CN102971691A - 包括多个致动器触觉表面用于在所述表面上提供触觉效应的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在触觉表面上提供触觉效应的装置(20)。为了使得能够简单但精确确定位于触觉表面上的对象的位置、取向和/或姿势，所提出的装置包括：触觉表面(22)；多个触觉致动器(24)，其提供在触觉表面中或靠近触觉表面；控制装置(26)，其用于控制所述触觉致动器从而在它们邻近处在触觉表面上提供触觉效应；检测装置(28)，其用于检测每一个致动器或一组致动器的致动器电流和/或致动器电压；以及处理装置(30)，其用于通过单独确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号的特性以及根据所确定的特性产生压力指标，从而处理检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号，所述压力指标指示在相应一个致动器或一组致动器处的压力量。

Description

包括多个致动器触觉表面用于在所述表面上提供触觉效应的装置
技术领域
本发明涉及用于在触觉表面上提供触觉效应的装置。另外，本发明涉及一种用于在触觉表面上提供触觉效应的方法。本发明还涉及一种用于控制所述装置的相应计算机程序。
背景技术
本发明是在触感(tactile)/触觉(haptic)致动表面(例如毯、床垫、练习垫、床单、坐垫等)的范畴中。在此上下文中，术语"触觉表面"应理解为这样的表面，其具有集成的触感/触觉致动器从而传递触觉(触感)刺激到与该表面接触的对象或用户。在下文中称为"触觉表面"的这种表面可以用于不同应用，诸如增强具有触觉/触感效应的电影体验，用于引导呼吸练习的触觉效应，用于放松/按摩体验的触觉效应以及经由触摸的感觉通道用户反馈/提供信息到用户，例如提供与正在进行的练习有关的触觉反馈的运动垫。应指出，本发明不仅仅与针对人或用户的应用相关，而且还存在针对无生命对象的应用。因此，下文中在使用术语"用户"和"对象"的任何时候，它们通常应宽泛地理解为包括生物以及无生命对象，只要这种理解是合理的。
这种触觉表面的通常问题在于，在装置(含有触觉表面作为多个部分的其中之一)知晓用户(以何种位置/取向/姿势)位于触觉表面上时，该装置才能够对躺在表面上/坐在表面上/与表面接触的用户提供最佳刺激。身体的尺寸和长度在这里也会起作用。比如，一旦用户位置/姿势按照某种精确度已知，则有可能应用更针对性的触觉图案，从而例如在按摩垫的应用中刺激特定肌肉群或激励'背脊发凉'。
为了解决此问题，一种简单解决方案是使用多个压力传感器或身体接触传感器。第二种简单解决方案是(例如经由手册)指导用户如何坐在/躺在装置上或制作装置的形状使得它如何使用是显而易见的(例如夹克)。然而，后面的解决方案在下述情况下仍具有它们不会自动地适应用户的问题：1)用户具有与预期不同的身体形状/尺寸，或者2)用户决定按照与预期不同的任何方式使用该装置，或者3)用户不完全清楚该装置的正确使用。
DE102007051411Al描述一种利用触觉的多个致动器按摩垫系统。特别地它使用在10-100Hz的范围的频率。特别地在这样的实施例中进行描述：流到振动电机的电流被测量，从而探测此电机当前是否导致靠近电机的人体部分的谐振。文字描述了处于谐振引起显著'电机电流变化。使用此效应仅仅为了发现特定身体部分谐振频率，但是没有描述其它目的。测量电机电流被描述为拟合挨着每个致动器的加速度计从而探测谐振条件的更廉价可替换方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在多个致动器触觉表面上提供触觉效应的装置和方法，其使得能够简单但精确确定位于触觉表面上或以任何其它方式施加压力在所述触觉表面上的对象的位置、取向和/或姿势。本发明的另外目的是提供用于控制所述装置的相应计算机程序。
在本发明的第一方面，提出了一种装置，该装置包括：
触觉表面，
多个触觉致动器，其提供在触觉表面中或靠近触觉表面，
控制装置，其用于控制所述触觉致动器从而在它们邻近处在触觉表面上提供触觉效应，
检测装置，其用于检测每一个致动器或一组致动器的致动器电流和/或致动器电压，
处理装置，其用于通过单独确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号的特性以及根据所确定的特性产生压力指标，从而处理检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号，所述压力指标指示在相应一个致动器或一组致动器处的压力量。
