专利名称：具有可变表情的玩偶和方法
技术领域：
涉及一种玩偶，特别是一种具有可变表情的玩偶。
背景技术：
电子信息技术的进步，让人机交互呈现出更加多样的途径。例如，玩偶在人类历史中已有很长时间的存在，从古代用于表演玩赏的木偶，到现代利用各种电子信息技术手段实现的智能玩偶，人机交互的方式发生了巨大的变化，但其共同的特征是这些玩偶具有模仿人或动物形体的外形，特别是模仿人或动物的五官特征，尤其是五官之一的眼睛和嘴部特征，且通常加以艺术化、卡通化的夸张手法来实现。现代的智能玩偶，例如国内的“皮皮熊”，国外的“菲比(furby)”玩偶等，可以接受使用者的语音、按键、触摸、电磁等输入，然后做出发声、发光、机械运动(眨眼或挥舞肢体)等来表达情绪。然而，这些智能玩偶却不善于表达表情，例如当前的“皮皮熊”系列智能玩偶虽然可以通过语音表达情绪，但其面部表情是不能变化的；菲比玩偶可通过机械运动来实现眨眼的动作，但机械运动会有噪声，且结构复杂，可靠性较低。例如中国专利申请CN200480009933. 1和美国专利申请US6758717B1 中描述了一种利用机械方法更换预先设定的眼睛图像的玩偶来达到可变眼睛的目的。这种方法结构较复杂，因而可靠性低。又如中国专利CN200710003446. X中公布的电子玩偶，采用电机驱动的方法实现嘴部的张合，同样存在结构复杂可靠性较低的问题，且不耐撞击。广义上来讲，智能玩偶包括一切使用了电子信息技术且以实现人机互动为目的装置，如机器人，电子宠物等。通常的智能玩偶虽然具有拟人的特征，包括模仿人类或宠物 (或一切动物)的外形、语音甚或动作，但受制于技术、成本，尚无法较好地实现可变的表情，这使得当前的智能玩偶的交互趣味大打折扣。
发明内容
本发明旨在克服上述玩偶的缺点，以可以接受的成本和更高的可靠性，提供一种具有可变表情的玩偶，提高玩偶的交互乐趣。为实现以上目的，本发明第一方面提供一种具有可变表情的玩偶，其包括壳体，具有模仿人或动物形体的外形；头部，是所述壳体的一部分，具有模仿人或动物头部形体的外形；至少一个表情组件，安装于壳体头部，包含可显示多种图案用以模仿人或动物表情的电子纸显示模组；至少一个表情组件，安装于壳体头部，包含可显示多种图案用以模仿人或动物表情的电子纸显示模组；驱动模组，与所述电子纸显示模组电连接，用于驱动电子纸显示模组显示图案。优选地，其中所述的电子纸显示模组是电泳显示模组。例如美国E INK公司、或 Sipix公司提供的电泳显示模组(屏)(Electrophoretic Display)。电子纸显示模组，特别是电泳显示模组具有一些众所周知的优点，例如其靠反射外界光进行显示带来的省电优势，以及双稳态特性带来的掉电后图像保持优势，轻薄的优势等；进一步的优化中，所述的电泳显示模组是柔性或非柔性的无源段式(segmented drive或称direct drive)电泳显示模组。有别于应用在电子书等高分辨率场合的有源矩阵电泳显示模组需要昂贵的TFT 驱动像素电极，无源段式电泳显示模组可利用PCB/FPC/厚膜技术来直接制作像素电极背板，用以显示简单的预设图案，但可大幅降低制作成本。其中所述无源段式电泳显示模组包括公共电极，与公共电压连接；像素电极层，包括若干像素电极，所述像素电极分别与驱动模组连接；以及电泳显示材料层，位于公共电极和像素电极层之间，包括多个微腔，微腔中包括悬浮液以及至少一种带电粒子；公共极板层和像素电极之间施加一定的驱动波形以驱动电泳显示材料层显示像素电极层上预设的图案。为了实现柔性的无源段式电泳显示模组，上述的公共电极使用透明柔性导电材料制作，例如透明的ITO导电薄膜；上述的像素电极层使用厚膜技术制作在柔性的基材上，柔性基材一般为PET薄膜等。