CN103294191B - 使用基元的高精确度触觉效应生成 - Google Patents

使用基元的高精确度触觉效应生成 Download PDF

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Abstract

本公开涉及使用基元的高精确度触觉效应生成。一种触觉使能系统,接收包括多个输入参数的触觉效应基元,并且接收来自传感器的输入。该系统从该触觉效应基元生成触觉效应信号,该触觉效应信号包括多个输出参数,其中输出参数中的至少一个基于传感器的输入而变化。该系统随后将该触觉效应信号施加到致动器。

Description

使用基元的高精确度触觉效应生成
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年2月15日提交的序列号为61/599,173的美国临时专利申请的优先权,其内容在这里通过参考并入。
技术领域
一个实施例涉及触觉效应,并且尤其涉及使用基元(primitive)生成高精确度触觉效应。
背景技术
电子装置制造商致力于为用户开发丰富的界面。传统的装置利用视觉和听觉提示为用户提供反馈。在一些界面装置中,也为用户提供动觉反馈(如主动力反馈和阻力反馈)和/或触觉反馈(如振动、质地和热量),更普遍地统称为“触觉反馈”或“触觉效应”。触觉反馈可以提供改进和简化用户界面的提示。具体地是,振动效应,或振动触觉效应,可用于为电子装置的用户提供提示以使用户警惕特定的事件,或提供真实感的反馈以在模拟或虚拟环境中创建更强烈的感官沉浸。
为了产生振动效应,许多设备使用一些类型的致动器或者触觉输出设备。用于这个目的的已知致动器包括例如其中由发动机移动偏心质量块的偏心旋转质量块(“ERM”)的电磁制动器、其中连接到弹簧的块被前后驱动的线性共振致动器(“LRA”)、或者例如压电的、电致动聚合物或者形状记忆合金的“智能材料”。触觉输出设备还可以是非机械或者非振动的设备,例如使用静电摩擦力(“ESF”)、超声波表面摩擦(“USF”)的设备、用超声波触觉换能器引起声学辐射压力的设备、使用触觉基底和柔软或可变形表面的设备、提供例如使用空气喷射的一股气流的喷射式触觉输出的设备等等。
发明内容
一个实施例是触觉使能系统,其接收包括多个输入参数的触觉效应基元,并且接收来自传感器的输入。该系统从该触觉效应基元生成触觉效应信号,该触觉效应信号包括多个输出参数,其中输出参数中的至少一个基于传感器输入而变化。该系统随后将该触觉效应信号施加到致动器。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的触觉使能系统的结构图。
图2是根据一个实施例的包括要模拟的音乐乐器的可选图形图像的系统的透视图;
图3是根据一个实施例的说明线性映射的频率对加速度的图;
图4是根据一个实施例的当从HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号时图1的高精确度(“HD”)触觉效应生成模块的功能流程图。
图5是物理激励的随机事件建模算法的结构图表示;
图6是根据一个实施例的当从HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号时图1的HD触觉效应生成模块的功能流程图。
具体实施方式
一个实施例是触觉效应生成系统,其生成用于高精确度(“HD”)致动器的振动类型的触觉效应。该触觉效应以触觉“基元”的形式表示,其中例如周期、持续时间和幅度的参数被用来定义触觉效应,并且这些参数随后被引擎解释并转换为发动机电压信号,其包括输出参数并且被施加到HD致动器。
ERM和LRA类型的致动器可被认为是“低精确度”致动器,因为当生成触觉效应时它们具有受限的频率范围。相反,HD致动器,例如基于压电、电致动聚合物或者静电的致动器,能够以更快的上升(ramp-up)时间和大的动态范围来输出更高的频率内容。因此,由HD致动器生成的触觉效应能够比由低精确度致动器生成的那些更丰富以及更加逼真。尽管为低精确度致动器开发的触觉效应参数/基元通常可用于HD致动器,但它们通常不利用这些高精确度特性。进一步,HD基元可以比低精确度基元包括更多参数,所述低精确度基元仅可以具有单个参数,例如幅度。
