CN103154867B - 用于传感利用瓷片、具有一组板的传感器和多点触摸表面目标识别的装置和方法 - Google Patents

用于传感利用瓷片、具有一组板的传感器和多点触摸表面目标识别的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种传感器，包括：一组板，该组板在转角处从其底部与一组突起相接触，所述一组突起从上方与分布在基底上的线路网格的多个交叉点相接触，每个交叉点具有一个传感元件，以及设置在所述一组板顶上的顶部表面层，因此，从上方施加在所述顶部表面层上的力传递至所述板，并传递至所述突起，再至所述线路网格的交叉点，因此所述交叉点压在所述基底与所述突起之间，且上方的所述突起由此将力直接集中在所述交叉点上。所述传感器包括与所述网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构表面上的力的连续位置。一种传感方法。一种传感装置。一种用于向计算机中输入信息的装置。一种用于向计算机中输入信息的方法。

Description

用于传感利用瓷片、具有一组板的传感器和多点触摸表面目 标识别的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请权利要求要求2010年10月12日提交的美国临时专利申请61/404,897、2011年2月8日提交的美国临时专利申请61/462,789，2011年7月19日提交的美国临时专利申请61/572,642和2011年7月25日提交的美国临时专利申请61/572,938的优先权，并且上述提及的所有申请被全文引用，纳入本申请中。
技术领域
本发明涉及一种传感器，其基于网格线接收到的信号，在插值表面重建一个连续位置的力。(在此所使用的，引用“本发明”或“发明”涉及示例性实施例而不必是附加权利要求包含的每个实施例)更具体地说，本发明涉及一种其基于网格线接收到的信号，在插值表面重建一个连续位置的力的传感器，该传感器包含多个板和一组突起。
本发明涉及计算机接收来自2d传感器和3d传感器的2d和3d输出，并由该计算机产生一个与该2d和3d输出成函数关系的组合输出。更具体地，本发明涉及计算机接收来自2d传感器和3d传感器的2d和3d输出，并由该计算机产生一个与该2d和3d输出成函数关系的组合输出，其中，2d传感器感应施加到其表面上的力，而3d传感器为照相机。
背景技术
本部分旨在为读者介绍与本发明各个方面相关的技术领域的各方面。以下讨论的目的是为更方便地理解本发明提供信息。因此，应当理解在下面讨论中叙述的内容是基于上述观点，而不是对现有技术的承认。
在现有技术中，罗森博格等教导了如何通过将感应压力适当地插值在单独的传感元件间，获取施加在表面上的压力的时变二维数组。这改进了先前的方法，例如TekScan法，其在传感元件间没有插值，因此必须使用间隔非常细小的二维传感元件阵列来近似捕获持续压力图像。
此外，仅基于范围成像相机(range imaging camera)的姿势感应可以非常强大，因为它可以跟踪整个手或脚的运动，每个用户的每只手随着时间的迁移保持一致的识别，并且在某些情况下提供明确的手指和脚趾识别(取决于相机到表面和到手或脚的位置的距离)。这与纯粹的基于表面的触摸设备形成鲜明的对比，例如那些基于可变电阻或电容的设备，其提供很少或者基本没有关于其表面空间上的手指和手的位置或脚趾和脚的位置的信息。然而，范围成像相机存在一些缺陷：
(1)帧率(Kinect方式下30fps)太慢，以致不能正确采样手指压下或释放按键的动作。相比之下，USB键盘的标准采样率是125Hz(超过视频速率的四倍)。为了清楚的检测和消除多个重叠类型按键的歧义，需要高的采样率。
(2)它无法单独从深度图像确定多少压力施加在表面上，从而渲染范围成像相机不适合显示虚拟对象的精细运动、3D电脑游戏角色的快速和准确控制、乐器模拟、模拟手术、模拟绘画/雕刻、步态监测、舞蹈、以物理治疗为目的的姿势监测，以及其他受益于显著的等距控制的应用。
因此，它也无法从3D图像判断基于运动的姿势和手指、手、脚或脚趾下面变化的压力。例如，如果一个用户转移不同手指间的施重，或者手指和手掌其他部位间的施重，又或者脚跟、跖骨或脚趾间的施重，那么这些变化都不会被范围成像相机侦测到。
LCD显示在2001到2011的十年间逐步发展，其每个像素都包含一个光敏感元件(夏普、东芝和松下开发的多种产品)。这种方法使触感和悬浮传感成为可能。然而，光敏感像素方法与当前的触摸范围融合装置方法相比受制于数量不足：(1)其单位面积成本要远远高于本文所述方法的单位面积成本；(2)这种传感器不能无缝地平铺成任意大的形状规格；(3)只能以地保真度(通过指尖接触形状的变化)确定检测到的触摸111的压力变化；(4)只有在显示上方相对较小的距离里才能检测到手的形状。这使得它不可能维持一个手的持久模型和手指识别，或者认出许多姿势。此外，将这种技术用于足部感应是不实际的，因为承受人体重量需要传感器具有足够的物理健壮性，而制造这种传感器将显著增加成本。
发明内容
本发明的一个关键创新在于，与罗森博格等不同，本方法能够捕获任意大小的表面上的压力时变二维数组。因此，与罗森博格等的方法不同，本发明能够用于整个扩展表面的无缝时变压力捕获，例如墙壁、地板、桌子或道路。
实现该功能的本发明的关键创新技术为(1)传感元件阵列组织形成物理上不同的瓷片，和(2)可以作用在瓷片边缘的传感元件间的插值法。
同时，因为本发明基于无缝瓷片策略，它能够利用一种优化手段，即通过选定每个物理瓷片形成的子阵列的分辨率，以便最优化使用微控制器控制该瓷片的数据捕获。这允许招致一个独特的经济实现，即对瓷片的控制，仅要求单一的商用微控制器，而不需要使用额外的晶体管或其他可切换的电子元件。
此外，描述了触摸范围融合装置和软件抽象层，它们将压力成像装置或其他触摸设备的数据与一个或一个以上范围成像相机的数据可靠地组合，以便对一个或一个以上用户的手和手指运动、一个或一个以上用户的脚和脚趾运动，以及触摸设备上方的跟踪笔和其他对象，创建高质量的表示。据信目前还没有技术可以在商品水平对一个大规模表面上的手指识别、压力、姿势或脚势，提供高质量输入，并同时支持多个用户的可识别。本发明所导致的产品将填补这一空白。
本发明涉及一种传感器装置。该装置包括一台计算机。该装置包括与该计算机通讯的两个或两个以上单独的传感瓷片，其形成传感器表面，能够检测施加在该表面上的力并提供与该力对应的信号到计算机，该计算机根据该信号产生施加于该表面的力的时变连续图像，其中，该表面是连续的，检测的力在一个表面上是几何连续并无缝的便能够被感应。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括定义了交叉点和线路间空间区域的网格线。该传感器包括一组与多个网格线的交叉点接触的突起，该组突起的顶上配置有机械层，因此，授予机械层顶部的力传递通过该机械层，再从那到达突起。该传感器包括一个与网格通信的计算机，其产生发送到网格的激励信号，并通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该表面的力的连续位置。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括一个具有N个双模拟/数字I/O引脚和M个数据数字I/O引脚的计算机，其中，M和N为大于三的正整数。该传感器包括一个具有N行和M列的压力传感阵列，在计算机外部不使用任何晶体管或其他可切换的电子元件的情况下，上述N个I/O引脚与该N行通信，上述M个I/O引脚与该M列通信。
本发明涉及一种测定传感器瓷片的位置的方法。该方法包括从一个计算机发送查询信号到与该计算机通信的至少多个瓷片以请求每个瓷片识别与其电子通信的至少一个相邻瓷片的步骤。存在计算机接收来自多个瓷片的查询响应的步骤。存在计算机根据响应形成瓷片相互位置关系的几何地图的步骤。
本发明涉及一种传感方法。该方法包括检测移动物体穿过由两个或两个以上单独传感瓷片形成的传感器表面而施加在该表面上的力，其中，该表面是连续的，检测的力在一个表面上是几何连续并无缝的便能够被感应。存在与计算机通信的瓷片提供与上述力对应的信号到计算机的步骤。存在计算机根据该信号产生施加在该表面的力的时变连续图像。
本发明涉及一种传感方法。该方法包括施加力到机械层顶部，并传递到线路间具有空间区域的网格线所定义的交叉点。存在与该网格通信的计算机产生发送至该网格的激励信号的步骤。存在计算机通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置的步骤。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括定义了交叉点和线路间空间区域的网格线。该传感器包括一组与该网格线的多个交叉点接合的突起，和具有一个与该组突起并列的内表面以及一个外表面的外表面层，因此，施加到外表面层的外表面的力通过外表面层的内表面传递到突起和多个交叉点。该传感器包括与网格通信的计算机，其产生发送至该网格的激励信号，并通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该外表面层的外表面上的力的平滑图像。
本发明涉及一种传感方法。该方法包括施加力到外表面层的外表面，并传递通过外表面层的内表面到达一组突起和线路间具有空间区域的网格线所定义的多个交叉点。存在与该网格通信的计算机产生发送至该网格的激励信号的步骤。存在计算机通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该外表面层的外表面上的力的平滑图像的步骤。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括定义了交叉点和线路间空间区域的网格线。该传感器包括一组与网格线的多个交叉点接触的突起，和具有一个配置为与网格线接触的内表面以及一个外表面的外表面层，因此，施加到外表面层的外表面的力通过外表面层的内表面传递到突起，以及网格线上的交叉点，该交叉点被压在外表面层和突起之间。从而突起将施加的压力集中到该交叉点上。该传感器包括一个与该网格通信的计算机，其产生发送至该网格的激励信号，并通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该外表面层的外表面上的力的平滑图像。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括一个定义了交叉点和线路间空间区域的网格线。该传感器包括一组与网格线的多个交叉点接触的突起，和一个配置在网格线顶部且具有多个板的机械层，因此，施加在机械层顶部的力传递通过交叉点，再从那到达突起。该传感器包括一个与该网格通信的计算机，其产生发送至该网格的激励信号，并通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括一个定义了交叉点和线路间空间区域的网格线。该传感器包括一组与该网格线的多个交叉点接触的突起。该传感器包括一个具有多个板的板层，其配置在网格线顶部。该传感器包括一个配置在板层上的柔性接触层，施加在接触层上的力通过板层和至少一个突起传递到交叉点。该传感器包括一个与该网格通信的计算机，其产生发送至该网格的激励信号，并通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括一个定义了交叉点和线路间空间区域的网格线。该传感器包括一组与该网格线的多个交叉点接触的突起。该传感器包括一个具有多个板的板层，其配置在网格线顶部。该传感器包括一个配置在板层上的柔性接触层，施加在接触层上的力通过板层传递到交叉点层，再到达突起。该传感器包括一个与该网格通信的计算机，其产生发送至该网格的激励信号，并通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括一组板，其底部角落处与一组突起接触，所述突起的上方与网格线的多个交叉点接触，每个交叉点都具有传感元件，此外，一个薄的顶面层配置在网格板的顶部，因此施加在顶面层上的力通过板传递到突起，再到网格线的交叉点，所述交叉点被压在底部和突起之间。从而上面的突起将施加的力集中到传感交叉点上。该传感器包括一个与该网格通信的计算机，其产生发送至该网格的激励信号，并通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
本发明涉及一种传感方法。该方法包括从上方施加力到顶面层，并传递到一组板，再到一组突起，再到网格线的多个交叉点的步骤，该交叉点被压在底部和突起之间，其中，该组板的底部角落处与该组突起接触，该突起从上方与配置在底部的网格线的多个交叉点接触。从而上方的突起将施加的力集中在交叉点上。存在与该网格通信的计算机产生发送至该网格的激励信号的步骤。存在计算机通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置的步骤。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括一组底部与网格线的多个交叉点接触的突起，一组顶部与网格线的多个交叉点接触的板，和配置在该组板顶部的薄的顶面层。因此，从上方施加到顶面层的力传递到板，再到网格线交叉点，再到突起，所述交叉点被压在板和突起之间。从而下面的突起将施加的力集中在传感器交叉点上。该传感器包括一个与该传感网格通信的计算机，其产生发送至该网格的激励信号，并通过接收来自该网格的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
本发明涉及一种将信息输入到计算机中的装置。该装置包括一个3d传感器，其感应3d信息并产生3d输出。该装置包括一个2d传感器，其感应2d信息并产生2d输出。该装置包括一个处理单元，其接收2d和3d输出，并产生一个与该2d和3d输出成函数关系的组合输出。
本发明涉及一种将信息输入计算机的方法。该方法包括由一个感应3d信息的3d传感器产生3d输出的步骤。存在由一个感应2d信息的2d传感器产生2d输出的步骤。存在由一个处理单元接收2d和3d输出的步骤。存在该处理单元产生一个与该2d和3d输出成函数关系的组合输出的步骤。
附图说明
本发明的优选实施方案和实践本发明的优选方法将借助以下附图阐明：
图1展示了有源传感阵列；
图2展示了两个传感器表面的对齐；
图3为传感器表面的示意图；
图4展示了传感器表面的层次；
图5为导线示意图；
图6为FSR布局图案示意图；
图7为导线测试图案示意图；
图8为FSR布局测试图案示意图；
图9A展示了带有导体和FSR测试图案的传感器表面；
图9B展示了带有导体和FSR测试图案的有源传感阵列；
图10为单个传感元件组成的分解图；
图11展示了传感元件的有效区域；
图12展示了一个实施例中单个传感元件的层次，其中，突起集成在有源传感阵列的外表面；
图13展示了在一个实施例中施加力到接触层上，其中，突起集成在有源传感阵列的外表面；
图14展示了在一个实施例中施加力到两个相邻瓷片的接触层上，其中，突起集成在有源传感阵列的外表面；
图15展示了在一个实施例中单一传感上元件的层次，其中，突起集成在半刚性接触层的内表面；
图16为半刚性接触层视图，其中，突起集成在半刚性接触层内；
图17展示了一个实施例中的元件层次，其中，在单一传感元件上，突起集成在半刚性接触层的内表面；
图18为在属于不同物理瓷片的传感元件间重新分配压力的侧视图，同时展示了包在瓷片下的有源传感阵列；
图19为瓷片与适当对齐的突起和传感元件集成为突起和基底层的分解图；
图20展示了集成有突起和基底层的一个实施例中元件的层次；
图21展示了提出的半刚性接触层过于刚硬而无法接受的一个实施例；
图22展示了半刚性接触层为可接受的半刚性的一个实施例；
图23展示了提出的半刚性接触层不够刚硬而无法接受的一个实施例；
图24展示了在一个集成有突起和基底层的实施例中施加在半刚性接触层上的力的分布；
图25展示了一个力将会分配给同样的压力瓷片上的四个突起的区域；
图26展示了一个力将分配给两个相邻的压力瓷片的各自两个突起的区域；
图27展示了一个力将分配给四个相邻的压力瓷片的各自一个突起的区域；
图28展示了高/窄的突起；
图29展示了半圆形的突起；
图30展示了底部宽度大于高度的圆形突起；
图31展示了底部宽度相对于高度大的很多的圆形突起；
图32为有源传感阵列折叠在集成的突起和基底层下的实施例的侧视图；
图33为有源传感阵列折叠在集成的突起和基底层下的实施例的侧视图；
图34为有源传感阵列折叠在集成的突起和基底层下，具有用于PCB的腔的实施例的底部视图；
图35展示了单一瓷片传感装置的使用；
图36展示了网格传感装置的使用；
图37展示了使用I2C的网格瓷片的数据总线的原理图；
图38展示了网格瓷片和它们的电子连结器；
图39展示了多个区域的网格瓷片；
图40为具有N/S/E/W检测线路的瓷片的原理图；
图41为连结器对齐的交互瓷片分解图；
图42A为连结器对齐的交互瓷片的侧视图；
图42B为连结器对齐并置于适当位置的交互瓷片的侧视图；
图43展示了分离的网格瓷片；
图44展示了输入/输出微处理器的电缆/电线；
图45展示了保持交互传感元件距离的相邻瓷片；
图46为同时作为主通信瓷片和主瓷片的一个瓷片的电子图框；
图47为从机瓷片的框图；
图48展示了使用在补偿功能中的标记位置；
图49为补偿功能的一个曲线图；
图50展示了具有共同接触层的多个瓷片；
图51展示了在集成有突起和基底层的实施例中施加力到不同瓷片的传感元件上；
图52为用于集成式板与突起矩阵构件的瓷片实施例的分解图；
图53为集成式板与突起矩阵构件的实施例的瓷片的剖面图；
图54为不同的板和突起矩阵元件的实施例的瓷片的分解图；
图55为不同的板和突起矩阵元件的实施例的瓷片的剖面图；
图56展示了将突起固定在有源传感阵列上的一个实施例；
图57为将突起固定在有源传感阵列上的实施例的分解图；
图58A为在不同的板矩阵和突起矩阵层技术的标准实施例中使用的尺寸的顶视图；
图58B为在不同的板矩阵和突起矩阵层技术的标准实施例中使用的尺寸的侧视图；
图59展示了板与有源传感阵列的对齐；
图60为对齐的并置于有源传感阵列上的传感元件内的刚性板的顶视图；
图61A为板矩阵的顶视图；
图61B为板矩阵的侧视图；
图62A为突起矩阵的顶视图；
图62B为突起矩阵的侧视图；
图63展示了与有源传感阵列对齐的板矩阵；
图64为正确对齐在有源传感阵列上相应的传感元件上的突起的顶视图；
图65A-65F展示了各种有效的和无效的突起配置；
图66A-66C分别为正确对齐的板矩阵和突起矩阵重合后的底视图(A)、侧视图(B)和顶视图(C)；
图67为正确对齐的板矩阵和突起矩阵重合后的切去视图；
图68A展示了作为放在桌上的水平传感器；
图68B展示了作为放在墙上的垂直传感器；
图69展示了集成有板和突起层的一个实施例；
图70为带有窄缝和矩形突起的集成的板和突起层的侧视图；
图71为集成的板和突起层的侧视图，其带有窄缝和矩形突起，该突起连续通过接合点与板齐高；
图72为带有窄缝和梯形突起的集成的板和突起层的侧视图；
图73为带有宽缝和矩形突起的集成的板和突起层的侧视图；
图74为带有窄缝的集成的板和突起层的顶视图，该窄缝和板的外表面在接合点处不在同一平面；
图75为集成的板和突起层的侧视图，其带有窄缝和矩形突起，该突起继续通过接合点与板齐高；
图76为带有宽缝的集成的板和突起层的顶视图，该宽缝和板的外表面在接合点处不在同一平面；
图77A-77C展示了角突起在传感元件上组成突起的实例；
图78为平顶集成板和突起层的实施例的侧视图；
图79展示了平顶集成板和突起层的实施例的外表面；
图80展示了平顶集成板和突起层的实施例的内表面；
图81展示了平顶板矩阵层；
图82展示了集成的突起和底部支持层；
图83展示了一个可接受的刚性板；
图84展示了一个可接受的半刚性板；
图85展示了一个不可接受的非刚性板；
图86展示了力分布在板上的横截面；
图87为单独的板和施加于该板上、并排他性地分布到相邻的传感元件上的机械插力的示意图；
图88展示了在集成板和突起层的标准实施例中使用的板和突起的尺寸；
图89A展示了板的光阻墨迹图案；
图89B展示了突起的光阻墨迹图案；
图90A为压缩板制造实施例的截面图；
图90B为压缩板制造实施例的顶视图；
图91A展示了板和突起层的一个实施例，其板具有不连续角突起和相邻角；
图91B展示了一个单个部分平顶板和突起层的实施例，其板具有不连续角突起和相邻角；
图92展示了一个具有与有源传感阵列公面的电路板的实施例；
