触觉控制器的制作方法

触觉控制器


背景技术：

1.在现实生活中，人类往往用他们的手来与对象进行交互。他们往往伸手去拿这些对象、触摸、抓握、操纵和释放它们。然而，在虚拟现实(vr)中，如今通常不可能与虚拟对象进行这种细粒度交互。通常被用于交互的市售vr控制器缺乏渲染真实触觉反馈和支持这种自然使用的能力。
2.在vr中的现实交互的背景中对触觉控制器的研究最近变得流行，并产生了与手套的触觉渲染能力竞争的各种原型。为了在与虚拟对象进行交互时提供更自然的触觉体验，设计了单独的控制器来响应于触摸、拖动、单手抓握和双手抓握来渲染反馈。所有这些控制器都包含复杂的机构来产生合理的保真触觉感觉。
3.以逼真的方式成功为虚拟对象渲染触觉的主要限制在于，必须构建控制器以在交互期间产生和承受人类规模的力，并持续渲染反馈，尤其是在控制器上的力是潜在的最高时抓握和挤压对象时。在手持控制器上达到如此大的力是具有挑战性的，尤其是因为这种设备往往不接地。
4.研究人员已经引入了多种控制器，其可以产生强大的抓握反馈。一种解决方案是使用带有强大伺服电机的有源机构，其导致设计笨重、昂贵、不坚固且耗电。另一种备选方案是用制动器抵抗用户施加的力，并在可以承受很大力的可编程点处停止输入移动，但是在某个点处锁定抓握并且需要手动释放。这种开关锁适用于抓握刚性对象，但在渲染顺应对象或需要计算机控制释放的刚性对象(例如，压碎一罐或一杯水)时会落后。本概念可以解决这些和/或其他问题中的任何问题。
附图说明
5.附图图示了本概念的实现。结合附图参考以下描述可以更容易地理解所图示的实现的特征。在可行的情况下，在各个附图中使用相似的参考标号来指示相似的元件。在一些情况下，在参考标号之后使用括号来区分相似的元件。使用没有相关括号的参考标号对元件是通用的。附图不一定按比例绘制。在附图中，参考标号最左边的数字识别参考标号第一次出现的附图。在说明书和附图中的不同实例中使用类似的参考标号可以指示类似或相同的项目。
6.图1和图9图示了与本概念的一些实现一致的示例系统，其中可以采用能量存储阻力式触觉控制概念。
7.图2和图4-图7图示了与本概念的一些实现一致的示例能量存储阻力式触觉控制器的透视图。
8.图3示出了与本概念的一些实现一致的与示例绞盘相关的示意性力图。
9.图8示出了与本概念的一些实现一致的示例致动器的正视图。
10.图10示出了与本概念的一些实现一致的示例能量存储阻力式触觉控制方法的流程图。
具体实施方式
11.本概念涉及可以在虚拟现实环境(包括增强现实和/或混合现实)和/或其他环境中使用以模拟自然运动的能量存储阻力式触觉控制器。能量存储阻力式触觉控制器或esr触觉控制器可以被配置以用于各种使用场景，诸如与用户的手指、手、腕部、臂部、头部/颈部、腿部等相关。在一些配置中，esr触觉控制器可以表现为手持式刚性自然用户接口(nui)，其可以与用户的手部配合来使用，以使用细粒度的灵巧操纵来操纵虚拟对象。esr触觉控制器还可以提供多用途触觉体验。例如，esr触觉控制器可以表现为力抵抗的、不接地的触觉控制器，其渲染触觉反馈，以用于在vr环境中触摸和抓握刚性的和顺应对象。与以前的控制器对照而言，当前的esr触觉控制器实现可以在不使用大的、高的力、耗电的和/或昂贵的致动器的情况下渲染人类规模的力。
12.目前的概念可以提供esr触觉控制器，其可以维持人类规模的力。esr触觉控制器可以采用受控的制动技术来渲染不同刚性和/或顺应性水平的抓握反馈。用于触觉的阻力式设备在稳定性、安全性、功率需求、复杂性、速度、每设备重量的力和/或成本方面优于有源直接电机触觉。esr触觉控制器可以利用基于绞盘的制动器来产生可变的纯阻力和可离合的弹簧，该弹簧能够输出内置弹簧的存储的能量以感知顺应性。绞盘制动器和离合弹簧的这种双重性可以创建独特的esr触觉控制器，它超越了二进制制动器或弹簧的限制，并且还可以表现人类规模的力。
13.图1图示了与本概念的一些实现一致的虚拟现实系统100。虚拟现实系统100可以包括基站102。基站102可以包括用于生成和执行虚拟现实世界的硬件和/或软件，包括接收和处理来自用户104的输入，以及生成反馈104并向用户输出。基站102可以是任何计算设备，包括个人计算机(pc)、服务器、游戏控制台、智能电话、平板电脑、笔记本电脑、汽车、模拟器等。
