CN209265388U - 手指设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型题为“手指设备”。所述手指设备被配置为佩戴在用户的手指上并且包括：外壳，所述外壳被配置成耦接到所述手指而不覆盖所述手指的下指垫表面；超声波传感器，所述超声波传感器耦接到所述外壳；和控制电路，所述控制电路被配置为当所述手指移动时收集来自所述传感器的输入并且被配置为使用触觉输出设备向所述手指提供触觉输出。

Description

手指设备

技术领域

本实用新型整体涉及电子设备，更具体地，涉及用于手指安装的电子设备的传感器。

背景技术

可使用计算机鼠标和其他输入附件来控制诸如计算机之类的电子设备。在虚拟现实系统中，可使用力反馈手套来控制虚拟对象。蜂窝电话可具有触摸屏显示器和振动器，振动器用于响应于触摸输入而产生触觉反馈。

诸如这些的设备对于用户来说可能不方便。例如，计算机鼠标通常需要平坦的表面来进行操作，并且主要用于在固定位置中的台式计算机。力反馈手套可是笨重而不舒服的。具有触觉反馈的触摸屏显示器仅在用户与显示器交互时提供触觉输出。

实用新型内容

系统可包括一个或多个手指安装的设备，诸如具有U形外壳的手指设备，该手指设备被配置成安装在用户的手指上，同时收集传感器输入并提供触觉输出。传感器可包括安装在外壳的细长臂上的应变仪电路。当臂由于手指力而运动时，应变仪电路可测量臂运动。这允许手指设备中的控制电路收集关于手指运动和相对于外部结构的取向的信息。例如，可收集关于用户的手指是否已经触摸外表面的信息，关于当用户的手指沿着表面拖拽时施加的剪切力的信息，关于将手指与表面分开的距离的信息，以及其他手指信息。

在一些布置中，手指设备可包括超声波传感器。超声波传感器可具有超声波信号发射器和相应的超声波信号检测器，超声波信号检测器被配置为检测穿过用户的手指之后的超声波信号。二维超声波传感器可捕获用户的手指垫的超声波图像。超声波接近传感器可用于测量手指设备和外表面之间的距离。光学传感器和其他传感器也可用于手指设备中。

根据本公开的一个方面，提供了一种手指设备，所述手指设备被配置为佩戴在用户的手指上，其特征在于，所述手指设备包括：外壳，所述外壳被配置成耦接到所述手指而不覆盖所述手指的下指垫表面；超声波传感器，所述超声波传感器耦接到所述外壳；和控制电路，所述控制电路被配置为当所述手指移动时收集来自所述传感器的输入并且被配置为使用触觉输出设备向所述手指提供触觉输出。

根据本公开的另一个方面，提供了了一种手指设备，所述手指设备被配置成佩戴在用户的手指上，其特征在于，所述手指设备包括：U形外壳，所述U形外壳具有被配置为分别位于所述手指的第一侧面和相反的第二侧面上的第一部分和第二部分而不覆盖所述手指的下指垫表面，其中所述第一部分和所述第二部分具有抵靠所述手指的相应的第一细长臂和第二细长臂；和应变计电路，所述应变计电路被配置为当所述第一细长臂和所述第二细长臂弯曲时接收应变测量值。

根据本公开的再一个方面，提供了一种手指设备，所述手指设备被配置成佩戴在用户的手指上，其特征在于，所述手指设备包括：外壳，所述外壳具有被配置成分别位于所述手指的第一侧面和相反的第二侧面的第一部分和第二部分同时保留所述手指的指垫表面暴露；触觉输出设备，所述触觉输出设备耦接到所述外壳；和光学传感器；以及控制电路，所述控制电路被配置为基于来自所述光学传感器的测量值使用所述触觉输出设备向所述手指提供触觉输出。

使用一个或多个手指设备收集的手指输入可以被提供给辅助设备，诸如具有显示器的电子设备，并且可用于控制电子设备的操作。

附图说明

图1为根据实施方案的具有手指设备的例示性系统的示意图。

图2是根据实施方案的已放置手指设备的用户的示例性手指的俯视图。

图3是根据实施方案的用户手指上的示例性手指设备的横截面侧视图。

图4为根据实施方案的例示性手指设备的透视图。

图5是图4的示例性手指设备的一部分的横截面图，示出了根据实施方案的手指设备可如何具有围绕手指的指垫的下部延伸的弯曲的细长臂。

图6是根据实施方案的具有竖直狭缝的示例性手指设备的透视图，所述竖直狭缝形成竖直延伸的臂。

图7是根据实施方案的具有凹槽并且在凹槽中具有传感器的示例性手指设备的横截面侧视图。

图8是根据实施方案的具有安装在手指上的弯曲侧面的示例性手指设备的端视图。

图9是根据实施方案的具有柔性外壳构件的示例性手指设备的前视图，该柔性外壳构件由联接到手指设备外壳的主要部分的弹性构件形成。

图10为根据实施方案的图9的例示性手指设备的透视图。

图11为根据实施方案的图9的例示性手指设备的底视图。

图12是根据实施方案的具有超声波传感器的示例性手指设备的前视图，该超声波传感器具有诸如振动致动器的超声波信号发射装置和超声波信号检测装置。

图13是其中致动器的示例性输出和来自手指设备中的传感器的对应的感测信号已经绘制为时间的函数的曲线图。

图14是根据实施方案的具有向下指向的超声波传感器的示例性手指设备的前视图，该超声波传感器与手指设备的纵向轴线垂直地成角度。

图15是根据实施方案的具有向前指向的超声波传感器的示例性手指设备的侧视图，其中向前指向的超声波传感器安装在外壳延伸部中并且被配置为在与手指设备的纵向轴线平行的方向上发射超声波信号。

