3d觸覺感應(yīng)設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明描述了一種用于在三維空間中獲取觸力幅和觸點(diǎn)位置的設(shè)備、算法和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]三維空間中的觸覺傳感對(duì)于各種用于機(jī)器人、游戲、觸覺反饋、外科手術(shù)、醫(yī)療保健、動(dòng)畫制作、虛擬或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、軟件和硬件開發(fā)、遙控操作和安全系統(tǒng)等的應(yīng)用都是有用的。對(duì)于這些應(yīng)用而言，理想的是使使用者沉浸于某種體驗(yàn)中并引導(dǎo)其在真實(shí)、虛擬、增強(qiáng)或模擬環(huán)境中遨游。
[0003]傳統(tǒng)的觸屏僅可感測(cè)觸點(diǎn)位置，而不能感測(cè)使用者于觸點(diǎn)處施加的力的幅度。
[0004]市場(chǎng)上有多種壓力傳感器墊，這些壓力傳感器墊通過以矩陣形式排列多個(gè)觸覺感應(yīng)元件而形成以便獲取觸點(diǎn)和幅度信息。然而，該觸覺傳感陣列有其局限性。首先，感應(yīng)元件的輸出信號(hào)僅可在所施力超過特定閾值之后才能檢測(cè)到，因此其不能檢測(cè)微幅度級(jí)別的輕柔觸摸。第二，感應(yīng)元件的尺寸可能較大，因此，當(dāng)在該元件上施加力時(shí)，基于表示該元件總面積上所施總力的相應(yīng)輸出信號(hào)，我們僅能知道觸摸了該元件內(nèi)的某個(gè)地方，而不能確定準(zhǔn)確的觸摸位置。第三，感應(yīng)元件之間存在縫隙。如果施加力的位置在縫隙的附近，控制線路板可接收到來自多個(gè)感應(yīng)元件的輸出信號(hào)，因而不能獲知準(zhǔn)確的觸點(diǎn)。雖然可在微型觸覺感應(yīng)元件上安裝壓力傳感器墊，使相鄰元件之間的縫隙較小，但這樣做的成本卻很高。
[0005]鑒于上述設(shè)備和裝置的缺陷，本發(fā)明的目的是通過增加觸力傳感特征來增強(qiáng)傳統(tǒng)觸屏的功能性，并提高觸力點(diǎn)傳感分辨力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明中，觸點(diǎn)位置傳感層和觸點(diǎn)力幅傳感層重疊在一起以在3D空間中實(shí)現(xiàn)觸力的感測(cè)。
[0007]所述觸點(diǎn)位置傳感層可與用于構(gòu)造紅外觸屏、電阻式觸屏和電容式觸屏的技術(shù)結(jié)合在一起。
[0008]所述觸點(diǎn)力幅傳感層由觸覺感應(yīng)元件組成，所述觸覺感應(yīng)元件以矩陣形式分布以便在平表面或曲表面上形成傳感柵格。特達(dá)(tactel)是一種“觸覺感應(yīng)元件”。每個(gè)特達(dá)都可檢測(cè)出施加在其上的力。相鄰特達(dá)可結(jié)合在一起以便獲知該區(qū)域周圍的總觸力。所述傳感層可呈薄膜或剛性的形式。
[0009]所述控制線路板上的電子電路是用于從觸點(diǎn)位置傳感層獲取觸點(diǎn)信號(hào)，并從所述觸點(diǎn)力幅傳感層上的每個(gè)特達(dá)處獲取力幅信號(hào)。對(duì)于所述觸點(diǎn)位置傳感層提供的每個(gè)觸點(diǎn)位置，在其附近會(huì)有一個(gè)或多個(gè)特達(dá)?；谟|點(diǎn)位置周圍的總特達(dá)輸出，所述控制線路板的微控制器或個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)中的算法會(huì)估算出該觸點(diǎn)位置周圍的總觸力。
[0010]以下附圖、說明書和權(quán)利要求書將對(duì)具體實(shí)施例的細(xì)節(jié)進(jìn)行說明。
【附圖說明】
