TW201502859A - 電活性聚合物致動器及其回饋系統 - Google Patents

電活性聚合物致動器及其回饋系統 Download PDF

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Silmon James Biggs
Thomas Kridl
Dirk Schapeler
Colin E Swindells
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Abstract

揭示可提供觸覺回饋的各種設備及方法。揭示一種用於生物識別引動式閉環觸覺回饋的方法及設備。也揭示可穿戴系統用電活性聚合物回饋震動觸覺的各種機構。也揭示適應觸覺裝置之共振頻率偏移的方法及設備。也揭示有柔性導電屏蔽的穿戴式介電彈性體致動器(或數個)及其接地故障電路中斷斷路器的不同方面。也揭示一種可變形表面致動器之陣列以在碰觸顯示器/碰觸感測器之表面時提供力回饋以確認行動。

Description

電活性聚合物致動器及其回饋系統 相關申請案
本申請案依照USC第35條第119(e)項主張以下美國臨時申請案的權益：申請於2013年1月28日之第61/757,312號及標題為“HAPTIC BUTTON”；申請於2013年3月12日之第61/776,942號及標題為“WEARABLE DIELECTRIC ELASTOMER ACTUATOR(S)”；申請於2013年6月14日之第61/834,971號及標題為“METHOD AND APPARATUS FOR ADAPTING RESONANT FREQUENCY SIFTS IN A HAPTIC DEVICE”；申請於2013年6月14日之第61/834,976號及標題為“METHOD AND APPARATUS FOR BIOMETRIC PRIMING OF CLOSED-LOOP HAPTIC FEEDBACK”；以及申請於2013年9月16日之第61/878,151號及標題為“MECHANISM FOR VIBROTACTILE FEEDBACK IN WEARABLE SYSTEMS USING ELECTROACTIVE POLYMERS”；其全部揭示內容併入本文作為參考資料。
發明所屬之技術領域
本發明大體針對穿戴式電活性聚合物裝置及其回饋系統。特別是，本發明針對電活性聚合物裝置用以在碰觸該電活性聚合物裝置之表面時提供力回饋供確認行動。更特別的是，本發明針對一種穿戴式電活性聚合物裝置。更特別的是，本發明也針對適應電活性聚合物裝置之共振頻率偏移(resonant frequency shifts)。更特別的是，本發明也針對生物識別引動式閉環電活性聚合物裝置回饋。更特別的是，本發明針對穿戴式電活性聚合物裝置的震動觸覺回饋。
現今所用的各種各樣裝置依賴一或另一種致動器來把電能轉換成機械能。反之，許多發電應用是藉由把機械動作轉換成電能來操作。以此樣式被用來採集機械能的這種裝置可稱為發電機。同樣，當結構被用來把物理刺激(例如，震動或壓力)轉換成測量用的電子訊號時，可特徵化成為感測器。然而，術語“傳感器”可用來泛指描述於本文的任何電活性裝置。
為了製造傳感器，許多設計考量偏愛選擇及使用也被稱為“電活性聚合物”的先進介電彈性體材料。這些考量包括位力、功率密度、電力轉換/消耗、尺寸、重量、成本、反應時間、工作週期、維修要求、環境影響等等。就這點而論，在許多應用中，電活性聚合物技術提供壓電、形狀記憶合金及電磁裝置(例如，馬達及螺線管)的理想替代物。
電活性聚合物傳感器包含有可變形以及用薄彈性體 介電材料隔開的兩個電極。當電壓差施加於該等電極時，電性相反的電極相互吸引從而壓縮在其間的聚合物介電層。當該等電極被更靠近地拉在一起時，介電聚合物薄膜隨著在平面方向(X、Y軸)擴張(亦即，在薄膜面內移位)而變得更薄(Z軸分量收縮)。也可將電活性聚合物薄膜組態成可產生方向與薄膜結構正交的移動(沿著Z軸)，亦即，移到薄膜面外。美國專利第7,567,681號揭示提供這種平面外位移(也被稱為表面變形或厚度模式變位(thickness mode deflection))的電活性聚合物薄膜構造物。
可改變及控制電活性聚合物薄膜的材料及物理性質以訂製傳感器所經受的變形。更特別的是，可改變及控制諸如聚合物薄膜與電極材料之間的相對彈性，聚合物薄膜與電極材料之間的相對厚度及/或聚合物薄膜及/或電極材料的不同厚度，聚合物薄膜及/或電極材料的物理形貌(以提供局部的主動區與非主動區)，使整個電活性聚合物薄膜處於緊繃或預拉緊，以及該薄膜的外加電壓或感應電容之類的因素以訂製該薄膜處於主動模式時的特徵。
有許多應用系統受益於由此類電活性聚合物薄膜所提供的優點，不論單獨使用該薄膜或使用該薄膜於電活性聚合物致動器者。許多應用系統中之一種涉及使用電活性聚合物傳感器作為致動器以在使用者介面裝置中產生觸覺反饋(通過施加於使用者身體的力傳達資訊給使用者)。利用觸覺反饋的許多習知使用者介面設備通常回應由使用者啟動的力。可利用觸覺反饋的使用者介面設備實施例包括鍵盤、小鍵盤、遊戲控制器、遠端控制器、觸控螢幕、電腦滑鼠、軌跡球、手寫筆棒(stylus stick)、搖桿等等。使用者介面表面可包括使用者操縱、接合及/或觀察關於設備之反饋或資訊的任 何表面。此類介面表面的實施例包括但不受限於：按鍵(例如，鍵盤上的按鍵)，遊戲墊或按鈕、顯示螢幕、等等。
這類介面設備所提供的觸覺反饋形式為身體感覺，例如震動、脈衝、彈簧力、等等，使用者係直接(例如，經由觸控螢幕)、間接(例如，經由在包包或袋子中之手機震動時產生的震動效果)或以其他方式(例如，經由物體移動產生壓力擾動而被使用者感知的作用)感覺到。消費者電子媒體設備(例如，智慧型手機、個人媒體播放器、可攜式計算設備、可攜式遊戲系統、電子閱讀器、等等)的繁增可創造消費者次區隔會受益於或想要電子媒體設備有改良觸覺效果的情況。不過，增加每種電子媒體設備模型的反饋性能可能不合理，因為設備的成本或外型會增加。此外，某些電子媒體設備的消費者對於某些活動可能想要暫時改善電子媒體設備的觸覺性能。
電活性聚合物材料用於消費者電子媒體設備以及許多其他商業及消費者應用凸顯需要提高生產量同時維持薄膜的精度和一致性。
觸覺致動器大部份在某些頻率可產生比其他頻率還大的最大加速度。可呈現在共振頻率附近有最高頻譜強度的觸覺效果是合意的。可惜，典型震動觸覺系統的共振頻率可能偏移10Hz或更多，這取決於應用參數，例如個別使用者在使用觸覺裝置時的手掌力度(hand dynamics)及抓握強度。此一問題通常被忽略或藉由設計對於特定使用者頻率分布比最佳還寬的觸覺效果來近似，導致觸覺效果比較不強烈。先前技術解決方案的其他缺點包括較低的感知觸覺效果強度以及感覺不強烈的觸覺效果。
有效高精度觸覺回饋系統通常需要1000Hz或更高的 更新速率以及5ms或更小的等待時間。用當代計算系統滿足這些效能要求有挑戰性。提供閉環觸覺回饋的習知解決方案通常涉及測量位置、速度及加速度動作、更新模型、然後呈現更新的觸覺效果。就強烈觸覺回饋而言，此習知方法的缺點是等待時間(latency time)常常太長。
此外，可套入穿戴式裝置形狀因子(例如，腕套計算裝置(wristband computing device))的習知穿戴式觸覺回饋裝置無法建立頻率範圍在5至500Hz內的強烈震動觸覺回饋。習知解決方案通常把震動觸覺致動器(例如，偏軸轉動慣量(ERM)、線性共振致動器(LRA)或壓電致動器(Piezo))放在裝置的穿戴式機械殼體內。此類解決方案需要不同的機械總成以傳遞震動觸覺回饋給個人以及此類總成通常有較窄的工作頻寬及/或對穿戴式裝置不可取及/或定性觸覺“感覺”減少的物理尺寸。
與穿戴式產品整合的介電彈性體致動器需要用柔性電絕緣來與皮膚電屏蔽以免使用者受傷。該柔性絕緣材料視需要應有導電柔性層以分流任何雜散電流(stray current)離開使用者以及提供偵測故障電流的構件。因此，最好用柔性電絕緣層配置大小及勁度足以維持致動區域(actuated region)與皮膚之接觸的穿戴式觸覺腕帶或手鐲。
另外，在用手指碰觸表面時想要有力回饋供確認行動。玻璃顯示器/觸控螢幕使它難以打字，因為缺少“按下”回饋。也難以確定手指在觸控螢幕上的位置，因為每一點在觸控螢幕上感覺一樣。標準鍵盤有個別按鍵及紋脊(Ridge)使得易於確定位置。在顯示器/ 觸控螢幕上，這不可能，因此必須使用視訊或音訊回饋取而代之。這不令人滿意或跟碰觸回饋一樣精確。
