专利名称：处理器接口的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将输入提供给处理器(即数据处理器)的接口，本发明有无数用途，包括产生声音和音乐、提供代表各种数字命令的信号、为存储器和/或显示器提供字母数字字符的输入、执行单词或数据处理功能或用于产生提供真实空间或虚拟环境中对象的远程移动或远程控制的信号，例如车辆移动，或者移动远处的机器人装置或器械，如手术器械。特别地，本发明涉及接口，该接口能够同时进行多种类型的输入，包括那些表示离散命令、空间位置、以及压力水平的输入。通过下文的讨论，本领域技术人员还会明了本发明的许多其它应用。
背景技术：
目前，大多数用户接口可分为两种类型，即“离散控制接口”(Discrete Control hterface，DCI)和“连续作用接口”(Continuous Action hterface，CAI)，所述 DCI 使用一组离散开关，该组离散开关能够记录“开”、“关”位置以便进行简单的离散输入；所述CAI 及时记录基于空间、压力的，或手势的运动，从而能够进行基于连续运动的更复杂的输入。 DCI包括键盘、小键盘，以及使用常常模拟机械动作的直接模拟(通常基于开关)控制的其它接口；而CAI包括触摸屏、触摸板、其它二维触摸感应接口、以及类似计算机鼠标的设备，这些设备使用滚动球或一些其它的允许用于连续输入的连续动作装置。DCI接口的优点是(1)允许用于明确的离散输入，和(2)通常形成触觉输入反馈系统，从而不依赖于视觉确认。换句话说，它们提供了明确的单独命令，并且它们为用户提供与哪些命令已被记录有关的触觉信息，因为例如当用户按下一个键时，他可以感受到回应压力。这些优点不仅与该类感应设备有关，还与输入表面、实际与用户相互作用的接口的最顶部的部分的设计有关。在这里，输入键盘的弹簧质量使用户能够在触觉水平上理解到键已被按下，且各个键的外形使得该用户能够进行微调，以促进持续、快速、准确地打字，而不需要看键盘。DCI给出的各种不同命令可被记忆，且经常在无意识思维的情形下被执行， 因此常常可以比基于视觉的输入控制情形更快速、更准确地输入信息，特别是当所述DCI 接口提供触觉反应时更是如此。这可通过比较触摸打字(取决于与手指位置和活动有关的触觉信息反馈，以及习惯性技巧)与“搜寻与敲击”打字(基于视觉的输入控制)之间的速度差异而看出，或者通过企图在触摸屏接口上打字而看出。另一个例子是名家钢琴家(其利用与手指位置和动作有关的触觉信息，以及习惯性技巧)与需要看键盘来指导自己演奏的钢琴初学者(基于视觉的触觉输入控制)之间的差异。这些高度熟练的活动依赖于练习，而练习在这些领域有效的原因是一个人可以训练他的肌肉记忆来重复某些分隔的任务，而无需意识导向或控制。为了使这些训练成为可能，有三项要求a)所述活动本身必须是并不需要视觉确认和指引的(那些需要视觉确认的活动，如射击标靶，当然也可以练习，但那些包括不同形式的手/眼/身体协调练习)；b)物理接口必须给出位置的触觉反馈(如果感觉到表面不是平的或者不只是表面装饰过的，而是在表面、纹理或弹性上有些变化，这些变化会始终给所述用户某些触觉，从而在空间上引导她/他的经训练的自动肌肉调整和修正)；以及C)所述接口的这些物理质量必须标准化和不变，从而在每一场合提供非常相似的触觉
fn息οDCI的缺点是它们能够进行的输入类型有限，特别是与输入定性地独立的、不同的命令相比，当目标是输入定量的或连续的信息时，输入类型有限。另一方面，CAI具有能够用于连续输入和极其快速地进行精细或复杂形式信息的通信的优点。例如，当触摸感应接口为(或连接至)具有变化信息的屏幕时，其可用来控制一套无限可能的变化变量。视觉信息能够传达无数的选项，接着指针，即人的手指或者由鼠标控制的箭头，能够移动和选择特定的一组运动和命令。此外，这种输入可以以某种方式模拟人的连续动作如书写或画画，这是用DCI无法做到的。但是CAI的缺点是(1)不能有效地、快速连续地处理一系列的独立命令，这部分是因为(2)在其目前的结构中，它们一般不能提供响应输入的、可变的触觉反馈系统。因此这两种类型的接口常常被结合使用就不足为奇了，计算机键盘和大多数笔记本电脑上的触摸板就是一个例子。所述接口的DCI方面允许用于离散命令，以及允许用于常规命令的快速输入，像打字，而CAI接口允许用于数字环境的更一般控制和需要运动和连续性的任何功能。当然，虽然类似触摸板或鼠标的接口是最初设计用来及时记录运动的 CAI，但它们确实允许通过它们的点击或选择功能来进行离散输入，且这种将多种功能并入一个接口的结合解释了其巨大的效用。已知的多点触摸手势允许用于要输入到CAI型接口中的其它类型的特定命令，从而提供了进一步的混合经验。“手势”(gesture)意味着接口的单个控制，其可以是同时激活多个输入的模式，例如同时按下字母键和shift键，以使字处理器屏幕上出现一个大写字母。一定程度的复杂性被添加到压敏接口情形下。根据所使用的压力传感器的数量和排列方式，可变压力传感接口相对于(能够记录与不同压力水平有关的连续数据流的)感觉中的压力而言可以是连续的，而相对于压力敏感区域的空间分布而言是离散的。相关已知设备的特殊例子是
