觸覺通信系統(tǒng)、方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】觸覺通信系統(tǒng)、方法和設(shè)備
[0001]本發(fā)明涉及觸覺通信系統(tǒng)。觸覺通信系統(tǒng)是能夠通過交互的表面來傳送觸摸感的系統(tǒng)，包括兩個彼此通信的設(shè)備。該表面的操作通過在每個設(shè)備中的移動所述表面的至少一個致動器以及在所述表面上施加壓力的兩個用戶(每個設(shè)備上一個用戶)來實(shí)現(xiàn)。
[0002]本發(fā)明的目的在于成本效益高的和/或可靠的系統(tǒng)，該系統(tǒng)給予用戶盡可能自然的觸覺感知體驗。
[0003]根據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)包括:計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，該計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)包括具有處理單元的至少一臺計算機(jī)；和在不同位置連接至所述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的兩個觸覺輸入/輸出設(shè)備；以及設(shè)置成在所述計算機(jī)處理單元上運(yùn)行的計算機(jī)軟件，所述觸覺輸入/輸出設(shè)備每個包括:設(shè)置成以穩(wěn)固的方式放置在平坦的表面上的外殼；在所述外殼中的至少一個致動器，其中所述致動器包括電機(jī)、被所述電機(jī)在所述至少兩個相反的方向上移動的托架和具有外表面的觸摸構(gòu)件，所述觸摸構(gòu)件被設(shè)置成以預(yù)定的間隔相對于所述外殼在至少兩個相反的方向上移動，使得用戶能夠通過觸摸所述外表面感覺所述運(yùn)動；所述致動器設(shè)置有布置成以所述預(yù)定的間隔連續(xù)地確定所述外表面上的相對壓力的裝置，且所述致動器設(shè)置有連續(xù)地確定所述外表面的相對位置的裝置，以及被布置成以所述預(yù)定的間隔將所述相對壓力和所述相對位置連續(xù)地傳送至所述計算機(jī)處理單元的裝置；其中所述計算機(jī)軟件被設(shè)置成使用所述兩個設(shè)備中的兩個相應(yīng)的致動器的所述相對壓力、所述相對位置和當(dāng)前相對位置與至少在先前的間隔確定的相對位置之間的差值來計算外表面的兩個下一個相對位置，每個下一個相對位置用于所述致動器中的一個，且將所述下一個相對位置傳送至相應(yīng)的致動器；且其中所述致動器被設(shè)置成將所述外表面立即移動至所計算和傳送的下一個相對位置。
[0004]所述致動器優(yōu)選地包括在所述托架與所述觸摸構(gòu)件之間的彈性元件，例如彈簧，使得所述托架與所述外表面之間的距離能夠通過在所述外表面上施加力變得更短。
[0005]優(yōu)選地，所述托架被安裝在允許往復(fù)直線運(yùn)動的支撐件中。所述致動器的電機(jī)優(yōu)選地是旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，其中所述電機(jī)的軸借助于旋轉(zhuǎn)臂被連接至所述往復(fù)托架。
[0006]優(yōu)選地，所述觸覺輸入/輸出設(shè)備是基本上相同的且每個設(shè)備包括多個所述致動器，其中所述軟件被設(shè)置為在一個設(shè)備中的每一個致動器與在另一個設(shè)備中的相應(yīng)的致動器之間傳送所述壓力和位置參數(shù)。
[0007]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述觸覺輸入/輸出設(shè)備具有便于完全支撐平均成年人手的尺寸，其中所述多個致動器被設(shè)置成使得所述致動器的所述外表面在基本上平坦的表面中延伸并且能夠同時支撐所述手的所有不同部分，所述手的所有不同部分是至少所述手的五個手指中的每個和手掌，且其中所述托架被設(shè)置成垂直于所述基本上平坦的表面往復(fù)運(yùn)動。優(yōu)選地，所述手的所述不同部分是沿五個手指中的每個的長度的至少兩個位置以及沿所述手的手掌的長度的至少兩個位置。
[0008]所述多個致動器的所述外表面被一層柔性膜(例如，橡膠膜)覆蓋。
