CN115480633A - 用于提供力反馈的触觉装置和交互设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于提供力反馈的触觉装置和交互设备，用于提供力反馈的触觉装置包括壳体组件、磁路组件和线圈组件，壳体组件包括触压件、固定件和弹性件；磁路组件包括磁铁单元，磁铁单元包括充磁方向相反的第一磁铁和第二磁铁；线圈组件包括线圈支架和固定在线圈支架上的线圈，线圈支架与固定件之间形成按压空间，触压件与线圈支架抵接，以带动线圈支架在按压空间内活动；弹性件用于产生弹性反馈力；第一磁铁和第二磁铁的充磁方向分别平行于线圈的轴线方向，线圈设置在磁铁单元的旁侧且位于磁路组件形成的磁场回路中，以使线圈通电时产生电磁反馈力。本发明可实现多种触觉反馈，模拟真实触觉体验，而且反馈力线性度好且降低了成本。

Description

用于提供力反馈的触觉装置和交互设备

技术领域

本发明涉及交互设备技术领域，特别涉及一种用于提供力反馈的触觉装置和交互设备。

背景技术

随着社会的进步以及网络技术的发展，具有用于提供力反馈的触觉装置的交互设备越来越受到人们的青睐，如游戏设备、AR或者VR设备。但是现有的交互设备提供力反馈一般使用电机驱动，通过齿轮箱或者类似的齿轮齿排等减速机构降低速度增大输出力，以实现力反馈的效果，此结构使用电机作为驱动源，工作状态大部分为堵转状态，长时间堵转会导致电机寿命短，电机输出扭矩非线性，反馈力线性度不好，且齿轮减速箱需要精密加工，成本高。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于提供力反馈的触觉装置和交互设备，旨在解决现有交互设备的反馈力线性度不好且成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供的用于提供力反馈的触觉装置，包括：

壳体组件，包括触压件、固定件和弹性件；

磁路组件，包括磁铁单元，所述磁铁单元包括充磁方向相反的第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁和/或所述第二磁铁固定于所述固定件；

线圈组件，包括线圈支架和固定在所述线圈支架上的线圈，所述线圈支架与所述固定件之间形成按压空间，所述触压件与所述线圈支架抵接，以带动所述线圈支架在所述按压空间内活动；所述弹性件的两端分别与所述固定件以及所述线圈支架固定，以用于产生弹性反馈力；所述第一磁铁和所述第二磁铁的充磁方向分别平行于所述线圈的轴线方向，所述线圈设置在所述磁铁单元的旁侧且位于所述磁路组件形成的磁场回路中，以使所述线圈通电时产生电磁反馈力。

可选地，所述磁路组件包括分别与所述固定件固定的磁铁单元和导磁板单元，所述磁铁单元与所述导磁板单元形成所述磁场回路，所述线圈位于所述磁铁单元和所述导磁板单元之间。

可选地，所述导磁板单元包括第一导磁板和第二导磁板，所述线圈的数量为两个，其中一个所述线圈位于所述第一导磁板与所述磁铁单元之间，另一个所述线圈位于所述第二导磁板与所述磁铁单元之间。

可选地，所述磁铁单元包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁和所述第二磁铁的充磁方向相反，所述第一磁铁与所述固定件固定，所述第二磁铁固定于所述第一磁铁背离所述固定件的一侧。

可选地，所述线圈支架形成有容纳腔以及两个相对设置且分别与所述容纳腔连通的第一过孔和第二过孔，部分所述磁铁单元位于所述容纳腔内，所述第一过孔和所述第二过孔用于在所述触压件被按压的情况下供所述磁铁单元穿过。

可选地，所述线圈支架开设有固定孔，所述线圈嵌设在所述固定孔中。

可选地，所述壳体组件还包括固定轴，所述弹性件套设在所述固定轴上，所述触压件可转动地连接于所述固定轴。

可选地，所述线圈支架上开设有供所述固定轴穿过的转动孔，所述弹性件位于所述转动孔的旁侧。

可选地，所述线圈支架上设置有第三磁铁，所述提供力反馈的触觉装置还包括固定在所述固定件上的电路板，所述电路板上设置有与所述第三磁铁对应的磁场传感器。

此外，本发明还提供了一种交互设备，包括如上所述的用于提供力反馈的触觉装置。

本发明中通过将磁铁单元固定于壳体组件的固定件上，线圈组件包括线圈支架和固定在线圈支架上的线圈，线圈支架与固定件之间形成按压空间，壳体组件的触压件与线圈支架抵接，用手按压触压件时，触压件能够带动线圈支架在按压空间内活动，由于壳体组件的弹性件的两端分别与固定件以及线圈支架固定，因此在按压触压件且线圈不通电时，触压件给手的反作用力为弹性件提供的弹性反馈力；当按压触压件且线圈通电时，由于第一磁铁和第二磁铁的充磁方向，磁路组件形成磁场回路，线圈设置在磁铁单元的旁侧且位于磁路组件形成的磁场回路中，第一磁铁和第二磁铁的充磁方向分别与线圈的轴线方向平行，通电的线圈在磁场回路中受到安培力，触压件给手的反作用力为弹性件提供的弹性反馈力以及线圈提供的电磁反馈力；可以通过改变线圈通电电流的方向，以提供正向的电磁反馈力或负向的电磁反馈力，实现多种触觉反馈，模拟真实触觉体验，而且反馈力线性度好且降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明触觉装置一实施例的爆炸图；