在一具體實施例中，本發明提供一種設備，其係包含：一電活性聚合物致動器；經組態成可測量一使用者之生理特性的至少一生物識別感測器；以及經組態成可測量身體部位(body part)之動作的至少一動作感測器，其中該身體部位之該動作與用該生物識別感測器測得的生理特性關連，其中該生物識別感測器的反應時間比該動作感測器的反應時間快；以及耦合至該電活性聚合物致動器、該生物識別感測器及該動作感測器的一處理器，該處理器經組態成在接收及處理來自該動作感測器的訊號之前可接收及處理來自該生物識別感測器的訊號。
在另一具體實施例中，本發明提供一種震動觸覺回饋設備，其係包含：有第一及第二端的一殼體，該殼體經組態成允許至少在一方向機械位移；各在該殼體兩端的一座架；以及一或更多片電活性聚合物，其係經配置成在該殼體內沿著橫截面排列而形成一電活性聚合物堆疊致動器，其中該電活性聚合物堆疊致動器經組態成在施加對應電壓至位於該電活性聚合物堆疊致動器之相對兩端的正、負電接點時可機械位移。
在另一具體實施例中，本發明提供一種方法用於適合呈現於觸覺裝置上的觸覺效果。該方法包括提供一觸覺裝置，該觸覺裝置包含用於偵測身體動作的一感測器，用於接收來自該感測器之身體動作訊號的一處理器，以及用於產生觸覺效果的一電活性聚合物致動器，該感測器與該致動器均耦合至一機械附件以及相互位於定位。在一電腦系統中，該方法更包括在該觸覺裝置使用中時，用該電腦系統感測該觸覺效果的頻率反應；在該電腦系統上，決定 呈現觸覺效果的頻率分布；以及在該電腦系統上或硬體中，映射該觸覺效果之一函數以在該觸覺裝置上產生新的頻率反應。
在另一具體實施例中，本發明提供一種觸覺裝置，其係包含：用於捕獲個人之身體動作的第一感測器；用於呈現觸覺效果至個人的第一致動器；以及用於接收該個人之該身體動作以及輸出觸覺效果的一處理器。
在另一具體實施例中，本發明提供一種電活性聚合物致動器，其係包含：第一電性屏蔽，其係提供由高電壓節點至低電壓節點之雜散電流的第一分流路徑以分流該雜散電流至該低電位節點以及隔離該雜散電流與該使用者；以及第一接地故障電路中斷斷路器，其係經組態成可偵測該第一分流路徑中的該雜散電流以及在偵測到該雜散電流時關閉一高電壓電源供應器。
在另一具體實施例中，本發明提供一種設備，其係包含：一碰觸感測器；以及配置於該碰觸感測器上面的一電活性聚合物層，其中該電活性聚合物層包含經組態成在被碰觸時變形以提供回饋的數個電極區。
熟諳此藝者在閱讀下文所詳述的本發明細節後可明白本發明具體實施例的以上及其他特徵及優點。此外，描述於本文之方式及裝置的變體包括該等具體實施例的組合或具體實施例之方面的組合，這些都可能在本揭示內容的範疇內，即使沒有明確地圖示或討論該等組合。
10‧‧‧電活性聚合物薄膜或膜片/電容結構
12‧‧‧薄彈性體介電薄膜或層
14、16‧‧‧柔性或可拉伸電極板或層
100‧‧‧觸覺回饋系統
101‧‧‧動作感測器
102‧‧‧計算系統
103‧‧‧觸覺致動器
104‧‧‧生物識別感測器
106‧‧‧震動觸覺回饋腕套
108‧‧‧使用者
110‧‧‧手臂
120‧‧‧資訊流程圖
130‧‧‧手勢互動系統
132‧‧‧人物/舞者
134‧‧‧視頻遊戲顯示器
136‧‧‧音頻揚聲器
138‧‧‧視頻遊戲系統
140‧‧‧時序圖
142‧‧‧手臂肌肉活動
144‧‧‧加速度計
146‧‧‧生物識別等時線
148‧‧‧觸覺效果函數
150‧‧‧微控制器
152‧‧‧電活性聚合物致動器
154‧‧‧動作等時線
160‧‧‧計算系統
162‧‧‧處理器
164‧‧‧儲存器
166‧‧‧操作邏輯
168‧‧‧通訊介面
170‧‧‧驅動器/驅動
172‧‧‧觸覺致動器
174‧‧‧感測器
200‧‧‧震動觸覺回饋機構
202‧‧‧震動觸覺穿戴式帶體
202‧‧‧穿戴式帶體
204‧‧‧張力鞘
206‧‧‧手腕
208‧‧‧堆疊組態
210‧‧‧剛性基底
212‧‧‧電接觸機構
214‧‧‧連續力
250‧‧‧組態
252‧‧‧震動觸覺穿戴式帶體
253‧‧‧電接地鞘
256‧‧‧軸線
258‧‧‧堆疊
261‧‧‧部份
262、263‧‧‧剛性總成
263‧‧‧殼體
264‧‧‧震動觸覺回饋力
266‧‧‧電接觸機構
270‧‧‧電活性聚合物震動觸覺穿戴式帶體
272‧‧‧錶帶
274‧‧‧手腕
276‧‧‧加速度計
278‧‧‧處理器
300‧‧‧保持器模組
302‧‧‧後彎面
304‧‧‧撓曲部
306‧‧‧電活性聚合物堆疊致動器 模組
308‧‧‧電氣端子
310‧‧‧表面
400‧‧‧代表圖
402‧‧‧第一曲線
404‧‧‧第二曲線
410‧‧‧自適應共振頻率系統
412‧‧‧加速度計
414‧‧‧觸覺效果模型
416‧‧‧觸覺致動器
418‧‧‧頻率反應
450‧‧‧代表圖
452、454‧‧‧虛線
456、458‧‧‧黑實線
460‧‧‧淺實線
500‧‧‧柔性致動器模組
502‧‧‧柔性導電殼體
504‧‧‧彈性體傳感器輥子模組
504‧‧‧固體介電彈性體傳感器輥子模組
506‧‧‧基板
508‧‧‧模組支架
510‧‧‧安裝扣件
512‧‧‧外殼或殼體
514‧‧‧孔口
514‧‧‧開口
516‧‧‧電絕緣矽膠塗層
518‧‧‧端子
520‧‧‧導電黏著劑
522‧‧‧撓式連接器
524‧‧‧電接點及/或跡線
526a、526b‧‧‧孔
528‧‧‧導電端子
528a、528b‧‧‧導電端子
530‧‧‧SMT端點
531‧‧‧固體介電彈性體傳感器輥子
532‧‧‧電性屏蔽
534‧‧‧導電矽膠
536a、536b‧‧‧SMT導電端子
538a、538b‧‧‧電線
600‧‧‧代表圖
602‧‧‧柔性致動器模組
650‧‧‧示意圖
652‧‧‧第一GFCI斷路器網路
654‧‧‧第二GFCI斷路器網路
656‧‧‧連接器
658‧‧‧第一導體
660‧‧‧第二導體
662‧‧‧第一正反器
664‧‧‧第二正反器
700‧‧‧可變形表面致動器陣列
702、704‧‧‧可變形表面致動器
706‧‧‧顯示器/觸控螢幕
708、710‧‧‧敏感區
712‧‧‧可變形電活性聚合物表面層
l‧‧‧長度
t‧‧‧厚度
w‧‧‧寬度
t1、t2‧‧‧時間
閱讀以下結合附圖的詳細說明可完整地了解本發明的各種具體實施例。為了利於了解，在切實可行的情況下，附圖中相同的元件用相同的元件符號表示。附圖有：第1A圖及第1B圖的俯視透視圖根據本發明之一具體實施例圖示在施加電壓至電極之前及之後的電活性裝置；第2圖根據本發明之一具體實施例圖示包含由數個感測器及數個致動器組成之組態的觸覺回饋系統，該等致動器經組態成可提供生物識別引動式觸覺回饋；第3圖的資訊流程圖根據本發明之一具體實施例圖示描繪第2圖生物識別引動式觸覺回饋系統之生物識別感測器(或數個)104與動作感測器(或數個)的相對反應時間；第4圖根據本發明之一具體實施例圖示包含震動觸覺回饋腕套供用於互動式舞蹈遊戲的手勢互動系統；第5圖的時序圖根據本發明之一具體實施例圖示由生物識別回饋訊號呈現而有較快反應時間的震動觸覺效果；第6圖的架構或組件圖根據本發明之一具體實施例圖示可用於結合第2圖至第5圖所述之觸覺回饋系統的計算系統；第7圖根據本發明之一具體實施例圖示包含配置成堆疊組態之多片電活性聚合物材料的震動觸覺回饋機構；第8圖根據本發明之一具體實施例圖示配置成堆疊之多個電活性聚合物片的組態以提供有硬挺致動器夾持具的震動觸覺穿戴式帶體；第9圖根據本發明之一具體實施例圖示有剛性殼體之 電活性聚合物震動觸覺穿戴式帶體的實施例；第10圖根據本發明之一具體實施例圖示戴在使用者手腕上的震動觸覺帶體，在此該震動觸覺帶體包含加速度計及處理器用以定量測量待輸送至消費者裝置的震動觸覺“感覺”；第11圖根據本發明之一具體實施例圖示處於與腕帶機械相連的保持器模組；第12圖的代表圖根據本發明之一具體實施例圖示震動觸覺致動器的頻率反應偏移；第13圖根據本發明之一具體實施例圖示自適應共振頻率系統，其係監視震動觸覺裝置的加速度變化，適合呈現觸覺效果的頻譜，以及呈現適合觸覺效果至使用者；第14圖的代表圖根據本發明之一具體實施例圖示相同遊戲控制器中基於電活性聚合物之相同震動觸覺致動器的頻率反應；第15圖的展開圖根據本發明之一具體實施例圖示用於碰觸介面的柔性致動器模組組態；第16圖的展開圖根據本發明之一具體實施例圖示固體介電彈性體傳感器輥子模組及各種連接選項；第17圖的展開圖根據本發明之一具體實施例圖示經組態成可電性安裝至撓式電路的第37圖之柔性致動器模組；第18圖根據本發明之一具體實施例圖示電性屏蔽的底部透視圖；第19圖的示意圖根據本發明之一具體實施例圖示讓使用者可電氣安全地用指尖碰觸致動器模組的柔性致動器模組電性 隔離特徵；第20圖的代表圖根據本發明之一具體實施例圖示故障熱危害對阻力的相依性；第21圖根據本發明之一具體實施例示意圖示經組態成可偵測屏蔽上之電流的接地故障電路斷流器(GFCI)；第22A圖根據本發明之一具體實施例圖示可變形表面致動器陣列的側面剖視圖；以及第22B圖根據本發明之一具體實施例圖示第22A圖之可變形表面致動器陣列的的上視圖。
