CN103870060B - 具有增加lra带宽的触觉系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有增加LRA带宽的触觉系统。—种在具有包括接收用于触觉效果的触觉效果信号的共振频率的线性谐振致动器(“LRA”)上产生触觉效果的方法，其中所述触觉效果包括与LRA偏共振的期望频率。该方法还包括在期望频率处产生第一正弦波并在共振频率处或其附近产生第二正弦波。该方法进一步包括组合第一正弦波和第二正弦波以产生驱动信号。

Description

具有增加LRA带宽的触觉系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年12月13日申请的美国临时专利申请序列号No.61／736,912的优先权，以及2013年3月15日申请的美国临时专利申请序列号No.61／790,190的优先权。上述两个临时申请的内容在此被合并参考。
技术领域
实施例一般涉及产生触觉效果的系统，并且尤其涉及使用线性谐振致动器产生触觉效果的系统。
背景技术
便携／移动电子设备，诸如移动电话、、智能电话、照相手机、相机、个人数字助理（“PDA”)等，通常包括提醒用户相对于设备产生的特定事项的输出机构。例如，手机通常包括用于可听见地通知用户来电事件的扬声器。该可听见信号可包括特定铃声、乐曲、声效等。另外，手机可包括用于可视地通知用户来电的显示屏。
在一些移动设备中，动态反馈(如活动或阻力反馈)和域触觉反馈(例如振动、纹理和热量)也被提供给用户，更一殷统称为“触觉反馈”和“触觉”。触觉反馈可提供加强且简化用户界面的提示。尤其地，振动效果或振动触觉效果，可用于给电子设备的用户提供提示以提醒用户特定事件，或提供逼真(realistic)反馈以在仿真或虚拟环境中创建更强的沉浸感。为了产生振动效果，许多设备使用一些类型的致动器/电机或触觉输出装置。用于此目的的已知致动器包括线性谐振致动器。
发明内容
一个实施例是在具有共振频率的线性谐振致动器(“LRA”’)上产生触觉效果的方法。所述方法包括接收用于触觉效果的触觉效果信号，其中所述触觉效果包括与该LRA偏共振的期望频率。所述方法还包括在所述期望频率处产生第一正弦波并在所述期望频率处或其附近产生第二正弦波。该方法进一步包括组合所述第一正弦波和第二正弦波以产生驱动信号。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的触觉使能系统的模块图。
图2示出描述根据本发明一个实施例处理触觉效果的频率参数的图。
图3示出根据本发明一个实施例使用载波的复杂波形图。
图4示出根据本发明一个实施例的缩放积的复杂波形图。
图5a-5d描述根据本发明一个实施例使用缩放积(scaled product)的不同波形。
图6是当使用根据本发明一个实施例的LRA产生触觉效果时图1所示系统功能的流程图。
图7示出根据本发明一个实施例的LRA在共振频率处初始地产生触觉效果的示例图，和LRA产生具有增强范围／带宽的触觉效果的图。
具体实施方式
一个实施例是使用线性谐振致动器(“LRA”)产生效果的系统。实施例组合多个信号以在偏共振频率处驱动LRA而增加LRA的带宽。
—种类型的LRA可使用可移动质量块、永磁体、音圈和弹簧来产生振动。音圈产生与永磁体相互作用的磁场，使其移动来伸缩与其附连的弹簧。驱动信号需要变换电流的方向(如交流“Ac”信号)并产生磁场来使永磁体随着弹簧来回振荡。移动质量块附连至磁体，且质量块的来回移动产生振动。另—种类型的LRA包括两个或更多层具有附加质量块的压电陶瓷，使得当压电弯曲时，质量块以线性／摆动的方式移动。包括以振荡信号驱动的振动电机的其他类型的LRA也可被用于其中所公开的实施例。
AC驱动信号能够具有频率和振幅。振幅越高，为给定频率输出的振动越大。但是，驱动信号的频率能够是重要因子。LRA具有所述输入信号以其操作的共振频率，以便最大化所产生的振动。当输入信号频率移动太远离共振频率，振动性能明显减弱。因而，大多触觉设备在产生触觉效果时应用LRA共振频率处的驱动信号。多数用于产生触觉效果的LRA具有150-200Hz范围内的共振频率。
与现有使用LRA的触觉系统相反，由本发明实施所产生触觉效果的类型，需要增加的LRA范围／带宽(在其共振频率之外)是有效的。尤其地，图1是根据本发明一个实施例的触觉使能系统10的模块图。系统10包括触摸感应表面11或安装在壳15内其他类型的用户界面。系统10还包括使用无线(如蓝牙)或有线通信路径与系统10其余部分通信的笔／触针13。
