CN104043246B - 可程序控制的触感外围设备 - Google Patents

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Abstract

一种系统，包括：主机、处理器以及触感外围设备。所述触感外围设备包括操作器、惯性触感输出设备以及触感输出设备，所述操作器可以以至少一个自由度移动。所述惯性触感输出设备联接至所述操作器，且被配置为接收来自所述处理器的控制信号，并响应于来自所述处理器的所述控制信号而向操作器输出瞬时触感效果。所述触感输出设备被配置为接收来自处理器的控制信号，并响应于来自所述处理器的所述控制信号而调节所述操作器的僵硬度。

Description

可程序控制的触感外围设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月15日提交的、申请号为61/789,566的美国临时申请的优先权。通过引用，该申请的全部内容被包含入本申请中。
技术领域
本发明的多种实施方式通常涉及与计算机设备交互的外围设备，更具体地，涉及用于向这些外围设备提供触感效果或反馈的系统和方法。
背景技术
由于针对休闲玩家的市场营销以及因此带来的休闲玩家的参与，视频游戏和虚拟现实系统变得日益流行。在典型的实例中，计算机系统在显示设备上对用户显示视觉环境。用户可以通过由接口设备输入命令或数据而与所显示的环境交互。计算机响应于用户对移动的操作器（manipulandum）（如操纵杆等）的操作而更新环境，并通过使用显示屏向用户提供视觉反馈。
传统的视频游戏设备或控制器使用视觉或听觉提示向用户提供反馈。在一些接口设备中，动觉（kinesthetic）反馈（如主动式的或阻力式的触感反馈等）和/或触觉反馈（如振动、质感和热度等）也可以被提供至用户，通常被总体地称为“触感反馈”或“触感效果”。触感反馈可以提供加强或简化用户接口的提示。例如，振动效果或触觉振动触感效果可以被使用于向电子设备的用户提供提示，以提醒该用户特殊事件，或提供现实的反馈以创造在模拟的或虚拟的环境中的更强的感官沉浸。传统的用于游戏或其它设备的触感反馈系统一般包括用于产生触感反馈的附接至控制器/外围设备壳体的促动器。更特别地，接口设备的电机或其它促动器被封装在控制器中，且被连接至控制计算机系统。该计算机系统接收来自接口设备的传感器信号，并向该促动器发出适当的触感反馈控制信号。该促动器随后向控制器提供触感反馈。这样该计算机系统能够连同其它视觉的和听觉的反馈一起向用户传达物理感受。
发生在商业上可行的触感反馈设备的实例中的一个问题是：由于这样的设备使用大型电机且需要大电源来运转，该设备非常笨重。这些特征使得难以将强力的触感反馈整合在小型接口设备（如，手持的游戏手柄、操纵杆、遥控器或其它设备）中。但是，对于多种系统，尤其是家用视频游戏机，这些控制器为优选的输入设备，并且对于许多消费者，这些控制器同样为优选的。本发明的多种实施方式涉及将触感反馈整合至小型接口设备（如游戏系统的手持外围设备等）中。
发明内容
本发明的多种实施方式涉及一种触感外围设备，所述触感外围设备包括操作器、可调缓冲器以及联接至所述可调缓冲器的触感输出设备。所述操作器可以以至少一个自由度移动。所述触感输出设备被配置为接收来自处理器的控制信号，且被配置为相对于所述操作器移动所述可调缓冲器，以响应于来自所述处理器的所述控制信号而调节所述操作器的僵硬度。
本发明的多种实施方式涉及一种游戏系统，所述游戏系统包括主机、处理器以及触感外围设备。所述触感外围设备包括操作器、惯性触感输出设备以及触感输出设备，所述操作器可以以至少一个自由度移动。所述惯性触感输出设备联接至所述操作器，且被配置为接收来自所述处理器的控制信号，并响应于来自所述处理器的所述控制信号而向操作器输出瞬时触感效果。所述触感输出设备被配置为接收来自处理器的控制信号，并响应于来自所述处理器的所述控制信号而调节所述操作器的僵硬度。
本发明的多种实施方式涉及一种提供触感反馈的方法。所述方法包括下列步骤：在触感外围设备接收第一控制信号，其中所述触感外围设备包括操作器和触感输出设备，所述操作器可以以至少一个自由度移动。第一控制信号被传输至所述触感输出设备。所述操作器的僵硬度被响应于所述第一控制信号而调节。
附图说明
本发明的前文所述的以及其它的特征和优势将通过下述对示出在附图中的实施方式的描述而被表明。包含在本文中并形成说明书一部分的附图进一步起到解释本发明的原理并使得相关领域技术人员能够制造并使用本发明的作用。附图并不按比例绘制。
图1示出了根据本发明一种实施方式的用于向触感外围设备提供触感反馈的系统，其中触感外围设备为触感操纵杆。
图2为图1中的系统的框图。
图3为图1中的触感外围设备的示意图，其中该触感外围设备的触感输出设备包括可调缓冲器，且图中示出的可调缓冲器不接触操作器。
图3A为图3中的触感外围设备的示意图，其中该触感外围设备的触感输出设备包括可调缓冲器，且图中示出的可调缓冲器接触操作器。
图4为根据本发明另一种实施方式的触感外围设备的示意图，其中该触感外围设备的触感输出设备为电活性聚合物。
图5为根据本发明另一种实施方式的触感外围设备的示意图，其中该触感外围设备的触感输出设备包括具有曲线配置的可调缓冲器（bumper）。
图6为示出根据本发明一种实施方式的一种用于由主机设备确定并传输触感信号的方法的流程图。