图93为具有桥接板的内部网格瓷片的分解图；
图94为具有桥接板的内部网格瓷片的顶视图；
图95为具有桥接板的内部网格瓷片的侧视图；
图96A展示了桥接板与相邻瓷片的对齐；
图96B展示了桥接板与相邻瓷片的正确安置；
图97A为基层内嵌电路板的具有桥接板的瓷片的侧视图；
图97B为基层内嵌电路板的具有桥接板的瓷片的底部透视图；
图98A为对齐的具有桥接板的相邻瓷片和安装在支持层下面适当位置的电路的示意图；
图98B展示了具有桥接板的相邻瓷片的对齐和支持层下面的电路安装；
图99为具有桥接板的网格瓷片被正确对齐的示意图；
图100展示了具有桥接板的网格瓷片的正确安置；
图101展示了具有桥接板的网格瓷片的正确安置，其桥接瓷片透明分解桥接板与突起对齐；
图102展示了一个网格内部、北边、东边、东北边的瓷片的实施例；
图103为在一个3x3网格内部、北边、东边、东北边的瓷片实施例中对齐的示意图；
图104展示了在一个3x3网格内部、北边、东边、东北边的瓷片实施例中的正确安置；
图105展示了一个在圆柱形表面上的可变形面片；
图106展示了一个在圆锥形表面的可变形面片；
图107为圆柱段弧形传感器组件的内视图；
图108为圆柱段弧形传感器组件的外视图；
图109为圆柱段集成的板和突起层的高边视图；
图110为圆柱段集成的板和突起层的外视图；
图111为圆柱段集成的板和突起层的内视图；
图112展示了一个安装在圆柱形表面的传感器；
图113展示了六边形板的板阵列；
图114展示了对应于六边形板阵列的突起阵列；
图115展示了具有六边形板的集成的板和突起层；
图116展示了具有跟六边形板阵列有对应间距的有源传感阵列；
图117展示了置于有源传感阵列上方的六边形集成板和突起层；
图118展示了具有角标的六边形板；
图119展示了一个突起固定到有源传感阵列上的实施例，其被支持层包着以便电路位于瓷片底部；
图120展示了将连结器尾部线以16根导线为一组进行划分；
图121展示了一个实施例中的层次和将力施加到集成的突起和基底层上；
图122展示了一个具有一个触摸设备和两个范围成像相机的实施例；
图123展示了一个个人用户的左手和右手。超过该个人用户的最大触及距离，可以识别另一个个人用户；
图124展示了一个范围成像相机；
图125展示了一个触摸图像设备；
图126展示了一个压力图像装置；
图127展示了一个桌上实施例；
图128展示了一个地面实施例；
图129展示了一个带有计算机的触摸范围融合装置的实施例；
图130展示了使用边缘检测的手的轮廓，与手型匹配的骨架，以及识别的手指接触；
图131展示了立方体可以放置在四个角；
图132展示了一个触摸范围融合装置的实施例；
图133展示了一个带有触摸设备、范围成像相机和范围成像相机支架的实施例；
图134展示了带有一组接触点Pk的触摸设备101；
图135为数据框图，计算机处理来自范围成像相机和接触设备的数据并将其存储在计算机存储器内。
具体实施方式
参照图示，其中，涉及多个视图的类似或相同部分以相似的附图标记来表示，更具体地，在图35和36中展示了一个传感装置1。该装置1包括一个计算器3。该装置包括与该计算机3通信的两个或两个以上单独的传感瓷片2，其形成传感器表面，能够检测施加在该表面上的力并提供与该力对应的信号到计算机3，该计算机根据该信号产生施加于该表面的力的时变连续图像，其中，该表面是连续的，检测的力在一个表面上是几何连续并无缝的便能够被感应。
本发明涉及一种传感器200，如图50-52所示。该传感器200包括定义了交叉点和线路23间空间区域的网格126线23。该传感器包括一组与多个网格126线23的交叉点接触的突起30，该组突起30的顶上配置有机械层，因此，授予机械层顶部的力传递通过该突起30，再从那到达传感器。该传感器包括一个与网格126通信的计算机3，其产生发送到网格126的激励信号，并通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该表面的力的连续位置。
该传感器200在接近网格126线23的多个交叉点的位置可能包括一个力阻材料(force resistive material)。该力阻材料可以只设置在线23的网格126的多个交叉点附近，且力阻材料与交叉点之间具有间隔。
本发明涉及一种传感器。该传感器包括一个具有N个双模拟/数字I/O引脚和M个数字I/O引脚的计算机3，其中，M和N为大于三的正整数。该传感器包括一个具有N行和M列的压力传感阵列，在计算机3外部不使用任何晶体管或其他可切换的电子元件的情况下，上述N个I/O引脚与该N行通信，上述M个I/O引脚与该M列通信。
本发明涉及一种测定传感器瓷片2的位置的方法。该方法包括从一个计算机3发送查询信号到与该计算机3通信的多个瓷片2以请求每个瓷片2识别与其电子通信的至少一个相邻瓷片2的步骤。存在计算机3接收来自多个瓷片2的查询响应的步骤。存在计算机3根据响应形成瓷片相互位置关系的几何地图的步骤。
本发明涉及一种传感方法。该方法包括检测移动物体穿过由两个或两个以上单独传感瓷片2形成的传感器表面而施加在该表面上的力，其中，该表面是连续的，检测的力在一个表面上是几何连续并无缝的便能够被感应。存在与计算机3通信的瓷片2提供与上述力对应的信号到计算机3的步骤。存在计算机3根据该信号产生施加在该表面的力的时变连续图像。可能存在连接一个附加瓷片2到两个瓷片2中的至少一个上，以扩大传感器表面尺寸的步骤，其中，该表面包含附加瓷片2，并且是连续的，检测的力在一个表面上是几何连续并无缝的便能够被感应。
本发明涉及一种传感方法。该方法包括施加力到机械层顶部，并传递到线路23间具有空间区域的网格126线23所定义的交叉点。存在与该网格通信的计算机产生发送至该网格的激励信号的步骤。存在计算机3通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置的步骤。
本发明涉及一种传感器200。该传感器包括定义了交叉点和线路间空间区域的网格126线23。该传感器包括一组与该网格126线23的多个交叉点接合的突起30，和具有一个与该组突起30并列的内表面以及一个外表面的外表面层，因此，施加到外表面层的外表面的力通过外表面层的内表面传递到突起30和多个交叉点。该传感器包括与网格126通信的计算机3，其产生发送至该网格126的激励信号，并通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该外表面层的外表面上的力的抗锯齿图像。
该外表面层可以是机械层，该组突起30配置在该网格126线23和该机械层之间。该网格126线23可以配置在该组突起30和外表面层之间。
本发明涉及一种传感方法。该方法包括施加力到外表面层的外表面，并传递通过外表面层的内表面到达一组突起30和线路23间具有空间区域的网格126线23所定义的多个交叉点。存在与该网格通信的计算机3产生发送至该网格126的激励信号的步骤。存在计算机3通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该外表面层的外表面上的力的平滑图像的步骤。
本发明涉及一种传感器200。。该传感器包括定义了交叉点和线路23间空间区域的网格126线26。该传感器包括一组与网格126线23的多个交叉点接触的突起30，和具有一个配置为与网格126线26接触的内表面以及一个外表面的外表面层，因此，施加到外表面层的外表面的力通过外表面层的内表面传递到突起30，以及网格126线23上的交叉点，该交叉点被压在外表面层和突起30之间。从而突起30将施加的压力集中到该交叉点上。该传感器包括一个与该网格126通信的计算机3，其产生发送至该网格126的激励信号，并通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该外表面层的外表面上的力的平滑图像。
本发明涉及一种传感器200。该传感器包括一个定义了交叉点和线路23间空间区域的网格126线23。该传感器包括一组与网格126线23的多个交叉点接触的突起30，和一个配置在网格126线23顶部且具有多个板35的机械层，因此，施加在机械层顶部的力传递通过交叉点，再从那到达突起。该传感器包括一个与该网格126通信的计算机3，其产生发送至该网格126的激励信号，并通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
该机械层可以包括一个配置在多个板35上的柔性接触层。每个板35都有与相应的突起30外表面对齐的角125。
本发明涉及一种传感器200。该传感器包括一个定义了交叉点和线路23间空间区域的网格126线23。该传感器包括一组与该网格126线23的多个交叉点接触的突起30。该传感器包括一个配置在板层上的柔性接触层，施加在接触层上的力通过板层和至少一个突起传递到交叉点。该传感器包括一个与该网格126通信的计算机23，其产生发送至该网格126的激励信号，并通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
本发明涉及一种传感器200。该传感器包括一个定义了交叉点和线路23间空间区域的网格126线23。该传感器包括一组与该网格126线23的多个交叉点接触的突起30。该传感器包括一个具有多个板35的板层，其配置在网格126线23顶部。该传感器包括一个配置在板层上的柔性接触层，施加在接触层上的力通过板层传递到交叉点层，再到达突起30。该传感器包括一个与该网格126通信的计算机3，其产生发送至该网格126的激励信号，并通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
本发明涉及一种传感器200。该传感器包括一组板35，其角125底部与一组突起30接触，而该突起从上方与网格126线23的多个交叉点接触，每个交叉点都具有传感元件，此外，一个薄的顶面层127配置在网格126板35的顶部，因此施加在顶面层127上的力通过板35传递到突起30，再到网格126线23的交叉点，该交叉点被压在底部47和突起30之间。从而上面的突起30将施加的力集中到传感交叉点上，如图52所示。该传感器包括一个与该网格126通信的计算机3，其产生发送至该网格126的激励信号，并通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
每个传感元件都可以包含FSR24。当向表层施加力，每个突起都可以对齐并与相应的传感元件26接触。该传感器可以包括配置在表层和该组板35之间，在突起30和网格126之间，以及在网格126和底部47之间的粘合剂40。
每个板35都可以以其角125与相邻的传感元件26内部对齐的方式放置。该板35可以被特别对齐，使得板35间存在间隙，并使得板35角125间的间隙中心与相符合的传感元件26对齐。每个突起都可以是由塑料、金属、木头或玻璃制成的刚性隆起，其将力集中到相应的传感元件26。每个突起都具有能够与相应传感元件26接触的形状，其位于相应的传感元件26上或在相应的传感元件26内部。该突起30可以通过板35间的间隙延续到与板35齐平。该突起30可以自板35与板35的顶点突出。
关于所述表层与所述组板35的接触，所述突起30与所述网格126的接触，以及所述网格126和所述底部47的接触，可以理解的是，接触还包括所述表层与所述组板35间存在粘合剂40，所述突起30与所述网格126间存在粘合剂40，以及所述网格126和所述底部47间存在粘合剂40的情况。
本发明涉及一种传感方法。该方法包括从上方施加力到顶面层127，并传递到一组板35，再到一组突起30，再到网格126线23的多个交叉点的步骤，该交叉点被压在底部47和突起30之间，其中，该组板35的角125底部与该组突起30接触，该突起30从上方与配置在底部47的网格126线23的多个交叉点接触。从而上方的突起30将施加的力集中在交叉点上。存在与该网格126通信的计算机3产生发送至该网格126的激励信号的步骤。存在计算机3通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置的步骤。
本发明涉及一种传感器200。该传感器包括一组底部与网格126线23的多个交叉点接触的突起30，一组顶部与网格126线23的多个交叉点接触的板35，和配置在该组板35顶部的薄的顶面层127。因此，从上方施加到顶面层127的力传递到板35，再到网格126线23交叉点，再到突起30，交叉点被压在板35和突起30之间。从而下面的突起30将施加的力集中在传感器交叉点上。该传感器包括一个与该传感网格126通信的计算机3，其产生发送至该网格126的激励信号，并通过接收来自该网格126的数据信号根据插值重构在该表面上的力的连续位置。
可以存在施加力到机械层顶部，传递通过多个交叉点的至少一个交叉点，传递到与至少一个交叉点接触的一组突起30的至少一个突起的步骤，其中，该交叉点由网格126线23和线路23间的空间区域所定义，该机械层具有配置在网格126线23顶上的多个板35。
可以存在施加力到机械层顶部，传递通过一组突起30的至少一个突起，传递到多个交叉点的至少一个交叉点的步骤，其中，该交叉点由网格126线23和线路23间的空间区域所定义，该机械层具有配置在网格126线23顶上的多个板35。
本发明涉及一种将信息输入到计算机3中的设备104，如图122-129所示。该装置包括一个3d传感器，其感应3d信息并产生3d输出。该装置包括一个2d传感器，其感应2d信息并产生2d输出。该装置包括一个处理单元，其接收2d和3d输出，并产生一个与该2d和3d输出成函数关系的组合输出。
通过3D和2D传感器，可以在3D和2D中识别并跟踪对象。手指、手、脚、人、笔或其他对象可以在3D和2D中识别并跟踪。该装置可以包括一个存储器，这样对每个对象的识别可以保持一段时间。通过处理单元3D传感器识别的对象可以与2D传感器识别的对象配合。该2D传感器有一个表面，并且该2D传感器可以感应该表面上的接触。该2D传感器可以感应施加在该表面上的力。该2D传感器可以包括一个压力成像传感器。该3D传感器可以包括一个范围成像相机。该3D传感器可以包括一个IR深度相机。该3D传感器可以包括一个RGB相机。该装置可以包括一个显示组合输出的显示器。
本发明涉及一种将信息输入计算机3的方法。该方法包括由一个感应3d信息的3d传感器产生3d输出的步骤。存在由一个感应2d信息的2d传感器产生2d输出的步骤。存在由一个处理单元接收2d和3d输出的步骤。存在该处理单元产生一个与该2d和3d输出成函数关系的组合输出的步骤。
可以存在通过3D和2D传感器在3D和2D中识别并跟踪对象的步骤。可以存在在3D和2D中识别并跟踪手指、手、脚、人、笔或其他对象的步骤。可以存在将每个识别对象在存储器中保持一段时间的步骤。可以存在通过处理单元将3D传感器识别的对象与2D传感器识别的对象配合的步骤。可以存在2D传感器感应其表面上的触摸的步骤。可以存在2D传感器感应施加在其表面上的力的步骤。该2D传感器可以包括一个压力成像相机。该3D传感器可以包括一个范围成像相机。可以存在将组合输出显示在一个显示器上的步骤。
该导线网格126由位于表面板21外部和内部的导线23所组成。网格线的交叉点128是两导线23交汇的地方。该交叉点也是FSR材料所处的地方。在使用板35和突起30的实施例中，该柔性接触层38构成用于压力成像设备1的顶面层127。
以下是对关于本发明的操作的描述。
硬件部件列表：
有源传感阵列：如图1所示的有源传感阵列20由两个彼此面对面的传感器表面片层21构成，其中一个相对另一个旋转了90°，如图2所示。这两个传感器表面片层21的每一个都由带有印刷导线23的非导电表面衬底22组成，所述导线上印制有少量的力敏电阻(ForceSensitive Resistive，FSR)材料24，如图3和图4中的分解视图所示。该FSR材料相隔一定的距离，这样当两个传感器表面片层21放置为相互接触时，印有线路的两面彼此相对，该FSR材料24位于网格导线23的交叉点附近，如图1所示，但是不需要位于该传感表面的其他位置。
以下描述瓷片2如何让连接在一起：
传感瓷片2通过接线和一个包含多个相邻瓷片的装置1中的物理连接设备连接在一起，入图38所示。
瓷片间的接线用于系统协议通信，以及识别本地瓷片邻居。该协议接线取决于该系统用到的协议的拓扑结构。在一个实施例中，瓷片通过I2C总线连接在一起。在这个系统中，接线始于主机，到达网格的各个传感器。为了检测每个传感器的本地邻居，导线23从一个传感器瓷片传递到与其相邻的瓷片。
除了接线，也常用物理连结器来连接相邻的瓷片。该连结器的外观取决于该系统的需求。在一个实施例中，如图41、42A和42B所示，相邻的瓷片2间放置了一个塑料连结器71，其在关键位置设置了插孔。连结器71的插孔与每个瓷片21的底部支持层32上的突起部72对齐。该连结器可以滑到两个相邻设备上，并提供对网格的附加支撑。
图41为带有突起部72的底层32和连结器71的分解图；图42A展示了突起部72与连结器71的正确对齐；图42B展示了突起部72和连结器71对两个相邻瓷片的正确安置。
在剖面图中的每一层是如何制成的，整体外形是如何制成的，每一层的目的：
每一层是如何制成的：
该半刚性接触层31和突起30，如图15所示，可以是一个单一的机械部件，可以由塑料、玻璃、木材、金属或任何其他半刚性材料制成。该部件可以由多种标准方法制成，包括注射成型、冲压和冷型浇注等。
在一个可选的实施例中，如图12所示，该突起30可以牢牢地固定在与传感元件位置对应的外部传感器表面片层21的表面基层22上。实现这一做法的一种方法为冷型浇注：在制造的一种方法中，将可以由硅胶构成的模具放置在表面基层22的外侧顶上，该模具包含均匀间隔的孔，一种树脂注入到这些孔中。当树脂变硬，将模具移走，树脂在表面基层22的顶面上形成均匀间隔的隆起。在该实施例中，接触层31仅仅是一个半刚性板，可以由塑料、玻璃、木材、金属或任何其他半刚性材料制成。这个可选的实施例的好处在于它可以在传感器工作期间确保突起30与对应每个传感元件27有效区域的FSR材料24保持正确的对齐。这样的结构构成了一个具有附加突起55的有源传感阵列。
整体外形是如何制成的：
整体外系是在制造过程中装配元件层所形成的。
为清晰起见，一个元件的“外部”或“外表面”指定为表示从施加的外力(例如，用户触摸该表面)来看设备的面/方向。“内部”或“内表面”指定为与外部相反的方向。
以下为从外部到内部的每个层的目的，如图12所示的传感器截面，从外部到内部即为从其顶部往下：
半刚性接触层31和突起30(图12和图13)的目的在于对施加到半刚性接触层31的外表面的连续的力34进行重新分配，使得全部施加的力都只分布到有效传感元件区域27，即在有源传感阵列20中的导线23接合点的外表面或内表面，如图11所示。
接下来的内层是有源传感阵列20的外传感表层21的非导电传感基底22，其可以由醋酸纤维制成，在一个实施例中，该醋酸纤维的厚度为5密耳，下一个内层为金属油墨导电迹线23图层，印在该基底22的内侧。
接下来的内层显示了相对的FSR材料24：该外部FSR24加印在有源传感阵列20的外部传感表层21的导线23上，如图3和图4所示。该内部FSR24加印在有源传感阵列20的内部传感表层21的导线23上。在工作中，这两个FSR24组件彼此接触，但是不会机械地彼此粘贴。
在一个实施例中，接下来的内层是有源传感阵列20的内传感表面层21的非导电传感基底22，其可以由醋酸纤维制成，该醋酸纤维与印刷在该衬底22外侧上的前一层、即金属油墨导电迹线23图层一起，厚度为5密耳。
接下来的内层是支持层32，其可以由玻璃、丙烯酸、木材或金属等任何固体材料制成。在一个实施例中，它由1/4″厚丙烯酸制成。
为清晰起见，传感元件26在导线23的交叉点包含所有有源传感阵列20上的所有材料，使得在该区域能够对力进行电子测量，如图10所示。传感元件27的有效区域对应于该传感元件放置位置所对应的有源传感阵列20表面的内部或外部区域，特别地，力将集中施加在该区域，如图11所示。因此，“与传感元件接触”意味着与对应该传感元件的有效区域接触。
以下通过本发明的每个特征详细描述一个信号从发起到终止的过程：具体而言，该信号如何从一个对象对接触层的外表面的接触而生成，它从接触点沿着网络穿过导线，最终到达其成像的计算机3发生了什么，覆盖沿着该路径的每一个具体步骤，包括如何将插值应用于该信号，其作为以下对该信号的详细描述的一部分。
图13展示了施加的力或压力34应用到半刚性上板，并机械地传递到附近的支撑突起30，然后到达传感元件27的压力传感有效区域，在该区域导线23相交在瓷片的有源传感阵列20上。在该实施例中，突起连接在有源传感阵列20的外表面，而不是半刚性接触层31。
