CN105164607B - 触觉控制界面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种触觉控制界面(1)，其包括外表面(2)和定位用户的手指在外表面(2)上的压力的装置，其特征在于外表面(2)由刚性板(3)制成，并且该定位装置包括：至少三个力传感器(5)，板(3)附接至其，且力传感器配置为测量基本垂直于板(3)的平面的方向上的力；计算装置，基于所述至少三个力传感器(5)提供的测量，计算板(3)上的手指的压力的位置。

Description

触觉控制界面

技术领域

本发明涉及一种触觉控制界面，特别是安装在机动车辆上的触觉控制界面。

背景技术

为了改善机动车辆的工效学，并且允许访问多种功能而不会使不同控制单元(仪表盘，驾驶柱控制件，中央控制台，等)超载，制造商越来越多地使用联接到显示屏的触觉界面，并且允许用户从一个简单的、统一的界面访问多个功能或控制，从而得到精确的控制单元。此外，为了与汽车行业兼容，这种类型的界面必须可靠且限制成本。

发明内容

为了获得这种类型的界面，本发明涉及一种触觉控制界面，其包括外表面和用于定位用户的手指在该外表面上的压力的装置，其中外表面由刚性板制成，且该定位装置包括：

-至少三个力传感器，其上连接板，且配置为测量基本垂直于板的平面的方向上的力，

-计算装置，基于所述至少三个力传感器提供的测量，计算板上的手指压力的位置。

根据本发明的一个不同方面，该计算装置配置为通过基于所述至少三个力传感器提供的测量的三角测量确定该板上该手指压力的位置。

根据本发明的另一个方面，该触觉控制界面包括至少四个力传感器，其中该计算装置配置为，经由交替使用该至少四个力传感器中的三个传感器的不同组合，而通过基于三个力传感器的三角测量进行多个定位。

根据本发明的一个不同方面，该计算装置配置为通过使用不用于该三角测量的力传感器提供的测量来估算环境参数。

根据本发明的另一个方面，该计算装置配置为通过确定由不同对力传感器的连续两个力传感器提供的测量的重心来定位压力点。

根据本发明的一个不同方面，该力传感器为压电传感器。

根据本发明的另一个方面，该压电传感器是由约为椭圆形形状的结构机械地放大的传感器,该压电元件沿着该椭圆的长轴设置，且沿着该椭圆的短轴施加测量的力。

根据本发明的另一个方面，该力传感器的至少一个配置为向该用户发送触觉反馈。

根据本发明的一个不同方面，该定位装置配置为确定用户的压力的力度。

根据本发明的另一个方面，该触觉界面还包括面向该板设置的显示屏，所述板是透明的。

根据本发明的另一个方面，该计算装置包括微控制器。

根据本发明的一个不同方面，该力传感器的分布方式为，位于该外表面上的面对该力传感器的点的重心不同于所述外表面的几何中心，且该定位装置配置为考虑该力传感器的位置以确定用户的压力的位置。

结合附图，通过下面给出的描述，以一个象征性的但非限制性的方式示范一个可能的实施例，将使本发明的其他特点和优点变得明显易懂。

附图说明

在这些附图中:

图1是包括三个力传感器的触觉界面的示意图；

图2是包括四个力传感器的触觉界面的示意图；

图3是放大压电力传感器的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的触觉界面的俯视图；

图5是具有主菜单屏显的触觉界面的正视图。

具体实施方式

在这些图中，相同的标记编号对应着具有相同功能的元件。此外，标记包括了数字和字母，数字表示具有相同功能的一类元件，反之，字母表示该类的特定元素，例如，元件5a是一个以标记5表示的一类力传感器的特定元件。

本发明的实施例涉及一种触觉控制界面1，其包括外表面或触觉表面2，用户的手指按压在其上以引起控制，以及压力的定位装置。外表面2由刚性板3制成。定位装置包括力传感器5，其上连接刚性板3。刚性板理解为，在位于所述板上的压力的影响下，相对于力传感器5的变形，变形可忽略不计的板，因此，用户手指的压力完全传递给力传感器5。例如，刚性板3由聚碳酸酯或玻璃制成。因此，通过使用关于刚性板3的表面的位置已知的至少三个力传感器5，通过力传感器5提供的力的测量可推断出在刚性板3上的压力点的位置。从由传感器提供的测量到压力的位置的这个推断示例性地通过三角测量实施。压力点的位置可能是静态的或者动态的，即在板3上的手指的运动或滑动也被确定。

图1是使用三个力传感器5的一个实施例，三个力传感器5以非对齐的方式设置在板3的周界上。周界上的传感器的布置使显示屏与触觉控制界面能够相关联，但如果触觉控制不包括显示屏，力传感器5也可以设置在刚性板3的中心。定位装置5还包括计算装置，例如，微控制器，使用于处理由力传感器提供的测量的计算性能成为必要的，例如，与三角测量关联的计算。触觉控制界面1通常具有矩形形状，如图1所示，但也可使用其他形状。