美国专利申请US 2003/0079549公开了一种用于准确地定位压力点源的压敏性设备和用于确定压敏性表面上的点压力源的位置力的方法。该文引入了用户输入信息的最顶部的表面与传感器实际读取数据的较低水平之间的内部膜的使用。该内部膜可以由一定范围内的不同材料和形状构成，并且与其他可能形式相比，能够用更少的传感器实现更准确、更均衡的地点检测。但是，除了用来提高硬度的突起之外，其与最顶部的表面上的变化无关。 由于该文的重点在于提供更有效的创建二维压力感应设备(不但在于感应的压力数据集中在χ轴和y轴上，而且在于所述最顶部的表面是二维的)的途径，因此该文没有提供创建用于多重压力和基于空间的离散和连续输入的混合解决方案的技术方案。美国专利US 6703552公开了一种电子音乐键盘，该键盘具有二维的演奏表面， 即它不包括例如钢琴和类似结构的电子音乐键盘上的那种离散的键。当演奏者的手指在键盘上压下、以产生声音时，所述键盘连续地测量演奏者的每根手指的压力。由于所述表面是平坦的，其使用一程序，如果演奏者接近一个音符，则所述程序会自动地将音高“引导”至主要的十二个音符的其中之一，这意味着它具有有点无机的声音，且在这种设置下非常难以以名家的方式演奏它，因为计算机做了太多的工作。同样，演奏者难以确切地知道他的手指在键盘上的哪个地方，因为他不具有关于他的手指相对于键的确切位置的信息。用软件算法来产生有些离散的效果的是连续变化的压力和空间感应接口。美国专利US 7394010公开了一种乐器，该乐器包括用于产生不同音调的键开关阵列。所述开关设置为二维网格状，且通过触摸网格中的不同键开关来产生声音。专利文献EP 1100069公开了一种键盘，该键盘的目的是简化用于检测键的按下的电子电路。所述键盘包括许多不同的按钮，每个按钮包括许多触点。每个按钮的按下关闭了多个触点的结合和不同按钮之间的结合。因此，通过通过定期扫描所述触点，可以知道哪个按钮被按下去了。当然，电子音乐键盘是广为人知的。它们模仿钢琴键盘，且包括许多不同的离散音符。可以修改这些音符，以产生不同的声音，例如钢琴或风琴的声音。但是，用这种键盘能够实时实现的音乐效果的数量是有限的。“手卷”(折叠式、便携式)钢琴键盘也是已知的。这些键盘采取柔性衬底的形式， 所述柔性衬底具有显示钢琴键盘的二维轮廓的表面。每个键的下面有一个触点，当该触点被按下时，将会产生一信号，该信号指示处理器和扬声器输出与被按下的键相对应的声音。 但是，操作者只获得非常少的触觉反馈，且常常难以知道其手指在键盘上的确切位置。触摸屏上的键盘接口也是已知的。这些键盘不提供任何告诉用户他的手指在哪的触觉反馈，所以数据输入将通过视觉进行，即不是通过触摸打字的方式进行。另外，当“键” 被按得足以记录下该次击键时，没有给出触觉反馈的触摸屏会使数据输入，虽然有时反馈以视觉形式(所述键改变了屏幕上的颜色)或听觉形式给出(听到了 “哔哔声”)。
发明内容
本发明定义在所附的权利要求书中。从广义上说，本发明提供了一种让用户能够将输入送入处理器的接口。该接口包括三维输入表面，该表面提供触觉反馈给用户，从而使得用户知道他的手指在接口上的哪个地方。为了便于描述，在本说明书中所述输入表面有时是指“顶”面，因为它有时会被设置在所述接口的顶部(且所述接口的其它部件也将参照这一接口方位来描述)，但应当记住 所述接口也可用于任何想要的方位，例如使输入表面位于侧部或下部表面上，本说明书覆盖任何方位的输入表面。此外，在很多情形下，给定的接口将由多个表面组成，信息可在所述多个表面上输入。事实上，它甚至可以是具有顶部、底部和侧部的完全封闭的表面。所述输入表面仅仅是所述接口的最外面的部分，该部分实际上受到用户任何形式的触摸。柔软弹性材料，例如硅橡胶，设置在三维顶部输入表面的下面(或里面)，且这样一层柔软弹性材料的表面的确可以形成三维顶部表面。不过该顶部表面也可以由任何允许力的扩散或允许触摸灵敏性的材料制成。所述顶部表面可以用柔性OLED屏幕或三维电阻或电容式触摸表面制成。所述接口为用户提供三种不同形式的触觉反馈。首先，该三维顶部表面的纹理、角度、以及其它特征给了用户关于触摸位置的即时信息，其提供信息的方式在不具有用于空间方位的纹理基础的平坦均勻表面上是不可能实现的。第二，所述柔软弹性材料将力回送给用户，以向用户提供进一步的纹理反馈，所述用户将能够感知他施加给所述接口的压力的量。由于材料的弹性，上述响应压力成倍地增加了压缩距离，而不是像平坦硬质表面上那样简单地推回同样的力。这种变化为用户提供了与力的输入中的轻微改变有关的更实用的触觉信息。第三，软质材料放大了触觉反馈的表面区域内的变化。我们对自己触摸某些东西的压力水平(特别是当压力输入处于很低的水平时)进行主观估计的一种方式是我们的手指(例如)与给定表面接触的表面区域的大小的变化。在平坦硬质表面上，这种差异时很小的，但是对于更软的材料，改变就被放大了，因为随着手指中的肌肉组织压缩，传感器与输入表面之间的材料也被压缩，从而所述表面区域发生显著改变。向下的力通过所述弹性材料传播，直到其到达材料的另一侧，在该点处，力被施加至一维或二维的传感器或传感器阵列。在有些情形下，所述传感器也可排列在多个下置表面上，从而构成一组二维阵列(该二维阵列组反过来被称为三维阵列)。如果设有一个传感器，则该传感器必须能够识别出用户正在操作输入表面的哪一部分，以及在该位置施加了什么样的力/压力，即该传感器必须具有位置感应能力。每个传感器(例如，所述传感器是压敏式的)均对用户在输入表面上的触摸作出反应，且这些传感器中的每一个均根据其测量到的触摸响应参数(例如施加在该传感器上的力)输出一个信号。所述弹性材料将施加在顶部输入表面上的力传输至所述传感器；由于材料的软兼容性质，所述力不仅被传输至位于与施力方向一致的位置处的传感器，而且被传输至其它邻近的传感器。因此，如果用户施力于接口的输入表面的一个区域，则传感器的更广阔区域将会记录那个力，导致许多传感器提供输出。多个传感器上不同的力读数的结合将会被称为“数字签名”(以下简称“签名”)。处理器中的算法可响应所述签名的构成，该签名的构成不仅包括哪些传感器被“触发”(即提供响应所施压力的信号)，还包括传感器的数量、它们检测到的力、以及输出的相对大小。例如，施加在所述顶部表面上的很强的力，与较弱的力相比，会使相对较大量的传感器被激活并产生输出信号，所述较弱的力的影响会被软质弹性材料更窄地传输至下面的传感器，从而触发更少量的传感器。沿这些线路的最简单的算法使得用户可以获得比他直接触摸所述传感器阵列时可获得的更为准确的特定触摸位置。 