14.在一些实现中，虚拟现实系统100可以包括头戴式耳机106(或其他智能可穿戴设备)。头戴式耳机106可以是例如头戴式显示器(hmd)，其可以接收与虚拟现实、现实世界(例如，场景)和/或用户相关的信息。在一些实现中，头戴式耳机106可以包括一个或多个传感器(图1中未示出)，以用于向基站102和/或头戴式耳机106提供输入。传感器可以包括例如加速度计、陀螺仪、相机、麦克风等。因此，头戴式耳机106可以能够检测用户周围的对象、用户的头部的位置、用户的头部所面向的方向、用户的眼睛是睁开还是闭上、用户的眼睛正在看向哪个方向等。头戴式耳机可以具有向用户104呈现诸如音频和/或视觉数据的数据的能力。
15.虚拟现实系统100还可以包括esr触觉控制器108。esr触觉控制器108可以包括基座组件110、接合组件112和/或绞盘组件114。与本概念一致，esr触觉控制器108可以是手持设备，用户104可以将其握在他/她的手116中并用他/她的一个或多个手指118操纵以通过基站102和/或头戴式耳机106提供输入和/或输出。(在其他实现中，esr触觉控制器可以被配置为与其他身体部位一起工作)。esr触觉控制器108可以与头戴式耳机106和/或基站102协同工作，以为用户创建逼真的增强体验。例如，头戴式耳机106可以示出用户握着诸如球的对象，并且esr触觉控制器108可以模仿用户挤压球的感觉。如上面所提及(并在下面更详细地解释的那样)，esr触觉控制器可以创建不同的用户感觉，以与挤压弹性球(诸如泡沫球或网球)相比模仿挤压非弹性球(诸如粘土球)。
16.简而言之，esr触觉控制器108可以直接和/或间接地感测手指运动和/或力。类似地，esr触觉控制器可以在手指118上施加力。此外，esr触觉控制器108可以从由基站102和/或头戴式耳机106执行的虚拟现实世界接收触觉信息并且可以将该触觉信息渲染给用户的手指118中的一个或多个手指和/或将信息从用户的手指传送回基站102和/或头戴式耳机106。在这种情况下，触觉信息可以与用户的食指与其他手指和拇指一起紧握esr触觉控制器相关。在其他配置中，例如，接合组件112可以容纳更多和/或不同的手指和/或拇指。
17.注意，所图示的系统实现包括基站102、头戴式耳机106和esr触觉控制器108。其他系统实现是可以被预期的。例如，头戴式耳机106可以是执行基站功能的稳健的自包含设备。在这种情况下，例如，所描述的功能性可以通过头戴式耳机106和esr触觉控制器108来达到。此外，esr触觉控制器108可以被利用在除了此处出于解释目的所提供的增强现实场景之外的其他场景中。在一些情况下，esr触觉控制器108可以是稳健的自包含设备。在其他情况下，esr触觉控制器可以依靠其他设备(诸如头戴式耳机或基站)来代表esr触觉控制器执行某些功能性。
18.直接向(多个)人类肢体施加力的大多数传统触觉控制器是机电有源类型——它们从所施加的电信号中有源地产生人类规模的力或扭矩。它们将电能直接转换为所需的力或扭矩。这可能需要较大的电力来产生力。有源致动器，尤其是在具有触觉的移动设备中，很多时候由一个小型电机组成，该电机被减速以产生所需的较大的力。这可能会导致驱动速度缓慢、电池功率需求大、设备易碎(可能因人施加太大力而受损)和/或这些问题的组合。
19.传统的触觉控制器也可能造成安全问题，可能会夹伤手指。相比之下，本实现可以采用阻力式致动器来抵抗外部机械移动(人类输入)。这种阻力式致动器可以以更大的阻力为人类肢体移动提供触觉响应，同时消耗少得多的功率，比传统的伺服加齿轮箱解决方案运行得更快，和/或不会因用户对阻力式致动器施加过大的力而损坏(例如，如果用户对esr触觉控制器采用过大的力，则esr触觉控制器可以在断开前通过滑动来提供内置容错)。传统的阻力式触觉设备不提供任何能量存储方式。本概念可以提供模拟弹簧的能力并且可以模拟非刚性(软的)虚拟对象。因此，本esr触觉控制器可以为用户移动提供阻力式制动和来自用户移动的能量存储——例如，用户可以向系统提供能量。当挤压非弹性和弹性虚拟对象时，这种组合可以为用户提供更逼真的体验。
20.图2示出了esr触觉控制器108，其可以包括第一和第二绞盘202。在这种情况下，第一绞盘202(1)可以作为弹簧绞盘204操作并且第二绞盘202(2)可以作为制动绞盘206操作。触觉控制器108还可以包括基座208、手柄210、绞盘臂部212、手指长度调节机构214、指环216、编码器齿轮218、用于弹簧绞盘204的绳索220、用于制动绞盘206的绳索222、制动绳索地线(例如，制动绞盘地线)224、弹簧绳索地线(例如，弹簧绳索地线)226、制动致动器228、弹簧致动器230、编码器232和/或手带234以及其他元件。在这种情况下，制动致动器228和弹簧致动器230表现为绞线致动器235，其相对于图8更详细地讨论。
