CN101583992B - 触觉型可穿着游戏装置 - Google Patents

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Abstract

一种触觉服装，比如游戏背心(420)或其它服装或身体包络装置。气动的力发生装置(425)在多个网格区域中被嵌入在背心中，以便选择性地对穿着多层背心的用户施加调制的力。压缩空气源包括压缩机(612)以及关联的罐(606)，该关联的罐选择性地启动气动的力发生装置，以便产生触觉响应。控制阀组件将气动的力发生装置耦合到压缩空气源。控制器(426)选择性地打开和关闭控制阀，以便调制气动的力发生装置，并产生模拟真实力比如冲击力和重力的力。力感测器布置在网格区域中，以提供用以产生第二力的力数据。

Description

触觉型可穿着游戏装置
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2006年12月7日提交的题为“TACTILEEVENT GARMENTS AND RECORDING SYSTEM(触觉事件服装以及记录系统)”的美国临时申请No.60/869,056，以及于2007年8月21日提交的题为“TACTILE WEARABLE GAMING DEVICE(触觉型可穿着游戏装置)”的美国临时申请No.60/957,136的权益，此两者的公开内容于本文以明示方式通过引用并入，并且在此根据35U.S.C§119(e)要求其申请日。
背景技术
1972年，游戏PongTM的发行标志了视频游戏产业的开始。从那时起，计算机游戏和娱乐产业与计算机技术的发展同时呈现爆炸性增长。声卡、图形卡(graphics card)、图形加速器、CD只读存贮器驱动器以及操纵杆技术，即，现代计算机的基本方面中的主要发展很大程度上都是由游戏产业发展而来的。计算机处理能力的进步以及互联网的发展使得计算机生成的动画和游戏更具复杂性以及真实性。
特别是对游戏来说，三维(“3D”)图形的进步使得能够开发出带有更加逼真(life-like)的人物、更加真实的运动以及更加复杂的环境的游戏。很多游戏程序和系统的最终目标是使其中的虚拟人物能够在虚拟环境中以尽可能近似地模拟物理环境的自然的方式移动和表现，以及为用户提供能更加接近地模拟身在游戏中的体验的虚拟环境。现在，在线游戏比如大规模多玩家(player)在线游戏的发展，给了用户与不同位置的多个玩家互动的能力，提高了游戏的策略选择、互动性以及游戏的真实性。随着对进一步的真实性的要求的继续，为虚拟环境增加触感(触觉)或接触感觉的特性代表了提高最终用户的娱乐体验的重要机会。当前，触觉反馈技术的状况包括在操纵杆或手控制单元以内振动以模拟运动和阻力。这是非常有限的感觉反应，并且不能代表真实的触觉事件或环境。
过去的十五年，触觉信息的计算机建模已有发展。当前，触觉反馈信息已被并入一些虚拟现实系统，比如飞行器的训练模拟机、计算机以及医疗产业，以及计算机游戏。这些系统的触觉反馈技术的状况一般地包括为用户提供阻力或振动的力，以便模拟所遇到的阻力或起到事件指示器(event indicator)的作用。从形态学和生理学的立场，这些系统被设计成产生低水平的振动，或“隆隆响的”刺激，从而激活用户的振动感觉路径。
典型地，这些类型的振动刺激由带有或不带有偏置凸轮系统(off-set cam system)的小马达产生，这些小马达释放振动并被用户感知。参见，例如Thorner等人的美国专利No.5,565,840。这些装置容易得到而且成本低廉，所以它们已成为“触觉或力反馈”游戏外围设备的主流。退一步并回顾技术以及用户体验，这些系统只起到将游戏事件通过除了视觉或声音以外的另一种感觉途径来表示的粗糙的代理(rough proxy)或指示器的作用。它们不能正确地区分或精确地代表发生在游戏中的多种类型的动作或力，但被广泛地应用于游戏中的所有类型的动作，以及仅仅用来指示游戏中发生的一些能引起注意的事件。
但是，这些现有技术装置不能产生某些可能需要的力响应。例如，在第一人称的射手游戏中，当游戏中的人物被打击或射中时，键盘或手控制器振动，这表示着游戏中发生了令人不快的事件。控制器或键盘的振动当然不代表游戏人物发生的实际事件。枪击或胸部或背部被打击不能良好地由低水平的隆隆响或施加到用户的手的振动力代表。优选的触觉响应将对用户产生特定位置的冲击(location specificimpact)。优选地，触觉响应的强度将例如根据距离、子弹规格、武器类型等等而变化。
在游戏场景中，更加真实的体验将提供实际的特定位置的冲击刺激，该特定位置的冲击刺激可能受多个参数(例如武器类型、武器尺寸、到目标的距离、身体是否装备护甲)的影响，以及相应地给予变化的力以便更加精确地模拟游戏事件，当然，没有实际上冲突性的实际损伤或伤害。在本发明人的之前的专利和申请中，公开了允许实际给予用户的身体的力的触觉或冲击产生系统。本文预期，所给予的力可以被调制以模拟多种多样的动作和事件。
当前，有数以百计的能实现这些力反馈功能的PC游戏以及估计五百万种安装的力反馈外围设备。然而，在触觉游戏装置和系统中以及在提供有效的、可靠的、耐用的以及可生产的触觉游戏装置中仍然有进步的需求。
发明内容
本概述被提供来以一种简化的形式介绍将在下文的详细描述中进一步地描述的概念。本概述并不打算确定权利要求所要求保护的主题的关键特征，也不打算被用来帮助确定权利要求所要求保护的主题的范围。
