用于触觉信息传递的磁性可编程致动器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月24日提交的序列号为62/661,636的题为“用于触觉信息传递的磁性可编程致动器”的共同未决美国临时申请的优先权和权益，该申请通过引用整体结合于此。

背景技术

视力正常和视力受损的个体之间存在巨大的数字视差差距。想象一下，在这个数字时代，使用几十年前的技术来上网、收发电子邮件、发送文本和进行互动。这迫使用户一次一行地阅读数字设备并与之交互，或者倾听文本到语音引擎将视觉信息转化为音频信息，这限制了向前浏览或以读者的节奏移动的能力。另一选择是文盲和对音频和社会援助的混合体的依赖，这造成了不利的社会互动。盲文是一种触觉媒介，其可以用于传递以盲文字符形式存在于呈许多不同语言形式的数字和书写媒介中的书写字符和图像。盲文字符通常由6至8个点组成，取决于所期望的传递介质的类型。

发明内容

本公开的各方面涉及可以用于显示一行或多行盲文、触觉图形或其他触觉信息的盲文或触觉致动器、组件和单元。在一个方面，其中致动器可以通过倾斜机构接合盲文点(盲文/触觉杆)并使其可读，该倾斜机构使用相反的磁体的磁干扰来推动盲文杆和/或闩锁机构离开中心轴线，从而引起可以被感测的机械干扰。例如，“硬”磁体可以被结合到触觉杆中，该“硬”磁体和与其紧密靠近的可编程磁体相反或被该可编程磁体吸引。由相反的磁场引起的磁极的重新取向导致触觉杆的状态被编程为产生干扰力或移除干扰力。在另一方面，致动器可以使用弱弹簧或类似弹簧的接口来接合盲文点并使其可读，以将盲文点(盲文/触觉杆)固持在升起的位置。闩锁机构可以被旋转到干扰位置或从该干扰位置旋转出来，以根据需要的状态固持或释放杆。例如，旋转机构可以是由含铁介质制成的触觉杆，该触觉杆可以被编程为根据所施加的电场在两个固定的磁体之间旋转。

在一个方面，其中触觉致动器包含：盲文杆，包含延伸穿过触觉致动器的触觉表面的第一端，该盲文杆由磁性弹簧支撑；以及闩锁组件，包含L形棒，该L形棒包括从延伸穿过电线圈的第二臂径向延伸的第一臂，该闩锁组件被构造为通过响应于被提供给电线圈的控制信号旋转L形棒来阻止盲文杆的轴向移动。在一个或多个方面，闩锁组件可以包含附接到第二臂的与第一臂相对的端部的闩锁块。闩锁块可以通过L形棒的旋转在盲文杆的第二端下方旋转，以阻止轴向移动。在其他方面，第一臂可以通过L形棒的旋转在盲文杆的第二端下方旋转，以阻止轴向移动。在各个方面，磁性弹簧可以包含与盲文杆接合的磁体和形成触觉致动器的触觉表面的含铁板，其中磁体对含铁板的吸引提供支撑盲文杆的力。磁体可以是围绕盲文杆的一部分并与盲文杆的肩部接合的圆形磁体。盲文杆可以在第一端处包含触觉表面。闩锁组件可以包含支撑电线圈和L形棒的线圈基座。闩锁组件可以包含具有相反极性的第一磁体和第二磁体，第一磁体和第二磁体被定位在线圈基座的相对的侧部上。L形棒可以是铁或其他合适的导磁材料。