[0009]所述計算機(jī)軟件優(yōu)選被設(shè)置成計算所述外表面的所述兩個下一個相對位置，使得如果在所述致動器中的一個中確定沒有壓力，而在相應(yīng)的致動器中確定有壓力，則所述兩個致動器根據(jù)確定的壓力被移動至兩個相反的極端位置，且其中如果在兩個致動器中差不多相等的壓力被確定，則兩個致動器兩者以一定的速率移動至中央位置，該速率考慮到在當(dāng)前相對位置與在先前的間隔確定的相對位置之間的所述差值以及在先前的間隔確定的壓力，使得操作設(shè)備的用戶經(jīng)歷流暢自然的感覺運(yùn)動和壓力，猶如他們的兩只手處于相互的身體接觸。
[0010]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述軟件被設(shè)置成通過“時域被動控制”算法計算所述兩個下一個相對位置。用于觸覺接口的這樣的“時域被動控制”算法在美國專利申請公開US2002/0062177A1中被詳細(xì)地描述和解釋，該專利通過引用并入本文中。該文件教導(dǎo)技術(shù)人員該軟件是如何通過以上提到的輸入?yún)?shù)計算致動器的位置，以實(shí)現(xiàn)致動器的所需要的動作。在本發(fā)明的方法中，在所述公布中討論的速率參數(shù)通過在當(dāng)前相對位置與在先前的間隔確定的相對位置之間的差值被表示，如托架的速率可以通過在它們的位置的增量差值除以間隔的持續(xù)時間來表示。因此軟件程序不需要設(shè)置成實(shí)際上計算速率。然而，如果軟件程序?qū)嶋H上計算速率并使用這些速率以計算兩個下一個相對位置，則這應(yīng)該被認(rèn)為是使用在當(dāng)前相對位置和至少在先前的間隔被確定的相對位置之間的差值作為輸入?yún)?shù)這一特征的等同特征。
[0011]可選擇地，為了再進(jìn)一步改善該觸覺通信系統(tǒng)的自然感覺，將計算機(jī)程序設(shè)置成使得兩個相應(yīng)的致動器的相鄰的致動器的所確定的壓力、相對位置和在當(dāng)前相對位置與至少在先前的間隔確定的相對位置之間的差值也同樣被所述計算機(jī)軟件程序利用以計算兩個相應(yīng)的致動器的下一個相對位置是可能的。
[0012]該系統(tǒng)的預(yù)定的間隔優(yōu)選地少于50ms，更加優(yōu)選地少于15ms，再更加優(yōu)選地少于5msο間隔越短，系統(tǒng)反應(yīng)越流暢?？赡艿拈g隔很大程度上取決于使用的處理單元的處理能力。
[0013]此外本發(fā)明涉及一種觸覺輸入/輸出設(shè)備，其包括:被設(shè)置成以穩(wěn)固的方式放置在平坦的表面上的外殼；在所述外殼中的至少一個致動器，其中所述致動器包括電機(jī)、被所述電機(jī)在所述至少兩個相反的方向上移動的托架和具有外表面的觸摸構(gòu)件，所述觸摸構(gòu)件被設(shè)置成以預(yù)定的間隔相對于所述外殼在至少兩個相反的方向上移動，使得用戶能夠通過觸摸所述外表面感覺所述運(yùn)動；所述致動器設(shè)置有被布置成以所述預(yù)定的間隔連續(xù)地確定所述外表面上的相對壓力的裝置，且所述致動器設(shè)置有連續(xù)地確定所述外表面的相對位置的裝置，以及被布置成用于以所述預(yù)定的間隔將所述相對壓力和所述相對位置連續(xù)地傳送至計算機(jī)處理單元的裝置；且其中所述致動器被設(shè)置成將所述外表面立即移動至所計算并傳送的下一個相對位置。
[0014]而且本發(fā)明涉及一種在兩人之間傳送觸覺感的方法，其使用觸覺通信系統(tǒng)，該觸覺通信系統(tǒng)包括:計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，該計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)包括具有處理單元的至少一臺計算機(jī)；和在不同的位置連接至所述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的兩個觸覺輸入/輸出設(shè)備；以及在所述計算機(jī)處理單元上運(yùn)行的計算機(jī)軟件，所述觸覺輸入/輸出設(shè)備每個包括:以穩(wěn)固的方式被放置在平坦的表面上的外殼；在所述外殼中的至少一個致動器，其中所述致動器包括電機(jī)、被所述電機(jī)在所述至少兩個相反的方向上移動的