CN101765825B - 用于触觉感测的压力传感器阵列装置和方法 - Google Patents

用于触觉感测的压力传感器阵列装置和方法 Download PDF

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Abstract

提供一种用于触觉感测的输入装置和方法。该输入装置包括：传感器阵列，用于根据触摸输入来输出阵列形式的输入数据；和控制器，用于：如果在传感器阵列上施加在第一预定压力之上的第一输入，则从传感器阵列获得关于第一输入的第一输入数据；如果在传感器阵列上施加在第二预定压力之上的第二输入，则从传感器阵列获得关于第二输入的第二输入数据；通过比较第一输入数据和第二输入数据产生指示输入特征的第三输入数据；以及根据基于该第三输入数据的程序来操作。

Description

用于触觉感测的压力传感器阵列装置和方法
技术领域
本发明涉及用于支持触觉设备的技术，且更具体地，涉及一种可用在紧凑设备中的具有多个输入级别的压力传感器阵列装置。
背景技术
在当前使用的移动终端中，键盘用作主要的输入设备。通常，键盘由二维阵列形式的机械开关构成。键盘具有显著的低空间解析度。在键盘中仅二维位置能够用作输入值。
机械开关的使用仅允许在预定区域上的接通/关断输入，且用户可能感到使用他或她的手指按压开关非常不舒适。传统键盘的使用由于它接收预定按键区域的输入而受到限制。此外，传统键盘无法用于其他用途。
传统键盘能够仅根据预定按键来接收输入。因此，不可能重新配置按键以用于其他用途。此外，按键有着受限的尺寸。
可以使用四方向按键(即，左、右、上和下)从而通过使用传统键盘用户能够接收作为输入的灵活移动。然而，该方向按键仍然不能充分地提供灵活移动。
下面所述的触摸板是输入设备的另一示例。为了感测触摸板上的移动，需要用户移动输入位置。也即，用户必须移动特定的输入位置以提取运动矢量，其产生空间移动。
由于传统触摸板以接通/关断方式传递输入，所以不能将用户施加的压力(例如，力量的程度、级别、触觉等)区分成不同的级别。
如果在不考虑上述压力的情况下使用触摸板，则因为不能控制触摸板的灵敏度，所以在操作中输入可能是显著的灵敏或不灵敏。此外，当用户错误地按压相邻按键时，则可能导致异常操作。
下述触摸屏是输入设备的另一示例。触摸屏可以以各种方式来实现且主要用于识别屏幕的被触摸位置。难于将触摸屏用于其他用途。
传统触摸屏被假定为屏幕(即面板)。针对触摸屏幕的目的而设计触摸屏，以及可选地，该触摸屏能够执行多触摸功能、拖曳功能等。
然而，关于对不同级别的压力的灵敏度，触摸屏具有和触摸板相同的缺点。此外，触摸屏受限于耐用性，因此难于被用作用于识别多种压力的鼠标或输入设备。
因此，上述示范输入设备无法区分用户施加的压力且对不同压力级别的施加不灵敏。
发明内容
技术问题
因此，本发明的一个方面是提供用于触觉感测的压力传感器阵列装置和方法。
本发明的另一方面是提供一种能够通过分析触觉输入阵列改变数据的输入装置和方法。
本发明的另一方面是提供一种输入装置和方法，其中能够在移动终端和紧凑的游戏终端的较小区域中获得运动感测、移动和触摸的连续操作、和压力信息。
本发明的另一方面是提供一种具有高分辨率和紧凑尺寸的、用于接收和分析在一个区域中的输入的装置及其方法。
本发明的另一方面是提供一种装置和方法，其能够将诸如鼠标、键盘、按键输入、操作杆等的多种功能集成到一个输入设备中。
本发明的另一方面是提供一种装置和方法，其能够通过使用例如输入压力的分布、压力的区域、重心、加速度、中心点的移动、三维计算等来响应连续操作的输入和压力。
本发明的另一方面是提供一种装置和方法，其能够通过分析力量的程度、重复、力量、压力变化、触摸时间等来表示根据人类触摸的人的敏感度。
依据本发明的一方面，提供一种用于触觉感测的输入装置。该装置包括：传感器阵列，用于根据触摸输入输出阵列形式的输入数据；和控制器，用于：如果在传感器阵列上施加在预定压力之上的第一输入，则从传感器阵列获得关于第一输入的第一输入数据；如果在传感器阵列上施加在预定压力之上的第二输入，则从传感器阵列获得关于第二输入的第二输入数据；通过比较第一输入数据和第二输入数据产生指示输入特征的第三输入数据，以及根据基于该第三输入数据的程序来操作。
依据本发明的另一方面，提供一种用于触觉感测的输入方法。该方法包括：如果在输出阵列形式的输入数据的传感器阵列上施加在预定压力之上的第一输入，则获得关于第一输入的第一输入数据；如果在传感器阵列上施加在预定压力之上的第二输入，则获得关于第二输入的第二输入数据；通过比较第一输入数据和第二输入数据产生指示输入特征的第三输入数据，以及根据基于该第三输入数据的程序来操作。
