CN101657786B - 具有存储的效应的触觉反馈系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有存储的效应的触觉反馈系统。其中公开了一种触觉反馈系统，其包括控制器、耦合到该控制器的存储器、耦合到该控制器的致动器驱动电路，以及耦合到该致动器驱动电路的致动器。该存储器存储至少一个触觉效应，所述触觉效应由控制器执行以产生触觉效应。

Description

具有存储的效应的触觉反馈系统
相关申请
本申请要求2007年2月20日提交的第60/890,690号美国临时专利申请的利益。
技术领域
本发明的一个实施方式涉及一种具有触摸屏幕的手持装置。更具体地，本发明的一个实施方式涉及一种包含触觉反馈系统的具有触摸屏幕的手持装置。
背景技术
电子装置制造商致力于为用户生产丰富的界面(rich interface)。常规装置使用视觉和听觉提示(cue)来对用户提供反馈。在一些界面装置(interface device)中，动觉反馈(kinesthetic feedback)(比如主动力反馈和阻力反馈)和/或触觉反馈(比如振动、质地(texture)和热量)也被提供给用户，更一般地被共同地称为“触觉反馈(hapticfeedback)”。触觉反馈可以提供改进和简化用户界面的提示。具体地，振动效应或振动触觉效应可以用于对电子装置的用户提供提示以使用户警惕特定事件，或者提供现实的反馈(realistic feedback)以在模拟或虚拟环境中产生更强的感官沉浸(sensory immersion)。
触觉反馈也已经被越来越多地并入在便携式电子装置中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式游戏机以及多种其它便携式电子装置。例如，一些便携式游戏应用能够以类似于用于设置成提供触觉反馈的较大规模的游戏系统的控制装置(例如操纵杆等)的方式进行振动。另外，诸如移动电话和PDA的装置能够通过振动方式来对用户提供多种警告。例如，移动电话可通过振动警告用户有电话打进。类似地，PDA可以警告用户排定的日历项目，或提醒用户注意“要做的事”清单项目或日历约会(appointment)。
越来越多地，便携式装置正在远离物理按钮而采用只有触摸屏幕的界面。这个转变可得到灵活性的增加、部件数量的减少以及减少对容易失灵的机械按钮的依赖，并且这个转变符合产品设计的新趋势。当使用触摸屏幕输入装置时，可由触觉模拟按下按钮或其它用户界面动作的机械确认。
一些已知的装置实时地或“即时地”修改或产生触觉效应。尽管这样可产生各种各样的触觉效应，但是它可能需要大量的处理功率，并且因为各种各样的可能的触觉效应必须与装置的硬件界面(hardwareinterface)相兼容，因此它可能无法促进新装置的快速发展。
基于前文，存在对用于为装置产生触觉效应的改进的系统和方法的需要。
发明内容
一个实施方式是触觉反馈系统，该触觉反馈系统包括控制器、耦合到该控制器的存储器、耦合到该控制器的致动器(actuator)驱动电路，以及耦合到该致动器驱动电路的致动器。该存储器存储至少一个触觉效应，该触觉效应由该控制器执行以产生触觉效应。与实时产生的触觉效应不同，存储的触觉效应减少了所需的处理功率。
附图说明
图1是根据一个实施方式的移动电话的框图。
图2是根据一个实施方式的触觉反馈系统的系统体系结构的框图。
图3是根据一个实施方式的软件体系结构的框图。
图4是在一个实施方式中使用的用于数字流封装结构的文件格式的框图。
图5是根据一个实施方式的效应存储块的框图。
图6示出了根据一个实施方式的典型的短(short)控制信号或存储的触觉效应，其中清楚地识别了被编码的关键数据。
具体实施方式
图1是根据一个实施方式的移动电话10的框图。电话10包括屏幕11和键13。在一个实施方式中，键13是机械型键。在另一个实施方式中，键13可由触摸屏幕或其它类型的触摸敏感表面实现以使键13成为触摸屏幕键，或者键13可通过使用任何方法实现。电话10的内部是在电话10上产生振动的触觉反馈系统。在一个实施方式中，在整个电话10上产生振动。在其它实施方式中，电话10的特定部分可被触觉反馈系统触觉地启动，这些特定部分包括键13中的单个(individual)键，而无论键是机械定向的、触摸屏幕的或其它一些类型的实现方式。