图16是根据实施方案的具有向前指向的超声波传感器的示例性手指设备的侧视图，该向前指向的超声波传感器安装在手指设备的上部外壳壁部分上。

图17是根据实施方案的具有诸如超声信号发射器和超声波信号检测器的交互作用部件的一对手指设备的前视图。

图18是根据实施方案的用于二维超声波成像传感器的示例性二维超声波传感器阵列的透视图。

图19是根据实施方案的包括二维超声波传感器的示例性手指设备的前视图。

图20是根据实施方案的具有光学传感器的示例性手指设备的前视图。

图21是根据实施方案的具有弯曲后缘和锥形弯曲臂的示例性手指设备的透视图。

图22是根据实施方案的在弯曲手指上使用期间具有弯曲后缘的示例性手指设备的侧视图。

具体实施方式

本专利申请要求提交于2018年9月19日的美国专利申请16/136,132 以及提交于2018年6月4日的临时专利申请62/680,495的优先权，其全文据此以引用方式并入本文。

被配置为安装在用户的身体上的电子设备可用于收集用户输入并向用户提供输出。例如，被配置为佩戴在用户的一个或多个手指上的电子设备(有时称为手指设备或手指安装设备)可用于收集用户输入和提供输出。例如，手指设备可包括惯性测量单元，该惯性测量单元具有用于收集关于诸如手指敲击或自由空间手指手势之类的图形运动的信息的加速度计，可包括用于收集关于手指设备中的正常力和剪切力的信息的力传感器并且可包括用于收集关于手指设备(以及安装有设备的用户的手指)与周围环境之间的交互的信息的其他传感器。手指设备可包括触觉输出设备以向用户的手指提供触觉输出，并且可包括其他输出组件。

一个或多个手指设备可从用户收集用户输入。用户可在操作虚拟现实或混合现实设备(例如，诸如眼镜、护目镜、头盔或具有显示器的其他设备的头戴式设备)中使用手指设备。在操作期间，手指设备可收集用户输入，诸如关于手指设备和周围环境之间的交互的信息(例如，用户的手指和环境之间的交互，包括手指运动和与为用户显示的虚拟内容相关联的其他交互)。用户输入可用于控制显示器上的视觉输出。可使用手指设备向用户的手指提供对应的触觉输出。例如，触觉输出可用于在用户正在触摸真实对象时或在用户正在触摸虚拟对象时为用户的手指提供期望的纹理感觉。

手指设备可佩戴在用户手指的任何一个或全部上(例如，食指、食指和拇指、用户手上的三个手指、双手上的一些或所有手指等)。为了在用户与周围物体交互时增强用户触摸的灵敏度，手指设备可具有倒U形或其他构形，其允许手指设备佩戴在用户的指尖的顶部和侧面上，同时让用户的手指垫暴露在外。这允许用户在使用期间用用户手指的手指垫部分触摸对象。用户可使用手指设备与任何合适的电子设备进行交互。例如，用户可使用一个或多个手指设备与虚拟现实或混合现实系统(例如，具有显示器的头戴式设备)交互，以向台式计算机、平板计算机、蜂窝电话、手表、耳塞或其他附件提供输入，或与其他电子设备进行交互。

图1是可包括一个或多个手指设备的类型的示例性系统的示意图。如图 1所示，系统8可包括电子设备，诸如手指设备10和其他电子设备24。每个手指设备10可佩戴在用户的手的手指上。系统8中的附加电子设备诸如设备24可包括诸如膝上型计算机、包含嵌入式计算机的计算机监视器、平板计算机、台式计算机、蜂窝电话、媒体播放器或其他手持或便携式电子设备之类的设备，更小的设备诸如手表设备、悬挂设备、耳机或听筒设备，头戴式设备诸如眼镜、护目镜、头盔或佩戴在用户头上的其他设备，或其他可穿戴或微型设备，电视，不包含嵌入式计算机的计算机显示器，游戏设备，遥控器，导航设备，嵌入式系统，诸如将设备安装在信息亭、汽车、飞机或其他车辆中的系统，电子设备的可拆卸外壳，带子，腕带或头带，用于设备的可移除盖子，带有带子或具有其他结构的盒子或袋子，用于接收和携带电子设备和其他物品，项链或手臂带，钱包，袖子，口袋或其他可插入电子设备或其他物品的结构，椅子、沙发或其他座椅的一部分(例如，靠垫或其他座椅结构)，衣服或其他可穿戴物品的一部分(例如，帽子、腰带、腕带、头带、袜子、手套、衬衫、裤子等)，或实现这些设备中的两个或更多个的功能的设备。

在一种示例性构型的情况下，其在本文中有时可被描述为实施例，设备 10是具有手指安装的外壳的手指安装设备，该外壳具有抓住用户手指的U 形主体或者具有被配置成抵靠用户的手指的其他形状，并且设备24是蜂窝电话、平板电脑、膝上型计算机、手表设备、头戴式设备、带扬声器的设备或其他电子设备(例如，带有显示器、音频部件和/或其他输出部件的设备)。

设备10和设备24可包括控制电路12和控制电路26。控制电路12和控制电路26可包括用于支持系统8的操作的存储和处理电路。存储和处理电路可包括存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或被配置为形成固态驱动器的其他电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路12和控制电路26中的处理电路可用于收集来自传感器和其他输入设备的输入，并可用于控制输出设备。处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器和其他无线通信电路、电源管理单元、音频芯片、专用集成电路等。

为了支持设备10和设备24之间的通信和/或支持系统8中的设备与外部电子设备之间的通信，控制电路12可使用通信电路14进行通信，和/或控制电路26可使用通信电路28进行通信。电路14和/或电路28可包括天线、射频收发器电路和其他无线通信电路和/或有线通信电路。电路14和/或电路26 (有时可称为控制电路和/或控制及通信电路)可例如通过无线链路38(例如，无线局域网链路、近场通信链路或其他合适的有线或无线通信链路(例如，链路、链路、60GHz链路或其他毫米波链路等))支持设备10和设备24之间的双向无线通信。设备10和设备24还可包括用于发送和/或接收有线和/或无线电力的电源电路，并且可包括电池。在设备10和设备24之间支持无线电力传输的构型中，可使用感应电力传输线圈(作为示例)来支持带内无线通信。