[0011]圖1示出了 3D觸覺感應(yīng)設(shè)備的概念圖。
[0012]圖2示出了觸點(diǎn)力幅傳感層上的典型特達(dá)設(shè)置。
[0013]圖3示出了一個(gè)觸點(diǎn)周圍檢測(cè)出多個(gè)特達(dá)輸出的情況。
[0014]圖4示出了一個(gè)觸點(diǎn)周圍檢測(cè)出單個(gè)特達(dá)輸出的情況。
[0015]圖5示出了在多個(gè)觸點(diǎn)周圍檢測(cè)出單個(gè)特達(dá)輸出的情況。
[0016]圖6示出了在3D空間中測(cè)到的觸力和觸點(diǎn)。
[0017]圖7示出了測(cè)到的左掌壓力分布。
[0018]圖8示出了 3D觸覺感應(yīng)設(shè)備上的手指觸摸輪廓。手指位置、觸力和移動(dòng)路徑可被解釋并用于不同應(yīng)用中。
[0019]圖9示出了用3D觸覺感應(yīng)設(shè)備控制機(jī)器人的力道和運(yùn)動(dòng)的概念。
[0020]圖10示出了用一根手指控制的概念。
[0021]圖11示出了用多根手指控制的概念。
[0022]圖12示出了用兩根手指控制旋轉(zhuǎn)的概念。
[0023]圖13示出了 3D觸覺感應(yīng)設(shè)備的附加功能的概念。
[0024]圖14示出了用3D觸覺感應(yīng)設(shè)備控制部件拋光的概念。
[0025]圖15示出了用3D觸覺感應(yīng)設(shè)備控制移動(dòng)式機(jī)器人的概念。
[0026]圖16示出了 3D觸覺感應(yīng)設(shè)備用于游戲的概念。
[0027]圖17示出了用于游戲的旋轉(zhuǎn)控制的概念。
[0028]圖18示出了 3D設(shè)備用于動(dòng)畫制作的概念。
【具體實(shí)施方式】
[0029]如圖1所示，本發(fā)明的3D觸覺感應(yīng)設(shè)備包括觸點(diǎn)位置傳感層101和觸點(diǎn)力幅傳感層102，兩者結(jié)合在一起并彼此互補(bǔ)以便在三維空間中實(shí)現(xiàn)觸力的感測(cè)?；?03用于托起這兩個(gè)層101和102。
[0030]觸點(diǎn)位置傳感層101可為柔性薄膜形式或者剛性觸屏形式，比如紅外觸屏、電阻式觸屏以及電容式觸屏。對(duì)于紅外觸屏，其可僅為不具有薄膜層的框架，觸力將直接施加在觸點(diǎn)力幅傳感層上。
[0031]在觸點(diǎn)力幅傳感層102上設(shè)置有特達(dá)，特達(dá)的形狀可為正方形、長(zhǎng)方形、圓形、橢圓形或其它形狀。如圖2所示，在本實(shí)施例中，多個(gè)正方形特達(dá)分布而形成特達(dá)柵格，相鄰的兩個(gè)特達(dá)之間具有小縫隙。每一正方形特達(dá)的尺寸可在小于Immxlmm到大于1mmxlOmm范圍內(nèi)。觸點(diǎn)力幅傳感層的空間分辨率取決于特達(dá)的尺寸及其縫隙。特達(dá)的尺寸及其縫隙越小，空間分辨率越大；但反過來，構(gòu)造成本越高。
[0032]觸點(diǎn)位置傳感層101和觸點(diǎn)力幅傳感層102的空間分辨率可有所不同?；诔杀究紤]，可對(duì)用于觸點(diǎn)力幅傳感層102中的特達(dá)的質(zhì)量進(jìn)行限制，因此，通常觸點(diǎn)力幅傳感層的空間分辨率比觸點(diǎn)位置傳感層的空間分辨率要低。
[0033]如圖3所示，在每個(gè)觸點(diǎn)處均獲取了四個(gè)特達(dá)的輸出數(shù)據(jù)。根據(jù)這四個(gè)特達(dá)的輸出數(shù)據(jù)，僅可獲知觸點(diǎn)在四個(gè)特達(dá)所在區(qū)域內(nèi)的某個(gè)位置。對(duì)于許多應(yīng)用來說，如此低的空間分辨率觸點(diǎn)估測(cè)是不夠的。將來自控制線路板104上電子電路的觸點(diǎn)位置和觸力輸出信息相結(jié)合，便可以通過觸點(diǎn)位置傳感層的空間分辨率來確定觸點(diǎn)位置和在該觸點(diǎn)周圍所施加的總力，其中，觸點(diǎn)位置從觸點(diǎn)位置傳感層獲取，該觸點(diǎn)周圍所施加的總力則從四個(gè)特達(dá)的輸出數(shù)據(jù)計(jì)算得出。用于該目的的相應(yīng)算法可在控制線路板104的微控制器中得以實(shí)施，或者經(jīng)由微控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中完成。
