CN100541598C - 使用旋转谐振运动块的触觉反馈 - Google Patents

Abstract

一种触觉装置包括促动器(110)和块(130)。促动器有轴(115)。该促动器与该块(130)和/或基座弹性连接。

Description

使用旋转谐振运动块的触觉反馈

技术领域

本发明通常涉及触觉反馈装置，尤其是涉及由触觉反馈装置产生的振动和类似力的感觉。

背景技术

用户可以使用界面装置来向计算机装置或电子装置提供信息。例如，通过计算机装置，用户可以与由计算机显示的环境进行相互作用，以便在计算机上执行功能和任务(例如玩游戏)、体验模拟或虚拟真实环境、使用计算机辅助设计系统、操作图形用户界面(GUI)、或者对在计算机的输出装置上显示的处理或图像产生其它影响。此外，用户可以与电子装置相互作用，例如使用遥控、无绳电话或立体声控制。用于该计算机装置或电子装置的普通人界面装置例如包括游戏杆、按钮、鼠标、跟踪球、旋钮、方向盘、摄像头、图形输入板和压敏球。

在某些界面装置中，力反馈或触觉反馈也提供给用户，本文中通常称为“触觉反馈”。这种界面装置可以提供物理(physical)感觉，使用控制器或操纵界面装置的物理目标的用户将感觉到该物理感觉。各界面装置包括一个或多个促动器，这些促动器与控制处理器和/或计算机系统连接。因此，通过向触觉反馈装置的促动器发送控制信号或指令，控制处理器和/或计算机系统可以与用户动作和/或与图形或显示环境相关的事件配合地控制由触觉反馈装置产生的触觉力。

很多低成本的触觉反馈装置例如通过在由用户握住时振动触觉反馈装置的manipulandum和/或壳体来产生触觉力。例如，在当前很多用于游戏操纵台的游戏控制器(例如Sony Playstation、Microsoft Xbox和Nintendo GameCube)中，一个或多个触觉装置安装在游戏控制器的壳体内。该一个或多个触觉装置可以进行驱动，以便提供振动力。例如，这可以通过使得与各触觉装置的轴连接的偏心块旋转而实现。因此，游戏控制器的壳体也振动。游戏操纵台的主机向游戏控制器发出指令，以便控制该游戏控制器的促动器的驱动和振动频率。对于某些已知的游戏控制器，使用两个不同的触觉装置：具有更大质量的一个触觉装置提供低频震动，而具有更大质量的另一触觉装置提供更高频率的振动。

不过，这些已知的触觉反馈装置有几个缺点。首先，通过已知触觉反馈装置产生的振动非常有限，不能进行明显变化。例如，主机可以调节由上述游戏控制器产生的振动的频率，但是相应振幅不能独立于频率而改变。

第二，具有相对较大旋转质量的单促动器系统能有效提供较强且较高振幅的感觉，但是不能提供轻微、高频的振动，从而严重限制了该触觉反馈装置的用户能够体验到的触觉反馈效果的变化性。试图解决该问题的一种方法是使用具有更小旋转质量的第二触觉装置。不过，这种方法较昂贵，并使用相对较大的空间。

最后，与促动器相连的偏心块的旋转起动和停止都有时间延迟。这些时间延迟(不能长到大约0.1秒)将导致很难使得产生的触觉力与在计算机模拟、游戏、装置中的事件、动作或相互作用同步。此外，偏心块的旋转起动或停止的延迟并不恒定，从而提供了另外的同步难题。

因此，需要改进的触觉反馈装置。

发明内容

本发明提供了一种触觉装置，包括：第一旋转促动器，该第一旋转促动器有轴；弹性元件，该弹性元件与第一旋转促动器的轴连接；以及块，该块与弹性元件连接，其中，在工作时所述块绕所述轴旋转；第一旋转促动器、弹性元件和块一起有第一工作模式和第二工作模式，该第一工作模式与所述块绕所述轴旋转的一定频率范围相关，而该第二工作模式的所述块绕所述轴旋转的相关频率范围与第一工作模式的相关频率范围不同；第二工作模式与弹性元件的谐振频率相关；以及第一旋转促动器、弹性元件和块一起有第三工作模式，该第三工作模式与第一工作模式的频率范围和第二工作模式的频率范围的叠加相关。