在本发明的另一方面，提出了一种相应方法，其包括下述步骤：
通过使用在触觉表面中或靠近触觉表面提供的多个触觉致动器，在触觉表面上提供触觉效应，
控制所述触觉致动器从而在它们邻近处在触觉表面上提供触觉效应，
检测每一个致动器或一组致动器的致动器电流和/或致动器电压，
通过单独确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号的特性以及根据所确定的特性产生压力指标，从而处理检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号，所述压力指标指示在相应一个致动器或一组致动器处的压力量。
在本发明的再一方面，提出了一种相应的用于控制该装置的计算机程序。
本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。应理解，所要求保护的方法和所要求保护的计算机程序具有与所要求保护的装置以及从属权利要求中定义的优选实施例相似和/或相同的优选实施例。
如在上文引用的DE102007051411Al中提出的使用电机电流作为检测谐振条件的装置的缺点为，无法提供简单但精确地确定位于触觉表面上或以任何其它方式施加压力在所述触觉表面上的对象的位置、取向和/或姿势(与没有检测的装置截然相反，其中用户例如必须针对他/或她的身体形状和位置手动地配置触觉效应)。为了克服此缺点并且容易地获得有关位于触觉表面上或以任何其它方式施加压力在所述触觉表面上的对象的位置、取向和/或姿势的知识而不需要太多附加硬件，本发明的思想是，除了这些致动器具有的触觉致动的常规任务之外，重新使用已有触觉致动器也执行对象(例如用户)检测任务。替代许多单独传感器，于是需要仅仅少量的额外硬件来将致动器也转变为传感器。在优选实施例中，这个数量的硬件甚至不依赖于触觉表面中存在的致动器的总量。在此上下文中，触觉致动器应理解为能够传递触觉的致动器，包括能够传递触觉(触感)刺激到与触觉表面接触的对象或用户的致动器，该触觉表面包括能够提供振动效应的致动器。
已经特别地意识到，当应用固定电源电压到这种触觉表面中通常使用的致动器时，致动器的旋转速度取决于从外部应用到致动器的压力(力)量，即应用更大的力使旋转速度增大。因此，当例如用户坐在触觉致动表面上以及若干致动器被向下按压时，若干致动器发生旋转速度变化。这些旋转速度变化可以比如被观察为由致动器提取的电流的小变动(并且也被观察为致动器上电源引脚上的电压摆动)。
因此，本发明的主要思想是评价检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号(在下文中也分别称为"致动器电流"和"致动器电压")的特性，从而获得有关施加在相应致动器上压力的信息。各种特性可以用于为此目的，特别是致动器提取的电流的量、相位和/或频率和/或应用到致动器的电压的量、相位和/或频率。其它特性为电流和/或/电压信号的主频率或者电流和/或电压信号中甚至两个或更多个主频率。
最后，压力指标根据所确定的特性产生，该压力指标提供有关在相应一个致动器或一组致动器处压力量的指示，即至少提供下述的指示：任何压力是否施加在一个致动器或一组致动器上(例如由于用户位于一个致动器或一组致动器上方)或者是否压力未被施加。
由于此电流或电压信号(也将称为小变动信号)实践中会很嘈杂，根据本发明的优选实施例提出了，对于每个一个致动器或一组致动器，单独地确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号中的主频率，并且每次使用所发现的主频率来确定在相应一个致动器或一组致动器处的压力量。换言之，主频率越高，则致动器的旋转速度越大并且所应用的压力越大。压力指标随后根据所确定的主频率产生。
根据优选实施例，所述处理装置调适为用于确定检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号的频谱，发现所述频谱中在预定频率范围中的最大峰，以及根据所述最大峰产生所述压力指标，其中假设最大峰的频率越高，则压力量越大。优选地，对于每个致动器，测量上述的小变动电流/电压信号，据此确定频谱，并且随后在预期频率范围内确定该频谱中的最大峰。此频率范围通常取决于类型的致动器。所发现的最大峰的频率值随后被用作施加在致动器上的压力量的指标。
根据另一实施例，所述处理装置调适为用于通过确定压力指标指示压力量高于预定压力阈值的致动器百分比是否高于预定致动器阈值，从而确定对象正施加压力在所述触觉表面上。根据应用种类，致动器的类型、数目和布置以及对象本身，可以提前确定所述压力阈值，即可以将它设置为用于每个装置、对象和应用的单独值。通常对于致动器阈值同样是成立的，该致动器阈值指示由处理器用于这种检查的致动器的百分比(或数目)，因为比如对于小对象而言，高于压力阈值的致动器的百分比将低于大对象的情形。
