本公开涉及电子器件领域，并且更具体地讲，涉及触觉领域。
背景技术：
触觉技术正变成向用户传达信息的更流行方式。触觉技术可以简称为触觉，是基于触觉反馈的技术，通过向用户施加相对量的力模拟用户的触摸感觉。
触觉设备或触觉致动器是向用户提供触觉反馈的设备示例。具体而言，触觉设备或致动器可以通过致动质块而向用户施加相对量的力，所述作为触觉设备一部分。通过各种形式的触觉反馈，例如，产生较长和较短的力或振动脉冲串，可以向用户传达信息。
技术实现要素：
一种电子设备可以包括触觉致动器，该触觉致动器可以包括外壳和在外壳之内能够移动的场构件。该电子设备还可以包括能够驱动触觉致动器并感测用于触觉致动器的驱动电压和驱动电流中的至少一者的驱动器，以及与驱动器协作的闭环控制器。该闭环控制器可以能够基于驱动电压和驱动电流中的至少一者确定触觉致动器的校准，存储针对场构件的至少一种参考移动模式，以及基于触觉致动器的校准和场构件的至少一种参考移动模式驱动处于闭环配置中的触觉致动器。因此，可以基于触觉致动器的校准和场构件的至少一种参考移动模式驱动该触觉致动器，使得，例如，场构件可以从初始停靠位置移动到就绪状态操作而不接触机械限动器。
该电子设备还可以包括能够感测场构件在其移动期间的位置的位置传感器。该闭环控制器可以能够基于例如场构件的所感测的位置确定校准。该闭环控制器可以能够基于位置传感器闭合该闭环配置。该闭环控制器可以能够基于例如位置传感器跟踪场构件的轨迹。
该闭环控制器可以能够基于该场构件的速度确定该触觉致动器的校准。该闭环控制器可以能够基于场构件的速度闭合该闭环配置。该闭环控制器可以能够基于场构件的速度跟踪场构件的轨迹。
该至少一种参考移动模式可以包括多种不同的参考移动模式，每种参考移动模式对应于触觉反馈的多种不同操作模式中的所期望的一种。多种参考模式的每种可以具有例如与其相关联的不同驱动波形。
该闭环控制器可以包括处理器和耦接到其上的存储器。该存储器可以能够例如存储述触觉致动器的校准和至少一种参考模式。
该驱动器可以能够以多个不同频率驱动触觉致动器。该闭环控制器可以能够基于例如该触觉致动器在多个不同频率下的感测阻抗确定该校准。
该闭环控制器可以能够例如在给定时间段内确定触觉致动器的校准并基于该给定时间段内触觉致动器的校准驱动处于闭合配置中的触觉致动器。该闭环控制器可以能够例如基于电阻、电感、电容和电动机常数中的至少一者确定该触觉致动器的校准。该位置传感器可以包括电容式传感器、光学传感器和磁性传感器中的至少一者。
该触觉致动器可以包括由外壳承载的至少一个场构件。该场构件可以响应于至少一个线圈而在外壳之内可移动，该闭环控制器能够通过为至少一个线圈产生驱动波形而驱动该触觉致动器。
该触觉致动器可以包括由外壳承载的至少一个永磁体。该场构件可以包括与至少一个永磁体协作的至少一个线圈，且该闭环控制器可以能够通过为至少一个线圈产生驱动波形而驱动该触觉致动器。
另一个设备方面涉及一种电子设备，该电子设备可以包括外壳、由外壳承载的无线通信电路，以及由外壳承载的触觉致动器。该触觉致动器可以包括致动器外壳和在致动器外壳之内可移动的场构件。该电子设备还可以包括能够驱动触觉致动器并感测用于触觉致动器的驱动电压和驱动电流中的至少一者的驱动器。该电子设备还可以包括与驱动器协作的闭环控制器。该闭环控制器可以能够基于驱动电压和驱动电流中的至少一者确定触觉致动器的校准，并存储用于场构件的至少一种参考移动模式。该闭环控制器还可以能够基于触觉致动器的校准和场构件移动的至少一种参考模式驱动处于闭环配置中的触觉致动器。设备控制器可以耦接到无线通信电路和触觉致动器，并可以能够执行至少一种无线通信功能且选择性操作触觉致动器。