21.esr触觉控制器108还可以包括能量存储机构236(在该视图中不直接可见)、控制器238(在基座的下侧并且在该视图中不直接可见)和/或通信部件240。能量存储机构236可以连接在第一和第二绞盘202之间。能量存储机构236在图3和图4中被证实。通信部件240可以促进控制器238与其他设备(诸如基站102和/或头戴式耳机106)之间经由有线或无线的
通信。
22.接合组件112可以包括传感器242和/或输出设备244，两者在这种情况下都被定位在指环216上并且可以可通信地耦合到控制器238。传感器可以包括加速度计、陀螺仪、相机、麦克风和/或压力传感器等中的任何传感器。esr触觉控制器108还可以包括其他传感器，诸如六轴传感器。
23.输出设备244可以是扬声器、蜂鸣器、致动器等，其可以增强提供给用户的触觉反馈。例如，在用户压碎虚拟的空铝制饮料罐的场景中，绞盘组件114可以提供用户期望感受到的阻力，同时输出设备经由声音和/或振动提供与罐的塌陷相关联的“起皱(crinkling)”。
24.如上面所提及的，在一些情况下，输出设备244可以是致动器。例如，致动器可以是音圈致动器(vca)，其可以提供相关于vca的惯性质量的宽带振动触觉致动力。致动器可以播放提供触觉反馈的声音(在一些情况下不是人类可听到的声音，而是音频频谱内的振动)。例如，vca可以包括直径为9mm的音圈，并且能够生成55到75分贝的声压级(dbspl)。因此，致动器可以提供包括力和本体感觉在内的动觉感觉。
25.控制器238可以基于存储在控制器上和/或从诸如基站102和/或头戴式耳机106的另一设备传送的计算机可读指令来控制制动致动器228、弹簧致动器230和/或输出设备244。这样，控制器238可以促进可编程制动器的阻力式摩擦以用于抵抗人的手指移动。例如，响应于用户动作，以使得能量被存储在能量存储机构236中的方式，控制器238可以经由制动致动器228控制制动绞盘206并经由弹簧致动器230控制弹簧绞盘204。例如，控制器238可以在弹簧绞盘204上创建与制动绞盘206略有不同的旋转阻力。这种差异可以加载能量存储机构。当用户放松他们的紧握时，控制器238可以允许这种存储的能量创建“弹性”的感受。这些概念的应用可以允许esr触觉控制器108提供特征，诸如实现低成本、简单、安全、以人类规模的力操作、低时延、高速和低电功率需求以及其他潜在优势。下面将更详细地讨论这些特征。
26.注意，所图示的配置利用第一和第二绞盘202来提供对与单个手指相关的手指移动的阻力。可以添加附加的绞盘202以为附加的手指和/或拇指提供阻力。例如，另一种实现可以经由可旋转地固定到基座208并且被配置为围绕与第一绞盘和第二绞盘相同或不同的轴线旋转的第三和第四绞盘202而向另一手指提供分开的阻力。第二能量存储机构可以在第三和第四绞盘之间被连接。第二用户接合组件可以被固定到第三绞盘。第三绳索可以围绕第三绞盘缠绕并且具有相对于基座固定的第一端部和固定到相对于基座固定的第三致动器的第二端部。第四绳索可以围绕第四绞盘缠绕并且具有相对于基座固定的第一端部和固定到相对于基座固定的第四致动器的第二端部。控制器可以控制相对于第一手指的第一绞盘和第二绞盘以及相对于第二手指的第三绞盘和第四绞盘。其他实现可以被配置为相对于用户的手来进行操作并抵抗腕关节处(例如，在手和前臂部之间)的移动。可以为其他附属肢体(例如，关节)配置类似的实现。例如，绞盘可以被实现在具有手环或腿环的夹板中或在手套等其他配置中。
27.图3示出了绞盘202(2)、绳索222、制动绞盘地线224和制动致动器228的关系。绞盘202(2)可以用作制动绞盘。制动绞盘可以利用缠绕有绳索的绞盘(鼓)的对数的力关系。在这种力关系中，绳索-绞盘摩擦取决于固定的总缠绕角和绳索与绞盘鼓之间的固定相
互摩擦系数。
[0028][0029]
t
load
＞t
hold
[0030]
在该实现中，制动绞盘地线224可以提供较高张力(t
load
)并且制动致动器228可以提供低张力(t
hold
)。
[0031]
图4示出了esr触觉控制器108的一些制动绞盘方面以及力的方程的示意图。(不包括弹簧绞盘和能量存储机构)。与绳索相关于绞盘鼓移动的大多数绞盘系统不同，一些esr触觉控制器实现中的绞盘由用户的手指旋转。制动致动器228可以在绳索上施加低张力(t
hold
)并且绳索的较高张力(t
load
)侧通过制动绞盘地线224而被固定(接地)到esr触觉控制器108。因此，当用户尝试以很小的致动器张力t
hold
或没有致动器张力t
load
