专利名称：用于提供来自触觉纺织物的触觉反馈的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明的一个或多个例示实施例涉及电子接口装置领域。更具体地，本发明的一个或多个例示实施例涉及具有触觉反馈的柔性材料。
背景技术：
近年来，随着触摸面板显示器、监视系统、训练系统、游戏机、电器、个人计算机 (“PC”)、服务器、个人数字助理(“PDA”)以及蜂窝电话之类的基于计算的系统变得愈为普及，直观的人机通信也变得愈发重要。人机通信通常可以被归类成与用户接口装置以及机器接口装置有关，其中用户接口装置提供一种可供用户将命令输入机器的机构，而机器接口装置则是一种可供机器向用户提供反馈的机构。尽管此类基于计算机的系统已经包含在了我们的日常活动中，但是它们通常并未与衣服、服装和/或家具集成。在将一个或多个计算机应用于织物和/或服装的过程中存在一个问题，那就是计算机系统和它们的接口装置通常很庞大且难于携带。例如，诸如键盘、计算机鼠标、摇杆、 电话键盘(Phone pad)、遥控器和/或触摸屏之类的当前可获得的用户接口装置具有不同的物理限制和约束，这是因为此类装置过大和/或过重，以至于无法集成到织物和/或服装中。
发明内容
在这里公开了一种用于在触觉纺织物的表面上生成触觉反馈的方法和系统。柔性织物结构包括一组传感电路和触觉反馈电路。可以包括触摸检测器或运动检测器的所述传感电路根据感测到的事件来提供至少一个激活信号。该触觉纺织物是用交织的编织线或纱线构造的，并且能够响应于所述激活信号生成触觉反馈。本发明的一个或多个例示实施例的附加特征和益处将从下文阐述的详细描述、附图和权利要求中变得显而易见。
从下文给出的详细描述以及本发明的不同实施例的附图中可以更全面地理解本发明的一个或多个例示实施例，但其并不是将本发明局限于具体的实施例，而仅仅用于说明和理解。图l(a-c)示出了根据本发明一个实施例的使用触觉基底和柔性表面的触觉装置；图2(a_b)示出了根据本发明一个实施例的具有触觉线的触觉纺织物；图3 (a-d)示出了根据本发明一个实施例的具有触觉线和致动器的触觉纺织物；图4(a_d)示出了根据本发明一个实施例的使用压电材料和微机电系统(“MEMS”) 元件的触觉装置中的触觉单元的示例；图5(a_b)示出了根据本发明一个实施例的具有带有热流体腔的触觉单元阵列的触觉装置的侧视图；图6(a_b)示出了根据本发明一个实施例的使用MEMS泵生成触觉事件的触觉单元；图7示出了根据本发明一个实施例的具有使用可变微孔膜的触觉单元阵列的触觉装置的侧视图示；图8是根据本发明一个实施例的具有使用各种谐振装置的触觉单元阵列的触觉装置的侧视图；图9是示出了根据本发明一个实施例的在触觉纺织物上提供触觉反馈的处理的流程图；图10是示出了根据本发明一个实施例的在能够接受无线电力传送的服装中配置的触觉纺织物制品；以及图11是示出了根据本发明一个实施例的在触觉纺织物与辅助电子装置之间无线传送电力和/或数据的处理的流程图。
具体实施例方式本发明的例示实施例在本文中是在用于提供触觉纺织物的方法、系统和设备的上下文中描述的。本领域普通技术人员将会认识到，以下关于一个或多个例示实施例的详细描述仅仅是说明性的，而不旨在以任何方式进行限制。对于得益于本公开的此类技术人员来说，其他的实施例是很容易想到的。将如对附图中所示的一个或多个例示实施例的实现做出详细参考。贯穿各附图和以下的详细描述中将会始终使用相同的参考指示符来指示相同或相似的部分。为了清楚起见，本文没有显示和描述各实现的所有常规特征。当然，应该理解，在任何这类实际实现的开发过程中必须做出众多特定于实现的决定以实现开发人员的特定目标，例如符合与应用和业务相关的约束条件，并且这些特定目标会随着实现以及开发人员的不同而改变。本发明的一个或多个实施例公开了一种具有传感电路的触觉纺织物。诸如触摸检测器或运动检测器的所述传感电路根据感测到的事件提供至少一个激活信号。所述触觉纺织物用交织的编织线和/或纱线构造，能够响应于激活信号生成触觉反馈。所述触觉纺织物例如可以包括散布在织物上的附加保护表层。图1(a)显示了一个三维(3D)图示，其中示出了根据本发明一个实施例的使用触觉基底和柔性表面的触觉柔性结构100。柔性结构100具有柔性表面层102、触觉基底104 以及变形机构106，并且是能够响应于触觉反馈而改变图案的触觉纺织物制品或布料。此外还应注意，即使向结构100添加或从中移除一个或多个组块(电路或层)，本发明例示实施例的底层概念也是不会改变的。触觉基底104也可以被称为触觉机构、触觉层以及触知元件，它是能够响应于一个或多个激活信号而改变其表面特征的表面可重新配置的触觉装置。触觉基底104包括多个触知或触觉区域110-124，其中每一个区域都可以被独立控制和激活。由于每一个触知区域都可以被独立激活，因此可以响应于图案激活信号构成触觉基底104的特定表面图案。每一个触觉区域还可以被划分成多个触觉位，其中每一个位都可以被单独激励、激活或去激活。在一个实例中，柔性表面层102由柔软和/或弹性材料(诸如也被称为聚硅氧烷的硅橡胶)制成。柔性表面层102的功能是在与触觉基底104的物理图案相接触时改变其表面形状或纹理。作为替换，柔性表面层102是能够接受用户输入的柔性触敏表面。该柔性触敏表面可以被划分成多个区域，其中在用手指触摸或按压所述柔性触敏表面的每一区域时，该区域都可以接受输入。柔性触摸表面层102还包括用于在辅助电子装置与柔性结构100之间执行无线电力传输的机构。应该注意到，无线电力传输可以是也可以不是触觉使能的。无线电力传输的实现例如可以包括电感耦合、消散波耦合、谐振感应、感应充电、自适应感应、电传导、RF 传输等中的一种或多种。