图7为示出根据本发明一种实施方式的一种用于向触感外围设备的用户提供触感效果的方法的流程图。
图8和9为示出根据本发明一种实施方式的触感外围设备的立体图，其中该触感外围设备为手持游戏控制器。
图10示出了图8-9中的游戏控制器的框图。
图11为图8-9中的触感外围设备的扳机的示意图，其中该触感外围设备的触感输出设备包括可调缓冲器，可调缓冲器在操作过程中移动。
图12为根据本发明一种实施方式的用于向触感外围设备提供触感反馈的系统，其中该触感外围设备为游戏平板控制器，该游戏平板控制器可以与平板电脑一同使用。
图13示出图12中的系统的框图。
具体实施方式
本发明的特定实施方式现在被参考附图而描述，其中相似附图标记指示相同或功能上相似的元件。
下述的详细描述在性质上仅为示例性的，且并不意在限定本发明或本发明的应用和使用。进一步，无意受到存在于前述的技术领域、背景技术、发明内容或下述的详细描述中的任何明示的或暗示的原理的约束。再进一步，虽然下述的详细描述针对游戏设备和用于游戏设备的控制器，但是本领域技术人员能够领会该描述同样能应用于具有用户输入元件的其它设备。
本发明的实施方式提供用于向触感外围设备提供触感效果或反馈的系统和方法。更特别地，现在参考附图，图1-2示出一种实施方式的触感反馈系统100，其用于向触感外围设备102提供触感反馈，触感外围设备102包括操作器（manipulandum）或用户输入设备118，操作器或用户输入设备118能够以一个或多个自由度移动。在这一实施方式中，操作器118为触感模拟操纵杆。虽然图1-2示出触感操纵杆作为触感外围设备的操作器，但是本领域普通技术人员将能够理解本公开并不局限于操纵杆操作器，但还包括任意能够全部或部分地以一个或多个自由度移动的设备。本领域技术人员将能领会触感操纵杆仅为控制器的操作器的示例性实施方式，且能领会具有其它配置（如扳机、按钮或其它用户输入元件）的操作器可以被使用。另外，触感外围设备102可以具有其它控制器的配置、形状和/或尺寸，例如但不限于具有类似于传统视频游戏控制器（包括但不限于如WiiTM遥控或WiiTM U控制器， SixAxisTM控制器或 Wand控制器等控制器）的形式的设备以及具有像真实生活物品（如网球拍、高尔夫球杆、棒球球棒以及类似物）的形状和其它形状的控制器。
触感外围设备102与主机或计算机系统104通信。主机104可以包括视频游戏机、移动设备或任意其它种类的包括处理器的计算机系统。如图2中的框图所示，主机104包括主处理器108、存储器110以及显示器106。主机104执行软件应用，该软件应用存储在存储器110中并由主处理器108执行。主处理器108可以为任意种类的通用处理器，或者可以为专门设计为用于提供触感效果信号的处理器。主处理器108可以为运行整个主机104的相同的处理器，或者可以为单独的处理器。主处理器108可以决定何种触感效果将被发送至触感外围设备102，以及以何种顺序发送触感效果。存储器110可以为任意种类的存储设备或计算机可读介质，例如但不限于随机存取存储器（RAM）或只读存储器（ROM）。存储器110还可以被置于主处理器内部，或是内部和外部存储器的任意结合。
主机104通过有线或无线手段被联接至显示器106。显示器106可以为向用户提供图形信息的任意种类的媒介；其包括但不限于显示屏、电视屏幕、等离子屏、液晶屏、投影仪或任意其它显示设备。在一种实施方式中，主机104为游戏机，且显示器106为联接至该游戏机的本领域已知的显示屏，如本领域已知的。在另一种实施方式中，如本领域技术人员所知的，主机104和显示器106可以被结合为单一设备。同样是本领域普通技术人员能够理解的，主机104并不必要包括显示器，因此，显示器106为可选部件。进一步，在另一种实施方式中，如本领域技术人员所已知的，主机104可以物理地位于触感外围设备102中。
在图1所示的实施方式中，主机104通过有线或USB连接103与触感外围设备102通信。但是，在其它实施方式中，触感外围设备102可以通过使用本领域技术人员所知的其它有线通信方式或无线通信方式与主机104通信。其包括但不限于串行连接或蓝牙连接。
参考图1，触感外围设备102包括壳体或基座120以及由壳体120延伸的操作器118。在壳体120中，如图2中的框图所示，触感外围设备102包括本地处理器116、本地存储器115、传感器117、可调缓冲器126、惯性触感输出设备或第一促动器112以及触感输出设备或第二促动器114。触感外围设备102可以替代性地被配置为不包括本地处理器116，这样所有的由触感外围设备102输入/输出的信号均直接被主机104应对并处理。正如将在本文详细解释的，本地处理器116被联接至惯性触感输出设备112和触感输出设备114，以基于来自主机104的高电平（high level）的监控命令或流命令而提供触感效果。触感外围设备的本地处理器116还联接至传感器117。类似于主处理器108，本地处理器116也可以决定何种触感效果将被发送以及以何种顺序发送触感效果。另外，本地处理器116也可以决定哪个触感输出设备（即，惯性触感输出设备112还是触感输出设备114）将接收触感效果信号。另外，类似于主机104的存储器110，本地存储器115可以为任意种类的存储设备或计算机可读介质，例如但不限于随机存取存储器（RAM）或只读存储器（ROM）。本地存储器115还可以被置于本地处理器内部，或内部和外部存储器的任意结合。
