CN106880942A - 为放大的形变配置的具有可变形基板的触觉外围设备 - Google Patents

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V·克斯卡瓦
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Abstract

一种触觉外围设备，包括外壳、连接至所述外壳且能够移动至外壳的可变形基板，以及连接至可变形基板的表面的智能材料致动器。所述智能材料致动器配置为响应于来自处理器的控制信号产生使可变形基板相对于外壳变形的力，从而向触觉外围设备的用户提供触觉效果。可变形基板包括至少一个配置为接触用户的用户接触部分和两个相对的铰链。可变形基板还包括至少两个硬臂，每个硬臂在用户接触部分和两个相对的铰链中的一个之间延伸。所述硬臂相对来说比用户接触部分和铰链更硬，这样，可变形基板配置为增大可变形基板相对于外壳的形变。

Description

为放大的形变配置的具有可变形基板的触觉外围设备
技术领域
本申请的实施例涉及触觉(haptic)效果，且更特别地涉及一种为放大的形变配置的具有可变形基板的触觉外围设备，用于向用户提供触觉效果。
背景技术
由于针对大众玩家的市场营销以及因此大众玩家的参与，视频游戏和视频游戏系统已经变得越来越流行。传统的视频游戏设备或控制器利用视觉和听觉提示向用户提供反馈。在一些接口设备中，动觉(kinesthetic)反馈(例如，主动力反馈和阻力反馈)和/或触觉反馈(例如，震动、质感和热量)，也提供给用户，全部这些更通常的叫法是“触觉反馈”或“触觉效果”。触觉效果能够提供提升和简化用户接口的提示。特别地，震动效果或者触觉震动(vibrotactile)触觉效果可能有助于向电子设备的用户提供提示，警告用户特别的事件，或者提供真实的反馈，在模拟或虚拟环境内创造更好的感官沉浸。
其它设备(例如医疗设备、汽车控制、远程控制)以及其它用户与用户输入元件交互以产生作用的类似设备也从触觉反馈或触觉效果获益。例如，且不具有限制作用，医疗设备上的用户输入元件可在医疗设备的近端部分处由病人体外的用户操作，以在医疗设备的远端处病人体内产生作用。触觉反馈或触觉效果可用于警告用户特别事件，或者在医疗设备与医疗设备远端处的病人的交互方面向用户提供真实的反馈。
用于游戏、虚拟现实的传统的触觉反馈系统和其它设备通常包括一个或多个致动器，连接至控制器/外围设备的外壳或包含在所述外壳内，用于产生触觉反馈。商业可获得的触觉反馈设备的实施例出现的一个问题是所述设备体积非常大，因为这类设备采用大电机且需要大量电力供应才能运行。这些特征使得将显著的触觉反馈集成到较小的接口设备(例如，手持式游戏手柄、控制杆、远程控制或其它设备)中非常困难。但是，这些控制器对于许多类型的系统都是较优选的输入设备，特别是家庭视频游戏主机，且也为许多消费者所偏爱。
此处的实施例涉及经由较小的接口设备(例如用于游戏系统的手持式外围设备)提供形变触觉效果的触觉反馈系统。
发明内容
此处的实施例涉及触觉外围设备，其包括外壳、连接至所述外壳且能够移动至外壳的可变形基板，以及连接至可变形基板的表面的智能材料致动器。可变形基板包括至少一个配置为接触用户的用户接触部分和两个相对的铰链。智能材料致动器配置为从处理器接收控制信号，且配置为响应于来自处理器的控制信号，产生使可变形基板相对于外壳变形的力，从而向触觉外围设备的用户提供触觉效果。可变形基板包括至少两个硬臂，每个硬臂在用户接触部分和两个相对的铰链中的一个之间延伸。所述硬臂相对来说比用户接触部分和铰链更硬，这样，可变形基板配置为增大可变形基板相对于外壳的形变。
根据此处的另一个实施例，一种触觉外围设备包括外壳、连接至所述外壳且能够移动至外壳的可变形基板，以及连接至可变形基板的表面的智能材料致动器。智能材料致动器配置为从处理器接收控制信号，且配置为响应于来自处理器的控制信号，产生使可变形基板相对于外壳变形的力，从而向触觉外围设备的用户提供触觉效果。可变形基板的至少第一部分比可变形基板的第二部分更硬，这样，可变形基板配置为增大可变形基板相对于外壳的形变。
根据此处的另一个实施例，一种游戏系统包括主机、处理器和触觉外围设备。所述触觉外围设备包括外壳、连接至所述外壳且能够移动至外壳的可变形基板，以及连接至可变形基板的表面的智能材料致动器。智能材料致动器配置为从处理器接收控制信号，且配置为响应于来自处理器的控制信号，产生使可变形基板相对于外壳变形的力，从而向触觉外围设备的用户提供触觉效果。可变形基板包括至少一个配置为接触用户的用户接触部分、两个相对的铰链，以及至少两个硬臂，每个硬臂在用户接触部分和两个相对的铰链的其中一个之间延伸。所述硬臂相对来说比用户接触部分和铰链更硬，这样，可变形基板配置为增大可变形基板相对于外壳的形变。
附图说明
本发明的以上和其它特征以及优势根据如附图中所示的此处的实施例的以下说明将是显而易见的。附图包含于本申请中并形成说明书的一部分，其用于进一步解释本发明的原理并使本领域的技术人员能够制造和使用本发明。附图不是按照比例绘制的。
图1为根据此处的实施例一种包括触觉外围设备的系统的示意图，其中所述系统还包括主机和显示器。
图2为图1中的系统的框图。
图3为图1中的触觉外围设备的截面图，示出了其内部组件，其中触觉外围设备的可变形基板为形成椭圆形的平行四边形。
图4为图3中的触觉外围设备的可变形基板的截面图。
图5为图4中的可变形基板的一部分的透视图。
图6为图4中的可变形基板的形变的示意图，其中智能材料致动器设置于可变形基板的用户接触部分的相对的外表面上。
图7为图4中的可变形基板的形变的示意图，其中智能材料致动器设置于可变形基板的用户接触部分的相对的内表面上。
图8为图4中的可变形基板的形变的示意图，其中智能材料致动器设置于可变形基板的用户接触部分的相对的外表面和相对的内表面上。
图9为图4中的可变形基板的形变的示意图，其中智能材料致动器设置于可变形基板的铰链的相对的外表面和相对的内表面上。
图10为图4中的可变形基板的一部分以及智能材料或压电致动器的分解透视图。