系统10的内部是触觉反馈系统，其在针13上及可选地在系统10的其他区域(如触摸表面11或壳15)上产生振动30、31。触觉反馈系统包括处理器或控制器12。耦合到处理器12的是存储器20及耦接到LRA18的致动器驱动电路16。处理器12可以是任一类型的通用处理器，或是专门设计成提供触觉效果的处理器，如特定应用的集成电路(“ASIC”)。处理器12可以是操作整个系统10的同一处理器，或是独立的处理器。处理器12可以部分地基于高级别参数决定要播放什么触觉效果以及所播放效果的顺序。通常，限定特定触觉效果的高级别参数包括大小、频率和持续时间。低级别参数(如流电机指令)也可用于确定特定触觉效果。如果当产生触觉效果时其包括这些参数的一些变化成者基于用户交互的一些参数的变化，触觉效果就被认为是“动态”的。
处理器12输出控制信号至致动器驱动电路16，其包括用于提供给LRA18以引起期望的触觉效果所需的电流和电压(如“电机信号”)的电子元件和电路。系统10可包括至少一个LRA18，或者其他类型的致动器，且每一致动器包括独立的驱动电路16，全部耦接至通用处理器12。
存储装置20可以是任一类型的储存设备或计算机可读介质，如随机存取存储器(“RAM”)或只读存储器(“ROM”)。存储器20储存由处理器12执行的指令。在指令中，存储器20包括触觉效果模块22，其是当被处理器12执行时用来为LRA18产生增加LRA18输出带宽的驱动信号的指令，下面将揭示更多细节。存储器20也可位于处理器12的内部，或是内部和外部存储器的任意组合。
触摸表面11识别触摸，还可识别表面上触摸的位置和大小。与触摸对应的数据被传送至处理器12，或系统10中的其它处理器，且处理器12翻译所述触摸并响应产生触觉效果信号。触摸表面11可使用任何感应技术，包括电容感应、阻力感应、表面声波感应、压力感应、光感应等来感应触摸。触摸表面11可感应多触摸接触容并能识5别在同一时间发生的多种触摸。触摸表面11可以是为用户交互而产生和显示图像的触摸屏，如键盘或表盘等，或者是具有最小或无图像的触摸板。
系统10可以是手持设备，如手机、个人数字助理(“PDA”)、智能电话、平板电脑／本、游戏机等，或者是包括包含一个或新LRA的触觉效果系统的任一类型的设备。系统10还可以是包括一个或多个产生触觉效果的LRA的可穿戴设备(如手镯、臂章、手套、夹克、背心、眼镜、鞋子、腰带等)。用户界面可以是触摸感应表面，或者任一其它类型的用户界面，如鼠标、触摸板、微型操纵杆、滚轮、轨迹球、游戏板或游戏控制器等。
在一个实施例中，LRA18和驱动电路16位于触针13中，并在触针13上产生触觉效果。在本实施例中，触觉效果系统的其余元件位于壳15内，且可与触针13通信。如上所述，系统10需要LRA18具备比标准LRA更宽的频率响应范围，因为其需要产生被设计为偏共振的各种不同的触觉效果。例如，一个实施例中，当被用户在屏幕11上使用“拉”时，就在触针13上产生触觉效果以模拟纹理。更多由LRA18产生的触觉效果可使得触针13来模拟使用不同的偏共振触觉信号的笔或者铅笔(如触针13能够感受到用户像铅笔或钢笔，取决于由LRA18产生的触觉效果)。这些类型的触觉效果还更求振动的频率和强度的单独变化。
已知LRA的触觉效果系统(如来自Immersion公司的“触摸感3000”’)通常利用控制器以通过脉冲宽度调制(“PWM”’)信号(如脉冲宽度是可调制的矩形脉冲波)与触觉驱动信号通信。这些已知系统要求AC驱动信号，其频率一般对应于致动器的共振频率(通常为175Hz)。相反，一个实施例允许独立控制LRA上的频率和强度以增加所述LRA的带宽。
图2示出根据本发明一个实施例处理触觉效果的频率参数的图。在图2的实例中，触觉效果最终被来自Immersion公司的“TS5000播放机’’呈现或播放，且将基于其自身频率特征以不同方式翻译。
尤其地，对于低频率(如小于20Hz)如输入效果202，频率和波形会被翻译为包络。例如，如果效果是正弦波，效果的强度将随着正弦波的形状起伏。输出效果208将位于LRA的共振频率处并且会被输入效果202所调制。根据致动器性能，在一个实施例中，该脉冲效果仅在所设计频率为20Hz左右或更低时实现。用于脉冲范围的精确频率取决于LRA的共振频率和上升时间(或使得致动器达到设定加速度的时间)。
对于高频(例如大于150Hz)如输入效果210，频率参数将通过服务商提供接口(“SPI”)213或者其他接口单元来传递。在一个实施例中，SPI213负责发送频率和强度值到触针13(通过蓝牙或其他介质)，并缩放效果强度以适合包络。这一技术对接近LRA共振频率的一定频率范围有效(例如，大约150-250Hz)。
