CN111902795A - 带有用于纹理模拟的触觉反馈的触笔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触笔，该触笔可包括外壳和尖端。当向尖端施加力时，力感测系统可检测尖端相对于外壳的移动。触觉反馈系统可例如通过在连接到尖端和外壳的磁性元件中感应磁场来使尖端相对于外壳移动。触觉反馈可用于渲染纹理感知以便模拟利用触笔在纹理化表面上的绘制。这样，用于提供输入的同一尖端可在使用期间接收触觉反馈。用户可继续使用尖端用于输入，即使当触觉反馈也被施加于尖端时。

Description

带有用于纹理模拟的触觉反馈的触笔

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年6月19日提交的名称为“STYLUS WITH HAPTIC FEEDBACK FORTEXTURE SIMULATION”的美国专利申请序列16/012,683号的权益和优先权，该文献的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本说明书整体涉及手持设备，诸如触笔，并且更具体地，涉及可向用户提供触觉反馈的基于触摸的输入设备。

背景技术

存在多种手持式输入设备以用于在使用期间检测来自用户的输入。例如，可利用触笔来通过接触电子设备的触摸面板来提供输入。触摸面板可包括触敏表面，该触敏表面响应于检测到触摸事件来生成可由电子设备的其他部件处理和利用的信号。电子设备的显示部件可显示表示可选择的虚拟按钮或图标的文本和/或图形显示元件，并且触敏表面可允许用户导航显示在显示屏上的内容。通常，用户可在触摸面板上以设备转化成输入命令的方式移动一个或多个输入设备诸如触笔。

附图说明

本主题技术的一些特征在所附权利要求书中被示出。然而，出于解释的目的，在以下附图中阐述了本主题技术的若干实施方案。

图1示出了根据本主题技术的一些实施方案的包括触笔和外部设备的系统的视图。

图2示出了根据本主题技术的一些实施方案的图1的触笔的透视图。

图3示出根据本主题技术的一些实施方案的图1的触笔和外部设备的框图。

图4示出根据本主题技术的一些实施方案的触笔的局部剖视图。

图5示出根据本主题技术的一些实施方案的图4的触笔的局部剖视图。

图6示出根据本主题技术的一些实施方案的触笔的触觉反馈系统的剖视图。

图7示出根据本主题技术的一些实施方案的图6的触觉反馈系统的剖视图。

图8示出根据本主题技术的一些实施方案的用于检测用户输入的过程的流程图。

图9示出根据本主题技术的一些实施方案的用于提供触觉反馈的过程的流程图。

图10示出根据本主题技术的一些实施方案的用于提供触觉反馈的过程的流程图。

图11示出根据本主题技术的一些实施方案的用于检测用户输入并且提供触觉反馈的过程的流程图。

具体实施方式

下面示出的具体实施方式旨在作为本主题技术的各种配置的描述并且不旨在表示本主题技术可被实践的唯一配置。附图被并入本文并且构成具体实施方式的一部分。具体实施方式包括具体的细节旨在提供对本主题技术的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说将清楚和显而易见的是，本主题技术不限于本文示出的具体细节并且可在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些情况下，以框图形式示出了熟知的结构和部件，以便避免使本主题技术的概念模糊。

包括显示表面和/或触摸面板的一些电子设备从用户接收触觉输入，并且还向用户提供触觉反馈。例如，位于电子设备的触摸面板下面的一个或多个振动设备可在用户触摸触摸屏时以振动的方式向用户提供触觉反馈。这类振动可用于向用户输送多种不同信息，诸如关于用户已经提供的一个或多个触摸输入的信息、警报、电子设备或在其上执行的一个或多个应用程序的状态。

当利用触笔或其他基于触摸的输入设备时，通过具有显示表面和/或触摸面板的设备提供的触觉反馈可能不能向用户充分地输送信息。在这种情况下，用户可能不能直接触摸提供触觉反馈的设备的表面。这样，用户可能不能感知在表面上提供的触觉反馈。另外，一些现有的触笔可大体在整个设备上提供触觉反馈。与需要用于在目标位置处提供触觉反馈的部件相比，此类配置可能需要更大的功率消耗和更大的触觉反馈部件。

根据本文所公开的实施方案，改进的触笔可在将触笔的尖端按压到外部设备的表面时检测来自用户的输入。此类触笔还可在尖端处提供触觉反馈，以便在使用触笔时提供特定的触感。例如，可在尖端处提供触觉反馈以渲染纹理感知以便模拟利用触笔在纹理化表面上的绘制。通过在尖端处而不是大体在整个触笔上提供触觉反馈，触觉反馈可更准确地模仿书写工具在纹理化表面上的感知。输入功能和触觉反馈功能均可基于尖端的移动来执行。这样，用于提供输入的同一尖端可在使用期间接收触觉反馈。

下面参考图1至图11来讨论这些实施方案和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。

根据本文所公开的实施方案的基于触摸的输入设备可包括由用户握持、穿戴或接触以用于提供输入和/或接收反馈的任何设备。基于触摸的输入设备可单独使用或与另一个设备结合使用。例如，图1示出根据本主题技术的一些实施方案的系统1，该系统1包括触笔100和具有表面50的外部设备90。触笔100可由用户10握持并且作为基于触摸的输入设备操作以便与外部设备90一起使用。