触觉装置包括促动器和块。该促动器有轴。该促动器与该块和/或基座进行弹性连接。

附图说明

图1和2分别表示了本发明实施例的触觉装置的透视图和俯视图。

图3和4分别表示了本发明实施例的、具有两个柔顺(compliant)部分的触觉装置的透视图和俯视图。

图5和6分别表示了对于在谐振模式下工作的本发明实施例的触觉装置，作为阻尼比的函数的位置伯德图和加速度伯德图。

图7和8分别表示了对于在谐振模式下工作的本发明实施例的触觉装置，作为弹簧常数的函数的位置伯德图和加速度伯德图。

图9和10分别表示了对于在谐振模式下工作的本发明实施例的触觉装置，作为质量的函数的位置伯德图和加速度伯德图。

图11和12分别表示了对于在谐振模式下工作的本发明实施例的触觉装置，作为偏心半径的函数的位置伯德图和加速度伯德图。

图13表示了本发明实施例的、具有片簧的触觉装置的透视图。

图14表示了本发明另一实施例的、具有片簧的触觉装置的透视图。

图15表示了本发明实施例的、具有聚丙烯弹性部件的触觉装置的透视图。

图16表示了另一本发明实施例的、具有聚丙烯弹性部件的触觉装置的透视图。

图17表示了本发明实施例的、用于触觉装置的块和弹性部件的透视图。

图18表示了本发明另一实施例的触觉装置的透视图。

图19表示了本发明另一实施例的、具有弹性部件的触觉装置的透视图，该弹性部件使促动器与基座连接。

图20和21表示了本发明另一实施例的、具有弹性部件的触觉装置的透视图，该弹性部件使促动器与基座连接。

图22和23表示了本发明另一实施例的、具有弹性部件的触觉装置的透视图，该弹性部件使促动器与基座连接。

图24表示了本发明实施例的、具有两个促动器的触觉装置的透视图，这两个促动器分担公共旋转轴和公共块。

图25和26表示了本发明另一实施例的、具有两个促动器的触觉装置的透视图，这两个促动器分担公共旋转轴和公共块。

图27表示了本发明另一实施例的、具有限制止动件的触觉装置的俯视图。

图28表示了本发明另一实施例的、具有限制止动件的触觉装置的俯视图。

图29和30表示了根据本发明实施例的、具有止动件的触觉装置的透视图，该止动件与弹性部件形成一体。

具体实施方式

一般地说，这里所述的实施例涉及触觉装置，各触觉装置通过谐振弹簧/块系统而产生触觉反馈力。该系统可以包括与一个或多个弹簧部件组合的一个或多个活动块。所使用的术语“弹簧/块系统”是指任意类型的、具有弹性或柔性连接块的系统。该弹性或柔性连接例如可以通过弹簧或柔性部件。因此，这里所述的弹性部件或弹性连接也可以用于柔性部件或柔性连接。

这些触觉装置可以与壳体连接或连接在壳体内(例如通过机械安装件)，以便向壳体的用户提供触觉反馈力。该壳体例如可以用于游戏控制器、通信装置、遥控装置、立体声控制器或人界面装置(用于计算机装置或电子装置)，例如操纵杆、按钮、鼠标、跟踪球、旋钮、方向盘、输入笔、图形输入板或压敏球。

在很多实施例中，触觉装置包括促动器和块。促动器有轴。该促动器与该块和/或基座弹性连接。在一个实施例中，促动器是旋转促动器，块是偏心块，且旋转促动器的轴通过弹性部件而与偏心块弹性连接。在该实施例中，触觉装置的旋转促动器、偏心块和弹性部件一起有第一工作模式和第二工作模式，该第一工作模式与一定频率范围相关，而该第二工作模式的相关频率范围与第一工作模式的相关频率范围不同。例如，第一工作模式可以基于块绕旋转促动器的轴的单向旋转，而第二工作模式可以基于块的谐振运动。

这里所述的触觉装置实施例解决了在上面的背景技术部分中所述的已知触觉装置的很多缺点。例如，这里所述的触觉装置能够在扩展频率范围内独立控制振幅和频率。另外，单个促动器能够产生低频振动(例如采用基于块的单向旋转的工作模式)和高频振动(例如采用基于块的谐振运动的工作模式)。促动器可以在单个工作模式中工作，或者可以在交叠时间在两个工作模式中工作，以便产生叠加的低频振动和高频振动。还有，与起动和停止振动相关的时间延迟可以小于已知触觉装置。

这里所用的术语“工作模式”的意思是促动器的工作方式。该工作模式例如可以参考施加给促动器的信号来介绍。例如，促动器的一个工作模式可以涉及施加给促动器的直流(DC)信号。在该工作模式(这里也称为“单向模式”)中，促动器的工作导致与促动器连接的块在与单向模式相关的频率范围内产生向心加速度。促动器的另一工作模式例如可以涉及施加给促动器的交流(AC)信号(例如具有反向极性的信号)。在该工作模式(也称为“谐振模式”)中，促动器在与谐振模式相关的频率范围内沿相反方向交替驱动该块。在可选实施例中，谐振模式可以通过以谐振频率向促动器提供单向电压而实现。通过该实例，提供给促动器的单个信号例如可以形成单向模式和谐振模式，其中，与谐振模式相关的频率和与单向模式相关的频率交叠。

应当知道，与单向模式相关的频率范围通常和与谐振频率相关的频率范围不同。这些频率范围例如可以相互排斥，或者也可选择，一个范围可以是另一范围的子集。例如，与单向模式相关的频率范围可以是10-40Hz，而与谐振模式相关的频率范围可以是5-250Hz。在该实例中，与单向模式相关的频率范围是与谐振模式相关的频率范围的子集。换句话说，可能使得促动器以单向模式工作的振动频率是可能使得促动器以谐振模式工作的振动频率的子集。在另一实施例中，与单向模式相关的频率范围和与谐振模式相关的频率范围相互排斥。在还一实施例中，与单向模式相关的频率范围和与谐振模式相关的频率范围局部交叠。