方法方面涉及一种操作触觉致动器的方法，该触觉致动器包括外壳和外壳之内可移动的场构件。该方法可以包括使用驱动器驱动触觉致动器并使用驱动器感测用于触觉致动器的驱动电压和驱动电流中的至少一者。该方法还可以包括使用闭环控制器与驱动器协作以基于场构件的所感测的位置以及驱动电压和驱动电流中的至少一者确定触觉致动器的校准，并存储针对场构件的至少一种参考移动模式。该方法还可以包括使用该闭环控制器基于触觉致动器的校准和场构件移动的至少一种参考模式驱动处于闭环配置中的触觉致动器。
附图说明
图1是根据本发明实施方案，包括触觉致动器的电子设备的透视图。
图2是图1的电子设备的示意框图。
图3是图1的触觉致动器的更详细示意图。
图4a和4b分别是根据实施方案，针对触觉致动器的频率对幅度以及频率对相位的伯德图。
图5a是根据实施方案，针对图3的触觉致动器产生的示范性250hz微轻击驱动波形的曲线图。
图5b是对应于图5a的驱动波形的示范性轻击动量的曲线图。
图6a是根据实施方案，针对图3的触觉致动器产生的示范性方形微轻击驱动波形的曲线图。
图6b是对应于图6a的驱动波形的预期和观测位移和速度的曲线图。
图7a是根据实施方案，针对图3的触觉致动器产生的示范性正弦微轻击驱动波形的曲线图。
图7b是对应于图7a的驱动波形的预期和观测位移和速度的曲线图。
图8a是根据实施方案，针对图3的触觉致动器产生的示范性谐振共鸣驱动波形的曲线图。
图8b是对应于图8a的驱动波形的位移和速度的曲线图。
图9是根据另一实施方案的闭环控制器的示意图。
图10是根据另一实施方案的触觉致动器的示意图。
具体实施方式
现在将结合示出了本发明的优选实施例的附图而在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以多种不同的形式体现，并且不应将本发明理解为受限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公开为周密且完整的，并且将向本领域的技术人员充分地表达本发明的范围。在全文中，类似的编号指示类似的元件，并且使用右上角加撇来描述不同实施例中的类似元件。
一开始参考图1和2，电子设备20例示性地包括设备外壳21和由设备外壳承载的设备控制器22。该电子设备20例示性地为移动无线通信设备，例如，可穿戴无线通信设备，并包括用于将其固定到用户身上的带子28或绑带。电子设备20可以是另一种类型的电子设备，例如，蜂窝电话、平板计算机、膝上型计算机等。
无线通信电路25(例如，蜂窝的、wlan蓝牙等)也承载于设备外壳21之内并耦接到设备控制器22。无线通信电路25与设备控制器22协作以执行例如用于语音和/或数据的至少一个无线通信功能。在一些实施方案中，电子设备20可以不包括无线通信电路25。
显示器23也由设备外壳21承载并耦接到设备控制器22。本领域的技术人员将会认识到，显示器23可以是例如液晶显示器(lcd)，或者可以是另一种显示器。
手指操作的用户输入设备24a、24b被例示为按钮开关和旋转轮盘的形式，也由设备外壳21承载并也耦接到设备控制器22。按钮开关24a和旋转轮盘24b与设备控制器22协作以响应于其操作执行设备功能。例如，设备功能可以包括对电子设备20加电或断电，经由无线通信电路25发起通信，和/或执行菜单功能。
电子设备20例示地包括触觉致动器40。触觉致动器40耦接到设备控制器22并以较长和较短振动或“轻击”的形式向用户提供触觉反馈，尤其是在用户穿戴电子设备20的时候。振动可以表示接收的消息，振动的持续时间可以表示所接收消息的类型。当然，振动可以表示或传达其他类型的信息。更具体而言，该设备控制器22施加电压以在第一和第二位置之间移动可移动体或质块51。
尽管描述了设备控制器22，但应当理解，设备控制器22可以包括处理器和其他电路中的一个或多个以执行本文所述的功能。控制器22还可以被实现为现场可编程门阵列(fpga)、微控制器、数字信号处理器(dsp)、中央处理单元(cpu)或专用集成电路中的一种或多种。
现在额外参考图3，触觉致动器40包括致动器外壳41和由外壳承载的线圈44。当然，可以有超过一个由外壳41承载的线圈。
