CN106896912A - 具有多个可变形膜的触觉***设备 - Google Patents

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M·艾尔卢尼
J·M·C·赫南德兹
R·拉克鲁瓦
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Abstract

一种触觉***设备，包括：外壳，包括具有多个环绕固定间隔的窗口的框架；多个可变形膜，定位所述多个环绕固定间隔的窗口内；以及触觉输出设备，布置在所述外壳内并耦合至所述多个可变形膜。所述触觉输出设备包括电机、转化器和多个径向延伸的销。每一个径向延伸的销具有附连至所述转化器的第一端部和附连至所述可变形膜的第二相对的端部。所述电机被配置为从处理器接收控制信号并被配置为响应于所述控制信号相对于所述外壳旋转。所述转化器将所述电机的旋转运动转化为线性运动以移动所述多个径向延伸的销，从而相对于所述外壳径向延伸所述可变形膜并向所述触觉***设备的用户提供触觉效果。

Description

具有多个可变形膜的触觉***设备
技术领域
于此的实施方式涉及触觉效果，更特别地涉及具有多个可变形膜以向用户提供触觉效果的触觉***设备。
背景技术
视频游戏和视频游戏***已经由于市场导向变得更流行，由此得到了休闲玩家的参与。传统视频游戏设备或控制器使用视觉和听觉的提示来向用户提供反馈。在一些接口设备中，动觉反馈(诸如主动力反馈和阻力反馈)和/或可触知反馈(诸如振动、纹理和热量)也提供给用户，更一般地共同称为“触觉反馈”或“触觉效果”。触觉反馈可以提供加强和简化用户接口的提示。特别地，振动效果或可触知振动的触觉效果在向电子设备的用户提供提示以警告用户特别事件或提供真实反馈以在模拟的或虚拟的环境中建立感官陷入是有帮助的。
用户与用户输入元件交互以引起动作的诸如医疗设备、汽车控制、远程控制和其他类似设备也受益于触觉反馈或触觉效果。例如，并且不是通过显示的方式，医疗设备上的用户输入元件可以由患者身体之外的用户在医疗设备的最接近的部分进行操作以在医疗设备的末端引起患者身体内的动作。触觉反馈或触觉效果可以由设备采用以向用户警告特定事件，或向用户提供与医疗设备与患者在医疗设备的末端交互有关的真实反馈。
传统用于游戏、虚拟现实及其他设备的触觉反馈一般包括一个或多个致动器，一个或多个致动器附连至产生触觉反馈的控制器/***设备的外壳或包含在产生触觉反馈的控制器/***设备的外壳内。在触觉反馈设备的商业可用实现中出现的一个问题是设备非常巨大，因为此类设备采用大的电机并需要大电源进行操作。这些特征使其很难集成强制性的触觉反馈至较小的接口设备，诸如手持型游戏控制器、操纵杆、远程控制或其他设备。但是，这些控制器对于许多类型的***特别是家用视频游戏控制台来说是优选的输入设备，并且也是由消费者优选的。
其中的实施方式涉及触觉反馈***，触觉反馈***经由较小的接口设备提供了失真触觉效果，较小的接口设备诸如用于游戏或虚拟现实***的手持型***设备。
发明内容
于此的实施方式针对一种触觉***设备，包括外壳、多个可变形膜和触觉输出设备，触觉输出设备布置在外壳内并耦合至多个可变形膜。外壳包括具有多个固定间隔的窗口的框架。每一个可变形膜定位在框架的多个固定间隔的窗口中的一者内。触觉输出设备包括电机、耦合至电机并具有通过其限定的多个轨道的凸轮板、多个滚轴和多个径向延伸的销。每一个滚轴可滑动地定位在所述凸轮板的所述多个轨道中的一者。每一个径向延伸的销具有附连至多 个轨道中的一者的第一端部和附连至可变形膜中的一者的第二相对的端部。电机被配置为从处理器接收控制信号并被配置为响应于来自处理器的控制信号相对于外壳旋转凸轮板。凸轮板的旋转移动多个滚轴和多个径向延伸的销，从而相对于外壳径向延伸可变形膜并向触觉***设备的用户提供触觉效果。
根据于此的另一实施方式，一种触觉***设备，包括外壳、多个可变形膜和触觉输出设备，触觉输出设备布置在外壳内并耦合至多个可变形膜。外壳包括具有多个固定间隔的窗口的框架。每一个可变形膜定位在框架的多个固定间隔的窗口中的一者内。触觉输出设备包括电机、转化器和多个径向延伸的销。转化器在电机与多个径向延伸的销之间延伸。每一个径向延伸的销具有附连至转化器的第一端部和附连至可变形膜中的一者的第二相对的端部。电机被配置为从处理器接收控制信号并被配置为响应于来自处理器的控制信号相对于外壳旋转。转化器将所述电机的旋转运动转化为线性运动以移动多个径向延伸的销，从而相对于外壳径向延伸可变形膜并向触觉***设备的用户提供触觉效果。
根据于此的另一实施方式，一种游戏***，包括主计算机、处理器和触觉***设备。触觉***设备包括外壳、多个可变形膜和触觉输出设备，触觉输出设备布置在外壳内并耦合至多个可变形膜。外壳包括具有多个固定间隔的窗口的框架。每一个可变形膜定位在框架的多个固定间隔的窗口中的一者内。触觉输出设备包括电机、转化器和多个径向延伸的销。转化器在电机与多个径向延伸的销之间延伸。每一个径向延伸的销具有附连至转化器的第一端部和附连至可变形膜中的一者的第二相对的端部。电机被配置为从处理器接收控制信号并被配置为响应于来自处理器的控制信号相对于外壳旋转。转化器将电机的旋转运动转化为线性运动以移动所述多个径向延伸的销，从而相对于外壳径向延伸可变形膜并向触觉***设备的用户提供触觉效果。
附图说明
本发明的前述的及其他特征和优势根据以下如所附附图所示的于此的实施方式的说明将是显而易见的。结合于此并形成说明书的一部分的所附附图进一步用作解释本发明的原理并使相关领域技术人员能够进行和使用本发明。附图不是按比例的。
图1是包括根据于此的实施方式的触觉***设备的***的示意性图示，其中***还包括主计算机和显示器。
图2是图1的***的框图。
图3是图1的触觉***设备的透视视图。
图4是图1的触觉***设备的一部分的放大透视视图。
