用户能够与由计算机显示的环境交互作用以在计算机上执行各种 功能和任务，例如打游戏、体验仿真系统或虚拟现实环境、使用计算 机辅助设计系统、操作图形用户接口(GUI)、浏览网页、等等。用于 这种交互应用的常见人机接口装置包括鼠标、操纵杆、跟踪球、游戏 键盘、转向轮盘、触笔、输入板、压敏球、诸如此类，它们连接于控 制着所显示的环境的计算机系统上。通常，计算机响应于用户对物理 操纵介质(manipulandum)如操纵杆手柄或鼠标的操纵而更新环境。 计算机通过向计算机发送位置格信号的接口装置上的传感器而感知用 户对用户对象的操纵。在其它应用中，利用接口装置如遥控器就可使 得用户能够与电子装置或电子器具的功能交互作用。
在一些接口装置中，还向用户提供力(肌肉运动知觉)反馈和/ 或触觉型反馈，本文中共同通称为“触觉反馈”。这些类型的接口装 置能够提供可由操纵接口装置的用户操纵介质，如操纵杆手柄、鼠标、 轮盘等的用户感觉到的物理感觉。一个或多个发动机或其它致动器与 该操纵介质相联接，并且连接于控制计算机系统上。计算机通过向致 动器发送控制信号或命令而与显示的事件一起并且一致地控制操纵介 质和/或装置外壳上的力。这样，当用户抓住或接触接口装置或接口 装置的可操纵对象时，计算机系统就能够与其它所提供的反馈一起向 用户传送物理力感觉。
家庭消费者市场中的现有触觉反馈控制器的一个问题是这类装置 的制造成本很高，从而使得这些装置对于消费者来说太过昂贵。这些 制造费用中的一大部分是由于这些触觉反馈装置中包括有多个复杂的 致动器及相应的控制电子装置而产生的。此外，优质的机械和力传动 组件例如联动装置和轴承也进一步加大了装置的成本。也存在一些低 成本触觉装置，但是其输出触觉感受的能力受到很大限制。
因此需要提供一种制造成本较低但又能向用户提供有力的触觉反 馈以便增强与计算机应用的交互作用的触觉反馈装置。

本发明目的在于使用电活性聚合物(EAP)致动器在接口装置中 提供触觉反馈，与许多用于触觉装置的已有技术相比，它能更有效地 提供触觉感受，并且成本更低。
更具体而言，本发明的触觉反馈接口装置与执行主应用程序的主 机保持通讯，并由用户操纵。接口装置包括一个传感器装置和一个电 活性聚合物致动器，传感器装置检测用户对接口装置的操纵情况并输 出表示操纵情况的传感器信号，而电活性聚合物致动器可对输入信号 做出响应并可向用户输出由致动器的运动产生的力。输出力向用户提 供了触觉感受。接口装置也可包括一个与用户保持物理接触的装置外 壳。在某些实施例中，力和触觉感受可能会与由主机执行的事件或交 互作用相关。
本文中描述了使用EAP致动器的接口装置的各种实施例。由电 活性聚合物致动器输出的力可为通过移动惯性质量而产生的惯性 力。由电活性聚合物致动器输出的力可为旋转力、线性力或者通过 弯曲EAP元件或EAP元件的面积扩张而产生的力。电活性聚合物致 动器可以在接口装置上移动一个按钮以向用户输出力，或者致动器 可以移动装置外壳的一个或多个部分。EAP致动器也可对着接口装 置的运动部分移动一个起制动蹄片作用的元件，以便对运动部分，例 如轮盘的轴、医学工具、盘或其它部分产生阻力。EAP致动器可为 所述接口装置上的旋转轮、轨迹点控制器、旋钮、旋转球、触笔或 其它操纵介质提供触觉感受。也可使用一个或多个(例如一阵列) 电活性聚合物致动器来移动构件直接与用户的皮肤接触或者与用户 的皮肤做剪切运动以便提供触觉感受。一种方法同样提供用于触觉 感受输出的EAP致动器。
在本发明的其它方面中，与主机保持通讯的触觉反馈接口装置包 括一个装置外壳和一个电活性聚合物(EAP)元件，装置外壳与所述 用户保持物理接触，而EAP元件能够检测用户对接口装置的操纵介质 的操纵情况并输出表示操纵情况的传感器信号，并且能够响应于输入 信号向用户输出力，该力通过EAP元件的运动产生并向用户提供触觉 感受。EAP元件可以检测用户与操纵介质的接触情况，或者检测用户 在EAP元件上所产生的压力量。
本发明有利地为使用电活性聚合物致动器的触觉反馈装置提供了 触觉反馈感觉。这些致动器具有若干优点，包括具有高能量密度、快 速响应时间、形状和性能特征的可定制性、紧凑性、易可控性、低能 耗、运动的高输出力和偏转/量、固有刚度、传感和致动功能、较低 的原料成本、以及较低的制造成本，从而使得它们合乎触觉反馈和传 感装置的需要。
对本领域的普通技术人员来说，通过阅读本发明的以下说明以及 研究附图，可以清楚了解本发明的这些及其它优点。

图1是一个方块图，示出了适用于本发明的一种触觉反馈系统；
图2a是弯曲运动中的一种电活性聚合物元件的侧视图；
图2b是弯曲运动中的一种电活性聚合物元件的俯视图；
图2c是一种能够提供线性运动和弯曲运动的电活性聚合物夹层 结构的侧视图；
图2d是一种能够提供多自由度的运动的呈圆柱构型的电活性聚 合物元件的透视图；
图2e是一种能够提供面积扩张的元件的电活性聚合物结构的透 视图；
图2f是一种能够提供轴向运动的元件的呈圆柱结构的电活性聚 合物结构的透视图；
图3是适用于本发明的EAP致动器的一种实例性鼠标接口装置的 透视图；
图3a是一个鼠标实施例的侧视图，其中按钮在电活性聚合物致 动器作用下沿其自由度运动；
图3b是一个鼠标实施例的俯视图，其中按钮在电活性聚合物致 动器作用下侧向运动；
图3c是一个鼠标实施例的俯视图，其中按钮包括一阵列的多个 电活性聚合物致动器；
图4a是一个实施例的示意图，其中惯性质量在电活性聚合物致 动器作用下线性运动以提供惯性感觉；
图4b是一个实施例的示意图，其中惯性质量在电活性聚合物致 动器作用下旋转运动以提供惯性感觉；
图4c是一个实施例的视图，其中多个惯性质量在电活性聚合物 致动器作用下运动；
图5a是一个鼠标实施例的侧视图，其中鼠标的整个顶盖部分在 电活性聚合物致动器作用下运动以提供触觉感受；
图5b是一个鼠标实施例的俯视图，其中鼠标的两侧部在电活性 聚合物致动器作用下运动以提供触觉感受；
图5c是一个鼠标实施例的俯视图，其中鼠标的顶部在电活性聚 合物致动器作用下运动以提供触觉感受；
图5d是一个鼠标实施例的侧视图，其中鼠标的后顶部在电活性 聚合物致动器作用下运动以提供触觉感受；