类似地，柔性触摸表面层102还可以包括用于在辅助电子装置与柔性结构100之间进行数据传输的无线电路。在图10和图11中将会更详细地描述柔性结构100的无线实现。触觉基底104可以通过各种技术实现，包括振动、垂直位移、横向位移、推/拉技术、空气/流体腔、材料局部变形、谐振机械元件、压电材料、微机电系统(“MEMS”)元件、热流体腔、MEMS泵、可变微孔膜、层流调制等等。触觉基底104例如包括一个或多个致动器， 这些致动器可以是用电活性聚合物(“ΕΑΡ”)纤维(或纳米管)、压电元件、形状记忆合金 (“SMA”)纤维等构造的。EAP也被称为人造版生物肌肉或人造肌肉，它能够响应于施加的电压而改变其形状。当遭受到很大的力时，EAP的物理形状会被改变。EAP可由电致伸缩聚合物、介电弹性体、传导聚合物、离子聚合物金属复合物、反应凝胶、巴克胶致动器或上述 EAP材料的组合构造而成。形状记忆合金(“SMA”)也被称为记忆金属，它是另一种可以用于构造触觉基底104的材料。SMA可由铜锌铝，铜铝镍，镍钛合金或是铜锌铝、铜铝镍和/或镍钛合金的组合制成。SMA的特性在于在其原始形状发生改变之后，它可以响应于环境温度和/或其周围环境恢复到其原始形状。应该注意到，本实施例可以通过组合RAP、压电元
6件和/或SMA来实现特定的触觉效果。变形机构106提供了推力和/拖力来平移触摸基底104中的元件，从而导致柔性表面102变形。例如，当变形机构106在柔性表面102与触觉基底104之间创建真空时，会将柔性表面102推向触觉基底104，由此导致柔性表面102依照触觉基底104的表面图案来显示所述柔性表面102的纹理。图1(b)显示了一个3D图示，其中示出了根据本发明一个实施例的使用触觉基底和柔性表面的触觉结构130。触觉基底134与图1(a)中示出的触觉基底104相似，区别在于触知区域136和139是被激活的。触知区域136和139在ζ平面上是凸起的。一旦接收到一个或多个激活信号，触觉基底134就根据激活信号来识别图案，所述触觉基底134通过激活诸如区域136和139的各个触知区域来生成图案，由此提供所标识的图案。图1(c)显示了一个3D图示，其中示出了根据本发明一个实施例的使用触觉基底和柔性表面的触觉材料或基底140。当变形机构106被激活时，柔性表面142将会在如图 1 (b)所示具有两个被激活的触知区域136和139的触觉基底134上坍塌(collapse)，由此形成两个凸块156和159。在一个示例中，凸块156和159模拟了两个按钮。例如，触觉基底134能够响应于一个或多个信号生成众多独特的物理图案中的一个图案。由此，柔性表面102可以根据触觉基底134提供的一个或多个图案而被重新配置成不同的图案。图2 (a)示出了根据本发明一个实施例的具有触觉线的触觉纺织物制品200。纺织物200包括位于垂直方向的线202和位于水平方向的线206。线202与线206交错或编织以形成纺织物。例如可以在触觉纺织物200上部署一个透明的保护柔性层用于附加保护。 应该注意到，即使向纺织物200添加或从中移除附加层，本发明例示实施例的底层概念也是不会改变的。纺织物200包括线202-206，其中所有的线都是触觉线。线202被配置成与线206 交织以形成触觉纺织物，其中每条线202和/或线206都可以被独立选择和激活。由多条线202和/或线206组成的集合可以作为局部一致的触觉区域而被共同激活。纺织物200 由线202-206构成，其中线202的一部分是触觉线，并且线206的一部分是触觉线。取决于应用，具有一部分触觉线和一部分自然线的纺织物200可以生成与其包含的全部是触觉线时所生成的触觉效果相类似的触觉效果。例如，触觉纱线可以与那些用触觉材料以及其他物质制成的线编织在一起。用其他物质制成的线包括用棉花、丝绸、羊毛、合成材料、尼龙等制成的线。布料是一片纺织物或帆布，而所述纺织物或帆布是编织或针织的材料，诸如棉制或尼龙。纺织物200示出了线或纱线图案，其中线202位于垂直方向，而线206位于水平方向，从而形成编织物。如图2(a)所示，线202与正电压耦合，而线206与负电压耦合，以便接收电力。可以使用备选的编织图案和/或结构，即对角线图案、设计图案、绘画图案等等。 应该注意到，诸如沉淀、覆膜、粘合和分层之类的其他技术也可用于制造触觉纺织物或触觉布料。触觉纺织物200被配置以提供多点触觉反馈系统。例如，用户的每根手指都可以感觉到不同的触觉或触知反馈事件以指示或模拟不同的特征或事件。作为替换，用户手指可以感觉到由多个触觉信号组成触知反馈以模拟特定的触觉事件。触觉线或纱线由那些与带有触觉材料的常规自然物质编织在一起的线制成，由此形成触觉纱线或线。多点和单点触觉反馈可以在具有或不具有独立致动器的情况下由一个或多个触觉线或触觉纱线生成。 例如，一旦施加电压，则触觉线能够振动，或者线的物理尺寸会改变。一旦检测到事件，则可由一个或多个触觉线生成触觉反馈效果。例如，该事件可以是用户的手与纺织物200之间的接触。另一事件可以是在纺织物200附近检测到的运动。 各种类型的触觉反馈可以由具有线或纱线形状的不同类型的触觉材料生成。能够用于制造线的触觉材料或物质包括但不局限于压电材料、MEMS元件、热流体腔、MEMS泵、谐振装置、 可变微孔膜、层流调制等等。触觉纺织物200可用于各种应用，诸如通信、功用(utility)、动态实时反馈、美学图案等等。对于通信而言，纺织物200可用于提供与警报、通知、方向等有关的信息。例如， 当感测机构检测到航天服存在空气泄漏时，纺织物200可以向穿着该航天服的人(或宇航员)提供一个或多个泄漏警报。此外，纺织物200还能告知宇航员氧气在此种情况下能维持多久。