用于电子手指设备的传感器

本专利申请要求2018年9月19日提交的美国专利申请16/136132、2018年6月4日提交的临时专利申请62/680495以及2018年4月9日提交的临时专利申请62/655050的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及电子设备，并且更具体地涉及用于手指安装的电子设备的传感器。

背景技术

电子设备(诸如计算机)可使用计算机鼠标和其他输入附件来控制。在虚拟现实系统中，可使用力反馈手套来控制虚拟对象。移动电话可具有用于响应于触摸输入来创建触觉反馈的触摸屏显示器和振动器。

诸如这些的设备对于用户来说可能不方便。例如，计算机鼠标通常需要用于操作的平坦表面，并且主要与固定位置中的台式计算机一起使用。力反馈手套可能是笨重且不舒适的。具有触觉反馈的触摸屏显示器仅在用户与显示器进行交互时提供触觉输出。

发明内容

本发明公开了一种系统，该系统可包括一个或多个手指安装设备，诸如具有U形外壳的手指设备，该手指设备被配置为安装在用户的手指上，同时采集传感器输入并提供触觉输出。该传感器可包括安装在该外壳的细长臂上的应变仪电路。当该臂由于手指力而移动时，该应变仪电路可测量该臂移动。这允许手指设备中的控制电路采集关于手指相对于外部结构的运动和取向的信息。例如，可以收集关于用户的手指是否已经触摸外表面的信息、关于当用户的手指沿着表面拖动时施加的剪切力的信息、关于将手指与表面分开的距离的信息以及其他手指信息。

在一些布置结构中，手指设备可包括超声传感器。超声传感器可具有超声信号发射器和对应的超声信号检测器，该超声信号检测器被配置为在超声信号通过用户的手指之后检测该超声信号。二维超声传感器可捕获用户的指垫的超声图像。超声接近传感器可用于测量手指设备和外表面之间的距离。光学传感器和其他传感器也可用于该手指设备中。

使用一个或多个手指设备采集的手指输入可被提供给辅助设备诸如具有显示器的电子设备，并且可用于控制该电子设备的操作。

附图说明

图1为根据实施方案的具有手指设备的例示性系统的示意图。

图2为根据实施方案的已放置手指设备的用户的例示性手指的俯视图。

图3为根据实施方案的处于用户手指上的例示性手指设备的横截面侧视图。

图4为根据实施方案的例示性手指设备的透视图。

图5为根据实施方案的图4的例示性手指设备的一部分的剖视图，示出了手指设备可如何具有围绕手指的指垫的下部延伸的弯曲细长臂。

图6为根据实施方案的具有形成竖直延伸臂的竖直狭缝的例示性手指设备的透视图。

图7为根据实施方案的具有凹陷部和位于该凹陷部中的传感器的例示性手指设备的横截面侧视图。

图8为根据实施方案的具有安装在手指上的弯曲侧的例示性手指设备的端视图。

图9为根据实施方案的具有柔性外壳构件的例示性手指设备的前视图，该柔性外壳构件由耦接到手指设备外壳的主要部分的弹性体构件形成。

图10为根据实施方案的图9的例示性手指设备的透视图。

图11为根据实施方案的图9的例示性手指设备的底视图。

图12为根据实施方案的具有超声传感器的例示性手指设备的前视图，该超声传感器具有超声信号发射设备诸如振动致动器和超声信号检测设备。

图13是其中致动器的示例性输出和来自手指设备中的传感器的对应感测信号已被绘制作为时间的函数的曲线图。

图14为根据实施方案的具有向下指向的超声传感器的例示性手指设备的前视图，该向下指向的超声传感器垂直于手指设备的纵向轴线成角度。

图15为根据实施方案的具有向前指向的超声传感器的例示性手指设备的侧视图，该向前指向的超声传感器安装在外壳延伸部中并被配置为在平行于手指设备的纵向轴线的方向上发射超声信号。

图16为根据实施方案的具有向前指向的超声传感器的例示性手指设备的侧视图，该向前指向的超声传感器安装在手指设备的上部外壳壁部分上。

图17为根据实施方案的具有交互部件诸如超声信号发射器和检测器的一对手指设备的前视图。

图18为根据实施方案的用于二维超声成像传感器的例示性二维超声传感器阵列的透视图。

图19为根据实施方案的包括二维超声传感器的例示性手指设备的前视图。

图20为根据实施方案的具有光学传感器的例示性手指设备的前视图。

图21为根据实施方案的具有弯曲后缘和锥形弯曲臂的例示性手指设备的透视图。

图22为根据实施方案的在弯曲手指上使用期间具有弯曲后缘的例示性手指设备的侧视图。

具体实施方式

被配置为安装在用户的身体上的电子设备可用于采集用户输入并向用户提供输出。例如，被配置为佩戴在用户一个或多个手指上的电子设备(其有时被称为手指设备或手指安装设备)可用于采集用户输入并提供输出。作为示例，手指设备可包括惯性测量单元，该惯性测量单元具有用于采集关于手指运动(诸如手指轻击或自由空间手指手势)的信息的加速度计；并且可包括力传感器，该力传感器用于采集关于手指设备和用户手指中的法向力和剪切力的信息；并且可包括用于采集关于手指设备(和其上安装有设备的用户手指)与周围环境之间的相互作用的信息的其他传感器。手指设备可包括触觉输出设备以向用户的手指提供触觉输出，并且可包括其他输出部件。

