偏心旋转质量致动器的触觉效应优化
阅读：273发布：2021-06-13
专利汇可以提供偏心旋转质量致动器的触觉效应优化专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及偏心旋转 质量 致动器 的触觉效应优化。使用偏心旋转质量(“ERM”)致动器生成触觉效应的系统，确定ERM致动器的反电动势(“EMF”)并且接收包括一个或多个参数的触觉效应 信号 ，其中参数中的一个是根据时间的 电压 幅度电平。该系统至少基于反EMF改变电压幅度电平，并且向ERM致动器施加变化的触觉效应信号。，下面是偏心旋转质量致动器的触觉效应优化专利的具体信息内容。
1.一种使用偏心旋转质量(ERM)致动器在设备上生成触觉效应的方法，该方法包括：
在设备操作期间确定设备的振动电平；
接收包括一个或多个参数的触觉效应信号，其中参数中的一个是根据时间的电压幅度电平；
至少基于振动电平改变电压幅度电平；以及
向ERM致动器施加变化的触觉效应信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中设备包括确定振动电平的加速计。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在设备操作期间确定ERM致动器的反电动势(EMF)；以及
至少基于反EMF改变电压幅度电平。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括：
使用反EMF确定ERM致动器的上升时间；以及
至少基于上升时间改变电压幅度电平。
5.如权利要求3所述的方法，进一步包括：
使用反EMF确定ERM致动器的制动时间；以及
至少基于制动时间改变电压幅度电平。
6.如权利要求1所述的方法，其中电压幅度电平包括过驱动电压。
7.如权利要求3所述的方法，进一步包括：
确定ERM致动器的角速度和反EMF之间的关系；以及
至少基于该关系改变电压幅度电平。
8.如权利要求3所述的方法，进一步包括：
使用反EMF确定致动器是否在旋转。
9.一种使用偏心旋转质量(ERM)致动器在设备上生成触觉效应的方法，该方法包括：
当设备通电时，由该设备确定ERM致动器的反电动势(EMF)；
接收包括一个或多个参数的触觉效应信号，其中参数中的一个是根据时间的电压幅度电平；
至少基于反EMF改变电压幅度电平；以及
向ERM致动器施加变化的触觉效应信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中设备包括加速计，所述方法进一步包括：
当设备通电时，使用加速计确定设备的振动电平。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
使用反EMF确定ERM致动器的上升时间；以及
至少基于上升时间改变电压幅度电平。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
使用反EMF确定ERM致动器的制动时间；以及
至少基于制动时间改变电压幅度电平。
13.如权利要求9所述的方法，其中电压幅度电平包括过驱动电压。
14.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
确定ERM致动器的角速度和反EMF之间的关系；以及
至少基于该关系改变电压幅度电平。
15.一种其上存储有指令的非暂态计算机可读介质，所述指令当被处理器执行时，使得处理器如权利要求1-8中任意一项所述使用偏心旋转质量(ERM)致动器在设备上生成触觉效应。
16.一种其上存储有指令的非暂态计算机可读介质，所述指令当被处理器执行时，使得处理器如权利要求9-14中任意一项所述使用偏心旋转质量(ERM)致动器在设备上生成触觉效应。
偏心旋转质量致动器的触觉效应优化
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2012年2月1日提交的、系列号为61/593,719的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用合并于此。
技术领域
[0004] 一个实施例涉及致动器，尤其涉及用于生成触觉效应的致动器。
背景技术
[0005] 电子设备制造商致力于为用户生成丰富接口。传统的设备使用视觉和听觉提示来给用户提供反馈。在一些接口设备中，动觉反馈(例如作用力和反作用力反馈)和/或触觉反馈(例如振动、纹理和热度)也被提供给用户，更一般地被统称为“触觉反馈”或“触觉效应”。触觉效应可以提供加强和简化用户接口的提示。特殊地，振动效应或振动触觉效应，可以用于在提供提示给电子设备的用户以提醒用户特别的事件，或在模拟环境或虚拟环境中提供真实反馈来生成更强的感知浸入。
