用于生成摩擦和振动触感效果的系统和方法.pdf

本发明公开了用于生成摩擦和振动触感效果的系统和方法。该系统包括被配置为感测在一表面处从用户接收的输入的传感器；被配置为基于从用户接收的输入在该表面处生成第一触觉效果的第一触觉输出设备，第一触觉效果包括该表面处的摩擦效果；被配置为生成第二触觉效果的第二触觉输出设备，第二触觉效果包括振动触感反馈；以及处理器，该处理器被配置为从传感器接收输入信号并且向第一触觉输出设备输出第一驱动信号以生成第一触觉效果并且向第二触觉输出设备输出第二驱动信号以生成第二触觉效果。

权利要求书
1.  一种系统，包括：
传感器，被配置为感测在一表面处从用户接收的输入；
第一触觉输出设备，被配置为基于从用户接收的所述输入在所述 表面处生成第一触觉效果，所述第一触觉效果包括所述表面处的摩擦 效果；
第二触觉输出设备，被配置为生成第二触觉效果，所述第二触觉 效果包括振动触感反馈；以及
处理器，被配置为从所述传感器接收输入信号并且向所述第一触 觉输出设备输出第一驱动信号以生成所述第一触觉效果并且向所述第 二触觉输出设备输出第二驱动信号以生成所述第二触觉效果。

2.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一触觉输出设备包 括静电设备。

3.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一触觉输出设备包 括超声振动设备。

4.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二触觉输出设备包 括致动器。

5.  根据权利要求4所述的系统，其中，所述致动器包括压电致动 器、音圈、磁致动器、气动致动器、超声能量致动器、偏心质量致动 器、电活性聚合物致动器、或者形状记忆合金。

6.  根据权利要求1所述的系统，还包括触摸屏，该触摸屏包括所 述表面。

7.  根据权利要求6所述的系统，其中，所述触摸屏包括被配置为 显示图像的显示器。

8.  根据权利要求7所述的系统，还包括输入设备，其中所述第一 触觉效果被配置为提供取向线索来用于对所述输入设备的使用，并且 其中所述第二触觉效果与所述显示器显示的所述图像相关联。

9.  根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一触觉效果与所述 显示器显示的所述图像相关联，并且所述第二触觉效果与一事件相关 联，所述事件不与所述显示器显示的所述图像相关联。

10.  根据权利要求9所述的系统，其中，所述事件是通知。

11.  根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一触觉效果与用 户对所述图像的移动相关联。

12.  根据权利要求11所述的系统，其中，所述第二触觉效果与所 述显示器显示的所述图像和所述显示器的边缘的交互相关联。

13.  根据权利要求11所述的系统，其中，所述第二触觉效果与在 没有用户的交互的情况下所述图像的移动相关联。

14.  根据权利要求11所述的系统，其中，所述第二触觉效果与所 述显示器显示的所述图像和所述显示器显示的第二图像的交互相关 联。

15.  根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一触觉效果与用 户将所述图像从第一配置更改到第二配置相关联，并且其中，所述第 二触觉效果与所述图像被保持在所述第二配置中相关联。

16.  根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一触觉效果是在 用户通过在所述图像的某一位置处在所述表面上滑动来与所述图像交 互时生成的，并且其中，所述第二触觉效果是在用户通过在所述图像 的所述位置处按压所述表面来与所述图像交互时生成的。

17.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一触觉效果和所 述第二触觉效果是基本上在相同时间生成的。

18.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一触觉效果和所 述第二触觉效果在时间上交替。

19.  根据权利要求18所述的系统，其中，生成所述第一触觉效果 达第一预定量的时间，然后生成所述第二触觉效果达第二预定量的时 间。

20.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二触觉效果是在 用户悬停在所述表面上方时生成的。

21.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一触觉效果是在 第一频率范围中生成的，并且其中，所述第二触觉效果是在第二频率 范围中生成的，所述第一频率范围的低端小于所述第二频率范围的低 端，并且所述第一频率范围的高端小于所述第二频率范围的高端。

22.  根据权利要求21所述的系统，其中，所述第一频率范围与所 述第二频率范围交迭。

23.  一种方法，包括：
感测用户在用户界面的触摸表面处的输入；
响应于感测到的输入在所述触摸表面处生成第一触觉效果，所述 第一触觉效果包括摩擦效果；以及
在所述用户界面中生成第二触觉效果，所述第二触觉效果包括振 动触感反馈。

24.  根据权利要求23所述的方法，还包括通过所述触摸表面显示 图像。

25.  根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一触觉效果被配 置为提供取向线索来用于对输入设备的使用，并且其中，所述第二触 觉效果与显示的所述图像相关联。

26.  根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一触觉效果与显 示的所述图像相关联，并且其中，所述第二触觉效果与一事件相关联， 所述事件不与显示的所述图像相关联。

27.  根据权利要求26所述的方法，其中，所述事件是通知。

28.  根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一触觉效果与用 户对显示的所述图像的移动相关联。

29.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述第二触觉效果与所 述显示器显示的所述图像和所述显示器的边缘的交互相关联。