优选地，处理装置调适为用于确定施加压力在所述触觉表面上，特别是位于触觉表面上的对象的位置、取向和/或姿势。在下述情况下这是特别有可能的：在多个致动器上收集压力信息，并且优选地将压力信息组合到一个相干模型中，所述处理装置据此调适为用于通过使用代表对象的模型，从而确定施加压力在所述触觉表面上的对象的位置、取向和/或姿势。另外，该模型通常取决于应用的种类，致动器的类型、数目和布置以及对象本身。
根据另一实施例，所述检测装置包括比较器，其用于分别将实际致动器电流或电压与参照电流或电压分别比较，并且用于将差值分别作为所述致动器电流信号或致动器电压信号发布。这提供一种用于获得致动器电流信号或致动器电压信号的简单实施方式。
存在各种实施例用于分别执行致动器电流信号或致动器电压信号的测量。在一个优选实施例中，所述控制装置调适为顺序地或者并行分组地控制选定的或所有的致动器以提供触觉效应。在被控制以提供触觉效应的每个致动器处，执行致动器电流或致动器电压的测量。并行测量若干致动器需要更多硬件，但需要的时间更少。
在下述实施例中也可以节约一些时间，根据该实施例，所述控制装置调适为随后控制这样的致动器以提供触觉效应，在所述致动器处已知或怀疑对象在所述触觉表面上邻近所述致动器施加压力。在下述情况下这特别可以被使用，其中对象的细节及其在触觉表面上的可能位置可以提前被估计，如在另一实施例中所提出，其中根据该实施例，所述控制装置调适为，基于有关在所述触觉表面上施加压力的对象的形状和/或位置的知识，控制致动器以提供触觉效应。
在下述实施例中可以节约甚至更多时间，根据该实施例，所述控制装置调适为控制致动器，从而仅仅在对象的部分，特别是对象的显著部分被假设所在的位置处提供触觉效应，以及其中处理装置调适为估计对象的其它部分的位置、取向和/或姿势。
在又一实施例中，所述处理装置调适为执行预定数目的压力测量、预定顺序的压力测量和/或预定致动器处的压力量，并且将它们解释为命令或信息。比如，如果用户在特定致动器(或已知致动器位置)快速地依次按下两次，这可以被解释为增大(或减小)此致动器的刺激的指令。
存在许多类型的触觉致动器。优选地，任意类型的振动电机可以用于根据本发明的致动器。这种振动电机比如从WO2010/036016A2或从www.vibrationmotors.com已知。特别地，当在根据本发明的装置和方法中使用时，扁平型(coin type)振动电机或偏心旋转质量(ERM)振动电机已经表现出良好结果。
本发明可以在许多应用中使用。所要求保护的装置比如可以实施为放松或按摩装置、放松或冥想训练系统或呼吸指导或有节奏的呼吸系统。另外，所要求保护的装置可以耦合到电视或家庭影院娱乐系统，即通常附加显示/声音系统会是需要的，从而向观看电影的用户提供触觉效应，所述附加显示/声音系统有可能未集成在与触觉表面相同的装置内。然而不排除另外的应用。
附图说明
本发明的这些和其它方面将参考在下文描述的(多个)实施例而显见并得到阐述。在下述附图中：
图1示出说明本发明的可能应用的图示，
图2示出说明根据本发明的装置的实施例的示意性框图，
图3示出说明根据本发明利用的效应的图示，
图4示出振动电机的分解视图，
图5示出用于解释致动器的行为的质量-弹簧-阻尼器模型，
图6示出解释根据本发明的方法的实施例的流程图，
图7示出在根据本发明的装置的实施例中使用的电子器件的电路图，
图8示出根据本发明的多个致动器的布置的实施例，
图9示出位于图8所示布置中的用户，
图10说明哪些致动器受用户影响，
图11示出代表用户相对于致动器布置的位置和取向的估计的框架，以及
图12示出重叠如图10所示用户的框架。
具体实施方式
图1首先说明本发明的可能用途，其也称为感觉三维(Feel 3D)构思。示出了长沙发10与柔性毯12组合，用户或家人可以容易将该毯在长沙发10或椅子上展开。毯12含有(通常，触觉致动器的)小振动电机14的矩阵，其可以是在移动电话中发现的类型。对于坐在长沙发10上的用户，毯12可以在大腿、臀部和背部上并且当用户以'慵懒'低位置坐着时也可以在颈部上渲染效应。另外的选择是当你单独在看电视机16时将毯围绕自己缠绕。可替换地，触觉致动器14也可以直接集成在长沙发10中位于用户坐和/或靠于其上的表面下方。
存在利用这种毯12形成触觉效应的不同思想。例如，如果电影中的对象朝观看者接近，观看者首先可以在他/或她的腿中感觉到对象的冲击并且几分之一秒后在臀部/背部感觉到该冲击。这种类别的建议运动模式可以甚至取决于对象来自于电影的角度。另外，射击、爆炸、踢、摇动、打破玻璃、移动对象等的冲击可以被映射到毯12上的特定效应图案上。与某种物体朝向相机视角飞行的事件相比，这种事件在电影中也更常见。