如上文所述，触感外围设备102的操作器118可以在一个或多个自由度内物理地移动。例如，用户可以向前、向后、向左或向右移动操作器118。当用户移动操作器118，传感器117检测到操作器的移动并将传感器信号传输至本地处理器116。本地处理器116随后将传感器信号通信或传输到主机104。基于接收到的传感器信号，主机104执行视频游戏中的行动并更新图形环境。换句话说，触感外围设备102的操作器118的移动表示来自用户的输入，这允许用户与主机104中运行的软件应用交互，该软件应用包括但不限于关于第一人称射击（first person shooter）、第三人称角色交互（third person characterinteraction）、车辆相关游戏或计算机模拟的视频游戏。操作器118的移动可以向主机104提供输入，该输入对应于计算机生成的图形对象（如光标或其它图像）或由主机104通过显示器106显示的其它图形对象的移动，或者控制虚拟角色或游戏替身，如人物、车辆或其它游戏中或计算机模拟中存在的实体。
除了由传感器117接收传感器信号，本地处理器116还由主机104接收关于触感效果的控制信号或针对惯性触感输出设备112和触感输出设备114的作动器信号。如果触感外围设备102的本地处理器116接收的控制信号是关于振动或卡顿（detent），本地处理器116向惯性触感输出设备112发出控制信号，以提供适当的触感效果。如果触感外围设备102的本地处理器116接收的控制信号关于操作器的僵硬度（stiffness），则本地处理器116向触感输出设备114发出控制信号，以调节作用在操作器上的弹性力。当操作器向远离静止或标称（nominal）位置的方向移动时，该弹性力为阻力；而当操作器朝向静止或标称位置往回移动时，该弹性力为回复力。在其初始的或没有调节的状态下，每个操作器或控制器的可移动物体具有作用在其上的预定的阻力弹性力，这样使得为将操作器远离静止或标称位置（线性地或成角度地）移动预定的量，需要使用预定量的力。当作用在操作器上的阻力弹性力增加时，操作器的僵硬度增加，这样使得操作器具有“更紧”或“更硬”的感觉。更特别地，当操作器的僵硬度增加，与移动在其初始的或没有调节的状态下的操作器所需要的力的量相比，向远离静止或标称位置将操作器移动预定的量需要增加的或更大量的力。相对地，当作用在操作器上的阻力弹性力减小时，操作器的僵硬度减小，这样使得操作器具有“更松”或“更柔”的感觉。更特别地，当操作器的僵硬度减小，与移动在其初始的或没有变化的状态下的操作器所需要的力的量相比，向远离静止或标称位置将操作器移动预定的量需要减小的或更少量的力。
更特别地，根据游戏行为和接收自主机104的控制信号的不同，本地处理器116可以间或向惯性触感输出设备112发出控制信号，以振动或引起一些其它瞬时触感效果。惯性触感输出设备112可以位于触感外围设备102之上或之中的任意位置，以向用户提供惯性触感效果。惯性触感输出设备112提供的触感效果可以包括但不限于如卡顿或振动等瞬时效果。例如，当在操作中，电压幅值和宽度由主机104流向触感外围设备102，其中信息通过本地处理器116提供至惯性触感输出设备112。主机104可以向本地处理器116提供高电平命令，如将被惯性触感输出设备112输出的触感效果（例如，振动、颠簸、卡顿、爆破等等）的类型，这样本地处理器116指示惯性触感输出设备112将被输出的触感效果的特性（例如，幅值、频率、持续时间等等）。本地处理器116可以由联接于其上的本地存储器115检索触感效果的种类、幅值、频率、持续时间或其它特性。惯性触感输出设备112可以为物理的和/或非物理的促动器。可能的物理促动器包括但不限于偏心转动质量（eccentric rotatingmass，ERM）促动器、线性共振促动器（linear resonant actuators，LRA）（在线性共振促动器中，一附接至弹簧的质量被来回驱动）、压电促动器、电磁电机（在电磁电机中，一偏心质量由电机作动）、振动触觉促动器、惯性促动器或适合的其它种类的促动设备。可能的非物理促动器包括但不限于静电摩擦（electrostatic friction，ESF）、超声波表面摩擦（ultrasonic surface friction，USF）以及其它非物理促动器。
在本发明的一种实施方式中，如图3所示，惯性触感输出设备112可以被机械地固定至触感外围设备102的操作器118。根据惯性触感输出设备112的精确位置的不同，触感效果可以与触感外围设备102的目标区域隔离，如与操作器118的端部基座130或操作器的扳机端部122隔离。在图3中，惯性触感输出设备112被置于触感外围设备102的操作器118的端部基座130中。触感外围设备102的枢轴点132存在于操作器118中心。在这种实施方式中，用户能够向任何方向、以多个自由度相对于枢轴点132移动操作器118。如在美国专利申请No.14/078,478（申请日为2013年11月12日，申请人与本发明的申请人相同，通过援引，全文被包含入本申请中）中描述的振动隔离/阻尼设备（未示出）可以被应用于使触感效果与触感外围设备102的目标区域隔离。有了这样的隔离的触感效果，相对较小的促动器可以被作为惯性触感输出设备112而在触感外围设备的目标区域使用，以提供瞬时触感效果。