促动器的另一工作模式可以涉及单向模式和谐振模式的叠加。在该工作模式(这里也称为“叠加模式”)中，促动器可以同时通过DC信号和AC信号驱动，从而导致与促动器连接的块在与单向模式相关的频率范围内产生向心加速度，同时也在与谐振模式相关的频率范围内沿相反方向驱动该块。通过上述实例，在叠加模式中工作的促动器可以同时产生在10和40Hz之间的振动频率和在5和250Hz之间的一个或多个振动频率。这里所述的范围用于说明目的，这里所述的实施例实际上可采用任意范围。

在某些实施例中，可以比单向模式、谐振模式和叠加模式更多。这样的实施例例如有与谐振模式相关的多个结构。例如，第一块可以与旋转促动器弹性连接，而第二块可以与第一块弹性连接。在该实施例中，一个谐振模式可以与在促动器和第一块之间的弹性连接相关，而一个不同的谐振模式可以与在第一块和第二块之间的弹性连接相关。在另一实例中，两个块可以通过两个不同的弹簧常数而与旋转促动器的轴弹性连接。因此，可以有两个或更多模式的叠加、单向模式、第一谐振模式和第二谐振模式。实施例也可以有任意数目的谐振模式。

尽管这里所述的很多实施例涉及与绕促动器的轴旋转的块连接的旋转促动器，但是也可以有非旋转实施例。例如，一个实施例包括弹簧，该弹簧沿轴线膨胀和收缩，其中，弹簧在一端与块连接，在另一端与促动器的轴连接；轴沿该轴线平动。在另一实施例中，促动器为短轴型马达或具有空心芯的马达。通常，促动器可以为产生扭矩的任意类型机构。

而且，尽管这里所述的多个实施例涉及旋转系统(其中，旋转在与促动器轴垂直的平面内)，但是在可选实施例中，旋转可以并不在平面内。例如，使块与促动器连接的弹性部件可以在沿与旋转方向不同的方向或除了旋转方向之外的方向有弹性。在该实施例中，谐振模式可能涉及块的非平面运动。

这里所用的术语“促动器”是指引起动作的动作促动器。例如，该促动器例如可以为马达、压电结构和音圈。这与引起触觉力的触觉力促动器不同。为了清楚，在本文中，该触觉力促动器称为触觉装置。因此，促动器(动作促动器)可以包含在触觉装置(触觉力促动器)中。

这里所用的术语“弹性部件”的意思是由在变形后将返回初始形状或状态的材料制成的、任意类型的构件。该弹性部件例如可以为塑料或橡胶构件，或者为金属结构例如片簧或螺旋弹簧。该弹性部件有弹性的意思是它有合适弹性，以便能够进行谐振运动。例如，对于促动器为具有弹性连接偏心块的旋转促动器的实施例，弹性连接的弹性足以使块以谐振模式运动，并可与单向模式叠加或不与单向模式叠加。

这里所用的术语“触觉”是指接触的感觉。也称为触感。因此，触觉装置是例如在计算机或电子装置的引导下向用户传递力的装置，从而使用户能够以物理触感的方式与计算机或电子装置进行相互作用或相互连接。尽管用于说明触觉装置怎样工作的不同名称有很多细微区别，但是它们都落入术语“触觉”范围内。这些不同名称包括触感反馈、全力反馈、振动触感、震动反馈、能够接触、接触驱动，并表示触觉装置可以工作的不同方式。例如，震动反馈通常指游戏控制器常有的低保真振动或震动，并与游戏中的较大动作事件结合使用。

图1和2分别表示了本发明实施例的触觉装置的透视图和俯视图。如图1和2所示，触觉装置100包括促动器110、弹性部件120和块130。作为旋转促动器的促动器110包括轴115。弹性部件120包括近侧部分121、柔顺部分122和远侧部分125。弹性部件120的近侧部分121与促动器110的轴115连接。宽度大于柔顺部分122的远侧部分125与块130连接。

促动器110可以为任意类型的旋转促动器，例如直流(DC)马达、音圈促动器或活动磁体促动器。此外，促动器110可以布置在装置壳体(未示出)内并与该装置壳体机械连接，该装置壳体例如游戏控制器壳体。布置在游戏控制器壳体内并与该游戏控制器壳体机械连接的触觉装置的实例在专利申请No.09/967494和No.09/967496中公开，这两篇文献的内容被本文参引。

尽管弹性部件120表示为使近侧部分121、柔顺部分122和远侧部分123成一体形成为单件结构，但是也可以为其它结构。当柔顺部分由柔性材料形成时，近侧部分和远侧部分并不必须由柔性材料形成，也不必须与该柔顺部分形成一体。例如，弹性部件的柔顺部分可以通过单独的连接件或紧固件而与块和/或促动器的轴连接。同样，弹性部件可以为各种类型，例如包括片簧或螺旋弹簧。

触觉装置100的促动器110、弹性部件120和块130一起有第一工作模式和第二工作模式，该第一工作模式具有一定频率范围，而该第二工作模式的频率范围与第一工作模式的频率范围不同。例如，第一模式可以基于块100绕促动器110的轴115的单向旋转(本文中也称为“单向模式”)，而第二模式可以基于块的谐振运动(本文中也称为“谐振模式”)。