再另外，如图1所示当一组至少两个人正在观看电视时，例如在体育比赛、喜剧电影、其它电影、或其它演出中观看者的共享兴奋的时刻可以例如自动被电视机16探测，该电视机包括诸如通常作为"计算机视觉"可获得的相应探测装置。另外，移动量可以用作可替换的指示符。当这些时刻被探测到时(基于音频、计算机视觉和/或运动传感器输入)，触觉致动(分别)在长沙发10或椅子(或毯10)中被接通以进一步增强兴奋时刻。为此目的，电视16可以另外包括用于相应地控制致动器14的控制装置。
图2示意性示出根据本发明的装置20。所述装置20可以比如是如图1所示毯或床垫，表面触觉效应可以提供在该毯或床垫上。装置20包括：触觉表面22；多个触觉致动器24，其提供在触觉表面22中或靠近触觉表面22；控制器26，其用于控制所述触觉致动器24从而在它们邻近处在触觉表面22上提供触觉效应；检测单元28，其用于检测每一个致动器或一组致动器的致动器电流和/或致动器电压；以及处理器30，其用于通过单独确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号的特性以及根据所确定的特性产生压力指标，从而处理检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号，所述压力指标指示在相应一个致动器或一组致动器处的压力量。为了由控制器26控制致动器24，提供了控制线路32，并且为了由检测单元28检测致动器电流和/或致动器电压，提供了检测线路34。
尽管控制器、检测单元28和处理器30在图2中被示为结合在装置20内，这不应理解为限制，使得这些单元必须物理上被装置20的外表面(或包壳)围住(例如利用毯或床垫)，相反这些单元也可以物理上布置在装置20的外部或布置在装置20的外表面，例如在上表面上布置在用户可接入的位置处。
图3示意性示出致动器，此处的振动电机40，如何安装在例如按摩毯的装置20中。振动电机40布置在(上和下)触觉表面22a、22b之间，并且通常包括转子42以及相对于转子42的旋转轴46偏心布置的质量44。振动电机40内部的这种质量不平衡导致当应用电压时振动电机在振动方向48中振动。除其它之外，振动频率和振幅取决于所应用的电压。
各种类型的致动器，例如上述WO2010/036016A2中公开的扁平状振动电机，可以被用作根据本发明的触觉致动器。一类ERM振动电机的一个具体示例为如在http://www.vibratormotor.com/coin-table.htm中公开的"煎饼状"或"扁平状"电机。图4在分解视图中示出这种电机50的主要元件。它包括围绕轴杆56布置的顶盖52和下盖54(二者例如为锡或Fe)。顶盖52压抵下盖54，这使竖直磁场短路。在此实施例中，电机50还包括具有两个偏心布置的线圈60的转子58，所述线圈比如分隔120度。另外，提供了含有3个磁北极和3个磁南极的具有竖直磁化的磁环62以用于产生由磁力线64表示的磁场。最后，提供了连接器箔66，其包括连接电线和电刷接触。
实践中，这种振动电机安装在产品中的方式部分地确定振动的水平和频率。再次参考图3，压力P(例如来自坐在或躺在按摩毯上，即触觉表面20a上的用户)致使电机40在两侧被挤压在安装材料(例如表面20a、20b)之间。
此情形的物理模型可以由图5中说明的理想质量-弹簧-阻尼器模型70来近似，在该模型中整个振动电机40被看作该质量。在这种情况下，该质量也被外力驱动(移动)，该外力是由应用在振动电机40上的电压导致。此力未示于图5。在重要的是感觉振动效应的实际安装中，阻尼器72的阻尼R将典型地是低的，使得主要物理效应将由弹簧74的弹簧常数k确定。弹簧常数取决于外部因素，其包括如图3那样应用在电机顶部上的压力P。该压力越高，则图5的模型中弹簧74刚性越大并且弹簧常数k越大。
此系统的固有频率的方程为：
ωd=sqrt(ω0 2-α2)
其中ω0为无阻尼系统的固有频率，其由下式给出：
ω0=sqrt(k/m)
其中k为弹簧常数且m为质量，并且阻尼引起的项
α=R/(2m)。
在更大压力被应用的情形中，k增大同时m保持不变并且R略微增大，净效应为ωd增大。因此系统的固有频率增大并且(给定相同驱动电压)来自电机的振动的频率也增大。
接着，将通过解释优选示例性实施例来解释本发明的潜在原理。电机(致动器)的旋转速度(当应用固定电源电压到该电机时)取决于从外部应用到电机的压力(力)量。此力包括利用手指或其它身体部分应用的压力，以及用于保持振动电机就位的夹紧力的量，即振动电机多紧地被紧固到底座。更大的所应用的力和更紧的夹紧将增大电机的旋转速度。对于仅仅附连到其电源线的在空间中自由悬浮的电机，获得最低旋转速度。