一个或多个手指设备可通过用户采集用户输入。用户可使用手指设备来操作虚拟现实或混合现实设备(例如，头戴式设备，诸如眼镜、护目镜、头盔或具有显示器的其他装置)。在操作期间，手指设备可采集用户输入，诸如关于手指设备与周围环境之间关于交互的信息(例如，用户手指与环境之间的交互，其包括手指运动和与为用户显示的虚拟内容相关联的其他交互)。用户输入可用于控制显示器上的视觉输出。可使用手指设备向用户的手指提供相应的触觉输出。例如，触觉输出可用于在用户触摸真实对象时或当用户触摸虚拟对象时向用户的手指提供期望的纹理感觉。

可将手指设备佩戴在用户任何或全部手指上(例如，食指、中指和拇指，用户一只手上的三个用户手指，双手上的一些或全部手指等)。为了在用户与周围对象交互时增强用户触摸的灵敏度，手指设备可具有倒U形状，或具有允许手指设备被佩戴在用户的指尖的顶部和侧面上同时使用户的指垫露出的其他构型。这允许用户在使用期间用用户手指的指垫部分来触摸对象。用户可使用手指设备与任何合适的电子装备进行交互。例如，用户可使用一个或多个手指设备与虚拟现实或混合现实系统(例如，具有显示屏的头戴式设备)进行交互，以向台式计算机、平板电脑、蜂窝电话、手表、耳塞或其他附件提供输入，或与其他电子装置进行交互。

图1是可包括一个或多个手指设备的类型的例示性系统的示意图。如图1所示，系统8可包括电子设备，诸如手指设备10和其他电子设备24。每个手指设备10可被佩戴在用户手上的一根手指上。系统8中的附加电子设备(诸如设备24)可包括以下设备：诸如膝上型计算机、包含嵌入式计算机的计算机监视器、平板计算机、台式计算机、蜂窝电话、媒体播放器或其他手持或便携式电子设备、诸如手表设备的小型设备、悬挂设备、头戴式耳机或耳机设备，诸如佩戴在用户头上的眼镜、护目镜、头盔或其他装置的头戴式设备、或其他可佩戴或微型设备、电视机、不包含嵌入式计算机的计算机显示器、游戏设备、遥控器、导航设备、嵌入式系统(诸如其中安装在售货亭、汽车、飞机或其他车辆上的系统)，或其他车辆、用于电子装置的可拆卸外壳、带子、腕带或发箍、可拆卸的设备盖、具有带子或具有其他结构以容纳和携带电子装置和其他物品的箱子或包、可以插入电子装置或其他物品的项链或手臂带、钱包、袖子、口袋或其他结构、椅子、沙发或其他座椅的一部分(例如、靠垫或其他座椅结构)、衣物或其他可穿戴物品(例如、帽子、腰带、手腕带、发箍、袜子、手套、衬衫、裤子等)、或实现这些设备中的两个或更多个的功能的装置。

利用一种例示性构型(其有时在本文中可作为示例进行描述)，设备10为手指安装设备，其具有抓握用户手指的U形体或具有配置为依靠在用户的手指上的其他形状的手指安装外壳，并且设备24为蜂窝电话、平板电脑、膝上型计算机、手表设备、头戴式设备、具有扬声器的设备，或其他电子设备(例如，具有显示器、音频部件和/或其他输出部件的设备)。

设备10和设备24可包括控制电路12和控制电路26。控制电路12和控制电路26可包括用于支持系统8的操作的存储和处理电路。存储和处理电路可以包括诸如非易失性存储器的存储器，(例如，闪存存储器或其他配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等，控制电路12和26中的处理电路可以用于采集来自传感器和其他输入设备的输入，并且可以用于控制输出设备。处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器和其他无线通信电路、电源管理单元、音频芯片、专用集成电路等。

为了支持设备10和设备24之间的通信和/或为了支持系统8中的装备与外部电子装备之间的通信，控制电路12可使用通信电路14进行通信和/或控制电路26可以使用通信电路28进行通信。电路14和/或电路28可包括天线、射频收发器电路以及其他无线通信电路和/或有线通信电路。例如，电路14和/或电路26(其有时可被称为控制电路和/或控制和通信电路)可以经由无线链路38支持设备10和设备24之间的双向无线通信(例如，无线局域网链路、近场通信链路或其他合适的有线或无线通信链路(例如，