附近的突起30和相应的传感元件26不需要在相同的瓷片上，而是可以在相邻的物理上分割的瓷片上，如图14所示。
图14展示了施加的力或压力34应用到半刚性上板，并机械地传递至附近的位于相邻但是物理分割的两个瓷片上的支撑突起30，然后到达传感元件27的压力传感有效区域，在该区域导线23相交在瓷片的有源传感阵列20上。在该实施例中，突起30连接在有源传感阵列20的外表面，而不是半刚性接触层31。
插值
对于每个传感装置，将机械地重新分配施加在表面上的力，使得所有的力都集中在该表面下包含有源传感阵列20的一个或多个瓷片2上的网格压力测量传感元件26上，该有源传感阵列20包含传感元件26，如本文所描述的各种实施例所示。插值由机械再分配实现。当接触发生在该装置的外表面上并位于传感元件26之上时，施加到该位置的力2被传感元件26记录。当接触在传感元件26上方的位置间移动，力将施加于多个传感元件26。分布在每个传感元件26上的接触的力用来计算接触的质心。
特别地，考虑2×2阵列的相邻传感元件26，其各元件位置分别为(i，j)，(i+1，j)，(i，j+1)，(i+1，j+1)。如图48所示，有四个标记为A、B、C和D的交叉点，其中，交叉点代表一个有源传感阵列20中传感元件26的位置。每个传感元件26感应到的力可以分别表示为fA、fB、fC和fD。
由于本文所描述的力的机械再分配大致是线性的位置函数，因此触摸的质心位置[x，y]可以通过以下作为四个位置的力的函数的线性位置插值近似模拟。可以首先通过跟在任何非线性的补偿后的线性插值近似估计出相邻两列间质心的分数的东/西位置：
并且，通过跟在任何非线性的补偿后的线性插值近似估计出相邻两行间质心的分数的东/西位置：
行列间触摸位置的插值基于最近的行/列交叉点A、B、C和D上的相对力，如图48所示，以及上面所述。根据这个信息，可以计算出传感阵列中任何单个触摸的质心位置。
可以利用补偿函数，用函数COMP()代表上述方程。该函数是一个从0...1域到0...1范围的单调映射。该函数为连续传感元件间传感器机械插值的非线性补偿。例如，施加到一个位置的压力以0.25的方式从一个传感元件26的左边相邻传导线23到相邻传感元件26的右边相邻传导线23，将会导致一个比例值的压力，相对于总压力，落在右边的突起30上的压力比例大于0.0，小于0.5，而未必是0.25。补偿函数的应用可以修正任何差异。
图49显示了一个补偿函数的典型值集。91为感应的压力从左到右的分数比例u’，在0到1的范围内。92为理想比例的几何位置。93为91映射到92的函数。
在另一个实施例中，通过定义两个补偿函数：COMP_u(u’，v’)和COMP_v(u’，v’)可以获得更精确的补偿。在所有实现中，可以通过一个标准校对过程构造补偿值，在这个过程中，压力施加在传感器已知的位置，结果存储在一个表中。而后，一个连续的曲线，如一个分段线性或三次分段函数与表的测定值之间匹配，以创建一个连续函数。对于COMP_u和COMP_v，表是二维的，并且表的值之间的插值受一个连续二维函数，如分段线性或分段双三次函数影响。
从u和v的值可以获得质心的坐标：
其中，S是传感阵列中连续的行和列间的间距。在一个实施例中，S＝3/8”。
扫描
一个微控制器与各个传感瓷片相联。对于每个传感瓷片，瓷片的微控制器扫描子区域内的连续的行/列。该微控制器使用微控制器上的数字和模拟I/O引脚来扫描传感器以得到压力信息。当连接的时候，该组行和列导线23分配为输出或输入导线23。输出导线23可以提供一个正电压或设置为地。输入导线23可以设置为地或者从导线读取电压。在每一帧的开始，一个输出导线设置为一个正电压，而其余的输出电线23设置为地。除了一个输入导线扫描来自输出和输入导线23的交叉点的电压，其余输入导线23同样设置为地。然后，该固件扫描下一个输入导线，同时设置其他输入导线接地。在所有输入导线23都被扫描完后，设置下一个输出导线为正电压，设置其他输出导线接地，重新扫描输入导线23。重复所有的电压导线23，直到每个交叉点都被扫描。
扫描该设备给出一个帧的压力信息，其记录了手指或其他对象施加在MFRL上的力。在每个传感瓷片上，瓷片的微控制器使用诸如运行长度编码的压缩技术可选地压缩获取的传感图像数据，忽略其值低于一个选择阈值的所有数据(即该数据被重定义为等于零)。
瓷片到计算机3的通信
标记有其发起的瓷片身份的数据包以一个通用数据通信协议的方式发送，该协议为传感阵列中的全部微控制器所共用。一个传感器瓷片被指定为主瓷片7。该主瓷片7具有连到主机3的一个USB或类似的通信接口，如图38所示。该主瓷片发送所有压缩包到主机3。
在主机中，数据包组合成一个单一的压力的无缝图像。
可能申请的发明：
电子白板；
压力敏感地板：可以用在安全区域，例如机场。在这种应用中，该传感阵列连同图像识别软件的使用可以通过个体脚步的不同压力图案识别不同个体；
压力敏感触摸墙；
压力敏感桌子或台子；
工厂的压力敏感表面；
压力敏感道路，例如高速公路或桥梁。该应用包括交通监视，例如车辆的速度和重量，以及车轮数量和车轮分别的准确图像，其可以用于准确评估和车量类型分类；
压力敏感座位：它的应用包括火车座椅、汽车座椅、飞机座椅和辅助设备的座椅，如轮椅；
压力敏感显示，如座位接触层一部分的OLED。
关于第三方发明的启用信息，其与电脑的行数相匹配：
一个给定的微控制器芯片有特定数量N的双模拟/数字IO引脚，而该微控制器芯片上的纯数字IO引脚82的数量为M。通过连接N个双模拟/数字IO引脚81到有源传感阵列20的N行，以及M个纯数字IO引脚82到有源传感阵列20的M列，由单个微控制器驱动的有源传感阵列20可以实现达到N×N的压力传感元件26，而不需要补充电子元件。这种架构带来一种简单的电子组件配置。
一个实施例使用美国微芯科技公司的PIC24HJ256GP610微控制器，该芯片包含84个数据引脚，其中32个为双模拟/数字引脚81，它们可以用作模拟电压输入引脚，每传感阵列行用到一个。留出的引脚用于与该网格瓷片中的其他微控制器外部通信，至少32个数字IO引脚82可作为电源/地可切换引脚来驱动该传感阵列的32列。因此，该特定的微控制器能够驱动一个32×32阵列的压力传感瓷片2，在该瓷片上除了需要少量的电阻和电容来平缓电流和避免电流峰值，不需要其它电子器件。
这个实施例中的主瓷片7需要3.3伏特的调节器，例如仙童REG1117A，以将主机USB端口的5V电压驱动为该微控制器需要的3.3V电压。不再需要其它电子器件。
本发明的实用
目前还没有低成本压力感应的解决方案，既容易大量生产，又在经济上可扩展以形成一个任意大面积的无缝表面。确实有专门的技术，如“[Rosenberg]and TekScan，Inc.”公司的UnMousePad设备，它们基于使用了力敏电阻(FSR)材料24[Eventoff]的传感网格，但是所有这些都不能够在低单位传感面积成本的情况下设计出可靠的大表面区域。
本发明是通过一个便宜和灵活的方式将任何地面、墙壁、桌子或其他表面的区域转变成一个“压力摄像机”或压力成像装置。一旦装置1通过一个传输数字信号的标准方式，如USB电缆上的串行协议，连接到主机3，那么任何以及全部表面上的触摸的时变压力图像都可以被读取并处理以支持多种不同的应用。
该系统由一组一个或一个以上的模块化压力瓷片2组成。这些瓷片2可以是任意形状，包括三角形、六边形或其他不规则形状。在一个实施例中，每个瓷片2都是包含32×32个传感元件的正方形，因此，该传感阵列的总分辨率将是瓷片数量倍数的32×32。
一个网络化瓷片组件18由一组彼此通信的瓷片组成，这样瓷片的物理排列可以在实际上重构。在一个实施例中，每个瓷片的尺寸为12英寸×12英寸的正方形压力瓷片12(虽然在一个组件中瓷片的尺寸不需要相等)。在一个实施例中，如果每个瓷片有32×32个传感元件26，那么连续传感元件间的间距为3/8”。
瓷片可以组装在一起创建一个任意大的无缝压力成像设备1。该装置1发送给主机3一个穿过整个表面压力变化的时变合成图像。
在需要的情况下，电源可以可选地被增强或由一个或一个以上的辅助功率模块提供。
该传感器在其上表面可以合入一个机械力再分配层，该层可以预测地分配压力，使得感应的压力很好地分配到瓷片的传感元件上。
用户体验的一步一步描述：
从用户的角度来看，操作如下，如图35所示。
在一个时间步骤中，用户施加一个手指或其他物理对象34到压力传感装置1的顶部。该施加的压力的连续图像通过压力传感装置1传输到主机3。
在主机3上该空间变化压力的图像存储于计算机内存的一个区域。从该计算机内存，主机1上的计算机软件可以取出该图像数据存储到二级存储，如磁盘文件，可以在一个计算机显示器6上作为视觉图像显示该图像，可以执行分析，如手指跟踪、区域发现、图形分析或任何其他本领域中标准的图像分析处理，或者用于一个图像可以用作的任何其他目的。
在下一个时间步骤中，重复上述过程，对于每个连续时间步骤以此类推。
内部工作的一步一步描述：
当手指或其他对象34施加向下的力到半刚性接触层的外表面层31，如图13所示。
接着，该力从半刚性接触层31传递并妥当地分配到每个传感器瓷片2的有源传感阵列30的传感元件26，如图22所示。一个微控制器5与每个传感器瓷片2的电路板4关联，如图22所示。和电子电缆10一样，网格瓷片2在物理上连接形成一个连贯的传感装置1，如图36所示。
然后，对于每个传感器瓷片2，瓷片的微控制器5在本文所描述的子区域中的每个连续的行/列对的传感元件上扫描压力值以形成一个压力图像。
在每个传感器瓷片2上，瓷片的微控制器可选地对收集的传感器图像数据进行压缩，忽略其值低于一个选择阈值的所有数据(即该数据被重定义为等于零)。使用压缩技术，如运行长度编码，将非零数据构成数据包。
标记有其发起的瓷片身份的数据包以一个通用数据通信协议的方式发送，该协议为传感装置1网格中的全部瓷片2的微控制器所共用，如图37所示。一个传感器瓷片被指定为主瓷片7。该瓷片具有连到主机3的一个USB或类似的通信接口9。该主连接瓷片7发送所有压缩包到主机3，如图36所示。
在主机3上，数据包组成一个压力图像。各个瓷片的识别，各个数据包的存储，连同关于各个瓷片相关位置的预存储信息，如图38所示的一个组织的瓷片在相应的采样瓷片拓扑表(下表)用于主机3将每个子图像放置在完整的多瓷片压力图像中适合的位置。
对应图38的采样瓷片拓扑表
瓷片ID 行 列
T-0 0 0
T-1 0 1
T-2 0 2
T-3 0 3
T-4 1 0
T-5 1 1
T-6 1 2
T-7 1 3
T-8 2 0
T-9 2 1
T-10 2 2
T-11 2 3
可选地，与各个瓷片关联的微控制器间的协议可以在瓷片网格中自我识别邻居节点信息。在这个选项中，基于瓷片网格和主机间连接的初始化，每个微控制器直接通过共享的总线发送数据包，其识别其连接的所有邻居，以及该邻居(北、东、西或南)的瓷片ID和方向，如图40所示。在图40和采样瓷片拓扑表和采样瓷片相邻表(下表)中，该瓷片ID指定为T-0、T-1等。该主机将信息存储在一个瓷片ID索引的表中，如瓷片拓扑表所示(下表)。每个表项目包含一列一和四间该瓷片各自北、南、东和/或西列的邻居ID。如前面的实施例所述，瓷片相邻表是手动配置，主机3使用该连接信息将收到的所有数据包组成连贯的重建测量压力数据图像，通过以以下方式来自所有瓷片的所有传感元件的传感元件数据：在每个时间步骤，从主瓷片的位置开始，将主瓷片的压力数据放置在一个对应该瓷片传感元件测量的数据的特定内存块中，然后将该主瓷片邻居的数据放置在它们相对主瓷片的适当位置，再将这些邻居的数据放置在它们各自相对位置，等等，在整个连接图进行广度优先遍历。直到瓷片的所有数据已经被合适地放置在瓷片拓扑表上它们各自的位置中。该方法的一个优点是，它能够适应任意安排的瓷片。
上述方法依赖于每个处理器知道其邻居的身份。在一个实施例中，处理器在初始化时间通过以下步骤确定这些身份：(1)主机沿着共享总线依次向各个瓷片的微控制器发出邻居确定信号。一个微控制器只有当邻居确定信号的寻址目标是其自身独特的ID才响应该信号；(2)接收到该信号，处理器依次向其紧靠的北、南、东和西邻居发出身份查询；(3)当一个处理器接收到这样一个来自邻近处理器的身份查询，它通过共享总线将自己的ID输出到主计算器，该主计算器将邻居节点信息存储进一个软件表中，如下面的瓷片相邻表。通过这种方式，主机可以建立所有瓷片的所有邻居ID。
对应图38，显示邻居查询结果的采样瓷片相邻表
瓷片ID 北 南 东 西
T-0 无 T-4 T-1 无
T-1 无 T-5 T-2 T-0
T-2 无 T-6 T-3 T-1
T-3 无 T-7 无 T-2
T-4 T-0 T-8 T-5 无
T-5 T-1 T-9 T-6 T-4
T-6 T-2 T-10 T-7 T-5
T-7 T-3 T-11 无 T-6
T-8 T-4 无 T-9 无
T-9 T-5 无 T-10 T-8
T-10 T-6 无 T-11 T-9
T-11 T-7 无 无 T-10
瓷片的无缝对接以创建一个无缝压力传感设备
可以通过对LCD阵列的分析来描述无缝瓷片传感器整列的难点。当排列一组LCD显示器来创建更大的图像，在连续的显示器间通常存在明显的间隙。该间隙的产生基于每个显示器图像区域的外部有边沿连接和电子器件的事实。存在基于压力传感器阵列的FSR，如TekScan传感器阵列，遭受同样的问题——被连结器和电子元件所占据的围绕有效传感区域的非零区域产生了几何间隙。由于这种间隙，多个TekScan传感器不能够平铺成一个无缝的更大的传感平面。
多个TouchCo传感器不能无缝地平铺则是因为一个不同的原因：由于TouchCo传感器方法要求根据连续有效导线间的FSR材料的连续区域的空间插值，该传感器不能够无缝地插值在传感阵列上不是连续的导线间的任何区域中。因此，该传感器不能无缝地插值穿过不同物理传感器。
本发明的方法利用物理插值层可以跨越物理上不同的瓷片。因此，该技术的一个新颖特征是即使在物理上不同的传感阵列瓷片间也能够无缝地插值检测到得力。
从连续的上接触层到不连续的传感器层的力的再分配机制：
在有源传感阵列20的顶部设置有机械层。该层的目的是将向下施加到机械层上的力进行再分配，使得所有的力都传输到有源传感阵列20表面的有效区域，其中“有效区域”定义为上部和下部导线23交叉的任何区域，在该交叉的位置FSR材料24夹在上部和下部导线23之间，如图10和11所示。特别地，每个这样的交叉点对应测量压力数据的一个传感元件26。
为清晰起见，传感元件26在导线23的交叉点包含所有有源传感阵列20上的所有材料，使得在该区域能够对力进行电子测量。传感元件27的有效区域对应于该传感元件放置位置所对应的有源传感阵列20表面的内部或外部区域，特别地，力将集中施加在该区域。因此，“与传感元件接触”意味着与对应该传感元件的有效区域接触。
在一个实施例中，如图16所示，将半刚性接触层31和突起30构造成一个单一的部分，实现为一个下面具有小凸起的薄半刚性板。突起30是间隔开的，因此，当这部分静止位于有源传感阵列20上，每个突起20位于对应传感元件27的一个有效区域上，即瓷片上导线23交叉的小区域，FSR材料24夹在上部和下部导线23之间，如图17所示。图16展示了具有突起33的半刚性触摸表面。
这种结构形成了一种机制：触摸表面外侧的一个位置连续变换的触摸将对施加在最接近触摸位置的传感器交叉点的相对的力产生一个相应的连续变化。当这些相对的力作为数据图像的一部分发送到主机，其允许该主机通过简单的算术插值重建该触摸的位置。
图15和图17展示了带有位于有源传感阵列20顶部的突起33的半刚性接触层的示意剖面图。在这个实施例中，隆起30作为一个紧密融合的部分33牢牢地固定在半刚性平接触层21。该部分33位于有源传感阵列20不导通基底21的顶部，其包括一个上表面21、一个下表面21，这两个表面的每一个都包含一个FSR层24。在这个图中，没有显示有源传感阵列20的导线23。在最内层上是为该装置反作用表面力提供刚性基底的固体支持层32。
在图17中可以看到，突起30只有在有源传感阵列20的有效区域27接触传感瓷片的上表面。
当相邻传感器元件位于物理上不相交但相邻的瓷片上，这种重新分配压力的方法同样起作用，如图18所示。在图18中，各个瓷片的各组分层都是相同的，其结构如上所述并如图15和17所示。图18展示了一个连续横跨多个瓷片的板的半刚性触摸和突起层33，物理再分配的压力34在传感器元件之间，而这些传感器属于不同的物理传感器阵列瓷片。
图18还展示了一个实施例，有源传感阵列20卷绕其中一个瓷片的边缘，以将该瓷片的连结器尾部25线连接到瓷片的印刷电路板4，该电路板位于支持层32的下面。
图18说明了横过相邻物理瓷片的无缝传感，通过在该实施例中的半刚性触摸和突起部分33使用机械力再分配，分配不同瓷片上相邻传感元件间的力而不需要底层瓷片自身间的机械连接。当该瓷片阵列正在运作，下面两种情况间的信号响应没有差别：(a)在相同物理瓷片上的相邻传感元件；(b)在不同但是相邻的物理瓷片上的相邻传感元件。
在任何给定的时间步骤，当一个力施加在两个相邻瓷片间的缝隙上，这个力的一部分分配到半刚性触摸和突起层33的最右边的隆起，触动左边的瓷片，这个力剩余的部分分配到半刚性触摸和突起层33的最左边的隆起，触动右边的瓷片，如图18中实施例的横截面图所示。
这两个单独的力信号将被左边瓷片和右边瓷片各自的微控制器检测到，并将被各自瓷片发送到主机，作为该时间步骤瓷片各自力图像的一部分。
接着，根据沿着左边瓷片的力图像的最右边缘和沿着右边瓷片的力图像的最左边缘的各自值，该主机通过使用完全相同的线性插值将能够重构施加在这两个相邻瓷片上的力的位置，该线性插值用来计算施加在一个单一的瓷片中的两个导线间的力的位置。
从最终用户和软件应用程序开发人员的角度来看，结果是使得传感阵列瓷片网格上的触摸无论是在一个单一瓷片还是在网格的两个相邻瓷片间，都没有区别。
有源传感阵列的物理实现
在一个实施例中，导线23是印有金属油墨并在一个非导电基层22(如塑料)上，如图3所示。所有导线23可以有相同的线宽，导线23的布线将形成一个连接到瓷片电路板4的连结器尾部25，该尾部可能有不同的/更薄的线宽。在一个瓷片的一个实施例中，电流板4位于有源传感阵列20的下方，连到瓷片印刷电路板4的连结器尾部25可以绕过突起31和支持层32折叠到瓷片的底部，如图33和图34所示。这样的安排使得相邻的瓷片可以平滑连接，在传感区域的相邻瓷片间没有间隙，如图18所示。
一个本发明的有源传感阵列20的表面板21的印刷电导线23的实施例，如图5所示，所有导线23都为0.5mm宽，并相隔3/8”的距离，连结器尾部25的线宽为0.25mm。
FSR油墨24在导线23上按图6所示排列印制成1平方毫米的网格，造成图3所示的传感器表面板21。
注意，FSR油墨24只需要印制在顶层和底层间导线交叉位置的传感器周边，如图3、10和11所示。这种安排导致每单位面积FSR的使用量很少。
图6展示了FSR层23印制在本发明的有源传感阵列20的传感器表面21上的导线23上的一个实施例。在这个实施例中，所有导线23都为0.5mm宽，并相隔3/8”的距离。因此，每1平方毫米的印制FSR24是一个略大于0.5mm×0.5mm平方的导线23的交叉点的面片，如图10中的分解图所示，因此导线交叉的区域能够完全被FSR材料覆盖，如图11所示，在网格位置传感元件27的有效区域显示为阴影线的部分。
图2为一个磁盘的有源传感阵列20的顶部和底部传感器表面板21的导线23处于最终工作位置的叠加分解视图。在一个实施例中，所有的导线都为0.5mm宽，并相隔3/8”的距离。图1显示的连接到瓷片电路板的连结器尾部25还没有折叠到瓷片下面。因此，这些连结器尾部25在垂直和平行边缘伸出。
为了测试导线23的最佳宽度，本文的技术包括一个测试法，其制造了一个测试有源传感阵列20，该阵列上印制的一个测试传感器表面21行间(在列的传感器正面)的导线23的厚度是变化的，如图9A所示。这种有源传感阵列20的测试版本允许为任何给定应用在最后生产的瓷片中选择最优的线宽，如图9B所示。图9B展示了导线23(带有并列的顶部和底部传感器表面21)。
图8展示了为一个具有渐变导线宽度的有源传感阵列20的测试实施例，印制在传感器表面板21上的电阻油墨24图案的测试图案，其用于测试最优导线23宽度，如图9A所示。图9B展示了一个单一瓷片，有源传感阵列20顶面21导线23和测试有源传感阵列20底面21的导线23处于最终工作位置的传感器板21的叠加。
顶部和底部油墨图案如何可以是相同的，仅旋转了90度并翻转：
在一个本发明导线23图案的实施例中，有源传感阵列20区域是方形的，瓷片2的有源传感阵列20的顶部和底部传感器板21完全相同。该底部传感器板21相对顶部传感器板21旋转了90度并翻转。当上述完成之后，交叉点和印制的FSR24彼此排列，正如图2所示。
