DE69631487T2 - Einrichtung zur bereitstellung einer kostengünstigen kraftrückkopplung und mechanischer eingang/ausgang für rechnersysteme - Google Patents

Einrichtung zur bereitstellung einer kostengünstigen kraftrückkopplung und mechanischer eingang/ausgang für rechnersysteme Download PDF

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Description

  • Technischer Hintergrund
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Schnittstellenvorrichtungen zwischen Menschen und Computern und insbesondere Computerschnittstellenvorrichtungen, die eine Kraftrückkopplung für den Benutzer bereitstellen.
  • Stand der Technik
  • Computersysteme für virtuelle Realität versehen Benutzer mit der Illusion, dass sie ein Teil einer "virtuellen" Umgebung sind. Ein System für virtuelle Realität umfasst typischerweise einen Computerprozessor wie z.B. einen Personalcomputer oder einen Arbeitsplatzrechner, eine spezialisierte Software für virtuelle Realität und E/A-Vorrichtungen für virtuelle Realität wie z.B. am Kopf angebrachte Anzeigen, Sensorhandschuhe, dreidimensionale ("3D") Zeiger usw.
  • Computersysteme für virtuelle Realität können zum Training verwendet werden. Auf vielen Gebieten, wie z.B. Luftfahrt- und Fahrzeug- und Systembetrieb, wurden Systeme für virtuelle Realität erfolgreich verwendet, um einem Benutzer zu ermöglichen, von einer realistischen "virtuellen" Umgebung zu lernen und diese zu erfahren. Der Reiz der Verwendung von Computersystemen für virtuelle Realität zum Training betrifft teilweise die Fähigkeit solcher Systeme, Auszubildenden den Luxus zu ermöglichen, in einer sehr realistischen Umgebung zuversichtlich zu operieren und ohne die Konsequenzen der "realen Welt" Fehler zu machen. Ein Computersystem für virtuelle Realität kann beispielsweise einem auszubildenden Arzt oder einem anderen menschlichen Operateur oder Benutzer ermöglichen, ein Skalpell oder eine Sonde innerhalb eines computersimulierten "Körpers" zu "handhaben" und dadurch medizinische Prozeduren an einem virtuellen Patienten durchzuführen. In diesem Fall wird die E/A-Vorrichtung, die typischerweise ein 3D-Zeiger, ein Griffel oder dergleichen ist, verwendet, um ein chirurgisches Instrument wie z.B. ein Skalpell oder eine Sonde darzustellen. Wenn sich das "Skalpell" oder die "Sonde" innerhalb eines vorgesehenen Raums oder einer vorgesehenen Struktur bewegt, werden die Ergebnisse einer solchen Bewegung aktualisiert und in einem auf dem Bildschirm des Computersystems angezeigten Körperbild angezeigt, so dass der Operateur die Erfahrung der Durchführung einer solchen Prozedur erlangen kann, ohne an einem tatsächlichen Menschen oder einer Leiche zu praktizieren. In anderen Anwendungen ermöglichen Computersysteme für virtuelle Realität einem Benutzer, die Bedienelemente von komplizierten und teuren Fahrzeugen und maschinellen Einrichtungen für Trainings- und/oder Unterhaltungszwecke zu handhaben und zu bedienen. Ein Pilot oder Astronaut im Training kann beispielsweise ein Kampfflugzeug oder ein Raumfahrzeug durch Bedienen von Bedienelementen wie z.B. eines Steuerhebels und anderen Tasten betätigen und die Ergebnisse der Steuerung des Flugzeugs in einer Simulation einer virtuellen Realität des Flugzeugs im Flug betrachten. In noch anderen Anwendungen kann ein Benutzer Objekte und Werkzeuge in der realen Welt wie z.B. einen Griffel bedienen und die Ergebnisse der Bedienung in einer Welt einer virtuellen Realität mit einem auf einem Bildschirm, in einer 3-D-Brille usw. betrachteten "virtuellen Griffel" sehen.
  • Damit Systeme für virtuelle Realität eine realistische (und daher wirksame) Erfahrung für den Benutzer bereitstellen, sollten die Sensorrückkopplung und manuelle Wechselwirkung so natürlich wie möglich sein. Da Systeme für virtuelle Realität leistungsstärker werden und da die Anzahl von potentiellen Anwendungen zunimmt, besteht ein wachsender Bedarf für spezielle Mensch/Computer-Schnittstellenvorrichtungen, die Benutzern ermöglichen, mit Computersimulationen mit Instrumenten zu koppeln, die die Aktivitäten, die innerhalb der virtuellen Simulation dargestellt werden, realistisch emulieren. Obwohl der Stand der Technik in der virtuellen Simulation und der medizinischen Abbildung eine reiche und realistische visuelle Rückkopplung vorsieht, besteht ein großer Bedarf für neue Mensch/Computer-Schnittstelleninstrumente, die Benutzern ermöglichen, natürliche manuelle Wechselwirkungen mit der Computersimulation durchzuführen.
  • Zusätzlich zum Feststellen und Verfolgen der manuellen Aktivität eines Benutzers und zum Zuführen einer solchen Information zum Steuercomputer, um eine visuelle 3D-Darstellung für den Benutzer bereitzustellen, sollte ein menschlicher Schnittstellenmechanismus auch eine Kraft- oder taktile ("haptische") Rückkopplung für den Benutzer bereitstellen. Der Bedarf dafür, dass der Benutzer eine realistische taktile Information erhält und eine taktile Empfindung erfährt, ist in vielen Arten einer Simulation und anderen Anwendungen umfangreich. In medizinischen/chirurgischen Simulationen ist beispielsweise das "Gefühl" eines Sonden- oder Skalpellsimulators wichtig, wenn die Sonde innerhalb des simulierten Körpers bewegt wird. Es wäre für einen medizinischen Auszubildenden von unschätzbarem Wert zu lernen, wie sich ein Instrument innerhalb eines Körpers bewegt, wie viel Kraft erforderlich ist, in Abhängigkeit von der durchgeführten Operation, dem in einem Körper zur Verfügung stehenden Raum zum Bedienen eines Instruments, usw. In Simulationen von Fahrzeugen oder einer Anlage kann eine Kraftrückkopplung für Bedienelemente wie z.B. einen Steuerhebel erforderlich sein, um einem Benutzer realistisch die Kraft zu lehren, die erforderlich ist, um den Steuerhebel zu bewegen, wenn er in speziellen Situationen lenkt, wie z.B. in einer Umgebung eines Flugzeugs mit hoher Beschleunigung. In Simulationen einer virtuellen Welt, in denen der Benutzer Objekte bedienen kann, ist eine Kraftrückkopplung erforderlich, um physikalische Objekte realistisch zu simulieren; wenn ein Benutzer beispielsweise mit einem Kugelschreiber einen Tisch berührt, sollte der Benutzer das Auftreffen des Kugelschreibers auf dem Tisch spüren. Eine wirksame Mensch/Computer-Schnittstelle wirkt nicht nur als Eingabevorrichtung zum Verfolgen einer Bewegung, sondern auch als Ausgabevorrichtung zum Erzeugen von realistischen taktilen Empfindungen. Ein Schnittstellensystem mit "hoher Bandbreite", das eine Schnittstelle ist, die genau auf Signale mit schnellen Änderungen und einem breiten Bereich von Frequenzen reagiert sowie solche Signale genau zu einem Steuersystem liefert, ist daher in diesen und anderen Anwendungen erwünscht.
  • Außerdem besteht ein Wunsch, eine Kraftrückkopplung für Benutzer von Computersystemen in der Unterhaltungsindustrie bereitzustellen. Steuerhebel und andere Schnittstellenvorrichtungen können verwendet werden, um eine Kraftrückkopplung für einen Benutzer bereitzustellen, der ein Videospiel spielt oder eine Simulation für Unterhaltungszwecke erlebt. Durch eine solche Schnittstellenvorrichtung kann ein Computersystem die physikalische Empfindung einer Kollision mit einer Wand, der Bewegung durch eine Flüssigkeit, des Fahrens über eine unebene Straße und andere Empfindungen an den Benutzer übertragen. Der Benutzer kann somit die gesamte sensorische Dimension in der Spielerfahrung erleben, die vorher fehlte. Kraftrückkopplungsschnittstellen können eine ganz neue Modalität für den Mensch-Computer-Dialogverkehr bereitstellen.
  • Es gibt eine Anzahl von Vorrichtungen, die zum Koppeln eines Menschen mit einem Computer für Simulationen einer virtuellen Realität kommerziell erhältlich sind. Es gibt beispielsweise 2-dimensionale Eingabevorrichtungen wie z.B. Mäuse, Rollkugeln, Steuerhebel und Digitalisiertabletts. 2-dimensionale Eingabevorrichtungen sind jedoch gewöhnlich unbrauchbar und unangemessen für die Aufgabe des Koppelns mit 3-dimensionalen Simulationen einer virtuellen Realität. 3-dimensionale Schnittstellenvorrichtungen stehen auch zur Verfügung. Ein 3-dimensionales Mensch/Computer-Schnittstelleninstrument, das unter der Handelsmarke Immersion PROBEtm verkauft wird, wird von Immersion Human Interface Corporation in Santa Clara, Kalifornien, vermarktet und ermöglicht eine manuelle Steuerung in 3-dimensionalen Computerumgebungen einer virtuellen Realität. Ein stiftartiger Griffel ermöglicht eine geschickte 3-dimensionale Bedienung in sechs Freiheitsgraden und die Position und Orientierung des Griffels wird an einen Hauptrechner übertragen. Das Immersion PROBE stellt jedoch keine Kraftrückkopplung für einen Benutzer bereit und ermöglicht somit nicht, dass ein Benutzer die gesamte sensorische Dimension in Simulationen einer virtuellen Realität erfährt. Kraftrückkopplungssteuerhebel des Standes der Technik liefern durch Steuern von Motoren, die mit dem Steuerhebel gekoppelt sind, physikalische Empfindungen zum Benutzer.
  • In typischen Vorrichtungen mit mehreren Freiheitsgraden, die eine Kraftrückkopplung umfassen, gibt es mehrere Nachteile. Da Stellglieder, die die Kraftrückkopplung liefern, gewöhnlich schwerer und größer sind als Sensoren, würden sie Trägheitseinschränkungen vorsehen, wenn sie zu einer Vorrichtung wie z.B. der Immersion PROBE hinzugefügt werden würden. Es besteht auch das Problem von gekoppelten Stellgliedern. In einer typischen Kraftrückkopplungsvorrichtung wird eine serielle Kette von Verbindungen und Stellgliedern implementiert, um in einem gewünschten Objekt, das am Ende der Kette angeordnet ist, mehrere Freiheitsgrade zu erzielen, d.h. jedes Stellglied ist mit dem vorherigen Stellglied gekoppelt. Der Benutzer, der das Objekt bedient, muss die Trägheit aller anschließenden Stellglieder und Verbindungen abgesehen vom ersten Stellglied in der Kette, das mit dem Grund gekoppelt ist, tragen. Obwohl es möglich ist, alle Stellglieder in einer seriellen Kette durch die Verwendung einer komplexen Übertragung von Seilen oder Riemen mit dem Grund zu koppeln, ist das Endergebnis eine geringe Steifigkeit, hohe Reibung, hohe Dämpfungsübertragung, was die Bandbreite des Systems gefährdet, wobei der Benutzer mit einer trägen und ungenauen Schnittstelle versehen wird. Diese Arten von Schnittstellen führen auch taktiles "Rauschen" für den Benutzer durch Reibung und Nachgiebigkeit in der Signalübertragung ein und begrenzen den Grad an Empfindlichkeit, der durch die Stellglieder der Vorrichtung an den Benutzer übertragen wird.
  • Andere existierende Vorrichtungen liefern eine Kraftrückkopplung zu einem Benutzer. Im US-Patent 5 184 319 von J. Kramer ist eine Schnittstelle beschrieben, die eine Kraft- und Texturinformation zu einem Benutzer eines Computersystems liefert. Die Schnittstelle besteht aus einem Handschuh oder "Außenskelett", der/das über den Gliedmaßen des Benutzers, wie z.B. den Fingern, den Armen oder dem Körper, getragen wird. Kräfte können auf die Gliedmaßen des Benutzers unter Verwendung von Spanngliedanordnungen und Stellgliedern, die von einem Computersystem gesteuert werden, aufgebracht werden, um eine Kraft- und Texturrückkopplung zu simulieren. Das von Kramer beschriebene System ist jedoch nicht leicht auf Simulationsumgebungen wie z.B. die vorstehend erwähnten anwendbar, bei denen auf ein Objekt im 3D-Raum Bezug genommen wird und eine Kraftrückkopplung auf das Objekt aufgebracht wird. Die bei Kramer auf den Benutzer aufgebrachten Kräfte beziehen sich auf den Körper des Benutzers; der absolute Ort der Gliedmaßen des Benutzers lässt sich nicht leicht berechnen. Außerdem können die Außenskelettvorrichtungen von Kramer für den Benutzer beschwerlich oder sogar gefährlich sein, wenn große Vorrichtungen über den Gliedmaßen des Benutzers getragen werden. Ferner sind die bei Kramer offenbarten Vorrichtungen komplexe Mechanismen, in denen viele Stellglieder verwendet werden müssen, um eine Kraftrückkopplung zum Benutzer zu liefern.
  • Das US-Patent Nr. 5 436 640 betrifft hauptsächlich seitliche Lasten, die auf eine Achse eines Potentiometers übertragen werden können, welches in direktem Kontakt mit einem Steuerhebel steht. Diese seitlichen Kräfte werden typischerweise auf eine Potentiometerachse übertragen, wenn eine Bedienperson einen Steuerhebel nach unten schiebt. Um die seitlichen Kräfte zu verringern oder zu beseitigen, ist ein Steuerhebel offenbart, bei dem jeder Kardanmechanismus mit einem drehbaren Schaft eines entsprechenden Potentiometers durch ein Getriebesystem drehbar gekoppelt ist, wobei das Getriebesystem effektiv das Aufbringen von seitlichen Kräften beseitigt, die durch eine außeraxiale Bewegung des Schafts des Potentiometers erzeugt werden.
  • Ferner offenbart die europäische Patentanmeldung Nr. 0 493 795 A1 eine aktive Handsteuereinheit mit virtuellem Drehpunkt, die Motoren verwendet, um Reflexionskräfte und -drehmomente zu steuern. Die Freiheitsgradparameter, Anschläge und Reflexionskraftraten können leicht modifiziert werden, ohne die Hardware zu verändern. Der Ort des virtuellen Drehpunkts der Handsteuereinheit kann ebenso leicht verändert werden.
  • Außerdem sind kostengünstige und tragbare mechanische Schnittstellen, die eine Kraftrückkopplung vorsehen können, erwünscht. Personalcomputer für den Heimverbraucher werden beispielsweise leistungsstark und schnell genug, um eine Kraftrückkopplung für den typischen Massenmarktverbraucher bereitzustellen. Somit entsteht ein Bedarf, Kraftrückkopplungsschnittstellen so preisgünstig und so effizient wie möglich herstellen und vermarkten zu können. Die Kosten, Komplexität, Zuverlässigkeit und Größe einer Kraftrückkopplungsschnittstelle für die Heimanwendung sollten praktisch genug sein, um die Vorrichtungen in Masse zu produzieren. Außerdem sind ästhetische Belange wie z.B. Kompaktheit und Betriebsgeräuschpegel einer Kraftrückkopplungsvorrichtung auf dem Heimmarkt von Belang. Da die Rückkopplungsschnittstellen des Standes der Technik hauptsächlich an spezifische Anwendungen in der Industrie gerichtet sind, sind die meisten Kraftrückkopplungsmechanismen kostenaufwändig, groß, schwer, weisen signifikante Leistungsanforderungen auf und sind für Anwendungen schwierig zu programmieren. Die Vorrichtungen des Standes der Technik erfordern Steuersignale mit hoher Geschwindigkeit von einem Steuercomputer für die Stabilität, was gewöhnlich eine teurere und komplexere Elektronik erfordert. Außerdem sind die Kraftrückkopplungsvorrichtungen des Standes der Technik typischerweise groß und laut. Diese Faktoren sehen viele Hindernisse für den willigen Hersteller von Kraftrückkopplungsschnittstellen für den Heimcomputermarkt vor.
  • Daher ist eine weniger komplexe, weniger teure Alternative für ein Mensch/Computer-Schnittstelleninstrument mit einer Kraftrückkopplung, mit niedrigerer Trägheit, höherer Bandbreite und weniger Geräusch für bestimmte Anwendungen erwünscht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 17 dargelegt.
  • Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine Mensch/Computer-Schnittstellenvorrichtung bereit, die ein bis sechs Freiheitsgrade für ein vom Benutzer bedienbares Objekt und eine kostengünstige, sehr realistische Kraftrückkopplung für den Benutzer der Vorrichtung bereitstellen kann. Die Struktur der Vorrichtung ermöglicht, dass Wandler derart positioniert werden, dass ihr Trägheitsbeitrag zu dem System sehr gering ist. Eine Anzahl der Elemente der mechanischen Schnittstelle kann als einzelnes Element hergestellt werden, wobei eine kostengünstige Schnittstelle für einen Markt mit hohem Volumen bereitgestellt wird. Außerdem sehen ein Reibungsantriebsmechanismus und Schwingspulen-Stellglieder zusätzliche kostengünstige Alternativen für die Schnittstelle vor.
  • Eine Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Koppeln der Bewegung eines vom Benutzer bedienbaren Objekts mit einem elektrischen System umfasst ein Benutzerobjekt, das von einem Benutzer physisch berührt wird. Ein Kardanmechanismus (Gestänge) ist mit dem Benutzerobjekt wie z.B. einem Steuerhebel oder einem medizinischen Instrument gekoppelt und sieht mindestens zwei Freiheitsgrade für das Benutzerobjekt vor, wobei der Kardanmechanismus mehrere Elemente umfasst. Eine ausgewählte Anzahl dieser Elemente sind Segmente, die als einheitliches Element ausgebildet sind, welches eine Biegung zwischen den ausgewählten Elementen vorsieht. Ein Stellglied bringt eine Kraft entlang eines Freiheitsgrades auf das Benutzerobjekt als Reaktion auf elektrische Signale auf, die durch das elektrische System erzeugt werden. Ein Sensor erfasst eine Position des Benutzerobjekts entlang des Freiheitsgrades und gibt Sensorsignale an das elektrische System aus. Das Stellglied und der Sensor sehen folglich eine elektromechanische Schnittstelle zwischen dem Benutzerobjekt und dem elektrischen System vor. Ein Stellglied liefert eine Kraft zum Benutzerobjekt entlang jedes Freiheitsgrades und die Stellglieder sind voneinander abgekoppelt.
  • Der Kardanmechanismus (Gestänge) sieht vorzugsweise mindestens zwei Drehfreiheitsgrade für das Benutzerobjekt um Drehachsen vor. Alternativ kann der Kardanmechanismus mindestens zwei lineare Freiheitsgrade entlang linearer Achsen vorsehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die mehreren Elemente des Kardanmechanismus als Gestänge in geschlossener Schleife ausgebildet. Das Gestänge kann vier Elemente umfassen, die als Segmente des einheitlichen Elements biegsam miteinander gekoppelt sind. Die vier Elemente umfassen ein erstes und ein zweites Verlängerungselement und ein erstes und ein zweites biegsames zentrales Element, wobei die zentralen Elemente jeweils mit einem Verlängerungselement und am Benutzerobjekt miteinander gekoppelt sind. Ein Grundelement ist mit einer Grundfläche gekoppelt und ist durch Lager drehbar mit dem einheitlichen biegsamen Element gekoppelt. Andere Ausführungsbeispiele umfassen die Kopplung eines Objektelements mit dem Benutzerobjekt und mit den zentralen Elementen und das Drehen des Objektelements in einem dritten "Wirbel"-Freiheitsgrad, wobei die Drehung im dritten Freiheitsgrad durch die Biegsamkeit der zentralen Elemente ermöglicht wird. In noch weiteren Ausführungsbeispielen sind die Enden der zentralen Elemente durch Lager drehbar mit den Verlängerungselementen gekoppelt und die zentralen Elemente sind biegsam mit dem Benutzerobjekt gekoppelt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Enden der zentralen Elemente biegsam mit den Verlängerungselementen gekoppelt und die zentralen Elemente sind durch ein Lager drehbar mit dem Benutzerobjekt gekoppelt. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein drittes zentrales Element biegsam zwischen eines der Verlängerungselemente und das Benutzerobjekt gekoppelt. Ein Linearachsenelement kann mit dem Kardanmechanismus gekoppelt sein, um das Benutzerobjekt mit einem dritten linearen Freiheitsgrad zu versehen. Ein passives Dämpferelement kann auch mit mindestens einem Element des Kardanmechanismus gekoppelt sein, um die dynamische Stabilität des Schnittstellensystems zu erhöhen. Schließlich kann ein Göpel- bzw. Haspelantriebsmechanismus, einschließlich eines Seils und einer Seilrolle, verwendet werden, um Kräfte zu und von dem Stellglied/Sensor und Benutzer ohne wesentlichen toten Gang zu übertragen.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel koppelt die Schnittstellenvorrichtung die Bewegung des Benutzerobjekts mit dem elektrischen System, welches ein Hauptrechner ist. Das Hauptrechnersystem kann Bilder für den Benutzer auf einem Anzeigebildschirm anzeigen. Ein lokaler Mikroprozessor, der vom Hauptrechner getrennt ist und durch Softwarebefehle gesteuert wird, wird verwendet, um mit dem Hauptrechner über eine Kommunikationsschnittstelle durch Empfangen eines Hauptrechnerbefehls vom Hauptrechner zu kommunizieren. Das Stellglied bringt auf den Kardanmechanismus eine Kraft entlang eines Freiheitsgrades auf das Benutzerobjekt gemäß einem vom Prozessor empfangenen Prozessorbefehl auf. Der Prozessorbefehl wird vom Hauptrechnerbefehl abgeleitet. Schließlich erfasst der Sensor Positionen des Benutzerobjekts entlang eines Freiheitsgrades und gibt die Sensorsignale an das Hauptrechnersystem aus. Die Sensorsignale umfassen eine Information, die die Position des Benutzerobjekts darstellt. Vorzugsweise ist der Sensor mit dem Prozessor elektrisch gekoppelt und gibt die Sensorsignale an den Prozessor aus und der Prozessor sendet die Sensorsignale zum Hauptrechner. Der Prozessor liefert den Prozessorbefehl unter Verwendung einer gemäß dem Hauptrechnerbefehl ausgewählten und in einer Speichervorrichtung gespeicherten Prozessorsubroutine zum Stellglied. Der Prozessor verwendet auch die Sensorsignale, um zu helfen, eine vom Stellglied ausgegebene Kraft festzulegen. Außerdem kann der Prozessor vorzugsweise eine Zeitsteuerinformation von einem mit dem Prozessor gekoppelten Takt verwenden, um die vom Stellglied ausgegebene Kraft festzulegen. Die Kommunikationsschnittstelle kann eine serielle Schnittstelle umfassen, die, obwohl sie relativ langsam ist, verwendet werden kann, um unter Verwendung des lokalen Mikroprozessors eine genaue Kraftrückkopplung vorzusehen.
