CN110629971A - 产生强振动效果的具有震动板组件的触觉地板系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种触觉地板系统，其通过使用一个或多个面板或板组件产生强的基于振动的效果，每个面板或板组件可以由控制器以编程方式或响应于传感器输出而被选择性地操作。这些面板或板组件中的每一个可以称为“震动板组件”，因为由触觉地板系统提供的特殊效果可以为由震动板组件中的一个支撑的人提供地面颤抖和振动，这类似于在地震中、或当一个超级强大的虚构角色撞击附近的地板、或一个大型动物或机器人从人的旁边走过或跑过时由人感觉到的地面颤抖和振动。每个震动板组件可包括薄板或面板，其具有用于支撑人或物体的上接触表面和相反的下表面，并且可在薄板的下表面上设置一个或多个致动器。

Description

产生强振动效果的具有震动板组件的触觉地板系统

技术领域

本说明书整体上涉及用于针对特定设备的用户或娱乐或其他物理世界体验中的参与者产生触觉反馈或效果的技术和系统。更具体地，本说明书涉及用于提供地板或支撑平台的系统和方法，这种地板或支撑平台可以选择性地振动，以提供可被地板或支撑平台上的人体验的触觉反馈或强的触觉效果。

背景技术

许多应用需要为人们提供新的和令人惊讶的娱乐体验。例如，主题乐园和游乐园不断寻找新的方式来娱乐他们的访客并吸引新的访客。通常，希望体验是身临其境和亲自实践的，并且如果可能的话，期望提供在特定主题乐园或游乐园之外不可用的娱乐。此外，通常需要娱乐体验使得参与者群体能够在他们都面临新的和独特的事物的同时彼此交互。

例如，需要设计和构建物理世界环境，使其可以选择性地为该环境中的人提供振动地板或地面形式的触觉反馈。例如，娱乐体验可能涉及将人们放置在以下空间中：一个或多个大型动物或机器人在附近移动、导致地面摇晃或振动(稍微间隔开的强振动或更快速连续发生的弱振动)的空间；地震或类似效果导致地板/地面抖动的空间；超级英雄、超级恶魔或其他大或强的角色在人们附近的地板/地面上撞击或跺脚导致地板/地面振动的空间；或任何其他需要地面/地板抖动以提供所需触觉反馈的应用。

具体地，需要能够以站立在地板表面上的人感测到的振动形式提供快速且强烈的触觉效果的地板表面。优选地，地板表面将被设计成具有薄的截面并且支持容易安装而无需大量基础设施(例如，用于支持临时安装以及更永久的安装)。此外，具有振动触觉效果的地板表面可能需要相对便宜地制造和维护，以便被更广泛地采用。

发明内容

为了解决上述和其他需求，提供了一种触觉地板系统，其通过使用一个或多个面板或板组件产生强的基于振动的效果，每个面板或板组件可以由控制器以编程方式或响应于传感器输出而被选择性地操作。这些面板或板组件中的每一个可以称为“震动板组件”，因为由触觉地板系统提供的特殊效果可以为由震动板组件中的一个支撑的人员提供这样的地面颤抖和振动，其类似于在地震中或当一个超级强大的虚构角色撞击附近的地板或一个大型动物或机器人走路或跑时由人感觉到的地面颤抖和振动。

例如，传感器可包括设置在板上(例如，在每个震动板组件中)或道具或玩具中的运动(例如，加速度)传感器。一个或多个运动传感器将无线(或有线)信号发送到控制器中的接收器，该控制器作为响应经由无线(或有线)信号指示一个或多个震动板组件产生可以与道具的测量运动/加速度精确地协调的抖动。由此产生的振动或抖动可以是诸如大锤子、剑、棍棒、手等在面板/拼块接触表面上的轻敲的传感器输出的强的放大，导致站在地板上的人体验到在一个大物体撞在他们附近的地板上、并且该物体的较大撞击可能会像地震一样的情况下将要发生的体验。在另一个示例中，传感器可以包括安装在操作者或参与者的鞋子中的加速度计，并且在这种情况下，操作者或参与者在震动板组件上或其附近的每个落脚都可以被控制器感测到并被响应以操作震动板组件产生大且非常强烈的抖动感觉。在另一个示例中，视频可能会显示一群动物在震动板组件上的人员的旁边奔跑，并且控制器可以协调震动板组件的操作，以在动物群较远时轻微地振动面板/板/拼块，并且当所示的动物群靠近人的位置时更加剧烈地振动面板/板/拼块。

为此，要解决的初始问题是，创建极薄截面的地板表面以获得强烈的效果，并且易于安装而无需大量的基础设施，例如，甚至可用于临时事件的触觉地板系统。每个震动板组件可包括薄板或面板，其具有用于支撑人或物体的上接触表面和相反的下表面，并且，可在薄板(或面板)的下表面上(或与下表面接触地)设置一个或多个致动器。在一个实施例中，例如，致动器是大量的(例如，取决于板/面板的尺寸和期望的触觉效果，在10到100个的范围内)小振动器电机，每个小振动器电机具有偏心质量(因此，通常称为偏心旋转质量(ERM)致动器)。偏心质量可以使用重力被同步或对齐以具有相似的取向，并且通过控制器操作振动器电机使得这些偏心质量同时或并行旋转，来提供强烈的触觉效果(或板/面板/拼块的抖动/振动)。采用这种致动设计的原型设计非常成功，并且受到了参与者的欢迎。

发明人响应于对长生命周期、易维护和低制造成本的需求，而设计了额外的震动板组件设计。发明人认识到，为了保持上述原型设计的低成本，可以使用更少、更强的电机来提供致动，但是，简单的按比例放大可导致亲临感较差且较慢的表现。另外，发明人确定，在一些实施例中可能有用的是，转变小振动器实施例中使用的有刷直流(DC)电机，因为这些可能是耐久性测试期间的故障点。许多触觉效果在很大程度上是冲击性的，使得它们采用非常强的瞬时电流。为了使触觉地板系统的安装更加实用，发明人为每个震动板组件设计了定制驱动电路和本地的电存储组，使得基础设施的电力需求和整体电力供应减少，一些实施例验证了减少超过十倍，为每个震动板组件供电的电缆直径也减小超过十倍(电缆/电线的面积减小十倍，其直径下降至十的平方根)。

第一实施例用于虚拟现实(VR)风格的体验，但是，它和触觉地板系统的其他用途是制造超越生活的体验(在存在或不存在VR硬件和软件的情况下)。这可以涉及获得现实世界中的物理事件的测量值(例如，板的振动的大小和速度等)并且将这些测量到的事件以其适当的超越生活的体现播放。控制器还可以被编程为并行地触发触觉地板系统的其他元件，诸如效果元件，以使得体验更加身临其境，诸如利用视频设备提供视频“地震”，利用照明设备以选通闪光或其他基于光的效果，以及利用声音设备提供对应于导致振动的事件的声音效果。

发明人使用改进的震动板组件设计了第二个有用的实施例。在该实施例中，电机尺寸按比例放大十倍以上，并且使用比第一实施例中使用的有刷电机生命周期可能长许多倍的低成本、批量生产的无刷电机。通过为偏心质量致动器或“振动器”选择非常特定和特殊的几何形状(例如，具有极长并窄的偏移或偏心质量的致动器，而不是如第一实施例中的楔形致动器)，尽管使用了更少的电机(两个，四个，六个等)，但发明人能够保持相同或更大范围的振动效果。该设计针对装配和维护进行了优化。电机安装或替换应该需要几分钟。通过允许位于驱动轴或旋转轴的每一端上的电机以及在该轴上设置的细长的偏心质量(并且沿着该轴延伸)(在该实施例的一些实施方式中)，该设计甚至可以非常简单地冗余以提高性能或者确保高质量的触觉体验，同时在许多位置将振动联接到板上，以获得更一致的感觉。由于致动器的两个电机直接联接到同一驱动轴(和附接的偏心质量)，因此不必担心同步。总的来说，这解决了耐用性和可靠性问题，同时保持了触觉地板系统的吸引人的低配置和低成本性质，同时还改善了制造和维护成本。

更具体地，提供了一种触觉地板系统，其适于提供基于振动的触觉体验。该系统包括主控制器或显示控制器和多个震动板组件。震动板组件中的每一个包括：板或面板，其具有上接触表面和与上接触表面相反的下安装表面；以及至少一个致动器，其安装在下安装表面上，并可操作以向板施加力以导致所述上接触表面振动。在操作期间，响应于感测到的事件，主控制器产生控制信号，并将控制信号发送到多个震动板组件，以独立地触发每个震动板组件的至少一个致动器的操作以顺序地或并行地操作，从而施加力以并行或顺序地振动多个震动板组件的上接触表面。