預期圖示於附圖的實施例仍有本發明的變體。
例如，描述電活性聚合物裝置及其應用之實施例的有美國專利第7,394,282號；第7,378,783號；第7,368,862號；第7,362,032號；第7,320,457號；第7,259,503號；第7,233,097號；第7,224,106號；第7,211,937號；第7,199,501號；第7,166,953號；第7,064,472號；第7,062,055號；第7,052,594號；第7,049,732號；第7,034,432號；第6,940,221號；第6,911,764號；第6,891,317號；第6,882,086號；第6,876,135號；第6,812,624號；第6,809,462號；第6,806,621號；第6,781,284號；第6,768,246號；第6,707,236號；第6,664,718號；第6,628,040號；第6,586,859號；第6,583,533號；第6,545,384號；第6,543,110號；第6,376,971號；第6,343,129號；第7,952,261號；第7,911,761號；第7,492,076號；第7,761,981號；第7,521,847號；第7,608,989號；第7,626,319號；第7,915,789號； 第7,750,532號；第7,436,099號；第7,199,501號；第7,521,840號；第7,595,580號；第7,567,681號；第7,595,580號；第7,608,989號；第7,626,319號；第7,750,532號；第7,761,981號；第7,911,761號；第7,915,789號；第7,952,261號；第8,183,739號；第8,222,799號；第8,248,750號，以及於早期公開美國專利第2007/0200457號；第2007/0230222號；第2011/0128239號；及第2012/0126959號，該等文獻的全部內容併入本文作為參考資料。
應注意，本文提及的圖文皆圖解說明運用電活性聚合物薄膜或有此類電活性聚合物薄膜之傳感器的裝置及方法的示範組態。在本揭示內容的範疇內有許多變體，例如，在裝置的變體中，電活性聚合物傳感器可實作成可控制有不同幾何之孔口的大小。
可用各種方法製成本發明的具體實施例。
以下詳述電活性聚合物傳感器的各種具體實施例。不過，在描述該等具體實施例之前，先簡述第1A圖至第1B圖，其係根據本發明之一具體實施例圖示電活性裝置在施加電壓至電極之前及之後的俯視透視圖。以下用第1A圖至第1B圖簡述一般電活性聚合物結構以及製造此類結構的方法。
此時翻到圖示電活性聚合物薄膜或膜片10結構之實施例的第1A圖及第1B圖。薄彈性體介電薄膜或層12夾在柔性或可拉伸電極板或層14、16之間，從而形成一電容結構或薄膜。介電層的長度“l”及寬度“w”，及合成結構的長度及寬度都遠大於它的厚度“t”。較佳地，該介電層的厚度在約10微米至約100微米之間，以及該結構的總厚度在約15微米至約10公分之間。另外，最好選擇電極14、16的彈性係數、厚度及/或幾何使得它們貢獻給致動器 的額外勁度大體小於介電層12的勁度，介電層12有相對低的彈性係數，亦即，小於約100Mpa，以及小於約10Mpa更佳，但是可能比任一電極都厚。適用於該等柔性電容結構的電極為能夠耐受大於約1%的循環應變(cyclic strain)而不會因機械疲乏而失效的電極。
由第1B圖可見，當施加電壓於電極之間時，兩個電極14、16的不同電荷會互相吸引以及靜電吸力壓縮介電薄膜12(沿著Z軸)。因此在電場改變下造成介電薄膜12變位。由於電極14、16有柔性，它們會隨著介電層12改變形狀。在本揭示內容的上下文中，“變位”係指介電薄膜12之一部份的任何位移、擴張、收縮、扭轉、線性或面積應變、或任何其他變形。取決於使用電容結構10的架構(合稱“傳感器”)，例如框架，此變位可用來產生機械功。上述專利文獻有揭示及描述各種不同的傳感器架構。
藉著施加電壓，傳感器薄膜10繼續偏轉直到機械力與驅動偏轉的靜電力平衡。該等機械力包括介電層12的彈性回復力，電極14、16的順從性或拉伸，以及由耦合至傳感器10之裝置及/或負載提供的外部阻力。傳感器10由外加電壓引起的所得變位也可取決於許多其他因素，例如彈性體材料的電介質常數及其大小及勁度。電壓差及感應電荷的移除產生相反的效果。
在有些情形下，相對於介電薄膜12的總面積，電極14及16可覆蓋介電薄膜12的有限部份。這可用來防止電介質邊緣附近的電擊穿或在某些部份中實現客製化變位。可造成主動區(其係介電材料中有充分靜電力以致能該部份之變位的部份)外的介電材料在變位期間在主動區上充當外來彈簧力。更特別的是，主動區外的材料藉由它的收縮或擴張可抵抗或增強主動區變位。
介電薄膜12可帶有預應變。該預應變改善電能與機械能的轉換，亦即，該預應變允許介電薄膜12變位更多以及提供較大的機械功。可將薄膜的預應變描述成：相對於預應變前在一方向的尺寸，該尺寸在預應變後的變化。該預應變可包含介電薄膜的彈性變形，以及，例如，可藉由將薄膜拉伸成有張力以及在拉伸後固定一或更多邊緣來形成。該預應變可強加於薄膜的邊界或僅強加於薄膜的一部份，以及可用剛性框架或藉由加固薄膜之一部份實現。
第1A圖及第1B圖的傳感器結構和其他類似柔性結構以及其構造細節在揭示於此之許多引用專利及出版物中有更完整的描述。此時以下說明轉到各種電活性裝置具體實施例用以改變定義於外圍邊緣被剛性框架束縛之預張電活性聚合物薄膜內之孔口的大小或使其變形。
用於生物識別引動式閉環觸覺回饋的方法及設備
在各種具體實施例中，本發明提供數種觸覺回饋系統。在一具體實施例中，該等觸覺回饋系統為震動觸覺回饋系統，彼等為更新速率約1000Hz或更高以及等待時間約5ms或更小的有效高精度觸覺回饋系統。在一具體實施例中，本發明利用反應相對較快的生物識別反應，例如肌電探測儀(electromyography，EMG)、電波儀(electroencephalography，EEG)及心跳率，它們常在生物馬達反應(例如，身體部位的運動)之前發生。
以下結合第2圖至第6圖所描述的本發明具體實施例提供比習知觸覺回饋系統更快及更準確的閉環觸覺回饋系統。應瞭解，本發明的各種具體實施例可應用於所有身體部位，生物識別感測技術，及觸覺致動器。音訊、視訊及其他感測樣式都可耦合於該 閉環回饋系統內。
第2圖根據本發明之一具體實施例圖示包含由感測器及致動器組成之組態的觸覺回饋系統100，其係經組態成可提供生物識別引動式觸覺回饋。圖示於第2圖的觸覺回饋系統100包含由感測器與可運用生物識別引動之致動器組件組成的配置。生物識別反應，例如EMG、EEG及心跳率，常在生物馬達反應(例如，手指或手臂運動)之前發生。因此，閉環觸覺回饋系統100加入生物識別測量值(例如，EMG、EEG及心跳率)可改善觸覺回饋的速率及品質。
在圖示於第2圖的特定具體實施例中，觸覺回饋系統100包含至少一動作感測器101、計算系統102、至少一生物識別感測器104、以及至少一觸覺致動器103。該等感測器及致動器均配置於穿戴式裝置上，例如震動觸覺回饋腕套106，或適於傳送震動觸覺感覺給使用者的其他穿戴式裝置上。例如，觸覺回饋系統100係經組態成可監視與使用者108身體或身體部位之對應肌肉骨骼動作關連的使用者生理特性，包括但不限於使用者108的手臂、手、手指、腿、腳、腳趾、頭、頸、軀幹、或使用者108身體的任何部位。在圖示具體實施例中，觸覺回饋系統100位在震動觸覺回饋腕套106上，而震動觸覺回饋腕套106是戴在使用者108手臂110上使它特別有利於用來偵測使用者108之手臂、手及/或手指(或數個)的動作及生物識別反應。