在另一方面，触觉致动器包含：盲文杆，设置在空腔中，该盲文杆包含被构造为延伸穿过触觉致动器的表面的第一端和包含具有固定极性的永磁体的第二端；以及闩锁组件，包含设置在盲文杆的第二端下方的电线圈中的可编程磁体，该闩锁组件被构造为响应于被提供给电线圈的控制信号来调节可编程磁体的极性。可编程磁体的第一极性排斥永磁体的固定极性，从而将盲文杆闩锁在倾斜位置，同时第一端延伸穿过表面，而可编程磁体的第二极性吸引永磁体的固定极性，从而将盲文杆缩回到空腔中。在一个或多个方面，盲文杆可以缩回到与可编程磁体相邻的空腔中的凹部中。表面可以是由设置在触觉致动器的空腔上的杆帽提供的触觉表面。在各个方面，触觉致动器可以包含被定位在触觉致动器的表面上的隔离杆组件。隔离杆组件可以包含隔离杆，该隔离杆被水平约束并被定位在盲文杆的第一端上。闩锁组件可以包含支撑电线圈和可编程磁体的线圈固持器。在一些方面，触觉致动器可以包含沿着线圈固持器的侧部延伸并跨过线圈和可编程磁体的长度的增强型磁通引导件。

在其他方面，盲文显示器包含触觉致动器的阵列。触觉致动器的阵列可以由单行触觉致动器组成，或者可以包含多行触觉致动器。其他阵列取向也是可能的。在各个方面，触觉致动器的阵列可以包含多个致动器，诸如但不限于1、2、4、6、8、9、10个或更多个触觉致动器。

通过研究以下附图和详细描述，本公开的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或变得显而易见。所有此类附加的系统、方法、特征和优点旨在包括在本说明书中、在本公开的范围内，并由所附权利要求保护。此外，所描述的实施例的所有可选的和优选的特征和修改可用于本文教导的公开内容的所有方面。另外，从属权利要求的各个特征以及所描述的实施例的所有可选的和优选的特征和修改是可组合的，并且可以彼此互换。

附图说明

参考以下附图，可以更好地理解本公开的许多方面。附图中的部件不一定是按比例绘制的，而是强调清楚地示出本公开的原理。而且，在附图中，贯穿几个视图，相同的附图标记指代相对应的部分。通过描述附图，示例性实施例将变得更加显而易见，其中相同的元件由相同的附图标记表示，这些附图标记仅作为图示给出，并且因此不限制本文中的示例性实施例。

图1示出了根据本公开的各种实施例的机械弹簧预载触觉致动器(闩锁磁性杆(LMP))的示例。

图2是示出了根据本公开的各种实施例的图1的LMP闩锁机构的旋转的示例的俯视图。

图3是示出了根据本公开的各种实施例的图1的LMP闩锁机构的旋转的示例的侧视图。

图4是示出了根据本公开的各种实施例的形成8点盲文单元的LMP阵列的示例的透视图。

图5示出了根据本公开的各种实施例的磁性杆倾斜触觉致动器(磁性杆倾斜件(MPT))的示例。

图6A和图6B是示出了根据本公开的各种实施例的、分别处于上状态和下状态的磁性杆倾斜触觉致动器(图5的MPT)的示例的侧视图。

图7A和图7B是示出了根据本公开的各种实施例的分别处于上状态和下状态的具有杆隔离的磁性杆倾斜触觉致动器(图6A和图6B的MPT)的示例的侧视图

图8示出了根据本公开的各种实施例的形成8点盲文单元的MPT阵列的示例。

图9A和图9B是示出了根据本公开的各种实施例的分别处于上状态和下状态的增强型磁性杆倾斜触觉致动器((基于图5的MPT的增强型磁性杆倾斜件(EMPT))的示例的侧视图。

具体实施方式

可商业获得的显示器包含被布置为单行的多个盲文字符。当电信号被施加到盲文字符中的一些时，机电致动使得盲文字符中的一些向读者的手指呈现出触觉上可辨别的力，而其他盲文字符则没有。这是盲文字符的重要基础。对于能够在所需的盲文单元尺寸中呈现出触觉上可辨别的力，存在着巨大的挑战。

这种技术可以允许盲文读者通过克服这些挑战而进入数字时代，从而创造为数字多行显示器和界面以及单行显示器供电的强健、节能的电子盲文单元。

本文公开了与盲文单元相关的各种示例。在一个示例中，磁性盲文单元致动器设计可以基于被称为闩锁磁性杆(LMP)的机械弹簧预载和L形棒旋转闩锁机构。第二设计可以基于被称为磁性杆倾斜件(MPT)的磁性可编程切换和倾斜闩锁机构。此外，第三致动器设计的示例可以基于磁性可编程切换和倾斜闩锁机构，但是利用用于辅助闩锁的附加磁极来进一步增强。这种设计可被称为增强型MPT(EMPT)。

