使用分布式流體噴射的觸覺顯示器的製作方法

2023-07-06 16:38:36 1

專利名稱：使用分布式流體噴射的觸覺顯示器的製作方法
使用分布式流體噴射的觸覺顯示器
背景技術：
用於電信和計算機化設備的用戶接口在傳統上已被集中在人類感官的視覺和聽覺功能上。許多電視機、計算機和遊戲站具有高解析度視覺顯示器和用於立體聲或多聲道音頻輸出的能力。然而，其他人類感官在很大程度上被忽視並且未被用在用戶接口中。特別地，作為人們如何體驗世界的關鍵部分的觸覺通常在用戶接口設計中被忽略。在以相對粗糙的方式把「觸覺」添加到用戶接口方面已存在一些有限的努力。例如，為了增強計算機遊戲的真實感，一些遊戲控制器結合了具有旋轉不平衡負荷的電動機，該電動機搖晃遊戲者的手以指示碰撞或爆炸。此外，已經顯示出，由於由超聲振動引起的空氣的夾雜，玻璃板的超聲振動能夠改變手指和玻璃表面之間的摩擦。已嘗試使用這種摩擦改變的臨時變化來模擬通過觸摸感受物體的紋理的感覺。


作為實例，本發明的一些實施例相對於後面的圖被描述
圖I是根據本發明一個實施例的具有觸覺顯示器的顯示系統的示意 圖2是圖I的觸覺顯示器的接觸表面的一部分的示意性頂視 圖3是觸覺顯示器的一個實施例的示意性剖視 圖4是觸覺顯示器的另一實施例的示意性剖視 圖5是觸覺顯示器的又一實施例的示意性剖視 圖6是觸覺顯示器被用來把觸覺反饋提供給用戶的手指的一個實施例的示 圖7是具有膜覆蓋的接觸表面的觸覺顯示器的一個實施例的示意性剖視圖；以及 圖8是具有作為其接觸表面的擴散層的觸覺顯示器的一個實施例的示意性剖視圖。
具體實施例方式圖I示出用於向用戶提供觸覺反饋的根據本發明的顯示系統100的一個實施例。如在此所使用，詞「顯示器」被寬泛地用來意指提供由用戶感知的信息的輸出設備，並且這種信息可以是視覺的、觸覺的或聽覺的。顯示系統100具有觸覺顯示設備102，觸覺顯示設備102使用通過接觸表面106的分布式流體噴射，以向觸摸接觸表面的用戶的手110的手指提供觸感。所用的流體可以是液體(例如水)或氣體(例如空氣)。為了提供操作所需的流體，系統包括流體源112，流體源112經由管116、軟管、或其他合適的管道被連接到顯示設備102。流體被壓縮或加壓，使得它能夠在選擇的壓力下被噴射。加熱器120和/或冷卻器122可被用來加熱或冷卻流體，以調整由觸覺顯示器102噴射的流體的溫度。系統還包括控制器126，控制器126被連接到顯示設備102以用於控制顯示設備的流體噴射操作。如圖2中所示，可以使用形成在觸覺顯示器102的接觸表面106中或形成在觸覺顯示器102的接觸表面106下面的多個孔128來執行分布式流體噴射。在所示的實施例中，孔128被布置成垂直列和水平行。然而，可以使用不同的孔分布圖案。在這方面，接觸表面106可視為被分成多個像素132，其中每個像素被限定在孔128周圍。如下面更詳細所述，可以控制流體通過孔128的噴射以逐像素地變化，以在接觸表面106上提供在空間上和在時間上變化的流體噴射圖案。通過分布式孔128的流體噴射的空間解析度允許用戶的不同手指同時接收不同的觸感。圖3以剖視圖示出觸覺顯示設備102的一個實施例。顯示設備102包括孔層140,在孔層140中形成用於流體噴射的孔128。顯示設備102中的通道142把加壓流體引導至孔128。每個孔128具有關聯的閥144，所述關聯的閥144能夠操作以關閉或打開孔以調製通過孔的流體流。通過孔的流體流的調製可以以能夠由人類手指中的軀體感受器感知的頻率和幅度來執行。期望的頻率範圍和幅度取決於打算由經調製的流體噴射刺激的感受器細胞的類型。例如，用於檢測形狀和紋理的人類手指中的Merkel細胞 具有大約O. 5 mm的空間解析度、在5 Hz具有峰值靈敏度的0-100 Hz的感受頻率範圍、以及30 μ m的激活幅度的平均閾值。