场构件50响应于线圈44而在外壳41之内可移动。场构件50的移动生成触觉反馈或轻击，如本领域的技术人员将要认识到那样。尽管可以将场构件50的移动描述为可以沿一个方向移动，即，线性触觉致动器，但应当理解，在一些实施方案中，场构件可以在其他方向上移动，即，角触觉致动器，或者可以是线性和角触觉致动器两者的组合。
场构件50可以包括一个或多个质块51并可以针对特定应用或操作设定形状。场构件50还可以包括一个或多个与线圈44协作的永磁体52以实现场构件的移动。场构件50还可以包括悬架系统，其可以包括一个或多个弹簧，用于使场构件保持悬挂于外壳41中。弹簧可以包括机械弹簧，例如，卷簧、片簧和挠曲。弹簧也可以或额外包括磁性弹簧，其通过与致动器外壳41的永磁体和/或铁氧体部件(如果有的话)交互而存储并放大弹性/磁性能量形式的能量。此外，悬架系统，例如通过轴、线性/角轴承、滑动轴承、挠曲、多杆连接机构和弹簧，可以使得场构件50能够在期望方向(例如，线性致动器中的x轴或角致动器中绕特定轴)中运动，同时约束其他自由度中的运动。悬架系统可以包括其他和/或额外的部件，用于维持场构件50的悬挂以及约束场构件的移动。
触觉致动器40还包括外壳41和场构件50之间的机械限动器45a、45b。机械限动器45a、45b将场构件的移动限制到期望范围且/或使场构件停止，以免撞到或猛击外壳41。尽管描述了机械限动器45a、45b，但将要认识到，机械限动器可以是外壳41的一部分。
典型地，电路产生正弦驱动波形，其驱动场构件从初始停靠位置移动。不过，本领域的技术人员将会认识到，在静止或停靠位置中，场构件50具有与其相关联的静摩擦力，这可能导致场构件尽管施加驱动电压也“被卡住”。于是需要一定量的力或电压来克服这一静摩擦力以让场构件50移动。从停靠位置驱动场构件50的一种方法是增大正弦驱动波形的驱动电压或振幅。不过，一旦克服了静摩擦力，场构件50典型地会迅速加速并撞到或重击机械限动器45a、45b。
在一些应用中，可能尤其希望不让场构件50撞击或重击机械限动器45a、45b，因为这样会产生对应的“砰”的噪音。为了减少例如由振幅增大造成的噪音的量，电子设备20可以包括用于驱动场构件50而不接触机械限动器45a、45b的电路，如下文将要更详细所述。
为了驱动场构件50而不接触机械限动器45a、45b，该电子设备20例示性地还可以包括位置传感器33，其感测场构件在其移动期间的位置。例如，位置传感器32可以是电容式传感器、光学传感器、磁性传感器、电容式传感器、反电动势传感器、压阻传感器或压电传感器。当然，可以有超过一个位置传感器32，每个位置传感器都可以是不同类型的传感器。本领域的技术人员将要认识到，位置传感器32可以感测或输出触觉致动器30的x位置的脉冲密度调制信号，并可以用于闭合闭环和/或跟踪场构件50的期望轨迹。
驱动器33驱动触觉致动器40并感测用于触觉致动器的驱动电压和驱动电流。驱动器33可以感测用于触觉致动器40的驱动电压和驱动电流两者。在一些实施方案中，驱动器33可以以不同频率驱动触觉致动器40，如下文将要更详细所述，这可以用于估计系统或触觉致动器参数。驱动器33可以包括耦接到其上的d类放大器35和升压转换器36，用于触觉致动器40和闭环控制器60之间的信号处理。此外，来自位置传感器32的位置数据，例如，x轴位置数据可以由驱动器33的位置感测部件36处理。
闭环控制器60与位置传感器32和驱动器33协作以基于场构件50的所感测的位置以及驱动电压和驱动电流的一者或多者确定触觉致动器40的校准。闭环控制器60包括处理器61和耦接到其上的存储器62。尽管描述了处理器61和耦合到其上的存储器62，但本领域的技术人员应当理解，可以有超过一个处理器和/或存储器并且它们可以被共享。而且被描述为由闭环控制器60执行的功能应当被理解为由处理器61执行。存储器62存储触觉致动器30的校准和参考模式。可以基于例如电阻、电感、电容和电动机常数中的一者或多者确定校准。当然，可以基于其他和/或额外的因素确定校准。