多个触觉纺织物200还可以彼此经由无线通信网络进行通信。例如，一个警官可以轻拍自己手套的某个区域，以便用信号通知另一个警官其应该选取哪个方向。纺织物200 还可以与运动检测器和/或触觉传感器一起使用，以便感测移动或触摸。对于功用，纺织物200能够改变纺织物颜色、厚度、纹理、可用性等等。纺织物200 例如用于一副手套内部，其能够在戴手套的过程中将其内表面纹理变成光滑表面，随后将其表面变成粗糙纹理以便更好地抓握。纺织物200还可以用于轮椅座位处，其中所述座位的表面纹理将会变得光滑或无摩擦以方便就坐过程，随后，在用户坐到座位上之后，其表面将会变成粗糙纹理。此外，纺织物200还可以根据温度来改变其厚度。例如，当温度传感器检测到低温时，纺织物200会手动或自动地变成较厚的纺织物以便提供热防护。作为替换， 如果温度传感器感测到高温，那么纺织物200将会变成具有更好透气性的纺织物，以便允许通过空气流动来降温。由于触觉线的物理尺寸是可以改变的，因此，它还可以根据需要而被用于防水衣物或透气性衣物。纺织物200能够提供伪装效果。例如，纺织物200会响应于周围环境的纹理和颜色来改变其表面纹理和颜色。保护色是一种通过伪装来隐匿颜色从而保持难以被从周围环境中察觉的方法。由此，纺织物200可以在士兵制服、军用车辆、喷气战斗机、建筑物、船舶等等中使用。一旦检测到环境状况，纺织物200会自动调节其伪装表面，以便融入周围。此外，纺织物200还可用于美学外观或纹理。例如，智能衣物或家具可以改变其表面图案及颜色。纺织物200可以发出可见光。使用触觉纺织物的美学应用可被应用于衣服、家具、车辆、 工具、仪器等等。应该注意到，触觉纺织物200既可以局部改变图案，也可以改变整个表面的图案。线202和206通过交织形成能够经由触觉反馈发生器致动的触觉纺织物。受控于输入能量的变化的表面纹理(或振动)既能够以统一效果传播通过整个纺织物表面也可以位于离散点处。应该注意到，不同的纹理或振动可由同时经过多个点的触觉线产生。图2(b)示出了根据本发明一个实施例的具有触觉线的触觉纺织物250，并且其中显示了例示的局部致动。与图2(a)所示的纺织物200相似，纺织物250包括位于垂直方向的线202和位于水平方向的线206，其中线202与线206交织或编织在一起，以便形成柔性纺织物质。纺织物250示出了在触觉线252与触觉线256之间交叉的交叉点258或致动器点。在织物中，线252-256相交处的点258充当致动点。一旦确定触觉反馈类型，则触觉反馈发生器生成振动触知或肌肉运动知觉反馈，以便在点258处提供局部触觉事件。应该注意到，每一个致动点都可以被独立选择和独立激活。图3(a)示出了图示300，其显示的是根据本发明一个实施例的具有触觉线和致动器的触觉纺织物。图示300包括线302、线306以及致动器308的阵列。线302位于垂直方向，而线306则位于水平方向。线302与线306交织或编织在一起，从而形成柔性的纺织物质或结构。在触觉纺织物上部署了用于外物防护的透明保护柔性层。应该注意到，即使向纺织物300中添加或从中移除附加层，本发明例示实施例的底层概念也不会改变。触觉纺织物包括线302-306，其中线302与线306之间的每个交点都具有致动器 308。致动器308可被独立选择和激活。图示300显示了所有致动器308都处于断开状态或去激活状态的编织线302-306。在一个示例中，断开状态表明没有用户交互。致动器308 可以是在一个群组、部分或区域中选择的，并且是同时激活的。此外，纺织物300还可以用线302-306构成，其中线302的一部分是触觉线，并且线306的一部分是触觉线。取决于应用，用一部分触觉线和一部分自然线构成的柔性纺织物可以与全都使用触觉线一样有效。纺织物是由线302与线306之间的编织线形成。线302与正电压相连，而线306 则与负电压相连。线302和306交织以形成能够经由触觉反馈致动器来激励其表面300的一部分或整个表面的触觉布料。受控于输入能量的变化的表面纹理(或振动)能够以统一效果传播通过整个纺织物表面或位于离散点处。应该注意到，同时经过多个点的触觉线可以产生不同的纹理或振动。一旦检测到某个事件，则一个或多个触觉线302-306和/或致动器308可以产生触觉反馈事件。例如，该事件可以是手与纺织物200之间的接触。不同类型的触觉材料或物质可以生成不同类型的触觉反馈。可用于制作线的触觉材料或物质包括但不局限于压电材料、MEMS元件、热流体腔、MEMS泵、谐振装置、可变微孔膜、层流调制等等。图3(b)示出了图示320，其显示了根据本发明一个实施例的具有触觉线和被激活的致动器的触觉纺织物。图示320包括线302、线306以及致动器308的阵列，并且其中至少一部分致动器322是被激活的。线302位于垂直方向，而线306则位于水平方向。线302 与线306交织或编织以形成柔性的纺织物质或结构。触觉纺织物包括线302-306，其中线 302与线306之间的每个交点都具有致动器308。致动器308可被独立选择和激活。图示320显示了编织线302-306，并且其中一部分致动器322处于接通状态或激活状态。例如，被激活的致动器322形成了一个静态纹理图案，其中对角线条纹穿过了触觉纺织物的整个表面。取决于应用，可以使用由一部分触觉线和一部分自然线构成的柔性纺织物。应该注意到，该图案可以是指具有不同颜色、物理尺寸等等的图案。图3(c)示出了图示350，其显示了根据本发明一个实施例的具有带单个被激活致动器的触觉线的触觉纺织物。图示350包括线302、306，以及致动器308阵列，其中致动器 352是被激活的。触觉纺织物包括线302-306，其中线302与线306之间的每个交点都具有致动器308。