除了向惯性触感输出设备112发送控制信号，根据游戏行为和接收自主机104的控制信号的不同，本地处理器116可以间或向触感输出设备114发出信号，以程序化地改变作用在触感外围设备102的操作器118上的弹性力，从而增加或减小操作器的僵硬度，这样使得操作器根据当前游戏行为或情况的不同而具有“更紧”或“更硬”的感觉或相反的“更松”或“更柔”的感觉。更特别地，另外参考示出触感外围设备102的示意图的图3和图4，触感外围设备102包括可调缓冲器126，可调缓冲器126能够通过触感输出设备114而相对于操作器118移动，以增加或降低操作器的僵硬度。可调缓冲器126为衬垫元件，该衬垫元件可以通过触感输出设备114而被移动至与操作器118的多种程度的接触。如图3所示，当可调缓冲器126并不位于接近操作器118的位置且在用户对其进行操作过程中操作器118并不接触可调缓冲器126时，用户将仅感觉到作用在操作器118上的初始和没有调节的弹性力。如图3A所示，当可调缓冲器126被移动至接触操作器118时（或当可调缓冲器126位于接近操作器118的位置，使得在用户对其进行操作过程中操作器的至少一个部分接触可调缓冲器），用户感觉到的作用在操作器118上的弹性力包括作用在操作器118上的初始弹性力与使可调缓冲器126发生形变所需力的合成。由于可调缓冲器126的僵硬度或材料性质，操作器118的弹性力随着可调缓冲器126被移动得更加接触操作器118而持续增加。可调缓冲器126可以被由能为用户提供弹性力的任意种类的材料制成。这些材料包括但不限于泡沫、橡胶、硅胶或类似物质。这些材料可以是能形变的，也可以是不能形变的。在另一种实施方式中，可调缓冲器可以由不能形变但仍然可以通过其它类的机理（如连接至可调缓冲器的弹簧）提供弹性力的材料制成。触感输出设备114位于接近触感外围设备102的操作器118的目标部分或可移动部分的位置。如在本文中所使用的，操作器118的目标部分或可移动部分包括可以被用户相对于触感外围设备102的壳体120移动的操作器的部分。在这一实施方式中，触感输出设备114位于操作器118的基座端部130的下方、接近触感外围设备102的枢轴点132的位置。
在图3和图3A中示出的实施方式中，如方向箭头127所指示的，可调缓冲器126在其操作过程中沿轨道128被以线性方向移动。更特别地，可调缓冲器126被置于操作器118之下，并联接至线性轨道128。可调缓冲器126和线性轨道128被联接至触感输出设备114，触感输出设备114被安置在触感外围设备102的壳体120中。当触感外围设备102接收到调节操作器僵硬度的触感信号时，触感外围设备102的本地处理器116向触感输出设备114发出信号。触感输出设备114随后提升或降低联接有可调缓冲器126的轨道128，以分别增加或减小操作器的僵硬度。如果触感输出设备114被给出了增加操作器僵硬度的信号，触感输出设备114将朝向操作器118的基座端部130的方向提升轨道128和可调缓冲器126，这样使得可调缓冲器126在用户操作操作器118的过程中接触基座端部130或者可调缓冲器126与基座端部130之间的接触量增加。类似地，如果触感输出设备114被给出了减小操作器僵硬度的信号，触感输出设备114将向远离操作器118的基座端部130的方向降低轨道128和可调缓冲器126，这样使得可调缓冲器126在用户操作操作器118的过程中不接触基座端部130或者可调缓冲器126与基座端部130之间的接触量减少。根据控制信号和目标僵硬度，触感输出设备114可以向远离操作器118的方向移动可调缓冲器最大距离，或者移动可调缓冲器以通过操作器的基座端部130而压紧操作器118。在一种实例中，远离的最大距离的意思是可调缓冲器不接触、或在用户操作操作器118的过程中不论在操作器118的哪个可移动自由度上都不会通过基座端部130而接触操作器118。在另一种实例中，可调缓冲器可以被压在操作器的基座端部130上如此之紧以至于阻止操作器118的任何移动，也就是零自由度的移动。
如一示例性的实例，如果用户控制车辆且该车辆由光滑表面（如视频游戏中的结冰地面等）向更密集的表面（如视频游戏中的泥泞地面等）转换，相关联的触感效果可以为增加操作器118的僵硬度。换句话说，当在结冰表面上时操作器118可以非常平顺且易于移动，而当在泥泞表面上时将变得非常难以移动。在这一实例中，本地处理器116接收到的信号可以关于作为移动可调缓冲器126的结果而产生的触感效果，且因此该信号可以被发送至触感输出设备114，以酌情将可调缓冲器126移动至接触操作器118或增加与操作器118的接触。
在另一个示例性的实例中，用户可以在游戏中并由具有很好的操纵性的小型车切换为具有较差操纵性的大型坦克。在这一实例中，相关联的触感信息可以为由大的移动自由度的平滑运动（fluid motion）向具有较小的移动自由度的更加受阻的移动而改变操作器118。在这一实例中，本地处理器116可以向触感输出设备114发送信号，以酌情将可调缓冲器126移动至接触操作器118或增加与操作器118的接触。
