DE60220558T2

DE60220558T2 - Force-Feedback-Mechanismus für Gamepad-Gerät

Info

Publication number: DE60220558T2
Application number: DE60220558T
Authority: DE
Inventors: Chris A. North Bend Murzanski; Kurt T. Mukilteo Nielsen; Gary L. Redmond Gordon
Original assignee: Microsoft Corp
Current assignee: Microsoft Corp
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: US20020103025A1; US20030195042A1; US6641480B2; DE60220558D1; US20050085299A1; US20050009606A1; EP1226852B1; US7503852B2; EP1226852A3; TWI254874B; US7507158B2; EP1226852A2; JP3890237B2; JP2002342021A; US6824468B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Mechanismus, der eine Kraft in einem tragbaren Benutzereingabegerät erzeugt, das in Verbindung mit einem Host-Computergerät verwendet wird, und spezieller auf einen Mechanismus, der ein gerichtetes haptisches Feedback auf das Gehäuse eines tragbaren Benutzereingabegerätes in Erwiderung auf ein Signal von einem Host-Computergerät überträgt.
Hintergrund der Erfindung
Eine Anzahl von haptischen Benutzereingabegeräten ist entwickelt worden, um ein Force-Feedback (Kraft-Rückgabe) in Erwiderung auf ein Signal von einem Host-Computer bereitzustellen, z.B. während Simulationen oder dem Spielen eines Spieles, die auf dem Host-Computer ausgeführt werden. Zum Beispiel bietet der Joystick SIDEWINDER^TM von Microsoft Corporation einem Benutzer, der den Joystick festhält, ein haptisches Feedback in Erwiderung auf Ereignisse, die in Computerspielen auftreten, basierend auf Befehlen, die von einen Host-Computer zu dem Joystick übermittelt werden. Zum Beispiel, wenn ein simulierter Charakter, der während der Ausführung eines Computerspieles gezeigt wird, durch ein simuliertes Projektil, wie z.B. einem Felsbrocken, getroffen wird, bewirkt ein Signal von dem Host-Computer, dass ein Stellglied in dem Joystickgehäuse den Joystick in dieselbe Richtung bewegt, wie der Pfad des simulierten Projektils. Die Kraft, die durch das Stellglied auf den Steuerungsgriff erzeugt wird, überträgt ein haptisches Gefühl auf die Hand des Benutzers, welche den Joystick-Steuerungsgriff festhält, was anzeigt, dass der Charakter durch das Projektil getroffen worden ist. In einem anderen Beispiel, wenn ein Benutzer durch das Bewegen des Joystick-Steuerungsgriffs in eine passende Richtung einem simulierten Charakter befiehlt, sich in eine simulierte Wand zu bewegen, bewirkt ein Signal von dem Host-Computer, dass das Stellglied eine Kraft erzeugt, die sich der Bewegung des Joystick-Steuerungsgriffs durch den Benutzer in diese Richtung widersetzt. Diese Kraft überträgt ein haptisches Gefühl auf die Hand des Benutzers, die den Joystick festhält, um anzu zeigen, dass der simulierte Charakter, der durch den Joystick gesteuert wird, in die Wand gerannt ist.
Ebenso bietet das SIDEWINDER^TM-Rad (wheel) von Microsoft Corporation einem Benutzer, der das Rad festhält und es verwendet, um ein simuliertes Fahrzeug zu steuern, ein haptisches Feedback in Erwiderung auf ein Signal von dem Host-Computer, auf dem die Fahrzeugsimulation ausgeführt wird. Wenn ein simuliertes Fahrzeug eine Wand berührt und von dieser zurückprallt, bewirkt ein Signal von der Simulation, dass ein Stellglied, das an einen Schaft gekoppelt ist, an dem das Rad befestigt ist, das Rad abrupt in dieselbe Richtung lenkt, in die das simulierte Fahrzeug zurückprallt. Das Rad vibriert ebenso in Erwiderung auf eine simulierte grobe Oberfläche, über die das Fahrzeug fährt.
Im Gegensatz zu haptischen Joysticks und haptischen Rädern wird auf Gamepad-Eingabegeräte ein Force-Feedback üblicherweise in einer unterschiedlichen Art und Weise angewandt. Ein Gamepad-Eingabegerät verwendet einen Multi-Positions-Kipphebelschalter, der normalerweise durch den Daumen eines Benutzers betätigt wird, um Eingabesignale bereitzustellen, die Objekte auf einem Bildschirm des Host-Computer oder Computergerätes steuert. Weil ein Gamepad-Eingabegerät keinen Steuergriff oder -rad einschließt, das durch einen Benutzer festgehalten wird, kann ein haptisches Feedback nicht direkt auf eine Steuerkomponente, die durch den Benutzer gehalten wird, angewandt werden. Anstatt dessen ist in haptischen Gamepad-Eingabegeräten nach Stand der Technik eine Vibration, die auf das Gehäuse des Gamepads angewandt wird, in Erwiderung auf ein Signal von dem Host-Computergerät erzeugt worden. Eine Vibration des Gehäuses eines Gamepad-Benutzereingabegerätes wird oft durch das Routieren von versetzten Gegengewichten oder durch das Spannung anlegen und nicht Spannung anlegen eines elektromagnetischen Gerätes erzeugt, um eine ferromagnetische Masse zu vibrieren. Solch eine Vibration stellt kein gerichtetes Force-Feedback entlang einer bestimmten Achse bereit. Richtungslose Vibration wird deshalb derzeit für verschiedene tragbare Gamepad-Geräte verwendet, die keinen Joystick-Steuergriff, -rad oder anderes Steuerelement einschließen, das festgehalten wird und relativ zu dem Gehäuse des Gerätes bewegt werden kann. Die relativ einfachen Mechanismen, die eine Vibration bereitstellen, fügen kein substantielles Gewicht zu einem Gamepad hinzu, was es für den Benutzter komfortabler zum Tragen macht.
Jedoch wäre es wünschenswert, die Benutzererfahrung mit einem tragbaren Eingabegerät, wie z.B. einem Gamepad, durch das Bereitstellen eines gerichteten haptischen Feedbacks zu dem Benutzer zu verbessern. Ein Ansatz war in dem allgemein zugeteilten US-Patent mit der Nr. 5,643,087 offenbart, welches ein tragbares Eingabegerät mit einem beweglichen Element, das einen Daumen oder andere Finger der Hand des Benutzers wiegt (to cradle), beschreibt. Das bewegliche Element ist deshalb vergleichbar mit einem nichtgreifbaren (non-graspable) Mini-Joystick-Steuergriff, aber stellt einen effektiveren Kontakt mit dem Benutzer dadurch bereit, dass es sich mindestens teilweise um den Finger des Benutzers windet. Das bewegliche Element kann relativ zu zwei senkrechten Achsen bewegt werden und empfängt eine haptische Kraft, die entlang einer der beiden von diesen rechtwinkligen Achsen gerichtet ist.
Während der oben genannte Ansatz effektiv ist, ist das gerichtete haptische Feedback in erster Linie auf einen einzelnen Finger des Benutzers begrenzt. Es wäre deshalb wünschenswert, ein gerichtetes haptisches Feedback auf mindestens eine Hand des Benutzers bereitzustellen, wie es derzeit durch das Festhalten des Steuerungsgriffs oder -rads von haptischen Geräten bereitgestellt wird, aber ohne ein großes greifbares Steuerelement auf dem Eingabegerät zu erfordern.