该系统还可以采用传感器感测并响应于以下中的至少一个产生传感器输出：人相对于上接触表面的运动；道具相对于上接触面的运动；物体与上接触表面中的一个接触。主控制器处理传感器输出以识别所感测的事件并生成/触发控制信号。每个震动板组件可包括本地控制器和存储触觉效果定义的库的存储器，并且本地控制器响应于接收到一个控制信号，检索触觉效果定义中的一个并操作致动器对板施加力。在一些实施例中，感测到的事件是显示器在播放视频或音频系统在播放音轨，并且基于与视频或音轨相关联的代码集或触觉事件脚本，操作致动器以提供与视频或音轨匹配的触觉体验。

在一些实施例中，致动器包括多个振动器电机，每个振动器电机具有驱动电机、由驱动电机旋转的驱动轴、以及固定到驱动轴的重物，其质心以一距离偏离驱动器的中心轴线，由此每个振动器电机在驱动电机的操作期间产生离心力。在实践中，离心力是当致动器以稳态速度旋转时人们感觉到的力，但是，在许多情况下，致动器装置以离心不是最重要的力的模式操作，例如，如果重物只是以小角度摆动快速前后移动，则触觉板/拼块上的人感觉到的几乎完全是质量从一侧到另一侧的简单加速。因此，对于本说明书而言有用的是，术语“离心力”可以用于表示重物经历的离心(稳态)或组合其他瞬时的加速力。

每个震动板组件可以包括第二和第三致动器、用于每个致动器的驱动器、以及用于操作驱动电机的机载电力存储器，并且，每个震动板组件上的致动器可以通过驱动电机独立操作以实现所需的振动效果。致动器还可以包括支撑多个振动器电机的线性框架，其中驱动轴平行布置，并且框架刚性地联接到下安装表面，其中板是平坦的刚性材料片(例如，0.25至0.5英寸厚的铝格板或类似物)。在一些实施方式中，驱动电机以短猝发(burst)操作，以提供重物取向基于重力的同步，或者被操作以使驱动轴以交替方向旋转以通过摆动运动移动重物。

在其他实施例中，每个震动板组件的致动器包括平行于下安装表面延伸的细长驱动轴，可操作以旋转细长驱动轴的至少一个驱动电机，以及刚性联接到细长驱动轴并且平行于细长驱动轴延伸的细长重物，其中心轴线以一距离偏离细长驱动轴的中心轴线。

附图说明

图1是触觉地板系统在其使用或操作以向多个人或用户提供基于振动的触觉体验期间的一部分的顶部透视图；

图2是本说明书的触觉地板系统的功能框图；

图3是从其下侧观察或观察其底部或下表面(与上接触表面相反)的单个震动板组件的功能框图；

图4是可用于本说明书的震动板组件的致动器中的振动器电机的透视端视图；

图5和6分别以底部透视图和底部视图示出了本说明书的可用于诸如图2的触觉地板系统的震动板组件；

图7示出了本说明书的震动板组件的另一实施例的底部透视图；

图8示出了图7的震动板组件的一个致动器的振动器电机；

图9示出了本说明书的震动板组件的第三实施例的底部透视图，其使用具有单个驱动轴和偏移重物的单个致动器；

图10更详细地示出了图9的组件的致动器；

图11示出了本说明书中用于触觉地板系统的震动板组件的第四实施例；

图12示出了具有震动板组件的第五实施例的另一触觉地板系统；和

图13-15是X、Y和Z加速度的曲线图，示出了图5和6中所示的震动板组件的原型的测试结果。

具体实施方式

简而言之，以下描述提供了一种触觉地板系统，其包括一个或多个震动板组件(或更简单的板(或拼块或面板)组件)，其提供可操作以实现强烈的触觉振动效果的薄的、模块化的和可缩放的地板拼块系统。板组件可以容易地安装在大致水平的无准备的地板表面或地面上。安装的简单性以及没有大量支撑基础设施允许在临时事件或应用中使用以及用于更永久的安装。每个震动板组件都可以使用机载电池供电，这些电池可以在充电后持续一整天或更长时间，或者可以在更永久的设置中连接到电源。

图1示出了在其使用或操作中向多个人或用户(或参与者)106提供基于振动的触觉体验期间的一个原型化触觉地板系统100。如图所示，系统100包括平铺在一起以提供地板或支撑平台的多个震动板组件110，并且，参与者106被定位成站立在系统100的地板/支撑平台上或以其他方式由系统100的地板/支撑平台支撑。更具体地，每个震动板组件110包括具有上接触表面114的薄板112，并且参与者106站立在这些表面114上。

当组件110由安装在薄板112的下表面上的一个或多个致动器致动时，包括上接触表面114的面板112如箭头115所示振动(例如，在X、Y和/或Z方向中的运动)。结果，参与者106也如箭头107所示振动以具有基于振动的触觉体验。触觉地板系统100还包括一个或多个输入物体或道具(或玩具等)120，其可相对于震动板组件110移动(如箭头121所示)，以便通过操作员(例如，演员或另一参与者)108撞击一个或多个上接触表面114，如图1所示。系统100的控制器使用道具/输入物体120中(或在其他地方，例如在面板112中)的传感器感测何时发生与表面114的接触(并且在某些情况下，感测其强度或大小)，并且，响应于对于传感器输出的处理，控制器操作一个或多个震动板组件110的一个或多个致动器振动115面板112及其上接触表面114。

利用系统100的原型进行测试证明，人脚下方的高强度振动可以为参与者/系统用户106提供令人惊讶的身临其境的体验。初始原型使用大量同步的小型振动器电机以增加冲击力，但计划实施方式可能使用本文所教导的实施例(以及原型)，其中，很少数量的更高功率电机使用新颖且独创的反作用或偏心/偏置重物设计保持质量和成本，尽管尺寸增加。这种具有较少数量的提供致动器的较高功率电机的实施例在长期安装中可以更加稳健，针对可靠性和可维修性被设计，并且通过使用大部分现成的部件来保持相同的低前期构建成本。在这样的实施例中，振动强度通常也得到提高。在该设计的电子学方面，开发了一种特殊的电机驱动器来驱动使用更少的功率更高的电机的实施例的更长寿命的无刷电机，在大多数实施例中发现了更期望的高频响应。在原型设计中也研究了大电容器的使用，并且看起来很有希望作为降低电力供应要求的方法。

一些应用可能允许或需要使用更小震动板组件，例如公园骑行或游戏座椅中的，或者允许或甚至要求更高的逼真度(fidelity)。对于这样的应用，可以使用被认为“高清晰度”或“HD”的震动板组件，其是发明人使用低轮廓触觉致动器设计的。例如，高功率音频放大器可以用作面板/板/拼块的致动器或在面板/板/拼块的致动器中使用，其中，实施方式要求完全控制触觉效果或者面板的接触表面相对较小。

图2示出了本说明书的触觉地板系统200，其用于向系统200的参与者或用户提供基于振动的触觉体验。系统200包括多个震动板组件210，每个震动板组件210具有上接触表面211(面板、板或拼块)，其布置成以平铺布置彼此邻近，以为空间提供支撑平台或地板，以支撑用户/参与者或提供将与用户身体的一部分接触的座位等的一部分。

如参考图1所讨论的，每个震动板组件210可通过控制信号225操作以振动面板/板，以使上接触表面211振动以提供触觉反馈。主/显示控制器220可以包括运行代码或可执行指令(控制软件或运行控制程序)的一个或多个处理器/计算设备，以处理传感器输出，并且作为响应生成控制信号225以触发全部或部分的震动板组件210中的一个或多个致动器的操作，以使表面211振动。在一些实施例中，控制信号225可以改变在表面211上提供的振动的幅度，并且可以通过回放预定义的振动效果来生成这种振动的定时(例如，通过运行可能依赖或不依赖于传感输入的一个或多个触觉体验程序，以便提供与所显示的视频和/或声音或其他效果的同步)。

系统200包括一个或多个传感器，控制器220可以处理所述一个或多个传感器的输出以触发控制信号225。在这方面，系统200被示出为在一个或多个震动板组件210上包括本地感测/传感器212，并且这些传感器212可以如213处所示操作，以向控制器220提供感测数据或传感器输出。本地感测/传感器212可以包括维护感测和/或局部显示感测(诸如指示表面211何时被物体撞击或者何时物体移动到表面211附近)。