图6是一个实施例的俯视图，其中一个球体由电活性聚合物致动 器制动；
图7a是一个轮盘实施例的侧视图，其中可旋转的轮盘包括一个 在电活性聚合物致动器作用下旋转运动的惯性质量；
图7b和7c示出了一个包括许多面积扩张的电活性聚合物致动器 的轮盘实施例；
图7d是一个轮盘实施例的透视图，其中可旋转的轮盘由电活性 聚合物致动器制动；
图7e是一个轮盘实施例的侧视图，其中整个可旋转的轮盘在电 活性聚合物致动器作用下侧向和垂直运动；
图8a是一个轨迹点控制器的透视图，其中电活性聚合物致动器 提供了沿其自由度的触觉反馈；
图8b和8c是一个轨迹点控制器的透视图和侧视图，其中电活性 聚合物致动器通过对着用户线性移动升降杆而提供触觉反馈；
图8d是一个轨迹点控制器的透视图，其中电活性聚合物致动器 提供了沿线性自由度的触觉反馈；
图9a是一个垂直销的透视图，它在电活性聚合物致动器作用下 对着用户的手指线性运动；
图9b和9c是图9a的垂直销阵列的透视图；
图9d和9e是一个垂直销的侧视图，它在电活性聚合物致动器作 用下对着用户的手指侧向运动；
图10是一个装置的侧视图，其中电活性聚合物致动器提供了医 学工具上的制动力；
图11是一个装置的侧视图，其中电活性聚合物致动器提供了作 用于接口装置上的触发器上的力；
图12a是一个旋钮的前视图，其中电活性聚合物致动器提供了沿 旋钮的旋转自由度的直接旋转力；
图12b是一个旋钮的透视图，其中电活性聚合物致动器提供了沿 旋钮的旋转自由度的制动力；
图13是一个转盘的侧视图，其中电活性聚合物致动器提供了沿 盘的旋转自由度的制动力；
图14a是一个触笔的侧视图，其中电活性聚合物致动器提供了作 用于触笔尖端的线性力；
图14b是一个触笔的侧视图，其中电活性聚合物致动器提供了作 用于触笔前端的线性力；
图14c是一个触笔的侧视图，其中电活性聚合物致动器提供了作 用于触笔上的按钮上的力；
图14d和14e是一个触笔的侧视图和透视图，其中电活性聚合物 致动器提供了从触笔本体向外的力；
图15a是一个转向轮盘的前视图，其中电活性聚合物致动器提供 了惯性力；
图15b是一个操纵杆手柄的侧视图，其中电活性聚合物致动器提 供了惯性力；
图15c和15d是一个操纵杆手柄的透视图和侧视图，其中电活性 聚合物致动器提供了沿操纵杆手柄自由度的制动力；
图16是一个旋转圆柱控制器的透视图，其中电活性聚合物致动 器提供了沿圆柱自由度的制动力；
图17a是一个触觉元件的侧视图，其中电活性聚合物致动器为元 件提供了线性运动；以及
图17b是一个触觉元件的侧视图，其中电活性聚合物致动器为元 件提供了侧向、剪切运动。

图1是一个方块图，示出了适用于本发明的任一所述实施例的一 种力反馈系统。力反馈系统包括主机系统14和接口装置12。
主机系统14优选地包括一个主微处理器100、一个时钟102、一 个显示屏26、以及一个音频输出装置104。主机还包括其它众所周知 的组件，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)以及输入/ 输出(I/O)电子装置(图中未示出)。
主机14可为个人计算机或者工作站，并且可以运行任一种大家 熟知的操作系统。另外，主机系统14还可为通常连接于电视机或其 它显示器上的各种家用视频游戏控制台系统之一，例如可从 Nintendo、Sega、Sony或Microsoft公司得到的各种此类系统。在其 它实施例中，主机系统14可为一个能够用于例如向用户提供互动电 视功能的“机顶盒”，或者一台使用户能够使用例如用于互联网或者 万维网的标准连接和协议而与局域网或者全球网交互作用的“网络计 算机”或“互联网计算机”。在其它实施方案中，主机可为一种器具 装置或电子装置、车载计算机，等等。
主机14优选地执行一个主应用程序，用户通过包括触觉反馈功 能的接口装置12而与该主应用程序交互作用。举例来说，主应用程 序可为视频游戏、文字处理器或电子制表软件、网页或者执行HTML 或VRML指令的浏览器、科学分析程序、虚拟现实训练程序或应用程 序、或使用鼠标12输入并向装置12输出力反馈命令的其它应用程序。 在本文中，为简明起见，各种操作系统，例如WindowsTM、MS-DOS、MacOS、 Linux、Be、等等，也都称作“应用程序”。在本文中，计算机14可 以称作提供了一个“图形环境”，该图形环境可以为图形用户接口、 游戏、仿真系统、或其它视觉环境。计算机显示“图形对象”或者“计 算机对象”，它们不是物理对象，而是可由计算机14作为图像显示于 显示屏26上的数据和/或程序的本地软件单元集，本领域的普通技术 人员对于这些都非常熟知。使这些软件与计算机输入/输出(I/O)装 置连接的适用软件驱动程序可从California 州 San Jose市的 Immersion Corporation获得。
显示装置26可以包括于主机14中，可为标准显示屏(液晶显示 器、阴极射线管显示器、平板显示器，等等)、三维护目镜、或任一 其它视频输出装置。通常，主应用程序提供待显示于显示装置26上 的图像和/或其它反馈，例如听觉信号。音频输出装置104，例如扬声 器，优选地通过放大器、过滤器和其它本领域的普通技术人员所熟知 的电路系统联接于主微处理器100上，当“音频事件”在执行主应用 程序过程中出现时向用户提供声音输出。其它类型的外设，例如存储 装置(硬盘驱动器、光盘驱动器、软盘驱动器等等)、打印机和其它 输入输出装置也可联接于主处理器100上。
接口装置12通过总线20联接于计算机14上，总线20在装置12 与计算机14之间保持信号通讯，并且在一些实施例中，也可向装置12 提供能量。在其它实施例中，信号可以通过无线发送/接收方式在装 置12与计算机14之间传送。在一些实施例中，致动器所用的能量可 以通过装置上提供的能量存储装置，例如电容器或者一个或多个电 池，来补充或由其单独供应。总线20优选为双向式以便在主机14与 装置12之间沿任一种方向传送信号。总线20可为串行接口总线，例 如RS232串行接口、RS-422、通用串行总线(USB)、乐器指令数字接 口、或本领域的普通技术人员所熟知的其它协议；或者并行总线或无 线连接方式。