EP 0 844 011 A2 beschreibt eine simulative Schnellfeuerwaffe, die mit einem Stoßgenerator ausgestattet ist. Der Stoßgenerator schließt einen Motor mit einem Drehschaft und einen Umwandlungsmechanismus zum Umwandeln des Drehmoments des Drehschafts auf eine Hin- und Herbewegung ein. Des Weiteren wird ein sich hin- und herbewegender Stab, der an ein Stoßgewichtelement befestigt wird, durch den Umwandlungsmechanismus entlang des Laufs des Waffengehäuses vor- und zurückbewegt, wenn der Drehschaft des Motors bewegt wird. Eine kinetische Energie entwickelt sich während der Vor- und Zurückbewegung des Stoßgewichtelements und wird auf das Gehäuse der Waffe jedes Mal übertragen, wenn die Bewegung des sich hin- und herbewegenden Stabes geändert wird. Auf diese Weise werden Stöße in die Richtung des Gehäuses der Waffe erzeugt. Die kinetische Energie wird durch das Verändern des Gewichtes des Stoßgewichtelements verändert.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes, gerichtetes und kontrollierbares haptisches Feedback auf mindestens eine der Hände des Benutzers bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung wie in den unabhängigen Ansprüchen beansprucht gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Eingabegerät definiert, das ein gerichtetes Force-Feedback-Gefühl einem Benutzer, der das Gerät hält, bietet. Das Eingabegerät umfasst ein Gehäuse, das angepasst ist, in der Hand gehalten zu werden, d.h. ausreichend klein ist, um in der Hand eines Benutzers getragen zu werden. Ein Antriebsmotor (prime mover) ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und ist wirksam mit einer Masse gekoppelt. Der Antriebsmotor bewirkt, dass die Masse in Erwiderung auf ein Steuerungssignal, das von einem Host-Gerät empfangen wird, bewegt wird. Eine gerichtete Kraft wird auf das Gehäuse aufgrund einer Veränderung des Impulses der Masse übermittelt, wenn die Masse beginnt oder aufhört, sich zu bewegen, wodurch ein haptisches Gefühl (haptic sensation) geboten wird, das durch das Gehäuse zu dem Benutzer, der das Gehäuse hält, geführt wird.
Der Antriebsmotor umfasst vorzugsweise einen Elektromotor, der eine Motorwelle dreht, um die Masse zu bewegen. Das Eingabegerät kann ebenso, einen Sensor zum direkten oder indirekten Ermitteln einer Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Masse, wie z.B. durch das Überwachen eines Rotationswinkels der Welle, einschließen.
Das Eingabegerät setzt vorzugsweise eine Kraftübertragung (transmission) ein, um den Antriebsmotor mit der Masse zu koppeln, was bewirkt, dass die Masse bewegt wird. Ebenso vorzugsweise ist die Kraftübertragung ein Zahnradgetriebe, in dem ein erstes Zahnrad auf dem Ende der Welle mit einem zweiten Zahnrad gekoppelt ist. Das zweite Zahnrad ist drehbar (pivotally) an dem Gehäuse befestigt. Mit dem zweiten Zahnrad ist ein Arm verbunden, der sich nach Außen, senkrecht zu einer Rotationsachse des zweiten Zahnrads erstreckt. Die Masse ist an einem entfernten Ende (distal end) des Armes angebracht, so dass, wenn das erste Zahnrad das zweite Zahnrad in Rotation um einen Drehpunkt antreibt, sich die Masse durch einen Bogen bewegt.
Die Masse wird somit durch mindestens einen Teil des Bogens bewegt, und wenn sie abrupt gestoppt wird, wird eine reaktive Kraft auf das Gehäuse in einer linearen Richtung, die im Allgemeinen tangential zu dem Bogen der Masse ist, übermittelt. Die Richtung dieser reaktiven Kraft, kann wahlweise durch das Ändern der Anordnung des Bogens und durch einen Haltepunkt der Masse entlang des Bogens modifiziert werden. Alternativ oder zusätzlich wird die Masse gestoppt, wenn die Masse oder der Arm einen mechanischen Stopper berührt.
In einer anderen Ausführungsform wird die Masse durch einen Bogen durch einen mechanisch verbundenen Arm bewegt. Eine Kraftübertragung für diese Ausführungsform schließt eine Gewindewelle ein, die durch das Stellglied gedreht wird. Das Stellglied dreht entweder die Welle direkt oder alternativ durch ein Paar Kegelräder. Das Gewinde der Welle greift mit dem inneren Gewinde einer Führungsmutter ineinander, die sich entlang mindestens eines Teils der Länge der Welle bewegt, wenn sich die Welle dreht. Die Mutter hat einen Anschlussstift, der sich senkrecht zu der Achse der Welle und in einen Schlitz (Langloch – slot), das an einem nahen Ende (proximal end) des Verbindungsarms angeordnet ist, erstreckt. Während sich die Mutter entlang der Länge der Welle bewegt, arbeitet der Anschlussstift gegen einen Rand des Schlitzes in dem Arm, was bewirkt, dass sich der Arm um einen Drehpunkt dreht. Ein entferntes Ende des Arms, an dem die Masse befestigt ist, dreht sich um den Drehpunkt in derselben Drehrichtung wie das nahe Ende des Arms. Wenn die Mutter stoppt, berührt der Anschlussstift den gegenüberliegenden Rand des Schlitzes in dem Arm, was bewirkt, dass der Arm und die Masse an einem Punkt entlang des Bogens stoppen. Alternativ oder zusätzlich kann die Masse gestoppt werden, wenn die Masse, der Verbindungsarm oder die Mutter einen mechanischen Stopper berühren.
Noch eine andere Ausführungsform verwendet einfach eine Mutter als Masse. Die Mutter wird davon abgehalten, sich mit der Welle zu drehen und bewegt sich stattdessen entlang der Welle, während sich die Gewindewelle dreht. Die Masse stoppt an Endpunkten, oder wenn die Gewindewelle stoppt.
Die vorliegende Erfindung umfasst vorzugsweise des Weiteren eine Steuereinrichtung, die an den Antriebsmotor eine Spannung anlegt, was bewirkt, dass der Antriebsmotor die Masse in Erwiderung auf das Steuersignal bewegt, das von einem Host-Gerät, wie z.B. einem Computer, einer Set-Top-Box, einem Videospielcontroller, elektronischem Spiel oder Spielzeug, mit dem das Eingabegerät gekoppelt ist, empfangen wird. Zusätzlich kann das Kraft-Signal in Erwiderung auf einen Zeitplan mit Befehlen sein, die in einem Speicher gespeichert sind, der in dem Eingabegerät enthalten ist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Entwickeln einer gerichteten haptischen Kraft auf ein Gehäuse eines Eingabegerätes. Das Verfahren schließt Schritte ein, die im Allgemeinen mit den Funktionen, die durch die Komponenten der oben beschriebenen Vorrichtung implementiert sind, übereinstimmen.
Kurze Beschreibung der gezeichneten Figuren
Die vorangegangenen Aspekte und viele der dazugehörigen Vorteile dieser Erfindung werden leichter wahrgenommen, wenn diese durch Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den anhängigen Zeichnungen betrachtet wird, wobei:
1 eine isometrische Ansicht ist, die von Außen sichtbare Komponenten des Eingabegeräts darstellt;
2 eine Einzelteildarstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Eingabegeräts ist;
3 eine Draufsicht der internen Komponenten der ersten bevorzugten Ausführungsform des Eingabegeräts ist;
4 eine Einzelteildarstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Eingabegeräts ist;
5 eine Draufsicht der internen Komponenten der zweiten bevorzugten Ausführungsform des Eingabegerätes ist;
6 ein Blockdiagramm eines Systems zum Steuern eines Eingabegeräts ist, das ein haptisches Feedback auf das Gehäuse des Eingabegeräts bereitstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Wie in 1 gezeigt, ist die vorliegende Erfindung anfänglich in einem tragbaren Benutzereingabegerät implementiert, das als ein Gamepad 10 konfiguriert ist, das ein haptisches Feedback in Erwiderung auf Signale über eine Verbindung 11 von einem Computerspiel, das auf einem Personalcomputer, Videospielekonsole oder anderem Host-Computergerät 12 ausgeführt wird, bietet. Zum Beispiel wird in Erwägung gezogen, dass das Gamepad 10 mit der Videospielekonsole X-BOX^TM von Microsoft Corporation verwendet werden kann. Vorzugsweise ermöglicht das Gamepad 10 es einem Benutzer Eingabesignale zu dem Computerspiel bereitzustellen und ist angepasst, es einem Benutzer zu ermöglichen, eine gerichtete fühlbare Empfindung als Ergebnis des haptischen Feedbacks wahrzunehmen. Das Gamepad 10 ist im Allgemeinen in der Größe und Form angepasst, von einer oder beiden Händen des Benutzers gehalten zu werden. Vorzugsweise ist das Gamepad im Allgemeinen in der Form eines umgedrehten "U" geformt, aus der Sichtweise eines Benutzers, der es in seiner normalen Betriebsposition hält. Der Benutzer fasst üblicherweise mit einer oder beiden Händen einen oder beide des im Allgemeinen gerade verlaufenden linken Flügels 14a und/oder rechten Flügels 14b, wobei ein verbindendes Ende 16 des U-förmigen Gamepads vom Benutzer weg gerichtet ist.