系统200还包括传感器组件230，其具有一个或多个(作为非限制性示例示出的三个)无线传感器节点232，其用于收集传感信息并且如233处所示将收集到的传感数据传送到控制器220以进行处理并且作为响应产生控制信号225。例如，无线传感器节点232可以安装在用户输入对象(例如，道具、玩具、戏设备等)上或其内，以感测这些物体相对于接触表面211的运动，在一个有用的示例中是设置在物体中的加速度计，撞击接触表面211的操作者使用该加速度计，控制器220识别发生撞击的时间和力的速度/幅度，并用控制信号225响应以启动震动板组件210的致动器的操作，以导致面板/拼块的表面211振动。还可以包括区域感测/传感器234以在靠近表面211的空间中收集更多的一般性数据，诸如用户/操作者在震动板组件上的位置和/或移动，并且该数据如235处所示传送到控制器220以进行处理，并且作为响应产生控制信号225。

在一些实施例中，系统200中的震动板组件210的操作由主/显示控制器220与系统200的其他部件的操作协调，以实现身临其境的触觉体验。具体地，控制器220可以与控制信号241并行或同步方式产生振动启动信号225到显示器240，以便使表面211提供的振动遵循显示器240上的视频序列，例如，大象的踩踏引起由平铺表面211提供的地板剧烈振动。振动还可以与通过来自控制器220的控制信号245而由声音部件(例如，扬声器等)244与所播出的声音效果或音轨协调，例如，伴随来自大象群的音轨的咆哮的大象的声音。振动还可以与来自照明效果系统246的照明效果协调，照明效果系统246由来自控制器的控制信号247操作，例如，结合由系统246模拟的闪电振动表面211。通过控制器将控制信号249传输到物理效果系统248，可以进一步将振动与其他效果协调，例如，提供烟、雾、灰尘、喷水或移动等，如在显示器240上的视频中所显示的环境中可预期的(例如，与奔跑的大象相关的灰尘)。

图3是可用于本说明书的触觉地板系统中的震动板组件310的功能框图(例如图1中的组件110或图2中的组件210)。组件310包括具有下安装表面313的薄板(或面板或拼块)312，其与用于支撑或邻接人以向人提供基于振动的触觉体验的上接触表面相反。如图所示，组件310包括安装在面板的下安装表面313上或者固定到面板的下安装表面313的一个或多个致动器320，并且致动器320通常通过致动器驱动器324并行操作(例如，响应于来自机外控制器的控制信号)，其可包括一个或多个放大器和/或电机驱动器。致动器320向联接的或互连的下安装表面313施加力，当力组合时，使得面板312(及其上接触表面)发生振动。通过高功率缓冲器和/或能量存储器326经由线路328提供用于致动器320的电力，高功率缓冲器和/或能量存储器326可包括一个或多个电池和/或电容器。

组件310包括控制器330(如图所示在板上或机外，具有路由到各种面板的简单控制信号)，控制器330可包括CPU，该CPU运行控制程序并响应来自机外主控制器的控制信号从定义致动器320的操作的库中检索和回放效果(例如，产生几个间隔开的大振动，产生快速顺序发生的较弱或较小的振动等)。控制器330可以经由线路332以有线方式或者经由无线收发器/节点334以无线方式与机外控制器通信，以从机载传感器接收控制信号和/或发送传感器数据到机载传感器。

机载传感器可以包括用于局部显示感测的部件340，例如用于测量物体相对于面板312的上接触表面的力或接近度，用于读取附近物体上的射频识别(RFID)标签，用于感测面板312的力和/或振动等(感测力对于响应静止地站立在面板312上的人而言是有用的)。所收集的传感器数据可以在本地处理330，或者可以由具有组件310的系统的显示/主控制器发送用于机外处理，并且用于驱动器324的控制信号可以由机载控制器330和/或由机外控制器产生。机载传感器还可以包括用于提供维护感测的部件344，以便提供电流和/或电压读数和/或测量加速度、声音级别、温度、湿度等。该维护数据可以在机上处理(诸如使得控制器330在感测到最大值或最小值时本地地关闭组件310)或者由机外显示/主控制器处理，使得关闭组件310或确定特定维护何时对于组件310是需要的或有用的。

如上所述，致动器320可采用多种形式来实践震动板组件310。在一个实施例中，致动器320中的一个以多个(例如，4到20个或更多个)振动器电机的线性阵列的形式提供，振动器电机同时被驱动操作以振动安装有它们的板。图4示出了可用于这种致动器配置的示例性振动器电机400，并且振动器电机400包括电机410，电机410可操作以旋转415驱动轴414，偏心或偏移质量416固定到驱动轴414。质量416是偏心的，因为其质心不与驱动轴414的中心轴线重合，而是偏移一距离或半径r，如图4所示。

为了制造致动器，所有振动器电机400牢固地或刚性地紧固到面板或板的下表面或底表面，例如利用支撑驱动电机410的框架，并允许驱动轴414和偏心质量416的自由旋转。框架可以配置成使得所有电机的驱动轴是共面的或通常如此，并且也彼此平行，因此它们的力以期望的方式累积并且易于制造。在一种实施方式中，电机410是有刷直流(DC)电机，并且以0.5盎司偏移重物的形式提供的质量416(尽管可以使用其他尺寸的重物)压接到驱动轴或输出轴414上。偏移重物很小，但是它们在大约半英寸的行程上以高加速度运动，使得当质量416旋转415时，离心力导致电机410牢固/刚性地固定到的板/面的振动(尤其是当致动器中设置的振动器电机的所有离心力组合时)。同样，“离心力”旨在包括当质量以恒定速度旋转时发生的力以及当质量开始和停止旋转时产生的短暂加速度和力。振动器电机410还可以称为偏心旋转质量(ERM)致动器，并且它是提供振动感觉的最简单且更便宜的方式之一。振动器驱动器410通常仅需要电子开关来操作，因为振动器电机410的旋转本身产生振荡的感觉。

发明人已经确定了用于在震动板组件的致动器内使用振动器电机(例如振动器电机410)的三种主要的操作模式。第一模式涉及在多个电压(例如，在0到8V DC的范围内)中的一个电压下并行运行每个阵列或组(或每个致动器)中的振动器电机。在上接触表面上当然可以感觉到板或面板的效果，但是效果可能感觉是混乱和嘈杂的，这可能是也可能不是所希望的。在一个实施例中，使用这种控制提供强烈的混乱感觉。电机都倾向于以相似但不同的速度操作，使得站立或触及上接触表面的人获得一定频率范围的感觉，其中许多频率相互抵消。在这种工作模式下，当电机的数量N增加，而A是单个电机自身的振动幅度不变时，可以预期振动的幅度增加为sqrt(N*A)，这意味着一百个电机的感觉只比一个电机的强烈十倍。

发明人发现了第二种操作模式。当他们进行实验时，发明人认识到，使所有振动器电机一起工作可能是有用的(例如，使得当它们的离心力施加到板/面板的底表面或下安装表面时是累积的)。在这方面，人们发现，操作振动器电机以允许偏心重物在重力作用下稳定，然后仅以短的猝发驱动它们，这是有用的。由于在这种操作模式下的振动器电机都以其偏心重物在同一位置(例如，质心位于驱动轴或输出轴正下方)开始，它们的运动将至少同步一小段时间，直到电机的差异开始使它们发散。单独地，每个电机的效果仍然很小，但是，现在可以预期同步振动器电机的效果简单地累积为N*A而不是部分消除，这使得一百个电机现在几乎是一个电机的效果的一百倍。

该第二操作模式提供的效果具有一个显着的限制。振动触觉效果起初非常强烈，但随着振动器电机的差异开始变得明显，振动触觉效果将开始在大约一秒内衰减。请注意，较高质量的电机应该保持同步更长时间，因为它们的制造更加一致。然而，快速衰减通常不是很限制，因为在实践中，大多数感兴趣的效果开始强烈然后衰减并且整体持续时间短。一个很好的示例是靠近震动板组件地的板/平台的巨人的脚步。

第三种操作模式的创建是因为人们认识到，有一些振动效果是长期的环境效果，如机械的嗡嗡声、悬浮的太空飞船、雨、风等。为了这些效果，电机可以用皮带或皮带轮机械地联接在一起，但是对于某些应用来说，成本可能被认为太高。为了这些效果，第三操作模式可以以与第二操作模式不同的方式使用重力对准。特别地，代替驱动质量围绕圆圈运动并且让向心加速度导致振动，控制信号可以用于控制驱动电机来回驱动偏心质量像钟摆一样来回振荡。通过永远不让偏心质量围绕完整的圆圈，重力平均地给予将所有偏心质量拉回到相同位置的机会，这使得所有电机同步(相对于质量位置)。

这种行为更像是使用重力作为复位弹簧的扬声器，而不是传统的振动器电机。实际上，如果需要，该第三操作模式甚至可以由音频信号驱动，但是应该注意，要使得音频信号不能大到将驱动电机驱动到其操作范围之外，就像扬声器上的超程一样。然而，方便的是，在超程的情况下，偏心质量将无害地完整地围绕驱动轴或输出轴运动，导致振动器电机短暂地失去与致动器中的其他振动器电机的同步。由于该第三操作模式积极地将加速度施加到偏心质量(而不是仅仅驱动它围绕圆圈运动)，因此加速度可以比以一频率实现的简单向心加速度更让人感兴趣。非周期性信号、失真的正弦波和音频都可以被回放，它只需要比旋转更多的功率，因为需要主动强制方向改变。