  • In noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfassen die Stellglieder zum Aufbringen von Kräften auf das Benutzerobjekt Schwingspulen-Stellglieder. Diese Stellglieder legen einen Strom an eine Drahtspule innerhalb eines Magnetfeldes an, um eine Kraft an der Spule und an einem beweglichen Element, an dem die Spule befestigt ist, zu erzeugen. Die erzeugte Kraft weist eine spezielle Richtung in Abhängigkeit von der Richtung eines durch die Spule geleiteten Stroms und eine Größe in Abhängigkeit vom Betrag des Stroms auf. Vorzugsweise ist eine elektrische Schnittstelle elektrisch zwischen die Schwingspulen-Stellglieder und das elektrische System/den Hauptrechner gekoppelt und die elektrische Schnittstelle umfasst vorzugsweise einen Schwingspulen-Treiberchip zum Antreiben der Schwingspulen-Stellglieder. Der Schwingspulen-Treiberchip weist vorzugsweise eine variable Verstärkung des Spannungseingangssignals zum Stromausgangssignal auf, um einen realistischeren und einen größeren Bereich von Kräften bereitzustellen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst die Drahtspule mehrere Unterspulen, die jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Schleifen umfassen. Ströme mit konstantem Betrag können somit durch ausgewählte Unterspulen geleitet werden, um verschiedene Kraftwerte am Benutzerobjekt zu erzeugen. Außerdem kann die Schwingspule eine Drahtspule zum Aufbringen der Kraft auf das Benutzerobjekt und eine zweite Drahtspule, die als Sensor zum Feststellen einer Geschwindigkeit des vom Benutzer bedienbaren Objekts verwendet wird, umfassen.
  • In einem bevorzugten Schwingspulen-Stellglied-Schnittstellenausführungsbeispiel ist das Benutzerobjekt mit einem planaren Element wie z.B. einer Leiterplatte gekoppelt. Die Leiterplatte ist in zwei Freiheitsgraden parallelverschiebbar und diese Parallelverschiebung bewirkt, dass sich das Benutzerobjekt in zwei Benutzerobjekt-Freiheitsgraden bewegt. In einem Ausführungsbeispiel ist das Benutzerobjekt mit einem Kugelgelenk gekoppelt, das in einer Buchse drehbar ist, so dass die Parallelverschiebung der Leiterplatte bewirkt, dass sich das Kugelgelenk in der Buchse dreht und somit bewirkt, dass sich das Benutzerobjekt in zwei Drehfreiheitsgraden dreht. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Benutzerobjekt direkt mit der Leiterplatte gekoppelt und wird in linearen Freiheitsgraden parallelverschoben, wenn das planare Element parallelverschoben wird. Die Drehspulen, die in den Schwingspulen-Stellgliedern enthalten sind, können auf die Leiterplatte geätzt werden. Außerdem können die Schwingspulen-Treiberchips, die zum Antreiben der Schwingspulen-Stellglieder verwendet werden, und andere elektronische Bauteile auf der Leiterplatte enthalten sein.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Schnittstellenvorrichtung einen Reibungsantriebsmechanismus, der zwischen ein Stellglied und einen Kardanmechanismus der Schnittstellenvorrichtung gekoppelt ist. Kraft vom Stellglied wird auf den Kardanmechanismus durch einen Reibungskontakt von Elementen des Reibungsantriebsmechanismus übertragen. Der Reibungsantriebsmechanismus umfasst vorzugsweise eine drehbare Trommel mit einer Antriebsstange. Eine Antriebswalze ist mit dem Stellglied gekoppelt und steht mit der Antriebsstange in Reibungseingriff, um die Trommel zu drehen und eine Kraft auf das Objekt in einem Freiheitsgrad zu übertragen. Vorzugsweise stehen eine oder mehrere passive Walzen mit der Antriebsstange auf der entgegengesetzten Seite der Antriebsstange zur Antriebswalze in Reibungseingriff, so dass eine größere Druckkraft zwischen der Antriebswalze und der Antriebsstange bereitgestellt wird. Die passiven Walzen können zur Antriebswalze federbelastet sein, um eine größere Druckkraft vorzusehen. Vorzugsweise ist ein Reibungsantriebsmechanismus für ein Stellglied eines zweiten Freiheitsgrades ebenso vorgesehen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst der Reibungsantriebsmechanismus eine parallelverschiebbare Trommel mit einer Antriebsstange, wobei die Antriebswalze mit der Antriebsstange in Reibungseingriff steht, um die Trommel parallel zu verschieben und eine lineare Kraft auf das Objekt in einem linearen Freiheitsgrad aufzubringen.
  • Die Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst mehrere kostengünstige Komponenten, die zum Vorsehen einer genauen Kraftrückkopplung für den Heimmarkt und andere Märkte geeignet sind. Das biegsame einheitliche Element des bevorzugten Kardanmechanismus kann als ein Teil hergestellt werden, ohne sich Ausgaben für Lager und Montagevorgänge zuzuziehen. Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Schwingspulen-Stellglieder, verwenden leicht erhältliche, preisgünstige Komponenten, die realistische Kräfte für den Benutzer erzeugen können. Der Reibungsantriebsmechanismus der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von kostengünstigen Teilen Kräfte übertragen und einen mechanischen Vorteil bereitstellen. Diese Verbesserungen ermöglichen, dass ein Computersystem eine vollständigere und genauere Steuerung über eine kostengünstige Schnittstelle hat, die eine realistische Kraftrückkopplung vorsieht.
  • Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute nach Lesen der folgenden Beschreibung der Erfindung und einer Studie der verschiedenen Figuren der Zeichnung ersichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Systeme; für virtuelle Realität, das eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet, um einen Laparoskopinstrumentengriff mit einem Computersystem zu koppeln;
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht einer mechanischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Vorsehen einer mechanischen Eingabe und Ausgabe für ein Computersystem;
  • 3 ist eine perspektivische Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von 2;
  • 4 ist eine perspektivische Rückansicht des Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von 3;
  • 5 ist eine perspektivische detaillierte Ansicht eines Haspelantriebsmechanismus, der für zwei Bewegungsgrade in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 5a ist eine Seitenansicht des in 5 gezeigten Haspelantriebsmechanismus;
  • 5b ist eine detaillierte Seitenansicht einer Seilrolle und eines Seils eines Haspelantriebsmechanismus von 5;
  • 6 ist eine perspektivische Ansicht eines zentralen Haspelantriebsmechanismus für ein Linearachsenelement der in 3 gezeigten mechanischen Vorrichtung;
  • 6a ist eine Querschnittsdraufsicht auf eine Seilrolle und ein Linearachsenelement, die im Haspelantriebsmechanismus von 6 verwendet werden;
  • 6b ist eine Querschnittsseitenansicht des Linearachsenelements und des Wandlers, die in 6 gezeigt sind;
  • 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung von 2 mit einem Griffelobjekt für den Benutzer;
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung von 2 mit einem Steuerhebelobjekt für den Benutzer;
  • 9 ist ein Blockdiagramm eines Computers und der Schnittstelle zwischen dem Computer und der mechanischen Vorrichtung von 2;
  • 10 ist ein schematisches Diagramm einer geeigneten Schaltung für eine Digital-Analog-Steuereinheit der Schnittstelle von 9;
  • 11 ist ein schematisches Diagramm einer geeigneten Leistungsverstärkungsschaltung zum Speisen der Stellglieder der vorliegenden Erfindung, wie in 9 gezeigt;
  • 12 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von 2, einschließlich biegsamer Elemente;
  • 13 ist eine Draufsicht auf die mechanische Vorrichtung von 12;
  • 14 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von 12;
  • 15 ist eine perspektivische Ansicht eines dritten alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von 12;
  • 16 ist eine perspektivische Ansicht eines vierten alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von 12;
  • 17 ist eine perspektivische Ansicht eines fünften alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von 12;
  • 18 ist eine perspektivische Ansicht der mechanischen Vorrichtung von 2, einschließlich eines Schwingspulen-Stellgliedes;
  • 19a ist eine Seitenschnittansicht des Schwingspulen-Stellgliedes von 18;
  • 19b ist eine Draufsicht auf das Schwingspulen-Stellglied von 19a;
  • 20a–20e sind schematische Diagramme eines alternativen Ausführungsbeispiels des Schwingspulen-Stellgliedes von 19a;
  • 21a ist eine perspektivische Ansicht einer Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung, einschließlich linearer Schwingspulen-Stellglieder;
  • 21b ist eine Seitenschnittansicht, die ein lineares Schwingspulen-Stellglied von 21a zeigt;
  • 21c ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Schnittstellenvorrichtung von 21a;
  • 22a ist eine Draufsicht auf eine Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung mit linearen Schwingspulen-Stellgliedern auf einer Leiterplatte, bei der das Benutzerobjekt in Drehfreiheitsgraden bewegt werden kann;
  • 22b ist eine Seitenansicht der Schnittstellenvorrichtung von 22a;
  • 22c ist eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schnittstellenvorrichtung von 22a unter Verwendung einer anderen Antirotations-Biegevorrichtung;
  • 22d ist eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schnittstellenvorrichtung von 22a, in der das Benutzerobjekt in linearen Freiheitsgraden bewegt werden kann;
  • 22e ist eine Seitenansicht der Schnittstellenvorrichtung von 22c;
  • 23a bis 23f sind Seitenansichten eines Reibungsantriebs der vorliegenden Erfindung, der sich zur Verwendung mit der Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung eignet; und
  • 24 ist ein Blockdiagramm eines Hauptrechners und eines alternativen Ausführungsbeispiels der elektronischen Schnittstelle zwischen dem Computer und einer Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • 1 stellt ein Beispiel für die Verwendung der vorliegenden Erfindung für medizinische Simulationszwecke dar. Ein System 10 für virtuelle Realität, das zum Simulieren einer medizinischen Prozedur verwendet wird, umfasst eine Mensch/Computer-Schnittstellenvorrichtung 12, eine elektronische Schnittstelle 14 und einen Hauptrechner 16. Das dargestellte System 10 für virtuelle Realität ist auf eine Simulation einer virtuellen Realität einer Laparoskopoperationsprozedur gerichtet.
  • Der Griff 26 eines Laparoskopinstruments 18, das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird von einer Bedienperson bedient und Bilder einer virtuellen Realität werden auf einem Anzeigebildschirm 20 des Digitalverarbeitungssystems als Reaktion auf solche Bedienungen angezeigt. Der Anzeigebildschirm 20 kann ein Standardanzeigebildschirm oder eine CRT, eine 3-D-Brille oder irgendeine andere visuelle Schnittstelle sein. Das Digitalverarbeitungssystem ist typischerweise ein Hauptrechner 16. Vorzugsweise ist der Hauptrechner ein Personalcomputer oder ein Arbeitsplatzrechner wie z.B. ein IMB-PC AT oder Macintosh-Personalcomputer oder ein SUN oder Silicon Graphics Arbeitsplatzrechner. Der Computer 16 kann beispielsweise unter dem MS-DOS-Betriebssystem in Einklang mit einem IBM PC AT Standard arbeiten. Alternativ kann das Hauptrechnersystem 12 eines von einer Vielzahl von Heimvideospielsystemen sein, die üblicherweise mit einem Fernsehgerät verbunden werden, wie z.B. Systeme, die von Nintendo, Sega oder Sony erhältlich sind. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Heimcomputersystem 12 ein "Decodiergerät für digitales Fernsehen" sein, das beispielsweise verwendet werden kann, um für Benutzer interaktive Fernsehfunktionen bereitzustellen.
  • Der Hauptrechner 16 implementiert ein Hauptrechner-Anwendungsprogramm, mit dem ein Benutzer über Peripheriegeräte und die Schnittstellenvorrichtung 14 in Dialogverkehr steht. Das Hauptrechner-Anwendungsprogramm kann beispielsweise ein Videospiel, eine medizinische Simulation, ein wissenschaftliches Analyseprogramm oder sogar ein Betriebssystem oder ein anderes Anwendungsprogramm, das eine Kraftrückkopplung verwendet, sein. Typischerweise liefert die Hauptrechneranwendung auf einer Anzeigeausgabevorrichtung anzuzeigende Bilder, wie nachstehend beschrieben, und/oder eine andere Rückkopplung wie z.B. Hörsignale. Das medizinische Simulationsbeispiel von 1 umfasst ein Hauptrechner-Anwendungsprogramm für eine medizinische Simulation. Eine solche Software ist beispielsweise als TeleosTM von High Techsplanations in Rockville, Maryland, kommerziell erhältlich. Geeignete Softwaretreiber, die eine solche Simulationssoftware mit Computer-Eingabe/Ausgabe- (E/A) Vorrichtungen koppeln, sind von Immersion Human Interface Corporation in Santa Clara, Kalifornien, erhältlich. Alternativ kann der Anzeigebildschirm 20 Bilder von einem Spielanwendungsprogramm anzeigen. Bilder, die einen Blickpunkt von der Perspektive einer ersten Person beschreiben, können beispielsweise wie in einem Spiel einer virtuellen Realität angezeigt werden. Oder Bilder, die die Perspektive von Objekten, Hintergründen usw. einer dritten Person beschreiben, können angezeigt werden.
  • Ein Beispiel einer Mensch/Schnittstellenvorrichtung 12, wie hierin dargestellt, wird verwendet, um eine medizinische Laparoskopprozedur zu simulieren. Zusätzlich zum Griff eines Standard-Laparoskopinstruments 18 kann die Mensch/Schnittstellenvorrichtung 12 eine Barriere 22 und einen Standard-Laparoskoptrokar 24 (oder eine Nachbildung eines Trokars) umfassen. Die Barriere 22 wird verwendet, um einen Teil der Haut, die den Körper eines Patienten bedeckt, darzustellen. Der Trokar 24 wird in den Körper des virtuellen Patienten eingeführt, um einen Eintritts- und Entfernungspunkt aus dem Körper des Patienten für das Laparoskopinstrument 18 vorzusehen und um die Bedienung des Laparoskopinstruments zu ermöglichen. Laparoskopinstrumente und Trokars 24 sind von Quellen wie z.B. U.S. Surgical in Connecticut kommerziell erhältlich. Die Barriere 22 und der Trokar 24 können aus der Vorrichtung 12 in anderen Ausführungsbeispielen weggelassen werden. Vorzugsweise wird das Laparoskopinstrument 18 modifiziert; in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Schaft gegen ein Linearachsenelement der vorliegenden Erfindung ausgetauscht, wie nachstehend beschrieben. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Ende des Schafts des Instruments (wie z.B. irgendwelche Schneidkanten) entfernt sein. Das Ende des Laparoskopinstruments 18 ist für die Simulation der virtuellen Realität nicht erforderlich und wird entfernt, um irgendeine potentielle Beschädigung an Personen oder Sachen zu verhindern.
  • Das Laparoskopinstrument 18 umfasst einen Griff- oder "Greif"-Teil 26 und einen Schaftteil 28. Der Schaftteil ist ein langgestrecktes mechanisches Objekt und ist insbesondere ein langgestrecktes zylindrisches Objekt, das nachstehend genauer beschrieben wird. In einem Ausführungsbeispiel betrifft die vorliegende Erfindung das Verfolgen der Bewegung des Schaftteils 28 im dreidimensionalen Raum, wobei die Bewegung derart eingeschränkt wurde, dass der Schaftteil 28 nur drei oder vier freie Bewegungsgrade aufweist. Dies ist insofern eine gute Simulation für die echte Verwendung des Laparoskopinstruments 18, als es, sobald es in einen Trokar 24 und durch die mechanische Vorrichtung 25 eingeführt ist, auf etwa vier Freiheitsgrade begrenzt ist. Insbesondere ist der Schaft 28 an einem gewissen Punkt entlang seiner Länge derart eingeschränkt, dass er sich mit vier Freiheitsgrader innerhalb des Körpers des Patienten bewegen kann.
  • Eine mechanische Vorrichtung 25 zum Koppeln einer mechanischen Eingabe und Ausgabe ist innerhalb des "Körpers" des Patienten in Phantomlinien gezeigt. Wenn auf dem Computerbildschirm eine Oberfläche erzeugt wird, sendet der Computer Rückkopplungssignale zum Instrument 18 und zur' mechanischen Vorrichtung 25, die Stellglieder zum Erzeugen von Kräften als Reaktion auf die Position eines virtuellen Laparoskopinstruments relativ zu der auf dem Computerbildschirm dargestellten Oberfläche aufweist. Eine Kraft wird beispielsweise durch Speisen der Stellglieder entsprechend zu den auf dem Bildschirm dargestellten Bildern aufgebracht. Die mechanische Vorrichtung 25 wird mit Bezug auf die 2 und 12 genauer gezeigt.
  • Obwohl ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf das Laparoskopinstrument 18 erörtert wird, ist zu erkennen, dass eine große Anzahl von anderen Arten von Objekten mit dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung kann tatsächlich mit einem beliebigen mechanischen Objekt verwendet werden, wenn es erwünscht ist, eine Mensch/Computer-Schnittstelle mit ein bis sechs Freiheitsgraden bereitzustellen. Solche Objekte können Endoskop- oder andere ähnliche chirurgische Instrumente, die in medizinischen Prozeduren verwendet werden, Katheter, Injektionsnadeln, Drähte, faseroptische Bündel, Griffel, Steuerhebel, Schraubenzieher, Billardqueues usw. umfassen.
  • Einige von diesen anderen Objekten werden anschließend im einzelnen beschrieben.
  • Die elektronische Schnittstelle 14 ist eine Komponente der Mensch/Computer-Schnittstellenvorrichtung 12 und kann die Vorrichtung 12 mit dem Hauptrechner 16 koppeln. Die elektronische Schnittstelle 14 kann innerhalb eines Gehäuses einer mechanischen Vorrichtung 25 enthalten sein oder als separate Einheit vorgesehen sein, wie in 1 gezeigt. Insbesondere wird die Schnittstelle 14 in bevorzugten Ausführungsbeispielen verwendet, um die verschiedenen Stellglieder und Sensoren der Vorrichtung 25 (nachstehend im einzelnen beschrieben) mit dem Computer 16 zu koppeln. Ein geeignetes Ausführungsbeispiel der Schnittstelle 14 wird im einzelnen mit Bezug auf 9 beschrieben, in der die Schnittstelle eine zweckorientierte Schnittstellenkarte, die in den Computer 16 eingesteckt werden soll, umfassen kann. Ein anderes Ausführungsbeispiel 14' der Schnittstelle 14 wird mit Bezug auf 20 im einzelnen beschrieben, in welcher die Schnittstelle einen zur Vorrichtung 12 lokalen Mikroprozessor umfasst und über eine langsamere, serielle Schnittstelle oder eine parallele Schnittstelle mit dem Computer 16 gekoppelt sein kann.
  • Die elektronische Schnittstelle 14 kann mit der mechanischen Vorrichtung 25 der Vorrichtung 12 durch ein Kabel 30 gekoppelt sein (oder kann innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung 12 enthalten sein) und ist mit dem Computer 16 durch ein Kabel 32 gekoppelt (oder kann unter Verwendung einer Schnittstellenkarte direkt mit dem Computer verbunden sein). In anderen Ausführungsbeispielen können Signale zu und von der Schnittstelle 14 und dem Computer 16 durch drahtlose Übertragung und drahtlosen Empfang gesandt werden. In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 14 nur als Eingabevorrichtung für den Computer 16. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 14 nur als Ausgabevorrichtung für den Computer 16. In bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 14 als Eingabe/Ausgabe- (E/A) Vorrichtung für den Computer 16. Die Schnittstelle 14 kann auch Eingangssignale von anderen Eingabevorrichtungen oder Bedienelementen empfangen, die mit der Vorrichtung 12 verbunden sind, und kann diese Eingangssignale an den Computer 16 weiterleiten. Befehle, die vom Benutzer gesandt werden, der eine Taste an der Vorrichtung 12 aktiviert, können beispielsweise zum Computer 16 weitergeleitet werden, um einen Befehl zu implementieren oder den Computer 16 zu veranlassen, einen Befehl an die Vorrichtung 12 auszugeben. Solche Eingabevorrichtungen werden mit Bezug auf 24 genauer beschrieben.
  • In 2 ist eine perspektivische Ansicht der mechanischen Vorrichtung 25 zum Vorsehen einer mechanischen Eingabe und Ausgabe gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 25 umfasst einen Kardanmechanismus 38 und ein Linearachsenelement 40. Ein Benutzerobjekt 44 ist vorzugsweise mit dem Linearachsenelement 40 gekoppelt.
  • Der Kardanmechanismus 38 sieht im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Stütze für die Vorrichtung 25 auf einer mit dem Grund gekoppelten Oberfläche 56 (schematisch als Teil des Elements 46 dargestellt) vor. Der Kardanmechanismus 38 ist vorzugsweise ein fünfgliedriges Gestänge, das ein Grundelement 46, Verlängerungselemente 48a und 48b und zentrale Elemente 50a und 50b umfasst. Das Grundelement 46 ist mit einer Basis oder Oberfläche gekoppelt, die Stabilität für die Vorrichtung 25 vorsieht. Das Grundelement 46 ist in 2 als zwei separate Elemente gezeigt, die durch die mit dem Grund gekoppelte Oberfläche 56 miteinander gekoppelt sind. Die Elemente des Kardanmechanismus 38 sind durch die Verwendung von drehbaren Lagern oder Drehzapfen drehbar miteinander gekoppelt, wobei das Verlängerungselement 48a durch ein Lager 43a drehbar mit dem Grundelement 46 gekoppelt ist und sich um eine Achse A drehen kann, das zentrale Element 50a durch ein Lager 45a drehbar mit dem Verlängerungselement 48a gekoppelt ist und sich um die schwebende Achse D drehen kann, das Verlängerungselement 48b durch ein Lager 43b drehbar mit dem Grundelement 46 gekoppelt ist und sich um die Achse B drehen kann, das zentrale Element 50b durch ein Lager 45b drehbar mit dem Verlängerungselement 48b gekoppelt ist und sich um die schwebende Achse E drehen kann, und das zentrale Element 50a durch ein Lager 47 an einem Mittelpunkt P am Schnittpunkt der Achsen D und E drehbar mit dem zentralen Element 50b gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das zentrale Element 50a mit einem drehbaren Teil 47a des Lagers 47 gekoppelt und das zentrale Element 50b ist mit dem anderen drehbaren Teil 47b des Lagers 47 gekoppelt. Die Achsen D und E sind in der Hinsicht "schwebend", dass sie nicht in einer Position fest sind wie die Achsen A und B. Die Achsen A und B sind im Wesentlichen zueinander senkrecht. Wie hierin verwendet, bedeutet "im Wesentlichen senkrecht", dass zwei Objekte oder Achsen exakt oder fast senkrecht sind, d.h. zumindest innerhalb fünf Grad oder zehn Grad senkrecht oder bevorzugter innerhalb von weniger als einem Grad senkrecht. Ebenso bedeutet der Begriff "im Wesentlichen parallel; dass zwei Objekte oder Achsen exakt oder fast parallel sind, d.h. zumindest innerhalb fünf oder zehn Grad parallel sind und vorzugsweise innerhalb von weniger als einem Grad parallel sind.