Vorzugsweise schließt das Gamepad 10 ein unteres Gehäuse 20 und ein oberes Gehäuse 90 ein, die unter Verwendung von Gewindebefestigungen (nicht gezeigt) miteinander verbunden sind. Die Gehäuse tragen andere Komponenten, einschließlich jenen, die in dem Inneren des Gamepads befestigt sind, welche unterhalb in Verbindung mit den Ausführungsformen, die in den Einzelteilansichten der 2 und 4 gezeigt sind, diskutiert werden. An der innerseitigen Mitte des U-förmigen Gehäuses ist ein Motor 30 mit einer Motorwelle 32 angeordnet, und wie es offensichtlich ist, in der Form des unteren Gehäuses 20 und des oberen Gehäuses 90 an diesem Punkt. Durch den Benutzer betätigte Komponenten sind befestigt, so dass sie sich durch das obere Gehäuse 90 erstrecken, um die Benutzersteuerung von Grafikobjekten auf dem Host-Computergerät 12 mit dem Gamepad 10 zu ermöglichen. In den durch den Benutzer betätigten Komponenten sind Steuerknöpfe 74, ein multidirektionales D-Pad 78 und ein Daumen-Stick (thumb stick) 80 eingeschlossen. Obwohl Details in den Zeichnungen nicht gezeigt sind, ist das multidirektionale D-Pad 78 ein Wipp-Schalter, der vier Schalterkontakte einschließt und ein digitales Signal erzeugt, das anzeigt, dass der Schalterkontakt oder eine Kombination von benachbarten Schalterkontakten ausgelöst werden, während der Benutzer das D-Pad 78 in eine von acht getrennten, im Winkel in regelmäßigen Abständen befindlichen Richtungen wippt. Der Daumen-Stick 80 ist ähnlich einem durch einen Daumen betätigten Joystick-Steuerungsgriff, der verwendet wird, um ein Grafikobjekt auf einem Host-Computergerät relativ zu senkrechten X- und Y-Achsen zu bewegen. Weitere Details der Bedienelemente, die auf dem Gamepad bereitgestellt werden, sind unnötig und brauchen nicht gezeigt werden, weil solche Details für die vorliegende Erfindung nicht sonderlich relevant sind.
2 stellt eine Einzelteilansicht (exploded view) des Gampads 10 dar. Das obere Gehäuse 90 und untere Gehäuse 20 ist vorzugsweise aus geformtem Kunststoff und so geformt, um zu ermöglichen, dass der linke Flügel 14a und der rechte Flügel 14b des Gamepads durch die Hände eines Benutzers gefasst werden. Auf der Innenseite des unteren Gehäuses 20 ist eine Vielzahl von innerseitig mit Gewinde ausgestatteten Stan gen 22a zum Koppeln mit Befestigern (nicht gezeigt), die andere Komponenten des Gamepads an dem unteren Gehäuse befestigen, angeordnet. In der Nähe einer zentralen Stelle des unteren Gehäuses sind eine Drehfassung (pivot mount) 24 und eine Motorfassung 26. Vorzugsweise sind die Drehfassung und Motorfassung in den Kunststoff des unteren Gehäuses 20 in Form gepresst (molded) und geformt, um eine Anschlusswerkstückaufnahme und unterstützende Oberfläche bereitzustellen.
In der Form der Motorbefestigung 26 sitzt der Motor 30. In dieser ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Motor 30 vorzugsweise ein Elektromotor vom Modell NF223G, der durch Johnson Electric Engineering, Ltd. verkauft wird. Andere ähnliche Typen und Modelle von Elektromotoren können alternativ verwendet werden. Der Motor 30 ist bemessen, um ungefähr 400 mA einer Spannung in Anspruch zu nehmen, wenn er auf die Motorwelle 32 ein Drehmoment von ungefähr 3,25 × 10^–3 Newtonmeter erzeugt. Angebracht an dem sich nach innen erstreckenden Ende der Motorwelle 32 ist ein Antriebszahnrad 34, welches vorzugsweise ein Kegelrad ist.
Antriebszahnrad 34 greift in ein Kegelzahnrad 40 ein, welches eine Rotationsachse hat, die senkrecht zu der Rotationsachse des Antriebszahnrades 34 ist. Das Zahnrad 40 schließt eine Nabe 42 und einen Arm 44, der sich radial nach Außen von der Nabe erstreckt, ein. Zähne (nicht gezeigt) erstrecken sich radial, um den Umfang des Zahnrads 40 von einer Seite des Arms 40 zu einer gegenüberliegenden Seite. Der Arm 44 erstreckt sich von dem Mittelpunkt des Zahnrades 40 in eine Richtung nach Außen, die senkrecht zu der Rotationsachse des Pendel-Kegelzahnrads ist. An einem entfernten Ende des Arms 44 ist ein Einsatz (insert) durch ein Loch in dem Arm 44 festgelegt.
Eine Masse 50 ist an dem entfernten Ende des Armes 44 mit einem Befestiger 52, der durch deine Öffnung 53 in der Masse 50 und in den mit Gewinde versehenen Einsatz 46 eingesetzt ist. Die Masse 50 schließt vorzugsweise eine Nut ein, die über dem Arm 44 sitzt und geformt ist, um eine Beeinträchtigung mit dem unteren Gehäuse 20 zu verhindern, wenn der Arm 44 und die Masse 50 durch einen begrenzten Bogen rauschen. Die Masse 50 ist vorzugsweise aus einem dichten Material oder einem Metall, wie z.B. Blei, hergestellt, was ermöglicht, dass ihre Volumengröße minimiert wird. In dieser Ausführungsform wiegt die Masse 50 20 g.
Der montierte Arm 54 und die Masse 50 sind an einem D-förmigen Schaft 60 eines Drehpositionssensors 62 durch das Setzen der entsprechenden D-förmigen Öffnung in dem Zentrum der Nabe 42 über den D-förmigen Schaft angebracht. Der Drehpositions sensors 62 ist vorzugsweise ein Potentiometer, das einen variablen elektrischen Widerstand proportional zu einer Drehposition des D-förmigen Schafts hat. Der Sensor für eine Drehposition ist innerhalb der Drehfassung 24 befestigt. Der montierte Arm 44 und die Masse 50 sind drehbar auf der Drehfassung 24 angebracht, so dass sich der Arm und die Masse durch einen Bogen drehen können. Die Drehbewegung des Arms wird überwacht, weil der D-förmige Schaft 60 des Drehpositionssensors 62 gedreht wird, während sich der Arm relativ zu dem unteren Gehäuse durch den Bogen bewegt.
An das untere Gehäuse 20 ist ebenso eine gedruckte Leiterplatte 70 angebracht, einschließlich Schaltkreisen zum Bereitstellen der Stromüberwachung und Steuerung des Motors 30. Die gedruckte Leiterplatte 70 schließt Schaltkreise zum Kommunizieren mit einem Host-Gerät ein, wie z.B. dem Computer 12, welcher Software ausführt, die auf Eingangssignale, die vom Gamepad 10 aus empfangen werden, reagiert, und die haptischen Feedback-Steuersignale erzeugt, die an das Gamepad geliefert werden. Während eine solche Datenübertragung kabellos sein kann, ist sie derzeit über ein Kabel implementiert, das mit einem Universal-Serial-Bus-Anschluss (USB-Port) verbunden ist. Im Speziellen ist Fullspeed-USB bevorzugt, aber Lowspeed-USB ist möglich. In Erwiderung auf Steuersignale von einem Softwareprogramm, wie z.B. einem Computerspiel, legt eine Steuereinheit (nicht gezeigt) auf der Leiterplatte 70 an den Motor 30 eine Spannung an. Die Steuereinheit kann an den Motor 30 ebenso basierend auf Benutzereingabesignalen von irgendeinem der Schalter 72, die betätigt werden, wenn ein entsprechender Knopf 74 durch den Benutzer heruntergedrückt wird, eine Spannung anlegen. Ähnlich werden Eingangssignale durch die Manipulation einer D-Pad-Schalteranordnung 76 erlangt, welche Schalter aktiviert (Details davon sind nicht gezeigt), wenn das D-Pad 78 in eine von acht Richtungen heruntergedrückt wird. Eingangssignale, die bewirken, dass an den Motor 30 durch die Steuereinheit eine Spannung angelegt wird, können ebenso in Erwiderung auf eine Benutzermanipulation des Daumen-Sticks 80 erzeugt werden.