更具体地说，连接于促动器110的轴115和块130之间的弹性部件120形成谐振系统。在谐振系统中，电驱动信号和所产生的马达扭矩作用在守恒机械系统上。该谐振系统展现二级性能，其中在某些频率处(例如在机械系统的谐振频率处)将放大振动。这里，触觉装置100构成为谐振系统，其中，弹性部件120在处于谐振模式时将储存能量和释放能量。换句话说，在块130响应AC驱动信号的一个极性而运动时，弹性部件120的柔顺部分122储存能量，而在块130响应AC驱动信号的另一极性而运动时，柔顺部分122释放能量。这导致谐振运动，并通过宽谐振而相应放大。这以高效方式产生较高振幅和其它效果。另外，当触觉装置100在谐振模式中工作时，具有多个不同频率分量的复杂AC驱动信号可以彼此叠加。

本发明人发现，机械系统的阻尼因子比较低是有好处的。它可以形成更高效的谐振。因此，弹性部件120的柔顺部分122可以由具有较低阻尼的聚丙烯制成。也可选择，弹性部件可以由钢、金属丝、塑料或其它类似材料制成，它可以使得块130与促动器110的轴115串联。

当在单向模式中工作时，例如可以通过DC电流来驱动促动器110，从而使得块130绕促动器110的轴115旋转，并有向心加速度。该向心加速度向装置壳体提供了很大的惯性力。在单向模式中工作时，固件技术可以用于控制振动的振幅。例如，具有50％工作循环的特定脉冲重复率导致块130在特定速率下以一半振幅而单向旋转，否则这将通过施加恒定电压(即100％工作循环)来实现。该固件的其它实例如专利申请No.09/669029中所述，该文献的内容被本文参引。

当促动器110在谐振模式下工作时，块130以驱动信号(例如驱动促动器110的AC信号)频率或近似以驱动信号频率进行振动。这样的驱动信号例如可以通过H桥电路或其它放大器来产生。这样的优点是，与在单向模式中的块运动情况相比，块在起动和停止运动中的时间延迟更小。

尽管图1和2表示了具有单个柔顺部分的弹性部件，但是弹性部件的可选实施例可以有多个柔顺部分。例如，图3和4分别表示了本发明实施例的、具有两个柔顺部分的触觉装置的透视图和俯视图。如图3和4所示，触觉装置200包括促动器210、弹性部件220和块230。作为旋转促动器的促动器210包括轴215。弹性部件220包括近侧部分221、柔顺部分222和223以及远侧部分225和226。弹性部件220的近侧部分221与促动器210的轴215连接。远侧部分225和226与块230连接，该远侧部分225和226的宽度大于柔顺部分222和223。尽管图3和4中所示的弹性部件220有两个柔顺部分222和223，但是在其它实施例中，弹性部件也可以具有多于两个的柔顺部分。

应当知道，柔顺部分可以有沿一个自由度或块运行轴线的柔性，但是并不必须沿其余自由度的柔性。例如，柔顺部分122(图1和2中所示)可以有沿促动器110的轴115平行于旋转轴线方向的柔性。同样，柔顺部分222和223都可以有沿促动器210的轴215平行于旋转轴线方向的柔性。最好如图3所示，柔顺部分222和223沿平行于促动器210的轴215的方向相对较厚。

在另一实施例中，触觉装置包括可变刚性的机械促动器。当弹性部件的柔顺部分的弹簧常数(K)值可作为驱动频率的函数而变化，然后触觉装置可以在接近峰值放大率和效率的情况下工作。可变刚性机械促动器例如可以为压电结构(例如压电蜂鸣器)。这种压电结构例如可包括一个块上的陶瓷，一施加的电压使得陶瓷在块上运动。通过合适选择施加的电压，陶瓷可以以类似弹簧的方式工作。压电结构可以作为偏压电压的函数而改变它的弹簧常数。因此，驱动压电结构的频率-电压转换器可以通过调节弹簧常数来保持触觉装置的谐振频率。

具有单向模式和谐振模式的触觉装置实施例(例如图1和2中所示的触觉装置100以及图3和4中所示的触觉装置200)的特殊性能可以进行建模。该模型可以基于各种因素，例如块形状和重量分布以及弹性部件的柔顺部分的刚性。下面提供了具有单向模式和谐振模式的触觉装置实施例的动态模型。

下面的等式基于二级Laplace传递函数，并用于对触觉装置的谐振模式进行建模：

X/Tm＝1/(r(ms^2+bs+k))

其中X是位移，Tm是马达扭矩，m是块的质量，r是偏心半径，k是弹簧常数，b是阻尼常数，而s是Laplace变量。更具体地说，偏心半径r是从驱动器轴的中心到块质心的距离。