闭环控制器60，尤其是处理器61在存储器62中存储针对场构件50的移动的参考模式。移动的参考模式是不同的，每种参考移动模式对应于触觉反馈的不同工作模式中的所期望的一种。更具体而言，可能希望在例如共鸣(更长持续时间的反馈)模式、轻击(短持续时间)模式、微轻击模式和制动模式的任何模式中操作触觉致动器30，每种参考模式都具有与其相关联的不同驱动波形。可以基于期望类型的触觉反馈以任意数量的模式操作触觉致动器40。
闭环控制器处理器61还基于触觉致动器的校准和场构件移动的至少一种参考模式驱动处于闭环配置中的触觉致动器。在驱动器33以不同频率驱动触觉致动器的情况下，闭环控制器60基于触觉致动器在多个不同频率下感测的阻抗确定校准。
在一些实施方案中，闭环控制器处理器61可以在给定时间段内确定触觉致动器的校准并存储在存储器62中。闭环控制器60可以基于该给定时间段内触觉致动器的校准驱动处于闭环配置中的触觉致动器40。换言之，可以在给定时间段内学习触觉致动器30的校准。
闭环控制器60可以接收命令、指令和/或触发信号作为输入，这会触发闭环控制器产生期望波形，或者换言之，基于校准并在上述模式(例如，微轻击或可以由上游系统处理器或控制器22合成的期望的任意波形)之一中驱动触觉致动器40。闭环控制器60还可以任选地接收期望的轨迹输入作为输入，以“推动”闭环控制器遵循例如任意合成的波形。
现在将描述闭环控制器60的更多细节。闭环控制器60的处理器61可以作为状态观察器工作，如本领域的技术人员将认识到的，这可以基于触觉致动器40或系统的动态模型，例如，电动机常数和/或电动机电容，并使用系统识别协议或自适应观察器，产生状态空间模型。状态观察器可以包括线性二次曲线估计或基于其工作，例如，kalman滤波器。换言之，可以基于线性二次曲线估计来确定校准。
由于可能特别希望获得质块51的速度，闭环控制器60可以基于实测电压和电流估计速度，并可以忽略触觉致动器40或系统的机械模型。如本领域的技术人员所认识的，闭环控制器60可以使用该速度闭合闭环和/或跟踪期望的轨迹。
致动器可以定义为：
状态空间模型可以定义为：
离散域中的状态空间可以定义为：
将以上连续应用于离散变换：
状态观察器：
通过将被观察系统的磁极(ac-lccc)置于λ1、λ2、λ3处来设置状态观察器增益lc。离散域观察器增益可以被估计为：ld＝(ac-1(ad-i)lc。
现在将描述触觉致动器40相对于电阻抗分析的系统标识。触觉致动器40在laplace域中的动态可以定义为：
触觉致动器30的电阻抗可以描述为：
如上所述，可以通过在不同频率退出或驱动触觉致动器40并测量复电阻抗来估计系统的参数。这可以通过例如使用i/q模式或快速傅里叶变换(fft)来完成。对于基于闭环控制器60的较简单速度而言，可以在dc电流上仅估计电阻r，使得：
2/r＝i(+v)-i(-v)。
图4a和4b中的曲线图70、71分别是触觉致动器40的电阻抗分析的频率对幅度和频率对相位的伯德图。
现在将描述触觉反馈的不同参考移动模式，尤其是每种参考移动模式对应不同的操作模式的更多细节。具体而言，可以将称为“微轻击驱动控制”的一种触觉反馈模式描述为：
可以将称为“正弦轻击”(例如，低频轻击微轻击)的另一种模式描述为：
其他模式包括：
“谐振共鸣驱动”：
“特定频率共鸣驱动”：
“轻击共鸣制动控制”：
“轻击驱动砰砰控制”：
“共鸣驱动砰砰控制”：
当然，如本领域的技术人员所认识到的，可以有其他和/或额外的模式。
可以如下应用一种平滑驱动信号，例如，一阶低通滤波器：
uf[n]＝αu[n]+(1-α)u[n-1]
现在参考图5-8，示范性曲线图示出了针对几种模式的不同驱动波形、动量、电压和/或位移的模拟。特别参考图5a中的曲线图72，针对触觉致动器40示出了针对250hz处的“微轻击”的归一化驱动波形。图5b的曲线图73示出了250hz处“微轻击”的轻击动量。