图2为图1所示触觉装置的结构示意图；

图3为图2所示触觉装置的部分剖面示意图；

图4为图2所示触觉装置的线圈支架的结构示意图；

图5为图2所示触觉装置处于初始状态的部分结构示意图；

图6为图2所示触觉装置处于运动状态的部分结构示意图；

图7为图2所示触觉装置处于初始状态的另一部分结构示意图；

图8为图2所示触觉装置处于运动状态的另一部分结构示意图。

实施例附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种用于提供力反馈的触觉装置。参照图1～图3，用于提供力反馈的触觉装置100包括壳体组件110、磁路组件120和线圈组件130，壳体组件110包括触压件111、固定件112和弹性件113；磁路组件120包括磁铁单元121，磁铁单元121包括第一磁铁1211和第二磁铁1212，第一磁铁1211和第二磁铁1212的充磁方向相反，第一磁铁1211和/或第二磁铁1212固定于固定件112；线圈组件130包括线圈支架132和固定在线圈支架132上的线圈131，线圈支架132与固定件112之间形成按压空间，触压件111与线圈支架132抵接，以带动线圈支架132在按压空间内活动；弹性件113的两端分别与固定件112以及线圈支架132固定，以用于产生弹性反馈力；第一磁铁1211和第二磁铁1212的充磁方向分别平行于线圈131的轴线方向，线圈131设置在磁铁单元121的旁侧且位于磁路组件120形成的磁场回路中，以使线圈131通电时产生电磁反馈力。

本发明的触觉装置100可以为游戏手柄、游戏按钮或者用于VR、AR设备的按键等，磁路组件120和固定件112作为定子部分固定不动，触压件111和线圈组件130作为动子部分，可以在手的作用力下活动，需要说明的是，此处的“活动”可以为移动或转动。触压件111可以为模拟按键，当线圈131不通电时，用手按压触压件111的表面，触压件111带动线圈支架132运动，线圈131不通电时，触压件111给手的反作用力为弹簧提供的弹性反馈力，该弹性反馈力与手的按压方向相反。第一磁铁1211和第二磁铁1212的充磁方向相反，磁路组件120可形成磁场回路，线圈位于磁铁单元121的旁侧，且第一磁铁1211和第二磁铁1212的充磁方向分别与线圈131的轴线方向平行，当线圈131通电时，线圈131在磁路组件120形成的磁场回路中受到安培力，传导至触压件111即为电磁反馈力，该电磁反馈力的方向可以与手的按压方向相同或相反，其取决于线圈131电流的通电方向。例如在一实施例中，线圈131通正向电时，产生正向的电磁反馈力，电磁反馈力与弹性反馈力的方向一致，都与手的按压方向相反；而线圈131通负向的电时，产生负向反馈力，电磁反馈力与手的按压方向相同，与弹性反馈力的方向相反。当然，在其它实施例中，也可以设置为线圈131通正向电时产生负向的电磁反馈力，而线圈131通负向电时产生正向的电磁反馈力，这由磁场回路方向与线圈131的通电方向共同决定。电磁反馈力与线圈131的电流大小成正比，通过控制线圈131电流的方向与大小，可以提供不同方向和大小的电磁反馈力，实现多种触觉反馈，模拟真实触觉体验，而且相对于传统使用电机驱动的方式，反馈力线性度良好且降低了成本。

在一实施例中，磁路组件120还包括与固定件112固定的导磁板单元122，磁铁单元121与导磁板单元122形成磁场回路，线圈131位于磁铁单元121和导磁板单元122之间，磁铁单元121和导磁板单元122平行间隔设置，线圈131夹设在磁铁单元121和导磁板单元122之间，且线圈131的绕制方向所在的平面也分别平行于磁铁单元121和导磁板单元122，磁场回路的方向如3图所示沿顺时针方向，根据左手定则，线圈131通电后所受到的安培力平行于线圈131所在的平面，具体为正向的电磁反馈力还是负向的电磁反馈力，由线圈131的通电方向决定。在安装线圈131时可尽量使线圈131平行于触压件111的活动方向，以使电磁反馈力能够与手的按压方向相同或相反。当然，在其它实施例中，磁场回路的方向也可以与图3所示方向相反，磁路组件120还可以设置为其它结构，例如磁路组件120包括两个间隔设置的磁铁单元121，线圈131为环状结构，线圈131悬置于磁铁单元121形成的磁间隙中，只要使得线圈131最终受到的安培力尽量与手按压触压件111的方向在同一平面即可。

