CN102566813B - 用于生成触觉和声音效果的触觉交互设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于生成触觉和声音效果的触觉交互设备和方法，该交互设备(10)包括触摸感应表面(1)和底盘(4)，能够生成触觉、声音(100，101)以及视觉交互效果。该声音和触觉效果由通用的结构组件(1，2，31，32，4)以及电子装置生成，所述结构组件和电子装置被设置为触摸感应表面(1)和底盘(4)表现得像扬声器。本发明还涉及一种用于生成交互效果的方法。本发明是一种可视化设备(10)，并应用于例如计算机、电视、电话以及触摸感应板。其优选地应用于具有大对角线的屏幕的可视化设备。
Description
技术领域
本发明的领域是触摸感应屏幕，也被称为“触摸屏”。这些屏幕是通过用户的手指或手部或其他激活装置激活的感应表面，时常被用于通过图形接口控制设备或系统。有很多可能的用法。特别要提及的是航空应用，其中飞行员能够因此监视和控制由飞行器的航空电子系统显示的全部功能。
背景技术
这样的接口需要提供用户信息反馈，例如按钮状态的改变，使得操作者能够看到从非激活到激活的转换，并由此确认他或她的交互。
这种可视化模式对于涉及命令的激活或未激活的疑惑不是非常协作且可能发生错误，且不能应用于盲命令的情况，飞行员必须首先或首要通过看向外面来处理他的主要任务。
为此，使用力反馈触觉系统，该系统通过给出关于被激活物体的状态的反馈提高了交互真实感。根据本领域通常可接受的情况，这种反馈本质上是振动的或惯性的，不生成声音或生成小量的声音，是相当不友好的方式。可以增加音频系统，但是其相当难以嵌入和驱动。实际上，用于航空用途的触觉设备被环境约束所限制。进一步地，通常具有几厘米厚度的触摸感应书写板类型的设备使得插入适合飞行器座舱的噪音环境的音频系统的可能性复杂化了。
为解决嵌入补充给触觉设备的音频系统的问题，本领域中已知美国专利申请US2008/0055277和国际申请WO2010065207。这些文档描述的触觉设备包括安装在柔性悬架上的接触感应表面，该悬架给表面提供一定刚度的位移。该设备还包括置于中央或外围的致动器，其设置组件运动来产生触觉效果或声音。触摸感应板和致动器由此能够通过触摸感应板的振动形成声音组件。
进一步地，这些触觉设备采用基于微处理器的触觉控制器，其与效果库相连，如上述专利所述，且该控制器由专用软件控制器或“驱动程序”执行。进一步地，采用触觉效果的应用程序需要被设计成与该驱动程序兼容。
总结现有的触觉设备的缺点，所有已知的触觉系统在再现触觉效果方面都不是非常可靠的，尤其是在大屏幕(例如对角线长超过10英寸)上，产生的显著的惯性力易于使得相邻的物体(仪表板，桌子，支撑物等)谐振。
进一步地，触觉设备发出源于它们的多种组件的谐振的声音，偶尔会生成令人讨厌的噪音。
进一步地，触觉效果生成电子设备必须连同软件驱动程序和专用应用程序增加到触摸感应屏幕上。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种交互设备，包括触觉功能和声音功能，以提高所述设备的交互性。
本发明的第二目的是提出一种适合强约束环境的音频触觉设备，例如，飞行器座舱。为此，该触觉设备必须充分紧凑和可靠，以被飞行器飞行员在飞行任务中操作。
