CN103970270A - 过驱动致动器电压以生成触觉效果 - Google Patents

Abstract

一种在其中使用致动器生成触觉效果的系统，该系统接收致动器在标准电压处的频率响应，并且基于该频率响应生成过驱动电压的查找表。然后该系统接收用于该触觉效果的触觉信号，并且提取该触觉信号的一个或多个频率。然后该系统从查找表中确定每个频率对应的过驱动电压，并且对于每个频率，将对应的过驱动电压施加到致动器。该过驱动电压大于或等于标准电压。

Description

过驱动致动器电压以生成触觉效果

技术领域

本发明的一个实施例涉及致动器。更特别地，本发明的一个实施例涉及用于生成触觉(haptic)效果的致动器。

背景技术

电子设备制造商致力于为用户产生丰富的接口。传统设备采用视觉和听觉提示来向用户提供反馈。在一些接口设备中，也会向用户提供动觉反馈(诸如主动力和阻力反馈)和/或触知(tactile)反馈(诸如振动、质地和热度)，更通常被统称为“触觉反馈”或“触觉效果”。触觉反馈可以提供增强和简化用户接口的提示。特别地，振动效果或振动触觉效果可以在向电子设备的用户提供提示方面有用，以提醒用户特定事件，或提供逼真的反馈以创造出模拟或虚拟环境中更强的感官沉浸。

触觉反馈也已日益结合在便携式电子设备中，便携式电子设备被称为“手持设备”或“便携式设备”，诸如蜂窝电话、个人数字助理(“PDA”)，智能电话和便携式游戏设备。例如，一些便携式游戏应用能够以类似于与被配置为提供触觉反馈的更大规模游戏系统一起使用的控制设备(诸如操纵杆等)的方式振动。另外，诸如蜂窝电话和智能电话的设备能够通过振动向用户提供各种提醒。例如，蜂窝电话可以通过振动提醒用户有来电呼叫。类似地，智能电话可以提醒用户预定日历条目或向用户提供“待办”列表条目或日历安排的提醒。进一步地，触觉效果可以用来模拟“真实世界”动态事件，诸如视频游戏中弹跳球的感觉。

发明内容

一个实施例是一种在其中使用致动器生成触觉效果的系统。该系统接收在标准电压处的致动器的频率响应，并且基于该频率响应生成过驱动电压的查找表。然后，该系统接收用于触觉效果的触觉信号，并且提取该触觉信号的一个或多个频率。然后，该系统从查找表中确定每个频率对应的过驱动电压，并且对于每个频率，向致动器施加对应的过驱动电压。该过驱动电压大于或等于该标准电压。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的支持触觉的(haptically-enabled)系统的框图。

图2示出根据本发明的一个实施例的致动器的示例性频率响应。

图3示出根据一个实施例在图2中示出的频率响应的示例性反转频率响应查找表。

图4A和4B示出具有频率响应的致动器的另一个示例，以及对应生成的查找表。

图5示出根据本发明实施例的具有多个频率的示例性参数化效果。

图6示出根据本发明的一个实施例的示例性任意触觉效果信号。

图7A-7F示出根据本发明实施例的按照持续时间段被分离的示例性任意信号的曲线。

图8示出根据本发明的一个实施例的致动器驱动模块的功能的流程图。

具体实施方式

在许多设备中，致动器被用于产生包括一些触觉效果的振动。例如，经常被用在便携式电子设备中的一种类型的致动器是线性谐振致动器(“LRA”)。典型地，LRA需要双向信号(即，交替的正电压和负电压信号)以便产生想要的振动。进一步地，典型的LRA的频率范围限于大约150Hz到200Hz并具有大约30毫秒的机械时间常数。这种受限的频率范围部分是由于为了防止LRA的主体在触觉效果期间“撞击”LRA的外壳以致引起不期望的“噪声”而采用的约束。