图10A为图10中的组件连接在一起的透视图。
图10B为图10A在产生电荷且因此而弯曲后的透视图。
图11为图3中的联接机构的分解透视图，其中所述联接机构用于将可变形基板连接至外壳，这样可变形基板就能够相对于外壳移动。图12为根据此处的另一个实施例的可变形基板的透视图，其中所述可变形基板为卵形。
图13为根据此处的另一个实施例的触觉外围设备的透视图，其中所述触觉外围设备为游戏控制器，其包括用于向用户提供触觉效果的可变形基板。
图14为图13中的触觉外围设备的另一个透视图。
图15为图13中的触觉外围设备连同主机的框图。
图16为根据此处的另一个实施例的触觉外围设备的透视图，其中所述触觉外围设备为游戏平板电脑，其包括用于向用户提供触觉效果的可变形基板。
图17为图16中的游戏平板电脑的框图。
图18为根据此处的另一个实施例的触觉外围设备的透视图，其中所述触觉外围设备为游戏控制器，其包括可变形基板，所述可变形基板包含于触发器用户输入元件上，用于向用户提供触觉效果。
具体实施方式
现在参照附图对本发明的具体实施例进行描述，其中相似的附图标记表示相同或功能相似的元件。
以下具体描述其性质只是说明性的，且不用于限制本发明或本发明的应用和用途。此外，前述的技术领域、背景技术、发明内容或以下的具体实施例中的任何表示或隐含的理论不用于限制。此外，尽管具体实施方式涉及游戏设备和用于游戏设备的控制器，但是本领域的技术人员将能够认识到所述说明同样适用于其它触觉反馈设备。
此处的实施例涉及触觉反馈系统的触觉外围设备，触觉外围设备包括外壳、连接至所述外壳且能够移动至外壳的可变形基板，以及连接至可变形基板的表面的智能材料致动器。智能材料致动器配置为从处理器接收控制信号，且配置为响应于来自处理器的控制信号，产生使可变形基板相对于外壳变形的力，从而向触觉外围设备的用户提供触觉效果。可变形基板配置为放大或增大可变形基板相对于外壳的形变。更特别地，可变形基板的至少第一部分比可变形基板的第二部分更硬，以便可变形基板配置为增大可变形基板相对于外壳的形变。因此，触觉外围设备是一种可握持设备，其利用固体基板和智能材料致动器提供放大的形变和触感，大大提升了虚拟现实和视频游戏交互中的用户体验。此处描述的触觉外围设备的优势包括可变形基板非常薄(即，厚度小于2mm)，重量轻(即，小于20g)，智能材料致动安静，智能材料致动低功耗，智能材料致动在大范围的频率(0.1至1Khz)下运行，以及智能材料致动传送平滑的正弦曲线形变和/或急剧形变达5mm。
更特别地，参照附图，图1为触觉反馈系统100的示意图，包括触觉外围设备102、主机104以及显示器106。图2为图1中的系统的框图。触觉外围设备102与主机或计算机系统104通信，主机或计算机系统104配置为在视频显示器106上向用户生成虚拟环境。主机104可包括游戏主机、移动设备或任何其它类型的包含配置用于在显示器上向用户产生虚拟环境的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和视频显示器106。主机104执行储存于存储器110中的软件应用程序，且由主处理器108执行。主处理器108可为任意类型的通用处理器，或者可为专门设计用于提供触觉效果信号的处理器。主处理器108可为使整个主机104运行的同一个处理器，或者可为单独的处理器。主处理器108可决定向触觉外围设备102发送什么触觉效果以及以什么样的顺序发送触觉效果。存储器110可为任何类型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)和只读存储器(ROM)。存储器110也可位于主处理器内部，或者可为内部存储器和外部存储器的任意组合。
主机104通过有线或无线方式连接至视频显示器106。视频显示器106可为向用户提供图形信息的任何类型的介质；其包括但不限于显示器、电视屏幕、等离子、LCD、投影仪、头戴式显示器、虚拟现实显示器，或者任何其它显示器设备。在一个实施例中，主机104为游戏设备主机，视频显示器106为连接至游戏设备主机的显示器，本领域中已知。在另一实施例中，本领域的技术人员已知，主机104和视频显示器106可结合成为一个设备。
在图1-2中所示的实施例中，主机104通过有线或USB连接103与触觉外围设备102通信。但是，在其它实施例中，触觉外围设备102可利用其它有线通信或无线通信方式与主机104通信，本领域的技术人员已知。可包括但不限于串行连接或蓝牙连接。进一步，主机104可在云端，且因此不需要以本地的方式进行有线或无线连接。
如图2中的框图所示，触觉外围设备102包括经由连接103与主机104通信的局部处理器112、局部存储器114、智能材料或压电致动器120，以及通用触觉输出设备130，尽管通用触觉输出设备在本申请中将进一步具体描述的所有实施例中不是必须的。在操作中，局部处理器112连接至智能材料致动器120和通用触觉输出设备130，以基于高级管理命令或串流命令从主机104向其提供控制信号。例如，当运行时，电压幅值和持续时间从主机104串流至触觉外围设备102，信息经由局部处理器112提供给智能材料致动器120和通用触觉输出设备130。主机104可向局部处理器112提供高级命令，例如通过智能材料致动器120和/或通用触觉输出设备130输出的触觉效果的类型(例如，震动、摇晃、止动、敲击等)，其中局部处理器112关于待输出的触觉效果的特定特征(例如，幅度、频率、持续时间等)命令智能材料致动器120和/或通用触觉输出设备130。局部处理器112可从与其连接的局部存储器114取回触觉效果的类型、幅度、频率、持续时间或其它特征(示于图2的框图中)。此外，类似于主机104的存储器110，局部存储器114可为任何类型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)和只读存储器(ROM)。局部存储器114也可位于局部处理器内部，或者可为内部存储器和外部存储器的任意组合。类似于主处理器108，局部处理器112也能够决定发出什么触觉效果以及以什么顺序发出触觉效果。此外，局部处理器112能够决定哪个触觉输出设备(即，智能材料致动器120或通用触觉输出设备130)将接收控制信号。在此处的另一个实施例中，触觉外围设备102配置为不包括局部处理器112，来自触觉外围设备102的所有输入/输出信号直接由主机104处理和加工。
