DE10021895A1 - Force-Feedback-Joystick-Gerät mit einphasigen Festspulenaktuatoren - Google Patents

Force-Feedback-Joystick-Gerät mit einphasigen Festspulenaktuatoren

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Abstract

Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung, die eine Kraftrückkopplung an einen Joystick-Griff liefert, der von einem Benutzer betätigt wird. Ein Force-Feedback-Joystick-Gerät gibt Steuersignale an einen Rechner ein und gibt Kräfte an einen Benutzer des Joystick-Geräts aus. Das Gerät umfaßt ein Gehäuse, das der Benutzer des Joystick-Geräts festhält, und einen Joystick-Griff, der von dem Benutzer in zumindest zwei Rotationsfreiheitsgraden betätigbar ist, beispielsweise eine Spielunterlage. Meßfühler erfassen eine Position des Joystick-Griffs, und zwei Aktuatoren mit Direktantrieb stellen jeweils ein Drehmoment in einem Rotationsfreiheitsgrad bereit. Jeder der Aktuatoren ist ein bürstenloser, einphasiger Aktuator mit einer Erregerbasisspule und einem beweglichen Magnetstoff. Der Joystick ist mechanisch beschränkt, um sich über keine von zwei Grenzen hinauszubewegen, wo das von dem Aktuator ausgegebene Drehmoment in einem nicht aktivierten Zustand die Richtung wechselt. Der Joystick-Griff kann so ausgerichtet sein, daß eine Mittelstellung im wesentlichen an einer örtlichen Minimal-Widerstandsposition des Aktuators liegt, wo der Joystick mechanisch beschränkt ist, um sich im wesentlichen über keine von zwei örtlichen Maximal-Widerstandspositionen hinauszubewegen, die an die örtliche Minimal-Widerstandsposition angrenzen. Die örtliche Minimal-Widerstandsposition kann in einigen Ausführungsformen eine Zentrierfederkraft auf den Joystick-Griff bereitstellen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verbindung eines Benutzers mit Rechnervorrichtungen, und insbesondere auf Geräte, die zum Dialog mit Rechnersystemen verwendet werden und eine Kraftrückkopplung (Force Feedback) an den Benutzer bereitstellen.
Personen treten mit einer Vielzahl von Anwendungen mit elektronischen Geräten in Verbindung, und der Bedarf für eine natürlichere, benutzerfreundlichere und informativere Schnittstellenvorrichtung ist ein stetiges Anliegen. Eine dieser Anwendungen ist u. a. der direkte Dialog mit computererzeugten Umgebungen. Schnittstellenvorrichtungen werden in großem Umfang bei der Realisierung computergesteuerter Spiele, Simulationen und anderer Anwendungen eingesetzt, die auf dem Massenmarkt der Heimverbraucher sehr beliebt sind. Bei einer typischen Implementierung zeigt ein Rechnersystem, wie z. B. ein Personalcomputer, eine Heimvideo-Spielkonsole, ein mobiler Computer etc., einem Benutzer eine Bildumgebung auf einer Anzeigeeinheit an. Benutzer können mit der angezeigten Umgebung durch Eingeben von Steuerbefehlen oder Daten von der Schnittstellenvorrichtung aus in Dialog treten. Beliebte Schnittstellenvorrichtungen sind u. a. Joysticks, Tastensteuereinheiten in Form einer "Steuerunterlage" oder "Spielunterlage", Mäuse, Rollkugeln, stiftartige Geräte wie ein Stylus, Tablette, Druckkugeln, Hand- oder Fußhebel oder dergleichen, die an das Rechnersystem angeschlossen sind, das die angezeigte Umgebung steuert. Der Rechner aktualisiert die Umgebung unter Ansprechen auf die Betätigung des Benutzers eines bewegten Handhabungsgeräts, wie z. B. ein Joystick-Griff, eine Steuerunterlage oder Maus, und liefert dem Benutzer unter Verwendung des Bildschirms eine sichtbare Rückkopplung (Feedback).
Bei einigen Schnittstellenvorrichtungen wird dem Benutzer auch eine haptische (z. B. taktile und/oder kinästhetische) Rückkopplung zur Verfügung gestellt, die hier allgemeiner als "Force Feedback" bekannt ist. Diese Arten von Schnittstellenvorrichtungen können dem Benutzer, der den körperlichen Gegenstand der Schnittstellenvorrichtung betätigt, körperliche Empfindungen liefern. Typischerweise sind Motoren oder andere Aktuatoren der Schnittstellenvorrichtungen an das Handhabungsgerät angeschlossen und mit dem Steuerungscomputersystem verbunden. Das Rechnersystem empfängt Sensorsignale von der Schnittstellenvorrichtung und sendet entsprechende Force-Feedback-Steuersignale in Verbindung mit Host-Ereignissen an die Aktuatoren. Die Aktuatoren stellen dann Kräfte auf dem Handhabungsgerät bereit. Ein örtlicher Mikroprozessor in dem Gerät kann zum Abladen einer gewissen Rechenlast auf den Host verwendet werden. Auf diese Weise kann das Rechnersystem physikalische Empfindungen in Verbindung mit einer anderen hör- und sichtbaren Rückkopplung zu dem Benutzer transportieren, wenn der Benutzer das Handhabungsgerät berührt. Im Handel erhältliche Force-Feedback-Geräte sind u. a. der Joystick ForceFX von der Firma CH Products, Inc., der Joystick Wingman Force und das Lenkrad Wingman Formula Force von Logitech, Inc., sowie der Joystick Sidewinder Force Feedback Pro von der Firma Microsoft Corporation.
Ein Problem, das bei im Handel erhältlichen Ausführungen von Kraftrückkopplungsgeräten auftritt, ist die Sperrigkeit der Geräte. Zur Unterbringung großer Motoren oder anderer Arten von Aktuatoren ist typischerweise eine große Basis oder Halterung erforderlich. Diese Merkmale machen es schwierig, eine starke Kraftrückkopplung in eine kleinere Schnittstellenvorrichtung zu integrieren, wie z. B. eine tragbare Spielunterlage, ein Joystick, eine Fernbedienung oder ein anderes Gerät. Trotzdem sind diese Steuerungseinrichtungen die bevorzugten Eingabegeräte für viele Arten von Systemen, insbesondere Heimvideo-Spielkonsolen, und werden auch von vielen Verbrauchern bevorzugt. Außer einfachen Vibrationen und dergleichen ist eine realistische Kraftrückkopplung vorher nicht in solche Handgeräte integriert worden.
Wesen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Force-Feedback- Schnittstellenvorrichtung bereit, über die ein Benutzer mit einem Rechnersystem in Dialog treten kann. Die Kraftrückkoplungsvorrichtung liefert eine Kraftrückkopplung an einen durch einen Benutzer betätigten Joystick-Griff, wobei zur Lieferung der Kraftrückkopplung zumindest ein einphasiger Festspulenaktuator verwendet wird. Dies ermöglicht die Verwendung eines sehr kleinen Motors in der Schnittstellenvorrichtung und liefert eine realistische Kraftrückkopplung in kleinen Geräten wie Spielunterlagen und mobilen Joysticks.
Insbesondere gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt ein Force-Feedback-Joystick-Gerät Steuersignale an einen Rechner ein und gibt Kräfte an einen Benutzer des Joystick- Geräts aus. Das Gerät umfaßt ein Gehäuse, das der Benutzer des Joystick-Geräts festhält, und einen Joystick-Griff, der vom Benutzer in zumindest zwei Rotationsfreiheitsgraden betätigbar ist. Zumindest ein Meßfühler erfaßt eine Position des Joystick- Griffs in den Freiheitsgraden und gibt zumindest ein Sensorsignal zur Anzeige der Position aus, das vom Rechner empfangen wird. An den Joystick-Griff sind zwei Aktuatoren mit Direktantrieb angeschlossen, die jeweils ein Drehmoment in einem der Rotationsfreiheitsgrade bereitstellen. Jeder der Aktuatoren ist ein bürstenloser, einphasiger Aktuator mit begrenztem Drehbereich, zumindest einer Erregerbasisspule und einem beweglichen Magnetstoff. Der Joystick ist mechanisch beschränkt, um sich über keine von zwei Grenzen hinauszubewegen, wo das von dem Aktuator ausgegebene Drehmoment in einem nicht aktivierten Zustand die Richtung wechselt. Der Joystick-Griff kann so ausgerichtet sein, daß eine Mittelposition des Joystick-Griffs in den Freiheitsgraden im wesentlichen an einer örtlichen Minimal-Widerstandsposition des Aktuators liegt, wo der Joystick mechanisch beschränkt ist, um sich bei Betätigung durch den Benutzer im wesentlichen über keine der örtlichen Maximal-Widerstandspositionen hinauszubewegen, die an die örtliche Minimalposition angrenzen. Beispielsweise kann jeder Aktuator auf einen Ausschlagweg von ca. 50° beschränkt sein.
Die örtliche Minimal-Widerstandsposition kann in einigen Ausführungsformen eine Zentrierfederkraft auf den Joystick- Griff in den Freiheitsgraden bereitstellen, die zur Mittelstellung hin vorgespannt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt jeder der Aktuatoren vier Pole und zwei Erregerspulen ein. Der Joystick-Griff kann als Kugel, eine Art Steuerknüppel mit Eingriffsfläche, Richtungsgeberunterlage oder in einer anderen Form ausgebildet sein. Vorzugsweise ist zwischen die Aktuatoren und den Joystick-Griff ein Tragrahmenmechanismus gekuppelt, beispielsweise eine fünfteilige geschlossene Stangenverbindung. Der Meßfühler kann eine optische Codiereinrichtung sein, z. B. eine fest an einen Drehzylinder eines der Aktuatoren gekoppelte Codierplatte mit zumindest einem Codiermuster. In einigen Ausführungsformen können zumindest vier Detektoren Sensorsignale mit einer Phasenverschiebung von etwa 45° zueinander liefern, was die Abtastauflösung über einen Standard-Quadratursensor erhöht. In den bevorzugten Ausführungsformen ist das Joystick-Gerät als tragbare Spielunterlage ausgebildet, und der Rechner ist ein Heimvideo-Konsolensystem oder Personalcomputer.
Die vorliegende Erfindung stellt eine kompakte, aber dennoch voll funktionsfähige Feedback-Schnittstellenvorrichtung bereit, die realistische und starke Kraftempfindungen an einen Benutzer des Geräts liefert. Die hierin beschriebenen einphasigen Aktuatoren machen eine sehr kleine Schnittstellenvorrichtung möglich, die dennoch einen ausgeprägten Kraftbetrag liefert.
Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung kann die Kraftfunktionsvielfalt wesentlich größerer Joysticks und Lenkräder leicht in die Hand-Schnittstellenvorrichtungen integriert werden.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten auf diesem Gebiet beim Durchlesen der folgenden Beschreibung der Erfindung und beim Studium der einzelnen Figuren der Zeichnung klar werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1a und 1b sind Perspektivansichten verschiedener Ausführungsformen einer Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 und 3 sind Perspektivansichten eines mechanischen Systems zur Verwendung mit der Schnittstellenvorrichtung gemäß Fig. 1a oder 1b;
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht eines Mechanismussystems zur Verwendung mit der Schnittstellenvorrichtung gemäß Fig. 1b;
Fig. 5a bis 5c sind Aufrißansichten von vorn eines bevorzugten Wandlers zur Verwendung in dem mechanischen System gemäß Fig. 2 bis 4 und zeigen einen Drehzylinder in verschiedenen Drehstellungen;
Fig. 5d ist eine Perspektivansicht des Wandlers gemäß Fig. 5;
Fig. 6 ist eine Aufrißansicht des Wandlers gemäß Fig. 5 von hinten;
Fig. 7 ist eine Perspektivansicht des Abtastbogens und Gitternetzes des Meßfühlers gemäß Fig. 6;
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf den Abtastbogen und das Gitternetz gemäß Fig. 7;
Fig. 9 ist ein Profil des Verhältnisses Drehmoment : Stellung und eine Angabe des Verhältnisses Widerstand : Position für den im Wandler gemäß 5a enthaltenen Aktuator, wenn der Aktuator nicht aktiviert ist;
Fig. 10 ist eine Aufrißansicht einer alternativen Ausführungsform des Wandlers gemäß Fig. 5 von vorn;
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Schnittstellenvorrichtung und des Host-Computers der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform einer Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, die dazu verwendet wird, einen Benutzer mit einer durch einen Host-Computer 12 implementierten computererzeugten Umgebung in Dialog treten zu lassen.
Die Schnittstellenvorrichtung 10 ist als tragbare Steuerungseinrichtung ausgebildet, in ähnlicher Form und Größe wie viele "Spielunterlagen", die z. Zt. für Videospiel- Konsolensysteme erhältlich sind. Ein Gehäuse 14 der Schnittstellenvorrichtung 10 ist so geformt, daß es zwei das Gerät festhaltende Hände leicht aufnehmen kann, egal ob der Benutzer Linkshänder oder Rechtshänder ist. In der beschriebenen Ausführungsform ist auf einer Seite des Geräts eine Kugel 16 eingeschlossen, die vom Benutzer zu betätigen ist. Die Kugel 16 kann an Ort und Stelle in zwei Freiheitsgraden gedreht werden, die mit den Pfeilen 18 und 20 angedeutet sind. Auf diese Weise funktioniert die Kugel 16 insofern ganz ähnlich wie ein Joystick, da sie in zwei Rotationsfreiheitsgraden bewegt werden kann. Die Kugel 16 ist in dem Begriff "Joystick", so wie hier Bezug darauf genommen wird, enthalten.
Wie dargestellt, soll der Benutzer die Kugel mit der Hand an ungefähr gegenüberliegenden Stellen auf der Kugel zwischen zwei oder mehr Fingern festhalten und die Kugel unter Verwendung beider Finger in der/den gewünschten Richtung(en) drehen. Dies verleiht dem Benutzer einen viel festeren Griff, verglichen mit dem Rollen der Kugel mit einem Finger oder mit zwei Fingern, die die Kugel an etwa derselben Stelle berühren. Der festere Griff ermöglicht es dem Benutzer, realistischere Kraftempfindungen in Bezug auf Resistenz und Assistenz zu erfahren, ohne die Kontrolle über die Drehung der Kugel zu verlieren. Ferner kann der Benutzer zumindest einen Teil der Handfläche der Kugelkontakthand auf der Auflagefläche 22 des Gehäuses 14 ablegen, um dieser Hand Halt zu geben (Benutzer, die Linkshänder sind, können die Hand auf dem gegenüberliegenden Abschnitt 22 auf der anderen Seite der Kugel 16 ablegen).
Die Schnittstellenvorrichtung 10 schließt auch einen Tastengriffabschnitt 24 des Gehäuses 14 ein, den der Benutzer mit der Hand fassen kann, wie gezeigt. Die Hand, die den Abschnitt 24 faßt, hat leichten Zugang zu einem oder mehreren Tasten 26, von denen jede vom Benutzer gedrückt werden kann, um ein gesondertes Eingabesignal an den Host-Computer 12 zu liefern. Anstelle der Tasten 26 oder zusätzlich dazu können andere Steuerungen in Reichweite der Hand angeordnet sein, die den Abschnitt 24 faßt. Beispielsweise kann ein Richtungstastenblock bzw. "Spielunterlage" vorgesehen sein, um eine zusätzliche Eingabe seitens des Benutzers zu ermöglichen, typischerweise in einstückiger Form und in vier oder acht Richtungen bewegbar, um eine Eingabe in jede Richtung bereitzustellen. Ferner kann neben den Tasten 26 eine zusätzliche Richtungsmanipulationsvorrichtung wie ein Fingerspitzen-Steuerknüppel zur Benutzung mit der Hand auf dem Abschnitt 24 vorgesehen sein (die Kugel 16 kann ebenfalls als Fingerspitzen-Steuerknüppel ausgeführt sein, wie unten beschrieben). Derartige Fingerspitzen-Steuerknüppel sind in zwei Freiheitsgraden beweglich, wie Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt ist. Einer oder mehr Auslösertasten 28 können auch auf der Unterseite des Griffabschnitts 24 angeordnet sein und vom Benutzer mit den Fingern gedrückt werden. Es können auch andere Steuerungen vorgesehen sein, beispielsweise eine Wählscheibe oder ein Gleitschieber zur Drosselsteuerung in einem Spiel, ein Vier- oder Achtwege- Kappenschalter etc. . Einige Ausführungsformen können einen Richtungsblock bereitstellen, der an einen Tragrahmenmechanismus angekuppelt ist, wie unten mit Bezug auf Fig. 2 und 3 beschrieben, und eine Drehbewegung in zwei Freiheitsgraden ähnlich wie die Kugel 16 oder ein Fingerspitzen-Steuerknüppel ausführt; ein derartiger Richtungsblock kann auch als Force-Feedback-"Joystick" angesehen werden, wie hierin erwähnt.
Ferner können die Tasten 26 und/oder 28 oder andere Steuerungen wie eine Richtungssteuerungsblock-Unterlage mit einer Kraftrückkopplung oder haptischen Rückkopplung versehen sein, wie z. B. ein taktiles Feedback und/oder kinästhetisches Force- Feedback. Die Kräfte können zusammengestellt werden, so daß der Benutzer die Kräfte im Bewegungsfreiheitsgrad der Taste oder Steuerunterlage spürt; oder die Taste oder Steuerunterlage kann mit fühlbaren Empfindungen wie Vibrationen ausgestattet sein. Zum Beispiel kann eine Richtungsunterlage mit einer Kraftrückkopplung auf eine oder mehr der Richtungen der Unterlage oder auf eine Bewegung der gesamten Unterlage beim Herunterdrücken (z. B. von der Mitte der Unterlage aus) ausgestattet sein. Unter Verwendung von einem oder mehr an die Tasten oder anderen Steuerungen angeschlossenen Aktuatoren und Meßfühler kann eine Vielzahl von Kraftempfindungen an den Benutzer ausgegeben werden, der die Taste berührt. Beispielsweise können Rucke, Vibrationen, Strukturen, Federkräfte, Dämpfungskräfte und Hinderniskräfte ausgegeben werden. Die Kräfte können zumindest teilweise auf der Stellung der Taste in ihrem Freiheitsgrad basieren und/oder unabhängig von der Tastenposition sein. Ferner kann auf dem Gehäuse 14 ein beweglicher Abschnitt vorgesehen sein, der vom Benutzer berührt wird, wenn er die Vorrichtung betätigt. In der vorliegenden Erfindung können auch lineare Schwingspulenaktuatoren zum Betätigen der Steuerungen, wie z. B. Tasten, verwendet werden.
In wieder anderen Ausführungsformen kann eine ähnliche Force- Feedback-Schnittstellenvorrichtung in anderen Anwendungen realisiert sein, wie z. B. eine mobile Fernsteuervorrichtung, die von einem Benutzer für den Fernzugriff auf Funktionen eines Gerätes oder Zubehörs verwendet wird (z. B. Fernsehgerät, Videocassettenrecorder, Klangstereo, Internet oder Netzrechner mit Anschluß an ein Fernsehgerät etc.). Die Kraftrückkopplungsvorrichtung 10 kann auch an ein Fahrzeugsteuerungssystem angeschlossen und für Schnittstellenfunktionen in einem Fahrzeug wie einem Automobil verwendet werden, z. B. Temperatursteuerung, Kartennavigationssteuerung, Auswahl aus Listen etc. . Bei einigen dieser Ausführungsformen für Fahrzeuge kann ein Joystick verwendet werden, wie oben beschrieben, während bei anderen ein Knopf verwendet wird, der mit einem der Aktuatoren verbunden ist, die hier zur Drehkraftrückkopplung beschrieben sind.
Die Schnittstellenvorrichtung 10 ist mit dem Host-Computer 12 durch einen Bus 32 verbunden, der ein beliebiger von mehreren Arten von Kommunikationsmitteln ist. Beispielsweise kann ein serieller Schnittstellenbus, ein paralleler Schnittstellenbus oder ein drahtloser Datenübertragungsabschnitt verwendet werden. Spezielle Implementierungen können einen universellen seriellen Bus (USB), IEEE 1394 (Firewire), RS-232 oder andere Standards aufweisen.
Der Host-Computer 12 ist vorzugsweise ein Personalcomputer, ein Arbeitsplatzrechner (Workstation), eine Videospielkonsole oder ein anderes Rechen- oder Elektronikgerät. Es können Personalcomputer, wie z. B. ein IBM-kompatibler Personalcomputer bzw. ein Macintosh-Personalcomputer, oder ein Arbeitsplatzrechner wie eine Workstation von SUN oder Silicon Graphics verwendet werden. Alternativ kann eines aus einer Vielfalt von Heimvideo-Spielsystemen verwendet werden, wie z. B. Systeme, die von Nintendo, Sega oder Sony erhältlich sind, ein Fernseh-"Aufsetzkasten" oder ein "Netzrechner" etc. .
Das Host-Computersystem 12 implementiert vorzugsweise ein Host- Anwendungsprogramm, mit dem ein Benutzer über Peripheriegeräte und die Schnittstellenvorrichtung 10 einen Dialog führt. Das Host-Anwendungsprogramm kann beispielsweise ein Video- oder Computerspiel, eine medizinische Simulation, ein wissenschaftliches Analyseprogramm, ein Betriebssystem, eine Graphik-Benutzerschnittstelle oder ein anderes Anwendungsprogramm sein, das Force Feedback verwendet.