依据本公开内容的一方面，公开了一种具有多层的触觉型游戏背心(tactile gaming vest)。气动的力发生装置被嵌入在背心中，以便选择性地对穿着多层背心的用户施加力。压缩空气源被用于给气动的力发生装置提供动力。控制阀将气动的力发生装置耦合到压缩空气源。控制器选择性地打开和关闭控制阀，以调制气动的力发生装置。其它类型的服装，比如裤腿和手套，可以被用于代替游戏背心或者添加到游戏背心。
依据本公开内容的一方面，公开了一种触觉型游戏背心，其包括用于对穿着游戏背心的用户传递调制的力的多个嵌入的力发生装置。动力分配网络(power distribution network)，比如气动的、液压的、电气网络的，对嵌入的力发生装置提供合适的动力。控制器依据调制的控制信号来控制调制的力的产生。动力开关组件(power-switchingcomponent)，比如阀或电气开关，被用于控制合适类型的动力流向嵌入的力发生装置。
依据本公开内容的另一方面，公开了一种用于向游戏背心的用户传递触觉刺激的方法。该方法包括：依据调制的控制信号，由控制器使用该调制的控制信号来控制动力开关组件，比如阀或电气开关；使用动力开关组件，将合适类型的动力分配给嵌入在游戏背心中的线性运动力发生装置的阵列中的至少一个；以及，依据调制的控制信号，使用分配的动力，产生向内朝向穿着游戏背心的用户的身体的力。
依据本公开内容的另一方面，公开了一种用于传递触觉刺激的系统，该系统包括：信号发生器组件，其用于产生调制的控制信号；触觉力软件库(tactile force software library)，其用于向用于产生调制的控制信号的信号发生器组件提供信息；触觉服装，比如游戏背心，其包括用于根据调制的控制信号向穿着多层服装的用户传递调制的力的至少一个嵌入的力发生装置；动力分配网络，其用于向嵌入的力发生装置提供动力；控制器，其用于控制由嵌入的力发生装置依据调制的控制信号产生调制的力，以及动力开关组件，比如阀或电气开关，其用于控制电力流向嵌入的力发生装置。
附图说明
通过结合附图来参考接下来的详细描述，本发明的前述方面以及很多伴随的优势将变得更加容易理解并同时变得能被更好地理解，其中：
图1为依据本发明的触觉记录和回放系统的示意图；
图2为图1中示意性地展示的背心的当前实施方式的图片，其包括动力供给、控制箱和电缆；
图3为图1中所示的记录接口的草图，其被展示为处于打开位置；
图4为包括压缩机系统的处于独立的构型(standaloneconfiguration)中的可选择的回放接口系统的示意图；
图5展示了一个示意图，其展示了用于图4中所示的背心的囊、阀以及控制系统之间的流体和电气连接；
图6展示了图4中的用于向囊提供加压空气的压缩机系统的示意图；
图7为用于图2中所示的背心的力发生装置的气动的冲击型囊的透视图；以及
图8为用于力发生装置的气动的环形囊的透视图。
具体实施方式
系统综述
本文描述的系统和装置获得并且记录物理触觉刺激，和/或选择性地回放已记录的或以其他方式模拟的刺激用户的触觉事件。在示范性的实施方式中，公开了接收来自用户的计算机的激励信号的可穿着的装置，并且该可穿着的装置能基于激励信号而对穿着可穿着装置的用户产生触觉刺激。例如，激励信号可以被产生来代表发生在玩游戏中的特定的事件，而触觉刺激可以模拟该特定的事件。可选择地，在电影中或在其它的回放用途中，该激励信号可以代表发生在电影或其它已录制的场景中的特定的事件。虽然当前优选的完整系统包括两个独立的可穿着的接口，即记录接口(主控单元)以及回放接口(使用者单元)，但预期，记录接口或回放接口中的每一个可以独立于另一个而使用。例如，记录接口以及回放接口可以被用作整个系统中的独立组件或用作相关组件，以在视频游戏、互动娱乐或其它记录媒体或直播媒体的环境中为用户记录和“回放”触觉信息。
本技术通过其表达宽范围的物理感觉刺激的能力而区别于当前可得到的力反馈系统，包括模拟接触、冲击、阻力以及压力，以提高所有形式的在线、个人电脑或基于控制台的游戏内容的真实性。另外，具体地，本技术可以用于模拟赛跑、飞行以及其它类型的记录或直播游戏和媒体内容的重力效果。本发明的另一个实施方式的细节公开在于2006年12月7日提交的题为“Tactile Event Garments andRecording System(接触事件服装和记录系统)”的美国临时申请No.60/869,056中，其为由同一发明人发明的相关主题事物，并且其公开内容被以明示方式通过引用而全文地并入本文。
触觉记录以及回放系统100的示意图展示于图1中。可穿着的记录接口102可以形成为例如背心或其它可穿着的装置，该可穿着的记录接口102设置成在其中并入有压力感测元件104的阵列。压力感测元件104被连接到记录控制器106，而该记录控制器106将接收自响应于外部施加的力(用箭头“力”指示)的压力感测元件104的数据通过电缆108传输到主控计算机(mastering computer)110。该主控计算机110处理来自记录控制器106的信息，以便产生触觉事件信息主库112，该触觉事件信息主库112可以被用于通过下文所讨论的回放接口120选择性地回放或重建记录的触觉事件。主库112可以通过其它的游戏软件114访问，例如通过安装在专用的游戏系统或可操作地连接到回放接口120的其它用户计算机116上的软件访问。
