CN106796444A - 触觉信息提供装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种触觉信息提供装置。本发明涉及的触觉信息提供装置的特征在于，包括磁流变弹性体(Magneto‑Rheological Elastomer,MRE)材质的触觉传递部(1：10、20)，触觉传递部(1)通过由外部磁场引起的变形(10a～10d、20a～20d)来提供触觉信息。

Description

触觉信息提供装置
技术领域
本发明涉及一种触觉信息提供装置。更详细而言，涉及一种通过对磁流变弹性体或者电流变弹性体施加外部磁场或外部电场时所发生的形状变化来传递触觉信息的触觉信息提供装置。
背景技术
力触觉(haptics)是有关触感的技术，具体是指使电子设备的使用者通过键盘、鼠标、操纵杆以及触屏等感受触觉和力量、运动感等的技术。在以往，电子设备与人类之间的信息交换是以视觉上的传递为主，但最近为了更加具体并且具有真实感的信息传递，力触觉技术正备受关注。
一般，用于实现力触觉技术的致动器(actuator)使用的是惯性型致动器、压电致动器、电活性聚合物(Electro Active Polymer,EAP)致动器、静电力致动器等。惯性型致动器有通过电机旋转时所产生的离心力进行振动的离心电机、利用谐振频率使振动强度最大化的线性谐振致动器(Linear Resonant Actuator,LRA)。压电致动器呈束(beam)状或盘(disk)状，其利用通过电场瞬间改变大小或形状的压电元件进行驱动。电活性聚合物致动器在电活性聚合物薄膜上粘贴质量体，并通过质量体的反复运动生成振动。静电力致动器利用充上不同电荷的两张玻璃面之间所产生的吸引力以及充上相同电荷时所产生的排斥力进行驱动。
然而，如上所述的现有的力触觉技术只不过是传递单纯振动的，在传递感性的信息或者复杂的文字信息等方面存在局限性。因此，不止于传递单纯的振动，还需要研究能够有效地传递更加感性的信息或者更加复杂的信息的触觉信息传递结构。
发明内容
所要解决的技术问题
因此，本发明是为了解决如上所述的现有技术的各种问题而提出的，其目的在于，提供一种能够更加感性地传递多种触觉信息的触觉信息提供装置。
此外，本发明的目的在于，提供一种以至少一个单位体的形式构成触感部，从而不仅限于警报(alarm)等单纯的信号，还能够有效地将文字、图形等更加复杂的信息传递为触觉信息的信息提供装置。
解决技术问题的方法
本发明的上述目的通过提供一种触觉信息提供装置而达成，所述触觉信息提供装置的特征在于，包括磁流变弹性体(Magneto-Rheological Elastomer,MRE)材质的触觉传递部，所述触觉传递部通过由外部磁场引起的变形来提供触觉信息。
并且，本发明的上述目的通过提供一种触觉信息提供装置而达成，所述触觉信息提供装置的特征在于，包括电流变弹性体(Electro-Rheological Elastomer,ERE)材质的触觉传递部，所述触觉传递部通过由外部电场引起的变形来提供触觉信息。
有益效果
根据如上构成的本发明，能够更加感性地传递多种触觉信号。
此外，根据本发明，以至少一个单位体的形式构成触感部，从而不仅限于警报(alarm)等单纯的信号，还能够有效地将文字、图形等更加复杂的信息传递为触觉信息。
附图说明
图1是示出本发明一实施例涉及的触觉传递部根据外部磁场/电场进行的形状变化的图。
图2是示出本发明一实施例涉及的触觉传递部根据外部磁场/电场进行的触觉信息提供过程的图。
图3是示出本发明的另一实施例涉及的触觉传递部根据外部磁场/电场进行的触觉信息提供过程的图。
图4是示出本发明的多个实施例涉及的触觉传递部的多种形状的图。
图5是示出本发明一实施例涉及的触觉信息提供装置的结构的图。
图6是示出本发明一实施例涉及的包含多个单位体的触感部的图。
图7是示出本发明一实施例涉及的形成有单位体隔壁的触感部的图。
图8是示出本发明一实施例涉及的线圈单元的配置的图。
图9是示出本发明的另一实施例涉及的线圈单元的配置的图。
图10是示出本发明一实施例涉及的触觉信息提供装置的动作过程的图。
附图标记：
1、10、20：触觉传递部
50：触觉信息提供装置
100：触感部
110、111、112：单位体
120：单位体隔壁
200：磁场生成部
210、211、212：线圈单元
L1、L2：虚拟的单位体范围
具体实施方式