  • Der Kardanmechanismus 38 ist als geschlossene Kette mit fünf Elementen ausgebildet. Jedes Ende von einem Element ist mit dem Ende eines anderen Elements gekoppelt. Das fünfgliedrige Gestänge ist derart angeordnet, dass das Verlängerungselement 48a, das zentrale Element 50a und das zentrale Element 50b um die Achse A in einem ersten Freiheitsgrad gedreht werden können. Das Gestänge ist auch derart angeordnet, dass das Verlängerungselement 48b, das zentrale Element 50b und das zentrale Element 50a um die Achse B in einem zweiten Freiheitsgrad gedreht werden können. Wenn das Objekt 44 im "Ursprung" angeordnet ist, wie in 2 gezeigt, beträgt ein Winkel θ zwischen den zentralen Elementen 50a und 50b etwa 90 Grad. Wenn das Objekt 44 um eine oder beide Achsen A und B gedreht wird, bewegen sich die zentralen Elemente in zwei Weisen: Drehung um die Achse D oder E durch das Lager 45b und/oder 45a und Drehung um die Achse C durch das Lager 47, so dass sich der Winkel θ ändert. Wenn das Objekt 44 beispielsweise in die Seite von 2 vom Betrachter weg oder aus der Ebene der Seite zum Betrachter hin bewegt wird, nimmt der Winkel θ ab. Wenn das Objekt nach links oder rechts bewegt wird, wie in 2 gezeigt, nimmt der Winkel θ zu.
  • Das Linearachsenelement 40 ist vorzugsweise ein langgestrecktes, stabartiges Element, das mit dem zentralen Element 50a und dem zentralen Element 50b am Schnittpunkt P der Achsen A und B gekoppelt ist. Wie in 1 gezeigt, kann das Linearachsenelement 40 als Schaft 28 des Benutzerobjekts 44 verwendet werden. In anderen Ausführungsbeispielen ist das Linearachsenelement 40 mit einem anderen Objekt gekoppelt. Das Linearachsenelement 40 ist mit dem Kardanmechanismus 38 derart gekoppelt, dass es sich aus der durch die Achse A und die Achse B festgelegten Ebene herauserstreckt. Das Linearachsenelement 40 kann durch Drehen des Verlängerungselements 48a, des zentralen Elements 50a und des zentralen Elements 50b in einem ersten Drehfreiheitsgrad, der als Pfeillinie 51 gezeigt ist, um die Achse A gedreht werden. Das Element 40 kann durch Drehen des Verlängerungselements 50b und der zwei zentralen Elemente um die Achse B in einem zweiten Drehfreiheitsgrad, der durch die Pfeillinie 52 gezeigt ist, auch um die Achse B gedreht werden. Da es auch parallelverschiebbar mit den Enden der zentralen Elemente 50a und 50b gekoppelt ist, kann das Linearachsenelement 40 unabhängig bezüglich des Kardanmechanismus 38 entlang der schwebenden Achse C linear parallelverschoben werden, was einen dritten Freiheitsgrad bereitstellt, wie durch die Pfeile 53 gezeigt. Die Achse C kann natürlich um eine oder beide Achsen A und B gedreht werden, wenn das Element 40 um diese Achsen gedreht wird.
  • Mit dem Kardanmechanismus 38 und dem Linearachsenelement 40 sind auch vorzugsweise Wandler wie z.B. Sensoren und Stellglieder gekoppelt. Solche Wandler sind vorzugsweise an den Verbindungspunkten zwischen Elementen der Vorrichtung gekoppelt und sehen eine Eingabe in ein und Ausgabe aus einem elektrischen System wie z.B. dem Computer 16 vor. Wandler, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden mit Bezug auf 3 genauer beschrieben.
  • Das Benutzerobjekt 44 ist mit der Vorrichtung 25 gekoppelt und ist vorzugsweise ein Schnittstellenobjekt, das ein Benutzer ergreifen oder anderweitig im dreidimensionalen (3D) Raum bedienen soll. Ein Beispiel eines Benutzerobjekts 44 ist der Griff 26 eines Laparoskopinstruments 18, wie in 1 gezeigt. Der Schaft 28 des Instruments 18 kann als Teil des Linearachsenelements 40 implementiert werden. Andere in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebene Beispiele umfassen einen Griffel und einen Steuerhebel. Das Benutzerobjekt 44 kann in allen drei Freiheitsgraden, die vom Kardanmechanismus 38 und vom Linearachsenelement 40 bereitgestellt werden, und zusätzlichen Freiheitsgraden bewegt werden, wie nachstehend beschrieben. Wenn das Benutzerobjekt 44 um die Achse A bewegt wird, verändert die schwebende Achse D ihre Position, und wenn das Benutzerobjekt 44 um die Achse B bewegt wird, verändert die schwebende Achse E ihre Position. Die schwebenden Achsen E und D fallen mit den festen Achsen A bzw. B zusammen, wenn sich das Benutzerobjekt in einer zentralen Position befindet, wie in 2 gezeigt.
  • Die 3 und 4 sind perspektivische Ansichten eines speziellen Ausführungsbeispiels einer mechanischen Vorrichtung 25' zum Liefern einer mechanischen Eingabe und Ausgabe zu einem Computersystem gemäß der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt eine Vorderansicht der Vorrichtung 25' und 4 zeigt eine Rückansicht der Vorrichtung. Die Vorrichtung 25' umfasst einen Kardanmechanismus 38, ein Linearachsenelement 40 und Wandler 42. Ein Benutzerobjekt 44, das in diesem Ausführungsbeispiel als Laparoskopinstrument mit einem Griffteil 26 dargestellt ist, ist mit der Vorrichtung 25' gekoppelt. Die Vorrichtung 25' arbeitet im Wesentlichen in derselben Weise wie die mit Bezug auf 2 beschriebene Vorrichtung 25.
  • Der Kardanmechanismus 38 sieht eine Stütze für die Vorrichtung 25' auf einer mit dem Grund gekoppelten Oberfläche 56 wie z.B. einer Tischoberseite oder einer ähnlichen Oberfläche vor. Die Elemente und Gelenke ("Lager") des Kardanmechanismus 38 bestehen vorzugsweise aus einem leichtgewichtigen, starren, steifen Metall wie z.B. Aluminium, können jedoch auch aus anderen starren Materialien wie z.B. anderen Metallen, Kunststoff usw. bestehen. Der Kardanmechanismus 38 umfasst ein Grundelement 46, einen Haspelantriebsmechanismus 58, Verlängerungselemente 48a und 48b, ein zentrales Antriebselement 50a und ein zentrales Verbindungselement 50b. Das Grundelement 46 umfasst ein Basiselement 60 und vertikale Stützelemente 62. Das Basiselement 60 ist mit der mit dem Grund gekoppelten Oberfläche 56 gekoppelt und sieht zwei äußere vertikale Oberflächen 61 vor, die sich in einer im Wesentlichen senkrechten Beziehung zueinander befinden. Ein vertikales Stützelement 62 ist mit jeder dieser äußeren Oberflächen des Basiselements 60 gekoppelt, so dass sich die vertikalen Elemente 62 in einer ähnlichen Beziehung von im Wesentlichen 90 Grad zueinander befinden.
  • Ein Göpel-bzw. Haspelantriebsmechanismus 58 ist vorzugsweise mit jedem vertikalen Element 62 gekoppelt. Haspelantriebsmechanismen 58 sind im Kardanmechanismus 38 vorgesehen, um einen mechanischen Vorteil bereitzustellen, ohne Reibung und einen toten Gang in das System einzuführen. Eine Haspeltrommel 59 jedes Haspelantriebsmechanismus ist drehbar mit einem entsprechenden vertikalen Stützelement 62 gekoppelt, um Drehachsen A und B zu bilden, die den Achsen A und B entsprechen, wie in 1 gezeigt. Die Haspelantriebsmechanismen 58 werden mit Bezug auf 5 genauer beschrieben.
  • Das Verlängerungselement 48a ist mit der Haspeltrommel 59 starr gekoppelt und wird um die Achse A gedreht, wenn die Haspeltrommel 59 gedreht wird. Ebenso ist das Verlängerungselement 48b starr mit der anderen Haspeltrommel 59 gekoppelt und kann um die Achse B gedreht werden. Beide Verlängerungselemente 48a und 48b sind in einem Winkel von im Wesentlichen 90 Grad ausgebildet, wobei ein kurzes Ende 49 mit der Haspeltrommel 59 gekoppelt ist. Das zentrale Antriebselement 50a ist drehbar mit einem langen Ende 55 des Verlängerungselements 48a gekoppelt und erstreckt sich in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung zur Achse B. Ebenso ist das zentrale Verbindungselement 50b mit dem langen Ende des Verlängerungselements 48b drehbar gekoppelt und erstreckt sich in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung zur Achse A (wie in 4 besser zu sehen). Das zentrale Antriebselement 50a und das zentrale Verbindungselement 50b sind im Drehzentrum des Kardanmechanismus, welches der Schnittpunkt P der Achsen A und B ist, drehbar miteinander gekoppelt. Das Lager 64 verbindet die zwei zentralen Elemente 50a und 50b am Schnittpunkt P miteinander.
  • Der Kardanmechanismus 38 sieht zwei Freiheitsgrade für ein Objekt vor, das am Drehmittelpunkt P angeordnet ist oder mit diesem gekoppelt ist. Ein am Punkt P befindliches oder mit diesem gekoppeltes Objekt kann um die Achse A und B gedreht werden oder eine Kombination einer Drehbewegung um diese Achsen aufweisen.
  • Das Linearachsenelement 40 ist ein zylindrisches Element, das vorzugsweise mit den zentralen Elementen 50a und 50b am Schnittpunkt P gekoppelt ist. In alternativen Ausführungsbeispielen kann das Linearachsenelement 40 ein nicht-zylindrisches Element mit einem Querschnitt beispielsweise eines Quadrats oder eines anderen Vielecks sein. Das Element 40 ist durch das Zentrum des Lagers 64 hindurch und durch Löcher in den zentralen Elementen 50a und 50b hindurch angeordnet. Das Linearachsenelement kann entlang der Achse C linear parallelverschoben werden, was einen dritten Freiheitsgrad für das Benutzerobjekt 44, das mit dem Linearachsenelement gekoppelt ist, vorsieht. Das Linearachsenelement 40 kann vorzugsweise durch einen Wandler 42 unter Verwendung eines Haspelantriebsmechanismus ähnlich dem Haspelantriebsmechanismus 58 parallelverschoben werden. Die Parallelverschiebung des Linearachsenelements 40 wird mit Bezug auf 6 genauer beschrieben.
  • Wandler 42 sind vorzugsweise mit dem Kardanmechanismus 38 gekoppelt, um Eingangs- und Ausgangssignale zwischen der mechanischen Vorrichtung 25' und dem Computer 16 zu liefern. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel umfassen die Wandler 42 zwei mit dem Grund gekoppelte Wandler 66a und 66b, einen zentralen Wandler 68 und einen Wellenwandler 70. Das Gehäuse des mit dem Grund gekoppelten Wandlers 66a ist vorzugsweise mit dem vertikalen Stützelement 62 gekoppelt und umfasst vorzugsweise sowohl ein Stellglied zum Vorsehen einer Kraft in dem oder ansonsten zum Beeinflussen des ersten Drehfreiheitsgrades um die Achse A und einen Sensor zum Messen der Position des Objekts 44 in oder ansonsten beeinflusst durch den ersten Freiheitsgrad um die Achse A, d.h. der Wandler 66a ist dem ersten Freiheitsgrad "zugeordnet" oder "betrifft" diesen. Eine Drehwelle des Stellgliedes 66a ist mit einer Seilrolle des Haspelantriebsmechanismus 58 gekoppelt, um eine Eingabe und Ausgabe entlang des ersten Freiheitsgrades zu übertragen. Der Haspelantriebsmechanismus 58 wird mit Bezug auf 5 genauer beschrieben. Der mit dem Grund gekoppelte Wandler 66b entspricht vorzugsweise dem mit dem Grund gekoppelten Wandler 66a in der Funktion und im Betrieb. Der Wandler 66b ist mit dem anderen vertikalen Stützelement 62 gekoppelt und ist ein Stellglied/Sensor, das/der den zweiten Drehfreiheitsgrad um die Achse B beeinflusst oder durch diesen beeinflusst wird.
  • Die mit dem Grund gekoppelten Wandler 66a und 66b sind vorzugsweise bidirektionale Wandler, die Sensoren und Stellglieder umfassen. Die Sensoren sind vorzugsweise relative optische Codierer, die Signale zum Messen der Winkeldrehung einer Welle des Wandlers liefern. Die elektrischen Ausgangssignale der Codierer werden über Busse 67a und 67b zur Computerschnittstelle 14 geleitet und werden mit Bezug auf 9 detailliert dargestellt. Andere Arten von Sensoren können auch verwendet werden, wie z.B. Potentiometer usw. Außerdem ist es auch möglich, kontaktlose Sensoren in verschiedenen Positionen relativ zur mechanischen Vorrichtung 25 zu verwenden. Ein Polhemus(magnetischer) Sensor kann beispielsweise Magnetfelder von Objekten erfassen; oder ein optischer Sensor wie z.B. eine Seiteneffekt-Photodiode umfasst ein Emitter/Detektor-Paar, das beispielsweise Positionen des Emitters bezüglich des Detektors in einem oder mehreren Freiheitsgraden erfasst; eine Photodiode von Hamamatsu Co., Teil S1743, kann beispielsweise verwendet werden. Diese Arten von Sensoren können die Positionen des Objekts 44 in speziellen Freiheitsgraden erfassen, ohne mit einem Gelenk der mechanischen Vorrichtung gekoppelt werden zu müssen. Alternativ können die Sensoren an anderen Stellen einer relativen Bewegung oder an Gelenken der mechanischen Vorrichtung 25 angeordnet sein.
  • Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung sowohl absolute als auch relative Sensoren verwenden kann. Ein absoluter Sensor ist einer, bei dem der Winkel des Sensors in absoluter Hinsicht bekannt ist, wie z.B. bei einem analogen Potentiometer. Relative Sensoren liefern nur eine relative Winkelinformation und erfordern somit eine gewisse Form eines Kalibrierungsschritts, der eine Bezugsposition für die relative Winkelinformation vorsieht. Die hierin beschriebenen Sensoren sind hauptsächlich relative Sensoren. Folglich ist ein Kalibrierungsschritt nach dem Systemhochfahren impliziert, in dem die welle des Sensors in einer bekannten Position innerhalb der Vorrichtung 25' angeordnet wird und ein Kalibrierungssignal zum System geliefert wird, um die vorstehend erwähnte Bezugsposition vorzusehen. Alle von den Sensoren gelieferten Winkel sind danach relativ zu dieser Bezugsposition. Solche Kalibrierungsverfahren sind Fachleuten gut bekannt und werden daher hierin nicht im einzelnen erörtert.
  • Die Wandler 66a und 66b umfassen vorzugsweise auch Stellglieder. Diese Stellglieder können von zwei Arten sein: aktive Stellglieder und passive Stellglieder. Aktive Stellglieder umfassen lineare Stromsteuermotoren, Schrittmotoren, pneumatische/hydraulische aktive Stellglieder und andere Arten von Stellgliedern, die eine Kraft übertragen, um ein Objekt zu bewegen. Aktive Stellglieder können beispielsweise eine Drehwelle um eine Achse in einem Drehfreiheitsgrad antreiben oder eine lineare Welle entlang eines linearen Freiheitsgrades antreiben. Aktive Wandler der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise bidirektional, was bedeutet, dass sie selektiv eine Kraft entlang beider Richtungen eines Freiheitsgrades übertragen können. Gleichstrom-Servomotoren können beispielsweise Kraftsteuersignale empfangen, um die Richtung und das Drehmoment (Kraftausgabe) zu steuern, das an einer Welle erzeugt wird. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel werden aktive lineare Stromsteuermotoren wie z.B. Gleichstrom-Servomotoren verwendet. Die Steuersignale für den Motor werden von der Computerschnittstelle 14 auf Steuerbussen 67a und 67b erzeugt und werden mit Bezug auf 9 detailliert dargestellt. Die Motoren können Bremsen umfassen, die ermöglichen, dass die Drehung der Welle in einer kurzen Zeitspanne angehalten wird. Die Sensoren und Stellglieder in den Wandlern 42 können auch zusammen als Sensor/Stellglied-Paar-Wandler enthalten sein. Ein geeigneter Wandler für die vorliegende Erfindung mit sowohl einem optischen Codierer als auch einem stromgesteuerten Motor ist ein Servomotor mit Korbwicklung mit 20 W, der von Maxon hergestellt wird.
  • In alternativen Ausführungsbeispielen können auch andere Arten von aktiven Motoren verwendet werden, wie z.B. Schrittmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren, pneumatische/hydraulische Stellglieder, ein Drehmomentmotor (Motor mit begrenztem Winkelbereich) oder eine Schwingspule, die Fachleuten gut bekannt sind. Schwingspulen werden mit Bezug auf 18 genauer beschrieben. Schrittmotoren und dergleichen sind nicht so gut geeignet, da die Schrittmotorsteuerung die Verwendung von Schritten oder Impulsen beinhaltet, die vom Benutzer als Impulse gespürt werden können, wobei die virtuelle Simulation folglich gefährdet wird. Die vorliegende Erfindung eignet sich besser für die Verwendung von linearen stromgesteuerten Motoren, die dieses Rauschen nicht aufweisen.
  • Passive Stellglieder können auch in den Wandlern 66a, 66b und 68 verwendet werden. Magnetteilchenbremsen, Reibungsbremsen oder pneumatische/hydraulische passive Stellglieder können zusätzlich zu oder anstelle eines Motors verwendet werden, um einen Dämpfungswiderstand oder eine Reibung in einem Freiheitsgrad zu erzeugen. Ein alternatives bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das nur passive Stellglieder umfasst, kann nicht so realistisch sein wie ein Ausführungsbeispiel mit Motoren; die passiven Stellglieder sind jedoch typischerweise für einen Benutzer sicherer, da der Benutzer nicht gegen erzeugte Kräfte ankämpfen muss. Passive Stellglieder können typischerweise nur einen bidirektionalen Widerstand gegen einen Freiheitsgrad vorsehen. Eine geeignete Magnetteilchenbremse für die Schnittstellenvorrichtung 14 ist von Force Limited, Inc., in Santa Monica, Kalifornien, erhältlich.
  • In anderen Ausführungsbeispielen können alle oder einige der Wandler 42 nur Sensoren umfassen, um eine Vorrichtung ohne Kraftrückkopplung entlang festgelegter Freiheitsgrade bereitzustellen. Ebenso können alle oder einige der Wandler 42 als Stellglieder ohne Sensoren implementiert werden, um nur eine Kraftrückkopplung bereitzustellen.
  • Außerdem können in einigen Ausführungsbeispielen passive (oder "viskose") Dämpferelemente an den Lagern der Vorrichtung 25 vorgesehen sein, um Energie vom System zu entfernen und die dynamische Stabilität des mechanischen Systems absichtlich zu erhöhen. Dies kann die Nebenwirkung der Verschlechterung der Bandbreite des Systems haben; wenn jedoch andere Faktoren wie z.B. die Geschwindigkeit des Prozessors 410 (siehe 24), die Geschwindigkeit der Stellgliedsteuerung und die Positionsfeststellungsauflösung die Bandbreite bereits verschlechtern, dann können solche Dämpfer annehmbar sein. Kostengünstige Kunststoffdämpfer wie z.B. Rotationsdämpfer, die von Fastex/Deltar hergestellt werden, können beispielsweise in gewünschten Lagerpositionen angeordnet werden und von diesen kann ein Ende mit dem Grund gekoppelt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann die passive Dämpfung unter Verwendung der elektromotorischen Gegenkraft (EMF) der Stellglieder 42 eingeführt werden, um Energie aus dem System zu entfernen. Dies kann auch unter Verwendung eines Nebenschlusswiderstandes, der über die Anschlüsse eines Motors oder der Spulen eines Schwingspulen-Stellgliedes gekoppelt ist, durchgeführt werden. Passive Bremsen, wie vorstehend erwähnt, können auch verwendet werden. Außerdem können in den Schwingspulen-Ausführungsbeispielen (siehe 18–22) mehrere Drahtspulen vorgesehen werden, wobei einige der Spulen verwendet werden können, um eine Gegen-EMF und Dämpfungskräfte vorzusehen.
  • Der zentrale Wandler 68 ist mit dem zentralen Antriebselement 50a gekoppelt und umfasst vorzugsweise ein Stellglied zum Liefern einer Kraft im linearen dritten Freiheitsgrad entlang der Achse C und einen Sensor zum Messen der Position des Objekts 44 entlang des dritten Freiheitsgrades. Die Drehwelle des zentralen Wandlers 68 ist mit einer Parallelverschiebungs-Schnittstelle gekoppelt, die mit dem zentralen Antriebselement 50a gekoppelt ist, welche mit Bezug auf 6 genauer beschrieben wird. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der zentrale Wandler 68 eine Kombination aus optischem Codierer und Gleichstrom-Servomotor ähnlich den vorstehend beschriebenen Stellgliedern 66a und 66b.
  • Die Wandler 66a, 66b und 68 des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind vorteilhafterweise angeordnet, um ein sehr geringes Ausmaß an Trägheit für das Benutzerhandhabungsobjekt 44 vorzusehen. Der Wandler 66a und der Wandler 66b sind abgekoppelt, was bedeutet, dass die Wandler beide direkt mit dem Grundelement 46 gekoppelt sind, das mit der Grundfläche 56 gekoppelt ist, d.h. die Grundfläche trägt das Gewicht der Wandler, nicht das Benutzerhandhabungsobjekt 44. Die Gewichte und Trägheit der Wandler 66a und 66b sind somit im Wesentlichen für ein Benutzerhandhabungs- und -bewegungsobjekt 44 vernachlässigbar. Dies sieht eine realistischere Schnittstelle für ein System für virtuelle Realität vor, da der Computer die Wandler steuern kann, um im Wesentlichen alle Kräfte bereitzustellen, die vom Benutzer in diesen Bewegungsgraden gespürt werden. Die Vorrichtung 25' ist ein Kraftrückkopplungssystem mit hoher Bandbreite, was bedeutet, dass Hochfrequenzsignale verwendet werden können, um die Wandler 42 zu steuern, und diese Hochfrequenzsignale werden an das Benutzerobjekt mit hoher Präzision, Genauigkeit und Zuverlässigkeit angelegt. Der Benutzer spürt sehr wenig Nachgiebigkeit oder "Breiigkeit" bei der Handhabung des Objekts 44 aufgrund der hohen Bandbreite. Im Gegensatz dazu "bewegt" sich in typischen Anordnungen des Standes der Technik von Schnittstellen mit mehreren Freiheitsgraden ein Stellglied auf einem anderen Stellglied in einer seriellen Kette von Verbindungen und Stellgliedern. Diese Anordnung mit niedriger Bandbreite verursacht, dass der Benutzer die Trägheit von gekoppelten Stellgliedern spürt, wenn er ein Objekt bedient.