回放接口120为可穿着的装置，其一般地以整体形式与记录接口102对应。回放接口120包括力发生装置或网格124的阵列，其以类似于压力感测元件104的阵列的形式排列。回放接口120还包括通过电缆128从用户计算机系统118接收信号的回放控制器126。触觉库112的主拷贝可以初始地创建在基本主控计算机110上或创建在数据服务器上，以对用户计算机118重新分配。回放控制器126使用接收自用户计算机116的信号来控制力发生装置124的阵列，以便在穿着回放接口120的用户上赋予想要的力。
虽然图1同时地展示了记录接口102以及回放接口120，但预期，这两个系统元件一般地将会分开来使用，其中记录接口102被用于创建用于接下来由具有回放接口120的用户使用的触觉事件信息库112。预期，用户计算机116和回放接口120之间的通信连接，和/或主控计算机110和记录接口102之间的连接可以通过其它方式比如无线通信系统完成。
回放接口120的一个说明性的实施方式展示于图2中，并且包括可穿着的装置200，比如并入了多个力发生装置(图中不可见)的背心，该力发生装置由回放控制器126调制以将想要的触觉事件的特定特征传输给用户。在这个实施方式中，力发生装置为气动的，但是在其它实施方式中，液压的加压介质或电子机械结构/元件比如线圈或类似物，也可以被用于为用户产生类似的触觉刺激。
记录接口
记录接口102接收并记录触觉和/或其它感觉数据，并将数据记录进入数据存储装置，一般地存储在主控计算机110中的可记录介质上。如图3中所示，在说明性的实施方式中，记录接口102包括可以由柔软的、顺应性的材料比如自然纤维或聚合纤维制成的服装。其中设置有一个或多个柔顺的或半刚性的支撑衬垫302，例如尼龙、橡胶、硅或柔软的塑料基片。当然，其它合适的材料比如木材、纸、铝或类似物可以可选择地被用于装置的构造，且在一些应用中可具有优势。整个衬垫302优选地为均匀的，且最佳地包含一些粘弹性性质，例如，模拟皮肤表面。记录接口102一般为贴合的(conformable)且可穿着的。
记录接口102被直接穿着在用户的身体表面上，并且可以方便地使用条带或其它紧固装置固定。在一个说明性的实施方式中，可以使用尼龙钩环绑扎器(nylon hooks-and-loops binder)型的闭合件。该尼龙闭合件提供可调整性，并允许同一个记录接口102被具有各种各样的身体外形和尺码的不同用户使用。在另一个说明性的实施方式中，可以使用搭扣型的紧固件308。支撑衬垫302可以形成为：用于胸部用途的背心；用于腹部用途的绑扎器；用于上肢用途的袖子、护臂或手套；用于下肢用途的裤腿或靴子；或用于小部位用途比如手指或脚趾的小条。最佳地，衬垫302的工作感觉表面被向外(离开于用户的身体)定向，从而使外部施加的感觉刺激(由图1中的标有“力”的箭头表示)的激活作用最大化。虽然此为最佳的功能方向，但是还存在有其他应用，在这些其他应用中，适合于使衬垫的感觉表面面向用户的身体，或衬垫的构造沿着内部和外部表面包括感测装置。记录接口102的功能性也可以通过包含单通道压力传感器或多通道压力传感器、温度感受器、振动感受器以及位置感受器而扩展。另外的接受器可以被定向为工作/接收表面处于任何方向，但最佳地为向内朝向用户的身体，并允许实时地同步获取复杂的感觉信息。
每个支撑衬垫302被再划分成包括压力感测元件104的基本结构单元或网格区域303。衬垫302的整体尺寸以及每种类型的衬垫302内的网格区域303的数量可以变化以与特定的用途相配套。在每个网格区域303中，安装有压力感测元件104，比如工作/接收表面面向外的单通道压力传感器。在一个说明性的实施方式中，支撑衬垫302的结构为单体式的，并带有许多埋置在支撑衬垫302以内的压力感测元件104。支撑衬垫302的背面被柔韧的或半刚性的护板支撑。优选的护板为塑料或聚合物面材(panel)，其可形成相对刚性的背衬，但允许一些弯曲以适合应用于多种身体尺码。除了压力感测元件104以外，应预见到，其它的感觉感受器也可以被并入每个网格结构。另外的感觉感受器可以包括温度感受器、振动感受器以及位置感受器。另外的感受器将允许实时地同步获得复杂的感觉信息。
记录接口102例如通过脐状电线(electrical umbilical cord)或无线连接而连接到记录控制器106，如图1中所示。在一个说明性的实施方式中，记录控制器106包括动力供给、小型中央处理单元、信号处理器、可能需要的数字模拟转换器，以及用于接收和传送数据并被连接到主控计算机110的通信系统。那些本领域技术人员应理解，记录控制器106可以根据对成本、灵活性、尺寸等等的考虑而以硬件和软件的各种组合实施。记录控制器106可以只包括必须的硬件以收集触觉数据以便传送给用户计算机116，用于信号处理任务比如噪声过滤。
可选择地，记录控制器106包括必需的硬件和软件/固件，以便收集数据并实现一些信号处理，比如信号调整(signal conditioning)、放大以及过滤。在另一个说明性的实施方式中，记录控制器106的功能可以部分地分配在记录可穿着装置102以内以及部分地在主控计算机系统110以内，从而消除对中央记录控制器的需要。在一个说明性的实施方式中，低能量版本的记录控制器106通过USB型连接直接地连接到主控计算机110，不需要任何附加的外部电源。然而在另一个实施方式中，记录接口120完全地独立于内置的(built in)计算资源，比如处理器和存储器。在这些实施方式中，所收集的数据被存储在可移动的媒体比如闪盘(flash disk)上，以被传递到包括中央触觉事件库的外部服务器中，用于重新分配到游戏控制器或用户计算机116。可选择地，在这些实施方式中，所收集的触觉数据可以被通过线缆传输或无线传输到接收服务器中，用于存储在触觉事件库112中。