设备10和设备24可包括输入-输出设备，诸如设备16和设备30。输入-输出设备16和/或输入-输出设备30可用于采集用户输入，用于采集关于用户周围环境的信息和/或向用户提供输出。设备16可包括传感器18，并且设备24可包括传感器32。传感器18和/或32可包括力传感器(例如，应变仪、电容式力传感器、阻力传感器等)、音频传感器(诸如麦克风)、触摸传感器和/或接近传感器(诸如电容传感器)、光学传感器(诸如发射和检测光的光学传感器)、超声波传感器、和/或其他触摸传感器和/或接近传感器、单色和彩色环境光传感器、图像传感器、用于检测位置、取向和/或运动的传感器(例如，加速度计、磁性传感器(诸如罗盘传感器、陀螺仪和/或包含部分或全部这些传感器的惯性测量单元))、用于检测手指动作的肌肉活动传感器(EMG)、射频传感器、深度传感器(例如，基于立体成像设备的结构光传感器和/或深度传感器)、光学传感器(诸如自混合传感器和采集飞行时间测量的光探测及测距(激光雷达)传感器)、湿度传感器、含水率传感器和/或其他传感器。在一些布置中，设备10和/或设备24可使用传感器18和/或传感器32和/或其他输入-输出设备16和/或输入-输出设备30来采集用户输入(例如，按钮可用于采集按钮按压输入，与显示器重叠的触摸传感器可用于采集触摸屏输入，触摸板可用于采集触摸输入，麦克风可用于采集音频输入，加速度计可用于监测手指何时接触输入表面，并且因此可用于采集手指按压输入等)。

设备16和/或设备30可包括触觉输出设备20和触觉输出设备34。触觉输出设备20和/或触觉输出设备34可产生由用户感测的运动(例如，通过用户的指尖感测的运动)。触觉输出设备20和/或触觉输出设备34可包括以下制动器：诸如电磁致动器、电动机、压电致动器、电活性聚合物致动器、振动器、线性致动器、旋转致动器，可弯曲地弯曲构件的致动器、在设备10和/或设备24之间产生和/或控制排斥力和/或吸引力的致动器设备(例如，用于产生静电排斥和/或吸引力的部件，诸如电极；用于产生超声波输出的部件，诸如超声波换能器；用于产生磁性相互作用的部件，诸如用于产生直流和/或交流磁场的电磁铁、永磁体、磁性材料，诸如铁或铁氧体；和/或用于在设备10和/或设备24之间产生排斥力和/或吸引力的其他电路)。在一些情况下，用于在设备10中产生力的致动器可用于挤压用户的手指和/或以其他方式与用户的指腹直接交互。在其他情况下，这些部件可用于彼此交互(例如，通过使用电磁体在一对设备10和/或设备10与设备24之间产生动态可调的电磁排斥力和/或吸引力)。

如果需要，输入-输出设备16和/或输入-输出设备30可包括其他设备22和/或设备36，诸如显示器(例如，在设备24中显示用户图像)、状态指示灯(例如，用作功率指示器的设备10和/或设备24中的发光二极管，以及其他基于光的输出设备)、扬声器和其他音频输出设备、电磁体、永磁体、由磁性材料形成的结构(例如，被磁体吸引的铁棒或其他铁磁构件，诸如电磁体和/或永磁体)、电池等。设备10和/或设备24还可以包括配置为传输和/或接收有线和/或无线功率信号的功率传输和/或接收电路。

图2为用户的手指(手指40)和例示性手指安装设备10的俯视图。如图2所示，设备10可由安装在手指40的尖端上或附近(例如，部分或完全重叠的指甲42)的手指安装单元形成。如果需要，设备10可被佩戴在用户手指上的其他地方。

用户可以同时佩戴一个或多个设备10。例如，用户可在用户的无名指或食指上佩戴单个设备10。作为另一示例，用户可以在用户的拇指上佩戴第一设备10，在用户的食指上佩戴第二设备10，并且在用户的中指上佩戴可选的第三设备10。也可使用将设备10佩戴在其他手指上和/或用户的一只手或两只手的所有手指的布置方式。

控制电路12(以及如果需要，通信电路14和/或输入-输出设备16)可完全包含在设备10内(例如，在用于指尖安装单元的外壳中)和/或可包括耦接到指尖结构的电路(例如，通过来自相关联腕带、手套、无指手套等的电线)。设备10具有安装在单个用户指尖上的主体的构型在本文中有时被描述为示例。

图3为例示性手指设备(手指安装设备)10的横截面侧视图，其示出处于手指设备外壳44内和/或处于手指设备外壳44的表面上用于电子部件(例如，控制电路12、通信电路14和/或输入-输出设备16)的例示性安装位置46。如果需要，这些部件可结合到外壳44的其他部分中。