当用户坐在触觉致动表面上并且若干致动器被向下按压时，或者用户靠着致动器时，也发生旋转速度随压力变化。表面材料应被设计成足够软，使得源于用户位置或位置变化的力可以到达致动器。
电机旋转的变化的速度(通过线圈/磁体)产生反电动势，其可以被观察为在平均振动电机电流消耗中小的周期的电流变化。另外，在电压上可以观察到这种周期性信号。然而，这个小变动信号在实践中会是非常吵杂的。
为了从电流/电压变动信号探测压力信息，如图6所示的流程图中说明，在根据本发明的实施例中提出执行下述步骤(优选地每个激活的电机)。
步骤S1：计算上述小变动电流/电压信号的短时间间隔的频谱。
步骤S2：在该频谱中在预期频率范围(范围选择取决于致动器的类型)中发现最大峰。
步骤S3：使用最大峰的频率作为施加在致动器上的压力量的指标。峰频率越高，则应用越大的压力。
步骤S1和S2当然可以被用于主频率估计的另一种方法替代。
在电气/硬件设计水平，存在许多方式将电流/电压变动信号的测量和处理有效实施到一种工作系统中。作为示例，在图7中提供一个实施例。此简化电路图示出电压源Vref，微控制器μC，该微控制器控制多个(N个)电机m1、m2、…mN。还示出电机M、电流计A和数字化控制开关S1、S2、…SN。在所示情形中，微控制器μC闭合用于电机m1的开个S1，而所有其它开关断开。电流计A测量电流波动，比较器Comp将测量的值与稳定参照值Iref比较，并且差异(即小电流变动信号)被模拟-数字转换器ADC数字化且作为二进制数据被发送到处理单元PR，该处理单元执行如上文所解释并且如图6所示的方法步骤。在所示此情形中，施加在m1上的压力量被探测。在下一个时间步骤，该过程针对电机m2等被重复。
利用ERM电机作为致动器的实际测量已经表明，手指压力的应用使得主频率峰上升了大约100-200Hz。通过较重或较轻地按下，频率峰可以在大约100-450Hz范围内任意偏移。
上述实施例仅仅是可以如何进行压力测量的一种策略。激发触觉致动器(并且探测压力是否被应用，并且有可能地，多大压力量被应用)的多种不同策略是可用的。
根据可以在上文解释的实施例中使用的第一策略，致动器按顺序一个接一个被激活。随着每次激活，致动器电源电流或电压变动信号由一个(单个)硬件部件测量，例如由ADC测量，并且随后被数字化处理。此过程花的时间与致动器的数目成线性关系。
根据第二策略，仅仅在策略位置的选定致动器一个接一个被激活。与先前策略相比，这将节约时间。该思想是仅仅致动足够的致动器从而按照所要求精确程度来确定用户位置。
根据第三策略，多组致动器一起被致动。如果硬件中存在多个电流/电压变动信号测量单元，它们可以在多组致动器上并行地工作。例如，利用上文解释的系统，N个致动器可以按顺序被测量并且该系统可以被重复T次。以额外测量硬件为代价，随后N×K个致动器可以在N次步骤中被测量。
根据第四策略，所有致动器一起被激活。这将在例如每个致动器具有其自己的电流/电压变动信号测量硬件时工作。
根据第五策略，可以在工作系统中应用触觉刺激期间执行用户位置/姿势识别过程。例如在放松系统中，用户开始具有放松会话(session)。在会话的头30秒，触觉致动图案(以任何方式应用到触觉表面，跟随放松程序)被存储并且来自电流/电压变动信号测量的结果也被存储。如果足够不同的致动图案在此时间阶段中被应用，则有可能重构每个致动器的压力值。然而，这会要求一些复杂计算从而发现引起所述观察结果(电流/电压随时间的变动)的最可能的'在触觉表面上的压力值分布'。例如，贝叶斯网络可以用于此，或者是(比如如Jerry M. Mendel和C. S. Burrus, Maximum-Likelihood Deconvolution: A Journey into Model-Based Signal Processing, Springer, 1989中公开的)最大似然估计方法。另一方面，此策略可以用于在触觉体验期间一直更新用户位置/姿势信息。
根据第六策略，提出了身体轮廓跟踪策略。这可以与对于Windows操作系统已知的扫雷游戏类似地工作。首先在用户身体所在的可能位置处的致动器被探测，并且随后尝试基于到目前为止可用的信息来跟踪身体轮廓。在用户身体不在那里以及用户肯定在那里的区域中的详细探测被避免从而节约时间。
根据第七策略，对于使用N×M个致动器的矩阵的毯，在按摩会话开始时，系统可以首先通过激活一个"波"而开始，在所述波期间M个致动器将一行接一行被激活。对于每一行，系统将在存储器中存储其频率指示压力的致动器的位置。一旦所述波通过整个毯，该系统在存储器中具有基于指示压力的那些致动器的位置的用户身体图像。