电子元件直接印制和/或组装在传感器阵列上：
在一个实施例中，比起需要一个单独的印刷电路板(PCB)，所有电子元件可以直接印制和/或组装在传感器阵列20上，从而大大减少了生产成本和复杂性。
力敏电阻(FSR)：
力感应电阻包含半导体材料，其根据应用到表面的力改变电阻。FSR通常包含导电和非导电粒子，使得该材料成为半导体。FSR通常作为一种板或油墨提供，可以通过丝网印刷工艺得到应用。FSR是低成本并耐用的。
固件
对于每个瓷片组，有三种类型的固件：从机、主机和主机通信。该从机固件位于每个传感器瓷片的微控制器上，用于收集传感器的压力信息。该主机固件安装在至少一个微控制器上，管理瓷片组间的通信。主机通信固件传输压力数据到计算机。
从机固件
从机固件使用微控制器上的数字和模拟I/O引脚来扫描传感器以得到压力信息。当连接的时候，该组行和列导线分配为输出或输入导线。输出导线可以提供一个正电压或设置为地。输入导线可以设置为地或者从导线读取电压。在每一帧的开始，一个输出导线设置为一个正电压，而其余的输出电线设置为地。除了一个输入导线扫描来自输出和输入导线的交叉点的电压，其余输入导线同样设置为地。然后，该固件扫描下一个输入导线，同时设置其他输入导线接地。在所有输入导线都被扫描完后，设置下一个输出导线为正电压，设置其他输出导线接地，重新扫描输入导线。重复所有的电压导线，直到每个交叉点都被扫描。
在一个实施例中，32列导线连接到数字I/O引脚上，32行导线连接到附加的数字I/O引脚上，其可以读取不同的电压等级。使用从机固件算法给出一个32×32阵列的传感元件数据，在每个交叉点具有4096个压力等级。
主机固件
主机固件处理从个别瓷片到其他主瓷片或计算机的信息流。在主机和从机微芯片间建立了一个通信协议以获得压力帧信息。该协议拓扑变化依赖于该瓷片组的大小、形状和期望的行为。在该通信协议中，数据可以由主机微控制器轮询或流入主机微控制器。在一个轮询系统中，该主机从个别瓷片请求帧，处理到主瓷片的数据流。在一个流式系统中，该传感器尝试将其数据流入主机，直到数据被接收。传递到主控制器的数据可以代表整个数据帧或可以压缩。在一个例子中，运行长度编码通过移除重复的零减小帧的大小。其他压缩形式包含发送两帧的差别。通过只发送帧间的差别，静态对象在传感器上没有压力变化，因此不需要发送关于该区域的任何连续数据到主机。
在一个实施例中，多个瓷片间建立了I2C总线协议。每个从瓷片11上的从控制器发送信息到主瓷片7的主控制器上。在图37中，展示了I2C总线的示意图，其使用的串行数据线(SDA)96在从机和主机间传输数据，使用的串行时钟(SCL)97保持时间和电源或Vdd98。
在另一个实现中，瓷片可以使用RS-485通信协议，并以菊花链多点设置的方式连接在一起。图38展示了一个矩形网格从瓷片11以菊花链S模式连接到主瓷片7上。该主瓷片7作为主机通信器瓷片12，通过USB9与一个外部计算机连接。
接着，积累的压力数据通过一个额外的通信协议发送到请求设备。在一个实施例中，主控制器和计算机间通过串行USB电缆建立了一个UART点对点通信。压力数据从微控制器发送到位于主机的软件驱动器上。
在另一个实施例中，如图39所示，在网格中可以有不止一个主瓷片7。对于更大区域和/或更远的距离，瓷片组可以划分为多个区，将数据职责分到多个主机7。可以通过多种通信协议将多个区的数据收集到计算机，或者可以使用一种树形结构，使得数据沿着数的主机向上发送，直到该数据达到所需的位置。在其他实施例中，可以使用一个多主机协议以允许从机11在相同的总线划分在多个主机间发送的数据，减小单个主机7收集数据的负载。这些主机可以是但并不一定是传输数据到计算器的主通信器瓷片12。
从一个实施例的各自部分的视角看整个过程的步骤：
硬件组件列表
主机3
USB连结器9
印刷电路板8
微控制器5
半刚性接触层31
有效传感区域20
物理基底支持层32
交互瓷片通信电缆10
邻居查询/感应导线13
交互瓷片物理链路连结器71
装置外壳/框架14
计算机3通过连在瓷片网格中的主通信瓷片12上的USB连结器9与网格瓷片7&11相连，入图36所示。
交互瓷片物理链路连结器71将瓷片彼此物理连接，入图41、42A和42B所示。
交互瓷片物理链路连结器71的大小必须合理设定，以保持相邻瓷片传感元件间相同的距离，以及标准(在瓷片中)传感元件间距。
图45展示了两个相邻瓷片保留的交互传感元件26的距离在瓷片2上得到保持。
在一个实施例中，交互瓷片通信电缆10以菊花链的方式连接瓷片，如图38所示。
图38展示了一个从瓷片2链连到主机7/主通信瓷片12，接着通过USB9连到计算器3。
该瓷片不需要任何特定的几何配置。事实上，它们形成的表面可以不连续。图43展示了一个非连续的瓷片2排布的一个菊花链连接。瓷片2通过一个菊花链的交互瓷片连接10连接在一起。其中一个瓷片充当主机7和主连接瓷片12，并且有一个到主机3的连接9。
查询/感应导线(QSW)84-87也连接在相邻的瓷片间。
北QSW84将连接到其上面瓷片的南QSW85(如果存在)。
南QSW85将连接到其下面瓷片的北QSW84(如果存在)。
东QSW86将连接到其左面瓷片的西QSW87(如果存在)。
西QSW87将连接到其右面瓷片的东QSW86(如果存在)。
图40展示了具有N/S/E/W邻居查询/感应连接的采样网格瓷片。
图119所示的一个实施例中，每个瓷片2包括：
支持层32
具有微控制器4的印刷电路板。
该印刷电路板4可能安装在支持层32的底部。
交互瓷片通信电缆10连在印刷电路板4上，用以连接到相邻的瓷片2。
四个查询/感应连接线84-87连到印刷电路板4上。
该主通信瓷片12的主通信瓷片印刷电路板95也将有一个与主计算器3连接的USB连接线9。在单个瓷片实施例的情况下，该单个瓷片的印刷电路板4还可以提供主通信瓷片的功能。
一个由N×M网格传感元件和控制导线23组成的有源传感阵列20。
该有源传感阵列20位于支持层32上。
该有源传感阵列20被支持层32的边缘包着。
该有源传感阵列20通过有源传感阵列20上的连结器尾部25插入PCB4。
突起30固定在有源传感阵列20的外表面对应传感元件26的位置，图119展示了一个具有突起55的有源传感阵列的实施例。
半刚性接触层31
该半刚性接触层31位于有源传感阵列20的顶部。
在一个实施例中，如图1-6所示，一个N×M网格传感元件的有源传感阵列20包括：
N行导线23的一层；
M列导线23的一层；
在行/列交叉点处的力敏电阻(FSR)；
具有分别对应行和列导线的N和M条导线的连结器尾部25.该连结器尾部被分成16个区。
图119展示了分成16个区的连结器尾部25。
图46为同时作为主通信瓷片12和主瓷片7的瓷片功能的电路框图。该主机3通过一个标准协议连接到主通信瓷片12，该协议如USB，其数据通过Rx78和Tx79传进传出。可以通过USB电缆，从计算机3经过一个微控制器5需要的电压调节器76，提供电源。该有源传感阵列20通过将有源传感阵列20的连结器尾部25插入印刷电路板上的尾连接夹16，连接到印刷电路板4。该主瓷片7通过通信协议，如交互瓷片通信电缆10连接的I2C，与从瓷片通信。由主瓷片7或所需的外部电源供应器17向所有从瓷片提供电源或Vdd98。向所有有效元件添加一个公共地Vss99，完成该电路。
图47为从瓷片11的框图。该微控制器5与其他瓷片(包括主瓷片7)具有相同的电源(Vdd98)/地(Vss99)电路。该有源传感阵列20通过将有源传感阵列20的连结器尾部25插入印刷电路板4上的连结器尾部夹16连接到PCB4。从磁盘11通过通信协议，如交互瓷片通信电缆10连接的I2C，与其他瓷片通信。
瓷片外壳/框架
整个瓷片2组件可以安置在由塑料或其他材料制成的框架内。
任何外壳框架边缘的宽度必须足够薄，以保持瓷片上交互传感元件的距离，如图45所示。
通过一个捕获并传输穿过多个瓷片的压力图像数据到主机的实施例的步骤，创建一个完整的时变多瓷片压力图像。
每个瓷片包括(沿着根据上面描述的支持电子器件)：
可编程微控制器器5；
传感器数据采集和通信的微编码(如下所述)；
具有N列和M行的有源传感阵列20；
支持主机/从机总线的交互瓷片通信导线10，如I2C，如图38所示。
该主通信瓷片12(如图38中的T-0)包括：
一个到主机3的USB连接9。
注意：标准情况下，商用微处理器提供交互电路通信协议，如I2C。
例如，美国微芯科技公司的PIC24HJ256GP610微控制器提供I2C支持
I2C是一种工业标准的主机/从机总线协议
I2C为总线上的从机动态分配独特的ID提供协议
注意：标准情况下，商用微处理器提供USB。
例如，美国微芯科技公司的PIC24HJ256GP610微控制器提供USB支持
注意：标准情况下，商用微处理器可以同时支持I2C和USB通信。
例如，美国微芯科技公司的PIC24HJ256GP610微控制器有这个能力
根据以上所述，该方法将假设：
主通信瓷片12将包含主通信瓷片固件；
在图38所示的例子中，瓷片T-0作为主通信瓷片12以及网格的主瓷片7；
所有其他瓷片将作为从瓷片11；
从瓷片11将包含从瓷片固件；
从瓷片11根据I2C标准协议将获得独特的ID。
瓷片微控制器上的固件执行几个不同的任务：
本地瓷片传感器网格压力图像捕捉；
从机11获得数据送到主机瓷片7和/或主通信瓷片12；
将本地瓷片传感器网格压力图像传送到主机3；
将瓷片拓扑和/或邻居数据传送到主机3，以在主机3上重构多瓷片压力图像；
相邻瓷片拓扑邻居数据动态发现的初始化。
注意，如果预先分配的ID随着瓷片拓扑的手动存储应用到瓷片中，则不需要该步骤。
在一个单一瓷片装置的实施例中，该单一瓷片也充当主通信瓷片12。在一个区装置实施例中，即一个装置包含具有单一主瓷片7的网格瓷片，如图38所示，该单一主瓷片7也充当主通信瓷片12。在一个多区装置实施例中，即一个装置包含具有多个彼此通信的主瓷片7的网格瓷片，如图39所示，其中一个主瓷片也充当主通信瓷片12。
在一些实施例中，主瓷片功能的电路和微编码可以在一个单独的印刷电路板上，可能也可能不物理连接到主瓷片7上。同样，在每种情况下，在一些实施例中，主通信瓷片功能的电路和微编码可以在一个单独的印刷电路板上，可能也可能不物理连接到主通信瓷片7上。
布在两瓷片间的每条连接电缆，如交互瓷片通信电缆10或主机到主机多区连接电缆94，同时是其中一个瓷片的“入站电缆”和其他瓷片的“出站电缆”。相对于一个特定的瓷片，“入站电缆”是来自传感数据包流入主机的链上的瓷片，“出站电缆”反之亦然。例如，对于图38，T-1和T-2间的电缆对于T-2是一个入站电缆，对于T-1是一个出站电缆。
图44展示了进/出各自瓷片印刷电路板4的电缆/导线的瓷片实施例：
所有瓷片都有查询感应导线84-87；
所有瓷片都有进入到它们连结器尾部夹16中的连结器尾部25；
一个区的主瓷片7和非终端从瓷片11有出站交互瓷片通信电缆89；
从瓷片11有进站交互瓷片通信电缆88；
主通信瓷片12将有一个USB电缆(在一个实施例中)；
在一个多区装置中，一个区的主通信瓷片12和非终端主瓷片7有出站主机到主机多区通信电缆74；
在一个多区装置中，一个区的非通信主瓷片7有入站主机到主机多区通信电缆73。
(1)本地瓷片传感器网格压力图像捕捉(主机和从机)
该图像捕捉微编码将保持N×M数量的压力图像缓冲区，其保存测量到的对应一帧瓷片压力数据的传感元件值。这个缓存冲区中的值由以下方式测得：
压力图像缓冲区的(i，j)元素对应一个行列交叉点的压力值；
根据上文所述方法，对该图像缓冲阵列(i，j)元素的测量如下：
除了i-th输出导线，设置其他所有输出导线接地；
设置i-th输出导线为正电压；
除了j-th输入导线，设置其他所有输入导线接地；
固件将扫描j-th输入导线，读取其数字值；
该值将存储在压力图像缓冲区的(i，j)元素中。
通过遍历所有N和W导线，测量到完整的N×M压力图像缓冲区数据。
(2)从机11获得数据送到主机瓷片7
主瓷片7上的微编码将轮询每个从瓷片11，以得到压力图像数据
每个从机汇报的数据包将包含瓷片ID和压力图像缓存区数据
为简单起见，假设压力图像缓冲区数据是瓷片图像缓存的完整副本
可选地，它可以为运行长度编码
可选地，它可以提供增量(只有与先前汇报缓冲区不同才变化)
或者，这两者或其他技术可以用来提供数据传输子系统的性能。
从瓷片11上的微编码将收到轮询请求，并根据上述方法发送数据包作为响应，该数据包为瓷片ID+压力图像缓冲区数据。
(3)将来自主瓷片7的本地瓷片传感器网格压力图像传送到主机3，按实施例所描述，该主瓷片7也充当主通信瓷片12。
展开上述(2)，该主通信瓷片7将
对于每个从瓷片11
通过I2C总线轮询每个从瓷片11，以得到压力图像数据
通过I2C总线接收从瓷片11的压力图像数据
通过USB将从瓷片11的压力图像数据送到主计算器3
通过USB发送其自身的压力图像数据(如果其连到一个瓷片上)到主计算器3
通过不断重复上述步骤，主机3将会收到瓷片2集合的流式时变压力图像数据。
(4)在主机上重构一个多瓷片压力图像
在一个A×B行/列网格的压力瓷片2的实施例中，每个瓷片在它们各自的有源传感阵列20中包含N×M行/列网格的传感元件26，生成一个(A*N)行和(B*M)列网格可寻址压力数据的有效压力表面，其能够重构压力图像。
一个主计算器上的瓷片拓扑数据表格可以保持相对于整个瓷片拓扑网格的瓷片位置。
在一个实施例中，其可以被手动存储在主计算器中
在另一个实施例中，其可以由瓷片动态构造
相邻表格
对应图39所示装置配置的采样瓷片拓扑和瓷片相邻表格在前文已经出现。
当带有所提供的瓷片ID的每个瓷片的压力图像缓冲区数据被接收
该瓷片行r、瓷片列c、值可以在瓷片拓扑表中查找
通过将瓷片传感元件从(i，j)映射(r*N+i，c*M+j)，该压力图像数据可以映射到连贯的(NxA)x(MxB)的整个压力图像
(5)相邻瓷片拓扑动态发现的初始化
在初始化阶段，所有瓷片的相对位置可以通过下面的一系列数据交换(除非另有说明，否则在I2C总线上)获得。
主瓷片7上的微编码执行如下：
对于每个从瓷片11和主瓷片7
对于每个北、南、东、西方向
发送一个数据包请求，瓷片根据查询瓷片ID的方向打开相应的查询/感应导线(北84、南85、东86或西87)
数据包内容：查询瓷片ID和要打开的方向
从合适的瓷片接收查询/感应响应数据包
数据包内容：“检测到”，方向(北/南/东/西)，检测的瓷片ID，查询瓷片ID(从检测瓷片)
数据包内容：“没有连接”，方向，查询瓷片ID
通过USB发送响应数据包到计算机3
从机上的微编码指定接收“有效导线”请求，以打开查询/感应导线
如果该瓷片在指定位置没有检测到瓷片(可能由于终端电阻)
发送一个“没有连接”响应数据包到主机
数据包内容：“没有连接”，方向，查询瓷片ID
否则。打开指定方向的查询感应导线(北84、南85、东86或西87)
从机上的微编码从其相应的查询状态导线(北84、南85、东86或西87)检测查询导线状态的“开启”
发送一个“检测到”和其瓷片ID数据包到主机
数据包内容：“检测到”，方向(北/南/东/西)，检测的瓷片ID，查询瓷片ID(从检测瓷片)
注意，检测到的导线方向与检测到得瓷片方向相反，即：检测北导线84表示瓷片在南面；南导线85表示瓷片在背面；东导线86表示瓷片在西面；西导线表示瓷片在东面。
在一个N×M矩形网格瓷片的实施例中，如下所述，可以从“瓷片相邻表”构造成一个“瓷片拓扑表”：
创建一组M排序列列表，其瓷片ID对应于北/南连接
对于每个M瓷片ID，北方邻居为“没有”
查找有南方邻居的瓷片ID
迭代，直到获得南方邻居为“没有”的瓷片ID
按如下方法从左往右排列M排序列列表：
查找列列表组的第一个元素，其在东向为“没有”。这是做左边的列(即0列)
查找第一个元素为前一个找到元素的东向的列列表
迭代，直到该列列表的第一个元素没有东边邻居
现在可以通过得到瓷片ID的各自行/列数目填充该相邻表
该列数目来自排列的列列表位置
该行数目在各自列列表的位置
建立的实际原型的描述
原型建立的一个例子的描述：(a)用于每一层的实际材料，(b)尺寸，(c)每个瓷片的尺寸，(d)使用多少个瓷片，(e)产品数量和制造给定组件的公司
基本上所有关于原型的细节。其可以以任何形式，如一个表或列表，可以为应用提供信息的任何最简单的方式。
(a)每一层用到的实际材料
用于每个传感瓷片的个体传感材料包括5密尔厚的塑料基层、印制的银电极(以3/8”间距放置)和在网格交叉点附件的小矩形FSR材料。
(b)尺寸
每个传感瓷片的有效传感区域为12”×12”
(c)每个瓷片的尺寸
每个瓷片都为12”×12”，导线间的间距为3/8″。
(d)产品数量和制造给定组件的公司
元件表
(e)压力敏感度
为了测试原型的压力敏感度，安置有四个点的5g基底放置到位于一个导线交叉点顶部的其中一个点。5g和100g重量加在基底上，以创建5g到300g的重量范围。该交叉点受到四分之一的该重量，因此在该交叉点的重量范围为1.25g到75g。只有大于2.5g的重量值才能够被计算机记录。经过计算机线性扩展后，值的范围从46.87到1320.71。
要点
所有组件列表
集成的突起和基底层42
有源传感阵列20
半刚性接触层33
USB电缆9和USB收发器80
计算器3
主瓷片7
运作：表面上的观点
放置一个或一个以上对象与压力感应装置1接触。该压力感应装置1将对应表面上对象的空变压力的压力二维数组发送到计算机。
用户在多个位置触动该压力传感装置1，该装置同时指示出每个位置的位置信息和压力。
接下来的实施例与带有突起33的半刚性接触层和附有突起55的有源传感阵列的实施例类似，上文描述了后者的所有方面，除了力是如何传递到有源传感阵列20上的传感元件26。在集成的突起和基底层42的组件中，其可以通过有源传感阵列20置于半刚性层31和集成的突起和基底层42间的组件完成，如图19所示。所有途径导致施加的力的值可以被有源传感阵列20上的每个传感阵列测量。因此，所描述的插值、由微控制器5扫描的传感元件26数据、网络从瓷片11和主瓷片7，以及其他超出传感元件26压力测量的技术都以类似的方式实现。
集成突起和基底层42的实施例相比半刚性接触层33在制造和装配上可能更简单，并且成本更低。在这个实施例中，半刚性层31可以独立于任何单独的压力瓷片2，并且可以跨过任意数量的压力瓷片2。这大大简化了压力传感装置1的装配和校准。具有沿着相邻压力瓷片2的无缝半刚性接触层自然导致到传感元件26的力的相同且无缝的分配，无论传感元件是在相同或相邻的压力瓷片上。
此外，集成突起和基底42层的一个实施例可能包括印刷电路板的外壳和瓷片连接电缆(如交互瓷片通信连接电缆10和多区电缆94)的凹槽，从而减少压力瓷片2组件的零件数量。
该压力传感装置1可以合入一个机械力在分配机制，其适当地分配压力，使得感应的压力很好地分配给瓷片中的传感元件。
该具有突起30的半刚性接触层可以被一个组件代替，该组件与压力瓷片2的支撑基底自身是机械上的整体。这使得制造更容易，成本更低，并且更加健壮，此外，更容易避免传感元件26与突起30间的位置未对准。
为了创建一个多压力瓷片2的压力传感装置1，以提供无缝和连续的插值接触响应，该需要在多个压力瓷片2间共用的唯一的机械元件时一个无特色的板材，如塑料，其位置不需要与网格传感器瓷片中的传感器位置被准确记录。
内部工作的一步一步描述：
当手指或其他对象施加向下的力34到半刚性接触层31上，内部运作开始。
该力从半刚性接触层31传递并妥当地分配到有源传感阵列20的传感元件26上。接着，施加到每个传感元件26上的力施加到集成突起和基底层42相应的突起30上。这将在每个传感元件26与相应突起30接触的有源传感阵列20部分产生一个力的集中，从而创建一个力将位于包含传感元件26的有源传感阵列20区域的两个相互接触的FSR材料24区域压缩在一起(有源传感阵列20外导线上的一个FSR区域与有源传感阵列20导线23上相应的FSR材料24接触)。
该压缩在相互接触的两个FSR材料24区域间增加了电导率。当传感器的微控制器5扫描有源传感阵列20的传感元件26矩阵，传导率的每个变换将以电压变化的方式被测量到，该电压由微控制器通过一个模数转换器(ADC)83检测，该微控制器5再将其编码为数字信号。接着，该微控制器5通过USB电缆将该数字信号发送到主机3。
该技术与具有突起33的半刚性接触层技术不同，对于后者，突起30的内表面与有源传感阵列20的外表面接触，如图15所示，对于前者，具有集成突起和基底层42，突起30的外表面与有源传感阵列20的内表面接触，如图121所示。这种机械排布允许力集中在有源传感阵列20的传感元件26上，从而只要在相邻传感元件26间进行空间插值，而不需要有源传感阵列20上的突起30.