附图说明
从下面结合附图的描述，本发明某些示范实施例的上述和其它方面、特征和优点将更加明了，其中：
图1是根据本发明的示范实施例的输入设备的框图；
图2说明根据本发明的示范实施例的使用传感器阵列的输入过程；
图3说明根据本发明的示范实施例的传感器阵列的内部结构；
图4说明根据本发明的示范实施例的用于驱动传感器阵列及其周围元件的驱动电路；
图5是说明根据本发明的第一示范实施例的输入过程的流程图；
图6说明根据本发明的示范实施例的施加到键盘的输入的示例；
图7是说明根据本发明的第二示范实施例的输入过程的流程图；
图8说明根据本发明的示范实施例的施加到触摸板、鼠标和操纵杆的输入的示例；
图9说明根据本发明的示范实施例的施加到侧部按键的输入；
图10说明根据本发明的示范实施例的施加到导航键的输入；
图11说明根据本发明的示范实施例的施加到游戏的输入；
图12说明根据本发明的示范实施例的施加到乐器的输入；和
图13说明根据本发明的示范实施例的用作用于地图搜索的鼠标功能的输入。
具体实施方式
下面将参照附图说明本发明的实施例。在以下说明中，不详细描述公知的功能或构造，这是因为它们会以不必要的细节上模糊本发明。
描述用于触觉感测的压力传感器阵列装置和方法。
本发明使用能够测量位置信息的多个触觉输入阵列，所述位置信息指示用户按压的点和当用户按压该点时施加的力量的程度。
所述触觉输入阵列能够连续接收关于在用户按压该阵列期间通过该阵列的多个位置和压力的信息。由于该触觉输入阵列必须感测手指的灵敏移动，所以它必须被设计成低于手指的最小分辨率，在本发明的一个方面，其低于1毫米(mm)。
在所述触觉输入阵列中，通过使用输入的位置、压力和移动的分析结果来识别用户的意图。根据分析方法，各种应用是可能的。
也即，能够利用使用触觉输入阵列的用户接口而通过将关于多个触觉输入(即，位置信息)的信息和用户输入的压力相结合来实现键盘、多按键板、鼠标、操作杆等的功能。
各信号经过触觉输入阵列被输入，并且通过使用根据各种目的的分析方法来分析以便识别用户的意图。所述分析方法包括寻找重心点、移动中心点、检测压力门限、计算压力发布、分析输入曲线(profile)等。
图1是根据本发明的示范实施例的输入设备的框图。
参考图1，输入设备包括第一接口110、包括软件部分121和存储部分123的存储单元120、控制器125、第二接口130、驱动电路135和传感器阵列140。
传感器阵列140是压力传感器阵列。通过使用手指或触针将位置数据和压力数据输入到传感器阵列140。
驱动电路135分析传感器阵列140的输出值并且因此检测输入到传感器阵列140的位置和压力。
第二接口130将驱动电路135和控制器125连接。
控制器125分析从驱动电路135输出的位置和压力，因此根据软件部分121和存储在存储器部分123中的算法(或数据)执行操作。下面将详细描述控制器125的功能。
第一接口110用来发送存储部分123的处理结果且包括有线和无线接口二者。
图2说明根据本发明的示范实施例的使用传感器阵列的输入过程。
参考图2，本发明的传感器阵列210是具有1mm的分辨率和使用手指230的最小分辨率的输入设备。
传感器阵列210能够感测手指230在交叉点220处施加的压力并且具有足够的能力从而能够将用户施加的一般力量区分为几个级别。通常，传感器210能够感测在100g到10kg范围内的压力。
图3说明根据本发明的示范实施例的传感器阵列的内部结构。
参考图3，可以使用各种元件来实现传感器阵列。在图3中使用电容器来实现该传感器阵列。
除了电容器，可以使用电阻器来实现该传感器阵列。可以在实施中使用表面声波。
传感器阵列能够感测如手指施加的压力，并且具有足够的能力从而能够将用户施加的一般力量区分为几个级别。通常，传感器阵列能够感测在100g到10kg范围内的压力。
图4说明根据本发明的示范实施例的用于驱动传感器阵列及其周围元件的驱动电路。
图4的驱动电路和图1的驱动电路135相同。可以通过图1的控制器125执行数字信号处理器480的功能。
假定传感器阵列430使用电容器作为内部元件。
驱动电路包括行分析器410、解复用器(或demux)420、复用器(或mux)425、列分析器415、分辨率控制器440、滤波器450、放大器460和模数转换器(ADC)470。
行分析器410确定关于传感器阵列430上存在的全部行输入元件的信号顺序。