下面的等式用于对触觉装置的单向模式进行建模：

F＝rω²m

其中F是力，ω是角速度(2πf)，f是促动器的频率。

上述动态模型可以用于设计具有谐振模式的触觉装置。例如，可以选择特定值的阻尼率、弹簧常数、块质量和偏心半径，以便获得特定性能的触觉装置。图5至12表示了在谐振模式下工作的触觉装置的、作为特殊变量的函数的位置和加速度的伯德图。位置伯德图表示了对于不同驱动信号频率的、块离原点位置的幅值位移。加速度伯德图表示了对于不同驱动信号频率的、块的加速力。参考图5和6，阻尼率d与阻尼常数b的关系由等式b/(2＊sqrt(k))表示。应当知道，y轴单位是对于能够输出0.003Nm扭矩的马达的量。标称比较情况是m＝20克，阻尼率＝0.15，k＝1000N/m，r＝10mm，mp＝250克。该标称情况导致位移为+/-1mm，且在线性促动器组件中的块的加速度为+/-5g，这等于大约0.4g至250克的游戏控制器。

图5和6分别表示了作为本发明实施例的、在谐振模式下工作的触觉装置的阻尼率的函数的位置伯德图和加速度伯德图。如图5和6所示，减小阻尼率导致块的更大位移和加速度。因此，对于某些实施例，希望使阻尼率减小至低于0.15。

图7和8分别表示了作为本发明实施例的、在谐振模式下工作的触觉装置的弹簧常数的函数的位置伯德图和加速度伯德图。如图7和8所示，触觉装置的谐振模式的谐振频率是弹簧常数的函数。更具体地说，图7中所示的块位移的、沿x轴的峰值-峰值距离作为频率的函数而变化，而图8中所示的块加速度的、沿x轴的峰值-峰值距离作为频率的函数而没有明显变化。因此，具有谐振模式的触觉装置可以通过选择弹簧常数的特殊值来设计为特定谐振频率。

图9和10分别表示了作为本发明实施例的、在谐振模式下工作的触觉装置的质量的函数的位置伯德图和加速度伯德图。如图9和10所示，块的谐振频率和(特别是)峰值加速度是块的重量的函数。最好如图10所示，块的加速度幅值随着块的重量减小而增加。

图11和12分别表示了作为本发明实施例的、在谐振模式下工作的触觉装置的偏心半径的函数的位置伯德图和加速度伯德图。如图11和12所示，块的加速度是偏心半径的函数。因此，当触觉装置在谐振模式下工作时，较低偏心半径导致块的位移和加速度增大。换句话说，在促动器轴和块的质心之间的更短距离导致促动器向该块施加更大的力。不过，当触觉装置在单向模式下工作时，该更短偏心半径也可以导致块的加速度更低。因此，在触觉装置的设计中可以考虑对两个因素进行折衷。

图13表示了本发明实施例的、具有片簧的触觉装置的透视图。如图13所示，触觉装置300包括促动器310、弹性部件320和块330。促动器310包括绕轴线326旋转的轴(未示出)。弹性部件320包括柔顺部分322和近侧部分321。柔顺部分322是由例如金属制成的片簧，它的厚度为使它有柔性。

图14表示了本发明另一实施例的、具有片簧的触觉装置的透视图。如图14所示，触觉装置400包括促动器410、弹性部件420和块430。促动器410包括绕轴线426旋转的轴(未示出)。弹性部件420包括作为片簧的柔顺部分422。尽管与图13所示的触觉装置300相同，但是触觉装置400的块430的、平行于轴线426的尺寸更大，而柔顺部分422的、沿径向方向(垂直于轴线426)的尺寸更短。

图15表示了本发明实施例的、具有聚丙烯弹性部件的触觉装置的透视图。如图15所示，触觉装置500包括促动器510、弹性部件520和块530。弹性部件520包括近侧部分521、柔顺部分522和远侧部分523。弹性部件520由聚丙烯制成，不过也可以采用具有类似柔性的其它材料。弹性部件520的远侧部分523通过块530中的狭槽而与块530连接。

图16表示了本发明另一实施例的、具有聚丙烯弹性部件的触觉装置的透视图。在该实施例中，触觉装置600包括促动器610、弹性部件620和块630。弹性部件620包括近侧部分621、柔顺部分622和远侧部分623。弹性部件620由聚丙烯制成，不过也可以采用具有类似柔性的其它材料。弹性部件620的远侧部分623通过块630中的孔而与块630连接。远侧部分623的形状比柔顺部分622更宽，从而使得该远侧部分623能够密合地装入块530的孔内。

图17表示了本发明实施例的触觉装置的块和弹性部件的透视图。在该实施例中，触觉装置650的所示部分包括弹性部件680和块670。该弹性部件680包括近侧部分681、柔顺部分682和远侧部分683。该远侧部分683密合地装入块530的孔内，其中，该孔和远侧部分683大于图16中所示。

图18表示了本发明另一实施例的触觉装置的透视图。在该实施例中，触觉装置700包括促动器710、弹性部件720和块730。弹性部件720包括近侧部分(未示出)、柔顺部分(未示出)和远侧部分723。在本实施例中，块730延伸至弹性部件720的近侧部分和柔顺部分上面。

尽管上述实施例表示了使块与促动器连接的弹性部件，但是也可以采用其它结构，例如促动器通过弹性部件与基座连接。在该实施例中，促动器在不插入弹性部件的情况下与块连接。如后面所述，图21-26表示了具有使促动器与基座连接的弹性部件的触觉装置的实施例。