如果，例如，在一维传感器阵列上，处于一条线上的A、B、C位置的三个传感器分别给出读数 100,800和500，用户可以相对于传感器间的间距对力的量进行权重，以重新获得最顶部的表面上的输入的确切位置。力读数的总量为1400，根据应用进行适当的映射或限制，由式 (A*A力+ B祁力+ C*C力)/(总力)得出所述位置，其中A力、B力和C力为位置A、B和 C处的传感器的读数。如果A、B和C间隔地位于一条线上的点10、20和30处，则输入力的位置约为22. 86。换句话说，这些算法的种类可利用少量的传感器来给出非常准确的读数， 特别是当用户允许大量的力扩散时。更复杂的算法可以计算用户二维阵列的类似数据，并且，借助足够高的分辨率，还可以进行与手(例如，可能与表面相互作用的手)的不同形状和手势有关的计算。这对于不平坦的最顶部表面而言尤为重要，因为所述算法必须转换来自不同角度上的表面的数据，并能够区分不同种类的触摸。特定应用和情况需要的特定算法对本领域技术人员而言是显而易见的。当设置随着时间的推移和多重输入而变化时，情况变得越来越复杂。在前面的例子中，如果A继续读数为100，B为800，但C上升到600，这可表示压力上升、且向着C轻微移动，但是如果与此同时传感器D和E的读数也上升，例如分别为800和100，则必须对所述算法进行编程，以确认由于两个最高力位置B和D被C隔开 (代表以传感器B和D为中心的两个输入)，C必然对B和D都做出了贡献，那么它要么平均贡献，要么一方面保持其原有的水平作为C的贡献，而只将增加的100贡献给大致以D为中心的输入。这还表明，当密集地施加多个输入时，准确性受到限制。与此同时，可以在这方面创造手势识别。例如，如果A和E是两个输入的初始中心点，则B和D变成代表捏的手势的中心点，而所述算法可以是记录它们的程序。虽然可按上面讨论的方式感知到各个独立的力，但传感器的签名随时间的变化也会导致处理器内的算法产生特定影响，这将在下文讨论。所述处理器处理来自传感器的信号，并将它们转换为处理器输出，该处理器输出可以是电信号或光信号，且所述处理器输出可用于产生想要的效果，例如声音、屏幕上的响应、存储器中的一条数据记录，等等。当然， 所述处理器输出可以由所述处理器的不同区域接收，例如处理器存储区内的数据记录。另外，各种各样的其它输出和效果也是可能的。顶部表面的三维性质不仅为用户提供触觉反馈，而且不同部分还向下置的传感器提供了不同的压力签名。因此感知到的力可能取决于用户按在输入表面上的哪个地方，例如按在(a)三维输入表面的凸起区域的峰上，(b)相同表面的凹处或者(c)所述峰的肩部或侧面上，常常会产生不同的传感器输出签名。这为产品设计者提供了更多的选择来在检测到的特定传感器签名的基础上产生不同的输出(以及不同的效果)。一个给定的接口需要针对所述表面的性质、材料的厚度和硬度、力传感器的尺寸和灵敏度、以及将处理器输入转换为处理器输出的算法的性质，进行仔细的设计和校正。所述接口的输入表面可以是软质弹性层的暴露表面。但是，所述软质弹性层的传力特性可以通过以下方式予以修改将一个或多个主体置于输入表面上、或者嵌入软质弹性材料中。这些主体可以比所述软质弹性材料更硬或者更软，例如软质弹性材料中的空气或者凝胶袋。它们也可以是类似材料的不同层，具有不同的形状、尺寸和结构，以及不同的弹性水平。所述更软或更硬的主体将不仅会改变传感器输出前面，而且还会改变用户感知到的触觉反馈。还可将反应设备或执行器嵌入所述软质弹性材料中，所述反应设备或执行器将会基于来自传感器或来自处理器的输出信号向用户发送积极的触觉反馈。这种设备的一个例子是当传感器产生预定特征的信号时，该设备会给出听觉和/或触觉反应。例如，如果一个或多个传感器记录的力超出了一阈值，将会产生这样的一种反馈。当正电荷通过时会膨胀的硅树脂执行器是已知的，并且可以随三维弹性层排列，以产生这些触觉反馈效应。在一个实施例中，所述传感器为二维传感器阵列，且选择性地安装在硬质刚性表面上。如上所述，当施力于输入表面上的某一区域时，该力通过软质弹性材料被传输至传感器阵列，而将要“感受”到所述压力的阵列区域一般会大于用户在输入表面上的施力区域。力的蔓延程度将取决于几个因素，包括所述弹性材料的软度和硬度、其厚度以及被按压的是所述表面的哪一部分。如上所述，所述力的蔓延程度还取决于是否有其它主体被加入到所述软质弹性材料中。所述软质弹性材料的最小厚度可以是约0. 3cm，例如，至少0. 5cm，通常为至少 Icm ；最大可为8cm或更厚，例如高达50cm。研究发现，在大多数用手指压力向所述接口提供输入的应用中表现良好的(厚度)值为2至km。此外，增加软质弹性材料层的厚度增大了所述接口的体积，这本身是个不利之处。另一方面，厚度小于0. 3cm不会使施加到输入表面的力产生足够的分散，从而施加至传感器的力将会与施加到输入表面上的力非常相似。这减少了可被传输的压力签名的范围，压力签名范围的减少又反过来减少了可与那些不同的签名相联系的效果的范围。如上文所述，弹性材料的软度会影响所述力从输入表面向接口的分散，且研究发现，邵氏硬度为00-0001至10，例如00-005至00-1，如00-01至00-1的非常软的材料在用手指压力为接口提供输入的大多数应用中提供了令人满意的结果。采用精确的邵氏硬度很重要，因为如果材料太硬，会产生太大的阻力和延迟，并降低传感器的灵敏度，而如果材料太软，则会变得太无定形，不能提供足够的触觉反馈。所述传感器可以是任何可对用户操作输入表面的行为作出反应的传感器，该传感器可以是压敏式传感器，当传感器为压敏式时，它们可以是压电晶体、应变传感器(举例)， 或者可以是由量子隧道复合材料制成的传感器，或者可以是力敏电阻。