用于记录控制器106的通信系统的多个说明性的实施方式包括内部的调制解调器，以便连接到主控计算机110或直接连接到基于陆地的或直接连线的电话线，或任何其它的当前或未来的设备，这些设备能允许：(1)基于光的/基于光学的通信，包括光纤缆线通道以及非纤维的、基于光学的数据/声音/视觉信号传输方法；(2)无线通信，包括但不限于无线电频率、超高频率、微波或卫星系统，其中声音和/或数据信息能被传输或接收；以及(3)使用任何当前未使用的介质比如红外光、磁力、其它波长的可见辐射及不可见辐射等的任何未来的声音或数据传输方法。最佳地，考虑到减少直接施加给用户的重量、在记录接口102被放置在身体小部分如肢体或手指上时的尺寸限制，或可能的安全(减少来自通信/数据传输的RF或微波辐射暴露)，记录控制器106可以远离用户。脐状部分(umbilical section)可以包含功能性子单元以内的压力感测元件104和动力供给之间的接触线缆。
在一个说明性的实施方式中，记录接口102的构型包括单个或多个多通道压力传感器/电阻器装置。为了增加装置的敏感度和功能性，每个网格区域可以被加倍地细分，且可以在装置的各处设置数量合适的压力传感器/压力电阻(响应)子单元。功能性子单元的数量将仅受使这些双向压力变送子单元小型化的能力的限制。这将允许产生和接收来自记录接口的每个部分的机械和/或感觉输入的能力。
当记录接口102遇到外部施加的力时，该装置将在各个网格区域处探测到的机械力转变成数字的力信号并将其传输到主控计算机110。可选择地，为使记录接口102更轻和更加柔顺，可将未加工的或轻微调整的信号(例如，过滤的以及放大的模拟信号)传输到主控计算机110，用于数字化以及其它处理。例如，整个身体表面可以被细分为特定的解剖学区域，每个区域具有它自己的相应的可穿着装置。预期，记录接口102可以由绝技表演人员(stunt person)穿着，并被用于记录绝技表演人员所遇到的实际的触觉刺激，比如重力、坠落、重击或踢。触觉数据以及音频和视频数据可以作为可重现的触觉事件被记录、处理以及存储，并被并入视频游戏、电影或其它类型的直播或记录媒体，以便最终地通过回放接口120被“回放”给用户。使用记录接口102，就产生了触觉事件信息主库112。库112可由视频游戏创建者使用来例如将从实际事件获得的触觉感觉特征整合入不同的游戏和/或其它虚拟环境。
回放接口
仍然参照图1，回放接口120为类似于记录接口102的可穿着的装置，并且包括调制成将想要的触觉事件的特定的特征传输给用户的多个力发生装置(图1中未示出)。合适的力发生装置公开于本发明人的美国专利NO.6,726,638，该专利于此以引用方式全文并入。如图1中所说明，回放接口120优选地包括可调整的闭合件，且其尺寸大致地对应于记录接口102。通常，回放控制器126响应于由使用触觉事件信息库112的游戏软件114产生的交互信号而从用户计算机116接收信号。
现在回来参照图2，回放接口120的说明性的实施方式包括具有至少三层的柔顺的背心200。虽然其它材料的组合对于本领域技术人员将是明显的，但在此实施方式中，背心200包括：(1)由允许用于柔韧的但是耐用的服装的天然纤维或合成纤维比如棉或尼龙制成的外部层；(2)被称为背衬层的中间层；以及(3)由例如尼龙和更加柔韧的弹性处理过的材料比如莱卡
Figure G2007800451199D00101
的组合制成的内部层。背心200被设计成带有某些想要的特征，这些特征包括：(a)相应的前部面材和后部面材210、212，它们没有沿着背心200的侧面直接地缝合在一起；(b)平分前部面材210以便于进入的纵向拉链214；(c)设计成在用户的肩膀之上延伸并允许适当调整的可调整的袖子216；以及(d)稳定前部面材210和后部面材212并允许适当调整的水平条带218。
在此实施方式中，在背心200的每侧，侧面面材或兜悬挂在水平条带218上，其可以方便地由与背心本身相同的材料制成。力发生装置124被放置在装在侧面的兜中，由此，背心可以适合于适应各种各样的身体尺码。装在侧面的力发生装置124已经被发现对于模拟身体的力比如加速以及类似情景有效。然而，这是说明性的实施方式，还预期了其它的设计方案，比如斗篷型(即不带有正面拉链)的或完全封闭的侧面面材。另外，其它合适的材料比如棉、毛料、塑料、金属或其它未讨论的组成材料，也可以可供选择地被用于服装200或装置构造，只要所选的材料能提供可靠的背衬结构并允许在身体的各种轮廓表面周围接合即可。当合适地应用时，装置的内部层与用户的身体(或衣服)接触。
背心200由用户穿着，并且装置的前面用拉链闭合。肩部的适合度可以通过举起上肩部的片状垂悬物(upper shoulder flap)调整，该上肩部的片状垂悬物通过环钩闭合系统固定到下肩部的片状垂悬物，以使袖子216的部分在内部彼此接合，从而创造出内部和外部袖子的构型。因此袖子216能被伸缩，从而增加或减少肩部片状垂悬物的整体长度。一旦达到了恰当的适合度，则环钩闭合系统被固定。搭扣条带也被整合，以便在达到适合的位置时固定该位置。一旦做了这些调整，则水平条带218便被扣住，并被拉到贴身；条带对于达到贴身合适以及优化装置的功能是关键的。虽然在本优选的实施方式中使用的是可调整的搭扣条带，但其它类型的带子、环钩、弹性处理过或橡胶处理过的材料，或其它类型的结合系统可以选择性地被使用。