参照实施例的附图对这些实施例进行详细说明，以便使本领域的技术人员实施本发明。应理解为，本发明的各种实施例虽然彼此不同，但并非互相排斥。例如，在此所记载的一实施例的特定形状、结构及特性，可以在不脱离本发明的精神及范围的情况下由其它实施例来实现。此外，应理解为，各公开的实施例中的个别构成要素的位置或者配置，可以在不脱离本发明的精神及范围的情况下进行变更。因此，后述的详细说明并无限定之意，准确地说，本发明的保护范围仅通过权利要求进行限定，包含与其权利要求所主张的内容等同的所有范围。附图中类似的附图标记在各个方面表示相同或类似的功能，并且为了便于说明，长度和面积、厚度等以及其形状也可能放大表示。
下面，参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以使本发明所属技术领域的普通技术人员能够容易地实施本发明。
磁流变弹性体(Magneto-Rheological Elastomer,MRE)或者电流变弹性体(Electro-Rheological Elastomer,ERE)是包含能够对外部磁场或外部电场进行反应的粒子的弹性体材料，特别是磁流变弹性体在弹性体材料内包含能够通过外部磁场发生磁化的铁(Fe)等磁性粒子(magnetic particle)，因此能够通过施加外部磁场来改变其刚度(stiffness)、抗张强度(tensile strength)、延伸率(elongation)等特性。
此外，电流变弹性体也在弹性体材料内包含能够极化的粒子，因此能够通过施加外部电场来改变其刚度等特性，这与磁流变弹性体相似。因此，本说明书中以磁流变弹性体为例进行说明，但是应当理解的是，对于电流变弹性体也适用相同的原理。
图1是示出本发明一实施例涉及的触觉传递部1根据外部磁场/电场进行的形状变化的图。
参照图1，本发明的触觉传递部1：10、20可以由磁流变弹性体或者电流变弹性体材料构成，以便传递触觉信息。此外，触觉传递部1：10、20能够根据外部磁场/电池的影响呈现出不同的形状。
参照图1的(a)，当多个触觉传递部1不受外部磁场/电场的影响时(Off State：关闭状态)，换句话说，未通过后述的磁场生成部200的线圈单元210(参照图5)或者电场生成部(未图示)的电极单元(未图示)形成磁场/电场时，多个触觉传递部1可呈现出第一形状10a、20a(参照图2及图3)。
参照图1的(b)，当多个触觉传递部1的一部分受外部磁场/电场的影响时(LocalOn State：局部开启状态)，换句话说，当通过后述的磁场生成部200的线圈单元210(参照图5)或者电场生成部(未图示)的电极单元(未图示)形成磁场/电场时，多个触觉传递部1的一部分可呈现出第二形状10b、20b(参照图2及图3)。
图2是示出本发明一实施例涉及的触觉传递部1根据外部磁场/电场进行的触觉信息提供过程的图，图3是示出本发明的另一实施例涉及的触觉传递部1根据外部磁场/电场进行的触觉信息提供过程的图，图4是示出本发明的多个实施例涉及的触觉传递部的多种形状的图。
首先，参照图2，触觉传递部1可以具有微细凸起10形状。为了精细且感性地传递触觉信息，微细凸起10形状的厚度可以是约25μm以下，与羊毛等相似，或是约100μm以下，与人体的毛等相似。
如图2的(a)所示，当不受外部磁场/电场的影响时，微细凸起10可以保持略微倾斜的形状(或者，第一形状10a)。当然，具有不倾斜而垂直竖立的微细凸起形状也无妨。接着，如图2的(b)所示，当受到外部磁场/电场的影响时，微细凸起10可以保持更加倾斜，甚至平躺的形状(或者，第二形状10b)。接着，如图2的(c)以及图2的(d)所示，当解除磁场/电场的施加而不受外部磁场/电场的影响时，微细凸起10可以从第二形状10b回归到第一形状10a，并且通过自身的弹性力(或者，恢复力)进行往返运动10c、10d。由此，能够通过进行往返运动的微细凸起10c、10d传递类似于摩擦或刺激的触觉信息。
然后，参照图3，触觉传递部1可以具有中空的圆筒20、球顶(dome)或者多面体20'(参照图4的(b))形状。图3的(a)是圆筒20形状的触觉传递部1的立体图，图3的(b)是圆筒20形状的触觉传递部1的侧剖视图。
当不受外部磁场/电场的影响时，中空的圆筒20可以如①所示，呈现出上部面21扁平的形状(或者，第一形状20a)。接着，当受到外部磁场/电场的影响时，圆筒21可以如②所示，呈现出上部面21朝向中空的内部空间凹陷的形状(或者，第二形状20b)。接着，当解除磁场/电场的施加而不受外部磁场/电场的影响时，可以如③以及④所示，从第二形状20b回归到第一形状20a，并且通过自身的弹性力(或者，恢复力)使上部面进行往返运动20c、20d。由此，能够通过进行往返运动的圆筒20c、20d传递类似于敲击的触觉信息。