在图1-2的实施例中，触觉外围设备102为可握持设备(即，配置为由用户的手或手掌握持的设备)。进一步，触觉外围设备102配置为输出触觉效果，此处将更详细地进行描述，但是在该实施例中不包括用户输入元件或用于输入动作的操纵器(manipulandum)或以其它方式与视频游戏交互并以现有技术已知的方式更新虚拟环境。但是，本领域的技术人员将认识到触觉外围设备102可修改为包括一个或多个用户输入元件或操纵器。用户输入元件或操纵器的运动表示来自用户的输入，其允许用户与运行在主机104上的软件应用交互，包括但不限于有关第一人称射击的视频游戏、第三人称角色交互、赛车类游戏或计算机模拟。用户输入元件或操纵器的运动可向主机104提供对应于计算机产生的图形对象的运动的输入，所述图形对象为例如光标或其它图像，或者经由视频显示器106由主机104显示的一些其它图形对象，或者控制虚拟人物或游戏替身(avatar)，例如人、汽车或一些其它的在游戏或计算机模拟中的物体。进一步，本领域的技术人员将认识到触觉外围设备102仅仅是触觉外围设备的具体实施例，可以使用具有其它配置、形状和尺寸的触觉外围设备。例如，此处将更加详细地进行描述，触觉外围设备可为用于游戏系统的手持式游戏控制器1302，如图13-15所示，其具有与现在可获得的用于视频游戏主机系统的许多“游戏手柄”类似的形状和尺寸，触觉外围设备1602，可与图16-17所示的平板电脑1604一起使用，或者其它控制器，例如但不限于移动电话、个人数字助理(PDA)、平板、计算机、游戏外围设备和其它本领域技术人员已知的用于虚拟现实系统的控制器。
图3为触觉外围设备102的剖视图，示出了其内部组件。更特别地，触觉外围设备102包括外壳或壳体116、可变形基板118以及连接至可变形基板118的智能材料致动器120。在该实施例中，此处将更详细地进行描述，可变形基板118为条带或形成为卵形或椭圆形的平行四边形，以便可变形结构具有卵形或椭圆形的横截面。可变形基板118采用复合材料形成，例如玻璃纤维、碳纤维或其它加强的复合材料或其它聚合物或金属材料，所述聚合物或金属材料具有使强度屈服的相对较高的模量，而同时又足够柔韧能够变形。在一个实施例中，可变形基板118可采用工程聚合物和/或纳米复合材料形成。如图4中所示的可变形基板118，其中椭圆形状具有名义高度或第一高度HO以及名义宽度或长度或第一宽度或长度LO，其可考虑为可变形基板118的名义或预设配置，其中没有力施加其上。
现在将参照图10、图10A和图10B对智能材料或压电致动器120更详细地进行描述。图10为可变形基板118的一部分和智能材料致动器120的分解透视图。图10A为图10中的组件连接在一起的透视图，图10B为图10A在响应于施加的电荷或电场而弯曲后的透视图。更特别地，智能材料或压电致动器具有当有电荷作用时呈现出尺寸或形状改变的特性。换句话说，智能材料或压电致动器当有电荷作用其上时呈现出机械形变。智能材料致动器120经由胶粘剂或以其它方式粘合连接至可变形基板118的至少一个表面。在此处的实施例中，智能材料致动器120采用压电纤维复合(MFC)材料或电活性聚合物(EAP)形成。当电荷施加至智能材料致动器120时，智能材料致动器120如图10B中所示那样变形和弯曲，从而也使可变形基板118的所述部分弯曲。智能材料或压电致动器基于输入电信号而输出力和形变的操作对于本领域的技术人员来说是已知的。压电材料可制造得非常薄和小，从而允许其用在通常用于便携式电子设备的紧凑的外壳中。
为了向智能材料致动器120施加电荷，触觉反馈系统100包括向智能材料致动器120提供电信号的控制硬件和软件，使智能材料致动器120引起可变形基板的所需运动，向用户产生触觉反馈或效果。更特别地，触觉反馈系统100包括用于向智能材料致动器120供应电荷的电源，且触觉反馈系统100还包括主处理器104和/或局部处理器112，局部处理器112控制电源并从而确定施加的电荷的幅值和频率。因此，电源配置为从主处理器104和/或局部处理器112接收控制信号，且配置为根据从主处理器104和/或局部处理器112接收的控制信号向智能材料致动器施加电荷。电源可设置于触觉外围设备102或主机104内。智能材料致动器120响应于来自电源的施加的电荷变形或弯曲。在可变形基板118连接至智能材料致动器120的情况下，智能材料致动器120产生的任何力和/或形变直接施加至可变形基板118。可变形基板118连接至智能材料致动器120的所述部分也连同智能材料致动器120弯曲或变形。在智能材料致动器120集成到可变形基板118中或其上的情况下，可变形基板118因此在不消耗能量的情况下弯曲。因此，响应于来自主处理器104和/或局部处理器112的控制信号，智能材料致动器使可变形基板118相对于外壳116变形，从而向触觉外围设备102的用户提供触觉效果。
触觉效果，即可变形基板118的形变，可考虑为形变触觉效果。此处所使用的“形变”触觉效果包括以下效果，其中智能材料致动器直接施加力至可变形基板，使可变形基板弯曲、变形，或以其它方式移动，从而产生用户感觉到的形变触觉效果。由此处的实施例产生的形变触觉效果由用户感受到，因为智能材料致动器直接驱动与用户直接接触的可变形基板，使其变形，或以其它方式移动可变形基板。形变触觉效果的实例包括经由一个相对较大的形变连同虚拟按键按压或者虚拟元件之间的碰撞的摇晃，或者经由多个相对较小的形变连同虚拟元件在整个屏幕上的运动的震动，或者其它类型的屏幕运动。形变触觉效果的另外的实例包括心跳触觉效果，其中智能材料致动器120和可变形基板118的形变在幅度和频率两个方面符合心跳信号的图谱，和/或呼吸触觉效果，其中智能材料致动器120和可变形基板118的形变符合虚拟现实环境中在你手中呼吸的小型动物的图谱。这种触觉反馈或效果为触觉反馈系统100的用户实现了更直观、更有吸引力以及更自然的体验，且因此用户和触觉反馈系统100之间的交互通过由触觉效果提供的触觉反馈而显著提升。
