CN111512273B - 提供改善的局部变形的平面设备 - Google Patents

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Abstract

触觉界面，包括：面板(1)，面板(1)具有带有一个或多个外部元件的交互表面(2)，交互表面包括彼此相对布置的多个交互区域(Z1，Z2，Z3，Z4)，使得其基本上覆盖整个交互表面(2)和与面板接触的多个致动器(A1，A2，A3，A4)；致动器的控制装置(6)，其被配置为将控制信号发送至致动器，包括用于计算所述控制信号的计算装置(8)，所述计算装置(8)执行反向滤波运算，以便基于一个或多个交互区域(Z1，Z2，Z3，Z4)的一个或多个期望位移发出控制信号，至少部分地补偿波的失真、混响和传播。

Description

提供改善的局部变形的平面设备
技术领域和背景技术
本发明涉及一种提供改善的局部变形的平面(areal)设备，并且尤其涉及提供改善的刺激定位的触觉刺激界面(interface)。
触觉刺激界面被设计为再现触觉信息，诸如纹理、浮雕、随时间和/或空间可变的粗糙度、按压在柔性材料上或按键的错觉等。
这种界面例如在人机界面领域中使用。它们还可以用于光学、声学、化学和自动化制造等领域。
触觉界面包括例如设置有屏幕的表面。用户通过将一根或多根手指施加到界面上来与界面进行交互，例如通过按下键的表示以进行选择。一方面，期望能够以逼真的方式对选择，即，“点击”进行再现。另一方面，期望用户能够使多个手指与界面接触，以便能够执行与界面间的多数字交互并且感知到彼此不同的感觉。
存在这样的触觉界面，其使用在触觉表面下方的一个或多个致动器，例如，电磁或压电致动器，该致动器被设计成使整个表面振动。如果多根手指都与表面相接触，则它们都会感知到相同的感觉。
还存在包括致动器矩阵的界面，每个致动器专用于在界面的一个区域中进行刺激。手指要么直接与致动器接触，要么通过可以局部变形的柔性表面隔开。所述设备不允许在诸如触摸板之类的面板类型的刚性表面上实现局部反馈。
通过用刚性面板(例如，玻璃面板)代替柔性表面，致动器局部产生的振动在整个表面上传播并回荡。然后，即使仅激活了给定手指下方的单个致动器，所有手指都会感知到这些振动。
此外，如果激活多个致动器以同时刺激多根手指，则在希望实际产生刺激的区域中以及在其他区域中，每个致动器的振动效果被添加到另一个致动器的振动效果中。因此，即使是被刺激的手指也会受到“感染的”刺激。
存在使用时间反转方法的触觉界面，例如在C.Hudin，J.Lozada和V.Hayward所著文献“Localized Tactile Feedback on a Transparent Surface through Time-Reversal Wave Focusing”(IEEE Transactions on Haptics,vol.8,no 2,p.188 198,Apr.2015)中描述了这种触觉界面。该界面允许对刺激进行定位。界面包括玻璃面板和布置成与玻璃面板的外围接触并处于玻璃面板的外围处的致动器。压电致动器将声波传播到玻璃面板中。使用时间反转方法的优点在于，允许在面板的表面上以局部方式产生振动，并且允许分别刺激不同的手指，所述触觉反馈也称为“多点触摸局部触觉反馈”。该界面是令人满意的，然而，这种干扰通常需要介于20kHz至150kHz之间的频率。因此，当一根或多根手指与面板接触时，会产生可听见的声音，与低频振动(例如通过按下按钮的机械响应所产生的低频振动)相比，该声音所产生的自然感较差。实际上，当触觉灵敏度范围内的低频振动(通常在0kHz到1kHz之间)与用户的动作(例如，力、位移、接触)相关时，其允许模拟屏幕表面上的按键或浮雕的存在。
H.Nicolau，K.Montague，T.Guerreiro，A.Rodrigues和V.L.Hanson，所著的文献“HoliBraille:multipoint vibrotactile feedback on mobiledevices”(2015,pp.1-4)提出了通过将致动器放置在每根手指下方并通过吸收振动的表面将每个致动器机械分离来解决该问题。然后，致动器的激活产生仅由直接接触的手指才能检测到的刺激。因此，在这种情况下，手指与致动器直接接触，而不与其与之交互的触觉表面直接接触。此外，充分吸收低频振动需要大量泡沫，这与移动设备(比如，触控板)或移动电话(比如，智能手机)的结构限制不太兼容。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种平面设备，其提供其表面的改善的局部变形。