相比之下，用於運動檢測和抓握控制的人類手指中的Meissner細胞具有3 mm的空間解析度、在50 Hz具有峰值靈敏度的1-300 Hz的檢測頻率範圍、以及6 μ m的平均閾值(其小於Merkel細胞的平均閾值)。其他類型的軀體感受器(例如Pacinian和Ruffini細胞)具有它們自己的相應空間解析度、頻率範圍和激活閾值。在本發明的一些實施例中，選擇流體噴射調製頻率和流量以便於由Merkel和Meissner細胞進行檢測。例如，閥的循環頻率可被選擇為從0-1000 Hz，並且可以控制流體壓力和閥打開以提供足夠的流體噴射量，使得用戶的手指感受幾微米至幾十微米的振動幅度。孔128之間的間距取決於期望的觸覺顯示器102的空間解析度。在一些實施例中，可以選擇該間距以匹配Merkel或Meissner細胞的空間解析度。例如，兩個相鄰孔之間的距離可以是O. 5 mm (其是Merkel細胞的解析度)或者更小的距離(例如O. 3 mm),以實現更精細的解析度。觸覺顯示器的高空間解析度允許顯示設備在接觸表面上生成詳細的觸覺信息，以逼真地模擬實際物體的觸摸和感受。用於控制通過孔的流體流的閥可以以各種方式來實施。例如，在圖3中所示的實施例中，閥144包括活動膜片146。當膜片146被拉向孔板140時，它關閉孔128並防止流體經過。膜片閥144的移動可以藉助於通過施加在膜片146和孔板140上的電極148之間的電壓差而誘發的靜電力。圖4示出使用閥的不同實施的顯示設備102的另一實施例。在這個實施例中，用於打開或關閉孔128的閥具有瓣閥152的形式。閥152的瓣可彎曲離開孔128以使孔打開，或者被拉向孔以關閉孔。瓣閥152的操作可以藉助於通過施加於閥瓣和在孔板140處的電極148的電壓差而引起的靜電力。在一些實施例中，這種瓣閥能夠工作於直至500 Hz的頻率，這足以覆蓋Merkel和Meissner細胞所敏感的頻率範圍。圖5示出使用另一類型的閥的顯示設備的又一實施例。在這個實施例中，閥160包括耦合到具有可變高度的致動器166的閥構件162。當致動器166處於延長的高度時，閥構件162被放置成與孔板140的底部接觸並且密封孔128。當致動器166處於降低的高度時，閥構件162脫離孔板，從而使孔128打開。致動器166可以由電活性聚合物形成，所述電活性聚合物響應於施加於它的電壓而改變它的尺寸。應該注意，圖2-5的實施例僅是可使用的閥類型的實例，並且具有合適尺寸和循環能力的其他類型的閥也能夠被用來實施該顯示設備的流體噴射像素。
如上所述，通過分布式孔的加壓流體的受控流把觸覺反饋提供給觸摸顯示表面的用戶的手。流體可以是空氣或不同類型的流體(例如水)。在一些實施例中，噴射的流體直接接觸用戶的手指。在圖6的所示的實施例中，所用的流體是空氣。當閥160打開時，壓縮空氣經過孔128並由手指130感受。當控制閥160以選擇的頻率打開和關閉時，空氣以脈動的方式離開孔。空氣噴射流的脈動由手指130的軀體感受器來感受。另外，噴射的空氣可以形成擠壓在手指和接觸表面106之間的空氣膜。這個膜可以改變手指和接觸表面之間的接觸阻力或摩擦。因為每個孔128可以相對於其他孔獨立地以它自己的頻率和幅度生成空氣噴射流，所以可以調製摩擦以逐像素地改變。取決於孔之間的間距，手指可以同時覆蓋多個孔。所覆蓋的孔(每個孔可以以不同的頻率和流速提供脈動的空氣噴射流)的輸出的組合可以提供可被解釋為紋理的觸感。此夕卜，通過加熱和/或冷卻供應給觸覺顯示器的壓縮空氣，能夠改變噴射的空氣的溫度。因此，由孔產生的空氣噴射流不僅能夠刺激觸感以模擬物體的形狀和表面紋理，而且能夠指示物體的溫度，因此增強觸覺反饋的真實感。