可变形基板118配置为最大化或利用(harness)由智能材料致动器120输出的力以及放大或增大可变形基板118的形变。更特别地，最佳如图4中可变形基板118的截面图所示，可变形基板118包括或其采用一系列具有变化的刚度的集成的或连续的部分制成，所述部分通过非线性动态设计配置，以放大可变形基板118的形变。图5为可变形基板118的大约一半的透视图。在图4-5的实施例中，可变形基板118包括两个相对的用户接触部分122A、122B，此处一起称为用户接触部分122。用户接触部分122分别配置为接触用户，即，用户接触部分122A、122B分别延伸通过外壳116的窗口或开口117A、117B，并设置为当触觉外围设备102由用户握持时接触用户的手。可变形基板118还包括两个相对的圆角或铰链124A、124B，此处一起称为铰链124。铰链124分别放置于相对的用户接触部分122A、122B之间。可变形基板118还包括四个硬臂126A、126B、126C、126D，此处一起称为硬臂126。硬臂126A在用户接触部分122A和铰链124A之间延伸，硬臂126B在用户接触部分122A和铰链124B之间延伸，硬臂126C在用户接触部分122B和铰链124A之间延伸，硬臂126D在用户接触部分122B和铰链124B之间延伸。尽管此处仅为了说明而分开描述，但是用户接触部分122、铰链124和硬臂126为一个组件(即，可变形基板118)的连续的集成部分，并一起形成可变形基板118的椭圆形状。
可变形基板118设计或配置为单独地相对于智能材料致动器120放大其表面上的形变至少达到100倍。更特别地，硬臂126比用户接触部分122和铰链124相对更硬，这样，硬臂126配置为利用或产生由智能材料致动器120输出的最大力(所述智能材料致动器120设置于可变形基板118的一个或多个表面上，以下将更详细地进行描述)并增大可变形基板118相对于外壳116的形变。为了改变硬臂126相对于用户接触部分122和铰链124的刚度，硬臂126的几何结构和/或杨氏或弹性模量改变。在最佳如图4中所示的实施例中，为了使硬臂126比用户接触部分122和铰链124相对更硬，硬臂126的几何结构改变为增大其相较于用户接触部分122和铰链124的厚度。在图4-5的实施例中，用户接触部分122具有范围在0.5mm至1.5mm之间的厚度T1，铰链124具有范围在0.5mm至1.5mm之间的厚度T2，硬臂126具有范围在1mm至2mm之间的厚度T3。在另一个实施例中，硬臂126分别比用户接触部分122和铰链124厚至少30％。但是，具体尺寸可根据可变形基板的材料选择、致动类型和几何结构而改变。
在此处的另一个实施例中，可选地或除了改变硬臂126的几何形状之外，硬臂126的杨氏模量改变，以便使硬臂126比用户接触部分122和铰链124相对更硬。在一个实施例中，硬臂126可采用第一材料形成，所述第一材料比用户接触部分122和铰链124的第二或不同材料更硬。例如，硬臂126可采用碳纤维形成，而可变形基板118的剩余部分，即用户接触部分122和铰链124，采用刚度比碳纤维低的玻璃纤维形成。因此，在该实施例中，可变形基板118为多复合材料基板。当硬臂126采用比可变形基板118的剩余部分刚度高的不同材料形成时，硬臂126可以更厚、更薄，或者与用户接触部分122和铰链124具有相同的厚度，但是又由于不同的材料特性而仍然更硬。在另一个实施例中，硬臂126、用户接触部分122和铰链124都采用相同的材料形成，只是硬臂126经过处理步骤增大其刚度。例如，硬臂126可以经过热处理，例如热裂(heat tearing)，以便增大其杨氏模量和刚度。
由于硬臂126相对于用户接触部分122和铰链124增大的刚度以及可变形基板118的整体形状和刚度，用户接触部分122相对于外壳116经由智能材料致动器120的形变增大至少100:1的比率(单独相较于智能材料致动器120的形变)。更特别地，当智能材料致动器120连接至用户接触部分122的一个或多个表面时，如本申请中关于图6-8所述，可变形基板118配置为放大或增大用户接触部分122的形变。如上所述，可变形基板118包括硬臂126，比如上所述的用户接触部分122和铰链124相对更硬。因此，可变形基板118的刚度沿其一部分相对来说增大，其中需要利用或产生由智能材料致动器120输出的最大力，且可变形基板118的刚度沿其部分相对来说增大，其中需要利用或产生由智能材料致动器120产生的最大形变。另外，整个可变形基板118的有效刚度配置为放大或增大用户接触部分122的形变。更特别地，硬臂126和铰链124类似于悬臂梁操作，以便其最大形变或挠曲出现在用户接触部分122(其设置于悬臂梁的自由端处)处。硬臂126利用或产生由智能材料致动器120输出的最大力(由于比可变形基板118的其它部分相对来说更硬)，并将最大力传送至铰链124。铰链124和用户接触部分122通过智能材料致动器120利用或产生最大形变(由于比硬臂126具有相对来说更小的刚度)。设置铰链124的形状和弯曲，以便适应和类似于如上所述的悬臂梁操作，且因此最大或最高的形变/挠曲量出现在用户接触部分122处。换句话说，可变形基板118的整个椭圆形状意味着增大的或放大的形变出现在其用户接触部分122处。
尽管本申请描述了两个相对的用户接触部分122延伸分别通过外壳116的窗口或开口117A、117B并设置为当触觉外围设备102由用户握持时接触用户的手，但是，外壳116也可修改为覆盖或延伸经过其中一个用户接触部分，以便用户仅接触可变形基板的一个用户接触部分122。例如，触觉外围设备102可修改为平放在一表面上且用户的手(即手指或手掌)延伸经过或接触具有单个露出的用户接触部分的触觉外围设备的“顶”。因此，在实施例中，只有可变形基板118的椭圆形状的“顶”半部露出来且用户能够触及到，而可变形基板118的椭圆形状的“底”半部覆盖起来或设置于外壳内且从而用户触及不到。在另一个实施例中，可变形基板不形成为椭圆形状，而是形成为弯曲的平行四边形，类似于图5中所示的形状，且整个弯曲可包含于触觉外围设备上，以延伸远离其外表面。换句话说，可变形基板不需要具有椭圆形的横截面，而是可为弯曲的基板，延伸远离触觉外围设备的外表面。