设备10和设备24可包括输入输出设备诸如设备16和设备30。输入输出设备16和/或30可用于收集用户输入，收集关于用户周围环境的信息，和 /或用于向用户提供输出。设备16可包括传感器18并且设备24可包括传感器32。传感器18和/或传感器32可包括力传感器(例如，应变仪、电容力传感器、电阻力传感器等)，音频传感器诸如麦克风，触摸和/或接近传感器诸如电容传感器，光学传感器诸如发射和检测光的光学传感器，超声波传感器和/或其他触摸传感器和/或接近传感器，单色和彩色环境光传感器，图像传感器，用于检测位置、方向和/或运动的传感器(例如，加速度计、磁传感器诸如罗盘传感器、陀螺仪和/或包含一些或所有这些传感器的惯性测量单元)，用于检测手指动作的肌肉活动传感器(EMG)，射频传感器，深度传感器(例如，结构光传感器和/或基于立体成像设备的深度传感器)，光学传感器诸如自混合传感器以及收集飞行时间测量值的光检测和测距(激光雷达)传感器，湿度传感器，湿气传感器和/或其他传感器。在一些布置中，设备10和/或设备24可使用传感器18和/或32和/或其他输入输出设备16和/ 或30来收集用户输入(例如，按钮可用于收集按钮按压输入，触摸传感器重叠显示器可用于收集用户触摸屏输入，触摸板可用于收集触摸输入，麦克风可用于收集音频输入，加速度计可用于监视手指何时接触输入表面并且因此可用于收集手指按压输入等)。

设备16和/或30可包括触觉输出设备20和/或34。触觉输出设备20和/ 或34可产生由用户感测的运动(例如，通过用户的指尖)。触觉输出设备20 和/或34可包括致动器，诸如电磁致动器、马达、压电致动器、电活性聚合物致动器、振动器、线性致动器、旋转致动器、使可弯曲构件弯曲的致动器、产生和/或控制设备10和/或24之间的排斥力和/或吸引力的致动器设备(例如，用于产生静电排斥和/或吸引力的部件诸如电极，用于产生超声波输出的部件诸如超声波换能器，用于产生磁性相互作用的部件诸如用于产生直流和 /或交流磁场的电磁铁，永磁体，磁性材料诸如铁或铁氧体，和/或用于在设备10和/或24之间产生排斥力和/或吸引力的其他电路)。在一些情况下，用于在设备10中产生力的致动器可用于挤压用户的手指和/或以其他方式直接与用户的指腹相互作用。在其他情况下，这些部件可用于彼此交互(例如，通过使用电磁铁在一对设备10之间和/或设备10与设备24之间产生动态可调的电磁排斥力和/或吸引力)。

如果需要，输入-输出设备16和/或30可包括其他设备22和/或36，诸如显示器(例如，在设备24中为用户显示图像)，状态指示灯(例如，用作电源指示器的设备10和/或24中的发光二极管，以及其他基于光的输出设备)，扬声器和其他音频输出设备，电磁铁，永磁体，由磁性材料形成的结构(例如，被诸如电磁体和/或永磁体的磁体吸引的铁杆或其他铁磁构件)，电池等。设备10和/或24还可包括配置成发送和/或接收有线和/或无线电力信号的电力发送和/或接收电路。

图2是用户的手指(手指40)和示例性手指安装设备10的顶视图。如图2所示，设备10可由安装在手指40的尖端上或安装在手指40的尖端附近的手指安装单元形成(例如，部分或完全地重叠指甲42)。如果需要，设备10可穿戴在用户手指上的其他地方。

用户可同时穿戴设备10中的一者或多者。例如，用户可在用户的无名指或食指上佩戴单个设备10。又如，用户可在用户的拇指上佩戴第一设备 10，在用户的食指上佩戴第二设备10，并且在用户的中指上佩戴可选的第三设备10。也可使用其中将设备10佩戴在用户的一只手或两只手的其他手指和/或所有手指上的布置。

控制电路12(以及，如果需要，通信电路14和/或输入-输出设备16) 可完全包含在设备10内(例如，在用于指尖安装的单元的外壳中)和/或可包括联接到指尖结构的电路(例如，通过来自相关联的腕带、手套、无指手套等的线)。其中设备10具有安装在个人用户指尖上的主体的构型在本文中有时作为实施例被描述。

图3是示例性手指设备(手指安装设备)10的横截面侧视图，其示出了电子部件(例如，控制电路12、通信电路14和/或输入输出设备16)在手指设备外壳44内和/或其表面(多个)上的示例性安装位置46。如果需要，这些部件可结合到外壳44的其他部分中。

如图3所示，外壳44可具有U形形状(例如，外壳44可是U形外壳结构，其面向下并覆盖用户手指40和指甲42的尖端)。在操作期间，使用者可按压结构诸如结构50。当手指40的底部(例如，指腹40P)压靠结构 50的表面48时，用户的手指可压缩并迫使手指的一部分向外抵靠外壳44的侧壁部分(例如，用于通过力传感器或安装到外壳44的侧面部分的其他传感器感测)。手指40在XY平面中的侧向移动也可使用外壳44的侧壁或外壳44的其他部分上的力传感器或其他传感器来感测(例如，因为侧向移动将倾向于将手指40的部分压靠在一些传感器上而不是其他传感器上和/或将产生由被配置成感测剪切力的力传感器测量的剪切力)。超声波传感器、光学传感器、惯性测量单元和/或其他传感器可用于收集指示手指40的活动的传感器测量值。