外部设备90的表面50可包括用于在由触笔100接触时与触笔100相互作用的显示表面和/或触摸面板。外部设备90利用显示器来渲染图像，以向用户输送信息。显示器可被配置为显示文本、颜色、线条、照片、动画、视频等。外部设备90的表面50可使用任何合适的技术来实现，包括但不限于使用液晶显示器技术、发光二极管技术、有机发光显示器技术、有机电致发光技术、电子墨水，或另一类型的显示技术或多种显示技术类型的组合的多点触摸和/或多点力感测触摸屏。

触笔100可包括用于接触表面50的尖端190。此类接触可由外部设备90和/或触笔100检测。例如，触笔100可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器检测尖端190何时接触表面50并向表面50施加压力。此类传感器可包括一个或多个接触传感器、电容传感器、触摸传感器、相机、压电传感器、压力传感器、接近传感器、电场传感器、光电二极管和/或可操作为检测与表面50的接触的其他传感器。此类传感器可任选地与外部设备90协作地操作以检测与表面50的接触。

触笔100可支持由用户处理和操作。具体地，触笔100可在尖端190处从用户接收输入，并且在尖端190处提供触觉反馈。图2示出根据本主题技术的一些实施方案的触笔100。根据一些实施方案，例如如图2所示，触笔100可包括外壳110，该外壳110沿触笔100的长度的至少一部分提供最外侧覆盖。用户可在使用触笔100期间沿外壳110的一部分在用户抓握区域处抓握触笔100。外壳110可沿触笔100的一部分限定最外表面。

触笔100可检测用户输入并且在尖端190处提供触觉反馈。如图3所示，触笔100可包括力感测系统192和触觉反馈系统150，力感测系统192和触觉反馈系统150均可基于尖端190与外壳110之间的相互作用进行操作。力感测系统192可操作以检测触笔100的尖端190处的用户输入。触觉反馈系统150可操作以在触笔100的尖端190处提供触觉反馈。

力感测系统192可与尖端190和外壳110两者相互作用，以检测尖端190和外壳110的相对运动。例如，力感测系统192可操作以检测尖端190何时接触表面，诸如外部设备90的表面。检测可基于尖端190相对于外壳110的移动。因此，力感测系统192可直接地或间接地连接到尖端190和外壳110两者以检测其间的相对运动。力感测系统192可包括将尖端190的机械运动转换成电信号的部件。力感测系统192可包括一个或多个接触传感器、电容传感器、触摸传感器、应变仪、相机、压电传感器、压力传感器、光电二极管和/或其他传感器。力感测系统192可检测力的存在和幅值。

在使用中，用户可操纵触笔100并且向外部设备90的表面施加力。对应的反作用力可通过触笔100的尖端190传递，尖端190连接到机电耦接装置和触笔100的力感测系统192。力感测系统192或其一部分作为响应可变形，该变形可被测量并用于估计所施加的力。力感测系统192可用于产生对应于所施加力的非二进制输出。例如，力感测系统192可用于产生表示某个幅值的输出，该幅值根据所施加的大小可变的力而发生变化。

触觉反馈系统150可与尖端190和外壳110两者相互作用，以在尖端190处提供触觉反馈。例如，触觉反馈系统150可操作以使尖端190相对于外壳110移动。因此，触觉反馈系统150可直接地或间接地连接到尖端190和外壳110两者以产生相对运动。触觉反馈系统150可包括将电信号转换成机械运动的部件。触觉反馈系统150可包括一个或多个电磁体、线性致动器、谐振致动器、偏心旋转质量致动器、压电致动器和/或其他致动器。

在使用中，当用户将触笔100的尖端190施加于表面(诸如外部设备90的表面50)时，触觉反馈系统150可操作以提供触觉反馈。触觉反馈可基于多种条件和参数来提供。例如，可在尖端190处提供触觉反馈以渲染纹理感知以便模拟利用触笔100在纹理化表面上的绘制。关于触觉反馈的另外的细节在本文中进一步描述。

如本文所用，尖端190和外壳110的相对运动可指尖端190、外壳110或两者的运动。例如，尖端190可保持静止，而外壳110移动(例如，当尖端190压靠表面时)。通过另一个示例，外壳110可保持静止，而尖端190移动(例如，当外壳110由用户握住时)。通过另外的示例，尖端190和外壳110两者可以使它们相对于彼此的位置发生变化的方式移动。应当理解，相对运动可基于任何参照系。

如图3进一步所示，触笔100可包括控制器160和非暂态存储介质162。非暂态存储介质162可包括例如磁存储介质、光学存储介质、磁光存储介质、只读存储器、随机存取存储器、可擦除可编程存储器、闪存存储器，或它们的组合。根据一些实施方案，控制器160可执行存储在非暂态存储介质162中的一个或多个指令，以执行一个或多个功能。例如，非暂态存储介质162可存储触觉反馈系统150可用来提供触觉反馈的一个或多个触觉配置文件。在一些情况下，触笔100可利用一个或多个参考内容和/或其他代码检索特定触觉配置文件，该一个或多个参考内容和/或其他代码利用力感测系统192从表面检测和/或从与表面相关联的外部设备90接收。

如图3进一步所示，触笔100可包括电源164诸如一个或多个电池和/或电源管理单元。触笔100可以包括用于为电源164充电的部件。

如图3进一步所示，触笔100可包括用于与外部设备90和/或其他设备通信的通信部件166。通信部件166可以包括一个或多个有线或无线部件、WiFi部件、近场通信部件、蓝牙部件和/或其他通信部件。通信部件166可以包括一个或多个传输元件，诸如一个或多个天线。另选地或组合地，通信部件166可包括用于与外部设备90和/或另一个设备进行有线连接的接口。