可变形基板118的形变的方向以及因此输出至用户的触觉效果根据智能材料致动器120的放置而改变。在此处的实施例中，第一智能材料致动器120A连接至用户接触部分122A，且第二智能材料致动器120B连接至用户接触部分122B。例如，图6为当智能材料致动器120A、120B分别设置于可变形基板118的用户接触部分122A、122B的外表面128A上时，可变形基板118的形变(可变形基板的形变以虚线示出)的示意图。当智能材料致动器120获得电荷并因此弯曲时，可变形基板118的高度从名义或第一高度HO(参见图4)扩大至扩大或第二高度HE(参见图6)，且可变形基板118的宽度或长度从名义或第一宽度或长度LO(参见图4)收缩至收缩或第二宽度或长度LC(参见图6)。换句话说，当连接至可变形基板的外部的智能材料致动器120A、120B弯曲或变形时，可变形基板118的高度如方向箭头121A所示扩大，可变形基板118的宽度/长度如方向箭头121B所示收缩。尽管图6中示出了两个智能材料致动器120A、120B同时致动，但是每个智能材料致动器可配置为单独受到致动，以选择性地提供可变形基板118的仅一部分的方向性和独立的形变。如上所述，由于可变形基板118的相对来说更硬的硬臂126，用户接触部分122的形变放大或增大，以向与可变形基板的用户接触部分接触的用户提供触觉效果。
作为另一个实例，图7为当智能材料致动器120C、120D分别设置于可变形基板118的用户接触部分122A、122B的内表面128B上时，可变形基板118的形变(可变形基板的形变以虚线示出)的示意图。当智能材料致动器120获得电荷并因此弯曲时，可变形基板118的高度从名义或第一高度HO(参见图4)收缩至收缩或第三高度HC(参见图7)，且可变形基板118的宽度或长度从名义或第一宽度或长度LO(参见图4)扩大至扩大或第三宽度或长度LE(参见图7)。换句话说，当连接至可变形基板的内部的智能材料致动器120C、120D弯曲或变形时，可变形基板118的高度如方向箭头121C所示收缩，可变形基板118的宽度/长度如方向箭头121D所示扩大。尽管图7中示出了两个智能材料致动器120C、120D同时致动，但是每个智能材料致动器可配置为单独受到致动，以选择性地提供可变形基板118的仅一部分的方向性和独立的形变。如上所述，由于可变形基板118的相对来说更硬的硬臂126，用户接触部分122的形变放大或增大，以向与可变形基板的用户接触部分接触的用户提供触觉效果。
进一步，可变形基板118的高度可配置为如图6所示选择性地扩大以及如图7所示收缩。换句话说，图6和图7的实施例不是相互排斥的。例如，图8为当智能材料致动器120A、120B、120C、120D分别设置于可变形基板118的用户接触部分122A、122B的外表面和内表面128A、128B时，可变形基板118的示意图。每个智能材料致动器配置为独立地受到致动，以选择性地提供可变形基板118的仅一部分的方向性和独立的形变，这样，每个用户接触部分122A、122B可选择性地扩大或收缩。如上所述，由于可变形基板118的相对来说更硬的硬臂126，用户接触部分122的形变放大或增大，以向与可变形基板的用户接触部分接触的用户提供触觉效果。
尽管上述实施例描述了智能材料致动器120设置为沿可变形基板118的用户接触部分或其上，在此处的另一个实施例中，一个或多个智能材料致动器120可设置为沿可变形基板118的一个铰链124或其上。例如，图9为当智能材料致动器120A、120B、120C、120D分别设置于可变形基板118的铰链124A、124B的外表面和内表面128A、128B时，可变形基板118的示意图。每个智能材料致动器配置为独立地受到致动，以选择性地提供可变形基板118的仅一部分的方向性和独立的形变，这样，每个铰链可选择性地扩大或收缩。将铰链124上的智能材料致动器120A、120B、120C、120D设置为与用户接触部分122相对产生了由智能材料致动器120输出的触觉效果的不同特征(例如，幅度、频率、持续时间等)。将铰链124上的智能材料致动器120A、120B、120C、120D设置为与用户接触部分122相对可能需要调整铰链124的弧度或弯曲度。
参照图3，可变形基板118的每个铰链124经由联接机构135连接至外壳116，所述联接机构135配置为将可变形基板连接至外壳，这样，可变形基板能够相对于其运动，且因此可变形基板能够如上所述响应于智能材料致动而变形。图11描述了联接机构135的爆炸透视图。每个联接机构135包括杆132、圆周地环绕杆132的可压缩物质136以及多个垫圈134。垫圈134将杆132连接至外壳116，这样，杆就不能相对于外壳运动。杆132在可变形基板118内延伸，这样，杆132就邻近铰链124或者说在铰链124旁边，但不与铰链124直接接触。更特别地，杆132通过一间隙或距离138与可变形基板118的内表面128B分开。间隙138由可压缩物质136填充，这样，可压缩物质136就在铰链124和杆132之间延伸。可压缩物质136允许可变形基板118的运动和形变。更特别地，当智能材料致动器120获得电荷并因此弯曲时，可变形基板118也因此而变形，如上参照图6-9所述，且可压缩物质136压缩或膨胀，以允许可变形基板118的形变。可压缩物质136可为例如凝胶或泡沫材料，例如但不限于硅酮泡沫、硅橡胶海绵、硅橡胶、PORON(聚氨酯)或丁腈橡胶。但是，当没有力作用于可变形基板118时(即，当智能材料致动器120不弯曲时)，可变形基板118具有弹性特性，弹性地恢复至如图4中所示的其名义或预设配置或位置。换句话说，当没有力经由智能材料致动器120施加至可变形基板时，可变形基板118恢复其名义或预设的椭圆形状。