  • Der zentrale Wandler 68 ist nahe dem Drehzentrum von zwei Drehfreiheitsgraden angeordnet. Obwohl der Wandler 68 nicht mit dem Grund gekoppelt ist, ermöglicht seine zentrale Position einen minimalen Trägheitsbeitrag zur mechanischen Vorrichtung 25' entlang der vorgesehenen Freiheitsgrade. Ein Benutzer, der das Objekt 44 bedient, spürt somit minimale Trägheitseffekte vom Gewicht der Wandler 66a, 66b und 68.
  • Der Wellenwandler 70 umfasst vorzugsweise einen Sensor und ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, um einen vierten Freiheitsgrad für das Objekt 44 zu messen. Der Wellenwandler 70 ist vorzugsweise am Ende des Linearachsenelements 40 angeordnet, welches zum Objekt 44 entgegengesetzt liegt, und misst die Drehposition des Objekts 44 um die Achse C im vierten Freiheitsgrad, wie durch den Pfeil 72 angegeben. Der Wellenwandler 70 wird mit Bezug auf 6 und 6b genauer beschrieben. Vorzugsweise wird der Wellenwandler 72 unter Verwendung eines optischen Codierers ähnlich den vorstehend beschriebenen Codierern implementiert. Ein geeigneter Eingangswandler zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Codierermodell SI, das von U.S. Digital in Vancouver, Washington, vermarktet wird. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst der Wellenwandler 70 nur einen Sensor und kein Stellglied. Dies liegt daran, dass für typische medizinische Prozeduren, was eine beabsichtigte Anwendung für das in den 3 und 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist, eine Drehkraftrückkopplung für einen Benutzer um die Achse C typischerweise nicht erforderlich ist, um tatsächliche Operationsbedingungen zu simulieren. In alternativen Ausführungsbeispielen kann jedoch ein Stellglied wie z.B. ein Motor im Wellenwandler 70 ähnlich den Wandlern 66a, 66b und 68 enthalten sein.
  • Das Objekt 44 ist in den 3 und 4 als Griffteil 26 eines Laparoskopinstruments ähnlich dem in 1 gezeigten Instrument gezeigt. Der Schaftteil 28 ist als Linearachsenelement 40 implementiert. Ein Benutzer kann das Laparoskopinstrument um die Achsen A und B bewegen und kann das Instrument entlang der Achse C parallel verschieben und das Instrument um die Achse C drehen. Die Bewegungen in diesen vier Freiheitsgraden werden vom Computersystem 16 abgetastet und verfolgt. Die Kräfte können vorzugsweise in den ersten drei Freiheitsgraden vom Computersystem aufgebracht werden, um das Instrument, das auf einen Teil des betreffenden Körpers auftrifft, zu simulieren, wobei ein Widerstand bei der Bewegung durch Gewebe usw. erfahren wird.
  • Wahlweise können zusätzliche Wandler zur Vorrichtung 25' hinzugefügt werden, um zusätzliche Freiheitsgrade für das Objekt 44 vorzusehen. Ein Wandler kann beispielsweise zum Griff 26 des Laparoskopinstruments 18 hinzugefügt werden, um festzustellen, wenn der Benutzer die zwei Teile 26a und 26b relativ zueinander bewegt, um das Ausstrecken der Schneidklinge des Instruments zu simulieren. Ein solcher Laparoskopinstrumentsensor ist in der US-Patentanmeldung Seriennr. 08/275 120, eingereicht am 14. Juli 1994 und mit dem Titel "Method and Apparatus for Providing Mechanical I/O for Computer Systems", auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen und durch den Hinweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen, beschrieben.
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Haspelantriebsmechanismus 58, der in gewissem Detail dargestellt ist. Als Beispiel ist der Antriebsmechanismus 58, der mit einem Verlängerungsarm 48b gekoppelt ist, gezeigt; der andere Haspelantrieb 58, der mit dem verlängerungsarm 48a gekoppelt ist, ist zum hier dargestellten Mechanismus im Wesentlichen ähnlich. Der Haspelantriebsmechanismus 58 umfasst eine Haspeltrommel 59, eine Haspelseilrolle 76 und einen Anschlag 78. Die Haspeltrommel 59 ist vorzugsweise ein keilförmiges Element mit einem Schenkelteil 82 und einem gekrümmten Teil 84. Andere Formen des Elements 59 können auch verwendet werden. Der Schenkelteil 82 ist mit dem vertikalen Stützelement 62 an der Achse B (oder Achse A für den entgegengesetzten Haspelantriebsmechanismus) drehbar gekoppelt. Das Verlängerungselement 48b ist starr mit dem Schenkelteil 82 gekoppelt, so dass, wenn die Haspeltrommel 59 um die Achse B gedreht wird, das Verlängerungselement 48b auch gedreht wird und die Position relativ zum Schenkelteil 82 aufrechterhält, wie in 5 gezeigt. Der gekrümmte Teil 84 koppelt die zwei Enden des Schenkelteils 82 miteinander und ist vorzugsweise in einem um die Achse B zentrierten Bogen ausgebildet. Der gekrümmte Teil 84 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass seine untere Kante 86 etwa 0,030 Inch oberhalb der Seilrolle 76 liegt.
  • Das Seil 80 ist vorzugsweise ein dünnes Metallseil, das mit dem gekrümmten Teil 84 der Haspeltrommel verbunden ist. Andere Arten von haltbaren Seilen, Kordeln, Draht usw. können ebenso verwendet werden. Das Seil 80 ist an einem ersten Ende am gekrümmten Teil 84 nahe einem Ende des Schenkelteils 82 befestigt und ist straff gegen die Außenfläche 86 des gekrümmten Teils 84 gezogen. Das Seil 80 ist mehrere Male um die Seilrolle 76 gewickelt und ist dann wieder straff gegen die Außenfläche 86 gezogen. Das zweite Ende des Seils 80 ist fest am anderen Ende des gekrümmten Teils 84 nahe dem entgegengesetzten Schenkel des Schenkelteils 82 befestigt. Das Seil überträgt eine Drehkraft von der Seilrolle 76 auf die Haspeltrommel 59, was bewirkt, dass sich die Haspeltrommel 59 um die Achse B dreht, wie nachstehend erläutert. Das Seil überträgt auch eine Drehkraft von der Trommel 59 auf die Seilrolle und den Wandler 66b. Die Spannung im Seil 80 sollte auf einem Niveau liegen, so dass ein vernachlässigbarer toter Gang oder Spiel zwischen der Haspeltrommel 59 und der Seilrolle 76 auftritt. Vorzugsweise kann die Spannung des Seils 80 durch Ziehen von mehr (oder weniger) der Seillänge durch ein Ende des gekrümmten Teils 84 eingestellt werden. Kappen 81 an den Enden des gekrümmten Teils 84 können verwendet werden, um das Seil 80 leicht zu spannen. Jede Kappe 81 ist vorzugsweise eng mit dem Seil 80 gekoppelt und umfasst einen Drehpunkt und eine Spannschraube, die ermöglichen, dass sich die Kappe in einer Richtung bewegt, die durch den Pfeil 83 angegeben ist, um das Seil 80 zu spannen.
  • Die Haspelseilrolle 76 ist ein mit Gewinde versehener Metallzylinder, der eine Drehkraft vom Wandler 66b auf die Haspeltrommel 59 und von der Haspeltrommel 59 auf den Wandler 66b überträgt. Die Seilrolle 76 ist mit dem vertikalen Stützelement 62 durch eine Welle 88 (in 5a gezeigt) drehbar gekoppelt, welche durch eine Bohrung des vertikalen Elements 62 angeordnet und starr an der Seilrolle 76 befestigt ist. Der Wandler 66b ist mit der Seilrolle 76 durch die Welle 88 durch das vertikale Stützelement 62 gekoppelt. Die Drehkraft wird vom Wandler 66b auf die Seilrolle 76 aufgebracht, wenn das Stellglied des Wandlers 66b die Welle dreht. Die Seilrolle überträgt wiederum die Drehkraft auf das Seil 80 und bringt folglich die Haspeltrommel 59 dazu, sich in einer Richtung um die Achse B zu drehen. Das Verlängerungselement 48b dreht sich mit der Haspeltrommel 59, wobei folglich eine Kraft entlang des zweiten Freiheitsgrades für das Objekt 44 bewirkt wird. Man beachte, dass die Seilrolle 76, die Haspeltrommel 59 und das Verlängerungselement 48b sich nur tatsächlich drehen, wenn der Benutzer nicht dasselbe Ausmaß oder ein größeres Ausmaß an Drehkraft auf das Objekt 44 in der entgegengesetzten Richtung aufbringt, um die Drehbewegung aufzuheben. In jedem Fall spürt der Benutzer die Drehkraft entlang des zweiten Freiheitsgrades im Objekt 44 als Kraftrückkopplung.
  • Der Haspelmechanismus 58 sieht einen mechanischen Vorteil für die Vorrichtung 25' vor, so dass die Kraftausgabe der Stellglieder erhöht werden kann. Das Verhältnis des Durchmessers der Seilrolle 76 zum Durchmesser der Haspeltrommel 59 (d.h. der doppelte Abstand von der Achse B zur unteren Kante 86 der Haspeltrommel 59) gibt das Ausmaß des mechanischen Vorteils ähnlich einem Zahnradsystem vor. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der Trommel zur Seilscheibe gleich 15:1, obwohl andere Verhältnisse in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden können.
  • Wenn der Benutzer das Objekt 44 im zweiten Freiheitsgrad bewegt, dreht sich das Verlängerungselement 48b ebenso um die Achse B und dreht ebenso die Haspeltrommel 59 um die Achse B. Diese Bewegung bewirkt, dass sich das Seil 80 bewegt, was die Drehkraft auf die Seilrolle 76 überträgt. Die Seilrolle 76 dreht sich und bewirkt, dass sich die Welle 88 dreht, und die Richtung und der Betrag der Bewegung wird vom Sensor des Wandlers 66b erfasst. Ein ähnlicher Prozess geschieht entlang des ersten Freiheitsgrades für den anderen Haspelantriebsmechanismus 58. Wie vorstehend mit Bezug auf die Stellglieder beschrieben, sieht der Haspelantriebsmechanismus einen mechanischen Vorteil vor, um die Sensorauflösung um ein Verhältnis der Trommel 59 zur Seilscheibe 76 zu verstärken (15:1 im bevorzugten Ausführungsbeispiel).
  • Der Anschlag 78 ist starr mit dem vertikalen Stützelement 62 einige Millimeter oberhalb des gekrümmten Teils 84 der Haspeltrommel 59 gekoppelt. Der Anschlag 78 wird verwendet, um zu verhindern, dass sich die Haspeltrommel 59 über eine festgelegte Winkelgrenze hinaus bewegt. Somit wird die Trommel 59 auf eine Bewegung innerhalb eines Bereichs eingeschränkt, der durch die Bogenlänge zwischen den Enden des Schenkelteils 82 festgelegt ist. Diese eingeschränkte Bewegung schränkt wiederum die Bewegung des Objekts 44 in den ersten zwei Freiheitsgraden ein. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Anschlag 78 ein zylindrisches Element, das in eine Gewindebohrung im vertikalen Stützelement 62 eingesetzt ist.
  • 5a ist eine Seitenansicht des Haspelmechanismus 58, wie in 5 gezeigt. Das Seil 80 ist entlang der unteren Seite 86 des gekrümmten Teils 84 der Haspeltrommel 59 geführt gezeigt. Das Seil 80 ist vorzugsweise um die Seilrolle 76 gewickelt, so dass das Seil zwischen den Gewinden 90 angeordnet ist, d.h. das Seil ist durch die Gewinde geführt, wie in 5b genauer dargestellt. Wenn die Seilrolle 76 durch den Wandler 66b oder durch die Bedienungen des Benutzers gedreht wird, bewegt sich der Teil des Seils 80, der um die Seilrolle gewickelt ist, näher zum vertikalen Stützelement 62 hin oder weiter von diesem weg in Abhängigkeit von der Richtung, in der sich die Seilrolle 76 dreht. Wenn die Seilrolle 76 beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird (wenn die Seilrolle wie in 5 betrachtet wird), dann bewegt sich das Seil 80 in Richtung des vertikalen Stützelements 62, wie durch den Pfeil 92 gezeigt. Die Haspeltrommel 59 dreht sich auch im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 94 gezeigt. Die Gewinde der Seilrolle 76 werden hauptsächlich verwendet, um das Seil 80 mit einem besseren Griff an der Seilrolle 76 zu versehen. In alternativen Ausführungsbeispielen umfasst die Seilrolle 76 keine Gewinde und die hohe Spannung im Seil 80 ermöglicht, dass das Seil 80 die Seilrolle 76 greift.
  • Der Haspelantriebsmechanismus 58 wird in der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise verwendet, um die Übertragung von Kräften und einen mechanischen Vorteil zwischen den Wandlern 66a und 66b und dem Objekt 44 vorzusehen, ohne eine wesentliche Nachgiebigkeit, Reibung oder toten Gang in das System einzuführen. Ein Haspelantrieb sieht erhöhte Steifigkeit vor, so dass die Kräfte mit vernachlässigbarer Dehnung und Kompression der Komponenten übertragen werden. Die Menge an Reibung wird mit einem Haspelantriebsmechanismus auch verringet, so dass im wesentlichen "rauschlose" taktile Signale für den Benutzer bereitgestellt werden können. Außerdem ist das Ausmaß an totem Gang, der durch einen Haspelantrieb beigetragen wird, auch vernachlässigbar. "Toter Gang" ist das Ausmaß an Spiel, das zwischen zwei gekoppelten, sich drehenden Objekten in einem Zahnrad- oder Seilrollensystem auftritt. Zwei Zahnräder, Riemen oder andere Arten von Antriebsmechanismen könnten auch anstelle des Haspelantriebsmechanismus 58 in alternativen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um Kräfte zwischen dem Wandler 66a und dem Verlängerungselement 48b zu übertragen. Zahnräder und dergleichen führen jedoch typischerweise einen gewissen toten Gang in das System ein. Außerdem könnte ein Benutzer die Verriegelung und das Schleifen von Zahnradzähnen während der Drehung von Zahnrädern spüren können, wenn er das Objekt 44 bedient; die Drehung in einem Haspelantriebsmechanismus ist viel weniger bemerkbar.
  • 6 ist eine perspektivische Ansicht des zentralen Antriebselements 50a und des Linearachsenelements 40, die in gewissem Detail dargestellt sind. Das zentrale Antriebselement 50a ist in einer teilweise aufgeschnittenen Ansicht dargestellt, um das Innere des Elements 50a freizulegen. Der zentrale Wandler 68 ist mit einer Seite des zentralen Antriebselements 50a gekoppelt. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Haspelantriebsmechanismus verwendet, um Kräfte zwischen dem Wandler 68 und dem Linearachsenelement 40 entlang des dritten Freiheitsgrades zu übertragen. Eine drehbare Welle 98 des Wandlers 68 erstreckt sich durch eine Bohrung in der Seitenwand des zentralen Antriebselements 50a und ist mit einer Haspelseilrolle 100 gekoppelt. Die Seilrolle 100 wird nachstehend mit Bezug auf 6a genauer beschrieben.
  • Das Linearachsenelement 40 umfasst vorzugsweise eine äußere Hülse 91 und eine innere Welle 93 (mit Bezug auf 6b nachstehend beschrieben). Die äußere Hülse 91 ist vorzugsweise ein teilweise zylindrisches Element mit einer entlang ihrer Länge vorgesehenen Abflachung 41. Die Abflachung 41 verhindert, dass sich die Hülse 91 um die Achse C im vorstehend beschriebenen vierten Freiheitsgrad dreht. Das Linearachsenelement 40 ist mit einem Seil 99 versehen, das an jedem Ende des Elements 40 durch Spannkappen 101 befestigt ist. Das Seil 99 verläuft vorzugsweise einen Hauptteil der Länge der äußeren Hülse 91 auf der Oberfläche der Abflachung 41 hinab und kann beispielsweise durch Lösen einer Schraube 97, Ziehen eines Endes des Seils 99, bis die gewünschte Spannung erreicht ist, und Festziehen der Schraube 97 gespannt werden. Ähnlich dem Seil des mit Bezug auf 5 beschriebenen Haspelmechanismus sollte das Seil 99 eine relativ hohe Spannung aufweisen.
  • Wie in 6a gezeigt, ist das Seil 99 mehrere Male um die Seilrolle 100 gewickelt, so dass Kräfte zwischen der Seilrolle 100 und dem Linearachsenelement 40 übertragen werden können. Die Seilrolle 100 umfasst vorzugsweise einen zentralen Achsenteil 103 und Endkantenteile 105. Die äußere Hülse 91 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die Abflachung 41 der Hülse die Kantenteile 105 auf beiden Seiten des Achsenteils 103 berührt oder sehr nahe zu diesen liegt. Der Teil des Seils 99 um die Seilrolle 100 ist um den zentralen Achsenteil 103 gewickelt und bewegt sich entlang des Teils 103 zur Welle 98 hin und von dieser weg, wenn die Seilrolle im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Der Durchmesser des Achsenteils 103 ist kleiner als jener des Kantenteils 105, wobei ein Raum zwischen der Seilrolle 100 und der Abflachung 41 bereitgestellt wird, wo das Seil 99 befestigt ist, und eine freie Bewegung des Seils ermöglicht wird. Die Seilrolle 100 umfasst vorzugsweise keine Gewinde im Gegensatz zur Seilrolle 76, da die Spannung im Seil 99 ermöglicht, dass das Seil die Seilrolle 100 straff greift. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Seilrolle 100 ein Zylinder mit Gewinde oder ohne Gewinde sein ähnlich zur mit Bezug auf 5 beschriebenen Haspelseilrolle 76.
  • Unter Verwendung des Haspelantriebsmechanismus kann der Wandler 68 das Linearachsenelement 40 entlang der Achse C parallel verschieben, wenn die Seilrolle durch das Stellglied des Wandlers 68 gedreht wird. Wenn das Linearachsenelement 40 entlang der Achse C durch den Benutzer, der das Objekt 44 bedient, parallelverschoben wird, werden ebenso die Seilrolle 100 und die Welle 98 gedreht; diese Drehung wird vom Sensor des Wandlers 68 erfasst. Der Haspelantriebsmechanismus sieht eine geringe Reibung und eine sanfte, starre Betätigung für eine genaue Bewegung des Linearachsenelements 40 und eine genaue Positionsmessung des Elements 40 vor.
  • Andere Antriebsmechanismen können auch verwendet werden, um Kräfte auf das Linearachsenelement zu übertragen und eine Positionsinformation vom Element 40 entlang der Achse C zu empfangen. Ein Antriebsrad, das aus einem gummiartigen Material oder einem anderen Reibungsmaterial besteht, kann beispielsweise an der Welle 98 angeordnet sein, um das Linearachsenelement 40 entlang der Kante des Rades zu berühren. Das Rad kann Kräfte entlang des Elements 40 von der Reibung zwischen dem Rad und dem Linearachsenelement verursachen. Ein solcher Antriebsradmechanismus ist in der vorstehend erwähnten Anmeldung Seriennr. 08/275 120 sowie in der US-Patentanmeldung Seriennr. 08/344 148, eingereicht am 23. November 1994 und mit dem Titel "Method and Apparatus for Providing Mechanical I/O for Computer Systems Interfaced with Elongated Flexible Objects", auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen und durch den Hinweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen, offenbart. Das Linearachsenelement 40 kann in alternativen Ausführungsbeispielen auch eine einzelne Welle anstelle einer zweiteiligen Hülse und Welle sein.
  • Mit Bezug auf die Querschnittsseitenansicht des Elements 40 und des Wandlers 70, die in 6b gezeigt ist, ist die innere Welle 93 innerhalb der hohlen äußeren Hülse 91 angeordnet und ist mit der Hülse 91 drehbar gekoppelt. Ein erstes Ende 107 der Welle 93 erstreckt sich vorzugsweise über die Hülse 91 hinaus und ist mit dem Objekt 44 gekoppelt. Wenn das Objekt 44 um die Achse C gedreht wird, wird die Welle 93 auch um die Achse C im vierten Freiheitsgrad innerhalb der Hülse 91 gedreht. Die Welle 93 wird entlang der Achse C im dritten Freiheitsgrad parallelverschoben, wenn die Hülse 91 parallelverschoben wird. Alternativ kann die innere Welle 93 mit einer Welle des Objekts 44 innerhalb der äußeren Hülse 91 gekoppelt sein. Ein kurzer Teil der Welle 28 eines Laparoskopinstruments 18, wie in 1 gezeigt, kann sich beispielsweise in die Hülse 91 erstrecken und mit der welle 93 innerhalb der Hülse gekoppelt sein oder die welle 28 kann sich den gesamten Weg zum Wandler 70 erstrecken und funktional als Welle 93 verwendet werden.
  • Die Welle 93 ist an ihrem zweiten Ende 109 mit dem Wandler 70 gekoppelt, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein optischer Codierersensor ist. Das Gehäuse 111 des Wandlers 70 ist durch eine Kappe 115 starr mit der äußeren Hülse 91 gekoppelt und eine welle 113 des Wandlers 70 ist mit der inneren Welle 93 gekoppelt, so dass der Wandler 70 die Drehposition der Welle 93 und des Objekts 44 messen kann. In alternativen Ausführungsbeispielen kann auch ein Stellglied im Wandler 70 enthalten sein, um Drehkräfte um die Achse C zur Welle 93 zu liefern.
  • 7 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung 25" und des Benutzerobjekts 44 der vorliegenden Erfindung. Die in 7 gezeigte mechanische Vorrichtung 25" arbeitet im Wesentlichen genauso wie die in den 3 und 4 gezeigte Vorrichtung 25'. Das Benutzerobjekt 44 ist jedoch ein Griffel 102, den der Benutzer ergreifen und in sechs Freiheitsgraden bewegen kann. Mit "Greifen" ist gemeint, dass Benutzer mit einem Greifteil des Objekts in gewisser Weise wie z.B. mit der Hand, mit ihren Fingerspitzen oder sogar mit dem Mund im Fall von behinderten Personen lösbar in Eingriff kommen können. Der Griffel 102 kann gespürt werden und eine Kraft kann in verschiedenen Freiheitsgraden durch ein Computersystem und eine Schnittstelle wie z.B. den Computer 16 und die Schnittstelle 14 von 1 aufgebracht werden. Der Griffel 102 kann in Simulationen einer virtuellen Realität verwendet werden, in denen der Benutzer den Griffel im 3D-Raum bewegen kann, um auf Objekte zu zeigen, Worte, Zeichnungen oder andere Bilder zu schreiben usw. Ein Benutzer kann beispielsweise eine auf einem Computerbildschirm oder in einer 3D-Brille erzeugte virtuelle Umgebung betrachten. Ein virtueller Griffel kann in einer virtuellen Hand des Benutzers dargestellt werden.