一个微控制器5可以关联到每个压力瓷片2。
每个层的一般用途
图19为具有以下元件的压力瓷片2的分解图：集成突起和基底层42、有源传感阵列20、半刚性接触层31。在有源传感阵列20上的导线23交叉点为FSR材料24传感元件26的位置。当这些层放置到接触位置，有源传感阵列20中的每个交叉点都与集成突起和基底层42中的相应突起30对齐。
图20为具有以下组分的压力瓷片2的剖视图：与有源传感阵列20接触的半刚性接触层31；与集成突起和基底层42的突起30接触的有源传感阵列20。集成突起和基底层42上的突起30与有源传感阵列20上的传感元件26区域对齐。
有源传感阵列20：如图1所示，有源传感阵列20由两个彼此面对面的传感器表面片层21构成，其中一个传感器表面片层21相对于另一个传感器表面片层21旋转了90°，如图2所示。图4展示了在图3中完成的传感器表面片层21的各层。在两个传感器表面片层21中的每一个上都印刷有导线23。少量的力敏电阻(Force Sensitive Resistive，FSR)材料24间隔印刷，从而当两个衬底相互接触、同时FSR材料24侧彼此面对时，印刷在每个传感器表面片层21上的FSR材料24位于导线23的网格的交叉点周围。重叠的FSR材料24的网格交叉点包括传感元件26，其可测量压力。
一体式突起与基底层42包括突起30的网格，这些网格的分布使得当有源传感阵列20附于该层上时，其中一个突起30直接坐落在多行与多列电极的联结点处的有源传感阵列20的传感元件26的下方，在此FSR材料24层被夹在中间，从而可在每一交叉点处测量压力。
半刚性接触层31与一个或多个有源传感阵列20相接触，每个有源传感阵列与各一体式突起与基底层42中的突起30相接触而搁置。作用在半刚性接触层31上的压力将使压力集中在直接位于一体式突起与基底层42上的突起30上方的传感元件26上。在一种实施方式中，半刚性接触层31为乙烯基片，其厚度在0.5mm到1.0mm之间。在单一瓷片配置的另一实施方式中，有源传感阵列20的非导电表面衬底22可用作其自身的半刚性接触层31。在其它实施方式中，半刚性接触层31可由玻璃、金属或其它任何材料制成，这些材料的厚度能选择，以使半刚性接触层31的刚度在可用刚度范围内。
图21、22和23中的半刚性接触层31分别为：图21：过于刚硬；图22：在可用刚度范围内；图23：不够刚硬。在每种情形中，手示意了力34的施加，箭头示意了传输至基底56并到达压力瓷片2的基底32的不同部分的作用力。
可通过以下最大刚度和最小刚度的限制条件，分别定义具有“可用刚度范围”的半刚性接触层31：如果在半刚性接触层31外表面的1mm直径圆周区域内的外部作用力施加在由一体式突起与基底层42上的矩形转角处的四个最近突起30所界定的矩形区域内，该外部作用力导致的压力作用在一体式突起与基底层42的各突起30上、而不是作用在四个最近的突起30上，则半刚性接触层31过于刚硬，如图21所示。例如，1cm后的玻璃板用作半刚性接触层31将过于刚硬。如果作用力34的施加使力作用在那些最近的突起30上、而不是一体式突起与基底层42的其它突起30上，也不是图22所示的突起30之间的支撑层32的下表面，则半刚性接触层31在有用刚度范围内。如果同一作用力34的施加使半刚性接触层31达到足够程度的形变，使半刚性接触层31与位于那些四个突起30之间的一体式突起与基底层42的区域物理接触，从而使力分散在有源传感层20的无源区域上时，如图23所示，半刚性接触层31不够刚硬。例如，0.5mm厚度的橡胶片用作半刚性接触层31将不够刚硬。
在一种实施方式中，半刚性接触层31由杨氏弹性模量为约0.33GPa′sor49000psi、厚度为1.0mm的乙烯基片构成，对于1mm高度、3/8″间隔的突起的原型实施方式而言，该乙烯基片将落入无效刚度范围内。其它材料可能满足，但随着杨氏模量的增大，材料的厚度应当相应地减小，以将材料的弯曲或弹性集中在不超过2×2个方形的传感元件30的区域内。
半刚性接触层31的整体尺寸和形状可做成与装置1的压力瓷片2的网络化网格的整体尺寸和形状相匹配。
一体式突起与基底层42包含面向上方的突起30的网格，这些突起30的分布使得当有源传感阵列20位于该层的外部表面上时，每个突起30都与有源传感阵列20的传感元件26之一的有源传感区域27对齐，如图20所示。
半刚性接触层31与有源传感阵列20的外部表面相接触。从上方向该接触层作用的力34将由于与一体式突起与基底层42的相应突起相接触的传感元件26的几何排布而被集中，从而使施加在半刚性接触层31上的作用力34集中在有源传感阵列20与一体式突起与基底层42的相应突起30相接触的区域，如图20所示。
部件的这一配置形成一种机制：其中，半刚性接触层31的外表面上的接触位置的持续改变，导致作用在最靠近接触位置的那些传感元件26的有源区域27上的相对力产生相应的持续改变，如图24所示。在作为数据图像的一部分而发送至主机3时，这些相对力允许主机3通过算数插值法精确地重构接触的质心位置。
图24为插值法的三维视图：撞击在半刚性接触层31的给定位置上的力34的施加，将集中在一体式突起与基底层42的2×2个最近突起30上。因此，在有源传感阵列20中，全部施加力34将集中在传感元件的2×2个有源传感区域27中，所述传感元件直接物理接触这些四个突起30。
功能层
三个部件：半刚性接触层31、有源传感阵列20和一体式突起与基底层42，可看做是由五个功能层构成，这样划分的目的是描述图121的单个传感元件上的内部操作机制。
这些功能层分别是：
(1)半刚性接触层31；
(2)有源传感阵列20由以下构成：外部非导电表面衬底22、外部导线23(图121中未示出)；内部和外部FSR材料24层；内部导电迹线23(图121中未示出)；以及外部非导电表面衬底22，和
(3)包含突起30的一体式突起与基底层42。
半刚性接触层31重新分配作用力34，从而使全部力34仅作用在有源传感阵列20的传感元件26上。力的集聚是在一体式突起与基底层42上的突起30与有源传感阵列20上的、对应于传感元件26的有源传感区域27的接触点上实现的，如图20所示。
在一个实施例中，有源传感阵列20的传感器表面21的非导电表面衬底22，可以由薄的醋酸纤维制成，在一种实施方式中，该醋酸纤维的厚度为5密耳，与印刷在非导电表面衬底22的内面上的导电迹线23一起。FSR材料24印刷在有源传感阵列20的外表面层21的内面上的导线、以及有源传感阵列20的内传感器表面层21的外面上的导线之上。在操作中，两个FSR材料24部件彼此相接触，但不机械地彼此粘连。有源传感阵列20的内传感器表层21的内部非导电性表面衬底22，可由醋酸纤维制成，在一种实施方式中，该醋酸纤维与印刷在其非导电表面衬底22外面的导电迹线23一起，厚度为5密耳。
一体式突起与基底层42包含突起30。其作为压力瓷片2的基底，目的是提供突起30，使作用在半刚性接触层31的力仅对有源传感阵列20上的相应传感元件27的有源区域产生作用。
涉及多个压力瓷片2的插值法
通过相邻压力瓷片2的网格化瓷片组件18，半刚性接触层31可由单件不中断的半刚性材料板(例如薄的半刚性塑料)构成，该半刚性材料片覆盖了压力瓷片2的网格的全部压力瓷片2。这样的好处是，不同的毗邻压力瓷片2的有源传感阵列20的相邻传感元件30的机械差插值处理等同于每一单独的压力瓷片2内相邻传感元件30的机械插值处理。从用户角度而言的效果是，一种插值接触响应，其精确地等于单件极大压力瓷片2的插值接触响应。
注意，在这种设置中，半刚性接触层31与单个压力瓷片2之间无需精确的配准，这是因为半刚性接触层31本身可以是无特征的均匀材料片层。
附近的突起30和相应传感元件26无需位于同一压力瓷片2上，但可以在相邻的机械分离的瓷片上，如图122所示。
在一种实施方式中，如图122所示，半刚性接触层31跨越全部压力瓷片2。作用在两个压力瓷片2之间区域上的压力将力传递至两个相邻但机械式相区别的压力瓷片上的附近支撑突起30上，从而传递至两个不同压力瓷片内的有源传感阵列20的传感元件30上。
当压力瓷片相邻时，例如在网络瓷片组件18中，半刚性接触层31将跨越全部表面，与下面的压力瓷片2之间的全部空间相重叠。只有相邻压力瓷片2进行了适当配准，从而使每一压力瓷片2上的突起30之间的距离在相邻压力瓷片2上都得以保持，则跨过相邻传感器元件的插值力分配将等于单个压力瓷片2内的插值力。在一个实施例中，可通过使每个单独传感器元件上具有对齐的托架，从而完成压力瓷片2的配准，如图41、42A和42B所示。
三种插值法的例子
1)图25展示了区域69，在此处，力将分配至同一压力瓷片2上的四个突起30上。
2)图26展示了区域69，在此处，力将分配至两个相邻压力瓷片2每一个上的两个突起30上。作用在两个压力瓷片2交会处的边缘区域的压力，将力传递至位于两个相邻但机械地相区别的压力瓷片2上的邻近支撑突起30上，从而传递至两个压力瓷片2的有源传感阵列20的压力传感区。不中断的半刚性接触层31跨过两个压力瓷片2。沿相邻压力瓷片2的的边缘作用的压力将以与传感元件26位于同一瓷片上相同的方式，将力分配至四个传感元件26(每一压力瓷片2上有两个)。于是，可如其为连贯的更大的“图像”一样，用插值法来处理跨过相邻压力瓷片2的压力值。
3)图27展示了一个区域，在此处力69将分配至四个相邻压力瓷片2的每一瓷片上的突起30。作用在四个压力瓷片交会的、位于转角125的区域的压力，将力传递至位于四个相邻但机械性相区别的压力瓷片2上的邻近支撑突起30上，从而传递至压敏传感元件30，在此处，导电迹线23在四个不同压力瓷片2的有源传感阵列20上相交叉，如图27所示。不中断的半刚性接触层31跨过四个压力瓷片2。作用在这些相邻压力瓷片2的转角125上的压力将以与传感元件26位于同一瓷片2上相同的方式，将作用力分配至四个传感元件26(每一压力瓷片2上有一个)。于是，可如其为单个连贯的更大的压力“图像”中一部分一样，用插值法来处理跨过相邻压力瓷片2的压力值。
术语“压力图像”在此指压力值的二维阵列。本发明得到的图像是抗锯齿的(antialiased)，如术语“抗锯齿的”的广泛接受的含义一样，其中，以任意的随区域变化的模式向半刚性接触层31的外部表面所施予的压力，通过多个压力瓷片，转化为原始的随区域变化的压力模式的带宽受限表征，该表征忠于全部空间频率的原始模式，所述全部空间频率低于由每一瓷片的有源传感阵列20的网格确定的上界频率。
一体式突起与基底层42可以是单件机械部件，其可由塑料、玻璃、木材、金属或任何其它半刚性材料制成。这一部件可通过多种标准方法制成，包括注射成型、冲压和冷型浇注等。
在一个替代性实施例中，可通过SLA方式制造用于一体式突起与基底层42的快速原型。在一种制造方法中，由硅橡胶构成的模型可通过这种原型制得。可向模型中导入树脂。当树脂硬化时，移除模型，树脂形成功能性的一体式突起与基底层42。
突起30的优点包括：将突起30与压力瓷片2一体式集成在单件机械部件上，以更易于配准多个压力瓷片2的位置。配准压力瓷片2上的位置，对于生成这样一种插值法方案而言是重要的：该插值法方案对多个压力瓷片2表现为在与单件压力瓷片2内一样。通过使包含突起30的支撑层32成为传感器瓷片的一体式部件，对沿传感器瓷片的突起30进行配准，可仅通过将每一压力瓷片2连接至其相邻压力瓷片来实现。
在一种实施方式中，一体式突起及叠层42将通过硅橡胶模型，由注射模制塑料或铸型树脂制成，且将由12″×12″个矩形基底构成，这些矩形基底带有32×32个朝上现象的突起30的网格，在突起的中央之间的距离为3/8″(对应于有源传感阵列20的交互传感元件的间隔)，突起的高度为2mm。
在一体式突起与基底层42的一种实施方式中，如图33和34所示，基底被模制成其内面具有腔，以容纳压力瓷片的印刷电路板4，如图33和34所示。在一体式突起与基底层42中可模制有通道，以支撑瓷片连接电缆17。
在另一种实施方式中，与突起30相反的一体式突起与基底层42的面可以是平坦的。该平坦侧可安装在分离的支撑层32上，例如1/4″厚度的丙烯酸纤维片层，其在内面切割有腔，用于容纳传感器瓷片的印刷电路板4。也可在基底层32上切割通道，以支撑瓷片连接电缆10。在这种实施方式中，一体式突起与基底层42的形状可具有平坦底部，如图32所示，但放置于具有腔的基底层32上方。
如果压力瓷片2的印刷电路板4位于设备下方，则有源传感阵列20必须围绕着一体式突起及叠层42而包裹。当有源传感阵列围绕一体式突起及叠层42被包裹得过紧时，将对突起30作用不想要的力，该力于是传递至靠近一体式突起及叠层42的边缘的传感元件26。如果有源传感阵列20包裹得过松，则其可能被吹起，导致传感元件26处失去敏刚性。为避免发生这些情形，可在突起30的两侧以及有源传感阵列20的半刚性接触层31侧上都施以粘合剂40。
在一体式突起与基底层42的一种实施方式中，该实施方式使用标准快速原型技术，突起30由ABS塑料制成，每一个突起的高度为2mm，在其基底的宽度为4mm，相邻突起中心之间的间距是3/8″。
在突起30的峰点处的高度、形状和曲率可基于压力瓷片2的应用而不同。突起30的形状可影响作用在传感元件27的有源区域的力的传递、以及装置的耐用性。
在一种实施方式中，如图28所示的高/窄的突起中，每一突起30的长度可大于其宽度，并具有圆形顶端，如为抛物面形，其底部直径为4mm，高度为4mm。这种配置将力集中在传感元件26的一个小区域上，在此处与突起30相接触，从而具有最强的敏感度。在形成对极轻的压力敏感的压力瓷片2时，这一配置是优选的，但对于急剧或重型的接触，由于大的压力可能导致有源传感阵列20的损坏，因此较不优选。
在另一种实现方式中，如图29所示，突起30可以是半球形的，例如底部直径为4mm，高度为2mm。这一形状具有的益处是，提供更大的机械强度，同时也使突起30顶端处的曲线是渐变的，从而在非常大的压力负载时，减轻对有源传感阵列20的损坏。
在另一实施方式中，如图30所示，突起30可具有非常宽的抛物面形或正弦曲线形，例如底部为4mm直径、高度为1mm的抛物面形。这保留了半球形形状的大多数优点，同时提供了更易于制造的益处，因为抛物面形在其基底不具有垂直交叉的壁，因此其使用比半球形突起价格更低廉的模制方法制成。
在另一实施方式中，如图31所示，突起30可以非常宽，具有抛物面形或正弦曲线形，例如底部为8mm直径、高度为2mm的抛物面形。这种配置得到的是突起30的顶部非常渐变的曲线，从而使作用急剧力或重型力时传感器阵列损坏的几率最小化。
单个瓷片组件48
在单个瓷片组件48的一个实施例中，单个压力瓷片2可直接连接至计算机，无需主印刷电路板19，尽管需要不同或集成的主机通信印刷电路38。如图32和33所示，这一实施例组装为具有柔性有源传感阵列20，该有源传感阵列20围绕瓷片的边缘包裹，并插入瓷片印刷电路板4中，所述瓷片印刷电路板4贴附于一体式突起与基底层42的下侧。半刚性接触层31坐落于有源传感阵列20的顶部。在单个瓷片实施例中，瓷片印刷电路板的微控制器5可执行浏览功能和主机通信功能，例如通过到计算机3的SUB电缆9的SUB方式，如图35所示。
多个压力瓷片2的网络化瓷片组件18：
在一个多瓷片实施例中，从瓷片12可菊链式连接至主瓷片7或主印刷电路板19，所述主瓷片7或主印刷电路板19可具有连接至计算机3的集成的或分离的主机通信电路95。从图50中可见，这一实施例组装为具有一系列连接至主印刷电路板19的从瓷片12，允许主/从协议从该所述一系列从瓷片得到压力数据。半刚性接触层31在其各单独的有源传感阵列20顶部跨过从瓷片11。位于主印刷电路板19的微控制器5从从瓷片11收集数据，并将该数据传送至主机通信电路95，而主机通信电路95通过USB收发器30经连接至计算机3的USB电缆传输数据。
压力敏感度
为测试两种原型的压力敏感度，将搁置在四个点上的5g基底置于半刚性接触层31的顶部，每一个点位于传感元件26的上方。5g重量置于基底上，以生成5g到100g的重量。每一传感元件26接收该重量的四分之一，因此在每一传感面上重量从1.25g到25g不等。
测试1：
接触层——0.5mm乙烯基
传感器——108kOhm电阻油墨传感器
突起层——4mm直径的半球
在这一实施方式中，压力瓷片2将不配准10g以下的重量。在10g以上，压力瓷片2配准的平均值与压力成线性比例。
测试1：
接触层——1mm乙烯基
传感器——108kOhm电阻油墨传感器
突起层——2mm直径的半球
这一测试使用更厚的半刚性接触层31，其使顶层更刚硬，但降低了敏感度。因此，直到达到15g，才配准所述值。
在上述事实的理念的延伸包括了一种用于将力集中在有源传感阵列20上适当的传感元件26上的改进技术。在该实施例中，接触表面位于跨传感元件26的板35的上方，这样，板的转角与突起30对齐。这消除了上述实施例中半刚性接触层31的刚度需求范围，转而代之的是利用柔性接触层38，因为这一接触层平坦地位于板35上，所述板35将力集中在适当的传感元件26上。因此，柔性接触层38可以是薄的和柔性的，例如前述发明(例如，5密耳的PET膜)的厚度和刚度的十分之一。位于板顶部的这一薄的/柔性的接触层消除了直接靠近作用力处的、在传感元件之外的、处沿作用力的接触层的不想要的传递。
另外，由于柔性接触层38平坦地位于板35上，而不是位于突起30上，因此该实施例允许用户与设备相接触，而不经接触层触及突起/隆起30。另外，由于接触层位于板35的平台上，而不是前述发明中的桥式突起30，因此，柔性接触层38可更牢固地粘附于板35上，减少可能产生的压缩问题。这得到的是更低的初始可检测到的接触阈值，改善了对轻型接触的检测。
由于力的全部分散是微观层面、而不是宏观层面完成的，因此，这一技术提供了比前述发明更有效的、将力从接触层传输到传感元件的机制。上述实施例需要接触层具有一定刚度(如“有用刚度范围”中所述)，这是因为接触层用来将力经接触层的微观形变分散至传感元件。在这一发明中，没有宏观移动或形变，仅有由于这些原因导致的微观形变：板的形变；突起的压缩；或，以及/或者板与每一其它板和/或突起交会处的铰接。这导致了因形变而产生的压力信号的损耗；更大比例的力去到局部传感元件，而不是被传输至相邻的传感元件。
本实施例的用户体验的逐步骤说明与上述的是一样的。
全部组件列表
全部硬件组件列表
全部组件列表
传感器瓷片2的组，其中
传感器瓷片由以下构成：
柔性接触层38
(一层或多层)粘性层40
技术：集成式板与突起矩阵构件
一体式板与突起层36
基底层47
技术：不同的板和突起矩阵组件
板层53
一体式突起与基底层42
全部其它组件如上所述
全部其它组件如上所述
每一层的总体目的：一体式板与突起层实施例
图52展示了用于集成式板与突起矩阵构件实施例的瓷片的分解图：柔性接触层38、一体式板与突起层(Integrated Plate and Protrusion Layer，IPPL)36、有源传感阵列20和基底层47。当各层放置为相接触时，IPPL36的每一突起相对齐，以与有源传感阵列20外表面的传感元件27的有源区域相接触。在柔性接触层38与IPPL36之间可使用粘合层40，从而使这些层机械相连。类似地，在IPPL36与有源传感阵列20之间可使用粘合层40。
本发明的该集成式板与突起矩阵构件的实施例属于一种压力传感器，其使用不同机制，以将力集中在有源传感阵列20的传感元件上，而非前述的那样。在该实施例中，如图52的分解图、以及图53的侧视图所示，柔性接触层38与一体式板与突起层36相接触，而一体式板与突起层36与有源传感阵列20相接触；所述有源传感阵列20与基底层47相接触。IPPL36上的每一突起30都对齐，以接触有源传感阵列20的外部表面的传感元件27的相应有源区域，如图52和53所示。
本发明的不同的板矩阵和突起矩阵层实施例属于另一种技术，如图54的分解图和图55的侧视图所示，其中，具有柔性接触层38、板矩阵层53、有源传感阵列20、一体式突起与基底层42。当各层置于相互接触时，突起层53的每一突起30对齐，以接触有源传感阵列20内部表面的相应的传感元件27的有源区域。另外，板矩阵层53的每一个板35的转角与有源传感阵列20外表面上的突起层53的相应的突起30对齐，在此，任何突起都具有位于其之上的最多四个相邻的板转角。
在柔性接触层38与板矩阵层53之间可使用粘合层40，从而机械连接这些层。类似地，在板矩阵层53与有源传感阵列20之间可使用粘合层40。类似地，在有源传感阵列与一体式突起与基底层42之间可使用粘合层40。
在一个替代性实施例中，如图56所示，突起贴附于有源传感阵列20外部表面上的传感元件27的有源区域。在该实施例中，突起30和有源传感阵列20一起形成了设备的单件组件，其中有源传感阵列上具有粘附着的突起层55。在操作中，如图57的分解图所示，柔性接触层38搁置在板矩阵层53的顶部，而板矩阵层53搁置在具有粘附着的突起层55的有源传感阵列上。当向柔性接触层38作用外力时，力施予在板矩阵层53上，该板矩阵层53将力再分配，使其集中在板35的转角，力随后通过转角施予在突起30上，从而对粘附的突起30与顶部具有有源传感阵列20的基底层47之间的每一有源传感器26进行挤压。
本实施例的术语表和组件说明
有源传感阵列(ASA)：如上所示
传感元件26：位于有源传感阵列20的两个表面片层21之间的位置处，导电迹线23穿过此处，且FSR24的两个区域在此处夹在一起，并可电测量该压力，如图10和图11所示。传感元件26为这样一个区域：在此处，在交叉迹线23交叉点处具有位于那些两层上的FSR重叠，如图9和图10所示。
与传感元件接触：传感元件27的有源区域是位于有源传感阵列20各侧上的、对应于用于该传感元件的FSR材料的重叠的区域，如图10和图11所示。特别地，如果与有源传感阵列20相接触的突起的表面完全位于该传感元件的有源区域27上方或内部，则突起30被认为是与传感元件26相接触。如果突起30与传感元件相接触，则突起30与传感元件26恰当地对齐(如上所定义)。
板35：一片矩形的塑料、金属、木头、玻璃或其它具有有效量板刚度(相对于突起的高度，二者都在以下有所定义)的这类材料。板35的尺寸和形状使其在放置时，转角在有源传感阵列20上的四个相邻的传感元件26的内部对齐。板35设置在板矩阵39中，该板矩阵39可以是一体式板与突起层(IPPL)36的一个构件，或是板矩阵层53的一部分。图59展示了在有源传感阵列20上恰当对齐的板35、图60展示了恰当对齐并位于有源传感阵列20上的相应传感元件26内的刚性板35的俯视图。
板矩阵39：多个刚性板35空间地对齐，从而使刚性板35之间具有间隙，且转角之间的间隙的中心相对齐，以对应于有源传感阵列20上的传感元件26。板矩阵39可以是一体式板与突起层(IPPL)36或板矩阵层53的构成部分。图61A为板矩阵39的俯视图，图61B为板矩阵39的侧视图。图63展示了叠加在有源传感阵列20上方的板矩阵39的恰当对齐。
突起30：塑料、金属、木头、玻璃或其它这种材料的刚性隆起，其置于该传感元件的有源传感阵列20上的传感元件26的上方或下方，其目的是将力集中在该单个传感元件26的有源区域27上。面向有源传感阵列20的突起的侧部必须为这样一种形状：其与对应的传感元件的有源区域的接触将精确地位于该传感元件的有源区域27的上或其内部。突起设置在突起矩阵43中，所述突起矩阵43可以是一体式板与突起层(IPPL)36的组成部分，或是一体式突起与基底层42的一部分。
图64展示了在有源传感阵列20上对应的传感元件26上恰当对齐的突起30的俯视图。
图65A-65F展示了突起30与传感元件27的有源区域之间的六种接触例的侧视图。在图65A、65B、65C和65D中，展示了与其对应的传感元件27的有源区域相接触的突起30的例子，这些突起精确地位于该有源区域27上或其内部。在图65E和65F中，突起30具有延伸超出对应的传感元件26的有源区域27之外的接触面，因此不是对本发明而言的适当突起配置。在图65D的情形中，位于该传感元件上方的突起30具有不连续的面，因而这些面可能连接至在该传感元件26上交会的不同的板。