沿逆时针方向(手指闭合)旋转绞盘时，绞盘202(2)可以或多或少自由地旋转。随着制动致动器228的张力t
hold
增加，t
load
呈指数增加，使绞盘202(2)更难以沿逆时针方向转动。
[0032][0033]ffinger_open
＝(r
capstan
/r
finger
)t
hold
[0034]
t
hold
(＝k*i)
[0035]
当用户沿顺时针方向旋转绞盘202(2)时，通过将绞盘202(2)的绳索出口点移动得更靠近制动致动器228而自动减轻t
hold
。随着通过反转绞盘的方向(手指张开)自动释放t
hold
，一些实现可以取决于旋转的方向而采用高度不对称的力。这种配置可以允许在手指闭合时编程的力和当手指张开(其中不需要阻力)时的低的力。这些和其他方面在下面关于图5-图7的讨论中被扩展。
[0036]
图5-图7共同示出了关于esr触觉控制器108的一些实现的一些特征的进一步细节。图5示出了绞盘组件114的分解图。能量存储机构236很明显在弹簧绞盘204和制动绞盘206之间。在该示例中，能量存储机构236表现为弹簧502，诸如扭簧。弹簧502的一个端部如504所示连接到弹簧绞盘204，而弹簧502的另一个端部如506所示连接到制动绞盘206。
[0037]
在这种情况下，弹簧绞盘204和制动绞盘206沿着平行于z参考轴线的公共旋转轴线垂直堆叠(例如，共同延伸)。此外，弹簧绞盘204和制动绞盘206具有相同的直径(例如，在xy参考平面中测量)，但是其他实现可以具有不同的直径。在这种情况下，弹簧绞盘204和制动绞盘206在垂直方向(例如，z-参考方向)上的高度被拉长并且在其中形成有槽508(例如，具有螺旋体图案的槽)。槽508可以具有与绳索220和222的直径大约相等的直径(例如，处于拉紧状态的绳索直径的正负20％)。绳索220可以从弹簧绞盘地线226到弹簧致动器230而围绕槽508(1)进行缠绕。类似地，绳索222可以从制动绞盘地线224到制动致动器228而围绕槽508(2)进行缠绕。槽508减少和/或消除了绳索缠绕在其自身顶部从而导致绞盘无法操作的机会。为此，在一些实现中，槽可以比它们的宽度更深，以使得绳索向下配合在槽中以进一步减少绳索在自身上重叠的任何机会。
[0038]
从一个角度来看，所图示的实现还可以提供一种被用作线性制动器和可变刚度弹簧机构的修改的绞盘配置，其使用相同的基于绞盘的制动方法来渲染触觉反馈中的顺应性
和推回。这可以通过低成本、低时延、便宜且简单的扭簧致动器来达到，其低的力被能量存储机构放大。下面描述这方面。
[0039]
弹簧绞盘204或制动绞盘206中的任一绞盘相对于弹簧绞盘204和制动绞盘206中的另一的旋转可以在弹簧502上施加力。该力可以被存储在弹簧502中并且随后被释放。例如，用户可以在绞盘臂212上施加力以旋转绞盘臂(例如，紧握或挤压运动)。对制动绞盘的旋转的阻力可以由制动致动器设置。回想绞盘臂212可以被固定到制动绞盘206。旋转绞盘臂212可以使制动绞盘206旋转，而弹簧绞盘204在弹簧致动器上的张力的控制下保持静止或较少旋转。这可以对弹簧502施加力，该力可以导致能量(来自用户)被存储在弹簧中。这种被存储的能量可以在绞盘臂212上创建相反的旋转力以模仿挤压弹性对象(例如，泡沫球)。
[0040]
弹簧绞盘204和制动绞盘206可以由任何固体材料形成。槽可以以各种方式形成，诸如在形成绞盘之后模制或机械加工。绳索220和222可以由各种材料形成，诸如聚合物、共聚物、金属等。绳索可以是单股或多股(例如，缠绕或编织)。在可以采用绞盘和绳索材料的任何组合的同时，一些实现可以选择展现出特定特性的材料对。这方面在下面更详细地描述。
[0041]
注意，与大多数绞盘系统一样，绳索和绞盘(例如，鼓)之间的摩擦关系往往是静态的(相对于绳索不移动的绞盘)或动态的(绞盘旋转)，并且通常在使用绞盘的大多数应用中有很大不同。一些实现可以为绞盘和绳索选择在它们的静态摩擦系数和它们的运动的或动态摩擦系数之间具有相对较小差异的材料对，诸如20％或更少或者甚至10％或更少。静态和动态摩擦之间相对较小的差异和滞后(小粘滑系数)可以允许制动器以线性方式操作，而不仅仅是二进制(开/关)模式。
[0042]
一个示例材料对可能需要用于鼓的材料的缩醛(例如，迭尔林(delrin))与维克特纶(vectran)(来自塞拉尼斯公司的lcd塑料)绳索。这种组合可以允许以近乎线性的方式进行制动操作。此外，除了在缩醛上带来打滑之外，vectran还具有非常高的拉伸阻力和低蠕变(creep)。
[0043]