装置12可以包括一个本地微处理器110。本地微处理器110可任 选地包括于装置12的外壳中以便与装置的其它组件保持有效通讯连 接。处理器110被看成是装置12本地的，这里的“本地”在本文中 是指处理器110为独立于主机系统14的任一处理器的分离式微处理 器。“本地”优选地还指处理器110专用于装置12的触觉反馈和传感 器输入输出。微处理器110可以提供有软件指令(例如固件)以等待 来自主机14的命令或请求、解码命令或请求、并根据命令或请求处 理/控制输入输出信号。此外，处理器110通过读取传感器信号和借 助于这些传感器信号、时间信号以及根据主机命令选定的所存储或中 继的指令来计算合适的力，可以独立于主机14操作。可用作本地微 处理器110的适用微处理器包括低端微处理器以及比较高级的力反馈 处理器，例如Immersion Touchsense Processor处理器。微处理器110 可以包括一块微处理器芯片、多块处理器和/或协处理器芯片、和/或 数字信号处理器(DSP)能力。
微处理器110可以接收来自传感器112的信号，并根据由主机 14通过总线20提供的指令向致动器18提供信号。举例来说，在一 种本地控制实施例中，主机14通过总线20向微处理器110提供高 级监控命令，然后微处理器110对这些命令进行解码并根据这些高 级命令独立于主机14管理对传感器和致动器的低级力控制环。这项 操作在美国专利US Patents 5,739,811和5,734,373中进行了更详 细的描述。在主控制环中，力命令从主机输出至微处理器110并指 示微处理器输出具有指定特征的力或力感觉。本地微处理器110向 主机报告数据，例如描述装置在一个或多个所提供的自由度上的位 置的位置格数据。这些数据还描述了按钮、开关等等的状态。主机 利用这些位置格数据来更新运行的程序。在本地控制环中，致动器 信号从微处理器110提供给致动器18而传感器信号从传感器112和 其他输入装置118提供给微处理器110。在本文中，“触觉感受”一 词是指向用户提供感觉的由致动器18输出的一个力或一序列力。举 例来说，振动、一次摇动或肌理感觉都看作是触觉感受。微处理器 110可以处理输入的传感器信号以便确定由随后的存储的指令输出 的合适的输出致动器信号。微处理器在本地确定输出至用户对象的 力时，以及向主机报告由传感器信号得到的位置格数据时，可以使 用传感器信号。
在其它实施例中，可以给装置12本地提供其它硬件以便提供与 微处理器110相似的功能。举例来说，可以利用包括固定逻辑的硬件 状态机来向致动器18提供信号并接受来自传感器112的传感器信号， 以及输出触觉信号。
在一个不同的主机控制的实施例中，主机14可以通过总线20提 供低级力命令，这些命令通过微处理器110或其它电路系统直接发送 至致动器18。这样，主机14就直接控制和处理送往和来自装置12的 所有信号，举例来说，主机直接控制致动器18的输出的力并且直接 接收来自传感器112和输入装置118的传感器信号。其它实施例可以 采用一种“混合型”组织方案，其中某些类型的力(例如闭环作用) 只由本地微处理器控制，而其它类型的作用(例如开环作用)可以由 主机控制。
本地存储器122，例如RAM和/或ROM，优选地联接于装置12中 的微处理器110上以便存储微处理器110的指令并存储临时和其它数 据。此外，本地时钟124可以联接于微处理器110上以便提供计时数 据，与主机14的系统时钟102类似。
传感器112检测装置(例如外壳或操纵介质)在各个自由度上 的位置或运动并且向微处理器110(或主机14)提供包括表示位置 或运动的信息的信号。适用于检测运动的传感器包括数字光学编码 器、其它光学传感器系统、线性光学编码器、电位计、光学传感器、 速度传感器、加速度传感器、应变仪，或者也可以使用其它类型的 传感器，并且既可使用相对型传感器，也可使用绝对型传感器。光 学传感器接口114可以用于将传感器信号转变为微处理器110和/或 主机系统14能够解译的信号，对于这点本领域的普通技术人员都非 常熟知。
致动器18响应于从微处理器110和/或主机14接收的信号而向 外壳、操纵介质、按钮或装置的其它部分发送力。装置12优选地包 括一个或多个可在装置12(或其组件)上产生力和使用户产生触觉感 受的致动器。致动器为电活性聚合物(EAP)致动器，在下文中将对 其进行更详细的描述，并且它们“由计算机控制”，例如致动器输出 的力最终要受由控制器例如微处理器、特定用途集成电路等等产生的 信号控制。其它许多类型的致动器可以与本文中所述的电活性聚合物 致动器一起使用，包括旋转式直流马达、音圈致动器、运动式磁铁致 动器、气压/液压致动器、螺线管、扬声器音圈、压电致动器、无源 致动器(制动器)，等等。致动器接口116可以任选地连接于致动器18 与微处理器110之间以便将来自微处理器110的信号转变为适于驱动 致动器18的信号。接口116可以包括功率放大器、开关、数-模控 制器(DACs)、模-数控制器(ADCs)、以及其它组件，本领域的普通 技术人员对此都非常熟知。
在本文的某些实施方案中，致动器能够在装置的外壳或操纵介质 上施加短期力感觉，或者通过移动一个惯性质量来实现。这种短期力 感觉可以被描述为“脉冲”。在某些实施例中，“脉冲”可以大致沿特 定的方向进行。在某些实施例中，“脉冲”的幅值可以进行控制；“脉 冲”的感知可以进行控制，可存在正负偏差；可以施加一种“周期性 力感觉”，而该周期性感觉具有一定的幅值和频率，例如正弦波；周 期感觉可以从正弦波、方波、锯齿上行波、锯齿下行波以及三角波中 选择；可以对周期信号施加包络线，以容许随着时间过去幅值的振动。 波形可以从主机“流”入装置中，或者可以通过包括各种参数例如幅 值、频率和持续时间的高级命令传送。
其它输入装置118可以包括于装置12中，并在用户进行操纵时 向微处理器110或主机14发送输入信号。这些输入装置包括按钮、 拨盘、开关、滚轮、旋钮或其它控制器或机构。电源120可任选地包 括于与致动器接口116和/或致动器18相联接的装置12中，以便向 致动器提供电能，或者电源也可作为分离式的组件。另外，能量可以 从与装置12分离的电源获取，或者能量也可以通过总线20接收。另 外，接收到的能量可以由装置12存储和调整并在需要驱动致动器18 时使用或者作为补充能量的形式使用。