根据第八策略，作为更快的可替换方案，对于使用N×M个致动器的矩阵的毯，在按摩会话开始时，系统可以从两个方向(竖直地)激活一个波。所述波应被激活仅仅直至它们到达脚以及分别到达用户的头和肩。考虑到将登记压力的致动器的量，可以很容易区分脚与头/肩区域(对于脚/脚跟/腿，指示压力的致动器应显著少于肩)。一旦知晓肩的位置和尺度，可以估计身体其余部分的尺度。
根据第九策略，对于其中按摩垫意图也用于覆盖用户的情形，身体的上/前部分无法使用如上所述方法来检测。然而，身体的下/后部分可以如前所述被检测，并且上/前部身体可以通过对身体下/后侧的图像进行镜像来导出，从而确定哪些致动器应被致动。
上文介绍的策略可能会受到用户在校准阶段(即触觉表面单独被用于探测用户的位置和姿势的阶段)期间大幅移动负面影响。对于其中用户假定大部分时间静躺的放松系统，初始校准会是足够的。对于一些应用，在体验过程中的少许重新校准会是可接受的。
用户位置和姿势的估计利用了所提到的'相干模型'。该模型的目的仅仅是使能进行估计过程。不同水平的模型复杂度可以被区分：
1. 简单模型，只是用于探测表面上存在用户，不探测位置或取向。
2. 仅仅用于估计用户位置和取向(假设一个典型或要求的用户姿势)的模型。例如，假设的姿势可以是背部躺在垫上。此类型的模型仅仅假设用户正以他/或她的背部躺下并且无法准确地处理比如用户坐着的其它情形。
3. 用于一起估计位置、取向和姿势的模型。此类型的模型也可以处理其它情形，例如用户坐着，站着，或者呈练习扶地挺身的位置。
模型的复杂度还取决于所支持的姿势的数目。支持的姿势越多，该模型越难以鲁棒地实施。
用于探测表面上存在用户的一个示例模型(最简单情形)如下。假设为按摩垫的产品具有NMOT=40个振动电机，并且该产品被开启。用户已经进行按摩会话并且现在走下产品。就在该事件之后，由产品给出按摩的一个'波'图案，并且所有电机的电流/电压记录被并行地完成以及压力根据本发明被估计。测量到频率大于预定义阈值T的电机的数目NP被计数。如果分数NP/NMOT>R，例如R=0.4，该系统判定用户正躺在垫上。否则系统判定用户不躺在垫上。
该模型可以看成由下述组成：计数NP、阈值T和分数R。该产品可以基于此信息而采取动作，例如减小致动一段时间并且随后在一会儿之后断开。
接着，应解释仅仅用于估计用户取向和位置的模型。假设产品(装置)为具有NMOT=60个振动电机的按摩垫，所述电机布置在6×10格栅中。该模型包括6×10个压力值的2D矩阵的该装置在存储器中的表示。如上文所解释，这些压力值是基于所测量的频率。
电机布局并且另外该存储器中(in-memory)模型可以如图8所示来勾勒。如图9所示，小的用户躺在产品上。如果测量的压力值粗略地表示为标记代码，则获得如图10所示的结果，其中由竖直线填充的点表示高压力，由水平线填充的点表示中等压力，由对角线填充的点表示一些(小)压力，并且未被填充的(白色)点表示未探测到压力。
现在该模型可以将用户简单地表示为盒子(矩形)，如图11所示。系统可以尝试将该盒子最佳地拟合在压力被探测到之处的值周围。由于在更大表面上均匀扩展的6×10个电机的间隔尺寸非常小，此系统不探测用户的头侧(左或右)。相反，假设用户将头放置在按摩垫的正确的'头端部'。
该估计可以实施为具有5个自由度/变量的标准数值优化问题：盒子(X,Y)中间位置坐标，盒子取向(1个旋转角度)，盒子长度以及盒子宽度。该数值优化中的误差函数可以由两部分组成，所述两部分的每一个具有对该误差函数的加权贡献，例如所测量的压力与位于虚拟盒子内部所有致动器的压力值P(其可以设置为利用致动器可确定的最大可能压力，或者例如80%的最大可能压力)的平均偏差，以及所测量的压力与位于虚拟盒子外部的所有致动器的零压力的平均偏差。当然，更复杂模型是很可能的。替代盒子，可以使用人体状的模板形状以得到精确结果。
图12示出估计的盒子叠加在用户身体的原始轮廓图上。该盒子结果是合理精确的估计，对于针对当前用户的身体尺寸、长度和位置/取向来最佳地调适触觉刺激是有用的。
应指出，为了更精确探测包括多个身体部分(腿和臂)的位置和取向的身体位置，更精细的致动器格栅将是有帮助的。一方面，它不是必要的。利用更先进类型的模型(例如基于贝叶斯概率的具有人体形状的模型，替代简单盒子)，可能也可以求解腿和臂的位置。
前面的模型的一种扩展可以是允许人体的多个姿势，例如躺下、坐着、跪着或者特定练习位置(例如来自瑜伽或健身)。这种模型更复杂。在模型中处理姿势的关键附加任务是分类。每个类型的待探测的人姿势可以被认为是一个类别(见上文清单)，并且还可以存在这样的类别："用户不存在"，即垫上没人，以及"未知/其它"，即用户存在但是不是呈可识别姿势。