回想上面关于图3和图4所提及的，当用户沿顺时针方向旋转绞盘202(2)时，通过将绞盘202(2)的绳索出口点移动到更靠近制动致动器228而自动减轻t
hold
。t
hold
随着通过反转绞盘的方向(手指张开)自动释放t
hold
，一些实现可以取决于旋转方向而采用高度不对称的力。这种配置可以允许在手指闭合时编程的力和当手指张开(其中不需要阻力)时的低的力。
[0044]
然而，在实践中，绳索220、222对绞盘204、206的粘滞力可以在强闭合力事件之后存在，以使得当用户张开他们的手指时所有的张力确实没有被释放。这可能至少部分是由于vectran绳索的编织，部分位于绞盘的柔软的缩醛中。
[0045]
粘滞力的一种解决方案可以通过手指位置编码器232来达到。手指位置编码器可以提供绞盘臂212相对于基座208上的点的角取向。当来自手指位置编码器232的信息指示用户正在张开他们的手指时，控制器238可以向制动致动器228施加小的反向脉冲，这进一步释放绳索222上的低侧张力，并且从而释放制动绞盘206(例如，鼓)以自由地旋转。
[0046]
因此，触觉控制器108可以经由制动绞盘202提供(几乎)线性制动功能性。触觉控制器108可以使用相同的基于绞盘的制动方法结合能量存储机构236和弹簧绞盘204来提供
可变刚性弹簧功能性，从而渲染触觉反馈中的顺应性和推回。
[0047]
图6示出了esr触觉控制器108a的备选绞盘组件114a。该绞盘组件114a可以采用垂直约束的扁平的弹簧绞盘204和制动绞盘206(例如，在z参考方向上占据较少空间)——即使槽508可以围绕z参考轴线形成相同(或相似)数目的缠绕。在这种情况下，槽可以在扁平的盘形绞盘的两侧上形成螺旋形图案。出于解释的目的，该绞盘可以被视为类似于从一侧的槽508穿过到另一侧的槽508的留声机记录盘。螺旋形绞盘实现可以减小绞盘组件的整体大小，使其更适合包含在各种手持esr触觉控制器108a中，尤其是独立用于多个手指的那些。
[0048]
图7示出了采用扁平的绞盘配置的另一绞盘组件114b。在这种情况下，槽304(2)由多个扁平的“迷你绞盘”702限定(并非所有的绞盘都被明确指定)。扁平的迷你绞盘702围绕旋转轴线(例如，旋转轴线平行于z参考轴线)径向布置。绞盘的绳索的总缠绕数可以被计算为围绕单独的迷你绞盘的缠绕数的总和。
[0049]
图8示出了弹簧致动器230的细节，其表现为绞线致动器235。这些细节同样适用于制动致动器228。控制器238电耦合到电机802。电机802的输出轴804连接到绞线机构808的近端部806(例如，轮毂)。绞线机构可以用作可旋转地固定但滑动的臂部。绳索220连接到弹簧环810。弹簧环810在绳索和绞线机构808的远端部812之间延伸。线绳或绳索814可以从绞线机构808的近端部806延伸，环绕远端部812并返回到近端部806。
[0050]
实例一示出了处于未缠绕状态的绞线致动器235，其中扭簧致动器具有长度l1。实例二示出了处于缠绕状态的绞线致动器235，其中控制器238已经激活电机802并沿第一方向(例如，顺时针或逆时针)旋转输出轴。输出轴转动并缠绕绳索814，这缩短了绞线致动器235的长度l2。换句话说，当绳索814被电机802缠绕时，绳索在耦接到弹簧环810的滑动臂上拉动，并且作为供应给电机的电流的函数而将绳索张力施加到绞盘的保持(hold)侧。这种长度的缩短经由弹簧环810在绳索220上放上张力。弹簧环上的张力可以使弹簧环810略微扩张，这可以有助于在缠绕状态下保持绳索上的张力一致。换句话说，弹簧环810可以起到添加到致动器的顺应功能的作用，以补偿随着张力增加和绞盘转动而产生的小的明显的绳索拉伸，从而少量地改变保持(hold)和加载(load)张力。
[0051]
在缠绕状态下，绳索220上的张力可以通过沿相同方向进一步旋转输出轴来容易地调节，或者通过沿相反方向旋转输出轴来减小。
[0052]
虽然可以采用任何类型的致动器，但是绞线致动器(tsa)235可以提供将电能转换为机械能的效率以及它的反向驱动能力，这可能比诸如正齿轮的齿轮更好。此外，由于其能量转换效率加上低惯性负载和无芯电机设计，响应和时延可以比其他合理定价的选项快得多。tsa也往往产生比带齿轮的致动器的噪音小的噪音。此外，扭簧致动器可以提供相对快速的响应时间以避免用户可觉察的滞后。此外，由于tsa的低的力，因此tsc常常被视为是不利的，然而，绞盘组件不依赖于来自控制器的高张力，并且因此可以利用tsa的有利方面，同时将任何潜在的不利方面最小化。
[0053]