依据五官的划分，所述的表情组件又可以划分眼部表情组件、嘴部表情组件、眉部表情组件、鼻部表情组件、耳部表情组件，各组件依次模仿眼部表情、嘴部表情、眉部表情、 鼻部表情、耳部表情。尽管有些五官组件是真实动物所不具有的，例如眉部表情组件所模仿的眉毛器官是大多数动物所不具有的，但是作为一种拟人化和卡通化的需求，也不能完全排除，例如市场上现有的喜洋洋玩偶即具有眉毛。由于相隔较近，眉部表情组件和眼部表情组件使用同一个电子纸显示模组，通过不完全相同的像素电极来区分。人类和动物的五官中眼部、眉部以及耳部都具有对称性，因此上述的眼部表情组件成对安装于玩偶头部，并成左右对称分布，其中成对的眼部表情组件的像素电极具有左右对称关系；和/或眉部表情组件成对安装于玩偶头部，并成左右对称分布，其中成对的眉部表情组件的像素电极具有左右对称关系；和/或耳部表情组件成对安装于玩偶头部，并成左右对称分布，其中成对的耳部表情组件的像素电极具有左右对称关系。各表情组件所包括的电子纸显示模组具有如下的形状的轮廓和/或表情像素电极，其中眼部表情组件具有圆、圆环、椭圆或椭圆环的轮廓像素电极，所述轮廓像素电极内部还至少具有以下形状的表情像素电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、圆点、椭圆点、上折线、 下折线；嘴部表情组件至少具有下列形状的电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、上弯折线、下弯折线、锯齿线；眉部表情组件至少具有下列形状的电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、上弯折线、下弯折线；鼻部表情组件至少具有下列形状的电极之一圆点，椭圆点。以上所列只是各种用于表示表情的图形中的一些常见，公众完全还可以使用各种其他可用于模仿人或动物表情的图形。本发明第二方面提供一种使玩偶具有可变表情的方法，所述的玩偶包括壳体，所述壳体具有模仿人或动物的外形；头部，是所述壳体的一部分，具有模仿人或动物头部的外形；
通过在所述玩偶头部安装至少一个包含电子纸显示模组的表情组件，以及与所述电子纸显示模组电连接的驱动模组，使得所述电子纸显示模组可显示多种图案用以模仿人或动物表情。此处所述的表情组件与上述本发明第一方面所述的表情组件一致。上述的方法，其中还包括通过变化安装在玩偶头部的不同表情组件的电子纸显示模组所显示的图案来组合出多种表情。其中具体包括多种形状的轮廓和/或表情像素电极显示图案的组合方式眼部表情组件的上弯圆弧或上弯折线和嘴部表情组件的下弯圆弧或下弯折线的组合；眼部表情组件的下弯圆弧或下弯折线和嘴部表情组件的上弯圆弧或上弯折线的组合；眉部表情组件下弯圆弧或下弯折线与嘴部表情组件锯齿线的组合。和所有智能玩偶一样，以上所述的玩偶，其中还包括控制单元，设于所述壳体内， 用于对输入信号进行处理，并控制玩偶发出声、和/或光、和/或电、和/或机械的输出。依据以上所述，本发明的优点在于1)和传统的不具有可变表情的玩偶相比，本发明使得玩偶具有了可以模仿人或动物且可以变化的表情特征，可收到立竿见影的效果， 大大提高了玩偶的交互乐趣；2)和传统的机械式方式实现的可变表情的玩偶相比，本发明使用的电子纸显示模组，特别是无源段式电泳显示模组构成的表情组件在成本方面有优势，由于没有了机械部件，因此可靠性得到提高，可耐摔打和跌落，特别是使用了柔性无源段式电泳显示模组的玩偶，还可以耐弯曲，省电，且具有掉电后图像保持的特点等，非常适应于玩偶的使用场合。下面将结合若干较佳实施例进一步阐述本发明的精神和细节，以便增强对本发明的理解。为了突出本发明技术特征，对一些公知技术的细节进行了省略；或者虽然公布了一些技术或结构方面的细节，但本领域的专业人员很容易想到其他类似的实现方法，因而这些技术或结构方面的细节仅是为了增加公众对本发明的理解而非限定本发明。