接口装置12可以为任意各种类型；下文中将对一些实施例进行 进一步的描述。举例来说，装置12可以为具有平面自由度的鼠标装 置，其中其整个外壳进行运动。另外，装置上的操纵介质，例如操 纵杆手柄、旋钮、转向轮盘、跟踪球，等等，可以由用户移动而由 传感器跟踪。装置12还可为游戏键盘、操纵杆、转向轮盘、触笔、 触垫、球控制器、指垫、旋钮、跟踪球或其它装置，其中一些实施 例在下文中将进行描述。另外，用于选择电视、盒式录像机、立体 声系统、互联网计算机或网络计算机(例如Web-TVTM)的功能的手 持式遥控装置也可以与本文中所述的触觉反馈组件一起使用，或者 手机、个人数字助理等等。由致动器18产生的力可以施加于装置12 的外壳和/或可动式操纵介质例如操纵杆手柄、转向轮盘、旋钮、按 钮等等上。
              触觉反馈装置中的电活性聚合物
电活性聚合物(EAP)为一类能够进行配制和/或处理以便呈现各 种各样的物理性能、电性能和电光性能的聚合物。
当例如通过施加电压而激活时，EAP材料就可经受显著的物理 运动或变形，通常称作电致伸缩。这些变形可以沿材料的长度、宽 度、厚度、半径等方向进行，并且在某些情况下应变可能超过10％。 在常见的材料中，这么大的弹性应变值非常罕见，并且如果它们利 用适当的电子系统进行完全控制的话，弹性应变值将更加罕见。这 类材料可以用于在紧凑、易控、低能量、快速并且可能成本低廉的 包装中进行发挥用途的工作。由于具有这些性能，它们通常被称作 “电子肌肉”。这种变形性能可以用于本发明中以在触觉反馈装置中 向用户提供力。
这些材料中许多也可用作高质量的传感器，特别是用于时变(即 交流)信号。当发生机械变形(例如受到弯曲、拉伸等)时，大多数 EAP材料会产生可以进行电测量的差动电压。这种本来产生电势的能 力使得它们有广泛前景用作本发明的触觉反馈装置中的力传感器、位 置传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器等等。这些材料 中许多呈现双向性能，因而既可用作传感器又可用作致动器，或者同 时用作传感器和致动器，根据系统设计而定。
现在，主要有四类EAP，它们分别具有各种优点、缺点和问题。 这四类是凝胶剂聚合物、离子型聚合物(离子型聚合物金属复合材料 或IPMC)、导电型聚合物和电限制性聚合物。任一种这些类型的EAP 都可用于本发明，尽管某些类型可能比其它类型更适用于特定的应用 场合。在Kornbluh等的论文“High-field electrostriction of elastomeric polymer dielectrics for actuator”、M.Shahinpoor 的“Electro-mechanics of iono-elastic beams as electrically- controllable artificial muscles”、K.Oguro等的“Polymer Electrolyte Actuator with Gold Electrode”、以及R.Lumia等的
“Microgripper design using electro-active polymers”中对名种 EAP结构进行了描述，上述论文选自SPIE Conf.on Electroactive Polymer Actuators and Devices，SPIE Vol.3669，1999。
在多数EAP材料中，致动机理都是基于离子种类进入或移出聚合 物网络的运动。目前，其中商业上最可行的为电致伸缩型聚合物这一 类。
电限制性聚合物目前可以分成两类：电介质型和相变型。电介质 型聚合物通常为由其间带有电介质聚合物的两个导电(顺电)电极构 成的夹层结构。在高电场(例如几百至几千伏)条件下，电极的吸引 力会挤压介于其间的电介质从而产生显著的运动(应变)。在某些情 况下，这种应变可能会大于50％。
相变型电限制性材料在存在电场的情况下也会呈现高应变(变 形)能力，但是机理在于分子链级的铁电到顺电转变。这种材料的 一个实例已由Q.M.Zhang等人研制出来，为电子放射聚偏氟乙烯 -三氟乙烯(P(VDF-TrFE))共聚物，在论文“Electromechanical Behavior of Electroactive P(VDF-TrFE)Copolymers”，SPIE Conf. on Electroactive Polymer Actuators and Devices，SPIE Vol. 3669，1999中进行了描述。当进行处理时，P(VDF-TrFE)呈现异常的 应变(在某些情况下＞10％)、极高的能量密度(焦耳/立方厘米)、以 及很高的物理刚度(弹性模量)。有人提出这类材料呈现的能量密度 超过传统的压电陶瓷(PZT)和磁电限制性材料。因此，如本发明所 述，P(VDF-TrFE)可能是用于触觉装置的包括固有感知能力的近乎完 美的致动器材料。
EAP材料通常为现有聚合物的衍生物，因此也有与这些现有产品 共同的处理步骤。这种共性使得EAP材料可能经济地进行大量生产， 并能提供可重复的质量标准。对于在触觉装置中的应用，EAP材料(特 别是P(VDF-TrFE))与传统的传感和致动方法相比具有许多潜在的优 点。举例来说，EAP材料具有高能量密度、快速响应时间、可定制性 (形状和性能特征)、紧凑性、易可控性、低能耗、运动的高输出力 和偏转/量、固有刚度、传感和致动功能、较低的原料成本、以及较 低的制造成本。
构型
EAP致动器和传感器可以按照几种不同的方法成型。下文中对部 分这些构型进行描述。
弯曲：可以提供一种夹层/分层式“双压电晶片元件”结构，它 能沿两个方向产生单轴位移或力。举例来说，图2a中示出了EAP结 构200的侧视图。可以进行脱离结构200的平面的弯曲运动，如图2a 中所示。例如，这可以利用IPMC结构或者由一个金电极和一个碳电 极在一个夹层结构中包围的聚合物来实现。另外，如图2b的俯视图 中所示，也可以在结构202的平面内进行弯曲，例如通过阳离子利用 水阻力进行。也可以利用弯曲梁来做传感器，例如置于两个电极之间 的IEM-Pt复合材料传感器。