设备10中的传感器可测量用户如何有力地将设备10(和手指40)移动抵靠表面48(例如，在平行于表面48的表面法线n的方向上，诸如图3的-Z方向)和/或者用户如何有力地将设备10(和手指40)移动到XY平面内，与表面48相切。设备10在X-Y平面和/或Z方向上的移动方向也可通过位置46处的力传感器和/或其他传感器18来测量。

结构50可是设备24的外壳的一部分，可是另一设备10的一部分(例如，另一外壳44)，可是用户的手指40或其他身体部分的一部分，可是现实世界物体表面诸如桌子、可移动的现实世界物体诸如瓶子或笔，或设备10 外部的其他无生命物体的表面，和/或可是用户在期望的方向上用期望的力移动手指40时可与手指40接触的任何其他结构。因为诸如这些的运动可由设备10来感测，所以设备(多个)10可用于收集指向输入(例如，在诸如设备36中的显示器之类的显示器上移动光标或其他虚拟对象的输入)，可用于收集轻敲输入、轻扫输入、捏合缩放输入(例如，当使用一对设备10时) 或其他手势输入(例如，手指姿势、手姿势、手臂运动等)，和/或其他用户输入。

图4是示例性手指设备的透视图。在图4的示例性构型中，手指设备10 的外壳44具有部分52和/或部分58，其具有有助于将手指设备10牢固地保持在手指40上的形状。部分52和/或部分58(有时可称为弯曲部或弯曲的臂，弯曲部或弯曲的突出部分，成角度的外壳结构等)可具有弯曲的横截面轮廓，其允许这些部分与手指40的弯曲的外表面相符并且由此手指40靠在这些表面上，同时将外壳44保持在手指40上的适当位置。例如，部分52 可被配置为围绕用户手指的尖端在手指40的左侧和右侧弯曲。部分58可被配置为围绕用户指垫的下表面的左右边缘部分弯曲。如果需要，可使用外壳 44中的附加臂和/或其他结构，其有助于将设备10牢固地安装在手指40上。

如果需要，部分52各自可通过水平狭槽48与外壳44的其余部分分开。部分52可具有细长形状，其平行于纵向手指设备轴线54水平延伸。狭槽48 也可沿轴线54延伸。由于狭槽48的存在，每个部分52可侧向弯曲(例如，当由手指40侧向挤压时)。

应变计或其他传感器可用于测量部分52的弯曲。例如，可将一对应变计56放置在靠近狭槽48的底部的部分52的区域上，如图4所示。在该位置，来自部分52的弯曲部的弯曲力被集中并且可使用应变计56有效地测量。当应变计56沿着部分52的长度在不同位置处(例如，沿着轴54的不同的相应位置)联接到部分52时，每个应变计将测量到不同量的力。例如，第一应变计56可产生输出F1，第二应变计56可产生输出F2。通过处理信号 F1和F2两者(例如，通过计算F1和F2的比率等)，在使用应变计56进行的应变计测量中可减少噪声(例如，由于热和/或其他噪声源引起的寄生信号)。在响应于部分52的弯曲而产生输出的情况下，信号F1和F2将倾向于相关，而在输出信号是由噪声引起的情况下，信号F1和F2将是不相关的。应变计56可由曲折迹线形成，该曲线用作应变相关可变电阻器。迹线可沿轴线54延伸(例如，垂直于部分52的弯曲轴)，以帮助增强来自应变计电路的输出信号的幅度。

如图4所示，如果需要，设备10可具有可选的铰链，诸如铰链46。铰链46可允许外壳44的左侧和右侧朝向彼此或远离彼此移动，以适应不同尺寸的手指。

图5是沿线60截取并沿方向62观察的外壳44的横截面侧视图。如图5 所示，向下突出部分58可具有弯曲的横截面轮廓，该横截面轮廓被构造成配合在手指40的指垫40P下面，从而有助于将外壳44贴合地配合到用户手指的表面并在使用期间将外壳44保持在手指40上。除了在细长部分52上形成应变计电路之外或代替在细长部分52上形成应变计电路，应变计电路可形成在外壳44的细长部分上，诸如部分58。

图6是示例性构造中的设备10的透视图，其中外壳44设置有诸如狭槽 64的竖直狭槽。外壳44的每个侧面(例如，手指40的左侧和右侧上的外壳) 可具有相应的竖直狭槽64。竖直狭槽64的存在可允许竖直臂(诸如竖直细长外壳部分66)在手指40移动时弯曲。应变计56可安装到这些臂的基部(作为示例)。

图7是示例性构造中的设备10的横截面前视图，其中外壳44具有形成凹陷表面68的凹陷部。部件70(例如，应变计、其他输入-输出设备16、控制电路12、通信电路14和/或其他电路)可安装到表面68并且用聚合物71 或其他覆盖结构覆盖。

如图8的设备10的横截面前视图所示，外壳44可被构造成具有弯曲的横截面轮廓和弯曲的内表面72，弯曲的内表面72与手指40的相对的弯曲外表面匹配。沿着手指40的侧面延伸并且在手指40的下表面的一部分下方的外壳44的部分的延伸的(并且如果需要的话，变薄的)弯曲尖端可足够柔韧以在使用期间弯曲，使得在外壳44上的应变计可检测手指移动。

图9是设备10的横截面前视图，示出了设备10如何具有由多种材料形成的外壳。外壳44的主要部分可例如由耐用聚合物形成。如果需要，可将装饰覆盖件放置在外壳44上。诸如外壳44的弹性体部分74的弹性结构可由柔软的柔韧物质诸如硅树脂形成。主外壳部分的弹性模量(例如，外壳44 的主要部分的杨氏模量)可是例如至少0.5GPa，而弹性体部分74的弹性模量可是例如小于0.1GPA。诸如弹性体外壳部分74(其有时可被称为弹性体套管，弹性体壁结构或弹性体外壳构件)的弹性体结构的存在可帮助设备10 在使用期间与手指40相符并抓持手指40。图10是示例性手指设备的透视侧视图，示出了用户的手指垫40P的下表面中的一些和手指40的前尖端可如何暴露(例如，弹性体外壳部分74可仅围绕手指40的边缘延伸)。图11 是示例性手指设备和手指40的下视图，示出了部分74可如何形成为单个连续柔韧构件(例如，弹性体聚合物或比耐用塑料和/或形成外壳44的剩余部分的其他材料更容易拉伸的其他材料)。