闩锁磁性杆(LMP)盲文致动器：参考图1，示出了磁性弹簧预载和L形棒旋转闩锁盲文单元致动系统(LMP 100)的示例。LMP 100包括多个部件，如图1所示。LMP 100的顶表面可以由含铁板102形成，该含铁板可以用于吸引磁体103，该磁体可以与触觉(或盲文)杆104接合。含铁板102和磁体103形成磁性弹簧，该磁性弹簧可以用于将触觉杆104固持在空腔105中的升起的位置。LMP 100的磁性弹簧部分可以被称为弹簧预载件，该弹簧预载件将所有盲文杆保持在阅读位置。磁体103和含铁板102之间的磁吸引将触觉杆104固持在升起的位置。磁性弹簧103的力可以被控制在例如1克左右，或者其他合适的值。

触觉(或盲文)杆104可以被构造为响应于施加到线圈106的控制信号而是阻挡的或非阻挡的。可以由被弯曲成L形形状的含铁材料制成的L形棒107延伸穿过线圈106，其中在一个端部处附接有闩锁块108。闩锁块108在触觉杆104下方的旋转将杆104固定在阻挡位置。可以使用线圈106和旋转磁体109来控制L形棒107和闩锁块108的旋转。线圈固持器110与旋转磁体止动件111一起形成支撑线圈106的线圈基座112，其中旋转磁体109被定位在相对的侧部上。连接到闩锁块108的L形棒107的端部延伸穿过线圈固持器110，而另一端部延伸穿过旋转磁体止动件111。L形棒107包括基于施加到线圈106的控制信号在磁体109之间旋转的第一臂(或臂一)113，以及延伸穿过线圈106的第二臂114。当所有这些部件被组装时，它们形成可排列的LMP 100，如图1所示。

在图1的示例中，线圈基座112将被组装在线圈基座112的顶部上、但不一定直接在其上的部件102至105固持为具有足够的偏移以允许闩锁块108的旋转运动。该偏移允许闩锁块108在阻挡位置和非阻挡位置之间自由移动，以便基于控制信号改变状态。此外，在该示例中，线圈基座112容纳线圈106，从而允许L形棒107机械穿过并自由旋转。旋转磁体止动件111进一步用作磁性间隔件，以防止L形棒107与旋转磁体109直接接触。在LMP 100的另一示例中，闩锁块108可以被移除，并且线圈基座112翻转(180度)，同时L形棒107位于触觉杆104附近。L形棒107可以用作闩锁机构来控制杆104的阻挡或非阻挡。在一些实施方式中，第一臂(或臂一)113可以被成形(例如，变平或变宽)，以便于定位在触觉杆104的端部下方。在另一示例中，磁性弹簧103和含铁板102可以用相反的磁体代替以形成磁性弹簧，并且诸如塑料支路的封盖材料可以用于封闭空腔105。在另一示例中，磁性弹簧103和含铁板102可以用另一弹簧机构代替，诸如但不限于，可以使用机械弹簧和封盖材料(例如，塑料或其他合适的材料)来封闭空腔105。

图2和图3示出了LMP 100的操作。L形棒磁性旋转系统(LMP)100可以将闩锁块108旋转到盲文杆104下方的位置和从该位置旋转出来，该盲文杆通过磁性弹簧预载件被保持处于阅读位置。在所示的示例中，控制信号已经被施加到左LMP 100的线圈106，导致L形棒107被吸引到旋转磁体109的北极(N)，这使盲文杆104底部下方的闩锁块108旋转，从而阻挡该杆以防止其被向下按压。相比之下，控制信号已经被施加到右LMP 100的线圈106，导致L形棒107被吸引到旋转磁体109的南极(S)，这使得闩锁块108背离盲文杆104枢转，从而解除对该杆的阻挡并允许其被向下按压。LMP 100可以被布置为形成盲文点阵列，诸如例如，如图4所示的阵列式8点LMP盲文单元。阵列可以包括任意数量的点，诸如例如4个、6个、8个、10个或更多个点。