图1 本发明所述具有可变表情的玩偶100图2 具有可变表情的玩偶100的头部110的侧视3 无源段式电泳显示模组121的剖面4 无源段式电泳显示模组121的像素电极示意图和电连接关系图5 具有可变表情的玩偶100的内部电连接关系6 控制器内部电路连接关系7A、图7B 具有可变表情的玩偶100的两种表情组合的示意8A、图8B 分别是图7A和图7B除去编号和指示线的效果9 电子纸显示模组221的第二种安装方式图10 电子纸显示模组321的第三种安装方式具体实施例如图1所示的是本发明所述的具有可变表情的玩偶100(以下简称玩偶100)，包括壳体头部110 ；而头部110包括了眼部表情组件120，电子纸显示模组121，以及壳体头部 110上的用于安装眼部表情组件的开口和透明保护层112。眼部表情组件120上是模仿眼部表情的图案122 ；与眼部表情组件120成左右对称的眼部表情组件130，以及与眼部表情图案122成左右对称的眼部表情图案132。壳体头部110还安装有嘴部表情组件140，用于模仿嘴部表情。—般地，玩偶壳体可以是实心的，亦可以为空心的；或者分层结构，例如从外而内， 第一层是毛绒的外罩，第二层是内胆，如棉花填充物。相应地，表情组件安装于壳体上，包括了多种方式实心壳体，安装在壳体的外侧；空心壳体，安装于壳体外侧或内侧；分层结构， 安装在第一层外侧或内侧，亦可以安装于第二层的外侧，对于安装在壳体第一层内侧(单层结构归为第一层)或这第二层外侧的方式，都需要在第一层设相应的开口或透明窗口以使得电子纸显示模组显示的图案能为观察者从壳体外部所观察到。以上细节的具体选择不影响本发明的实质。图2所示为头部110的侧视剖面图，其中壳体的眼部表情组件开口和透明保护层 112后面安装了电子纸显示模组121，这样电子纸显示模组121上的显示表情图案就可以被观察者从玩偶壳体外部看到，同时又起到保护电子纸显示模组121的作用。电子纸显示模组121的安装依据模组本身的柔性和非柔性，以及壳体的材料而有所不同。图3所示为电子纸显示模组121的剖面图。具体地，电子纸显示模组121为无源段式电泳显示模组。无源段式电泳显示模组的无源是相对于有源而言，即没有有源器件，例如薄膜晶体管(TFT)，作为驱动开关来选通不同的像素，而是采用简单的导电电极，例如PCB、 FPC上的导电焊盘，或者PET薄膜上的导电油墨电极直接形成像素电极等；其中段式是指像素电极是非矩阵式排列的(矩阵式像素电极可以实现行列扫描来选通不同的像素点，例如 TFT-LCD的TFT阵列，或者无源矩阵式的LCD屏幕)，而是一些通过预设的一定图案的电极来驱动显示预设图案，常见的例如无源段式STN IXD，可以显示预设的图案，例如七段码等， 以及本发明使用的无源段式电泳显示模组。电子纸显示模组121的上层(观察者一侧)为透明的ITO导电薄膜的公共电极， 具体包括透明薄膜121A，以及附着其上的透明导电公共电极121B ；下层为像素电极层121C 以及下基材121D，可采用厚膜电路技术制作像素电极层121C，下基材121D为柔性的PET 薄膜，因而电子纸显示模组121为柔性无源段式电泳显示模组。公共电极121B和像素电极层121C之间为电泳显示材料层121E，其中包括微胶囊121E1作为微腔，微胶囊121E1中包含悬浮液121E3，带负电的白色粒子121E2，带正电的黑色粒子121E4。