图12是示例性构造中的设备10的前视图，其中使用发射和检测振动的传感器电路(例如，发射和检测超声波振动的超声波传感器)跟踪手指40 的移动。图12的传感器用压电设备或其他换能器发出振动，所述压电设备或其他换能器响应于电输入信号产生运动，同时在振动已经穿过手指40并且已经由手指40传播的效果修改(例如，阻尼)之后测量振动。在一个示例性布置中，由设备10的超声波传感器处理的信号具有至少40kHz、至少 100kHz、至少200kHz、至少1MHz、小于2MHz、小于800kHz、小于500kHz 的频率或其他合适的频率。如果需要，也可使用该传感器处理子超声频率(例如，10kHz)的构型。

如图12的实施例中所示，设备10的超声波传感器电路可包括第一设备诸如设备76，其安装在外壳44的第一侧部分上；以及第二设备诸如设备78，其安装在外壳44的相对的第二侧部分上。在这种布置方式中，手指40将在操作期间位于设备76和设备78之间。设备76可是压电换能器或其他超声波信号发射装置，其响应于来自控制电路14的电控制信号而产生振动输出。设备78可是超声波信号测量装置，诸如将超声波振动转换成电信号的换能器，诸如振动传感器(例如，应变计、压电传感器或其他力传感器)。在操作期间，设备76可发射诸如图13的曲线图中的幅度A的信号80之类的信号。这些信号的相位和幅度将通过手指40的传播而改变，并且可被设备78 检测为所测量的信号82。当手指40压在结构50的表面48上并且指腹40P 被压缩时，信号82的测量特征(例如，幅度、相位等)将趋于变化。这样，控制电路12可使用设备76和设备78来确定手指40是处于自由空间还是正在接触外部物体，并且可确定外部物体被按压的力度。

在图4的实施例中，使用可用作接近传感器的超声波传感器来跟踪手指 40的移动。图14的超声波传感器84发射超声波信号(例如，穿过空气传播的超声波声波)。传感器84还具有麦克风或其他超声波声音检测器，其在这些信号从外部物体反射之后检测发射的超声波信号。可通过控制电路12 进行飞行时间测量、超声波声音幅度和相位测量，和/或其他超声波信号测量，以监测手指活动。例如，超声波传感器84可用于发射从结构50的表面48反射并由传感器84(例如，传感器84中的麦克风或其他声音传感器)检测的信号。可测量反射信号的强度和/或其他属性以确定手指40是否接近表面 48，手指40是朝向还是远离表面48移动(以及多快)，和/或手指40是否接触表面48。在图14的示例性布置中，传感器84沿垂直于手指设备10的纵向轴线54的竖直方向发射和检测信号。

图15是示例性构型中的设备10的侧视图，其中超声波传感器84已安装在从外壳44的其余部分向下突出的外壳部分(外壳部分44P)上。如果需要，部分44P可进一步延伸，如细长部分44P′和示例性超声波传感器84′所示。在诸如这些的布置中，传感器84可被引导以沿向前方向(例如，沿着手指20的长度，平行于纵向轴线54)发射超声波信号。

在图15中所示类型的场景中，传感器84(或传感器84′)可用于检测手指40何时处于自由空间中(少数发射的超声波信号从手指40的下侧和/或表面48反射回传感器84的情况)以及检测手指40何时靠在表面48上(手指 40和表面48形成有助于将发射的超声波信号反射回传感器84的声屏障的情况)。在用户将手指40的尖端的前部朝向表面48移动的布置中(如图16 所示)，传感器84可检测手指40(和设备10)距表面48的距离，可检测手指40是否正在相对于表面48移动等。

如果需要，多个手指设备10可在系统8中交互，并且可用于向设备24 提供多手指用户输入。诸如超声波发声器和超声波声音检测器的电子部件可包括在这些设备中以跟踪设备之间的相对运动。例如，考虑图17的布置方式。在图17的实施例中，第一手指设备10A和第二手指设备10B具有超声波设备86或跟踪设备10A和设备10B之间的相对运动的其他部件。每个设备86可例如具有超声波发声器和/或麦克风或其他超声波声音检测器。在操作期间，第一设备86可发射超声波信号，并且相应的第二设备86可检测超声波信号。如果需要，第二设备86还可向第一设备发送信号。一个或两个设备10中的控制电路12可处理发射的信号和检测到的信号以监测手指运动 (例如，在用户手指的捏缩放手势或其他多手指运动以提供输入期间检测设备10A和设备10B之间的相对运动)。飞行时间测量(例如，从设备10A向设备10B传播信号所消耗的时间量的测量)、接收信号强度测量(例如，其中接收信号功率用于确定距离的测量)，和/或可以使用设备86进行其他测量，以确定与设备10A和设备10B相关联的手指40的位置和/或运动。

诸如二维超声波传感器阵列的超声波传感器可用于收集指腹40P的超声波图像数据。可分析该超声波图像数据以确定手指40的形状，从而分析指腹40P是否已经接触结构50的表面48。图18中示出了示例性二维超声波图像传感器。如图18所示，二维超声波传感器90具有二维超声波传感器元件阵列92。元件92中的一者或多者和/或单独的超声波传感器元件可用作超声波信号发射器(例如，压电换能器或发射超声波振动的其他致动器)。