尤其是，本发明涉及一种交互设备，包括结构组件以及用于控制至少一个交互效果的控制组件，该结构组件包括形成腔的底盘，由触摸感应表面形成的平面件以及至少一个致动器(actuator)，以及该控制组件包括用于生成触摸控制信号以响应所述触摸感应表面的动作的装置和用于驱动该致动器使平面件相对于底盘的腔移动的装置。该结构组件被布置为使得该平面件被该致动器悬挂地支持以覆盖该腔，该控制组件还包括计算装置，其由触摸控制信号控制，可以生成第一音频信号，其包括表示声音交互效果的频率分量，以控制用于驱动致动器的装置，以及该结构组件和控制组件被布置为使得该触摸感应表面的动作控制平面件相对于底盘的腔的移动，以生成该声音交互效果。
有利地，该计算装置能够生成第二音频信号，包括表示触觉交互效果的第一频率分量和表示声音交互效果的第二频率分量，从而该触摸感应表面的动作控制平面件相对于底盘的腔的移动，以同时生成所述声音效果和所述触觉效果。
根据一个变形，它还包括与驱动装置相连的第二致动器，该计算装置能够生成包括表示声音交互效果的频率分量的第三音频信号，以控制该第二致动器的驱动装置。
有利地，该计算装置能够生成包括表示触觉交互效果的第一频率分量以及表示声音交互效果的第二频率分量的第四音频信号，从而该触摸感应表面的动作通过第二致动器控制平面件相对于底盘的腔的移动，以同时生成所述声音效果和所述触觉效果。
根据一个变形，该平面件还包括固定到所述触摸感应表面的外围的框架，该框架具有被限定为在该底盘的外围和该平面件的外围之间形成通气口的形状，通气口的截面的尺寸为当该平面件相对于腔移动时，具有谐振频率的后方波(rearwave)的相位被翻转并被加到前方波(frontwave)上。
根据一个变形，该框架的外部边缘是弯曲的，垂直于固定在触摸感应表面的框架的内部边缘，因此，覆盖了该底盘的外围，该底盘的外围和该外部边缘之间的空间形成了该通气口。
优选地，该致动器被配置为使平面件垂直于该触摸感应表面的平面移动。
本发明还涉及一种用于如权利要求1所述的交互设备的生成至少一个交互效果的方法。所述方法包括以下连续的步骤：
第一步骤，生成响应所述触摸感应表面的动作的触摸控制信号，
第二步骤，生成音频信号，该音频信号包括表示声音交互效果的频率分量，
第三步骤，根据该音频信号控制致动器，从而该触摸感应表面的动作控制平面件相对于底盘的腔的移动，以生成该声音交互效果。
根据一个变形，在该第二步骤中，包括表示触觉交互效果的频率分量的信号与音频信号结合，以及，在该第三步骤中，该致动器根据该音频信号被控制，从而该触摸感应表面的动作控制平面件相对于底盘的腔的移动，以同时生成所述声音效果和所述触觉效果。
优选地，该交互设备还包括显示装置，以及该方法包括在该显示装置上生成可视化交互效果的步骤。
本发明的第一个优点在是具有声音交互效果功能而不用特别增加用于生成声音的装置。实际上，该交互设备的结构表现为如一个扬声器，触摸感应表面在该交互设备的底盘形成的腔上的移动使其能够生成声波。优选地，该底盘和该触摸感应表面有至少10英寸的对角线，且围绕着该触摸感应表面的该框架的安装被配置为呈现有利于声波的生成的硬度(stiffness)。
第二个优点来源于响应该触摸控制命令的音频信号的创建以及通过这个同样的音频信号直接驱动致动器，从而不需要结合触觉效果控制电子设备。不像已知的系统，触觉效果不是通过控制链传递的，例如专利US2008/0055277中通过实施例的方式描述的系统。根据本发明，这种复杂的控制设备不再有用，因此，不再需要特殊的到触觉设备的连接，或者执行它的软件驱动程序。
根据本发明，该触摸感应表面作为一层膜使用，设置在支撑所述表面的刚性框架上的致动器作为声音和触觉传感器使用。因此，这样的设备不需要悬架，因为这一功能由致动器本身提供了，该致动器具有与声波再生兼容的硬度，带宽范围从0Hz(准静态)到超过20KHz。