电泳显示材料还有其他微腔和粒子系统结构，例如Sipix公司的微腔不采用微胶囊，而采用固定形状的微杯结构(micro cup)，而微杯中包含带颜色而非透明的悬浊液，以及一种带电颜色粒子；又或者微腔中的两种颜色粒子，其中只有一种粒子带电，因而可在悬浊液中受外加电场控制而运动，而另一种颜色粒子不带电，则悬浮在悬浮液中从而形成背景色。关于多种电泳显示材料层的描述也可以参见中国专利CN2010201093^.9的相关描述。柔性电泳显示屏的制作，具体地，柔性无源段式电泳显示屏的制作可具体参考中国专利CN200310123446. 5和 CN200320130781. 3中的相关描述。关于粒子和悬浊液颜色的进一步优化在于，至少粒子的一种或悬浊液的颜色和电子纸显示模组周围的壳体颜色相同或相近。像素电极层121C包含了若干像素电极，包括轮廓像素电极121C1、121C2，表情像素电极121C3和121C4。图4为电子纸显示模组121电极图案的顶视图，其中轮廓像素电极121C1为椭圆环，轮廓像素电极121C2为椭圆(椭圆的内部被进一步划分为若干表情像素电极，因而严格来讲轮廓像素电极121C2是除去其内部各个表情像素电极的椭圆的剩余部分，为简便起见，只以其外围轮廓来相称)，它们都可以用于表示眼部的轮廓；表情像素电极121C3为上弯的圆弧，用于表示“高兴”的眼部表情，表情像素电极121C4为下弯的圆弧，用于表示“不高兴”的眼部表情。各个像素电极通过驱动线123连接到驱动模组151，驱动线123走线通常布在下基材121D上的像素电极层121C的背面，图4中用虚线表示之。图5表示了玩偶100内部电路连接关系图。其中电子纸显示模组121电连接驱动模组151，以便接受来自驱动模组151的驱动电压波形来显示特定的图案；驱动模组151可使用晶门科技公司(Solomon systech)提供的SSD1623电子纸驱动芯片。驱动模组151电连接控制器152，从而控制器152可以控制驱动模组151发出特定的电压驱动波形来驱动不同的像素电极使电子纸显示模组121显示特定图案。如图6所示，控制器152包括至少单片机芯片1520，例如Atmel公司的ATMEGA88单片机；控制器152还包括用于接受用户输入的按键开关1524、电容触摸按键1523等；控制器152还包括发光器件LED灯1521，发声器件扬声器1522，机械驱动器件永磁电机1525等。图7A和图7B示意了玩偶100的通过眼部表情组件和嘴部表情组件组合出的两种不同的表情状态，其中图7A所示为“高兴”的表情，此状态下，眼部表情组件120中的电子纸显示模组121的轮廓像素电极121C1以及表情像素电极121C3点亮，于此对称地，眼部表情组件130中的与像素电极121C1/121C3相对称的像素电极点亮，因而眼部表情组件显示的表情图案为左右对称的椭圆环(眼部轮廓)123和133，以及上弯弧线(眼部表情)122和 132 ；而嘴部表情组件140显示的表情图案为下弯弧线141，由此构成了玩偶100的“高兴” 的表情。图7B与图7A相反，其中玩偶100表达的是“不高兴”的表情；此状态下，眼部表情组件120中的电子纸显示模组121的轮廓像素电极121C1以及表情像素电极121C4点亮， 于此对称地，眼部表情组件130中的与像素电极121C1/121C4相对称的像素电极点亮，因而眼部表情组件显示的表情图案为左右对称的椭圆环(眼部轮廓)123和133，以及下弯弧线 (眼部表情)1 和134 ；而嘴部表情组件140显示的表情图案为上弯弧线142，由此构成了玩偶100的“不高兴”的表情。图8A和图8B分别是图7A和图7B除去编号和指示线的效果图。