如图19所示，传感器90可安装到设备装置10的外壳44上(例如，在外壳44的侧壁部分上)。在该位置，传感器90可将超声波信号引导到指腹 40P中，并且可使用二维元件阵列92测量反射的超声波信号。这样，控制电路12可收集手指40的超声波图像，从而显示指腹40P的形状。当指腹40P 不与表面48接触时，指腹40P的下表面将是圆形的。当指腹40P接触表面 48时，指腹40P的下表面将变平，并且设备10可断定手指40触摸表面48。可实时监测任何指腹变形的扁平量以及位置和取向，以确定手指40的位置、手指40施加的压力和/或手指40的取向(例如，手指40是否是在压靠表面 48的同时向一侧倾斜)。

如图20所示，光学传感器100可包括在设备10中。在图20的实施例中，第一光学传感器100安装在外壳44的一侧，第二光学传感器100安装在外壳44的另一相对侧(例如，手指40的相对侧上的外壳侧壁)。每个传感器100可具有光发射器102和光检测器104。光发射器102可是发光二极管、激光器或其他发光装置。光检测器104可是光电晶体管、光电二极管或其他光电检测器。传感器100可在可见波长、红外波长和/或其他合适的波长下操作。

如果需要，手指设备可具有单个光学传感器100。在该布置方式中，手指40的一侧上的光学传感器100可发光并且还可检测任何发射的光是否从表面48反射并被接收。测量的反射信号的强度可与传感器100(例如，设备 10和外壳44)和结构50的表面48之间的距离成比例。如果设备10远离表面48，则反射信号将很弱。如果设备10靠近表面48，则反射信号将很强。

在设备10包含多个传感器100的构型中，从手指40的一侧上的第一传感器100发射的光可由手指40的相对侧上的第二传感器100测量。当手指 40与表面48接触时，与手指40不与表面48接触时相比，手指40可阻挡更多的发射光。一些光也可传输通过指腹40P，因此手指40压靠表面48的量也可影响光传输。因此，由另一传感器100检测到的来自一个传感器40的发射光的强度可提供关于手指40是否与表面48接触、手指40如何有力地压靠表面48的信息以及关于手指40相对于表面48的取向和运动的其他信息。

可使用光学传感器100监测手指40的光学特性(例如，手指40的外观诸如手指40的颜色，手指40在一个或多个不同波长的光下的透射率等)。例如，手指40左侧上的光发射器102可发射多个波长的光(例如，一个或多个红外波长，一个或多个可见光波长，诸如红色、绿色和蓝色波长等)。手指40右侧上的光检测器104可是包含多个光电探测器的彩色光传感器，所述光电探测器被配置为测量不同相应波长的光(例如，一个或多个红外波长，一个或多个可见光波长诸如红色、绿色和蓝色波长，或者与由发射器102 发射的光的波长对应的其他波长)和/或当光检测器104进行同步测量时可在不同时间发射不同颜色的光(例如，可确定手指40在每个波长下的光透射)。当手指40被压靠在表面48上时，手指40的颜色和透光率(透射率)将改变。可使用由光发射器102发射的多个波长的光和检测器104的彩色光传感器动态地测量手指40的透射光谱。通过分析透射光谱(例如，透过手指40 的光的颜色)，可检测光谱的变化(例如，由于与表面48接触而在手指40 中的顾色变化)。

如果需要，检测器104可是彩色光传感器，其监测暴露于环境光下的手指40的颜色。当手指40接触表面48时可检测到颜色变化(例如，当压靠表面48使得手指40中的血管被夹住并且比手指40不触摸表面48并且不被压缩时包含更少的血液时手指40可看起来更白)。当对手指40使用环境光照射时，可省略光发射器102。

另一个示例性构型测量在单个波长下通过手指40的光传输，而不是在多个波长下收集光传输数据。光传输量将受到手指压缩的影响，因此可用于检测手指40何时接触表面48。如果需要，可使用比可见光更有效地穿透手指40的红外光(单独或与进行可见光测量结合)。例如，红外发光二极管可位于手指40的左侧，并且相应的红外光检测器可位于手指40的右侧以监测穿过手指40的红外光传输。

为了测量手指40的光学特性，光传感器100可安装在指甲42附近，其中手指压缩下的颜色变化通常是最明显的。例如，一个或多个发光二极管(可见光、红外光等)可将光发射到手指40靠近指甲42的一侧，同时检测器104 监测穿过手指40传输的该光的量。

可使用这些布置的组合，其中光学感测用于检测当指垫40P触摸表面 48时在手指40下方行进的光线的遮挡，和/或其他光学手指感测布置。

在一些布置中，可使用多于一种类型的感测布置来收集关于设备10的信息诸如关于手指运动、手指位置、由指腹40按压外表面的情况引起的手指力的信息，和/或关于手指(多个)40的取向和运动的其他信息。例如，用于设备10的传感器电路可包括应变计、其他力传感器、超声波传感器、光学传感器、超声波成像传感器、测量指腹信号衰减的超声波传感器、磁传感器、射频传感器、成像传感器(例如，跟踪相机)、惯性测量单元(例如，加速度计、陀螺仪和/或罗盘传感器)、触摸传感器(例如，电容式触摸传感器)，其他传感器，这些传感器类型中的一个或多个、两个或多个、三个或多个，或四个或多个传感器的任何组合，和/或其他手指监测布置。

在系统8的操作期间，使用一个或多个手指设备10收集的手指信息可用于检测用户输入。用户输入可包括用户手指手势，包括轻击、轻扫、诸如捏拉缩放手势的多手指手势，和/或其他手指输入。响应于用手指设备10收集的手指输入，设备10和/或从诸如图1的系统8的电子设备24之类的设备 10接收手指信息的一个或多个设备可采取适当的行动。例如，可用手指设备 10和/或设备24中的触觉输出设备将触觉输出提供给用户，可使用显示器和/或其他基于光的输出设备(例如，设备24中的组件)来显示信息，可使用设备10和/或设备24中的扬声器提供声音和/或可生成其他输出。来自设备 10的手指输入可用于控制在系统8上运行的任何合适的软件(例如，混合现实软件、虚拟现实软件、绘图应用程序、游戏应用程序、文字处理应用程序和其他生产力应用程序、操作系统功能等)。