  • Das Computersystem verfolgt die Position des Griffels mit Sensoren, wenn der Benutzer ihn bewegt. Das Computersystem sieht auch eine Kraftrückkopplung für den Griffel vor, wenn der Benutzer den Griffel gegen einen virtuellen Schreibtisch bewegt, auf einem virtuellen Papierblock schreibt usw. Es scheint dem Benutzer und gibt ihm folglich das Gefühl, dass der Griffel eine reale Oberfläche berührt.
  • Der Griffel 102 ist vorzugsweise mit einem schwebenden Kardanmechanismus 104 gekoppelt, der zwei Freiheitsgrade zusätzlich zu den von der mit Bezug auf die 3 und 4 beschriebenen Vorrichtung 25' bereitgestellten vier Freiheitsgraden vorsieht. Der schwebende Kardanmechanismus 104 umfasst ein U-förmiges Element 106, das mit einem Achsenelement 108 durch eine Welle 109 drehbar gekoppelt ist, so dass sich das U-förmige Element 106 um die Achse F drehen kann. Das Achsenelement 108 ist mit dem Linearachsenelement 40 starr gekoppelt. Außerdem ist das Gehäuse eines Wandlers 110 mit dem U-förmigen Element 106 gekoppelt und eine Welle des Wandlers 110 ist mit der Welle 109 gekoppelt. Die Welle 109 wird vorzugsweise innerhalb des Achsenelements 108 in der Position verriegelt, so dass, wenn das U-förmige Element 106 gedreht wird, die Welle 109 sich nicht dreht. Der Wandler 110 ist vorzugsweise ein Sensor wie z.B. ein optischer Codierer, wie vorstehend mit Bezug auf den Wandler 70 beschrieben, der die Drehung des U-förmigen Elements 106 um die Achse F in einem fünften Freiheitsgrad misst und elektrische Signale liefert, die eine solche Bewegung für die Schnittstelle 14 angeben.
  • Der Griffel 102 ist vorzugsweise drehbar mit dem U-förmigen Element 106 durch eine Welle (nicht dargestellt) gekoppelt, die sich durch das U-förmige Element erstreckt. Diese Welle ist mit einer welle des Wandlers 112 gekoppelt, dessen Gehäuse mit dem U-förmigen Element 106 gekoppelt ist, wie gezeigt. Der Wandler 112 ist vorzugsweise ein Sensor wie z.B. ein optischer Codierer, wie vorstehend beschrieben, der die Drehung des Griffels 102 um die Längsachse G des Griffels in einem sechsten Freiheitsgrad misst.
  • Im beschriebenen Ausführungsbeispiel von 7 werden sechs Freiheitsgrade des Griffels 102 abgetastet. Somit können sowohl die Position (x-, y-, z-Koordinaten) als auch die Orientierung (Wälzung, Steigung, Gierung) des Griffels vom Computer 16 erfasst werden, um eine sehr realistische Simulation bereitzustellen. Andere Mechanismen abgesehen vom schwebenden Kardanmechanismus 104 können verwendet werden, um den fünften und den sechsten Freiheitsgrad bereitzustellen. Außerdem können Kräfte in drei Freiheitsgraden für den Griffel 102 aufgebracht werden, um eine 3D-Kraftrückkopplung vorzusehen. In alternativen Ausführungsbeispielen können auch Stellglieder in den Wandlern 70, 110 und 112 enthalten sein. Stellglieder sind jedoch im beschriebenen Ausführungsbeispiel vorzugsweise nicht für den vierten, fünften und sechsten Freiheitsgrad enthalten, da Stellglieder typischerweise schwerer sind als Sensoren und, wenn sie an den Stellen der Wandler 70, 100 und 112 angeordnet wären, mehr Trägheit in dem System erzeugen würden. Außerdem ermöglicht die Kraftrückkopplung für die festgelegten drei Freiheitsgrade, dass Stöße und ein Widerstand simuliert werden, was typischerweise in vielen Anwendungen einer virtuellen Realität angemessen ist. Die Kraftrückkopplung im vierten, fünften und sechsten Freiheitsgrad würde ermöglichen, dass Drehmomente am Griffel 102 ebenso simuliert werden, was in einer Simulation nützlich sein kann oder nicht.
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung 25"' und des Benutzerobjekts 44 der vorliegenden Erfindung. Die in 8 gezeigte mechanische Vorrichtung 25''' arbeitet im Wesentlichen genauso wie die in den 3 und 4 gezeigte Vorrichtung 25'. Das Benutzerobjekt 44 ist jedoch ein Steuerhebel 112, den der Benutzer vorzugsweise in zwei Freiheitsgraden bewegen kann. Der Steuerhebel 112 kann abgetastet werden und eine Kraft kann in beiden Freiheitsgraden durch ein Computersystem und eine Schnittstelle ähnlich dem Computersystem 16 und der Schnittstelle 14 von 1 aufgebracht werden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Steuerhebel 112 mit einer zylindrischen Befestigungsvorrichtung 64 gekoppelt, so dass der Benutzer den Steuerhebel in den zwei Freiheitsgraden bewegen kann, die vom Kardanmechanismus 38 bereitgestellt werden, wie vorstehend beschrieben. Das Linearachsenelement 40 ist typischerweise in dem Ausführungsbeispiel von 8 nicht enthalten, da ein Steuerhebel gewöhnlich nicht entlang einer Achse C parallelverschoben wird. In alternativen Ausführungsbeispielen kann jedoch der Steuerhebel 112 mit einem Linearachsenelement 40 ähnlich dem Griffel 102, wie in 7 gezeigt, gekoppelt sein, um einen dritten Freiheitsgrad bereitzustellen. In noch anderen Ausführungsbeispielen kann sich das Linearachsenelement 40 um die Achse C drehen und der Wandler 70 kann mit der Vorrichtung 25"' gekoppelt sein, um einen vierten Freiheitsgrad vorzusehen. In anderen Ausführungsbeispielen kann schließlich ein schwebender Kardanmechanismus, wie in 7 gezeigt, oder ein anderer Mechanismus zum Steuerhebel hinzugefügt sein, um fünf oder sechs Freiheitsgrade zu ermöglichen.
  • Der Steuerhebel 112 kann in Simulationen einer virtuellen Realität verwendet werden, in denen der Benutzer den Steuerhebel bewegen kann, um ein Fahrzeug zu bewegen, auf Objekte zu zeigen, einen Mechanismus zu steuern usw. Ein Benutzer kann beispielsweise eine virtuelle Umgebung betrachten, die auf einem Computerbildschirm oder in einer 3D-Brille erzeugt wird, wobei der Steuerhebel 112 ein Flugzeug steuert. Das Computersystem verfolgt die Position des Steuerhebels, wenn der Benutzer ihn umherbewegt, mit Sensoren und aktualisiert die Anzeige der virtuellen Realität dementsprechend, um das Flugzeug in der angegebenen Richtung zu bewegen, usw. Das Computersystem sieht auch eine Kraftrückkopplung für den Steuerhebel vor, beispielsweise wenn sich das Flugzeug in Schräglage befindet oder in einer Wende beschleunigt, oder in anderen Situationen, in denen der Benutzer Kräfte am Steuerhebel erfahren kann oder es schwieriger finden kann, das Flugzeug zu lenken.
  • 9 ist eine schematische Ansicht eines Computers 16 und einer Schnittstellenschaltung 120, die in der Schnittstelle 14 verwendet werden können, um Signale zur mechanischen Vorrichtung 25 zu senden und von dieser zu empfangen. Die Schnittstellenschaltung 120 umfasst einen Computer 16, eine Schnittstellenkarte 120, einen DAC 122, eine Leistungsverstärkerschaltung 124, digitale Sensoren 128 und eine Sensorschnittstelle 130. Wahlweise sind analoge Sensoren 132 anstelle von oder zusätzlich zu den digitalen Sensoren 128 und ein ADC 134 enthalten. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Schnittstelle 14 zwischen dem Computer 16 und der mechanischen Vorrichtung 25, wie in 1 gezeigt, funktional äquivalent zu den innerhalb der gestrichelten Linie in 14 eingeschlossenen Schnittstellenschaltungen betrachtet werden. Andere Arten von Schnittstellen 14 können auch verwendet werden. Eine andere Art Schnittstellenschaltung wird beispielsweise nachstehend mit Bezug auf 20 beschrieben.
  • Die Schnittstellenkarte 120 kann als Standardkarte implementiert werden, die in einen Schnittstellenschlitz des Computers 16 passt. Wenn der Computer 16 beispielsweise ein IMB-kompatibler X86-Computer ist, kann die Schnittstellenkarte 14 als ISA oder andere gut bekannte Standard-Schnittstellenkarte implementiert werden, die in das Motherboard des Computers eingesteckt wird und Eingangs- und Ausgangsanschlüsse vorsieht, die mit dem Hauptdatenbus des Computers verbunden sind.
  • Der Digital-Analog-Wandler (DAC) 122 ist mit der Schnittstellenkarte 120 gekoppelt und empfängt ein digitales Signal vom Computer 16. Der DAC 122 wandelt das digitale Signal in analoge Spannungen um, die dann zur Leistungsverstärkerschaltung 124 gesandt werden. Eine DAC-Schaltung, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wird mit Bezug auf 10 beschrieben. Die Leistungsverstärkerschaltung 124 empfängt eine analoge Steuerspannung mit niedriger Leistung vom DAC 122 und verstärkt die Spannung, um die Stellglieder 126 zu steuern. Die Leistungsverstärkerschaltung 124 wird mit Bezug auf 11 genauer beschrieben. Die Stellglieder 126 sind vorzugsweise Gleichstrom-Servomotoren, die in die Wandler 66a, 66b und 68 integriert sind, und beliebige zusätzliche Stellglieder, wie mit Bezug auf die in den 3, 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispiele beschrieben, zum Liefern einer Kraftrückkopplung zu einem Benutzer, der das Objekt 44 bedient, welches mit der mechanischen Vorrichtung 25 gekoppelt ist.
  • Digitale Sensoren 128 liefern Signale zum Computer 16 bezüglich der Position des Benutzerobjekts 44 im 3D-Raum. In den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Sensoren 128 relative optische Codierer, die elektrooptische Vorrichtungen sind, die auf die Drehung einer Welle durch Erzeugen von zwei phasenbezogenen Signalen reagieren. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel empfängt die Sensorschnittstellenschaltung 130, die vorzugsweise ein einzelner Chip ist, die Signale von den digitalen Sensoren 128 und wandelt die zwei Signale von jedem Sensor in ein weiteres Paar von Taktsignalen um, die einen bidirektionalen Binärzähler ansteuern. Das Ausgangssignal des Binärzählers wird vom Computer 16 als Binärzahl empfangen, die die Winkelposition der codierten Welle darstellt. Solche Schaltungen oder Ersatzschaltungen sind Fachleuten gut bekannt; der Quadrature Chip LS7166 von Hewlett Packard, Kalifornien, führt beispielsweise die vorstehend beschriebenen Funktionen durch. Jeder Sensor 28 kann mit seiner eigenen Sensorschnittstelle versehen sein, oder eine Sensorschnittstelle kann Daten von mehreren Sensoren verarbeiten. Die in der Hauptpatentanmeldung Seriennr. 08/092 974 beschriebene elektronische Schnittstelle beschreibt beispielsweise eine Sensorschnittstelle mit einem separaten Verarbeitungschip, der für jeden Sensor reserviert ist, welcher Eingangsdaten liefert.
  • Analoge Sensoren 132 können anstelle von digitalen Sensoren 128 für alle oder einige der Wandler der vorliegenden Erfindung enthalten sein. Ein Dehnungsmesser kann beispielsweise angeschlossen sein, um vielmehr Kräfte am Objekt 44 als Positionen des Objekts zu messen. Geschwindigkeitssensoren und/oder Beschleunigungsmesser können auch verwendet werden, um Geschwindigkeiten und Beschleunigungen am Objekt 44 direkt zu messen. Die analogen Sensoren 132 können ein analoges Signal liefern, das die Position/Geschwindigkeit/Beschleunigung des Benutzerobjekts in einem speziellen Freiheitsgrad darstellt. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) kann das analoge Signal in ein digitales Signal umwandeln, das vom Computer 16 empfangen und interpretiert wird, wie es Fachleuten gut bekannt ist. Die Auflösung der erfassten Bewegung des Objekts 44 wäre durch die Auflösung des ADC begrenzt.
  • 10 ist eine schematische Ansicht einer DAC-Schaltung 122 von 9, die sich zum Umwandeln eines digitalen Eingangssignals in eine analoge Spannung, die an die Leistungsverstärkerschaltung 124 ausgegeben wird, eignet. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst die Schaltung 122 einen parallelen DAC 136 wie z.B. den von National Semiconductor hergestellten DAC1220, der dazu ausgelegt ist, mit einem externen allgemeinen Operationsverstärker 138 zu arbeiten. Der Operationsverstärker 138 gibt beispielsweise ein Signal von Null bis –5 Volt proportional zur Binärzahl an seinem Eingang aus. Der Operationsverstärker 140 ist ein invertierender Summierverstärker, der die Ausgangsspannung in einen symmetrischen bipolaren Bereich umwandelt. Der Operationsverstärker 140 erzeugt ein Ausgangssignal zwischen 2,5 V und +2,5 V durch Invertieren des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 138 und Subtrahieren von 2,5 Volt von diesem Ausgangssignal; dieses Ausgangssignal eignet sich zur Leistungsverstärkung in der Verstärkungsschaltung 124. Als Beispiel R1 = 200 kΩ und R2 = 400 kΩ. Die Schaltung 122 ist natürlich als ein Beispiel von vielen möglichen Schaltungen vorgesehen, die verwendet werden können, um ein digitales Signal in ein gewünschtes analoges Signal umzuwandeln.
  • 11 ist eine schematische Ansicht einer Leistungsverstärkerschaltung 124, die sich zur Verwendung in der in 9 gezeigten Schnittstellenschaltung 14 eignet. Die Leistungsverstärkerschaltung empfängt eine Steuerspannung mit niedriger Leistung von der DAC-Schaltung 122, um einen stromgesteuerten Servomotor 126 mit hoher Leistung zu steuern. Die Eingangssteuerspannung steuert eine Steilheitsstufe, die aus einem Verstärker 142 und mehreren Widerständen besteht. Die Steilheitsstufe (üblicherweise als Howland-Strompumpe bezeichnet) erzeugt einen zur Eingangsspannung proportionalen Ausgangsstrom, um den Motor 126 anzutreiben, während sehr wenig Strom von der Eingangsspannungsquelle entnommen wird. Die zweite Verstärkerstufe mit dem Verstärker 144, Widerständen und einem Kondensator C sieht eine zusätzliche Stromkapazität durch Verstärken des Spannungshubs des zweiten Anschlusses 147 des Motors 146 vor. Als Beispielwerte für die Schaltung 124 R = 10 kΩ, R2 = 500 Ω, R3 = 9, 75 kΩ und R4 = 1 Ω. Die Schaltung 124 ist natürlich als ein Beispiel von vielen möglichen Schaltungen vorgesehen, die verwendet werden können, um Spannungen zu verstärken, um die Stellglieder 126 anzutreiben.
  • 12 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels 200 der mechanischen Schnittstellenvorrichtung 25 der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 200 umfasst einen Kardanmechanismus 202 und ein wahlweises Linearachsenelement 204. Das Benutzerobjekt 44 ist vorzugsweise mit dem Linearachsenelement 204 gekoppelt. Alternativ kann das Benutzerobjekt 44 direkt mit dem Kardanmechanismus 202 gekoppelt sein.
  • Der Kardanmechanismus 202 ist in einiger Hinsicht zum Kardanmechanismus 38 ähnlich, wie vorstehend mit Bezug auf 2 beschrieben. Der Kardanmechanismus 202 kann auf einer mit dem Grund gekoppelten Fläche 206 (schematisch als Teil des Grundelements 208 dargestellt) abgestützt sein. Die mit dem Grund gekoppelte Fläche 206 kann eine Tischoberseite oder eine andere feste, stabile Oberfläche sein. Die mit dem Grund gekoppelte Fläche kann auch nur relativ zur Vorrichtung 200 fest sein, so dass die mit dem Grund gekoppelte Fläche und die Vorrichtung 200 vom Benutzer als ganze Einheit bewegt werden können.
  • Der Kardanmechanismus 202 umfasst vorzugsweise eine Biegevorrichtung mit mehreren Segmenten, die mit einem Grundelement 208 drehbar gekoppelt ist. Der Kardanmechanismus 202 umfasst ein Grundelement 208, Verlängerungselemente 210a und 210b und zentrale Elemente 212a und 212b. Das Grundelement 208, das schematisch dargestellt ist, ist mit der mit dem Grund gekoppelten Fläche 206 gekoppelt, die Stabilität für die Vorrichtung 200 vorsieht. Das Grundelement 208 ist in 12 als zwei separate Symbole gezeigt, die durch die mit dem Grund gekoppelte Fläche 206 miteinander gekoppelt sind, aber das Grundelement 208 kann als ein "Element" betrachtet werden, das mit dem Grund gekoppelt ist. Ein Beispiel eines Grundelements 208 mit Elementen 60 und 62 ist vorstehend in 3 gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass die Elemente 210a, 210b, 212a und 212b hierin aufgrund der Ähnlichkeit der mit Bezug auf 2 beschriebenen drehbar gekoppelten Elemente als "Elemente" bezeichnet werden. Diese "Elemente" des Kardanmechanismus 202 können jedoch als "Segmente" einer "Biegevorrichtung mit mehreren Segmenten" oder als "einheitliches Element" betrachtet werden, das drehbar mit dem Grundelement 208 gekoppelt ist.
  • Die zentralen Elemente 212a und 212b sind biegsame Elemente mit einer Torsionsbiegung (Verdrehung) und Biegenachgiebigkeit, so dass das Objekt 44 in zwei oder drei Freiheitsgraden um die Achsen A, B und C bewegt werden kann, wie nachstehend erläutert. Die Achsen A und B sind in der Position bezüglich der Grundfläche 206 fest (d.h. mit dem Grund gekoppelt) und sind im Wesentlichen zueinander senkrecht. Wie vorstehend mit Bezug auf 2 beschrieben, sind die schwebenden Achsen C, D und E nicht in einer Position fest wie die Achsen A und B. Die schwebenden Achsen D und E fallen mit den Achsen B bzw. A zusammen, wenn sich das Benutzerobjekt 44 in einer zentralen Position befindet, wie in 12 gezeigt. Die schwebende Achse C erstreckt sich vorzugsweise ungefähr durch den Schnittpunkt P der Achsen A und B.
  • Das Verlängerungselement 210a ist an einem ersten Ende drehbar mit dem Grundelement 206 gekoppelt. In dem Beispiel von 12 ist ein Drehlager 214a zwischen dem Verlängerungselement 210a und dem Grundelement 206 vorgesehen, so dass das Verlängerungselement 210a um die mit dem Grund gekoppelte Achse A drehbar ist. Das Lager 214a kann beispielsweise ein Teil eines Wandlers 42 sein, wie vorstehend beschrieben, wie z.B. ein Stellglied und/oder ein Sensor. Ein solcher Wandler umfasst beispielsweise eine drehbare welle, mit der das Verlängerungselement 210a starr gekoppelt sein kann. Das Verlängerungselement 210a ist ein starres Element ähnlich dem Verlängerungselement 48a, wie mit Bezug auf 2 gezeigt, und kann aus einem Material wie z.B. starrem Kunststoff, Metall oder dergleichen bestehen. Das Verlängerungselement 210a dreht sich um die Achse A, wie durch den Pfeil 220 gezeigt.
  • Das zweite Ende des Verlängerungselements 210a ist starr mit einem ersten Ende des zentralen Elements 212a gekoppelt. Das zentrale Element 212a ist parallel zu einer schwebenden Achse D ausgerichtet und besteht aus einem Material wie z.B. biegsamem Kunststoff, Gummi, Metall oder dergleichen, das eine Torsionsbiegung (Verdrehung) und Biegung in einem speziellen gewünschten Freiheitsgrad vorsieht. Die Nachgiebigkeit oder Biegung kann auch mit Federelementen und dergleichen bereitgestellt werden. Hierin soll sich der Begriff "Biegung" auf eine beliebige Art Biegsamkeit in einem Element oder Segment beziehen. Hierin beschriebene Arten von Biegung umfassen Verdrehung (Torsionsbiegung) und Biegung. Verdrehung ist die Drehmomentverdrehbewegung um die Längsachse eines Elements und Biegung ist die relative Bewegung der zwei Enden eines Elements zueinander hin oder voneinander weg.
  • Im beschriebenen Ausführungsbeispiel kann sich das zentrale Element 212a um die schwebende Achse D biegen. wie in 12 gezeigt, ist das zentrale Element 212a in der Dimension, in der sich das zentrale Element biegen soll, relativ schmal und in den Dimensionen, in denen es erwünscht ist, dass das das zentrale Element starr bleibt, relativ breit. Da das zentrale Element 212a eine relativ große Breite in den Dimensionen der Achsen C und D aufweist, biegt sich das Element in diesen Dimensionen nicht leicht. Das zentrale Element 212a weist jedoch eine relativ kleine Breite in der Dimension der schwebenden Achse E auf und ist folglich in dieser Dimension nachgiebig. Dies ermöglicht, dass sich das zentrale Element 212a um die schwebende Achse D verdreht, wie durch den Pfeil 222 gezeigt, wenn das Objekt 44 um die Achse D gedreht wird. Diese Verdrehbewegung ersetzt die Drehbewegung des zentralen Elements 50a um die Achse D, wie durch das Drehlager 45a ermöglicht, wie vorstehend für 2 beschrieben. Zusätzlich zum Verdrehen um die Achse D kann sich das zentrale Element 212a in der Ebene der Achsen D und E biegen. Diese Biegebewegung ersetzt die Drehbewegung des zentralen Elements 50a um die Achse C, wie durch das Drehlager 47 ermöglicht, wie mit Bezug auf 2 erläutert. Da sich das zentrale Element 212a biegen kann, ist dieses Element mit dem Verlängerungselement 210a" biegsam gekoppelt". In anderen Ausführungsbeispielen können die zentralen Elemente 212a und 212b mit anderen Geometrien versehen sein, die die vorstehend beschriebenen Verdreh- und Biegebewegungen ermöglichen.
  • Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das zweite Ende des zentralen Elements 212a starr mit dem Objektelement 216 gekoppelt, das etwa am Mittelpunkt P am Schnittpunkt der Achsen D und E angeordnet ist. Das Objektelement 216 kann das Linearachsenelement 204 oder das Benutzerobjekt 44 abstützen. Die Größe und Form des Objektelements 216 können in verschiedenen Ausführungsbeispielen umfangreich variieren. Das Objektelement 216 umfasst vorzugsweise eine Öffnung, durch die sich ein Linearachsenelement 204 oder ein Benutzerobjekt 44 parallel verschieben kann. In alternativen Ausführungsbeispielen, in denen sich das Objekt 44 nicht parallel verschiebt, kann das Objektelement 216 weggelassen werden und das zweite Ende des zentralen Elements 212a und das erste Ende des zentralen Elements 212b können direkt und starr mit dem Benutzerobjekt 44 gekoppelt sein, das etwa am Mittelpunkt P am Schnittpunkt der Achsen D und E angeordnet sein kann. In einem Steuerhebelausführungsbeispiel mit zwei Freiheitsgraden kann beispielsweise ein Steuerhebelgriff direkt mit den zentralen Elementen 212a und 212b gekoppelt sein (in 13 gezeigt).
  • Das zentrale Element 212b ist zum zentralen Element 212a ähnlich und umfasst ein erstes Ende, das starr mit dem Objekt 216 gekoppelt ist. Das zentrale Element 212b ist vorzugsweise auf die schwebende Achse E ausgerichtet und ist in der Dimension der Achse D schmal und in den Dimensionen der Achsen E und C breit. Dies ermöglicht, dass sich das zentrale Element 212b um die schwebende Achse E verdreht, wie durch den Pfeil 224 angegeben. Das zentrale Element 212b kann sich auch in der Ebene der Achsen D und E biegen. Ein erstes Ende des Verlängerungselements 210b ist starr mit dem zweiten Ende des zentralen Elements 212b gekoppelt. Das Verlängerungselement 210b ist ähnlich dem Verlängerungselement 210a starr und erstreckt sich in einer derartigen Weise, dass das zweite Ende des Verlängerungselements 210b auf der Achse B angeordnet ist. Ein drehbares Lager 214b ist drehbar mit dem zweiten Ende des Verlängerungselements 210b gekoppelt, was somit ermöglicht, dass sich das Verlängerungselement 210b um die Achse B dreht, wie durch den Pfeil 226 angegeben. Wie für das Lager 214a kann das Lager 214b ein Teil eines Wandlers wie z.B. eines Stellgliedes oder Sensors sein. Das Lager 214b ist starr mit dem Grundelement 208 gekoppelt, um die geschlossene Schleife von Elementen zu vervollständigen.
  • Der Kardanmechanismus 202 ist als geschlossene Kette oder "Biegevorrichtung" mit fünf "Elementen" ausgebildet. Jedes Ende eines Elements ist mit dem Ende eines anderen Elements gekoppelt. Die Biegevorrichtung ist derart angeordnet, dass das Verlängerungselement 210a, das zentrale Element 212a und das zentrale Element 212b um die Achse A in einem ersten Freiheitsgrad gedreht werden können. Das Gestänge ist auch derart angeordnet, dass das Verlängerungselement 210b, das zentrale Element 212b und das zentrale Element 212a um die Achse B in einem zweiten Freiheitsgrad gedreht werden können. In dieser Hinsicht ist der Kardanmechanismus 202 zum Mechanismus 38, der in 2 gezeigt ist, ähnlich. Wenn das Objekt 44 bewegt wird, bewirkt die Biegefähigkeit der zentralen Elemente 212a und 212b, dass der Winkel θ zwischen den zentralen Elementen zunimmt oder abnimmt. In der in 12 gezeigten Ursprungsposition beträgt der Winkel θ beispielsweise etwa 90 Grad. Wenn das Objekt 44 derart bewegt wird, dass sich die Oberseite des Linearachsenelements 204 vom Betrachter weg ("in" das Papier) oder zum Betrachter hin (aus dem Papier) bewegt, dann nimmt der Winkel θ zwischen den zentralen Elementen ab. wenn die Oberseite des Linearachsenelements 204 zu den Seiten bewegt wird, wie in 12 gezeigt, dann nimmt der Winkel θ ebenso zu.
  • Ein Hauptunterschied des vorliegenden Ausführungsbeispiels vom Ausführungsbeispiel von 2 besteht darin, dass die Elemente 210a, 210b, 212a und 212b als "einheitliches Element" vorgesehen sein können, wobei diese vier Elemente als Segmente eines einzelnen Teils oder einer "Biegevorrichtung" miteinander gekoppelt ausgebildet und hergestellt sind. Der Kardanmechanismus 202 kann somit auch als zweigliedriges Gestänge in geschlossener Schleife betrachtet werden, wobei ein Element ein komplexes einheitliches Element (einschließlich dieser vier Segmente) ist und das andere Element das Grundelement 208 ist, das drehbar mit dem einheitlichen Element gekoppelt ist.
  • Da die Elemente 210a, 210b, 212a und 212b als einheitlicher Teil ausgebildet sind, müssen Lager oder Gelenke zwischen diesen Elementen nicht separat hergestellt werden und der umfangreiche Montageprozess für diese Elemente ist nicht erforderlich. Im Gegensatz dazu erfordert das Ausführungsbeispiel von 2, dass Gelenke zwischen äquivalenten Elementen zu diesen vier Elementen hergestellt werden und dass diese Gelenke und Elemente aneinander montiert und befestigt werden. Folglich ist der Kardanmechanismus 202 signifikant weniger teuer herzustellen als der Mechanismus 25 von 2. Dies ermöglicht, dass die mechanische Vorrichtung 200 für den Verbrauchermarkt mit hohem Volumen hergestellt und bereitgestellt wird, während dennoch eine genaue und realistische Kraftrückkopplungs-Schnittstelle für den Benutzer bereitgestellt wird. In anderen Ausführungsbeispielen können einige der Elemente 210a, 210b, 212a und 212b zusammen als einheitliche Elemente ausgebildet werden und einige Elemente können separat ausgebildet werden. Beispielsweise können das Verlängerungselement 210a und das zentrale Element 212a zusammen als Segmente von einem einheitlichen Element ausgebildet werden, während das Verlängerungselement 210b und das zentrale Element 212b zusammen als Segmente eines zweiten einheitlichen Elements ausgebildet werden können. Alternativ können die zentralen Elemente 212a und 212b zusammen als einheitliches Element ausgebildet werden (mit oder ohne zwischen ihnen ausgebildetem Objektelement 216).
  • Das Linearachsenelement 204 ist vorzugsweise ein langgestrecktes, stabartiges Element, das parallelverschiebbar mit dem zentralen Element 212a und dem zentralen Element 212b nahe dem Schnittpunkt P der Achsen D und E gekoppelt ist und ähnlich dem mit Bezug auf 2 beschriebenen Linearachsenelement 40 ist. Das Linearachsenelement 204 kann als Objekt 44 oder als Teil des Objekts 44, wie im Schaft 28 des Benutzerobjekts 44, wie in 1 gezeigt, oder als Steuerhebelgriff, Billardqueue usw. verwendet werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Linearachsenelement 204 zwischen ein Objekt 44 und den Kardanmechanismus 202 gekoppelt werden. Das Linearachsenelement 204 ist mit dem Kardanmechanismus 202 derart gekoppelt, dass es sich aus der durch die schwebende Achse D und die schwebende Achse E festgelegten Ebene herauserstreckt. Das Linearachsenelement 204 kann durch Drehen des Verlängerungselements 210a, des zentralen Elements 212a und des zentralen Elements 212b in einem ersten Drehfreiheitsgrad, der als Pfeillinie 230 dargestellt ist, um die Achse E gedreht werden. Das Element 204 kann durch Drehen des Verlängerungselements 212b und der zwei zentralen Elemente um die Achse D in einem zweiten Drehfreiheitsgrad, der durch die Pfeillinie 232 dargestellt ist, auch um die Achse D gedreht werden.
  • Indem es parallelverschiebbar mit dem Objektelement 216 (oder den Enden der zentralen Elemente 210a und 210b) gekoppelt ist, kann das Linearachsenelement 204 linear und unabhängig entlang der schwebenden Achse C bezüglich des Kardanmechanismus 202 parallelverschoben werden, wobei somit ein dritter linearer Freiheitsgrad bereitgestellt wird, wie durch die Pfeile 234 gezeigt. Die Achse C kann natürlich um eine oder beide Achsen A und B gedreht werden, wenn das Element 204 um diese Achsen gedreht wird. Ein Wandler kann auch mit dem Linearachsenelement 204 für den linearen Freiheitsgrad entlang der Achse C gekoppelt sein. Der Wandler kann ein Stellglied zum Aufbringen von Kräften im linearen Freiheitsgrad und/oder einen Sensor zum Erfassen der Position des Linearachsenelements im linearen Freiheitsgrad umfassen. Solche Wandler sind in den obigen Ausführungsbeispielen genauer beschrieben.
  • Außerdem kann ein vierter Drehfreiheitsgrad für das Linearachsenelement 204 (und/oder Objekt 44) durch Drehen oder "Wirbeln" des Linearachsenelements um die Achse C vorgesehen werden, wie durch den Pfeil 236 angegeben. Dieser vierte Freiheitsgrad kann durch Wirbeln des Linearachsenelements 204 innerhalb eines drehbaren Lagers des Objektelements 216 vorgesehen werden. Alternativ kann eine begrenztere Form von Wirbeln durch Biegen der zentralen Elemente vorgesehen werden, um das gesamte Objekt 44 und das Objektelement 216 zu wirbeln. Dies wird mit Bezug auf 13 genauer beschrieben. Außerdem können Wandler vorgesehen sein, um im vierten Drehfreiheitsgrad Kräfte aufzubringen und/oder eine Bewegung abzutasten, wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben.
  • vorzugsweise sind mit dem Kardanmechanismus 202 und dem Linearachsenelement 204 auch Wandler wie z.B. Sensoren und Stellglieder gekoppelt. Solche Wandler sind vorzugsweise als Teil der Lager 214a und 214b enthalten und sehen eine Eingabe in ein und eine Ausgabe aus einem elektrischen System wie z.B. einem Computer 16 vor. Wandler, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind vorstehend mit Bezug auf 3 beschrieben. Außerdem können Dehnungsmesser an den biegsamen Elementen des vorliegenden Ausführungsbeispiels (und anderer Ausführungsbeispiele mit biegsamen Elementen) verwendet werden, um den Grad der Biegung und Beugung eines ausgewählten Elements zu messen. Der Dehnungsmesser kann beispielsweise über die Länge eines zentralen Elements 212a oder 212b angeordnet sein, um die Position des Elements oder die auf das Element aufgebrachte Kraft zu messen.
  • Das Benutzerobjekt 44 ist mit dem Kardanmechanismus 202 entweder direkt oder über das Linearachsenelement 204 gekoppelt. Ein mögliches Benutzerobjekt 44 ist der Griff 26 eines Laparoskopinstruments 18, wie in 1 gezeigt, wobei der Schaft 28 des Instruments 18 als Teil des Linearachsenelements 40 implementiert werden kann. Andere Beispiele von Benutzerobjekten umfassen einen Steuerhebel, wie nachstehend beschrieben.
  • 13 ist eine Draufsicht auf die mechanische Vorrichtung 200 von 12. Die Achsen A und B sind im wesentlichen senkrecht zueinander gezeigt. Wenn das Linearachsenelement 204 drehbar mit dem Objektelement 216 gekoppelt ist, dann kann ein vierter Freiheitsgrad um die Achse C bereitgestellt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann jedoch das Linearachsenelement 204 starr mit dem Objektelement 216 im Freiheitsgrad gekoppelt sein, der die Drehung um die Achse C vorsieht. Diese Drehung kann immer noch durch Biegen der zentralen Elemente 212a und 212b bereitgestellt werden. Dies ist in 13 gezeigt, in der die Darstellung des Objektelements 216 und der zentralen Elemente 212a und 212b in einer durchgezogenen Linie diese Elemente in einer mittleren, neutralen Position zeigen. Die Darstellung 238 der gestrichelten Linie zeigt das Objektelement 216 in einer gedrehten Position, nachdem das Objektelement 216 und das Linearachsenelement 204 gegen den Uhrzeigersinn gedreht wurden, wie durch die Pfeile 240 gezeigt. Die zentralen Elemente 212a und 212b haben sich gebogen, um zu ermöglichen, dass diese Drehung stattfindet, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt. In Abhängigkeit von der speziellen Biegsamkeit der zentralen Elemente 212a und 212b können somit das Linearachsenelement 204 und das Objekt 44 in einem begrenzten Ausmaß im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um die Achse C gedreht werden.
  • Es sollte beachtet werden, dass in einigen Ausführungsbeispielen das Linearachsenelement 204 in einem dritten Freiheitsgrad parallelverschiebbar sein kann, während es bezüglich des vierten Freiheitsgrades (Wirbeln) "starr" mit dem Objektelement 216 gekoppelt ist. Dies würde ermöglichen, dass das Linearachsenelement entlang der Achse C parallelverschoben wird, würde jedoch verhindern, dass sich das Linearachsenelement unabhängig vom Objektelement dreht. Ein solches Ausführungsbeispiel kann beispielsweise durch Aufnehmen von einer oder mehreren Nuten innerhalb der zentralen Öffnung des Objektelements 216, die entlang der Achse C orientiert sind, implementiert werden. Das Linearachsenelement könnte eine entsprechende Anzahl von Greifelementen umfassen, die mit den Nuten in Eingriff stehen, um eine Parallelverschiebung, aber keine Drehung bezüglich des Objektelements 216 zu ermöglichen.
  • 14 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels 200b der in 12 gezeigten mechanischen Vorrichtung 200. Die Vorrichtung 200b umfasst einen Kardanmechanismus 202b, der zum Kardanmechanismus 202 ähnlich ist, und umfasst ein Grundelement 208 (mit der Grundfläche 206 gekoppelt schematisch dargestellt), starre Verlängerungselemente 210a und 210b und biegsame zentrale Elemente 212a und 212b. In dem Ausführungsbeispiel von 14 sind jedoch das zentrale Element 212a und das zentrale Element 212b starr mit dem Objekt 44 gekoppelt, das als Steuerhebel 240 gezeigt ist. Das Objekt 44 kann sich somit in diesem Ausführungsbeispiel nicht entlang der Achse C parallel verschieben. Das Objekt 44 kann sich jedoch in einem begrenzen Winkelbereich um die Achse C drehen, wie vorstehend mit Bezug auf 13 erläutert. Außerdem sind die Verlängerungselemente 210a und 210b des Mechanismus 202b in einer geringfügig anderen Position zu jenen des Mechanismus 202 gezeigt. Das Verlängerungselement 210b wurde "gekippt", um mit dem Objekt 44 über das zentrale Element 212b auf der entgegengesetzten Seite des Objekts gekoppelt zu werden. Entweder diese Anordnung oder die in 12 gezeigte Anordnung kann ohne signifikante Funktionsunterschiede verwendet werden.
  • Ferner ist ein zusätzlicher Wandler 214c mit einem Ende des Objekts 44 gekoppelt gezeigt. Der Wandler 214c ist vorzugsweise am Grundelement 208 mit dem Grund gekoppelt (oder an einem anderen Element, das mit dem Grund gekoppelt ist). Der Wandler 214c kann ein Stellglied wie z.B. einen Motor oder eine Bremse zum Übertragen von Kräften auf das Objekt 44 in dem Drehfreiheitsgrad um die Achse C und/oder einen Sensor zum Erfassen der Bewegung und Position des Objekts 44 in demselben Drehfreiheitsgrad umfassen. Diese Komponenten sind in den obigen Ausführungsbeispielen genauer beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel kann somit drei mit dem Grund gekoppelte Stellglieder vorsehen, was eine genauere Kraftrückkopplung vorsieht, da die Stellglieder nicht das Gewicht irgendwelcher anderen Stellglieder tragen. Der Wandler 214c ist durch eine torsionsbeständige Biegevorrichtung 242 mit dem Objekt 44 gekoppelt, welche sich biegt, um zu ermöglichen, dass sich das Objekt 44 um die Achsen A und B dreht, aber nicht um die Achse C biegt (d.h. hält Torsionskräften stand). Die Biegevorrichtung 242 kann sich mit einer welle des Wandlers 214c drehen und folglich ermöglichen, dass sich das Objekt 44 um die Achse C dreht. Die Biegevorrichtung kann Kräfte und Positionen des Objekts 44 um die Achse C weiterleiten, selbst wenn sich die Biegevorrichtung in einer gebogenen Position befindet. Eine solche Biegevorrichtung kann viele mögliche Formen annehmen, wie z.B. eine Spule oder Feder, wie sie Fachleuten gut bekannt sind. Der mit dem Grund gekoppelte Wandler 214c und die Biegekopplung 242 können auch in anderen hierin offenbarten Ausführungsbeispielen mit dem Objekt 44 gekoppelt sein. In noch anderen Ausführungsbeispielen kann die torsionsbeständige Biegevorrichtung 242 das Objekt 44 direkt mit dem Grundelement 208 (oder der Grundfläche 206) koppeln, d.h. der Wandler 214c wird weggelassen. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann sich das Objekt 44 aufgrund des Widerstandes der Biegevorrichtung gegen eine Bewegung in diesem Freiheitsgrad nicht um die Achse C drehen.
  • In anderen Ausführungsbeispielen mit einem Benutzerobjekt 44, das entlang der Achse C parallelverschiebbar ist, kann die torsionsbeständige Biegevorrichtung 242 außerdem eine solche Parallelverschiebung ermöglichen. Die Biegevorrichtung 242 kann hohl sein, z.B. der Innenraum einer Spule oder Feder. Ein Linearachsenelement 204 oder ein dünnes Objekt 44 kann durch den hohlen Teil der Biegevorrichtung 242 hindurch parallelverschoben werden.
  • In noch anderen Ausführungsbeispielen, in denen sich das Objekt 44 nicht entlang der Achse C parallel verschiebt, kann das Objekt 44 wie z.B. ein Steuerhebelgriff ausgefahren und mit dem Grundelement 208 oder der Grundfläche 206 gekoppelt werden. Ein Kugelgelenk kann beispielsweise verwendet werden, um eine Bewegungsfreiheit für das Objekt 44 vorzusehen und dennoch das Objekt zu stabilisieren. Eine Kugel oder ein Teil einer Kugel kann am Ende des Objekts 44 vorgesehen und in eine Aufnahmebuchse, die an der Grundfläche 206 vorgesehen ist, eingesetzt sein, wie es Fachleuten gut bekannt ist. Ein solches Gelenk wird mit Bezug auf die 22a und 22b gezeigt und beschrieben. Das Kugelgelenk ermöglicht, dass das Objekt 44 um entweder die Achse D oder E bewegt wird.
  • 15 ist eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels 200c der in 12 gezeigten mechanischen Vorrichtung 200. Die Vorrichtung 200c umfasst einen Kardanmechanismus 202c, der ein Grundelement 208 (schematisch mit der Grundfläche 206 gekoppelt gezeigt) und starre Verlängerungselemente 210a und 210b ähnlich den in den 12 und 14 gezeigten äquivalenten Elementen umfasst. Der Kardanmechanismus 202c umfasst auch drei biegsame zentrale Elemente 212a, 212b und 212c. Die zentralen Elemente 212a und 212b sind zu den vorstehend mit Bezug auf die 12 und 13 beschriebenen zentralen Elementen ähnlich, wobei die Elemente sowohl in der Dimension der Achse C breit als auch in den jeweiligen Dimensionen, in denen die Elemente verdreht werden können, schmal sind, d.h. das zentrale Element 212a weist eine kleine Breite in der Dimension der Achse A auf, so dass das Element um die Achse B verdreht und in der Ebene der Achsen D und E gebogen werden kann. Die zentralen Elemente 212a und 212b koppeln das Objekt 44 mit den Verlängerungselementen 210a und 210b und ermöglichen, dass sich das Objekt 44 um die Achsen A und B (und die schwebenden Achsen D und D) dreht.
  • Das zentrale Element 212c ist zwischen das Objektelement 216 (od.er Objekt 44) und das Verlängerungselement 210a entlang der Achse A und der schwebenden Achse E gekoppelt. Das Element 212c ist biegsam wie die Elemente 212a und 212b, weist jedoch in der Dimension der C-Achse eine kleine Breite und in den Dimensionen der Achsen A und B eine relativ große Breite auf. Diese Abmessungen ermöglichen, dass sich das biegsame Element 212c um die Achsen E und A verdreht und in der Ebene der Achsen A und C biegt. Da sich das biegsame Element 212a auch um die Achsen A und E verdreht, kann das Objekt 44 um die Achsen A und E gedreht werden. Die relativ große Breite des biegsamen Elements 212c in der durch die Achsen A und B festgelegten Ebene verhindert jedoch, dass sich das Objektelement 216 um die Achse C dreht. Diese Struktur sieht mehr Steifigkeit und Stabilität für das Objekt 44 bei der Drehung des Objekts um die Achsen A und E vor.
  • Alternativ kann ein biegsames Element 212d anstelle des biegsamen Elements 212c vorgesehen sein. Das Element 212d koppelt das Objektelement 216 und das Objekt 44 mit dem Verlängerungselement 210a auf der entgegengesetzten Seite des Objekts 44 vom biegsamen Element 212b. Das Element 212d ist in den Dimensionen der Achsen A und B breit und in der Dimension der Achse C schmal. Das Element 212d kann sich um die Achsen B und D verdrehen und in der Ebene der Achsen B und C biegen, wobei folglich das Objekt 44 mit einem Drehfreiheitsgrad um die Achsen B und D versehen ist. Die größere Breite des Elements 212d in der A-B-Ebene verhindert, dass sich das Objektelement 216 um die Achse C dreht. Typischerweise ist nur das Element 212d oder 212c aus Stabilitätsgründen erforderlich. Beide Elemente 212c und 2124 können in alternativen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.
  • Da sich das Objektelement 216 in diesem Ausführungsbeispiel nicht biegsam um die Achse C drehen kann, kann das Objekt 44 drehbar mit dem Objektelement 216 gekoppelt sein, um zu ermöglichen, dass sich das Objekt 44 um die Achse C dreht, falls erwünscht. In anderen Ausführungsbeispielen, in denen es nicht erwünscht ist, dass sich das Objekt 44 dreht, kann das Objekt 44 direkt mit den biegsamen Elementen 212a–c gekoppelt sein. In dem Ausführungsbeispiel von 15 kann das Objekt 44 auch entlang der Achse C in einem linearem Freiheitsgrad parallelverschoben werden, wie vorstehend mit Bezug auf 12 beschrieben. Ein dritter mit dem Grund gekoppelter Wandler 214c kann auch mit dem Objekt 44 gekoppelt sein, wie in 14 gezeigt.
  • 16 ist eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels 200d der in 12 gezeigten mechanischen Vorrichtung 200. Die Vorrichtung 200d umfasst einen Kardanmechanismus 202d, der ein Grundelement 208 (mit der Grundfläche 206 gekoppelt schematisch dargestellt) und starre Verlängerungselemente 210a und 210b. Diese Elemente sind zu den äquivalenten Elementen ähnlich, wie vorstehend mit Bezug auf 2 beschrieben. Der Kardanmechanismus 202d umfasst auch zwei biegsame zentrale Elemente 212a und 212b. Die zentralen Elemente 212a und 212b sind zu den vorstehend mit Bezug auf die 12 und 13 beschriebenen zentralen Elemente ähnlich, wobei die Elemente sowohl in der Dimension der Achse C breit als auch in den jeweiligen Dimensionen, in denen die Elemente gedreht werden können, schmal sind. Die zentralen Elemente 212a und 212b koppeln das Objekt 44 mit den Verlängerungselementen 210a und 210b und ermöglichen, dass sich das Objekt 44 um die Achsen A und B (die schwebenden Achsen U und E) dreht.