为了获得姿势的良好分类器，需要良好的特征集合作为分类器的输入。将使用的可能特征为：
1. 压力被探测区域的数目。例如来自计算机视觉的已知算法可以用于探测在其上探测到非零压力的多组致动器，例如通过应用算法到压力值的存储器中2D表示。例如，在图8-12中，仅仅存在一个区域对应于用户身体。如果用户正在进行练习位置(例如用手立在垫上的瑜伽)，则可以发现两个或三个区域。
2. (根据上文介绍的前面的模型或者另一方法)拟合到每个被探测区域的边界盒子的位置、取向或宽度/长度或表面尺寸。替代边界"盒子"，可以拟合圆形、椭圆形等的其它形状。另外，可以拟合超过一个边界形状。
3. 每个区域的平均压力，或者整体平均压力。
4. 压力在其上被测量到的致动器(占总数)的分数。
5. 每个区域的表面尺寸。
6. 所确定的各区域之间的相对距离。
根据本发明的另一实施例，在按摩/触觉刺激会话期间，由用户故意应用在垫上的压力(例如在某一位置短时间用力按压，或者2个连续用力按压)可激活额外功能。典型地此功能将是增大在用户指示的点处触觉致动的强度。这可以例如用于按摩用户希望得到更强按摩效应的额外某一身体部分。
再另外，在实施例中，用户位置估计过程可以用于识别用户。例如，如果触觉按摩或放松装置由其中两个人具有不同高度和重量的一对夫妇家庭(两个人)拥有，计算的压力值可以被用作两个用户的哪一个正躺在触觉表面上的指标。根据本发明的估计过程的第一个结果是用户的近似长度，并且可以从多个估计的压力值导出的第二个结果是估计的用户身体施加在触觉表面上的平均压力值。如果长度或重量或二者彼此足够不同，系统可以将当前用户分类为用户1或2。这种隐性用户探测的益处在于，较早设置的个性化按摩偏好可以自动地再次从存储器被提取，从而针对用户喜好提供最佳处理。
利用本发明，压力检测当然可以仅仅在致动器激活时执行。为了避免将出现其中压力无法被检测的许多时间点(例如因为在实际应用中一些致动器在大部分时间将断开)，在实施例中提出了提供非常短的致动器致动(<150ms)，即，将所述致动器接通非常短时间，或者提供非常软致动，其几乎不被用户感觉到，使得在这种短时间或软致动期间，压力检测可以被执行。
还应指出，(根据主频率)的压力的单个测量会存在测量误差。实践中可能是这样的，由于每个单独致动器中的机械变动以及致动器利用材料安装在触觉表面中的小变动，压力无法非常精确地确定。因此在实施例中优选的是使用来自多个致动器的多个测量(优选地加上模型)从而"消除"这些测量误差，这增大估计过程的可靠性。
如上文所解释，为了获得有关施加在相应致动器上的压力的信息，可以利用检测的致动器电流信号和/或检测的致动器电压信号的各种特性。具体而言，可以利用致动器提取的电流的量和/或应用到致动器的电压的量。可替换地或另外，可以利用小电流变动信号或小电压变动信号的相位和/或频率。优选地，所述致动器电流或电压信号中的主频率可以用于此目的。
本发明可以应用于各种目的并且应用于各种类型的装置，特别是其中应通过多个触觉致动器提供触觉效应的装置。优选应用包括：
结合多个致动器触觉表面的放松或按摩产品，包括消费产品以及用于酒店业务的解决方案；
结合多个致动器触觉表面的放松/冥想训练系统；
结合多个致动器触觉表面的电视/家庭影院娱乐系统；
结合多个致动器触觉表面的呼吸指导系统，包括用于医疗环境的解决方案、消费产品、用于更快入睡的(消费)产品。
尽管本发明已经在附图和前述说明书中予以详细说明和描述，这种说明和描述被认为是说明性或示例性，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和达成对所公开实施例的其它改变。
在权利要求中，措词"包括"不排除其它元件或步骤，并且不定冠词"一"("a"或"an")不排除多个。单个元件或其它单元可以完成权利要求中列出的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中列出某些措施的纯粹事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以存储在/分布在合适介质上，诸如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分被供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其它形式分布，诸如经由因特网或者其它有线或无线通信通信系统。
权利要求中的任何附图标记不应解读为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于在触觉表面上提供触觉效应的装置(20)，所述装置包括：