触觉反馈系统包括控制器12。耦合到控制器12的是存储器20和耦合到振动致动器18的致动器驱动电路16。尽管图1的实施方式是移动电话，但是本发明的实施方式可以用任何类型的手持通话器(handset)或移动/便携式装置来实现，或者任何使用致动器产生振动的装置来实现。进一步地，触觉反馈系统可以用开发板来实现，其允许触觉式启动的手持通话器的制造商完成高速的样机(rapidprototype)。
控制器12可为任何类型的通用控制器或处理器，或者可为具体设计为提供触觉效应的控制器，例如专用集成电路(“ASIC”)。控制器12可为操作整个电话10的相同的控制器/处理器，或者可为分离的控制器。控制器12可决定将产生(play)何种触觉效应，并基于高级参数效应被产生的顺序。总之，定义具体的触觉效应的高级参数包括幅度、频率和延续时间。
控制器12向驱动电路16输出控制信号，该驱动电路16包括电子元件和电路系统(circuitry)，以用于给致动器18提供所需的电气电流和电压以引起所期望的触觉效应。致动器18是在电话10上产生振动的触觉装置。致动器18可包括一个或多个力施加机构，该力施加机构能够(例如经由电话10的外壳)对电话10的用户施加振动触觉的力。致动器18可以是如电磁致动器、偏心旋转质量块(“ERM”)、线性谐振致动器(“LRA”)或诸如压电的、电活性聚合物(electro-activepolymer)或形状记忆合金的“智能材料”，在偏心旋转质量块中，偏心质量块是由发动机移动的，在线性谐振致动器中，连接到弹簧(spring)的质量块被来回驱动。存储器20可为任何类型的存储装置，例如随机存取存储器(“RAM”)或只读存储器(“ROM”)。存储器20存储由控制器12执行的指令。存储器20也可位于控制器12的内部，或者是内部存储器和外部存储器的任何组合。
图2是根据一个实施方式的触觉反馈系统100的系统体系结构的框图。系统100包括两个或多个应用30和32，它们经由软件命令要求产生具体的存储的触觉效应。应用程序接口(“API”)34对软件命令进行解释并输出到两个并行的路径，每个路径用于每种类型的致动器。在其它实施方式中，可以实现一个或多个路径。在图2中，左侧的路径用于压电致动器50，而右侧的路径用于LRA致动器52。
耦合于每个路径的是数字流封装(“DSE”)结构36，其包括存储的触觉效应。在一个实施方式中，存储了四个不同的触觉效应，并且可存储任何个数。每个路径包括驱动器(driver)38和40以及服务提供者接口39和41，服务提供者接口39和41包括用于该路径的具体类型的致动器的信息。这使API成为独立的硬件/致动器。
对于每个致动器，每个路径进一步包括驱动信号42和46以及电驱动电路44和48。最后，致动器50和52产生振动或其它期望的触觉效应。
在一个实施方式中，压电致动器驱动器期望差分正弦波控制信号。一个实施方式以软件产生5kHz频率的正弦波并且将它作为脉冲宽度调制(“PWM”)信号输出。可使用更简单的控制信号以在装置上实现相同的感觉。然而，在一个实施方式中，压电电路需要具有20-50kHz范围内的固定频率的PWM信号，期望每过200μs更新该PWM信号的占空比。
在一个实施方式中，LRA存在至少3种可能的物理结构：
1.壳体安装-在该结构中，将LRA刚性地安装于装置壳体的内部。LRA是以它的谐振频率(从175Hz到185Hz)被驱动的，并且致动整个装置。
2.屏幕安装-匹配的频率。将屏幕悬挂在悬架(suspension)上、与壳体机械地分离，并且将LRA刚性地安装于该屏幕上。LRA通常是以LRA谐振频率被驱动的，并且调整该悬架用以增强该频率。
3.屏幕安装-双模态。将屏幕悬挂在悬架上、与壳体机械地分离，并且将LRA刚性地安装于该屏幕上。LRA能够以LRA谐振频率被驱动，在该情况下，将该悬架调整为将大多数振动传输至壳体。LRA也可以系统的固有频率被驱动，并且将悬架调整为比LRA自己的谐振频率(典型地约为500Hz)更高的频率。在该结构中，可将LRA用作事件警告系统(静音/安静(manner)模式振动警告器)或触摸屏幕反馈系统(用于按钮按下触觉确认)。
在一个实施方式中，可使用Immersion公司的已知的
Figure G2008800121969D00051
LRA驱动电路的很多种变体。通常，这些驱动电路需要一种PWM，其具有20-50kHz固定频率、变化的占空比、8比特占空比分辨率(resolution)、50％＝无输出，20-30kHz范围内的细粒度(finegranularity)(因为在很多设计中载波频率是LRA驱动频率的倍数)。该电路也需要用于AMP_ENABLE控制的通用输出(“GPO”)。