如果简单地按比例放大图4的振动器电机410，则可以预期更强的振动。但是，人们也会预期到系统表现得更慢。这似乎表明小直径电机在需要具有高频响应的触觉地板系统中是有用的。然而，如将变得清楚的，如果使用细长的偏心或偏移质量，其被设置为中心轴线平行于驱动轴或输出轴，则可以利用更少的电机来提供高频响应。

用于震动板组件的致动器(例如图3的组件310中的致动器320)可以采用其他形式来实现本发明。在过去几年中，高端手机和视频游戏机已经过渡到线性谐振执行器(LRA)，这些线性谐振执行器基本上是相对于(有时非常弱的)弹簧上下移动质量的线性音圈。反过来，这又向其所安装的主体(例如手持设备示例中的用户的手)中提供相等且相反的反作用力。因此，可以使用一个、两个或更多个LRA(例如，由Guitammer公司发布的ButtKicker或类似装置)形成用于震动板组件的致动器，其中LRA使用放大器(其可能比简单的数字开关更昂贵)来驱动运动，使它们能够产生微妙的效果(例如，良好的低频响应)，但可能不会像使用偏心质量的致动器那样提供强烈的振动，并且可能具有相对较大的形状因子(例如，高性能LRA可以是六英寸高)。

可以用作震动板组件的致动器或者在震动板组件的致动器中使用的其他装置包括全范围换能器或触觉声音(诸如可从Clark Synthesis和类似的生产商和/或分销商获得的那些)，其可以相对较薄(例如约两英寸厚)，但可能无法提供低于50赫兹(Hz)的很多响应。在其他情况下，致动器可以包括或采取运动致动器(例如可从Crowson Technology，LLC和类似的生产商和/或分销商获得的那些)的形式，其提供良好的中频和低频振动效果。这些运动致动器中的一些推靠地面或另一个表面而不是推靠质量，并且这些致动器具有以下益处：具有非常大的有效反作用质量(例如，整个地球)，这对于较低频率特别有用(例如低至5Hz左右，这类似于地震或建筑物的摇摆)，并且由于他们使用地球作为质量，因此它们可以非常薄(例如，大约1英寸厚)。

图5和图6分别示出了震动板组件500的底部透视图和底部视图，该震动板组件500可以与触觉地板系统中的其他这样的组件一起使用，以提供支撑平台或地板或其他表面，以提供基于振动的触觉体验。如图所示，组件500包括板或面板510，例如金属或塑料片的一部分，并且面板510具有上接触表面512，用于接收人体的一部分，并且还具有与表面512相反的下安装表面514。

组件500包括附接到下安装表面514的周边边缘的弹簧悬架520，弹簧悬架520用于围绕致动器530和其他组件部件。弹簧悬架520还用于将面板510弹性地支撑在支撑表面(例如，建筑物的地板、混凝土垫、地面、座垫、墙壁等)上方一定距离处，这未在图5和6中示出，但是将存在于用于触觉地板系统的典型安装场合中。弹簧悬架520的构造可被选择或“调整”以适合特定的面板510(例如，其在使用期间的厚度和刚度)和致动器530，并且在一个有用的实施例中，泡沫(例如，高密度泡沫，例如聚氨酯泡沫、乳胶泡沫等、带塑料导轨的泡沫等)用于悬架520(例如，具有侧面在1至4英寸范围内的矩形截面)。在其他实施方案中，泡沫用橡胶构件代替。

塑料导轨使得能够只使用泡沫的、导轨位于其下方的那一小部分的刚度，但是在负载过大的情况下，一旦有足够的力将导轨压入泡沫表面中，可以保持较宽的泡沫件的稳定性并将力分配到泡沫体的其余部分中。与垂直刚度相比，泡沫的横截面主要是提供坚固性和横向刚度。作为另一个需要注意的地方，弹簧悬架520通常可以在不依赖于泡沫(其可以在长期使用时劣化)的情况下实施。例如，弹簧悬架520可以使用用于垂直运动的弹簧以及防止弹簧将拼块/面板510意外翻倒的支撑件来实现。如果存在比弹簧想要经历的更多的力，就像上面的泡沫一样，这可能涉及使用挨着弹簧的底部的脚。

为了允许面板510振动，组件500包括一个或多个致动器。如图所示，六个致动器530示出为安装到面板510的下安装表面514上。每个致动器530形成为细长组或振动器电机的阵列534，振动器电机可以采用图4的振动器电机400的形式并且经由框架或支撑件532联接到表面514。框架/支撑件532可以由塑料(例如尼龙等)、金属或其他刚性材料形成，并且可以构造成用于接收振动器电机，将驱动电机部分牢固地保持在适当位置，并且用于将由振动器电机534产生的离心力经由安装表面514传递到面板510。

如上所述，振动器电机534可以通过以短猝发方式操作每个驱动电机并且允许重力将每个偏心重物放置在类似的位置或取向同步，并且通过支撑所有振动器电机534具有类似的取向被进一步同步，例如所示出的示例中，所有驱动轴平行于下安装表面514(并且彼此平行)。每个致动器530包括多个振动器电机534，例如数量在2到30的范围内，其中一个原型组件500中使用18个，并且经由同步操作，由每个振动器电机534产生并且经由框架/支撑件532施加到面板510的离心力累加，以使面板510和上接触表面512振动。

组件500还包括用于驱动致动器530中的振动器电机534的操作的电机驱动器540。在所示的组件500中，示出了三个电机驱动器540，每个电机驱动器540并行地驱动一对致动器530。振动器电机534通过并联电连接组合在一起成为三个致动器对，这三个致动器对可经由驱动器540被单独控制。在一个优选实施例中，电机驱动器540可由微控制器/网络接口560独立地操作(以响应于来自触觉地板系统的主/显示控制器的控制信号/触发信号从存储在微控制器/网络接口560(例如，Arduino等)的存储器中的库回放波形)。以这种方式，可以选择性地操作三对致动器530中的每一对以改变面板510的振动幅度，例如，当所有三对并行操作时振动幅度被最大化，仅使用一对操作时幅度被最小化，并且在使用两对操作时中度地产生振动幅度。组件500还示出为包括机载电源550，例如一个或多个电池和/或一个或多个电容器，以支持周期性地使用大量电力来驱动大量振动器电机534(具有108个振动器534电机，如图5和6中所示)。

在图5和6的实施例中，震动板组件500使用大量非常低成本的电机534。组件500以相对低的制造成本产生大量振动，这对于临时安装和事件可能是有用的，但是如果长时间使用则可能具有磨损问题。振动器电机534是使用低成本电刷和衬套的小型有刷DC电机振动器，并且在测试期间发现两者都磨损。在大约500000次高功率循环后，十六个电机的测试板经历了一次电刷故障，但磨损将取决于所选效果模式的细节。振动器电机被布置成六个致动器530，这六个致动器530被布置成由电机驱动器540驱动的三对，以允许同时回放多个效果，同时允许在每个效果之后重新同步重物的时间。它还允许在给定频率时的可变幅度以及多个并行频率或时间事件。

图7示出了震动板组件700的另一个实施例的底部透视图，其具有与图5和6的组件500类似的构造(并且相似的部件被类似地编号)，但使用更少但更大的振动器电机734。如图所示，组件700包括两个致动器730而不是如组件500中的六个，并且每个致动器730仅包括被支撑在框架/支撑件732(例如，具有加强件的铝角形支架)中的七个振动器电机734，框架/支撑件732固定到面板510的下安装表面514。每个致动器730中的振动器电机734通过由三个并联的电力汇流条745提供的电力并行操作，并且电机感测由一个振动器电机734上的编码器提供，例如，霍尔传感器仿真器750可以设置在每个致动器730中的一个驱动电机上。虽然未示出，但是组件700可以包括驱动器(例如，现成的RC驱动器等)，可以用于在每个阵列或致动器730中并行驱动电机734。对于来自0RPM的瞬时响应，可能需要提供一种传感电机，该传感电机可以设置在选为单个代表性电机的电机上，如通过传感器仿真器750所示出的。这为该振动器电机734提供了改进的响应，但是大量的极对可能使小的角度变化复杂化，这可能使得来自其他振动器电机734的响应不太可靠和/或混乱。

