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