如图3所示，外壳44可具有U形状(例如，外壳44可为U形外壳结构，其面向下并覆盖用户手指40和指甲42的尖端)。在操作期间，用户可按压诸如结构50的结构。当手指40的底部(例如，指腹40P)抵靠结构50的表面48时，用户的手指可以压紧并迫使手指的一部分向外抵靠外壳44的侧壁部分(例如，用于通过力传感器或安装在外壳44侧部的其他传感器进行感测)。手指40在X-Y平面中的横向移动也可以使用外壳44的侧壁或外壳44的其他部分上的力传感器或其他传感器来感测(例如，因为横向移动将倾向于将手指40的部分按压在一些传感器上而不是其它传感器和/或将产生剪切力，该剪切力由配置为感测剪切力的力传感器进行测量)。超声传感器、光学传感器、惯性测量单元和/或其他传感器可用于采集指示手指40的活动的传感器测量值。

设备10中的传感器能够测量用户将设备10(和手指40)靠着表面48(例如，在平行于表面48的表面法线n的方向上，诸如图3的-Z方向)移动用力的程度和/或用户将设备10(和手指40)在与表面48相切的X-Y平面内移动用力的程度。设备10在X-Y平面和/或Z方向上的移动方向也可以通过位置46处的力传感器和/或其他传感器18来测量。

结构50可为设备24的外壳的一部分，可为另一个设备10的一部分(例如，另一个外壳44)，可为用户手指40或其他身体部分的一部分，可为真实世界对象(诸如桌子)的表面、可移动真实世界对象(诸如瓶子或笔)、或者可以是设备10外部的其他无生命对象，和/或可以是用户可以用手指40接触的任何其他结构，同时用期望的力在期望的方向上移动手指40。因为诸如这些的运动可由设备10来感测，所以设备10能够用于采集指向输入(例如，在诸如设备36中的显示器之类的显示器上移动光标或其他虚拟对象的输入)，可用来采集点击输入、滑动输入，捏合缩放输入(例如，当使用一对设备10时)，或其他手势输入(例如，手指手势、手势、手臂运动等)和/或其他用户输入。

图4为例示性手指设备的透视图。在图4的例示性配置中，手指设备10的外壳44具有部分52和/或58，该部分的形状有助于将手指设备10牢固地保持在手指40上。有时可被称为弯臂或弯曲臂的部分52和/或58、弯的或弯曲的突出部分、成角度的外壳结构等可具有弯曲的截面轮廓，该弯曲的截面轮廓允许这些部分适形于手指40的弯曲外表面，从而在将外壳44保持在手指40上的适当位置的同时抵靠这些表面。例如，部分52可被配置为在手指40的左侧和右侧围绕用户的手指的尖端弯曲。部分58可被配置为围绕用户的指垫的下表面的左边缘部分和右边缘部分弯曲。如果需要，可以使用外壳44中有助于将设备10牢固地安装在手指40上的附加臂和/或其他结构。

如果需要，部分52可各自通过水平狭槽48与外壳44的剩余部分分开。部分52可具有平行于纵向手指设备轴线54水平延伸的细长形状。狭槽48也可沿轴线54延伸。由于狭槽48的存在，每个部分52可侧向弯曲(例如，当由手指40向侧面按压时)。

应变仪或其他传感器可用于测量部分52的弯曲。例如，一对应变仪56可放置在部分52的靠近狭槽48的基部的区域上，如图4所示。在该位置，来自部分52的弯曲的弯曲力集中并可使用应变仪56来有效地测量。当应变仪56在沿部分52的长度的不同位置处(例如，在沿轴线54的不同相应位置处)耦接到部分52时，每个应变仪将测量不同量的力。例如，应变仪56中的第一应变仪可产生输出F1，并且应变仪56中的第二应变仪可产生输出F2。可通过处理信号F1和F2两者(例如，通过计算F1和F2的比率等)来减小使用应变仪56进行的应变仪测量中的噪声(例如，由于热源和/或其他噪声源引起的杂散信号)。在其中响应于部分52的弯曲而产生输出的情况下，信号F1和F2将趋于相关，而在其中输出信号归因于噪声的情况下，信号F1和F2将不相关。应变仪56可由用作应变相依可变电阻器的曲折迹线形成。迹线可沿轴线54(例如，垂直于部分52的弯曲轴线)延伸，以帮助增强来自应变仪电路的输出信号的幅值。

如图4所示，如果需要，设备10可具有任选的铰链诸如铰链46。铰链46可允许外壳44的左侧和右侧朝向或远离彼此移动，以适应不同尺寸的手指。

图5为沿线60截取并沿方向62观察到的外壳44的横截面侧视图。如图5所示，向下突出的部分58可具有弯曲截面轮廓，该弯曲截面轮廓被配置为配合在手指40的指垫40P下方，从而有助于将外壳44紧密地配合到用户的手指的表面并在使用期间将外壳44保持在手指40上。如果需要，除了或代替在细长部分52上形成应变仪电路，该应变仪电路可形成在外壳44的细长部分诸如部分58上。