图1是根据本发明的一个实施例的触觉使能系统10的结构图。系统10包括在机壳15内安装的触摸感应表面11或者其他类型的用户接口,以及可以包括机械按键/按钮13。系统10内部是触觉反馈系统,其在系统10上生成振动。在一个实施例中,在触摸表面11上生成振动。
触觉反馈系统包括处理器或者控制器12。耦接到处理器12的是存储器20和致动器驱动电路16,其耦接到HD致动器18(例如:压电、电致动聚合物等等)。在一些实施例中,HD致动器18可能是可变形的致动器,例如压电纤维复合材料(“MFC”)致动器。处理器12可能是任意类型的通用处理器,或者可能是被专门设计来提供触觉效应的处理器,例如专用集成电路(“ASIC”)。处理器12可能是操作整个系统10的同一个处理器,或者可能是单独的处理器。处理器12可以基于高级参数来决定什么振动效应将被播放以及所述效应的播放顺序。通常,定义特定触觉效应的高级参数包括大小、频率和持续时间。低级参数,例如流发动机(streaming motor)命令,也可能被用来确定特定的触觉效应。如果当触觉效应生成时其包括这些参数的一些变化或者触觉效应包括基于用户交互的这些参数的一种变化,则触觉效应可以被认为是“动态”的。
处理器12输出控制信号给致动器驱动电路16,所述致动器驱动电路16包括用于提供所需的电流和电压(即“发动机信号”)给HD致动器18以引起所需触觉效应的电子部件和电路。系统10可能包括多于一个的HD致动器18(或者另外类型的致动器),并且每个HD致动器可能包括单独的驱动电路16,全都耦接到公共处理器12。存储器20可能是任意类型的储存设备或者计算机可读介质,例如随机访问存储器(“RAM”)或者只读存储器(“ROM”)。存储器20存储由处理器12执行的指令,例如操作系统指令。在这些指令中,存储器20包括HD触觉效应生成模块22,其是一些指令,当由处理器12执行时,如在下面更详细地公开的那样,从HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号(即:经由驱动电路16施加到HD致动器18的发动机信号)。存储器20可能位于处理器12的内部,或者是内部和外部存储器的任意组合。
触摸表面11识别触摸,并且也可能识别在表面上的触摸的位置和大小。对应于触摸的数据被发送给处理器12,或者系统10内的另一个处理器,并且处理器12解释该触摸以及作为响应来生成触觉效应信号。触摸表面11可能使用任意感应技术来感应触摸,包括电容感应、电阻感应、表面声波感应、压力感应、光学感应等。触摸表面11可能感应多点触摸接触并且可能能够区分在同一时间发生的多个触摸。触摸表面11可能是触摸屏,其生成并显示图像以用于用户交互,例如按键、拨号盘等,或者可能是具有最小图像或者没有图像的触摸板。
系统10可能是手持设备,例如蜂窝电话、个人数字助理(“PDA”)、智能电话、平板电脑、游戏控制台等,或者可能是任意其他类型的设备,其提供用户接口并且包括含有一个或者多个致动器的触觉效应系统。用户接口可以是触摸感应表面,或者可能是任意其他类型的用户接口,例如鼠标、触摸板、迷你操纵杆、滚轮、跟踪球、游戏板或游戏控制器等。系统10也可能包括一个或多个传感器。在一个实施例中,传感器中的一个是加速计(未示出),其测量系统10的加速度。
动态触觉效应是指当它响应于一个或者多个输入参数时随着时间的过去而逐步发展的触觉效应。动态触觉效应是在例如系统10这样的触觉设备上播放的触觉的或者振动触觉的效应,以表现给定输入信号的状态的改变。输入信号可能是由设备上的传感器利用触觉反馈所捕获的信号,例如位置、加速度、压力、方向、或者接近度,或者是由其他设备捕获并发送给触觉设备以影响触觉效应生成的信号。
动态效应信号可能是任意类型的信号,而并不必须是复杂的。例如,动态效应信号可能是简单正弦波,其具有一些特性,例如相位、频率或振幅,其随着时间的过去而改变或者根据映射机制实时反应,所述映射机制将输入参数映射到效应信号的改变特性上。输入参数可能是能够由设备提供的任意类型的输入,并且典型地可能是例如设备传感器信号的任意类型的信号。设备传感器信号可能由任何方式生成,并且典型地可以通过用设备捕获用户手势来生成。动态效应可能对于手势接口非常有用,但手势或者传感器的使用对创建动态信号来说不是必需的。