如图8所示，每个振动器电机734包括使驱动轴或输出轴837旋转的驱动电机836，并且质量或重物838联接到驱动轴或输出轴837。重物838构造成提供偏心质量，因为其质心从驱动轴或输出轴837的中心轴线偏移一距离，使得当其围绕轴837旋转时产生离心力，该离心力经由框架/支撑件732传递到互连的面板510(因为框架/支撑件732刚性地紧固到下安装表面514)。在一个实施例中，驱动电机836采用低成本四轴无刷DC电机的形式，并且重物838被切割成半圆形板的形状(例如，圆形板的一半)。

在震动板组件700中，在每个致动器730中使用较小尺寸的阵列的较高质量的中功率电机734。在振动器电机734中使用模型用无刷DC电机将消除电刷故障的问题，并且由于使用双球轴承也可以减轻轴承磨损。较高的成本部分地被每个驱动电机提供的扭矩的几倍增加抵消，这允许使用比图5和6的振动器电机534中设置的重物更重的重物。因此，为了提供相同的振动幅度，每个振动器电机734可以代替大约七个振动器电机534。用于每个致动器730的电机驱动器也将比简单的有刷电机H桥更昂贵，但是与驱动电机相比驱动器将可能持续更长时间，并且与有刷选项相比可能使使用寿命更长。

在组件700中可能难以实现维持长期同步所需的角度公差。特别地，发明人构建了组件700的相对简单的原型，并且发现同步是要解决的问题。具有公共驱动线(例如，图8中所示的汇流条745)提供有效的同步电流“刚度”以提供主动驱动的锁相。但是，在某些情况下，驱动电机836可以是具有多个极对的类型，这导致少数同样稳定的轴位置定位(例如，原型中使用的位置为五个)。这意味着如果振动器电机734确实失去同步，则它们将不能在没有每个电机的某种额外复杂性的情况下返回到同步状态。与组件500中使用的DC电机不同，这些系统的额外磁性齿槽不允许重力使它们很好地同步，即使具有更大的重物尺寸(例如，重力对于由稳定点滑动产生的相对小的角度提供非常小的恢复扭矩)。

图9示出了本说明书的震动板组件900的第三实施例的底部透视图，其使用具有单个驱动轴934和偏移重物或偏心质量936的单个致动器930，并且图10更详细地示出了致动器930。如图所示，致动器930包括一对驱动电机932，该对驱动电机932联接到驱动轴934的相对端，并且可并行操作以围绕其中心轴线驱动或旋转轴934。一些实施例可以使用单个驱动电机932，但是两个在一些实施例中提供可能期望的冗余。致动器930刚性地联接到面板510的下安装表面514，使得由致动器930产生的任何振动引发力传递到上接触表面512。

在所示实施例中，驱动轴934(例如，0.5英寸的金属杆等)几乎延伸面板510的整个长度，并且其长度取决于面板510的尺寸，可以在12到48英寸(或更大)的范围内。为了产生可施加到表面514的离心力，偏移重物或偏心质量936附接到驱动轴934的一侧。重物936可采用多种形式来实施组件900，例如沿着驱动轴934的一部分长度延伸的杆(例如，圆形或方形金属杆等)。在组件900的一个原型中，0.5英寸的钢棒用作重物936，其长度几乎等于驱动轴934的长度，并且它附接到0.5英寸的驱动轴934，使得其中心轴线平行于驱动轴934的中心轴线并偏移约1英寸的距离。重物/质量936可以广泛变化以实现期望的效果，例如在0.5至4磅的范围内变化，原型使用重量在1.5至2.5磅的范围内的杆。较大的拼块(一个大于4英尺×2英尺的拼块原型)通常会使用更重/更大的重物/质量936，并且可以通过表达上面提供的拼块的每平方英尺的重量来实现按比例放大。

组件900的实施例使用非常少量(一个或两个)较大的模型用电机，其是无刷DC电机。重物936的形状因子与前面的实施例不同，并且它被布置在致动器930中以平行于驱动轴934纵向延伸而不是径向地延伸。这使得组件900能够使用更大的重物936但具有小的形状因子(与其他致动器相比仍然装配到相同或更小的空间中，以实现相同或更强的振动)。重要的是，致动器930的设计减小了有效惯性矩，因此当惯性矩随M*R²变化但振动强度变随M*R变化时，它保持高带宽，因此更大的质量M和小半径R将提供更好的性能(这与绝大多数ERM相反)。这意味着组件900可以针对给定的扭矩提供更多的线性振动，并且还可以潜在地减少电机数量(例如，一个电机932可能是足够的)。关于提供“更线性的振动”，组件900针对给定扭矩提供更高的振动变化率，导致更宽范围的可行感觉，尤其是像“怪物脚步”的热门效果那样的清脆感觉效果。这也转化为更好的线性加速度，如在重物像摆子一样被来回驱动时的瞬态安置和停止中，使得组件900在“扬声器”模式下更有效。永久反作用重物936的非常长的宽高比使性能最大化，而致动器930的成本低于前两个实施例。驱动电机932可在几分钟内更换，并且通过该致动器设计完全解决锁相或同步问题(或根本不是问题)。

当作为原型制造时，组件900被证明即使使用单个大型电机932也能很好地工作。通过将0.5英寸的杆焊接到驱动轴934来提供重物936。如图9中的935处所示，驱动轴934的两端，如中间那样，由枕块中的轴承支撑。角度补偿轴联接器用于从较小的电机轴调适到0.5英寸(在一个非限制性实施例中)的驱动轴934，并且使用橡胶管安装件将电机932保持在表面914上的适当位置，并允许它在发生错位时进行自我调整。重物936与电机932隔离以防止故障，并且致动器930可以以相对低的成本制造(例如，原型制造低于100美元)。单个大重物936使得同步完全不必要，从而提供更多的触觉效果灵活性。2.5英寸的组件900的实施例的原型的总高度受到所使用的电机安装件的限制，但是可以通过带挤压轨道的铝板的加工或使用(而不是用于面板510的蜂窝板)来减少到2英寸的组件500和700的原型所实现的高度。

为致动器930构建定制电机驱动器，但未在图9和10中示出。电机驱动器被构造为提供大的未经过滤的电流浪涌，以能够驱动电机932以获得期望的基于振动的效果(具体地，利用带有传感器的电机)。无传感器换向可能不是一个理想的选择，因为找到转子信号锁需要时间，这可能会减少甚至破坏大的脉冲效应。在一个原型中，带有与CPLD集成的RMM3内核的现有的PSOC 5LP板CY8CKIT-059用于感测电机霍尔效应信号，并处理高速开关逻辑。以下是组件900的原型的电源规格：(a)最高供电电压为60V；(b)持续电流限制为200A(400A脉冲)；(c)最大开关频率为55kHz。

关于所示的双驱动实施例，在每个端部上具有电机的单个配重轴提供增加的扭转刚度(4倍)并且对于相同的扭矩减少功率消耗(2倍)。两个电机之间的同步简单地由于使用与高带宽重物的公共连接而实现，并且在电机故障的情况下，存在冗余电机。组件900可以每个重物用单电机或双电机，根据功率、冗余和初始成本的权衡。所使用的电机每个成本约为50美元，并且电机驱动器在批量生产时可能具有相同或更小的成本。如果预期在面板510上弯曲，则可通过将重物组件(例如，轴934和偏心重物/质量936)分离成较小部分，并使用能够实现角度不对准的轴联接器来实施组件900，并且可能增加寿命。

为了证明使用本地电容器来降低对震动板组件的电力供应要求的可能性，发明人测试了通过商业上可获得的超级电容器组(例如，由Maxwell发布的58F 15V超级电容器组等)运行的组装900的原型。内阻高于可期望的电阻，使得并联的1F电解组可能是更理想的(例如并联的两个)。-120F设置具有足够的能量来运行“怪物脚步”(非常大)的触觉效果大约五次而不必在效果之间充电。与直接插入选项式相比，此设计应显着减小基础结构电缆的尺寸以及电力供应电流能力。

图11示出了本说明书中用于触觉地板系统的震动板组件100的第四实施例。在该实施例中，一对致动器1130和1131安装到下安装表面514上，并且，致动器1130、1131各自采用安装到具有调节悬架520的面板510的现成的家庭影院(off-the-shelf home theater)致动器的形式。因此，组件1100是可以具有特别低轮廓的音圈反作用质量系统，并且可以选择致动器1130、1131(例如，可从Clark Synthesis，Inc等获得的Silver模型)以具有针对不同需求的各种优势。测试表明，这些版本适用于2英尺方形板510(可以用单个致动器驱动)以及2英尺×4英尺板或地板拼块510(例如，在板510的每侧或每端上具有一个致动器1130、1131)。