解复用器420根据行分析器410确定的顺序对传感器阵列430提供特定级别的电压。
列分析器415确定关于提取将输出到传感器阵列430的列数据的顺序。
复用器425根据列分析器415确定的顺序提取数据并且输出该提取的数据到滤波器450。
滤波器450从接收的信号中移除噪声分量并且然后输出移除了噪声的信号到放大器460。
放大器460放大该移除了噪声的信号并且然后向ADC470输出经放大的信号。
ADC470将该经放大的信号转换为数字信号并且然后将经转换的信号输出到数字信号处理器480。
数字信号处理器480处理经转换的数字信号并且确定输入方向、压力、位置等。将在下面描述数字信号处理器480的操作。
分辨率控制器440调整传感器阵列430的输入分辨率。通常，已知人类手指具有0.7到1mm范围的分辨率。当在大于10mm的区域中使用时，产生较大数量的接触点，因此需要更多的操作以处理该接触点。因此，利用一应用程序来将分辨率降低1/4宽度和1/2长度。通常，根据奇偶排列来划分宽度和长度以确定接通/关断。
图5是说明根据本发明的第一示范实施例的输入过程的流程图。
参考图5，确定传感器阵列的分辨率(步骤550)。
如果根据用户的输入驱动传感器阵列上的感测点(步骤555)，即，如果用户按压该传感器阵列，则确定用户施加的压力是否在特定级别(即压力门限)之上(步骤560)。根据诸如应用程序驱动情形的标准可以改变用于操作的最小输入值。
如果压力在压力门限之上，则根据输入的坐标和压力差分析该输入(步骤565)。将压力值3维累加。
例如，可以通过Xs＝∑z*X/∑z获得行坐标(即，Xs坐标)以及可以通过Ys＝∑z*Y/∑z获得列坐标(即，Ys坐标)。此外，压力和∑z可以根据级别N来分类以获得压力强度(即，级别N≥∑z≥级别N-1)。
为了最小化输入误差，可以使用诸如“移动平均”的方法，在该方法中，测量位置几次并且测量的位置除以测量的次数。
此外，能够区分依靠于压力差的输入。在这种情况下，能够根据压力的总和或被按压区域的变化(或两种的结合)识别用户的意图。
由于根据本发明的方法能够区分在相同位置的压力强度，所以能够接收另一输入而不必移动手指。
之后，根据输入分析结果执行预定的功能(步骤570)，图5的过程结束。
图6说明根据本发明的示范实施例的施加到键盘的输入的示例。
参考图6，键盘包括传感器阵列。在该示例中，根据施加到特定区域的输入的压力强度输入单独的字符。
也即，根据基于输入的压力强度能够选择性地输入韩语辅音(即，和)之一。
图7是说明根据本发明的第二示范实施例的输入过程的流程图。
参考图7，确定传感器阵列的分辨率(步骤650)。
如果根据用户的输入驱动传感器阵列上的感测点(步骤655)，即，如果用户按压该传感器阵列，则确定用户施加的压力是否在特定级别(即压力门限)之上(步骤660)。根据诸如应用程序驱动情形的标准可以改变用于操作的最小输入值(压力门限)。
如果压力在压力门限之上，则根据坐标和相对于输入的压力门限的压力差分析该输入(步骤665)。将压力值3维累加。
例如，可以通过Xs＝∑z*X/∑z获得行坐标(即，Xs坐标)以及可以通过Ys＝∑z*Y/∑z获得列坐标(即，Ys坐标)。
之后，将当前数据和先前数据比较，三维地分析压力，分析基于在当前压力和先前压力之间的压力差的输入(步骤670)。数据可以表示为面积、速度、加速度、位置、方向等。能够使用各种算法来预测仅移动指尖的用户输入的移动方向。
例如，能够按以下方式获得移动的角度：即预测X和Y的变化(即，dX＝Xs(N)-Xs(N-1)，dY＝Ys(N)-Ys(N-1))以计算在两个坐标之间的“反正切”，也即，矢量Vector(θ)＝Arctant(dY/dX)。这是用指示用户移动的角度所表示的。
此外，能够通过简单地计算重心的移动点来获得移动。在这种情况下，计算压力很重要。此外，也必须考虑压力差(即，dZ＝ZYs(N)-Zs(N-1))、压力和(即，∑z)、压力级别(即，级别N≥∑z≥级别N-1)的区别。
通常，因为当用更大力量按压时和手指接触的面积增大，所以也需要考虑其压力值被改变的面积的和(即，∑x*(Z＞最小压力)+∑Y*(Z＞最小压力))。
如上所述，根据手指的移动连续地获得压力分布。通过使用该分布以及几个算法，能够识别用户的较小移动的意图。因此，在该输入设备用作鼠标、操作杆或触摸板的同时能够实现按键输入。
之后，根据输入分析结果执行预定的功能(步骤675)，且图7的过程结束。
图8说明根据本发明的示范实施例的施加到触摸板、鼠标和操纵杆的输入的示例。