至少一動作感測器101耦合至使用者以及可包含任何適當動作感測器，例如慣性感測器。慣性感測器可單獨包含加速度計、陀螺儀及/或磁力儀或彼等的組合。在各種具體實施例中，加速度計、陀螺儀及/或磁力儀可為單、雙或三軸式。至少一生物識別感 測器104耦合至使用者以及可包含任何適當生物識別感測器用以測量使用者108的生理特性，例如EMG、EEG、心跳率及與使用者108關連的其他生理參數。例如，在其他合適觸覺致動器中，至少一觸覺致動器103可包含任何適當觸覺致動器，例如，該觸覺致動器含有在說明第1A圖至第1B圖及/或以下第15圖至第19圖時提及的基於電活性聚合物之致動器。
動作感測器(或數個)101、生物識別感測器(或數個)104及/或觸覺致動器(或數個)103皆耦合至計算系統102，計算系統102可包含微控制器或處理器以控制感測器101、104的取樣以及觸覺致動器(或數個)103的發動。來自動作感測器(或數個)101的資料可用來感測肌肉運動。例如，來自三軸加速度計的資料可用來監視肌肉動作。不過，根據本具體實施例，來自加速度計、陀螺儀及/或磁力儀的資料可熔合及用來追蹤身體動作。應瞭解，動作感測器(或數個)101可包含多個慣性感測器，在此每個慣性感測器包含由慣性感測器組成的子集，例如，加速度計、陀螺儀、磁力儀等等，或可包含額外的慣性感測器。生物識別感測器104的反應時間比動作感測器101的反應時間快。
在一具體實施例中，計算系統102的處理器可用售自Atmel公司的ATmega128RFA1晶片實作。該加速度計可用售自Analog Devices公司的ADXL345數位加速度計板實作。該陀螺儀可用售自InvenSense公司的ITG3200板實作。該磁力儀可用售自Honeywell International公司的HMC58833L 3-Axis Digital Compass IC實作。應瞭解，此類慣性感測器組件可換成任何等效組件而不會限制本發明的範疇。在一具體實施例中，計算系統102的處理器可 經由內部有線I2C匯流排介面連結至動作感測器101的加速度計、陀螺儀、及/或磁力儀。在一具體實施例中，例如，動作感測器101可用有線串列周邊介面(SPI)相互連接以及連接至無線裝置。
第3圖的資訊流程圖120根據本發明之一具體實施例描繪第2圖生物識別引動式觸覺回饋系統100之生物識別感測器(或數個)104與動作感測器(或數個)101的相對反應時間。資訊流程圖120圖示顯示由生物識別引動提供之速度平均值的閉環回饋路徑。根據資訊流程圖120，生物識別感測器104係監視對應至與向左手指運動相關之使用者肌肉活動的個人手臂EMG活動，其係首先(t1)識別以及結合從加速度計型動作感測器101得到的空間座標(t2)。生物識別感測器104的反應時間(t1)比動作感測器101的反應時間(t2)快，使得生物識別感測器104的反應時間(t1)在動作感測器101的反應時間(t2)之前出現。因此，例如，若對向左手指運動合適的話，在來自動作感測器101的資料已全部被計算系統102處理之前，可用來自生物識別感測器(或數個)104的當前資料以及來自動作感測器(或數個)101的先前資料更新預測觸覺效果模型。然後，呈現該觸覺效果於觸覺致動器(或數個)103上以提供回饋給使用者。因此，第2圖之觸覺回饋迴圈100的生物識別引動可減少觸覺回饋系統100的感知系統滯後以及以約1000Hz或更高的更新速率提供有效高精度觸覺回饋，以及約5ms或更小的等待時間。
圖示於第2圖的觸覺回饋系統100及圖示於第3圖的相對反應時間係利用以下事實：生物識別反應(例如，EMG、EEG及心跳率)常在對應生物馬達反應(例如，手指、手或手臂的運動)之前出現。例如，由生物識別感測器104產生監視個人手臂之EMG 活動的訊號是在被與向左手指運動相關之實際肌肉活動觸發的動作感測器101產生訊號之前產生，例如。生物識別反應時間與動作反應時間的比較速度描述於英國實驗生物學雜誌1998年198期第975-987頁由A.C.Guimaraes等人著作的“The EMG-Force Relationship Of The Cat Soleus Muscle And Its Association With Contractile Conditions During Locomotion”，在此併入本文作為參考資料。該文獻描述EMG訊號的擊發比所得到的力快3至5ms。在以下的網站可找到不同的擊發速率實施例：http：//www.aanem.org/getmedia/46bbb93d-d326-41bb-827a-38d511490e25/Tech-Rgnl-2-Basic-EMG-AANEM-Koontz.pdf.中的第23頁，在此併入本文作為參考資料。此外，慢跑應用系統的EMG實施例描述於荷蘭2007年Gate and Posture 25第604-614頁由Marnix G.J.Gazendam著作的“Averaged EMG Profiles In Jogging And Running At Different Speeds”，在此也併入本文作為參考資料。
第4圖根據本發明之一具體實施例圖示包含震動觸覺回饋腕套106的手勢互動系統130供使用於互動式舞蹈遊戲。此實施例描述用第2圖觸覺回饋系統100之生物識別引動閉環觸覺回饋的典型用法。第4圖受益於觸覺回饋系統100所提供之震動觸覺回饋(vibrotactile haptic feedback)的典型遊戲背景。使用者108穿戴觸覺腕套106以控制顯示於視頻遊戲顯示器134上的人物132及音頻揚聲器136。觸覺腕套106提供遊戲控制以及震動觸覺回饋給使用者108。腕套106控制器係連接至視頻遊戲系統138。當使用者108用他/她的手臂110做手勢時，生物識別感測器(或數個)104及動作感測器(或數個)101追蹤手臂110的動作。觸覺回饋經由腕套106 內的電活性聚合物堆疊致動器(或數個)103提供給使用者108。觸覺回饋協助舞者132的定位或遊戲音樂的節拍匹配。腕套106內的微控制器102快速持續地感測來自EMG感測器103的肌肉活動資料以及來自加速度計101的動作資料。腕套106為連結至視頻遊戲系統138的特殊化遊戲控制器。觸覺回饋系統100的典型更新速率在1000Hz至10,000+Hz(1ms至0.1ms)之間。
第5圖的時序圖140根據本發明之一具體實施例圖示由生物識別回饋訊號呈現而有較快反應時間的震動觸覺效果。反應時間較快是因為，如前述，在用加速度計144感測使用者手臂的任何對應物理運動之前，感測生物識別資料(例如，手臂肌肉活動142的EMG波形)。如第5圖所示，生物識別引動產生較快及品質較高的觸覺回饋。
EMG肌肉活動用EMG波形142表示以及在加速度計活動144之前感測。如生物識別等時線146所示，與遊戲使用者手臂手勢有關的感測生物識別資料在時段tEMG取得，以及在時段tacc取得的加速度資料144給予微控制器150(如動作等時線154所示)之前，用微控制器150的觸覺效果函數148處理。結果，合適觸覺效果更新在電活性聚合物致動器152上可更快地發動以及與只用空間資料(例如，加速度144更新)相比有更好的品質。
第6圖圖示計算系統160的架構或組件圖，根據本發明各種具體實施，其係用於在說明第2圖至第5圖時提及的觸覺回饋系統。在各種具體實施例中，如圖示，計算系統160包含經由適當驅動器170電路耦合至各種感測器174(例如，動作感測器、生物識別感測器)及至少一觸覺致動器172(例如，電活性聚合物堆疊致動 器)的一或更多處理器162(例如，微處理器、微控制器)。此外，處理器(或數個)162、儲存器164(有操作邏輯166)及通訊介面168的耦合如圖示。
如前述，感測器174可經組態成可偵測及收集與使用者身體任一部位之位置、姿勢及/或運動關連的生物識別資料，例如，使用者手臂(或數個)、手(或數個)、手指(或數個)、腿(或數個)、腳(或數個)、腳趾(或數個)、頭、頸、軀幹及其他身體部位。處理器162處理接收自感測器(或數個)174的生物識別及動作感測器資料以經由驅動器170電路藉由發動觸覺致動器172來提供觸覺回饋給使用者。
處理器162可組態成可執行操作邏輯166。處理器162可為本技藝所習知的許多單核或多核處理器中之任一。儲存器164可包含經組態成可存放操作邏輯166之永久及暫存(工作)複本的揮發性及非揮發性儲存媒體。