[0006] 为了生成振动效应，很多设备使用一些类型的致动器。已知的用于这种目的的致动器包括例如偏心旋转质量(“ERM”)致动器，其中偏心质量块被电机驱动，线性谐振致动器(“LRA”)，其中连接到弹簧的质量块被前后驱动，或例如压电、电活性聚合物、形状记忆合金的“智能材料”。很多这些致动器以及与它们交互的设备，都具有动态确定和控制的最佳内置谐振频率，使得生成触觉效应的驱动信号可以是最有效和高效，例如美国专利US7,843,277中公开的LRA设备的优化。
[0007] 致动器的性能特征，例如上升时间、制动时间和稳态电压，可以基于致动器的设计和制造商而改变，并且还由于物理振动、温度波动、疲劳和耗损在致动器的生命期间变化。此外，设备制造商想要自由地基于成本、可行性和性能特征来随意地替换不同的致动器而不有损设备提供的触觉反馈或需要高花费的手工重配置。
发明内容
发明内容
[0008] 一个实施例是使用偏心旋转质量(“ERM”)致动器生成触觉效应的系统。该系统确定ERM致动器的反电动势(“EMF”)并且接收包括一个或多个参数的触觉效应信号，参数中的一个是根据时间的电压幅度电平。该系统至少基于反EMF来改变电压幅度电平，并且将改变的触觉效应信号应用到ERM致动器。附图说明
[0009] 图1是根据本发明一个实施例的触觉使能系统的框图。
[0010] 图2是根据本发明一个实施例的图1中ERM的剖面局部透视图。
[0011] 图3是根据本发明一个实施例的图1中ERM驱动模块来确定ERM稳态计数器EMF(“SSCE”)电平的功能流程图。
[0012] 图4是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块来确定ERM上升时间的功能流程图。
[0013] 图5是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块来确定ERM制动时间的功能流程图。
[0014] 图6是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块使用反EMF时来调整ERM速度的功能流程图。
[0015] 图7是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块在生成触觉效应之前使用反EMF来确定电机是否旋转时的功能流程图。
具体实施方式
[0016] 一个实施例是使用偏心旋转质量(“ERM”)致动器生成触觉效应的系统。该系统的特点是ERM致动器使用反电动势(“EMF”)从而获取运行参数，包括上升时间、制动时间和每分钟转数差异。运行参数之后被控制器用来生成触觉效应从而优化系统的行为。
[0017] 图1是根据本发明一个实施例的触觉使能系统10的框图。系统10包括触摸感应表面11或安装在外壳15内的其他类型的用户接口，并且可包括机械按键/按钮13。系统10内部是在系统10上生成振动的触觉反馈系统。在一个实施例中，在触摸表面11上生成振动。
[0018] 触觉反馈系统包括处理器或控制器12。耦接到处理器12的是存储器20和耦接到ERM致动器18的致动器驱动电路16。处理器12可以是任何类型的通用处理器，或者可以是专门设计成提供触觉效应的处理器，例如专用集成电路(“ASIC”)。处理器12可以是运行整个系统10的同一处理器，或者可以是独立处理器。处理器12可以决定什么触觉效应被呈现以及基于高电平参数决定其中效应的使用顺序。一般地，限定触觉效应的高电平参数包括振幅、频率和持续时间。低电平参数例如流电机命令也可以被用于确定特殊的触觉效应。如果触觉效应包括当触觉效应被生成时这些参数的一些变化，或基于用户交互的这些参数的变化，触觉效应可以被认为是“动态的”。
[0019] 处理器12向致动器驱动电路16输出控制信号，其包括用于向ERM18提供所需电流和电压(即，“电机信号”)以产生所需要的触觉效应的电子元件和电路。系统10可包括多于一个的ERM18，并且每个ERM可包括全都耦接到通用处理器12的单独的驱动电路16。存储器设备20可以是任何类型的存储设备或计算机可读介质，例如随机存取存储器(“RAM”)或只读存储器(“ROM”)。存储器20存储处理器12执行的指令。在这些指令中，存储器20包括ERM驱动模块22，其指令被处理器12执行时，生成ERM18的驱动信号，同时还使用来自ERM18的反EMF来调整驱动信号，如下文更详细地公开。存储器20还可以位于处理器12的内部，或是内部和外部存储器的任意组合。