在图3中的实施方式中，触感输出设备114包括直流电机336以及齿轮338，用于移动轨道128和联接于其上的可调缓冲器126。更特别地，齿轮338（其为旋转部件）的牙或齿339与形成在线性轨道128（其为非旋转部件）上的配合牙或齿329啮合，以产生轨道128的平移或线性移动。虽然示出了一个齿轮，但两个或更多的齿轮可以被包括在触感输出设备中，以通过齿轮比来产生机械增益。另外，虽然示出了直流电机，但触感输出设备114可以包括不同的促动器，例如但不限于除直流电机之外的电机。进一步，如将在下文结合图4所描述的，触感输出设备114可以由智能材料制成，例如但不限于压电材料、电活性聚合物（electroactive polymer）以及形状记忆合金或其它能提供设计触感输出（如使用空气喷射器喷出空气或类似输出）的触感基材和挠性或可形变的表面。在图3示出的实施方式中，触感输出设备114被配置为提升或降低轨道128，从而提升或降低联接至轨道128的可调缓冲器126，但在本发明的另一种实施方式中（未示出），触感外围设备可以被配置为使得轨道为固定的，而触感输出设备114沿轨道提升或降低可调缓冲器。进一步，在图3示出的实施方式中，触感输出设备114被配置为沿线性方向移动可调缓冲器126，但在本发明的另一种实施方式中（未示出），触感外围设备可以被配置为以其它方向移动可调缓冲器，例如但不限于弧形或曲线。
图4示出了触感外围设备402的另一种实施方式。在这一实施方式中，可调缓冲器和触感输出设备被结合在单一元件或部件中，如电活性聚合物434。类似于上文描述的功能，当触感外围设备的本地处理器接收到调节操作僵硬度的信号时，向电活性聚合物434施加一能量，以引起电活性聚合物以线性方向（如方向箭头427所指示的）由操作器418膨胀或收缩。类似于上文描述，电活性聚合物434可以被膨胀以增加操作器418的僵硬度或者其可以被收缩以降低操作器418的僵硬度。
图5示出了触感外围设备502的另一种实施方式。在这一实施方式中，可调缓冲器526具有曲线配置。在用户操作操作器的过程中，操作器518可以相对于枢轴点532枢转，并且作为结果的是，操作器518的基座530可能倾斜。因此，为了确保作用在操作器上的弹性力为线性的，可调缓冲器526具有的曲线配置的中心部分位于枢轴点532之下或枢轴点532下方，并且其端部被置于与操作器518的基座530稍微间隔开的位置。当用户操作操作器518且操作器倾斜时，基座530与可调缓冲器526之间的接触量为均匀或恒定的，这样由操作器和可调缓冲器之间的接触所引起的弹性力为线性的。换种说法，在图5所示的实施方式中，随着用户持续将其向远离其中心或标定位置移动时，操作器518的僵硬度保持恒定，或并不变化。相对地，在图3和3A所示的实施方式中，当用户操作操作器118且操作器倾斜时，基座130与可调缓冲器126之间的接触量随操作器的倾斜而增加，这样由操作器和可调缓冲器之间的接触所引起的弹性力随操作器向远离其中心或标定位置的移动而增加。换种说法，在图3和3A所示的实施方式中，随着用户持续将其向远离其中心或标定位置移动时，操作器518的僵硬度增加。虽然图3、4和5中的实施方式示出如何在一个自由度上调节操作器的僵硬度，本领域普通技术人员可以理解的是，本发明的任意实施方式均可以被调节，以程序化地在两个或更多的自由度上控制或改变操作器的僵硬度。
因此，本发明的实施方式使用至少两个分离的或不相联接的促动器或触感输出设备，以向触感外围设备提供完整的或全部的触感反馈。触感外围设备的第一促动器或触感输出设备的功能为程序化地调节作用在触感外围设备的操作器上的弹性力，从而增加或减小操作器的僵硬度，而触感外围设备的第二促动器或惯性触感输出设备的功能为向用户提供惯性触感效果，例如但不限于如卡顿或振动等瞬时效果。两个促动器或触感输出设备，即触感输出设备114和惯性触感输出设备112，共同的向用户提供完整的触感体验。如本发明实施方式中所述的使用两个单独的促动器或触感输出设备的程序化的触感外围设备的优势之一在于该程序化控制的触感外围设备展示了类似于全动觉操纵杆的效果集，但极大地降低了成本、减小了体积并且降低了耗电量。为向操纵器提供触感效果，全动觉操纵杆持续不断地耗电。但是，上文所述的使用两个单独的促动器或触感输出设备的程序化的触感外围设备仅在作用在操作器上的弹性力需要被改变或调节时耗电。换种说法，关于根据本发明的多种实施方式的程序化的触感外围设备，仅在弹性力被改变或调节时需要来自促动器的能量，这与全动觉操纵杆正好相反，全动觉操纵杆中电力或能量直接地或持续地被供应，以提供关于操作器的触感效果。这样，根据本发明的多种实施方式的程序化的触感外围设备具有相对较低的电量需求，从而降低了成本、体积以及耗电量。另外，由于其需要输送较小的峰值电量，与全动觉操纵杆（full kinesthetic joystick）中使用的促动器的尺寸相比，本发明的多种实施方式中使用的促动器的尺寸相对较小且较为便宜。
图6为根据本发明一种实施方式的用于由主机系统产生触感效果信号的流程图。在一种实施方式中，图6中的流程图的功能通过软件执行，该软件存储在主机104的存储器110中并由主处理器108执行，和/或存储在触感外围设备的存储器115中并由本地处理器116执行。在其它实施方式中，该功能可以通过专用集成电路（ASIC）、可编程门阵列（PGA）、现场可编程门阵列（FPGA）而由硬件实现，或者可以由任意硬件和软件的结合而实现。
在步骤640，计算机系统确定存在状态改变。在一种实施方式中，该改变可以为对于游戏或模拟的在虚拟空间中的改变。如一实例，用户可以在2D环境中移动角色。如果该角色碰到某物体，则该角色的状态被改变。在另一种情况下，计算机控制的角色可以被穿过不同表面（由泥泞表面到结冰表面）而移动，在这种情况下，当该角色由一个表面移动至一个不同表面时，该角色的状态被改变。在另一个实例中，用户可以移动或控制该角色或其它图形对象，且该角色或其它图形对象所在的虚拟环境被改变，如晴朗天气变为暴风雨或暴风雪，或者平静的环境发生了爆炸，这样的改变也可以是状态的改变。