图5是图1的触觉***设备的一部分的放大透视视图，其中触觉***设备的外壳的框架以幻影显示以示出其中的内部组件。
图6是图1的触觉***设备的分解透视视图。
图7是图1的触觉***设备的分解透视视图，其中触觉***设备的外壳的电机壳和触觉***设备的外壳的端部板以幻影显示以示出其中的内部组件并且触觉***设备以其标称的或不变形的状态显示。
图7A是图7的端部视图，其中***设备的外壳的框架出于清楚的目的未示出。
图8是图1的触觉***设备的透视视图，其中触觉***设备的外壳的电机壳和触觉***设备的外壳的端部板以幻影显示以示出其中的内部组件并且触觉***设备以其扩展的或变形的状态显示。
图8A是图8的端部视图，其中***设备的外壳的框架出于清楚的目的未示出。
图9是根据于此另一实施方式的触觉***设备的示意性图示，其中触觉***设备的电机布置在触觉***设备的外壳的框架内。
图10是根据于此另一实施方式的触觉***设备的示意性图示，其中触觉***设备的可变形膜被配置为独立或分别变形或扩展。
图10A是图10的触觉***设备的凸轮板的俯视图。
图11是根据于此另一实施方式的触觉***设备的示意性图示，其中滚珠螺杆和多个弯曲部分用于将电机的旋转运动转化为多个可变形膜的线性运动。
图12是根据于此另一实施方式的触觉***设备的示意性图示，其中滚珠螺杆和多个弯曲部分用于将电机的旋转运动转化为多个可变形膜的线性运动。
图13是根据于此另一实施方式的触觉***设备的示意性图示，其中触觉***设备是游戏平板，游戏平板包括用于向用户提供触觉效果的可变形膜。
图14是图13的游戏平板的框图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的特定实施方式，其中类似的参考数字指示了同样的或功能类似的元件。
以下具体的说明实际上仅是示例性的并且不意在限制本发明或应用及本发明的使用。此外，意图不在于被呈现在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体说明中的任意表达或暗示的理论所约束。此外，虽然以下说明针对游戏设备和用于游戏设备的控制器，但是本领域技术人员应当认识到说明同样应用于其他触觉反馈设备。
于此的实施方式涉及触觉反馈***的触觉***设备，包括外壳、多个可变形膜和触觉输出设备的触觉***设备布置在外壳内并耦合至多个可变形膜。触觉输出设备被配置为从处理器接收控制信号并被配置为相对于外壳径向延伸可变形膜及向触觉***设备的用户提供触觉 效果。触觉***设备是可抓握设备，可抓握设备具有能够向用户提供唯一且高动态的非振动触觉反馈的多个可变形膜或区域，这大大改善了虚拟现实和视频游戏交互的用户体验的质量。在该设备中，由于定制(custom)设计的触觉输出设备，电机的旋转运动可以被转化为具有非常低的摩擦的垂直轴中的多个线性运动。于此所描述的触觉***设备的优势包括触觉***设备具有多个可变形区域或膜并且可以产生基于变形的具有200N的力的触觉、10mm的变形和10Hz的变形带宽。
更特别地，参考附图，图1是触觉反馈***100的示意性图示，触觉反馈***100包括触觉***设备102、主计算机104和显示器106。图2是图1的***的框图。触觉***设备102与主计算机或计算机***104进行通信，主计算机或计算机***104配置为在视频或视觉显示器106上针对用户产生虚拟环境。主计算机104可以包括视频游戏控制台、移动设备或包含处理器的任意其他类型的计算机***，处理器配置为在显示器上针对用户产生虚拟环境。如图2的框图所示，主计算机104包括主处理器108、存储器110和视觉显示器106。主计算机104执行储存在存储器110中的软件应用并由主处理器108执行。主处理器108可以是任意类型的通用处理器，或可以是特别设计以提供触觉效果信号的处理器。主处理器108可以是操作整个主计算机104的同一处理器，或者可以是分开的处理器。主处理器108可以决定以什么触觉效果来向触觉***设备102发送及以什么次序发送触觉效果。存储器110可以是任意类型的存储设备或计算机可读介质，诸如但不限于随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)。存储器110还可以位于主处理器的内部，或是内部和外部存储器的任意组合。
主计算机104经由有线或无线装置耦合至视觉显示器106。视觉显示器106可以是向用户提供图形化信息的任意类型的介质；该介质包括但不限于监控器、电视屏幕、等离子体、LCD、投影仪或任意其他显示设备。在实施方式中，如本领域已知的，主计算机104是游戏设备控制台及视觉显示器106是耦合至游戏设备控制台的监控器。在另一实施方式中，如本领域技术人员已知的，主计算机104和视觉显示器106可以结合至单个设备。
在图1-2所显示的实施方式中，主计算机104通过有线或USB连接103与触觉***设备102通信。然而，在其他实施方式中，触觉***设备102可以使用本领域技术人员已知的其他有线通信或无线通信装置与主计算机104通信。这可以包括但不限于串口或蓝牙连接。进一步地，主计算机104可以处于云中并因而不需要有线连接或本地无线连接。