突起矩阵43：多个突起30空间地对齐，以对应于有源传感阵列20上的传感元件26。突起矩阵43可以是一体式板与突起层(IPPL)36或一体式突起与基底层42的组成部分。图62A为俯视图，图62B为突起矩阵43的侧视图。
图61A、61B、62A和62B是并置绘制的，板矩阵39和突起矩阵43分别彼此对齐。
图66A展示了俯视图。图66B展示了侧视图，图66C展示了恰当对齐的板矩阵39和突起矩阵43的重叠的俯视图。
图67展示了恰当对齐的板矩阵53和突起矩阵43的重叠的俯视图。
外部和内部方向/侧/面：传感器可置于桌上、墙壁上、天花板或移动物体上。因此，称作顶/底或上/下是不清楚的。为清楚起见，使用“外部”来指代力所作用的侧/方向/面，用“内部”指代(朝着装置基底的)相反的侧/方向。例如，在图68A中，展示了将定位在平坦表面上的设备，图68B展示了将定位在墙壁上的设备，所施加的力34作用在柔性接触层38的外面上。类似地，IPPL36中的突起的内面搁置于有源传感阵列20的外面上，从而使突起30的内面与有源传感阵列20上的传感元件26相对齐。有源传感阵列的内面搁置在基底层47的外面上。在图68A和68B中，外部方向(Outer Direction)28和内部方向(Inner Direction)29由箭头示出。为避免歧义，标准方位是传感器置于平行于地面的平坦表面上，例如位于桌上，力来自上方，如图68A所示。
一体式板与突起层(IPPL)36：一个部件，包括板矩阵53和突起矩阵43，其中隆起理地连接至位于内表面的相邻板。突起30延续超出内表面，且空间地对齐，以对应于有源传感阵列20上的传感元件26。这一部件可由塑料、金属、木头、玻璃或其它刚性或半刚性材料制成。以下将描述其制造方法。图69展示了一体式板与突起层36的一个实施例。
在各种实施例中，一体式板与突起层36可具有图70到73中描绘的一些形状。在全部这些实施例中，在板之间具有狭缝，但突起30的形状不同；狭缝的宽度可以不同，如对比图70和图73所见的；突起可以是连续的，经连接处与板平齐，如对比图70和图71所见的；或可以是朝着突起的内面变得渐细/成梯形，如对比图70和图72所见的。图74展示了对应于图70或图72的、具有狭缝的实施例的俯视图。图75展示了对应于图71的、具有延续以与板相平齐的突起的实施例的俯视图。图76展示了对应于图73的、具有比图70和图74所示实施例更宽的狭缝的实施例的俯视图。在图74到76所示的每个实施例中，沿着板的边缘但不在突起上的狭缝完全贯穿了材料。
转角突起54：在一个实施例中，位于有源传感阵列20上的传感元件26上方的突起30可包含数个不连续面，每个不连续面连接于数个板35中一个板的转角处，所述数个板35在该传感元件26处交会并位于该传感元件26上方。转角突起54定义为这些不连续面其中的一个面。利用在一个传感元件处交会的矩形板，最多四个转角突起54可施予力，作为突起30来共同作用在该传感元件26上，如图77A-77C、图79和图80所示。
图77A-77C分别展示了一个、两个和三个转角突起54的例子，这些转角突起位于标记的传感元件26的有源区域27的上方。在每一个例子中，这组转角突起54将一起被认为是位于该传感元件26上方的“突起”30。
在IPPL36的另一实施例中，如使用压缩模制的下述实施例，每一突起30可由一组转角突起54构成。在该实施例中，IPPL的外表面可以是平坦的，设计为平坦顶部一体式板与突起层41，在单个瓷片传感器的情形中，允许平坦顶部IPPL41也用作柔性接触层38。
图78展示了平坦顶部IPPL41的侧视图，该实施例中的板具有转角突起54和平坦的外部表面。板的转角交会所在处的突起30将由不同于板35的一组转角突起54构成。在该实施例中，表面是平坦的，并具有少量连接各分离板的附加材料，如图78所示，以及图79的外部视图和图80的内部视图所示。不同于图70到图76所示的实施例，狭缝并不贯通板与板，而是从内面形成槽，如图78-80所示。在这种实施例中，这类连接材料(在槽的外面与内面之间)的厚度必须满足柔性接触层38的需求。例如，对于1mm厚的ABS塑料板，连接材料厚度为0.1mm。
在平坦顶部一体式板与突起层41的实施例中，可使用分担式连贯突起或一组转角突起(如图78-80所示，对应于每个传感元件)。
板矩阵层53：一个部件，包含多个刚性板35，这些板或使用薄的柔性顶部或底部材料，或使用位于刚性板之间的凹槽内的材料进行连接。与IPPL36不同，突起30不是该部件的一部分。这一部件可由塑料、金属、木头、玻璃或其它这些材料制成，该部件的制造方法将在以下描述。图81展示了板矩阵层53的平坦顶部板矩阵层116的实施例，其具有薄的柔性顶部材料，该平坦顶部板矩阵层116的构件类似于平坦顶部IPPL41，但没有那些存在于平坦顶部IPPL中的突起。
一体式突起与基底层42：一个部件，包含突起矩阵43和支撑基底47，隆起理地连接至位于内面的基底47，如图82所示。这一部件可由塑料、金属、木头、玻璃或其它刚性或半刚性材料制成。其制造方法将在以下进行描述。在本说明书中较早描述的实施例中，例如图19所示的实施例，是包含有一体式突起与基底层的例子。
展示了三个例子，其中板分别为：图83所示的足够刚度；图84所示的足够半刚度；以及图85所示的刚度不足，从而使力被传输至基底、而不是至突起上。在每种情形中，作用在板35上的外部施加的力34传递至基底层47上的不同位置，如绘制的传递力56所示。图83和图84表示“相对于突起高度的有效板刚度量”，其中传递力56被排他性地经突起30集中在基底层47。在图85中，板35不具有相对于突起高度的有效板刚度量，因为其发生形变，使一些力56不经过突起30便施予在一个区域的下方基底表面上。对比图83和图21，得出与板35有关的实施例的优点。与图21所示的使用半刚性接触层31的实施例不用，板35可以是刚性的，力不传递至直接位于上方的突起。
相对于突起的高度的有效板刚度量：如果板的外表面的外部作用力使压力排他性地仅作用在其转角处的相应突起上，特别是，没有力施予在突起之间的表面上，则板具有“相对于突起的高度的有效板刚度量”；如果相同的外部作用力使板35产生足够程度的形变，从而使板35物理地接触那些四个突起30之间的基底层区域，从而使力分散于有源传感阵列20的无源区域，则板35不具有有效的板刚度量。从图85中可以看到这一不可接受的情形，其中，板35在突起35的整个高度的弧形中间变形，从而使板能接触基底。例如，当突起以12mm的间隔分布时，一片0.5mm厚的矩形橡胶将不具有有效板刚度量。板材料的形变距离可以通过公式E(弯曲)＝L3F/(4wh3d)来描述，其中L为长度，w和h为宽度和高度，F为作用力，d为表面上的负载导致的弯曲。
柔性接触层38：这是暴露于用户、用于直接接触/触摸的最外的层。其由薄的柔性材料片层(例如，橡胶、特氟纶(Teflon)或低密度聚乙烯)构成。其必须足够柔软(即，具有这样的杨氏模量和厚度，使其硬度为小于板硬度的数量级——大多数材料的硬度主要由产品材料的杨氏模量[材料的杨氏模量是常量]以及材料厚度的立方来确定，如以下等式所示，这样，作用在表面上的力首要地传递至力下方的板上。在一个实施例中，其可由0.005″的聚酯纤维膜制成)。
材料的硬度可计算为D＝Eh/(12*(1-v))，其中E＝杨氏模量；h＝材料厚度；D＝硬度；v＝材料的泊松常数。
柔性接触层38的总体尺寸和形状可制作为与传感器瓷片的网络化网格的总体尺寸和形状相匹配。
基底层47：该最内部的层为平坦的、无特征的层，位于组件其它部分的下方。在一个实施例中，装置1将平平地搁置在平坦的固体表面上，例如3″厚的平坦玻璃台上，基底层无需提供如台面为其提供的一样的刚性支撑。在装置1未平坦地搁置于某个表面上、或搁置于非坚固的表面、例如褥垫上时的实施例中，其将需要是刚性的，例如1/4″厚度的丙烯酸片层。
粘合层40：粘合层可用于粘贴各毗邻的功能层。在一个实施例中，粘合层可以是双侧粘性膜层，例如Graphix双钉安装膜(Graphix Double Tack Mounting Film)。在其它实施例中，喷涂粘胶剂可作为粘合层，来粘合这些层。
内部工作的逐步骤描述：
图86展示了力分布的横截面图：柔性接触层38，一体式板与突起层36、有源传感阵列20、基底层47、外部施加的接触力34。IPPL36包含板35和突起30。突起30与位于有源传感阵列20上的传感元件26对齐。
当手指或其它物体对柔性接触层38的外部表面作用向下的力34时，内部操作开始，如图86所示。
该力随后经过柔性接触层38传递至一体式板与突起层36上的力34下方的板35。
IPPL36的每个板35上的各向下力34重新分布至IPPL36中的突起30上，这些突起30分别位于板35的四个转角下方。在板35任一转角处的突起都由最多三个其它相邻板35来分担。当力同时作用在相邻板35上时，来自这些相邻板35的组合力集中在各分担式突起30上，并在该分担式突起30接触的传感元件26处进行测量。
在刚性板35的四个转角处的每一突起30都在有源传感阵列20上各传感元件26上方对齐，将作用在每一刚性板35上的力集中在板相应的四个转角处的传感元件27的有源区域。
这形成了传递至有源传感阵列20部分的力的集中，在该部分，每一突起30与相应的传感元件26相接触，从而形成将在有源传感阵列20区域的、相互接触的两个FSR材料24的区域挤压在一起，所述有源传感阵列20包括传感阵列26(在此，位于有源传感阵列20的外部导线23上的FSR24区域与位于有源传感阵列20的内部导线23上的FSR材料24的相应区域相接触，如图10和图11所示)。
如前所述，这一压缩形成了在相互接触的这两个FSR材料的区域之间的导电的增加。随着传感器的微控制器扫描传感元件的有源传感阵列，这些导电性改变中的每一种都作为电压变化，由微控制器经A/D转换器进行检测而测量，随后微控制器将其编码为数字信号。微控制器接着将此数字信号经USB方式发送至主机。
这一部件配置形成了一种机制，即便对于从板到有源传感阵列上的传感元件的力再分布而言也是如此，借此，在柔性接触层外面上的接触面位置的连续改变，导致作用在最靠近该接触面的那些传感元件上的相对力的连续变化。这些相对力，当被作为数据图像的一部分而送至主机时，允许主机经算数插值法精确地重构接触面的质心位置。
图87展示了插值法的示意图：施加在柔性接触层38上的、全部外部作用的向下的力34传递至抵对着该力的IPPL36上的板35。该板35上的力34将集中在IPPL36上的2×2个最近的突起30上。因此，在有源传感阵列层20上，全部力将集中在2×2个对应的有源区域27上，这些有源区域27与这四个突起30直接物理接触，从而机械地分布在各传感元件26上。
使用板35和柔性接触层38的这一过程与不同板、但使用半刚性接触层31的前述类似过程的区别是，通过允许接触表面的下方具有更薄的接触表面38和不同的板35，柔性接触层38上的局部力近乎排他性地传递至该力下方的板35，随后经对应的突起30传递至适当的传感元件26。另外，该有源传感阵列20固定至平坦表面，从而无法如前述不用板的方法那样产生形变。
对有源传感阵列上的力的电测量和处理与不用板的方法中的一样。
图52展示了原型的单个瓷片实施例中的层与组件的分解图，该实施例使用：具有柔性接触层38的一体式板与突起层(IPPL)；一体式板与突起层36；有源传感阵列20；基底层47。当各层相互接触时，IPPL36中的每一突起30对齐，以与有源传感阵列20的外部表面上的相应的有源传感区域27相接触。在该原型实施例中的上方的每一层之间使用了粘合层40。
柔性接触层38：5密耳厚的聚酯纤维膜
一体式板与突起层36：31×31个板的网格，具有32×32个突起网格的31x31块板的网格。使用标准SLA制造工艺，由具有带IPPL36几何形状的所提供的CAD文件所创建的Somos11122(Clear PC Like)制造的的定制SLA(光固化)快速原型部件。
图88展示了在一体式板与突起层36的原型实施例中使用的板和突起的尺寸的横截面图。板35和突起30是方形的，这样，其宽度和长度是相同的(未按比例绘制)。
注意：在单个瓷片组件中，由于抵靠着的瓷片之间无需使用跨接板，因此对于N×M个有源传感阵列的N×M个突起的网格，具有(N-1)×(M-1)个板。例如在图52中，4×4个板的网格由5×5个突起的网格支撑，且与具有5×5个传感元件的网格的有源传感阵列一起使用。
有源传感阵列20：定制印刷的传感器，如前述实施例中所述的，具有以3/8″间隔分布的32×32个传感元件的网格。每一传感元件具有4×4mm的重叠FSR区域。ASA中使用了100kOhm的FSR油墨。
基底层47：CPVC片层，厚度为1/32″。注意，该实施例是这样一个实施例，预期所述装置将置于坚硬的台面顶上使用，如同装置1将平坦地抵靠着平坦固体表面的基底层的实施例一样。
粘合层40：Graphix双钉安装膜。该组件中使用了三个粘合层40。
在该原型性组件中：
a)粘合层40的一侧粘贴于柔性接触层38的内部表面。
b)该粘合层40的另一侧粘贴于IPPL36的外部表面。
c)第二粘合层40的一侧粘贴于有源传感阵列20的外部表面。
d)该粘合层40另一侧粘贴于IPPL36的内表面，从而使IPPL36上的突起30与有源传感阵列20上的对应的传感元件26相对齐。
e)第三粘合层40的一侧粘贴于有源传感阵列20的内表面。
f)该粘合层40另一侧粘贴于基底层47的外表面。
该IPPL原型性组件的压力数据
在以下测试中，经校准的重量置于导线交叉点的上方。重5g的小的橡胶圆柱体用于将力集中在交叉点上。
IPPL传感器
(*)在此处的原型实施例中，具有从PIC24芯片的A/D电路测得的、基于电压的值。这些值是作为12位的非负值进行测量的。
制造一体式板与突起层的方法
在一个实施例中，使用用于制造塑料部件的模具的工业标准化技术来制造金属模具。IPPL部件可通过注射成型，使用注射磨具和模制技术，由ABS塑料制成。
另一种制造IPPL的方式是，在粘贴薄金属板、例如0.005″厚的铜所形成的夹层体的两侧上进行选择性光蚀刻，塑料片层(例如0.003″厚的聚酯薄膜(Mylar)或kapton薄膜)、的两侧涂覆有粘合剂。其中一个金属板将形成板的层，另一个将形成突起的层。在这两种情形中，不应当被蚀刻掉的金属板的部位覆盖有光致抗蚀剂的图案(例如激光打印机转换得到的墨粉图案)。相等地，板可以由标准光聚合物形成，例如杜邦赛丽(DuPont Cyrel)或巴斯夫(BASF)Nyloflex，其首先通过暴露于紫外线的图案中而选择性地被除去，在标准工艺中所述紫外线在365nm的范围，在此之后未暴露的部分被洗去。
图89A和图89B展示了两个板的光致抗蚀油墨图案的模板。图89A展示了板的侧部的光致抗蚀油墨图案。图89B展示了突起的光致抗蚀油墨图案。在板为光聚合物的实施例中，使用了这些图案的底片。
用于形成一体式板与突起层36部件的另一种方法是，对两个厚的平坦金属板、例如钢板的表面进行光蚀刻，使其形成负突起(negative relief)图案。在这些两个金属板之间放置塑料，这种塑料在高温时为柔性的，在冷却时为硬质的，优选地使金属板之间是真空的。对板进行加热和加压，使其在一起，从而在塑料中形成凸纹图案，这样，柔性塑料产生形变，离开凹槽区域，填充突起区域。
完成光蚀刻后，在板的凸纹图案长形成平滑的斜面，从而协助进行将凸纹图案压入塑料中的后续工艺。
图90展示了两个金属板的设置的横截面图：顶部压缩板57，其形成了塑料中的凹槽，该凹槽界定了板的形状；底部压缩版58，其形成了塑料中的突起。图90B展示了得到的凹槽位置59，以及得到的突起位置60。
制造IPPL36的另一种方法是，形成单一表面，通过分割每一突起、以允许相邻方块之间具有连续凹槽，该单一表面在两个板形状上都具有凸纹结构，以及仅在一侧上具有突起，如图91A所示。
将组合了刚性方块和突起的凸纹结构设置在仅在底侧具有凸纹结构的部件中，具有的优点是：用户将感觉该部件的顶部具有平滑的使用手感。特别地，这一实施例形成了一体式板与突起层36，其也包括柔性接触层38，如在融合图78-80所述的实施例中的平坦顶部一体式板与突起41中的一样。
一种制造该凸纹结构的方法是，通过对热股塑料进行压缩成形。在该工艺的变形中，要压缩成形的塑料与薄的(例如，0.003英寸厚)柔性塑料片层、例如聚酯薄膜或kapton薄膜相接触。在相连部件的压缩和固话工艺完成后，凹槽区域将大致仅由柔性塑料61构成，刚性塑料位于板35和突起30，如图91B所示。这将形成刚性板35和刚性突起30的理想机械特性，沿着一体式柔性接触层38在接合板之间具有柔性铰链，如在平坦顶部IPPL41中的一样。
图54展示了在原型性单个瓷片原型实施例中的层和组件的分解图，所述实施例使用不同的板矩阵层53和一体式突起与基底层42。
具有：柔性接触层38、板矩阵层53、有源传感阵列20、一体式突起与基底层42。有源传感阵列矩阵上的网格线交叉点是FSR传感元件的位置。当各层相接触时，突起层42上的每一突起30都是对齐的，以接触有源传感阵列20内部表面上的相应的有源传感区域27。另外，板矩阵层上每个板的转角是对齐的，位于与其对应的突起相对的有源传感阵列20的外部表面上的外部有源传感区域27的上方。在该示例中上述各层之间使用了粘合层。
柔性接触层38：5密耳的聚酯薄膜
板矩阵层53：31×31个板的网格。1/32″的聚丙烯片层，使用两道工序，用激光切割成最终的定制性状。第一道工序是在转角汇合点处光蚀刻凹槽，但不将其切通。第二道工序是切割完全贯通聚丙烯的狭缝，以得到图58A的俯视图和图58B的横截面图所示的部件。该原型中使用的尺寸也在图58A和58B中展示了(未按比例)，其为方形板，因此宽度和长度是相同的。
有源传感阵列20：如上述实施例所描述的定制传感器，具有以3/8″间距隔开分布的传感元件的32×32网格。每一传感器具有4×4mm的重叠FSR区域。在ASA中使用的是100kOhmFSR的油墨。
一体式突起与基底层42：突起的32×32网格，以3/8″间距隔开分布，4mm、直径的半球形突起。定制的SLA快速原型部件由Somos11122(Clear PC Like)制成。
粘合层40：Graphix双钉安装膜(Graphix Double Tack Mounting Film)。其在粘性塑料片层的各侧具有保护性纸。
在该原型组件中，
a)粘合层40的一侧固定于板矩阵层53的外部表面，在相反侧上的保护性覆盖物未经触碰。
b)第二粘合层40的一侧固定于板矩阵层53的内部表面，在相反侧上的保护性覆盖物未经触碰。
c)轻轻地弯曲板矩阵层53，直到每个板会合处的凹口槽中的全部连接材料都破损。这使两个粘合层之间的板矩阵层53具有柔性夹层，使每个板不再刚性地连接至任何其它板。
d)使用步骤(b)中的粘合层40的相反侧，使有源传感阵列20固定至板矩阵层53内侧上的粘合层40(已在位的)。来自有源传感阵列20的传感元件
27需要与板矩阵53上的板的会和处相对齐。
e)第三粘合层40的一侧固定至有源传感阵列20的内部表面上。
f)使用步骤(e)粘合层40的相反侧，使一体式突起与基底层42固定至有源传感阵列20的内侧上的粘合层40(已在位的)。来自有源传感阵列20的传感元件需要与突起层42上的突起30相对齐。
g)使用步骤(a)的粘合层40的相反侧，使柔性接触层38固定于板矩阵层53的外侧上的粘合层40上。
该原型组件的压力数据
在以下测试中，在导线交叉点上方放置标准砝码。使用重5g的小的橡胶圆柱体，将力集中在交叉点处。
使用不同的板矩阵层53和一体式突起与基底层42的原型
(*)在此处的原型实施例中，具有从PIC24芯片的A/D电路测得的、基于电压的值。这些值是作为12位的非负值进行测量的。
用于制造板矩阵层的方法
板矩阵层的一种实施例涉及上述的激光切割。
其它实施例与上述的用于一体式板与突起层36类似，但没有用于形成突起的步骤/方面。
用于制造一体式突起与基底层42的方法
在一个实施例中，可使用用于制作塑料部件的模具的工业标准技术，来形成用于突起层的金属模具。可使用标准注射成型和模塑技术，由ABS塑料通过注射成型来制造突起层部件。
具有薄的基底层和共平面的PCB传感器组件
图92展示了单个独站式瓷片的实施例：柔性接触层38；IPPL36；基底层32；有源传感阵列20；印刷电路板4。
图92所示的实施例展示了平坦地搁置在基底层32上的有源传感阵列20，其连结器尾部25连接至共平面的印刷电路板4。其中的基底层47对应于前述的一个实施例，在该实施例中，装置1将平坦地抵对着平坦固体表面而搁置。该实施例的一个优点是，其整个传感器很薄。例如，在上述实施例中，整个传感器小于3mm。
涉及多个瓷片的组件
在一个使用一体式板与突起层(IPPL)技术的实施例中，作为传感器网格的一部分的单个瓷片传感器近似等同于前述的单个瓷片，但具有桥接板37这个额外的行和/或额外的列。特别地，如图93的分解图所示，具有N×M有源传感阵列20和在IPPL36中对应的突起30的N×M矩阵的单个瓷片，可具有在IPPL36中的桥接板37的外的行和列，形成板35的N×M矩阵。这不像前述的用于这样一个N×M有源传感阵列20的IPPL36的单个瓷片组件，其中具有板35的(N-1)×(M-1)个矩阵。注意，在这些额外桥接板37的附加转角上没有突起30。柔性接触层38将是单个的连续片层，跨过瓷片网格中的全部瓷片。
图93为分解图、图94的俯视图和图95的侧视图展示了基于带有传感元件26的4×4矩阵的有源传感阵列20的、用在多个瓷片中的内部瓷片的一个示例性实施例。在该例中，IPPL36由突起30的4×4矩阵构成。在每个转角处，有带突起的板35的3×3子矩阵，以及桥接板37的附加行和列(提供七个附加板)，这些行和列仅有一些转角具有突起。这些桥接板37如前所述，将贯穿延伸以共享
位于相邻瓷片上的突起30。如图93所示，所述层包括柔性接触层38和IPPL36，有源传感阵列20和基底层47。所述IPPL36对齐，从而使其突起的4×4矩阵与有源传感区域上的对应传感元件26的4×4矩阵相接触。在上述各层之间也可使用粘合层40。从图中可看出，桥接板37的附加行和列延伸超出基底层47和IPPL36，以及位于两个边缘上的有源传感阵列20。
图96A和96B展示了相邻瓷片2对齐放置，从而使桥接板搁置于其相邻瓷片上的对应突起的方式。图96A展示了对齐的两个瓷片。图96B展示了恰当放置的两个瓷片。
在该实施例中，相邻瓷片2的位置使桥接板37跨越一个瓷片2的突起30，到达另一瓷片2的突起30。这使得恰当的传感元件具有相等的机械力分布，与跨过同一瓷片内的突起的板一样。
在基底层47的一种实施方式中，基底可模制为在其底部具有腔，该腔能容纳传感器瓷片的印刷电路板4，如图97A的侧视图，以及图97B的底部图所示。可在基底模制有通道，以支撑瓷片内布线。
在图97B中，该实施例具有基底层47，该基底层47具有位于其下侧的切割区域62，印刷电路板4牢固地卡在该区域中。有源传感阵列20裹覆了基底层32的两个相邻边缘，以经过有源传感阵列20上的连结器尾部23电连接至PCB4。IPPL36展示了桥接板(未按比例)。柔性接触层38跨过多个瓷片。图97A展示了侧部视图。图97B展示了从下方观看的立体图。
在具有传感器瓷片2的该实施例中，印刷电路板位于设备下方，随后有源传感阵列20必须裹覆基底层32，如图98A和98B所示。
图98A和98B展示了对齐放置的相邻瓷片侧视图。图98A展示了恰当对齐的瓷片。图98B展示了恰当放置的两个瓷片。桥接板37跨过不同瓷片2上的突起30。各基底层47延伸，仅稍微超出最后边缘的突起30。这使基底层47之间具有间隙，该间隙允许有源传感阵列20进行裹覆。
在该实施例中，N×M个瓷片的矩形网格，跨过一个瓷片的突起到另一瓷片的突起的桥接板使到适当传感元件具有相等的机械力分布，与跨过同一瓷片上的突起的板一样。