组件1100的一个主要优点是，它可以像扬声器一样回放任何信号。而且，与扬声器一样，组件1100将具有它可以处理的最大和最小频率。调节悬架520可以辅助最小频率能力，但存在一些限制。在大多数应用中应避免使用高频，因为低音扬声器应主要用于低音。然而，一些效果(例如，枪声，大炮射击等)在触觉中仍然应该具有一些高频率，因此，在组件1100中可能不需要硬件滤波器。另一个潜在的优点是，使组件1100投入使用所需的开发很少。这些零件已经商业化生产，可以现成购买，并可能提供良好的使用寿命。

组件1100的缺点是成本。原型中使用的致动器每个约150美元，并且用于驱动它们的放大器(未示出)将使组件1100的成本增加50至100美元。这使得致动器1130、1111和用于2英尺乘4英尺地板拼块510的电源每个约500美元。然而，可以实施其他设计以降低制造成本，并且组件1100可以用于高价值、高保真应用。

图12示出了触觉地板系统1200的另一个实施例，该触觉地板系统1200是上述致动器的特殊变型，其中，它不使用反作用质量而是使用推靠地面(或其他支撑表面)的致动器1230。换句话说，致动器1230使用地球本身作为反作用质量。在具有棋盘式图案的系统1200中，每个致动器1230支撑单个拼块/面板510的沿着三个相邻的拼块/面板510的一个角。因此，在大的区域上，系统1200接近每个拼块/面板51具有一个致动器1230。当致动器1230邻接下安装表面514时，致动器1230本身试图伸长和收缩以使板/面板510上下移动。这使得它成为本文描述的唯一可以处理非常低的频率(诸如5Hz的亚音频率对于系统1200是可感知的)的系统，以及其他实施例很好地处理其他频率。

在系统1200的测试期间，对这些低频信号的感知存在惊人的差异。通过最简单的效果，它几乎被最恰当地描述为“令人不安的”触觉体验。没有可感知的声音来自板/面板510(即使它是人类可以听到的较低频率)，然而，表面512的振动足够强以可见地看到表面512上的测试对象的身体抖动。系统1200的这种能力可能在某些应用中非常引人注目并且是期望的。如果与媒体和环境效果适当同步，可能会令人兴奋。它提供了这样的能力：能给予人他们可能甚至没有猜到是来自机械事物的感觉，因为它太慢了。频率可以足够低以至于呼吸或类似的触觉效果是可能的，如漂浮在海洋或飞机上的感觉。

系统1200的缺点可能是其成本高。在系统1200的原型中使用的致动器1230每个花费300美元，并且使用比在其他实施例中更强的功率放大器。致使器1230在低频使用几秒后趋于变热，因此可能需要操作系统1200以确保效果，包括冷却致动器1230的时间。这两个问题都可以部分地通过增加弹簧平衡来解决，弹簧平衡可以与致动器1230共享负载，而不是直接提升表面512上的人。在测试期间，每个板/面板510使用四个致动器1230获得了良好的效果，但是该数量可以减少到每个板/面板510几乎一个。不幸的是，致动器1230的阻抗很高(例如，6到8欧姆)，这意味着低成本的12V汽车放大器等可能不适用于系统1200，而是可能需要输出100伏AC的放大器。可以选择致动器1230以使每个支撑和提升250磅，但是由于人类可以更加密集地将其重量施加到面板510，因此包括用于负载分担的弹簧/悬挂元件可能是有用的。

在触觉地板系统中对图5和6中所示的震动板组件的操作进行了测试。为了表征该系统的幅度和感觉，两个加速度计沿着面板/板的2英尺边缘在中心和中间点安装到面板/板上。两个模拟ADXL335三轴加速度计的所有通道使用由电机PWM控制线触发的8通道示波器并行记录，以保持一致性(还记录了PWM和DIR以供将来参考)。选择“怪物脚步”效果用于记录，因为这种基于振动的触觉效果形成了发明人迄今为止开发和测试的大量效果的基础。

图13的曲线图1300示出了装载有人的震动板中心的XYZ加速度的结果。曲线图1300示出了当在板的中心装载有人的情况下播放来自怪物脚步效果的前六个脉冲时，来自图5和6的震动板组件的加速度。主要加速度似乎在一个平面内轴线上，其中垂直轴线少量地更小，这也接近传感器在该轴上的最大额定加速度。对于这种触觉效果，最大频率约为70Hz。其他效果的速度可能会提高三倍(最多)。Z偏移是由于该轴的静态重力引起的。

考虑到了面板/板上的重量分布的重要性的问题，但是，从“感觉”的角度来看，在同一面板/板上是否有一个人或两个人似乎并不重要。进行了一些测量以验证这种直观的结果。具体而言，数据在震动板的中心被收集，其中存在或不存在215磅的成年男性直接位于传感器上方。在图14的曲线图1400中，结果显示出对于这种最坏情况差异的加速度的差异非常小。曲线图1400示出了当在板的上接触表面的中心处是空的和有人时，当被操作以播放来自怪物脚步效果的前两个脉冲时，来自图5和6的组件的加速度。上升时间和幅度根本没有太大变化，但是可以看出在负载情况下谐振频率的微小变化可能使得低频率在更大负载下感觉更强(注意，Z轴信号归零以消除静态重力信号)。

加载有人的震动板组件似乎具有略微增加的谐振响应，这是有意义的，因为组件在负载下将具有较低的谐振频率。这从显示/体验一致性的观点来看是好的，并且它还意味着组件的重量可能比面板/板上的人的重量更重要，使得保持组件的重量相对较低可能是期望的。下一个问题可能是从一致性的角度来看，单个人是在在面板/板的中心还是边缘是否重要。考虑到这个问题，发明人测试了面板/板的最少和最大支撑区域，结果如图15的图表1500所示。曲线图1500示出了当播放来自怪物脚步触觉效果的前三个脉冲时来自图5和6的组件的加速度。虽然相位差表明存在谐振的可能性，但是信号幅度惊人地相似，考虑到这是在200磅重的人直接站立在最少支撑部分上的情况下面板/板的最大支撑部分和最少支撑部分的比较(注意，信号归零以消除静态重力信号)。在图表1500中，确实存在一些差异，但可能不足以改变一个人的感知。

尽管已经以一定程度的具体性描述和说明了本发明，但是应该理解，本公开仅通过示例的方式实现，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下采用部件的组合和布置的许多变化，如下文所述。

在图5的震动板组件500的一个有用原型中，组件通过安装到刚性面的底部并由弹性泡沫、六排振动器电机支撑而形成。使用三个高电流电机驱动器驱动作为3个独立的组或致动器的行的对。在这个经过测试的原型中，每个板都容纳有锂聚合物电池，为驱动电机提供局部高电流电源。每个板接收来自中央(基于Arduino的)低级控制器的信号，该控制器又被配置为使用来自主计算机的串行消息来播放与AV信号同步的触觉效果。无线命令也从附接到道具并连接到主控制器的无线电系统发送和接收。

这些板是2英尺乘4英尺，重约20磅。每个板由1/2英寸厚的铝蜂窝板形成，并且每个板包括呈2英寸宽×2英寸高的泡沫橡胶(例如，诸如可从Zotefoams获得的plastizote或“Zote”等)边框的悬架。泡沫用接触粘合剂层压并用热熔粘合剂粘合到铝板上。最后，沿着泡沫的底部边缘粘合1英寸宽的1/8英寸胶合板条带，以控制泡沫接触的确切区域，从而增加稳定性并降低整个系统的刚度。胶合板条带的最终构造针对感觉被调整，同时也允许简单的电线接入。

在组件500的原型中，使用108个振动器电机，这些电机布置在三个单独的组或致动器中，每个组或致动器包括每个在板或面板的长度方向上的两排十八个振动器电机。组/致动器中的所有驱动电机并联连接，并且每个独立的组/致动器由电机驱动器驱动。电机驱动器通过专用线路接收它们的TTL电平信号，每个板或面板处到达6个TTL信号线，即每个组/致动器两个。使用的电机来自All Electronics，但它们是大批量生产的类型，因此可以从许多来源获得。驱动电机本身是0.9英寸直径的“玩具”电机，额定工作电压为4.5V，绕组电阻约为10欧姆。振动器电机的重物/偏心质量已经压到其驱动轴/输出轴上。对于组件500的原型，将十八个振动器电机夹在固定到板或面板的下安装表面的定制(例如，水射流切割)塑料导轨中，并使用每排顶部的旋入式夹具保持振动器电机。

引线全部对齐并在后面键入在位，允许单根非绝缘汇流条沿着具有“+”和“-”引线的整个组/执行器通过，每个引线都有简单的焊接连接。事实证明，确保所有连接点之间存在额外的弯曲线有助于为在不破坏关节的情况下可能需要发生的任何运动提供松弛。这是测试原型运行大约两周或大约五十万次循环的主要失效模式。快速交换系统在组件500的未来实施中可能是有用的，因为预期电机会磨损并需要更换。电机的端子上有“+”和“-”标签，但电机在两个方向上都被驱动，以实现实施的效果。由于极性决定旋转方向，因此应注意确保所有电机始终正确安装。面向相反方向的组可能需要交换极性，以确保来自相对组的电机不会相互抵消。根据电机的设计，可能存在来自优选旋转方向的MTBF影响。用于初始原型的那些在电刷本身的几何形状中具有旋转不对称性，并且由于换向的偏移角度的可能调整，电机可以具有优选的旋转方向。