本发明的目的还在于提供一种触觉刺激界面，其使得可以在具有光滑表面的同时产生改善的局部刺激。
上述目的通过一种触觉刺激界面来实现，该界面包括被设计成由用户触摸探索的表面和被设计成在希望产生触觉刺激的表面区域中产生振动的至少一个致动器，所述至少一个致动器的控制装置包括用于使用反向滤波运算来计算控制信号的装置，并且将控制信号发送至致动器。反向滤波允许补偿传播的影响。
在使用多个致动器的一个实施例中，每个致动器都位于表面的区域下方，当希望刺激位于致动器中的一个致动器上方的手指时，激活该致动器，然而，不希望激活的那些位于其他手指下方的其他致动器也被激活，以便消除这些区域的振动。此外，考虑到其他致动器的激活影响来控制被激活用于实际刺激手指的致动器。
在使用多个致动器的界面的另一实施例中，一根或多根手指不位于一个或多个致动器的上方，并且当希望刺激手指时，所有致动器都接收信号，一方面用于产生与待刺激的手指接触的表面区域的振动，另一方面用于消除不希望刺激的与其他手指接触的表面区域的振动。在该实施例中，控制点不与致动器共定位。
换言之，本发明无法阻止波在整个表面上的传送或传播，然而，借助于不同的致动器消除了不希望产生刺激的点处的振动。因此，致动器既用于产生旨在产生期望刺激的振动，又用于消除振动。
因此，本发明使得可以补偿波的混响及其传播，波的混响及其传播涉及串扰，即，被发送到面板的另一点处的另一致动器的信号会造成对给定点处的期望位移的感染(pollution)。
因此，反向滤波器的使用允许在表面的不同区域中获得色散和混响影响所校正的位移，其中致动器位于这些区域中的一部分区域下方，或者不位于这些区域中的任何一个下方。
通过本发明，在待刺激的手指所在的区域中获得的位移与在其他致动器的中心处获得的位移无关。然后，不刺激其他手指。之后，通过将刺激从一个区域到另一个区域的分离，可以形成多数字触觉界面。
本发明还适用于致动器的界面的情况。实际上，单个致动器的控制信号的产生使得可以补偿由于致动器的响应和表面中的波的混响而引起的信号失真。
触觉界面具有适合于触觉应用的布局，与现有界面相比，触觉界面的体积不会增加。实际上，致动器可以直接结合至触觉表面，并且不再需要减振，因此不再需要使用大量的隔离装置。
因此，本发明的主题是一种具有局部变形的平面设备，其包括面板，面板具有带有一个或多个外部交互元件的交互表面，包括与外部的至少一个交互区域；至少一个致动器，至少一个致动器能够在交互区域中在与面板的平面正交的方向上引起变形，所述至少一个致动器的控制装置被配置为向所述致动器发送控制信号，包括所述控制信号的计算装置，所述计算装置使用反向滤波运算，以便基于所述区域的期望位移发出控制信号，至少部分地补偿波的失真、混响和传播。
优选地，交互表面包括相对于彼此布置的多个交互区域，使得交互区域基本上覆盖整个交互表面以及至少覆盖与交互区域一样多的致动器，所述计算装置使用反向滤波运算，以便基于一个或多个交互区域的一个或多个期望位移发出控制信号，至少部分地补偿波的失真、混响和传播。
在一个实施例中，一个或多个致动器布置在所述一个或多个交互区域的下方，与交互表面相对。
优选地，一个或多个致动器的表面基本上对应于被设计成与交互表面相接触的一个或多个交互元件的表面。
在元件是手指的情况下，一个或多个致动器的表面有利地在1cm2至几cm2之间。
在另一个实施例中，一个或多个交互区域在交互表面的平面中与一个或多个致动器间隔开。
非常有利地，该设备包括用于检测至少交互区域和外部交互元件之间的接触的装置，并且优选地，包括用于检测一个或多个外部交互元件与所有的交互区域之间的接触的装置。
该设备可以包括用于测量一个或多个外部元件与一个或多个交互区域的承载力的装置，以确定期望的刺激。
例如，交互区域和致动器具有六边形的形状，这使得可以优化交互表面的覆盖。
在一个实施例中，致动器是压电致动器。致动器可以包括透明薄膜，使得其适合于制造触摸屏。
在另一个实施例中，致动器是电磁致动器，每个电磁致动器包括线圈和磁体，磁体或线圈能够在面板上施加力。
在一个实施例中，每个致动器的至少一部分直接固定至面板。
该设备可以包括位于面板下方与交互表面相对的屏幕。屏幕可以固定到与交互表面相对的面板上。致动器可以固定到屏幕上，与屏幕的和所述面板接触的面相对。
本发明的主题还涉及用于触觉刺激界面，其包括根据本发明的设备。
本发明的主题还涉及包括根据本发明的设备的触控板。