每个致动器308可被独立选择和激活。图示350显示了编织线302-306，其中单个致动器352处于接通状态或激活状态，这指示单点交互。例如，被激活的致动器352导致单点静态触觉反馈效果。作为替换，被激活的致动器352还可以与触摸传感器交互，以提供动态实时或大致实时的反馈。图3(d)示出了图示380，其显示了根据本发明一个实施例的具有带多个被激活致动器的触觉线的触觉纺织物。图示380包括线302、线306以及致动器308阵列，并且其中有五(5)个致动器382是激活的。触觉纺织物包括线302-306，其中线302与线306之间的每个交点都具有致动器308。每个致动器308能被独立选择和激活。图示380显示了编织线302-306，其中有五个致动器382处于接通状态或激活状态，这指示多点交互。例如，被激活的致动器382导致多点静态触觉反馈。作为替换，被激活的致动器382还可以与触摸传感器交互，以提供动态实时和/或大致动态实时的反馈。应该理解，触觉纺织物可被织入标准纺织物，以用作触觉衣物、家具或其他的一般纺织物应用。如上所述的触觉基底、触觉致动器和/或触觉机构可用于控制触觉纺织物的触觉反馈。此外，在触觉纺织物或触觉布料中还可以使用不同的触觉基底和/或机构的组合，以便实现最佳触觉结果。图4到图8示出的下列实施例是可用于生成触觉反馈来控制触觉纺织物的表面纹理以及输入确认的触觉装置或触觉致动器的附加示例。图4(a)示出了根据本发明一个实施例的使用压电材料生成触觉事件的触知或触觉区域410。区域410包括电绝缘层402、压电材料404以及线路406。电绝缘层402具有顶面和底面，其中顶面被配置成接收输入。例如，压电材料网格或阵列404被构造以形成压电或触觉层，该压电或触觉层同样具有顶面和底面。压电层的顶面位于电绝缘层402底面附近。每一个区域410都包括至少一个压电材料404，其中所述压电材料404被用于生成独立于压电层中其他压电区域410的触觉事件。响应于多个基本同时的触摸，多个相邻或邻近区域10可被激活以生成多个触觉事件。每一个区域410均由压电材料组成，籍此能够发起独特的触觉事件。应该注意到，在一些实施例中，包含电绝缘层402和压电层的触知触摸面板还包括未在图中示出的显示器。该显示器可以耦合到压电层底面，并且能够投影那些可以从电绝缘层402的顶面看到的图像。应该注意到，所述显示器可以是柔性或刚性的。压电材料 404是基本透明且较小的。例如，压电材料404的形状会响应于经由电线406施加的电势而改变。在制造过程中，压电薄膜被印制以包括压电区域410的阵列或网格。包含压电材料的薄膜区域410能够以单元网格排列的形式被印制在薄板上。所述薄膜还包括使用电控制信号以在装置中直接寻址每个区域410的线路。例如，区域410可以用边缘或后部安装的电子器件激活。所述压电材料可以包括晶体和/或陶瓷，例如石英(SiO2)。图4(b)示出了根据本发明实施例生成触觉事件的触知或触觉区域410。在操作过程中，在将电压电势经由线路406应用于压电材料405时，压电材料405会从图4 (a)所示的压电材料原始形状404变成压电材料的膨胀形状405。压电材料的变形405会导致电绝缘层403变形或是从图4(a)所示的层402的原始状态应变。作为替换，一旦移除该电压电势，压电材料405返回其初始状态。应该注意到，即使向图4(a-b)示出的装置添加了附加组块(电路或机械装置)，本发明的底层概念也不会改变。如果用SMA之类的其他材料替换压电材料，这类材料将能够在移除电压电势之后的一段时间里保持其变形形状。应该注意到，即便使用了压电致动器之外的不同材料，本发明各实施例的底层概念也不会改变。由此，致动器网格可用于控制接口装置触敏表面的表面纹理。图4 (c)是示出了根据本发明一个实施例的使用MEMS装置452生成触觉事件的触知或触觉区域或单元410的图示450。图示450描绘了框460，其显示了单元410的顶视图。单元410包括装置452。MEMS装置452基本上是透明的，籍此通过框460可以看到来自未在图4(c)中示出的显示器的图像投影。应该注意到，每一个触觉单元410都耦合到至少一条线路，以方便触觉事件的生成。MEMS可以被认为是机械装置、传感器以及电子器件在硅或有机半导体基底上的集成，它可以通过常规的精密制造工艺制造。例如，电子装置可以使用半导体制造工艺制造， 并且微机械装置可以使用兼容的精密制造工艺制造。MEMS装置452的网格或阵列由多个悬臂弹簧制成。悬臂弹簧的网格可使用MEMS制造技术蚀刻。此外，用于激活或驱动悬臂弹簧的电线还可以被直接蚀刻在MEMS装置452的表面上，由此可以单独寻址每一个MEMS装置。 MEMS悬臂还可被用作谐振驱动器(用于振动触知反馈)或直接致动(用于肌肉运动知觉反馈)。图4(d)示出了 MEMS装置452的侧视图，其中当在MEMS装置两端施加有电压电势时，MEMS装置452从MEMS装置452的初始状态激励或变形成MEMS装置464的变形状态。 初始状态与变形状态之间的位移4M取决于使用材料的成分以及MEMS装置452的尺寸。虽然较小的MEMS装置452更容易制造，但其提供的位移妨4也较小。悬臂弹簧可以用压力材料制成。此外还应该注意到，压力材料可被用作传感器以感测指尖的位置和下压。MEMS装置452使用SMA代替如上所述的悬臂弹簧。由使用SMA的SMA装置452生成的致动提供肌肉运动知觉反馈。在从SMA的原始形状变形之后，SMA可以根据环境温度和/或周围环境恢复其原始形状。应该注意到，本发明可以通过组合压电元件、悬臂弹簧和 /或SMA来实现特定的触觉效果。由此，MEMS装置452的网格可用于控制接口装置的触敏表面的表面纹理。