在一个时刻，某些闩锁块108在触觉(或盲文)杆104下方被旋转。在其下方具有闩锁块108的那些盲文杆104变成由读者手指区分的实心点，如图3的左LMP100所示。同时，在其下方没有闩锁块108的那些盲文杆104可以被向下按压，并且指尖可以滑过而不会感觉到它们，因为磁性弹簧力为1克左右或更小，如图3的右LMP 100所示。应该注意的是，可以使用其他力。例如，根据空腔105的摩擦力、杆104的重量等，人们可以使用大约0.1至大约1.5g的范围内的力。这种力可以被调谐或调整，以基于用户反馈给出期望的(或最好的)性能和感觉。先前的实验已经表明，当盲文杆104上的支撑力小于1克时，指尖感觉不到它们。因此，可以形成盲文字符页并且由盲人盲文读者进行阅读。

当盲文字符被刷新为新字符时，某些闩锁块108被旋转到盲文杆104下方的闩锁(阻挡)位置，而其他闩锁块108被旋转出闩锁位置到非阻挡位置。盲人盲文读者可以读取被闩锁(或阻挡)的那些杆104，并滑过那些解锁(或未被阻挡)的杆。通过这种方式，盲文字符可以被电刷新。这种设计的优点中的一个是，它将形成升起的硬盲文点的要求转变为简单地将闩锁块108移入和移出闩锁位置。

磁性L形棒旋转闩锁的机制：图2和图3示出了处于闩锁(阻挡)和解锁(未被阻挡)状态的磁性L形棒旋转闩锁系统100。在该示例中，矩形旋转磁体109彼此平行(或基本平行)放置，其中L形棒107和线圈106被放置在旋转磁体109之间。铁片可以被弯曲成L形形状以形成L形棒107，其中第一臂(或“臂一”)113没有被插入到线圈106中。该臂113可以是1至2mm长。第二臂(或“臂二”)114被插入到线圈106中，其中它可以是线圈106的长度或高度。“臂一”113可以被放置为穿过两个旋转磁体109之间的旋转磁体止动件111，并且“臂二”114被插入，当控制信号被施加到线圈106内部时具有自由旋转的能力。

磁性L形棒旋转闩锁的工作机制：如图2和图3所示，L形棒的“臂一”113最初被吸引到旋转磁体109中的一个。为了讨论的方便，假设旋转磁体109的极性从右到左为N-S-N-S。最初，L形棒107的一个臂被吸引到右部上的旋转磁体109的S极。然后，向线圈106施加脉冲电流，并且控制电流的方向，以在线圈106的中心处在向上的方向上生成S极的磁场。磁通量的方向在从线圈106出来时将转动90度，并试图在另一端部处回到线圈106的中心。L形软铁棒被由电流生成的电磁场磁化。具体而言，被吸引到旋转磁体109的L形棒107的第一臂113将沿着臂方向被磁化为具有S的极性。当在L形棒107内部生成的电磁场大于永磁体的表面上的磁场强度时，L形棒107的第一臂113将被右侧上的旋转磁体109排斥，并且同时被左侧上的旋转磁体109吸引。L形棒107的第二臂114用作围绕其发生旋转的轴。通过切换通过线圈106的电流方向，L形棒107可以在两个旋转磁体109之间来回旋转。磁体、线圈和软铁L形棒的这种布置的独特性和优点在于，它将由竖直线圈生成的电磁场转化为用作闩锁块108的棒的水平旋转。这种设计水平地实现了多行盲文单元的布置，同时点间距符合盲人及残疾人国家图书馆服务(National Library Services for the Blind and PhysicallyHandicapped(NLS))标准。图4示出了阵列式8点LMP盲文单元的示例。一个单元内的两个点的中心与中心之间的标准间距为2.5mm，但也可以使用其他间距尺寸。