上面已经详细讨论了各个方面。这些方面的背景可以通过返回到图2来提供。控制器238可以基于来自手指位置编码器232的输入来控制esr触觉控制器108。控制器238可以转换与制动绞盘206啮合的旋转电位计编码器输出。通过经由脉冲宽度调制(pwm)信号驱动相应的致动器，这可以根据图3和图4的绞盘方程在阻力中产生可预测和可重复的力，控制
器238可以调节其力反馈行为和弹簧接合。
[0054]
这种配置可以合成许多触觉场景。当手指位置编码器232报告与对象的适当接触位置时，控制器238可以经由制动致动器228将绞盘制动器206致动到所期望的低张力，该低张力立即作为阻力而被机械传送到用户的手指。为了模拟挤压不如刚性对象硬的事物，例如粘土，制动致动器228被命令以比刚性材料更小的力致动。用户可以感受到与粘土的接触，但在施加足够的力的情况下，能够挤压它并使它变形，并且在vr显示器中显现适当的视觉效果。
[0055]
控制器238可以进一步合成虚拟对象向后推的场景(例如，来自设备在用户的手指上推动的主动力)以模拟弹簧或其他顺应的触觉。控制器238可以通过采用通过弹簧502或其他能量存储机构236(诸如弹性条带)而连接到制动绞盘206的第二(例如，弹簧绞盘204)来合成顺应性的触觉感知。该第二绞盘(例如，弹簧绞盘204)可以用作离合器以在适当的时间处接合弹簧。
[0056]
弹簧绞盘204还可以使其高张力负载(t
load
)绳索侧经由弹簧绞盘地线226接地到控制器主体或基座208，并且低张力(t
hold
)侧连接到第二低力致动器(例如，弹簧致动器230)。在没有致动弹簧和制动绞盘的情况下，它们可以在手指闭合的情况下自由旋转。如果仅弹簧绞盘204以最大力被致动，则手指移动和制动绞盘206通过旋转弹簧(例如，能量存储机构236)和绞盘连接到地线。在这种情况下，用户体验到以恒定的弹簧系数k挤压弹簧。因此，finger_closing_force＝k*finger_closing_distance(手指_闭合_力＝k*手指_闭合_距离)。
[0057]
注意，在这种情况下，k是常数。如果由于较小的致动力而允许弹簧绞盘204滑动和/或施加较小的线性制动力，则控制器238可以调整用户感受到的感知弹簧常数k
′
。现在感知的顺应性是固定弹簧常数、所施加的制动量和弹簧绞盘滑动量的函数。控制器238可以被编程以通过使用这些变量来合成许多不同的感知弹簧行为。
[0058]
图9示出了与本概念的一些实现一致的系统100的进一步细节。系统100可以包括设备900，诸如esr触觉控制器108、头戴式耳机106、基站102和/或其他设备，诸如个人计算机、台式计算机、笔记本计算机、手机、智能电话、个人数字助理、平板计算机、移动计算机、可穿戴设备、相机、电器、智能设备、物联网设备、车辆等，和/或无数不断发展或尚未开发的计算设备类型中的任何一种设备。如上面所提及的，这些设备900中的任何一个设备可以以独立的方式来操作以实现给定的功能性或者可以与其他设备协作来操作以实现该功能性。
[0059]
图9示出了可以由esr触觉控制器108、头戴式耳机106、基站102和/或其他设备采用的两个示例设备配置902。诸如esr触觉控制器108的单独的设备可以采用配置902(1)或902(2)中的任一个配置，或者采用备选配置。(由于附图页上的空间约束，每个设备配置的一个实例被图示出，而不是图示了相对于每个设备的各设备配置)。简而言之，设备配置902(1)表示以操作系统(os)为中心的配置。设备配置902(2)表示片上系统(soc)配置。设备配置902(1)被组织成一个或多个应用904、操作系统906和硬件908。硬件908可以包括存储装置/存储器910和处理器912。其他硬件908，诸如基座组件110、接合组件112和绞盘组件114在上面相对于图2进行了详细描述，在这里不再赘述。设备配置902(2)被组织成共享资源914、专用资源916和它们之间的接口918。
[0060]
控制器238可以表现为存储在存储装置/存储器910上并由处理器912执行的软件。
在其他情况下，控制器238可以是专用硬件或固件控制器，诸如微控制器。控制器可以接收与场景相关的信息，诸如虚拟现实场景、训练场景等。该信息可以包括关于用户正在抓握的对象的特性的信息，诸如对象的弹性和/或纹理等等。控制器还可以接收有关用户身体部位的信息，诸如手指、臂部或腿部等。控制器可以生成信号来控制诸如esr触觉控制器108的设备，以合成用户在抓住“实际”对象时会体验到的触觉反馈。
[0061]