触笔100可包括其他部件，包括但不限于显示器、传感器、开关(例如，圆顶开关)、按钮、语音线圈和/或其他部件。触笔100可利用环境传感器(诸如环境光传感器、接近传感器、温度传感器、气压传感器、湿度传感器等)检测触笔100的操作环境的环境条件和/或其他方面。触笔100可利用用于检测触笔100的移动和加速度的运动传感器(诸如加速计、陀螺仪、全球定位传感器、倾斜传感器等)检测触笔100的运动特征。触笔100可利用生物传感器检测操纵触笔的用户的生物学特征，该生物传感器检测皮肤温度、心率、呼吸速率、血氧水平、血容量估计、血压或它们的组合。触笔100可利用实用传感器(诸如磁场传感器、电场传感器、测光表、声学阻抗传感器、pH水平传感器、材料检测传感器等)来估计、量化或估计在触笔100附近或以其他方式在触笔100外部的对象的特性。可以使用此类数据来调整或更新触笔100的操作，并且/或者可以将此类数据传送给外部设备90以调整或更新该外部设备的操作。

外部设备90还可包括有利于触笔100操作的部件。例如，外部设备90可包括以下中的一者或多者：处理器、存储器、电源、一个或多个传感器、一个或多个通信接口、一个或多个数据连接器、一个或多个电源连接器、一个或多个输入/输出设备诸如扬声器、旋转输入设备、麦克风、开/关按钮、静音按钮、生物计量传感器、相机、力和/或触敏触控板等。在一些实施方案中，外部设备90的通信接口有利于在外部设备90与触笔100之间进行电子通信。

触笔可包括有利于在其尖端处进行力检测以及在尖端处进行触觉反馈递送的系统。如图4所示，触笔100可包括力感测系统192和触觉反馈系统150两者，该力感测系统192和该触觉反馈系统150可与触笔100的尖端190和外壳110两者相互作用。力感测系统192和触觉反馈系统150或其部分可位于外壳110内。

根据一些实施方案，力感测系统192可包括支撑构件112(诸如悬臂滑板)，该支撑构件112响应于尖端190处的力相对于外壳110向内移动。力感测系统192可直接地或间接地连接到尖端190，使得力感测系统192及其部件(例如，支撑构件112)在相对于外壳110移动时与尖端190一起移动或响应于尖端190移动。

支撑构件112可包括前悬臂支柱114和/或后悬臂支柱116，该前悬臂支柱114和/或该后悬臂支柱116耦接在一起，或由在两个悬臂支柱之间延伸的侧向床118进行接合。前悬臂支柱114和后悬臂支柱116可直接地或间接地连接到触笔100的外壳110。例如，前悬臂支柱114和后悬臂支柱116可固定到触笔的一个或多个内部部件。在一些实施方式中，支柱使用激光焊接或其他精密焊接工艺焊接到套管或底盘。支柱也可以使用机械插片、紧固件或其他机械附接技术来固定。支撑构件112可包括弹性材料或柔顺材料，该材料被配置为在偏转或弯曲时不会破碎或断裂。力传感器120(诸如应变敏感电极)定位在滑板的一部分上，诸如后悬臂支柱116的背部表面。附加地或另选地，多个应变敏感电极可设置在后悬臂支柱116的一个或多个表面上或力感测系统192的另一部分上。

如图5所示，当触笔100的尖端190向表面50施加力F_a，并且尖端190向力感测系统192输送相等且相反的反作用力F_r时，这致使尖端190部分地撤出或向内偏转，继而致使前悬臂支柱114和后悬臂支柱116偏转或变形。力传感器120由于后悬臂支柱116的变形而变形。力传感器120的变形可通过电路来测量以便确定反作用力F_r的幅值。力传感器120也可用于确定尖端190的偏转量。这一确定可用于进一步确定尖端190和外壳110的相对位置，如本文进一步讨论。

以上对图4和图5所描绘的力感测系统192的描述通常出于解释的目的并且为了便于大致理解关于在本文中公开的触笔实施方案所描述的力敏结构和协调引擎。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，本文所呈现的具体细节中的一些细节可为实践特定的所述实施方案或其等同物所不需要的。具体地，应当理解，能够以许多合适的和具体实施特定的方式来实现图4和图5中描绘的力感测系统192。例如，如上所述，力传感器120可以是检测尖端190和外壳110的相对移动的任何机构。应当理解，支撑构件112可省略前悬臂支柱114和后悬臂支柱116中的一者或两者。还应当理解，尖端190可直接地或间接地连接到力传感器120。

如图6和图7所示，触觉反馈系统150可包括有利于触觉反馈的机构。根据一些实施方案，触觉反馈系统150可包括当尖端190相对于外壳110移动时，能够随尖端190移动的第一磁性元件152。例如，第一磁性元件152可直接地或间接地(例如，通过床118)连接到尖端190。触觉反馈系统150还可包括当尖端190相对于外壳110移动时，能够随外壳110移动的第二磁性元件156。因此，第一磁性元件152和第二磁性元件156的相对移动可与尖端190和外壳110的相对移动直接相关。间隙158被限定在第一磁性元件152与第二磁性元件156之间以提供一定的相对行进量。间隙158的尺寸基于触觉反馈系统150的操作而发生变化。