在再另一种实施方式中，状态的改变可以为主机104的物理性质的改变。如一个实例，主机104可以为远程控制车辆。如果该车辆将要与一物理物体碰撞，该车辆的状态将被改变。另外，如果该车辆将由一个表面移动至一个具有变化的不同质感的不同表面，这也是状态的改变。本领域普通技术人员将可以理解状态的改变并不限于上文陈述的实例。
在步骤642，计算机系统确定是否存在与该状态改变相关联的触感效果。例如，在用户控制虚拟角色且该角色碰到某虚拟物体的情况下，该碰撞可能具有相关联的触感效果，如振动。在另一个实例中，如果用户控制的角色由结冰表面移动至泥泞表面，触感效果可以是振动、短暂的卡顿或作用在操作器上的弹性力增加。在这一实例中，当在结冰表面上时移动操作器的运动可以为相对平顺，但随后当在泥泞表面上时突然非常难以移动。
确定是否存在与该状态改变相关联的触感效果的过程可以被以多种方式实现。在一种实施方式中，主机104访问预定的状态改变和触感效果映射。如果确定该状态改变具有相关联的触感效果，随后触感信号将被发送。如果确定该状态改变没有相关联的触感效果，随后触感信号将不被发送。在另一种实施方式中，主机104可以使用其他因素来确定是否存在相关联的触感效果。这些因素可以是但不限于声音、视频、时间或如心率、握力及其它生物信息等用户信息。作为一个实例，如果声音数据大于或小于特定阈值，与该声音映射的触感效果将被创造并与该状态的改变相关联。
在步骤644，主机104使用触感信号向触感外围设备102传输触感信息。如前文所述，触感信息的传输可以通过有线或无线通信来实现。
图7为根据本发明一种实施方式的用于由主机系统接收触感信息并向触感外围设备施加触感效果的流程图。在一种实施方式中，图7中的流程图的功能通过软件执行，该软件存储在主机104的存储器110中并由主处理器108执行，和/或存储在触感外围设备102的存储器115中并由本地处理器116执行。在其它实施方式中，该功能可以通过专用集成电路（ASIC）、可编程门阵列（PGA）、现场可编程门阵列（FPGA）而由硬件实现，或者可以由任意硬件和软件的结合而实现。
在步骤750，触感外围设备接收到来自主机104的信号。一旦接收信号，本地处理器116则确定该信号是步骤752的触感信号还是非触感相关的信号。如果确定该信号不是触感信号，本地处理器116继续运行而不向用户施加任何触感效果，并等待接收来自主机的另一个信号。如果确定该信号为触感信号，本地处理器116则需要确定信号被发送至何种触感输出设备。
在步骤754，本地处理器116则必须确定触感相关信号为僵硬度调节触感信号还是惯性触感信号。如果该信号需要惯性触感输出设备来向用户提供触感效果，本地处理器116则会在步骤760向惯性触感输出设备发出信号，随后惯性触感输出设备将在步骤762输出所指示的触感效果。惯性触感输出设备所输出的触觉效果可以包括但不限于各种程度的振动、各种程度的卡顿或其它种类的触感效果。如一示例性的实例，如果用户控制一个角色或一些其它图形对象并在虚拟环境中发生碰撞，相关联的触感效果可以为振动。在这种情况下，本地处理器116接收指示触感外围设备102需要振动的信号。作为结果，本地处理器116向惯性触感输出设备112发出信号，以提供适当的触感效果，在本实例中该触感效果为振动。
但是，如果该信号调用触感输出设备来调节触感外围设备的可调缓冲器，本地处理器116则会在步骤756向触感输出设备发出信号，随后触感输出设备将在步骤758调节可调缓冲器，以调节作用在操作器上的弹性力。该弹性力是通过朝向或远离操作器移动可调缓冲器的位置以分别增大或减小与操作器的接触量来调节的。如果确定需要增加作用在操作器上的弹性力，触感输出设备将可调缓冲器移动至接触操作器或增加与操作器的接触。通过增加可调缓冲器与操作器的接触量，操作器变得更加难以移动，即需要更多的力，且操作器的移动程度越大则弹性力越大。另一方面，如果确定需要减小作用在操作器上的弹性力，触感输出设备将减小可调缓冲器与操作器之间的接触量。通过这样做，用户体验到操作器的较小的阻力，因为易于以多个自由度移动操作器。
在确定将被执行并提供至用户的触感效果的种类时，高水平触感参数或流值（streaming value）以软件代码的形式生成并发送至触感引擎（未示出），在触感引擎，它们被处理且用于促动器的适当的电压电平被生成。这允许触感外围设备向用户提供适当的触感反馈，并通过为用于促动器而生成的不同的电压电平改变触感反馈的量或种类。另外，游戏软件以及触感软件可以位于同一处理器或多个处理器中。
本文特别地示出和/或描述了一些实施方式。但是，可以理解的是，这些公开的实施方式的调整和变化被上文的教示所涵盖，并且在所附的权利要求的范围之内而不偏离本发明的精神和期望的范围。例如，图1-2示出了作为触感外围设备的单一或仅有的操作器的触感操纵杆。但是本领域技术人员能够领会触感操纵杆仅为操作器的示例性实施方式，且具有其它配置、形状和尺寸的操作器可以被使用。例如，图8-9示出了根据本发明另一种实施方式的触感外围设备802，其中触感外围设备802为手持游戏控制器，该手持游戏控制器具有与当前适用于视频游戏机系统的许多游戏手柄（gamepad）类似的形状和尺寸。触感外围设备802的壳体的形状被设计为适合于（不论对于惯用左手的用户还是惯用右手的用户）容易地双手持握该设备。