线性运动：图2c示出了一个多层弯曲梁204的侧视图，它既能 弯曲，又能沿纵向(沿长度方向)产生位移和力。梁204可包括一个 上电极206a、一个下电极206b、一个中间电极206c，由标准导电材 料制成。两个弹性体层208位于电极之间。如箭头209所示，梁204 的线性运动通过同时致动上电极和下电极而产生。弯曲运动通过致动 上电极或者下电极而产生(中间电极接地)。其它实施例可以通过使 用夹层结构而只提供线性运动、轴向偏转而没有弯曲运动。
多自由度：图2d示出了圆柱210的透视图，它可利用施加于四 个电极上的组合信号而沿两个自由度(四个方向)偏转。本实例中示 出了四个电极211，它们位于弹性体圆柱层207上。在其他实施例中， 可以提供其它的电极的三维结构以便沿两个自由度(四个方向)或另 外的自由度偏转。举例来说，可以提供具有三角形或其它多边形横截 面的结构。
面积扩张：图2e示出的结构包括挤压于两个顺从型电极213之 间的一个软电介质212。电介质212例如沿一个或多个线性方向发生 面积扩张，如箭头214所示。在其它实施例中，电介质，例如伸展于 位于两个电极之间的刚性支架上的聚合物薄膜，可以沿径向扩张(在 圆形电介质中)。也可使用其它形状的电介质。电介质的厚度同时会 受到压缩，如箭头215所示。
轴向运动：图2f示出了两聚合物层的夹层结构，这两个聚合物 层滚压入圆柱216中，其中电连接和机械连接位于区域218处，而活 性扩张区域220位于重叠的电极之间并包括重叠的电极。所得到的轴 向运动由箭头219表示。在其它实施例中，夹层结构可以滚压入线圈 中以便产生旋转运动(力矩)。
隔膜：薄隔膜可以利用平面扩张来产生平面内或平面外的偏转、 孔隙的闭合、等等。
触觉装置实施例
EAP致动器和传感器在触觉装置中所考虑的主要用途种类为惯性 振动致动器、线性致动器、旋转致动器、制动器、以及各种各样的用 途。这些用途种类中许多都在下文中在所提供的本发明的触觉装置的
实施例中进行了描述。
应当指出，在以下实施例中所述的EAP致动器可由本地微处理器 根据固件和/或主机命令或信号控制，或者由主机直接控制致动器。
图3示出了可用于本发明的接口装置12的一个实例。鼠标装置250 为一个具有外壳252的装置，外壳252可由用户沿两个平面自由度(x 轴和y轴)移动以便向主机提供控制信号，例如用于控制光标在所显 示的图形环境中的位置。本领域的普通技术人员都熟知，鼠标装置250 包括一个或多个传感器来检测其x位置和y位置，例如球和滚子传感 器装置、光学传感器、或其它类型的传感器。可以提供一个滚轮254 来使得用户能够通过旋转滚轮来提供另外的输入。用户可以按压鼠标 按钮256来向主机提供输入信号。
关于鼠标实施例250，描述了三种一般类型的触觉反馈；也可以 采用其它类型，并且可以全部利用其它类型的触觉反馈装置(操纵杆、 跟踪球、转向轮盘、膝上型传感器垫，等等)来实现。这三种一般类 型的触觉反馈为按钮触觉反馈、惯性触觉反馈以及外壳运动触觉反 馈)。
图3a-3c总体上示出了按钮上的触觉反馈的输出。按钮触觉反 馈可以通过几种不同的方式来提供。在图3a中，利用EAP致动器来 提供触觉反馈并沿如箭头所示的按钮自由度，即沿点击或移动按钮的 方向，致动按钮256的运动，其中按钮可以移至如虚线所示的另一个 位置。EAP结构(图中未示出)可以，举例来说，直接联接于按钮上， 或者通过传送或中间构件(弹簧、挠曲构件等)联接于按钮上。例如， 线性延伸的EAP致动器可以沿其自由度压动或拉动按钮。
在图3b的俯视图中，EAP致动器沿按钮运动方向的侧向给按钮 256a提供触觉反馈，该侧向运动方向即基本垂直于按钮运动，并且在 鼠标实施例的情况中基本平行于沿其自由度的鼠标运动的运动方向。 EAP致动器可以直接联接于按钮上或者通过中间构件连接于按钮上。 例如，线性运动的EAP致动器可以从按钮256a的侧面压动或拉动按 钮。此外，按钮可以沿x轴或y轴运动，或者可以例如使用两个EAP 致动器沿这两根轴运动。触觉按钮也可以通过按钮256b来实现，它 是一个可以进行点击或按压以提供输入信号的标准按钮，并且它还可 以包括一个提供于该按钮上的补片258。补片可为能够由EAP致动器 独立于按钮256b的周围部分而移动的分离式薄膜或构件。举例来说， 如图所示，补片258可以位于按钮256b的中心附近；另外，补片可 以位于按钮256b的一侧或一边。
图3c为另一个按钮实施例的俯视图，其中触觉EAP元件262的 触觉阵列260可以置于按钮256上或者其附近。阵列中的每个EAP元 件262可以单独沿z轴向上或向下移动，从而在用户的一个手指安放 于按钮上时，能够向与阵列或者阵列的一部分接触的用户传送多种感 觉。在其它实施例中，可以提供一维阵列(单排元件)来代替所示的 二维阵列。下文中将对EAP触觉阵列进行更详细的描述。
另一种一般类型的触觉反馈是惯性反馈，它涉及的是相对于惯性 地面移动一个质量以便向用户传送振动或脉冲形式的振感。惯性触觉 反馈可以使用本发明的EAP致动器来提供。图4a示出了一种使用EAP 致动器的线性摇动器270，其中质量M由可沿轴向移动的EAP结构272 作用而线性移动，如箭头274所示。振感控制波形274输入摇动器中 以使得EAP致动器来回振动。这就在与EAP致动器相连接的装置外壳 上产生一个惯性力。这种反馈可以提供给鼠标、游戏键盘、操纵杆手 柄或底座、任一种装置上的触发器按钮、触笔、输入板、手套、旋钮、 遥控器、或装置上的其它手提式装置或结构。
图4b示出了一种旋转式惯性EAP致动器280、它包括一个构型近 似线圈的EAP元件282以便沿旋转自由度移动惯性质量284从而向与 致动器相联接的外壳或结构提供旋转惯性力。元件282的内端288可 以接地以便为振动的元件另一端提供参考。举例来说，质量284可以 近似绕着转轴线A振动，其中极限位置的实例由虚线所示。正负极连 接286，如同本文中所有带有这种连接的所示实施例一样，表示信号 或者波形可以施加于EAP致动器上以便使其移动。