图6为例示性配置中的设备10的透视图，其中外壳44已设置有竖直狭槽诸如狭槽64。外壳44的每一侧(例如，手指40的左侧和右侧上的外壳)可具有相应的竖直狭槽64。竖直狭槽64的存在可允许竖直臂诸如竖直细长外壳部分66在手指40移动时弯曲。应变仪56可安装到这些臂的基部(作为示例)。

图7为例示性布置结构中的设备10的横截面前视图，其中外壳44具有形成凹陷表面68的凹陷部。部件70(例如，应变仪、其他输入-输出设备16、控制电路12、通信电路14和/或其他电路)可安装到表面68并覆盖有聚合物71或其他覆盖结构。

如图8的设备10的横截面前视图所示，外壳44可被配置为具有弯曲截面轮廓和与手指40的相反的弯曲外表面匹配的弯曲内表面72。外壳44的沿着手指40的侧面并在手指40的下表面的部分下方延伸的部分的延伸(并且，如果需要，减薄的)弯曲尖端可以是足够柔性的，以在使用期间弯曲，使得外壳44上的应变仪可以检测手指移动。

图9是设备10的横截面前视图，示出了设备10可如何具有由多种材料形成的外壳。例如，外壳44的主要部分可由耐用聚合物形成。如果需要，可将美观覆盖层放置在外壳44之上。弹性体结构诸如外壳44的弹性体部分74可由软的柔韧物质诸如硅树脂形成。主外壳部分的弹性模量(例如，外壳44的主部分的杨氏模量)可为例如至少0.5GPa，而弹性体部分74的弹性模量可例如小于0.1GPa。弹性体结构诸如弹性体外壳部分74(其有时可被称为弹性体套筒、弹性体壁结构或弹性体外壳构件)的存在可有助于设备10在使用期间适形于手指40并抓握手指40。图10为例示性手指设备的透视侧视图，示出了用户的指垫40P的下表面和手指40的前尖端中的一些可如何被暴露(例如，弹性体外壳部分74可仅围绕手指40的边缘延伸)。图11为例示性手指设备和手指40的下视图，示出了部分74可如何形成为单个连续的柔韧构件(例如，弹性体聚合物或比形成外壳44的其余部分的耐用塑料和/或其它材料更容易拉伸的其它材料)。

图12为例示性配置中的设备10的前视图，其中使用发出和检测振动的传感器电路(例如，发出和检测超声振动的超声传感器)来跟踪手指40的移动。图12的传感器利用响应于电输入信号而产生运动的压电设备或其他换能器发出振动，同时在振动已穿过手指40并且已被穿过手指40进行传播的效应修改(例如，阻尼)之后测量振动。利用一个例示性布置结构，由设备10的超声传感器处理的信号具有至少40kHz、至少100kHz、至少200kHz、至少1MHz、小于2MHz、小于800kHz、小于500kHz的频率或其他合适的频率。如果需要，也可使用其中该传感器处理子超声频率(例如，10kHz)的配置。

如图12的示例所示，设备10的超声传感器电路可包括安装在外壳44的第一侧部分上的第一设备诸如设备76，以及安装在外壳44的相反的第二侧部分上的第二设备诸如设备78。在该布置结构中，手指40将在操作期间位于设备76和78之间。设备76可以是压电换能器或响应于来自控制电路14的电控制信号而产生振动输出的其他超声信号发射设备。设备78可以是超声信号测量设备，诸如将超声振动转换成电信号的换能器，诸如振动传感器(例如，应变仪、压电传感器或其他力传感器)。在操作期间，设备76可发射信号，诸如图13的曲线图中的振幅A的信号80。这些信号的相位和幅值将由通过手指40的传播而改变，并且可被设备78检测为测量信号82。当手指40压靠结构50的表面48并且指腹40P被压缩时，信号82的测量特性(例如，幅值、相位等)将趋于变化。这样，控制电路12可使用设备76和78来确定手指40是处于自由空间中还是接触外部对象，并且可确定外部对象被用力按压的程度。

在图14的示例中，使用可用作接近传感器的超声传感器来跟踪手指40的移动。图14的超声传感器84发射超声信号(例如，通过空气传播的超声声波)。传感器84还具有麦克风或其他超声声音检测器，该麦克风或其他超声声音检测器在所发射的超声信号已从外部对象反射之后检测这些信号。可由控制电路12进行飞行时间测量、超声声音幅值和相位测量和/或其他超声信号测量以监测手指活动。例如，超声传感器84可用于发射从结构50的表面48反射并由传感器84(例如，传感器84中的麦克风或其他声音传感器)检测到的信号。可以测量反射信号的强度和/或其他属性来确定手指40是否接近表面48、手指40是否朝向或远离表面48移动(以及有多快)和/或手指40是否已经接触表面48。在图14的例示性布置结构中，传感器84沿垂直于手指设备10的纵向轴线54的竖直维度发射和检测信号。