圖7示出用戶的手指不直接觸摸噴射的流體的另一實施例。在這個實施例中，觸摸表面106是覆蓋孔板140的柔性膜170的表面。當閥160處於它的打開位置時，加壓流體穿過孔並引起在孔上方在膜170中形成隆起(bump)172。當閥160關閉時,或者當其他孔的閥打開時，在隆起172下的流體的壓力釋放並且隆起的尺寸減小。因此，覆蓋孔的膜的部分將響應於閥160的操作而上下移動。膜的局部振動可以由手指130的軀體感受器感知。圖8示出由孔噴射的流體流被擴散的另一實施例。在這個實施例中，接觸表面106由多孔材料(例如燒結玻璃或多孔塑料)的層180形成。所用的流體可以是壓縮空氣。多孔層180覆蓋形成在孔板140中的孔128。通過孔128噴射的空氣噴射流由多孔層180擴散。由於擴散，噴射的空氣更均勻地分布在孔之間的區域中，這可促進手指130和接觸表面106之間的接觸阻力或摩擦的調製以提供改進的剪切觸感。另外，經調製的空氣噴射流還在垂直於接觸表面的方向上生成脈動以用於刺激手指的觸感。多孔層180還防止孔128的直接暴露，使得汙染物(例如灰塵)將不會通過孔進入空氣系統。在前述描述中，闡述了許多細節以提供對本發明的理解。然而，本領域技術人員將會理解，可以在沒有這些細節的情況下實踐本發明。儘管已相對於有限數量的實施例公開了本發明，但是本領域技術人員將從其認識到許多修改和變化。所附權利要求書意圖覆蓋如落在本發明的真實精神和範圍內的這種修改和變化。
權利要求
1.一種用於提供觸覺反饋的觸覺顯示器，包括 觸摸表面層，其具有多個像素，每個像素具有用於噴射流體的孔以及用於打開和關閉所述孔的閥，所述閥能夠操作以能夠由人類手指的軀體感受器檢測的頻率來調製通過所述孔的流體噴射。
2.如權利要求I中所述的觸覺顯示器，其中，每個像素的閥包括活動膜片。
3.如權利要求I中所述的觸覺顯示器，其中，每個像素的閥是瓣閥。
4.如權利要求I中所述的觸覺顯示器，其中，每個像素的閥具有由電活性聚合物形成的致動器。
5.如權利要求I中所述的觸覺顯示器，其中，所述像素具有O.5 _或更小的尺寸。
6.如權利要求I中所述的觸覺顯示器，其中，所述觸摸表面層包括覆蓋像素的孔的柔性膜，所述膜響應於來自像素的孔的流體壓力而形成隆起。
7.如權利要求I中所述的觸覺顯示器，其中，所述觸摸表面層包括覆蓋像素的孔的多孔材料層。
8.一種用於提供觸覺反饋的顯示系統，包括 觸覺顯示器，其具有觸摸表面層，所述觸摸表面層具有多個像素，每個像素具有用於噴射流體的孔以及用於打開和關閉所述孔的閥，所述閥能夠操作以能夠由人類手指的軀體感受器檢測的頻率來調製通過所述孔的流體噴射；以及 流體源，其被連接到所述觸覺顯示器以用於把流體提供給所述觸覺顯示器。
9.如權利要求8中所述的顯示系統，其中，每個像素的閥包括活動膜片。
10.如權利要求8中所述的顯示系統，其中，每個像素的閥是瓣閥。
11.如權利要求8中所述的顯示系統，其中，每個像素的閥包括由電活性聚合物形成的致動器。
12.如權利要求8中所述的顯示系統，還包括用於加熱或冷卻流體以改變由所述觸覺顯示器噴射的流體的溫度的設備。
13.如權利要求8中所述的顯示系統，其中，所述像素具有O.5 _或更小的尺寸。
14.如權利要求8中所述的顯示系統，其中，所述觸摸表面層包括覆蓋像素的孔的柔性膜，所述膜響應於來自像素的孔的流體壓力而形成隆起。
15.如權利要求8中所述的顯示系統，其中，所述觸摸表面層包括覆蓋像素的孔的多孔材料層。
全文摘要
一種用於提供觸覺反饋的觸覺顯示器具有由多個像素形成的觸摸表面層。每個像素具有用於噴射流體的孔以及用於打開和關閉孔的閥。閥能夠操作以為了由人類手指的軀體感受器進行檢測而選擇的頻率來調製通過孔的流體噴射。
文檔編號G06F3/01GK102812413SQ201080065981
公開日2012年12月5日 申請日期2010年1月29日 優先權日2010年1月29日
發明者W.傑克遜, P.梅 申請人:惠普發展公司，有限責任合夥企業