图19表示了根据本发明另一实施例的、具有使促动器与基座连接的弹性部件的触觉装置的透视图。在本实施例中，触觉装置800包括基座805、促动器810、弹性部件820、块830、齿轮840和齿轮850。在本实施例中，促动器810通过弹性元件820而与基座805弹性连接。促动器810与齿轮840连接，该齿轮840与齿轮850啮合。此外，促动器810包括臂812，该臂812与环绕轴855的套筒858连接。齿轮850绕轴855旋转，该轴855通过衬套857而与基座805连接。块830与齿轮850刚性连接，并绕轴855偏心旋转。

当在单向模式下工作时，促动器810使得齿轮840和850旋转，该齿轮850再使得块830沿方向860绕轴855旋转。促动器810可以通过例如DC信号来驱动。该DC信号例如可以包括调制，以便提高可控制性和提高带宽，如美国专利申请No.09/669029和09/908184中所述；这两篇文献的内容被本文参引。

当在谐振模式下工作时，促动器810在与谐振模式相关的频率范围内相对于基座805旋转。更具体地说，促动器810可以通过AC驱动信号(例如具有交替极性的信号)来驱动。根据该AC驱动信号，促动器810受到快速反向扭矩。该快速反向扭矩与块830绕轴855的旋转惯性组合而将促动器810推向弹性部件820和壳体805，促动器810与该壳体805弹性连接。促动器810的该动作使得相对于衬套857运动。这导致促动器810沿方向870进行谐振运动。

图20和21表示了本发明另一实施例的、具有使促动器与基座连接的弹性部件的触觉装置的透视图。如图20和21所示，触觉装置900包括基座905、促动器910、弹性元件920、块930、齿轮940和齿轮950。在本实施例中，促动器910通过弹性元件920而与基座905弹性连接。促动器910与齿轮940连接，该齿轮940与齿轮950啮合。齿轮950绕轴955旋转，该轴955与基座905连接。块930与轴957刚性连接，该轴957与齿轮950旋转连接。因此，块930绕轴957偏心旋转。

图22和23表示了本发明另一实施例的、具有使促动器与基座连接的弹性部件的触觉装置的透视图。尽管与图20和21中所示的实施例(该实施例有垂直于基座的旋转轴)类似，但是装置1000有与基座平行的旋转轴。该结构使得触觉装置1000能够装入更小的垂直空间内。

在某些实施例中，触觉装置可以包括两个促动器，这两个促动器共用公共旋转轴线和公共块。该实施例例如能够完全基于电信号而转换至单向模式和谐振模式以及从单向模式和谐振模式中转出。换句话说，在某些实施例中，不需要机械擒纵机构或其它形式的驱动来转换至单向模式和谐振模式以及从单向模式和谐振模式中转出。下面参考图24-26表示该实施例的实例。

图24表示了本发明实施例的、具有共用公共旋转轴线和公共块的两个促动器的触觉装置的透视图。如图24所示，触觉装置1100包括基座1140、促动器1110和1112、块1130以及弹性部件1120。促动器1110和1112共用公共旋转轴线1115，块1130沿该轴线1115偏心连接。

基座1140包括基座部分1142、1144和1146，该基座部分1142、1144和1146一起形成沿枢轴轴线1118支承促动器1110的吊架状结构。枢轴轴线1118基本垂直于旋转轴线1115。促动器1110可以在由基座部分1142、1144和1146形成的吊架状结构内绕枢轴轴线1118而枢轴转动。促动器1112沿枢轴轴线1117而与基座1140的基座部分1148可枢轴转动地连接，该枢轴轴线1117偏离旋转轴线1115。促动器1112也由弹性部件1120支承。

与上述装置类似，触觉装置1100可以在单向模式、谐振模式或叠加模式下工作。当在单向模式下工作时，例如通过同相信号来驱动促动器1110和促动器1112。与通过单促动器可达到的情况相比，这使得块能够以更高频率旋转，从而对于给定质量，能够获得更高幅值的力。这使得块1130能够通过双倍力而强烈旋转，与具有单个促动器的普通触觉装置不同。

当在谐振模式下工作时，促动器1110和促动器1112由例如相位彼此相差180°的信号来驱动。在该谐振模式中，通过在枢轴接头位置1150处绕偏离枢轴轴线1117向促动器1112施加垂直力，促动器1110的作用与由促动器112产生的扭矩相反。因此，促动器1112和块1130绕由枢轴接头位置1150和点1119限定的轴线进行谐振运动，该点1119是轴线1115和轴线1117的交叉点。

触觉装置1100可以与驱动促动器1110和1112的双H电桥放大器(未示出)组合。在可选实施例(并不希望在单向模式中有双倍力)中，促动器的马达绕组可以变化成更高效的结构。也可以进行其它调节，以便获得合适的触觉输出。例如，弹性部件可以进行调整，枢轴接头的位置可以进行调节，或者在两个促动器之间的连接可以进行调节。此外，也可以使用混合驱动方案，该混合驱动方案平整系统的谐振。例如，促动器可以通过微处理器控制器来控制，以便选择工作模式。也可选择，两个PWM信道可以提供有它们自身的方向位(direction bit)。