第一磁性元件152和/或第二磁性元件156可包括软磁材料的临时磁体或硬磁材料的永久磁体。如本文所用，“磁体”可包括硬磁材料的磁体和/或软磁材料的磁体。硬磁材料包括即使在移除施加的磁场之后仍保留其磁性的材料。包括硬磁材料的磁体可形成永久磁体。硬磁材料包括钕(NdFeB)，铁钕、铁硼、钐钴、铁铬钴、以及它们的组合或合金。软磁材料包括响应于磁场，但在移除施加的磁场之后不会保留它们的磁性的材料。包括软磁材料的磁体可形成临时磁体。软磁材料包括铁、铁钴、铁硅、钢、不锈钢、铁铝硅、镍铁、铁磁体、以及它们的组合或合金。应当理解，“硬磁”和“软磁”并不一定与材料的刚度相关。

触觉反馈系统150还可包括磁场发生器以便在第一磁性元件152和/或第二磁性元件156中感应磁场。例如，线圈154可环绕在第一磁性元件152和/或第二磁性元件156上。这样，线圈154可与第一磁性元件152和/或第二磁性元件156形成电磁体作为磁芯。附加地或另选地，线圈154可定位在第一磁性元件152和/或第二磁性元件156附近。线圈可包括呈一个或多个层的一个或多个螺旋绕组。应当理解，可提供任何数目的绕组和线圈布置以感应磁场。虽然图6和图7中示出的线圈154被示出为环绕在第一磁性元件152上，但是应当理解，线圈154或另一个线圈可环绕在第二磁性元件156上。

应当理解，可实现上述描述的各种布置和更改以提供触觉反馈。例如，第一磁性元件152和第二磁性元件156可互换，使得第一磁性元件152可随外壳110移动并且第二磁性元件156可随尖端190移动。第一磁性元件152和/或第二磁性元件156可具有各种形状和尺寸。第一磁性元件152和第二磁性元件156中的任一个可延伸到限定在另一个磁性元件中的凹陷部中。例如，一个磁性元件可限定一个环形件或多个纵向臂，内部空间限定于其中。可提供多个第一磁性元件152和/或第二磁性元件156。这些和其他设计可被实现以有利于在磁性元件之间产生感应的磁场和磁力。

如图7所示，线圈154被操作来在第一磁性元件152和/或第二磁性元件156中感应磁场140。当用电流激活线圈154时，磁场140致使第一磁性元件152和第二磁性元件156在磁力的影响下移动。例如，在第一磁性元件152和/或第二磁性元件156是软磁材料的临时磁体的情况下，磁场140可致使第一磁性元件152和/或第二磁性元件156的磁畴与磁场140对准。在第一磁性元件152和第二磁性元件156与磁场对准的情况下，第一磁性元件152和第二磁性元件156将在线圈154被激活时朝向彼此吸引。附加地或可替代地，第一磁性元件152和/或第二磁性元件156可以是硬磁材料的永久磁体。基于这种永久磁体的对准(即，极性)，磁场140致使第一磁性元件152和第二磁性元件156在线圈154被激活时朝向彼此吸引或远离彼此排斥。

当第一磁性元件152和第二磁性元件156相对于彼此移动时，尖端190和外壳110相对于彼此移动。如上所述，当尖端190相对于外壳110移动时，第一磁性元件152连接到尖端190以随尖端190移动，并且第二磁性元件156连接到外壳110以随外壳110移动。这样，将第一磁性元件152与第二磁性元件156之间的磁力传输到尖端190和外壳110以致使在其间进行相对移动。当第一磁性元件152和第二磁性元件156相对于彼此移动时，限定在第一磁性元件152与第二磁性元件156之间的间隙158的尺寸发生变化。

触觉反馈可包括尖端190相对于外壳以及沿触笔100的纵向轴线的移动。例如，第一磁性元件152和第二磁性元件156可沿触笔100的纵向轴线对准。来自触觉反馈的移动可沿与将尖端190施加于外部设备90的表面50时发生的移动相同的轴线。力感测系统192的结构可有利于尖端190大体沿给定轴线移动，如本文所述。附加地或另选地，来自触觉反馈的移动可沿另一个轴线或沿多个轴线和方向。

在使用中，当用户将触笔100的尖端190施加于表面(诸如外部设备90的表面50)时，线圈154可操作以提供触觉反馈。该触觉反馈可基于多种条件和参数来提供。例如，触觉反馈可通过向线圈154提供电流来控制。第一磁性元件152与第二磁性元件156之间的感应的磁场140和对应的磁力基于线圈154中的电流。这样，电流可具有持续时间、振幅、频率、波形、占空比或根据需要针对所需的和对应的触觉反馈的其他参数。

例如，可通过将控制信号施加于线圈154来使尖端190振动。控制信号可以是具有预先确定的振幅和/或频率的波。当施加控制信号时，感应的磁场致使尖端190以控制信号的频率振动。频率可在10Hz与5,000Hz之间、50Hz与1,000Hz之间或100Hz与500Hz之间的范围内。如果需要某种振动，控制信号的频率可被调节以改变尖端190的移动速率。控制信号的振幅可与尖端190的移动幅值相关，并且可被调节以改变振动的强度。