Die Host-Anwendung zeigt vorzugsweise graphische Abbildungen der Umgebung auf einer Anzeigevorrichtung an, die in dem Host- Computer enthalten ist, beispielsweise ein Bildschirm 34, ein Fernsehapparat, eine 3D-Brille, eine LCD-Anzeige etc.. Die auf dem Host-Computer 12 laufende Software und Umgebung kann von großer Vielfalt sein. Das Host-Anwendungsprogramm kann z. B. ein Videospiel, eine Simulation, eine graphische Benutzerschnittstelle (GUI), eine Web-Seite oder ein Browser sein, der HTML- oder VRML-Befehle implementiert, ein wissenschaftliches Analyseprogramm, ein virtuelles Realitätstrainingsprogramm bzw. -anwendung oder ein anderes Anwendungsprogramm sein, das die Eingabe von der Schnittstellenvorrichtung 10 benutzt und Force-Feedback- Steuerbefehle an die Steuereinheit ausgibt. Beispielsweise können viele Spielanwendungsprogramme eine Force-Feedback- Funktionsvielfalt enthalten und unter Verwendung eines Standardprotokolls oder von Standardtreibern wie dem Immersion TouchSense, erhältlich von der Firma Immersion Corporation, San Jose, Kalifornien, mit der Force-Feedback- Schnittstellenvorrichtung 10 kommunizieren. Der Computer 12 kann hierin auch als Anzeigeeinheit für "graphische Objekte" oder "Gebilde" bezeichnet werden. Diese Objekte sind keine körperlichen Gegenstände, sondern logische Sammlungen von Daten und/oder Verfahrensabläufen für Softwareeinheiten, die vom Computer 12 als Bilder auf dem Bildschirm 34 angezeigt werden können, wie Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt ist. Ein angezeigter Cursor (Positionsanzeiger) oder eine simulierte Pilotenkanzel eines Flugzeugs könnte als graphisches Objekt angesehen werden.
Im Betrieb werden die Steuerungen der Schnittstellenvorrichtung 10 vom Benutzer bedient, was dem Rechner anzeigt, wie das/die implementierte(n) Anwendungsprogramm(e) zu aktualisieren ist/sind. Eine im Gehäuse 14 der Vorrichtung 10 enthaltene Elektronikschnittstelle kann die Vorrichtung 10 mit dem Computer 12 verbinden. Der Host-Computer 12 empfängt die Eingabe von der Schnittstellenvorrichtung und aktualisiert als Reaktion auf die Eingabe ein Anwendungsprogramm. Zum Beispiel präsentiert ein Spiel eine Graphikumgebung, in der der Benutzer einen oder mehr graphische Objekte oder Gebilde steuert, wobei er die Kugel 16 und andere Steuerungen verwendet, wie z. B. die Tasten 26 und 28. Der Host-Computer wiederum liefert Force- Feedback-Steuerbefehle und Daten an die Vorrichtung 10, um die Ausgabe einer Kraftrückkopplung auf die Kugel 16 und/oder andere Steuerungen zu veranlassen.
Fig. 1b ist eine Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Kraftrückkopplungsvorrichtung 10' der vorliegenden Erfindung. Wie die Schnittstellenvorrichtung gemäß Fig. 1a ist die Vorrichtung 10' an einen Host-Computer 12 angeschlossen, um die Dialogverbindung mit einem oder mehr Anwendungsprogrammen herzustellen, die auf dem Host-Computer laufen. In der Ausführungsform 10' ist die Kugel 16 als Finger- Steuerknüppel 40 realisiert, der nahe einer Mittelfläche des Gehäuses 42 der Vorrichtung 10' angeordnet ist. Der Benutzer kann jeden der Griffe 44 der Vorrichtung fassen und beide Daumen benutzen, um den Steuerknüppel 40 beispielsweise in zwei oder mehr Freiheitsgraden zu betätigen. Der Finger- Steuerknüppel 40 weist vorzugsweise eine Kugel 46 auf, die ähnlich realisiert sein kann wie die Kugel 16 der Vorrichtung 10. Aus der Kugel 46 heraus erstreckt sich ein Stab 48 mit einer Fingerangriffsfläche 49, die der Benutzer berührt, um den Steuerknüppel zu bedienen. Die Fläche 49 kann strukturiert oder mit einem Reibungsmaterial versehen sein, damit der Benutzer einen festen Fingerzugriff auf den Steuerknüppel erreichen kann. In anderen Ausführungsformen können anders geformte Oberflächen anstelle der Fläche 49 verwendet werden, wie z. B. Aufnahmen, Ablagen etc. In anderen Ausführungsformen kann die Kugel 46 vom Benutzer direkt berührt werden, ähnlich wie bei der Kugel 16 gemäß Fig. 1a. Zum Beispiel können sich Abschnitte der Kugel 46 sowohl aus dem Oberteil als auch dem Unterteil des Gehäuses 42 heraus erstrecken, wodurch der Benutzer die Kugel mit zumindest zwei Fingern greifen kann. Tasten, Spielunterlagen, Wählscheiben, Gleitschieber und andere Steuerungen können an verschiedenen Stellen auf dem Gehäuse der Vorrichtung 10' vorgesehen sein, beispielsweise auf oder unter den Griffabschnitten 44, auf der Vorderseite der Vorrichtung etc.
Fig. 2 und 3 sind Perspektivansichten eines mechanischen Systems 50 zur Verwendung mit der Schnittstellenvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 stellt einer Vorderansicht des mechanischen Systems dar, während Fig. 3 eine Rückansicht des mechanischen Systems darstellt. Das mechanische System 50 schließt einen Tragrahmenmechanismus 52 und Wandler 54a und 54b ein. Ein Handhabungsgerät 56, wie z. B. eine Kugel 16 oder ein Joystick-Griff, ist an den Tragrahmenmechanismus 52 angekuppelt. Die Kugel 16 ist beispielsweise in Strichlinien gezeigt. Ein Joystick-Griff 58 ist ebenfalls gezeigt, der in anderen Ausführungsformen verwendet werden kann.
Der Tragrahmenmechanismus 52 kann einer aus einer Vielzahl von Verbindungsarten sein. In Fig. 2 und 3 ist eine fünfteilige geschlossene Stangenverbindung gezeigt, die dem Handhabungsgerät 56 zwei Freiheitsgrade zur Verfügung stellt, wobei die Elemente des Tragrahmenmechanismus durch die Verwendung von Lagern oder Schwenkachsen drehbar miteinander verbunden sind. Ein schematisch dargestelltes Grundelement 60 ist als Halterung vorgesehen, wobei zwei Ansatzelemente 62a und 62b drehbar an das Grundelement angekuppelt sind. Ein zentrales Element 64a ist drehbar mit dem Ansatzelement 62a verbunden, und ein zentrales Element 64b ist drehbar mit dem Ansatzelement 62b verbunden. Die zentralen Elemente 64a und 64b sind an einem Mittelpunkt P drehbar miteinander verbunden, wobei das Handhabungsgerät 56 vorzugsweise mit einem der zentralen Elemente 64 verbunden ist. Der Tragrahmenmechanismus funktioniert so, daß das Ansatzelement 62a um eine Achse A rotieren kann, das zentrale Element 64b kann um eine Momentanachse D rotieren, das Ansatzelement 62b kann um eine Achse 8 rotieren, und das zentrale Element 64a kann um eine Momentanachse E rotieren. Die Achsen D und E sind "momentan" in dem Sinne, daß sie nicht so an einer Stelle fixiert sind, wie es die Achsen A und B sind. Die Achsen A und B sind im wesentlichen lotrecht zueinander. Die fünfteilige Stangenverbindung ist so angeordnet, daß das Ansatzelement 62a, das zentrale Element 64a und das zentrale Element 64b in einem ersten Freiheitsgrad um die Achse A gedreht werden können. Des weiteren können das Ansatzelement 62b, das zentrale Element 64b und das zentrale Element 64a in einem zweiten Freiheitsgrad um die Achse B gedreht werden. Eine ähnliche Struktur ist auch in der US-Patentschrift Nr. 5,731,804 offenbart, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. In alternativen Ausführungsformen können zusätzliche Freiheitsgrade vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Handhabungsgerät 56 um die Achse C gedreht werden, die lotrecht zu der aus den Momentanachsen D und E gebildeten Ebene verläuft. Oder das Handhabungsgerät 56 kann entlang der Momentanachse C linear übersetzt werden. Diese Freiheitsgrade können auf Wunsch abgefühlt und aktiviert werden. Eine geeignete Ausführungsform des Tragrahmenmechanismus 52 ist im US-Patent Nr. 5,731,804 in größerer Einzelheit beschrieben. In anderen Ausführungsformen können auch andere Verbindungsmechanismen verwendet werden. Auch ein Mechanismus mit geschlitzten Bügeln ist zur Verwendung in dem mechanischen System 50 geeignet und im US-Patent Nr. 5,767,839 beschrieben.
Die zwei Wandler 54a und 54b, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, sind enthalten, um die Bewegung des Handhabungsgeräts 56 in den zwei Freiheitsgraden abzufühlen und Kräfte in diesen Freiheitsgraden auf das Handhabungsgerät auszugeben. Der Wandler 54a weist einen Aktuator 70a und einen Meßfühler 72a auf, und der Wandler 54b weist einen Aktuator 70b und einen Meßfühler 72b auf. Jeder Aktuator 70 hat ein Gehäuse, das an das Grundelement 60 angekuppelt ist (oder anderweitig abgestützt ist) und eine Schwenkachse, die an ein Ansatzelement 62 angekuppelt ist. Der Aktuator 70a gibt eine Kraft (Drehmoment) auf das Ansatzelement 62a um die Achse A aus, und der Aktuator 70b gibt eine Kraft (Drehmoment) auf das Ansatzelement 62b um die Achse B aus, wodurch diese Kräfte über die zentralen Elemente 64 auf das Handhabungsgerät 56 übertragen werden.
Die Aktuatoren 70 sind vorzugsweise Aktuatoren mit "Direktantrieb", d. h. der Aktuator ist direkt mit dem Handhabungsgerät 56 verbunden, und es ist keine Übertragungsmöglichkeit zwischen dem Aktuator und dem Tragrahmenmechanismus oder dem Handhabungsgerät 56 angeordnet. Obwohl solche Übertragungsmöglichkeiten wie Riemenantriebe, Seilzugantriebe und Getriebe eine Verstärkung der auf das Handhabungsgerät 56 ausgegebenen Kräfte ermöglicht, ist eine solche Verstärkung in der vorliegenden Erfindung typischerweise unnötig, da der Aktuator 70 in der Lage ist, ein Drehmoment mit ausreichender Größe für geplante Anwendungen zu erzeugen. Solche Anwendungen sind z. B. die Kraftrückkopplung auf die Kugel 16, einen kleinen Joystick oder eine Wählscheibe, die typischerweise eine geringere Kraftgröße erfordern als andere Vorrichtungen wie naturgetreue Steuerknüppel und Lenkräder. Natürlich kann eine solche Verstärkungsübertragung in anderen Ausführungsforman in der Vorrichtung 10 enthalten sein.