本发明的主题还涉及具有局部变形的平面设备的工作(functioning)方法，该设备包括：面板，面板具有带有一个或多个外部交互元件的交互表面，交互表面包括与外部的至少一个交互区域；至少一个致动器，至少一个致动器与交互表面接触并且能够在与面板的平面正交的方向上引起变形，该方法包括：
-检测所述交互区域和外部交互元件之间的接触，
-选择所述交互区域的期望位移，
-通过反向滤波运算基于期望位移产生控制信号，
-将控制信号施加到所述致动器。
本发明的主题还涉及具有局部变形的平面设备的工作方法，该设备包括：面板，面板具有带有一个或多个外部元件的交互表面，包括与外部的多个交互区域；多个致动器，多个致动器与交互表面接触并且能够在与刚性面板的平面正交的方向上引起变形，该方法包括：
-检测所述交互区域和交互元件之间的一个或多个接触，
-为所述交互区域中的每个交互区域选择期望位移，
-通过反向滤波运算基于期望位移产生控制信号，
-将控制信号施加到位于期望发生实际位移的区域下方的致动器中的至少一部分致动器。
在操作的示例中，致动器中的全部或一部分被布置在交互区域下方，并且控制信号被施加到位于交互区域下方的致动器中的全部或一部分，通过该交互区域已检测到与外部元件的接触。
附图说明
根据以下描述和附图对本发明进行说明，在附图中：
-图1是根据本发明的第一实施例的使用四个致动器的触觉界面的俯视示意图，
-图2是随以ms为单位的时间变化的以μm为单位的期望位移的示意图，
-图3A用图形表示了对于现有技术的界面的致动器A1至A4，随以ms为单位的时间而变化的以V为单位的所发出的信号，以获得图2的位移，
-图3B用图形表示了对于根据本发明的界面的致动器A1至A4，随以ms为单位的时间而变化的以V为单位的所发出的信号，以获得图2的位移，
-图4A是通过利用图3B的信号激活图1的界面的致动器A1至A4，在每个致动器上方的区域中心测得的位移的图形表示，
-图4B至图4D是当分别在区域Z2、Z3、Z4中期望图2的位移时，通过激活图1的界面的致动器A2、A3、A4，在区域Z1至Z3的中心处测得的位移的图形表示，
-图5A是通过利用图3A的信号激活致动器A1、A2、A3和A4，在每个致动器上方的区域中心测得的位移的图形表示，
-图5B至图5D是当分别在区域Z2、Z3、Z4中期望图2的期望位移时，通过激活现有技术的界面的致动器A2、A3、A4，在每个致动器上方的区域中心处测得的位移的图形表示，
-图6是根据本发明的另一示例的触觉界面的操作步骤的示意图，
-图7A至图7D是根据本发明的触觉界面的结构的不同实施例的，在与触觉表面的平面正交的平面中的截面图，
-图8是根据本发明的第二实施例的触觉界面的俯视图，
-图9A是根据本发明的具有两种不同尺寸的致动器的矩阵结构的两个界面的示意图，
-图9B是所有控制信号的以dB为单位的能量比的图形表示，控制信号对于控制图9A的两个界面的面板上的两个随机布置的点而言是必需的，
-图10A是现有技术的两个界面的示意图，其中两种不同尺寸的致动器布置在界面的边缘上，
-图10B是所有控制信号的以dB为单位的能量比的图形表示，控制信号对于控制图10A的两个界面的面板上的两个随机布置的点而言是必需的。
具体实施方式
在下面的描述中参考的是在触觉界面上的应用来更详细地描述本发明，然而，本发明适用于其他领域，比如显微操作或光学。
在触觉界面的情况下，考虑的是用户正在用其手指与触觉界面进行交互。应当理解，用户可以用其身体的其他部分进行交互。
在本申请中，术语“交互区域”、“刺激区域”和“控制点”是同义词。
图1示出了根据本发明的触觉界面的第一实施例的俯视示意图，该触觉界面包括例如由玻璃制成的面板1，该面板1在其多个面中的一个面上承载有与外部交互的交互表面，该交互表面被称为触觉表面，四个致动器A1、A2、A3和A4布置在玻璃面板下方，例如固定在面板1的与触觉表面2相对的表面上。触觉界面还包括用于多个致动器中的每个致动器的控制装置6，其包括用于控制信号的计算装置8。
对面板的材料进行选择，使其允许低频振动(通常低于1kHz)传播几厘米。该材料可以是柔性或刚性材料。
致动器使得它们能够在被致动时在平面以外的方向上，即，在与面板的平面正交的方向上在面板上施加力。面板的平面是平行于其最大表面延伸的平面。图7A至图7D示出了从侧面示出的根据本发明的界面的几个示例。在图7A至图7D的图示中，致动器能够朝向顶部和/或底部施加力。
如下文中所述，致动器可以与面板直接接触，也可以不与面板直接接触。
在所示的示例中，致动器沿着轴线对准。
例如，致动器是压电致动器。