在各種具體實施例中，可將操作邏輯166組態成可處理與使用者之動作資料關連的收集生物識別，如上述。在各種具體實施例中，可將操作邏輯166組態成可執行初始處理，以及傳送該資料至代管該應用的電腦以及確定及產生待提供視訊及/或觸覺回饋的指令。對於該等具體實施例，操作邏輯166更可被組態成可接收與使用者關連的生物識別及動作資料以及提供觸覺回饋給代管電腦(hosting computer)。在替代具體實施例中，操作邏輯166可被組態成在接收生物識別及動作資料以及決定觸覺回饋可承擔較大的角色，例如但不限於，藉由驅動170觸覺致動器172來產生震動感覺。在這兩種情形下，無論是自己決定的指令或者是回應代管電腦的指 令，操作邏輯166更可被組態成可控制觸覺致動器172以提供或觸覺回饋給使用者。
在各種具體實施例中，可將操作邏輯166實作成由處理器162之指令集架構(ISA)支援的指令，或實作成較高階的語言以及編譯成有支援的ISA。操作邏輯166可包含一或更多邏輯單元或模組。可用物件導向的方式實作操作邏輯166。可用多工及/或多執行緒的方式組態操作邏輯166。在其他具體實施例中，操作邏輯166可實作成硬體例如閘極陣列。
在各種具體實施例中，可將通訊介面168組態成可促進週邊裝置與計算系統160的通訊。該通訊可包含傳輸與使用者身體部位(或數個)之位置、姿勢及/或運動資料關連的收集生物識別資料至代管電腦，以及由主機電腦傳輸與觸覺回饋關連的資料至週邊裝置。在各種具體實施例中，通訊介面168可為有線或無線通訊介面。有線通訊介面的實施例可包括但不限於通用序列匯流排(USB)介面。無線通訊介面可包括但不限於藍芽介面。
對於各種具體實施例，處理器162與操作邏輯166可封裝在一起。在各種具體實施例中，處理器162可與操作邏輯166封裝在一起以形成系統封裝(SiP)。在各種具體實施例中，處理器162與操作邏輯166可整合於同一個晶粒。在各種具體實施例中，處理器162可與操作邏輯166封裝在一起以形成系統晶片(SoC)。
可穿戴系統中用電活性聚合物回饋震動觸覺的機構
在各種其他具體實施例中，本發明提供經組態成套入穿戴式裝置形狀因子(例如，腕套)的觸覺回饋裝置。在一具體實施例中，根據本發明的穿戴式觸覺回饋裝置可包含計算裝置。在一具 體實施例中，該穿戴式觸覺回饋裝置在5至500Hz的頻率範圍內提供強烈的震動觸覺回饋。在一具體實施例中，根據本發明的穿戴式觸覺回饋裝置包含由數個電活性聚合物材料組成的堆疊層或片，以及在一些具體實施例中，該電活性聚合物堆疊可位於保持器模組內以及帶有預應力或無應力。
結合第7圖至第11圖描述之本發明具體實施例所提供的機械總成可利用電活性聚合物提供頻率範圍比習知實作寬及有更方便形狀因子的震動觸覺回饋。形狀因子改良包括適用於穿戴式計算裝置的機械順從性以及通過電活性聚合物堆疊提供張力的張力鞘(tension sheath)以改善整體加速度強度及頻率反應一致性以及穿戴式裝置的機械支撐物。這些具體實施例的其他可能用途包括想要震動物件而不直接應用黏著劑或扣件於物件(或數個)以接收震動的工業及消費者應用系統。
第7圖根據本發明之一具體實施例圖示含有多片電活性聚合物材料配置成堆疊組態208的震動觸覺回饋機構200。在圖示具體實施例中，震動觸覺回饋機構200耦合至張力鞘204以提供震動觸覺穿戴式帶體(vibrotactile haptic wearable band)202。在各種具體實施例中，本發明通常併入穿戴式裝置202以對個人身體(例如，手腕206或手臂)提供碰觸回饋(震動觸覺回饋)。多個電活性聚合物片經配置成可形成由沿著橫截面排列的電活性聚合物片或材料組成的堆疊208以及附接至牢牢地安裝於穿戴式裝置202的剛性基底210。電接觸機構212使正、負電接點附接至電活性聚合物堆疊208的相對兩端或兩邊。張力鞘204提供連續力214以使電活性聚合物堆疊208緊緊地連接至主裝置總成202同時提供適當的順從性及彈 性以產生有效的震動觸覺回饋力214。電活性聚合物堆疊208主要產生垂直於電活性聚合物表面軸線216的震動觸覺位移；不過，也可發生一些平行位移。
第8圖根據本發明之一具體實施例圖示多個電活性聚合物片的組態250，其係配置成堆疊258以提供有硬挺致動器夾持具的震動觸覺穿戴式帶體252。如第8圖所示，電活性聚合物堆疊258收容於剛性總成262、263內，其中部份261能夠沿著軸線256來回移動，因為電活性聚合物堆疊258殼體263的右邊有沿著軸線256的順從性。類似在說明第7圖時提及的具體實施例，在施加越過堆疊258內之每個電活性聚合物片之表面的電壓時，出現震動觸覺回饋力264。電活性聚合物堆疊258主要產生垂直於電活性聚合物表面軸線256的震動觸覺位移；不過，也可發生一些平行位移。
電接觸機構266使正、負電接點附接至電活性聚合物堆疊258的相對兩邊。電接地鞘253保護使用者免於電擊以及保護電活性聚合物免受害於環境危害，例如水氣。震動觸覺總成容納於經安置成可與使用者身體(例如，手腕256)接觸的穿戴式裝置252內。在一具體實施例中，電活性聚合物堆疊258在硬挺總成262、263中可保持處於預壓縮狀態，而在其他具體實施例中，電活性聚合物堆疊258在剛性總成262、263中保持處於非壓縮狀態。
第9圖根據本發明之一具體實施例圖示有剛性殼體的電活性聚合物震動觸覺穿戴式帶體270實施例。圖示於第9圖的具體實施例為含有錶帶272形狀因子之電活性聚合物震動觸覺穿戴式帶體270的原型。
第10圖根據本發明之一具體實施例圖示戴在使用者 手腕274上的震動觸覺帶體270，在此震動觸覺帶體包含加速度計276及處理器278用以定量測量待輸送至消費者裝置的震動觸覺“感覺”。圖示於第10圖的具體實施例為含有錶帶272及戴上個人手腕274的電活性聚合物震動觸覺穿戴式帶體270實施例。在圖示具體實施例中，5毫米寬18毫米長的40個電活性聚合物堆疊用1800V的電壓差驅動。結果，會輸送有0至3Gs之加速度及30-250Hz的震動觸覺“感覺”到個人的手腕274。
第11圖根據本發明之一具體實施例圖示處於與腕帶機械相連的保持器模組300。如第11圖所示，保持器模組300可處於與腕帶機械相連。用撓曲部(flexure)304的後彎面302(re-curved face)定義一中央間隙。該中央間隙稍微小於電活性聚合物堆疊致動器模組306的厚度以使它保持處於預壓縮狀態。位於堆疊致動器模組306上的電氣端子308與保持器模組300的對應端子電氣配對。保持器模組300有表面310用以視需要與使用者將會穿戴之手錶或其他個人電子裝置的主體整合。在各種具體實施例中，堆疊致動器模組306與圖示於第15圖至第17圖及第19圖的彈性體傳感器輥子模組504類似。
再參考第7圖至第11圖，在各種具體實施例中，震動觸覺回饋設備包含有第一及第二端以及允許在至少一方向機械位移的殼體，各在該殼體兩端的一座架，以及在該殼體內沿著橫截面排列地堆疊的一或更多片電活性聚合物。在一具體實施例中，該機械位移提供垂直於該等電活性聚合物片的移動以及該機械位移呈剛性以防在與該等電活性聚合物片平行的軸線移動。在另一具體實施例中，該機械位移提供垂直於該等電活性聚合物片的移動以及該機 械位移也提供在與該等電活性聚合物片平行的一或兩條軸線移動。在另一具體實施例中，該殼體為半剛性塑料體，在一此類具體實施例中，該殼體包含用彈性鞘材料連接的兩個或更多半剛性體。在另一具體實施例中，該殼體為穿戴式計算附件，例如但不限於電活性聚合物的腕套、手帶(hand band)、臂帶(arm band)、軀幹束帶(torso band)、踝帶(ankle band)、頭帶(headband)、或耳朵附著片。又在另一具體實施例中，該彈性鞘材料提供0至5牛頓的張力。在另一具體實施例中，當在該等電活性聚合物片之間施加0至2000V的電壓時，該震動觸覺回饋以0至500Hz的頻率操作。
適合觸覺裝置之共振頻率偏移的方法及設備
在各種其他具體實施例中，本發明提供經組態成在共振頻率附近可產生更大最大加速度的觸覺致動器。在一具體實施例中，觸覺回饋效果在強度在共振頻率附近最高的頻譜內呈現。在一具體實施例中，根據本發明的觸覺致動器係取決於個別使用者在使用觸覺裝置時的手掌力度及抓握強度來補償共振頻率的任何偏移。因此，在一具體實施例中，根據本發明的觸覺致動器被組態成可提供在特定使用者之最佳頻率分布內的觸覺效果，導致觸覺效果更加強烈。