Die Aktuatoren 70 sind vorzugsweise auf einen gewünschten Winkelbereich beschränkt, was im Hinblick auf Fig. 9 unten in größerer Einzelheit beschrieben ist. Zur Begrenzung des Drehbereiches können in dem Aktuator körperliche Begrenzungsanschläge enthalten sein. Mit dem Drehzylinder des Aktuators kann z. B. ein Sperrstift 71 verbunden sein, der sich in einen Ausschnitt 73 in dem Grundelement 60 hinein erstreckt und darin bewegt, wenn der Drehzylinder sich bewegt. Wenn der Sperrstift 71 an der Seite eines Ausschnitts 73 anschlägt, wird der Drehzylinder daran gehindert, sich weiter in diese Richtung zu bewegen. In anderen Ausführungsformen können körperliche Begrenzungen auf andere Art und Weise realisiert sein; zum Beispiel kann ein Sperrstift direkt mit der Achse des Aktuators verbunden sein, um an Anschlagelementen anzugreifen, die eine gewünschte Winkelreichweite bereitstellen.
Der Meßfühler 72a ist vorzugsweise mit der Schwenkachse (Drehzylinder) des Aktuators 70a verbunden, und der Meßfühler 72b ist gleicherweise mit der Schwenkachse des Aktuators 70b verbunden. Der Meßfühler 72a fühlt die Drehbewegung und/oder -stellung des Ansatzelementes 62a um die Achse A ab, was wiederum die Bewegung oder Stellung des Handhabungsgeräts 56 in diesem Freiheitsgrad anzeigt. In ähnlicher Weise fühlt der Aktuatormeßfühler 72b die Bewegung oder Stellung des Handhabungsgeräts um die Achse B ab.
In der beschriebenen Ausführungsform sind Meßfühler 72 digitale optische Codeumsetzer mit jeweils einer mit der Schwingachse des Aktuators rotierenden Drehscheibe 74 (oder Bogen) und einem auf der Scheibe 74 bereitgestellten Muster 76. Das Muster 76 braucht nur über einen geringen Bruchteil des Gesamtumfangs der Scheibe 74 oder eines anderen Codeumsetzerelementes vorgesehen sein, weil die Aktuatoren 70 vorzugsweise einen begrenzten Bewegungsausschlagweg aufweisen, wie nachstehend näher beschrieben wird. Das Muster 76 weist eine Anzahl gleich beabstandeter Schlitze (Ausschnitte) auf, die dazu verwendet werden, codierte Sensorsignale für den Meßfühler 72 bereitzustellen (alternativ können dunkle Markierungen oder Linien verwendet werden). Beispielsweise kann das Muster 76 in einer Ausführungsform 250 dünne Schlitze mit einer Dicke von 0,025 mm und einer Teilung von 0,05 mm auf der Scheibe aufweisen; andere Abstände und Schlitzmengen können ebenfalls verwendet werden. Zur Abtastung der Bewegung des Musters ist ein Emitter-Detektorpaar 78 angeordnet. Auf einer Seite der Scheibe 74 ist ein Emitter 79 angeordnet und emittiert einen Energiestrahl (wie Infrarotlicht) durch die Schlitze des Musters 76. Wenn sich das Muster 76 unter das Emitter- Detektorpaar 78 bewegt, wird der Strahl entweder zu einem auf der anderen Seite der Scheibe 74 angeordneten Detektorabschnitt 81 übertragen, oder der Strahl wird von dem dunklen Scheibenmaterial gesperrt, so daß er nicht durch die Scheibe hindurchgeht. Der Meßfühler 72 liefert ein oder mehr Codeumsetzersignale, was anzeigt, wieviele Markierungen an dem Detektor vorbeibewegt worden sind. Vorzugsweise wird ein Quadratursensor mit zwei Einzeldetektoren in dem Detektorabschnitt 81 verwendet, die mit einer Phasenverschiebung von 90° beabstandet sind, damit die Rotationsrichtung der Scheibe 74 erfaßt werden kann, wie mit Bezug auf Fig. 7 und 8 beschrieben. Derartige Codiereinrichtungen sind Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt. Des weiteren kann in einigen Ausführungsformen ein "Oktatur"-Sensor verwendet werden, der zwei zusätzliche Detektoren vorsieht, die so beabstandet sind, daß sie Signale mit einer Phasenverschiebung von 45° zu den anderen Detektorsignalen liefern. Dies liefert das Doppelte der Meßauflösung der Quadratursensoren. Bei Verwendung einer solchen Oktaturerfassung kann ein zweites Muster 76 sowie ein zweites Emitter-Detektorpaar 78 vorgesehen sein, die an einer anderen Stelle um die Scheibe 74 herum angeordnet sein können.
Meßfühler 72 können in anderen Ausführungsformen als andere Meßfühlertypen und -formen vorgesehen sein. Beispielsweise können die Emitter und Detektoren sowie das Codiereinrichtungsmuster an anderen Stellen hinsichtlich des Aktuators 70 angeordnet sein. Des weiteren können andere Meßfühlertypen verwendet werden, wie z. B. analoge Potentiometer, optische Meßfühler, Photodioden-Meßfühler, Photowiderstand-Meßfühler, kapazitive Meßfühler, Hall-Effekt- Sensoren etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Wandler 54 auch ein Substrat 80 auf, das mit dem Gehäuse des Aktuators verbunden ist. Das Substrat 80 kann z. B. eine gedruckte Leiterplatte sein. Dies ermöglicht die Aufnahme eines Teils oder der gesamten Steuerelektronik für den Meßfühler 72 auf dem Substrat 80 und spart dadurch Kosten und Platz in der Schnittstellenvorrichtung 10. Demzufolge können die Leiter des Emitter-Detektors 78 direkt an eine Schaltung auf dem Substrat 80 angeschlossen werden.
Fig. 4a und 4b sind Perspektivansichten der Vorder- und Rückseite eines alternativen mechanischen Systems 50 bei Verwendung in der Schnittstellenvorrichtung 10' gemäß Fig. 1b. Eine untere Hälfte des Gehäuses 42 hält das mechanische System 50 einschließlich des Tragrahmenmechanismus 52' und der Wandler 54. Es ist eine untere Hälfte der Kugel 46 gezeigt, die den Tragrahmenmechanismus 52' umgibt, wobei die obere Hälfte der Kugel 46 den verbleibenden freigelegten Abschnitt des Tragrahmenmechanismus bedeckt. Der Finger- Steuerknüppel 40 ist an eines der zentralen Elemente 64a oder 64b des Tragrahmenmechanismus angekuppelt. Der Tragrahmenmechanismus 52' funktioniert ähnlich wie der Tragrahmenmechanismus 52.
Fig. 5a, 5b und 5c sind Seitenansichten einer bevorzugten Ausführungsform eines in dem mechanischen System 50 der Fig. 2 und 3 enthaltenen Aktuators 70. Wie in Fig. 5a gezeigt, weist der Aktuator 70 eine Statoranordnung 81 und einen Drehzylinder 82 auf. Die Statoranordnung 81 weist zwei Statoren 84a und 84b auf. Der Stator 84a weist einen Statorabschnitt 86a, einen Statorabschnitt 86b und eine Erregerspule 88a auf. Der Stator 84a weist einen Verbindungsabschnitt 87a auf, der sich durch die Spule 88a hindurch erstreckt und die Abschnitte 86a und 86b verbindet, d. h. die Spule 88a ist um die Länge des Verbindungsabschnitts 87a gewickelt. Der Stator 84b weist in ähnlicher Weise einen Statorabschnitt 86c, einen Statorabschnitt 86d und eine Erregerspule 88b auf, die um einen Verbindungsabschnitt 87b gewickelt ist. Zwischen den zwei Statoren 84a und 84b ist ein Luftspalt 90 vorgesehen. Die beiden Statoren 84a und 84b können durch eine Leiterplatte 80 zusammengeschlossen werden, wie oben beschrieben. Darüber hinaus ist zwischen den Statorabschnitten 86a und 86b sowie zwischen den Statorabschnitten 86c und 86d vorzugsweise ein Luftspalt 91 angeordnet, wie dargestellt.
Der Drehzylinder 82 ist zwischen den beiden Statoren 84a und 84b der Statoranordnung 81 angeordnet. Der Drehzylinder 82 weist eine Welle 92, einen Kern 94, Magnete 96a und 96b sowie Magnete 98a und 98b auf. Die Welle 92 ist mit dem Kern 94 verbunden. Die Magnete 96a und 96b können Sektoren eines Zylinders sein, der in den gezeigten Positionen mit dem Kern 94 verklebt oder andersartig verbunden ist. Die Nord- und Südpole (N und S) sind vorzugsweise ausgerichtet, wie dargestellt. Die Magnete 98a und 98b sind ähnliche zylindrische Sektoren wie die Magnete 96, weisen aber entgegengesetzt magnetisierte Pole auf wie die Magnete 96. Die Magnete 98 sind zwischen den Magneten 96 angeordnet, um Wechselpole um den Umfang des Drehzylinders 82 herum bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Magnete 96 und 98 alle Teil eines Nachbarmagnets, der in die Abschnitte 96a, 96b, 98a und 98b magnetisiert wurde; das diesbezügliche Verfahren ist Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt. Alternativ können die Magnete 96 und 98 separate Magnete sein, die aneinandergefügt oder zusammengekuppelt wurden. Die Dicke (Höhe) der Magnete 96 und der Distanzhalterabschnitte 98 kann ca. 5-10 mm betragen, kann aber in besonderen Ausführungsformen abhängig von Gestaltungsüberlegungen wie Kosten, gewünschtes Ausgangsdrehmoment, Gewicht etc. variiert werden. Der Kern 94 und die Statoren 84 können z. B. aus Eisen oder einem anderen eisenhaltigen Werkstoff bestehen. Ein Luftspalt 99 zwischen den Magneten 96 und 98 sowie den Statoren 84a und 84b beträgt vorzugsweise ¼ mm oder weniger. Ein geeigneter Aktuator zur Verwendung für die Aktuatoren 70 ist im US-Patent Nr. 5,334,893 von Oudet et al. beschrieben.
Der Aktuator 70 ist ein bürstenloser Motor, der vier N/S-Pole bereitstellt, wie dargestellt (vier Rotorpole und vier Statorpole). Der Aktuator 70 ist einphasig, was bedeutet, daß eine einzige Erregerspule 88 verwendet wird, um das Drehmoment auf dem Drehzylinder 82 bereitzustellen. Zwar sind zwei körperliche Spulen 88a und 88b gezeigt, diese beiden Spulen sind jedoch mit derselben Stromgröße und -richtung ausgestattet und wirken daher wie eine einzige Spule. Des weiteren sind die Spulen 88 in Bezug auf den Untergrund und in Bezug auf die beweglichen Magnete 96 fixiert.