用户旨在例如通过按压表面的被指定为Z1、Z2、Z3、Z4的某些点来与触觉表面2交互。致动器A1至A4分别垂直于区域Z1至Z4布置，并且设计为被致动以触觉地刺激与该区域接触的手指。区域Z1至Z4的表面也是致动器A1至A4的表面。
优选地，致动器的表面对应于手指与触觉表面接触的表面，使得一次仅单个手指与区域Z1至Z4接触。例如，致动器的外部尺寸为厘米量级，例如直径为厘米量级的圆盘或侧边为厘米量级的正方形。因此，致动器的表面优选地在1cm2至几cm2之间，致动器通过该表面而作用在面板上。
例如，致动器具有直径Φ为2cm的圆盘形状，并且例如，触觉表面具有15cm的长度以及10.5cm的宽度。
如下文中所述，本发明可以激活致动器，以控制位于致动器上方的每个区域的触觉刺激。致动器覆盖的表面越大，对触觉表面上的触觉刺激的控制就越好。致动器可以具有任何形状，如多边形盘形状等。例如，致动器具有六边形形状，如图6所示，以确保在触觉表面下方的最大覆盖范围。
计算装置8执行反向滤波运算以确定控制信号。计算装置还执行振动合成算法，该算法根据区域中的期望刺激来确定这一区域中的期望信号，并且如下所述，例如考虑到在所述区域上的按压力、手指的运动速度。这种类型的算法对于本领域技术人员是众所周知的，因而对此不再赘述。
现在描述其中计算装置8不应用反向滤波运算和其中计算装置8应用反向滤波运算的触觉界面的功能的示例。在该示例中，期望获得图2中所呈现的区域Z1至Z4中的位移，该位移由振动合成算法确定。期望的是在区域Z1中存在300Hz处的振荡的5个周期的窗型正弦位移“突发”，并且在区域Z2至Z4中不存在位移，即没有振动。
在图3A中可以看出，在现有技术的触觉界面中，以伏特表示的控制信号作为以ms为单位的时间的函数，被发出并发送至致动器A1、A2、A3和A4。仅一个信号被发送至致动器A1，该信号与期望的位移相同，并且没有信号被发送至致动器A2、A3和A4。
在图5A中，在区域Z1、Z2、Z3和Z4中，以μm为单位测量的位移被表示为以ms为单位的时间的函数，该位移由图3A的信号产生。
应当注意的是，一方面，在区域Z1中测得的位移对应于变形的控制信号，并且由于面板产生的波的反射及其传播而具有另外的振荡，因此，它不对应于图2中所示的期望位移。
另一方面，应当注意的是，在区域Z2至Z4中不期望存在位移的情况下，在所述区域Z2至Z4中测得非零值的位移。此外，这些位移不可忽略。因此，如果用户有一根或多根手指处于区域Z2、Z3和/或Z4上，则会感觉到不期望的触觉刺激。然后，用户可能会感知到虚假信息。
图5B、图5C和图5D的图示示出了通过施加已经被施加至A1的图3A的信号，在致动器A2、A3和A4激活期间在所有区域中分别测得的位移。
因此应当注意的是，通过施加直接对应于期望位移的控制信号，一方面，在一个区域中的期望位移与所获得的位移之间存在差异，另一方面，产生了不期望的触觉刺激。
根据本发明，计算装置执行反向滤波，这使无论每个区域中的位移为零或不为零，都可以更好地控制每个区域中的位移。
图3B示出了根据本发明的在触觉界面中的、被发出并发送至致动器A1、A2、A3和A4的控制信号，以获得图2的期望位移。所有致动器都被激活，不仅致动器A1和发送至A1的信号与期望的位移不同，而且它还是复杂的并且使得其补偿了其他致动器的效果和反射效果。
图4A示出了在每个区域Z1至Z4中由图3B的信号所产生的测得的位移。应当注意，在Z1中测得的位移对应于期望的位移，并且在不期望存在位移的其他区域中测得的位移几乎为零。因此，如果用户将手指放在区域Z2至Z4之一上，则不会感觉到触觉刺激，或者仅感觉到非常少量的触觉刺激。因此，传送给用户的信息是正确的。
图4B至图4D示出了通过施加已经被施加至A1的图3B的信号，在致动器A2、A3和A4激活期间在所有区域中分别测得的位移。应当注意，在Z2、Z3和Z4中测得的位移对应于期望的位移，并且在不期望存在位移的其他区域中测得的位移几乎为零。
借助于反向滤波运算，对于不期望产生刺激的区域，控制信号激活与这些区域相对应的致动器，至少激活与手指接触的区域下方的那些致动器，使得其产生振动，旨在消除由致动器的激活导致在期望产生刺激的区域下方进行传播从而引起的那些振动。
对期望产生刺激的区域下方的致动器的控制信号的计算考虑了期望的位移以及由其他致动器产生的振动的传播和反射的影响。因此，根据本发明，考虑到外部环境来控制每个致动器。
在致动器覆盖的每个区域中也可能获得为零的位移，该位移可以通过失真和混响的影响进行校正，并且独立于其他区域中心的位移。