在图21中示出了示例性构造中的手指设备10的透视图，其中设备10 的外壳44具有弯曲的后缘，诸如弯曲的后边缘44E。弯曲后边缘44E的形状可在外壳44E和用户的关节之间提供间隙，以帮助在用户的手指弯曲的情况下防止外壳44和用户的手指之间的干涉作用。当从侧面观察时，边缘44E 可从外壳44的下前部44F对角地延伸到上后部44R。外壳44可具有与用户指尖相符的形状，并且适合于收集传感器测量值。例如，弯曲臂52可具有尖端部分52′，尖端部分52′在臂52的前端处朝向彼此逐渐变细。臂52可由柔性材料(金属片、聚合物、弹性材料、其他材料和/或这些材料的组合)形成，使得臂52可在来自用户手指的肉的力的作用下偏转。图21的臂52的锥形尖端构造和柔韧性可帮助确保由耦接到弯曲臂52的力传感器或其他传感器精确地测量指尖运动。

图22是手指设备诸如图21的设备10的侧视图。如图22所示，由弯曲的后外壳边缘44E形成的外壳44的凹陷部分可帮助防止当手指40弯曲时(例如，当用户用手指40触摸表面时)手指40(例如，手指40的靠近用户的指关节的部分)之间的不期望的干扰。

根据实施方案，提供了一种被配置为佩戴在用户的手指上的手指设备，其包括被配置成耦接到手指而不覆盖所述手指的下指垫表面的外壳，耦接到外壳的超声波传感器和控制电路，该控制电路被配置为当手指移动时从传感器收集输入并且被配置为使用触觉输出设备向手指提供触觉输出。

根据另一个实施例方案，外壳具有U形形状，该U形形状分别搁置在手指的第一侧和相对的第二侧上，超声波传感器包括二维超声波成像传感器，手指设备包括触觉输出设备，并且控制电路还被配置为使用触觉输出设备向手指提供触觉输出。根据另一个实施方案，将超声波传感器安装在第一侧上。根据另一个实施方案，外壳具有U形形状，其具有分别位于手指的第一侧和相对的第二侧上的第一侧和相对的第二侧。根据另一个实施方案，超声波传感器包括超声波信号发射器和超声波信号检测器。

根据另一个实施方案，将超声波信号发射器安装到第一侧，并且将超声波信号检测器安装到第二侧。

根据另一个实施方案，外壳沿手指的纵向轴线延伸，并且超声波传感器包括超声波信号发射器，该超声波信号发射器耦接到第一侧并且被配置成沿纵向轴线发射超声波信号。

根据另一个实施方案，外壳沿手指的纵向轴线延伸，并且超声波传感器包括超声波信号发射器，该超声波信号发射器耦接到第一侧并且被配置为沿垂直于纵向轴线的方向发射超声波信号。

根据另一个实施方案，第一侧和第二侧具有相应的第一弯曲横截面轮廓和第二弯曲横截面轮廓。

根据实施方案，提供一种被配置为佩戴在用户手指上的手指设备，其包括U形外壳，该外壳具有第一部分和第二部分，所述第一部分和第二部分被配置成在不覆盖手指的下部手指垫表面的情况下分别搁置在手指的第一侧和相对的第二侧上，第一部分和第二部分具有抵靠手指的相应的第一细长臂和第二细长臂，以及应变仪电路，所述应变仪电路被配置成在在第一细长臂和第二细长臂弯曲时接收应变测量值。

根据另一个实施方案，所述手指设备包括触觉输出设备和控制电路，所述触觉输出设备联接到所述U形外壳，所述控制电路被配置为当手指移动时收集来自应变仪电路的应变测量并且被配置为使用触觉输出设备向手指提供触觉输出。

根据另一个实施方案，第一细长臂和第二细长臂各自具有弯曲的横截面轮廓。

根据另一个实施方案，第一细长臂和第二细长臂每者都具有弯曲的尖端，该尖端围绕手指的尖端部分地缠绕。

根据另一个实施方案，U形外壳具有纵向轴线，并且第一细长臂和第二细长臂平行于纵向轴线延伸。

根据另一个实施方案，U形外壳具有与第一细长臂相邻的第一狭槽和与第二细长臂相邻的第二狭槽。

根据另一个实施方案，该U形外壳具有第三和第四臂，该第三臂和第四臂具有弯曲的轮廓，部分地在手指的相应的左侧和右侧下方延伸。

根据另一个实施方案，U形外壳具有纵向轴线，并且第一细长臂和第二细长臂垂直于纵向轴线延伸。

根据另一个实施方案，手指设备包括联接到U形外壳的弹性构件，该弹性构件被配置成在不接触手指的下部指垫表面的情况下接触手指的侧面部分。

根据实施方案，提供一种被配置为佩戴在用户的手指上的手指设备，该手指设备包括具有第一部分和第二部分的外壳，所述第一部分和第二部分被配置成分别搁置在手指的第一侧和相对的第二侧上，同时使手指的指垫表面暴露，耦接到外壳的触觉输出设备，以及光学传感器和控制电路，所述控制电路被配置成基于来自光学传感器的测量值使用触觉输出设备向手指提供触觉输出。

根据另一个实施方案，光学传感器耦接到第一部分并且包括被配置成发光的发光设备，以及被配置成测量所发射的光的光检测设备，控制电路被配置成基于光检测设备对所发射的光的测量来提供触觉输出。