30.  根据权利要求28所述的方法，其中，所述第二触觉效果与在 没有用户的交互的情况下所述图像的移动相关联。

31.  根据权利要求28所述的方法，还包括在所述图像被显示的同 时显示第二图像，其中所述第二触觉效果与显示的所述图像和显示的 所述第二图像的交互相关联。

32.  根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一触觉效果与用 户将所述图像从第一配置更改到第二配置相关联，并且其中，所述第 二触觉效果与所述图像被保持在所述第二配置中相关联。

33.  根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一触觉效果是在 用户通过在所述图像的某一位置处在所述触摸表面上滑动来与所述图 像交互时生成的，并且其中，所述第二触觉效果是在用户通过在所述 图像的所述位置处按压所述触摸表面来与所述图像交互时生成的。

34.  根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一触觉效果和所 述第二触觉效果是基本上在相同时间生成的。

35.  根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一触觉效果和所 述第二触觉效果在时间上交替。

36.  根据权利要求35所述的方法，其中，生成所述第一触觉效果 达第一预定量的时间，然后生成所述第二触觉效果达第二预定量的时 间。

37.  根据权利要求23所述的方法，其中，所述第二触觉效果是在 用户悬停在所述触摸表面上方时生成的。

38.  根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一触觉效果是在 第一频率范围中生成的，并且其中，所述第二触觉效果是在第二频率 范围中生成的，所述第一频率范围的低端小于所述第二频率范围的低 端，并且所述第一频率范围的高端小于所述第二频率范围的高端。