现在描述反向滤波运算。例如，在应用于医学成像中的图像处理的M.Tanter等人的文章“Optimal focusing by spatio-temporal inverse filter.I.Basic principles”(《美国声学学会杂志》110，37(2001))中描述了这样的运算。
线性系统在激励E下的R响应由关系R＝H.E给出，其中，H为系统的传递函数。在应用于触觉界面时，在致动器i的中心测得的面板的位移Ui被视为对发送至致动器j的信号Sj的响应。因此：
Ui(ω)＝Hij(ω)Sj(ω)
其中，Hij(ω)是在发送至致动器i的信号与在致动器j的中心处记录的位移之间的传递函数。如果N个致动器同时发出，则获得的位移是这N个致动器的贡献之和：
以矩阵形式为：
或者
因此，致动器i的中心处的位移ui与施加到其上的信号si不成比例，而是通过与面板Hii结合的致动器的响应来被滤波，并且通过项Hij而依赖于发送到其他致动器的信号，这些信号产生传播到整个面板中的波。
反向滤波包括通过计算待施加到该组致动器的信号来反转该关系，以获得期望的位移。通过注意在所有位置处的频域中的期望位移通过以下关系式计算待发送到每个致动器的信号/>
最终得到位移由下式给出：
以这种方式，获得的位移与预期的位移一致，
通过对矩阵求逆，尽管产生了波形的失真、混响和传播，但是在生成控制信号之前，可以补偿所有的影响，以获得期望的位移。
该滤波器是暂时的，由于它考虑了所有致动器所发出的信号，因此执行在所有频率对幅度和相位的变换，以及在空间上的变换。
优选地，该界面包括检测装置10，该检测装置10用于检测区域上的手指的存在，以便一方面确定是否要产生刺激，另一方面用于激活处于不必激活的区域下方的致动器。所使用的检测装置是通常在触觉区域中使用的那些检测装置，例如，它们是电容性的、阻抗性的、红外类型的。在一种变型中，可以解决在刺激区域上未检测到手指并控制所有其他区域的致动器以限制甚至消除它们的位移的问题。但是，这种激活消耗能量和计算能力。
根据另一变型，该界面不包括用于检测手指的存在的装置，因此，可以在实际上不知道手指是否位于所述区域上的情况下，在该区域中产生振动。通过假设所有位置都被触摸来执行振动控制。
有利地，该界面包括用于测量手指在区域上的压力的装置11，然后可以有利地考虑该压力的值，以更精确地模拟触摸或按钮的响应。用于测量力的装置例如包括压电的、压阻的、电容性的装置等，通过振动合成算法来考虑到压力的值以确定区域中的期望位移，而不是在反向滤波步骤中。
同样有利地，振动合成算法还测量并考虑了一根或多根手指在触觉表面上的速度，以确定一个人所希望获得的信号形式。
通过考虑压力和运动速度，刺激则更加真实。
图6示出了触觉界面的另一示例的计算装置和控制装置的功能示例的示意图。
在该示例中，界面包括六边形形状的多个致动器A1、A2、A3至AN，其覆盖与触觉表面相对的几乎所有表面。因此，无论手指处于触觉表面上的哪个位置，手指所接触的区域的位移都可以通过激活位于所述区域下方的致动器来控制。
在图6中，在三个不同的区域中产生了三个触觉刺激，它们可以相同或不同。三根手指D1、D2、D3在三个不同的区域Z1、Z2、Z3中与触觉表面接触。实际上，当一个人希望在至少两个不同的区域中进行刺激时，可以执行控制信号的计算。在此功能模式下，除了区域Z1、Z2和Z3之外，其他区域的位移为零。通过应用反向滤波来执行控制信号的计算。
检测手指在区域Z1、Z2和Z3上的存在，并且可能测量手指在区域Z1、Z2和Z3上的压力。
每个区域与存储在控制装置的存储器中的一个或多个刺激相关联，该刺激可以例如根据压力而变化。例如，刺激可以是这样的，其再现了点击类型的被按下的键盘按钮、确认按钮的位移；当承载在可变形表面上时产生的瞬时振动也可以被再现。示出了屏幕包括与不同命令相对应的图案。
控制装置合成接收到的信息(步骤200)，然后确定在界面编程期间与刺激相关联的所期望的振动(步骤300)。
然后，将所期望的振动用于计算装置8的反向滤波器的输入(步骤400)，该计算装置确定至少致动器A1、A2和A3的控制信号(步骤500)。有利地，信号被放大，然后被发送至致动器A1、A2和A3(步骤600)。之后，它们产生兼容的触觉反馈(步骤700)。
根据本发明的界面可以仅包括单个致动器，实际上通过反向滤波对单个致动器的控制信号的计算使得可以补偿由于致动器对其自身振动以及表面中的波的混响的响应而引起的信号失真。
根据本发明的界面使得可以在所有频率操作，而不仅是在低于1kHz的触觉灵敏度频率操作，然而后者是有利的，这是因为在致动器启动期间，它们不产生声音。因此，可以使用不同类型的致动器。压电致动器适用于高频和低频功能。