[0020] 触摸表面11识别触摸，并且还可以识别表面上触摸的位置和幅度。与触摸对应的数据被发送到处理器12，或系统10内部的另一个处理器，并且处理器12解释这些触摸并响应地生成触摸效应信号。触摸表面11可以使用任何感测技术感测触摸，包括电容感测、电阻感测、表面声波感测、压力感测、光学感测等等。触摸表面11可以感测多点触摸并能够区分同时发生的多点触摸。触摸表面11可以生成和显示用于与用户交互的图像的触摸屏，例如键盘、拨号盘等等，或者是具有最小图像或没有图像的触摸板。
[0021] 系统10可以是手持设备，例如蜂窝手机、个人数字助理(PDA)、智能电话、平板电脑、游戏操纵杆等，或可以是提供用户接口的任何其他类型的设备，并且包括包含一个或多个ERM致动器的触觉效应系统。用户接口可以是触摸感应表面，或者可以是例如鼠标、触摸板、小型操作杆、滚轮、追踪球、游戏板或游戏控制器等任何其他类型的用户接口。在具有多于一个ERM的实施例中，每个ERM可具有不同的旋转功能从而在设备上生成大范围的触觉效应。系统10还可以包括一个或多个感测器。在一个实施例中，感测器中的一个是加速计(未示出)，其测量ERM18和系统10的加速度。
[0022] 图2是根据本发明一个实施例的图1中ERM18的剖面局部透视图。ERM18包括具有围绕旋转轴205旋转的离心砝码203的旋转质量块201。在操作中，任何类型的电机可被耦接到ERM 18以响应于通过电机的两导线(图2未示出)施加到电机的电压量和极性，而导致围绕旋转轴205沿一个或两个方向上的旋转。应当认识到，旋转的相同方向上电压的施加会产生加速效应并致使ERM18提高其旋转速度，并且旋转反方向上电压的施加会产生制动效应并致使ERM18降低甚或逆转其旋转速度。
[0023] 本发明的一个实施例在驱动信号的监测期间确定ERM18的角速度。角速度是旋转速度的测量尺度，并且代表角速度的矢量数量的大小。以弧度每秒计的角速度或频率ω，通过因子2π关联到以圈数每秒计的频率v，也叫HZ。由图1的驱动电路16施加到ERM18的驱动信号包括一个驱动周期，其中至少一个驱动脉冲被施加到ERM18，以及监测周期，其中旋转质量块201的反EMF(也被称为“逆电动势(CEMF)”)被接收并且被用来确定ERM18的角速度。在另一个实施例中，驱动周期和监测周期并发并且本发明在驱动和监测周期期间动态地确定ERM 18的角速度。
[0024] 图3是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块22确定ERM18的稳态计数EMF(“SSCE”)电平的功能流程图。SSCE是要实现基本最大力的反EMF目标并且被认为是可被测量的所有反EMF的子集。在一个实施例中，下面图3和图4-7的流程图功能，被存储在存储器或其他计算机可读或有形媒介中的软件所实施，并且由处理器执行。在其他实施例中，该功能由硬件实施(例如，通过使用专用集成电路(“ASIC”)、可编程门阵列(“PGA”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等)，或软件和硬件的任何组合。
[0025] 在301，模块22接收或另外被提供ERM18的额定电压。该额定电压或标准电压是ERM18制造商推荐的操作电压电平。在一个实施例中，额定电压电平是3伏。额定电压可被任何装置确定，包括但不限于系统的自动监测、非易失性存储器中的编码，或从制造商或终端用户接收的手动输入。
[0026] 在303，额定电压被施加到ERM18达测试时间T1。该额定电压可以被连续地施加或以一个或多个脉冲方式施加。测试时间T1可被自动确定，编码在非易失性存储器上，或手动输入，但应足够长来使得ERM18在给定应用额定电压下达到稳态角速度。测试时间T1的典型值范围可在200ms到1000m之间。
[0027] 一旦ERM18达到了稳态角速度，在305，ERM18稳态计数器EMF(“SSCE”)的值在监测周期期间被测量，并且在307，SSCE的值作为状态信号被存储在存储器中。
[0028] 图4是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块22确定ERM18上升时间的功能流程图。在一个实施例中，图4的功能并不是在图3的功能之后被初始化，而是直到随着ERM减速(spools down)反EMF返回到零。
[0029] 在401，测试时间T2被设定为低初始值，例如10ms，但是T2的初始值可以是可能小于ERM18上升时间的任何值。
[0030] 在403，额定或过驱动电压被施加到ERM18达测试时间T2。过驱动电压是比ERM18的额定电压更高的电压电平。在一个实施例中，过驱动电压电平是5伏。在操作中ERM18使用过驱动电压的实施例中，过驱动电压施加在403。在系统10的操作中使用过驱动电压的优点是更大的触觉效应动态范围以及更快响应时间(加速和减速)。如果过驱动电压没有被使用，额定电压施加在403。