基于前述内容，需要增加诸如LRA的致动器的频率范围并且最小化其机械响应时间，同时仍然保持防止所需的振动使得主体接触致动器外壳这一约束。

为实现这一需求，本发明的一个实施例使用高于制造商推荐电压(即，“标准”电压)的电压水平(即，“过驱动”电压)对致动器施加触觉信号，以便驱使致动器增加其动态范围。得到的过驱动频率响应比非过驱动响应具有更高的振幅。通过采用过驱动电压，相对便宜的致动器(诸如LRA)可以获得快的响应时间和更高的动态范围，其在生成触觉效果时与更昂贵类型的致动器(诸如压电致动器)类似。

图1是根据本发明的一个实施例的支持触觉的系统110的框图。系统110包括触摸敏感表面111或者其他类型的安装在外壳115内的用户接口，并且可以包括物理按钮／开关113。系统110的内部是触觉反馈系统，其在系统110上生成诸如振动的触觉效果。在一个实施例中，在触摸表面111上生成触觉效果。

触觉反馈系统包括处理器112。耦接到处理器112的是存储器120和致动器驱动电路116，该驱动电路耦接到致动器118。处理器112可以是任何类型的通用目的处理器或控制器，或者可以是专门被设计来提供触觉效果的处理器，诸如为专用集成电路(“ASIC”)。处理器112可以是操作整个系统110的同一处理器，或者可以是单独的处理器。处理器112可以基于高级别参数决定要产生什么触觉效果以及这些效果的进行顺序。通常，定义特定触觉效果的高级别参数包括幅度、频率和持续时间。诸如流式马达命令的低级别参数也可以被用来确定特定的触觉效果。如果触觉效果包括在生成该触觉效果时这些参数的某种变化或基于用户交互的这些参数的变化，则该触觉效果可以被认为是动态的，

处理器112输出控制信号到驱动电路116，驱动电路116包括用于向致动器118提供所需的电流和电压以引起所希望的触觉效果的电子部件和电路。系统110可以包括多于一个致动器118，并且每个致动器可以包括单独的驱动电路116，所有的驱动电路均耦接到公共处理器112。存储器120可以是任何类型的存储设备或可读计算机介质，诸如随机存取存储器(“RAM”)或者只读存储器(“ROM”)。存储器120存储由处理器112执行的指令。在这些指令之中，存储器120包括致动器驱动模块122，其是当由处理器执行时生成用于过驱动致动器118的驱动信号的指令，如下面将更详细讨论的。存储器120也可以位于处理器112的内部，或者是内部和外部存储器的任何组合。

系统110可以是手持设备，诸如蜂窝电话、个人数字助理(“PDA”)、智能电话、平板计算机、游戏机等，或者可以是提供用户接口并且包括具有一个或多个致动器的触觉效果系统的任何其他类型的设备。该用户接口可以是触摸敏感表面，或者可以是任何其他类型的用户接口，诸如鼠标、触摸板、迷你操作杆、滚轮、跟踪球、游戏板或者游戏控制器等。在具有多于一个致动器的实施例中，每个致动器可以具有不同的输出能力以便在设备上产生宽范围的触觉效果。每个致动器可以是任何类型的触觉致动器或是驱动器的一维或多维阵列。致动器118可以是诸如电机、电磁致动器、音圈、形状记忆合金、电活性聚合物、螺线管、偏心旋转质量电机(“ERM”)、LRA、压电致动器、高带宽致动器、电活性聚合物(“EAP”)致动器、静电摩擦显示器、或者超声波振动发生器。

在一个实施例中，触觉效果的频率内容被识别并且被提取以便过驱动该致动器。识别给定的触觉效果中的频率内容可以被分为两个大体类别：(1)当触觉效果被参数化时频率的识别；以及(2)当触觉效果包含任意信号时频率的识别。