各个传感器和这些类型传感器的阵列在市场上有广泛销售；例如，所述量子隧道复合材料传感器产自 Peratech Limited 公司(地址01d Repeater Station, 851 Gatherley Road, Brompton on Swale, Richmond, North Yorkshire DLlO 7JH, United Kingdom)；所述力敏电阻产自 hterlink Electronics, Inc.公司(地址546 Flynn Road, Camarillo, CA 93012， USA)。本发明发现了特殊应用的一种类型的产品是电子乐器，部分因为它们产生各种各样的不同音符，还因为声波具有大量的可能变化，这些变化产生可识别的不同声音，并且， 需要能够产生大量不同信号的接口来引起所述变化。最重要的可识别出不同的声音与节奏、音高和音量的变化相关联。节奏的变化需要离散输入的能力，而细微的音高变化则需要连续输入。音高特别重要——节奏变化可以由及时的离散输入来提供，即提供能被及时区分的输入，而对于音高，人们需能够输入离散的不同音高，例如演奏音高中的音阶，以及产生细微的音高变化。与此同时，每一个音符发出特定的音量，音量上的微小变化会产生用于音乐的情感品质中的重要差异的基础。问题在于，当同时需要离散和连续的音高和音量变化时，二维输入表面不能提供这种变化，人们不得不在输入离散音高(这使得连续输入变得不可能)或连续输入(这使得离散或多或少变得不可能)之间进行选择。由于本发明的接口实现了既用于离散输入(例如用来产生音阶的音符的输入)又用于连续输入(例如滑音和幻灯片效果)的无缝过渡，因此非常适合用于谐波、动态和节奏变化的复杂性。所述接口可以为音乐键盘形式或其它通过触摸演奏的乐器。它可以采用现有乐器的现有结构并复制它们，即基本的按键分布、弦、或按钮和它们的空间间隔与原乐器相同或相似，同时还将其实施为连续的3D表面，从而使得音乐家能将他们的技巧直接转移到新乐器。没有能够给出3D形式(该3D形式被模制为任何形状)的顶层表面和那些力向传感阵列上的分散的话，不可能为用户提供在新的、信息更丰富的接口的服务中利用现有肌肉记忆的能力。在一个实施例中，所述三维输入表面可具有波浪形形式，其中，当受到按压时，波峰产生与标准音乐键盘的音符相对应的音符。这样，本发明可在其操作中模仿传统键盘。 但是，本发明的产品具有更大的变异性。例如，通过按压一个波峰并振动手指，所述传感器可产生振动签名，处理器将会将所述振动签名解释为振动音。此外，所述表面的形状意味着演奏者还可以在波谷(即波峰之间的区域)处演奏，以产生任何半步或整步之间的微音程音高。由于输入表面可以是连续的，因此可以在键盘上产生流畅的滑音效果。这些特定的效果也可通过软件算法进行控制，该软件算法可以使用户能在其中演奏12个音阶的时间间隔更宽，以避免音高弯曲，或者使所述时间间隔更窄，以实现更大的音高弯曲程度。另一种可能性是提供另一段输入表面，该段输入表面按照与上述三维输入表面相同的方式操作，只除了一点它是二维的；所述另一段输入表面设置在所述三维输入表面的上方或下方，使得用户可以容易地从一个转移到另一个，或者同时操作这两个输入表面。 可以进行编程，以使操作者能够更平滑的滑音效果(滑音滑块)。“手掌效果滑块”(palm effects slider)也是可能的，所述手掌效果滑块让用户以类似于某些手鼓(如tabla鼓) 的方式产生其它声音，或用她的手掌控制声音的音色的可编程方面。接口的段与段之间的波浪状或褶皱状变化，以及那些平坦的、允许长途滑动的段，是使离散和连续输入同一接口的能力最大化的重要组成部分。这允许二者之间的无缝过渡。其它效果也是可能的。例如，可以抓住或挤压所述三维键盘的波峰，以使传感器输出特定签名。如果以某些方式操纵被抓住的波峰，如向前推、向侧面推、向上推或向下推时， 尤其会出现这种情况。处理器可对得到的签名进行解释，以产生预设反应，例如从基于一个乐器，如钢琴，的音乐输出切换为另一乐器形式，如风琴，或者甚至在同一乐器的两个样本 (例如小提琴的连奏样本和断续样本)之间跳跃。所述接口可包括识别与不同种类音乐样本相对应的特定输入手势，其识别方式与现有键盘根据它们受到更硬或更软的击打而采用不同样本的方式相同。但在这种情形下， 更广泛的手势组会使所述接口产生各种各样乐器和效果的大量模拟。本发明的原理不仅可应用于音乐键盘，还可用于通过触摸来演奏的任何其它乐器的模拟，例如吉他或小提琴。为了模拟小提琴或吉他，可以提供与乐器的四根或六根弦相对应的四个或六个峰，这些峰将会响应压弯、拨动或弹拨动作来产生给定的声音。类似地，用户通过触摸乐器不同部分(例如，与标准弦乐器上的指板相对应)处的相同峰来选择不同的首符。若制造所述接口的材料具有可选择的性质，则其它效果也是可能的。例如，如果所述接口制造为吉他形状，则可将其颈部造成柔性的，以产生例如颤音。可将所述接口以多种方式编程。一种方式包括每次一个键被按下时，发送一 MIDI信号，并用初始压力作为所述音符的速度水平，并用音高弯曲功能来控制确切的音高。 如果接下来所述信号改变了，则MIDI音符可以保留，而音量和音高可被连续地调节。这实际上更像是“触摸后”的音量和音高。另一种接口编程方式包括随着每一压力读数，发送一个新的MIDI音符，并简单地改变每个音符的音高水平和音量以及速度。这种方法会产生更直观的声音，但会给声音以纹理感。可以通过以一频率发送MIDI音符来纠正或计算这种纹理，所述频率接近演奏者试图复制的声音的自然波形。所述接口可随多种协议运行，不限于MIDI或这两种方案。当然，本发明也可用于创建具有全新形式因素的乐器，不仅仅用于以新材料复制现有乐器的标准形式。新的形式允许用于新的功能和整合功能的新方式。本发明不限于与乐器相应的接口，还可应用于许多其它类型的接口，例如计算机键盘，以输出字母数字字符或单词或数字处理功能。本发明还可包括位于类似于鼠标的点击设备内的接口。这可由，例如，一个峰来提供，所述峰可被抓住和被推向侧面、前面或后面，以控制屏幕上的指针。