[0031] 在405，反EMF作为状态信号从ERM18被读取。
[0032] 在407，如果反EMF比上升时间的上限值要大，例如图3中确定的SSCE的90％，则在409，上升时间被设定为T2的值。典型地，当在403使用过驱动电压时在409确定的上升时间要短于使用额定电压时的上升时间。
[0033] 反之，在411系统等待ERM18的反EMF返回零，并且在413增量上升时间值，例如10ms，被增加到T2。功能块然后在403继续。上升时间上限值可以是任何值，但典型值的范围在额定电压SSCE的90％到110％之间。增量上升时间值也可以是任何值，但典型值的范围在
10ms和60ms之间，但对于慢速高惯量电机可以缓慢增加到200ms。
10ms和60ms之间，但对于慢速高惯量电机可以缓慢增加到200ms。
[0034] 图5是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块22确定ERM18制动时间的功能流程图。
[0035] 在501，测试时间T3被设置为低初始值，例如5ms，但T3的初始值可以是可能比ERM18制动时间更小的任何值。
[0036] 在503，额定或过驱动电压被施加到REM18至少达上升时间T2。如果使用额定电压，通常并没有对电压施加多久进行限制。如果使用过驱动电压，一个实施例中的电压被施加的时间接近于上升时间T2并且不会更长。当施加过驱动电压时，该目的是为了使致动器一旦达到平衡状态就进入目标加速电压转动状态。
[0037] 在505，全反向过驱动电压被施加到ERM18达测试时间T3(如果在系统10操作期间使用过驱动电压)或者全反向额定电压被施加到ERM18达测试时间T3。
[0038] 在507，反EMF作为状态信号从ERM18被读取。在509，如果反EMF小于制动时间下限值，例如SSCE的10％，则在511制动时间被设置为T3的值。另外，在513该系统等待ERM18的反EMF返回到零，并且在515增量制动时间值，例如5ms，被增加到T3。功能然后继续到503。制动时间下限值可以是任何值，但典型的值范围在SSCE的0％和20％之间。增量制动时间值可以是任何值，但对于在操作中使用过驱动电压的系统10的实施例，典型的值范围5ms和40ms之间。
[0039] 作为图3-5功能的结果，ERM18的上升时间和制动时间被获取。在一个实施例中，使用测试台测量结合系统10的制造实施图3-5的功能。在另一个实施例中，图3-5的功能实施在“板上”系统10，例如每当系统10通电时。在另一个实施例中，系统10的加速计可被用来读取振动电平并且这个参数可用来代替反EMF或与反EMF值相结合贯穿设备的生命时间通过测量真实数据点持续地更正和改进模型。
[0040] 在一个实施例中，对反EMF、上升时间和制动时间获取的值被用来通过将已标定的反EMF电平链接到振动/加速电平来改变触觉信号。一个实施例中的下面的伪代码可被用于链接：
[0041] If(vibrating)
[0042] if current_acceleration_backemf>＝target.acceleration-backemf[0043] then stop.overdrive and set voltage to target
[0044] elseif(braking)
[0045] if current_accerleration_backemf＝＝0
[0046] then stop braking and cut voltage
[0047] 下文是当使用过驱动电压时，使用获取的ERM上升时间和制动时间来提供更精确的触觉效应的例子。假设例如ERM18的ERM设备具有额定电压上升时间40ms以及衰退时间40ms、过驱动上升时间30ms、反向过驱动制动时间20ms，并且设备应用必须向用户提供单独的连续50ms触觉效应。如果设备应用简单地指示系统向ERM提供50ms的额定电压，初始的
40ms触觉效应小于最大值，接下来的10ms触觉效应处于最大值，然后接下来的40ms触觉效应将持续同时ERM角速度返回到零。
40ms触觉效应小于最大值，接下来的10ms触觉效应处于最大值，然后接下来的40ms触觉效应将持续同时ERM角速度返回到零。
[0048] 本发明的一个实施例中，单独的50ms电压被转换为三个独立的电压：第一，过驱动电压被施加到ERM达过电压上升时间30ms，第二，额定电压被施加到ERM达20ms触觉效应保持时间，以及第三，反向过驱动电压被施加到ERM达过电压制动时间20ms。与不使用本发明相比，利用这个例子，所生成的触觉效应能快10ms地达到最大值并能快20ms地返回到零值，以向用户提供更准确并因此更强大的触觉体验。