图4c示出了一种多轴摇动器模块290，它包括三个质量M1、M2 和M3，分别联接于与图4a中的结构相似的相关EAP致动器结构292 上。优选地，每个EAP结构沿不同的轴线(x、y和z)定向以使得质 量能够沿相关轴线线性运动。当全部三个质量同时运动时，就沿全部 三个自由度提供惯性力，使得能够向触觉装置的用户输出更复杂逼真 的惯性触觉反馈。在其它实施例中，只提供两个自由度上的质量和致 动器，或者可以沿不同角度定向。
外壳运动的触觉反馈为另一种一般类型的触觉反馈，也可以使用 一个或多个EAP致动器根据本发明输出。图5a示出了鼠标300的整 个外壳302(或者除了底板以外的外壳的整个顶部)的上下运动，如 箭头304和虚线306所示。EAP致动器308可以直接与可动式外壳相 联接，如图所示，并且做线性运动。或者EAP元件可以通过铰链、挠 曲构件或其它结构而联接于外壳上。在其它实施例中，EAP致动器可 以进行弯曲以产生上下运动。
图5b示出了一个鼠标320，它包括一个或多个位于鼠标的侧外壳 324中或其上的可动段322，而EAP致动器可以联接于每个可动段上 以便使其移动。举例来说，软性材料或者铰链，例如橡胶或软性塑料， 可以将可动段322联接于外壳324的其它部分上以便进行运动。可以 使用弯曲、线性运动或者面积膨胀的EAP致动器来移动各个段322。
在图5c中，鼠标330包括可在对开式壳体构型中移动的外壳324 的整个部分332，使得专用EAP致动器联接于每个部分322上以便独 立于另一个部分322而驱动其相关部分。当这些部分运动时，接触运 动部分322的用户手掌将会感受到触觉感受，例如振动感之类。另外， 各部分322可以同时驱动或者利用一个与两个部分都保持连接的EAP 致动器驱动。
图5d示出的鼠标340包括一个如箭头346所示并由一个EAP致 动器驱动，可相对于外壳其它部分344运动的外壳的上部342，其中 用户的手掌与可动部分接触以感受触觉接触力。可以利用铰链或其它 挠曲构件将可动部分342与底座部分344相联接。在其它实施例中可 以提供尺寸不同的部分342。
球触觉反馈提供了作用于球，例如跟踪球装置、用于鼠标装置中 的传感器机构中的球、或者其它摩擦运动装置上的触觉力，以便输出 沿接口装置的运动自由度的触觉反馈。举例来说，如图6中所示，球 致动装置350包括一个球体或球352、一个X滚子354、一个Y滚子356、 一个X传感器358、一个Y传感器360、一个X EAP制动器362、一个 Y EAP制动器364以及一个支承着制动器的支架366。球352对着圆 柱形滚子354和356滚动(可以通过使用例如在弹簧作用下对着球偏 移的第三滚子而使球对着这些滚子偏移)。通过提供连接于滚子上的 编码器轮盘和用于检测轮盘中的狭槽或标志的发射器检测器，编码器 传感器358和360可以检测滚子从而检测球沿x和y轴的位置，这一 点已为大家熟知。EAP制动器362和364各包括一个位于其朝向滚子 354或356的一端的制动蹄片368。EAP制动器上提供有用于引起EAP 元件从而引起制动蹄片368产生线性运动的控制电子信号，以便使得 制动蹄片与滚动构件354和/或356保持摩擦接触。这种摩擦接触对 球352的运动产生阻力，用户感受到的就是对运动的阻力和触觉反馈。 EAP制动器362和364可以移动不同的距离以在滚子上产生不同大小 的摩擦，从而在球上产生不同大小的摩擦。在这类实施例中，这种阻 力也会产生对鼠标沿其自由度上的阻力。
接口装置12的某些实施例可以包括一个轮盘，例如图3中所示 的鼠标轮盘254。轮盘可以由用户的手指转动以向计算机提供表示轮 盘位置或运动的位置信号，可以利用这些信号来滚动主机所显示的文 档、移动光标和在列表中选择某项，或者执行本领域的普通技术人员 所熟知的其它功能。触觉反馈可以使用EAP致动器沿轮盘的旋转自由 度和/或在轮盘自身上输出。举例来说，图7a示出的轮盘380包括一 个EAP旋转式惯性摇动器382。摇动器包括一个曲线形EAP元件384 和一个位于元件384端部的质量386。质量386可利用周期波形作为 输入信号而保持振动，与图4b中所示的摇动器相似。这就在轮盘380 上产生惯性感觉，并传送至用户的手指388。
在图7b中，轮盘400包括多个沿径向扩张的EAP致动器402。如 图7c中所示，每个EAP致动器402可与上文中图2e所示的面积扩张 致动器相似，以便为轮盘400提供扩张的外表面。多个EAP致动器提 供于轮盘的圆周周围，而每个致动器的扩张可单独受到控制以便根据 与用户手指接触的这些致动器的集体运动向用户手指提供触觉感受。 另外可以使用其它类型的EAP致动器，例如线性运动元件。
在图7d中，所示的EAP制动器装置410包括一个EAP制动器412， EAP制动器412包括一个与制动蹄片416相联接的EAP线性运动结构 414。制动蹄片416与轮盘420的转轴418保持摩擦接触，与图6的EAP 制动器相似，以便在轮盘的旋转自由度上产生阻力。
图7e示出的轮盘装置430使用一个EAP致动器在轮盘上提供与 轮盘的转轴线平行的侧向运动或力。线性运动EAP致动器432可以联 接于转轴434上(或者联接于旋转地联接在轴上的构件上)以便给轮 盘438提供水平力和运动，如箭头436所示。同样，在某些实施例中， 线性运动EAP致动器440可以联接于所示的构件上以便在整个轮盘装 置430上提供如箭头442所示的垂直力或运动。这些实施例也可以用 于各种装置中所用的旋转式控制按钮。
其它接口装置12可以使用EAP致动器来提供触觉反馈。举例来 说，在图8a中，示出了一个“轨迹点”控制器450，它通常位于膝上 型计算机或其它计算机的标准计算机键盘上的按键之间，通过沿如箭 头452所示的正常位移方向运动而用于控制光标或其它指示功能。举 例来说，轨迹点可以在两个自由度上平移或旋转移动。轨迹点450可 以提供有EAP致动器454，它可以受到控制以便沿两个方向做线性垂 直(z轴)运动从而向操纵轨迹点的用户手指提供z轴触觉反馈。在 某些实施例中，EAP致动器454还可以起或者另外起传感器的作用， 以便检测用户何时接触轨迹点和/或用户在轨迹点上施加的z轴压力 或位移大小。z轴压力大小可以用来控制应用程序中的数值或参数， 例如速率控制函数(滚动、扫视、缩放、游戏中虚拟车辆的速度，等 等)或者表示第三维的光标的位置。轨迹点控制器可以看作接口装置 以及接口装置的操纵介质。