本发明的接口可用于需要技能水平的其它产品，因为它们可以提供只有通过一定量的练习才能达到的高层次的功能。不过，它们对于老人、或者残疾人士非常有用，因为，利用软件，这些产品可以根据不同用户的能力来响应各个手势。它们的触觉质量使得它们非常适合具有视力障碍或具有更有限的运动控制的人。本发明的一个重要方面是其可作为用于可编程手势的接口使用。换句话说，用户可以激活处理器上的设置、记录一个手势，然后以特殊、独特的方式触摸所述接口，再指示所述处理器当手势是在输入表面上进行的时，处理器将激活一个给定的命令。这将使个人和软件编程者具有多种选择来演奏，并且可以在软件中特制给定的接口，以准确地满足给定用户的需求。如上文所述，这在残疾人和更广阔市场上可能有特定应用。术语“手势”(gesture)表示用用户的手指或手来触摸或按压所述输入表面的模式，包括在输入表面上移动手指或手的模式。因此手势可包括用手指以特定方式捏、挤、推或拉所述输入表面的局部。所述处理器可被编程，以通过执行特定命令来响应特定手势。 因此当进行与处理器内存储的手势类似的任何手势时，处理器会以特定方式响应。用户可将手势“编程”到处理器中。用户可以在本质上将给定力签名“记录”为特定的“手势”，然后这可代表一种特定的命令。接着打开所述接口，用户不是通过基本程序的技术重新编码、 而是通过简单地将一组手势保存到处理器内存中来进行修改，这可将接口的功能调整为适合用户的特定需求和习惯。如果，例如，一个上下肢截肢者想要像使用鼠标一样使用这类接口，则顶部表面上的一种输入可控制屏幕上箭头的移动，而顶部表面上的另一种“手势”可被容易地编程，以记录点击。顶层表面的三维品质也可被模制为适合确切的不规则形状和尺寸。在假肢领域， 例如，现在有允许高度铰接式运动的机械臂，所述高度铰接式运动包括以不同水平的力进行抓握，以及做出不同的手势。目前这些假肢通常由电极控制。这些发送来自剩余肌肉组织的终点的表面肌动描记电信号。这些方案常常包括直观动作序列，且对于用户而言从未完全地自然和直观。在本发明的情形中，可将软质材料铸造形成剩余的手臂残端的确切形状。精确拟合对于使用的舒适性和易用性而言是至关重要的，其它不包括复杂三维输入表面的压力感应方案不适合这些种类的应用。如上所述，三维成形输入表面和传感器之间的内部膜可由各种不同的材料制成， 并可包括各种不同的形状和硬度，以获得想要的各种不同的效果。用这种内部膜来更精确地分配压力位置是已知的。这种技术在本发明的方式中可被放大和发展，不过在本发明中是为了检测三维输入表面上确切位置的小变化，以及为了将变化传送至位于二维或三维基底表面上的传感器。这可以是一种内部棚架结构，该结构也可以实现或抑制特定种类的运动以及对所述表面的输入。由于在有些应用中所述三维内部柔性层相当厚，因此存在这种情形人们想要限制特定方向的运动或者增强软质材料。在这些情形下，人们可以将棚架或内部支架创建为网状。网的确切形式可以根据想要的强度、运动限制、以及感知效果来改变。利用软质材料中的内部网是一种已知技术，但在本发明中所述网还可用于增强对三维形状的软质接口的运动的限制，并将三维输入表面上的力导向所述传感器阵列。所述棚架能够确定特定位置的压力灵敏度，并将确定的压力灵敏度直接传输给传感器阵列，从而给出三维输入表面上的微小变化的非常精确的读数。这样的棚架系统在有些例子中还可以用电阻材料如墨水式量子隧道复合材料铸造而成，所述复合材料反过来可使不需要下置式刚性传感器阵列的本发明实施例成为可能。所述内部棚架可用快速成型技术制成，所述快速成型技术能够实现高度精确的定制方案，以满足个性化需求。在假肢控制系统中，例如，可利用内部棚架将来自特定肌肉终点的压力输出集中于特定传感器上。这使得用户能够进行与失去的手的运动有关的直觉手势，例如，然后可对所述程序进行调节，以识别那些手势，并将正确的数据类型发送给机械臂。本发明的接口借助触摸屏和触摸板的连续输入控制，提供键盘和小键盘的响应触觉反馈。接着将局部压力灵敏度、尤其是三维形式添加到输入表面上，以允许用于理想输入范围，本发明还加入了内部棚架系统，这是将力灵敏度确定为恰好需要的灵敏度所必需的。 将这些接口类别归为一种新的种类的可能性是巨大的。
下面将通过实施例、参考附图来详细地描述本发明，其中
图1为一种可能形式的横截面图，所述形式为通用接口的各部件按照本发明可能采取的方式，与具有三维形状的输入表面、具有三维形状的柔性内层和二维的传感器阵列集成为一体。图2为对图1中的形式做出改变后的横截面图，其中突出的事实是，在有些情形下，所述传感器也可排布为三维形状的阵列(或者多个二维表面合并成一三维阵列)。图3为提供了另一种变化的另一横截面图，该图展示了所述输入表面可以是完全封闭的三维形状，且所述传感器可排布在多表面三维物体上。图4为展示本发明的一个实例的横截面图，图中，所述输入表面为凹陷区域，且被柔性的力扩散层和周围确实存在的三维压力感应阵列所包围。图5为一横截面图，该图展示了所述传感器也可排布在复杂的三维形状上，以在此提供另一运动自由度，即创建同时响应推力和拉力的力传感器。图6为一横截面图，该图展示了与图5中相同的布置，但添加了一内部棚架，该内部棚架铸造在弹性层内部，其目的一是增加力从特定点到多个传感器的分布、以给出更为精确和详细的读数，二是形成用于多方向操作的更为牢固的框架。图7为本发明的整个系统的一种可能迭代的示意性分解图。图8为根据本发明的音乐键盘的输入表面的一种可能结构的视图。图9为图8所示表面的局部的特写视图。图10为展示本发明的一般操作步骤的流程图，图中以图8中的键盘为例子。图11展示了键盘状触觉接口，该接口可用于输入字母数字字符和/或将这些字符拼成单词或者对它们进行数字处理，以及控制光标跟踪，不过该接口也可驱动其它计算机相关功能。