托架和具有外表面的觸摸構(gòu)件，所述觸摸構(gòu)件以預(yù)定的間隔相對于所述外殼在至少兩個相反的方向上移動，使得用戶能夠通過觸摸所述外表面感覺所述運(yùn)動，且用戶能夠在所述觸摸表面上施加壓力以移動所述觸摸構(gòu)件；所述致動器設(shè)置有以所述預(yù)定的間隔連續(xù)地確定在所述外表面上的相對壓力的裝置，且所述致動器設(shè)置有連續(xù)地確定所述外表面的相對位置的裝置，以及以所述預(yù)定的間隔將所述相對壓力和所述相對位置連續(xù)地傳送至所述計算機(jī)處理單元的裝置；其中所述計算機(jī)軟件使用所述兩個設(shè)備中的兩個相應(yīng)的致動器的所述相對壓力、所述相對位置和當(dāng)前相對位置與至少在先前的間隔確定的相對位置之間的差值來計算外表面的兩個下一個相對位置，每個下一個相對位置用于所述致動器中的一個，且將所述下一個相對位置傳送至相應(yīng)的致動器；且其中所述致動器將所述外表面立即移動至所計算并傳送的下一個相對位置。
[0015]本發(fā)明還涉及一種被設(shè)置成執(zhí)行該方法的計算機(jī)軟件程序，以及涉及與這樣的計算機(jī)軟件程序結(jié)合的觸覺輸入/輸出設(shè)備。
[0016]現(xiàn)在，本發(fā)明將參考附圖通過優(yōu)選的實(shí)施方案被描述，其中:
[0017]圖1是在本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的觸覺設(shè)備的透視圖；
[0018]圖2是圖1的觸覺設(shè)備中的致動器從上方看的示意性布置圖；
[0019]圖3是圖1的設(shè)備的透視分解圖；
[0020]圖4是在圖1的觸覺設(shè)備中使用的致動器的透視分解圖；
[0021]圖5是圖4的致動器的透視剖面圖；
[0022]圖6至圖11是當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中操作時，在不同的操作情況下在圖1的兩個觸覺設(shè)備中的成對的相應(yīng)致動器的剖視圖；和
[0023]圖12是根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的示意圖。
[0024]根據(jù)圖1和圖3，觸覺設(shè)備包括外殼，外殼包括塑料底部殼體1，其能夠穩(wěn)固地放置在平臺上。殼體I設(shè)置有用于多個致動器3的保持件2。外殼還包括蓋4，蓋4被放置在底部殼體I的頂部，且蓋4通過密封圈5被緊固至底部殼體I。蓋4的頂部表面6由柔性橡膠片材制成，柔性橡膠片材坐落在致動器3的頂部表面上。
[0025]蓋4的形狀和尺寸被設(shè)計成容易地將大多數(shù)成年人的手容納在其上。如附圖2所示，致動器3以這樣的方式被放置在底部殼體I中:對于平均的成年人的手7，五個手指中的每一個的外端部通過一個相應(yīng)的致動器3支撐，五個手指中的每一個的中央部分通過一個相應(yīng)的致動器3支撐，鄰近手腕的手掌部分通過兩個相應(yīng)的(相互連接的)致動器3支撐，且鄰近手指的手掌部分通過兩個相應(yīng)的(相互連接的)致動器3支撐。對于兒童的手8，至少一個致動器3將支撐每個手指。兩個額外的致動器3被放置在殼體I的右側(cè)上，能夠支撐左手的拇指，使得該設(shè)備既適合于左撇子的人也適合于右撇子的人。
[0026]如附圖4和附圖5所示，每個致動器3包括步進(jìn)電機(jī)9、托架10和觸摸構(gòu)件11。托架10能夠在它們相應(yīng)的保持件2中上下移動。觸摸構(gòu)件11借助于螺釘14被安裝在軸13上，該軸13能夠在托架10中的通孔內(nèi)上下移動。在朝上的方向，所述運(yùn)動被螺釘15的頭部限制。螺旋彈簧12被放置在托架10的頂部表面和觸摸構(gòu)件11的底部表面之間。電機(jī)9具有伸出的從動軸16，臂17被安裝在從動軸16上，使得臂17能夠以小的步進(jìn)上下運(yùn)動。臂17的外端部可滑動地安裝在托架10的側(cè)壁中的槽18中。在電機(jī)內(nèi)有壓力傳感器，壓力傳感器能夠確定通過軸16施加的力，且軸16的旋轉(zhuǎn)位置也被確定，且兩個確定的值能夠被傳送至個人電腦21，例如在附圖12中示出的那些。
[0027]圖6至圖11通過兩個觸覺設(shè)備的成對致動器3的彈簧12的相對位置和壓縮狀態(tài)的不同的例子示出