在已公开的背心200中，活跃的网格区域包括右胸部220、左胸部222、右腹部(下躯干)224、左腹部(下躯干)226、右上背(未示出)、左上背(未示出)、右下背(未示出)、左下背(未示出)、右侧边228以及左侧边230。网格区域的数量可以随着尺寸和用途而变化，并且只是作为例子概要地描述而绝不意味着限制装置的设计方案。例如，预期，更小的单元比如臂盖层可以使用带有力发生装置的四个或更多网格区域。带有侧面安装的力发生装置124的背心200被相信为对其中需要模拟重力反应的用途比如赛车游戏特别地有益，在赛车游戏中，为了真实性，驾驶员/玩家应体验到加速、离心力、制动力等。已经发现，选择性地通电的更大的力发生装置124以相对渐变的速率能够有效地模拟这些加速身体力。
虽然背心被作为该技术的例子来描述，但应预料到，其它类型的可穿着的服装可被构建以便扩展装置的性能以及功能。这些可以包括普通用途的衬垫、绑扎器、袖子、护臂、手套、裤腿、靴子或用于小用途比如手指或脚趾的小条带，或能被施加到用户的身体的任何其它类型的形状。这些各种各样的装置构型可以通过多种方法比如带子、条带或钩环闭合系统而被固定到用户。可以使用各种使用独立的动力供给和空气源的彼此独立的组件，这些组件保持独立，但是使用带有多个同步空气源连接(压缩机歧管)的单独的压缩机系统，或者串联或并联地连接到一起，并使用背心作为基本控制器，用于附加的系统组件的空气和能量需求。
现在参照图4，本触觉技术平台的用于回放接口120的另一种说明性的实施方式基于气动的系统架构。图4展示了独立的可穿着的回放接口420，其类似于上文描述的回放接口120，这里展示为带有在网格区域424以内的八个向前的力发生装置425。力发生装置425可以实质上与美国专利NO.6,726,638的图8中所示的气动压力网格相同，该美国专利通过引用在上文并入，故本文不再进一步描述。可选择地，电子机械的或其它的力发生装置可以被用于对用户赋予触觉刺激。
可穿着的回放接口420包括在网格区域424以内的力发生装置425的阵列。在此气动的实施方式中，每个力发生装置425包括带有进口/出口线的可膨胀的室或囊，以及允许加压介质比如空气流入和流出的控制阀(见图7和图8)。虽然，此实施方式使用了气动系统，但那些本领域的技术人员应理解，可以使用可选择的加压介质，包括例如水、液压流体或电化学凝胶。每个网格区域424以内的力发生装置424被容纳在开放表面的支撑以内，其可以并入或不并入分离的压力感测元件。
力发生装置425面向用户身体。任何数量的力发生装置124可以被并入可穿着的回放接口420。在一个实施方式中，该回放接口420包括覆盖用户的胸部以及背部的可穿着的背心，而力发生网格区域424位于胸部部分和背部部分上。回放接口420具有双层构造，其内整合有若干的力发生装置425。力发生装置425的定向使得在激活时，力被朝着用户的身体而赋予。背心420的可穿着的外壳(wearableenclosure)可以由设计成适合或被应用于用户的身体的任何部分的任何类型的材料制成。回放接口420的整体尺寸以及回放接口420以内的网格区域424的数量可以通过装置模型变化以适应特定的用途。另外，能够产生热力温度变化或振动刺激的装置也能被整合进入网格结构或衬垫，以便赋予其它类型的触觉信息。
当前的回放接口420包括埋置在背心内的位于前面和背面的若干个力发生装置425。每个力发生装置425通过空气线432连接到阀箱430中的对应的控制阀(图5)，该阀箱430调节加压介质的流入和流出，此实施方式中的加压介质为空气。
压缩机系统436向力发生装置425提供持久的压力水平的压缩空气的供给。在此实施方式中，压缩机系统436包括外罩，其包含单头或双头隔膜式压缩机438。可以使用任何类型的活塞或可选择的压缩机机构，并且此描述绝不意味着限制本发明的范围。除了压缩机438以外，系统436还包括动力供给440、通-断控制开关442、压缩机控制电路444、压力调节器446以及存贮容器器皿或罐448。那些本领域的技术人员应理解，压缩机机构的其它构型也是可能的。例如，控制电路444或罐448或其它组件可以被分别地放置，以便适应特定重量或尺寸的压缩机系统436。因为空气被作为加压介质使用，该设计方案为半闭合系统，从大气中吸入空气进入压缩机机构中，并也将它向大气排出。还可使用可选择的加压介质，并应用闭合的回路系统架构。压缩机机构被使用标准的塑料管件而连接到可穿着的背心。压缩机机构可以通过使用电池或接入电气插座而运转。压缩机机构可以被设计为足够小以便它也能被并入背心本身或并到背心本身上，从而形成完整的可穿着的且独立的产品。
除力发生装置425以外，控制阀、软管和/或带有控制电路444的压缩机438也可以被并入回放模块420，例如，以产生无线化的回放接口(例如使用无线通信装置)。电路可以包括通信硬件以及软件，以便连接到游戏装置(无论是计算机、手持机或控制台装置)，而且将典型地通过USB、串行连接或无线连接而连接到游戏系统。展示了回放控制器426，并且通过电缆450可操作地连接到阀箱430，以使回放控制器426控制力发生装置425的激活和调制。回放控制器426可操作地连接到用户计算机116，该用户计算机116包括使用触觉事件信息库112的游戏软件。