具体实施例方式图1为根据本发明可能采取的通用接口的各部件的一种可能形式的横截面图。它包括用户与三维成形输入表面2之间的图示接触点1。三维成形输入表面2与二维排布的传感器阵列4之间为三维成形的内部柔性层3，该内部柔性层3与输入表面2和传感器阵列 4的轮廓相匹配。所述传感器阵列位于硬质背衬表面5上。图中还展示了来自接触点1和传感器阵列4的力扩散线6。从图2中可以看出，传感器阵列4可位于多个二维表面上，合并形成三维阵列。硬质背衬表面5也可成形为与传感器阵列的形式相匹配的形状，结果使得弹性层3具有更复杂的三维特征。可以根据特定的应用，对三维输入表面2与三维传感器阵列4之间的空间关系进行优化，以使不同种类的力签名和用户手势的范围和精确度最佳化。图3为另一横截面图，该图展示了本发明的各部件的另一种可能的布置。在该图中，三维成形表面2完全包围着其它部件，包括三维成形的柔性内层3和三维传感器阵列4， 以及硬质背衬表面5。这种布置使得用户可以进行一定范围的不同形式的操作，包括在三维成形输入表面2上进行挤压和拉伸输入，还包括将整个接口按在外部硬质表面如桌子上。 三维成形表面2当然可以具有连续的形状，或者为几个相连接的表面，并可具有其它的纹理细节，如山脊、突起、凹陷、升高区域和特定应用的设计或功能所需的任何其它复杂形状。图4展示了本发明的接口的一种形式的横截面图，其中，三维成形输入表面2相对于其它图中为倒置结构，从而使得所述三维成形输入表面2位于三维成形柔性“内”层3的里面，而三维成形柔性内层3反过来又位于三维传感器阵列4和三维排列的硬质背衬表面5 的里面。这种布置可增加用户与三维成形输入表面2之间的接触点的表面积，允许用于更微弱运动的记录。在这种布置中，有时需要用比其它布置中更软、更像凝胶的材料来制造所述三维成形柔性内层3，因为该布置中供材料弯曲和压缩的范围更小。从图5中可以看出，也可将三维传感器阵列4建构为倒置的三维形状。这带来了一个重要的好处，就是可以用本发明来制造六个自由度的压力传感设备。用户可在三维成形输入表面2上向上拉，力通过三维成形柔性内层3转移到三维传感器阵列4的传感器上， 所述传感器阵列背靠着复杂形状的硬质背衬表面5排列。图6中的横截面图展示了与图5中的布置类似的布置，只是添加了内部棚架系统 7。所述内部棚架可以铸造在三维成形柔性内层3的内部，并可增加力从特定点到多个传感器的分布，以给出更精确和详细的读数，所述内部棚架还可以使用于多方向操作的框架更牢固。可以确保拉力(例如)被适当地转移到三维传感器阵列4的合适倒置传感器上，且当推挤所述材料不会减少拉力情形下的精度时，可以确保将要发生作用的力的扩散品质。所述内部棚架系统必须具有一定程度的柔性，以在这种布置中发挥作用，但该系统还必须必三维成形的柔性内层3更硬。尼龙或邵氏硬度更高的硅树脂是两种已发现能够在这些布置中工作良好的材料。在某些实例中，可将力传感器和其它电阻材料设置在该棚架上、或者封装到该棚架中，尤其是当人们想要更更完全柔性、信息丰富的压敏接口时。图7是根据本发明的通用接口的各部件的示意性分解图。其包括软质弹性材料 (硅橡胶)制成的三维成形柔性层13，该柔性层13具有三维成形输入表面12。主体具有平面底面19，该底面19搁在传感器阵列14上，该传感器阵列14被支撑在刚性表面15上。传感器阵列14中的每个传感器均为压敏传感器，并可以根据施加于其上的压力产生输出。来自各个传感器的输出通过导线传输至微处理器16。该微处理器16包括响应来自传感器阵列14的信号的某些组合的算法，产生驱动一部件的输出，所述部件在本例中为扬声器17。 在许多特定布置中，小型微处理器(其可以是，例如，Arduino处理器)首先将来自力传感器的数据解释为可被更高级的处理器如计算机读取为输入的形式。接着所述计算机可运行代码，将特定传感器上的特定力的基本数值数据转换为有意义的输出。这种转换可以通过各种各样的软件方案来完成，该转换再次取决于应用的性质和想要的输出。例如，数据可被解释为用基于Java的语言如!Processing语言、或者基于C++的语言如Open Frameworks语言，等等，表达的特定输出。图8展示了三维成形输入表面12的一小部分的放大示意图。从图中可以看出，按压软质弹性主体13的波状表面12的峰11，通过所述主体将力传输至平面19，该平面19像图7中那样，与力传感器阵列相接触。所述力扩散，如箭头所示，从而“感觉”到施加在三维成形输入表面12上的所述力的平面区域大于顶面上的受压区域。微处理器16 (图7)检测阵列中的哪些传感器在提供信号，而软件算法可以解释每个传感器上的有关力，以重现所述输入的确切位置。重现了输入数据之后，所述软件接着创建一组软件“对象”，这些对象可对一组同步输入进行持续追踪，并可将每个继续输入与来自前面的程序循环的输入进行比较。根据应用的性质和想要达到的多个输入之间的离散或连续水平，可将算法设置为测量这样的连续性水平，该连续性水平是程序将给定输入解释为与来自前面循环的输入连续或构成新的输入所必需的连续性水平。这些比较标记优选为置入所述输入解释软件对象中。 例如，最初解释来自传感器阵列的数据的软件对象常常会需要同时追踪若干个变量，包括 重现的输入位置，来自软件的前一循环的重现的输入位置，目前输入位置处的压力，前一输入位置处的压力，相对于其它同步输入、所述程序记录这一输入所用的数字顺序，以及，在某些想要的效果的例子中输入的“宽度”——即为特定输入位置的读数做出贡献的传感器的数量。显然，必须将对象按这种方式编码在该方式中，可同时进行一组解释。每次循环运行时，所述程序可以比较每个当前输入簇和前一输入簇。然后在该水平上对所述数据进行评估后，输入数据对象会触发特定的控制效果，这些效果可以是听觉、视觉、或者基于运动或别的东西的效果。例如，在图9的实施例中，可以引导所述输入数据对象来发送MIDI 音符开或关，然后产生与音符相对应的、传输给扬声器17的信号。循环与循环之间的数据变化，例如，或者可用于发送新的音符，或者用于保持现有的音符，增加其音量，或弯曲其音高，这取决于想要实现的声音和代码中包含的比较陈述。简而言之，所述程序可被写成这样的形式，使得音符的音高和音质取决于波状表面12上被用户按下的位置。可以根据传感器阵列14感知到的压力大小来设定所产生的音符的音量。如果要针对其它应用目的而对这些技术进行变动，控制接口的熟练编程人员将会非常清楚。键盘中使用的材料如下