力传感器5配置为测量几乎在板3的平面的法线方向上的力，例如压电传感器。可使用放大压电传感器以改善触觉控制界面1的灵敏性。图3是包括约为椭圆形形状的金属结构9的放大压电传感器7的示意图，该金属结构9包括彼此相互垂直的长轴和短轴。压电元件11沿椭圆的长轴设置。传感器7的灵敏轴(即沿其测量力的轴)对应于椭圆的短轴。沿箭头13所示的短轴施加的弱力导致箭头15所示的长轴受到压迫，从而与简单的压电传感器相比，能够改善传感器的灵敏性。

根据第二实施例，触觉界面1包括四个力传感器5，例如，如图2所示在板3的四个拐角。力传感器用5a、5b、5c和5d表示。三个传感器通过三角测量足以进行压力点的确定，但使用四个传感器不但使静态定位得以改善，而且使动态定位得以改善。为了做到这点，在一个给定的时间，通过基于由三个力传感器5(例如5a、5b和5c)提供的测量的三角测量进行定位，然后在后面的时间使用传感器5b、5c和5d定位。因此，三个传感器的四种可能的组合被交替使用，从而改善了定位的质量并且补偿了力传感器5的任意偏移。此外，没有用于三角测量的传感器可以用来进行环境参数的测量，这些环境参数可通过三角测量对定位产生不利影响，例如振动的存在。必须注意，可以使用大量的力传感器5，从而能够更进一步地改善压力的定位质量。

可选择地，通过使用以非平行方式设置的至少两对传感器计算由两个力传感器5提供的测量值的重心可确定压力区域的位置。例如，确定传感器5a和5b之间的重心，其提供压力区域所在的第一轴线，这个轴线与穿过传感器5a和5b的直线垂直，随后或者同时地，确定传感器5b和5c之间的重心，其提供压力区域所在的第二轴线，这两个轴线之间的交点对应触觉表面2上的压力的地理位置。还通过整合板3可能表现的均匀性差，计算其他对传感器的重心能够改善支撑区域的定位的质量和可靠性。

此外，必须注意，对于不同的实施例，力传感器5的位置可对应于“均匀”分布，在“均匀”分布中面对力传感器5的触觉表面2的点的重心对应于触觉表面2的几何中心，即表面的所有点的重心。例如，在一个矩形表面具有四个传感器的情况下，该传感器将被放置在四条边的中心或在四个拐角处，并且几何中心将对应于矩形的对角线交点。在面对力传感器5的触觉表面2的点的重心将与板3的几何中心不同的情形下，例如考虑到板3结构的非均匀性(板3的不同厚度或者不同材料)，板的某些区域存在的限制(例如，由于板连接到控制界面的结构上)或者为了改善触觉表面2的某些区域的灵敏性，该分布也可能是“不均匀或非均匀的”。事实上，在一些实施例中，仅有一部分板3可用作触觉控制，使得力传感器5被布置为用于实现该区域中增加的灵敏性。

此外，尤其对压电传感器而言，力传感器5可用于向用户提供触觉反馈，以向所述用户表明该控制确已被选择或确认。触觉反馈在于引起刚性板3的振动。为了这个目的，使用一个或者多个力传感器5向刚性板3传输振动波。事实上，对压电传感器而言，在力的影响下的传感器的形变在传感器输出端产生电压，其与施加的形变成正比。然而，这种压电效应是可逆的，使得在压电传感器的输出端应用的电压允许传感器变形，其可产生振动波。因此，压电传感器不但用于定位压力区域，而且用于触觉反馈，从而减少触觉界面1所需的组件数量。如上文所述，提供触觉反馈的传感器的位置可以是“非均匀的”，以使得增加触觉反馈在板的某些区域的灵敏性或者考虑板的几何形状或结构。

此外，如前面所描述的，压电传感器的测量对于由用户的手指在刚性板3上产生的力是敏感的。因此，不仅是压力的位置，压力的力度也可被确定，例如通过计算由不同的力传感器测量的压力总和，以使得根据压力的力度可以设想不同的控制。因此，接触外板的区域这一事实本身将能够选择一个功能，并且在这个区域内用户的更大压力将使所选的功能的该选择生效。电位计效应也可以被引入，例如，如果该区域对应于声音音量控制，更大的压力将导致对应于第一动态效应的音量的增加。

第二动态效应对应于确定触觉表面上的压力点的运动或滑动，这种滑动能够对应于一个特定的控制。这两个动态效应(其通过滑动和空间相关且通过电位计功能和时间相关)可以配对以获得额外的控制或者双重控制。

触觉界面1还可包括位于刚性板3后面且面向其的显示屏17，以显示触觉界面的不同功能。在这种情况下，刚性板3将是透明的，且力传感器5将设置在刚性板3的周界上(或如果板3比屏幕17大，力传感器5将设置在屏幕17的周界上)，以允许用户看到显示屏。然后将显示屏17设置成尽可能靠近刚性板3而同时避免振动波在刚性板3和显示屏之间的传播。