触觉反馈系统150可通过使触笔100的尖端190相对于外壳110移动来向用户提供触觉反馈。与直接地施加于外壳的触觉反馈相比，在尖端190处提供的触觉反馈更直接地提供与尖端190相关的感知。例如，当将尖端190施加于表面50时，可提供触觉反馈。当尖端190在平滑表面之上移动时，尖端190相对于外壳的移动模拟使工具在纹理化表面之上移动的感知。因此，触觉反馈可渲染纹理感知以模拟利用触笔在纹理化表面上的绘制。对于熟悉在纹理化表面上工作的用户而言，此类感知可以是更理想的。触觉反馈的参数可基于需要被模拟的纹理进行选择。例如，不同类型的表面(纸材、帆布等)可基于预编程的和用户可选的配置文件来不同地模拟。通过另外的示例，不同类型的工具(例如铅笔、圆珠笔、钢笔、荧光笔、毛笔等)可基于预先编程的和用户可选的配置文件来不同地模拟。

纹理感知可基于触笔100的操作而改变。例如，当将尖端190施加于表面50并且该尖端沿表面50移动时，可提供触觉反馈。可考虑接触的力、触笔的速度、触笔的取向和/或待模拟的纹理化表面以确定触觉反馈系统150的操作。触觉反馈的参数可基于尖端190沿表面50移动的速度和/或方向来改变。作为另外的示例，用尖端190施加于表面50的更大幅值的力可致使触觉反馈的幅值增大。

触觉反馈系统150可出于一个或多个其他目的提供触觉反馈。根据一些实施方案，触觉反馈可基于消息、警报或告警来通知用户。此类通知可伴有其他反馈，包括触笔100和/或外部设备上的触觉、听觉和/或视觉反馈。根据一些实施方案，触觉反馈可提供如下确认：用户选择(例如，利用触笔100作出)已经由外部设备90接收。根据一些实施方案，触觉反馈可通知用户关于外部设备90的状态或操作。

触觉反馈系统150可基于外部设备90的表面50的不同区域向用户提供触觉反馈。例如，触笔100的尖端190可用于接触外部设备90的表面50。边界中的一些或全部可任选地显示在表面50上作为用户的参考。边界可基于表面50的用户输入或另一个限定区域。当尖端190位于边界之外时，触觉反馈系统150可提供触觉反馈以向用户指示用户正在边界之外绘制。当尖端190返回到边界内时，触觉反馈系统150可停止提供触觉反馈或提供不同的触觉反馈。因此，由触笔100提供的触觉反馈可向用户指示何时需要校正以与由用户跟踪的形状、字母、数字或其他字符相符。

触笔100的触觉反馈系统150的操作可结合外部设备90的触觉反馈系统执行。例如，触觉反馈可同时和/或按顺序由触笔100和外部设备90提供。

图8示出描绘用于估计由触笔施加于外部设备的表面的力的过程200的操作的流程图。在操作202处，力感测系统检测触笔尖端处的反作用力。在操作204处，估计机械耦接到触笔尖端的力传感器的输出(例如，电特性)。输出可以是电阻、电容、累积电荷、电感或另一个电特性。在操作206处，所估计的电特性与由触笔的尖端所接收的力(例如，反作用力)的幅值相关。相关操作可使用任何数量合适的技术来执行。在一些情况下，电特性随着施加于力传感器的力线性地发生变化，而在其他情况下，电特性随着施加于力传感器的力以指数方式发生变化。在操作208处，将所估计的反作用力的幅值作为由触笔施加的作为矢量或标量的力的幅值，使用任何合适的编码或非编码格式来传送(例如，传送到外部设备)。

图9示出描绘用于当触笔在使用时提供触觉反馈的过程300的操作的流程图。触觉反馈可增强触笔在使用时的操作，或以其他方式基于触笔在使用期间的条件而改变。例如，在纹理感知由触觉反馈系统模拟的情况下，触笔可使触觉反馈系统的操作与尖端沿外部设备的表面的移动相协调。

在操作302处，反作用力在触笔尖端处接收并且由力感测系统检测。操作302可包括过程200的操作中的一个或多个。该检测可包括检测施加于尖端从而使尖端相对于触笔的外壳移动的力。也可对接触的条件进行检测、测量和/或记录。例如，力感测系统可检测接触力、触笔的速度和/或触笔的取向。可采用触笔和/或外部设备的一个或多个传感器以作出此类确定。触笔与外部设备之间的适当通信可被管理来协调确定。

在操作304处，当通过将尖端按压到外部设备的表面以将反作用力施加于尖端时，提供触觉反馈。例如，可在能够随尖端移动的第一磁性元件和能够随外壳移动的第二磁性元件中感应磁场(例如，利用线圈)。磁场通过使尖端相对于外壳移动来引起触觉反馈。可考虑接触的力、触笔的速度、触笔的取向和/或待模拟的纹理化表面以确定触觉反馈系统150的操作。触觉反馈的参数可基于这些条件中的一个或多个来改变。

图10示出描绘用于在使用时基于触笔的条件提供触觉反馈的过程400的操作的流程图。可能需要具有特定特性的触觉反馈。然而，因为尖端通过反作用力和触觉反馈两者移动，所以触觉反馈的施加可通过尖端上的反作用力的效果来通知。例如，在磁性元件用于吸引和/或排斥的情况下，磁性元件之间的距离影响它们在磁化时彼此将反应的方式。因此，磁性元件之间的距离可被确定为用于提供触觉反馈的过程400的一部分。