附图说明
通过阅读以下作为非限制性的实施例给出的说明以及参考附图，本发明将被更好的理解且其他的优点将变得显而易见，图中：
图1示出了根据本发明的交互设备的结构组件的图。
图2示出了描述驱动致动器的音频信号的分量的曲线图。
图3示出了根据本发明的控制交互设备的交互效果的控制组件的图。
具体实施方式
本发明涉及一种交互设备10，包括用于显示视觉界面的可视化屏幕，其必须由操作者操作。根据图1，该交互设备包括形成结构以及包括底盘4的第一组件，一个或者优先地多个致动器31和32，以及包括触摸感应表面1的平面件。
底盘4用来容纳用于产生交互设备的交互功能的电子装置。这些装置包括可视化屏幕(图1中未示出)的显示电子装置，用于以位置和力测量触摸感应表面1上的触摸的电子装置，以及用于致动器31和32的控制电子装置。该底盘4是腔的形式的容器，在其中，所有这些电子装置合成在一起。底盘4优选地由例如刚性塑料或者金属材料制成。本领域技术人员可以改用适合的材料来形成刚性容器来保护和固定该电子装置。对于航空应用，底盘4可以固定在飞行器座舱中或者是可移动的用于触摸感应写字板类型应用。在说明书的剩余部分中，认为底盘4是相对于交互设备的其他部件的参考底座，且因此认为其在空间上是不动的。
用于可视化设备10中的屏幕的类型不是本发明的限制性的特征。优选地，采用平的屏幕技术以提供深度很小的可视化设备。值得引用的是例如LCD屏幕，等离子屏幕，带有LED(发光二级管)照明或OLED(有机发光二级管)照明的设备，或者任何其他用于显示图像的设备。该屏幕可以直接固定到触摸感应表面的面上，或者被设置在可视化设备的内部，在触摸感应表面1和可视化设备的底盘4之间。
致动器31和32一方面固定在底盘4上，另一方面固定在包括触摸感应表面1的平面件上。致动器通过任何紧固装置固定，例如胶、树脂、机械装置等。本领域技术人员可以根据交互设备的特别配置来调节紧固装置。致动器是机电系统，其使得电能转换成机械能，机械能通常是机械部件运动的形式。致动器31和32沿垂直于触摸感应表面1的平面的方向执行平面件移动的功能。这种沿垂直于该触摸感应表面的平面的方向的移动能够通过触摸感应表面和底盘4的腔周围的空气分子的移动来生成声波100。声波产生于平面件的前表面(底盘4的外部)水平处和底盘内部的平面件的后表面水平处。致动器31和32的驱动还可以被配置为仿真信息反馈，例如，按钮状态的改变，因此，操作者可以通过触摸触摸感应表面1来感应从非激活到激活的转换，由此证明他或她的交互。下面我们将描述一种配置，通过该配置控制组件生成信息反馈触觉效果。
存在于市场上的多种类型的致动器可以作为非限制性的例子被引用：
-偏心旋转质量(ERM)：这是一种生成径向惯性力的偏心质量。
-地震谐振质量(LRM)：由弹簧悬挂的质量被设置为通过电磁或静电设备谐振。
-电磁：该致动器包括可被线圈内的芯的移动变形的框架。
-压电双晶片：使用两种类型的致动器：振动光束(压电光束)和吸塑盘(blisterdisk)(压电盘)。这些致动器使用由覆盖在致动器的一个或两个面上的压电陶瓷引起的剪切力。这种设备的例子在专利US2008122315A1中给出。
-静电：通过电容效果，两个覆盖在屏幕上的平行的层相互吸引或排斥以激发交互对象。
-具有形状记忆：一些材料当其受到一定温度时返回到一种特定形状。
根据需要可以有一个或多个致动器。优选地，四个致动器被定位于底盘中。