如本领域技术人员已知的，触感外围设备可包括一种以上的种类的操作器。触感外围设备802包括多个种类的操作器，包括操纵杆870、按钮872以及扳机874。如图10中的框图所示，触感外围设备802还包括本地处理器816、本地存储器815，其上的每个操作器，即，每个操纵杆870、每个按钮872以及每个扳机874，均包括联接于其上的传感器817以及两个促动器——第一促动器或触感输出设备814以及第二促动器或惯性触感输出设备812，其中第一促动器或触感输出设备814的作用是程序化地改变各个操作器的弹性力，第二促动器或惯性触感输出设备812的作用是通过各个操作器向用户提供惯性触感效果（例如但不限于如卡顿或振动等瞬时效果）。图10中的框图仅示出了每个操纵杆870、每个按钮872以及每个扳机874中的一（1）个。但是，本领域技术人员将能理解多个操纵杆、按钮和扳机以及其它用户输入元件均可以被使用。类似于触感外围设备102和主机104，触感外围设备802联接至具有显示器806的主机804并与主机804通信。触感外围设备802的本地处理器816被联接至每个惯性触感输出设备和触感输出设备，以基于来自主机804的高电平的监控命令或流命令而提供触感效果。
图11为图8-10中的触感外围设备的扳机874的示意图。扳机874可以围绕触感外围设备的枢轴点824以一个自由度移动。在这一实施方式中，惯性触感输出设备812位于扳机874中，在其第一端873的位置。这样，根据这一实施方式，由惯性触感输出设备812执行的触感效果将在扳机中感受到。进一步，在这一实施方式中，触感输出设备814、线性轨道828以及可调缓冲器826位于扳机874的第二端或相反端875的下方。类似于上文关于图3所描述的触感输出设备114，根据接收到的触感信号，如方向箭头827所指示的，触感输出设备814沿线性轨道828移动可调缓冲器826。作为该移动的结果，扳机的弹性力增大或减小。当触感外围设备802接收到触感信号以调节作用在操作器上的弹性力，触感外围设备802的本地处理器816向触感输出设备814发出信号。根据信号指示，触感输出设备814随后提升或降低可调缓冲器826。如果触感输出设备814被给出了增加作用在操作器上的弹性力的信号，触感输出设备814将朝向扳机874的方向提升可调缓冲器826。类似地，如果触感输出设备814被给出了减小作用在操作器上的弹性力的信号，触感输出设备814将向远离扳机874的方向降低可调缓冲器826。
本领域技术人员能够理解所描述的任意机构可以被置于不同的位置，以提供相似种类的效果。如一个实例（未示出），触感输出设备814、线性轨道828以及可调缓冲器826可以位于扳机874之上并面向扳机874的顶部。在这一实例中，当用户扣动扳机874，用户扣动的扳机874的一端向内移动，而扳机的相反端（位于用户施压的区域的关于枢轴点824的相反侧）向相反端方向移动。触感输出设备814、线性轨道828以及可调缓冲器826可以位于该相反端。如图11中示出的扳机，这也可以提供较小的弹性力。
图12-13示出了根据本发明另一种实施方式的触感外围设备1202，其中触感外围设备1202为可以与平板电脑1204一同使用的游戏平板控制器。平板电脑1204可以是为游戏活动专门设计的，如可以从雷蛇公司（Razer Inc.）购买，或者可以为众所周知的且能在市场上买到的平板电脑，如苹果以及三星等。触感外围设备1202包括对接部分1276，对接部分1276被配置为接受平板电脑1204和把手1278A、1278B以及布置于其上的操作器，该操作器使用户能够控制平板电脑1204中的游戏。对接部分1276将触感外围设备1202连接至平板电脑1204，这样使得用户对把手1278A、1278B的动作（如按按钮、移动操纵杆、扣动扳机等等）能引起平板电脑1204中进行的游戏的行动。
把手1278A、1278B包括典型的操作器或控制器上可见的用户输入元件。该操作器将关于把手1278A被描述。但是，本领域技术人员能够领会相同或相似的操作器可以被使用在把手1278B上。特别地，把手1278A包括操纵杆1270、按钮1272以及扳机1274。如图13中的框图所示，触感外围设备1202还包括本地处理器1216、本地存储器1215，其上的每个操作器，即，操纵杆1270、按钮1272以及扳机1274，均包括联接于其上的传感器1217，以及两个促动器——第一促动器或触感输出设备1214以及第二促动器或惯性触感输出设备1212，其中第一促动器或触感输出设备1214的作用是程序化地改变各个操作器的弹性力，第二促动器或惯性触感输出设备1212的作用是通过各个操作器向用户提供惯性触感效果（例如但不限于如卡顿或振动等瞬时效果）。类似于触感外围设备102和主机104，触感外围设备1202联接至平板电脑1204并与平板电脑1204通信。触感外围设备1202的本地处理器1216被联接至每个惯性触感输出设备和触感输出设备，以基于来自平板电脑1204的高电平的监控命令或流命令而提供触感效果。
在其他实施方式中（未示出），触感外围设备具有可以垂直于触感外围设备的基座上下移动的操作器。在再其他实施方式中（未示出），触感外围设备具有能够用于通过主机控制实体对象或机器（如车辆或机器人设备）的操作器。在这样的实施方式中，主机可以不需要显示器已进行操作。另外，该实施方式中的主机可以为与用户控制的实体对象或机器分开的实体，或者可以在控制的实体对象或机器中。在另一个实施方式中，在主机104中运行的软件应用能够涉及控制实体对象（包括但不限于遥控汽车或机器手）的软件。在该实施方式中，类似于前文，触感外围设备与主机通信。当主机接收到这些信号，根据移动指示，主机进行关于实体对象的行动。