图5 (a)是根据本发明一个实施例的接口装置500的侧视图，其中示出了具有热流体腔504的触觉单元或触知区域502的阵列。装置500包括绝缘层506、触觉层512以及显示器508。绝缘层506的顶面能够接收来自用户的输入，而绝缘层的底面则邻近触觉层512 的顶面放置。触觉层512的底面邻近显示器508放置，其中触觉层512和绝缘层506可以是基本透明的，由此可以通过触觉层512和绝缘层506看到显示器508中显示的物体或图像。应该注意到，显示器508并不是接口装置起作用所必需的部件。触觉层512包括流体填充单元502的网格，所述流体填充单元502进一步包括至少一个热流体腔504以及相关联的激活单元510。应该注意到，每一个流体填充单元502都可以包括多个热流体腔504以及相关联的激活单元510。流体填充单元502可以包括多个激活单元，由此激活单元的不同激活组合将会生成不同的触觉事件。激活单元510是能够加热相关联的热流体腔504的发热元件。与加热技术有关的各种电、光学和机械技术均可用于制造激活单元510。例如，各种电控电阻器可以用于激活单元510，其中电阻器可以在制造过程中被植入触觉层512。作为替换，诸如红外激光器之类的光学激励器可被用作激活单元510，用以加热热流体腔504。光学激励器例如可以安装在接口装置的边缘。应该注意到，只要能够执行加热流体腔的功能，那么激活单元510可以是任何类型的光学或放射性致动器。装置500还包括一组未在图5 (a)中显示的控制线路，其中每个激活单元510都耦合至至少一对线路。这些线路被配置为传送用以驱动激活单元510的激活/去激活控制信号。应该注意到，每一个流体填充单元502都是用来自线路或无线网络的信号可寻址的。显示器508可以是平板显示器或柔性显示器。显示器508的物理位置可以与触觉层512交换。同样地，热流体腔504可以被压电网格激活。热流体腔504包括具有低比热和高热胀的物理属性的流体。该流体的示例包括甘油、乙醇等。热流体腔504能够响应于绝缘层506检测到的多个接触而产生多个局部张力。 每一个局部张力由经加热的热流体腔504创建，其中热量是由相关联的激活单元510生成的。热流体腔504可以根据腔内流体温度来改变其物理形状。作为替换，流体填充单元502 具有一个主动冷却系统，用于在热流体腔被去激活之后将热流体腔504的膨胀形状恢复到其原始形状。流体温度的控制将会影响触觉带宽。流体温度的上升和下降速度将会影响连续触觉事件的速度。每一个流体单元502的物理尺寸还会影响用于生成触觉事件的单元的性能。例如，如果流体单元504的尺寸小于半个手指，那么单元504的性能能够被增强，这是因为较小的单元允许快速散热以及单元中流体的快速升温。可以用填充塑性流体的热塑料腔代替填充热反应流体的热流体腔504，以增强触觉事件。通过使用由类塑料的流体(例如，聚乙烯)填充的热塑料腔，可以产生较高的热塑张力。热塑料腔还可以向用户提供不同且独特的触觉事件。可以用一些外来流体(例如，电流变液和/或磁流变液流体)代替热流体腔 504中的热流体。填充电流变液流体的热流体腔504可以用本地或远程电场激励，而填充磁流变液流体的热流体腔504则可以用本地或远程磁场激励。图5(b)是接口装置550的侧视图，其中示出了根据本发明一个实施例的使用热流体腔554的触觉单元502的阵列。装置550还显示了激活的热流体腔5M和激活的激活单元560。在操作过程中，当激活单元560被激活时，热流体腔M4会将其物理容量(或尺寸) 从其初始状态556增大至膨胀热流体腔554。在激活单元560被激活时，它会向热流体腔 554或556提供热量562，以膨胀热流体腔5M或556的尺寸。由于热流体腔554的膨胀， 绝缘层506的局部部分552被创建。一旦热流体腔554中的流体的温度降低，热流体腔5M 的尺寸返回至其初始状态阳6。热流体腔556的初始尺寸与热流体腔556的膨胀尺寸之间的尺寸变化生成触觉效果。应该注意到，激活单元560可以是电加热部件或光加热部件，例如红外敏感制动系统。由此，使用热流体腔552的触觉单元阵列可被用于控制所述装置的触敏表面的表面纹理。图6 (a)是接口装置600的侧视图，其中示出了根据本发明一个实施例的MEMS泵 602的阵列。MEMS泵602的阵列可被用来实现控制表面纹理的触知区域。图示600包括绝缘层606和触觉层612。绝缘层606的顶面被配置为接受来自用户的一次或多次触摸，而绝缘层606的底面则邻近触觉层612的顶面放置。触觉层612的底面可以邻近显示器(未在图6(a)中显示)放置，其中触觉层612和绝缘层606可以是基本透明的，由此可以通过触觉层612和绝缘层606看到显示器中显示的物体或图像。应该注意到，显示器并不是接口装置起作用所必需的组件。触觉层612包括MEMS泵602的网格，其进一步包括至少一个腔体604。每一个 MEMS泵602都包括加压阀608和减压阀610。加压阀608耦合至入口管614，而减压阀610 则耦合至出口管616。高液压下的入口管614被用于通过加压阀608泵送液体，以膨胀腔体 604。类似地，低压下的出口管616被用于通过减压阀610释放液体，以释放来自所述腔体 604的压力。应该注意到，MEMS泵602可以耦合至同一个加压液体贮液器。此外还应该注意到，加压阀608和减压阀可以合并成同时用于入口管614和出口管616的单个阀。还应该注意到，入口管614和出口管616也可以合并成一个管。MEMS泵602的网格包括加压阀608和减压阀610的阵列，其中加压阀608与安装在后部或侧面且受到压力的贮液器耦合，而减压阀610则耦合至具有低压且安装在侧面的减压贮液器。阀608-610控制MEMS泵602中各液体腔的填充和清空，以产生局部张力。