39.  根据权利要求38所述的方法，其中，所述第一频率范围与所 述第二频率范围交迭。

说明书用于生成摩擦和振动触感效果的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于生成摩擦(friction)和振动触感效果(vibrotactile  effect)的系统和方法。
背景技术
包括触觉显示器的用户界面可被配置为向用户提供振动触感反馈 形式的触觉效果，以用于确认已成功执行一动作或者用于通知已发生 一动作。例如，可以提供振动触感反馈作为对于由触摸屏显示的按钮 已被成功按压的确认或者在用户界面接收到文本消息或电子邮件时提 供振动触感反馈。包括触觉显示器的用户界面可被配置为当手指或触 控笔在触觉显示器的表面上滑动时提供摩擦效果形式的触觉效果。被 配置为生成摩擦效果的触觉显示器不提供用于通知的反馈。希望具有 使用两种类型的触觉显示器的用户界面，使得可以向用户提供额外类 型的触觉效果，这可带来更引人入胜的用户体验。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种系统，其包括被配置为感测 在一表面处从用户接收的输入的传感器和被配置为基于从用户接收的 输入在该表面处生成第一触觉效果的第一触觉输出设备。第一触觉效 果包括该表面处的摩擦效果。该系统还包括被配置为生成第二触觉效 果的第二触觉输出设备。第二触觉效果包括振动触感反馈。该系统还 包括处理器，该处理器被配置为从传感器接收输入信号并且向第一触 觉输出设备输出第一驱动信号以生成第一触觉效果并且向第二触觉输 出设备输出第二驱动信号以生成第二触觉效果。
在一实施例中，第一触觉输出设备包括静电设备。在一实施例中， 第一触觉输出设备包括超声振动设备。
在一实施例中，第二触觉输出设备包括致动器。在一实施例中， 致动器包括压电致动器、音圈、磁致动器、气动致动器、超声能量致 动器、偏心质量致动器、电活性聚合物致动器、或者形状记忆合金。
在一实施例中，系统还包括触摸屏，该触摸屏包括该表面。在一 实施例中，触摸屏包括被配置为显示图像的显示器。
在一实施例中，系统还包括输入设备，并且第一触觉效果被配置 为提供取向线索来用于对输入设备的使用，并且第二触觉效果与显示 器显示的图像相关联。
根据本发明的一个方面，提供了一种方法，其包括感测用户在用 户界面的触摸表面处的输入，并且响应于感测到的输入在触摸表面处 生成第一触觉效果。第一触觉效果包括摩擦效果。该方法还包括在用 户界面中生成第二触觉效果。第二触觉效果包括振动触感反馈。
在一实施例中，该方法还包括通过触摸表面显示图像。在一实施 例中，该方法还包括在显示该图像的同时显示第二图像。第二触觉效 果与显示的图像和显示的第二图像的交互相关联。
在一实施例中，第一触觉效果与显示器显示的图像相关联，并且 第二触觉效果与一事件相关联，该事件不与显示器显示的图像相关联。 在一实施例中，事件是通知。
在一实施例中，第一触觉效果与用户对图像的移动相关联。
在一实施例中，第二触觉效果与显示器显示的图像和显示器的边 缘的交互相关联。在一实施例中，第二触觉效果与在没有用户的交互 的情况下图像的移动相关联。在一实施例中，第二触觉效果与显示器 显示的图像和显示器显示的第二图像的交互相关联。
在一实施例中，第一触觉效果与用户将图像从第一配置更改到第 二配置相关联，并且第二触觉效果与图像被保持在第二配置中相关联。
在一实施例中，第一触觉效果是在用户通过在图像的某一位置处 在表面上滑动来与图像交互时生成的，并且第二触觉效果是在用户通 过在图像的该位置处按压表面来与图像交互时生成的。
在一实施例中，第一触觉效果和第二触觉效果是基本上在相同时 间生成的。在一实施例中，第一触觉效果和第二触觉效果在时间上交 替。在一实施例中，生成第一触觉效果达第一预定量的时间，然后生 成第二触觉效果达第二预定量的时间。
在一实施例中，第二触觉效果是在用户悬停在表面上方时生成的。
在一实施例中，第一触觉效果是在第一频率范围中生成的，并且 第二触觉效果是在第二频率范围中生成的。第一频率范围的低端小于 第二频率范围的低端，并且第一频率范围的高端小于第二频率范围的 高端。在一实施例中，第一频率范围与第二频率范围交迭。
在参考附图考虑接下来的描述和所附权利要求后，本发明的这些 和其他方面、特征和特性以及操作的方法和结构的相关元素的功能以 及部件的组合和制造的组织将变得更加清楚，其中所有附图都形成本 说明书的一部分。然而，要明确理解，附图只是用于图示和描述的， 而并不打算作为对本发明的范围的限定。按照说明书中和权利要求中 使用的，“一”和“该”的单数形式包括多数指称，除非上下文另有明确 规定。
附图说明
以下附图的组件被图示来强调本公开的一般原理并且不一定是按 比例绘制的。为了一致和清晰起见，在各幅附图中在必要时重复标示 相应组件的附图标记。
图1是根据本发明的实施例的系统的示意图示；
图2是图1的系统的处理器的示意图示；
图3是根据本发明的实施例的用户界面的示意图示；
图4根据本发明的实施例示意性地图示出图1的系统的实现方式；
图5A和5B根据本发明的实施例示意性地图示出图1的系统的实 现方式；
图6A和6B根据本发明的实施例示意性地图示出图1的系统的实 现方式；
图7A和7B根据本发明的实施例示意性地图示出图1的系统的实 现方式；
图8A、8B和8C根据本发明的实施例示意性地图示出图1的系 统的实现方式；
图9根据本发明的实施例示意性地图示出图1的系统的实现方式；
图10根据本发明的实施例示意性地图示出图1的系统的实现方 式；并且