如前所述，除了智能材料致动器120以外，触觉外围设备102还包括通用触觉输出设备130。如图3的截面图所示，通用触觉输出设备130设置于外壳116内，且配置为除了由智能材料致动器120提供的形变触觉效果之外，还向用户提供震动触觉效果。通用触觉输出设备130用于向触觉外围设备102的整个外壳提供通用或声音触觉反馈。因此，通用触觉输出设备130可当做声音致动器，其配置为从主处理器104和/或局部处理器112接收第二控制信号以及响应于第二控制信号输出第二触觉效果至外壳116。通用触觉输出设备130基于来自主机104的高级管理或串流命令从主处理器104和/或局部处理器112接收控制信号。例如，当运行时，电压幅值和持续时间从主机104串流至触觉外围设备102，信息经由局部处理器112提供给通用触觉输出设备130。主机104可向局部处理器112提供高级命令，例如通过通用触觉输出设备130输出的触觉效果的类型(例如，震动、摇晃、止动、敲击等)，其中局部处理器112关于待输出的触觉效果的特定特征(例如，幅度、频率、持续时间等)命令通用触觉输出设备130。通用触觉输出设备130可包括电磁马达、偏心旋转块(“ERM”)致动器(其中偏心块由马达移动)、线性共振致动器(“LRA”)(其中连接至弹簧的块受到来回驱动)、触觉震动致动器、其它合适类型的致动设备。通用触觉输出设备130实施为惯性致动器，以向用户提供震动触觉反馈。因此，智能材料致动器120向用户提供各种形变触觉效果或感受，所述形变触觉效果或感受独立于由通用触觉输出设备130产生的通用或声音触觉反馈且是其补充。
图12所示为可在此处的实施例中使用的可变形基板的另一个实施例。可变形基板1218不采用条带或形成为椭圆形状的平行四边形，而是为具有椭圆形横截面的卵形体或三维椭圆形。尽管可变形基板118仅包括两个相对的用户接触部分或形变区域，但是，可变形基板1218的卵形体提供多个或多于两个形变区域。
如前所述，触觉外围设备102仅仅是触觉外围设备的具体实施例，可以使用具有其它配置、形状和尺寸的触觉外围设备。例如，图13-15所示为可在此处的实施例中使用的触觉外围设备1302的另一个实施例。图13和14为触觉外围设备1302的不同的透视图，其中触觉外围设备为手持式游戏控制器，而图15所示为用于游戏系统1300的触觉外围设备1302的框图，其进一步包括主机104。触觉外围设备1302的外壳1316的形状设置为易于容纳握持设备的两只手，不论是由左手用户还是右手用户，且具有连接其上的智能材料致动器1320的可变形基板1318(如图15的框图所示)包含于外壳1316中的一位置处，用户的手或手掌通常放在该位置，以向用户提供形变触觉效果。可变形基板1318为形成为椭圆形的平行四边形，类似于以上所述的可变形基板118，只有可变形基板1318的椭圆形状的“顶”半部露出来且用户能够触及到，而可变形基板1318的椭圆形状的“底”半部覆盖起来或设置于外壳1316内且从而用户触及不到。在另一个实施例中，可变形基板1318为形成弯曲的平行四边形，类似于图5中所示的形状，且整个弯曲可包含于触觉外围设备1302上，以延伸远离其外表面。本领域的技术人员将认识到，触觉外围设备1302仅仅是控制器的一个具体实施例，其与当前可获得的用于视频游戏控制系统的许多“游戏手柄”具有类似的形状和尺寸，且可使用具有用户输入元件的其它配置、形状和尺寸的控制器，包括但不限于例如WiiTM遥控器或WiiTM U控制器，SixAxisTM控制器或Wand控制器，XboxTM控制器或类似的控制器，以及形成为现实生活中的物体(例如网球拍、高尔夫球棒、棒球棒等)或其它形状的控制器。
触觉外围设备1302包括多个用户输入元件或操纵器，包括控制杆1340、按钮1342和触发器1346。此处所使用的用户输入元件是指接口设备，例如触发器、按钮、控制杆或类似物，其由用户操作与主机104交互。如图13-15中所示，且本领域的技术人员已知，触觉外围设备1302可包括超过一个用户输入元件和另外的用户输入元件。因此，例如触发器1346的当前描述不限制触觉外围设备1302为一个触发器。进一步，图5的框图显示了控制杆1340、按钮1342和触发器1346中的每一者的其中一个。但是，本领域的技术人员将理解，可以采用多个控制杆、按钮和触发器，以及其它用户输入元件，如上所述。
如图15的框图中所示，触觉外围设备1302包括目标致动器或马达，用于直接驱动每个用户输入元件以及连接至外壳1316的一个或多个通用或声音触觉输出设备1330。更特别地，控制杆1340包括连接至其的目标致动器或触觉输出设备1350，按钮1342包括连接至其的目标致动器或触觉输出设备1352，且触发器1346包括连接至其的目标致动器或触觉输出设备1356。除了多个目标致动器之外，触觉外围设备1302包括连接至其每个用户输入元件的位置传感器。更特别地，控制杆1340包括连接至其的位置传感器1341，按钮1342包括连接至其的位置传感器1343，触发器1346包括连接至其的位置传感器1347。局部处理器1312分别连接至目标触觉输出设备1350、1352、1356以及控制杆1340、按钮1342和触发器1346的位置传感器1341、1343、1347。本领域的普通技术人员将理解，响应于从位置传感器1341、1343、1347接收的信号，局部处理器1312命令目标触觉输出设备1350、1352、1356分别直接向控制杆1340、按钮1342和触发器1346提供定向的或目标的效果。这种目标效果沿触觉外围设备1302的整个主体能够与通用触觉输出设备1330产生的通用或声音触觉效果辨别或区分开来。局部处理器1312可从连接至局部处理器1312的存储器1314取回触觉效果的类型、幅度、频率、持续时间或其它特征。所有的触觉效果提供给用户对于游戏的更大的感觉和沉浸，因为同时使用了多种方式，例如视频、音频和触觉。