在各種具體實施例中，本發明提供適合手持震動觸覺裝置之共振頻率偏移的方法及設備。最好可用強度在共振頻率或其附近最高的頻譜呈現觸覺效果。可惜，取決於個別使用者在使用觸覺裝置時的手掌力度及抓握強度，典型震動觸覺系統的共振頻率可能偏移達10Hz或更多。
以下結合第12圖至第14圖描述之本發明具體實施例 所提供的觸覺效果更劇烈及強烈及/或維持類似的強度及感知觸覺品質水準同時增加使用壽命，降低工作電壓，以及降低使用致動器(例如，電活性聚合物)之具體實作的生產成本。本發明各種具體實施例的其他可能用途包括適合震動觸覺效果以最大化除觸覺以外之應用的共振頻率，例如電活性聚合物閥操作。
第12圖的代表圖400根據本發明之一具體實施例圖示震動觸覺致動器的頻率反應偏移。加速度(g)為縱軸而頻率(Hz)為橫軸。第一曲線402為震動觸覺致動器以第一共振頻率Rd為中心的頻率反應Fd(內定頻率反應)。第二曲線404為以第二共振頻率Rs為中心的偏移頻率反應Fs，這是由於使用者的手掌力度及抓握強度引起的。結果共振頻率由Rd偏移到Rs。
第13圖根據本發明之一具體實施例圖示自適應共振頻率系統410，其係監視震動觸覺裝置的加速度變化，適合呈現觸覺效果的頻譜，以及呈現適合觸覺效果至使用者。該適合觸覺效果提供改良的“感覺”屬性，例如較大的強度及較寬的感知頻率範圍。系統410適合觸覺效果頻率分布以回應使用者的身體動態使得使用者感覺在共振頻率或附近發生。觸覺效果通常在共振頻率或附近更劇烈地被感知以及在許多觸覺應用是合乎需要，包括遊戲、醫療、汽車及家庭電器領域。
仍參考第13圖，根據本發明之一具體實施例，系統410係經組態成可執行適合震動觸覺效果頻率的步驟。如第13圖所示，在步驟1，加速度計412系統監視觸覺系統的頻率反應418。在步驟2，更新觸覺效果模型414以回應特定使用者經驗到的頻率。在步驟3，觸覺致動器416呈現適合觸覺效果的頻譜。如第13圖所 示，系統410用加速度計412監視震動觸覺致動器416的加速度變化，然後在觸覺效果模型414中適合呈現觸覺效果的頻譜，以及最後經由觸覺致動器416呈現適合觸覺效果至使用者。該適合觸覺效果提供改良的“感覺”屬性，例如較大的強度及較寬的感知頻率範圍。
可只用軟體、只用硬體或軟體與硬體方法的組合來適合觸覺效果。軟體方法通常涉及用帶通濾波器、增益調整及其他技術過濾觸覺模型414以建立在系統共振頻率附近有主頻率以及其他地方有較少主頻率的新波形。硬體方法包括改變觸覺系統之動態性質(例如，勁度及阻尼)的實體總成同時監視系統的共振頻率。觸覺效果的適合應考慮到使用者對頻率變化的感知敏感度。例如，使用者可能不會注意到5至10Hz的頻率偏移，但是可注意到20Hz的偏移。結果，自適應共振頻率系統410需要考慮到觸覺裝置的物理特性以及人類敏感度及偏好。可用使用者可控開關，自動的建議系統，或其他具體實施例滿足使用者偏好。
第14圖的表示圖(graphical representation)450根據本發明之一具體實施例圖示相同遊戲控制器中基於電活性聚合物之相同震動觸覺致動器的頻率反應。加速度(g)為縱軸以及頻率(Hz)為橫軸，以及用代表圖450描繪各種頻率反應。虛線452、454顯示特定使用者在輕握遊戲控制器時的兩個頻率反應。黑實線456、458顯示同一個使用者用不同握法握住控制器時的兩個頻率反應。淺實線460顯示以輕握方式握住同一個遊戲控制器的使用者。不同的曲線452、454、456、458、460建議在使用者以輕握方式握住控制器時，脈動觸覺效果(pulsing haptic effect)最好跨越與目標頻帶A類似的頻 帶，以及在使用者以緊握方式握住控制器時，跨越與目標頻帶B類似的頻帶。
額外的考量有目標身體部位(例如，食指或手掌)在特定頻率對於特定加速度的感知強度。如果觸覺效果的主頻率在緊握時為65Hz，例如，第14圖顯示可預期有2.0至2.5公克的高加速度；不過，在緊握下，同樣的65Hz頻率會產生小於1.0公克的加速度。反之，如果觸覺效果更新成有90Hz的主頻率，則可預期1.5公克的加速度。可用眾所周知的技術(例如，帶通過濾法及有決策樹的增益調整，或更精緻的機器學習方法)適合觸覺效果。該等觸覺效果通常應跨越相對寬的頻帶，在某些合意頻率附近有可變高強度分量，例如系統的共振頻率。此一寬頻率範圍致能測量加速度以在使用者與觸覺裝置互動時持續監視系統的動態頻率反應。儘管穩定性在這些及所有觸覺系統可能存在問題，然而閉環控制被設計成可用致動器(例如，電活性聚合物或壓電裝置)最大化震動觸覺效果的加速度或感知強度。
因此，在一具體實施例中，用第12圖至第14圖描述的本發明提供一種適合呈現於觸覺裝置上之觸覺效果的方法。該方法包括提供一觸覺裝置，該觸覺裝置包含用於捕獲身體動作的一感測器，用於接收該身體動作的一處理器，以及用於提供觸覺回饋給個人的一致動器。該感測器及該致動器皆耦合至一機械附件以及相互位於定位。在電腦系統中，該方法更包括在個人使用該觸覺裝置時感測觸覺效果的頻率反應，在該電腦系統上執行計算以決定呈現觸覺效果的頻率分布，在該電腦上或硬體中執行觸覺效果的映射函數以在該觸覺裝置上產生新頻率反應。觸覺效果的過濾或其他修改 可能被觸覺裝置的使用者影響。
在另一具體實施例中，該映射函數涉及過濾在5至500Hz之間的頻率。在另一具體實施例中，該計算以500至50,000Hz的速率更新。在另一具體實施例中，該計算包括定義尖峰頻率的計算。
又在另一具體實施例中，該身體動作為個人的手動作。在各種其他具體實施例中，該感測器為加速度計、位置感測器、或彼等之組合。在各種其他具體實施例中，該致動器為電活性聚合物、壓電材料、或彼等之組合。
在另一具體實施例中，本發明提供一種觸覺裝置，其係包含：用於捕獲個人之身體動作的第一感測器，用於呈現觸覺效果至個人的第一致動器，以及用於接收個人之身體動作以及輸出觸覺效果的處理器。每個觸覺效果係基於計算，在此該計算在動態物理系統改變時適應頻率分布的變化。該動態物理系統包含該觸覺裝置。
有柔性導電屏蔽及其接地故障電路中斷斷路器的穿戴式介電彈性體致動器(或數個)
在各種其他具體實施例中，本發明提供與穿戴式產品整合的介電彈性體致動器，該等穿戴式產品用柔性電絕緣來電屏蔽使用者的皮膚以免使用者受傷。在一具體實施例中，該柔性絕緣材料視需要包含導電柔性層或屏蔽以分流任何雜散電流離開使用者以及提供偵測故障電流的構件。在一具體實施例中，觸覺腕帶或手鐲備有柔性電絕緣層，其大小及勁度足以維持致動區域與皮膚的接觸。在其他具體實施例中，本發明提供數個電路，該等電路經組態成有 接地故障電路斷流器(GFCI)以偵測導電柔性層或屏蔽上的任何電流以及在偵測到電流時切斷它。
介電彈性體致動器整合於穿戴式產品。它們用柔性絕緣材料電性屏蔽皮膚。視需要，該柔性絕緣材料加入使任何雜散電流分流離開使用者以及提供偵測故障電流之構件的導電柔性層。本發明之一具體實施例為腕帶或手鐲，其大小及勁度足以保持致動區域與皮膚的接觸。
第15圖的展開圖根據本發明之一具體實施例圖示用於碰觸介面的柔性致動器模組500組態。柔性致動器模組500係以對於碰觸有安全性的方式封裝。在圖示於第15圖的具體實施例中，柔性致動器模組500整合於定義孔口514以提供碰觸進接(touch access to)柔性致動器模組500之一部份的外殼或殼體512。在一具體實施例中，柔性致動器模組500包含柔性導電殼體502與附接至模組支架508的固體介電彈性體傳感器輥子模組504，模組支架508係專用於有柔性致動器模組500與其整合的外殼或殼體。模組支架508係經組態成可使基板506固定地附接至殼體512。視需要，柔性致動器模組500可包含數個安裝扣件510。柔性導電殼體502部份突出穿過定義於裝置之殼體512或殼體的開口514。柔性導電殼體502由導電材料製成以及在端子518用導電黏著劑520電氣連接至外殼接地(屏蔽接地)。在一具體實施例中，撓式連接器522通過電接點及/或跡線524使固體介電彈性體傳感器輥子模組504電氣耦合至電子系統。
第16圖的展開圖根據本發明之一具體實施例圖示固體介電彈性體傳感器輥子模組504及各種連接選項。固體介電彈性 體傳感器輥子模組504包含含有用於注射成型及接線終端之孔526a、526b的基板506。該基板也包含適於焊接至配線或焊接至表面黏著技術(SMT)組件的導電端子528。如下述，導電端子528a、528b可從上面及下面接近基板。SMT端點530焊接至導電端子528a、528b。然後，固體介電彈性體傳感器輥子531附接至基板506以及用嵌入成型法(insert molding)或其他技術，在固體介電彈性體傳感器輥子531的兩端塗上導電矽膠534，以使傳感器輥子534電氣耦合至端點530及導電端子528a、528b。嵌入成型法或其他技術，在傳感器輥子534的外表面塗上電絕緣矽膠塗層516。電絕緣矽膠塗層516插在傳感器輥子534與柔性導電殼體502之間。