[0049] 另一例子中，目标加速度可以是“低噪声”，例如额定电压稳态反EMF的30％。对于非过驱动使能系统，“过驱动部分”将替代地使用基本最大额定电压来加速上升时间至力度电平的30％。对于制动，非过驱动和过驱动系统都将使用基本最大可用电压以便迅速停止电机。
[0050] 当生成触觉效应时，上文公开的实施例基于电机中的电压控制的时间变化控制ERM。然而，实际的电机速度受很多变化的因素的影响，例如电刷和轴承的摩擦、焊点阻抗等。作为结果，由于制造容差，“相同的”ERM电机，当在给定电压下控制时，以不同速率开启，并且随后由每个电机生成的加速度也是如此。由于电机生产中的变化，只通过电压反馈控制触摸力度因此并不理想。
[0051] 在一个实施例中，为了补偿ERM变化，ERM基于其即时速度而被控制。ERM的速度与ERM的反EMF(如上图3-5中公开的测量)成比例并且使用多种方法可被即时测量。使用即时电机速度，ERM的电压可被调整以使得电机总是在需要的速度开启。然后，时间变化速度配置可被使用来限定触觉效应，而不是使用时间变化电压配置。
[0052] 图6是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块22使用反EMF时来调整ERM18的速度的功能流程图。
[0053] 在602，ERM的反EMF速度因子被确定。为了表示反EMF和ERM18的角速度之间的关系，ERM18的EMF在不同的RPM被采样。在一个实施例中，采样发生在ERM18安装入系统10之前，使用加速计(或使用其他测量工具)测量表示角速度的加速度频率，并使用电压表测量反EMF。在其他实施例中，可以采用板载的方式进行测量。
[0054] 在604，ERM18的速度－电压因子被确定。为了表示输出电压和角速度之间的关系，电机的角速度在不同的输出电压下被采样。如602所示，在一个实施例中，604的功能可在ERM18安装入系统10之前完成，使用加速计(或使用其他测量工具)测量表示角速度的加速度频率，并使用电压表测量反EMF。
[0055] 在606，基于在602和604的测量，当处理器12要呈现触觉效应时，用于ERM18生成的触觉效应的角速度对比时间的配置被生成，或者，如果先前已生成则被提取。
[0056] 在608，已生成的触觉效应被提取，并且使用来自606的角速度对比时间配置确定接近的输出电压。
[0057] 在610，通过如下确定实际的ERM角速度，在ERM18上施加电压以及测量ERM18的反EMF，同时间歇地中断ERM18中的输出电压，并且之后使用在602确定的反EMF因子。
[0058] 在612，如果实际的ERM角速度不同于所期望的ERM角速度，输出电压被按比例调整。608和610之后被重复有限次，或可被持续重复来一直适应实时事件。触觉效应的作者可如他/她所想的长或短来创建触觉效应。触觉效应包括一系列定期时间索引速度值或电机电压。一般地，触觉效应包括3-10个时间步骤，并且在一个实施例中，对于ERM每个时间步骤持续5ms。608和610通常被重复直至触觉效应的结束。
[0059] 在614，当到了调整ERM角速度至下一速度的时间时，608、610和612被重复直至不再有角速度步骤。在一个实施例中，触觉效应规定了初始输出电压和目标速度，在该情况下614的功能不是必要的。
[0060] 正如公开的，实施例使用ERM致动器的反EMF测量从而表示特定的ERM致动器，以及优化为了生成触觉效应而应用到ERM的触觉效应信号。反EMF的测量通过测量ERM导线上的电压而完成，因此在很多实施例中不需要附加的测量装置来实现优化的结果。
[0061] 在另一个实施例中，反EMF可被用来在呈现新的效应前确定电机是否正处于运转之中。这个实施例可补偿“效应”栅，使用模型来确定/估计平衡重是否正处于旋转之中(因此静摩擦已被打破，具有动量)并且需要减弱的输入力量来生成所需的触觉效应。图7是根据本发明一个实施例的ERM驱动模块22在生成触觉效应之前使用反EMF来确定电机是否旋转时的功能流程图。
[0063] 在703，测试反EMF电平。
[0064] 在705，基于反EMF电平，确定电机是否在旋转。
[0065] 在705如果“是”(即，电机在旋转)，在707，计算触觉输出电平，并且触觉力量根据基于反EMF电平的模型而被减少，如上所公开的。
[0066] 在705如果“否”(即，电机不在旋转)，在709，正常计算触觉输出电平。
[0067] 在711，触觉力量输出。
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