Die magnetische Struktur des Aktuators 70 kann abhängig von der Position des Drehzylinders 82 und der Geometrie der Statoren und Magnete ein Eigendrehmoment auf dem Drehzylinder 82 bereitstellen, wenn die Spulen 88 nicht mit Strom erregt sind. Die in Fig. 5a gezeigte Stellung des Drehzylinders 82 ist eine bevorzugte Mittelstellung im Bewegungsbereich des Drehzylinders. In dieser Stellung laufen die Näherungsmagnetfeldlinien 95 von einem Magneten 98 zu einem anderen Magneten 96 durch den nächsten Stator 84. Diese Feldlinien werden durch die Pole auf dem Außenrand der an den nächsten Stator angrenzenden Magnete bestimmt. In Fig. 5a ist der Drehzylinder 82 so angeordnet, daß die Teilung 97 zwischen den Magneten 96 und 98 den angrenzenden Statorabschnitt 86 halbiert, so daß an jedem Pol ungefähr dieselbe Menge Eisen anliegt. Es ist genügend Metall im Stator 86, so daß im wesentlichen der gesamte Kraftfluß 95 innerhalb eines einzigen Statorabschnitts 86 bleibt. Dies ist eine stabile Stellung für den Drehzylinder 82, da der magnetische Widerstand für den Kraftflußweg gering ist; die Stellung ist als "örtliche Minimal-Widerstandsposition" bekannt, was andeutet, daß es noch andere Minimal-Widerstandspositionen im Bereich des Drehzylinders gibt.
Die Aktuatoren 70 lassen Strom durch beide Spulen 88 fließen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das mit den durch die Magnete 96 und 98 des Drehzylinders 82 gelieferten Magnetfeldern zusammenwirkt. Wenn eine Spule 88 mit Strom erregt wird, wird ein zusätzlicher Kraftfluß durch einen Verbindungsabschnitt 87 jedes Stators 84 bereitgestellt, der mit dem vorhandenen Kraftfluß 95 zusammenwirkt und den Drehzylinder 82 zur Bewegung veranlaßt, d. h. die Pole auf dem Stator werden gewechselt, so daß die gegenseitige Polbeeinflussung zwischen dem Drehzylinder und dem Stator die Bewegung des Drehzylinders induziert. Abhängig von der Richtung des Stroms in den Spulen kann der Drehzylinder 82 zum Umlaufen in jeder Richtung gebracht werden, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Dies veranlaßt, daß sich die Welle 92 dreht und ein Drehmoment auf die Ansatzelemente des Tragrahmenmechanismus 52 ausgibt.
Fig. 5b zeigt den Aktuator 70, wenn der Drehzylinder 82 um ein paar Grad von der in Fig. 5a gezeigten Mittelstellung weggedreht wurde. In dieser Stellung, wenn der Aktuator in einem nicht aktivierten Zustand ist, konzentrieren sich einige der Magnetfeldlinien 95 in dem Statorabschnitt 86c ähnlich wie in Fig. 5b um die Teilung 97. Einige der Feldlinien 93 im Abschnitt 86c sind jedoch nicht in der Lage, einen Gegenpol direkt an demselben Statorabschnitt 86 zu erreichen, und bewegen sich daher stattdessen durch den Verbindungsabschnitt 87b hindurch, wie dargestellt. Des weiteren ist der Kraftfluß um die Teilung 97 im Statorabschnitt 86d herum geringer, weil an den Magneten weniger Eisen anliegt. Der Kraftfluß im Statorabschnitt 86b ist ähnlich wie derjenige im Statorabschnitt 86c, und der Kraftfluß im Statorabschnitt 86a ist ähnlich wie derjenige im Statorabschnitt 86d. Diese Eigenschaften verursachen eine Widerstandskraft, die der Weiterbewegung des Drehzylinders im Uhrzeigersinn entgegenwirkt, d. h. der Drehzylinder möchte zu der Minimal-Widerstandsposition gemäß Fig. 5a zurücklaufen.
Fig. 5c zeigt den Aktuator 70, wenn der Drehzylinder 82 von der in Fig. 5b gezeigten Stellung noch weiter im Uhrzeigersinn verdreht wurde. In dieser Rotorposition wandert der Magnetfluß 95 durch einen Statorabschnitt 86b oder 86c, durch den Verbindungsabschnitt 87a oder 87b und in den angrenzenden Statorabschnitt 86a bzw. 86d. Da durch die Verbindungsabschnitte 87 ein breiter Weg bereitgestellt wird und da an jeden Statorabschnitt 86 nur ein Magnetpol angrenzt, ist dies eine weitere Minimal-Widerstandsposition, an der der Rotor bevorzugt bleiben will; demzufolge spannt kein Drehmoment den Drehzylinder in einer von zwei Richtungen vor, während er so angeordnet ist, wie dargestellt. Beim Bewegen des Drehzylinders von der Position gemäß Fig. 5b zu derjenigen gemäß Fig. 5c wird eine Widerstandskraft ausgegeben, bis eine Maximal-Widerstandsposition passiert ist, wonach eine Hilfskraft den Drehzylinder zu der in Fig. 5c gezeigten nächsten Minimal-Widerstandsposition hin vorspannt.
Die Stellung gemäß Fig. 5c ist tatsächlich stabiler als die Stellung, die in Fig. 5a gezeigt ist, d. h. es ist die am meisten bevorzugte Stellung des Drehzylinders (und jede Rotation um 90° von dieser Position aus ergibt eine weitere meist-bevorzugte Stellung). Diese Stellung ist jedoch nicht die gewünschte Mittelstellung in dem vom Aktuator bereitgestellten Freiheitsgrad. Das kommt daher, weil ein Drehmoment auf den Drehzylinder durch Erregen der Spulen 88 nicht ausgegeben werden kann, solange der Drehzylinder an dieser Position ist. Jeder Kraftfluß, der durch Erregen der Spulen an dieser Position erzeugt wird, stärkt nur die gegenwärtige Position des Drehzylinders.
Fig. 5d ist eine Perspektivansicht des Aktuators 70 und zeigt, wie sich die Welle 92 vom Drehzylinder weg erstreckt. Die Welle 92 ist mit dem Tragrahmenmechanismus 52 verbunden, wie oben erläutert.
Fig. 6 ist eine Seitenansicht der gegenüberliegenden Seite des Aktuators 70 zu der in Fig. 5a, 5b und 5c gezeigten Seite. Es ist ein Abschnitt des Meßfühlers 72 gezeigt, nämlich die Codeumsetzerscheibe 74 und das auf die Scheibe 74 aufgedruckte Muster 76. Einzig der Detektor 81 des Emitter-Detektors 78 ist gezeigt. Das Muster 76 erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Rotationsbereich des Drehzylinders. Bei einigen Ausführungsformen braucht keine ganze Scheibe 74 bereitgestellt sein; stattdessen braucht nur ein Bogen oder Sektor 74' vorgesehen sein, der das Muster 76 beinhaltet, wodurch im Vergleich zur gesamten Scheibe 74 Materialkosten gespart werden. Zur Bereitstellung der oben beschriebenen Oktaturcodierung kann ein zweites Muster 77 auf der Scheibe 74 sowie ein zweiter Emitter-Detektor (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Das Muster 77 kann irgendwo auf der Scheibe 74 angeordnet sein. Alternativ können zusätzliche Detektoren an jedem Muster angeordnet sein, um eine größere Anzahl phasenverschobener Signale und damit eine größere Meßauflösung zu liefern. Ferner können in anderen Ausführungsformen noch zusätzliche Muster an unterschiedlichen Stellen auf der Scheibe 74 angeordnet sein.
Fig. 7 ist eine Perspektivansicht des Codeumsetzerbogens 74', wie in Fig. 6 gezeigt, und eines Detektors 81. Ein Abschnitt des Musters 76 ist ebenfalls gezeigt (das Muster 76 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Fläche des Bogens 74'). In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Schlitzkreuzplatte 100 zwischen dem Bogen 74' und einem der zwei Detektoren der Detektoranordnung 81 angeordnet. Die Kreuzplatte 100 weist eine Reihe von Schlitzen in einem Rastermuster 102 auf, die den Strahl von dem Emitter in ähnlicher Weise passieren lassen wie das Muster 76. Die Kreuzplatte ist vorzugsweise auf der Oberfläche des die Detektoranordnung 81 umschließenden Gehäuses vorgesehen und kann ein längliches Stück sein, wie dargestellt, das um die Rotationsachse des Bogens 74' herum an ein Lager angekuppelt ist. Die Kreuzplatte kann ein separates Materialteil (oder Teile) sein, das mit etwas Abstand von dem/den Detektor(en) angeordnet ist, oder sie kann eine dunkle Materialschicht sein (z. B. Aluminium), die während des Fabrikationsprozesses des Detektors direkt auf die Oberfläche des Gehäuses der Detektoranordnung aufgelegt wird. Die Kreuzplattengeometrie kann als separater Herstellschritt (z. B. eine Maskenschicht) oder als Teil eines bestehenden Teilstück-Rasterschritts erzeugt werden.
Fig. 8 zeigt den über der Kreuzplatte 100 angeordneten Bogen 74' sowie zwei einzelne Detektoren 104 und 106, wobei das Gitternetz Schlitze über dem Detektor 106 einschließt, die zu Schlitzen in der Kreuzplatte 100 über dem Detektor 104 um 90° phasenverschoben sind. Demzufolge erfaßt der Detektor 104 eine Größe der Strahlintensität mit einer Phasenverschiebung von 90° zum Detektor 106, wenn der Bogen bewegt wird. In Fig. 8 sind die Schlitze der Kreuplatte in direkter Ausrichtung mit den Schlitzen im Bogen 74' über dem Detektor 76 gezeigt, während die Schlitze der Kreuzplatte das zum Detektor 104 durchstreichende Licht teilweise sperren. Die resultierenden Ausgangssinuswellen (zur Angabe der erfaßten Intensität) von den Detektoren 104 und 106 können gefiltert werden, beispielsweise um ein Digitalsignal bereitzustellen, so daß eine Intensität von 50% oder mehr ein Ein-Signal ist und eine Intensität von weniger als 50% ein Aus-Signal ist. Wenn der Bogen 74' sich über die Detektoren 104 und 106 bewegt, werden auf diese Weise Quadraturmeßsignale erhalten. Der Vorteil der Verwendung der Kreuzplatte 100 liegt darin, daß eine hohe Meßauflösung erhalten werden kann, da die Schlitze in Bezug auf die Größe jedes Detektors 104 und 106 sehr schmal gemacht werden können. Der Meßfühler kann alternativ auch mit Reflexionsstreifen anstelle von Schlitzen versehen sein, wobei der Emitter und die Detektoren auf derselben Seite des Bogens 74' vorgesehen sind und die Kreuzplatte 100 zwischen Emitter/Detektoren und Bogen 74' plaziert ist.