图15为处于例示性配置的设备10的侧视图，其中超声传感器84已安装在从外壳44的其余部分向下突出的外壳部分(外壳部分44P)上。如果需要，部分44P可进一步延伸，如细长部分44P'和例示性超声传感器84'所示。在诸如这些的布置结构中，传感器84可被引导以沿向前方向(例如，沿手指20的长度，平行于纵向轴线54)发射超声信号。

在图15所示类型的场景中，传感器84(或传感器84')可用于检测手指40何时处于自由空间中(其中很少所发射的超声信号从手指40的下侧和/或表面48反射回传感器84的场景)以及检测手指40何时抵靠表面48(其中手指40和表面48形成有助于将所发射的超声信号反射回传感器84的声屏障的场景)。在其中用户朝向表面48移动手指40的尖端的前部的布置结构中(如图16所示)，传感器84可检测手指40(和设备10)与表面48的距离，可检测手指40是否正相对于表面48移动等。

如果需要，多个手指设备10可在系统8中进行交互，并且可用于向设备24提供多手指用户输入。电子部件诸如超声声音发射器和超声声音检测器可被包括在这些设备中以跟踪该设备之间的相对移动。例如，考虑图17的布置结构。在图17的示例中，第一手指设备10A和第二手指设备10B具有跟踪设备10A和10B之间的相对移动的超声设备86或其他部件。例如，每个设备86可具有超声声音发射器和/或麦克风或其他超声声音检测器。在操作期间，设备86中的第一设备可发射超声信号，并且设备86中的对应第二设备可检测超声信号。如果需要，第二设备86还可将信号传输到第一设备。设备10中的一者或两者中的控制电路12可处理所发射和所检测的信号以监测手指运动(例如，以在用户的手指的捏合缩放手势或其他多手指运动期间检测设备10A和10B之间的相对运动以提供输入)。飞行时间测量(例如，将信号从设备10A传播到设备10B所消耗的时间量的测量)、接收信号强度测量(例如，其中使用所接收的信号功率来确定距离的测量)、以及/或者其他测量可使用设备86来进行以确定与设备10A和10B相关联的手指40的位置和/或运动。

超声传感器诸如二维超声传感器阵列可用于采集指腹40P的超声图像数据。可分析该超声图像数据以确定手指40的形状，从而分析指腹40P是否已接触结构50的表面48。图18中示出了例示性二维超声图像传感器。如图18所示，二维超声传感器90具有超声传感器元件92的二维阵列。元件92中的一个或多个元件和/或单独的超声传感器元件可用作超声信号发射器(例如，压电换能器或发出超声振动的其他致动器)。

如图19所示，传感器90可安装到设备10的外壳44(例如，在外壳44的侧壁部分上)。在该位置，传感器90可将超声信号引导到指腹40P中，并且可使用元件92的二维阵列来测量反射的超声信号。这样，控制电路12可采集手指40的超声图像，从而显示出指腹40P的形状。当指腹40P不与表面48接触时，指腹40P的下表面将是圆形的。当指腹40P接触表面48时，指腹40P的下表面将变平，并且设备10可断定手指40正接触表面48。可以实时监测变平的量以及任何指腹变形的位置和取向，以确定手指40的位置、手指40正施加的压力和/或手指40的取向(例如，手指40正在压靠表面48时是否倾斜到一侧)。

如图20所示，光学传感器100可包括在设备10中。在图20的示例中，第一光学传感器100安装在外壳44的一侧上，并且第二光学传感器100安装在外壳44的相反的另一侧上(例如，手指40的相反侧上的外壳侧壁)。每个传感器100可具有光发射器102和光检测器104。光发射器102可以是发光二极管、激光器或其他发光设备。光检测器104可以是光电晶体管、光电二极管或其他光电检测器。传感器100可以在可见波长、红外波长和/或其他合适波长下操作。

如果需要，手指设备可具有单个光学传感器100。在该布置结构中，手指40的一侧上的光学传感器100可发射光，并且还可检测所发射的光中的任何光是否是从表面48反射并被接收的。所测量的反射信号的强度可与传感器100(例如，设备10和外壳44)和结构50的表面48之间的距离成比例。如果设备10远离表面48，则反射信号将是弱的。如果设备10靠近表面48，则反射信号将是强的。

在其中设备10包含多个传感器100的配置中，从传感器100中的位于手指40的一侧上的第一传感器发射的光可由传感器100中的位于手指40的相反侧上的第二传感器来测量。当手指40与表面48接触时，与手指40不与表面48接触时相比，更多的发射光可被手指40阻挡。一些光还可穿过指腹40P来透射，因此手指40抵靠表面48压缩的量也可影响光透射。因此，由另一个传感器100检测到的来自一个传感器40的发射光的强度可以提供关于手指40是否与表面48接触、手指40按压表面48的用力程度的信息，以及关于手指40相对于表面48的取向和运动的其他信息。

