[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及触觉反馈。

背景技术

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US 8,981,682中提出的那样。

发明内容

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。