Fig. 9 ist ein Graph 110 zur Darstellung eines Profils von Drehmoment : Position und einer Annäherung von Widerstand : Position für die hierin beschriebenen Aktuatoren 70, wenn die Aktuatoren nicht aktiviert sind. Die Horizontalachse zeigt einen Abschnitt des Bewegungsbereiches des Drehzylinders 82 und der Welle 92 (ca. 90°), während die Vertikalachse die Drehmomentausgabe in Unzen/Zoll (Skala auf der linken Seite für die Drehmomentkurve) und den magnetischen Widerstand (für die Widerstandskurve) zeigt. Auf der Drehmomentskala deuten positive Drehmomente eine Widerstandskraft zur Bewegung in eine bestimmte Richtung an, und negative Drehmomente deuten eine Hilfskraft zur Bewegung in einer bestimmten Richtung an. Die 0°-Stellung des Drehzylinders, wie im Graph 110 angegeben, ist die in Fig. 5a gezeigte Drehzylinderstellung, d. h. die Mittelstellung des Drehzylinders in seinem Freiheitsgrad. Die Kurve 112 zeigt die Drehmomentausgabe im Verhältnis zur Stellung des Aktuators beim Umlauf der Welle. Die Kurve 112 wurde zu Erklärungszwecken vereinfacht. In Wirklichkeit ist ein Hystereseeffekt vorhanden, wobei im Vergleich zum Drehen des Drehzylinders im Gegenuhrzeigersinn ein unterschiedliches Drehmoment vorliegen kann, wenn der Drehzylinder im Uhrzeigersinn gedreht wird. Eine ideale Ausgabe der Kurve 112 wird ferner durch Reibung verzerrt; die Reibung trägt z. B. dazu bei, daß der Minimum- Punkt 120 über einem Drehmoment von 0 liegt (Reibungswiderstand).
Die Kurve 112 folgt einem wechselnden Weg, was andeutet, daß die Drehmomentausgabe des Aktuators abhängig von der Stellung des Drehzylinders in Bezug auf den Stator erheblich differieren kann. Ein erwünschter zweckmäßiger Ausgabebereich des Aktuators 70 für die vorliegende Erfindung liegt bei ca. 50 Umdrehungsgraden, und es sind vorzugsweise körperliche Begrenzungsanschläge vorgesehen, um den Drehzylinder auf eine solche Reichweite zu begrenzen, wie oben beschrieben. Die in dem Graph gezeigte 0°-Position 120 entspricht der Mittelstellung des Drehzylinders gemäß Fig. 5a, und Begrenzungen 114 deuten in etwa eine 25°-Grenze auf jeder Seite der Mittelstellung 120 an.
Da ein positives Drehmoment die Bewegung in der bestimmten Richtung hemmt und ein negatives Drehmoment die Bewegung in dieser Richtung unterstützt, zeigt der dargestellte Bereich, daß der Drehzylinder bei 0° zur Mittelstellung vorgespannt ist. Die Drehmomentausgabe erreicht ein Maximum an den Punkten 116 und 118 und fällt dann ab, wobei sie die Null-Drehmomentlinie an den Punkten 113 kreuzt. Die Grenzen für den Aktuator sind unmittelbar vor den Punkten 113 vorgesehen, wo noch ein (kleines) Widerstandsdrehmoment vorhanden ist.
Im Graph 110 ist auch eine Widerstandskurve 122 gezeigt. Die Kurve 122 ist eine Annäherung bezüglich der Angabe oder Verallgemeinerung des Widerstands in der Magnetschaltung auf Basis der Drehzylinderstellung, wenn die Spulen nicht erregt sind, unter Verwendung derselben Horizontalpositionsskala wie bei der Drehmomentkurve (Widerstandswerte sind nicht gezeigt). Ein örtlicher Minimum-Widerstandspunkt 124 deutet an, daß der Widerstand an der Position des Drehzylinders in Fig. 5a gering ist und daher eine Vorzugsstellung ist. Diese Stellung des Drehzylinders stimmt mit dem Null-Drehmomentpunkt 120 der Drehmomentausgabe überein und wird als örtliche Minimal- Widerstandsposition bezeichnet, da kein Magnetwiderstand den Drehzylinder an dieser Position in irgendeine Richtung vorspannt, d. h. es ist eine Minimal-Widerstandsposition. Die Punkte 126 und 128 sind örtliche Maximum-Widerstandspunkte, die in etwa den Punkten 113 auf der Drehmomentkurve 112 entsprechen, wo das Drehmoment von positiv auf negativ übergeht.
Vorzugsweise begrenzen die mit Bezug auf Fig. 8 beschriebenen körperlichen Begrenzungsanschläge die Reichweite des Drehzylinders ungefähr zwischen den zwei angrenzenden örtlichen Maximal-Widerstandspositionen 126 und 128, d. h. die Reichweite wird zwischen den Stellungen begrenzt, wo das Ausgabedrehmoment die Richtung wechselt und vom positiven Drehmoment (Widerstandsdrehmoment) auf das negative Drehmoment (Hilfsdrehmoment) übergeht oder umgekehrt. Diese Reichweite macht es möglich, daß der Null-Drehmomentpunkt 120 auf der Kurve 112 und die Minimal-Widerstandsposition 124 direkt oder dicht am Mittelpunkt der Bewegungsreichweite des Drehzylinders liegen. Die Magnetik des Aktuators 70 funktioniert so, daß im nicht erregten Zustand der Spulen 88 (wenn kein Strom durch sie hindurchfließt) eine Federwiderstandskraft ausgegeben wird, um den Drehzylinder zur örtlichen Minimal-Widerstandsposition am Punkt 124 oder 120 vorzuspannen, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden (oder benachbarten) Maximal- Widerstandspositionen 126 und 128 auf der Kurve 122 gelegen ist.
Wenn die Stellung 120 am oder nahe am Mittelpunkt der gewünschten Reichweite des Aktuators vorgesehen ist, wirken die Gegen-Drehmomentkräfte ähnlich wie Zentrierfederkräfte. Die Zentrierfederkraft des Aktuators 70 kann in vielen Ausführungsformen einer Force-Feedback- Schnittstellenvorrichtung vorteilhaft sein. Joysticks sind beispielsweise oft mit einer Zentrierfederkraft ausgestattet, die den Joystick-Griff in jedem Freiheitsgrad zu einer Mittelstellung vorspannt. Zur Ausgabe der Zentrierfederkraft müssen die Aktuatoren jedoch typischerweise durch den örtlichen Mikroprozessor (siehe unten) oder Host-Computer-Prozesser gesteuert werden. Da die Zentrierfederkraft des Aktuators 70 vorhanden ist, wenn der Aktuator nicht aktiviert ist, braucht der Rechner oder Mikroprozesser die Zentrierfederkraft nicht aktiv steuern und ausgeben. Dies kann die Verarbeitungslast des Prozessors in einigen Ausführungsformen verringern.
Des weiteren kann der Prozessor Kraft ausgeben, indem er den Aktuator aktiviert, der Eigen-Zentrierfederkraft des Aktuators mit einer aktivierten Kraftausgabe entgegenzuwirken. Dies macht es möglich, keine Kräfte als Nettoresultat auszugeben oder andere Kraftempfindungen auszugeben, ohne daß die Zentrierfederkraft diese Kraftempfindungen beeinträchtigt. Der Aktuator kann ferner so aktiviert werden, daß er eine Federkraft mit einer Größe ausgibt, die die Eigen- Federkraftgröße unterstützt, was die Ausgabe von Federkräften mit höherer Größe ermöglicht. Dies kann wegen der gemeinsamen Verwendung von Federkräften bei Force-Feedback- Anwendungsprogrammen in vielen Implementierungen vorteilhaft sein.
Der Aktuator 70 kann in einigen Ausführungsformen verwendet werden, so daß im nicht aktivierten Zustand keine grobe Zentrierfederkraft ausgegeben wird. In einer bevorzugten Ausführungsform können z. B. ca. 5 Unzen/Zoll ausgegeben werden, wenn die Spulen erregt sind. Der in Fig. 9 gezeigte niedrige Wert der nicht aktivierten Drehmomentausgabe (z. B. ca. 0,6 Unzen/Zoll) ist im Vergleich zu dieser Ausgabe unauffällig und kann daher für den Benutzer nicht wahrnehmbar sein. In anderen Ausführungsformen kann die Geometrie des Aktuators 70 so geändert sein, daß eine größere Zentrierfederkraft bereitgestellt wird, die für den Benutzer wahrnehmbar sein kann.
In dem Aktuator 70 wird das in Fig. 9 gezeigte Profil über den gesamten Rotationsbereich des Stators wiederholt (falls eine solche Reichweite zugelassen wird), wobei jedes Profil 90° des Rotationsbereiches entspricht. Das Profil wird aufgrund der mechanischen Struktur des Aktuators wiederholt, d. h. ein Magnet 96 oder 98 entspricht einem Viertel des Umfangs des Drehzylinders 82 und veranlaßt daher immer nach 90° die Wiederholung der Magnetkraft-Wechselwirkung. Die bevorzugte Betriebsweise des Motors ist jedoch auf 50° oder weniger des Umlaufs des Drehzylinders 82 begrenzt.
Fig. 10 ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform 70' des für die vorliegende Erfindung geeigneten Aktuators 70, wobei hier nur eine Spule verwendet wird. Der Aktuator 70' ist ein einphasiger Aktuator mit zwei Polen, der eine feste Spule und einen beweglichen Magneten aufweist. Der Stator 84 ist dem oben beschriebenen Stator 84a ähnlich; jedoch benötigt der Aktuator 70' nur einen Stator 84. Ferner wird eine Spule 88a verwendet, wie oben beschrieben. Der Drehzylinder 82 kann ähnlich realisiert werden, wie oben beschrieben, mit der Ausnahme, daß nur die Magnetabschnitte 96a, 98a und 98b benötigt werden. Das Substrat 80 kann jede beliebige Unterstützung des Drehzylinders 82 bereitstellen, so daß die Drehzylindermagnete an die Flächen der Statoren 86a und 86b angrenzen. Der Aktuator 70' gibt die Hälfte oder weniger der Drehmomentgröße des Aktuators 70 aus, weil nur eine Spule 88 und ein Stator 84 vorhanden sind, ist aber weniger kostspielig in Herstellung und Zusammenbau.
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Force- Feedback-Schnittstellenvorrichtung 10 und des Host- Computers 12, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Die Schnittstellenvorrichtung 10 kann jede der oben beschriebenen Ausführungsformen sein. Ein ähnliches System wie das von Fig. 11 ist in der US-Patentschrift Nr. 5,734,373 im einzelnen beschrieben.
Wie mit Bezug auf Fig. 1a erläutert, ist der Host-Computer 12 vorzugsweise ein Personalcomputer, eine Workstation, Videospielkonsole oder andere Rechen- oder Anzeigevorrichtung. Der Host-Computer 12 schließt i. a. einen Host- Mikroprozessor 202, einen Taktgeber 204, eine Anzeigevorrichtung 34 und eine Akustikausgabevorrichtung 206 ein. Der Host-Mikroprozessor 202 kann viele verschiedene verfügbare Mikroprozessoren von Intel, AMD, Motorola oder anderen Herstellern einbeziehen. Der Mikroprozessor 202 kann ein einzelner Mikroprozessorchip sein oder vielerlei Haupt- und/oder Coprozessoren einschließen und gewinnt und speichert vorzugsweise Befehle und andere notwendige Daten aus dem Arbeitsspeicher (RAM) und dem Festspeicher (ROM), wie Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt ist. In der beschriebenen Ausführungsform kann der Host-Computer 12 Sensordaten oder ein Sensorsignal von Meßfühlern der Vorrichtung 10 sowie andere Informationen über einen Bus 208 empfangen. Der Mikroprozessor 202 kann Daten vom Bus 208 unter Verwendung einer I/O-(Ein-Ausgabe)-Elektronik empfangen und kann die I/O-Elektronik zum Steuern anderer Peripheriegeräte benutzen. Das Host-Computersystem 12 kann über den Bus 208 auch Steuerbefehle an die Schnittstellenvorrichtung 10 ausgeben, um eine Kraftrückkopplung zu veranlassen.