使用加压贮液器的优点在于快速变形绝缘层606的表面，并且以最小或无能耗(或费用)保持所述变形。应该注意到，MEMS泵602还可以使用压缩空气或其他气体来实现与液体相似的结果。装置600还包括一组控制线路617-618，该线路分别可以用于控制加压阀608和减压阀610。应该注意到，触觉层612中的每个阀门都是使用经由线路或无线网络传送的电信号可寻址的。图6(b)示出了根据本发明一个实施例且具有MEMS泵604阵列的接口装置620和 650的两个图示。装置620示出了激活的腔体623，其包括激活的入口阀630和去激活的出口阀632。在操作过程中，当入口阀630被激活时，腔体623会将其物理容量(或尺寸)从其初始状态6M增大至膨胀腔体623。当入口阀630响应于来自线路628的电信号而被激活(或打开)时，入口管625将来自加压贮液器的液体拟6泵送到腔体623。由于腔体623 的膨胀，绝缘层606的局部张力622被创建。装置650示出了激活的MEMS泵从腔体的膨胀状态623返回到腔体的初始状态
653。当减压阀660被激活时，该减压阀660将来自腔体653的液体656释放至低压出口
654。应该注意到，减压阀660是经由线路658被至少一个控制信号控制。腔体的初始尺寸 604与腔体的膨胀尺寸623之间的体积变化生成触觉事件。由此，可以使用MEMS泵602的阵列控制接口装置触敏表面的表面纹理。图7示出了根据本发明一个实施例的具有使用可变微孔膜710的触觉单元702阵列的接口装置700的侧视图。微孔膜710可用于实现用以控制表面纹理的区域。装置700 包括绝缘层706和触觉层712。绝缘层706的顶面被配置为接收来自用户的输入，而绝缘层 706的底面则邻近触觉层712的顶面放置。触觉层712的底面放置在显示器(在未图7中显示)上方，其中触觉层712和绝缘层706是透明或半透明的，由此可以通过触觉层712和绝缘层706看到显示器中显示的图像。应该注意到，显示器并不是接口装置起作用所必需的组件。触觉层712包括触觉单元702的网格、入口阀703以及出口阀704。触觉单元702 是能够包含流体的腔体。触觉层712与图6(a)所示的触觉层612相似，区别在于触觉层 712使用的是微孔膜。每个入口阀703受由线路713传送的一个或多个控制信号控制，而每一个出口阀704则受经线路714传送的电信号控制。每个入口阀703或出口阀704都使用至少一个微孔膜710。微孔膜710耦合到(或面对)贮液器，其中每一个薄膜710都被配置为控制应该进入和/或经过薄膜710的液体的量。使用微孔膜的优点是以最小或无能耗保持绝缘层706的变形。由此，使用可变微孔膜710的触觉单元网格可以用于控制装置触敏表面的表面结构。图8是根据本发明一个实施例的具有使用各种谐振装置的触觉单元802阵列的装置800的侧视图。触觉单元802的阵列可用于实现用以控制表面纹理的触知区域。装置800包括绝缘层806和触觉层812。绝缘层806的顶面被配置为接收来自用户的输入，而绝缘层806的底面则邻近触觉层812的顶面放置。触觉层812的底面可以邻近显示器(未在图8中显示)放置，其中触觉层812和绝缘层806可以是基本透明的，由此可以通过触觉层 812和绝缘层806看到显示器中显示的物体或图像。应该注意到，绝缘层806可以是柔性的，由此能在其表面上提供预期的释放信息。触觉层812包括触觉单元802的网格，其中每一个单元802进一步包括永久磁铁 804，电磁铁810以及两个弹簧808。触觉层812与图6(a)所示的触觉层612相似，区别在于触觉层812使用谐振单元，而触觉层612使用MEMS泵。触觉单元802使用谐振机械可收缩装置来生成触觉事件。该谐振机械可收缩装置响应于特定频率振动，其中所述频率可以由安装在侧面的谐振激励器816或是安装在后面的谐振激励器814生成。谐振网格可用于形成触觉层812。每一个单元802都是用谐振机械元件构造的，例如线性谐振致动器或MEMS 弹簧。然而，每一个单元802都被配置为具有略微不同的谐振频率以及高Q值(在谐振和窄谐振频段上高度放大)。由此，每一个单元802都可以用在薄板边缘始发的机械压力波激励。触觉事件还可以由压电或其他高带宽致动器生成。单元802还可以包括一个弹簧808。此外，单元802可以进一步包括两个以上的弹簧808。每一个弹簧808都被配置为对特定范围的频率做出响应，由此每一个弹簧808都可以生成特定的触觉事件。由此，使用各种谐振装置的触觉单元网格可以用于控制接口装置触敏表面的表面纹理。例如，如果触觉机构的位移足够大，例如大于200微米，那么处于例如50Hz或更小的低频处的振荡(或振动效果)有可能足以提供预期的释放信息。本发明的一个或多个例示实施例包含了各种处理步骤(将会如下描述)。这些实施例的步骤可以具体化为机器或计算机可执行指令。这些指令可以用于促使用所述指令编程的通用或专用系统或控制器执行本发明的一个或多个实施例的各个步骤。图9是示出了根据本发明一个实施例而在触觉纺织物上提供触觉反馈的处理的流程图900。在框902，用于提供纺织物触觉反馈的处理接收第一激活信号。在一个实施例中，一旦根据预定参数校准了传感器，该处理根据预定参数监视周围环境。在一个实施例中，用户可以校准一个或多个预定参数以指示哪个或哪些事件应该被检测到。在感测到与触觉纺织物相关联的事件之后，该处理响应于所述事件生成第一激活信号。在一个实施例中，该处理可以响应于触觉纺织物检测到的接触发出触觉信号。在一个替换应用中，该处理可被用来响应于触觉纺织物检测到的运动发出警报触觉信号。在框904，该处理根据第一激活信号来识别编织在触觉纺织物中的一个或多个触觉线。该处理还能够根据第一激活信号确定触觉纺织物表面上的触觉纹理图案。