根据本发明的多种实施方式被上文所描述，应当理解的是，这些实施方式仅通过示意性和示例性的方式被显示，且并不限定。进行在形式上和细节上的多种改变而不偏离本发明的精神和范围，对相关领域技术人员是显而易见的。因此，本发明的广度和范围不应当被任何前文所述的示例性实施方式所限制，而是仅根据所附的权利要求及其等同而限定。还应当理解的是，本文讨论的每个实施方式的每个特征，以及援引的每个文献，能够被与任意其它实施方式的特征相结合。本文所讨论的所有专利和公开均通过援引而全文并入本申请中。

Claims (19)

1.一种装置，包括：
操作器，所述操作器可以以至少一个自由度移动；
可调缓冲器；以及
触感输出设备，所述触感输出设备联接至所述可调缓冲器，其中所述触感输出设备被配置为接收来自处理器的控制信号，且被配置为相对于所述操作器移动所述可调缓冲器，以响应于来自所述处理器的所述控制信号而调节所述操作器的僵硬度，其中所述可调缓冲器相对于所述操作器移动到调节位置以调节所述操作器的僵硬度，并且其中在没有提供电量时，所述可调缓冲器保持在所述调节位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述操作器的僵硬度被通过改变所述可调缓冲器与所述操作器之间的接触量而调节。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述可调缓冲器为可形变的。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述可调缓冲器由泡沫、橡胶或硅胶之一组成。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述触感输出设备被配置为沿线性方向移动所述可调缓冲器，以改变所述操作器的僵硬度。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述触感输出设备以及可调缓冲器为电活性聚合物，所述电活性聚合物沿线性方向移动，以改变所述操作器的僵硬度。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述操作器由包括扳机和操纵杆的组中选择。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述操作器被配置为向所述处理器发出信号。
9.根据权利要求1所述的装置，进一步包括惯性触感输出设备，所述惯性触感输出设备联接至所述操作器，其中所述惯性触感输出设备被配置为接收来自所述处理器的控制信号，并响应于来自所述处理器的所述控制信号而向操作器输出触感效果。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述惯性触感输出设备所输出的触感效果为由包括振动或卡顿的组所选择的瞬时效果。
11.一种游戏系统，包括：
主机；
处理器；以及
触感外围设备，所述触感外围设备包括操作器、惯性触感输出设备以及触感输出设备，所述操作器可以以至少一个自由度移动，其中所述惯性触感输出设备联接至所述操作器，且被配置为接收来自所述处理器的控制信号，并响应于来自所述处理器的所述控制信号而向操作器输出瞬时触感效果，其中所述触感输出设备被配置为接收来自处理器的控制信号，并响应于来自所述处理器的所述控制信号而通过移动可调缓冲器来调节所述操作器的僵硬度，以及
其中所述可调缓冲器相对于所述操作器移动到调节位置以调节所述操作器的僵硬度，并且其中在没有提供电量时，所述可调缓冲器保持在所述调节位置。
12.根据权利要求11所述的游戏系统，其中所述处理器被布置在所述主机中。
13.根据权利要求11所述的游戏系统，其中所述处理器被布置在所述触感外围设备中。
14.根据权利要求11所述的游戏系统，其中所述操作器由包括扳机和操纵杆的组中选择。
15.根据权利要求11所述的游戏系统，其中移动所述可调缓冲器包括相对于所述操作器移动所述可调缓冲器。
16.一种提供触感反馈的方法，包括下列步骤：
在触感外围设备接收第一控制信号，其中所述触感外围设备包括操作器和触感输出设备，所述操作器可以以至少一个自由度移动；
向所述触感输出设备传输所述第一控制信号；并且
响应于所述第一控制信号而通过相对于所述操作器移动可调缓冲器来调节所述操作器的僵硬度，
其中所述可调缓冲器相对于所述操作器移动到调节位置以调节所述操作器的僵硬度，并且其中在没有提供电量时，所述可调缓冲器保持在所述调节位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中接收触感信号进一步包括确定弹性力的量。
18.根据权利要求17所述的方法，其中移动可调缓冲器进一步包括确定所述可调缓冲器应当由所述操作器被移动的距离。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
响应于第二控制信号而调节所述操作器的僵硬度，其中基于所述第二控制信号的所述操作器的僵硬度不同于基于所述第一控制信号的所述操作器的僵硬度。
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