进一步地，导磁板单元122包括第一导磁板1221和第二导磁板1222，线圈131的数量为两个，其中一个线圈131位于第一导磁板1221与磁铁单元121之间，另一个线圈131位于第二导磁板1222与磁铁单元121之间。磁铁单元121与两侧的第一导磁板1221及第二导磁板1222共同形成磁场回路，第一导磁板1221和第二导磁板1222分别平行于磁铁单元121，两个线圈131互相平行，且两个线圈131的通电方向相同，两个线圈131共同位于磁场回路中，受到的安培力方向一致，增大了电磁反馈力。在其它实施例中，线圈131的数量还可以为一个、三个等，具体可根据需要设定。

在更进一步的实施例中，第一磁铁1211与固定件112固定，第二磁铁1212固定于第一磁铁1211背离固定件112的一侧，导磁板单元122沿竖直方向设置，第一磁铁1211和第二磁铁1212的沿横向方向充磁，与第一导磁板1221、第二导磁板1222形成了闭合的磁场回路，且第一磁铁1211和第二磁铁1212沿竖直方向平行设置，减小了触觉装置100的宽度。作为一种可替代的实施方式，第一磁铁1211和第二磁铁1212沿横向方向平行设置且均与固定件112固定，第一磁铁1211和第二磁铁1212分别沿竖直方向充磁，也能够形成闭合的的磁场回路。在另一实施例中，磁铁单元121还可以设置为一个整体的磁铁，只要保证该磁铁两端的充磁方向相反即可。

如图4所示，线圈支架132形成有容纳腔1323以及两个相对设置且分别与容纳腔1323连通的第一过孔1321和第二过孔1322，部分磁铁单元121位于容纳腔1323内，第一过孔1321和第二过孔1322用于在触压件111被按压的情况下供磁铁单元121穿过。第一过孔1321位于固定件112和第二过孔1322之间，在初始状态下，磁铁单元121穿过第一过孔1321，磁铁单元121远离固定件112的部分位于线圈支架132的容纳腔1323中，触压件111相应地形成有供磁路组件120收容的让位空间，当手按压触压件111时，触压件111向固定件112逐渐靠拢的过程中，磁铁单元121远离固定件112的部分穿过第二过孔1322，部分磁铁单元121和导磁板单元122能够逐渐收容至触压件111的让位空间内，触觉装置100的结构紧凑，节约了空间。

线圈支架132开设有固定孔1324，线圈131嵌设在固定孔1324中，磁铁单元121位于线圈支架132内，导磁板单元122位于线圈支架132外侧，第一过孔1321和第二过孔1322沿竖直方向开设，过孔沿横向方向开设，线圈131沿固定孔1324的边沿与线圈支架132固定，减小了触觉装置100的宽度。过孔可设置为两个，以固定两个线圈131，增大电磁反馈力。

触压件111向固定件112逐渐靠近的运动可以为平行移动，也可以是转动，在一实施例中，如图2所示，壳体组件110还包括固定轴114，弹性件113套设在固定轴114上，触压件111可转动地连接于固定轴114。触压件111上设置有转动支架1111，转动支架1111上开设有供固定轴114穿过的通孔，图5和图7均为触觉装置处于初始状态，用手按压触压件111时，触压件111可绕着转动轴转动，同时线圈支架132也在按压空间内转动，如图6和图8所示，触觉装置处于运动状态。如图1、图4和图5所示，线圈支架132为三角柱的形状，磁铁单元121、线圈131和导磁板单元122均为扇形，线圈131包括依次首尾连接的第一长轴1311、第二长轴1312和短轴1313，第一长轴1311和第二长轴1312分别沿磁铁单元121的磁铁单元121的径向方向延伸，第一长轴1311位于第一磁铁1211的旁侧且靠近第二磁铁1212设置，第二长轴1312位于第二磁铁1212的旁侧，线圈131通电时，第一长轴1311和第二长轴1312受到的安培力方向相同。在按压触压件111时可平行移动的实施例中，磁铁单元121和导磁板单元122可设置为矩形形状，线圈131可为矩形或圆环形。