在触觉传递部1对由磁场生成部200(参照图6)/电场生成部(未图示)形成的磁场/电场的强度、方向或者频率(frequency)中的至少任意一种进行控制，从而还能够控制从第一形状10a、20a变为第二形状10b、20b时的强度(大小)、方向或者频率中的至少任意一种。作为一例，当施加更强的磁场/电场时，微细凸起10的倾斜程度变大，并且圆筒20的上部面21凹陷的程度变大，因此能够更强力地传递触觉信息。此外，作为一例，当改变磁场/电场的频率时，微细凸起10或者圆筒20的第一形状10a、20a和第二形状10b、20b以及再次变回第一形状10a、20a的速度会发生变化，因此能够传递多种感觉的触觉信息。
参照图4，除了细微凸起10或者中空的圆筒20、球顶(dome)或者多面体20'形状之外，触觉传递部1也可以呈各种形状。
(1)图4的(a)示出了中空的圆筒20，(2)图4的(b)示出了中空的六面体20'(或者，多面体20')，(3)图4的(c)示出的结构是微孔(micro hole)25形成在上部面上并且中空的圆筒20，在其上部面进行往返运动20c、20d的过程中能够使空气通过微孔25顺畅地出入，从而能够增加触觉传递部1的耐久性，(4)图4的(d)示出了混合微细凸起10与中空的圆筒20的形状，(5)图4的(e)示出了在图4的(d)形状基础上，在圆筒20的上部面上形成微孔25的形状，(6)图4的(f)示出了图4的(c)的微孔25形成有多个的形状，(7)图4的(g)示出了中空的圆筒20的上部面上结合有各种结构体26(例如，比圆筒20更小并且中空的圆筒)的形状，(8)图4的(h)示出了中空的圆筒20的上部面上形成有球顶(dome)状浮雕结构27的形状。
如上，本发明构成各种各样的触觉传递部1形状，从而能够复合地传递摩擦、刺激、敲击等多种触觉信息。
图5是示出本发明一实施例涉及的触觉信息提供装置50的结构的图，图6是示出本发明一实施例涉及的包含多个单位体110的触感部100的图。
参照图5，本发明一实施例涉及的触觉信息提供装置50的特征在于，包括触感部100以及磁场生成部200(当触觉传递部1为磁流变弹性体材质时)/电场生成部(未图示)(当触觉传递部1为电流变弹性体材质时)，触感部100上设有至少一个触觉传递部1。
触感部100是实际上与触觉信息提供装置50的使用者进行接触，以传递触觉信息的部分。触感部100可以包括至少一个单位体(cell)110。可以考虑触感部100的大小、要提供的触觉信息的解析度(resolution)而适当地设定单位体110的大小。
单位体110可以包括至少一个触觉传递部1。单位体110可以包括一种或两种以上的触觉传递部1。此外，也可以如图6所示的触觉信息提供装置50'，各个单位体110由各种触觉传递部1，例如微细凸起10、中空的圆筒20等构成。
磁场生成部200能够形成磁场，可以包括至少一个线圈单元210。优选，将磁场生成部200配置在触感部100的下部，以使各个线圈单元210(或者，包含线圈单元210的单位体110')与触感部100的各个单位体110相对应。只是，只要处于能够对与各个线圈单元210相对应的各个单位体110施加磁场的目的范围之内，磁场生成部200也可以不位于触感部100的下部而是位于他处。
电场生成部(未图示)能够形成电场，可以包括至少一个电极单元(未图示)。优选，将电场生成部(未图示)配置在触感部100的下部，以使各个电极单元(未图示)与触感部100的各个单位体110相对应。或者，也可以在触感部100的下部配置下部电极(未图示)，且在触感部100的上部或者表面形成上部电极(未图示)、形成有电极图案的薄膜等。此外，只要处于能够对与各个电极单元(未图示)相对应的各个单位体110施加电场的目的范围之内，可以多样地设定电场生成部(未图示)的位置。
图7是示出本发明一实施例涉及的形成有单位体隔壁120的触感部100的图。
参照图7，触感部100上可以形成有单位体隔壁120。单位体隔壁120沿着各个单位体110的周边形成，从而能够发挥保护触觉传递部1：10、20的作用。优选，单位体隔壁120的高度低于触觉传递部1，以便能够在保护触觉传递部1的同时有效率地提供触觉信息。
例如，以由包含微细凸起10的单位体110构成的触感部100为例，在向触觉信息提供装置50的使用者传递触觉信息的过程中，有可能发生过于强力地按压微细凸起10的情况。在这种情况下，使微细凸起10完全躺下而损坏微细凸起10，或者耐久性明显降低。
因此，当单位体隔壁120低于微细凸起10时，即便使用者施加某种程度的力来按压微细凸起10，也能够防止微细凸起10完全躺下的现象，因此具有能够保护微细凸起10的优点。并且，微细凸起10至少能够运动到单位体隔壁120的高度，因此具有能够将触觉信息充分地传递给使用者皮肤的优点。
另一方面，如图6所示，当由微细凸起10和中空的六面体20多样地设置各个单位体110时，或者在一个单位体110中混合设置微细凸起10和中空的六面体20时，中空的六面体20的高度低于微细凸起10，从而无需设置额外的单位体隔壁120也能够发挥与所述单位体隔壁120相似的作用。