  • Ein Unterschied in dem Ausführungsbeispiel von 16 besteht darin, dass die biegsamen Elemente 212a und 212b starr mit dem Objekt 44 (oder Objektelement 216) gekoppelt sind und durch Lager 213a und 213b drehbar mit den Verlängerungselementen 210a bzw. 210b gekoppelt sind. Dies ermöglicht, dass sich die biegsamen Elemente biegen und den Winkel θ relativ zueinander aufgrund einer Biegung ändern, wenn das Objekt 44 um die Achsen A und B gedreht wird. Da jedoch die biegsamen Elemente 212a und 212b drehbar mit den Verlängerungselementen gekoppelt sind, verdrehen sie sich nicht, wenn das Objekt 44 bewegt wird, sondern drehen sich. Die Biegung kommt nur an den Enden der biegsamen Elemente 212a und 212b zur Wirkung, die mit dem Objekt 44 oder Objektelement 216 gekoppelt sind. Diese Anordnung ist ein Kompromiss zwischen den Anordnungen der 2 und 12 und sieht aufgrund der zusätzlichen erforderlichen Lager 213a und 213b mehr Teile und Montagekomplexität vor als das Ausführungsbeispiel von 12. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht jedoch, dass sich die biegsamen Elemente 212a und 212b leichter drehen, und sieht somit eine realistischere Kraftrückkopplung für den Benutzer vor.
  • 17 ist eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels 200e der in 12 gezeigten mechanischen Vorrichtung 200. Die Vorrichtung 200e umfasst einen Kardanmechanismus 202e, der ein Grundelement 208, Verlängerungselemente 210a und 210b und biegsame zentrale Elemente 212a und 212b, die ähnlich den obigen Ausführungsbeispielen miteinander gekoppelt sind, umfasst. In gewisser Hinsicht funktioniert die Vorrichtung 200e ähnlich zur Vorrichtung 200 von 12. Die biegsamen Elemente 212a und 212b sind starr mit den Verlängerungselementen 210a bzw. 210b gekoppelt, wie in dem Ausführungsbeispiel von 12. Die biegsamen Elemente sind jedoch über ein Lager 215 drehbar mit dem Objekt 44 gekoppeat. Das Lager 215 sieht eine drehbare Verbindung zwischen den zentralen Elementen 212a und 212b und mit dem Objekt 44 (oder Linearachsenelement 204) vor, wobei folglich ermöglicht wird, dass sich das Objekt oder Linearachsenelement um die Achse C dreht oder kreist. wenn das Objekt 44 um die Achsen A und B (und D und e) gedreht wird, ändert sich der Winkel θ zwischen den zentralen Elementen aufgrund der Drehung des Lagers 215 anstatt aufgrund der Biegung der Elemente. Die biegsamen Elemente 212a und 212b verdrehen sich, da sie starr mit dem Lager 215 und den Verlängerungselementen 210a und 210b gekoppelt sind. Diese Anordnung wie die Anordnung von 16 ist ein Kompromiss zwischen den Ausführungsbeispielen der 2 und 12, der kostenaufwändiger ist als das Ausführungsbeispiel von 12, aber auch realistischere Kräfte für den Benutzer vorsieht.
  • 18 ist eine perspektivische Ansicht der mechanischen Vorrichtung 25 (oder 200), in der ein Schwingsplen-Stellglied 240 als Stellglied 126 wirkt, um Kräfte auf das Objekt 44 in einem Freiheitsgrad aufzubringen. Schwingspulen-Stellglieder wurden im Stand der Technik in einem einzelnen Freiheitsgrad für Plattenlaufwerke und ähnliche Drehvorrichtungen verwendet. Das Schwingspulen-Stellglied 240 umfasst eine Pendelwelle 242, einen Pendelkopf 244, eine Magnetanordnung 246 und eine Magnetflussführung 247. Die Pendelwelle 242 ist starr mit einem Verlängerungselement 48a gekoppelt, so dass, wenn sich das Verlängerungselement 48a um die Achse B dreht, die Pendelwelle 242 sich auch um die Achse B dreht. Der Pendelkopf 244 ist mit der Welle 242 gekoppelt und dreht sich mit der Welle. Der Pendelkopf 244 ist zwischen zwei Magneten 248 der Magnetführung 246 angeordnet. Vorzugsweise erstreckt sich der Pendelkopf aus der Magnetanordnung 246 heraus und ist auf beiden Seiten von dieser teilweise freigelegt.
  • Wie in der Seitenschnittansicht von 19a und der Schnittdraufsicht von 19b gezeigt, ist der Pendelkopf 244 zwischen den Magneten 248a und 248b angeordnet und wird somit durch die Magnetfelder beider Magnete beeinflusst. Die Magnete 248a und 248b umfassen jeweils Nordpol-Oberflächen 250 und Südpol-Oberflächen 252, wobei somit vier Magnetpolaritäten für den inneren Bereich 255 der Führung 47 vorgesehen sind (entgegengesetzte Polaritäten sind auf entgegengesetzten Oberflächen der Magnete 248 vorgesehen). In alternativen Ausführungsbeispielen können vier verschiedene Magnete vorgesehen sein (zwei Nordpol-Magnete und zwei Südpol-Magnete). In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Magnet 248a oder 248b vorgesehen sein und der andere Magnet kann ein einfach geformtes Metallstück sein, das einen Flussrückweg vorsieht. Vorzugsweise ist eine kleine Menge an Platz 249 zwischen den Magnetoberflächen und dem Pendelkopf 244 vorgesehen. Die Magnetflussführung 247 ist ein Gehäuse, das ermöglicht, dass der Magnetfluss von einem Ende der Magnete 248 zum anderen Ende läuft, wie es Fachleuten gut bekannt ist.
  • Der Pendelkopf 244 umfasst eine Drahtspule 256, die vorzugsweise um den Umfang des Pendelkopfs gewickelt ist. Ein elektrischer Strom I wird über elektrische Verbindungen 257 durch die Spule 256 geleitet. Wie Fachleuten gut bekannt ist, erzeugt der elektrische Strom in der Spule ein Magnetfeld. Das Magnetfeld von der Spule tritt dann mit den durch die Magnete 248 erzeugten Magnetfeldern in Wechselwirkung, um eine Bewegung zu erzeugen. Die Bewegung oder das Drehmoment des Pendelkopfs 244 ist durch Pfeile 258 angegeben. Die Größe oder Stärke des Drehmoments hängt vom Betrag des Stroms, der an die Spule angelegt wird, ab. Ebenso hängt die Richtung des Drehmoments von der Richtung des Stroms zur Spule ab. Die Funktionsweise und Implementierung einer solchen Pendelbewegung durch Magnetfeader ist Fachleuten gut bekannt.
  • Indem ein gewünschter Strombetrag und eine gewünschte Stromrichtung angelegt werden, kann folglich eine Kraft auf den Pendelkopf 244 aufgebracht werden, wodurch eine Kraft auf die Pendelwelle 242 und ein Drehmoment auf das Verlängerungselement 48a aufgebracht wird. Dies bringt wiederum eine Kraft auf das Objekt 44 in einem Drehfreiheitsgrad um die Achse B (und Achse D) auf. Das Schwingspulen-Stellglied kann somit als Ersatz für andere Stellglieder wie z.B. Gleichstrommotoren und Bremsen mit drehbaren Wellen bereitgestellt werden. Ein Schwingspulen-Stellglied kann für jeden Freiheitsgrad der mechanischen Vorrichtung vorgesehen werden, auf den es erwünscht ist, eine Kraft aufzubringen. Eine zweite Schwingspule 240 ist beispielsweise vorzugsweise mit dem Verlängerungselement 48a in einer ähnlichen Weise gekoppelt, um Kräfte auf das Objekt 44 in dem Drehfreiheitsgrad um die Achsen A und E aufzubringen. Außerdem können die anderen Ausführungsbeispiele der mechanischen Vorrichtung 25, die in den 12–17 gezeigt sind, das Schwingspulen-Stellglied 240 als Stellglied verwenden. Andere bekannte Schnittstellenvorrichtungen wie z.B. geschlitzte Gabelmechanismen oder anderen Kardanmechanismen können auch Schwingspulen verwenden, um eine Kraftrückkopplung für den Benutzer der Schnittstelle in den gewünschten Freiheitsgraden vorzusehen.
  • Außerdem kann das Schwingspulen-Stellglied 240 als Sensor verwendet werden. Eine zweite Spule mit einer geeigneten Anzahl von Schleifen kann am Pendelkopf 244 angeordnet werden. Die Bewegung um die Achse B innerhalb Magnetfeldern induziert eine Spannung über der zweiten Spule. Die Spannung kann über dieser zweiten Spule abgetastet werden. Diese Spannung ist zur Drehgeschwindigkeit des Pendelkopfs 244 proportional. Aus dieser abgeleiteten Geschwindigkeit kann die Beschleunigung oder Position des Pendelkopfs unter Verwendung einer Zeitsteuerinformation beispielsweise von einem Takt (nachstehend beschrieben) abgeleitet werden. Alternativ kann die Spule 256 sowohl zum Anlegen von Kräften als auch zum Abtasten der Geschwindigkeit verwendet werden, wie Fachleuten gut bekannt ist.
  • Das Schwingspulen-Stellglied 240 weist mehrere Vorteile auf. Einer besteht darin, dass ein begrenzter Winkelbereich für einen speziellen Freiheitsgrad des Objekts 44 durch die Länge der Magnetanordnung 246 festgelegt wird. In vielen Schnittstellenvorrichtungen wie z.B. Steuerhebeln ist ein solcher begrenzter Winkelbereich erwünscht, um die Bewegung des Objekts 44 zu begrenzen. Das Schwingspulen-Stellglied sieht auch einen guten mechanischen Vorteil aufgrund des größeren Radius der Magnetanordnung 246 vor. Wenn Schwingspulen-Stellglieder für Wandler 42 verwendet werden, sind folglich ein Haspelantrieb, wie vorstehend mit Bezug auf 5 beschrieben, oder ein Reibungsantrieb, wie nachstelzend beschrieben, nicht erforderlich. Die Steuerung des Schwingspulen-Stellgliedes ist auch einfacher als die von anderen Stellgliedern, da das Ausgangsdrehmoment eine lineare Funktion des Eingangsspulenstroms ist. Da Schwingspulen-Stellglieder außerdem keine mechanische oder elektrische Umschaltung erfordern wie andere Arten von Motoren, weist das Schwingspulen-Stellglied eine längere Lebenserwartung, weniger Wartung und einen ruhigen Betrieb auf. Die Betätigung ist reibungslos, was zu einer größeren haptischen Genauigkeit führt. Schließlich sind die Teile für Schwingspulen-Stellglieder kostengünstig herzustellen und leicht erhältlich, wodurch sich auf kostengünstige Weise eine realistische Kraftrückkopplung vorsehen lässt.
  • Alternaiv kann eine lineare Schwingspule verwendet werden, um Kräfte in einem linearen Freiheitsgrad vorzusehen und eine Bewegung in diesem zu erfassen. Eine lineare Schwingspule weist Magnete ähnlich den vorstehend beschriebenen Magneten 248 auf, außer dass sie einen linearen Kanal bilden, durch den sich ein Spulenkopf (ähnlich dem Pendelkopf 244) parallel verschiebt. Eine solche lineare Schwingspule wird mit Bezug auf die 21a–b und 22a–e beschrieben und kann beispielsweise mit der Parallelverschiebungsbewegung des Linearachsenelements 40 oder 204 und/oder des Objekts 44 entlang der Achse C verwendet werden.
  • Die 20a–20e sind schematische Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels 240' eines Schwingspulen-Stellgliedes zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Der Pendelkopf 244' ist eine Abänderung des Pendelkopfs 244 der 19a und 19b. Die Spule 260 ist um den Umfang des Pendelkopfs 244' angeordnet und umfasst mehrere separate "Unterspulen" aus Draht. Anschlüsse 261 umfassen einen Satz von Anschlüssen für jede unterschiedliche Unterspule im Pendelkopf 244'. Diese unterschiedlichen Unterspulen sind in den 20b–20e dargestellt.
  • 20b zeigt eine Unterspule 262, die eine Schleife um den Umfang des Kopfs 244' bildet. 20c zeigt eine Unterspule 264, die zwei Schleifen bildet, und 20d zeigt eine Unterspule 266, die vier Schleifen bildet. Schließlich zeigt 20e eine Unterspule 268, die acht Drahtschleifen bildet. Alle diese Unterspulen können am Pendel 244' als Spule 260 vorgesehen sein. Jede in den 20b–20e gezeigte Unterspule umfasst ihren eigenen Satz von. Anschlüssen 261, die mit einer Quelle für einen Strom I verbunden werden sollen.
  • Unter Verwendung beispielsweise der in den 20b–20e gezeigten vier verschiedenen Unterspulen können verschiedene Magnetfelder für den Pendelkopf 244' induziert werden und folglich können verschiedene Drehmomente auf das Pendel aufgebracht werden. Ein fester Strom kann selektiv zu jeder der Unterspulen unter Verwendung von einem oder mehreren Schaltern, die mit den Unterspulen verbunden sind, geliefert werden. Da die Magnetfelder von ausgewählten Unterspulen in Wechselwirkung treten, um größere oder kleinere Magnetfelder zu erzeugen, können eine Vielfalt von verschiedenen Drehmomenten vorgesehen werden. Es sind vier verschiedene Unterspulen vorhanden, wobei jede Unterspule ein Drehmoment erzeugt, das ein Faktor von 2 größer als die vorherige Spule ist. Somit können insgesamt 24 = 16 verschiedene Drehmomente mit einem Strom mit konstantem Betrag in jeder Unterspule erzeugt werden. Da die Richtung des Stroms umgeschaltet werden kann, um Drehmomente in der entgegengesetzten Richtung zu erzeugen, ist die Gesamtzahl von Drehmomenten, die erzeugt werden können, gleich 31. In anderen Ausführungsbeispielen kann eine andere Anzahl von Unterspulen verwendet werden. Auf eine allgemeine Regel reduziert kann ein Schwingspulen-Stellglied mit N Unterspulen, die jeweils in einem von drei Zuständen angesteuert werden können (positive Polarität, 0, negative Polarität), 2N+1 – 1 Drehmomentwerte erzeugen.
  • Dieses Schema ist leicht auf ein digitales System unter Verwendung von Ein- und Aus-Schaltern anwendbar. Jede Unterspule kann beispielsweise mit einem Satz von vier Schaltern (üblicherweise als "H-Brücke" bezeichnet) versehen sein, um die Richtung des Stroms in der Unterspule auszuwählen. Ein Vorteil dieses alternativen Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Strombeträge nicht verändert werden müssen, was eine weniger komplexe Elektronik und ein Schema, das leicht an digitale Signale anpassbar ist, ermöglicht.
  • In anderen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Sätze von Spulen vorgesehen sein, um zusätzliche Drehmomentwerte zu erzeugen. Ein weiterer Satz von vier Unterspulen, der zum vorstehend beschriebenen Satz identisch ist, kann beispielsweise zur Spule 260 hinzugefügt und so orientiert werden, dass der zweite Satz von Unterspulen Drehmomente in der entgegengesetzten Richtung zum ersten Satz erzeugt. Mit zusätzlichen Spulen kann die Anzahl von Schaltern verringert werden. In noch anderen Ausführungsbeispielen können die Spulen für eine leichte Herstellung als Bahnen auf einer Leiterplatte vorgesehen werden.
  • 21a ist eine perspektivische Ansicht eines Schnittstellensystems 270, in dem zwei lineare Freiheitsgrade für das Benutzerobjekt 44 vorgesehen sind und lineare Schwingspulen-Stellglieder 272a und 272b zum Aufbringen von Kräften auf das Benutzerobjekt verwendet werden. Ein Computer 16 (nicht dargestellt) ist vorzugsweise mit den Schwingspulen-Stellgliedern gekoppelt, um nach Wunsch einen Strom anzulegen.
  • Eine Seitenschnittansicht eines Beispiels eines linearen Schwingspulen-Stellgliedes 272a ist in 21b gezeigt. Das lineare Schwingspulen-Stellglied 272a ist ein mit dem Grund gekoppeltes Stellglied und umfasst ein zylindrisches Magnetflussgehäuse 274a und einen Spulenkopf 276a. Das Gehäuse 274a kann aus Eisen oder einem anderen Eisenmetall bestehen und umfasst einen radial polarisierten, röhrenförmigen Magneten 275a (der alternativ aus mehreren kleineren Magneten bestehen kann), der entlang der inneren Länge des Gehäuses angeordnet ist und die radial magnetisiert sind. Außerdem erstreckt sich ein Kernteil 277a des Gehäuses 274a vorzugsweise das Zentrum des Gehäuses 274a hinab durch das Zentrum des Spulenkopfs 276a. Der Spulenkopf 276a umfasst eine Spule 278a, die um den Spulenkopf gewickelt ist, ähnlich zur Spule 256 von 19a. Ein wahlweiser Spulenträger 281a kann vorgesehen sein, um den die Spule 278a zu wickeln ist. Der Spulenkopf 276a bewegt sich innerhalb des Gehäuses 274a entlang eines linearen Freiheitsgrades, der durch Pfeile 279 angegeben ist, wenn ein Strom durch die Spule 278a geleitet wird, ähnlich wie vorstehend beschrieben. Die Richtung des Spulenkopfs 276a hängt von der Richtung des angelegten Stroms ab. Außerdem kann ein lineares Schwingspulen-Stellglied verwendet werden, um die Position des Spulenkopfs 276a entlang des linearen Freiheitsgrades abzutasten, indem die Geschwindigkeit abgetastet wird, wie vorstehend mit Bezug auf 19a und 19b beschrieben. Alternativ können separate Linearbewegungssensoren mit dem Objekt 44 oder anderen Elementen gekoppelt sein; solche lineare Sensoren sind Fachleuten gut bekannt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Spulenkopf 276a länger gemacht werden als das Gehäuse 274a. Lineare Schwingspulen-Stellglieder sind Fachleuten gut bekannt und sind in Precision Machine Design, von Alexander Slocum, Prentice Hall, 1992, Seite 64, beschrieben.
  • Unter Rückbezug auf 21a ist der Spulenkopf 276a vorzugsweise mit einem ersten Ende einer Welle 282a gekoppelt und ein zweites Ende der Welle 282a ist mit einem ersten Ende eines Gelenkelements 284a gekoppelt. Ein Drehgelenk 283a koppelt die Welle 282a mit dem Gelenkelement 284a und ermöglicht, dass sich das Gelenkelement 284a um die schwebende Achse Z1 dreht. Ein zweites Ende des Gelenkelements 284a ist durch ein Drehgelenk 286 drehbar mit einem zweiten Ende des Gelenkelements 284b verbunden. Das Benutzerobjekt 44 ist vorzugsweise mit dem Gelenkelement 284b (oder alternativ 284a) gekoppelt. Das lineare Schwingspulen-Stellglied 272b weist äquivalente Komponenten zum Stellglied 272a auf, wie in 21b gezeigt. Das Gelenkelement 284b kann sich somit um die schwebende Achse Z2 drehen. Das zweite Ende des Gelenkelements 284b ist durch ein Drehgelenk 286, das eine Drehachse Z3 vorsieht, drehbar mit dem zweiten Ende des Gelenkelements 284a gekoppelt.
  • Das Objekt 44 kann von einem Benutzer entlang der linearen Achse X oder linearen Achse Y oder entlang einer Kombination dieser Achsen parallelverschoben werden. Wenn das Objekt 44 entlang der Achse X zum Gehäuse 274a hin oder von diesem weg bewegt wird, dann werden der Spulenkopf 276a, die Welle 282a und das Gelenkelement 284a entsprechend zum Gehäuse 274a hin oder von diesem weg bewegt und halten dieselbe relative Position, wie in 21a gezeigt, bei. Das Gelenkelement 284b dreht sich jedoch um die schwebende Achse Z2 und die schwebende Achse Z3 gemäß der Bewegung des Gelenkelements 284a. Wenn das Objekt 44 entlang der Achse Y zum Gehäuse 272b hin oder von diesem weg bewegt wird, dann werden ebenso der Spulenkopf 276b, die Welle 282b und das Gelenkelement 284b entsprechend zum Gehäuse 272b hin oder von diesem weg bewegt und halten die relativen Positionen, wie in 21a gezeigt, bei. Das Gelenkelement 284a dreht sich um die schwebenden Achsen Z1 und Z3 gemäß der Bewegung des Gelenkelements 284b. Wenn das Objekt 44 gleichzeitig entlang beider Achsen X und Y bewegt wird (z.B. wird das Objekt 44 diagonal bewegt), dann drehen sich beide Gelenkelemente 284a und 284b um ihre jeweiligen Achsen und die Achse Z3.
  • Die Wellen 282a und 282b und die Gelenkelemente 284a und 284b können geradlinige Elemente sein, die an flachen Oberflächen der Elemente mit Drehkupplungen oder Gelenken 283a, 283b und 286 drehbar miteinander gekoppelt sein können. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Gelenkelement 284a unter der Welle 282a gekoppelt und das andere Gelenkelement 284b ist über der Welle 282b gekoppelt. Alternativ können die Wellen und Gelenkelemente in vielen verschiedenen Anordnungen miteinander gekoppelt sein.
  • 21c ist ein schematisches Diagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels 270' des in 21a gezeigten Schnittstellensystems 270. In 21c sind zwei lineare Schwingspulen-Stellglieder 272a und 272b, wie in 21a gezeigt, enthalten, um in zwei linearen Freiheitsgraden Kräfte auf das Objekt 44 aufzubringen und Positionen abzutasten. Das Schwingspulen-Stellglied 272a umfasst ein Gehäuse 274a, einen Spulenkopf 276a und eine Welle 282a und das Stellglied 272b umfasst äquivalente Komponenten. Der Computer 16 (nicht dargestellt) ist vorzugsweise mit den Schwingspulen-Stellgliedern gekoppelt, um nach Wunsch einen Strom anzulegen.
  • Wie in 21a verschieben sich die Spulenkopfe 276a und 276b parallel entlang der linearen Freiheitsgrade, die durch die Pfeile 279 angegeben sind, innerhalb der Gehäuse 274a bzw. 274b. Der Strom kann durch den Computer 16 angelegt werden, um eine Kraft auf die Spulenköpfe aufzubringen oder die Geschwindigkeit abzutasten.