在一个实施例中，具有瓷片2的网格的设备1可由相同的内部瓷片63和外周瓷片(北方瓷片64，东方瓷片65，东北转角处瓷片66)构成。图94和图95展示了具有位于其北方和东方边缘的桥接板的内部瓷片。图99展示了恰当对齐的瓷片的示意图。图100展示了位于其恰当位置上的瓷片，其中具有搁置在相邻瓷片2上的突起30上的桥接板37。图101展示了位于其恰当位置处的瓷片，其中桥接板37绘成透明的，以露出位于瓷片2边缘上的桥接板37，所述桥接板37跨过两个不同瓷片2上的突起30对，转角桥接板37跨过位于四个瓷片2上的突起30。
沿着跨过瓷片的桥接板的插值法
在该实施例中，桥接板37跨过不同瓷片上的突起30对，或者，转角桥接板37跨过四个瓷片上的四个突起30。由于在位于跨过多个瓷片2的突起上的桥接板37的排布上没有机械差异，且对于跨过单个瓷片2上的四个突起30的板35而言，在关于到各传感元件26的传递力方面没有机械差异，因此，对于桥接或非桥接板，机械插值法是相同的。
注意，在该设置中，无需在跨过多个瓷片的柔性接触层38与单个传感瓷片之间进行精确的配准，这是因为，柔性接触层38本身可以是无特征的，并可以是材料的均一片层。
具有对称外周的瓷片的N×M网格的设备的实施例
在一个实施例中，可具有沿着瓷片网格的北方和东方以及东北转角的不同类型的瓷片，如图102所示。图103展示了包含桥接板37的东方列的北方瓷片64；东方瓷片65包含桥接板37的北方行；东北方转角瓷片66不包含任何桥接行或桥接列；内部瓷片63同时包含北方桥接行和桥接板35的东方桥接列。在该实施例中，对于N行M列的瓷片网格来说，将具有(N-1)×(M-1)个内部瓷片63，N个北方瓷片64，M个东方瓷片65和一个东北方瓷片66，如图102所示。
图103到104展示了在其恰当位置上的各内部63、北方64、东方65和东北方66转角瓷片的3×3瓷片网格的例子。图103展示了恰当对齐的瓷片的示意图，其中桥接板与相邻瓷片上的对应突起相对齐。图104展示了在其恰当位置上的瓷片。
在其它实施例中，网格中的全部瓷片可以是相同的。一种这样的实施例将具有带转角突起54的IPPL36，如图77到80所示。在该例中，桥接板将具有转角突起54，这些转角突起54将搁置在相邻瓷片2的对应传感元件26的有源传感区域27上。
涉及多个传感器瓷片的插值法
这一点与上述的相同。
使用相邻传感器瓷片2的网络化网格，柔性接触层38可由单个不中断的薄的片层材料(例如5密耳的聚酯纤维)构成，其覆盖了传感器瓷片网格中的全部传感器瓷片2。这具有的有点是，不同的毗连传感器瓷片的有源传感层中的相邻传感元件的机械差值处理等同于每一单个传感器瓷片内的相邻传感元件的机械差值处理。从用户角度而言的效果是，一种插值接触响应，其精确地等同于单个极大的传感器瓷片2的插值接触响应，如图104所示及以上所述。类似地，主机3一旦从瓷片拓扑表中重构了图像，则能将来自瓷片网格的图像作为来自单个大的传感器的图像那样处理。
注意，在这种设置中，在柔性接触层与单个传感器瓷片之间无需精确的配准，这是因为柔性接触层本身可以是无特征的均匀材料片层。
非平面传感器
在其它实施例中，传感装置1可制作为适配在可展开的表面上，即可平坦地展开在一个平面上，而不发生扭曲，例如图105中可见的圆柱体的一部分，或图106中可见的的锥体的一部分。特别地，可展开表面的高斯曲率为零。
在一个这种实施例中，传感器可以是图107到111的圆柱体的一部分的形式。
图107展示了从层内部视角所示的、用于“一段圆柱体”曲形传感器的组件的实施例。在图108中，其是从外部视角展示的。在图107和图108中，各层是：柔性接触层38、有源传感阵列20、IPPL3和基底层。
在该实施例中，柔性接触层38和有源传感阵列20是柔性的，且可与类似前述实施例的方法制造。IPPL36可如前所述的通过注射成型来制造，从而使沿着突起的内表面的平面具有如基底层32的外表面相同的曲率，而该基底层32又将使其内曲率匹配圆柱体的外部曲率。对该曲率的校正可针对有源传感阵列20的厚度进行，但由于有源传感阵列20是薄的，且IPPL36是柔性的，因此，无需进行该校正。图109到111展示了沿着圆柱体高度的IPPL的各视图，分别是从外部以及从内部的角度。
在该实施例中，基底层32必须具有足够的刚度，从而使施加在柔性接触层上的力不被形变所吸收。在一个实施例中，基底层可由ABS塑料制成，其具有与固体金属圆柱体的外部曲率相等的内部曲率。如图112所示，这样的瓷片2将具有与其抵靠着的金属圆柱体67相同的内部曲率。
非矩形板
可使用非矩形板来构件传感器。例如，在一个实施例中，可使用如图113所示的六角形板矩阵39和如图114所示的对应的六角形突起矩阵43。
使用与矩形IPPL相同的制造技术制造的六角形IPPL36可用于形成图115所述的部件。
在该实施例中，可制作具有对应的导线23的有源传感阵列20，所述导线23以使交叉点匹配六角形IPPL36的突起30的位置的方式分布，如图116所示。
图117展示了位于对应的有源传感阵列20上的六角形IPPL。
在该实施例中，仅与突起矩阵中的突起对齐的导线交叉点具有用在机械插值中的传感元件。
在该实施例中，可对板传感元件值的六个转角进行二线性插补。
将图118中围绕六角形板的六个传感器顺时针方向编号为A、B、C、D、E、和F。
可通过以下比例测量相反的一对边之间的比例距离：(A+B)/(A+B+D+E)，(B+C)/(B+C+E+F)，and(C+D)/(C+D+F+A)，从而界定三条直线，每条直线平行于其关联的一对边(一条直线平行于AB和DE，第二条直线平行于BC和EF，第三条直线平行于CD和FA)。这三条直线交叉以形成六角形内部的小的三角形。该三角性的质心可作为作用在板上的压力的中心的有用近似值。
融合
通过实时范围成像相机100进行的姿势传感具有以下理想特质：(1)能跟踪姿势；(2)能使每一用户每只脚的每一部分或每只手的每一个手指随时间推移保持一致性。当然，范围成像相机100无法提供高质量的检测触摸111和压力信息，同时典型地操作在相对低的帧率下。
压力成像设备1提供低成本、极高帧率(大于每秒100帧)以及大区域压力成像。在一个实施例中，所述的接触范围融合装置技术104能使该压力图像装置1融合新一代低成本实时范围成像相机100，以同时具备两种优点。
特别地，范围成像相机100跟踪每个检测到的由用户/手/手指/脚/脚趾/笔/物体进行的触摸111的姿势，每个都具有均匀的持续识别器，同时使用成像装置1或其它触摸装置101，以极高的几何保真度和锆的临时抽样率来确定每个检测接触111的位置重心，压力和时长。
硬件
接触范围融合设备104可由触摸装置101、例如压力成像设备1和一个或多个范围成像相机100设备构成。压力成像设备1由模块化矩形压力瓷片2支撑，其可无缝地接合，以提供跨越压力瓷片2的连续的压力图像。压力成像设备1可制成多种尺寸。三个实施例包括具有12.5″×17″波形系数的小的设备，具有25″×34″波形系数的中等设备，以及具有50″×68″波形系数的大的设备。
这三种波形系数描述了最常见的手指和笔尖输入非移动设备。小的波形系数将很好地适用于单个用户，具有足够的空间来同时使用两只手。从Wacom Intuous4Extra Large这样的设备中可见小的波形系数，其尺寸可与平均桌面显示器相比[8]。中等波形系数可由多个参与者轻松地进行使用，其是许多交互性台式表面的尺寸。例如，微软的Surface andDiamond Touch具有接近中等波形系数的尺寸[9，10]。大波形系数主要见于白板中许多用户之间的协作性交互中，以及能跟踪跨越一个表面的、由用户的足部动作引起的实时压力的底板传感器。智能电路产生具有可比性尺寸的交互性白板[11]。
范围成像相机100的一个实施例包含IR范围相机，以及可选的RGB相机103。对物体特征的跟踪主要由范围数据中得到。RGB相机103可用于协助识别三维空间中的物体，同时向设备的用户提供有用的视觉反馈。
图122、图132和图133展示了用于桌子/台面/墙壁的范围成像相机100的三种不同的可能位置，图128展示了适用于地板的可能位置。
在一种实施方式中，一个或多个范围成像相机100置于围绕压力成像设备1的关键区域，以获得最有效最经济的装置，用于精确地识别三维空间中的手指、足部、笔和物体。选择相机的位置和数量，以限制遮挡组织，并使要精确识别特征所需的像素/深度分辨率最大化。
识别三维空间中的指尖、手掌、脚部、笔和物体
利用范围成像相机100，使用成像算法处理，例如[1]，[2]，[3].[4].[5].[15]，[16]，[22]，[23]或其它任何现有技术中标准的图像分析处理，来识别指尖、手掌、脚部、笔和物体。开始时，对来自范围成像相机100的数据进行特征提取。这可与RGB相机103中的补充性信息一起进行，以提取关于形状的信息，包括线条、边缘、脊部、转角、斑块和点。三维形状识别提供了特征识别的高置信度信息。该信息传至学习算法中，学习各种刺激物，以识别手骨骼特征、指尖、足形、笔和物体。一旦识别了目标，则瞄准目标特征在三维空间中的位置。使用这一识别结果和每一特征的xyz坐标位置，以在跟踪压力成像设备1或其它触摸设备101上的斑块时，确定给定物体或特征是否与台板相接触，或离开台板。
由于接触范围融合设备104可具有一个以上的范围成像相机100，因此，这一分析软件从所有角度构成了识别特征，以将场景内物体的完整列表提供给软件，软件将执行融合计算，以在表面上的检测接触111中映射三维物体。
识别指尖、笔和物体的一个额外的好处是，当跟踪位于触摸装置101上的物体时，能拒绝手掌、腕部和不想要的物体。如果一项申请仅需要例如笔的输入，则将拒绝所有其它识别的物体。
向压力成像(Tactonic)装置101接触上映射指尖、脚、笔和物体
在一种情形中，当物体接触压力成像设备1时，给出了压力的反锯齿图像。这一压力图像用来找到指尖、笔或物体的质心107。可跨越整个压力成像设备1来持续跟踪每个质心107。使用这一精确的质心107的数据，以及从范围成像相机100的数据中得到的物体的识别信息，为每一质心107给定识别信息，即便手指或物体不再接触表面，这一识别信息仍然存在。作为压力成像设备1的替代，可使用触摸装置101来跟踪表面上每一检测到的接触111的质心107，尽管很可能不跟踪压力。
通过在范围成像相机100的数据中搜索所识别物体和所识别特征的清单，来获得的每一质心107的识别信息，如上所述。如果物体/特征位于靠近触摸装置101的平面，以及位于X-Y位置中的质心107位置上方，则可获得质心107的识别信息。
随着物体和手以及脚围绕设备移动，识别并跟踪对触摸装置101所作的接触。该接触数据可用于对持续识别进行更稳健的跟踪。特别地，如果所识别的接触由于遮挡问题而从范围成像相机100中变得模糊，则只要物体仍与触摸装置101相接触，该接触将保持其识别信息。如果初始接触是在从范围成像相机100中模糊的区域作出的，则当物体/特征对范围成像相机100展现其自身时，将作出接触识别。
对同时多用户协作的支持
当多个参与者正在共同使用一个空间时，区别各用户109对较大的波形系数而言是重要的。，通过看单个用户109的手臂的进入位置、手臂的角度，以及在单个用户109围绕可视区域移动手臂和手时对其的持续跟踪，来识别每个用户109。类似地，通过在参与者围绕触摸装置101地板表面行走时持续跟踪每个参与者身体、腿和脚的位置和方位，来识别每个用户109。随着每个脚或手或笔尖跨越触摸装置101移动，保持对其用户109的识别。
例如，图123展示了左手118，以及位于单个用户最大触及范围108内的候选右手-A119，因此两只手属于同一单个用户109。候选右手-B120位于单个用户左手118的最大触及范围108之外，因此左手118和候选右手-B119属于不同的用户109。
本发明所能够进行的应用
除了通过融合深度图像100和触摸装置101可获得的新的独特姿势，还支持用于范围成像相机100和触摸装置101的现存姿势。应用支持软件将在设备上作出的姿势映射到计算机上的动作和按键上。利用控制面板，该技术所支持的应用和插件包括乐器仿真、模拟手术、模拟绘画/雕塑、以及那些不但依赖身体动作、还依赖重量和平衡切换的体育赛事和活动，以及其它用于实现完全性能的、需要等压和等距控制组合的应用。
本发明的用处
交互白板：根据Futuresource咨询公司关于本方面的市场报告，在2010年售出了900K交互白板，比2009年的750K有所增加，主要用在教育部门。典型的交互白板由在大的触摸装置101(6′×4′)上进行显示的短的投影仪构成。现有型号的这些大型触摸装置101使用沿着外周设置的一组光学相机，用于跟踪用户所检测到的接触111和姿势。这种方法能提供有限的多个接触和多用户支持，但其无法识别检测到的接触111的用户、手或手指。另外，动作可能被相机路径中存在的多个手而遮挡。在可从稳健的手部动作跟踪和压力的增大尺寸获得的明显更多的姿势词汇之外，传感器融合方式还解决了稳健的多学生在板互动和协作的教育需求。
个人桌面外设：个人台式外设表示一种通用的计算机人类接口(Computer HumanInterface，CHI)技术，像鼠标或键盘，是盲式操作的应用程序。尽管可以创建许多类型的应用程序，以利用稳健的姿态词汇，然而，这种桌面外围的初始应用市场将是游戏控制器。电脑游戏专注于提供吸引人的游戏的生动的图形化体验。计算机游戏玩家舒适流利地使用用户设备，这些用户设备操纵玩家的人物代表，并在注视着视频显示器(而不是输入设备)时进行控制。于2010年11月引入的微软的Kinect，在其上市的60天内售出了一千万台，但其不能提供许多游戏所需的受控精度或反应能力，例如第一人射击游戏。Kinect提供相对粗略的位置精度，以及低的相机帧率。例如，Kinect具有键盘输入扫描(125Hz)的反应速度四分之一的帧率(30fps)。接触范围融合设备104将随着用户以手和脚接触和按压表面，针对表面交互为游戏控制以极其精确的控制和响应提供更宽的背景。
部件清单
范围成像相机(Range Imaging Camera，RIC)100：产生二维图像，表示从特定点到场景中的点的距离，所述特定点是三维中的一点。有许多类型的商用范围成像相机100，其使用已有的技术，例如：立体三角法(Stereo triangulation)、光片三角法(Sheet oflight triangulation)、结构光(Structured light)、渡越时间(Time-of-flight)、干涉测量法(Interferometry)和编码孔(Coded Aperture)。在一个实施例中，可使用微软的Kinect外围设备作为范围成像相机100。该Kinect包含一个PrimeSense范围成像相机100。有可用的开源API，以使用Kinect中的这一相机，例如OpenCV以及微软Kinect API。尽管Kinect也具有可与本发明一起使用的RGB相机103，然而，该RGB相机103不作为本发明必需的部件来使用。在Kinect的实施例中，具有标准的USB线缆9。图124展示了具有IR相机106、RGB相机103和USB线缆9的范围成像相机100。
接触设备(Touch Device，TD)101：触摸装置101能检测和跟踪表面上的接触111。有许多用于触摸装置101的技术和商用设备，例如苹果(Apple)的Magic Mouse。一个MagicMouse实施例包括标准USB线缆9。类似地，还有包含触摸装置101的常见的智能手机和平板电脑，例如苹果的iPhone或iPad。触摸装置101的实施例包括那些使用以下操作方法的设备：Resistive，Projective Capacitive，Optical，和Frustrated Total InternalReflection(FTIR)。
图125展示了触摸装置101，例如苹果的Magic Mouse，其具有(1)触摸装置101和(2)USB线缆9。
压力成像设备1：是接触设备100，其也提供表面接触处的压力数据，与位置检测接触111数据一起。压力成像设备1的一个实施例包括标准USB线缆9。提供某种程度上的压力数据(尽管比压力成像设备1的压力感测精度要低)的触摸装置101的其它实施例包括FTIR。
图126展示了具有USB线缆9的压力成像设备1
计算机3：具有微处理器的计算机3或其它设备，具有用于从一个或多个触摸装置101和一个或多个成像相机100接收数据的装置。计算机3的一个实施例是基于微软Windows的计算机。
用户体验的逐步骤描述：
图127展示了具有触摸装置101、范围成像相机100、物理物体102(例如用户的左手118和右手121)的台面顶部(Table Top)实施例。
图128展示了具有触摸装置101、范围成像相机100、物理物体102(例如单个用户109)的地板(Floor Embodiment)实施例。
从用户角度看，操作如下所述：
在一个时步中，一个或多个用户的手或其它物理物体102在范围成像相机100的视场范围内。来自范围成像相机100的持续图像被传输至计算机3。其它用户可同时用手指、手掌、脚趾、脚、膝盖、其它身体部位或其它物理物体触碰触摸装置101的顶部。所施加的这一接触的连续图像通过触摸装置101传输至主机3。
随空间改变深度的范围图像存储在计算机3的存储器的区域中。计算机3中的计算机软件可用于将图像存储在二级存储器中，例如作为磁盘文件，以在计算机显示器上将图像作为视觉图像进行显示，从而执行分析，例如对手物体模型105、手跟踪、身体模型、身体跟踪、脚形模型、脚跟踪、区域发现、形状分析的重构，或现有技术中的标准的其它图像分析处理[1-5]，或为任何其它能使用图像的目的。
在一个压力成像设备1的实施例中，在计算机3中，随空间而改变压力的图像存储在计算机存储器的区域中。主机中的计算机软件可用于将图像存储在二级存储器中，例如作为磁盘文件，以在计算机显示器上将图像作为视觉图像进行显示，从而执行分析，例如进行手形识别、手指跟踪、步伐形状识别、步伐跟踪、区域发现、形状分析或现有技术中的标准的其它图像分析处理，或为任何其它能使用图像的目的。
在下一步时步中，重复上述处理，并为每一连续时步进行上述处理。
外部操作视觉点
图129展示了触摸装置101、范围成像相机100、从触摸装置101到计算机3的USB线缆9、从范围成像相机100到计算机3的USB线缆9，以及计算机3。
一个或多个触摸装置101和一个或多个范围成像相机100连接至计算机3。
每个触摸装置101具有瞄准其表面的一个或多个范围成像相机100。
每个范围成像相机100与其所瞄准的一个或多个接触设备进行校准/配准。这是使用已有的软件技术来完成的，例如[17]，[18]，[19]，[20]，[21]中描述的算法，或为现有技术中标准的其它图像分析处理。该校准/配准的一个直接结果是，二维触摸装置101上的点到范围成像相机100的三维坐标系统中的点的准确定义的映射。
内部操作视觉点
使用范围成像相机100数据中的图像分析处理，例如[1]，[2]，[3]，[4].[5].[15]，[16]，[22]，[23]，或使用现有技术中标准的其它图像分析处理，可识别场景中的物体，并将这些物体映射到已知的模型类型中，并在三维空间中进行跟踪。
每个手、全部身体、或其它具有已知的几何形状的物体、例如钢笔的连续时间改变三维联结模型，是使用图像分析处理([1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[15]，[16]，[22]，[23])，或使用现有技术中标准的其它任何图像分析处理，从范围成像相机100的数据中构建的。
手指、手掌或与触摸装置101接触的其它物体的连续时间改变检测接触111，是使用检测接触111跟踪处理、例如[7]或[22]，或使用现有技术中标准的其它接触跟踪处理，从触摸装置101的表面数据中构建的。
将第二和第三步组合在一起的算法的逐步详细描述
多个可识别的物体模型，例如手、身体、笔、球、圆柱体、锤、或适于本发明的应用的其它物体，存储为已知类型的可用数据。该数据包括用于识别物体类型和骨骼几何模型所必须的数据，包括用于该物体类型的一组咬合关节112，以及用于该模型的一组可跟踪接触点110。例如，在手物体模型105中，铰接点112将包括手腕和单个手指关节112，而接触点将包括指尖。出于该目的，模型类型识别为Ti。例如，T1可指用于手的模型类型，T2可指用于笔的模型类型，等等。三维空间中的物体识别、映射和跟踪可使用图像分析处理、例如[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[15]，[16]，[22]，[23]，或使用现有技术中标准的任何其它图像分析处理来完成。
图130A展示了手的手边缘122，其使用范围成像相机100数据从用户的手115的图像检测得到，并应用了标准化边缘检测算法。图130B展示了与手物体模型105的所得特征骨骼相重合的手边缘122，所述手物体模型105是通过应用标准化算法得到的。图130C展示了所得的咬合的手物体模型105的骨骼，其展示了模型中的可跟踪的接触点110，例如该模型中有指尖和咬合关节112，例如手腕、指关节等。
由于每个物体首先被检测并识别为已知模型类型Tt，因此其将被指派一个独一无二的元件标识符E，该标识符E添加至场景中已知的元件列表中。因此，系统将持续时间跟踪Jjn中的每个关节的三维坐标(b表示Ti中第n个关节112)，以及元件Ej中的接触点Cjm(m表示Ti中第m个接触点110)。即使当关节112或接触点110中的一些变得被遮挡时(被自身遮挡，如握拳时手指被遮挡，或被场景中其它物体遮挡)，对对应于元件模型的关节112和接触点110的跟踪仍然保持。如果一个接触点在特定时刻通过范围成像相机100不可见，则将认为接触点110是被遮挡的。
图130D展示了具有带标记的关节Jji和接触点Cjm的手元件Ej的关节连接模型。
特别地，计算机系统将保持场景中的元件列表Ej具有以下数据：
模型类型，Ti
在任意时间点上：
一组三维位置，每个位置对应于总坐标系中的每个关节112Jjn(*)
一组三维位置，每个对应于每一接触点110Cjm
一组遮挡布尔值，每个对应于每一接触点110Cjm，表示该接触点110是否从范围成像相机100中是当前可见的
(*)如在单独部分所述的，所有位置都能映射至该场景的纵坐标系统中。
因此，对于每个触摸装置101，将具有连续时变的一组检测到的接触111，其位于与触摸装置101接触的物体的触摸装置101上，使用例如[7]或[22]的接触跟踪处理，或使用现有技术中标注你的任何接触跟踪处理来跟踪。
由于每个检测到的接触111首先被检测和识别，因此，其将被指派一个独一无二的元件标识符P，该标识符P添加至用于该设备的已知接触列表中。作为现有技术中的标准操作[22]，如果接触P离开表面，在指定时间阈值和距离阈值内检测到新的接触，则该接触将被指定同一标识符P，如指尖在标准设备、例如苹果iPad上的例子一样。离开表面且在时间和距离阈值内不重现于表面上的接触被认为是“不再活动”。
图134展示了具有一组接触点Pk的触摸装置101。
特别地，计算机3将保持场景中的元件列表Ej具有以下数据：
在任意时间点上：
映射到三维总坐标中的接触的二维位置(*)
在压力成像设备1中，接触的压力值。
(*)如在单独部分所述的，所有位置都能映射至该场景的纵坐标系统中。
对于作为类型Ti的每个接触点110物体模型，接触半径可指定为数据。例如，对应于指尖的接触半径将近似为1/4″，对应于指尖(手指内)模型中的位置到物体本身表面的距离(对应于手指指端上的一点)。这一接触半径可与适于本发明应用的实际元件侧成比例。例如，孩子的手比成年人的手小得多，因此，孩子手指的接触半径可能是近似1/8″。在一个实施例中，可相对于两个指定关节点112的距离而计算出的比例因数。
当检测到的接触111离开表面，并在前述时间和距离的阈值内不再接触时(例如带式移动)，检测到的接触111Pk不再是活动的。在一个实施例中，时间和距离阈值可与关联的接触点110相匹配。例如，脚触拍比手指触拍具有更大的时间阈值。
以下是用于使检测到的接触111与接触点110进行关联、以及使接触点110与接触进行关联的算法：
对于每一时步t
从范围成像相机100数据中，获取时刻t时场景中的目标元件{Ej}的新状态。
对于在该时步中初次引入场景的每个新元件Ej