回放控制器426还可以负责发到回放接口420游戏软件本身的控制命令的译码。在一个说明性的实施方式中，阀门启动的实际算法，包括持续时间、顺序以及所有相关的用于表示各种类型的触觉事件比如冲击、压力、重力等的变量，被植入在可穿着的回放接口420电路以内。在另一个说明性的实施方式中，算法被植入到在用户计算机116上运行的软件驱动程序以内，由此，只有最终命令被发往控制阀。那些本领域的技术人员应理解，硬件和固件/软件的任何组合可以分布在回放接口420，包括回放控制器426的不同水平的功能，以及用户计算机116之间以启动阀，并引起触觉刺激通过力发生装置425，而不背离于本公开内容的精神。
回放接口420的可选择的实施方式还包括自调节反馈环，该自调节反馈环探测用户对初始施加的力的反应，并使用该反应，以为了另外的详细的触觉刺激而产生及对用户施加回第二力。对于此种进一步的第二特征(advanced secondary feature)的优选的应用对用户提供了“伤害刺激”。作为一个例子，在实际生活中，外伤事件比如枪伤或冲击与初始的刺激有关，然后是第二低水平的持续的痛苦反应。第二触觉反馈电路包括基本的网格结构，另外还有在每个网格区域424中的力感测器。基本网格被通过回放控制器426的来自游戏软件114的命令刺激。然后合适的力被施加给用户。指向用户身体表面的力感测器然后被用户的对初始的触觉事件刺激的反应刺激。此种来源于力感测器的信息随后被传送回到板载电路板(on-board circuit board)。埋置在背心420或回放控制器426中的微处理器将在软件的控制下翻译力感测器的数据，并确定最合适的第二触觉事件信息以便发回给用户。第二组命令将被用于再次激活压缩机和控制阀，以便对用户提供与初始的触觉刺激明显不同的二次触觉刺激。调制初始触觉信息和后序的第二触觉信息的能力将允许能被赋予给用户的触觉感觉信息的更大的深度以及宽度。该系统能够向用户提供与所描绘的环境情况协调的触觉感觉刺激，以便使得娱乐体验变得格外真实。
其它的回放装置构型可以将单个或多个多通道压力传感器/电阻装置结合到每个力发生网格中，并且可结合连接的能力或在线同时地网络输入和输出来自多个背心(在多用户时)的信息的能力，以允许多用户实时地与游戏互动以及彼此互动。这对于在在线多玩家游戏环境中使用时将是有优势的。
现在参照图5，在说明性的气动的实施方式中，每个网格区域424包括力发生装置425，在此实施方式中，该力发生装置425包括可充气的囊502。相关的气动管件504将囊502连接到相关联的控制阀506。控制阀506本身可以被罩在网格区域424以内，或与另外的网格区域控制阀506处于同一位置，并且群集在阀箱430中。控制阀506电气地连接到控制控制阀506的操作的电路板508。在说明性的实施方式中，取决于设备构型，控制阀506包括三通阀(入口、出口、排气口)或四通阀(入口、出口A、出口B、排气口)。例如，对于其中力被均匀地施加以便模拟均匀重力和/或离心力的体验的重力应用，四通控制阀可以用于同时并且同步地控制两个囊。控制阀506调节加压介质比如空气的流入和流出。每个控制阀506被连接到入口歧管，而入口歧管又被连接到安装在回放接口420本身的边界以内的入口端口。压缩机系统对系统提供恒定供给的空气。
当前实施方式中的空气囊502使用空气介质。囊502的尺寸可以根据将要模拟的冲击或力的事件的类型而变化。多关节的囊(multiplearticulated bladder)采取风箱型的设计(见图7)，带有小的圆形的表面区域(rounded footprint)，这种囊能用于产生子弹或扔出物冲击型的力。大直径的囊比如枕头形或环形(见图8)可以被用于赋予更大的体积和高或低的压力刺激，以便模拟各种重力型或其它的身体力。囊可以被用在各种组合或构型中，以便优化装置对于特定类型的场景或游戏的功能，或用于各种各样的普通用途的场景。囊类型装置也可以包括梯形、角锥形、三角形、球形或任何其它类型的形状或组合，以便达到特定的影响以及形状。这些例子绝不意味着限制装置的范围。
在操作中，游戏软件114，例如一款战斗游戏，产生指示触觉事件的信号，比如子弹击中或对身体的打击。触觉事件作为命令通过用户计算机硬件116被传送到回放控制器426，例如使用库112。回放控制器426将命令解码以确定哪个力发生装置425必须对用户的身体赋予力。例如，在游戏中，如果子弹击中玩家的胸部的右上侧，那么对应于右上侧网格区域424的力发生装置425被激活以便模拟子弹击中。回放控制器426进而发送信号给控制电路板508，以打开合适的阀506并将加压空气流导向对应的力发生装置425。
应理解，阀506可以被操作以控制囊502的加压/卸压的速率，以便产生想要的触觉响应。例如，阀门开启的计时、开启速度以及频率可以被精确地控制。预期，囊502的压力和/或延伸也可以被监测，被反馈到阀控制器，并用于达到想要的触觉效果。所赋予的力的特征，比如强度、持续时间、速度或其它的特征可以通过调制技术比如脉冲宽度调制技术(PWM)而被模拟，由此，相应的阀被以受控制的方式打开和关闭并持续一段控制时间。根据游戏，多个力发生装置124可以被同时激活，以便模拟多个同步的事件。