提供至固體介電彈性體傳感器輥子模組504的電氣連接有不同的選項。選項之一包括：經由設於基板506底下的SMT導電端子536a、536b，使撓式電路522附接至傳感器模組504。撓式電路522的導電端子均耦合至高電壓驅動器電路。在基板506之底層上的SMT導電端子536a、536b均電氣耦合至在基板506之頂層上的SMT導電端子528a、528b。底層SMT導電端子536a、536b可用來使傳感器輥子模組504附接至其他基板及/或外部裝置。替換地，傳感器輥子模組504的電氣耦合可用經由穿過基板506之通孔526a、526b通過傳導來附接的電線538a、538b。高正電壓(HV+)導線538a連接至高電壓驅動電路的正極端子，以及高電壓接地(HV GND)導線538b連接至高電壓驅動電路的接地端子。殼體接地(屏蔽GND)連接至端子518。替換地，傳感器輥子模組504可用快接互連件電氣耦合至其他系統及/或基板，例如描述於共同擁有的PCT國際專利申請案第PCT/US13/55304號的快接互連件，其全部揭示內 容併入本文作為參考資料。
第17圖的展開圖根據本發明之一具體實施例圖示經組態成可電性安裝至撓式電路522的第15圖之柔性致動器模組500。柔性致動器模組500包含固體介電彈性體傳感器輥子模組504、電性屏蔽532及撓式電路522。電性屏蔽532提供電性隔離以及讓使用者可電氣安全地用指尖碰觸致動器模組500。
第18圖根據本發明之一具體實施例圖示電性屏蔽532的底部透視圖。參考第39以及40圖，電性屏蔽532之圖示具體實施例的製造係藉由層壓熱塑胺甲酸乙酯至導電布以及真空成形為可拉伸導電屏蔽。電性屏蔽532用硬度計碰觸是軟的(蕭氏A 50-80)以及可被組態成為手機(handset)、遊戲控制器及其類似者的活動按鈕。在一具體實施例中，厚10密耳、硬度計蕭氏A硬度50-80的熱塑[聚酯]聚胺甲酸酯薄膜(例如，Dureflex® PT6410S)允許致動器有最大運動自由度。在其他具體實施例中，該導電布可夾在兩個較薄的熱塑聚胺甲酸酯層(例如，5/1000”(5密耳))之間。
第19圖的示意圖根據本發明之一具體實施例圖示讓使用者可電氣安全地用指尖碰觸致動器模組500的柔性致動器模組500電性隔離特徵。如圖示，撓式電路522上的HV+端子係電氣耦合至固體介電彈性體傳感器輥子模組504的正極端子(在第38圖為528a)。撓式電路522的屏蔽GND端子通過端子518電氣耦合至電性屏蔽532。為了使屏蔽532連接至端子518，暴露導電織物之一小部份以及焊接至端子518。在發生故障的情形下，例如固體介電彈性體傳感器輥子模組504與屏蔽532通過電絕緣矽膠塗層516短路，該屏蔽提供由高電壓節點至低電壓節點的分流路徑(約3歐姆)，例 如相對於高阻抗使用者電阻路徑(約2000歐姆)的屏蔽GND至接地。因此，任何雜散電流會被分流到接地，以及分流電流用柔性絕緣層(例如，電絕緣矽膠塗層516)與使用者隔離。在偵測到分流電流時，提供訊號給接地故障電路斷流器(GFCI)斷路器關閉高電壓電源供應器以防使用者觸電。由電氣及機械連接組成的強健鏈路用來使柔性致動器模組500耦合至剛硬的電子設備。
第20圖的代表圖600根據本發明之一具體實施例圖示故障熱危害對電阻的相依性。縱軸為變成故障的熱功率(瓦特)，橫軸為封裝碳化孔(carbonized hole in potting)的電阻(歐姆)。圖形600內的插圖為柔性致動器模組602的部份橫截面圖。從最內層到最外層，柔性致動器模組602包含用封裝化合物覆蓋的導電矽膠層。該封裝化合物被導電外殼接地(conductive case ground)覆蓋以及該熱塑聚胺甲酸酯層覆蓋該導電外殼接地。通過封裝化合物在導電外殼接地與導電矽膠之間形成鍍碳隧道以模擬故障。
第21圖根據一具體實施例圖示GFCI斷路器的示意圖650，其係經組態成可偵測屏蔽上的電流。圖示於第21圖的示意圖650包含適於偵測兩個個別屏蔽上之分流的兩個個別GFCI斷路器。源於第一屏蔽(“屏蔽1”)的電流通過連接器656被第一導體658接收以及路由到第一GFCI斷路器網路652。源於第二屏蔽(“屏蔽2”)的電流通過連接器656被第二導體660接收以及路由到第二GFCI斷路器網路654。每個GFCI斷路器網路652、654包含逸出電荷電阻器(bleed charge resistor)R2、R11以及接收來自電流分流路徑及電容器C11、C14的雜散電流以累積基於雜散電流的電荷。二極體D1、D3分流電流尖波以防假觸發。比較器U2、U4接收在其負極端子上 的參考電壓以及在其正極端子上表示累積於電容器C11、C14之電荷的電容器電壓。在正極端子的電壓超過負極端子的參考電壓時，第一比較器U2觸發第一正反器662產生第一訊號以關閉第一高電壓電源供應器。在正極端子的電壓超過負極端子的參考電壓時，第二比較器U4觸發第二正反器664產生第一訊號以關閉第一高電壓電源供應器。因此，GFCI斷路器網路652、654偵測屏蔽上的分流電流以及在超過按各個參考電壓設定的預定閥值時藉由關閉高電壓電源供應器來中斷電流。
在碰觸顯示器/碰觸感測器表面時提供力回饋以確認行動的可變形表面致動器陣列
在各種其他具體實施例中，本發明提供可變形表面致動器，其係經組態成在安置於顯示器/碰觸感測器上面之電活性聚合物層之表面感測到碰觸時可提供力回饋以提供該行動的回饋。根據一具體實施例，本發明提供一種玻璃顯示器/碰觸感測器，其係經組態成可提供觸覺回饋給模擬顯示於碰觸感測器上之虛擬按鍵“按下”的力。在一具體實施例中，該等可變形表面致動器提供觸覺回饋協助使用者確定虛擬按鍵在碰觸感測器上的位置而不單獨訴諸視訊或音訊回饋。
在說明第22A圖至第22B圖時提及的本發明具體實施例提供受限於移動整個螢幕或手機之習知碰觸感測器沒有的局部化或回饋。用此具體實施例，觸覺回饋局限於定點或“按鍵”，它會被使用者碰觸以提供與標準鍵盤類似的感覺，因此可更容易及更精確地打字。
第22A圖的側面剖視圖根據本發明之一具體實施例 圖示可變形表面致動器陣列700。第22B圖的上視圖根據本發明之一具體實施例圖示第22A圖的可變形表面致動器700陣列。參考第22A圖至第22B圖，儘管只圖示兩個可變形表面致動器702、704，然而應瞭解，陣列700可包含排列成任何預定圖案的多個致動器。在一具體實施例中，顯示器/觸控螢幕706的表面被可變形電活性聚合物表面層712覆蓋。電活性聚合物層712包含在被碰觸以提供回饋給使用者時變形成為致動器702、704的敏感區708、710。電活性聚合物表面層712併入在顯示器/觸控螢幕706上面的表面。在合適敏感區708、710感測到碰觸時，用高電壓激活致動器702、704。當在規定區域708、710中偵測或感測到碰觸時，電活性聚合物表面層712在規定區域708、710中擴張/收縮以及以產生碰觸顯示器/觸控螢幕者可偵測到之致動器702、704凸點的方式變形。致動器702、704也可為顯示器/觸控螢幕706表面中變形成按鍵形狀的一部份。這可為永久特徵或者是按需出現的臨時特徵。可撓電活性聚合物介電薄膜層712會是可變形表面。電活性聚合物表面層712需要很有撓性以成為有效的電活性聚合物致動器。印製於電活性聚合物表面層712薄膜上會是電極圖案708、710，在被激活時，它會產生移動/震動以用致動器凸點702、704提供觸覺回饋給手指以表示感測到及確認按壓。可使用只是一個會伸縮之圓圈的簡單致動器設計。擴張/收縮式震動會提供受力回饋給手指。除圓圈以外的其他合適圖案可用於致動器圖案708、710。此類圖案包括橢圓形、三角形、矩形、方形、菱形、任何適當多邊形、以及不規則或隨機成形的圖案。
關於本發明之其他細節，如在熟習相關技術者之水平內，可使用材料及替代之相關組態。在如一般地使用或在邏輯上使 用之額外動作方面，關於基於方法的本發明方面，上述情況可保持成立。此外，儘管已用視需要加入各種特徵的數個實施例來描述本發明，然而本發明不受限於經描述或陳明者，因為預期這些與本發明的各個變體有關。本發明可做出各種變化以及可置換等價物(不論本文有提及或者是為求說明簡潔而省略)而不脫離本發明的真正精神及範疇。任意多個個別部件或圖示子總成在設計中可整合。裝配設計的原理可保證及指導此類變化或其他。