在操作402处，确定磁性元件之间的间隙的尺寸。间隙的尺寸可对应于力感测系统中的由施加于触笔尖端的反作用力产生的偏转量。例如，当将尖端压靠外部设备的表面时。尖端相对于外壳以可由力感测系统检测的方式移动。力传感器的输出对应于尖端的移动量。

在操作404处，计算适当的磁场和/或电流以产生所需的触觉反馈。触觉反馈可被提供有尖端相对于外壳的所需的行进量。计算磁场的特性，使得当磁场被感应时，该磁场使磁性元件相对于彼此移动目标距离。例如，磁性元件之间的间隙可具有第一距离(例如，100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm)，并且所需的触觉反馈可使间隙改变目标距离(例如，10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm)。使磁性元件移动目标距离所需的磁场的幅值与磁性元件之间的距离的平方成反比。这样，感应给定磁场将致使产生不同类型的触觉反馈，这取决于尖端相对于外壳的位置。利用在操作402中基于力感测系统已经确定的磁性元件之间的距离，可计算所需的磁场。应当理解，计算和感应所需磁场可包括计算和感应线圈中的所需电流或由计算和感应线圈中的所需电流来替换。例如，磁场与施加于线圈的电流成正比。这样，可计算磁场或电流。

在操作406处，例如通过向线圈施加电流来感应磁场。因此，当向尖端施加反作用力时提供触觉反馈。尽管反作用力的施加使尖端从其静止位置偏转，但是所需的触觉反馈以可预测且准确的方式提供。

图11示出描绘用于检测用户输入并且提供触觉反馈的过程500的操作的流程图。当在尖端处检测到用户输入时，可考虑触觉反馈的效果。例如，用户输入的确定可包括补偿归因于触觉反馈的存在的已知的或期望的偏移。

在力感测和触觉反馈同时发生的情况下，力感测系统可在触觉反馈系统通过检测到压电设备上的电压和补偿归因于触觉反馈系统的已知的或期望的偏移来提供触觉反馈的同时操作。

在操作502处，当将尖端压靠外部设备的表面时并且当提供触觉反馈时，力感测系统检测到尖端处的反作用力。在操作504处，估计机械耦接到触笔尖端的力传感器的输出(例如，电特性)。输出可以是电阻、电容、累积电荷、电感或另一个电特性。虽然施加触觉反馈，但是输出包括来自反作用力以及触觉反馈的贡献。这样，输出独自不能仅表示由用户输入产生的反作用力。

在操作506处，计算触觉反馈对输出的贡献。例如，输出的一部分被确定为触觉反馈的结果。由触觉反馈产生的力可基于触笔的已知参数和触觉反馈来计算。例如，磁性元件和线圈的特性可以是已知的或确定的。此外，电流和感应的磁场的特性由触笔控制并且因此是已知的。由电流和感应的磁场产生的力可基于这些已知的特性来计算。

在操作506处，计算反作用力对输出的贡献。例如，输出的一部分被确定为将尖端压靠外部设备的表面的结果。这一部分可基于被确定为其触觉反馈的结果的部分引起的总输出偏移。剩余部分可被确定为基于由用户输入产生的反作用力。

在操作510处，将所估计的反作用力的幅值作为由触笔施加的作为矢量或标量的力的幅值，使用任何合适的编码或非编码格式来传送(例如，传送到外部设备)。

如图所示，改进的触笔可在将触笔的尖端按压到外部设备的表面时检测来自用户的输入。此类触笔还可在尖端处提供触觉反馈，以便在使用触笔时提供特定的触感。例如，触觉反馈可用于渲染纹理感知以便模拟利用触笔在纹理化表面上的绘制。可针对尖端执行输入功能和触觉反馈功能。这样，用于提供输入的同一尖端可在使用期间接收触觉反馈。因此，甚至可在将触觉反馈施加于尖端时确定施加于尖端的用户输入的特性。

虽然本文所公开的基于触摸的输入设备的一些实施方案涉及触笔，但应当理解，主题技术可涵盖并应用于其他输入设备。例如，根据本文所公开的实施方案的输入设备可包括电话、平板计算设备、移动计算设备、手表、膝上型计算设备、鼠标、游戏控制器、遥控器、数字媒体播放器和/或任何其他电子设备。此外，外部设备可以是与基于触摸的输入设备相互作用的任何设备。例如，根据本文所公开的实施方案的外部设备可包括平板电脑、电话、膝上型计算设备、台式计算设备、可穿戴设备、移动计算设备、平板计算设备、显示器、电视、电话、数字媒体播放器和/或任何其他电子设备。

上述的各种功能可在数字电子电路、计算机软件、固件或硬件中实现。该技术可使用一个或多个计算机程序产品实现。可编程处理器和计算机可包括在移动设备中或封装为移动设备。该过程和逻辑流程可由一个或多个可编程处理器和一个或多个可编程逻辑电路执行。通用和专用计算设备以及存储设备可通过通信网络互连。