[0034]圖4示出了在單個(gè)觸點(diǎn)周圍檢測(cè)出一個(gè)特達(dá)輸出的情況。因?yàn)樘剡_(dá)的尺寸較大，單個(gè)特達(dá)的輸出僅可說明觸點(diǎn)位置處于該特達(dá)內(nèi)。通過將來自觸點(diǎn)位置傳感層的更高的空間分辨率觸點(diǎn)位置信息與感測(cè)到的力相關(guān)聯(lián)，便可獲得具有觸點(diǎn)位置傳感層分辨率的觸點(diǎn)位置和相應(yīng)的觸力幅度。
[0035]圖5示出了從兩根手指觸摸中檢測(cè)出一個(gè)特達(dá)輸出的情況。在該情況下，觸力的輸出數(shù)據(jù)是兩根手指的觸力的總和。
[0036]圖6示出了在X、Y和Z坐標(biāo)上測(cè)到的手指或筆尖觸力和觸點(diǎn)位置情形。觸點(diǎn)位置顯示在X和Y坐標(biāo)上，而觸力的力幅顯示在Z坐標(biāo)上。圖7示出了在X和Y坐標(biāo)上測(cè)到的手掌壓力分布情況。每個(gè)特達(dá)上的數(shù)字表示該特達(dá)上的力輸出。數(shù)字越大，說明施加在該特達(dá)上的力越大。觸點(diǎn)位置和力大小的信息可用于多種應(yīng)用中，如本說明書的后半部分所述。
[0037]圖8示出了手指的功能分配概念。例如，來自不同手指的力和觸點(diǎn)位置信息的結(jié)合可用于控制如圖9所示的機(jī)器人操縱器的運(yùn)動(dòng)和力道。
[0038]如圖10所示，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可通過一根手指的運(yùn)動(dòng)來控制?？芍笓]機(jī)器人跟隨手指的移動(dòng)路徑而運(yùn)動(dòng)。對(duì)于拋光作業(yè)，手指的觸力可用于調(diào)整拋光部件表面和拋光工具之間的接觸力。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)也可通過多根手指的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，如圖11所示。
[0039]兩根手指的運(yùn)動(dòng)信息的結(jié)合可用于控制物體的旋轉(zhuǎn)，如圖12所示。在這種情況下，一根手指不動(dòng)，而另一根手指圍繞該手指運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)形式可用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器人的末端執(zhí)行器或其它物體。
[0040]3D觸覺感應(yīng)設(shè)備上的某些特達(dá)可設(shè)定為按鈕，而執(zhí)行特定的任務(wù)。如圖13所示，三個(gè)特達(dá)可設(shè)定為按鈕1、按鈕2和按鈕3。例如，對(duì)于機(jī)器人的力和運(yùn)動(dòng)的控制，按鈕I可設(shè)定為當(dāng)沒有力施加到按鈕上時(shí)，機(jī)器人將在控制力的作用下向前移動(dòng)，而當(dāng)有力施加到按鈕上時(shí)，機(jī)器人向后移動(dòng)。該設(shè)備也可用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的示教器，以獲得直觀的和更好的控制性能。
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