图16-17所示为另一个实施例，其中触觉外围设备为游戏平板电脑控制器1602，其可与平板电脑1604一起使用。平板电脑1604可特别设计用于游戏活动，例如从雷蛇公司可获得的那些，或者可为已知的或市场上可获得的平板电脑，例如以及Galaxy游戏平板控制器1602包括配置为接收平板电脑1604的对接部分1660和手柄1662、1664，用户输入元件设置于手柄上，用于使用户控制平板电脑1604上的游戏。对接部分1660将游戏平板控制器1602连接至平板电脑1604，这样，用户在手柄1662、1664上的动作(例如按压按钮、移动控制杆、按压触发器等)产生在平板电脑1604上玩的游戏中的动作。触觉外围设备1602的手柄1662、1664的形状设置为易于容纳握持设备的两只手，不论是由左手用户还是右手用户，且具有连接其上的智能材料致动器1620的可变形基板1618(如图17的框图所示)包含于手柄1662、1664上的一位置处，用户的手或手掌通常放在该位置，以向用户提供形变触觉效果。可变形基板1618为形成为椭圆形的平行四边形，类似于以上所述的可变形基板118，只有可变形基板1618的椭圆形状的“顶”半部露出来且用户能够触及到，而可变形基板1618的椭圆形状的“底”半部覆盖起来或设置于手柄1662、1664内且从而用户触及不到。在另一个实施例中，每个可变形基板1618为形成弯曲的平行四边形，类似于图5中所示的形状，且整个弯曲可包含于触觉外围设备1602的手柄1662、1664上，以延伸远离其外表面。
手柄1662、1664包括控制器上的典型的用户输入元件。将参照手柄1664对用户输入元件进行描述。但是，本领域的技术人员将认识到相同或相似的用户输入元件可用于手柄1662上。特别地，手柄1664包括控制杆1640、按钮1642和触发器1646。如图16中所示，且本领域的技术人员已知，每个手柄1662、1664上可包括超过一个用户输入元件。进一步，手柄1664包括连接其上的通用或声音触觉输出设备1630，用于向游戏平板控制器1602提供通用或声音触觉效果，如以上参照通用或声音触觉输出设备1630所述。
图17所示为根据一个实施例图16中的游戏平板控制器的框图。如图17中所示，游戏平板控制器1602包括局部处理器1612，其经由对接部分1660与平板电脑1604通信。也可取代对接部分1660采用其它连接，例如有线或无线连接。该实施例中的平板电脑1604包括显示屏幕。游戏平板控制器1602可选地配置为不包括局部处理器1612，来自游戏平板控制器1602的所有输入/输出信号直接由平板电脑1604处理和加工。
局部处理器1612连接至控制杆1640、按钮1642和触发器1646，以及连接至位置传感器1641、1643和1647，位置传感器可分别连接至控制杆1640、按钮1642和触发器1646。图17的框图显示了控制杆1640、按钮1642和触发器1646中的每一者的仅其中一个。但是，本领域的技术人员将理解，可以采用多个控制杆、按钮和触发器，以及其它用户输入元件，如上所述。目标致动器或触觉输出设备1650、1652、1656分别连接至控制杆1640、按钮1642和触发器1646。目标触觉输出设备1650、1652、1656和通用触觉输出设备1630还连接至局部处理器1612，局部处理器1612基于来自平板电脑1604的高级管理或串流命令提供控制信号至触觉输出设备1650、1652、1656、1630。在串流的实施例中，电压幅值和持续时间串流至游戏平板控制器1602，其中平板电脑1604提供信息至致动器。在操作中，平板电脑1604可向局部处理器1612提供高级命令，例如通过一个或多个选择的致动器输出的触觉效果的类型(例如，震动、摇晃、止动、敲击等)，其中局部处理器1612关于待输出的触觉效果的特定特征(例如，幅度、频率、持续时间等)命令致动器。局部处理器1612可从连接至局部处理器1612的存储器1614取回触觉效果的类型、幅度、频率、持续时间或其它特征。触觉效果提供给用户对于游戏的更大的感觉和沉浸，因为同时使用了多种方式，例如视频、音频和触觉。
除了图13-15中的游戏手柄配置和图16-17的平板电脑配置，本申请描述的具有连接其上的智能材料致动器的可变形基板可包含于任何类型的触觉外围设备的一位置，用户的手或手指通常放置于该位置，以向用户提供形变触觉效果。此外，本申请中描述的具有连接其上的智能材料致动器的可变形基板可包含于：触摸屏幕上，以向用户提供形变触觉效果；电子设备的按钮，以向用户的手指提供形变触觉效果；计算机输入设备，例如鼠标或触摸板，以向用户的手掌或手指提供形变触觉效果；或者可穿戴外围设备，以向用户的身体提供形变触觉效果。可变形基板的大小和相对尺寸将根据应用而改变，即，取决于是否可变形基板配置为接触用户的手指、用户的手掌或者用户身体的不同部分。在一个实施例中，如本申请中所述的具有连接其上的智能材料致动器的可变形基板包含于用户输入设备上，即触发器、按钮或控制杆，其配置为从用户移动和/或接收输入。例如，如图18中的触觉外围设备1802所示，如果如本申请中所述的具有连接其上的智能材料致动器的可变形基板1818包含于触发器1846上，当用户拉动触发器1846时，形变触觉效果可输出至用户。可变形基板1818为形成为椭圆形的平行四边形，类似于以上所述的可变形基板118，只有可变形基板1818的椭圆形状的“顶”半部露出来且用户能够触及到，而可变形基板1818的椭圆形状的“底”半部覆盖起来或设置于触发器1846内且从而用户触及不到。在另一个实施例中，可变形基板1818为形成弯曲的平行四边形，类似于图5中所示的形状，且整个弯曲可包含于触觉外围设备1802的触发器1846上，以延伸远离其外表面。
当如本申请中所述的具有连接其上的智能材料致动器的可变形基板包含于用户输入设备(即，触发器、按钮或控制杆)上时，形变触觉效果可根据来自传感器的输入变化或进行修改，所述传感器为连接至单个用户输入元件的传感器，例如如上所述的位置传感器1341、1343、1347、1641、1643、1647。位置或压力传感器可配置为测量作用于用户输入元件上的输入的力或压力，且局部处理器和/或主处理器可根据传感器输入改变形变触觉效果。例如，如果传感器输入表示或检测到用户正在越大力地按压用户输入元件，形变触觉效果就越强或者相对来说增大。在另一个实例中，用户可施加力或压力至用户输入元件，且当力或压力超过各种阈值时接收形变触觉效果。