参数化的触觉效果

当触觉效果被参数化时，频率值一般是已知的。图2示出根据本发明的实施例，对于LRA(诸如，图1的致动器118)的示例性频率响应200。频率响应200包括主体加速度相对频率的曲线210和220。曲线210示出根据一个实施例，当致动器以12V峰到峰(“pp”)和50脉冲正弦信号被过驱动时的频率响应。曲线220示出相同示例性致动器在6V峰到峰和50脉冲信号时的原始(即，非过驱动，制造商推荐的电压水平)响应。曲线210示出，从100Hz到500Hz，与在相同频率范围内的曲线220的非过驱动响应相比，过驱动响应导致致动器的更高幅度的加速度。因此，当根据本发明的实施例而过驱动时，该示例性致动器的动态范围增加了。诸如，在250Hz，被过驱动的致动器的频率响应是非过驱动致动器的大致两倍。

图3示出根据一个实施例，图2中示出的频率响应220的示例性反转频率响应查找表300。反转频率响应查找表300包括反转频率响应曲线310，其可以被用来基于频率查找峰到峰驱动电压值，根据一个实施例，峰到峰驱动电压值随之确定过驱动响应曲线210。查找表300从如图2的曲线220所示的致动器的频率响应生成。曲线310被用作查找表来确定特定致动器的驱动电压，并且可以根据系统或致动器的不同而变化。曲线310可以使用控制理论的用于反转设备的各种已知技术来生成。例如，曲线310可以通过以下方式生成：反转特定系统或者致动器的频率响应；得出致动器的(动态)数学模型然后计算其逆；或者按照经验测量致动器对不同输入信号的响应并且使用这些信息来得出指示在什么频率需要什么样的过驱动的查找表。

在一个实施例中，可以通过存储在图1的致动器驱动模块122中的指令来确定反转频率响应曲线310并且检索过驱动电压值。然后，对于触觉效果信号的每个频率值，模块122可以使用曲线310作为查找表来查找对应的过驱动电压。例如，根据表300，在120Hz处的过驱动电压为12V。进一步地，对于图3的致动器，在200Hz的谐振频率处或其附近，过驱动电压大致为6V，其在实际中防止致动器的不想要的“撞击”效果。在表300中如曲线310所示，在谐振(在这个例子中是200Hz)处或其附近有一个“凹陷”效果，其可以通过在系统中使用陷波滤波器获得。进一步地，与在所有频率处使用相同电压过驱动致动器相反，该致动器可以由周期波形驱动。一个实施例根据频率施加不同电压水平的过驱动信号，如图3所示。

在一个示例性实施例中，具有已知频率的参数化的过驱动触觉效果通过将查找表300应用到每个已知频率来生成。例如，如果已知频率参数是100Hz，则致动器驱动模块122会查看该驱动频率值，并且提取出12V的过驱动电压值。作为另一个例子，如果已知频率参数是200Hz，则致动器驱动模块122会查看该驱动频率值，并且提取出6.2V的过驱动电压值。对于超过240Hz的已知频率，提取出的过驱动电压值会是12V。

图4A和4B示出具有频率响应的致动器的另一个示例，以及对应生成的查找表。在图4A中，标准的6V信号的频率响应是曲线420，而过驱动12V信号的频率响应是曲线410。图4B的表400是生成的查找表，并且包括反转信号曲线450。

图5示出根据本发明实施例的具有多个频率的示例性参数化效果。在这个例子中，多个叠加的参数化效果可以构成触觉效果，如500所示。频率510包括100Hz、500Hz和180Hz。在这个例子中，在单个触觉效果中有三个频率510，并且，致动器驱动模块122查看所有频率并基于该查找表使用所有频率当中最小的驱动电压。对于图2和图3中的致动器，致动器驱动模块122会选择7V，其对应于180Hz，并且是100Hz、500Hz和180Hz这三个频率当中在查找表300中最小的驱动电压。如从图3可看出的，如果选择的是100Hz或500Hz，那么在140Hz和240Hz之间在该致动器的谐振频率附近，所有这三个频率的驱动电压都会过高(即，12V)，导致“噪声”和主体“撞击”致动器外壳的可能性，尤其是在谐振频率处。