如图4所示，线圈支架132上开设有供固定轴114穿过的转动孔1325，弹性件113位于转动孔1325的旁侧。线圈支架132与触压件111之间可以互相固定；也可以不固定，仅为接触配合，线圈支架132也穿过固定轴114，能够进一步增加线圈支架132转动时的稳定性。其中，弹性件113可为扭簧，套设在固定轴114上，一端与固定件112固定，另一端与线圈支架132固定，通过一定的预压使固定件112与线圈支架132之间保持一定的扭矩。弹性件113的数量可设置为两个，两个弹性件113分别位于线圈支架132的两侧，以进一步增大弹性反馈力。另外，第一导磁板1221和第二导磁板1222上开设有安装孔，第一导磁板1221和第二导磁板1222通过安装孔与固定轴114固定，第一导磁板1221和第二导磁板1222远离触压件111的一端还可以与固定件112固定，以增加导磁板单元122的稳定性。

如图5～图8所示，线圈支架132上设置有第三磁铁1326，提供力反馈的触觉装置100还包括固定在固定件112上的电路板140，电路板140上设置有与第三磁铁1326对应的磁场传感器141。磁场传感器141是可以将各种磁场及其变化的量转化成电信号输出的装置，磁场传感器141设置在线圈支架132的端部，第三磁铁1326设置在电路板140的端部，当手按压触压件111时，线圈支架132逐渐靠近固定件112，图8为第三磁铁刚好与电路板接触时的状态，通过磁场传感器141监控第三磁铁1326的磁场强度可确定触压件111的位置，根据触压件111的位置可改变通过线圈131的电流大小，改变电磁反馈力，以使用户得到不同的触觉体验。第三磁铁1326可选用霍尔磁铁，磁场传感器141为霍尔传感器，霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器141，霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差。霍尔传感器的测量精度高，具有较强的抗外磁场干扰能力。在其它实施例中，磁场传感器141还可以为薄膜磁致电阻传感器、磁阻敏感器、电涡流式传感器、磁性液体加速度传感器或者磁性液体水平传感器等其它类型的磁场传感器141。

此外，本发明还提供了一种交互设备，包括上述用于提供力反馈的触觉装置100，交互设备可以为游戏机、AR或VR设备。该交互设备的具体结构参照上述实施例，由于本交互设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，包括：

壳体组件，包括触压件、固定件和弹性件；

磁路组件，包括磁铁单元，所述磁铁单元包括充磁方向相反的第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁和/或所述第二磁铁固定于所述固定件；

线圈组件，包括线圈支架和固定在所述线圈支架上的线圈，所述线圈支架与所述固定件之间形成按压空间，所述触压件与所述线圈支架抵接，以带动所述线圈支架在所述按压空间内活动；所述弹性件的两端分别与所述固定件以及所述线圈支架固定，以用于产生弹性反馈力；所述第一磁铁和所述第二磁铁的充磁方向分别平行于所述线圈的轴线方向，所述线圈设置在所述磁铁单元的旁侧且位于所述磁路组件形成的磁场回路中，以使所述线圈通电时产生电磁反馈力。

2.如权利要求1所述的用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，所述磁路组件还包括与所述固定件固定的导磁板单元，所述磁铁单元与所述导磁板单元形成所述磁场回路，所述线圈位于所述磁铁单元和所述导磁板单元之间。

3.如权利要求2所述的用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，所述导磁板单元包括第一导磁板和第二导磁板，所述线圈的数量为两个，其中一个所述线圈位于所述第一导磁板与所述磁铁单元之间，另一个所述线圈位于所述第二导磁板与所述磁铁单元之间。

4.如权利要求2所述的用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，所述第一磁铁与所述固定件固定，所述第二磁铁固定于所述第一磁铁背离所述固定件的一侧。

5.如权利要求2所述的用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，所述线圈支架形成有容纳腔以及两个相对设置且分别与所述容纳腔连通的第一过孔和第二过孔，部分所述磁铁单元位于所述容纳腔内，所述第一过孔和所述第二过孔用于在所述触压件被按压的情况下供所述磁铁单元穿过。

6.如权利要求1～5中任一项所述的用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，所述线圈支架开设有固定孔，所述线圈嵌设在所述固定孔中。

7.如权利要求1～5中任一项所述的用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，所述壳体组件还包括固定轴，所述弹性件套设在所述固定轴上，所述触压件可转动地连接于所述固定轴。

8.如权利要求7所述的用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，所述线圈支架上开设有供所述固定轴穿过的转动孔，所述弹性件位于所述转动孔的旁侧。

9.如权利要求1～5中任一项所述的用于提供力反馈的触觉装置，其特征在于，所述线圈支架上设置有第三磁铁，所述提供力反馈的触觉装置还包括固定在所述固定件上的电路板，所述电路板上设置有与所述第三磁铁对应的磁场传感器。

10.一种交互设备，其特征在于，包括如权利要求1～9中任一项所述的用于提供力反馈的触觉装置。

Images