可选择地，因为来自于驱动器的5kHz或8kHz的输出频率可使输出具有LRA谐振频率的正弦波或方波，可使用甚至更简单的放大电路。因为谐振频率本身被编码，因此这消除了对精确调整PWM频率的需要。
图3是根据一个实施方式的软件体系结构的框图。该体系结构的一个实施方式包括如下几项：
1.没有用于应用的自定义的效应再现。只再现存储在数字流封装(“DSE”)结构中的预定义的效应(“存储的触觉效应”)，该数字流封装存储在驱动器软件中。
2.没有实时产生。效应再现是基于预记录的控制信号的，而不是实时产生的。该控制信号是使用效应设计工具计算的。
3.多个应用支持。多个应用可同时向API注册。支持多个应用需要一些形式的API客户排列，其中API必须决定谁的请求是最重要的。可能有两种方法：
a.最后的调用者(caller)胜利。当多个应用试图同时使用振动资源时，最后的调用者打断之前产生的任何效应，并且产生该最后的调用者的效应。
b.优先级方案。当效应再现发起时，API可支持高/中/低优先级的概念。当发起效应时，呼叫者指定将被使用的优先级。当优先级等于或高于当前效应的再现优先级时，再现成功进行。
4.设计为便携式的。仅与
Figure G2008800121969D00061
ANSI C相似，没有动态存储分配。
在一个实施方式中，驱动器存取接口(“DAI”)是由提供相当多API功能的较低级功能组成的。在一个实施方式中，将DAI设计为以功能接口来实现，其被容易地包封(wrap)在串行协议中。驱动器是被定时的环路，其执行如下命令：
1.查看API/驱动器共享的存储器。如果再现被确定时间，那么从存储器中取回(retrieve)当前DSE指针以及任何其它所需的驱动器/效应状态信息。
2.如果状态是“产生效应”，那么解码DSE、提取将应用于PWM的PWM值。然后，写至PWM。休眠直到下一个采样为止。
3.如果状态是“完成的迭代检查重复”，并且如果重复效应，那么递减重复值、建立间隙时间并休眠直到间隙时间到期为止。
在一个实施方式中，图2的DSE结构36是用于许多效应的基于时间的一组幅度或强度。以无损的压缩格式储存这些采样。包含DSE信息的文件使用.dse文件扩展名。
图4是在一个实施方式中使用的用于DSE结构的文件格式的框图。DSE 1.0标题块包含文件格式版本信息、效应的数量、效应存储块的位置、效应集(Effect Set)名称块的位置和文件大小。效应存储块包括存储在DSE文件中的所有效应定义。可选择的效应集名称块包括效应集的名称。
图5是根据一个实施方式的效应存储块的框图，其具有两个子块：效应存储偏移量子块和效应存储数据子块。
效应存储偏移量子块是偏移量的阵列(array)，一个偏移量用于每个效应。每个偏移量占据两个字节，其最低有效位位于较低的存储器地址。将效应的数量存储在DSE文件标题中。以字节为单位的偏移量指定相对于效应存储数据子块的起始位置，效应定义在效应储存数据子块的哪里开始。效应存储偏移量子块的大小是2＊EFFECTCOUNT。EFFECTCOUNT来自于DSE文件标题。效应存储数据子块存储效应定义。
在一个实施方式中，DSE包括基于时间的幅度控制信息。从-127至127基于时间调制理想电压以驱动振动致动器。对于AC控制(例如LRA)，系统的其它部件(驱动器软件、电子装置)负责合成AC信号，并且DSE表示在每个循环中通过AC控制信号获得的最大值。
图6示出了根据一个实施方式的典型的短控制信号或存储的触觉效应，其中清楚地识别被编码的关键数据。与通过根据多个高级参数产生触觉效应来实时地产生触觉效应的已知系统不同，图6中的触觉效应使用诸如电压电平和时间持续等低级触觉参数来进行预定义。
点1是触觉效应的起始位置，将其始终假设为在时间t＝0ms时开始。假设理想的电压电平是127。点1与点2之间的时间是启动(kickstart)脉冲。发生在如时间＝20ms时的点2，标识维持期的起始位置，其被施加电压电平80。该电平被施加直到在时间＝100ms时的点3为止，例如，在制动脉冲开始的位置，此处电压为-127。在点4处，时间t＝120ms，电压降至0。点5是额外的零点，位于t＝150ms处以对一定量的静音进行编码-当将效应设计为重复时，这是有用的(相同的效应可通过在DAI/API调用中指定间隙值而获得)。下面的表1是在一个实施方式中如何对关键点和定时编码的实施例。
表1
  字节#   数据   含义
  0   127   施加电压电平127...