所述主体由硅橡胶制成，特别是在Notcutt Ltd公司(Homewood Farm, Newark Lane, Ripley, Surrey GU23 6DJ)生产的Silskin 10中添加“deadener”有机硅添加剂(也是由 Notcutt Ltd公司生产的)以制得邵氏硬度为00-1的材料。·所述传感器阵列4由hterlink Electronics公司生产的FSR Strip传感器构成。·处理器16为Tinker公司生产的Arduino微处理器。图12中的流程图展示了上述接口的操作(步骤1至4A)序列。在一个实施例中，所述峰对应于标准键盘上的音符。不过，也可以按压峰与峰之间的波谷，用不同的传感器组合来检测所述波谷，以产生不同的音高，例如微音程效果，或其它效果，这取决于解释所述数据的算法软件的性质。能够产生的其它效果在上文中已有讨论，在此不再重复。图9展示了根据本发明的键盘，图中不仅显示了白音符(峰沈)，也显示了黑音符 (峰25)。此外，键盘的上方和下方设有触摸敏感表面21、22和23 (或“滑块”)，这些表面在用户沿其滑动手指、拇指或手掌时，可提供滑音效果。21为滑音滑块，22为另一较低的滑音滑块，23为手掌效果滑块。在键25 J6与滑音滑块21交界处设有锯齿状凹痕24，以提供用于在键盘(键25、26)的主要区域和滑块21之间平稳移动手指的平稳过渡表面。可根据想要达到的精确效果和过渡，用其它方式创建所述滑块的特定表面。图10展示了图9中键盘的一部分，特别展示了白音符和黑音符之间的峰27与谷 28。现在回到图9，从该图中可以看出，可用手指使所述峰振动，以产生颤音效果，或者可以抓握或挤压所述峰，以产生用标准键盘不能实现的声音。材料的柔软性也意味着，一旦所述表面被压下，则用户可以移动其手指并使手指滑过所述材料，或者可以利用所述内层的柔性、以一种或另一种方式来推挤所述材料，从而在下置的传感器阵列上给出不同的读数。实现这种技术非常重要，因为它意味着可以同时使用颤音和震音效果。图11展示了计算机键盘的等同物，其分成两部分，每个部分适用于一只手。该两个键盘部件的顶面上载有与字母数字键和功能键相对应的凸起区域20 ；该凸起区域可被用户感觉到，并从而提供触觉反馈。所述键盘具有与图9所示的类似的结构，因此，当键被按下时，力通过软质弹性材料传输至传感器阵列(未图示)。从被顶面上的向下压力所触发的传感器组合处，可以知道哪个键已被按下，以及该检测是在微处理器中进行的，该微处理器产生一输出信号，致使与被按下的键相对应的字母数字字符显示在屏幕上，并使相应的字符存储到存储器中。图11所示键盘的两个部件对应于用户左手和右手的形状。区域34对应于用户放置手掌的地方。用户可通过在部分34处施加压力来移动屏幕上的指针(光标);所述压力由传感器阵列来检测，且所述光标根据用户在区域34中所施的力的方向移动，所述力的方向通过传感器信号的签名来检测。由于用来制造所述键盘的材料是软的，因此对应于用户在区域34上所施加的压力的不同方向的不同签名可以由传感器容易地检测到，即使手掌没有移动越过区域34的表面。因此，手掌可以控制指引屏幕上的光标的鼠标功能。还可以提供这样的峰，例如峰32，该峰可被挤在用户的拇指和食指之间，以在屏幕上执行一些功能，如拾取显示在屏幕上的对象并将其拖动到不同的位置。除了通过按压按钮之外，还可以通过执行与各个键有关的特定手势来提供控制、 移位和命令功能。这些稍微详细的实施例表明了落入本发明范围之内的应用范围。接口设计领域的技术人员可以理解本发明能够达到的应用广度。举个例子，虽然已结合直接触摸所述三维输入表面的用户来描述过本发明，但还可以用类似的接口来构思某些应用于机械装置中的应用，例如用于机器人中，其中，三维力敏式输入设备可用于创建更灵敏的移动接头，该接头可以感知有关重量分布，并可形成为适合机械零件的形状。在这些应用中，图6所示的棚架系统提供了尤其有用的工具，因为它可实现某些方向的移动或灵敏度，并限制其它方向的移动，同时保持轻质和耐用性。因此，应用到机器人中的应用范围落入了本发明的保护范围之内。
权利要求
1.用于向处理器输入数据的接口，该接口具有输入表面，并包括响应施加到所述输入表面上的力的传感器或传感器阵列，用于向处理器提供输入，该输入包含了与施加到输入表面上的力的大小和所述力在输入表面上的施加位置有关的数据，覆盖在所述传感器上的软质弹性材料层，该软质弹性材料层能够将施加在输入表面上的力传输至所述传感器，其中，所述接口的所述输入表面具有由至少一个相对凸起区域和至少一个相对凹陷区域构成的三维形状。
2.根据权利要求1所述的接口，其特征在于所述软质弹性材料层使得施加在所述输入表面的一个区域的力扩散到所述传感器阵列的一个更广阔区域，从而导致所述传感器阵列中的多个传感器记录所述力。
3.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于具有三维形状的所述输入表面在所有侧面包围住所述传感器阵列。
4.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于具有三维形状的所述输入表面是凸的或凹的或由一系列的凹元件或凸元件构成，所述一系列的凹元件或凸元件一起形成三维形状。
5.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于具有三维形状的所述输入表面是倒置的，且柔性层和传感器阵列位于外侧。
