Z轴是作为参考系而被提供的，这意味着是非限制性的并且这些轴并不表示实际的真实世界方向。在一些示例中，接合件110可以相对于杆108的致动平面具有不同的旋转角度。指环102可以相对于致动杆108旋转以适应不同尺寸的手指和/或不同用户的不同抓握风格。触发偏置弹簧112可以连接在指环102和杆108的负载端106之间。触发偏置弹簧112可以被配置为将指环102朝向静止位置偏置，在该静止位置处，当用户的手指被放置于指环102中并且不提供用户的致动力时，基线阻力(基于弹力)被施加到用户的手指。当大于触发偏置弹簧112的弹力的用户致动力被施加到指环102时，触发偏置弹簧112可以膨胀并且杆108可以致动。这样，杆108在本文中可以被称为用户可致动杆。杆108的与负载端106相对的施力端114耦合到滚筒116，使得杆108相对于滚筒116的位置保持固定位置。在所图示的示例中，杆108的施力端114具有十字形，并且杆108经由多个安装螺钉耦合到滚筒116，多个安装螺钉被馈送通过十字的每个臂。可以使用任何合适的耦合机构将杆108固定到滚筒116。滚筒116被可旋转地安装到框架118。滚筒116围绕Y轴可旋转。由于杆108相对于滚筒116被固定，因此当滚筒116围绕Y轴旋转时，杆108在X-Z平面中致动。滚筒116的旋转范围是基于与指环102对接的食指的移动范围来设计的。在一个示例中，滚筒116的旋转范围是四十五度。滚筒116可以被配置为具有任何合适的旋转范围。绳索120围绕滚筒116缠绕。绳索120的第一端122被固定到框架118，并且绳索120的第二端124耦合到致动器126，致动器126被固定到框架118。通过将绳索120的相对端122直接固定到框架118，由致动器126施加到绳索120的张力被传递到滚筒116，而不是将负载放置在绳索120上。注意，绳索作为非限制性示例而被提供。任何合适的材料或柔性结构都可以围绕滚筒缠绕，以在被拉紧时将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种触觉设备，包括：/n滚筒，被配置为绕轴旋转；/n绳索，围绕所述滚筒缠绕；/n用户可致动杆，被操作地耦合到所述滚筒并且被配置为接收用户致动力；/n位置传感器，被配置为确定所述滚筒的旋转位置；以及/n致动器，被操作地耦合到所述绳索并且被配置为向所述绳索施加张力，所述绳索进一步施加摩擦力来制动所述滚筒，以使所述用户可致动杆提供与所述用户致动力相反的用户感知的阻力，并且其中所述用户感知的阻力作为所述滚筒的所述旋转位置的函数来改变。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180402 US 15/943,6101.一种触觉设备，包括：
滚筒，被配置为绕轴旋转；
绳索，围绕所述滚筒缠绕；
用户可致动杆，被操作地耦合到所述滚筒并且被配置为接收用户致动力；
位置传感器，被配置为确定所述滚筒的旋转位置；以及
致动器，被操作地耦合到所述绳索并且被配置为向所述绳索施加张力，所述绳索进一步施加摩擦力来制动所述滚筒，以使所述用户可致动杆提供与所述用户致动力相反的用户感知的阻力，并且其中所述用户感知的阻力作为所述滚筒的所述旋转位置的函数来改变。


2.根据权利要求1所述的触觉设备，其中所述用户感知的阻力被配置为根据从多个预定阻力曲线中选择的针对所述滚筒的旋转范围的阻力曲线来变化。


3.根据权利要求2所述的触觉设备，其中所述阻力曲线规定所述用户感知的阻力在所述滚筒的所述旋转范围的至少一部分上线性地变化。


4.根据权利要求2所述的触觉设备，其中所述阻力曲线包括在所述滚筒的旋转范围内的指定位置处的硬停止。


5.根据权利要求1所述的触觉设备，还包括：
通信子系统，通信地耦合到计算设备并且被配置为：
向所述计算设备发送所述滚筒的所述旋转位置，以及
从所述计算设备接收反馈信号，其中所述致动器基于所述信号而被控制以将所述张力施加到所述绳索来提供所述用户感知的阻力，并且其中所述用户感知的阻力进一步至少基于所述计算设备的参数而被确定。


6.根据权利要求1所述的触觉设备，其中所述用户致动力是沿第...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·辛克莱，E·奥菲克，C·霍尔茨，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US