该装置的当前实施方式的一个功能是对用户的身体施加压力和各种力，以便模拟变化的重力和/或离心效果。重力与其它类型的集中的力比如子弹击中或重击不同，因为重力均匀地以及同时地作用在质量的所有微粒上。因此，为了有效地模拟重力，力发生网格的形状必须使得牢固以及均匀的力可以被提供给用户/玩家并能够被用户/玩家体验到。因此，在一个说明性的实施方式中，可以使用环形以便产生牢固但是分布的力。在另一个说明性的实施方式中，枕头或环形的力发生网格可以和内部可充气的肋一起使用，以便限制非均匀膨胀或在枕头形网格的中间鼓起，并提供均匀的且分布的力。
用赛车模拟作为例子，并且用户为该游戏的基本玩家，车辆的加速将激活胸部右边和左边的囊充气。在真实生活中，加速产生了重力效果，该重力效果均匀地将驾驶员推(与点力相对)回到他们的座椅内。前部囊的充气施加给用户沿着他们的身体合适部位的实际上宽基础的力(actual wide based force)。玩家的自然反应是对力做出反应并通过将他自己推回到他的座椅而试着抵消或避免所施加的力作为响应。变化的加速的量将相应于囊充气次数(bladed inflation times)和/或体积中的差异，并进而将改变加速效果的量级。对于减速事件，背部囊被充气，这将引起用户将他自己向前移动，并采取通常的刹车或减速运动。高速转弯将迫使驾驶员朝向转弯的外半径。因此，高速右转弯将激发右手侧的囊大量地充气，这将引起用户将他自己向左移动，并因此他们的身体将跟随转换的外侧半径。对于高速左手转弯，左侧的囊将充气，并且用户将自然地将他自己向右移动。囊充气的变化的水平将被用于对应于转弯的不同量级。这些效果可以单独地运转或组合地运转，就像在真实生活的动作中会遇到的自然力那样。增加的囊数量以及不同的尺寸和形状能被用于提高或改变效果。
背心构型因此对沿着用户的身体的X轴和Y轴的重力效果提供合适的刺激。在Z轴上施加或模拟重力对于飞行和航空器的模拟、游戏以及媒体是有帮助的。Z轴效果通过使用臂部和腿部服装而得到，它们在普通的玩游戏或模拟的过程中通常以与背心成90度而定向。这些附加的装置被用相同的材料构造，并使用与上文所详细描述的相同的大致架构以及网格区域描述。
图6为类似于上文所讨论的压缩机系统438的整合的压缩机系统600的说明性的实施方式。压缩机系统600对回放接口120提供加压空气。外罩上半部分602和外罩下半部分616包含压缩机612、压缩机控制电路614、阀608、通过阀608和软管626与压缩机612相连的压力器皿或压力罐606、冷却风扇622、过滤器620，以及排气栅618和624。压力感测器610监测器皿606的压力，并通过发送信号给电路614以便在达到阈值压力时关闭压缩机612来调节该压力。随着空气被用于对力发生装置425充气，器皿606中的压力下降，并且压缩机612被启动以重建压力使其返回到预定的阈值水平。在一个说明性的实施方式中，阀608为起到安全检查阀和压力释放阀的双重用途的三通阀。在操作中，当阈值压力达到时，压力感测器610发送信号以便关闭压缩机612，关闭从压缩机612到位于阀608的器皿侧的器皿606的连接，并释放阀608的压缩机侧的软管626中的空气。这样，在软管626中的压缩机上的压头为零(相对于大气压)。在启动时，没有外部压力，压缩机612能更加容易地启动，消耗更少的能量，并延长压缩机612的寿命。另外，因为器皿606通过阀608被关闭，且压缩机612不需要工作以保持阈值压力，则压缩机的寿命进一步地被延长并节省更多的电能。因为囊502通过控制阀506接收来自预加压器皿606的加压空气，故用于操作的空气供给总是能够充足。
当空气被用作加压介质时，则设计方案优选地为半闭合的系统，从大气中得到空气进入压缩机612并将它排放进入大气。在其它的实施方式中，可以使用可选择的加压介质，并应用闭合的回路系统架构，例如，使用类似于制冷回路的循环的空气回路。另外，使用压缩空气源以及调节器的压缩空气系统也可以被作为代替的“压缩机”源使用。例如，预期，压缩空气源可以包括容纳有CO2或其它合适的气体的筒体。在另一个可选形式中，可以提供混合气体源，例如既具有压缩气体的筒体，又具有分离的主动空气压缩机(active air compressor)。
在一个说明性的实施方式中，压缩机系统600被使用标准塑料管件而连接到背心420。压缩机系统600可以通过使用电池或接入交流电气插座而运转。在此实施方式中，压缩机系统600一般地足够小以便被合并入背心420本身里或合并到背心420本身上，从而形成完整的可穿着的且独立的产品。可选择地，压缩机系统600可以在背心420的外部。
用于冲击类型网格区域的一般的囊结构700展示于图7中。网格区域424包括开放的表面(open face)、固定到中间(背衬层)的半刚性的塑料外壳或外罩702，并且面向使用者的皮肤或衣服表面。外罩702被固定到中间(背衬层)，并被用作将囊704保持在合适的方向，而且还给予刚性背支撑以便帮助限制充了气的囊704。在此实施方式中，囊704包括大致上圆柱形的、accordiated或起褶的囊。外罩702和囊704可以由任何合适的材料比如塑料和橡胶制成。内部层与此支撑结构的开放区域重叠。此设计方案允许充了气的囊704从支撑702的开放表面并贴着紧贴用户的身体的弹性莱卡层线性运动地向外延伸。囊704被定向以赋予向着用户的身体的力。囊704通过柔韧的软管706和耦合件708被耦合到空气线路504以及控制阀506。在一个说明性的实施方式中，软管706、耦合件708以及空气线路504可以被整合到一起，并由单片材料制成。在另一个说明性的实施方式中，软管706以及耦合件708为耦合在一起的分离组件，例如通过胶水、螺纹、压力配合或其它等效的耦合装置耦合在一起。