图25和26表示了本发明另一实施例的、具有共用公共旋转轴线和公共块的两个促动器的触觉装置的透视图。触觉装置1200包括基座1240、促动器1210和1212、块1230、弹性部件1220和接头1260。促动器1210和1212共用公共旋转轴线，块1230沿该公共旋转轴线偏心连接。基座1240包括基座部分1242和1244，该基座部分1242和1244一起形成沿枢轴轴线1218支承促动器1210的吊架状结构。促动器1112还通过弹性部件1220与壳体1240连接，该弹性部件1220例如为螺旋弹簧。促动器1212沿枢轴轴线1217而与基座1240可枢轴转动地连接，该枢轴轴线1217与旋转轴线偏离，并包括接头1260(例如球接头)。

触觉装置1200以与参考图17所述的触觉装置类似的方式工作。不过，在触觉装置1200中，在枢轴轴线1217上的接头1217允许促动器1212沿另外方向运动以及绕轴线1218运动。

图27表示了本发明另一实施例的、具有限制止动件的触觉装置的示意俯视图。如图27所示，触觉装置1300包括促动器1310、块1330和弹性部件1320和1325。块1330与促动器1310的轴1315刚性连接。弹性部件1320和1325各有一端接地。弹性部件1320布置在块1330的通路的一侧，而弹性部件1325布置在块1330的通路的另一侧。弹性部件1320和1325作为在谐振模式下的限制止动件，它们在单向模式下能够被克服。

在谐振模式中，促动器1310由AC驱动信号驱动，以便使块1330产生双向运动。当块1330沿一个方向(例如方向1350)充分旋转时，块1330与弹性部件1320啮合，从而使它挠曲至例如位置1320′。挠曲的弹性部件1320储存能量，这样，当AC驱动信号的极性反向时，块1330沿相反方向1340运动，挠曲的弹性部件1320释放储存的能量。与弹性部件1320类似，当块1330沿另一方向(例如方向1340)充分旋转时，块1330与弹性部件1320啮合，从而使它挠曲至例如位置1325′，并重复相同处理。当在谐振模式下工作时，块1330与弹性部件1320和1325的相互作用有助于触觉装置的谐振运动。

在单向模式中，促动器1310可以通过DC驱动信号驱动，该DC驱动信号的幅值足以使块1330越过弹性部件1320和1325。然后，块1330沿相同方向连续自由旋转。为了从单向模式转换至谐振模式，DC驱动信号的幅值可以减小至这样，即在块1330上的扭矩减小至使得块1330通过弹簧部件1320和1325而偏转。在可选实施例中，触觉装置可以包括旋转传感器，该旋转传感器可以检测旋转块的位置。该旋转传感器指示块由于弹性部件而偏转的时间；这时，保持驱动信号的幅值，并可以提供AC驱动信号。

尽管弹性部件1320和1325表示为片簧，但是也可以采用其它类型的弹性部件。例如，图28表示了本发明另一实施例的、具有限制止动件的触觉装置的俯视图。如图28所示，触觉装置1400包括促动器1410、块1430和弹性部件1420和1425。块1430与促动器1410的轴1415刚性连接。弹性部件1420和1425各有一端接地，且另一端在销1440处与块1430可旋转地连接。在本实施例中，弹性部件1420和1425为螺旋拉伸弹簧。弹性部件1420和1425作为谐振模式中的限制止动件，它们在单向模式下能够被越过。

在谐振模式中，促动器1410由AC驱动信号驱动，以便使块1430产生双向运动。当块1430沿一个方向充分旋转时，弹性部件1320使它斜向下沿相反方向运动。在单向模式中，促动器1410可以通过DC驱动信号驱动，该DC驱动信号的幅值足以使块1430拉长弹性部件1320和1325，从而使块1430沿完全的圆运动，并沿相同方向连续地自由旋转。

在可选实施例中，弹性部件可以是磁体。例如，促动器可以包括内部磁体，以便将促动器的转子偏压至合适的“开坯”位置。当在谐振模式中，该结构提供了作用在转子上的弹簧返回力。对于另一实例，促动器可以包括外磁体，而不是内磁体。

尽管图27和28中所示的限制止动件接地，但是在可选实施例中，限制止动件也可以不接地。例如，图29和30表示了本发明实施例的、具有止动件的触觉装置的透视图，该止动件与弹性部件形成一体。如图32和33所示，触觉装置1500包括促动器1510、弹性部件1520和块1530。弹性部件1520包括近侧部分1521、柔顺部分1522和远侧部分1525。弹性部件1520的近侧部分1521与促动器1510的轴1515连接。宽度大于柔顺部分1522的远侧部分1525与块1530连接。止动件1522和1523与弹性部件1520形成一体。