触摸感应表面1安装在前表面上，前表面被定义为呈现给观察者的面以及呈现图像的面。对于屏幕来说，采用的触摸感应表面技术不限制本发明的范围。触摸感应表面1可以是触摸感应层，该层是电容性的，电阻性的或者任何其他技术的，使得其可以检测指向触摸感应表面的区域的致动器的存在。触摸感应表面1设置于致动器和屏幕之间以检测由致动器所指向的区域。术语“致动器”应被理解为表示用于指向屏幕的区域的任何物体，也就是说，例如操作者的手指或铁笔。
触摸感应表面1通过致动器被固定悬挂在底盘4的上方。触摸感应表面1的平面覆盖底盘4的腔。该致动器可以被直接固定在触摸感应表面或优选地固定于刚性框架2，刚性框架2固定于触摸感应表面的外围。在后者的情况下，触摸感应表面1和框架2一起形成了平面件。该框架被配置为加强该平面件。将触摸感应表面用作薄膜，以及该致动器安装在支撑所述表面的刚性框架上且被用作音频和触觉传感器。因此这样的设备不需要悬挂，因为这个功能已经由致动器31，32它们自身提供了，该致动器具有与声波再生兼容的硬度(stiffnesscompatiblewiththereproductionofthesoundwaves)，带宽范围从0Hz(准静态)到超过20KHz。
市场上的触摸感应表面1通常是适合可视化屏幕的矩形。然而，任何触摸感应表面的形状都是可能的。
根据如图1所示的优化的变形，框架2具有被限定为形成在底盘4的外围和平面件的外围之间的通气口5的形状，通气口5的截面的尺寸使得当平面件1，2相对于腔移动时，具有谐振频率的后方波101的相位被翻转并被加到前方波100上。这样的配置使得可以获得增强的音频系统，通常被称为“低音反射(bassreflex)”系统。这个通气口的功能是引起谐振的声波的相位旋转以获得前方波和后方波的有利组合。
根据框架2的一个变形设计，框架2的外部边缘22被弯曲为垂直于框架2的内部边缘21，其固定在触摸感应表面1且延伸在触摸感应表面1的平面的扩展部分中，因此覆盖了底盘4的外围，底盘的外围和外部边缘22之间的空间5形成了通气口。对于大尺寸的可视化设备，也就是说，对角大于10英寸的可视化设备，通气口可以有利地由底盘4的外围的体积形成。围绕着底盘的通气口5的体积的特征在于，其尺寸对于作为“低音反射”系统的交互设备来说足够大。这个通气口可以由任何形状的框架2获得，只要框架2被配置为同轴覆盖底盘4的外围的一些或全部。具有在底盘的腔的内部延伸的边缘22的框架是图1的配置的一个可能的变形。
交互设备包括用于控制致动器31和32以及触摸功能的电子装置。计算机50提供一个或多个音频信号，根据图3的两个信号53和54，响应触摸控制信号52。该触摸控制信号52由计算机51通过计算在触摸感应表面1上测量的位置和/或力来生成。依据控制信号51的位置和力的数据，计算机50在输出端上生成一个或多个音频信号53和54。这些音频信号提供给致动器31和32的驱动装置61和62。驱动装置61是修改音频信号53的放大器，以便通过音频控制信号64来控制致动器31，致动器位于触摸感应表面1的两个角上。驱动装置62是修改音频信号54的放大器，以便通过音频控制信号63来控制致动器32，致动器位于触摸感应表面1的两个角上。
计算机50生成声音强度或音色可以被调节的音频信号，该调节例如依据手指移动的速度、提供的压力、或者一个或多个手指被用于与触摸感应表面交互的事实。
控制组件的电子装置能够执行用于生成一个或多个交互效果的方法。依据仅生成一种声音效果的方法的第一个变形，几个连续步骤被执行。该方法包括以下步骤：
第一步骤，生成响应所述触摸感应表面的动作的触摸控制信号，
第二步骤，生成音频信号，该音频信号包括表示声音交互效果的频率分量，