图11根据本发明的实施例示意性地图示出图1的系统的实现方 式。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例的系统100的示意图示。系统100可 以是任何电子设备，例如桌面型计算机、膝上型计算机、电子工作簿、 电子手持设备(例如移动电话、智能电话、游戏设备、个人数字助理 (“PDA”)、便携式电子邮件设备、便携式因特网接入设备、计算器等 等)、小亭子(例如自动柜员机、购票机等等)、打印机、销售点设 备、游戏控制器、可穿戴设备或者其他电子设备。如图所示，系统100 包括处理器110、存储器设备120和输入/输出设备130，它们经由总 线140互连。在一实施例中，输入/输出设备130可包括触摸屏设备150、 触觉输出设备160和/或其他的从系统100的用户接收输入的输入设备 和向系统100的用户输出信息的输出设备。在一实施例中，系统100 可以是将图1所示的所有组件包括在单个集成设备中的用户界面。
除了触摸屏设备150和触觉输出设备160以外，输入/输出设备130 还可包括特定的输入机构和输出机构。例如，输入机构可包括诸如以 下设备：键盘、小键盘、光标控制设备(例如，计算机鼠标)、其他 数据输入设备、或者音频接收器，例如麦克风。输出机构可包括计算 机监视器、虚拟现实显示设备、诸如扬声器之类的音频输出设备、打 印机或者其他外围设备。输入/输出设备130可包括被设计为不仅从用 户接收输入而且向用户提供反馈的机构，例如触摸屏设备的许多示例。
触摸屏设备150可被配置为任何适当的用户界面或者触摸/接触表 面组装件。触摸屏设备150可以是任何触摸屏、触摸板、触摸敏感结 构、计算机监视器、膝上型显示设备、工作簿显示设备、小亭子屏幕、 便携式电子设备屏幕或者其他适当的触摸敏感设备。触摸屏设备150 可被配置用于与诸如触控笔、手指等等之类的用户控制设备的物理交 互。在一些实施例中,触摸屏设备150可包括至少一个输出设备和至少 一个输入设备。例如，触摸屏设备150可包括被配置为显示例如图像 的视觉显示器152，以及包括至少一个传感器154叠加在其上以便从 由用户控制的用户手指或触控笔接收输入的触摸敏感屏幕。视觉显示 器152可包括高清晰度显示屏幕。
在各种实施例中，触觉输出设备160被配置为在系统100的用户 与系统100的至少一部分接触的同时向该用户提供触觉反馈。例如， 触觉输出设备160可以在用户与触摸屏设备150接触时向触摸屏设备 150本身提供触觉反馈以施加触觉效果，和/或向系统100的另一部分 提供触觉反馈，例如至少包含输入/输出设备130的壳体。如下文更详 细论述的，触觉效果可用于增强在与系统100交互时的用户体验。
触觉输出设备160提供的触觉反馈可以利用造成触觉效果的任何 方法来造成，例如振动、形变、动觉感受、静电或超声摩擦等等。在 一实施例中，触觉输出设备160可包括致动器，例如电磁致动器、宏 观复合纤维致动器、静电致动器、电触感致动器和/或另外类型的提供 诸如振动触感反馈之类的物理反馈的致动器，其中电磁致动器例如是 其中由马达来移动偏心质量的偏心旋转质量(Eccentric Rotating  Mass，“ERM”)，其中来回驱动附着于弹簧的质量的线性谐振致动器 (Linear Resonant Actuator，“LRA”)，或者诸如压电材料、电活性 聚合物或形状记忆合金之类的“智能材料”。触觉输出设备160可包括 非机械或非振动设备，例如使用静电摩擦(electrostatic friction，ESF)、 超声表面摩擦(ultrasonic surface friction，USF)的那些，或者以超 声触觉换能器诱发声辐射压力的那些，或者使用触觉基底和柔性或可 形变表面的那些，或者提供热效果的那些，或者提供投射的触觉输出 ——例如利用空气喷嘴提供一阵空气——的那些，等等。多个触觉输 出设备160可用于生成不同的触觉效果，如下文更详细论述的。
处理器110可以是通用或专用处理器或微控制器，用于管理或控 制系统100的操作和功能。例如，处理器110可被具体设计为专用集 成电路(“ASIC”)来控制到触觉输出设备160的输出信号以提供触觉 效果。处理器110可被配置为基于预定的因素来决定基于由处理器110 接收或确定的触觉信号要生成什么触觉效果、生成触觉效果的顺序以 及触觉效果的幅度、频率、持续时间和/或其他参数。处理器110还可 被配置为提供流传输命令，该命令可用于驱动触觉输出设备160以提 供特定的触觉效果。在一些实施例中，处理器110可实际包括多个处 理器，其中每个被配置为在系统100内执行某些功能。在下文中更详 细描述处理器110。
存储器设备120可包括一个或多个内部固定的存储单元、可移除 的存储单元和/或远程可访问的存储单元。各种存储单元可包括易失性 存储器和非易失性存储器的任何组合。存储单元可被配置为存储信息、 数据、指令、软件代码等等的任何组合。更具体而言，存储单元可包 括触觉效果简档、关于要如何驱动触觉输出设备160的指令或者用于 生成触觉效果的其他信息。
图2更详细地图示了处理器110的实施例。处理器110可被配置 为执行一个或多个计算机程序模块。这一个或多个计算机程序模块可 包括以下各项中的一个或多个：传感器模块112、内容提供模块114、 判定模块116、触觉输出设备控制模块118和/或其他模块。处理器110 还可包括电子存储装置119，其可以与存储器设备120是相同的，或 者是附加于存储器设备120以外的。处理器110可被配置为用软件、 硬件、固件、软件、硬件和/或固件的某种组合和/或用于配置处理器 110上的处理能力的其他机制来执行模块112、114、116和/或118。