如图2的框图所示，触觉***设备102包括经由连接103与主计算机104通信的本地处理器112、本地存储器114和触觉输出设备120。在操作中，本地处理器112耦合至触觉输出设备120以基于来自主计算机104的高等级监督或流命令向其提供控制信号。例如，在操作时，电压的量级和持续时间从主计算机104流至触觉***设备102，其中信息经由本地处理器112提供至触觉输出设备120。主计算机104可以向本地处理器112提供高等级命令，高 等级命令诸如即将由触觉输出设备120输出的触觉效果的类型(如振动、摇晃、掣动、弹出等)，借此本地处理器112向触觉输出设备120指示关于即将输出的触觉效果的特定特征(如量级、频率、持续时间，等)。本地处理器112可以从耦合至其的本地存储器114(如图2的框图所示)检索类型、量级、频率、持续时间或触觉效果的其他特征。此外，与主计算机104的存储器110类似，本地存储器114可以是任意类型的存储设备或计算机可读介质，诸如但不限于随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)。本地存储器114还可以位于本地处理器的内部，或是内部或外部存储器的任意组合。与主处理器108类似，本地处理器112还可以决定以什么触觉效果来发送及以什么次序发送触觉效果。在其另一实施方式中，触觉***设备102配置为不包括本地处理器112，借此来自触觉***设备102的所有输入/输出信号由主计算机104直接进行操作和处理。
在图1-2的实施方式中，触觉***设备102是可抓握设备(即，配置为由用户的手或手掌抓握的设备)。进一步地，触觉***设备102被配置为输出于此将更具体描述的触觉效果，但在本实施方式中不包括用于输入动作或与另外与视频游戏交互并更新如本领域已知的虚拟环境的用户输入元件或操纵客体(manipulandums)。然而，本领域技术人员可以认识到触觉***设备102可以修改为包括一个或多个用户元件或操纵客体。用户输入元件或操纵客体的移动表示用户的输入，该输入允许用户与在主计算机104上运行的软件应用交互，软件应用包括但不限于与第一人称射手有关的视频游戏、第三人称角色交互、车辆有关的游戏或计算机仿真。用户输入元件或操纵客体的移动可以向主计算机104提供对应于计算机产生的图形化对象的输入(诸如光标或其他图像、或主计算机104经由视觉显示器106显示的一些其他图形化对象)或控制虚拟角色或游戏化身(诸如人、车辆或可以在游戏或计算机仿真中找到的一些其他实体)。进一步地，本领域技术人员可以认识到触觉***设备102仅仅是触觉***设备的示例性实施方式并且可以使用具有其他配置、形状和大小的触觉***设备。例如，如于此将更具体描述的，触觉***设备可以是与图13-14所示的平板计算机一起使用的手持游戏控制器或其他控制器，其他控制器诸如但不限于移动电话、个人数字助理(PDA)、平板电脑、计算机、游戏***设备和用于本领域技术人员已知的虚拟现实***的其他控制器。
触觉***设备102包括外壳116、多个可变形膜或覆盖物122及布置在外壳116内并耦合至多个可变形膜122的触觉输出设备120。触觉输出设备120于此将参考图4、5和6进行更加具体的描述，而外壳116和多个可变形膜122将参考图3和6首先进行描述。图3是触觉***设备102的透视视图，而图6是触觉***设备102的分解透视视图。
更特别地，在本实施方式中，外壳116包括框架138和电机壳139。框架138和电机壳139相互邻近或连续布置并耦合在一起以使得触觉***设备102的外壳116是单个设备。电机壳139包装了触觉输出设备120的电机124。框架138具有多个环绕固定间隔的窗口144，及每一个可变形膜122定位在框架138的多个环绕定距离间隔的窗口144的一者中。在本实 施方式中，触觉***设备102包括六个可变形膜122并因而还包括框架138内的六个相应的环绕定距离间隔的窗口144。然而，如将由本领域普通技术人员理解的，触觉***设备可以修改为具有较少或较大量的可变形膜。每一个可变形膜122被配置为接触用户并由柔性材料形成，柔性材料诸如但不限于合成橡胶，合成橡胶诸如氯丁橡胶或另外的适当的聚合物。虽然可变形膜和相应的固定间隔窗口以圆柱形布局示出，即绕着圆柱形手柄的圆周延伸和/或形成圆柱形手柄的圆周，本领域普通技术人员应当理解的是可变形膜和相应的窗口可以绕着任何形状或轮廓的手柄覆盖或延伸，并因而可变形膜和相应的窗口可以包括或形成随意弯曲的表面。陈述的另一方式，框架138不需要是圆柱形且可变形的膜并且相应的固定间隔的窗口144不需要定位在圆柱形布局中。
框架138包括第一环形基底140A、第二相对的环形基底140B和多个隔板或板条142，多个隔板或板条142在第一与第二环形基底140A、140B之间纵向延伸以形成环绕固定间隔的窗口144。虽然于此分开描述，第一和第二环形基底140A、140B和板条142可以整体形成为单个组件或结构。如在图6的分解视图中的最佳显示，框架138进一步包括中心板或盘146，中心板或盘146具有于此形成的多个径向延伸的开口或通道148。在本实施方式中，中心盘146包括与六个可变形膜122对应的六个径向延伸的开口或通道148。中心盘146在框架138内纵向居中并耦合或附连至板条142。中心盘146被环绕定向以使得每一个通道148在其框架138的相应的窗口144内环绕居中。中心盘146还包括于此将更具体描述的用于接收触觉输出设备120的凸轮轴150的中心开口或通道149。外壳116进一步包括第一或顶部覆盖板128A和第二或底部覆盖板128B，第一或顶部覆盖板128A和第二或底部覆盖板128B分别邻近框架138的第一和第二环形基底140A、140B布置并分别耦合至框架138的第一和第二环形基底140A、140B。顶部和底部覆盖板128A、128B的功能是封闭和保护包装在框架138内的内部组件。
现在将更具体地描述触觉输出设备120。图4是触觉***设备102的一部分的放大透视视图，及图5是与图4一样的视图，除了外壳116的框架138和外壳116的底部覆盖板128B以幻影显示来示出包装在框架138内的内部组件。触觉输出设备120包括电机124(参见图6的分解视图)、凸轮轴150、经由凸轮轴150耦合至电机124的凸轮板130、多个滚轴134及多个径向延伸的轴或销(pins)136。凸轮轴150的驱动端部151可操作地连接至电机124的驱动轴。电机124可以诸如采用轴耦合器126直接连接至凸轮轴150。电机124可以是向后可驱动的或双向的。在实施方式中，电机124是DC电机，DC电机诸如可从Switzerland的Maxon电机,Ag获得的Maxon电机模型Maxon-DCX22L 18V-10W，并且轴耦合器126是齿轮比为44的行星齿轮变速箱(planetary gearbox)(模型GPX22)。在另一实施方式中，电机124为EC最大值16的无刷5W，并且轴耦合器126是齿轮比为19的行星齿轮变速箱(GP 16A)。