在框906，该处理经由响应于第一激活信号的一个或多个第一触觉线的激活，在触觉纺织物表面的第一部分上生成第一触觉反馈。一旦接收到第二激活信号，该处理根据第二激活信号识别编织在触觉纺织物中的一个或多个第二触觉线。该处理随后经由响应于第二激活信号的一个或多个第二触觉线的激活，在触觉纺织物表面的第二部分上生成第二触觉反馈。该处理还能够重新配置触觉纺织物表面纹理的至少一部分，以根据第一激活信号从第一表面特征变为第二表面特征。图10是示出了根据本发明一个实施例的被配置成能在服装中接受无线电力传输的触觉纺织物制品的图示1000。图示1000包括人1002、触觉纺织物制品1004、手提包1006以及多个例示的辅助电子装置。人1002穿着一件用触觉纺织物1004制造的服装。作为替换，所述服装的仅仅一部分用触觉纺织物1004制造。应该注意到，即使向图示1000中添加或从中删除附加装置，本发明的底层概念也不会改变。例如，辅助电子装置可被用于经由无线和/或基于导电接触的电力传输来为触觉纺织物1004供电。作为替换，辅助电子装置可以经由无线和/或基于导电接触的通信总线来与触觉纺织物1004交换数据信号。该导电接触可以包括微接触点(或凸块)，并且在与触觉纺织物1004接触时，它可以向触觉纺织物1004提供电力或信息。所述无线通信网络例如可以使用各种类型的通信协议中的一种，例如802. 11 ± WLAN、蜂窝(GPRS、CDMA、GSM、 CDPD、2. 5G、3G等)、Bluetooth、超宽带(UffB)、WiMax、Zigbee、环境网络和/或其他自组织 /网状网络技术。无线电力传输是一种将电能从诸如辅助装置的电源传送到诸如触觉纺织物1004 的电装置的过程。例如，无线电力传输可以通过实施各种电力传输技术来实现，例如电感耦合或谐振感应。与耳机类似且位于耳部的辅助电子装置1010通过如图1(a)所示的柔性触摸表面层102无线地接收电力或数据。作为替换，与项链类似且位于颈部或胸部的辅助电子装置 1020通过柔性触摸表面层无线地接收电力或数据。此外，与手表或手腕向的电子装置(即手带)相类似且位于腕部的辅助电子装置1030通过柔性触摸表面层无线地接收功率和数据。作为替换，与指环向的通信装置相似且位于手指的辅助电子装置1040通过柔性触摸表面层无线地接收电力或数据。另外，与蜂窝电话相似且处于口袋中的辅助电子装置1050通过柔性触摸表面层无线地接收电力或数据。位于手提包1006、背包、皮箱或是覆盖了纺织物的其他携带容器内或之上的辅助电子装置1050可以通过柔性触摸表面层无线地接收电力和/或数据。虽然在上文中显示并描述了辅助电子装置的例示实施例，但对本领域技术人员显见的是可以实现更多的电子装置类型及其在身上或不在身上的位置。应该注意到，提供给触觉纺织物的电力可以是从其他装置传送的。该电力既可以用于为这些装置充电，也可以充当激活机构来允许装置通过阈值激活能级，其中所述能级允许装置以一种其本身因为电力约束而无法工作的方式工作。使用能够由远程电源经由无线连接供电的触觉装置的优点在于由于不需要很大的电池或者可能并不需要电池，因此触觉装置的尺寸可以更小且重量可以更轻。使用能够通过无线电力传输供电的触觉装置的另一个益处在于所述装置具有更大的物理空间来容纳那些由远程电源供电的触觉制动组件。所述辅助触觉装置例如可以与触觉纺织物串联使用，或者可以作为附加的触觉通信信道来使用。图11是示出了根据本发明一个实施例的在触觉纺织物与辅助电子装置之间无线传送电力和/或数据的处理的流程图1100。在框1102，用于提供纺织物触觉反馈的处理接收第一激活信号。一旦依照预定参数校准了传感器，该处理能够根据预定参数持续监视周围环境。例如，用户可以校准一个或多个预定参数以指示哪个或哪些事件应该被检测。在感测到与触觉纺织物相关联的事件之后，该处理响应于所述事件生成第一激活信号。该处理响应于由该触觉纺织物检测到的接触发出接触触觉信号。作为替换，该处理还可以响应于触觉纺织物检测到的运动发出警报触觉信号。
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在框1103，该处理根据第一激活信号识别编织在触觉纺织物中的一个或多个触觉线。该处理还能够根据第一激活信号确定触觉纺织物表面上的触觉纹理图案。在框1104，该处理识别由第一激活信号请求的一个或多个功能1105-1107，并且能够共同或分别做出响应。如果该处理识别出所请求的是触觉响应，则框1108被激活。如果该处理识别出所请求的是数据响应，则框1109被激活。作为替换，如果该处理识别出所请求的是电力响应，则框1110被激活。在框1108，该处理经由响应于第一激活信号的一个或多个第一触觉线的激活，在触觉纺织物表面的第一部分上生成第一触觉反馈。一旦接收到第二激活信号，则该处理根据第二激活信号来识别编织在触觉纺织物中的一个或多个第二触觉线。该处理随后经由响应于第二激活信号的一个或多个第二触觉线的激活，在触觉纺织物表面的第二部分上生成第二触觉反馈。该处理还能够重新配置触觉纺织物表面纹理的至少一部分，以根据第一激活信号从第一表面特征变为第二表面特征。在框1109，该处理生成数据传输信号，以在触觉纺织物与辅助电子装置之间传送信息。该处理能够经由无线通信网络与辅助电子装置通信。在框1110，该处理生成电力传输信号，以经由无线电力传输在触觉纺织物与辅助电子装置之间传送电力。虽然已经显示并描述了本发明的特定实施例，但本领域技术人员显见的是，可以基于本文的教导做出各种变化和修改而不脱离本发明及其更广泛的方面。因此，附加权利要求旨在将此类落入本发明的一个或多个例示实施例的真实本质或范围的变化和修改包含在其范围中。