磁性杆倾斜(MPT)盲文致动器：现在参考图5，示出了处于(A)阻挡或闩锁(上)位置和(B)非阻挡或解锁(下)位置的磁性杆倾斜触觉致动器盲文单元(MPT500)的示例。MPT 500包括多个部件，如图5所示。线圈固持器503用作用于固持可编程永磁体(PPM)组件的基座，该组件包括电线圈504和被形成并放置在线圈504的内部的磁性可编程材料505。可编程磁体505可以包含磁性材料，该磁性材料能够在受到相反的磁场(诸如由线圈中的电场感应的或来自更强的磁体的磁场)的影响时改变并保持磁极性。PPM组件被放置在线圈帽506的内部，该线圈帽提供了PPM组件与外部环境的物理隔离。例如，线圈帽506可以提供对水(防水)或其他环境要素(诸如灰尘、污垢等)的防护。

可以提供空腔507，以帮助形成期望间距以获得与永磁体508的磁分离，从而获得性能。永磁体508被插入到盲文致动器杆509中。当PPM的极性被改变为排斥永磁体508的极性时，致动器杆509在受到杆帽510的竖直约束时上升并倾斜。致动器杆509的倾斜导致空腔507内的机械干扰，从而抵抗外部刺激(诸如读者的手指)的压力。当PPM的极性被改变为吸引永磁体508的极性时，致动器杆509自身居中，并在与PPM 505重新对准时下降。一旦处于下位置501，当施加外部刺激(诸如读者的手指)的压力时，致动器杆509几乎没有触觉干扰。

在另一示例中，致动器杆509可以与一个或多个外力隔离。在图7A和图7B中示出的示例中，外力(诸如例如外部刺激(诸如读者的手指)的水平力)可以由被称为读者隔离杆703的附加部件隔离。使用读者隔离杆帽702和隔离杆空腔704来引导读者隔离杆703，读者隔离杆703可以被水平约束，但是不被竖直约束。致动器杆509能够压靠并升起读者隔离杆，同时在它下面倾斜。由于竖直力是能够影响致动器杆509的唯一力，这允许在由用户触摸的盲文点、MPT的致动器部分和外部刺激之间的机械脱离效果。

在另一示例中，读者隔离杆702可以用允许滚动动作的部件(诸如但不限于滚珠轴承)代替。这可以允许附加的机械脱离。另一示例，前述滚珠轴承可以包括在致动器杆509的头部中。在另一示例中，杆帽510可以被制造成具有一个或多个例如缺口和/或一个或多个升起特征，当处于上位置或下位置时这些缺口或特征放大致动器杆509的倾斜。电线圈504连接到可以改变磁场的方向的控制电路。在另一示例中，电线圈106用也感应极性变化磁场的一条或多条电线代替。在另一示例中，通过可移动的磁性线圈和/或永磁体和/或含铁材料来改变PPM 505的磁极性，以引起期望的极性改变。在其他实施方式中，可编程磁体可以位于致动器杆509中，并且永磁体可以被固定在致动器杆509下方(例如，在空腔507的凹部中)。给线圈504的信号可以控制可编程磁体，并且因此控制致动器杆的位置。

致动：在图6A和图6B的示例中，致动器杆509处于北南轴向取向。磁性编程材料(例如PPM 505)可以在轴向取向的北南或南北之间切换。当PPM 505被切换到南北取向时，永磁体508和PPM的南南相互作用彼此相反，从而将致动器杆509升出空腔507的底部处的凹孔，如图6A所示。由于致动器杆509在孔之外，并且相反的磁场抵靠彼此推动，杆倾斜或侧向稍微移出与PPM 505的轴向对准。图6B示出了PPM 505被编程为南北的情况。在这种情况下，致动器杆南被吸引到PPM 505的北，并且自身对准以落入到两个磁体之间的凹孔中。

这形成对凹孔的外部的机械干扰，因为它会阻止落回到杆和磁性可编程材料之间的凹孔中。当用作电可刷新盲文点时，该点在竖直取向上移入或移出屏幕，并由于相反的磁场的倾斜或侧向力效应而被机械闩锁。这种设计水平地实现了多行盲文单元的布置，同时点间距符合NLS标准。MPT 500可以被布置为形成盲文点阵列，诸如例如，如图8所示的阵列式8点MPT盲文单元。阵列可以包括任意数量的点，诸如例如4个、6个、8个、10个或更多个点。