一个实施例使用HD触觉效应来生成音乐乐器的逼真的机械模拟。图2是根据一个实施例的包括要模拟的音乐乐器的可选图形图像的系统10的透视图。所显示的乐器包括沙球(maraca)202、蛋形打击乐器(egg shaker)204、沙可利沙(shekere)206、卡巴沙铃(cabasa)208、牛铃(cow bell)210和洗衣板式敲击板(wash board)212。用户可以选择乐器中的一个并且与系统10交互,就好像与实际的乐器交互一样。例如,当选择沙球202时,系统10可以被摇动并且将生成HD触觉效应,其通过提供合适的触觉效应信号给HD致动器18来提供摇动沙球的真实感觉。因此,当用户摇动例如系统10的移动设备时,由于HD触觉效应的生成,其再观或者提供在电话内部的沙球“珠子”正在碰撞的感觉,用户将感觉到触觉效应,就好像真实的沙球正被摇动一样。同样地,牛铃210可以为了声音和它对应的触觉效应而被敲打,或者整个设备可以被移动,就好像一个人在移动牛铃一样。作为响应,HD触觉效应被生成,其将导致用户感觉就好象他们正在移动实际的牛铃一样,包括当铃锤从一侧移到另一侧时铃的重量的感觉。
基于频率的HD触觉效应生成
频率变化
一个实施例使用频率变化和频率调制(“FM”)来从HD触觉基元生成触觉效应信号。在一个实施例中,所产生的HD触觉效应信号的频率基于对应的例如由系统10的加速计生成的加速度信号的输入传感器信号而变化。相反,一些现有技术的低精确度触觉效应系统仅允许随着时间的过去的大小的改变,而频率保持不变。
在一个实施例中,已知用于生成音频信号的下列公式也可以用于从HD基元生成HD触觉效应信号:
afm=acsin(2πfct+amsin(2πfmt)t) 公式1
其中四个输入HD触觉效应参数,振幅“ac”和“am”(分别地,载波和调制振幅)以及频率“fc”和“fm”(分别地,载波和调制频率)被输入到图1的模块22,并且作为响应,HD触觉效应发动机信号“afm”被生成并施加到HD致动器18。然而,公式1理想地被用于具有在几十万赫兹范围上的频率值的音频信号。当用于通常具有低于千赫兹的信号的触觉效应时,所生成的HD触觉效应不像典型地所期望的那样真实。
因此,实施例为了HD触觉效应而改变公式1。在一个实施例中,输入频率参数作为外部信号(“Sval”,例如触摸屏11上的手指位置、由板上加速计测量的系统10的加速度、表面压力等)的函数而变化。在这个实施例中,频率变化输出信号“afv”是:
afv=acsin(2πfvart 公式2
其中,fvar=fc+Sval,Sval∈[-fmin,+fmax],并且Sval是在任意给定时间的传感器值,其被映射到将修改信号的频率载波的值的范围。
如公式2所示,信号的频率内容可以通过查看fvar的值来了解,该值将在fc-fmin和fc+fmax之间变化。例如,如果频率需要作为加速度的函数来变化,并且加速度值是在-10m/sec2和+10m/sec2之间,Sval的值∈[-50,60]并且fc=150Hz,那么可以使用函数来映射加速度值Acc到频率值fvar,并且该函数可以是任何类型的。图3是根据一个实施例的说明线性映射的频率对加速度的图。其它映射可以用在另外的实施例中。
在另一个实施例中,在公式2中的fvar被使用比例因子而不是值的范围来表示,因此fvar被表示如下:
fvar=fc*Sval其中Sval∈[0,Smax] 公式3
其中频率将作为已经在0和Smax之间归一化的标量Sval的函数而变化。如果例如加速度被按比例缩放到0和2.1之间的值并且fc=100Hz,那么当按比例缩放的加速度在0处时,fvar=100Hz,以及当按比例缩放的加速度在2.1处时,fvar=210Hz。在一个实施例中,按比例缩放的加速度被假设以线性方式被从-10和10之间映射到0和2.1之间的值,但在其它实施例中,该按比例缩放可能使用线性、二次指数或者其它类型的映射来完成。
在另一个实施例中,公式2的大小ac参数可作为一些外部信号的函数而变化,并且那些变化可以用如对于fvar所描述的那样相似的方式来完成。
相位调制
一个实施例使用相位调制来生成HD触觉信号,其可以被认为是FM信号的间接生成。在这个实施例中,上述公式1被修改如下:
公式4
其中第二项是信号的相位并且仅依赖于正弦值而不像公式1中那样依赖于正弦值和时间的积。用公式4生成的触觉效应仅作为时间的函数而变化。然而,如上面所公开的那样,存在要具有作为一些其它外部变量(就像传感器值,或者由传感器捕获的人的手势)的函数而变化的需求。因此,在一个实施例中,公式4的参数可以用如上面公式2的参数那样相似的方式来修改。所修改的实施例包括下列:
·作为传感器的函数来改变fc
·作为传感器的函数来改变am
·作为传感器的函数来改变fm
·作为传感器的函数来改变ac
频率调制
一个实施例通过用一个时间因子修改公式4的相位调制来使用FM,所述因子乘以该公式的相位:
afm=acsin(2πfct+amsin(2πfmt)t) 公式5
公式5通常仅在时间域(t)中变化。然而结合相位调制实施例,如上面所公开的那样,项ac、fc、am和fm可以作为由传感器生成的一些外部信号(例如:加速度、磁场、压力)的函数而变化。
图4是根据一个实施例的当从HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号时图1的HD触觉效应生成模块22的功能流程图。在一个实施例中,图4以及下面图6的流程图的功能是由存储在存储器或者其它计算机可读或有形介质中的软件来实现的,并通过处理器执行。在另外的实施例中,该功能可通过硬件(例如:通过专用集成电路(“ASIC”)、可编程门阵列(“PGA”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等的使用),或者硬件和软件的任意组合来执行。
在402处,HD触觉效应基元被接收。HD效应基元是以高级输入参数的形式来表示。
在404处,来自例如加速计的传感器或者来自任意类型的外部信号的输入被接收。
在406处,从在402处接收的HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号。信号的产生包括基于在404处的传感器输入来改变信号的频率。频率可以像上面公开的那样变化,包括频率变化、频率调制、按比例缩放以及相位调制。
在408处,所生成的HD触觉效应信号被施加到HD致动器18,其在系统10上生成振动触觉效应。所生成的输出触觉效应信号包括多个输出参数,例如频率。
基于PhISEM的HD触觉效应生成
一个实施例使用随机过程以通过基于对应的输入传感器信号(例如由系统10的加速计生成的加速度信号)修改HD触觉效应信号的内容来从HD触觉基元生成HD触觉效应信号。修改是针对信号的大小,但频率或其他参数也能被修改。这个实施例使用的随机过程是物理激励的随机事件建模(“PhISEM”)。PhISEM是已知的算法,公开在P.Cook等的“UsingDSP-based Parametric Physical Synthesis Models to Study Human SoundPerception”(2003)(“Cook”)中,并已经在数字信号处理中用于合成一些打击乐器的声音,其基于随机粒子系统自然地创建声音。
图5是如Cook中公开的PhISEM算法的结构图表示。PhISEM算法起源于其中每个粒子都具有能量和衰减的不同粒子相互碰撞的动态系统模拟。PhISEM算法将动态模型的行为捕获为具有与该动态模型的模拟中使用的参数直接相关的模型中的参数的统计模型。
为了从HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号,本发明的实施例修改和改变PhISEM算法。实施例合成触觉信号和在共振滤波器中用的频率范围。例如,至少对于例如沙球的打击类型的乐器,声音的合成需要高于1KHz的值。在一个实施例中,为了触觉实现,滤波器具有大约200Hz或者更小的共振。在另外的实施例里,这个数量可以一直到4000Hz。在实施例中使用的滤波器的数量可以低得只有一个,但可以使用多个。
在一个实施例中,下列伪代码由HD触觉效应生成模块22实现以从HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号:
#define VIBE_DECAY0.95
#defme SYSTEM_DECAY0.999