此外，吾等預期可單獨或與本文中所闡述之特徵中之任一或更多者結合地提出及主張所描述之本發明變體的任一可選特徵。單數項目包括存在複數個相同項目之可能性。更具體而言，除非本文另有具體說明，否則本文及隨附申請專利範圍中所用的單數形式「一(a)」、「一個(one)」、「該(said)」及「該(the)」包含複數個指涉對象。換言之，使用該等冠詞允許在上文之說明以及下文之申請專利範圍中存在「至少一個」標的物項目。進一步注意，可起草申請專利範圍以排除任一可選元件。就這點而論，此陳述旨在用作使用例如「單獨」、「唯一」之排他性術語及與敍述主張元件相關之類似術語或使用一「否定」限制之先行基礎。在不使用此排他性術語之情形下，申請專利範圍中之術語「包括」將允許包含任一額外元件-不管申請專利範圍中列舉給定數目個元件還是一特徵之添加可視為變換申請專利範圍中所闡明之一元件之性質。除非本文中另有陳述、具體界定，否則本文中所使用之所有技術及科學術語在維持申請專利範圍有效性之同時被賦予盡可能寬廣之一共知含義。
以下編號子句列出描述於本文之專利標的的各種方 面：
1.一種設備，其係包含：一用於測量個人之一或更多身體動作的第一感測器；一用於呈現一或更多觸覺效果至個人的第一致動器；以及一處理器，其係用於接收該個人的一或更多身體動作以及輸出一或更多觸覺效果。
2.如第1句所述之設備，其更包含經組態成可測量一使用者之生理特性的至少一生物識別感測器，其中該生物識別感測器的反應時間比該用以測量個人的一或更多身體動作的第一感測器的反應時間快。
3.如第1句及第2句中之一者所述的設備，其中該第一致動器包含一電活性聚合物傳感器。
4.如第3句所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器為經組態成可提供數個可程式化表面特徵的一表面變形傳感器。
5.如第3句所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器包含電活性聚合物薄膜的兩個或更多堆疊層。
6.如第3句所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器係經組態成可提供觸覺效果與感測反應兩者。
7.如第3句所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器有電氣屏蔽及連接至一接地故障電路中斷電路。
8.如第3句所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器係裝入包含一結構元件的一殼體，該元件提供一壓縮預應變於該傳感器上以及傳送由該電活性聚合物傳感器之激活產生的力至該設備的一分離部份。
9.如第1句至第8句中之任一句所述的設備，其中實 質由該電活性聚合物致動器、該生物識別感測器、該處理器及該動作感測器組成之群組選出的一或更多者係位於一穿戴式裝置上。
10.如第9句所述之設備，其中該穿戴式裝置選自實質由下列各物組成的群組：腕套、手帶、臂帶、軀幹束帶、踝帶、頭帶及耳朵附件、以及彼等之任何組合。
11.如第1句所述之設備，其中該第一感測器包含下列各物中之任一：加速度計、陀螺儀、磁力儀、碰觸感測器、以及彼等之任何組合，以及其中該第一感測器係經組態成可測量肌肉骨骼動作。
12.如第2句所述之設備，其中該至少一生物識別感測器係經組態成可測量選自實質由下列各項組成之群組的一或更多生理特性：肌電探測儀(EMG)、腦電波儀(EEG)、心跳率、以及彼等之任何組合。
13.如第2句所述之設備，其中該處理器係經組態成可根據接收自該生物識別感測器及該第一感測器的電子訊號來驅動該電活性致動器。
14.如第2句所述之設備，其中該處理器係經組態成在接收及處理來自該第一感測器的訊號之前可接收及處理來自該生物識別感測器的電子訊號。
15.一種用於適合呈現於觸覺裝置上之觸覺效果的方法，該方法包括：提供如第1句至第14句中之任一句所述的設備；在該觸覺裝置使用中時，用電腦系統感測該觸覺效果的頻率反應；在該電腦系統上，決定呈現觸覺效果的頻率分布；以及在該電腦系統上或硬體中，映射該觸覺效果之一函數以在該觸覺裝置上產生新 的頻率反應。
10‧‧‧電活性聚合物薄膜或膜片/電容結構
12‧‧‧薄彈性體介電薄膜或層
14、16‧‧‧柔性或可拉伸電極板或層
l‧‧‧長度
t‧‧‧厚度
w‧‧‧寬度

Claims (15)

  1. 一種設備，其係包含：一能夠測量個人之一或更多身體動作的第一感測器；一能夠呈現一或更多觸覺效果至個人的第一致動器；以及一能夠接收該個人之該一或更多身體動作以及輸出一或更多觸覺效果的處理器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其更包含經組態成可測量一使用者之生理特性的至少一生物識別感測器，其中該生物識別感測器的反應時間比該用以測量個人的一或更多身體動作的第一感測器的反應時間快。
  3. 如申請專利範圍第1項及第2項中之一者所述的設備，其中該第一致動器包含一電活性聚合物傳感器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器包含一經組態成可提供數個可程式化表面特徵的表面變形傳感器。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器包含電活性聚合物薄膜的兩個或更多堆疊層。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器係經組態成可提供觸覺效果與感測反應兩者。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器有電氣屏蔽及連接至一接地故障電路中斷電路(ground fault circuit interrupt circuit)。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該電活性聚合物傳感器係裝入一包含一結構元件的殼體，該元件提供一壓縮預應變 於該傳感器上以及傳送由該電活性聚合物傳感器之激活產生的力至該設備的一分離部份。
  9. 如申請專利範圍第1至第8項中之任一項所述之設備，其中實質由該電活性聚合物致動器、該生物識別感測器、該處理器及該動作感測器組成之群組選出的一或更多者係位於一穿戴式裝置上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該穿戴式裝置選自實質由下列各物組成之群組：一腕套、一手帶、一臂帶、一軀幹束帶、一踝帶、一頭帶及一耳朵附件、以及彼等之任何組合。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該第一感測器包含下列各物中之任一：一加速度計、一陀螺儀、一磁力儀、一碰觸感測器、以及彼等之任何組合，以及其中該第一感測器係經組態成可測量肌肉骨骼動作。
  12. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該至少一生物識別感測器係經組態成可測量選自實質由下列各項組成之群組的一或更多生理特性：肌電探測儀(EMG)、腦電波儀(EEG)、心跳率、以及彼等之任何組合。
  13. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該處理器係經組態成可根據接收自該生物識別感測器及該第一感測器的電子訊號來驅動該電活性致動器。
  14. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該處理器係經組態成在接收及處理來自該第一感測器的一訊號之前可接收及處理來自該生物識別感測器的一電子訊號。
  15. 一種用於適合呈現於一觸覺裝置上之一觸覺效果的方法，該方 法包括：提供如申請專利範圍第1項至第14項中之任一項所述的設備；在該觸覺裝置使用中時，用電腦系統感測觸覺效果的一頻率反應；在該電腦系統上，決定呈現觸覺效果的一頻率分布；以及在該電腦系統上或硬體中，映射該觸覺效果之一函數以在該觸覺裝置上產生一新的頻率反應。
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