当触觉装置1500在谐振模式中工作时，止动件1522和1523作为限制止动件。在谐振模式中，促动器1510通过AC信号驱动，以便使块1530产生双向运动。当块1530沿一个方向(例如朝着止动件1523)充分旋转时，块1530与止动件1523啮合，从而使它挠曲(例如见图30)。止动件1523储存能量，这样，当AC驱动信号的极性反向时，块1530沿相反方向运动，止动件1523释放储存的能量。在弹性部件1520的相对侧，止动件1522同样与块1530啮合。

从俯视图上看，止动件1522和1523都为楔形形状，它们在相对于轴1515的远侧端更薄，而在相对于轴1515的近侧端更厚。换句话说，从俯视图上看，止动件1522和1523都为角形，它们的尺寸在靠近轴处大于远端处。当块1530以更大力与止动件1522和1523啮合时，该楔形形状使得止动件1522和1523逐渐更硬(即挠曲更小)。因此，当触觉装置1500接近谐振时，止动件1522和1523与块1530啮合，并转变成有效谐振，否则在没有止动件时，将由此产生谐振。换句话说，止动件1522和1523改变弹性部件1520的有效弹性，从而改变触觉装置1500的谐振频率。

此外，当块在工作过程中运动时，止动件1522和1523防止块1530过度运动。而且，止动件1522和1523减小了当块1530与任何附近表面接触时的噪音，否则在没有止动件1522和1523的情况下将产生噪音。

结论

尽管上面已经介绍了各个实施例，但是应当知道，它们只是作为实例，并不是进行限制。因此，本发明的范围并不由上述实施例来限制，而是根据下面的权利要求和它们的等效物来确定。

对实施例的前述说明使得暴露于任何技术人员都能够使用本发明。尽管已经通过优选实施例特别表示和说明了本发明，但是本领域技术人员应当知道，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种变化。例如，尽管各个部件(例如弹性部件)可以作为单个或整体结构来介绍，但是这些部件也可以并不由单个结构构成。

Claims (10)

1.一种触觉装置，包括：

第一旋转促动器，该第一旋转促动器有轴；

弹性元件，该弹性元件与第一旋转促动器的轴连接；以及

块，该块与弹性元件连接，其中，在工作时所述块绕所述轴旋转；

第一旋转促动器、弹性元件和块一起有第一工作模式和第二工作模式，该第一工作模式与所述块绕所述轴旋转的一定频率范围相关，而该第二工作模式的所述块绕所述轴旋转的相关频率范围与第一工作模式的相关频率范围不同；

第二工作模式与弹性元件的谐振频率相关；以及

第一旋转促动器、弹性元件和块一起有第三工作模式，该第三工作模式与第一工作模式的频率范围和第二工作模式的频率范围的叠加相关。

2.根据权利要求1所述的触觉装置，其中：

第一旋转促动器的轴确定了第一轴线，当第一旋转促动器、弹性元件和块一起处于第一工作模式中时，块绕该第一轴线旋转；以及

弹性部件有确定第二轴线的位置，当第一旋转促动器、弹性元件和块一起处于第二工作模式中时，块绕该第二轴线枢轴转动。

3.根据权利要求1所述的触觉装置，其中：

促动器设置成接收信号，该促动器设置成根据信号而使轴旋转，从而使第一旋转促动器、弹性元件和块一起以第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式中的其中一种模式工作。

4.根据权利要求1所述的触觉装置，还包括：

第一止动件，该第一止动件在第一旋转促动器的一位置处与第一旋转促动器连接；以及

第二止动件，该第二止动件在第一旋转促动器的与第一止动件连接第一旋转促动器的位置不同的位置处与该第一旋转促动器连接，弹性元件在第一止动件连接第一旋转促动器的位置和第二止动件连接第一旋转促动器的位置之间与该第一旋转促动器连接。

5.根据权利要求4所述的触觉装置，其中：

第一止动件有第一端和第二端，该第一止动件的第一端在第一止动件与第一旋转促动器相连的位置处，该第一止动件为角形尺寸，该第一止动件沿角形尺寸在靠近第一止动件的第一端的位置处的宽度比靠近第一止动件的第二端的位置处的宽度更大。

6.根据权利要求4所述的触觉装置，其中：

该第二工作模式与有效谐振频率范围相关，该有效谐振频率范围至少部分由第一止动件的形状以及第二止动件的形状来确定。

7.根据权利要求1所述的触觉装置，还包括：

第一齿轮，该第一齿轮与第一旋转促动器的轴连接，其中第一旋转促动器与一基座连接；以及

第二齿轮，该第二齿轮与它自身的轴连接以及与第一齿轮连接，所述块与第二齿轮连接。

8.根据权利要求1所述的触觉装置，还包括：

一弹簧，该第一旋转促动器通过弹簧与一基座弹性连接。

9.根据权利要求1所述的触觉装置，还包括：

托架，该托架有枢轴部分，第一旋转促动器通过托架与一基座弹性连接，该托架的枢轴部分确定了枢轴轴线，该枢轴轴线基本垂直于由第一旋转促动器的轴确定的轴线。

10.根据权利要求1所述的触觉装置，还包括：

第二旋转促动器，该第二旋转促动器有它自身的轴，该第二旋转促动器的轴与第一旋转促动器的轴连接，所述块与在第一旋转促动器的轴和第二旋转促动器的轴中的至少一个连接。

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