压电致动器包括面板形式的压电材料，例如，由锆钛酸铅(PZT)或氮化铝(AlN)制成，以及在面板的任一侧并与面板相接触的电极，以施加电流，从而导致压电材料变形。
通过本发明，也可以赋予表面受控的轮廓。实际上，表面的永久变形可以被视为零频率振动。也可以应用反向滤波法。通过在面板上施加局部压力，整个表面变形。通过应用反向滤波法，可以在期望的点处消除这种变形。
电磁致动器是可能的。它们适用于低频功能。例如，在Benali-Khoudja等人所著的文献“An electromagnetic integrated tactiledisplay”(2007-VITAL)中描述了这种致动器。每个致动器例如包括固定线圈和结合在触觉表面下方的磁体。通过反向滤波计算发送到线圈中的电流信号。
图7A至7D示出了适用于本发明的触觉界面的结构的几个示例。
在图7A中，致动器A1、A2至AN是固定的，例如通过直接结合到面板1的与触觉表面2相对的面上而固定。该结构适合于形成触控板，实际上，致动器通常不是透明的。在触控板的情况下，触觉表面通常是不透明的。
在图7B中，界面包括设置有如图6中所示的致动器的面板1，以及与触觉面板相对的屏幕E。在这种结构中，有利地选择透明的致动器，例如布置成薄层的压电致动器。
在图7C中，该界面包括透明面板1，直接布置在面板1下方并连接到面板1的屏幕E，例如，其被结合至面板1，以及在与面板的一侧相对的面上固定至屏幕的致动器A1至AN。这种配置的优点在于不需要透明的致动器。在该示例中，致动器通过屏幕作用在触觉表面上。该屏幕例如是OLED屏幕，该OLED屏幕具有的优点在于非常精细并且通常直接结合到触觉面板上。该组件的优点在于提供良好的低频传输。
在图7D中，界面包括面板1和在与触觉表面相对的面上的压电致动器A1至AN。致动器共同包括压电材料层12，在层12和面板1之间的公共电极14以及在层12的相对面上的电极16，以形成单独的致动器。
图8示出了根据第二实施例的触觉界面的俯视图。
在该实施例中，待刺激的一根或多根手指以及因此待刺激的表面的区域不位于致动器上方。
在这一示例中，致动器A101至A106沿着触觉表面的边缘分布，每个边缘上三个。手指被设计为与位于两排致动器之间的表面的区域相接触。Z101、Z102、Z103等这些区域是潜在的刺激区域。图8的致动器的布置不是限制性的，另外的布置是可能的，例如沿着面板的四个边缘分布，或者在两个不平行的边缘上分布，非对称分布，在圆形表面的情况下以圆形分布等。
致动器可以布置在表面上或在表面下方，例如被结合至表面。
该实施例在屏幕应用中是非常有利的，这是因为它不需要使用透明的致动器。
优选地，致动器布置在整个交互表面的下方。这种布置使得可以最小化手指和致动器可位于的控制点之间的距离。
潜在的刺激区域位于致动器的近场中，即潜在的刺激区域位于小于或等于致动器在平面中的尺寸的距离处，或者位于被发送至致动器的控制信号的波长处，应考虑最大距离。
这种近场中的配置使得可以通过减小所发出信号的功率以获得给定的位移来进行有效的控制，尤其是当控制点之间的距离小于一个波长时。
图9B示出了所有控制信号的以dB为单位的功率比，该控制信号对于控制图9A中所示的两种不同尺寸的矩阵布置的致动器A的面板上的两个点而言是必需的，使得可以将控制点布置在根据本发明的致动器的近场中。
通过比较，图10B示出了所有控制信号的以dB为单位的功率比，该控制信号对于控制随机地布置在用于图10A所示的位于面板边缘上的两种不同尺寸的致动器A'的布置的面板上的两个点而言是必需的，其中控制点不处于致动器的近场中。
这些测量是使用厚度为1mm的玻璃面板执行的，控制信号的频率范围覆盖0至1kHz的触觉灵敏度范围，该范围对应于10cm的波长。所考虑的致动器是尺寸为10mm和20mm的压电陶瓷。测试了两个模拟中随机选择但相同的1000对点。与致动器在面板边缘上的布置相比，通过根据本发明的致动器和控制点的相对布置，对于所使用的两种尺寸的致动器，注意到分别平均降低了5dB和8dB。
该界面还包括控制装置106，控制装置包括使用反向滤波运算的计算装置108，其中，将发送到每个致动器的信号和记录在潜在的不同刺激区域中的位移之间的传递函数重新分组的矩阵不能是平方矩阵，这是因为致动器的数量和潜在刺激区域的数量可以不同。为了确保矩阵求逆的稳定性，致动器的数量大于或等于同时待刺激的最大区域数，即，在利用一只手或两只手来使用的界面的情况下，致动器的数量大于或等于可以与表面接触的手指的最大数量，例如5或10。
