专利名称：使用分布式流体喷射的触觉显示器的制作方法
使用分布式流体喷射的触觉显示器
背景技术：
用于电信和计算机化设备的用户接口在传统上已被集中在人类感官的视觉和听觉功能上。许多电视机、计算机和游戏站具有高分辨率视觉显示器和用于立体声或多声道音频输出的能力。然而，其他人类感官在很大程度上被忽视并且未被用在用户接口中。特别地，作为人们如何体验世界的关键部分的触觉通常在用户接口设计中被忽略。在以相对粗糙的方式把“触觉”添加到用户接口方面已存在一些有限的努力。例如，为了增强计算机游戏的真实感，一些游戏控制器结合了具有旋转不平衡负荷的电动机，该电动机摇晃游戏者的手以指示碰撞或爆炸。此外，已经显示出，由于由超声振动引起的空气的夹杂，玻璃板的超声振动能够改变手指和玻璃表面之间的摩擦。已尝试使用这种摩擦改变的临时变化来模拟通过触摸感受物体的纹理的感觉。
作为实例，本发明的一些实施例相对于后面的图被描述
图I是根据本发明一个实施例的具有触觉显示器的显示系统的示意 图2是图I的触觉显示器的接触表面的一部分的示意性顶视 图3是触觉显示器的一个实施例的示意性剖视 图4是触觉显示器的另一实施例的示意性剖视 图5是触觉显示器的又一实施例的示意性剖视 图6是触觉显示器被用来把触觉反馈提供给用户的手指的一个实施例的示 图7是具有膜覆盖的接触表面的触觉显示器的一个实施例的示意性剖视图；以及 图8是具有作为其接触表面的扩散层的触觉显示器的一个实施例的示意性剖视图。
具体实施例方式图I示出用于向用户提供触觉反馈的根据本发明的显示系统100的一个实施例。如在此所使用，词“显示器”被宽泛地用来意指提供由用户感知的信息的输出设备，并且这种信息可以是视觉的、触觉的或听觉的。显示系统100具有触觉显示设备102，触觉显示设备102使用通过接触表面106的分布式流体喷射，以向触摸接触表面的用户的手110的手指提供触感。所用的流体可以是液体(例如水)或气体(例如空气)。为了提供操作所需的流体，系统包括流体源112，流体源112经由管116、软管、或其他合适的管道被连接到显示设备102。流体被压缩或加压，使得它能够在选择的压力下被喷射。加热器120和/或冷却器122可被用来加热或冷却流体，以调整由触觉显示器102喷射的流体的温度。系统还包括控制器126，控制器126被连接到显示设备102以用于控制显示设备的流体喷射操作。如图2中所示，可以使用形成在触觉显示器102的接触表面106中或形成在触觉显示器102的接触表面106下面的多个孔128来执行分布式流体喷射。在所示的实施例中，孔128被布置成垂直列和水平行。然而，可以使用不同的孔分布图案。在这方面，接触表面106可视为被分成多个像素132，其中每个像素被限定在孔128周围。如下面更详细所述，可以控制流体通过孔128的喷射以逐像素地变化，以在接触表面106上提供在空间上和在时间上变化的流体喷射图案。通过分布式孔128的流体喷射的空间分辨率允许用户的不同手指同时接收不同的触感。图3以剖视图示出触觉显示设备102的一个实施例。显示设备102包括孔层140,在孔层140中形成用于流体喷射的孔128。显示设备102中的通道142把加压流体引导至孔128。每个孔128具有关联的阀144，所述关联的阀144能够操作以关闭或打开孔以调制通过孔的流体流。通过孔的流体流的调制可以以能够由人类手指中的躯体感受器感知的频率和幅度来执行。期望的频率范围和幅度取决于打算由经调制的流体喷射刺激的感受器细胞的类型。例如，用于检测形状和纹理的人类手指中的Merkel细胞 具有大约O. 5 mm的空间分辨率、在5 Hz具有峰值灵敏度的0-100 Hz的感受频率范围、以及30 μ m的激活幅度的平均阈值。相比之下，用于运动检测和抓握控制的人类手指中的Meissner细胞具有3 mm的空间分辨率、在50 Hz具有峰值灵敏度的1-300 Hz的检测频率范围、以及6 μ m的平均阈值(其小于Merkel细胞的平均阈值)。