人类或动物表情在艺术化、卡通化的加工下虽然存在多种多样的图案，但公众对此的内涵和外延都有相当一致的认同，因此，在本发明精神下的使用的各种形状的像素电极来模仿人类或动物表情的做法都应被视为涵盖在本发明的保护范围内。以上所述的各表情组件可以采用多种方式安装在所述玩偶的头部其一，在玩偶头部至少具有一个开口或透明区域，所述开口或透明区域具有大致模仿人或动物五官之一的轮廓特征的轮廓，所述电子纸显示模组从头部内侧安装在所述开口或透明区域处，并可被使用者从壳体外侧观察。这种方式结构简单。其二，对于使用柔性无源段式电泳显示模组的表情组件，其中玩偶的头部至少具有一个开口或透明区域，所述开口或透明区域具有大致模仿人类或动物五官之一的轮廓特征的轮廓，其中所述的电子纸显示模组贴合在另一基材上，所述基材具有大于电子纸显示模组的边缘，所述电子纸显示模组具有和所述开口或透明区域大致相同的轮廓，所述基材边缘用于将电子纸显示模组从壳体内侧将其固定在壳体上，并使得电子纸显示模组和壳体的外侧表面大致平坦。其三，所述的表情组件还包括五官壳体，所述五官壳体大致具有与人或动物任一五官的外形，壳体内包含了电子纸显示模组，壳体上有物理连接装置，玩偶壳体上亦有物理连接装置，所述物理连接装置使得表情部件可固定在玩偶壳体上。五官的外形，举例而言，例如眼部表情组件可以采用有一定厚度的圆盘结构来模仿眼睛的外形。在图2所示的表情组件安装方式之外，图9示意了电子纸模块另一种安装方式。眼部表情组件220所包含的电子纸显示模组221以嵌入的方式安装在壳体头部210上，因此电子纸显示模组221需具有眼部轮廓的外形，如椭圆形，因此必须使用柔性的无源电泳显示模组来制作。图10示意了电子纸模块的第三种安装方式。眼部表情组件320具有一个半球形状的壳体，用于表示眼部的立体轮廓，壳体内有电子纸显示模组321。眼部表情组件320从壳体头部310外部固定其上，半球形的壳体使得眼部表情组件更有立体感。表情组件和电子纸显示模组的具体固定的方式可以依据壳体的材料而有多样的选择，例如当玩偶的壳体使用毛绒时，可用胶水粘固，或者缝接；当壳体使用塑料或塑胶等具有一定刚性的材料时，可以使用粘固或者螺丝固定等。本专业领域的人员可以使用多种方式来将表情组件和电子纸显示模组固定于玩偶的壳体之上而不需创造性的劳动。以上所述的实施例在于帮助公众理解而非限定本发明，本专业领域人员可以依照本说明书做出各种等效的变更和修饰而不超出本发明的范围。
权利要求
1.一种具有可变表情的玩偶，其包括壳体，具有模仿人或动物形体的外形；头部，是所述壳体的一部分，具有模仿人或动物头部形体的外形； 至少一个表情组件，安装于壳体头部，包含可显示多种图案用以模仿人或动物表情的电子纸显示模组；驱动模组，与所述电子纸显示模组电连接，用于驱动电子纸显示模组显示图案。
2.如权利要求1所述的玩偶，其中所述的电子纸显示模组是电泳显示模组。
3.如权利要求2所述的玩偶，其中所述的电泳显示模组是柔性或非柔性的无源段式电泳显示模组。
4.如权利要求3所述无源段式电泳显示模组包括 公共电极，与公共电压连接；像素电极层，包括若干像素电极，所述像素电极分别与驱动模组连接； 以及电泳显示材料层，位于公共电极和像素电极层之间，包括多个微腔，微腔中包括悬浮液以及至少一种带电粒子。
5.如权利要求4所述的玩偶，其中所述的公共电极使用透明柔性导电材料制作，其中所述的像素电极层使用厚膜技术制作。
6.如权利要求1 5任一所述的玩偶，其中所述的表情组件，依据五官特征可分为眼部表情组件、嘴部表情组件、眉部表情组件、鼻部表情组件、耳部表情组件，各组件依次模仿眼部表情、嘴部表情、眉部表情、鼻部表情、耳部表情。