优选地，界面包括用于检测手指在表面的不同区域上的接触的装置。
与第一实施例一样，致动器的控制使用矩阵H(ω)，该矩阵H(ω)是通过频率为Hpq(ω)的响应函数建立的，该函数将Q个致动器链接到P根手指中的每根手指。
所述频率响应函数可以从响应数据库获得，或从简化的响应库进行插值。
然后，针对带宽的每个频率计算矩阵该矩阵/>是矩阵/>的伪逆矩阵，这是因为矩阵不可以是正方矩阵。
在考虑到具有Q个致动器和可能与界面表面相接触的P根手指的情况下，控制装置的工作模式如下。
首先，通过类似于上面关于第一实施例所述的检测装置来确定一根或多根手指在交互表面上的位置。
根据交互类型，刺激表面上的所有手指或一些手指。在接下来的步骤中，在P根手指中的每根手指的下方确定期望的振动vp(t)。所述振动是先前根据待提供的信息而确定的任意信号，可能为零，其被确定以便产生用户可感知并适应交互环境的触觉反馈。
在接下来的步骤中，通过逆矩阵对期望的振动进行滤波，以获得致动器的控制信号。
在接下来的步骤中，Q个执行器的控制信号sq(t)被发出并且被发送至执行器。
例如，期望的是手指D1被刺激而其他手指D2和D3不被刺激。控制所有的致动器A101至A06以在区域Z101中产生刺激并且抵消可能在区域Z102和Z103中出现的任何振动，并且优化在区域Z101中的刺激。
根据第二实施例的界面的工作模式接近于根据第一模式的界面的工作模式。
与第一实施例一样，可以例如根据一根或多根手指在表面上的压力来调制待产生的刺激。在一种变型中，该设备不可以包括用于检测一根或多根手指或其他构件的一个或多个接触的装置。
在一种变型中，界面包括单个致动器。
在另一个实施例中，该界面使得潜在的刺激区域位于或者不位于致动器上方。选择致动器的数量大于潜在的刺激区域的数量。
本发明尤其适用于与触觉表面的人机交互。本发明还可以用于需要更好地控制表面的变形和振动的自适应光学或微操纵的应用中。
本发明还适用于不具有平坦表面的界面，即，本发明适用于包括复杂弯曲表面的界面，例如贝壳形状的界面。

Claims (23)

1.一种用于局部变形的平面设备，包括：
面板，所述面板具有带有一个或多个外部交互元件的交互表面，包括与外部的至少一个交互区域；
至少一个致动器，所述至少一个致动器能够在所述交互区域中在与所述面板的平面正交的方向上引起变形，所述至少一个交互区域位于所述致动器的近场中；
至少一个检测器，所述检测器用于检测在至少一个所述交互区域和所述外部交互元件之间的接触；以及
所述至少一个致动器的控制装置，所述控制装置被配置为向所述致动器发送控制信号，所述控制装置包括所述控制信号的计算装置，所述计算装置执行反向滤波运算，以便基于所述区域的期望位移，发出控制信号，至少部分地补偿波的失真、混响和传播，
其中至少一个所述交互区域相对于所述致动器位于小于或等于所述控制信号的波长和/或在所述交互表面的方向上的所述致动器的尺寸的距离处。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述交互表面包括相对于彼此布置的多个交互区域，使得所述多个交互区域覆盖整个所述交互表面和多个致动器，所述交互区域中的每个交互区域位于至少一个致动器的近场中，所述计算装置执行反向滤波运算，以便基于一个或多个交互区域的一个或多个期望位移发出控制信号，至少部分地补偿波的失真、混响和传播。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述交互表面包括相对于彼此布置的多个交互区域，使得所述多个交互区域覆盖整个所述交互表面以及至少覆盖与所述交互区域一样多的致动器，所述计算装置执行反向滤波运算，以便基于一个或多个交互区域的一个或多个期望位移发出控制信号，至少部分地补偿波的失真、混响和传播。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，一个或多个所述致动器的表面为厘米量级，使得一次仅单个手指与所述交互区域接触。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述一个或多个致动器布置在所述一个或多个交互区域的下方，与所述交互表面相对。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，一个或多个所述交互区域在所述交互表面的平面中与所述一个或多个致动器间隔开。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，包括用于检测至少所述交互区域与外部交互元件之间的接触的装置。