6.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于具有三维形状的所述输入表面由一系列相连的二维表面构成，所述一系列相连的二维表面一起形成三维形状。
7.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于具有三维形状的所述输入表面具有由平滑的连续三维表面构成的形状。
8.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于三维的所述输入表面具有由多个相对凸起区域和多个相对凹陷区域构成的形状。
9.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于所述至少一个相对凸起区域位于所述至少一个相对凹陷区域的上方，二者之间的距离为至少1mm，例如至少3mm，如至少 8mm 。
10.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于所述软质弹性层的厚度和各传感器之间的间距的设置使得，施加到输入表面上的任意一点的力将被至少一个传感器， 选择性地，至少两个传感器，检测到。
11.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于所述软质弹性层的最小厚度为至少0. 3cm，例如至少0. 5cm，例如至少1cm。
12.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于所述软质弹性层具有的邵氏硬度为00-001至10，例如00-005至1，例如00-01至00-1。
13.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于具有三维形状的软质弹性材料层包括嵌入在其中的一个或多个更硬或更软的主体。
14.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于具有三维形状的软质弹性材料层包括嵌入在其中的一个或多个更硬或更软的、具有网结构的主体，所述主体能够限制柔性层在特定方向和以特定方式进行的运动。
15.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于具有三维形状的软质弹性材料层包括一个或多个更硬或更软的、具有网结构的主体，所述网结构能将压力从具有三维形状的输入表面上的特定点引导到所述传感器阵列中的特定传感器组。
16.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于所述接口的输入表面为软质弹性层表面。
17.根据权利要求1至6中任一项所述的接口，其特征在于所述输入表面由比所述软质弹性材料更硬或更软的材料、例如弹性材料、构成。
18.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于设有传感器阵列，阵列中的每个传感器均响应施加到所述输入表面上并由该传感器感知到的力、向处理器提供输入，其中，所述传感器阵列向所述处理器提供数据，所述处理器能够借助所述传感器阵列中提供非零输出的传感器、确定所述力在所述输入表面上的施加位置。
19.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于三维的所述输入表面具有由多个相对凸起区域和多个相对凹陷区域构成的形状。
20.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于所述接口为乐器形状，例如键盘或通过触摸来演奏的任何其它乐器，如吉他。
21.根据前面任一项权利要求所述的接口，其特征在于所述传感器为压敏传感器，并由例如量子隧道复合材料构成，或者所述传感器为力敏传感器、压电晶体传感器、应变传感器或光力传感器。
22.根据前面任一项权利要求所述的接口与处理器的组合，所述处理器用于根据一个或多个算法来处理来自传感器的信号，例如，以提供输出，例如驱动扬声器发出声音的信号，或者表示字母数字字符或单词或数字处理功能的信号，或者提供真实空间或虚拟环境中的物体的远程移动或远程控制的信号，例如，车辆移动，或者移动远程机器人装置或器械如手术器械的信号。
23.根据权利要求13所述的接口，其特征在于所述处理器能被用户编程，以产生响应施加到输入表面上的多个力的特定组合、或者响应施加到输入表面上的力的特定变化的特定处理器输出信号。
24.通过操作接口而使处理器产生处理器信号的方法，所述接口如权利要求1至14 中任一项所述，所述方法包括将一个力或多个力的组合施加至输入表面上的选定区域，从而使所述接口中的一个或多个传感器产生输向所述处理器的输出，所述输出中包含与施加到输入表面上的一个或多个力的大小以及所述力在输入表面上的施加位置有关的数据，其中，所述处理器响应来自传感器或传感器阵列的信号、根据存储在该处理器中的算法产生响应信号。
全文摘要
本发明提供了一种用于将数据输入到处理器中的接口，该接口具有三维形状的输入表面(2)，并包括传感器阵列，该传感器阵列响应施加在输入表面上的力，并将输入提供至处理器，该处理器能够记录施加在传感器阵列上的所述力的大小，并解释输入表面上的压力的位置；三维形状的软弹性材料层(3)，该材料层设置在所述三维形状的输入表面(2)和所述传感器阵列(4)之间，并能够将施加在所述三维形状的输入表面(2)上的力传递给所述传感器。
文档编号G06F3/041GK102549531SQ201080038733
公开日2012年7月4日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者罗兰·奥利弗·兰姆 申请人:兰帕达有限公司