图8是示出本发明一实施例涉及的线圈单元210的配置的图，图9是示出本发明的另一实施例涉及的线圈单元210：211、212的配置的图。
参照图8，本发明一实施例涉及的触觉信息提供装置50可以包括：触感部100，其具有配置成3×3的多个单位体110；磁场生成部200，其具有配置成3×3的多个线圈单元210。当然，在范围L1内的单位体110与线圈单元210可以相互对应，使得单位体110的数量与线圈单元210的数量相同。线圈单元210可以在磁场生成部200的内部形成为单层(图8的情形)，或者形成为多层(图9的情形)。触感部100的一个单位体110可以包括配置成3×3的多个微细凸起10。
在图8的触觉信息提供装置50中，随着通过一个线圈单元210产生磁场，设置在与该线圈单元210对应的单位体110上的至少一个微细凸起10可以从第一形状10a变为第二形状10b。当然，当由所述线圈单元210产生的磁场消失时，设置在与该线圈单元210对应的单位体110上的所述微细凸起10从第二形状10b回归到第一形状10a。
参照图9，本发明的另一实施例涉及的触觉信息提供装置50中，可以在磁场生成部200的内部形成多层211、212的线圈单元210。位于以实线表示的虚拟的范围L1内的3×3的单位体111可以与3×3的线圈单元211相互对应，位于以虚线表示的虚拟的范围L2内的3×3的单位体112可以与3×3的线圈单元212相互对应。触感部100的一个单位体110上可以形成有3×3的微细凸起10。
图9的触觉信息提供装置50中，线圈单元211可以使位于以实线表示的虚拟的范围L1内的单位体111上的微细凸起10的结构发生变化，线圈单元212可以使位于以虚线表示的虚拟的范围L2内的单位体112上的微细凸起10的结构发生变化，因此对于重复包含在范围L1及L2内的微细凸起10来说，可通过多个线圈单元211、212改变其形状，从而能够实现更加精细的调节。因此，具有比图8的触觉信息提供装置50更高的解析度(resolution)，容易提供更加细腻的触觉信息。
图10是示出本发明一实施例涉及的触觉信息提供装置50的动作过程的图。
首先，参照图10的(a)，触感部100上的单位体A1～C3处于未施加磁场的状态。因此，触感部100上的所有微细凸起10都能保持第一形状10a。
接着，参照图10的(b)，对触感部100上的单位体A1～C3施加磁场，使得触感部100上的所有微细凸起10都能保持第二形状10b。
接着，参照图10的(c)，当仅对位于与单位体A1对应的位置上的线圈单元210解除磁场施加时，只有单位体A1上的微细凸起10能够回归到第一结构10a，并且通过自身的弹性力(或者，恢复力)进行往返运动10c、10d。
接着，参照图10的(d)，当对位于与单位体A2对应的位置上的线圈单元210也解除磁场施加时，只有单位体A2上的微细凸起10能够回归到第一结构10a，并且通过自身的弹性力(或者，恢复力)进行往返运动10c、10d。与单位体A2上的微细凸起10相比，单位体A1上的微细凸起10的往返运动强度可以变弱。
接着，参照图10的(e)，当对位于与单位体A3对应的位置上的线圈单元210也解除磁场施加时，只有单位体A3上的微细凸起10能够回归到第一结构10a，并且通过自身的弹性力(或者，恢复力)进行往返运动10c、10d。与单位体A3上的微细凸起10相比，单位体A2上的微细凸起10的往返运动强度可以变弱。同时，对位于与单位体A1对应的位置上的线圈单元210再次施加磁场，使得单位体A1上的微细凸起10能够保持第二形状10b。
如此，依次对单位体A1至C3施加并解除磁场时，单位体A1至C3上的微细凸起10经过第一形状10a、第二形状10b、从第二形状10b回归到第一形状10a并进行往返运动10c、10d的过程，能够向触觉信息提供装置50的使用者提供从单位体A1依次移动至C3的触觉信息。
如上，本发明具有能够通过多种触觉传递部1更加感性地传递多种触觉信息的效果。
并且，本发明中，以单位体110形式构成触感部100，从而不仅限于如警报等单纯振动的信号，还能够将对应于各单位体110的文字、图形等更加复杂的信息提供为触觉信息，而且也能够对与使用者的皮肤进行接触的部位提供文字信息等，从而还能够有效地传递存在安全要求的保密信息。
本发明的触觉信息提供装置50可在IT领域适用于移动设备、触屏、网络游戏等的实时触觉传递，能够在汽车产业中适用于车道线偏离警告系统、防止正面追尾系统、防止超速系统等驾驶辅助信息反馈系统，可在医疗领域适用于脉博计、人牙的压力分布测定、手术用机器人、盲文书等。