凸轮板130限定了通过其的多个轨道132。最佳如图5所示，每一个轨道132是弯曲的 开口或另外描述的是形成弯曲的或肾形的路径或通道的开口。在本实施方式中，凸轮板130包括与触觉***设备102的六个可变形膜122相应的六个轨道132。如于此将更具体描述的，凸轮板130是将旋转运动转化或变换为线性运动的旋转组件或元件。每一个滚轴134可滑动定位在凸轮轴130的多个轨道132中的一者中。每一个滚轴134按大小排列以定位在凸轮板130的轨道132内并配置为在凸轮板130旋转时沿着其各自轨道132或在其各自轨道132内来回移动。每一个径向延伸的销136具有附连至多个滚轴134中的一者第一端部137A和附连至可变形膜122中的一者的第二相对的端部137B。因而，径向延伸的销136在滚轴134与可变形膜122之间延伸。每一个径向延伸的销136可滑动地定位在框架138的中心盘146的多个径向延伸的通道148中的一者内。
在操作中，电机124被配置为从主处理器108和/或本地处理器112接收控制信号并被配置为响应于控制信号进行旋转。电机124的旋转由于凸轮轴150而引起凸轮板130的旋转，凸轮轴150在电机124与凸轮板130之间延伸并耦合至电机124和凸轮板130。凸轮板130一起中心转动。在凸轮板130旋转时，多个滚轴134在凸轮板130的轨道132内来回滑动。附连至滚轴134的多个销136与滚珠134的移动一起径向移动并因而附连至销136的多个可变形膜122还与滚珠134的移动一起径向移动。凸轮板130的旋转因而移动多个滚轴134和多个径向延伸的销136从而相对于外壳116径向延伸可变形膜122。凸轮板130因而将电机124的旋转运动转化或变换为径向延伸的销130以及附连至其上的可变形膜122的线性运动。板130的轨道132的形状或配置因而控制或确定了滚轴134的移动，并因而被设计为引起径向延伸的销130和附连至其上的可变形膜122的径向移动。在多个滚轮134在其各自轨道132内来回移动时，径向延伸的销130和附连至其上的可变形膜122被径向延伸或扩展及相对于外壳116径向收缩或缩回。
滚轴134是优选地由低摩擦材料形成的圆柱形组件，低摩擦材料诸如但不限于不锈钢。此外，多个轴承152定位在触觉输出设备120的各个位置，从而减小在电机124和凸轮板130的旋转期间的负载。轴承152是环形的或管状的元件，其制约了相对于仅期望的运动的运动并减小或最小化移动部件之间的摩擦。依赖于触觉输出设备120内的轴承152的位置，轴承可以提供移动部件的自由线性移动或围绕固定轴的自由旋转。
现在将参考图7-8更具体地讨论对触觉***设备102的用户生成变形触觉效果的触觉输出设备120的操作。图7是触觉***设备102的透视视图，其中外壳116的电机壳139和外壳116的底部覆盖板128B以幻影显示以示出其中的内部组件并且触觉***设备102以其标称的或非变形的状态显示。图7A是图7的端部视图，其中外壳116的框架138出于清楚的目的未示出。类似地，图8是触觉***设备102的透视视图，其中外壳116的电机壳139和外壳116的底部覆盖板128B以幻影显示以示出其中的内部组件。然而，在图8中，触觉***设备102以其扩展的或变形的状态显示并且可变形膜122经由触觉输出设备120径向扩展或延伸。图8A是图8的端部视图，其中外壳116的框架138出于清楚的目的未示出。
主处理器108和/或本地处理器112产生引导电机124以预定速度旋转凸轮轴150和/或旋转至预定位置的控制信号或输出，从而使触觉输出设备120引起可变形膜122的期望运动以对用户生成触觉反馈或效果。更特别地，触觉反馈***100包括向电机124供应电荷的电源以及触觉反馈***100还包括控制电源并因而确定所供应的电荷的量级和频率的主处理器108和/或本地处理器112。相应地，电压被配置为从主处理器108和/或本地处理器112接收控制信号并被配置为根据从主处理器108和/或本地处理器112所接收的控制信号向电机124供应电荷。电源可以位于触觉***设备102或主计算机104内。
电机124被配置为从主处理器108和/或本地处理器112接收输出或控制信号并以对其的响应进行旋转。如以上所解释的，电机124和凸轮板130的旋转移动多个滚轴134和多个符合延伸的销136从而相对于外壳116径向延伸可变形膜122。凸轮130的轨道132控制或驱动滚轴134的运动，其转而将销136从图7和7A的标称的或非变形的配置推动或径向移动至图8和8A的扩展或变形的配置，在图7和7A中径向延伸的销136完全或整体包装在框架138的中心盘146的径向延伸的通道148内，在图8和8A中径向延伸的销136至少部分被推动或延伸在框架138的外侧。附连至径向延伸的销136的可变形膜122类似地从图7和7A的标称的或非变形的配置移动至图8和8A的扩展或变形的配置，在图7和7A中可变形膜定位在框架138的环绕固定间隔的窗口144内并且基本上与框架138的外表面齐平(flush)，在图8和8A中可变形膜122呈径向固定间隔或远离外壳138的外表面。在径向延伸的销136推动可变形膜122向外径向至扩展或变形的配置，变形触觉效果从而被供应至抓握触觉***设备102的用户的手。在径向延伸的销136牵拉可变形膜122向内径向以返回至标称的或未变形的配置时，变形触觉效果被移动或未被应用。