其他类型的躯体感受器(例如Pacinian和Ruffini细胞)具有它们自己的相应空间分辨率、频率范围和激活阈值。在本发明的一些实施例中，选择流体喷射调制频率和流量以便于由Merkel和Meissner细胞进行检测。例如，阀的循环频率可被选择为从0-1000 Hz，并且可以控制流体压力和阀打开以提供足够的流体喷射量，使得用户的手指感受几微米至几十微米的振动幅度。孔128之间的间距取决于期望的触觉显示器102的空间分辨率。在一些实施例中，可以选择该间距以匹配Merkel或Meissner细胞的空间分辨率。例如，两个相邻孔之间的距离可以是O. 5 mm (其是Merkel细胞的分辨率)或者更小的距离(例如O. 3 mm),以实现更精细的分辨率。触觉显示器的高空间分辨率允许显示设备在接触表面上生成详细的触觉信息，以逼真地模拟实际物体的触摸和感受。用于控制通过孔的流体流的阀可以以各种方式来实施。例如，在图3中所示的实施例中，阀144包括活动膜片146。当膜片146被拉向孔板140时，它关闭孔128并防止流体经过。膜片阀144的移动可以借助于通过施加在膜片146和孔板140上的电极148之间的电压差而诱发的静电力。图4示出使用阀的不同实施的显示设备102的另一实施例。在这个实施例中，用于打开或关闭孔128的阀具有瓣阀152的形式。阀152的瓣可弯曲离开孔128以使孔打开，或者被拉向孔以关闭孔。瓣阀152的操作可以借助于通过施加于阀瓣和在孔板140处的电极148的电压差而引起的静电力。在一些实施例中，这种瓣阀能够工作于直至500 Hz的频率，这足以覆盖Merkel和Meissner细胞所敏感的频率范围。图5示出使用另一类型的阀的显示设备的又一实施例。在这个实施例中，阀160包括耦合到具有可变高度的致动器166的阀构件162。当致动器166处于延长的高度时，阀构件162被放置成与孔板140的底部接触并且密封孔128。当致动器166处于降低的高度时，阀构件162脱离孔板，从而使孔128打开。致动器166可以由电活性聚合物形成，所述电活性聚合物响应于施加于它的电压而改变它的尺寸。应该注意，图2-5的实施例仅是可使用的阀类型的实例，并且具有合适尺寸和循环能力的其他类型的阀也能够被用来实施该显示设备的流体喷射像素。
如上所述，通过分布式孔的加压流体的受控流把触觉反馈提供给触摸显示表面的用户的手。流体可以是空气或不同类型的流体(例如水)。在一些实施例中，喷射的流体直接接触用户的手指。在图6的所示的实施例中，所用的流体是空气。当阀160打开时，压缩空气经过孔128并由手指130感受。当控制阀160以选择的频率打开和关闭时，空气以脉动的方式离开孔。空气喷射流的脉动由手指130的躯体感受器来感受。另外，喷射的空气可以形成挤压在手指和接触表面106之间的空气膜。这个膜可以改变手指和接触表面之间的接触阻力或摩擦。因为每个孔128可以相对于其他孔独立地以它自己的频率和幅度生成空气喷射流，所以可以调制摩擦以逐像素地改变。取决于孔之间的间距，手指可以同时覆盖多个孔。所覆盖的孔(每个孔可以以不同的频率和流速提供脉动的空气喷射流)的输出的组合可以提供可被解释为纹理的触感。此夕卜，通过加热和/或冷却供应给触觉显示器的压缩空气，能够改变喷射的空气的温度。因此，由孔产生的空气喷射流不仅能够刺激触感以模拟物体的形状和表面纹理，而且能够指示物体的温度，因此增强触觉反馈的真实感。