Der Taktgeber 204 kann ein Standard-Taktkristall oder ähnliches Bauteil sein, das vom Host-Computer 12 dazu verwendet wird, die Taktung der vom Host-Mikroprozessor 202 und anderen Teilen des Computers 12 verwendeten elektrischen Signale bereitzustellen, und kann dazu verwendet werden, Taktinformationen zu liefern, die bei der Bestimmung von Kraft- oder Positionswerten notwendig sein können. Die Anzeigevorrichtung 34 wird mit Bezug auf Fig. 1a beschrieben. Die Akustikausgabevorrichtung 206, wie z. B. Lautsprecher, kann über Verstärker, Filter und andere den Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannte Schaltsysteme an den Host-Mikroprozessor 202 angeschlossen sein. Auch andere Arten von Peripheriegeräten können mit dem Host-Mikroprozessor 202 verbunden sein, beispielsweis Speichervorrichtungen (Festplattenlaufwerk, CD-ROM-Laufwerk, Diskettenlaufwerk etc.), Drucker und andere Ein- und Ausgabevorrichtungen.
Die Schnittstellenvorrichtung 10 ist über den bidirektionalen Bus 208 an den Host-Computer 12 angeschlossen, der Signale zwischen dem Host-Computer 12 und der Schnittstellenvorrichtung 10 in beiden Richtungen sendet. Der Bus 208 kann ein bitserieller Schnittstellenbus sein, z. B. ein USB, RS-232 oder Firewire (IEEE 1394), der Daten gemäß einem seriellen Kommunikationsprotokoll bereitstellt, ein paralleler Bus mit Verwendung eines parallelen Protokolls oder ein anderer Bustyp. Ein Schnittstellenanschluß des Host-Computers 12, beispielsweise ein bitserieller USB- oder RS232- Schnittstellenanschluß, kann den Bus 208 mit dem Host- Computer 12 verbinden.
Die Schnittstellenvorrichtung 10 kann einen örtlichen Mikroprozessor 220, einen örtlichen Taktgeber 222, einen örtlichen Speicher 224, eine Sensorschnittstelle 226 und eine Aktuatorschnittstelle 228 aufweisen. Die Vorrichtung 10 kann auch zusätzliche elektronische Bauteile zur Kommunikation über Standardprotokolle auf dem Bus 208 aufweisen.
Der örtliche Mikroprozessor 220 ist vorzugsweise an den Bus 208 angeschlossen und wird als "örtlich" zur Vorrichtung 10 betrachtet, wobei "örtlich" sich hier auf den Prozessor 220 bezieht, der ein von allen anderen Prozessoren 202 im Host- Computer 12 abgetrennter Mikroprozessor ist. "Örtlich" bezieht sich vorzugsweise auch auf den Prozessor 220, der für die haptische Rückkopplung und die Sensor-Ein-/Ausgabe der Vorrichtung 10 reserviert ist, und eng mit den Meßfühlern und Aktuatoren der Vorrichtung 10 verbunden ist, wie z. B. innerhalb des Gehäuses 14 oder 42. Der Mikroprozessor 220 kann mit Software-Befehlen ausgestattet sein, so daß er auf Steuerbefehle oder Anfragen vom Computer-Host 12 wartet, den Steuerbefehl oder die Anfrage analysiert/decodiert und die Eingabe- und Ausgabesignale gemäß dem Steuerbefehl oder der Anfrage abhandelt/steuert. Außerdem kann der Prozessor 220 unabhängig vom Host-Computer 12 arbeiten, indem er Sensorsignale liest und aus diesen Sensorsignalen, Taktsignalen und Kraftprozessen in Übereinstimmung mit einem Host- Steuerbefehl entsprechende Kräfte berechnet und entsprechende Steuersignale an die Aktuatoren ausgibt. Geeignete Mikroprozessoren zur Verwendung als örtlicher Mikroprozessor 220 können beispielsweise der Immersion TouchSense Prozessor von der Firma Immersion Corporation, der 8X930AX von Intel, der MC68HC711E9 von Motorola oder der PIC16C74 von Microchip sein. Der Mikroprozessor 220 kann einen Mikroprozessorchip oder Mehrfach-Prozessoren und/oder Coprozessorchips aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der Mikroprozessor 220 eine digitale Signalprozessor-(DSP)- Funktionsvielfalt aufweisen oder als Steuerlogik-Bauteile oder Hardwarestatusmaschine anstelle eines Direkt- Mikroprozessorchips realisiert sein.
Beispielsweise kann der Host-Computer 12 in einer hostgesteuerten Ausführungsform, die den Mikroprozessor 220 verwendet, vorformatierte Kraftsteuerbefehle über den Bus 208 bereitstellen, die der Mikroprozessor 220 direkt zu den Aktuatoren überträgt. In einer anderen örtlichen Steuerungsausführung liefert der Host-Computer 12 höhere Kontrollsteuerbefehle über den Bus 208 an den Mikroprozessor 220, und der Mikroprozessor 220 wickelt niedrigere Kraftsteuerschleifen an die Meßfühler und Aktuatoren in Übereinstimmung mit den höheren Steuerbefehlen und unabhängig vom Host-Computer 12 ab. In der örtlichen Steuerungsausführung kann der Mikroprozessor 220 Sensorsignale verarbeiten, um entsprechende Ausgabe-Aktuatorsignale zu bestimmen, indem er den Instruktionen eines "Kraftprozeßablaufs" folgt, der im örtlichen Speicher 224 gespeichert sein kann und Rechenbefehle, Bedingungen, Formeln, Kraftgrößen oder andere Daten enthält. Der Kraftprozeßablauf kann ausgeprägte Kraftempfindungen wie Vibrationen, Strukturen, Rucke oder sogar simulierte Wechselwirkungen zwischen angezeigten Objekten steuern. Der Host kann dem örtlichen Prozessor 220 eine räumliche Anordnung von Objekten in der Graphikumgebung senden, so daß der Mikroprozessor eine Abbildung von Standorten der graphischen Objekte besitzt und Kraftwechselwirkungen örtlich bestimmen kann. Die in solchen Ausführungsformen verwendete Kraftrückkopplung ist in der US-Patentschrift Nr. 5,734,373 näher beschrieben.
Zur Bereitstellung von Taktdaten kann an den Mikroprozessor 220 ein örtlicher Taktgeber 222 angeschlossen sein, der dem Systemtaktgeber 204 des Host-Computers 12 ähnlich ist; die Taktdaten könnten z. B. zur Berechnung der von den Aktuatoren 70 ausgegebenen Kräfte erforderlich sein.
Vorzugsweise ist an den Mikroprozessor 220 ein örtlicher Speicher 224 angeschlossen, beispielsweise ein RAM und/oder ROM, um Befehle für den Mikroprozessor 220 sowie temporäre und andere Daten zu speichern.
Wahlweise kann in der Vorrichtung 10 die Sensorschnittstelle 226 enthalten sein, um Sensorsignale in Signale umzusetzen, die vom Mikroprozessor 220 und/oder Host- Computer 12 interpretiert werden können. Beispielsweise kann die Sensorschnittstelle 226 Signale von einem Digitalsensor wie einer Codiereinrichtung oder von einem Analogsensor empfangen und unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) umsetzen. Solche oder gleichwertige Schaltungen sind den Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt. Alternativ kann der Mikroprozessor 220 oder der Host-Computer 12 diese Schnittstellenfunktionen durchführen. Die Aktuatorschnittstelle 228 kann fakultativ zwischen die Aktuatoren der Vorrichtung 10 und den Mikroprozessor 220 geschaltet werden, um Signale vom Mikroprozessor 220 in Signale umzusetzen, die zum Antreiben der Aktuatoren geeignet sind. Die Schnittstelle 228 kann Leistungsverstärker, Schalter, Digital- Analog-Steuereinrichtungen (DAC) und andere Komponenten aufweisen, die Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt sind. An die Aktuatorschnittstelle 228 und/oder die Aktuatoren 70 kann wahlweise eine Stromversorgung 230 zur Bereitstellung elektrischer Leistung angeschlossen sein. Alternativ können die Aktuatoren und anderen Komponenten Leistung vom Bus 208 (z. B. USB) vom Host-Computer aufnehmen. Oder die Leistung kann von der Vorrichtung gespeichert und geregelt und im Bedarfsfall zum Antrieb der Aktuatoren 70 verwendet werden.
Die Meßfühler 72 fühlen die Position, Bewegung und/oder andere Eigenschaften bestimmter Steuerungen der Vorrichtung 10 ab, wie oben beschrieben. Die Meßfühler 72 liefern Signale an den Mikroprozessor 220, die diese Merkmale darstellende Informationen enthalten. Wahlweise kann der Meßfühler 72 oder die Sensorschnittstelle 226 Sensorsignale direkt an den Computer 12 liefern, wie durch Busse 209a und 209b dargestellt. Beispiele für Meßfühler, die für die hierin beschriebenen Ausführungsformen geeignet sind, sind digitale, rotierende optische Codeumsetzer, Hall-Effekt-Sensoren, lineare optische Codeumsetzer, analoge Meßfühler wie Potentiometer, optische Meßfühler wie Seitenwirkung-Photodioden, Geschwindigkeitsmeßfühler (z. B. Tachometer) und/oder Beschleunigungsmeßfühler (z. B. Beschleunigungsmesser). Des weiteren können entweder relative oder absolute Meßfühler verwendet werden.
Die Aktuatoren 70 übertragen Kräfte zu bestimmten Steuerungen der Vorrichtung 10 in einer oder mehr Richtungen entlang einem oder mehr Freiheitsgraden unter Ansprechen auf vom Mikroprozessor 220 und/oder Host-Computer 12 ausgegebene Signale, d. h. sie sind "computergesteuert". Die Aktuatoren 70 sind vorstehend näher beschrieben. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können passive Aktuatoren verwendet werden, um der Bewegung des Handhabungsgeräts 56 Widerstand entgegenzusetzen, beispielsweise Magnetpulverbremsen, Reibungsbremsen oder passive Pneumatik-/Hydraulikaktuatoren.
Das Handhabungsgerät 56 kann eines aus einer Vielfalt verschiedener Gegenstände oder Handhabungsgeräte sein, die von einem Benutzer bedient werden und eine Kraftrückkopplung empfangen können. Zum Beispiel kann das Handhabungsgerät 56 die oben beschriebene Kugel oder der Finger-Steuerknüppel sein. Das Gehäuse der gesamten Vorrichtung 10 kann ebenfalls betätigt werden.