对于该元件的每个接触点110Cjm
将与该接触点110关联的检测到的接触111设定为“无”
从接触系统获取在时刻t时检测到的接触111{Pk}的新状态
对于在该时步初次引入的每个新的检测到的接触111
将与该检测到的接触111关联的接触点110设定为“无”
对于在该时步中变得不再主动的每个检测到的接触111Pk
如果具有与该检测到的接触111相关联的接触点110Cjm
将与Cjm相关联的检测到的接触111设定为“无”
从检测到的接触111的组中移除该检测到的接触111Pk
对于不具有与其关联的接触点110Cjm的每个检测到的接触111Pk
对于不具有关联的检测到的接触111的每个接触点110Cjm，并且，接触点110当前未被遮挡
计算接触点110Cjm和检测到的接触111Pk在总坐标中各自位置之间的欧几里德距离d
如果d小于该接触点110Cjm的接触半径，则
使Cjm与Pk相关联
使Pk与Cjm相关联
与算出的关联(*)一起显示数据{Ej}，{Cjm}，{Jjn}，and{Pk}
通过用于进一步分析(*)的全部更高等级系统的API，与算出的关联(*)一起提供该数据{Ej}，{Cjm}，{Jjn}，and{Pj}，(**)
在下一时步，重复上述处理，并对每一连续时步进行上述处理。
注意：
(*)对于与检测接触Pk相关联的接触点110Cjm，来自检测到的接触Pk的位置信息将总是比来自接触点Cjm(来自范围成像相机100的数据分析)的位置信息更精确。特别地，尽管遮挡的接触点100的位置或是不准确、或是不可知的，然而，通过关联的检测到的接触111Pk，任意遮挡的接触点110Cjm的精确位置是可知的。
(**)数据{Ej}，{Cjm}，{Jjn}，and{Pj}与计算得的关联一起，可提供给用于进一步分析的更高等级的系统，例如在[27]中的、将提取更高等级姿势的姿势合成或姿势分析，其又可用在应用中。图135为框图，展示了连接至计算机3的范围成像相机101和接触设备102。使用该框图，将元件数据{Ej}存储在用于元件数据123的计算机存储器中，且将检测到的接触数据存储在用于检测到的接触数据124的计算机存储器中。
组合多范围成像相机和接触设备
在大的多用户109表面上，将关于手势的语义数据和手/手指识别信息以及脚姿势和脚/脚趾识别信息，与大量关于位置、精确时间以及表面上的每个检测到的接触111压力的压力成像设备1的高品质信息相组合，并使该数据在API中可知，这一能力将使难以实现的新的交互式人/计算机接口应用成为可能。
本发明更广泛的冲击力和商业潜力来自于在大的多用户109表面上，对关于手势和脚姿势的语义数据的组合，以及以来自表面数据的高分辨率精细细节进行的物体操纵，从而使难以达实现的新的交互式人/计算机接口应用成为可能，用在那些协作者围绕存在的台面和突起壁聚集和/或行走，以使用自然和表情性手、脚和物体操纵姿势进行高精度协作性工作的方案中。这一接触范围融合设备104比那些单独使用范围成像相机100或触摸装置101的方式更高级，这是因为其同时允许等距和等压姿势，以及充分的手/手指分隔和高品质接触/压力传感。由于范围成像相机100和触摸装置101成为低价商品，成本将降得足够低，因此，这一类型的接触范围融合设备104可广泛地用在家庭、办公室、学校或其它场合，使人们能够围绕存在的台面或突起壁而聚集并行走，以从事高质量协作性工作。在教育、远程会议、计算机支持的协作性工作和教育性游戏中，以及在用于科学可视化、防御、安全性和紧急防备中的交互式刺激中，都具有极大的潜力。
分别地，一种新颖的计算机人类交互技术，在此称为接触范围融合设备104，描述为：其允许稳健的姿势和高品质/精度的手/手指和脚/脚趾输入，以及对表面区域上的多个单独用户109、用户的手115、个人的手指、个人的脚和脚趾、笔和物体的排歧。来自范围成像相机100的数据用来跟踪手和脚的动作，以保持随时间对手/手指和脚/脚趾的识别，且该信息是与表面触摸装置101相组合的，用来确定具有高帧率的精确的位置表面信息。这得到了接触范围融合设备104，以及可靠地将来自一个或多个范围成像相机100的数据与来自压力传感设备1或能检测表面上的一个或多个检测到的基础111的其它任何类型的触摸装置101的数据相组合的软件抽象，以为一个或多个用户，或为大面积表面上方的其它物体创建手和手指动作以及脚和脚趾动作的高品质表现。这一技术使得一种仅适用商品范围成像相机100和触摸装置101的低价商用装置成为可能，在这种商用装置中，压力成像设备1或其它类型的触摸装置101用在大致比商品范围的成像相机100的帧率快的数据率下，例如每秒一百到两百帧，与软件抽象一起，所述软件抽象使稳健的手和脚动作/姿势和个人的手/手指/脚/脚趾/物体识别和排歧成为可能。
当组合使用时，范围成像相机100和高帧率压力成像触摸装置101不会面临单独每种技术所具有的缺陷。特别地，来自范围成像相机100和触摸装置101的组合数据允许软件层来确定指尖或笔是否接触表面，以持续跟踪与压力成像设备1或触摸装置101接触的识别了的指尖和笔，并即便当目标在相机里变得模糊时也保持对接触的指尖和笔的识别。另外，可支持多个同步用户之间的协作，如本发明所述的，允许软件层来区分同时使用同一工作空间的多个个体，并在用户的手跨过彼此上方时，或当存在多双脚时，在脚下的地板或其它表面上保持用户手/笔尖的各自的ID。
使用标准技术的三维变换矩阵技术，可为多个范围成像相机100和触摸装置101建立共用的总坐标系统。当使用一个或多个触摸装置101时，必须完成校准处理，以获得范围成像相机100与触摸装置101的表面之间的变换矩阵。在一种实施方式中，在一个触摸装置101的四个转角处放置了校准立方体113。使用这些角坐标，在点与范围成像相机100之间确定了变换矩阵。这四个点一起创建了用于触摸装置101的表面平面。必须为相机视觉中的每个触摸装置101都完成这一处理。如果使用多个范围成像相机100，则为每一对触摸装置101和范围成像相机100确定变换矩阵，该变换矩阵禁止了该触摸装置101与该范围成像相机100之间的坐标变换。在一种实施方式中，为每个被监控的触摸装置101重复该处理。如果多个范围成像相机100与触摸装置101相关联，则将触摸装置101作为共有的参照坐标系统来使用，可确定范围成像相机100之间的总变换矩阵。具有重复视野的多个范围成像相机100，允许在校准时确定每个后续范围成像相机100的位置。如果一个范围成像相机100与另一个范围成像相机100一起没有看到触摸装置101，该范围成像相机100理想所需的是总矩阵，则该矩阵必须与范围成像相机100或触摸装置101相关联。
图131展示了放置在接触装置的四个转角处的立方体。
融合触摸装置101与范围成像相机100而能实现的姿势
通过接触触摸装置101和范围成像相机100能实现的姿势取决于范围成像相机100的识别能力，该识别能力与触摸装置101的精度是配对的。
单次接触：
通过触摸装置101以单次接触而实现的任何姿势可扩展，以具有基于所检测到的接触111的特定动作状态。例如，如果使用手的手指，则每个手指可具有附属的单独动作状态。这意味着，如果使用一只手，则可进行五种单独动作，每个手指一种，无需依赖于菜单在动作之间进行切换。另外，单次接触的物体，例如笔，可与手指相区别，以提供交替的交互性，或防止意外输入。
在一种实施方式中，来自接触范围融合设备104的输入可用于对鼠标进行仿真，通过将鼠标动作映射为触摸装置101上的食指的动作，左击拇指触拍区，右击中指触拍区。这一例子展示了传感器融合技术的用途。没有范围传感器100时，将丧失手指触摸识别；而没有接触成像时，将丧失精度和高帧率。
多重触摸：
当相互作用的范围扩展至多重检测到的触摸111时，可能实现精度和弦(precision chording)。使用不带范围成像相机100的触摸设备101，限制了输入的数量的可能动作状态。例如，如果一个手的手指用在触摸设备101上，则只有五种动作状态是可用的(一到五种触摸)。当与范围成像相机100相融合，以识别触摸时，和弦是可能的。和弦是同步地使用具体检测到触摸111来做出姿势的处理。例如，同步地使用拇指和食指，可做出非拇指和中指同步地做出的单独手势。对检测到的触摸111进行识别，这意味着，对于n个检测到的触摸111，可能具有(2^n)-1个动作状态组合。例如，在添加了范围成像相机100时，对于一只手的手指，可能动作状态的组合从5到31个不等。
在一种实施方式中，右手握持着笔，笔通过与触摸装置101接触，向绘制软件提供位置输入。在用户绘图时，左手可使用特定的和弦组合，以使笔在31组动作状态之间切换。
手掌/手/脚/物体：
融合范围成像相机100和触摸装置101，也可用来拒绝不想要的输入，并对非标准触摸输入、例如手、脚和物体添加动作状态。
当使用触摸装置101本身时，可能产生非意图的输入。例如，手掌可置于触摸装置101上，并可造成检测到的接触111的混乱。当融合范围成像相机100时，可确定手的骨骼，这样，触摸被识别为是来自手掌，从而拒绝输入。同一理念还可用于那些应当被拒绝提供输入的其它物体。例如，可拒绝位于触摸装置101上的咖啡杯。
手、脚和物体也可提供交互性的替代形式，这些替代形式取决于触摸装置101认为什么是多重触摸。例如，手掌不同部位的触摸，可映射为不同的动作状态。没有范围成像相机100，则不能确定手掌触摸的区域。
多个单独用户109：
仅凭其自身，触摸装置101不能对触摸同一装置的单独用户109进行区别。当与范围成像相机100一起使用时，可确定单独用户109，并将触摸指派给正确的单独用户109。这允许多个单独用户109进行同步交互，或进行协作性交互。
例如，触摸范围融合设备104可区别以下情形：来自一只手不同手指的多个同步检测到的触摸111、来自同一用户不同手的手指的多个同步检测到的触摸111、来自两个不同用户109的手的手指的多个同步检测到的触摸111。
类似地，触摸范围融合设备104可用来区别以下情形：基于通过一个用户的两只脚在传感地面上而同步检测到的触摸111，以及基于两个不同用户109的脚在传感地面上而同步检测到的触摸111。
相机和接触装置配置的替代性实施例
在一个适用于台面手势跟踪的实施例中，包括范围成像相机100，该范围成像相机100以窄的角度、例如3°，瞄准于12″x18″的范围，相机距离触摸装置101退后了6″。
图132展示了具有触摸装置101和范围成像相机100的本发明的实施例。
在另一实施例中，范围成像相机100可置于支撑台架上，并以常规角度、例如30°向下瞄准于触摸装置101上。这一配置适于在12″×18″的触摸装置上进行台面手势跟踪。其可适用于具有5′×6′的触摸压力成像设备1的游戏控制器。
图122展示了本发明的一个实施例，其具有触摸装置101，范围成像相机100，以及使范围成像相机100以锐角面向触摸装置100的支撑台架114。
在适于手势跟踪的另一实施例中，其由两个范围成像相机100构成，能以窄的角度、例如2°，瞄准于16×25″的触摸装置101上，如图133所示。
用途
以下是触摸范围融合设备104的一些用途。
电子白板：
传感器融合可以是电子白板的一个部件，其由平坦触摸设备101、一个或多个范围成像相机100、计算机3和将计算机视频图像投影到表面的显示器投影仪构成。触摸范围融合设备104用作电子白板的输入。输入可来自笔或手指，其通过范围成像相机100来识别，并在电子触摸装置101上绘线。计算机使用来自触摸装置101的接触点数据，并将其映射为投影显示图像上的像素，例如笔的路径被跟踪处的像素。用户的单个手指可置于表面上，以用单独的手势来改变笔的颜色。
协作式表面
使用触摸范围融合设备104的协作式表面由触摸装置101、一个或多个范围成像相机100、计算机3和投影仪构成。在一种实施方式中，多个单独用户109围绕触摸装置101聚集，并触摸显示于表面上的图像。使用位置、手臂距离和手臂相对角度，个体彼此之间可以区别。当用户与触摸成像表面接触时，如果触摸线位于所显示的照片的内部时，则可选择照片。沿着表面拖曳手指，以移动照片。用户握持照片的位置是在确定不同用户109时计算得到的，该位置用于使所选图像旋转，从而将图像置于用户的右上侧。
计算机外围设备：
计算机外围设备将由触摸范围融合设备104和一些将信息从计算机3中传入传出的通信协议构成。可使用该外围设备来仿真鼠标。使用指尖识别，可将拇指映射为鼠标动作，而食指可用作鼠标左击，中指用作右击。
游戏控制器：
使用触摸范围融合设备104的游戏控制器由触摸范围融合设备104和到游戏控制台的通信协议构成。交互可来自于手、脚、身体或物体。在一个例子中，随着来自游戏控制台的显示器显示要完成的舞步，多个单独用户109在6只脚×6只脚的触摸设备101上跳舞。可通过使用范围成像相机100的数据来确定每个用户的脚。步伐正确则可以增加游戏分数的方式进行奖励。
参考文献：所有参考文献以引用方式并入本文：
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虽然前述示例性实施例中以对本发明进行了详细的描述，仍需理解的是，这些描述只是用于说明阐释目的，本领域技术人员可在不脱离后附权利要求所述的本发明的精神和范围的前提下对这些实施例作出改变。

Claims (32)

1.一种传感装置，包括：
计算机；以及
多个与计算机通信的、形成传感器的单独的传感瓷片，所述传感瓷片形成传感器表面，该传感器表面检测施加在所述表面上的力，并向所述计算机提供对应于该力的信号，所述计算机根据该信号，产生施加于所述表面上的力的时变连续图像，其中，所述表面是连续的，且能以在跨所述瓷片的所述表面上为几何连续且无缝的方式感测所检测到的力。
2.一种传感器，包括：
多个瓷片，每一瓷片包括线路网格，该线路网格形成交叉点和各线路之间的间隔区域；
与所述线路网格的多个交叉点相接触的一组突起，以及跨所述瓷片分布在该组突起顶上的外部层，因此，到该外部层的外表面上的力通过所述突起进行传递，到达突起；以及
与网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的表面上的力的无缝位置。
3.根据权利要求2的传感器，其特征在于，所述传感器包括靠近所述线路网格的多个交叉点的力阻材料。
4.根据权利要求3的传感器，其特征在于，所述力阻材料仅分布所述线路网格的多个交叉点的附近，且所述力阻材料与所述交叉点之间具有间隔。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的传感器，包括：
计算机，该计算机具有N个双模拟/数字I/O引脚和M个数字I/O引脚，其中，M和N为大于3的正整数；以及
压力传感阵列，所述压力传感阵列具有N行和M列，其中所述N个I/O引脚与所述N行通信，且最多所述M列与所述M个I/O引脚通信，而不使用所述计算机外部的任何晶体管或其它可变换电子元件。
6.一种用于确定根据权利要求2所述的传感器的瓷片位置的方法，包括以下步骤：
从计算机向与该计算机通信的至少多个瓷片发送查询信号，请求每个所述瓷片识别与该瓷片电通信的至少一个相邻瓷片；
用所述计算机接收来自所述多个瓷片的、对所述查询的响应；以及
用所述计算机根据所述响应形成所述瓷片彼此相对位置的几何地图。
7.一种传感方法，包括：
检测施加在由形成传感器的两个或多个单独传感瓷片形成的传感器表面上的力，所述力来自于跨过连续表面而移动的物体，检测到的力可以以跨所述瓷片在所述表面上是几何连续并无缝的方式被感测；
将来自与计算机相连的瓷片的、对应于所述力的信号提供给计算机；并且
利用所述计算机，根据所述信号，产生跨所述瓷片作用在所述表面上的力的时变连续图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法包括步骤：将附加瓷片连接至两个瓷片中至少一个瓷片，以扩张传感器表面的尺寸，其中，所述表面包括附加瓷片并且是连续的，检测到的力可以以在一个表面上是几何连续并无缝的方式被感测。
9.一种传感方法，包括以下步骤：
向机械层顶部施加力，该力传递至具有多个瓷片的线路之间间隔区域的线路网格所定义的交叉点；
利用与所述网格进行通信的计算机，使激励信号发送至所述网格；并且
利用所述计算机，基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的表面上的力的连续无缝位置。
10.一种传感器，包括：
多个瓷片，每一瓷片具有线路网格，其形成交叉点和线路之间的间隔区域；
与所述线路网格的多个交叉点相接合的一组突起，以及具有与该组突起并列的内面以及外面的外表面层，因此，作用在所述外表面层的外面上的力经所述外表面层的内面传递至所述突起和所述多个交叉点；以及
与网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的所述外表面层的外面上的力的抗锯齿图像。
11.根据权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述外表面层是机械层，且所述突起组分布在所述线路网格与所述机械层之间。
12.根据权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述线路网格分布在所述突起组与所述外表面层之间。
13.一种传感方法，包括以下步骤：
向外表面层的外面施加力，该力经所述外表面层的内面传递至一组突起和多个交叉点上，所述交叉点由在多个瓷片的线路之间具有间隔区域的线路网格所定义；
利用与所述网格进行通信的计算机，使激励信号发送至每一瓷片的所述网格；并且
利用所述计算机，基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的外表面层的外面上的力的抗锯齿图像。
14.一种传感器，包括：
多个瓷片，每一瓷片具有线路网格，其形成交叉点和线路之间的间隔区域；
与所述线路网格的多个交叉点相接触的一组突起，以及具有与所述线路网格接触设置的内面以及外面的外表面层，因此，作用在所述外表面层的外面上的力经所述外表面层的内面传递至所述突起和所述线路网格的交叉点，所述线路网格的交叉点夹在所述外表面层与所述突起之间；以及
与网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的所述外表面层的外面上的力的抗锯齿图像。
15.一种传感器，包括：
多个瓷片，每一瓷片具有线路网格，其形成交叉点和线路之间的间隔区域；
与所述线路网格的多个交叉点相接触的一组突起，以及具有分布在所述线路网格顶上的多个板的层，
因此，施加在机械层顶部的力经所述交叉点传递至所述突起；以及
与网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的表面上的力的连续无缝位置。
16.根据权利要求15所述的传感器，其特征在于，所述板的层包括分布在多个板上的柔性接触层。
17.根据权利要求16所述的传感器，其特征在于，每个板具有在相应突起的外表面上方对齐的转角。
18.一种传感器，包括：
多个瓷片，每一瓷片具有线路网格，其形成交叉点和线路之间的间隔区域；
与所述线路网格的多个交叉点相接触的一组突起，以及具有分布在所述线路网格顶上的多个板层，
因此，施加在机械层顶部的力经所述交叉点传递至所述突起；以及
与网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的表面上的力的连续无缝位置。
19.一种传感器，包括：
多个瓷片，每一瓷片具有线路网格，其形成交叉点和线路之间的间隔区域；
与所述线路网格的多个交叉点相接触的一组突起；
板层，其具有分布在所述线路网格顶上的多个板；
柔性接触层，其分布在所述板层上，其中，施加在所述接触层上的力经所述板层传递至交叉点层，并到达所述突起；以及
与网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的表面上的力的连续无缝位置。
20.一种传感器，包括：
多个瓷片，每一瓷片具有从底部与线路网格的多个交叉点相接触的一组突起，以及从顶部与所述线路网格的多个交叉点相接触的一组板，以及分布在所述一组板顶上的顶部表面层，因此，从上方施加在所述顶部表面层上的力传递至所述一组板，并传递至所述线路网格的交叉点，再至所述突起，因此所述交叉点压在所述一组板与所述突起之间，且下方的所述突起由此将力直接集中在传感器交叉点上；以及
与传感器网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的表面上的力的连续无缝位置。
21.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括施力于机械层的顶部的步骤，所述力通过多个交叉点中的至少一个交叉点传递至与该至少一个交叉点相接触的一组突起中的至少一个突起，其中，所述交叉点由线路格栅和各线路之间的间隔来界定，且所述机械层具有设置在所述线路格栅的顶上的多个板。
22.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括施力于机械层的顶部的步骤，所述力通过一组突起中的至少一个突起传递至多个交叉点中的至少一个交叉点，其中，所述交叉点由线路格栅和各线路之间的间隔来界定，且所述机械层具有设置在所述线路格栅的顶上的多个板。
23.一种传感器，包括：
多个瓷片，每一瓷片具有一组板，该组板在转角处从其底部与一组突起相接触，所述一组突起从上方与分布在基底上的线路网格的多个交叉点相接触，以及设置在所述一组板顶上的顶部表面层，因此，从上方施加在所述顶部表面层上的力传递至所述一组板，并传递至所述突起，再至所述线路网格的交叉点，因此所述交叉点压在所述一组板与所述突起之间，且上方的所述突起由此将力直接集中在所述交叉点上；以及
与所述网格进行通信的计算机，该计算机使激励信号发送至所述网格，并基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的表面上的力的连续无缝位置。
24.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括设置在所述交叉点上的FSR。
25.根据权利要求24所述的传感器，其特征在于，当力施加在表面层上时，每个突起对齐，以与相应的传感元件相接触。
26.根据权利要求25所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括粘合剂，所述粘合剂设置在所述表面层与所述一组板之间、所述突起于所述网格之间、以及所述网格与所述基底之间。
27.根据权利要求26所述的传感器，其特征在于，每个板以其转角在相邻传感元件内对齐的方式放置。
28.根据权利要求27所述的传感器，其特征在于，所述板对齐为使板之间具有间隙，且所述板的转角之间的间隙的中心对齐，以与传感元件相对应。
29.根据权利要求28所述的传感器，其特征在于，每个突起是一个刚性隆起，其由塑料、金属、木头或玻璃制成，所述突起使力集中至相应的传感元件，每个突起具有这样一种形状：其与相应传感元件的接触面精确地位于相应的传感元件之上或内部。
30.根据权利要求28所述的传感器，其特征在于，所述突起经板之间的间隙延伸，以与板齐平。
31.根据权利要求28所述的传感器，其特征在于，所述突起从板与板的顶点处突起。
32.一种用于根据权利要求23的传感器的传感方法，包括：
从上方向顶部表面层施加力，该力传递至一组板，再至一组突起，经此至线路网格多个交叉点，所述多个交叉点压在基底与突起之间，其中，所述一组板在其转角处的底部与所述一组突起相接触，所述一组突起从上方与分布在基底上的线路网格的所述多个交叉点相接触；且上方的所述突起使得所述施加的力直接集中在所述交叉点上；
利用与所述网格进行通信的计算机，使激励信号发送至所述网格；并且
利用所述计算机，基于从所述网格接收的数据信号，通过插值法重构跨所述瓷片的所述表面上的力的连续无缝位置。
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