图4所示为一个包括显示屏17(例如为TFT(薄膜晶体管)屏幕)的触觉界面1的示例性实施例，其位于刚性板3后面且面对其。刚性板3附接在力传感器5上，而力传感器5自身附接在支架19上，该支架19例如为金属支架，其中力传感器5所处的角度是横向的、垂直的或者对角线的。支架19附接至触觉界面1的结构21，例如通过模塑。例如在模塑的中实现结构21，使得结构21可以直接围绕支架19模塑。触觉界面1还包括位于刚性外部板3与结构21的外边缘25之间的周界结合部23，以避免在透明刚性板3和显示屏17之间渗透灰尘。

为了更好地理解本发明的实施例，现在将使用一个用途示例就位于汽车的中央控制台中的触觉界面1进行详细描述。图5示出当汽车发动时显示的初始化菜单。屏幕被分为6个部分2a、20b、20c、20d、20e和20f，分别对应6个不同的功能：“音频”、“空调”、“导航”、“电话”、“视频”和“紧急情况”。为了选择一种功能，用户将手指按压在与所需功能对应的屏幕部分上，例如屏幕左上角对应于“音频”功能的部分20a。通过在三个传感器上进行三角测量，由力传感器5检测这个屏幕部分上的压力。事实上，压力越靠近力传感器5，检测到的压力越大。因此，关于在部分20a上的压力，传感器5a将测量到最大的力，并且传感器5d将测量到最弱的力。此外，通过每次测量改变用于三角测量的三个力传感器的组合，改善了压力位置的检测的可靠性。没有用于三角测量的力传感器5可用于测量影响力传感器5的测量的环境参数。例如，通路表面可能引起振动，或者关于振动行为触觉表面可能是不均匀的等。这些振动由第四个传感器测量，并且第四个传感器的测量被用于补偿其他三个传感器5的测量。一旦检测到压力的位置，对应于压力位置的功能就通过处理装置(例如，微控制器)确定。然后，对应于所选的功能的矩形被以不同的颜色显示，并且压电力传感器之一发出振动以向用户提供触觉反馈。例如，这种振动由不用于三角测量的传感器实现。然后由用户的更大的压力来使得所选的功能生效。根据一个不同的实施例，通过从涉及的表面区域移开用户的手指或者通过专用的生效区域可实现该生效。事实上，处理力传感器5的数据的软件可配置为，当压力大于预定的阈值时，使得控制生效。生效的触发可当由力传感器之一测量的值超过阈值或者由多个力传感器测量的值的总和超过阈值时实施。触觉反馈也可以在生效时实现，其可以是触觉选择反馈之外的，或者代替触觉选择反馈。因此，“音频”功能的生效使“音频”菜单打开，此处可修改不同的参数，例如，音量，电台或者音乐曲目。类似地，用户可继而通过在触觉控制界面1按压以执行不同的控制。

因此，使用安装在力传感器上的刚性板提供了一种易于安装在汽车上的简单可靠的触觉界面。此外，使用放大压电传感器提供了高灵敏性，并且允许提供触觉反馈而无需包括额外的致动器。

Claims (9)

1.一种触觉控制界面(1)，包括外表面(2)和用于定位用户手指在该外表面(2)上的压力的定位装置，其特征在于该外表面(2)由刚性板(3)实现，并且在于该定位装置包括：

-至少四个力传感器(5)，板(3)附接至所述至少四个力传感器(5)，且该至少四个力传感器(5)配置为测量垂直于板(3)的平面的方向上的力，

-计算装置，其基于所述至少四个力传感器(5)提供的测量，计算板(3)上的手指的压力的位置，其中该计算装置配置为，通过交替使用该至少四个力传感器(5)中的三个传感器的不同组合，通过基于三个力传感器(5)的三角测量进行多个定位。

2.如权利要求1所述的触觉控制界面(1)，其中该计算装置配置为通过使用不用于该三角测量的力传感器(5)提供的测量来估算环境参数。

3.如权利要求1所述的触觉控制界面(1)，其中所述力传感器(5)为压电传感器。

4.如权利要求3所述的触觉控制界面(1)，其中所述压电传感器(7)是由椭圆形形状的结构机械地放大的传感器(7),压电元件沿着该椭圆的长轴设置，且被测量的力沿着该椭圆的短轴施加。

5.如权利要求1或2所述的触觉控制界面(1)，其中所述力传感器(5)的至少一个配置为向该用户传输触觉反馈。

6.如权利要求1或2所述的触觉控制界面(1)，其中该定位装置配置为确定用户的压力的力度。

7.如权利要求1或2所述的触觉控制界面(1)，其还包括面向该板(3)设置的显示屏(17)，所述板(3)是透明的。

8.如权利要求1或2所述的触觉控制界面(1)，其中所述计算装置包括微控制器。

9.如权利要求1或2所述的触觉控制界面(1)，其中所述力传感器(5)布置为使得，位于外表面(2)上的面对所述力传感器(5)的点的重心不同于所述外表面(2)的几何中心，且其中所述定位装置配置为考虑所述力传感器(5)的位置以确定用户的压力的位置。