  1   20   持续20ms
  2   80   施加电压电平80...
  3   80   持续80ms
  4   -127   施加电压电平-127...
  5   20   持续20ms
  6   0   施加电压电平0...
  7   30   持续30ms
  8   0   施加电压电平0...
  9   0   持续0ms-这意味着，“数字流的效应定义的结束”
在一个实施方式中，在下面的表2和表3中示出并入了斜率编码(slope encoding)的稍微更复杂的编码，参照表2，如下各项应用：
1.将数据组织为电压/时间对。
2.时间是相对的而非绝对的。“在下一个Y毫秒中施加X电压”，而非“从时间＝Y时开始施加电压X”。
表2
归纳的电压/时间对编码，“设置和保持”对：
  字节# 位 数据 含义
0 7   斜变/n保持 0＝＞保持该电压电平恒定达到该持续时间
0 6..0 电压/2   将被施加的电压电平除以2。使用单个左移命令并计算为(cast to)有符号的8位整数以获得位于-127至127之间的期望的电压电平。除非值是0，否则驱动器应该始终向结果增加1/-1。
1 7..0 时间，ms/5   以5ms为增量的时间。为了得到最佳的结果，驱动器代码应该以200Hz运行控制循环。可被编码的最大的时间＝255×5ms＝1.275秒。对于更长的持续时间，产生电压/时间对的序列。
表3
归纳的电压/时间对编码，“设置和斜变(ramp)”对：
  字节# 位 数据 含义
0 7 斜变/n保持   1＝＞在电压电平处开始并根据用于指定持续时间的附上的参数进行斜变
0 6..0 电压/2   在时间0时将被施加的电压电平除以2。使用单个左移命令并计算为有符号的8位整数以获得位于-127至127之间的期望的电压电平。除非值是0，否则驱动器应该始终向结果增加1/-1。
1 7..0 时间，ms/5   以5ms为增量的时间。为了得到最佳的结果，驱动器代码应该以200Hz运行控制循环。可被编码的最大的时间＝255×5ms＝1.275秒。对于更长的持续时间，产生电压/时间对的序列。
2 7..0 斜率(Slope)   -128或-127至127。斜率值的整个部分代表每隔5ms采取的整个PWM步骤。-128代表斜率是“负0”，其与“正0”相对，“正0”是0。关于斜率的更多的内容如下。
3 7..0   斜率小数部分(slopeFrac)   0..255。斜率值的小数部分，其被表示为256的若干分之一。关于斜率的更多的内容如下。
使用Slope和SlopeFrac
驱动器可通过下面的方式使用这些值：
pwm＝Voltage《1；/＊初始的PWM值＊/
pwm rem＝0；/＊初始的PWM余数＊/
在5ms循环中：
If((pwm_rem+SlopeFrac)＜pwm_rem)/＊该余数即将自动滚动(rollover)＊/
{
Slope＞＝0？pwm++:pwm--；
}
pwm rem+＝SlopeFrac；
if(-128！＝Slope)pwm+＝Slope；
可选择的效应名称块具有一个子块：效应名称数据子块。
几个实施方式在这里被专门地示出和/或描述。然而，应该知道这些修改和变化由上面的教导涵盖并且处于随附的权利要求的权界内，而不偏离本发明的精神和预期的范围。

Claims (30)

1.一种触觉反馈系统，其包括：
控制器；
耦合到所述控制器的存储器；
耦合到所述控制器的致动器驱动电路；以及
耦合到所述致动器驱动电路的致动器；
其中，所述存储器存储至少一个驱动致动器的触觉效应；
其中，所存储的触觉效应包括多个数据字节，所述多个数据字节中的第一数据字节规定幅度和对斜变或保持的指示，所述多个数据字节中的第二数据字节规定持续时间，并且如果第一数据字节规定了对斜变的指示，则所存储的触觉效应还包括指示斜率的数据字节；并且
其中，利用第一数据字节中规定的幅度和第二数据字节中规定的持续时间来驱动致动器以产生触觉效应，其中如果所述第一数据字节规定了对斜变的指示，则所述幅度由所述指示斜率的数据字节中指示的斜率来调节。
2.根据权利要求1所述的触觉反馈系统，其中所述触觉效应包括多个离散的幅度点。
3.根据权利要求2所述的触觉反馈系统，其中幅度在一段时间段内保持恒定。
4.根据权利要求2所述的触觉反馈系统，其中幅度在一段时间段内被调制为时间的函数。