Die Schalter 72, Knöpfe 74, D-Pad-Schalteranordnung 76, D-Pad 78 und Daumen-Stick 80 sind mit der gedruckten Leiterplatte 70 gekoppelt, welche an dem unteren Gehäuse befestigt und durch das obere Gehäuse 90 abgedeckt ist. Das obere Gehäuse 90 wird an das untere Gehäuse 20 angebaut, so dass die Knöpfe 74 das D-Pad 78 und der Daumen-Stick 80 durch die entsprechenden Öffnungen (90a, 90b bzw. 90c) in dem oberen Gehäuse 90 herausragen.
3 stellt eine Anordnung der primären haptischen Feedback-Komponenten in dem unteren Gehäuse 20 dar. Das untere Gehäuse 20 schließt eine Vielzahl von Stäben (posts), wie z.B. Stab 22b, zum Führen von Befestigern ein, um die gedruckte Leiterplatte 70 und das obere Gehäuse 90 (beide aus 1) zu sichern. Das untere Gehäuse 20 schließt ebenso den Motorbefestigungsabschnitt 26 ein, welcher formgepresst ist (molded), um mit der Kontur des Motors 30 übereinzustimmen, und um den Motor an Ort und Stelle zu halten, wenn das obere Gehäuse 90 über den Motor gesetzt und an dem unteren Gehäuse 20 angebracht wird.
Das Motorzahnrad 34 ist an der Motorwelle 32 fixiert, so dass das Motorzahnrad im selben Maße rotiert wie die Motorwelle 32. Das Motorzahnrad 34 ist vorzugsweise ein Kegelzahnrad, das Zähne einschließt, die in die Zähne des Zahnrads 40 eingreifen. Vorzugsweise ist die eingesetzte Getriebeübersetzung so, dass für sechs Umdrehungen des Motorzahnrads 34 eine Umdrehung des Zahnrads 40 stattfindet (das heißt: ein 6:1-Verhältnis). Die Nabe 42 des Zahnrads 40 wird an dem D-Schaft 60 des Positionssensors 62 angebracht. Wenn dem Motor 30 ein Kraftsignal bereitgestellt wird, dreht sich das Motorszahnrad 34, was bewirkt, dass das Zahnrad 40 sich um die Achse des D-Schafts 60 dreht, was ebenso bewirkt, dass der Arm 44 sich um die zentrale Achse des D-Schaftes dreht.
Der Arm 44 trägt die Masse 50, welche an dem Arm 44 mit einem Befestiger 52 (in 2 gezeigt), der in den Gewindeeinsatz 46 eingreift, befestigt ist. Die Masse 50 umschreibt einen Bogen 92 um einen Punkt, der auf der Achse des D-Schaftes 60 ist. Der Bogen 92 stellt den Weg des Armes 44 von einer ersten Position, wie z.B. einer Phantomposition 94, die mit gestrichelten Linien in der Figur angezeigt ist, zu einer zweiten Position, die in den durchgezogenen Linien in der Figur gezeigt ist, dar. Wenn das Kraftsignal entfernt wird, wird der zu dem Motor 30 fließende Strom unterbrochen, so dass der Motor mit dem Antreiben des Motorzahnrads 34 aufhört, was die Bewegung des Zahnrads 40 und der Masse 50 stoppt. Weil die Masse 50 plötzlich ihre Bewegung stoppt, wird eine reaktive Kraft entsprechend der Veränderung des Impulses der Masse durch den Arm 44 und die Nabe 42 des Zahnrads 40 auf den D-Schaft und das Gehäuse des Positionssensors 62 und damit auf das untere Gehäuse 20 übermittelt. Die Stärke der reaktiven Kraft ist eine Funktion des Stroms, der bereitgestellt wird, um an dem Motor 30 eine Spannung anzulegen. Zum Beispiel sollte ein 400 mA-Strom, der bereitgestellt wird, um an dem Motor 30 eine Spannung anzulegen, eine Kraft von ungefähr 0,12 Pfund (0,54 Nm) erzeugen, die auf die sich bewegende Masse 50 angewandt wird. Die reaktive Kraft ist entlang einer Linie 96 gerichtet, die tangential zu einem Punkt 98 auf dem umschreibenden Bogen 92 ist, wo die Masse 50 plötzlich stoppt. Die Masse 50 stoppt ihre Bewegung in einer sehr kurzen Zeitspanne, z.B. innerhalb von ungefähr 10 msek. Wie es gut bekannt ist, ist die Zeit abhängig von der Masse, der Getriebeübersetzung, der Geschwindigkeit etc. Alle Parameter beeinflussen das System. Es ist ebenso zu beachten, dass, wenn die Masse gegen einen mechanischen Stopper stoppt, die Zeit sehr kurz ist und die größte Kraft erzeugt.
Wie oben angezeigt, kann der Punkt, an dem die Masse 50 verzögert und gestoppt wird und damit die Richtung der Linie, die tangential zu dem Bogen ist, gesteuert werden, um eine Kraft auf das untere Gehäuse 20 in einer gewünschten Richtung zu übermitteln. In vielen Fällen kann es wünschenswert sein, eine Kraft entweder entlang einer X-Achse, die von links nach rechts gerichtet ist (abhängig von der Richtung, in der sich die Masse 50 bewegt hat, als sie gestoppt wurde) oder entlang einer Y-Achse, die von oben nach unten gerichtet ist (d.h. weg oder zu dem Benutzer hin – wieder abhängig von der Richtung, in der sich die Masse 50 bewegt hat, als sie plötzlich gestoppt wurde) zu übermitteln. Eine reaktive Kraft wird ebenso erzeugt, wenn die Masse anfänglich schnell von einer Ruheposition beschleunigt wird, wieder abhängig davon, wo die Masse sich befunden hat, als die Beschleunigung ursprünglich durch das Spannung-Anlegen an den Motors 30 aufgebracht wurde. Alternativ oder zusätzlich kann die reaktive Kraft dadurch erzeugt werden, dass bewirkt wird, dass die Masse 50 auf einen optionalen mechanischen Stopper 99a und 99b auftrifft.
4 stellt eine Einzelteilansicht (exploded view) einer anderen Ausführungsform eines Gamepads dar. Wie die oben beschriebene erste Ausführungsform, schließt die zweite Ausführungsform ein unteres Gehäuse 120 ein, das vorzugsweise aus geformtem Kunststoff mit äußeren Dimensionen und einer Form gemacht ist, die es einem Benutzer leicht ermöglichen, einen linken Flügel 114a und/oder rechten Flügel 114b mit einer oder beiden Händen zu halten. Das untere Gehäuse 120 schließt Befestigungsführer 122a und 122b ein, die üblich sind zum Befestigen von Komponenten und zum Verbinden mit dem oberen Gehäuse. In dem unteren Gehäuse 120 sind ein Verbindungshalter 124, eine Motorbefestigung 126 und eine Wellenhalterung 128 angeordnet. Vorzugsweise sind die Halterungen in das untere Gehäuse 120 geformt und gestaltet, um mit der Form der Komponenten, die sie halten, übereinzustimmen. Zum Beispiel stimmt die Motorhalterung 126 mit der Form des Motors 130 überein, der in dem rechten Flügel 114b sitzt.
Vorzugsweise ist der Motor 130 ein Elektromotor des Models HC313G, der von Johnson Electric Industrial Manufactory, Ltd. verfügbar ist, obwohl es verstanden sein wird, dass alternativ jeder ähnliche Motor verwendet werden kann, der von anderen Quellen verfügbar ist. Dieser Motor wird vorzugsweise ein Drehmoment auf einen Motorschaft 132 von ungefähr 5,70 × 10^–3 Newton-Metern erzeugen, wenn an ihn ein Strom mit ungefähr 400 mA angelegt wird. An der Motorwelle 132 ist ein Kegelzahnrad 136 befestigt. Die Motorwelle 132 und das Kegelzahnrad 136 werden durch ein Loch in einer Motorplatte 138 eingesetzt, die an das untere Gehäuse 120 mit Befestigern 139 befestigt wird.