Wahlweise können andere Eingabevorrichtungen 234 in der Vorrichtung 10 enthalten sein und Eingangssignale an den Mikroprozessor 220 und/oder den Host-Computer 12 senden. Solche Eingabevorrichtungen können Tasten, Wählscheiben, Knöpfe, Schalter, Hardware zur Spracherkennung (mit vom Host 12 implementierter Software) oder andere Eingabemechanismen sein, wie oben beschrieben. In einigen Ausführungsformen der Vorrichtung 10 kann ein Sicherheits- oder "Totmann"- Schalter 236 enthalten sein, um einen Mechanismus bereitzustellen, der es einem Benutzer ermöglicht, von den Aktuatoren 70 ausgegebene Kräfte zu übergehen und auszuschalten, oder vom Benutzer verlangt, die Aktuatoren 70 aus Sicherheitsgründen auszulösen. Beispielsweise kann es sein, daß der Benutzer während der Betätigung der Vorrichtung 10 den Sicherheitsschalter 236 ständig auslösen oder schließen muß, um die Aktuatoren 70 zu aktivieren. Ausführungsformen des Sicherheitsschalters 236 sind u. a. ein optischer Sicherheitsschalter, ein elektrostatischer Kontaktschalter, Handgewicht-Sicherheitsschalter etc.
Zwar ist diese Erfindung bezogen auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, es wird jedoch erwartet, daß diesbezügliche Veränderungen, Vertauschungen und Äquivalente für Fachleute auf diesem Gebiet beim Lesen der Beschreibung und Studieren der Zeichnungen offensichtlich werden. Des weiteren ist die bestimmte Terminologie zum Zwecke der darstellerischen Klarheit verwendet worden und nicht zur Einschränkung der vorliegenden Erfindung. Daher sollen die folgenden beiliegenden Ansprüche alle solchen Veränderungen, Vertauschungen und Äquivalente einschließen, die unter den eigentlichen Erfindungsgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims (33)

1. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung zur Eingabe von Steuersignalen an einen Rechner und Ausgabe von Kräften an einen Benutzer des Joystick-Geräts, wobei das Joystick- Gerät umfaßt:
  • - ein Gehäuse, das der Benutzer des Joystick-Geräts festhält;
  • - einen Joystick-Griff, der von dem Benutzer in zumindest zwei Rotationsfreiheitsgraden betätigbar ist;
  • - zumindest einen an den Joystick-Griff gekoppelten Meßfühler, der eine Position des Joystick-Griffs in den Freiheitsgraden erfaßt und zumindest ein Sensorsignal zur Anzeige der Position ausgibt, das von dem Rechner empfangen wird; und
  • - zwei an den Joystick-Griff angeschlossene Aktuatoren mit Direktantrieb, die jeweils ein Drehmoment in einem der Rotationsfreiheitsgrade bereitstellen, wobei jeder der Aktuatoren ein bürstenloser, einphasiger Aktuator mit begrenztem Drehbereich, zwei Erregerbasisspulen und einem beweglichen Magnetstoff ist, und wobei der Joystick mechanisch beschränkt ist, um sich über keine von zwei Grenzen hinauszubewegen, wo das von dem Aktuator ausgegebene Drehmoment in einem nicht aktivierten Zustand die Richtung wechselt.
2. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, wobei jeder der Aktuatoren vier Pole einschließt.
3. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, wobei der Joystick so ausgerichtet ist, daß er eine Mittelstellung an einer örtlichen Minimal- Widerstandsposition einnimmt, wobei eine Zentrierfederkraft auf den Joystick-Griff in den Freiheitsgraden den Joystick-Griff zu der Mittelstellung hin vorspannt.
4. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, wobei der Joystick-Griff ein Trägerelement einschließt, das mit einer Kontaktfläche für einen Finger des Benutzers versehen ist.
5. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, wobei der Joystick-Griff die Form einer Kugel besitzt.
6. Joystick mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Tragrahmenmechanismus, der zwischen die Aktuatoren und den Joystick-Griff gekuppelt ist, wobei der Tragrahmenmechanismus die zumindest zwei Freiheitsgrade des Joystick-Griffs bereitstellt.
7. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 6, wobei der Tragrahmenmechanismus eine fünfteilige geschlossene Stangenverbindung ist.
8. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, wobei das Joystick-Gerät als tragbare Spielunterlage ausgebildet ist und der Rechner ein Heimvideo- Konsolensystem oder Personalcomputer ist.
9. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, wobei der Meßfühler eine optische Codiereinrichtung ist.
10. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 9, wobei der Meßfühler ein Codierelement einschließt, das fest an einen Drehzylinder eines der Aktuatoren gekoppelt ist, und das Codierelement zumindest ein Codiermuster beinhaltet.
11. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, wobei jeder der Aktuatoren auf einen Ausschlagweg von ca. 50° beschränkt ist.
12. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 1, wobei ein Drehzylinder jedes der Aktuatoren zwei Magnete in zumindest teilweise zylindrischer Form einschließt.
13. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung zur Eingabe von Steuersignalen an einen Rechner und Ausgabe von Kräften an einen Benutzer des Joystick-Geräts, wobei das Joystick- Gerät umfaßt:
  • - ein Gehäuse, das der Benutzer des Joystick-Geräts festhält;
  • - einen Joystick-Griff, der von dem Benutzer in zumindest zwei Rotationsfreiheitsgraden betätigbar ist;
  • - zumindest einen an den Joystick-Griff gekoppelten Meßfühler, der eine Position des Joystick-Griffs in den Freiheitsgraden erfaßt und zumindest ein Sensorsignal zur Anzeige der Position ausgibt, das von dem Rechner empfangen wird; und
  • - zwei an den Joystick-Griff angeschlossene Aktuatoren mit Direktantrieb, die jeweils ein Drehmoment in einem der Rotationsfreiheitsgrade bereitstellen, wobei jeder der Aktuatoren ein bürstenloser, einphasiger Aktuator mit begrenztem Drehbereich, einer Erregerbasisspule und einem beweglichen Magnetstoff ist, und wobei der Joystick-Griff so ausgerichtet ist, daß eine Mittelstellung des Joystick-Griffs in den Freiheitsgraden annähernd an einer örtlichen Minimal- Widerstandsposition liegt, und wobei der Joystick mechanisch beschränkt ist, um sich bei Betätigung durch den Benutzer über keine von zwei örtlichen Maximal- Widerstandspositionen hinauszubewegen, die an die örtliche Minimal-Widerstandsposition angrenzen.
14. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, wobei die örtliche Minimal-Widerstandsposition eine Zentrierfederkraft auf den Joystick-Griff in den Freiheitsgraden bereitstellt, die zu der Mittelstellung hin vorgespannt ist.
15. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, wobei jeder der Aktuatoren vier Pole und zwei Erregerspulen einschließt.
16. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, wobei der Joystick-Griff ein Trägerelement einschließt, das mit einer Kontaktfläche für einen Finger des Benutzers versehen ist.
17. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, wobei der Joystick-Griff die Form einer Kugel besitzt.
18. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, ferner umfassend einen Tragrahmenmechanismus, der zwischen die Aktuatoren und den Joystick-Griff gekuppelt ist, wobei der Tragrahmenmechanismus die zumindest zwei Freiheitsgrade des Joystick-Griffs bereitstellt.
19. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 18, wobei der Tragrahmenmechanismus eine fünfteilige geschlossene Stangenverbindung ist.
20. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, wobei das Joystick-Gerät als tragbare Spielunterlage ausgebildet ist und der Rechner ein Heimvideo- Konsolensystem oder Personalcomputer ist.
21. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, wobei der Meßfühler eine optische Codiereinrichtung ist.
22. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 21, wobei der Meßfühler ein Codierelement einschließt, das fest an einen Drehzylinder eines der Aktuatoren gekoppelt ist, und das Codierelement zumindest ein Codiermuster beinhaltet.
23. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 22, wobei der Meßfühler ein Gitternetz einschließt, das zwischen dem Codierelement und einem Emitter angeordnet ist, und das Gitternetz ein ähnliches Muster wie das Codiermuster aufweist.
24. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 22, wobei der Meßfühler zumindest vier Detektoren einschließt, die Signale mit einer Phasenverschiebung von etwa 45° zueinander liefern.
25. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, wobei jeder der Aktuatoren auf einen Ausschlagweg von ca. 50° beschränkt ist.
26. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, wobei ein Drehzylinder jedes der Aktuatoren zwei Magnete in zumindest teilweise zylindrischer Form einschließt.
27. Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung nach Anspruch 13, ferner umfassend einen örtlichen Prozessor, der von dem Rechner getrennt und an den Meßfühler und die Aktuatoren angeschlossen ist, wobei der örtliche Prozessor programmierbare Kräfte steuert, die auf den Joystick-Griff ausgegeben werden.
28. Verfahren zur Schaffung eines Joystick-Geräts mit Kraftrückkopplung, wobei das Verfahren umfaßt:
  • - Vorsehen eines Gehäuses, das der Benutzer des Joystick- Geräts festhält;
  • - Vorsehen eines Joysticks, der von dem Benutzer in zumindest zwei Rotationsfreiheitsgraden betätigbar ist;
  • - Erfassen einer Position des Joystick-Griffs in den zumindest zwei Freiheitsgraden unter Verwendung zumindest eines Meßfühlers, der zumindest ein Sensorsignal zur Anzeige der Position ausgibt, wobei das Sensorsignal von einem Rechner empfangen wird, der an das Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung angeschlossen ist; und
  • - Bereitstellen eines Drehmoments in den Rotationsfreiheitsgraden unter Verwendung von zwei Aktuatoren mit Direktantrieb, die an den Joystick-Griff angeschlossen sind, wobei jeder der Aktuatoren ein bürstenloser, einphasiger Aktuator mit begrenztem Drehbereich, einer Erregerbasisspule und einem beweglichen Magnetstoff ist, und wobei der Joystick- Griff so ausgerichtet ist, daß eine Mittelstellung des Joystick-Griffs in den Freiheitsgraden annähernd an einer örtlichen Minimal-Widerstandsposition liegt, wobei der Joystick mechanisch beschränkt ist, um sich bei Betätigung durch den Benutzer über keine von zwei örtlichen Maximal-Widerstandspositionen hinauszubewegen, die an die örtliche Minimal-Widerstandsposition angrenzen.
29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die örtliche Minimal- Widerstandsposition eine Zentrierfederkraft auf den Joystick in den Freiheitsgraden bereitstellt, die zu der Mittelstellung hin vorgespannt ist.
30. Verfahren nach Anspruch 28, wobei jeder der Aktuatoren vier Pole und zwei Erregerspulen einschließt.
31. Verfahren nach Anspruch 28, ferner umfassend einen Tragrahmenmechanismus, der zwischen die Aktuatoren und den Joystick gekuppelt ist, wobei der Tragrahmenmechanismus die zumindest zwei Freiheitsgrade des Joysticks bereitstellt.
32. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Joystick-Gerät als tragbare Spielunterlage ausgebildet ist und der Rechner ein Heimvideo-Konsolensystem oder Personalcomputer ist.
33. Verfahren nach Anspruch 28, wobei ein Drehzylinder jedes der Aktuatoren zwei Magnete in zumindest teilweise zylindrischer Form einschließt.
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