事实上，当致动器被“结合”成盲文单元并排列成显示器的形状因子时，磁“干扰”实际上可以用于提高致动器杆509的倾斜力。这是因为紧密靠近的相邻致动器实际上稍微进一步吸引或排斥相邻杆509，从而加强了闩锁机构。相反地，对于大多数其他所提出的磁操作盲文致动器来说也是如此，其中这些力在本质上只是寄生的并且会使性能劣化。一个单元内的两个点的中心与中心之间的标准间距为2.5mm。应该注意的是，该设计能够以其他标准间距以及非典型间距(小于2.5mm)工作。

增强型磁性杆倾斜(EMPT)盲文执行器：接下来参考图9A和图9B，示出了分别处于阻挡或闩锁(上)位置和非阻挡或解锁(下)位置的增强型磁性杆倾斜触觉致动器盲文单元(EMPT 900)的示例。整体致动和倾斜机构保持与图6A和图6B中示出的MPT 500中相同；然而，如图9A和图9B所示，附加的磁极(或增强型磁通引导件)903被放置为紧密靠近致动器杆509和永磁体508。附加磁极903将磁通量从PPM 505的底部并围绕线圈504引导到致动器杆509和永磁体508，以通过在如图9A所示的闩锁情况下提供吸引极以及在如图9B所示的解锁的情况下提供排斥极来增强闩锁和解锁性能。

致动：当MPT致动器从杆下位置改变到杆上位置时，增强型闩锁机构——诸如例如从PPM 500引出、围绕线圈504的外部过渡、并紧密靠近致动器杆509终止的铁(Fe)磁通引导件——将提供附加的磁力，该附加的磁力将吸引杆509。该磁通引导件903使得致动器杆509的底部被吸引到磁通引导件903的侧部上的凹孔的外部，从而加强闩锁并因此增强了EMPT的闩锁性能。当从杆上位置循环到杆下位置时，磁通量在相反的方向上行进并排斥杆，从而将杆推回与凹孔的对准。因此，增强了EMPT的解锁性能。磁通引导件903可以包含其他类型的磁性可逆材料，诸如但不限于铝、镍和钴(AlNiCo)、铁、铬和钴(FeCrCo)等。

应该注意的是，本文描述的致动器可以进一步与传感器结合，或者变成传感器，其中触觉显示器变成交互式的；其可用于操作和控制电子设备(诸如移动电话)或其他设备。这可以通过诸如感应式、电容式、电阻式、光学、磁性等传感器技术的电子形式结合到致动器中、上和/或周围。传感器可以通过触觉致动器中使用的磁体和致动器中的电线圈来实现。

应该强调的是，本公开的上述实施例仅仅是为了清楚理解本公开的原理而阐述的实施方式的可能示例。在不实质上脱离本公开的精神和原理的情况下，可以对上述实施例进行许多变化和修改。所有此类修改和变化在本文中旨在包括在本公开的范围内，并由以下权利要求保护。

术语“实质上”是指允许与描述性术语的、不会对预期目的产生负面影响的偏离。描述性术语被隐含地理解为由单词实质上修饰，即使该术语没有被单词实质上明确修饰。

应该注意的是，比率、浓度、数量和其他数值数据在本文中可以以范围格式表达。应当理解的是，这样的范围格式是为了方便和简洁而使用的，并且因此，应当以灵活的方式解释为不仅包括作为范围的限值而明确列举的数值，而且包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，就好像每个数值和子范围都被明确列举一样。为了说明，大约0.1至大约5的范围应被解释为不仅包括明确列举的大约0.1至大约5的范围，而且包括所指示的范围内的单个量(例如，1、2、3和4)和子范围(例如，0.5、1.1、2.2、3.3和4.4)。术语大约可以包括根据数值的有效数字的传统舍入。此外，短语大约x至y包括大约x至大约y。