任意触觉效果

图6示出根据本发明的一个实施例的示例性的任意触觉效果信号。触觉效果可以使用任意信号来产生，例如从音频文件610或者从产生加速度文件620的传感器记录(例如加速计)生成。

在一个实施例中，每个任意信号的频率内容被提取，以便允许致动器驱动模块122获得要施加到致动器118的过驱动电压。在一个实施例中，为了提取加速度文件620的频率内容，时域信号被分为小的片段或者持续时间段(诸如，10毫秒或20毫秒)，然后每个小片段的频率内容通过频域技术(诸如滤波或者快速傅里叶变换(“FFT”))被提取。接着，在每个小片段或者数据块中找到的主要频率可以被用来通过图3的查找表300找到合适的过驱动电压。类似地处理下一个数据块，并且确定新的过驱动电压，等等。

图7A-7F示出根据本发明实施例，按照持续时间段或者“数据块”被分离的图6的示例性任意信号加速度文件620的曲线。图7A示出，在20毫秒和40毫秒之间取得的加速度文件620的时间片段具有可测量的频率内容710。图7B示出，在720处的主要频率对应于250Hz的频率。在这种情况下，致动器驱动模块122会使用来自查找表300的对应于250Hz的过驱动电压，因为其是如图7B所示的主要频率。

图7C示出，在40毫秒和60毫秒之间取得的加速度文件620的时间片段具有可测量的频率内容730。图7D示出，在740处的主要频率对应于187Hz的频率。在这种情况下，致动器驱动模块122会使用来自查找表300的对应于187Hz的过驱动电压，因为其是如图7D所示的主要频率。

图7E示出，在60毫秒和80毫秒之间取得的加速度文件630的时间片段具有可测量的频率内容750。图7F示出在760处的主要频率对应于125Hz的频率。在这种情况下，致动器驱动模块122会使用来自查找表300的对应于125Hz的过驱动电压，因为其是如图7F所示的主要频率。

在另一个实施例中，与划分为数据块不同，模块122确定与找到的所有主要(主)频率相对应的过驱动电压的平均值，或者模块122可以使用从任何给定的致动器118的参数内的主要频率中找到的最小或最高的过驱动值进行过驱动。

在一个实施例中，致动器驱动模块122使用频率响应曲线或诸如图3所示的查找表，持续查找合适的值。进一步地，致动器驱动模块122中的频率响应将随着系统的不同而变化。可替换地，软件实现可以包括添加陷波滤波器(未示出)到系统110中。进一步地，硬件实现可以包括使用两级陷波滤波器(未示出)。在该硬件实施例中，两级陷波滤波器可以取决于成本考虑而被配置为两个无源级；一个有源级和一个无源级；或者两个有源级滤波器。

图8示出根据本发明的一个实施例的致动器驱动模块122的功能的流程图。在一个实施例中，图8的功能通过存储在存储器或者另一计算机可读或有形介质中的软件来实现，并且由处理器执行。在另外的实施例中，该功能可以由硬件(例如，通过使用专用集成电路(“ASIC”)、可编程门阵列(“PGA”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等)来执行，或者由硬件和软件的任意组合来执行。

在810处，接收将用于生成触觉效果的致动器的频率响应。该频率响应将很可能随着致动器的不同而变化，并且典型地被确定为在制造商推荐电压处(例如，对于图2的致动器是6V)。

在820处，基于频率响应生成查找表(例如，图3的查找表300)。在一个实施例中，使用反转设备控制方法来生成查找表，其中，致动器的动态响应的数学模型被得出并被用来创建将允许系统以更高幅度被驱动的逆模型。在另一个实施例中，可以通过测量致动器或具有致动器的系统在不同的过驱动电压下的响应来创建经验模型。产生更高加速度而不具有由于致动器运动主体和致动器外壳之间的碰撞所引起的机械噪声的过驱动电压将被捕捉作为针对特定频率的合适的过驱动电压。将对一组频率(诸如，50Hz到500Hz)进行同样的操作。这些过驱动电压值和对应的频率可以被绘制成如图3所示的曲线，并且还可以被用作查找表。