应当明白，虽然模块112、114、116和118在图2中被示为共同 位于单个处理单元内，但在处理器110包括多个处理单元的实施例中， 模块112、114、116和/或118中的一个或多个可位于其他模块的远程。 下文描述的不同模块112、114、116和/或118提供的功能的描述是用 于说明的，而并不打算进行限定，因为模块112、114、116和/或118 中的任何一个可提供与所描述的相比更多或更少的功能。例如，模块 112、114、116和/或118中的一个或多个可被消除，并且其功能中的 一些或全部可由模块112、114、116和/或118中的其他一些来提供。 又例如，处理器110可被配置为执行一个或多个额外的模块，这些额 外的模块可执行下文归属于模块112、114、116和/或118之一的功能 中的一些或全部。
传感器模块112被配置为从传感器154接收输入信号，该输入信 号是在传感器154检测到来自系统100的用户的输入时生成的。在有 多个传感器的实施例中，传感器模块112被配置为接收并处理来自多 个传感器的输入信号。传感器模块112可被配置为通过将输入信号的 强度与对应于故意输入的预定阈值强度相比较来判定感测到的输入是 故意输入还是只是对触摸屏设备150的无意触摸。传感器模块112还 被配置为向判定模块116发送信号以便进一步处理。
内容提供模块114被配置为控制经由触摸屏设备150向系统100 的用户提供内容。如果内容包括包含计算机生成的图像(例如，在视 频游戏中，虚拟世界、增强现实虚拟世界、模拟等等)的媒体文件， 则内容提供模块114被配置为生成图像和/或视图用于通过触摸屏设备 150的显示器152显示给用户。如果内容包括包含视频和/或静止图像 或图片的媒体文件，则内容提供模块114被配置为访问视频和/或静止 图像或图片并且生成视频和/或静止图像或图片的视图以用于通过触 摸屏设备150的显示器152来显示。如果要输出给用户的内容包括图 形图像，则内容提供模块114被配置为经由触摸屏设备150的显示器 152来生成图像。内容或者从其得出内容的媒体文件可由内容提供模 块114从电子存储装置119和/或存储器设备120获得。
判定模块116被配置为判定当用户向传感器154提供输入时打算 的是什么。例如，用户可触摸触摸屏150的一定位置或者向触摸屏设 备150提供指出系统100要执行一定功能的特定手势。判定模块116 可编程有触摸屏设备150上的预定手势和触摸位置的库，使得当用户 对触摸屏设备150上的特定位置进行触摸或者向触摸屏设备150提供 手势时，判定模块116可判定相应的输出。例如，在系统100是智能 电话的实施例中，用户可以用他或她的手指在触摸屏设备150上描绘 符号，并且判定模块116可判定描绘的符号对应于特定的命令，例如 解锁智能电话以便用户可与智能电话自由交互。此外，判定模块116 还可向触觉输出设备控制模块118输出信号，以便可向用户提供验证 已检测到和/或接受该输入的触觉效果。
触觉输出设备控制模块118被配置为从判定模块116接收输出信 号并且基于由判定模块116生成的信号来确定要由触觉输出设备160 生成的触觉效果。确定触觉效果可包括确定触觉效果的类型和触觉效 果的一个或多个参数，例如触觉效果的振幅、频率、持续时间等等， 这些参数将增强内容提供给用户的体验的一个或多个方面，这将在下 文更详细论述。在一实施例中，触摸屏设备150包括显示表面，该显 示表面可以是刚性的并且被配置为通过——包括但不限于——由触觉 输出设备160生成的静电摩擦和超声表面振动来调制其摩擦属性，以 在用户使手指或触控笔经过对应于显示图像的显示时给予用户表面起 伏的感受(例如，坡和谷)。
图3图示了图1的系统100的实施例，该实施例采取用户界面300 的形式，用户界面300包括触摸屏310和被配置为支撑触摸屏310的 壳体320。用户界面300被配置为提供第一触觉效果301和第二触觉 效果302，第一触觉效果301在触摸屏310的表面312处提供摩擦效 果，第二触觉效果302通过用户界面300的触摸屏310和/或壳体320 向用户界面300的用户提供振动触感反馈。触觉效果指的是一种刺激 或力，包括但不限于振动、吸引力或排斥力、电压或电流、某种其他 机械或电磁力、加热或冷却或者某种其他刺激。触觉效果可包括本文 描述的力或刺激之一或者其组合。可以组合多个触觉效果来形成整体 触觉效果。可以输出触觉效果来向与用户界面300交互的用户或物体 提供反馈。触觉效果可通过机械运动来提供反馈，例如通过固体物体 的振动、流体的振动或者促动诸如销针或杆棒之类的物体以接触用户 来提供反馈。销针或杆棒可以通过改变表面起伏或轮廓来使表面形变。 整体触觉效果也可通过静电交互来提供反馈，以在物体上生成力，例 如在触摸屏310的表面312处的手指F上生成力，或者将电信号发送 到能够感知该信号的物体，例如手指的神经或者用户握持的触控笔中 的传感器。
此实施例中的用户界面300通过被配置为感测正触摸着触摸屏 310的表面312的物体的触摸屏310与用户交互。物体可以是用户的 手指F、用户手部的手掌或者能够感测触觉效果的用户身体的任何其 他部分。物体也可以是触控笔或某种其他设备，其存在可被触摸屏310 感测到。触摸屏310可通过例如电容式、电阻式或者电感式耦合来感 测物体的存在。