图7示出用户的手指不直接触摸喷射的流体的另一实施例。在这个实施例中，触摸表面106是覆盖孔板140的柔性膜170的表面。当阀160处于它的打开位置时，加压流体穿过孔并引起在孔上方在膜170中形成隆起(bump)172。当阀160关闭时,或者当其他孔的阀打开时，在隆起172下的流体的压力释放并且隆起的尺寸减小。因此，覆盖孔的膜的部分将响应于阀160的操作而上下移动。膜的局部振动可以由手指130的躯体感受器感知。图8示出由孔喷射的流体流被扩散的另一实施例。在这个实施例中，接触表面106由多孔材料(例如烧结玻璃或多孔塑料)的层180形成。所用的流体可以是压缩空气。多孔层180覆盖形成在孔板140中的孔128。通过孔128喷射的空气喷射流由多孔层180扩散。由于扩散，喷射的空气更均匀地分布在孔之间的区域中，这可促进手指130和接触表面106之间的接触阻力或摩擦的调制以提供改进的剪切触感。另外，经调制的空气喷射流还在垂直于接触表面的方向上生成脉动以用于刺激手指的触感。多孔层180还防止孔128的直接暴露，使得污染物(例如灰尘)将不会通过孔进入空气系统。在前述描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的理解。然而，本领域技术人员将会理解，可以在没有这些细节的情况下实践本发明。尽管已相对于有限数量的实施例公开了本发明，但是本领域技术人员将从其认识到许多修改和变化。所附权利要求书意图覆盖如落在本发明的真实精神和范围内的这种修改和变化。
权利要求
1.一种用于提供触觉反馈的触觉显示器，包括 触摸表面层，其具有多个像素，每个像素具有用于喷射流体的孔以及用于打开和关闭所述孔的阀，所述阀能够操作以能够由人类手指的躯体感受器检测的频率来调制通过所述孔的流体喷射。
2.如权利要求I中所述的触觉显示器，其中，每个像素的阀包括活动膜片。
3.如权利要求I中所述的触觉显示器，其中，每个像素的阀是瓣阀。
4.如权利要求I中所述的触觉显示器，其中，每个像素的阀具有由电活性聚合物形成的致动器。
5.如权利要求I中所述的触觉显示器，其中，所述像素具有O.5 _或更小的尺寸。
6.如权利要求I中所述的触觉显示器，其中，所述触摸表面层包括覆盖像素的孔的柔性膜，所述膜响应于来自像素的孔的流体压力而形成隆起。
7.如权利要求I中所述的触觉显示器，其中，所述触摸表面层包括覆盖像素的孔的多孔材料层。
8.一种用于提供触觉反馈的显示系统，包括 触觉显示器，其具有触摸表面层，所述触摸表面层具有多个像素，每个像素具有用于喷射流体的孔以及用于打开和关闭所述孔的阀，所述阀能够操作以能够由人类手指的躯体感受器检测的频率来调制通过所述孔的流体喷射；以及 流体源，其被连接到所述触觉显示器以用于把流体提供给所述触觉显示器。
9.如权利要求8中所述的显示系统，其中，每个像素的阀包括活动膜片。
10.如权利要求8中所述的显示系统，其中，每个像素的阀是瓣阀。
11.如权利要求8中所述的显示系统，其中，每个像素的阀包括由电活性聚合物形成的致动器。
12.如权利要求8中所述的显示系统，还包括用于加热或冷却流体以改变由所述触觉显示器喷射的流体的温度的设备。
13.如权利要求8中所述的显示系统，其中，所述像素具有O.5 _或更小的尺寸。
14.如权利要求8中所述的显示系统，其中，所述触摸表面层包括覆盖像素的孔的柔性膜，所述膜响应于来自像素的孔的流体压力而形成隆起。
15.如权利要求8中所述的显示系统，其中，所述触摸表面层包括覆盖像素的孔的多孔材料层。
全文摘要
一种用于提供触觉反馈的触觉显示器具有由多个像素形成的触摸表面层。每个像素具有用于喷射流体的孔以及用于打开和关闭孔的阀。阀能够操作以为了由人类手指的躯体感受器进行检测而选择的频率来调制通过孔的流体喷射。
文档编号G06F3/01GK102812413SQ201080065981
公开日2012年12月5日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者W.杰克逊, P.梅 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业