shakeEnerge=getEnergyO; //能量包络
shakeEnerge*=SYSTEM_DECAY;//指数式系统衰减//每个采样:
if(random(1024)<num_beans){ //如果碰撞
vibeLevel+=gain*shakeEnerge//将能量加到触觉效应
}
Input=vibeLevel*noise_tickO;//Vibe是随机的
vibeLevel*=VIBE_DECAY; //指数式声音衰减
filterOut=filterSignal(filterCoef,input);//过滤信号以产生最终输出
在上述实现中:
·“getEnergyO”检索从外部传感器或其他信号进入系统的能量的值。该能量可以是传感器信号,例如加速计、虚拟传感器、周期信号等。
·“SYSTEM_DECAY”参数可以采用0和1之间的值并且是图5中的“系统能量衰减”参数。
·“num_beans”是打击乐器中碰撞的元素的数量。改变这个参数就改变了触觉效应的合成。在可替代的实施例中,这个参数可以作为外部信号(传感器、数据抽取/处理、周期信号等)的函数而改变。
·“gain”是预先计算的值,其提高信号的整体大小到同一水平。
·“noise_tickO”是一个函数,其生成振动的随机特性。
·“VIBE_DECAY”参数可以采用0和1之间的值并且是图5中的“控制包络”参数。
·“filterSignalO”使用由“filterCoef”指定的滤波器来过滤随机信号。在一个实施例中,可使用共振频率在10Hz和4000Hz之间的共振滤波器,并且只有一个滤波器可以被使用。
图6是根据一个实施例的当从HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号时图1的HD触觉效应生成模块22的功能流程图。
在602处,HD触觉效应基元被接收。HD效应基元是以高级输入参数的形式来表示。
在604处,来自例如加速计的传感器或者来自任意类型的外部信号的输入被接收。
在606处,从在602处接收的HD触觉效应基元生成HD触觉效应信号。该信号的产生包括根据PhISEM算法基于在604处的传感器输入来改变信号的大小。
在608处,所生成的HD触觉效应信号被施加到HD致动器18,其在系统10上生成振动触觉效应。所生成的HD触觉效应信号包括多个输出参数。
如所公开的那样,通过接收HD触觉效应基元并且使用外部传感器信号来改变所生成的HD触觉效应输出信号的参数而生成HD触觉效应。所改变的参数在一个实施例中可以是频率,或者在另一个实施例中可以是使用PhISEM算法的大小。
在一个实施例中,除了使用基于频率的算法或者PhISEM算法来生成HD触觉效应之外,同样的常规算法被改变/修改以像上面描述地来生成音频。系统10可以随后用充分精确的合成来生成声音和HD触觉效应。在这个实施例中,为了生成声音和触觉,例如手指速度或加速度的外部输入信号可以被供给各自的算法并且一致的声音和触觉将被产生。
多个实施例在这里被特别说明和/或描述。然而,将被理解的是所公开的实施例的修改和变化被上面的教导所覆盖并且在附加权利要求的范围内,而不脱离本发明的精神和想要的范围。

Claims (27)

1.一种生成触觉效应的方法,所述方法包括:
接收包括定义触觉效应的多个预定参数的触觉效应基元,其中所述预定参数至少包括预定频率参数、预定幅度参数和预定持续时间参数,并且所述触觉效应基元被配置为当施加到致动器时生成触觉效应;
接收来自传感器的输入,其中所述输入随持续时间而变化;
通过使用作为至少一个输入参数的预定频率参数,从该触觉效应基元生成触觉效应信号,其中该触觉效应信号包括多个输出参数,并且输出参数中的一个包括基于变化的传感器输入、随持续时间来变化预定频率参数而生成的频率;以及
将该触觉效应信号施加到致动器。
2.如权利要求1所述的方法,其中该预定频率参数是使用频率调制而变化的。
3.如权利要求1所述的方法,其中该预定频率参数是使用相位调制而变化的。
4.如权利要求1所述的方法,其中该预定频率参数是使用按比例缩放因子而变化的。
5.如权利要求1所述的方法,其中输出参数中的一个是已经使用物理激励的随机事件建模算法而变化的预定幅度参数。
6.如权利要求1所述的方法,其中输入是加速度,并且传感器是加速度计。