图6a的曲线图74示出了“方形微轻击”(在大于130hz的频率下)的驱动波形，图6b中的曲线图75示出了“方形微轻击”响应，线76表示预期位移(单位mm)，线77表示预期速度(单位m/s)，线78表示观测位移(单位mm)，线79表示观测速度(单位m/s)。
图7a的曲线图80示出了“正弦微轻击”(在大于130hz的频率下)的驱动波形，图7b中的曲线图81示出了“正弦微轻击”响应，线82表示预期位移(单位mm)，线83表示预期速度(单位m/s)，线84表示观测位移(单位mm)，线85表示观测速度(单位m/s)。
图8a中的曲线图86示出了“谐振共鸣”驱动波形。图8b中的曲线图87示出了“谐振共鸣”模式的位移88(单位mm)和速度89(单位m/s)。
现在参考图9中的示意图，示出了被实现为现场可编程门阵列(fpga)的闭环控制器60’的示范性实施方案的更详细示意图。具有输入57’的时钟发生器55’例示性地由基板56’承载。存储器62’被例示性地划分并包括用于存储配置参数的配置存储器63’、用于存储命令的命令缓存64’和用于存储感测数据和/或其他数据的寄存器65’。存储器62’还包括校准存储器66’，用于存储与校准相关的数据，例如，电阻、电感、电容和电动机常数。按钮触发输入67’耦接到命令缓存64’，重置输入68’和状态输出69’，即已完成的命令，耦接到配置存储器63’。串行外围设备接口(spi)90’耦接到寄存器65’。
命令缓存64’可以输出不同的参考移动模式，每种参考移动模式对应于触觉反馈的多种不同操作模式的期望一种，例如轻击91’、共鸣92’和制动93’。轻击91’、共鸣92’和制动93’操作模式的每种的输出都耦接到复用器94’，其输出耦接到滤波器95’，例如，一阶低通滤波器。轻击91’、共鸣92’和制动93’模式的每种都具有输入，其可以接收10khz的信号并耦接到状态观察器96’，上文已经描述了状态观察器。如上所述，状态观察器96’接收或协作接收或感测驱动电流和驱动电压。在本实施方案中，状态观察器从ic间声音(i2s)接口97’接收感测的驱动电流和驱动电压。
滤波器95’的输出还耦接到i2s接口99’(例如，16位输出)，并还耦接到脉动密度调制器(pdm)99’。pdm例如在6mhz下输出时钟信号101’和数据信号102’。i2s接口99’耦接到复用器103’的输入。复用器103’的另一个输入耦接到包括校准的通过器104’。通过器104’耦接到另一个i2s接口105’并在例如48khz下与其通信。通过器104’可以任选地耦接到轻击91’、共鸣92’和制动93’模式的每种。
方法方面涉及一种操作触觉致动器40的方法，该触觉致动器包括致动器外壳41和外壳之内的场构件50。该方法包括使用位置传感器32感测场构件在其移动期间的位置，使用驱动器33驱动触觉致动器40，以及使用驱动器感测触觉致动器的驱动电压和驱动电流的至少一者。该方法还包括使用闭环控制器60与位置传感器32和驱动器33协作以基于场构件的所感测的位置以及驱动电压和驱动电流的至少一者确定触觉致动器的校准，存储针对场构件的至少一个参考移动模式，以及基于触觉致动器的校准和至少一个场构件的参考移动模式驱动处于闭环配置中的触觉致动器。
现在参考图10，在另一个实施方案中，触觉致动器40”可以包括由致动器外壳41”承载的永磁体52”，场构件50”可以包括与永磁体协作的一个或多个线圈44”。换言之，与上文所述的实施方案相反，永磁体是静止的(即，由致动器外壳41”承载)，线圈44”作为场构件50”的部分是移动的(即，连接到质块)。当然，可以有任意数量的线圈和/或永磁体。
受益于前文描述及相关附图中所呈现的教导内容的本领域的技术人员将想到本发明的许多修改形式和其他实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改形式和实施例旨在涵盖于所附权利要求书的范围内。