在图8b中，轨迹点控制器460可以包括一个线性运动EAP致动 器，它与图8a中的致动器相似，但是位于垂直立柱462的空心内部。 轨迹点的帽461可以具有一定构造以容许力气大的用户抓住，并且包 括一个孔465。如图8c中所示，EAP致动器464可以受到控制以便将 与EAP致动器464相联接的升降杆466或其它构件伸出孔而到达与轨 迹点控制器460的顶部接触的用户手指的皮肤。升降杆可以缩回或伸 出以向用户提供肌理感觉。
图8d示出了轨迹点控制器470的另一个实施例，其中EAP致动 器用于提供沿轨迹点控制器的控制的垂直的x-y方向的触觉反馈。四 个线性运动EAP致动器472环绕着控制器的底座474依次相隔90度 角安放，以便向中心垂直立柱476提供线性力和/或运动。立柱可以 由用户作用而沿x-方向和/或y-方向线性运动以便控制光标、数值， 等等。应当指出，除了轨迹点控制器之外，图8a-8d所示的实施例 可以用于标准、较大尺寸的操纵杆或者其它类型的接口装置。
触觉阵列为多个垂直“销”，它们在销的接触表面处形成了一个 与销的定向相垂直的接触平面。销的接触表面与用户手指或者手掌相 接触。每个销可以单独垂直于销的纵向轴线运动，以便使得各个销的 集体运动能够向用户传送不同的触觉感受。图9a示出了单个“销”490， 它用作能够如箭头496所示进行线性运动的EAP致动器494。触觉帽 492位于EAP销494上以便可由用户接触。在图9b中，多个图9a的 销490置于一个矩阵中形成触觉阵列500，其中每个销490可以单独 受到控制而沿任一个方向垂直运动。相邻的表面502为用户的手指提 供了参考表面。在图9c中，示出了EAP销490的高密度阵列504，其 中每个EAP销可以代表一个象素尺寸元件。当越过图形环境中的某些 特征或与其交互作用时，这个销阵列可以用于向用户发出触觉指示。 举例来说，该阵列可以用作跟踪板，而用户手指在阵列上的位置决定 着光标或实体在图形环境中的位置。可以对销阵列进行矩阵扫描(或 者单独寻址)以便感知用户的手指当前在阵列中的位置。当用户的手 指移过窗口的边界时，与边界位置对应的EAP销向上运动，给用户的 手指以越过三维边界的感觉。其它所显示的特征例如图标、文件夹等 等，也可同样发出触觉指示。高密度阵列504还可用于根据计算机环 境中执行的交互作用或事件提供其它触觉感受。
图9d示出了使用上述EAP销的另一个实施例510。可以提供一个 侧向运动触觉元件/阵列，而垂直于其纵向轴(沿侧向)移动销就会 提供触觉感受。每个销沿侧向移动以提供用户皮肤的伸张感觉或剪切 感觉，而不是象图9a-9c中的实施例那样使用户皮肤缩进。在各个销 之间可提供有更多空间以便进行侧向运动。当使用EAP致动器时，提 供这种侧向运动的一种方法是将两个线性运动EAP致动器512置于一 个接地元件上，并将一个柔性膜片514(或其它构件)置于致动器512 上，而侧向运动元件516则置于柔性膜片514上，如图9d中所示。 一个或者两个EAP致动器512垂直运动(如果两个同时运动，则沿相 反的方向)，使得柔性膜片发生挠曲而侧向元件516如箭头518所示 左右摇动。另外，如图9e中所示，能够利用如上文图2b中所示的控 制信号和/或具有夹层结构的元件直接侧向移动的EAP结构520可以 用于提供所需的侧向运动。致动器520可以沿一个自由度侧向运动， 或者在某些实施例中沿两个自由度运动。
EAP致动器可以用于在某些特定应用中提供特定的力。举例来说， 图10为用于医学装置中的EAP制动器530的侧视图，其中导管线532 (或腹腔镜延伸部分、针或医学或其它用具的其它部分)在用于提供 医学用具上的力以便模拟医学程序的触觉反馈医学仿真中使用。EAP 制动器包括一个与能够对着导管线532侧向运动的制动蹄片536相联 接的EAP元件534，在管线的线性自由度上产生磨擦。摩擦值可以通 过将EAP制动器移动不同的距离而进行调整。另一个EAP制动器可以 用于提供沿管线532的旋转自由度上的阻力。
触发器装置也可使用EAP致动器。图11为包括一个触发器542 的装置540的侧视图，其中触发器542受到用户的按压以便向游戏、 仿真系统或者其它程序或装置提供信号。触发器542可以包括于接口 装置例如游戏键盘、操纵杆、鼠标等等中。举例来说，触发器542可 以绕着旋转轴线B旋转，该旋转轴线可为与接口装置外壳联接的联接 器。EAP致动器544可以位于触发器与接地开关546之间。当部分548 受到按压时，开关546发送指示致动的信号。弹簧550使接触板552 在正常情况下从开关546上偏移开；当板552由EAP致动器544移动 时，弹簧受压缩因而板就会打中开关546的部分548，将其致动。同 时，弹簧550将触发器偏移回其初始位置或静止位置，提供阻止触发 器运动的弹簧阻力。EAP致动器可用于与触发器运动相对运动或者与 其一起运动，以便向推压触发器的用户提供触觉感受(这种EAP力可 为550的弹簧力起补充作用或者取而代之)。这样，致动器就使得触 发器更易于或者更难以使开关改变状态。举例来说，可以输出不同的 阻力、阻尼、脉冲或振动，如同本文中所述的所有线性EAP致动器实 施例中那样。
图12a示出的旋钮560可以用于控制多种装置的功能。螺旋线或 线圈EAP致动器562可以位于旋钮内部以便使得EAP致动器在其致动 时对旋钮施加一个力矩。这样就可以沿旋钮的旋转自由度提供阻力或 力，如箭头564所示，尽管应当使用旋转范围有限的旋钮。
图12b示出了包括一个EAP致动器的旋钮装置570。旋钮572联 接于旋转轴574上，而旋转轴574联接于可包括一个摩擦表面的圆柱 形制动器构件576上。EAP致动器578包括一个制动蹄片580，制动 蹄片580由致动器578移动以与制动器构件576接触。这种接合提供 了轴574和旋钮572上的摩擦力。这个实施例使得旋钮使用时具有不 受限制(连续)的旋转范围。可以使用一个线性EAP元件，如同以上 制动实施例中所述。