因而，触觉输出设备120响应于来自主处理器108和/或本地处理器112的控制信号生成相对于框架138移动可变形膜122的力，借此向触觉***设备102的用户提供触觉效果。触觉效果，即可变形膜122的变形，可以考虑是变形触觉效果。如于此所使用的，“变形”触觉效果包括可变形膜打弯、变形或另外移动的效果，从而得到用户感觉到的变形触觉效果。于此实施方式生成的变形触觉效果由用户感觉到，因为可变形膜与用户直接接触。变形触觉效果的示例包括经由连同虚拟按钮按压或虚拟元件之间的碰撞一起的单个相对大的变形的摇晃或经由连同屏幕上虚拟元件的移动一起的多个相对小的变形的振动，或其他类型的屏幕移动。针对变形触觉效果的示例，用户可以戴着虚拟现实眼镜并玩视频游戏，即棒球，同时持有配备有于此所描述的触觉输出设备与用于提供可变形反馈的多个可变形膜的棒球棒。用户每一次“击打”球，可变形膜径向扩展并将力应用于用户的手，从而用户感觉到棒球棒的哪一部分“击打”球。在另一示例中，用户玩视频游戏，诸如配备有于此所描述的触觉输出设备与用于提供可变形反馈的多个可变形膜的具有Razer Hydra的Call of Duty。用户每一次牵拉触 发器，可变形膜径向扩展并快速将力应用于用户的手。变形触觉效果的另外示例包括心跳(heatbeat)触觉效果和/或呼吸(breathing)触觉效果，在心跳触觉效果中可变形膜的变形在量级和频率上跟随心跳信号的模式，在呼吸触觉效果中可变形膜的变形跟随在虚拟现实环境中在你的手上呼吸小的活体动物的模式。这种触觉反馈或效果考虑到触觉反馈***100的用户的更直观、吸引和自然的经历并因而用户与触觉反馈***100之间的交互通过触觉效果提供的可触知的反馈而被大大增强。
虽然触觉***设备102与接近触觉输出设备120布置或与触觉输出设备120串联布置的电机124一起示出，但是于此的实施方式不限于该配置。在于此的另一实施方式中，触觉***设备的电机布置在触觉输出设备内，从而减小触觉***设备的大小并使触觉***设备尽可能紧凑。例如，如图9所示，现实了具有外壳916的触觉***设备902的示意性示图。外壳916包括与以上所描述的框架138类似的框架938。触觉***设备902还包括与可变形膜122类似的多个可变形膜或覆盖物922和布置在框架938内并耦合至多个可变形膜922的触觉输出设备920。触觉输出设备920类似触觉输出设备120来操作并包括电机924、凸轮轴950、经由凸轮轴950耦合至电机924的凸轮板930、多个滚轴934和多个径向延伸的轴或销936。与接近触觉输出设备布置或与触觉输出设备串联布置相对，电机924布置在框架938内，从而不需要分开的电机壳。触觉***设备902包括用于保持和防护框架938内同心的电机924的固定物954和多个径向延伸的轴或销936。固定物954具有于框架138类似的结构，与框架138怎样封装多个径向延伸的销136类似，其中固定物954封装了多个径向延伸的轴或销。
在于此的另一实施方式中，触觉输出设备可以被修改以使得可变形膜单独可驱使，即，每一个可变形膜被配置为独立或分开变形或延伸。例如，如图10所示，显示了具有触觉输出设备120的触觉***设备1002的示意性图示。触觉***设备1002还包括与可变形膜122类似的多个可变形膜或覆盖物1022和耦合至多个可变形膜1022的触觉输出设备1020。与触觉输出设备120类似，触觉输出设备120包括电机1024、凸轮轴1050、经由凸轮轴1050耦合至电机1024的凸轮板1030、多个滚轴1034和多个径向延伸的轴或销1036。电机1024可以诸如用轴耦合器1026直接连接至凸轮轴1050。虽然触觉***设备1002的框架出于清楚的目的未示出，图10中显示了于此形成的用于接收多个径向延伸的轴或销1036的具有多个径向延伸的开口或通道的中心板或板的盘1046。与凸轮板130类似，凸轮板130通过其限定了多个轨道1032。最佳如图10A所示，每一个轨道1032是弯曲的开口或另外描述的是形成弯曲的或肾形的路径或通道的开口。每一个滚轴1034耦合至继电器或螺线管1035，每一个继电器1035被配置为有选择地接合或脱离其各自滚轴1034，以使得滚轴1034有选择地位于凸轮板1030的多个轨道1032中的一者内。在滚轴1034经由其继电器1035而被接合，滚轴被定位至其轨道1032中并且其各自的可变形膜1022可以变形或径向延伸。相反，在滚轴1034经由其继电器1035而被脱离，滚轴不被定位至其轨道1032中并且其各自的可变形膜1022可以 不变形或径向延伸。因而，在凸轮板1030内侧接合或脱离多个滚轴1034的多个继电器1035使得触觉输出设备1020具有多个独立可驱使变形区域。在实施方式中，继电器1035是在Ledex品牌下在市场上可得到的线性螺线管，其他继电器1035可替换地可以是定制设计的。
在以上实施方式中，凸轮板和滚轴可以认为是在电机与多个径向延伸的销之间延伸的转化器并用于将电机的旋转运动转化为应用于径向延伸的销的线性运动。更特别地，转化器将电机的旋转运动转化为线性运动以移动多个径向延伸的销，从而相对于外壳径向延伸可变形膜并向触觉***设备的用户提供触觉效果。图11和图12每一者根据于此的实施方式示出了具有转化器的实施方式，转化器用于将电机的旋转运动转化为应用于径向延伸销的线性运动。
更特别地，在图11的实施方式中，滚珠螺杆1172和多个弯曲部分1170用于将电机的旋转运动转化为多个径向延伸的销1136的线性运动。触觉输出设备1120包括电机1124、滚珠螺杆1172、多个弯曲部分1170和多个径向延伸的轴或销1136。电机1124可以诸如用轴耦合器1126直接连接至滚珠螺杆1172。滚珠螺杆1172在市场上可得到并且是机械线性致动器，机械线性致动器经由螺纹轴将旋转运动转变为具有小的摩擦的线性运动，螺纹轴为用作精密螺杆的滚珠轴承提供了螺旋形的滚道。每一个弯曲部分1170是杆或轴组件，杆或轴组件具有耦合或附连至在其间移动的滚珠螺杆1172的第一端部1186及固定并附连至框架1138的第二或相对的端部1188，框架1138被配置为由用户持有在其手中。在图11上的一个或多个端部1188的固定由参考数字1184表示，及一个或多个第二端部1188在触觉输出设备1120的操作期间不移动。径向延伸的销1136在中间点1182沿着弯曲部分的长度附连至每一个弯曲部分1170，以使得相对于外壳径向延伸可变形膜1122(在图11中未示出)。在实施方式中，中间点1182接近弯曲部分1170的长度的中部或中心。