如上所述，本发明通过优选实施例进行了图示及说明，然而并不限定于上述实施例，本发明所属技术领域的普通技术人员可以在不脱离本发明精神的范围内进行各种变形及变更。这些变形例及变更例应被视为属于本发明及所附的权利要求书的范围之内。

Claims (19)

1.一种触觉信息提供装置，其特征在于，
包括磁流变弹性体材质的触觉传递部，所述触觉传递部通过由外部磁场引起的变形来提供触觉信息。
2.一种触觉信息提供装置，其特征在于，
包括电流变弹性体材质的触觉传递部，所述触觉传递部通过由外部电场引起的变形来提供触觉信息。
3.根据权利要求1所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
进一步包括：
触感部，其与使用者接触；以及
磁场生成部，用于对所述触感部施加磁场，
所述触感部上连接有至少一个所述触觉传递部。
4.根据权利要求2所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
进一步包括：
触感部，其与使用者接触；以及
电场生成部，用于对所述触感部施加电场，
所述触感部上连接有至少一个所述触觉传递部。
5.根据权利要求3所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述触感部包括至少一个单位体，
所述磁场生成部配置在所述触感部的下部。
6.根据权利要求4所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述触感部包括至少一个单位体，
所述电场生成部配置在所述触感部的下部。
7.根据权利要求5所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述磁场生成部包括与所述单位体对应的至少一个线圈单元。
8.根据权利要求6所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述电场生成部包括与所述单位体对应的至少一个电极单元。
9.根据权利要求3所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述触觉传递部在不受磁场影响时保持第一形状，而受磁场影响时保持第二形状。
10.根据权利要求9所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
通过控制由所述磁场生成部形成的磁场的强度、方向或频率中的至少一种，来控制从所述第一形状变为所述第二形状时的变形的强度、方向或频率中的至少一种。
11.根据权利要求4所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述触觉传递部在不受电场影响时保持第一形状，而受电场影响时保持第二形状。
12.根据权利要求11所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
通过控制由所述电场生成部形成的电场的强度、方向或频率中的至少一种，来控制从所述第一形状变为所述第二形状时的变形的强度、方向或频率中的至少一种。
13.根据权利要求1或2所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述触觉传递部具有微细凸起形状。
14.根据权利要求13所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述微细凸起形状以倾斜规定角度的方式形成。
15.根据权利要求1或2所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述触觉传递部具有中空的圆筒形状、球顶形状或者多面体形状。
16.根据权利要求15所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
在所述触觉传递部的上部形成有微孔。
17.根据权利要求5或6所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述触感部进一步包括单位体隔壁，所述单位体隔壁具有低于所述触觉传递部的高度，并且沿着所述至少一个单位体的周边形成。
18.根据权利要求7所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
所述线圈单元以相互重叠的方式形成多个层。
19.根据权利要求9或11所述的触觉信息提供装置，其特征在于，
通过所述触觉传递部从所述第二形状回归到所述第一形状时的依靠弹性力而进行的往返运动来提供触觉信息。
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