第三步骤，根据音频信号控制致动器，从而该触摸感应表面的动作控制平面件相对于底盘的腔的移动，以生成该声音交互效果。
根据该方法的另一个变形，可以生成声音效果和触觉效果。根据该方法，在第二步骤中，如图3所示的音频信号与包括表示触觉交互效果201的频率分量的信号结合，以及，在第三步骤中，该致动器根据该音频信号被控制，从而该触摸感应表面的动作控制平面件相对于底盘的腔的移动，以同时生成所述声音效果和所述触觉效果。根据这个变形，该信号包括触觉频率分量201以及音频频率分量200。
根据该方法的另一个变形，可以仅生成触觉效果。在这种情况下，在第二步骤中，计算机50生成音频信号，该音频信号包括表示触觉效果的频率分量以及表示人耳觉察不到的声音效果的频率分量。
由于计算机50生成音频信号53或54，该信号直接提供给致动器31或32的驱动装置61或62，可以调整触觉效果的贡献，而不需要使用特定的用于触觉效果的电子装置，电子装置通常是复杂且昂贵的。因此，优点是减少用于驱动致动器的电子装置，能够获得更紧凑和可靠的交互设备，该设备产生音频和声音效果以响应触觉感应板的动作。通过本发明，除了触觉效果以外还有声音源，无需使用如背景技术引用的技术方案中的音频和触觉特定硬件电子装置。为此，通过例如虚拟调音台(软件)就足以配置处理器50。采用音频信号调音台，可以通过软件接口调整主音量，声音，外部音频设备。优点是不需要特定的应用程序以从触觉功能中获益；软件操作系统中的普通格式的数字音频文件可以被使用。激活触觉效果的方式之一包括在声音文件中包含触觉效果的频谱。操作系统中的大量应用程序事实上可以将声音关联动作，例如，每次一个键被按下时虚拟键盘发出一声嘟。因此，根据本发明，足以用另一个数字音频文件替代对应于嘟的数字音频文件以获得触觉键盘。
进一步地，如图3所示，为了能够获得空间化效果以及在交互的位置定位声音，可以使用左致动器和右致动器在表面上产生一个本地化的声音，并且通过使用两个声音输出这样做，该输出可以是音频计算机的左频道和右频道。计算机50可以是执行特定功能的单独的处理器或者几个处理器。例如，计算机50可以是考虑到空间化的专门用于具有两个音频频道的音频的电子模块。根据这个配置，音频电子模块的输出被直接连接到致动器的驱动装置。这种空间化的配置能够通过合并声音源和交互位置增强音频的真实性。
现有的触觉系统的一个缺点是表面的强移动导致与触摸感应表面的谐振相关的令人讨厌的声音。根据本发明的一个增强的变形，根据叠加的触觉交互效果，生成的音频频谱振幅上被校正为板的谐振频率，免得扰乱触觉交互效果。根据本发明，还可以记录不想要的由触觉效果产生的噪音，然后将其加到频谱上，同时翻转它的相位，以便取消该噪音并仅保留触觉效果。
进一步地，音频信号的使用引起声音效果和触觉效果能够获得触觉效果和声音效果的完美同步。进一步地，由于减少了用于触觉效果的致动器的驱动电子装置，触觉效果几乎与来自触摸感应表面1的触摸控制命令是即时的。实际上，不再需要通过专用的触觉控制电路来驱动致动器。
本发明应用于可视化设备，该设备具有触觉感应表面并生成触觉和声音效果。本发明涉及任何类型的可视化器械(电视，显示终端，触摸板，台式计算机，笔记本电脑，电话等)。在其优选的实施例中，本发明涉及一种作为插入到座舱的随舱携带的屏幕或者可移动且便携的写字板使用的用于飞行器座舱的生成触觉和声音效果的显示设备。
Claims (10)