权利要求
1.一种柔性设备，包括多个传感电路，其能够根据一个或多个感测到的事件来提供至少一个激活信号；以及致动表面，其耦合至所述多个传感电路并且能够响应于激活信号生成触觉反馈，其中所述柔性设备包括多个触觉线。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括透明的柔性表面，其耦合至触觉纺织物用于为所述触觉纺织物提供保护；以及辅助电子装置，其耦合至所述触觉纺织物并且能够提供无线电力传输。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括多个触觉反馈机构，其耦合至所述触觉纺织物并且被配置为提供触觉反馈；以及电源，其耦合至所述多个触觉反馈机构并且被配置为提供电力。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个传感电路包括能够检测与触觉纺织物的接触的传感器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述多个传感电路包括能够检测周围状况中的一种的传感器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述感测到的事件被配置为与一组预定参数相比较，其中该组预定参数能够被有选择地校准用以检测触摸运动和物理状况中的一种。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述触觉纺织物被配置为是触知反馈布料，其中多个触觉纱线被交织，从而能够提供触觉反馈。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述多个触觉纱线包括多个线以及多个触觉线， 其中所述多个线和多个触觉线被互相编织在一起，用以重新配置所述触觉纺织物表面的图案。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个触觉线包括压电材料、微机电系统 (“MEMS”)元件、热流体腔、MEMS泵、谐振装置、可变微孔膜、层流调制中的一种。
10.一种能够生成触觉反馈的智能衣服，包括权利要求1所述的设备。
11.一种能够生成触觉反馈的家具，包括权利要求1所述的设备。
12.一种提供纺织物触觉反馈的方法，包括 接收第一激活信号；根据所述第一激活信号识别编织在触觉纺织物中的多个触觉线中的一个或多个第一触觉线；以及经由响应于所述第一激活信号的所述一个或多个第一触觉线的激活，在所述触觉纺织物表面的第一部分上生成第一触觉反馈。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括 根据预定参数校准多个传感器；根据所述预定参数监视周围环境；根据所述预定参数感测与所述触觉纺织物相关联的事件；以及响应于所述事件生成所述第一激活信号。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括 接收第二激活信号；根据所述第二激活信号识别编织在触觉纺织物中的多个触觉线中的一个或多个第二触觉线；以及经由响应于所述第二激活信号的所述一个或多个第二触觉线的激活，在所述触觉纺织物表面的第二部分上生成第二触觉反馈。
15.根据权利要求12所述的方法，其中接收第一激活信号还包括响应于检测到所述触觉纺织物上的触摸，发布接触触觉信号。
16.根据权利要求12所述的方法，其中接收第一激活信号还包括响应于检测到所述触觉纺织物附近的运动，发布警报触觉信号。
17.根据权利要求12所述的方法，其中识别编织在触觉纺织物中的多个触觉线中的一个或多个第一触觉线还包括根据所述第一激活信号确定所述触觉纺织物表面上的触觉纹理图案。
18.根据权利要求12所述的方法，其中在所述触觉纺织物表面的第一部分生成第一触觉反馈包括根据所述第一激活信号重新配置所述触觉纺织物的表面纹理的至少一个部分，以从第一表面特征变为第二表面特征。
19.一种能够提供来自智能衣服的触觉反馈的处理，包括权利要求12的方法。
20.一种用于提供纺织物触觉反馈的设备，包括 用于接收第一激活信号的装置；用于根据所述第一激活信号识别编织在触觉纺织物中的多个触觉线中的一个或多个第一触觉线的装置；以及用于经由响应于所述第一激活信号的所述一个或多个第一触觉线的激活，在所述触觉纺织物表面的第一部分上生成第一触觉反馈的装置。
21.根据权利要求20所述的设备，还包括 用于根据预定参数校准多个传感器的装置； 用于根据所述预定参数监视周围环境的装置；用于根据所述预定参数感测与所述触觉纺织物相关联的事件的装置；以及用于响应于所述事件生成所述第一激活信号的装置。
22.根据权利要求20所述的设备，还包括 用于接收第二激活信号的装置；用于根据所述第二激活信号识别编织在所述触觉纺织物中的多个触觉线中的一个或多个第二触觉线的装置；以及用于经由响应于第二激活信号的一个或多个第二触觉线的激活，在触觉纺织物表面的第二部分上生成第二触觉反馈的装置。
全文摘要
公开了一种用于在触觉纺织物的表面上生成触觉反馈的方法和系统。柔性触觉结构包括一组传感电路和触觉纺织物。诸如触敏检测器或运动检测器的所述传感电路根据感测到的事件提供至少一个激活信号。所述触觉纺织物用互相编织的线和/或纱线构成，并且能够响应于所述激活信号生成触觉反馈。
文档编号G06F3/01GK102292688SQ200980155029
公开日2011年12月21日 申请日期2009年12月7日 优先权日2008年12月10日
发明者M·巴克尔哲奥卢, R·W·霍伊贝, R·斯泰戈 申请人:英默森公司