参考图8，输入单元包括传感器阵列。输入单元感测和分析用户输入的位置、移动和压力，并且根据基于分析结果设计的算法操作。
图9说明根据本发明的示范实施例的施加到侧部按键的输入。
参考图9，侧部按键包括传感器阵列。在图中示出了取决于压力的音量改变。例如，音量可以和压力成比例地增加。
图10说明根据本发明的示范实施例的施加到导航键的输入。
参考图10，移动终端装备了导航键。如果导航键由传感器阵列构成，则当施加输入时能够通过计算光标点识别当前位置。能够通过获得矢量方向得知移动的方向。
图11说明根据本发明的示范实施例的施加到游戏的输入。
参考图11，在射击游戏中能够使用压力强度来区分导弹和炸弹。此外，可以控制用户人物的移动。也即，能够根据压力强度执行不同的操作。图12说明根据本发明的示范实施例的施加到音乐播放器的输入。
参考图12，在传感器阵列中定义输入区域从而根据该区域能够演奏不同的乐器。根据施加的压力能够区分力量的程度。能够通过区分触摸的强/弱、时间、位置、重复等来传递人的敏感度。
也即，根据其中施加压力的区域能够选择性地播放基音、踩钹(hi-hat)声音和手鼓(tom-tom)声音。
图13说明根据本发明的示范实施例的用作关于地图搜索的鼠标功能的输入。
参考图13，通过使用前述的鼠标功能，在搜索地图时，能够通过在期望位置处增加压力来执行放大功能。能够通过减小压力执行缩小功能。
为了恢复鼠标模式，手指脱离接触并且设置预定的压力值。当使用紧凑设备时该方法增加了便利。
由于能够根据用户的触摸感测压力，所以本发明具有这样的优点：能够根据压力强度获得不同的输入。
根据本发明，除了能够通过移动终端和紧凑游戏终端中的传统键盘、触摸板、鼠标等获得有限的输入之外，还能够在较小的区域中获得运动感测、移动和触摸的连续操作和压力信息。因此，可以实现诸如触摸板、键盘、鼠标、操作杆等的更加改进的输入设备。
根据本发明的上述方法能够以硬件来实现或被实现为能够存储在记录介质中或通过网络下载的软件或计算机代码，所述记录介质诸如CDROM、RAM、软盘、硬盘或磁光盘，从而这里所述的方法能够以使用通用计算机、或专用处理器的软件或者以可编程或专用的硬件(诸如ASIC或FPGA)来实施。本领域的将会理解，计算机、处理器或者可编程的硬件包括存储部件，如RAM、ROM、闪存等，其可以存储或接收在它们由计算机、处理器或者硬件访问和执行时实现这里所述的处理方法的软件或计算机代码。
尽管参考本发明的具体示范实施例已经示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解：在不背离由所附权利要求书和它们的等价物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这里进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的范围不是由对本发明的说明来定义而是由所附权利要求书和它们的等价物限定，并且该范围内的所有差异将被推断为包括在本发明中。

Claims (15)

1.一种用于触觉感测的输入装置，该装置包括：
传感器阵列，用于根据触摸输入来输出阵列形式的输入数据；和
控制器，用于：
如果在所述传感器阵列上施加在第一预定压力之上的第一输入，则从所述传感器阵列获得关于所述第一输入的第一输入数据，
如果在所述传感器阵列上施加在第二预定压力之上的第二输入，则从所述传感器阵列获得关于所述第二输入的第二输入数据，
通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生指示输入特征的第三输入数据，以及
基于该第三输入数据根据一程序操作，
其中，该第一输入数据包括施加到该传感器阵列的输入位置和输入压力；
其中，该第二输入数据是施加到该传感器阵列的输入位置和输入压力中的至少一个；
其中，该输入位置是根据在所述传感器阵列上检测到压力处的坐标和所述压力的和、通过下列公式来确定的：Xs＝∑z*X/∑z，Ys＝∑z*Y/∑z，其中Xs和Ys表示输入位置的坐标，X和Y表示检测到压力处的坐标，∑z表示所述压力的和；
其中，该第三输入数据是通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生的输入的位置差和压力差；和
其中，基于该第三输入数据根据一程序操作包括：通过分析第三输入数据指示的输入特征来识别用户的较小移动的意图。
2.如权利要求1所述的装置，还包括：分辨率控制器，用于确定所述传感器阵列的输入分辨率。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述输入压力包括通过根据级别进行分类而确定的压力强度，以及