在电机124的操作期间，滚珠螺杆1172如方向箭头1174和1178所指示的来回移动。在滚珠螺杆1172如方向箭头1174所指示的移动远离电机1124时，每一个弯曲部分的相对端部1186、1188之间的距离减小或减少并且弯曲部分1170向外径向打弯或弯成弓形，以使得中间点1182向外径向延伸，从而径向延伸多个径向延伸的销和附连至其的可变形膜。在滚珠螺杆1172如方向箭头1178所指示的向电机1124移动时，相对的端部1186、1188之间的距离增加并且弯曲部分1170径向向内拉直或打弯，以使得中间点1182向内径向延伸，从而径向收缩多个径向延伸的销和附连至其的可变形膜。同样地，在本实施方式中，将电机的旋转运动转化为线性运动的转化器是滚珠螺杆1172和多个弯曲部分1170。电机1124被配置为响应于来自主处理器和/或本地处理器的控制信号而相对于外壳旋转滚珠螺杆1172，并且滚珠螺杆1172的旋转移动多个弯曲部分1170和多个径向延伸的销1136，从而如以上所描述的相对于外壳径向延伸可变形膜。
在图12的实施方式中，滚珠螺杆1272和多个弯曲部分1290用于将电机的旋转运动转化为多个可变形膜1222的线性运动。触觉输出设备120包括电机1224、滚珠螺杆1272、多个 弯曲部分1290和多个径向延伸的轴或销1236。电机1224可以诸如用轴耦合器1226直接连接至滚珠螺杆1272。与滚珠螺杆1172类似，滚珠螺杆1272在市场上可得到并且是机械线性致动器，机械线性致动器经由螺纹轴将旋转运动转变为具有小的摩擦的线性运动，螺纹轴为用作精密螺杆的滚珠轴承提供了螺旋形的滚道。在本实施方式中，水平或第一线性导轨1296自滚珠螺杆1172延伸并且垂直或第二线性导轨1298垂直于第一线性导轨1296延伸。每一个弯曲部分1290包括两个联接，在顶点或铰链1295结合在一起的第一联接1294和第二联接1296。第一和第二联接1294、1296滑动布置在第一和第二线性导轨1296、1298上，并且第一联接1294的第一端部1293滑动布置在第一导轨1296上、第二联接1292的第一端部1297滑动布置在第一导轨1296上并与第一联接1294的第一端部1293固定间隔及顶点或铰链1295滑动布置在第二联接1298上。
在电机1224的操作期间，滚珠螺杆1272如方向箭头1274和1278所指示的来回移动。第一联接1294的一个或多个第一端部1293耦合至在其间移动的滚珠螺杆1272。在滚珠螺杆1272如方向箭头1274所指示的移动远离电机1224时，一个或多个联接1290的一个或多个铰链1295如方向箭头1276所指示的径向向外移动，从而径向延伸多个径向延伸的销1236和附连至其的可变形膜1222。换种方式来描述，如图12的幻影所示，在滚珠螺杆1272如方向箭头127所指示的移动远离电机124时，第一和第二联接1294、1292的第一和第二端部1293、1297由于弯曲部分1290的对称性分别相互相对移动或更靠近在一起。在滚珠螺杆1272如方向箭头1278所指示的向着电机1224移动时，一个或多个联接1290的一个或多个铰链1295如方向箭头1280所指示的向内径向移动，从而径向收缩多个径向延伸的销1236和附连至其的可变形膜1222。弯曲部分1290将沿着水平或第一线性导轨1296的滚珠螺杆1272的水平移动转化为沿着垂直或第二线性导轨1298的垂直移动，从而径向延伸和收缩多个径向延伸的销1236和附连至其的可变形膜1222。同样地，在本实施方式中，将电机的旋转运动转化为线性运动的转化器是滚珠螺杆1272和多个弯曲1290。电机1224被配置为响应于来自主处理器和/或本地处理器的控制信号而相对于外壳旋转滚珠螺杆1272，并且滚珠螺杆1272的旋转移动或滑动多个弯曲部分1290和多个径向延伸的销1236，从而如以上所描述的相对于外壳径向延伸可变形膜1222。
如以上所陈述的，触觉***设备102仅是触觉***设备的示例性实施方式并且可以使用具有其他配置、形状和大小的触觉***设备。本领域技术人员应当认识到触觉***设备102可以结合至各个类型的控制器，包括但不限于如现实生活对象(诸如网球拍、高尔夫球杆、棒球棒等)成型的或其他形状的可抓握控制器。此外，图13-14示出了于此的另一实施方式，其中触觉***设备是可以与平板计算机1304一起使用的游戏平板控制器1302。平板计算机1304可以特别设计用于游戏活动，诸如从Razer Inc.得到，或者可以是已知的并可在市场上得到的平板计算机，诸如和Galaxy游戏平板控 制器1302包括配置为接收平板计算机1304和手柄1362、1364的对接部分1360，手柄1362、1364具有布置在其上的用户输入元件以用于用户控制平板计算机1304上的游戏。对接部分1360将游戏平板控制器1302连接至平板计算机1304，以使得用户在手柄1362、1364上的诸如按压按钮、移动游戏杆、按压触发器等的动作引起在平板计算机1304上玩的游戏上的动作。触觉***设备1302的手柄1362、1364成型为容易容纳由用左手的用户或用右手的用户紧握设备的两只手，并且触觉输出设备1320和可变形膜1322在用户的手或手掌一般位于的位置结合至手柄1362、1364，以向用户提供变形触觉效果。触觉输出设备1320类似于以上缩描述的触觉输出设备120，并且可变形膜1322类似于以上所描述的可变形膜122。