5.根据权利要求2所述的触觉反馈系统，其中所述离散的幅度点包括起始点、维持点、制动点和零点。
6.根据权利要求1所述的触觉反馈系统，其中所述触觉效应是预先计算的触觉效应。
7.根据权利要求6所述的触觉反馈系统，其中所述触觉效应是通过使用效应设计工具产生的。
8.根据权利要求1所述的触觉反馈系统，其中所述致动器是线性谐振致动器。
9.根据权利要求1所述的触觉反馈系统，其中所述致动器是压电致动器。
10.根据权利要求1所述的触觉反馈系统，其中所述触觉效应被存储为数字流封装结构。
11.根据权利要求1所述的触觉反馈系统，其中当所述触觉效应的第一优先级高于当前触觉效应的第二优先级时，产生所述触觉效应。
12.一种产生触觉效应的方法，其包括：
取回存储的触觉效应；
基于所述存储的触觉效应产生驱动信号；以及
将所述驱动信号施加于致动器；
其中所存储的触觉效应包括多个数据字节，所述多个数据字节中的第一数据字节规定幅度和对斜变或保持的指示，所述多个数据字节中的第二数据字节规定持续时间，并且如果第一数据字节规定了对斜变的指示，则所存储的触觉效应还包括指示斜率的数据字节；以及
利用第一数据字节中规定的幅度和第二数据字节中规定的持续时间来驱动致动器以产生触觉效应，其中如果所述第一数据字节规定了对斜变的指示，则所述幅度由所述指示斜率的数据字节中指示的斜率来调节。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述触觉效应包括多个离散的幅度点。
14.根据权利要求13所述的方法，其中幅度在一段时间段内保持恒定。
15.根据权利要求13所述的方法，其中将幅度在一段时间段内调制为时间的函数。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述离散的幅度点包括起始点、维持点、制动点和零点。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述触觉效应是预先计算的触觉效应。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述触觉效应是通过使用效应设计工具产生的。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述致动器是线性谐振致动器。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述致动器是压电致动器。
21.根据权利要求12所述的方法，其中将所述触觉效应存储为数字流封装结构。
22.根据权利要求12所述的方法，其中产生触觉效应包括：确定所述触觉效应的第一优先级是否高于当前触觉效应的第二优先级。
23.一种产生触觉效应的设备，包括：
用于取回存储的触觉效应的装置；
用于基于所述存储的触觉效应产生驱动信号的装置；以及
用于将所述驱动信号施加于致动器的装置；
其中所存储的触觉效应包括多个数据字节，所述多个数据字节中的第一数据字节规定幅度和对斜变或保持的指示，所述多个数据字节中的第二数据字节规定持续时间，并且如果第一数据字节规定了对斜变的指示，则所存储的触觉效应还包括指示斜率的数据字节；以及
用于利用第一数据字节中规定的幅度和第二数据字节中规定的持续时间来驱动致动器以产生触觉效应的装置，其中如果所述第一数据字节规定了对斜变的指示，则所述幅度由所述指示斜率的数据字节中指示的斜率来调节。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述触觉效应包括多个离散的幅度点。
25.根据权利要求24所述的设备，其中幅度在一段时间段内保持恒定。
26.根据权利要求24所述的设备，其中幅度在一段时间段内被调制为时间的函数。
27.根据权利要求24所述的设备，其中所述离散的幅度点包括起始点、维持点、制动点和零点。
28.根据权利要求23所述的设备，其中所述触觉效应是预先计算的触觉效应。
29.根据权利要求24所述的设备，其中所述触觉效应是通过使用效应设计工具产生的。
30.根据权利要求23所述的设备，其中当所述触觉效应的第一优先级高于当前触觉效应的第二优先级时，产生所述触觉效应。
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