Das Kegelzahnrad 136 greift in ein Wellenkegelzahnrad 140 ein, welches auf einer Lagerung 144a angebracht ist (rotationally attached). Das Lager 144a sitzt auf einer Schaftbefestigung 128 und hält die Gewindewelle 146, was der Welle ermöglicht, sich frei zu drehen. Das Wellenkegelzahnrad 140 ist an der Gewindewelle 146 befestigt, so dass die Gewindewelle sich dreht, wenn das Motorkegelzahnrad 136 das Gewindekegelzahnrad 140 antreibt. Die Gewindewelle 146 wird ebenso drehbar durch ein Lager 144b gehalten, welches an einem gegenüberliegenden Ende der Gewindewelle 146 von dem Ende, das drehbar durch das Lager 144a gehalten wird, angeordnet ist.
Spiralförmige Gewinde 148 erstrecken sich entlang einer wesentlichen Länge der Gewindewelle 146. Eingreifend in die Gewinde 148 ist eine Führungsmutter 150 mit innerem Gewinde. Wenn die Gewindewelle 146 rotiert, treiben die spiralförmigen Gewinde 148 die Führungsmutter 150 entlang der Gewindewelle 146 an. Die Führungsmutter 150 schließt einen Pin 152 ein, der sich nach Außen, senkrecht zu der Achse der Gewindewelle 146 erstreckt, und welcher angeordnet ist, um im gleitenden Kontakt mit den Rändern eines Schlitzes (slot) 153 zu sein. Der Schlitz 153 ist an einem nahen Ende eines Verbindungsarmes 154 geformt. Der Pin 152 wird gleitend in dem Schlitz 153 durch einen Befestiger 155a und eine Beilagscheibe 157a gehalten. Der Verbindungsarm 154 ist schwenkbar mit einer Verbindungsbefestigung 124 verbunden und wird dort mit einem Befestiger 155b und einer Beilagscheibe 157b schwenkbar gehalten.
An einem entfernten Ende des Verbindungsarms 154, d.h. an dem Ende, das gegenüber dem ist, wo der Schlitz 153 angebracht ist, wird mindestens ein Einsatz 156 verwendet, um eine Masse 158 an dem Verbindungsarm 154 anzubringen. Die Masse 158 schließt vorzugsweise einen Kanal 159 ein, in dem Verbindungsarm 154 sitzt. Ebenso ist die Masse 158 vorzugsweise so geformt, dass Behinderungen durch das untere Gehäuse 120 vermieden werden. Wie es für die Masse, die in der ersten Ausführungsform ver wendet wurde, richtig war, wiegt die Masse 158 vorzugsweise ungefähr 80 g und wird aus Metall oder einem anderen dichten Material gemacht, was ermöglicht, dass seine Größe minimiert wird.
Ein Impulsgeberrad 160 ist eingeschlossen, um eine Position der Masse 158 als eine Funktion der Drehung durch die Gewindewelle 146 zu ermitteln. Ein Schaft 161 des Impulsgeberrades wird durch das Lager 144b eingesetzt und an der Gewindewelle 146 befestigt. Eine Vielzahl von Streifen (tabs) 163 erstreckt sich radial von einem Mittelpunkt des Impulsgeberrades 160 um seinen Kreisumfang nach Außen, wobei Schlitze zwischen den Strichen definiert werden. Wenn die Gewindewelle 146 rotiert, passieren die Striche 163 durch einen Lichtstrahl, der durch eine lichtemittierende Diode (LED) abgestrahlt wird, was das Licht, das durch einen Sensor 162 empfangen wird, unterbricht. Vorzugsweise ist der Sensor 162 ein Fototransistor oder eine andere lichtempfindliche Komponente. Wie es in der Fachwelt gut bekannt ist, wenn ein Strich rotiert, um Licht, das von der LED abgestrahlt wird, zu blockieren, wird das Signal, das durch den Fototransistor erzeugt wird, seinen Status verändern. Statusveränderungen werden gezählt, um die Anzahl der Rotationen der Gewindewelle 146 zu ermitteln, und dabei wird indirekt die Bewegung und Position der Führungsmutter 152 gemessen, um die Position des Verbindungsarmes 154 und der Masse 158 zu bestimmen.
Der Schaltkreis auf einer gedruckten Leiterplatte 170 verarbeitet die Status-Veränderungssignale, die von dem Sensor 162 ausgegeben werden, und reagiert auf Eingangssignale, die von Benutzereingabeschaltern auf dem Gamepad empfangen werden, und haptische Feedback-Signale, die von einem Host-Computergerät empfangen werden, um Kraftsignale zu erzeugen, die die Versorgung mit elektrischem Strom zum Motor 130 steuern. Wie in der ersten Ausführungsform schließt die gedruckte Leiterplatte 170 Komponenten ein, die Eingangssignale an das Host-Gerät oder Computer übertragen und haptische Feedback-Steuersignale empfangen, die bewirken, dass an den Motor eine Spannung angelegt wird. Die gedruckte Leiterplatte 170 schließt Komponenten (nicht extra gezeigt) ein, die Eingangssignale verarbeiten, die erzeugt werden, wenn die Tastschalter 172 betätigt werden, als Antwort auf einen Benutzer, der die Tasten 174 herunterdrückt und loslässt. Ebenso werden Eingangssignale bereitgestellt, wenn die Kontakte einer D-Pad-Schalteranordnung 176 als ein Ergebnis eines Benutzers, der eine äußere Seite eines D-Pads 178 herunterdrückt, betätigt werden. Des Weiteren werden Eingangssignale bereitgestellt, wenn ein Benutzer einen Daumen-Stick 180 bewegt. E benso stellen die Schaltkreiskomponenten auf der gedruckten Leiterplatte 170 Stromverwaltungsfunktionen bereit.
Die Tastschalter 172, Tasten 174, D-Pad-Schalteranordnung 176, D-Pad 178 und Daumen-Stick 180 sind mit der gedruckten Leiterplatte 170 verbunden, welche an dem unteren Gehäuse 120 befestigt ist, und durch ein oberes Gehäuse 190 abgedeckt ist. Das obere Gehäuse 190 ist an dem unteren Gehäuse 120 mit passenden Befestigern (nicht gezeigt) angebracht, wodurch die Komponenten des Gamepads eingeschlossen werden. Die Tasten 174, D-Pad 178 und Daumen-Stick 180 ragen durch Öffnungen 190a, 190b bzw. 190c in dem oberen Gehäuse 90 hervor.
5 stellt eine Aufsicht des unteren Gehäuses 120 und der primären haptischen Feedback-Komponenten dar. In das untere Gehäuse 120 fließt eine Vielzahl von Befestigerführungen, wie z.B. Befestigerführung 122c ein. Die Motorbefestigung 126 hält den Motor 130 im rechten Flügel 114b des unteren Gehäuses 120. Ähnlich hält die Wellenhalterung 128 die Lager 144a und 144b an gegenüberliegenden Enden der Gewindewelle 146. Der Motor 130 wird durch eine Motorplatte 138 in seiner Position gesichert. Die Motorwelle (nicht gezeigt) hakt durch ein Loch in der Motorplatte 138 und ist an dem Kegelzahnrad 136 befestigt.
Das Kegelzahnrad 136 greift in das Wellengewindezahnrad 140 ein, was es dem Motor 130 ermöglicht, die Gewindewelle 146 anzutreiben. Vorzugsweise ist die Gewindeübersetzung auch ungefähr 6:1, abhängig von dem Motordrehmoment, Strom, Masse etc., die tatsächlich verwendet werden. Wie oben angezeigt, erstrecken sich die Gewinde 148 entlang eines wesentlichen Teils der Länge der Gewindestange 146 und greifen in innenliegende Gewinde (nicht gezeigt) einer Führungsmutter 150 ein. Diese Führungsschraubenanordnung ermöglicht es der Führungsmutter 150, sich entlang der Länge der Gewindewelle 146 zu bewegen, wenn sich die Gewindewelle dreht.