手柄1362、1364包括在控制器上发现的典型的用户输入元件。用户输入元件将相对于手柄1364进行描述。然而，本领域技术人员应当认识到相同或类似的用户输入元件可以在手柄1362上使用。特别地，手柄1364包括游戏杆1340、按钮1342和触发器1346。如可以在图13中所看到的并且本领域技术人员已知的，这些用户输入元件中的每一者的多于一者可以包括在每一个手柄1362、1364上。进一步地，手柄1364包括附连至其上的一般的或隆隆响的触觉输出设备1318以用于向游戏平板控制器1302提供如以上关于一般的或隆隆响的触觉输出设备1318所描述的一般的或隆隆响的触觉效果。
图14根据实施方式示出了图13的游戏平板控制器的框图。如图14所示，游戏平板控制器1302包括本地处理器1312，本地处理器1312经由对接部分1360与平板计算机1304通信。诸如有线或无线连接的其他连接可以代替对接部分1360使用。在本实施方式中的平板计算机1304包括显示屏幕。游戏平板控制器1302可替换地被配置为不包括本地处理器1302，从而平板计算机1304直接操作和处理来自游戏平板控制器1302的所有输入/输出信号。
本地处理器1312耦合至游戏杆1340、按钮1342和触发器1346，还耦合至位置传感器1341、1343和1347，位置传感器1341、1343和1347可以分别耦合至游戏杆1340、按钮1342和触发器1346。图14的框图显示了游戏杆1340、按钮1342和触发器1346中的每一者中的一(1)个。然而，本领域技术人员应当理解如以上所描述的可以使用多个游戏杆、按钮和触发器以及其他用户输入元件。作为目标的致动器或触觉输出设备1350、1352、1356分别耦合至游戏杆1340、按钮1342和触发器1346。作为目标的触觉输出设备1350、1352、1356和一般的触觉输出设备1330还耦合至本地处理器1312，本地处理器1312基于来自平板计算机1304的高等级监督或流命令向触觉输出设备1350、1352、1356、1330提供控制信号。在流实施方式中，电压量级和持续时间流至游戏平板控制器1302，其中信息由平板计算机1304提供给致动器。在操作中，平板计算机1304可以提供高等级命令至本地处理器1312，诸如即将由一个或多个所选择的致动器输出的触觉效果的类型(如，振动、摇晃、掣动、弹出等)，借此本地处理器1312向致动器指示关于即将输出(如，量级、频率、持续时间等)的触觉效果的特定特征。本地处理器1312可以从耦合至本地处理器1312的存储器1314检索触觉效果的类型、量级、频率、持续时间或其他特征。在如视频、音频和触觉的多个形态同时接合时， 触觉效果向用户提供陷入游戏的更深的意识。
除了图13-14的平板配置之外，如以上所描述的可变形膜和耦合至其的触觉输出设备可以在用户的手或手指一般所位于的位置结合至任意类型的触觉***设备以向用户提供变形触觉效果。此外，如以上所描述的可变形膜和耦合至其的触觉输出设备可以结合至可穿戴***设备以向用户的身体提供变形触觉效果。可变形膜的比例和相对尺寸将依赖于应用变化，即依赖于可变形膜是否被配置为接触用户的手指、用户的手掌或用户身体的不同部分。
虽然以上已经根据本发明描述了各个实施方式，但是应当理解的是这些实施方式通过仅通过示出和示例的方式而非限制的方式表示。对相关领域技术人员显而易见的是形式和细节的各种改变可以在不背离本发明的思想和范围的情况下在其中进行。例如，触觉***设备102可以被修改为包括除了触觉输出设备120之外的一般的触觉输出设备，一般的触觉输出设备位于外壳116内并配置为向用户提供除了触觉输出设备120所提供的变形触觉效果之外的振动触觉效果。如本领域普通技术人员所理解的，一般的触觉输出设备用来向触觉***设备的整个外壳提供一般的或隆隆响的触觉反馈。一般的触觉输出设备被配置为从主处理器108和/或本地处理器112接收第二控制信号并响应于第二控制信号向外壳116输出第二触觉效果。一般的触觉输出设备基于来自主计算机104的高等级监督或流命令从主处理器108和/或本地处理器112接收控制信号。例如，在操作中时，电压等级和持续时间从主计算机104流至触觉***设备102，其中信息经由本地处理器112提供至一般的触觉输出设备。主计算机104可以通过一般的触觉输出设备向本地处理器112提供高等级命令，诸如即将输出的触觉效果的类型(如，振动、摇晃、掣动、弹出等)，借此本地处理器112指示一般的触觉输出设备关于即将输出的触觉效果的特定特征(如，量级、频率、持续时间，等)。一般的触觉输出设备可以包括电磁电机、由电机移动的偏心质量的偏心旋转质量(“ERM”)致动器、附连至弹簧的质量被来回驱动的线性共振致动器(“LRA”)、可触知振动致动器、其他合适类型的致动设备。一般的触觉输出设备被实施为惯性致动器以向用户提供可触知振动反馈。因而，触觉输出设备120向用户提供各种变形触觉效果或感觉，这里的各种变形触觉效果或感觉独立于由一般的触觉输出设备生成的一般的或隆隆响的触觉反馈且对由一般的触觉输出设备生成的一般的或隆隆响的触觉反馈进行补偿。
因而，本发明的幅度和范围应当不限于任何以上所描述的示意性实施方式，但应当仅根据所附权利要求及其等价方案进行限定。还应当理解的是于此所讨论的每一个实施方式的每一个特性和于此所陈述的每一个参考每一个特性可以结合任何其他实施方式的特性使用。于此所讨论的所有专利和公开的全部通过引用的方式结合于此。

Claims (20)

1.一种触觉***设备，包括：
外壳，包括具有多个固定间隔的窗口的框架；
多个可变形膜，每一个可变形膜定位在所述框架的所述多个固定间隔的窗口中的一者内；以及
触觉输出设备，布置在所述外壳内并耦合至所述多个可变形膜，所述触觉输出设备包括电机、耦合至所述电机并具有通过其限定的多个轨道的凸轮板、多个滚轴和多个径向延伸的销，每一个滚轴可滑动地定位在所述凸轮板的所述多个轨道中的一者内并且每一个径向延伸的销具有附连至所述多个滚轴中的一者的第一端部和附连至所述可变形膜中的一者的第二相对的端部，