其中，该第三输入数据是通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生的输入的移动方向、面积、加速度和速度中的至少一个。
4.如权利要求3所述的装置，其中，该控制器根据该第三输入数据执行不同的操作。
5.一种用于通过触觉感测提供输入的方法，该方法包括：
如果第一输入在预定压力之上，则获得关于所述第一输入的第一输入数据；
如果第二输入在第二预定压力之上，则获得关于所述第二输入的第二输入数据；
通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生指示输入特征的第三输入数据，以及
基于该第三输入数据根据一程序来操作，
其中，该第一输入数据包括施加到传感器阵列的输入位置和输入压力；
其中，该第二输入数据是施加到该传感器阵列的输入位置和输入压力中的至少一个；
其中，该输入位置是根据在所述传感器阵列上检测到压力处的坐标和所述压力的和、通过下列公式来确定的：Xs＝∑z*X/∑z，Ys＝∑z*Y/∑z，其中Xs和Ys表示输入位置的坐标，X和Y表示检测到压力处的坐标，∑z表示所述压力的和；
其中，该第三输入数据是通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生的输入的位置差和压力差；和
其中，基于该第三输入数据根据一程序来操作包括：通过分析第三输入数据指示的输入特征来识别用户的较小移动的意图。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：确定传感器阵列的输入分辨率。
7.如权利要求5所述的方法，其中，所述输入压力包括通过根据级别进行分类而确定的压力强度，以及
其中，该第三输入数据是通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生的输入的移动方向、面积、加速度和速度中的至少一个。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：通过根据所述第三输入数据使用所述程序执行不同的操作。
9.一种用于通过触觉感测提供输入的装置，该装置包括：
压力敏感网格；
和存储器通信的处理器，该存储器包括代码，当其被处理器访问时使得该处理器执行步骤：
如果第一输入在第一预定压力之上，则从所述压力敏感网格获得与所述第一输入关联的第一输入数据；
如果第二输入在第二预定压力之上，则从所述压力敏感网格获得与所述第二输入关联的第二输入数据；
通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生指示输入特征的第三输入数据，以及
基于该第三输入数据根据一相关的应用程序来执行操作，
其中，该第一输入数据包括施加到该压力敏感网格的输入位置和输入压力；
其中，该第二输入数据是施加到该压力敏感网格的输入位置和输入压力中的至少一个；
其中，该输入位置是根据在所述压力敏感网格上检测到压力处的坐标和所述压力的和、通过下列公式来确定的：Xs＝∑z*X/∑z，Ys＝∑z*Y/∑z，其中Xs和Ys表示输入位置的坐标，X和Y表示检测到压力处的坐标，∑z表示所述压力的和；
其中，该第三输入数据是通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生的输入的位置差和压力差；和
其中，基于该第三输入数据根据一相关的应用程序来执行操作包括：通过分析第三输入数据指示的输入特征来识别用户的较小移动的意图。
10.如权利要求9所述的装置，还包括：确定所述压力敏感网格的输入分辨率。
11.如权利要求9所述的装置，其中，所述输入压力包括通过根据级别进行分类而确定的压力强度，以及
其中，该第三输入数据是通过比较所述第一输入数据和所述第二输入数据产生的输入的移动方向、面积、加速度和速度中的至少一个。
12.如权利要求11所述的装置，还包括：通过根据所述第三输入数据使用所述相关的应用程序来执行不同的操作。
13.如权利要求9所述的装置，其中，所述第一输入和所述第二输入是相同的值。
14.如权利要求9所述的装置，其中，该第一输入是和已知的持续时间相关联的。
15.如权利要求9所述的装置，其中，该第二输入是和已知的持续时间相关联的。
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