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，包括用于检测一个或多个外部交互元件与所有的所述交互区域之间的接触的装置。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，包括用于测量所述一个或多个外部元件与所述一个或多个交互区域的接触力的装置。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述交互表面包括相对于彼此布置的多个交互区域，使得所述多个交互区域覆盖整个所述交互表面和多个致动器，所述交互区域中的每个交互区域位于至少一个致动器的近场中，所述计算装置执行反向滤波运算，以便基于一个或多个交互区域的一个或多个期望位移发出控制信号，至少部分地补偿波的失真、混响和传播，并且其中所述交互区域和所述致动器具有六边形的形状。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述致动器是压电致动器。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述致动器包括透明薄膜。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述致动器是电磁致动器，每个所述电磁致动器包括线圈和磁体，所述磁体或所述线圈能够在所述面板上施加力。
14.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，每个致动器的至少一部分被直接固定至所述面板。
15.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，包括布置在所述面板下方与所述交互表面相对的屏幕。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，屏幕被固定到与所述交互表面相对的面板上。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述屏幕被固定到与所述交互表面相对的面板上，并且其中，所述致动器被固定到所述屏幕上、与所述屏幕的和所述面板接触的面相对。
18.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其被配置为与给定表面的交互元件交互，其中，所述一个或多个致动器的表面对应于所述交互元件的所述给定表面。
19.一种触觉刺激界面，包括根据权利要求1至18中的任一项所述的设备。
20.一种触控板，包括根据权利要求14所述的设备。
21.一种具有局部变形的平面设备的工作方法，所述设备包括：面板，所述面板具有带有一个或多个外部交互元件的交互表面，包括与外部的至少一个交互区域；至少一个致动器，所述至少一个致动器与所述交互表面接触并且能够在与所述面板的平面正交的方向上引起变形，所述至少一个交互区域位于所述致动器的近场中，所述方法包括：
-检测所述交互区域与所述外部交互元件之间的接触；
-选择所述交互区域的期望位移；
-通过反向滤波运算从期望位移产生控制信号；以及
-将控制信号施加到所述致动器，
其中至少一个所述交互区域相对于所述致动器位于小于或等于所述控制信号的波长和/或在所述交互表面的方向上的所述致动器的尺寸的距离处。
22.一种具有局部变形的平面设备的工作方法，所述设备包括：面板，所述面板具有带有一个或多个外部元件的交互表面，包括与外部的交互区域；多个致动器，所述多个致动器与所述交互表面接触并且能够在与所述面板的平面正交的方向上引起变形，所述交互区域中的每个交互区域位于至少一个致动器的近场中，所述方法包括：
-检测所述交互区域与交互元件之间的一个或多个接触；
-为所述交互区域中的每个交互区域选择期望位移；
-通过反向滤波运算从所述期望位移产生控制信号；以及
-将控制信号施加到所述致动器中的至少部分致动器，
其中至少一个所述交互区域相对于所述致动器位于小于或等于所述控制信号的波长和/或在所述交互表面的方向上的所述致动器的尺寸的距离处。
23.根据权利要求22所述的工作方法，其中，所述致动器中的全部或部分致动器被布置在所述交互区域下方，并且其中，控制信号被施加到已检测到与外部元件的接触的交互区域下方的全部或部分致动器。
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