7.如权利要求6所述的玩偶，各表情组件所包括的电子纸显示模组具有如下形状的轮廓和/或表情像素电极，其中眼部表情组件具有圆、圆环、椭圆或椭圆环的轮廓像素电极，所述轮廓像素电极内部还至少具有以下形状的表情像素电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、圆点、椭圆点、上折线、下折线；嘴部表情组件至少具有下列形状的电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、上弯折线、下弯折线、锯齿线；眉部表情组件至少具有下列形状的电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、上弯折线、下弯折线；鼻部表情组件至少具有下列形状的电极之一圆点，椭圆点。
8.一种使玩偶具有可变表情的方法，所述的玩偶包括 壳体，所述壳体具有模仿人或动物的外形；头部，是所述壳体的一部分，具有模仿人或动物头部的外形；通过在所述玩偶头部安装至少一个包含电子纸显示模组的表情组件，以及与所述电子纸显示模组电连接的驱动模组，使得所述电子纸显示模组可显示多种图案用以模仿人或动物表情。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述的电子纸显示模组是柔性或非柔性的无源段式电泳显示模组。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述的表情组件，依据五官特征可分为眼部表情组件、嘴部表情组件、眉部表情组件、鼻部表情组件、耳部表情组件，各组件之电子纸显示模组可显示多种图案依次模仿眼部表情、嘴部表情、眉部表情、鼻部表情、耳部表情。
11.如权利要求10所述的方法，其中还包括通过变化安装在玩偶头部的不同表情组件的电子纸显示模组所显示的图案来组合出多种表情。
12.如权利要求10 11任一所述的方法，其中各表情组件所包括的电子纸显示模组具有如下形状的轮廓和/或表情像素电极，其中眼部表情组件具有圆、圆环、椭圆或椭圆环的轮廓像素电极，所述轮廓像素电极内部还至少具有以下形状的表情像素电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、圆点、椭圆点、上折线、下折线.一入 ，嘴部表情组件至少具有下列形状的电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、上弯折线、下弯折线、锯齿线；眉部表情组件至少具有下列形状的电极之一上弯圆弧、下弯圆弧、上弯折线、下弯折线。
13.如权利要求12所述的方法，其中包括多种形状的轮廓和/或表情像素电极显示图案的组合方式眼部表情组件的上弯圆弧或上弯折线和嘴部表情组件的下弯圆弧或下弯折线的组合；眼部表情组件的下弯圆弧或下弯折线和嘴部表情组件的上弯圆弧或上弯折线的组合；眉部表情组件下弯圆弧或下弯折线与嘴部表情组件锯齿线的组合。
全文摘要
本发明是一种具有可变表情的玩偶和相应之方法。所述的玩偶具有模仿动物或人外形的壳体，以及模仿动物或人头部的壳体头部，所述的壳体头部安装有表情组件，表情组件包括有电子纸显示模块可以显示多种图案，所述图案可以模拟人类或动物的表情；进一步，通过不同表情组件之间表情图案的组合可以创造出丰富多样的玩偶表情。本发明通过运用电子纸显示模块，使得玩偶以一种可以接受的成本获得了表情表达功能，极大地提高了人机交互的乐趣。
文档编号A63H3/36GK102160934SQ20111006826
公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月21日 优先权日2011年3月21日
发明者李晓 申请人:李晓