一些具体实施包括将计算机程序指令存储在机器可读或计算机可读介质(或者称为计算机可读存储介质、机器可读介质或机器可读存储介质)中的电子部件，诸如微处理器、存储装置以及存储器。此类计算机可读介质的一些示例包括RAM、ROM、只读光盘(CD-ROM)、可刻录光盘(CD-R)、可重写光盘(CD-RW)、只读数字通用光盘(例如，DVD-ROM、双层DVD-ROM)、各种可刻录/可重写DVD(例如，DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW等)、闪存存储器(例如，SD卡、mini-SD卡、micro-SD卡等)、磁性和/或固态硬盘驱动器、超密度光盘、任何其他光学或磁性介质以及软盘。计算机可读介质可存储计算机程序，该计算机程序可由至少一个处理单元执行并且包括用于执行各种操作的指令集。计算机程序或者计算机代码的示例包括机器代码，诸如由编译器所产生的机器代码，以及包括可由计算机、电子部件或微处理器使用解译器来执行的更高级别代码的文件。

虽然上述论述主要涉及执行软件的微处理器或多核处理器，但一些具体实施由一个或多个集成电路诸如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)执行。在一些具体实施中，此类集成电路执行存储在电路自身上的指令。

如本说明书以及本专利申请的任何权利要求所使用的，术语“计算机”、“处理器”及“存储器”均是指电子或其他技术设备。这些术语排除人或者人的群组。出于本说明书的目的，术语“显示”或“正在显示”意指在电子设备上显示。如本说明书以及本专利申请的任何权利要求所使用的，术语“计算机可读介质”以及“计算机可读媒介”完全限于以可由计算机读取的形式存储信息的可触摸的有形物体。这些术语不包括任何无线信号、有线下载信号以及任何其他短暂信号。

为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的具体实施可以在本文所述的具有用于向用户显示信息的显示设备以及诸如用户可用来向计算机提供输入的键盘和指向设备的计算机上实现。其他种类的设备也可用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈，诸如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以任何形式接收来自用户的输入，包括声学、语音或触觉输入。

上文所述的特征和应用中的许多可被实施为被指定为在计算机可读存储介质(还称为计算机可读介质)上记录的指令集的软件过程。当这些指令由一个或多个处理单元(例如，一个或多个处理器、处理器的内核或者其他处理单元)执行时，这些指令使该一个或多个处理单元执行指令中指示的动作。计算机可读介质的示例包括但不限于CD-ROM、闪存驱动器、RAM芯片、硬盘驱动器、EPROM等。计算机可读介质不包括无线地或通过有线连接传送的载波和电信号。

在本说明书中，术语“软件”意在包括驻留在只读存储器中的固件或者存储在磁性存储装置中的应用，这些固件或应用可被读取到存储器中以用于由处理器进行处理。同样，在一些具体实施中，在保留本主题公开的不同的软件方面时，本主题公开的多个软件方面可被实现为更大程序的子部分。在一些具体实施中，还可将多个软件方面实现为独立程序。最后，共同实现本文所述的软件方面的独立程序的任何组合均在本主题公开的范围内。在一些具体实施中，当被安装以在一个或多个电子系统上运行时，软件程序定义执行和施行软件程序的操作的一个或多个特定机器具体实施。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明或过程语言，并且其可以以任何形式部署，包括作为独立的程序或者作为适于在计算环境中使用的模块、部件、子例程、对象或其他单元。计算机程序可以但不必与文件系统中的文件对应。程序可存储在保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、在专用于论述中的该程序的单个文件中或在多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)。计算机程序可被部署为在一个计算机上或位于同一站点或分布于多个站点并且通过通信网络互连的多个计算机上执行。

应当理解，本发明所公开的过程中的框的特定顺序或分级结构为示例性方法的例示。基于设计优选要求，应当理解，过程中的框的特定顺序或者分级结构可被重新布置或者所有示出的框都被执行。这些框中的一些框可被同时执行。例如，在某些情况中，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施方案中各个系统部件的划分不应被理解为在所有实施方式中都要求此类划分，并且应当理解，所述程序部件和系统可一般性地一起整合在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。

先前的描述被提供以使得本领域的技术人员能够实践本文所述的各个方面。这些方面的各种修改对本领域的技术人员而言是显而易见的，并且本文所限定的通用原则可应用于其他方面。因此，本权利要求书并非旨在受限于本文所示的方面，而是旨在使得全部范围与语言权利要求书一致，其中对奇异值中的元素的引用并非旨在意味着“一个和仅一个”，而是指“一个或多个”，除非被具体指出。除非另外特别说明，否则术语“一些”是指一个或多个。男性的代名词(例如，他的)包括女性和中性(例如，她的和它的)，并且反之亦然。标题和子标题(如果有的话)仅为了方便起见而使用并且不限制本主题公开。

谓词字词“被配置为”、“能够操作以”以及“被编程以”并不意味着对某一主题进行任何特定的有形或无形的修改而是旨在可互换使用。例如，部件或被配置为监视和控制操作的处理器也可能意味着处理器被编程以监视和控制操作或者处理器能够操作以监视和控制操作。同样，被配置为执行代码的处理器可解释为被编程以执行代码或可操作以执行代码的处理器。

短语诸如“方面”不意味此方面对本主题技术是必需的或者此方面应用于本主题技术的所有配置。与一个方面相关的公开可应用于所有配置，或者一个或多个配置。短语诸如方面可指一个或多个方面，反之亦然。短语诸如“配置”不意味此配置是本主题技术必需的或者此配置应用于本主题技术的所有配置。与配置相关的公开可应用于所有配置或者一个或多个配置。短语诸如配置可指一个或多个配置并且反之亦然。