触觉表面(22)，
多个触觉致动器(24)，其提供在触觉表面中或靠近触觉表面，
控制装置(26)，其用于控制所述触觉致动器从而在它们邻近处在触觉表面上提供触觉效应，
检测装置(28)，其用于检测每一个致动器或一组致动器的致动器电流和/或致动器电压，
处理装置(30)，其用于通过单独确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号的特性以及根据所确定的特性产生压力指标，从而处理检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号，所述压力指标指示在相应一个致动器或一组致动器处的压力量。
2.如权利要求1所述的装置，
其中所述处理装置(30)调适为用于确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号中的主频率并且根据所确定的主频率产生所述压力指标。
3.如权利要求1所述的装置，
其中所述处理装置(30)调适为用于确定检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号的频谱，发现所述频谱中在预定频率范围中的最大峰，以及根据所述最大峰产生所述压力指标，其中假设最大峰的频率越高，则压力量越大。
4.如权利要求1所述的装置，
其中所述处理装置(30)调适为用于通过确定压力指标指示压力量高于预定压力阈值的致动器的百分比是否高于预定致动器阈值，从而确定对象正施加压力在所述触觉表面上。
5.如权利要求1所述的装置，
其中处理装置(30)调适为用于确定施加压力在所述触觉表面上，特别是位于触觉表面上的对象的位置、取向和/或姿势。
6.如权利要求1所述的装置，
其中所述处理装置(30)调适为用于通过使用代表对象的模型，从而确定施加压力在所述触觉表面上的对象的位置、取向和/或姿势。
7.如权利要求1所述的装置，
其中所述检测装置(28)包括比较器，其用于分别将实际致动器电流或电压与参照电流或电压分别比较，并且用于将差值分别作为所述致动器电流信号或致动器电压信号发布。
8.如权利要求1所述的装置，
其中所述控制装置(26)调适为顺序地或者并行分组地控制选定的或所有的致动器以提供触觉效应。
9.如权利要求1所述的装置，
其中所述控制装置(26)调适为随后控制这样的致动器以提供触觉效应，在所述致动器处已知或怀疑对象在所述触觉表面上邻近所述致动器施加压力。
10.如权利要求1所述的装置，
其中所述控制装置(26)调适为，基于有关在所述触觉表面上施加压力的对象的形状和/或位置的知识，控制致动器以提供触觉效应。
11.如权利要求10所述的装置，
其中所述控制装置(26)调适为控制致动器，从而仅仅在对象的部分，特别是对象的显著部分被假设所在的位置处提供触觉效应，以及其中处理装置调适为估计对象的其它部分的位置、取向和/或姿势。
12.如权利要求1所述的装置，
其中所述处理装置(30)调适为执行预定数目的压力测量、预定顺序的压力测量和/或预定致动器处的压力量，并且将它们解释为命令或信息。
13.如权利要求1所述的装置，
其中所述装置(20)为放松或按摩装置、放松或冥想训练系统、电视或家庭影院娱乐系统或呼吸指导系统。
14.一种用于在触觉表面上提供触觉效应的方法，所述方法包括下述步骤：
通过使用在触觉表面中或靠近触觉表面提供的多个触觉致动器，在触觉表面上提供触觉效应，
控制所述触觉致动器从而在它们邻近处在触觉表面上提供触觉效应，
检测每一个致动器或一组致动器的致动器电流和/或致动器电压，
通过单独确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号的特性以及根据所确定的特性产生压力指标，从而处理检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号，所述压力指标指示在相应一个致动器或一组致动器处的压力量。
15.计算机程序，包括用于控制如权利要求1所述的装置的程序代码装置，从而在所述计算机程序被实施时执行下述步骤：
控制所述触觉致动器从而在它们邻近处在触觉表面上提供触觉效应，
检测每一个致动器或一组致动器的致动器电流和/或致动器电压，
通过单独确定所述致动器电流信号和/或致动器电压信号的特性以及根据所确定的特性产生压力指标，从而处理检测的致动器电流信号和/或致动器电压信号，所述压力指标指示在相应一个致动器或一组致动器处的压力量。
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