图13为用于转盘的制动实施例590的侧视图。盘592绕轴线C 旋转。卡钳594位于盘的一端，而EAP致动器596联接于卡钳的一端。 EAP致动器可以作线性运动以便将制动蹄片598对着盘的旋转横截表 面运动，从而产生对盘的摩擦阻力。制动蹄片600可以位于卡钳594 的另一端，与制动蹄片598相对。这种盘可以联接于各种对象上，例 如操纵杆手柄或鼠标、或者车辆中的转轴上。
触笔形的接口装置也可以提供有EAP致动器以向触笔用户产生触 觉反馈。触笔可用于在屏幕上指向或选择对象，或者通过使触笔与输 入板或与显示屏表面接触而画线或写线，例如在个人数字助理(PDA)、 触摸屏、图形输入板、膝上型计算机等等上。举例来说，图14a示出 了具有一个可动式尖端612的触笔610，其中尖端由与尖端相联接并 位于触笔外壳内部的EAP致动器614移动。EAP致动器线性运动并使 得尖端构件616通过触笔外壳上的孔线性运动。EAP致动器可以进行 控制以便在尖端上进而向握着触笔的用户产生振动、脉冲或其它力感 觉。
图14b示出了一个不同的实施例620，它使得触笔的前端部622 相对于触笔的后部624做线性运动。橡胶波纹管626可以位于运动的 前部与后部之间，而EAP致动器(图中未示出)可以位于触笔外壳的 内部。EAP致动器可为线性运动元件，它与前端部622相联接以便移 动该前端部，与移动图14a中所示的尖端构件的过程类似。与相对于 图14a所述的类似，可以向用户输出触觉感受。
触笔的其它特征也可使用EAP致动器来致动。在图14c中，所示 的触笔640具有一个按钮642，通过如图所示将一个线性运动的EAP 致动器644与按钮相联接，按钮642可以(由主机或其它控制器)进 行控制以便做前后线性运动。举例来说，可以致动按钮以便响应于受 控光标与其它显示对象之间的交互作用。
在图14d中，触笔650包括一个扩张式把手652，它可以使用EAP 致动器实现。圆柱形把手提供了一个可由握住圆柱形把手的用户在触 觉上辨知的扩张式圆周。把手可以扩张和收缩以便提供各种触觉感 受，例如脉冲、振动、三维表面仿真，等等。把手可以使用多个EAP 致动器654(图中示出了四个)来实现，这些致动器为盘形、并在施 加致动信号时沿圆周扩张，如图14e中所示，该图示出了单个EAP致 动器654。这些致动器可以与上文中相对于图2所述的EAP结构相似。
其它装置也可以与EAP致动器一起使用。举例来说，如图15a中 所示，转向轮盘控制器装置的转向轮盘660可以提供有一个EAP惯性 摇动器662，EAP惯性摇动器662联接于轮盘中或者轮盘上以便向接 触转向轮盘的用户提供惯性力，并且与所显示的事件或交互作用一 致。惯性摇动器可以与上文参照图4a所述的摇动器相似。也可以提 供制动器以在转向轮盘的自由度上施加摩擦力，与图12b的旋钮类似。 图15b示出了操纵杆控制器的操纵杆手柄666，其中手柄同样装有一 个提供于操纵杆手柄中用于向操纵杆手柄输出惯性力的惯性EAP致动 器668。
图15c为向操纵杆提供从动力反馈的操纵杆实施例680的透视 图。操纵杆手柄682安放于两个旋转构件684a和684b的孔中。当手 柄682沿一个方向旋转时，相应的构件684也会旋转。摩擦制动器盘 686a和686b与其相关旋转构件684a和684b相联接。EAP制动器688a 和688b提供盘686上的摩擦力，而这就会在操纵杆手柄的两个自由 度上产生阻力(图中未示出的传感器检测操纵杆手柄的旋转运动)。 举例来说，EAP制动器可以包括线性运动元件，与本文中所述的其它 制动器实施例类似。图15d示出了一个可用作EAP制动器688的EAP 制动器卡钳的一个实例，其中联接于卡钳支承件691上的线性运动EAP 致动器690可以与同盘686保持摩擦接触的制动蹄片692相联接。
本文中公开的EAP制动器也可用于其它控制器上。举例来说，图 16为圆柱形指针控制器700的透视图，它包括一个圆柱702，圆柱702 能够如箭头704所示绕其纵向轴线旋转以便提供沿一个自由度的输入 (例如沿一根轴线移动光标)，并且能够如箭头706所示在支架708 上平行于其转轴平移以提供另一个自由度上的输入(例如沿另一根轴 线移动光标)。传感器(图中未示出)检测旋转和平移运动。这种控 制器在美国专利U.S.Patent No.4,896,554中进行了更为详细的描 述。在一个实施例中，EAP制动器710可以对着联接于圆柱上的轴712 移动制动蹄片以便提供沿旋转自由度的摩擦制动力。该EAP制动器和 圆柱可以在支架708上线性平移，而另一个EAP制动器714可以在支 架上施加沿平移自由度的制动摩擦力。
图17a示出的实施例720使用EAP致动器提供皮肤触器。皮肤触 器与上文所述的销栅阵列相似，其中一个或多个运动元件接触用户的 皮肤以提供触觉感受。在触觉手套中可以提供一个或多个皮肤触器来 与用户的手指和手掌接合，在内衣上的阵列中可以提供一个或多个皮 肤触器来与用户的胸或其它身体部分接合，或者提供于可接触用户皮 肤的其它区域。在图17a中，EAP线性运动致动器722联接于触器元 件724上，而触器元件穿过支承件726上的开口线性运动到达用户的 皮肤。触器元件优选地按照一定波形运动和/或振动，与上文所述的 销栅阵列相似。
图17b示出了具有触器元件的另一个实施例730。线性运动EAP 致动器732联接于支承件734上。触器元件736联接于与致动器732 的端部相联接的构件738上。当致动器732线性运动时，触器元件侧 向运动，如箭头740所示。这种运动使用户的皮肤伸展，而非将元件 移到皮肤上。包围着触器元件的接地表面，以及触器元件自身，可以 包括凸脊742或凸耳以与用户皮肤接合。接地表面上的固定凸脊将用 户皮肤的接合部分保持就位，而触器元件736上的运动凸脊使用户皮 肤的接合部分的中间区域伸展，产生高效的触觉感受。
尽管本发明依据几个优选实施例进行了描述，但是应当理解，对 于本领域的普通技术人员来说，通过阅读说明书和研究附图，将会很 清楚本发明的改变、变更和其等价方案。举例来说，利用本发明的致 动器可以提供许多不同的触觉感受。此外，为描述清楚起见，使用了 某些术语，但并非对本发明进行限制。