根据另一个实施方案，光学传感器包括光发射器和光检测器，该光检测器被配置为检测来自光发射器的已经穿过手指的所发射的光。

根据另一个实施方案，光发射器包括发光二极管。

根据另一个实施方案，光学传感器被配置为检测手指中的颜色变化。

前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可单独实施或可以任意组合实施。

Claims (20)

1.一种手指设备，所述手指设备被配置为佩戴在用户的手指上，其特征在于，所述手指设备包括：

外壳，所述外壳被配置成耦接到所述手指而不覆盖所述手指的下指垫表面；

超声波传感器，所述超声波传感器耦接到所述外壳；和

控制电路，所述控制电路被配置为当所述手指移动时收集来自所述传感器的输入并且被配置为使用触觉输出设备向所述手指提供触觉输出。

2.根据权利要求1所述的手指设备，其特征在于，所述外壳具有U形形状，具有被配置为分别位于所述手指的第一侧面和相反的第二侧面上的第一侧面和相反的第二侧面，其中所述超声波传感器包括二维超声波成像传感器，其中所述手指设备还包括触觉输出设备并且其中所述控制电路被进一步配置为使用所述触觉输出设备向所述手指提供触觉输出。

3.根据权利要求2所述的手指设备，其特征在于，所述超声波传感器安装在所述第一侧面上。

4.根据权利要求1所述的手指设备，其特征在于，所述外壳具有U形形状，具有被配置为分别位于所述手指的第一侧面和相反的第二侧面上的第一侧面和相反的第二侧面。

5.根据权利要求4所述的手指设备，其特征在于，所述超声波传感器包括超声波信号发射器和超声波信号检测器。

6.根据权利要求5所述的手指设备，其特征在于，所述超声波信号发射器安装到所述第一侧面并且其中所述超声波信号检测器安装到所述第二侧面。

7.根据权利要求4所述的手指设备，其特征在于，所述外壳沿着所述手指的纵向轴线延伸，并且其中所述超声波传感器包括耦接到所述第一侧面并且被配置为沿所述纵向轴线发射超声波信号的超声波信号发射器。

8.根据权利要求4所述的手指设备，其特征在于，所述外壳沿着所述手指的纵向轴线延伸，并且其中所述超声波传感器包括耦接到所述第一侧面并且被配置为沿着垂直于所述纵向轴线的方向发射超声波信号的超声波信号发射器。

9.根据权利要求4所述的手指设备，其特征在于，所述第一侧面和所述第二侧面具有相应的第一弯曲横截面轮廓和第二弯曲横截面轮廓。

10.一种手指设备，所述手指设备被配置成佩戴在用户的手指上，其特征在于，所述手指设备包括：

u形外壳，所述u形外壳具有被配置为分别位于所述手指的第一侧面和相反的第二侧面上的第一部分和第二部分而不覆盖所述手指的下指垫表面，其中所述第一部分和所述第二部分具有抵靠所述手指的相应的第一细长臂和第二细长臂；和

应变计电路，所述应变计电路被配置为当所述第一细长臂和所述第二细长臂弯曲时接收应变测量值。

11.根据权利要求10所述的手指设备，其特征在于，所述手指设备还包括：

触觉输出设备，所述触觉输出设备耦接到所述U形外壳；和

控制电路，所述控制电路被配置为当所述手指移动时从所述应变计电路收集所述应变测量值并且被配置为使用所述触觉输出设备向所述手指提供触觉输出。

12.根据权利要求11所述的手指设备，其特征在于，所述第一细长臂和所述第二细长臂各自具有弯曲的横截面轮廓，并且其中所述第一细长臂和所述第二细长臂各自具有围绕所述手指的尖端部分地缠绕的弯曲的尖端。

13.根据权利要求12所述的手指设备，其特征在于，所述U形外壳具有纵向轴线，其中所述第一细长臂和所述第二细长臂平行于所述纵向轴线延伸，并且其中u形外壳具有与所述第一细长臂相邻的第一狭槽和与所述第二细长臂相邻的第二狭槽。

14.根据权利要求13所述的手指设备，其特征在于，所述U形外壳具有第三臂和第四臂，所述第三臂和所述第四臂具有分别在所述手指的相应的左侧和右侧下方部分地延伸的弯曲的轮廓。

15.根据权利要求12所述的手指设备，其特征在于，所述u形外壳具有纵向轴线，并且其中所述第一细长臂和所述第二细长臂垂直于所述纵向轴线延伸。

16.根据权利要求10所述的手指设备，其特征在于，所述手指设备还包括耦接到所述U形外壳的弹性体构件，所述弹性体构件被配置成接触所述手指的侧面部分，而不接触所述手指的所述下指垫表面。

17.一种手指设备，所述手指设备被配置成佩戴在用户的手指上，其特征在于，所述手指设备包括：

外壳，所述外壳具有被配置成分别位于所述手指的第一侧面和相反的第二侧面的第一部分和第二部分同时保留所述手指的指垫表面暴露；

触觉输出设备，所述触觉输出设备耦接到所述外壳；和

光学传感器；以及

控制电路，所述控制电路被配置为基于来自所述光学传感器的测量值使用所述触觉输出设备向所述手指提供触觉输出。

18.根据权利要求17所述的手指设备，其特征在于，所述光学传感器耦接到所述第一部分并且包括：

发光设备，所述发光设备被配置成发光；和

光检测设备，所述光检测设备被配置为测量所发射的光，其中所述控制电路被配置为基于由所述光检测设备对所发射的光的测量值来提供所述触觉输出。

19.根据权利要求18所述的手指设备，其特征在于，所述光学传感器包括光发射器和光检测器，所述光检测器被配置成检测来自所述光发射器的已经穿过所述手指的发射的光，并且其中所述光发射器包括发光二极管。

20.根据权利要求17所述的手指设备，其特征在于，所述光学传感器被配置为检测所述手指中的颜色变化。