与上述的“低”和“高”频率触觉效果相反，对于“中间范围”频率触觉效果(如20-150Hz)，实施例在上述模式中过渡。频率范围取决于所使用的致动器并可能低于用于LRA的传统或通用介质频率范围。例如，中间范围的较低端能够小于或等于2Hz，而其较高端能够大于或等于200Hz。实施例实现下述一个或多个技术，用于在高频和低频之间过渡从而产生增加的LRA带宽触觉效果。
过渡点
在一个实施例中，在临界范围(“中间范围”频率，如20-150Hz)中的信号点被选中。任何低于该点的期望频率将通过以具有期望频率处的正弦波的共振频率包络信号来呈现。任何低于该点的期望频率用于直接驱动致动器。但是，从—种驱动模式到其他的过渡可能是突然的并且振动强度可能在过渡点附近非常微弱。共振信号波长之间的差距及上升时间加下降时间越大，信号过渡点的效果就变得越差。
过渡点可通过使用安装在设备上(如被安装在LRA18上)的加速度计测量加速度来计算确定。用于测试的驱动信号是由在设备共振频率的正弦波或矩形波乘以从低到高(频率扫描)跨临界范围的频率中变化的正弦波所组成。加速度可随包络波升降且每一周期的峰值加速度随着包络频率的升高而降低。另外，正弦波频率扫描(无共振分量(component))被播放，产生第二加速度轨迹，其通常随着频率增加而强度增加，直至达到设备的共振频率。用于优化强度最好的过渡点位于两个加速度轨迹交叉的图形之处。
在另一实施例中，该过渡点可由用户感觉两个频率扫描来手动确定。期望基于个人喜好或其它因素具有更高或更低的过渡点。
设计选择
在另一实施例中，该过渡点可以是设计时决定，使得触觉效果设计师(使用如来自Immersion公司的“触觉工作室”)可选择对效果使用哪种模式。实施例可通过提供附加参数给所述效果的定义来实现该决定，扩展当前参数来包括附加离散值，或再利用或重定义当前参数。
载波
另一实施例使用触觉效果的期望频率作为载波加至所述共振频率。为了在维持过渡区域强度的同时增加可用频率范围，可使用两种复杂波形。图3描述了根据本发明一个实施例使用载波的复杂波形300。图3中的波形300是两个正弦波的和，尽管较高频率的波也可是矩形波。波形300是如下确定的：
y=Vdesired【Asin(2πfdesiredt)+Bsin(2兀fresonantt)】
其中A+B=1，V desired是致动器的期望驱动电压，而f resonant是f desired的整数倍，其尽可能地接近LRA的真实共振频率以避免定相波形。一个实施例通过将期望频率f desired与整数相乘来确定f resonant从而使结果尽可能地接近真实共振频率。例如，如果实际共振频率是175Hz且期望频率是55Hz，其3倍的结果165Hz就是f resonant的值。4倍结果是220Hz。165Hz最接近真实共振频率，因而其就是将被使用的。
缩放积
在另一实施例中，为在正弦包络脉冲与直接驱动模式间光滑过渡，所述包络信号可被加至在或接近共振的正弦波以如下产生两个驱动信号的合成：
y=V desired[Asin(2πf desired t)sin(2πf resonant t)+Bsin(2πf desired t)】
其中A+B=1。A和B在过渡范围上相反缩放从而包络共振信号在范围的低端是主导，而直接驱动信号在范围的高端附近占主导。V desired是致动器的期望的驱动电压，而fresonant是f desired的整数倍，其尽可能地接近LRA的共振频率以避免定相波形。图4描述了根据本发明一个实施例使用缩放积(scaled product)的复杂波形图400。
图5a-5d描述根据本发明一个实施例使用缩放积的不同波形。图5a示出根据一个实施例将被相乘的共振频率波形501和慢包络波形502。图5b示出根据一个实施例图5a中的缩放包络波形503。图5c示出了根据一个实施例缩放直接驱动波形504。图5d示出根据一个实施例由将图5b的缩放包络波形503加至图5c的缩放直接驱动波形504所形成的缩放合成波形505。
在上述的所有实施例中，驱动LRA偏共振将导致触觉效果强度的减小。因而，一些实施例提高偏共振驱动信号以获得更平坦的响应曲线(如由加速度计测量的加速度相对驱动频率图)。实例中除了其它已知方法，可通过下面的一个或多个来提高信号：
1.单独对每—正弦波应用有助于信号的增益；
2.用基于当前频率的缩放因子乘以计算出的合成波；以及