每个组件使用的三个电机驱动器来自Pololu(例如，Pololu G2高功率电机驱动器24v21)。它们接收TTL(高/低)电机方向和PWM速度控制，并且可以在高达35伏的输入DC电压下操作，以连续提供高达21安培的双向输出电流，而无需散热片。可以使用高达60安培的短猝发(例如，小于约20毫秒(ms)，例如大约10毫秒的脉冲)来操作该组件。驱动器使用铝板/面板作为散热器，并在内部限流斩波器驱动器激活之前通过在参考电压Vref和地线Gnd之间增加120K电阻器并切断用于紧挨着这些引脚的电路板底部上的现有感测电阻器的迹线被修改以用于更高的最大电流。根据制造商的建议，还在“+”和“-”插座中添加了3300μF的电解电容，这使得电路板在使用中更加稳健。

关于电池和充电系统，组件500使用通过“Y形”电缆串联连接的两个电池。每个电池是基于14.8V LiPo的电池组，具有5安培*hr的容量和50℃的放电额定值，总源容量约为250安培(例如，Lectron Pro 5.2Ah，PN#4S5200-50S)。电池附带40安培的ATO保险丝。即使这个40A的额定值大大低于-180安培的峰值电流消耗，但发现它不会在故意渲染的效果下(所有这些都是短暂的爆发，比保险丝的时间延迟快得多)熔断，同时在意外触发的情况下仍然给予适当的快速响应以保护系统。将保险丝放在正线上可以减轻电机驱动器和外部逻辑电平的问题。

由于可能难以接近地板系统中的一组震动板组件的下侧，因此在一些应用中优选能够从每个地址板组件的外部对系统进行充电。这可以使用具有电压和电流限制的一系列电源并且通过RJ45或类似电缆将电力输出并行地连接到所有的震动板组件来实现。由于任何两个电池的电荷状态略有不同，因此能够对它们独立充电以确保它们保持平衡是有用的。实现这个的一种方法是使用两个电源，一个用于接地17.4V(4.2*4)+0.6V，用于下面讨论的保护二极管，另一个用于17.4V到34.8V。两者都是串联连接的浮动接地电源，接地、中间和顶部电压被发送到震动板组件。

该充电系统的输出在保险丝之后连接到震动板组件中并包括三根电线：一根到电池接地；一根到“Y形”电缆的中心接头；和一根到最正电压电缆。为了防止电池相互反向充电(快速且不合需要)，在高压和接地侧放置二极管以仅允许净电流进入电池。中心线不需要二极管，因为正侧和接地侧都受到保护，并且它需要非常小的电流(例如，仅需要与高电池和低电池之间的充电电流不平衡一样多的电流)。二极管电压降需要添加到两个电源的总充电电压，并且还意味着最耗尽的电池首先被充电，这对于具有不是非常快的充电器的系统来说是个好主意。所使用的电缆(即Cat6电缆)的电流极限为每导体0.5安培，因此对于高压线和低压线两者，2.5A pptc(“polyfuse”)均被添加到配电板的每个输出通道(对于每个防震动板组件或板/面)，这防止过热。这远远低于电池的充电极限(可以处理超过10安培的电量)。为了保持电池组的电池之间的平衡，可以将自给包含电池平衡板(例如，来自Astro Flight的“Blinky”等)插入每个电池中并在有源使用时保持在那里。

关于在地板系统的控制器中使用的处理器和逻辑，使用Arduino Mega作为由发明人原型化的触觉地板系统的主控制器。它具有与用于控制媒体播放的另一台计算机(例如，掌上电脑，笔记本电脑，平板电脑等)的串连连接，例如通过USB连接。处理脚本回放视频和声音以及人工视频屏幕“反弹”(以模拟整个区域的“地震”事件)。在某些情况下，视频播放头部时间被用作触觉、声音和屏幕效果的触发器，而在其他情况下，震动板组件及其传感器和/或其他系统无线传感器用作动态触发视觉和声音效果的主控制器。

在当前实施中，所有触觉效果在C代码形式的软件中表示，而一些实施方式可以使用波形或声音文件库。代码的使用增加了灵活性，因为可以通过算法生成响应于测量、时间或其他输入的效果，但是它可以使“效果”开发更加困难。这样，软件系统优选地被配置为帮助用户利用许多简单的构建块来组合可以针对各种应用进行参数化和修改的有用效果库。例如，随机雨/冰雹效果被开发作为概念证明，对于低频混沌隆隆声效果，这种效果可以以极为不同的参数重新使用(例如，巨石在靠近震动板组件的地方滚动)。

早期版本的地板系统被配置为回放脚本，一次播放一个效果(用阻塞代码实现)，但是后来的版本提供更加分层和/或纹理的效果。为此，构建了事件驱动版本的控制器代码，它不是线程阻塞的，可以独立驱动三个电机组，并在不同的时间尺度上回放三种不同的效果，例如：(a)嘀嗒-短冲击事件(时钟滴答、冰雹、雨、脚步、金属对金属接触等)；(b)脉冲-较大的冲击事件(巨大的脚步声、岩石撞击等)；(c)斜坡-更长和更平滑的事件(在模拟坠落的巨石的脉冲之后衰减、来自悬浮宇宙飞船的悸动低音、隆隆声建立到渐强、低频地震等)。这些构建块采用的参数诸如：脉冲幅度、脉冲峰值时间、脉冲减速度、脉冲上升锐度、脉冲制动锐度、斜坡时间、斜坡峰值幅度、斜坡峰值时间、衰减时间等，并且能够定义戏剧性效果。然后，效果设计师/构建者可以跨效果自身的时间尺度和跨多个电机组/致动器对效果进行分层。例如，“全脉冲”可以用于在所有三个组/致动器上发射脉冲，这仍然允许第一组/致动器上的嘀嗒声以及第二组/致动器上的斜坡并行发生。

控制器还可以使用效果脚本控制震动板组件。这些效果通常设置为以编程的速率循环(有时是随机的)并发动一系列效果。一个示例是“怪物脚步”脚本。这个想法是产生衰减的一系列脉冲，其感觉就像一个巨大地震事件的回响触觉回声。该效果采用一系列参数来确定其最终感觉(初始幅度，混响时间速率，混响衰减率，脉冲锐度，脉冲突破锐度和截止的最小值)，允许人们使用相同的函数来产生各种效果，包括岩石或沙子上的巨大脚步，金属机器人在金属上的脚步，炮弹射击，巨石撞击，宇宙飞船着陆，用武器攻击地板/地面的角色，等等。这些效果的变化是非常有用的，因为它们通过物理学被通报，所述物理学通过导致强的振动是合情理的事物被非常经常地重复。发明人创建的其他已经生成的效果脚本包括：时钟滴答；雨/冰雹；激光冲击；马小跑；士兵或人群游行；悸动的悬浮/太空引擎；强力抓取的隆隆声；和巨石滚动/隆隆声。

发明人采取的另一步骤是开发更具体的效果，其匹配预先录制的声音效果，例如巨人从电影剪辑走出来、门打开和关闭、甚至是声音或音乐。对于这些效果，发明人绘制了声音效果幅度以及相同且被识别的时间标记的低通版本，其可以对应于一些效果块的开始或停止，例如在过渡时的脉冲和斜坡或者声音的开始或结束。有时为了周期性或重复的简单效果(例如，怪物的声音的断断续续等)运行循环。算法效果脚本也可用于创建这些效果，因为许多声音都基于物理，如指数衰减或变化幅度的隆隆声。在一些原型中，来自运行处理代码的计算机的串行命令发送0-255字节，Arduino Master上的简单函数解析命令并触发相应的效果。当无线传感器触发命令时，Arduino Master会通过串行将字节发送回处理代码，从而触发Quicktime音频文件(被发现是低延迟的)或其他事件(如相机抖动或屏幕闪烁)的回放。

在一些实施例中，用于驱动震动板的传感器可以在可穿戴物品中提供。例如，人可以佩戴“手势手套”并描绘来自电影等的角色。角色可以对由在震动板组件的上表面提供的触觉地板上支撑的一组人中的特定参与者做出姿势。然后，取决于手势手套指向的位置和实际手势(例如“召唤”手势)，仅被指向的参与者下方和/或附近的区域将以类似地震的剧烈度振动。