1.一种交互设备(10)，包括结构组件(1，2，31，4)以及用于控制至少一个交互效果的控制组件(50，51，61)，所述结构组件包括形成腔的底盘(4)、由触摸感应表面(1)形成的平面件以及至少一个致动器(31)，以及所述控制组件包括用于生成触摸控制信号(52)以响应所述触摸感应表面(1)的动作的装置(51)和用于驱动该致动器以使该平面件相对于底盘(4)的腔移动的装置(61)，其中：
—所述结构组件被布置为使得该平面件被该致动器(31)悬挂地支持以覆盖该腔，
—所述控制组件还包括计算装置(50)，所述计算装置由触摸控制信号(52)控制，能够生成第一音频信号(53)，所述第一音频信号包括表示声音交互效果的频率分量(200)，以控制用于驱动该致动器的装置(61，62)，
—以及所述结构组件和控制组件被布置为使得该触摸感应表面(1)的动作控制平面件(1)相对于底盘(4)的腔的移动，以生成该声音交互效果。
2.如权利要求1所述的交互设备，其中该计算装置(50)能够生成第二音频信号，所述第二音频信号包括表示触觉交互效果的第一频率分量(201)和表示声音交互效果的第二频率分量(200)，从而该触摸感应表面(1)的动作控制平面件(1)相对于底盘(4)的腔的移动，以同时生成所述声音交互效果和所述触觉交互效果。
3.如前述权利要求中任一项所述的交互设备，还包括与驱动装置(62)相连的第二致动器(32)，该计算装置(50)能够生成包括表示声音交互效果的频率分量的第三音频信号(54)，以控制该第二致动器(32)的驱动装置(62)。
4.如权利要求3所述的交互设备，其中该计算装置(50)能够生成包括表示触觉交互效果的第一频率分量以及表示声音交互效果的第二频率分量的第四音频信号，以使该触摸感应表面(1)的动作通过第二致动器(32)控制平面件(1)相对于该底盘的腔的移动，以同时生成所述声音交互效果和所述触觉交互效果。
5.如权利要求1所述的交互设备，其中该平面件(1)还包括固定到所述触摸感应表面(1)的外围的框架(2)，该框架具有被限定为在该底盘(4)的外围和该平面件(1，2)的外围之间形成通气口(5)的形状，通气口(5)的截面的尺寸使得当该平面件(1，2)相对于腔移动时，具有谐振频率的后方波(101)的相位被翻转并被加到前方波(100)上。
6.如权利要求5所述的交互设备，其中该框架(2)的外部边缘(22)是弯曲的，垂直于固定在触摸感应表面(1)的框架的内部边缘(21)，以便覆盖该底盘(4)的外围，该底盘(4)的外围和该外部边缘(22)之间的空间形成该通气口(5)。
7.如权利要求3所述的交互设备，其中所述致动器被配置为垂直于该触摸感应表面(1)的平面来移动该平面件。
8.一种用于如权利要求1所述的交互设备的生成至少一种交互效果的方法，包括以下连续的步骤：
—第一步骤，生成响应所述触摸感应表面的动作的触摸控制信号，
—第二步骤，生成音频信号，该音频信号包括表示声音交互效果的频率分量，
—第三步骤，根据该音频信号控制致动器，以使该触摸感应表面的动作控制平面件相对于底盘的腔的移动，以生成该声音交互效果。
9.如权利要求8所述的生成至少一种交互效果方法，其中，在该第二步骤中，包括表示触觉交互效果的频率分量的信号与音频信号结合，以及，在该第三步骤中，该致动器根据该音频信号被控制，以使该触摸感应表面的动作控制平面件相对于底盘的腔的移动，以同时生成所述声音交互效果和所述触觉交互效果。
10.如权利要求8或9所述的生成至少一种交互效果方法，该交互设备还包括显示装置，其中该方法还包括在该显示装置上生成视觉交互效果的步骤。
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