Senkrecht zu der Achse der Gewindewelle 146 ragt ein Pin 152 (in 4 gezeigt) von der Mitte der Führungsmutter 150 nach oben und durch den Schlitz 153 des Verbindungsarms 154. Der Pin 152 ist in gleitendem Kontakt mit den Seiten des Schlitzes 153 und wird in dem Schlitz 153 mit dem Befestiger 155a gehalten. Wenn sich die Führungsmutter entlang der Länge der Gewindewelle 146 bewegt, gleitet der Pin 152 entlang den Seiten des Schlitzes 153, was bewirkt, dass der Verbindungsarm 154 um eine zentrale Achse des Befestigers 155b und der Verbindungshalterung 124 rotiert.
An einem entfernten Ende des Verbindungsarms 154 ist eine Masse 158 an dem Verbindungsarm durch Befestiger (nicht gezeigt), die durch Einsätze (inserts) 156 verbunden sind, angebracht. Wenn der Pin 152 bewirkt, dass der Verbindungsarm 154 rotiert, umschreibt die Masse 158 einen Bogen 192, bis die Führungsmutter 150 aufhört, sich zu bewegen. Vorzugsweise ist die Winkelbeschränkung des Bogens 192 ungefähr bis zu 100° und stellt die Bewegung des Verbindungsarmes 154 von einer ersten Position, wie z.B. der, die als eine Phantomansicht 194 durch gestrichelte Linien dargestellt ist, zu einer zweiten Position, die durch durchgezogene Linien in der Figur gezeigt ist, dar. Wie in der vorherigen Ausführungsform wird, wenn die Masse 158 von einem Ruhezustand schnell beschleunigt, oder schnell gestoppt wird, eine reaktive Kraft durch den Verbindungsarm 154, Befestiger 155b und Verbindungshalterung 124 in das untere Gehäuse 120 übermittelt. Die reaktive Kraft wird auch durch den Verbindungsarm 154, Befestiger 155a, Pin 152 (in dieser Figur nicht gezeigt), Führungsmutter 150, Gewindewelle 146, Lager 144a und 144b und Wellenhalterung 128 in das untere Gehäuse 120 übermittelt. Wie in der vorherigen Ausführungsform ist die Stärke der reaktiven Kraft, die durch die beschleunigende Masse erzeugt wird, proportional zu dem elektrischen Strom, der bereitgestellt wird, um an den Motor 130 eine Spannung anzulegen. Zum Beispiel, wenn an ihn ein Strom mit 400 mA angelegt wird, bringt der Motor 130 eine Kraft von ungefähr 0,13 Pfund auf die Masse auf. Die Kraft ist entlang einer Linie gerichtet, die tangential zu dem Bogen 192 an einem Punkt 198 ist, wo die Masse angeordnet war, als die Beschleunigung aufgebracht wurde.
Wie oben angezeigt, könnte die reaktive Kraft ebenso auf das untere Gehäuse 120 durch das Steuern der Masse 158 in einen mechanischen Stopper (nicht gezeigt), der an dem unteren Gehäuse 120 angebracht ist, übermittelt werden. Alternativ kann der Arm selbst die einzigste Masse bereitstellen, und der Motor kann den Arm in einen mechanischen Stopper fahren, einfach aufhören sich zu bewegen, oder ihn schnell in einer Impulsbewegung von einer Ruheposition aus beschleunigen. In noch einer anderen Ausführungsform kann die Führungsmutter 150 in einem optionalen mechanischen Stopper 199a und 199b gefahren werden, die an gewünschten Punkten entlang der Gewindewelle 146 positioniert sind, was bewirkt, dass die Masse 158 eine reaktive Kraft auf das untere Gehäuse 120 über die Wellenhalterung 128 und Verbindungsbefestigung 124 übermittelt, und was bewirkt, dass die Führungsmutter 150 irgendeine Kraft auf die Gewinde 148, Gewindewelle 146, Lager 144a und 144b und Wellenhalterung 128 auf das untere Gehäuse 120 übermittelt.
Es ist ebenso zu beachten, dass, um zu verhindern, dass eine reaktive Kraft auf das Gehäuse des Gamepads für irgendeine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übermittelt wird, der Strom, der angewandt wird, um an den Motor eine Spannung anzulegen, langsam über die Zeit erhöht werden kann, in einer schrägen Welle (ramp wave), die sich mindestens über ein paar Zehntel einer Sekunde erstreckt, so dass die Masse nicht plötzlich von einer Ruheposition aus beschleunigt wird. Die langsamere Beschleunigung, die auf die Masse angewandt wird, wird die Veränderung der Bewegung der Masse für einen Benutzer, der das Gamepad hält, viel weniger offensichtlich machen. Im Allgemeinen wird der Krafteffekt reduziert, wenn die Masse langsamer über die zurückgelegte Distanz bewegt wird, oder die Masse über eine kürzere Distanz bewegt wird.
Eine weitere Ausführungsform eliminiert den Verbindungsarm 154 und die Masse 158. Anstatt dessen wird die Führungsmutter 150 als die Masse verwendet, die eine reaktive Kraft auf das Gehäuse übermittelt. Die Mutter bewegt sich entlang der Gewindewelle, wenn sich die Gewindewelle dreht und an Endpunkten stoppt, oder wenn die Gewindewelle aufhört sich zu drehen. Die Mutter wird durch das Einsetzen eines Pins 152 in einen Kanal oder Schlitz (nicht gezeigt), der sich entlang des unteren Gehäuses 120 oder oberen Gehäuses 190 im Allgemeinen parallel zu der Gewindewelle 146 erstreckt, davon abgehalten, sich mit der Gewindewelle zu drehen. Jedoch kann in solch einer Ausführungsform die Richtung die reaktiven Kraft nur entlang der Achse der Gewindewelle 146 sein.
Das Signal, das durch den Sensor 162 erzeugt wird, der die Rotation des Impulsgeberrades 160 überwacht, ermöglicht es dem Steuerungsschaltkreis in dem Gamepad, eine Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Führungsmutter 150, des Verbindungsarms 154 und/oder der Masse 158 zu ermitteln, so dass die Stärke und Richtung der reaktiven Kraft entlang mindestens einer Achse gesteuert werden kann. Es wird ebenso eingehend betrachtet, dass der Steuerschaltkreis einen Speicher (nicht gezeigt) einschließen wird, in dem ein Zeitplan für Krafteffekte gespeichert ist, was bewirkt, dass eine vorgegebene Sequenz an reaktiven Kräften durch die vorliegende Erfindung in Erwiderung auf ein entsprechendes Steuersignal, das von einem Host-Computergerät empfangen wird, erzeugt werden. Die Sequenz an reaktiven Kräften kann in Form von einem oder mehreren Parametern definiert werden, einschließlich Stärke und Richtung. Zum Beispiel können eine Reihe von gerichteten reaktiven Kräften von verschiedenen Stärken und Richtungen, die das Gefühl einer vibrierenden Steuerung in einem Raumschiff, das Teil eines Spieles oder einer Simulation ist, simulieren, durch die vorliegende Erfindung in Erwiderung auf den Empfang eines Steuersignals, das die Sequenz auslöst, von einem Personalcomputer, mit dem das Gamepad 10 gekoppelt ist, erzeugt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, wird das Gamepad zwei oder mehr Motoren einschließen, die so gestaltet sind, dass sie wahlweise eine gerichtete reaktive Kraft entlang verschiedener Achsen erzeugen. An die zwei oder mehr Motoren werden wahlweise Spannungen angelegt, um eine reaktive Kraft entlang einer gewünschten Achse zu erzeugen, wenn eine Masse, die wirksam mit einem Motor gekoppelt ist, entweder von einer Stopp-Position beschleunigt wird oder gezwungen wird, während der Bewegung entlang einer bestimmten Achse zu stoppen.