用户界面300可通过致动器330、332、334形式的一个或多个触 觉输出设备160、静电设备340或者通过其组合提供在触摸屏310的 表面312处和/或穿过用户界面300的壳体320的触觉效果。致动器 330、332和334被配置为生成机械运动，该机械运动可转化为屏幕310 的表面处和/或穿过用户界面300的壳体320的第二触觉效果302。致 动器330、332、334可实现为压电致动器、音圈、诸如螺线管之类的 磁致动器、气动致动器、超声能量致动器、偏心质量致动器、电活性 聚合物致动器、形状记忆合金或者某种其他类型的致动器。致动器 330、332、334可依赖于将转矩转换成振动的马达、依赖于流体压力、 依赖于材料的形状的变化或者依赖于其他生成运动的力。另外，致动 器330、332、334不限于生成振动，而是可改为生成横向运动、上下 运动、旋转运动或者其某种组合，或者某种其他运动。
在一实施例中,致动器330可以是生成振动以生成第二触觉效果 302的压电或音圈致动器，致动器332可以是生成上下运动以生成第 二触觉效果302的螺线管，并且致动器334可以是生成横向运动以生 成第二触觉效果302的气动致动器。当想要第二触觉效果302时可以 将致动器330、332、334全都激活，或者可以只激活一个以节省功率 或生成不同的触觉效果。特定的致动器可被定位和配置为为整个用户 界面300生成第二触觉效果302、仅为与用户交互的触摸屏310生成 第二触觉效果302，仅为显示屏幕的一部分生成第二触觉效果302或 者在用户界面300的某个其他部分——例如壳体320——上生成第二 触觉效果302。例如，致动器334可被配置为通过将振动的水平保持 得足够低以使得其角落外的振动振幅小于阈值振幅，来仅为触摸屏 310的其角落生成振动。
用户界面300还被配置为通过静电设备340提供第一触觉效果 301。静电设备340可以是电振动触感显示器或者任何其他应用电压和 电流而不是机械运动来生成触觉效果的设备。此实施例中的静电设备 340至少具有导电层342和绝缘层344。导电层342可以是任何半导体 或其他导电材料，例如铜、铝、金或银。绝缘层344可以是玻璃、塑 料、聚合物或者任何其他绝缘材料。在一实施例中，静电设备340可 不具有绝缘层，从而物体可直接触摸导电层342。通过使电流从导电 层342传递到物体，可生成触觉效果。在一实施例中，绝缘层344可 包括一个或多个电极，这些电极可在触摸电极的物体移动经过绝缘层 344时将电流传递到这些物体。
用户界面300可通过向导电层342应用电信号来操作静电设备 340。电信号可以是将导电层342与靠近或触摸着触摸屏310的物体电 容耦合的AC信号。AC信号可由高电压放大器生成。用户界面300 也可依赖于除了电容耦合以外的原理来生成第一触觉效果301。例如， 在一实施例中，可以使用超声振动设备336来生成可被用户的手指在 触摸表面312处感受到的超声摩擦效果。
电容耦合可控制摩擦的水平并在触摸屏310的表面312上模拟摩 擦系数或纹理以提供第一触觉效果301。摩擦系数是模拟的，因为虽 然触摸屏310可能是光滑的，但电容耦合可在靠近触摸屏310的物体 与导电层342之间产生吸引力。即使当表面处的材料结构没有改变时， 增大吸引力也可增大表面处的摩擦水平。改变物体与导电层342之间 的吸引水平可改变在触摸屏310上移动的物体上的摩擦。改变摩擦力 模拟了摩擦系数的变化。通过触觉效果来控制摩擦在2011年4月22 日递交的标题为“Electro-vibrotactile Display”的美国专利申请序列号 13/092,269中更详细论述，该申请于2012年10月25日公布为美国专 利申请公布2012/0268412号，其全部内容通过引用被并入在此。模拟 的摩擦系数也可由致动器330、332、334来改变。例如，致动器可通 过生成振动或者通过改变触摸屏310的表面起伏以改变实际摩擦系 数，来增大摩擦力。
电容耦合也可通过刺激靠近或触摸着触摸屏310的物体的一些部 分来生成第一触觉效果301，例如用户的手指F的皮肤中的机械性刺 激感受器，或者触控笔中的可响应该耦合的组件。例如，皮肤中的机 械性刺激感受器可被刺激并且将电容耦合感测为振动或者某种更具体 的感觉。例如，导电层342可被施加以与用户的手指F的导电部分耦 合的AC电压信号。随着用户在触摸屏310的表面312上移动他或她 的手指F，用户可感测到多刺、粒状、崎岖、粗糙、粘滞的纹理或者 某种其他纹理。
在一实施例中，可以生成第一触觉效果301来模拟一特征，例如 表面特征。例如，模拟的表面特征可以是空间图案、边缘或边界或者 表面312处的任何其他触感感觉，无论是天然的还是人工的。空间图 案可包括直线的网格、同心圆的网格、点的网格、砖片的网格、其任 何组合或者任何其他空间图案。改变物体与导电层342之间的吸引水 平可改变在表面312上移动的物体上的摩擦。具有与周围区域不同的 摩擦水平的区域可表示空间图案成分、纹理或者任何其他表面特征。 模拟表面特征在2012年10月31日递交的标题为“Method and  Apparatus for Simulating Surface Features on a User Interface with  Haptic Effects”的美国专利申请序列号13/665,526中更详细论述，该 申请的全部内容通过引用被并入在此。
为了对于许多不同的物体或人提供相同的吸引力或提供相同水平 的刺激，电子设备300还可包括可测量触摸屏310的表面处的阻抗的 传感器。该传感器可通过在表面上施加脉冲并且测量表面电压或者通 过测量电容耦合的强度，来测量阻抗。该传感器可使用其他已知的用 于测量阻抗的技术，并且可针对诸如空气中的湿度或者温度之类的变 化的环境条件进行补偿。可基于人的阻抗来调整触觉效果。例如，可 以向具有更高阻抗的物体应用更强力的触觉效果，并且对于具有更低 阻抗的物体应用不那么强力的触觉效果。