3.用预定义的缩放因子乘以计算出的合成波并应用至少一个滤波器(如陷波、高通、低通等)来衰减共振频率的强度。
图6是当使用根据一个实施例的LRA产生触觉效果时图1所示系统10的功能的流程图。在一个实施例中，图6的流程图功能是由储存在存储器或其他计算机可读或有形介质中的软件执行的。在其他实施例中，功能是通过硬件实现的(如通过使用特定应用集成电路(“ASIC”)、可编程门阵列(“PGA”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等)，或硬件和软件的任意组合。
在602，接收触觉效果信号。该触觉效果信号具有是LRA偏共振频率(如不在LRA的共振频率)的频率(如期望频率或“f desired”)，其将产生触觉效果。
在604，在期望频率处产生正弦波。
在606，在LRA的共振频率处或其附近产生正弦波。在一个实施例中，正弦波频率是偏共振频率的整数倍但尽可能地接近所述共振频率(f resonant)。
在608，来自604和606的正弦波被组合并乘以LRA的最大额定驱动电压以产生合成触觉效果信号。在一个实施例中，正弦波是如下组合的：
y=V desired[Asin(2兀f desired t)+Bsin(2πf resonant t)】
在另一实施例中，正弦波是如下组合的：
y=V desired[Asin(2πf desired t)sin(2πf resonantt)+Bsin(2πfdesired t)】
所述计算是在0和1之间，由此产生的标量可与最大额定驱动电压相乘，LRA能够处理。在一个实施例中，计算使用位于-127..127范围内的整数集而不是0..1间的浮点。
如所公开的，实施例产生包括偏共振频率分量的触觉效果。在产生触觉效果中，产生触觉效果的LRA的带宽被扩展从而其可呈现触觉效果。图7示出根据本发明实施例的LRA在共振频率处初始地产生触觉效果的示例图702，和LRA产生具有增幅／带宽的触觉效果的示例图704。
数个实施例在此被具体示出和／或描述。但是，可以理解以上教导所涵盖和附加权利要求范围之内所公开实施例的修改和变化均不违背本发明的精神和意图范围。例如，虽然一些实施例使用LRA，但当产生触觉效果时具有在偏共振频率经受性能大幅下降的致动器设备的任何系统均可使用本发明实施例。

Claims (9)

1.一种在具有共振频率范围的线性谐振致动器(LRA)上产生触觉效果的方法，该方法包括：
接收用于触觉效果的触觉效果信号，其中所述触觉效果包括与该LRA偏共振并且在所述共振频率范围之外的期望频率；
在所述期望频率处产生第一正弦波；
在所述共振频率范围内的共振频率处产生第二正弦波；
组合所述第一正弦波和第二正弦波以产生驱动信号；以及
向所述LRA施加所述驱动信号，使得所述LRA产生包括在共振频率范围之外的偏共振频率分量的触觉效果；
其中组合所述第一正弦波和第二正弦波包括：
y＝Vdesired[Asin(2πfdesiredt)+Bsin(2πfresonantt)]或者
y＝Vdesired[Asin(2πfdesiredt)sin(2πfresonantt)+Bsin(2πfdesiredt)]
其中fresonant是所述共振频率，fdesired是所述期望频率，Vdesired是该LRA的近似最大额定驱动电压，且A+B＝1。
2.如权利要求1的方法，其中在所述共振频率处产生第二正弦波包括确定正弦波频率，其是偏共振频率的整数倍并尽可能地接近所述共振频率。
3.如权利要求1的方法，还包括将被组合的第一正弦波和第二正弦波与期望驱动电压相乘。
4.如权利要求1的方法，还包括提高所述驱动信号。
5.如权利要求1的方法，其中所述LRA包括移动质量块。
6.如权利要求1的方法，其中所述LRA耦合至触针。
7.一种在其上存储有指令的计算机可读介质，当被处理器执行时，使处理器在具有共振频率范围的线性谐振致动器(LRA)上产生触觉效果，所述产生包括权利要求1-6的方法中的至少一个或多个。
8.一种触觉效果系统，包括：
具有共振频率范围的线性谐振致动器(LRA)；
耦合至所述LRA的致动器驱动电路；
耦合至所述致动器驱动电路的控制器，其中所述控制器接收用于触觉效果 的触觉效果信号，其中所述触觉效果包括与LRA偏共振并且在共振频率范围之外的期望频率；
所述控制器适于执行权利要求1-6的方法中的一个或多个。
9.如权利要求8的触觉效果系统，其中所述LRA和所述致动器驱动电路耦合至触针并无线耦合至所述控制器。
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