手指40的光学特性(例如，手指40的外观，诸如手指40的颜色、手指40在一种或多种不同波长的光下的透射率等)可使用光学传感器100来监测。例如，手指40的左侧的光发射器102可发射多个波长(例如，一个或多个红外波长、一个或多个可见光波长，诸如红色、绿色和蓝色波长等)的光。手指40的右侧上光检测器104可以是包含多个光电检测器的彩色光传感器，该多个光电检测器被配置为测量不同相应波长(例如，一个或多个红外波长，一个或多个可见光波长，诸如红色、绿色和蓝色波长，或对应于由发射器102发射的光的波长的其他波长)的光，并且/或者不同颜色的光可在光检测器104进行同步测量时在不同时间发射(例如，使得可确定手指40在每个波长下的光透射)。当手指40压靠表面48时，手指40的颜色和光透射率(透射)将改变。可使用由光发射器102发射的多波长光和检测器104的彩色光传感器来动态地测量手指40的透射光谱。通过分析该透射光谱(例如，透射穿过手指40的光的颜色)，可检测光谱的变化(例如，由于与表面48接触而导致的手指40的颜色变化)。

如果需要，检测器104可以是监测在暴露于环境光下手指40的颜色的彩色光传感器。当手指40接触表面48时可检测到颜色变化(例如，手指40在压靠表面48时可显得更白，使得手指40中的血管被挤压并且包含比手指40不接触表面48且未被压缩时更少的血液)。当针对手指40使用环境光照明时，可省略光发射器102。

另一个例示性配置测量在单个波长下穿过手指40的光透射，而不是采集在多个波长下的光透射数据。光透射的量将受到手指压缩的影响，并且因此可用于检测手指40何时接触表面48。如果需要，可使用比可见光更有效地穿透到手指40中的红外光(单独使用或与进行可见光测量结合使用)。例如，红外发光二极管可位于手指40的左侧，并且对应的红外光检测器可位于手指40的右侧，以监测通过手指40的红外光透射。

为了测量手指40的光学特性，光传感器100可安装在指甲42附近，其中在手指压缩条件下的颜色变化通常是最明显的。例如，一个或多个发光二极管(可见光、红外光等)可将光发射到手指40靠近指甲42的一侧中，同时检测器104监测穿过手指40透射的该光的量。

可使用这些布置结构的组合、其中光学感测用于检测当指垫40P触摸表面48时在手指40下方行进的光线的遮挡的布置结构、以及/或者其他光学手指感测布置结构。

在一些布置结构中，可使用多于一种类型的感测布置结构来采集关于设备10的信息，诸如关于手指运动、手指位置、由指腹40压靠外表面的情况产生的手指力的信息，以及/或者关于手指40的取向和运动的其他信息。例如，设备10的传感器电路可包括应变仪、其他力传感器、超声传感器、光学传感器、超声成像传感器、测量指腹信号衰减的超声传感器、磁性传感器、射频传感器、成像传感器(例如，跟踪相机)、惯性测量单元(例如，加速度计、陀螺仪和/或罗盘传感器)、触摸传感器(例如，电容式触摸传感器)、其他传感器、这些传感器类型中的一个或多个、两个或更多个、三个或更多个、或者四个或更多个的传感器的任何组合，以及/或者其他手指监视布置结构。

在系统8的操作期间，使用一个或多个手指设备10采集的手指信息可用于检测用户输入。该用户输入可包括用户手指手势，其包括轻击、轻扫、多手指手势诸如捏合到缩放手势和/或其他手指输入。响应于用手指设备10采集的手指输入，设备10和/或从设备10诸如图1的系统8的电子设备24接收手指信息的一个或多个设备可采取合适的行动。例如，可利用手指设备10和/或设备24中的触觉输出设备将触觉输出提供给用户，可使用显示器和/或其他基于光的输出设备(例如，设备24中的部件)来显示信息，可使用设备10和/或设备24中的扬声器来提供声音，以及/或者可生成其他输出。来自设备10的手指输入可用于控制在系统8上运行的任何合适的软件(例如，混合现实软件、虚拟现实软件、绘图应用程序、游戏应用程序、文字处理应用程序和其他生产力应用程序、操作系统功能等)。

图21中示出了示例性配置中的手指设备10的透视图，其中设备10的外壳44具有弯曲后缘，诸如弯曲后边缘44E。弯曲后边缘44E的形状可在外壳44E和用户的指关节之间提供间隙，以在用户的手指弯曲的情况下帮助防止外壳44和用户的手指之间的干扰。当从侧面观察时，边缘44E可从外壳44的下前向部分44F对角地延伸到上后向部分44R。外壳44可具有适形于用户指尖并且适于采集传感器测量值的形状。例如，弯曲臂52可具有在臂52的前端处朝向彼此渐缩的尖端部分52'。臂52可由柔性材料(金属片、聚合物、弹性体材料、其他材料和/或这些材料的组合)形成，使得臂52可在来自用户的手指的肉的力的作用下偏转。图21的臂52的渐缩尖端构型和柔性可有助于确保由力传感器或耦接到弯曲臂52的其他传感器来准确地测量指尖移动。