用户界面300还可包括测量模拟的摩擦系数的传感器。这可以是 与以上描述的测量阻抗的传感器相同的那个传感器，或者其可以是不 同的传感器。该传感器可基于测量到的触摸屏310的表面312受到的 例如来自触摸着触摸屏310的物体的压力并且基于表面312处的物体 的运动来测量模拟的系数。可以基于表面312处的压力如何随着时间 或者随着在表面312上的位置而变化来测量物体的运动。例如，传感 器可基于用户的手指F在触摸屏310上的加速度并且基于表面312从 用户的手指F受到的压力来计算表示模拟的摩擦系数的值。
触觉效果可由致动器330、332、334、静电设备340和/或超声振 动设备336一次一个地生成，或者可被组合。可以按高到足以既吸引 触摸着屏幕310的手指F的皮肤又刺激皮肤内的细胞的电平向导电层 342施加电压。与这个电振动触感触觉效果同时地，可在导电层342 和绝缘层344上产生静电力以在这些层中造成机械运动。触觉效果可 与由致动器330、332和334中的一者或者其组合生成的运动相组合。 设备可一起工作来模拟屏幕的表面上的摩擦系数或纹理。致动器可例 如生成振动，从而也模拟表面摩擦或纹理的变化。
触觉效果和传感器可由上述处理器110来控制。处理器110可分 析阻抗、模拟的摩擦系数、表面压力、在表面处测量到的运动的速率 以及其他因素来判定是否有对触觉效果的触发条件或者触觉效果应当 多强力。
在本发明的一实施例中，包括由静电设备或超声振动设备生成的 摩擦效果的第一触觉效果301和包括振动触感效果——例如由致动器 生成的振动——的第二触觉效果302，可在可容易彼此区分的不同通 信通道上来提供，并且因此可传达更多信息，而不会有认知过载或者 对设备的用户的迷惑。可通过第一通信通道来提供第一触觉效果301， 并且可在不同于第一通信通道的第二通信通道上提供第二触觉效果 302。通过经由不同的通信通道提供第一触觉效果301和第二触觉效果 302，用户界面300的用户可感知到两种类型的触觉效果301、302， 并且容易地将触觉效果301、302识别为来自不同的来源。
图4图示了智能电话形式的用户界面400的实施例，其包括触摸 屏410和支持触摸屏410的壳体420。用户界面400被配置为当用户 的手指F或者触控笔在触摸屏410的表面412的一部分上移动时在触 摸屏410上生成摩擦效果形式的第一触觉效果401，如上文针对图3 中所示的实施例所述。用户界面400还被配置为通过用户界面400的 壳体420产生振动触感反馈形式的第二触觉效果402，也如上所述。 在触摸屏410上显示的或者作为与触摸屏410的交互的结果而发生的 事件可与第一触觉效果401相关联，并且在壳体420内部发生的事件， 例如当智能电话接收到的电子邮件、文本消息或者呼叫时的通知，可 与第二触觉效果402相关联。
图5A图示了用户界面500的实施例，用户界面500包括触摸屏 510、支撑触摸屏510的壳体520以及可显示在触摸屏510上或者可以 是由壳体520支撑的物理元件的输入设备，例如方向键530、按钮532 或者操纵杆534。用户界面500被配置成使得生成摩擦效果形式的第 一触觉效果501以为用户提供取向线索来操纵输入设备530、532、534， 并且生成振动触感反馈形式的第二触觉效果502以产生游戏效果，例 如当触摸屏510显示爆炸540时。两种不同类型的效果501、502可被 感受为不同的并且不干扰彼此，使得与相同触觉效果被用于取向线索 和游戏效果的实施例相比，效果501、502可用于向用户提供更多信息。 图5B图示了一实施例，其中第一触觉效果501用于产生与使用的应 用有关的效果，例如当用户的手指滑过(slide over)图标550的边界 552时，并且第二触觉效果502用于提供关于外部事件的反馈，例如 通知。
在本发明的实施例中，可以使用摩擦效果和振动触感反馈的组合 来支持更宽范围的隐喻。例如，在壳体的内部和在用户界面的触摸屏 上概念性地发生的事件可分别由振动触感和摩擦反馈来支持。通过用 户界面的壳体可感受到全身振动，而通过触摸屏可感受到摩擦效果。 这种不同的触觉效果可用于支持不同的交互隐喻。例如，摩擦效果可 用于表示手指与屏幕上物体之间的交互，或者通过屏幕上物体感受到 的内部交互，例如在由触摸屏显示的背景图像上滑动。另一方面，振 动触感反馈可表示壳体内的内部事件，例如球击中屏幕的侧边或者在 壳体内激活了某一机构。
例如，图6A图示了用户界面600的一种实现方式，用户界面600 包括触摸屏610和被配置为支撑触摸屏610的壳体620。如图所示， 触摸屏610显示球630，并且通过在触摸屏610上滑动手指F，用户 的手指F“击中”球630。手指F对球630的撞击在屏幕上发生并且因 此可利用摩擦效果601来产生。球630在触摸屏610上移动，直以其 撞击位于触摸屏610与壳体620之间的界面处的壁640为止。球630 对壁640的撞击可利用振动触感反馈602通过壳体620来感受到。图 6B图示了一种实现方式，其中转盘电话的转盘650的图像被触摸屏 610的显示器显示并且被用户的手指F以圆圈运动拖动以构成电话号 码。随着转盘650被用户的手指F拖动，可以使用摩擦效果601，并 且手指F可直接感受到转盘650的运动。当手指到达转盘电话的挡块 时可以使用振动触感反馈602，并且在转盘650被释放之后也可使用 振动触感反馈602。振动触感反馈602可被感受为好像握持着电话的 背面那样。