6 ist ein Blockdiagramm eines Systems zur Steuerung eines Eingabegerätes, das ein haptisches Feedback auf das Gehäuse des Eingabegerätes bereitstellt. Das System ist vorzugsweise in elektronischen Schaltkreisen enthalten und schließt eine Steuereinheit 200 ein, welche ein geeigneter Prozessor, digitaler Signalprozessor (DSP) oder reduzierter Instruktionsreihencomputerprozessor (Reduced Instruction Set Computer – RISC-Prozessor) ist. Des Weiteren kann das System entwickelt sein, um einen erweiterungsfähigen Prozessorkern einzuschließen, unabhängig von der Eingabe/Ausgabe-Hardware. Zusätzlich wird es eingehend betrachtet, dass das System den ausführbaren Code, den es implementiert, in Erwiderung auf Befehle, die von dem Host-Gerät empfangen werden, abändern kann. Diese Flexibilität eröffnet die Möglichkeit, die Funktion des Eingabegerätes für bestimmte Host-Anwendungen anzupassen. Die Steuereinheit 200 führt Boot-Code während des Hochfahrens aus, der eine Standardbetriebsfirmware von einem nichtflüchtigen Speicher auf der Leiterplatte (onboard memory) wie z.B. ultraviolettem, löschbaren programmierbaren Read Only Memory (UVEPROM) 208 lädt und auf einen Host-Befehl wartet, um mit der Ausführung zu beginnen oder um Betriebssoftware herunterzuladen. Der Standardbetriebscode stellt allgemeine Force-Feedback-, Positionskontroll- und andere Funktionen bereit, die für die vorliegende Erfindung nicht direkt relevant sind. Das Herunterladen von Code zu der Steuereinheit 200 von einem Host kann für bestimmte Funktionen und/oder Charakteristiken abgestimmt werden. Der heruntergeladene Code kann entweder natürlicher ausführbarer Binärcode oder Pseudocode für einen Interpreter auf der Leiterplatte (on-board interpreter) sein.
Die Steuereinheit 200 überträgt Daten unter Verwendung einer Host-Schnittstelle 202, um Steuerinstruktionen zu empfangen oder um den Code von dem Host-Gerät herunterzuladen. Die Host-Schnittstelle 202 gibt ebenso Eingabesignale an das Host-Gerät wei ter und empfängt Kontrollsignale von dem Host-Gerät, das ein haptisches Feedback auslöst. Intern kommuniziert die Steuereinheit 200 mit anderen Komponenten des Systems durch die Adressierung jeder Komponente über eine Adressleitung (address line) 204. Eingabesignale, Befehlssignale und andere Datensignale werden über eine Datenleitung 206 übertragen. Obwohl sie als zwei Linien (Leitungen) gezeigt sind, können diese in irgendeinem geeigneten internen Format, einschließlich eines Busses, implementiert werden.
Die Komponenten, die über diese Leitungen mit der Steuereinheit 200 kommunizieren, schließen den UVEPROM 208, welcher nichtflüchtigen Speicher für Code und Daten implementiert, und einen Statischen Random Access Memory (SRAM) 210, welcher flüchtigen Speicher für Instruktionen und Speicher implementiert, ein. Das System schließt ebenso einen Multikanalschalter 212 ein, um Eingaben von benutzermanipulierten Elementen wie z.B. Tasten 214, D-Pad 216 und Daumen-Stick 218 zu der Steuereinheit 200 zu routen.
Die Steuereinheit 200 interpretiert haptische Feedback-Befehle von dem Host-Gerät und gibt Auslöser-Befehle zu einem Digital-zu-Analog-Konverter (D/A-Konverter) 220 aus. Der D/A-Konverter 220 stellt Kraftsignale zu dem Motorverstärker 222 bereit, welcher die Kraftsignale verstärkt, welche den elektrischen Strom bereitstellen, der an einen Motor 224 eine Spannung anlegt. Der Verstärker 222 kann ebenso Stromverwaltungsschaltkreise einschließen, um den Strom, der zugeführt wird, um an den Motor 224 eine Spannung anzulegen, langsamer hoch laufen zu lassen, wenn eine reaktive Impulskraft nicht gewünscht ist, wenn an den Motor eine Spannung angelegt wird. Die Stärke des elektrischen Stroms, der angewandt wird, um an den Motor 222 eine Spannung anzulegen, kann verwendet werden, um ein Drehmoment zu ermitteln, das durch den Motor erzeugt wird. Der Motor 224 treibt die Masse an und stoppt sie, um eine Impulskraft oder Aufprallkraft auf das Gehäuse des Eingabegerätes zu übermitteln, und in bestimmten oben genannten Ausführungsformen wird die Kraft entlang einer ausgewählten Achse erzeugt.
Ein Positionssensor 226, welcher vorzugsweise ein Potentiometer ist, erkennt die Position des Motors 224, um indirekt die Position der Masse zu ermitteln. Ein Sensorsignal von dem Positionssensor wird in ein digitales Signal durch einen Analog-zu-Digital-Konverter (A/D-Konverter) 228 umgewandelt und zu der Steuereinheit 200 weitergegeben. Die digitalen Daten ermöglichen es der Steuereinheit 200, die Position, Geschwindigkeit, und eine Beschleunigung der Masse indirekt zu ermitteln.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der bevorzugten Form ihrer Ausführung beschrieben worden ist, werden jene Fachleute verstehen, dass viele Veränderungen daran innerhalb des Umfangs der Ansprüche, die folgen, gemacht werden können. Zum Beispiel könnte eine Ausführungsform des Gerätes eine Eingabe zu einem ferngesteuerten Spielzeug, Maschine oder Fahrzeug und das Empfangen von Force-Feedback-Steuersignalen davon bereitstellen, um eine gerichtete Kraft auf das Gehäuse des Eingabegerätes in Erwiderung auf physische Kräfte, die durch das ferngesteuerte Spielzeug, Maschine oder Fahrzeug erkannt werden, übermitteln. Entsprechend ist es nicht gedacht, dass der Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise durch die obere Beschreibung begrenzt ist, aber statt dessen vollkommen durch Bezug auf die folgenden Ansprüche ermittelt werden kann.