因此，将清楚的是，本说明书的触觉地板系统可以利用手势感测系统(可以是手套的形式)或能够暗示(一个或多个)特定区域接收效果的任何指向/选择方法(例如，指向区域的“魔杖”或照亮聚焦区域的聚光灯)。在另一示例中，触觉地板系统可以使用激光束已经击中的区域的感测，例如，人造激光束击中地板系统的某个区域中的震动板组件的上表面(或被支撑的参与者)，然后在该区域及其周围，地面抖动，同时结合有声音/照明/视频和/或其他协调效果。在一些实施例中，虚拟现实(VR)头戴式设备中的人在震动板上站立或在震动板行走，并且控制触觉地板系统以使得他们的本地物理体验与他们在由VR头戴式设备提供的VR世界中的该地点的处应该感觉到的体验联接。

如上所述(例如，参考图5)，调节弹簧悬架(例如，图5中的元件520)可以采用一组耐用弹簧的形式。泡沫仅是暂时的，特别是在热天气时的室外，可以使用弹簧或橡胶构件代替泡沫。尽管未示出，但是本领域技术人员将理解，图5中所示的悬架520的四个泡沫构件中的每一个可以由一个、两个、三个或更多个螺旋弹簧(金属或其他材料)代替，其一端邻接和/或附接到面板/拼块510的下侧或下表面514。

可以提供超程止动件，例如在面板/拼块510的拐角处以腿的形式设置和/或沿着面板/拼块片510的边缘设置。在静止时，弹簧通常具有高度/长度，使得一端将向外延伸超过超程止动件的端部一定距离，以允许它们在被加载时和在震动板组件的操作期间压缩一定距离并且具有受到超程止动件限制的行程/压缩。超程止动件被配置为在组件500过载的情况下为硬件(例如，致动器530，电池/电容器550，控制器560等)提供倾翻稳定性和挤压保护。弹簧悬架520可以使用板簧或弓形弹簧代替螺旋弹簧，其具有更强的剪切稳定性。例如，使用螺旋弹簧的悬架520可以受益于包括连杆、引导件或导轨以确保其在剪切方向上不会以错误的方式落下，同时仍允许振动使其能够针对小幅度自由移动。相比之下，板簧和弓形弹簧在长度方向上可以自由地获得此功能，并且可以在另一个方向上进行调整以使振动发生。

Claims (23)

1.一种触觉地板系统，适于提供基于振动的触觉体验，包括：

主控制器；和

多个震动板组件，所述震动板组件中的每一个包括：

板，其具有上接触表面和与上接触表面相反的下安装表面；和

至少一个致动器，其安装在所述下安装表面上，且能够被操作为施加力到所述板，以引起所述上接触表面振动，

其中，响应于感测到的事件，所述主控制器产生控制信号，并将所述控制信号发送到所述多个震动板组件，以独立地触发每一个震动板组件的至少一个致动器的操作，以使所述至少一个致动器顺序地或并行地操作来施加力，从而并行或顺序地振动所述多个震动板组件的上接触表面。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括传感器，所述传感器感测以下至少一方面：人员相对于所述上接触表面的运动、道具相对于所述上接触面的运动、和物体与所述上接触表面中的一个的接触，并响应于该至少一方面产生传感器输出，并且其中，所述主控制器处理所述传感器输出以识别所感测到的事件。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，每一个震动板组件包括本地控制器和存储触觉效果定义库的存储器，并且其中，所述本地控制器响应于接收到一个所述控制信号，检索一个触觉效果定义，并操作致动器对所述板施加力。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述感测到的事件包括：

显示器在播放视频或音频系统在播放音轨，

并且其中，基于与所述视频或所述音轨相关联的代码集或触觉事件脚本，操作所述致动器提供与所述视频或所述音轨匹配的触觉体验。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动器包括多个振动器电机，每个振动器电机具有驱动电机、由所述驱动电机旋转的驱动轴、以及固定到所述驱动轴的重物，所述重物的质心从所述驱动器的中心轴线偏移一定距离，由此每个振动器电机在所述驱动电机的操作期间产生离心力。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，每个震动板组件包括第二致动器和第三致动器、用于每个致动器的驱动器、以及用于操作驱动电机的机载电力存储器，并且其中，每个震动板组件上的致动器能够经由驱动电机独立操作。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述致动器包括支撑所述多个振动器电机的线性框架，其中所述驱动轴平行布置，其中，所述框架刚性地联接到所述下安装表面，并且其中，所述板包括平坦的刚性材料片。

8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述驱动电机以短猝发操作，以提供重物取向基于重力的同步，或者，所述驱动电机操作为以交替的方向转动驱动轴，从而以摆动运动移动所述重物。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，每个震动板组件的致动器包括：平行于所述下安装表面延伸的细长驱动轴，能够操作以旋转所述细长驱动轴的至少一个驱动电机，以及刚性联接到所述细长驱动轴并且平行于所述细长驱动轴延伸的细长重物，所述细长重物的中心轴线从所述细长驱动轴的中心轴线偏移一距离。

10.一种用于提供基于振动的触觉体验的设备，包括：

板，其具有上接触表面和与所述上接触表面相反的下安装表面；

致动器，其联接到所述下安装表面，其中，所述致动器能够操作为产生导致所述板振动的离心力；和

控制器，其产生控制信号来触发所述致动器的操作，以便振动所述上接触表面并提供基于振动的触觉体验。

11.根据权利要求10所述的设备，还包括：能量存储装置，其安装到所述下安装表面，用于为所述致动器的操作供电；和致动器驱动器，其安装到所述下安装表面，以响应于来自所述控制器的控制信号驱动所述致动器的操作。

12.根据权利要求11所述的设备，还包括能够由所述控制器访问的触觉效果定义的库，并且其中，基于所述触觉效果定义中的至少一个产生所述控制信号。

13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述致动器包括多个振动器电机，每个振动器电机具有驱动电机、由所述驱动电机旋转的驱动轴、以及固定到所述驱动轴的重物，所述重物的质心从所述驱动器的中心轴线偏移一定距离，由此每个振动器电机在所述驱动电机操作期间产生离心力。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述致动器包括支撑所述多个振动器电机的线性框架，其中所述驱动轴平行布置，其中，所述框架刚性地联接到所述下安装表面，并且其中，所述板包括平坦的刚性材料片。

15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述驱动电机以短猝发操作以提供重物取向基于重力的同步，或者，所述驱动电机被操作为使所述驱动轴以交替的方向旋转，从而以摆动运动移动重物。

16.根据权利要求10所述的设备，其中，所述致动器包括：平行于所述下安装表面延伸的细长驱动轴，能够操作以旋转所述细长驱动轴的至少一个驱动电机，以及刚性联接到所述细长驱动轴并且平行于所述细长驱动轴延伸的细长重物，所述细长重物的中心轴线从所述细长驱动轴的中心轴线偏移一距离。

17.根据权利要求10所述的设备，其中，所述控制器响应于来自位于所述上接触表面上的人员使用的虚拟现实VR装置的数据而产生控制信号，并且其中，基于振动的触觉体验与由VR装置并行提供给所述人员的VR体验协调。

18.一种用于提供基于振动的触觉体验的设备，包括：

平坦的板，其具有上接触表面和与所述上接触表面相反的下安装表面；

致动器，其联接到所述下安装表面，其中，所述致动器能够操作为产生导致所述板振动的离心力；和

控制器，其产生控制信号以触发所述致动器操作，以便振动所述板和所述上接触表面，

其中，每一个震动板组件的致动器包括：

平行于所述下安装表面延伸的细长驱动轴，能够响应于所述控制信号操作以旋转所述细长驱动轴的至少一个驱动电机，以及刚性联接到所述细长驱动轴并且平行于所述细长驱动轴延伸的细长重物，所述细长重物的中心轴线从所述细长驱动轴的中心轴线偏移一距离。

19.根据权利要求18所述的设备，还包括从所述下安装表面延伸的悬架，其中，当所述设备安装在支撑表面上时，所述悬架夹在所述下安装表面和所述支撑表面之间。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述悬架包括围绕所述下安装表面的周边延伸的弹性泡沫，或者，所述悬架包括从所述下安装表面向外延伸的多个弹簧。

21.根据权利要求18所述的设备，其中，所述细长驱动轴和所述细长重物中的每一个包括金属杆，并且其中，所述细长驱动轴经由至少一个轴承座附接到所述下安装表面。

22.根据权利要求18所述的设备，还包括能量存储装置，其安装到所述下安装表面，用于为所述致动器的操作供电；和致动器驱动器，其安装到所述下安装表面，以响应于来自所述控制器的控制信号驱动所述致动器的操作。

23.根据权利要求22所述的设备，还包括能够由所述控制器访问的触觉效果定义的库，并且其中，基于所述触觉效果定义中的至少一个产生所述控制信号。