其中所述电机被配置为从处理器接收控制信号并被配置为响应于来自所述处理器的所述控制信号相对于所述外壳旋转所述凸轮板，以及所述凸轮板的旋转移动所述多个滚轴和所述多个径向延伸的销，从而相对于所述外壳径向延伸所述可变形膜并向所述触觉***设备的用户提供触觉效果。
2.根据权利要求1所述的触觉***设备，其中所述框架包括第一环形基底、第二相对的环形基底和多个板条，多个板条在第一环形基底与第二环形基底之间纵向延伸。
3.根据权利要求2所述的触觉***设备，其中所述外壳的所述框架还包括中心盘，中心盘具有形成在其中的多个径向延伸的通道，并且所述触觉输出设备的每一个径向延伸的销可滑动地定位在所述中心盘的所述多个径向延伸的通道中的一者内。
4.根据权利要求1所述的触觉***设备，其中所述触觉***设备包括至少六个可变形膜。
5.根据权利要求1所述的触觉***设备，其中每一个可变形膜被配置为接触用户并由聚合物材料形成。
6.根据权利要求1所述的触觉***设备，其中所述凸轮板的所述轨道是弯曲的开口。
7.根据权利要求1所述的触觉***设备，其中所述触觉输出设备进一步包括多个继电器，每一个继电器被配置为有选择地接合或脱离所述滚轴中的一者以使得所述滚轴有选择地定位在所述凸轮板的所述多个轨道中的一者内。
8.根据权利要求1所述的触觉***设备，其中所述外壳包括接近所述框架的电机壳及所述触觉输出设备的所述电机布置在所述电机壳内。
9.根据权利要求1所述的触觉***设备，其中所述电机布置在所述框架内。
10.一种触觉***设备，包括：
外壳，包括具有多个固定间隔的窗口的框架；
多个可变形膜，每一个可变形膜定位在所述框架的所述多个固定间隔的窗口中的一者内；以及
触觉输出设备，布置在所述外壳内并耦合至所述多个可变形膜，所述触觉输出设备包括电机、转化器和多个径向延伸的销，所述转化器在所述电机与所述多个径向延伸的销之间延伸并且每一个径向延伸的销具有附连至所述转化器的第一端部和附连至所述可变形膜中的一者的第二相对的端部，
其中所述电机被配置为从处理器接收控制信号并被配置为响应于来自所述处理器的所述控制信号相对于所述外壳旋转，以及所述转化器将所述电机的旋转运动转化为线性运动以移动所述多个径向延伸的销，从而相对于所述外壳径向延伸所述可变形膜并向所述触觉***设备的用户提供触觉效果。
11.根据权利要求10所述的触觉***设备，其中所述转化器包括耦合至所述电机并具有通过其限定的多个轨道的凸轮板及多个滚轴，每一个滚轴可滑动地定位在所述凸轮板的所述多个轨道中的一者内，其中所述电机被配置为响应于来自所述处理器的所述控制信号相对于所述外壳旋转所述凸轮板，以及所述凸轮板的旋转移动所述多个滚轴和所述多个径向延伸的销，以使得相对于所述外壳径向延伸所述可变形膜。
12.根据权利要求10所述的触觉***设备，其中转化器包括滚珠螺杆和多个弯曲部分，滚珠螺杆耦合至所述电机，每一个弯曲部分具有耦合至所述滚珠螺杆的第一端部和固定至所述框架的第二端部，并且每一个径向延伸的销具有附连至所述多个弯曲部分中的一者的中间点的第一端部和附连至所述可变形膜中的一者的第二相对的端部，其中所述电机被配置为响应于来自所述处理器的所述控制信号相对于所述外壳旋转所述滚珠螺杆，并且所述滚珠螺杆的旋转使所述弯曲部分弯曲以使得所述弯曲部分的所述中间点和附连至其的径向延伸的销径向向外延伸，从而相对于所述外壳径向延伸所述可变形膜。
13.根据权利要求10所述的触觉***设备，其中所述转化器包括滚珠螺杆和多个弯曲部分，滚珠螺杆耦合至所述电机，每一个弯曲部分具有耦合至所述滚珠螺杆的第一端部、可滑动地布置在第一线性导轨上的第二端部及布置在其第一与第二端部之间并可滑动地布置在第二线性导轨上的铰链，第二线性导轨与所述第一线性导轨垂直布置，以及每一个径向延伸的销具有附连至所述多个弯曲部分中的一者的铰链的第一端部和附连至所述可变形膜中的一者的第二相对的端部，其中所述电机被配置为响应于来自所述处理器的所述控制信号相对于所述外壳旋转所述滚珠螺杆并且所述滚珠螺杆的旋转使所述多个弯曲部分和所述多个径向延伸的销移动，从而相对于所述外壳径向延伸所述可变形膜。
14.根据权利要求10所述的触觉***设备，其中所述框架包括第一环形基底、第二相对的环形基底和多个板条，多个板条在第一环形基底与第二环形基底之间纵向延伸。
15.根据权利要求14所述的触觉***设备，其中所述外壳的所述框架还包括中心盘，中心盘具有形成在其中的多个径向延伸的通道，并且所述触觉输出设备的每一个径向延伸的销可滑动地定位在所述中心盘的所述多个径向延伸的通道中的一者内。
16.根据权利要求10所述的触觉***设备，其中所述触觉***设备包括至少六个可变形区域。
17.根据权利要求10所述的触觉***设备，其中所述外壳包括接近所述框架的电机壳及所述触觉输出设备的所述电机布置在所述电机壳内。
18.一种游戏***，包括：
主计算机；
处理器；以及
触觉***设备，包括
外壳，包括具有多个固定间隔的窗口的框架；
多个可变形膜，每一个可变形膜定位在所述框架的所述多个固定间隔的窗口中的一者内，及
触觉输出设备，布置在所述外壳内并耦合至所述多个可变形膜，所述触觉输出设备包括电机、转化器和多个径向延伸的销，所述转化器在所述电机与所述多个径向延伸的销之间延伸并且每一个径向延伸的销具有附连至所述转化器的第一端部和附连至所述可变形膜中的一者的第二相对的端部，其中所述电机被配置为从所述处理器接收控制信号并被配置为响应于来自所述处理器的所述控制信号相对于所述外壳旋转，以及所述转化器将所述电机的旋转运动转化为线性运动以移动所述多个径向延伸的销，从而相对于所述外壳径向延伸所述可变形膜并向所述触觉***设备的用户提供触觉效果。
19.根据权利要求18所述的游戏***，其中所述处理器位于所述触觉***设备的所述外壳内。
20.根据权利要求18所述的游戏***，其中所述处理器布置在所述主计算机中。
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