图22为图21的手指设备诸如设备10的侧视图。如图22所示，外壳44的由弯曲的后外壳边缘44E形成的凹陷部分可有助于防止手指40弯曲时(例如，当用户用手指40触摸表面时)手指40(例如，手指40的靠近用户的指关节的部分)之间的不期望的干扰。

根据一个实施方案，提供了一种被配置为佩戴在用户的手指上的手指设备，该手指设备包括：外壳，该外壳被配置为耦接到该手指而不覆盖该手指的下指垫表面；超声传感器，该超声传感器耦接到该外壳；以及控制电路，该控制电路被配置为在该手指移动时从该传感器采集输入并被配置为使用该触觉输出设备向该手指提供触觉输出。

根据另一个实施方案，该外壳具有U形形状，该U形形状具有相反的第一侧和第二侧，该相反的第一侧和第二侧被配置为分别搁置在该手指的相反的第一侧和第二侧上，该超声传感器包括二维超声成像传感器，该手指设备包括触觉输出设备，并且该控制电路还被配置为使用该触觉输出设备向该手指提供触觉输出。

根据另一个实施方案，该超声传感器被安装在该第一侧上。

根据另一个实施方案，该外壳具有U形形状，该U形形状具有相反的第一侧和第二侧，该相反的第一侧和第二侧被配置为分别搁置在该手指的相反的第一侧和第二侧上。

根据另一个实施方案，该超声传感器包括超声信号发射器和超声信号检测器。

根据另一个实施方案，该超声信号发射器安装到该第一侧，并且该超声信号检测器安装到该第二侧。

根据另一个实施方案，该外壳沿该手指的纵向轴线延伸，并且该超声传感器包括超声信号发射器，该超声信号发射器耦接到该第一侧并被配置为沿该纵向轴线发射超声信号。

根据另一个实施方案，该外壳沿该手指的纵向轴线延伸，并且该超声传感器包括超声信号发射器，该超声信号发射器耦接到该第一侧并被配置为沿垂直于该纵向轴线的方向发射超声信号。

根据另一个实施方案，该第一侧和该第二侧具有相应的第一弯曲截面轮廓和第二弯曲截面轮廓。

根据一个实施方案，提供了一种被配置为佩戴在用户的手指上的手指设备，该手指设备包括：U形外壳，该U形外壳具有第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分被配置为分别搁置在手指的相反的第一侧和第二侧上而不覆盖该手指的下指垫表面，该第一部分和该第二部分具有抵靠该手指的相应的第一细长臂和第二细长臂；以及应变仪电路，该应变仪电路被配置为在该第一细长臂和第二细长臂弯曲时接收应变测量值。

根据另一个实施方案，该手指设备包括触觉输出设备和控制电路，该触觉输出设备耦接到该U形外壳，该控制电路被配置为当该手指移动时从该应变仪电路采集应变测量值并被配置为使用该触觉输出设备向该手指提供触觉输出。

根据另一个实施方案，该第一细长臂和该第二细长臂各自具有弯曲截面轮廓。

根据另一个实施方案，该第一细长臂和该第二细长臂各自具有弯曲尖端，该弯曲尖端围绕该手指的尖端部分地缠绕。

根据另一个实施方案，该U形外壳具有纵向轴线，并且该第一细长臂和该第二细长臂平行于该纵向轴线延伸。

根据另一个实施方案，该U形外壳具有与该第一细长臂相邻的第一狭槽和与该第二细长臂相邻的第二狭槽。

根据另一个实施方案，该U形外壳具有带弯曲轮廓的第三臂和第四臂，该第三臂和第四臂部分地在该手指的相应左侧和右侧下方延伸。

根据另一个实施方案，该U形外壳具有纵向轴线，并且该第一细长臂和该第二细长臂垂直于该纵向轴线延伸。

根据另一个实施方案，该手指设备包括耦接到该U形外壳的弹性体构件，该弹性体构件被配置为接触该手指的侧面部分而不接触该手指的该下指垫表面。

根据一个实施方案，提供了一种被配置为佩戴在用户的手指上的手指设备，该手指设备包括：外壳，该外壳具有第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分被配置为分别搁置在该手指的相反的第一侧和第二侧上，同时使该手指的指垫表面暴露；触觉输出设备，该触觉输出设备耦接到该外壳；以及光学传感器；以及控制电路，该控制电路被配置为基于来自该光学传感器的测量值使用该触觉输出设备向该手指提供触觉输出。

根据另一个实施方案，该光学传感器耦接到该第一部分并包括被配置为发射光的发光设备和被配置为测量所发射的光的光检测设备，该控制电路被配置为基于由该光检测设备对所发射的光的测量来提供触觉输出。

根据另一实施方案，该光学传感器包括光发射器和被配置为检测来自该光发射器的已穿过该手指的所发射的光的光检测器。

根据另一实施方案，该光发射器包括发光二极管。

根据另一个实施方案，该光学传感器被配置为检测该手指中的颜色变化。

前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。