虽然已经阐释了并描述了说明性的实施方式，但应理解其中可以做出不同的改变而不背离于本发明的精神。

Claims (26)

1.一种触觉型可穿着装置，其包括：
服装，其包括适合于选择性地对穿着所述服装的用户施加力的多个气动的力发生装置；
压缩空气源；
控制阀组件，其包括将所述多个气动的力发生装置可操作地耦合到所述压缩空气源的多个阀；以及
控制器，其可操作地与所述控制阀组件耦合，以便选择性地打开和关闭所述阀以调制所述多个气动的力发生装置。
2.如权利要求1所述的触觉型可穿着装置，其中所述多个力发生装置包括至少四个力发生装置。
3.如权利要求1所述的触觉型可穿着装置，其进一步包括多个力感测器，每个力感测器与所述多个气动的力发生装置中的一个关联。
4.如权利要求1所述的触觉型可穿着装置，其中所述控制器适合于从计算机接收控制信号，且进一步地，其中所述控制器响应于从所述计算机接收的控制信号而选择性地打开和关闭所述阀。
5.如权利要求4所述的触觉型可穿着装置，其中所述接收的控制信号包括基于计算机游戏中发生的事件而产生的信号。
6.如权利要求1所述的触觉型可穿着装置，所述服装包括游戏背心。
7.如权利要求1所述的触觉型可穿着装置，其中所述气动的力发生装置包括环形囊和起褶的筒体中的一个。
8.如权利要求7所述的触觉型可穿着装置，其中所述压缩空气源包括压缩机和罐。
9.如权利要求1所述的触觉型可穿着装置，其中所述压缩空气源包括至少一个压缩气体罐。
10.如权利要求1所述的触觉型可穿着装置，其中所述控制器适合于从显示记录媒体的显示装置接收控制信号，并且进一步地，其中所述控制器响应于从所述显示装置接收的控制信号而选择性地打开和关闭所述阀。
11.一种触觉型可穿着装置，其包括：
服装，其包括用于将调制的力传递给穿着所述服装的用户的多个力发生装置；
动力分配网络，其可操作地与所述力发生装置耦合，以便启动所述力发生装置；
控制器，其可操作地与所述力发生装置耦合，以便控制由所述力发生装置依据调制的控制信号产生所述调制的力；以及
动力开关组件，其可操作地与所述动力分配网络、所述控制器以及所述力发生装置耦合，以控制动力流到所述力发生装置。
12.如权利要求11所述的触觉型可穿着装置，其中所述力发生装置为囊，并且所述动力分配网络包括可操作地将所述动力开关组件与压缩空气源连接的多个气动线路。
13.如权利要求12所述的触觉型可穿着装置，其中所述囊中的至少一部分囊包括起褶的圆柱形囊。
14.如权利要求11所述的触觉型可穿着装置，其中所述力发生装置包括气动致动器、液压致动器以及机械致动器中的至少一个。
15.如权利要求11所述的触觉型可穿着装置，其中所述服装为包括背心、手套、裤腿以及袖子中的一个的游戏服装。
16.如权利要求11所述的触觉型可穿着装置，其中所述多个力发生装置包括至少四个力发生装置。
17.如权利要求11所述的触觉型可穿着装置，其进一步包括多个力感测器，每个力感测器与所述多个力发生装置中的一个关联。
18.如权利要求11所述的触觉型可穿着装置，其中所述服装包括游戏背心，并且其中所述多个力发生装置中的一部分被放置在所述背心的前面面材中，而所述力发生装置中的一部分被放置在所述背心的背面面材中。
19.一种用于向用户传递触觉刺激的方法，所述方法包括：
响应于与触觉型服装耦合的控制器接收调制的控制信号，依据所述调制的控制信号激活动力开关组件；
响应于激活动力开关组件，使用所述动力开关组件，将由动力分配网络供给的动力分配给嵌入在所述服装中的线性运动力发生装置的阵列中的至少一个；以及
响应于分配由所述动力分配网络供给的动力，依据所述调制的控制信号，产生向内地朝向穿着所述服装的用户的身体的力。
20.如权利要求19所述的方法，其进一步包括：通过力感测器产生力数据。
21.如权利要求20所述的方法，其进一步包括：响应于由所述力感测器产生的所述力数据，激活所述动力开关组件。
22.如权利要求19所述的方法，其中产生向内的力的步骤包括：产生线性运动力。
23.一种用于传递触觉刺激的系统，所述系统包括：
信号发生器组件，其用于产生调制的控制信号；
触觉力软件库，其用于将信息提供给用于产生所述调制的控制信号的所述信号发生器组件；
触觉型服装，其包括至少一个嵌入的力发生装置，用于依据所述调制的控制信号将调制的力传递给穿着多层服装的用户；
动力分配网络，其可操作地与所述嵌入的力发生装置耦合，以便将动力提供给所述嵌入的力发生装置；
控制器，其可操作地与所述嵌入的力发生装置耦合，以便控制由所述嵌入的力发生装置依据调制的控制信号产生所述调制的力；以及
动力开关组件，其可操作地与所述动力分配网络、所述控制器以及所述嵌入的力发生装置耦合，以便控制动力流到所述嵌入的力发生装置。
24.如权利要求23所述的用于传递触觉刺激的系统，其进一步包括力感测器，而所述力感测器被包括在网格区域中。
25.如权利要求23所述的用于传递触觉刺激的系统，其中所述控制器响应于从所述力感测器获得的力感测数据而控制所述调制的力的产生。
26.如权利要求23所述的用于传递触觉刺激的系统，所述触觉型服装包括游戏背心。
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