在本发明的实施例中，摩擦和振动触感效果的同步和/或组合可产 生比任一效果单独更丰富且更强的触觉效果。例如，如果以两种类型 的效果来产生，则撞击可以更明显。摩擦和振动触感反馈也可被组合 来造成独特的效果。
例如，图7A图示了具有触摸屏710的用户界面700的一种实现 方式，其中由触摸屏710显示的物体730被对着由触摸屏710显示的 另一物体740拖动以造成撞击。随着用户的手指F在触摸屏710上移 动而生成的摩擦效果701和振动触感反馈702可被组合来造成比任一 效果单独可产生的更强的撞击效果。图7B图示了一种实现方式，其 中设备的触觉输出在振动触感反馈702和摩擦效果701之间交替以对 用户造成独特的感觉。
在本发明的实施例中，摩擦和振动触感效果可用于对彼此的局限 进行补偿。例如，摩擦效果可用于在缺乏物体在触觉显示器的表面上 的滑动的情况下提供反馈，而物体在触觉显示器的表面上的滑动是感 受摩擦效果所需要的。例如，振动触感反馈可用于产生关于轻叩、轻 叩并保持和非接触事件的反馈。另一方面，摩擦效果可在交互期间产 生连续反馈。
例如，图8A图示了一种实现方式，其在由触摸屏显示的弹簧810 被用户的手指F压缩并随后保持在原位时模拟了该弹簧810。在压缩 弹簧810期间可使用摩擦效果801，因为有在触摸屏上的运动。一旦 运动停止，就不可再使用摩擦来作为触觉效果，而是可改为使用振动 触感反馈802来产生张力效果。图8B图示了一种实现方式，其中摩 擦效果801用于在用户的手指在由触摸屏显示的按钮820上滑动时产 生纹理，如左侧所示。另一方面，振动触感反馈802可用于当用户的 手指在按钮820上轻叩时产生点击效果，如右侧所示。图8C图示了 一种实现方式，其中当用户的手指F悬停在触摸屏的表面830的上方 时提供振动触感反馈802，而当在触摸屏的表面830上触摸并滑动手 指F时提供摩擦效果801。
在本发明的实施例中，可以无缝地组合摩擦效果和振动触感反馈 以扩展可产生的效果的带宽，例如对于低频使用摩擦效果，并且对于 高频使用振动触感反馈。例如，图9图示了一种实现方式，其中通过 组合摩擦效果和振动触感效果可以扩展频率的范围。如图所示，摩擦 效果在具有低端911和高端912的频率范围910内，并且振动触感效 果在具有低端921和高端922的频率范围920内。摩擦效果的频率范 围910的低端911小于振动触感效果的频率范围920的低端921，并 且摩擦效果的频率范围910的高端912小于振动触感效果的频率范围 920的高端922。由图9中的930表示的范围的组合提供了可提供给用 户的触觉效果的可能频率的更大范围。在图示的实施例中，摩擦效果 的频率范围910与振动触感效果的频率范围920交迭。图示的实施例 并不打算以任何方式进行限定，并且频率范围910、912可不交迭。
在本发明的实施例中，摩擦反馈可改善由所谓的“低清晰度”或者 “标准清晰度”(“SD”)致动器——即，具有相对较慢的响应时间的致 动器——产生的效果的感知质量，使得这些效果接近高清晰度(“HD”) 质量，其被用户感知为更清脆的。例如，诸如LRA和ERM型致动器 之类的SD致动器在生成触觉效果时一般具有有限的频率范围。例如， 诸如基于压电、电活性聚合物和静电的致动器之类的HD致动器能够 以更快的斜升时间和更大的动态范围输出更高的频率内容，这与由SD 致动器生成的效果(“SD效果”)相比允许了更丰富且更逼真的效果 (“HD效果”)。
摩擦效果与振动形式的振动触感反馈的组合可产生与由HD致动 器生成的HD效果相似的触觉效果，并且可能是以更低的成本产生。 例如，图10图示了一种实现方式，其中当用户的手指F越过由触摸 屏显示的线条1010时产生触觉效果。在左侧，以SD振动1002产生 触觉效果，其被用户界面的用户感受为模糊的嗡嗡声。在右侧，以相 同的SD振动1002以及更复杂的摩擦效果1001产生触觉效果。所得 到的触觉效果仍被感受为振动，但感觉可以更丰富并且在质量上更接 近HD振动，因为摩擦效果1001可以代替产生SD振动1002的响应 性较低的SD致动器。
已发现，触摸感随着时间的流逝可适应于某些刺激，并且变得不 那么敏感。在一实施例中，提供给用户的触觉效果可在摩擦效果和振 动触感效果之间交替以帮助对抗适应。在摩擦与振动触感效果之间交 替可提供随着时间的流逝对触感刺激的敏感性的减小。例如，由振动 触感反馈提供的触觉效果在预定量的时间之后可被切换到摩擦效果以 避免适应。图11图示了一种实现方式，其中触觉输出设备160的输出 基于由1110表示的触感适应的模型在振动触感效果1102和摩擦效果 1101之间切换。触感适应1110的模型可被存储在上文描述的判定模 块116或者触觉输出设备控制模块118中。每当相信用户的手指对当 前类型的触觉效果麻木时，触觉输出设备160就可生成另一类型的触 觉效果，理想地以产生非常相似的感觉的方式。转变可以是逐渐的， 以使得两种不同类型的触觉效果之间的切换在用户感受起来是平滑 的。
本发明的实施例利用了摩擦和振动触感技术的组合，这使得该组 合与任一技术单独相比更动人。上文描述的触觉输出设备可以是完全 独立的或者可共享一些组件，例如微控制器和驱动电路。触觉显示器 也可被独立控制，或者由智能控制器来组合控制。本发明的实施例可 允许开发者指定期望的效果(例如，一定频率的振动)并且让控制器 来判定是应当激活生成摩擦的触觉输出设备还是生成振动触感反馈的 触觉输出设备。
本文描述的实施例代表了若干个可能的实现方式和示例，而并不 打算一定要将本公开限制到任何具体实施例。反而，正如本领域普通 技术人员将会理解的，可对这些实施例进行各种修改。任何这种修改 都打算包括在本公开的精神和范围内并受所附权利要求保护。