字词“示例”在本文用于意指“用作示例或者例示”。本文作为“示例”所述的任何方面或者设计不一定被理解为比其他方面或者设计优先或者有利。

本领域的普通技术人员已知或稍后悉知的贯穿本公开描述的各个方面的元素的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在被权利要求书所涵盖。此外，本文所公开的任何内容并非旨在提供给公众，而与该公开是否明确地被陈述在权利要求中无关。根据35U.S.C.§112第六段的规定，不需要解释任何权利要求元素，除非使用短语“方法用以”明确陈述了该元素，或者就方法权利要求而言，使用短语“步骤用以”陈述了该元素。此外，术语“包括”、“具有”等在一定程度上用于说明书或权利要求中，这样的术语旨在以类似于术语“包括”当用作过渡字词用于权利要求中时“包括”被解释的方式包含在内。

Claims (20)

1.一种触笔，包括：

外壳；

尖端，所述尖端能够相对于所述外壳移动；

力传感器，所述力传感器用于检测何时向所述尖端施加力；

第一磁性元件，所述第一磁性元件能够随所述尖端移动；

第二磁性元件，所述第二磁性元件能够随所述外壳移动；以及

线圈，所述线圈被配置为在所述第一磁性元件和/或所述第二磁性元件中感应磁场，使得当所述线圈接收电流时，所述第一磁性元件和所述第二磁性元件相对于彼此移动。

2.根据权利要求1所述的触笔，还包括支撑构件，所述支撑构件将所述尖端连接到所述外壳并且被配置为在向所述尖端施加所述力时偏转，其中所述力传感器包括对所述支撑构件的偏转敏感的应变仪，所述第一磁性元件连接到所述支撑构件，并且所述第二磁性元件连接到所述外壳。

3.根据权利要求1所述的触笔，其中所述线圈环绕在所述第一磁性元件和/或所述第二磁性元件上。

4.根据权利要求1所述的触笔，其中所述第一磁性元件和/或所述第二磁性元件包括对由所述线圈生成的所述磁场作出响应的软磁材料。

5.根据权利要求1所述的触笔，其中所述第一磁性元件和所述第二磁性元件被配置为通过彼此吸引来对所述磁场作出响应。

6.根据权利要求1所述的触笔，其中所述第一磁性元件和所述第二磁性元件沿所述触笔的纵向轴线对准。

7.根据权利要求1所述的触笔，其中所述力被配置为沿所述触笔的纵向轴线检测所述力，并且所述线圈被配置为使所述尖端沿所述触笔的所述纵向轴线移动。

8.一种触笔，包括：

外壳；

尖端；

力感测系统，所述力感测系统用于在向所述尖端施加力时检测所述尖端相对于所述外壳的移动；以及

触觉反馈系统，所述触觉反馈系统通过在连接到所述尖端和所述外壳的磁性元件中感应磁场来使所述尖端相对于所述外壳移动。

9.根据权利要求8所述的触笔，其中：

所述力感测系统包括力传感器，所述力传感器用于检测何时向所述尖端施加力；以及

所述触觉反馈系统包括：

第一磁性元件，所述第一磁性元件能够随所述尖端移动；

第二磁性元件，所述第二磁性元件能够随所述外壳移动；以及

线圈，所述线圈被配置为在所述第一磁性元件和/或所述第二磁性元件中感应磁场。

10.根据权利要求8所述的触笔，还包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述力感测系统以从所述力感测系统接收输出，所述控制器进一步可操作地连接到所述触觉反馈系统以控制所述磁场。

11.根据权利要求10所述的触笔，其中所述控制器被配置为基于所述力感测系统的所述输出来控制所述磁场。

12.根据权利要求10所述的触笔，其中所述控制器被配置为确定：

所述输出的基于所述磁场的一部分；以及

所述输出的基于所述尖端压靠表面的一部分。

13.一种控制触笔的触觉反馈的方法，所述方法包括：

利用力传感器检测施加于所述触笔的尖端的力，以使所述尖端相对于所述触笔的外壳移动；以及

在能够随所述尖端移动的第一磁性元件和能够随所述外壳移动的第二磁性元件中感应磁场以通过使所述尖端相对于所述外壳移动来提供触觉反馈。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

基于所述检测来确定所述第一磁性元件与所述第二磁性元件之间的间隙的尺寸；以及

基于所述间隙的所述尺寸来计算所述磁场的幅值，所述磁场在被感应时使所述第一磁性元件相对于所述第二磁性元件移动目标距离。

15.根据权利要求13所述的方法，其中在通过将所述尖端按压到外部设备的表面来向所述尖端施加所述力时，所述磁场被感应。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述检测包括将所述力传感器的输出与被施加以感应所述磁场的电流进行比较。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述检测包括：

在使所述尖端压靠外部设备的表面并且提供所述触觉反馈时，接收所述力传感器的输出；

计算所述输出的基于所述触觉反馈的一部分；以及

计算所述输出的基于所述尖端压靠所述外部设备的所述表面的一部分。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述感应包括向环绕在所述第一磁性元件和/或所述第二磁性元件上的线圈施加电流。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述触觉反馈包括所述尖端沿所述触笔的纵向轴线相对于所述外壳的移动。

20.根据权利要求13所述的方法，其中沿所述触笔的纵向轴线向所述尖端施加所述力并且所述触觉反馈包括所述尖端沿所述触笔的纵向轴线相对于所述外壳的移动。

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