在830处，接收触觉信号和触觉效果的请求。在一个实施例中，触觉信号可以是参数化的周期信号或者任意信号。

在840处，提取该触觉信号的频率。在一个实施例中，可以提取多个频率，并且对于任意触觉信号，可以提取对于不同持续时间段的不同频率。

在850处，从查找表中检索对于频率值的合适的过驱动电压值。

在860处，通过使用检索到的过驱动值并将其施加到致动器来生成触觉效果。对于多于一个频率值，根据需要来重复850和860。

如所公开的，实施例通过生成反转信号查找表并基于该查找表改变施加到致动器的触觉信号的电压，来过驱动该致动器。在某些频率处，过驱动电压被降低以防止致动器主体接触致动器外壳。作为过驱动的结果，增加了致动器的动态范围，因此可以生成具有相对更强更短脉冲的触觉效果。

这里具体示出和/或描述了一些实施例。但是，可以理解的是公开的实施例的修改和变型也被上述教导所覆盖并且位于附加权利要求的范围内而不脱离本发明的精神和保护范围。

Claims (14)

1.一种使用致动器生成触觉效果的方法，所述方法包括：

接收致动器在标准电压处的频率响应；

基于所述频率响应生成过驱动电压的查找表；

接收用于触觉效果的触觉信号；

提取所述触觉信号的一个或多个频率；

对于所述频率中的每个频率，从所述查找表中确定对应的过驱动电压；以及

对于所述频率中的每个频率，将所述对应的过驱动电压施加到所述致动器，其中所述过驱动电压大于或等于所述标准电压。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述触觉信号被参数化。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述触觉信号包括任意信号。

4.如权利要求3所述的方法，其中，生成所述查找表进一步包括：

将所述任意信号划分为多个持续时间段；

其中，提取一个或多个频率包括：对于每一个持续时间段，使用频域分析来提取频率。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述致动器包括线性谐振致动器。

6.如权利要求1所述的方法，其中，生成所述查找表包括：

得出所述致动器的数学模型；以及

从所述数学模型生成逆模型。

7.如权利要求1所述的方法，其中，生成所述查找表包括：

测量所述致动器在多个过驱动电压处的频率响应，其中所述多个过驱动电压产生更高的加速度而没有由于主体接触外壳而引起的机械噪声。

8.一种支持触觉的系统，包括：

处理器；

耦接到所述处理器的致动器驱动电路；

耦接到所述致动器驱动电路的致动器，所述致动器具有标准操作电压；以及

耦接到所述处理器的存储器，其存储有与所述致动器相对应的频率响应查找表和由处理器执行以生成触觉效果的指令；

其中所述处理器：

接收用于所述触觉效果的触觉信号并提取所述触觉信号的一个或多个频率；

对于所述频率中的每个频率，从所述查找表中确定时应的过驱动电压；以及

对于所述频率中的每个频率，通过所述致动器驱动电路将所述对应的过驱动电压施加到所述致动器，其中所述过驱动电压大于或等于所述标准电压。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述致动器包括线性谐振致动器。

10.如权利要求8所述的系统，其中，所述查找表是通过以下操作生成的：

得出所述致动器的数学模型；以及

从所述数学模型生成逆模型。

11.如权利要求8所述的系统，其中，所述查找表是通过以下操作生成的：

测量所述致动器在多个过驱动电压处的频率响应，其中所述多个过驱动电压产生更高的加速度而没有由于主体接触外壳而引起的机械噪声。

12.如权利要求8所述的系统，其中，所述触觉信号被参数化。

13.如权利要求8所述的系统，其中，所述触觉信号包括任意信号。

14.一种其上存储有指令的计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，使得处理器使用致动器生成触觉效果，所述生成包括权利要求1-7所述的方法中的一个或多个。