7.如权利要求1所述的方法,其中致动器包括共振致动器。
8.如权利要求7所述的方法,其中共振致动器包括压电致动器、电致动聚合物致动器或者静电致动器中的一个。
9.如权利要求1所述的方法,其中生成触觉效应信号包括:
afm=acsin(2πfct+amsin(2πfmt)t);
其中afv=acsin(2πfvart);
其中fvar=fc+Sval以及Sval∈[-fmin,+fmax];并且
其中afm是使用频率调制生成的触觉效应信号,t是时间,ac是载波振幅,am是调制振幅,fc是载波频率,fm是调制频率,afv是频率变化输出信号,fvar是变化的频率,Sval是在任意给定时间的传感器值,其被映射到将修改信号的频率载波的值的范围。
10.如权利要求2所述的方法,其中频率调制包括afm=acsin(2πfct+amsin(2πfmt)t);并且
其中afm是使用频率调制生成的触觉效应信号,t是时间,ac是载波振幅,am是调制振幅,fc是载波频率,fm是调制频率。
11.如权利要求3所述的方法,其中相位调制包括并且
其中apm是使用相位调制生成的触觉效应信号,t是时间,ac是载波振幅,am是调制振幅,fc是载波频率,fm是调制频率。
12.一种非临时性计算机可读介质,具有存储在其上的指令,所述指令当由处理器执行时,使该处理器生成触觉效应,所述生成包括:
接收包括定义触觉效应的多个预定参数的触觉效应基元,其中所述预定参数至少包括预定频率参数、预定幅度参数和预定持续时间参数,并且所述触觉效应基元被配置为当施加到致动器时生成触觉效应;
接收来自传感器的输入,其中所述输入随持续时间而变化;
通过使用作为至少一个输入参数的预定频率参数,从该触觉效应基元生成触觉效应信号,其中该触觉效应信号包括多个输出参数,并且输出参数中的一个包括基于变化的传感器输入、随持续时间来变化预定频率参数而生成的频率;以及
将该触觉效应信号施加到致动器。
13.如权利要求12所述的计算机可读介质,其中该预定频率参数是使用频率调制而变化的。
14.如权利要求12所述的计算机可读介质,其中该预定频率参数是使用相位调制而变化的。
15.如权利要求12所述的计算机可读介质,其中该预定频率参数是使用按比例缩放因子而变化的。
16.如权利要求12所述的计算机可读介质,其中输出参数中的一个是已经使用物理激励的随机事件建模算法而变化的预定幅度参数。
17.如权利要求12所述的计算机可读介质,其中输入是加速度,并且传感器是加速度计。
18.如权利要求12所述的计算机可读介质,其中致动器包括共振致动器。
19.如权利要求18所述的计算机可读介质,其中共振致动器包括压电致动器、电致动聚合物致动器或者静电致动器中的一个。
20.一种触觉使能系统,包括:
处理器;
存储设备,耦接到处理器并存储指令;
致动器,耦接到处理器;以及
传感器,耦接到处理器;
其中响应于接收包括定义触觉效应的多个预定参数的触觉效应基元和来自传感器的输入,该处理器进行以下操作,其中所述预定参数至少包括预定频率参数、预定幅度参数和预定持续时间参数,并且所述触觉效应基元被配置为当施加到致动器时生成触觉效应:
通过使用作为至少一个输入参数的预定频率参数,从该触觉效应基元生成触觉效应信号,其中该触觉效应信号包括多个输出参数,并且输出参数中的一个包括基于变化的传感器输入、随持续时间来变化预定频率参数而生成的频率;以及
将该触觉效应信号施加到致动器。
21.如权利要求20所述的系统,其中该预定频率参数是使用频率调制而变化的。
22.如权利要求20所述的系统,其中该预定频率参数是使用相位调制而变化的。
23.如权利要求20所述的系统,其中该预定频率参数是使用按比例缩放因子而变化的。
24.如权利要求20所述的系统,其中输出参数中的一个是已经使用物理激励的随机事件建模算法而变化的预定幅度参数。
25.如权利要求20所述的系统,其中输入是加速度,并且传感器是加速度计。
26.如权利要求20所述的系统,其中致动器包括共振致动器。
27.如权利要求26所述的系统,其中共振致动器包括压电致动器、电致动聚合物致动器或者静电致动器中的一个。
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