本文中所使用的术语“设备”、“计算机”或“计算设备”可以意指具有一定量的处理能力和/或存储能力的任何类型的设备。处理能力可以由一个或多个处理器提供，处理器可以执行计算机可读指令形式的数据以提供功能性。数据，诸如计算机可读指令和/或用户相关数据，可以被存储在存储装置上，诸如可以在设备内部或外部的存储装置。存储装置可以包括易失性或非易失性存储器、硬盘驱动器、闪存设备和/或光学存储设备(例如，cd、dvd等)、远程存储装置(例如，基于云的存储装置)等等。如本文中所使用的，术语“计算机可读介质”可以包括信号。相反，术语“计算机可读存储介质”不包括信号。计算机可读存储介质包括“计算机可读存储设备”。计算机可读存储设备的示例包括易失性存储介质，诸如ram，以及非易失性存储介质，诸如硬盘驱动器、光盘和闪存等。
[0062]
如上面所提及的，设备配置902(2)可以被认为是片上系统(soc)类型设计。在这种情况下，由设备所提供的功能性可以被集成在单个soc或多个耦合的soc上。一个或多个处理器912可以被配置为与共享资源914(诸如存储装置/存储器910等)和/或一个或多个专用资源916(诸如被配置为执行某些特定功能性的硬件块)进行协调。因此，本文中所使用的术语“处理器”还可以指中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、处理器内核和/或其他类型的处理设备。
[0063]
通常，本文描述的任何功能都可以使用软件、固件、硬件(例如，固定逻辑电路)或这些实现的组合来实现。本文中所使用的术语“组件”通常表示软件、固件、硬件、整个设备或网络、或其组合。例如，在软件实现的情况下，这些可以表示程序代码，该程序代码在处理器(例如，cpu或cpu)上执行时执行指定任务。程序代码可以被存储在一个或多个计算机可读存储器设备中，诸如计算机可读存储介质。该部件的特征和技术与平台无关，这意味着它们可以被实现在具有各种处理配置的各种商业计算平台上。
[0064]
图10示出了图示出与模拟对象相关的示例方法1000的流程图。在动作1002中，该方法可以接收关于虚拟对象的信息。该信息可以包括各种特性，诸如大小、纹理、硬度、弹性等。在动作1004中，该方法可以接收关于虚拟对象的用户接合的其他信息。其他信息可以从诸如压力传感器和/或位置传感器的各种传感器获取。例如，位置传感器可以指示用户正在相对于虚拟对象施加力，该力导致用户正在接合的元件旋转。例如，用户接合可以导致绞盘臂部相对于基座旋转。压力传感器可以直接或间接地感测用户通过接合所产生的压力。例如，位于指环中的压力传感器可以感测用户对指环生成的压力。类似地，绞盘臂部可以延伸穿过用户的腕部，以使得位置传感器和/或压力传感器感测用户的手相对于前臂的用户移动。
[0065]
在动作1006中，该方法可以发送信号以控制第一绞盘和/或第二绞盘以提供对用户接合的阻力。该信号可以至少部分地基于该信息和其他信息。在一些配置中，信号可以被引导至致动器，诸如与第一绞盘和/或第二绞盘相关联的致动器。
[0066]
在动作1008中，该方法可以至少部分地基于该信号来生成对用户接合的阻力。例
如，第一绞盘可以是制动绞盘。如果对象是非弹性对象，制动绞盘的驱动可以模拟当接合“真实”对象时会感受到的阻力。该信号可以被用来激励致动器，该致动器拉紧制动绞盘上的绳索。如果对象是弹性的，则可以通过将信号发送到第二绞盘(例如，弹簧绞盘)来存储能量，同时抵抗用户接合。当用户减弱他们的接合(例如，停止用力挤压)时，所存储的这种能量可以被利用来模拟对象的弹性性质。在一些情况下，两个绞盘可以通过能量存储机构互连。通过控制两个绞盘之间的相对旋转，能力可以被存储在能量存储机构中。可以释放该能量来合成对象的弹性特性。注意，该方法不需要生成该能量，相反，该方法可以存储由用户接合所添加的能量。
[0067]
上面描述了各种示例。下面描述其他示例。一个示例包括一种设备，该设备包括：基座；可旋转地固定到基座并且被配置为围绕公共轴线旋转的第一绞盘和第二绞盘；在第一绞盘和第二绞盘之间连接的能量存储机构；固定到第一绞盘的用户接合组件；第一绳索，该第一绳索围绕第一绞盘缠绕并且具有相对于基座固定的第一端部和固定到相对于基座固定的第一致动器的第二端部；以及第二绳索，该第二绳索围绕第二绞盘缠绕并且具有相对于基座固定的第一端部和固定到相对于基座固定的第二致动器的第二端部。
[0068]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中基座包括手柄、夹板或手套。
[0069]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中手柄与公共轴线共同延伸。