尽管以上已经描述了根据本发明的各种实施例，但是，应当理解，这些实施例只是用于说明而不具有限制作用。例如，尽管此处描述的可变形基板具有智能材料致动器，但是，本申请的实施例也可采用电磁致动器，用于使可变形基板弯曲和变形。不论所采用的致动器为何种类型，可变形基板设计或配置为相对于仅致动器的形变放大其表面上的形变至少达到100倍。对于本领域的技术人员来说，在不超出本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上作出各种修改是显而易见的。例如，尽管描述为用于与具有通用或声音致动器的控制器结合使用，但是，本领域普通技术人员将能够理解，本申请中描述的用于向用户输入元件输出目标或定向触觉效果的目标致动器或马达可用于下述控制器中，其不包括用于向控制器的外壳输出触觉效果的通用或声音致动器。因此，本发明的广度及范围不应当由以上所述的任何具体实施例所限制，而是应当仅根据所附的权利要求书及其等效来限定。也将能够理解，本申请中讨论的每个实施例的每个特征以及本申请中引用的每个文件中的每个特征可与任意其它实施例的特征相结合使用。本申请中讨论的所有专利和公开文件通过引用全文并入本申请中。

Claims (20)

1.一种触觉外围设备，包括：
一外壳；
一可变形基板，其连接至外壳并能够移动至外壳，其中所述可变形基板包括配置为接触用户的至少一个用户接触部分和两个相对的铰链；以及
一智能材料致动器，其连接至可变形基板的表面，其中所述智能材料致动器配置为从处理器接收控制信号，且配置为响应于来自处理器的控制信号使可变形基板相对于外壳变形，从而向触觉外围设备的用户提供触觉效果，
其中所述可变形基板包括至少两个硬臂，每个硬臂在用户接触部分和两个相对的铰链的其中一个之间延伸，其中所述硬臂相对来说比用户接触部分和铰链更硬，以便可变形基板配置为增大可变形基板相对于外壳的形变。
2.根据权利要求1所述的触觉外围设备，其中，可变形基板具有椭圆形的横截面，且包括两个相对的用户接触部分，配置为接触用户和四个硬臂，每个铰链设置于相对的用户接触部分之间，且每个硬臂在每个用户接触部分和每个铰链之间延伸。
3.根据权利要求2所述的触觉外围设备，其中，智能材料致动器包括第一智能材料致动器，其连接至相对的用户接触部分的其中一个，且所述智能材料致动器包括第二智能材料致动器，其连接至相对的用户接触部分的另一个。
4.根据权利要求3所述的触觉外围设备，其中，第一和第二智能材料致动器连接至可变形基板的外表面，且其中，当第一和第二智能材料致动器产生相对于外壳移动可变形基板的力时，可变形基板的高度扩大且可变形基板的宽度收缩。
5.根据权利要求3所述的触觉外围设备，其中，第一和第二智能材料致动器连接至可变形基板的内表面，且其中，当第一和第二智能材料致动器产生相对于外壳移动可变形基板的力时，可变形基板的高度收缩且可变形基板的宽度扩大。
6.根据权利要求2所述的触觉外围设备，其中，可变形结构为形成为椭圆形的平行四边形。
7.根据权利要求2所述的触觉外围设备，其中，可变形结构为卵形体的。
8.根据权利要求1所述的触觉外围设备，其中，硬臂采用第一材料形成，用户接触部分和铰链采用第二材料形成，第一材料不同于第二材料，且比第二材料具有更高的刚度。
9.根据权利要求1所述的触觉外围设备，其中，硬臂比用户接触部分和铰链厚至少30％。
10.根据权利要求1所述的触觉外围设备，其中，可变形基板相对于外壳的形变增大至少100:1的比率。
11.根据权利要求1所述的触觉外围设备，其中，可变形基板采用玻璃纤维或碳纤维复合材料形成，智能材料致动器采用压电纤维复合材料或电活性聚合物形成。
12.根据权利要求1所述的触觉外围设备，其中，可变形结构包含于用户输入元件上，所述用户输入元件配置为接收来自用户的输入。
13.根据权利要求1所述的触觉外围设备，其中，可变形基板通过一杆和可压缩物质连接至外壳，所述可压缩物质围绕所述杆并在所述杆和可变形基板之间延伸，所述可压缩物质配置为允许可变形基板相对于外壳的形变。
14.一种触觉外围设备，包括：
一壳体；
一可变形基板，其连接至外壳并能够移动至外壳；以及
一智能材料致动器，其连接至可变形基板的表面，其中所述智能材料致动器配置为从处理器接收控制信号，且配置为响应于来自处理器的控制信号产生使可变形基板相对于外壳变形的力，从而向触觉外围设备的用户提供触觉效果，
其中，可变形基板的至少第一部分比可变形基板的第二部分更硬，这样，可变形基板配置为增大可变形基板相对于外壳的形变。
15.根据权利要求14所述的触觉外围设备，其中，可变形基板具有椭圆形横截面，且智能材料致动器包括连接至可变形基板的第一表面的第一智能材料致动器，且智能材料致动器包括连接至可变形基板的第二表面的第二智能材料致动器，所述第二表面与第一表面相对。
16.根据权利要求14所述的触觉外围设备，其中，可变形基板的第一部分比可变形基板的第二部分厚至少30％，可变形基板相对于外壳的形变增大至少100:1的比率。
17.根据权利要求1所述的触觉外围设备，其中，可变形基板的第一部分采用第一材料形成，可变形基板的第二部分采用第二材料形成，第一材料不同于第二材料，且具有比第二材料更高的刚度，可变形基板相对于外壳的形变增大至少100:1的比率。
18.一种游戏系统，包括：
主机；
处理器；以及
一触觉外围设备，包括一外壳，连接至外壳并能够移动至外壳的可变形基板，以及一智能材料致动器，其连接至可变形基板的表面，其中所述智能材料致动器配置为从处理器接收控制信号，且配置为响应于来自处理器的控制信号产生使可变形基板相对于外壳变形的力，从而向触觉外围设备的用户提供触觉效果，且
其中所述可变形基板包括配置为接触用户的至少一个用户接触部分，两个相对的铰链，以及至少两个硬臂，每个硬臂在用户接触部分和两个相对的铰链的其中一个之间延伸，所述硬臂相对来说比用户接触部分和铰链更硬，以便可变形基板配置为增大可变形基板相对于外壳的形变。
19.根据权利要求18所述的游戏系统，其中所述处理器位于触觉外围设备的外壳内。
20.根据权利要求19所述的游戏系统，其中所述处理器设置于主机中。
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