Claims

Vorrichtung, die wahlweise eine haptische Kraft erzeugt, die in eine kontrollierte Richtung angewandt wird, wobei die Vorrichtung umfasst: (a) ein Gehäuse (20, 90), dessen Größe und Form festgelegt ist, um in der Hand gehalten zu werden; (b) ein Antriebsmotor (30, 130), der in dem Gehäuse befestigt ist; und (c) eine Masse (50, 158), die wirksam mit dem Antriebsmotor verbunden ist, wobei der Antriebsmotor bewirkt, dass sich die Masse von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt innerhalb des Gehäuses bewegt, um eine Veränderung des Impulses der Masse entlang einer Linie (96, 196) zu bewirken, wobei die Veränderung des Impulses der Masse durch das Gehäuse als ein haptisches Gefühl übertragen wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel umfasst, um die Masse von dem ersten Punkt zu dem zweitem Punkt entlang eines Bogens (92, 192) zu bewegen; und die Mittel, um die Masse entlang des Bogens zu bewegen, die Masse antreiben, um die Geschwindigkeit innerhalb einer ausreichend kurzen Zeit zu verändern, um eine reaktive Kraft auf das Gehäuse zu übermitteln, die durch einen Benutzer, der das Gehäuse hält, erkennbar ist, wobei die reaktive Kraft in eine Richtung geht, die im Wesentlichen tangential zu dem Bogen an einem Punkt (98, 198) ist, an dem die Veränderung der Geschwindigkeit stattfindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmotor einen elektrischen Motor umfasst, der antreibend gekoppelt ist, um eine Welle (32, 132) zu drehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel, um die Masse entlang des Bogens zu bewegen, eine Kraftübertragung umfassen, die den Antriebsmotor antreibend mit der Masse koppelt, wodurch bewirkt wird, dass die Masse bewegt wird, wenn an den Antriebsmotor eine Spannung angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Kraftübertragung umfasst: (a) ein erstes Zahnrad (34), das durch den Antriebsmotor drehbar angetrieben wird; und (b) ein zweites Zahnrad (40), das drehbar an dem Gehäuse angebracht ist und im Eingriff mit dem ersten Zahnrad ist, wobei das zweite Zahnrad einen Arm (44) einschließt, der ein entferntes Ende hat, das mit der Masse verbunden ist, so dass der Arm und die Masse durch den Bogen bewegt werden, wenn das erste Zahnrad das zweite Zahnrad drehbar antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Kraftübertragung umfasst: (a) eine Gewindewelle (146), auf der sich ein spiralförmiges Gewinde (148) entlang eines wesentlichen Teils der Länge der Gewindewelle erstreckt, wobei die Gewindewelle mit dem Antriebsmotor gekoppelt ist und durch diese gedreht wird; (b) eine Führungsmutter (150), die auf das spiralförmige Gewinde aufgeschraubt ist, so dass die Führungsmutter sich entlang der Länge der Gewindewelle bewegt, wenn der Antriebsmotor bewirkt, dass sich die Gewindewelle dreht; und (c) ein Verbindungsarm (154), der drehbar an dem Gehäuse angebracht ist und der ein nahes Ende und ein entferntes Ende einschließt, wobei das nahe Ende ein Langloch (153) einschließt, das in die Führungsmutter eingreift, und wobei das entfernte Ende mit der Masse verbunden ist, so dass eine Bewegung der Führungsmutter entlang der Länge der Gewindewelle bewirkt, dass der Verbindungsarm rotiert, wobei die Masse durch den Bogen bewegt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die des Weiteren eine Steuereinrichtung umfasst, die an den Antriebsmotor wahlweise eine Spannung anlegt, wodurch bewirkt wird, dass der Antriebsmotor die Masse bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ein Eingabegerät ist, das angepasst ist, mit einem Host-Gerät (12) gekoppelt zu werden, wobei der Antriebsmotor bewirkt, dass die Masse in Erwiderung auf ein Steuersignal, das von dem Host-Gerät empfangen wird, bewegt wird, und wobei die Veränderung des Impulses der Masse die reaktive Kraft auf das Gehäuse weitergibt, wobei die reaktive Kraft durch das Gehäuse als ein haptisches Gefühl übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die des Weiteren eine Welle (32, 132) umfasst, die mit der Masse gekoppelt ist, wobei der Antriebsmotor einen elektrischen Motor umfasst, der antreibend mit der Welle gekoppelt ist, um zu bewirken, dass die Welle rotiert.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, die des Weiteren einen Sensor (62, 162) umfasst, der ein Signal erzeugt, das eine Position der Masse angibt, wobei das Signal zu dem Host-Gerät zur Steuerung des Antriebsmotors, und somit für die Steuerung der reaktiven Kraft, übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, die des Weiteren einen Sensor (62, 162) umfasst, der ein Signal erzeugt, das eine Winkelposition der Masse relativ zu einer Rotationsachse angibt, um die sich die Masse bewegt, wenn sie durch den Antriebsmotor angetrieben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Mittel, um die Masse entlang des Bogens zu bewegen, eine Kraftübertragung umfassen, die den Antriebsmotor antreibend mit der Masse koppelt, wodurch bewirkt wird, dass die Masse bewegt wird, wenn an den Antriebsmotor eine Spannung angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Kraftübertragung eine mechanische Verbindung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Kraftübertragung ein Zahnradgetriebe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Zahnradgetriebe ein erstes Zahnrad (34), das durch den Antriebsmotor drehbar angetrieben wird, und ein zweites Zahnrad (40), das drehbar an dem Gehäuse angebracht ist und das antreibend im Eingriff mit dem ersten Zahnrad ist, einschließt, wobei das zweite Zahnrad einen Arm (44) einschließt, der ein entferntes Ende hat, das mit der Masse verbunden ist, so dass der Arm und die Masse antreibend durch den Bogen bewegt werden, wenn das erste Zahnrad das zweite Zahnrad antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei sowohl das erste Zahnrad als auch das zweite Zahnrad Kegelräder sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Kraftübertragung eine Gewindewelle umfasst, die durch den Antriebsmotor gedreht wird und die ein spiralförmiges Gewinde aufweist, das sich über einen wesentlichen Teil der Länge der Gewindewelle erstreckt, und wobei die Masse auf das spiralförmige Gewinde aufgeschraubt ist, so dass die Masse sich entlang der Länge der Gewindewelle bewegt, wenn die Gewindewelle durch den Antriebsmotor gedreht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Kraftübertragung umfasst: (a) eine Gewindewelle (146), die ein spiralförmiges Gewinde (148) aufweist, das sich entlang eines wesentlichen Teils der Länge der Gewindewelle erstreckt, wobei die Gewindewelle durch den Antriebsmotor gedreht wird; (b) eine Führungsmutter (150), die auf das spiralförmiges Gewinde aufgeschraubt ist, so dass die Führungsmutter sich entlang der Länge der Gewindewelle bewegt, wenn der Antriebsmotor bewirkt, dass die Gewindewelle rotiert; und (c) ein Verbindungsarm (154), der drehbar an dem Gehäuse angebracht ist und der ein nahes Ende und ein entferntes Ende einschließt, wobei das nahe Ende ein Langloch (153) einschließt, das in die Führungsmutter eingreift, und wobei das entfernte Ende mit der Masse verbunden ist, so dass eine Bewe gung der Führungsmutter entlang der Länge der Gewindewelle bewirkt, dass der Verbindungsarm rotiert, wobei die Masse durch den Bogen bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, die des Weiteren ein Zahnradpaar (136, 140) umfasst, das eine Rotationsbewegung von dem Antriebsmotor auf die Gewindewelle überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die des Weiteren einen mechanischen Anschlag (99a, 99b, 199a, 199b) umfasst, der fest mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei der mechanischen Anschlag die Bewegung der Masse begrenzt, und wobei ein Anprall der Masse gegen den Anschlag die reaktive Kraft auf das Gehäuse weitergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die des Weiteren eine Steuereinrichtung umfasst, die an den Antriebsmotor wahlweise eine Spannung anlegt, wodurch bewirkt wird, dass der Antriebsmotor die Masse in Erwiderung auf ein Steuersignal, das durch die Steuereinrichtung von einem Host-Gerät empfangen wird, bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Steuersignal, das von einem Host-Gerät empfangen wird, eine Stärke und/oder eine Richtung der reaktiven Kraft definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Steuereinrichtung an den Antriebsmotor in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Zeitplan mit Krafteffekten eine Spannung anlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die reaktive Kraft in Erwiderung auf ein Ereignis erzeugt wird, das während der Ausführung einer simulierten Umgebung und/oder eines Spiels durch ein Host-Gerät auftritt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die reaktive Kraft darauf beschränkt ist, entlang einer einzelnen Linie gerichtet zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei an den Antriebsmotor ebenso in Erwiderung auf die Betätigung eines Schalters auf dem Eingabegerät durch einen Benutzer eine Spannung angelegt wird.
Verfahren zum Entwickeln einer haptischen Kraft, die in eine kontrollierte Richtung auf einen Benutzer durch ein Gehäuse (20, 90) eines Eingabegeräts (10), das von dem Benutzer gehalten wird, angewandt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Bewirken, dass eine Masse (50, 158) in dem Eingabegerät in Erwiderung auf ein Steuersignal, das von einem Host-Gerät empfangen wird, bewegt wird; (b) Erzeugen einer Veränderung des Impulses der Masse, um eine reaktive Kraft auf das Gehäuse des Eingabegeräts zu übermitteln; und (c) Anwenden der reaktiven Kraft auf das Gehäuse entlang einer Linie, wobei die reaktive Kraft durch das Gehäuse als ein haptisches Gefühl übertragen wird; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anwendens der reaktiven Kraft den Schritt des Übertragens der Veränderung des Impulses auf das Gehäuse durch einen Verbindungsarm (44, 154), der mit der Masse gekoppelt ist, umfasst, wobei der Verbindungsarm mit dem Gehäuse gekoppelt ist und die Masse entlang eines Bogens (92, 192) schwenkt, und wobei die reaktive Kraft entlang einer Linie (96, 196) tangential zu dem Bogen an einem Punkt (98, 198), an dem die Veränderung des Impulses stattfindet, gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Schritt des Erzeugens einer Veränderung des Impulses den Schritt des Stoppens der Masse umfasst, wobei der Schritt des Stoppens den Schritt des Unterbrechens einer antreibenden Kraft, die angewandt wird, um die Masse zu bewegen, und/oder des Anprallens der Masse gegen einen mechanischen Anschlag umfasst.