[0070]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中第一绞盘和第二绞盘在高度和宽度上相同，或者其中第一绞盘和第二绞盘在高度和/或宽度上不同。
[0071]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中第一绞盘和第二绞盘沿公共轴线拉长，或者其中第一绞盘和第二绞盘沿公共轴线扁平。
[0072]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中第一绞盘和第二绞盘被开槽。
[0073]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中第一绞盘和第二绞盘以螺旋体图案被开槽。
[0074]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中第一绞盘和第二绞盘以螺旋形图案被开槽。
[0075]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中第一绞盘和第二绞盘限定螺旋体槽，该螺旋体槽的直径等于第一绳索和第二绳索的直径。
[0076]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中第一绞盘和第二绞盘的材料和绳索的材料具有彼此相差10％的静态摩擦系数和动态摩擦系数。
[0077]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中第一致动器和第二致动器包括第一绞线致动器和第二绞线致动器。
[0078]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中能量存储机构包括弹簧。
[0079]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中用户接合组件包括臂部和指环，或者其中用户接合组件包括臂部和手环。
[0080]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中该设备还包括
传感器，该传感器被配置为感测臂部相对于基座的角度取向和/或臂部相对于基座的旋转。
[0081]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中传感器直接感测臂部或其中传感器感测第一绞盘和/或第二绞盘。
[0082]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中传感器包括手指位置编码器。
[0083]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中该设备还包括控制器，该控制器被配置为至少部分地基于来自传感器的数据来控制第一致动器和第二致动器的致动。
[0084]
另一示例可以包括上面和/或下面的示例中的任何一个示例，其中该设备还包括：第三绞盘和第四绞盘，该第三绞盘和第四绞盘被可旋转地固定到基座并且被配置为围绕该公共轴线旋转；在第三绞盘和第四绞盘之间连接的第二能量存储机构；固定到第三绞盘的第二用户接合组件；第三绳索，该第三绳索围绕第三绞盘缠绕并且具有相对于基座固定的第一端部和固定到相对于基座固定的第三致动器的第二端部；以及第四绳索，该第四绳索围绕第四绞盘缠绕并且具有相对于基座固定的第一端部和固定到相对于基座固定的第四致动器的第二端部。
[0085]
另一示例包括一种设备，该设备包括可旋转地固定到基座的第一绞盘和第二绞盘；在第一绞盘和第二绞盘之间连接的能量存储机构；固定到第一绞盘的用户接合组件；以及控制器，该控制器被配置为通过控制第一绞盘和第二绞盘所经历的旋转摩擦来控制施加在用户接合组件上的旋转力。
[0086]
另一示例包括一种计算机实现的方法，该方法包括接收关于虚拟对象的信息，接收关于虚拟对象的用户接合的其他信息，以及发送信号以控制第一绞盘和/或第二绞盘以向用户接合提供阻力。
[0087]
上面描述了各种示例。尽管已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是所附权利要求中定义的主题不一定局限于上述特定特征或动作。相反，上述特定特征和动作作为实现权利要求的示例形式而被呈现，并且本领域技术人员将认识到的其他特征和动作旨在落入权利要求的范围内。