  • Die Welle 282a ist mit einem biegsamen Element 288a gekoppelt. Die biegsamen Elemente 288a und 288b bestehen vorzugsweise aus einem elastischen Material wie z.B. biegsamem Kunststoff, Gummi, Metall oder dergleichen und können sich ähnlich zu den vorstehend mit Bezug auf 12 beschriebenen biegsamen Elementen biegen. Wie vorstehend beschrieben, sind die biegsamen Elemente 288a und 288b vorzugsweise in der Abmessung, in der sich die Stange biegen soll, schmal und in den Abmessungen, in denen die Stange starr bleiben soll, breit. Die Welle 282a ist ein starres Element, das das Element 288a mit dem Spulenkopf 276a koppelt, und kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen mit verschiedenen Längen vorgesehen sein. Das biegsame Element 288a ist am anderen Ende des biegsamen Elements starr mit einem Objektelement 289 gekoppelt. Das Element 289 kann ein Teil des Objekts 44 oder eine Plattform oder eine andere Basis zum Abstützen des Objekts 44 sein. Die Welle 282b ist mit dem Objekt 44 durch das biegsame Element 288b in einer ähnlichen Weise gekoppelt. Das biegsame Element 288b ist mit dem Objektelement 289 an seinem anderen Ende gekoppelt.
  • Das Objekt 44 kann durch einen Benutzer entlang der linearen Achse X oder linearen Achse Y bewegt werden. Die biegsamen Elemente 288a und 288b beugen (biegen) sich entsprechend, wenn das Objekt bewegt wird. Wenn das Objekt 44 und das Element 289 beispielsweise entlang der Achse X bewegt werden, biegt sich das biegsame Element 288a nicht, da die Bewegungsrichtung die Längsachse (im wesentlichen parallel zu dieser) des biegsamen Elements 288a hinab gerichtet ist. Da jedoch das Gehäuse 274b mit dem Grund gekoppelt und relativ zum Objekt 44 an der Stelle fixiert ist, biegt sich das Element 288a zum Stellglied 272a hin oder von diesem weg (in Abhängigkeit von der Richtung des Objekts entlang der Achse X), um die Parallelverschiebung des Objekts 44 zu ermöglichen. Dies geschieht, wenn die Bewegungsrichtung des Objekts 44 zur Längsachse des biegsamen Elements 288a im Wesentlichen senkrecht ist. Wenn das Objekt 44 entlang der Achse Y im anderen linearen Freiheitsgrad parallelverschoben wird, biegt sich ebenso das biegsame Element 288b nicht, da die Bewegungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Längsachse des biegsamen Elements 288b gerichtet ist. Das biegsame Element 288a biegt sich jedoch zum Stellglied 272b hin oder von diesem weg, um die Parallelverschiebung des Objekts 44 zu ermöglichen. Wenn das Objekt 44 gleichzeitig entlang beider Achsen X und Y bewegt wird (z.B. das Objekt 44 diagonal bewegt wird), dann biegen sich beide biegsamen Elemente 288a und 288b in Verbindung mit der Bewegung. Es sollte beachtet werden, dass sich die biegsamen Elemente 288a und 288b nicht verdrehen (d.h. eine Torsionsbiegung vorsehen) wie die biegsamen Elemente von 12. Nur eine Biegebewegung ist für die Elemente 288a und 288b in dem Ausführungsbeispiel von 21c erforderlich.
  • 22a ist eine Draufsicht und 22b ist eine Seitenansicht einer Schnittstellenvorrichtung 300 mit Schwingspulen-Stellgliedern ähnlich den vorstehend mit Bezug auf die 18, 19a und 19b beschriebenen. Die Schnittstellenvorrichtung 300 umfasst ein Benutzerobjekt 44, ein Kugelgelenk 302, eine Buchse 304 und einen Antriebsbolzen 306, eine Leiterplatte 308 und Schwingspulen-Stellglieder 310a und 310b. Das Benutzerobjekt 44 ist als Steuerhebel gezeigt, der mit dem Kugelgelenk 302 gekoppelt ist. Das Benutzerobjekt 44 weist zwei Drehfreiheitsgrade um die Achse X bzw. die Achse Y auf, wie durch die Pfeile 312 und 314 angegeben. Diese Freiheitsgrade ergeben sich aus dem Kugelgelenk 302, das sich innerhalb der Buchse 304 dreht. Die Buchse 304 ist mit dem Grund gekoppelt und bleibt relativ zum Benutzerobjekt 44, zum Kugelgelenk 302 und zu den anderen beweglichen Komponenten der Vorrichtung 300 stationär. Die Kugelbuchse 302 ist als teilweise Kugel gezeigt, wobei ein Teil der Kugel abgeschnitten ist. Andere ähnliche Arten von Gelenken können in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
  • Der Antriebsbolzen 306 ist mit dem Kugelgelenk 302 gekoppelt und erstreckt sich entlang einer Achse Z aus der durch die Achsen X und Y festgelegten Ebene. Der Antriebsbolzen 306 erstreckt sich durch eine Öffnung 316 in einer Leiterplatte 308. Vorzugsweise ist eine Tülle 322, die aus Gummi oder einem ähnlichen nachgiebigen Material besteht, zwischen dem Antriebsbolzen 306 und der Leiterplatte 308 angeordnet. Alternativ kann ein offener Raum zwischen dem Bolzen und der Platte vorgesehen sein. Die Leiterplatte 308 ist in einer zur X-Y-Ebene im Wesentlichen parallelen Ebene angeordnet und schwebt, d.h. die Leiterplatte 308 ist nicht mit dem Grund gekoppelt. Die Platte 308 wird vorzugsweise durch Führungen 318 geführt, die dazu dienen, die Leiterplatte 308 im Wesentlichen innerhalb der zur X-Y-Ebene parallelen Ebene zu halten, und ermöglichen, dass sich die Leiterplatte in dieser Ebene parallel verschiebt, wie durch die Pfeile 320 gezeigt. Die Führungen 318 sind als runde, zylindrische Elemente gezeigt, weisen jedoch in alternativen Ausführungsbeispielen eine Vielfalt von Formen auf. In diesem Ausführungsbeispiel verschiebt sich die Leiterplatte 308 in linearen Freiheitsgraden parallel, während sich das Benutzerobjekt 44 in den Drehfreiheitsgraden dreht.
  • Die Leiterplatte 308 ist in einer Orientierung in einem im Wesentlichen rechten Winkel vorgesehen, wobei ein verlängerter Teil 324 in 90 Grad vom anderen verlängerten Teil 324b liegt. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Leiterplatte 308 in anderen Formen vorgesehen sein. Die Schwingspulen-Stellglieder 310a und 310b sind auf der Leiterplatte 308 derart angeordnet, dass ein Stellglied 310a auf dem Teil 324a vorgesehen ist und das andere Stellglied auf dem Teil 324b vorgesehen ist. Die Drahtspule 326a des Stellgliedes 310a ist mit dem Teil 324a der Leiterplatte 308 gekoppelt. Vorzugsweise umfasst die Drahtspule 324a mindestens zwei Schleifen und ist unter Verwendung von gut bekannten Verfahren auf die Platte 308 als Leiterbahn der Leiterplatte geätzt. Die Anschlüsse 328a sind mit Stellgliedtreibern der Stellgliedschnittstelle 414 gekoppelt, wie nachstehend beschrieben, so dass der Computer 16 (oder Mikroprozessor 410) die Richtung und/oder den Betrag des Stroms in der Drahtspule 326a steuern kann. In alternativen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Spulen auf dem Teil 324a zum Abtasten der Geschwindigkeit und/oder Implementieren des alternativen Ausführungsbeispiels der 20a–20e vorgesehen sein.
  • Das Schwingspulen-Stellglied 310a umfasst auch eine Magnetanordnung 330a, die vorzugsweise vier Magnete 332 umfasst und mit dem Grund gekoppelt ist. Alternativ können zwei Magnete mit jeweils zwei Polaritäten enthalten sein. Jeder Magnet weist eine Nordpolarität N und eine Südpolarität S auf entgegengesetzten Seiten des Magneten auf. Die entgegengesetzten Polaritäten der Magnete 332 sind einander zugewandt, so dass die Spule 326a zwischen entgegengesetzten Polaritäten auf jeder Seite der Spule angeordnet ist. Die Magnetfelder von den Magneten 332 treten mit dem von der Drahtspule 326a erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung, wenn ein Strom in der Spule 326a geleitet wird, ähnlich wie vorstehend mit Bezug auf die 19a und 19b beschrieben, um eine lineare Kraft für die Leiterplatte 308 in einer zur Achse Y parallelen Richtung zu erzeugen, wie durch den Pfeil 320a gezeigt. Die Leiterplatte 308 und die Drahtspule 326a werden parallel zur Achse Y bewegt, bis die Spule 326a unter dem Magneten 332 auf der Seite, wo die Spule bewegt wurde, wegbewegt wird. Die Leiterplatte 308 kann beispielsweise in den durch die gestrichelten Linien 334 gezeigten Grenzen bewegt werden. Alternativ können physikalische Anschläge an den Kanten der Platte 308 angeordnet sein, um diese Bewegungsgrenze vorzusehen. Wenn sich die Leiterplatte 308 entlang der Achse Y aufgrund von Kräften, die vom Schwingspulen-Stellglied 310a erzeugt werden, parallel verschiebt, wird der Antriebsbolzen 306 durch Kontakt mit der Platte 308 (und Tülle 322) auch bewegt. Dies dreht wiederum das Kugelgelenk 302 innerhalb der Buchse 304 und bewegt das Benutzerobjekt 44 so, dass der Benutzer die Kräfte im Drehfreiheitsgrad um die Achse X spürt, wie durch Pfeile 312 gezeigt. Die Bewegung des Benutzerobjekts 44 kann durch Anschläge, die außerhalb der Kante der Leiterplatte 308 angeordnet sind, und/oder durch Anschläge, die am Kugelgelenk 302 angeordnet sind, begrenzt werden, um die Bewegung des Objekts 44 zu begrenzen.
  • Das Schwingspulen-Stellglied 310a kann, wie in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben, auch verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Leiterplatte 308 entlang der Achse Y abzutasten, wenn der Benutzer das Objekt 44 um die Achse X bewegt, und um die Position und andere Werte aus dieser Geschwindigkeit abzuleiten. Da jedoch die Schwingspulen-Stellglieder analoge Sensorwerte erzeugen, die Rauschen unterliegen, und das Filtern eines solchen Rauschens typischerweise teure Komponenten erfordert, ist es bevorzugt, dass separate digitale Sensoren verwendet werden, um die Position, Bewegung usw. des Objekts 44 für kostengünstige Schnittstellenvorrichtungen festzustellen. Ein Seiteneffekt-Photodiodensensor 338 kann beispielsweise verwendet werden. Der Sensor 338 kann eine rechteckigen Detektor 340 umfassen, der in einer zur X-Y-Ebene senkrechten Ebene angeordnet ist und auf den ein Energiestrahl 342 von einem mit dem Grund gekoppelten Emitter 344 emittiert wird. Die Position der Leiterplatte 308 und folglich die Position des Objekts 44 können durch den Ort des Strahls 342 auf dem Detektor ermittelt werden. Alternativ können andere Arten von Sensoren verwendet werden, wie z.B. ein optischer Codierer mit einer Drehwelle, die mit einer Rolle gekoppelt ist, die mit der Leiterplatte 308 in Reibungseingriff steht.
  • Das Schwingspulen-Stellglied 310b arbeitet ähnlich zum Stellglied 310a. Ein Strom wird durch die Spule 326b geleitet, um Magnetkräfte zu induzieren, die die Leiterplatte 308 in einer zur Achse X parallelen Richtung parallel verschieben, wie durch den Pfeil 320b gezeigt. Dies bewegt den Antriebsbolzen 306 und bewirkt, dass Kräfte auf das Benutzerobjekt 44 in dem Drehfreiheitsgrad um die Achse Y aufgebracht werden, wie durch Pfeile 314 gezeigt. Ein separater Sensor kann auch für die Bewegung des Objekts 44 um die Achse Y vorgesehen sein oder ein einzelner Sensor 338 kann verwendet werden, um die Bewegung in beiden Freiheitsgraden zu erfassen.
  • Wahlweise kann eine Antirotations-Biegevorrichtung 336 zwischen eine mit dem Grund gekoppelte Oberfläche und die Leiterplatte 308 gekoppelt sein. Diese Biegevorrichtung 336 verhindert vorzugsweise, dass sich die Platte 308 um die Achse Z in der zur X-Y-Ebene parallelen Ebene dreht. Außerdem kann die Biegevorrichtung 336 eine Rückstellkraft durch die Leiterplatte 308 für das Objekt 44 vorsehen, um das Objekt in eine mittlere Position zurückzubringen, wie in 22b gezeigt, wenn keine anderen Kräfte auf das Objekt aufgebracht werden. Die Biegevorrichtung 336 kann ein schraubenförmiges, federartiges Element (wie gezeigt), eine Wellenkupplung im Oldham-Stil (die eine geschlitzte Bewegung ermöglicht) oder eine Biegeanordnung ähnlich der in 22c gezeigten sein. Die Biegevorrichtung kann in anderen Ausführungsbeispielen andere Formen annehmen.
  • Das Ausführungsbeispiel der 22a und 22b weist mehrere Vorteile auf. Einer besteht darin, dass die Spulen 326a und 326b direkt auf die Leiterplatte 308 geätzt werden können, wobei folglich Montagezeit beim Wickeln eines separaten Drahts vermieden wird. Außerdem können die bevorzugten Schwingspulen-Treiberchips (mit Bezug auf 24 beschrieben) sowie andere elektronische Komponenten der Schnittstelle 14 oder 14' direkt mit der Leiterplatte 308 gekoppelt werden und mit Leiterbahnen auf der Platte 308 verbunden werden. Dies sieht ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung und Bereitstellung der elektronischen Komponenten der Schnittstellenvorrichtung vor.
  • 22c ist eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schnittstellenvorrichtung 300, die in 22a gezeigt ist, wobei eine andere Antirotations-Biegevorrichtung 336' anstelle der schraubenförmigen Biegevorrichtung 336, die in 22b gezeigt ist, verwendet wird. Die Antirotations-Biegevorrichtung 336' umfasst biegsame Elemente 354, die in der Richtung der Achse X orientiert sind, biegsame Elemente 356, die in der Richtung der Achse Y orientiert sind, und ein starres, Lförmiges Element 358. Die Elemente 354 sind mit der Leiterplatte 308 an einem Ende und mit dem L-förmigen Element 358 am anderen Ende gekoppelt. Die Elemente 356 sind mit dem L-förmigen Element 358 an einem Ende und mit dem Grund am anderen Ende gekoppelt. Die Elemente 354 und 356 können in einer Dimension schmal und in anderen Dimensionen relativ breit sein, ähnlich zu den in 12 gezeigten biegsamen Elementen 212a und 212b, so dass sich die Elemente innerhalb der X-Y-Ebene biegen können.
  • Die Biegevorrichtung 336' ermöglicht, dass sich die Leiterplatte 308 entlang der Achsen X und Y bewegt, verhindert jedoch, dass sich die Leiterplatte 308 innerhalb der Ebene X-Y dreht. Die Biegevorrichtung 336' ist komplexer zu implementieren als die schraubenförmige Biegevorrichtung 336, sieht jedoch weniger widerstand gegen die Bewegung der Leiterplatte entlang der X- und Y-Achsen vor und ermöglicht folglich eine genauere Kraftrückkopplung.
  • Die 22d und 22e zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel 300' der Schnittstellenvorrichtung 300, die in den 22a und 22b geeignet ist. Die Schnittstellenvorrichtung 300' sieht zwei lineare Freiheitsgrade für das Objekt 44 vor, so dass der Benutzer das Objekt 44 entlang der X-Achse, entlang der Y-Achse oder entlang beider Achsen (diagonale Bewegung) parallel verschieben kann. Die Vorrichtung 300' umfasst eine Leiterplatte 308, die Schwingspulen-Stellglieder 310a und 310b und Führungen 318 umfasst. Diese Komponenten arbeiten im Wesentlichen ähnlich zu den äquivalenten Komponenten in der Vorrichtung 300.
  • Ein Hauptunterschied zwischen den Ausführungsbeispielen der 22a–b und der 22d–e besteht darin, dass das Objekt 44 starr mit der Leiterplatte 308 gekoppelt ist.
  • Wenn die Leiterplatte 308 entlang der Achse X und/oder Achse Y, die durch die Pfeile 320a und 320b gezeigt ist, parallelverschoben wird, wird das Objekt 44 in denselben Richtungen parallelverschoben, wie durch die Pfeile 350 bzw. 352 gezeigt, wobei das Objekt mit linearen Freiheitsgraden versehen wird. Somit bewegen sich sowohl das Benutzerobjekt 44 als auch die Leiterplatte 308 in linearen Freiheitsgraden. Dies steht im Gegensatz zur Vorrichtung 300, bei der die lineare Bewegung der Leiterplatte 308 durch das Kugelgelenk 302 in Drehfreiheitsgrade für das Objekt 44 umgewandelt wurde.
  • 23a ist eine Vorderseitenansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Reibungsantrieb 360, der beispielsweise anstelle des Haspelantriebsmechanismus 58 der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Eine Trommel 162 ist ähnlich zur Haspeltrommel 59 und kann mit der mechanischen Vorrichtung 25 oder 200, ähnlich wie vorstehend beschrieben, gekoppelt sein. Eine Trommel 362 kann beispielsweise starr mit dem Verlängerungselement 48a oder 48b gekoppelt sein und kann sich um die Achse A bzw. Achse B drehen. Die Achse A ist in 23a als Beispiel gezeigt.
  • Schenkelteile 364 der Trommel 362 sind in einer ähnlichen Anordnung wie die Haspeltrommel 59 vorgesehen. Eine Antriebsstange 366 ist zwischen die Schenkelteile 364 gekoppelt. Die Antriebsstange 366 ist ein gekrümmter, vorzugsweise runder, starrer Draht, der eine innere Reibungsfläche 370 und eine äußere Reibungsfläche 372 aufweist. Alternativ kann die Antriebsstange ein flaches Element oder Element mit quadratischem Querschnitt sein und/oder kann entweder starr oder biegsam sein. Eine Antriebswalze 374 steht durch Reibung mit der äußeren Reibungsfläche 372 in Eingriff und ist drehbar mit einem Grundelement gekoppelt. Die Antriebswalze 374 kann beispielsweise ähnlich der Seilrolle 76, wie in 5 gezeigt, mit dem Grundelement 62 der Vorrichtung 25 gekoppelt sein. Die Antriebswalze 374 ist vorzugsweise mit einer Welle eines Wandlers 42 gekoppelt, ähnlich der Seilrolle 76 von 5. Vorzugsweise umfasst der Wandler 42 ein Stellglied, das die Antriebswalze 374 dreht.
  • Eine passive Walze 376 steht durch Reibung mit der inneren Reibungsfläche 370 der Antriebsstange 366 entgegengesetzt zur Antriebswalze 374 in Eingriff und erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Antriebswalze. Die passive Walze 376 ist vorzugsweise federbelastet, so dass die passive Walze in Richtung der Antriebswalze 374 gedrückt wird. Diese Kraft ist durch die Feder 378 angegeben. Federelemente können beispielsweise die passive Walze mit der Antriebswalze 374 koppeln. Eine Spannkraft wird folglich zwischen der passiven Walze 376 und der Antriebswalze 374 erzeugt, die eine hohe Druckkraft zwischen der Antriebsstange 366 und der Antriebswalze 374 erzeugt. Diese Kraft ermöglicht, dass die Antriebswalze eine tangentiale Antriebskraft auf die Antriebsstange 366 überträgt und folglich die Antriebsstange bewegt, was wiederum die Trommel 362 um die Achse A dreht. Unter Verwendung des Reibungsantriebs 360 kann ein Stellglied im Wandler 42 Drehkräfte auf die Trommel 362 und beispielsweise das Verlängerungselement 48a oder 48b übertragen. Außerdem kann ein Sensor im Wandler 42 die Position eines Verlängerungselements 48a oder 48b durch Lesen der Position der Trommel 60 feststellen. Die Bewegung der Trommel 60 wird durch die Druckkraft auf die Antriebswalze 374 übertragen und wird vom Sensor gelesen, wenn sich die Antriebswalze dreht.
  • In alternativen Ausführungsbeispielen kann die passive Walze 376 drehbar mit dem Grundelement 62 gekoppelt und somit in der Position ortsfest sein. Außerdem können die Federelemente in einem alternativen Ausführungsbeispiel zwischen einer beweglichen oder nachgiebigen passiven Walze und dem Grund und zwischen einer beweglichen/nachgiebigen Antriebswalze 374 und dem Grund angeordnet sein. Dies würde ermöglichen, dass die passive Walze und die Antriebswalze beide gegen die Antriebsstange 366 gezogen werden.
  • Der Reibungsantrieb 360 weist mehrere Vorteile auf. Ein mechanischer Vorteil ist zwischen einem Stellglied und der Drehung des Objekts 44 vorgesehen, wie vorstehend für den Haspelantriebsmechanismus 58 erläutert. Wie vorstehend für den Haspelantrieb erläutert, wird außerdem im Wesentlichen kein toter Gang mit dem Reibungsantrieb erzeugt und der Reibungsantrieb arbeitet sehr sanft, um realistische Kräfte für den Benutzer vorzusehen. Kein Seil oder Draht ist jedoch im vorliegenden Antriebsmechanismus erforderlich, wobei folglich ein einfacher und leichter zu montierender Antriebsmechanismus als der Haspelantrieb bereitgestellt wird. Der Reibungsantrieb ist auch kostengünstig, da die Teile des Antriebs einfacher herzustellen sind.
  • Hochgeschwindigkeits-Untersetzungsverhältnisse zwischen dem mit der Antriebswalze 374 gekoppelten Stellglied und der Bewegung der Trommel 362 um die Achse A sind auch möglich, wenn beispielsweise eine kleine Antriebswalze 374 eine Antriebsstange 366 mit einem großen Arbeitsradius antreibt.
  • 23b ist eine detaillierte Ansicht (durch die gestrichelte Linie 368 von 23a definiert) eines anderen Ausführungsbeispiels der Walzen und der Antriebsstange des Reibungsantriebs 360. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei passive Walzen 376a und 376b so vorgesehen, dass sie mit der Innenfläche 370 der Antriebsstange 366 in Reibungseingriff stehen. Jede passive Walze 376a und 376b ist durch Federelemente 378a bzw. 378b an der Antriebswalze 374 federbelastet. Die zwei passiven Walzen 376a und 376b sehen eine größere Spannkraft und Druckkraft zwischen der Antriebs- und der passiven Walze vor, wobei somit mehr Schlupf der Antriebsstange 366 verhindert wird als im Ausführungsbeispiel von 23a.
  • 23c ist eine detaillierte Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Walzen und der Antriebsstange des Reibungsantriebs 360. Die Antriebsstange 366 ist vorzugsweise ein runder oder quadratischer Draht, der in zumindest einer Richtung biegsam ist. Zwei passive Walzen 376a und 376b können miteinander und mit der Antriebswalze 374 durch spannungslose Verbindungen 380 gekoppelt sein. Die Biegsamkeit in der Antriebsstange 366 ermöglicht, dass sich die Antriebsstange um die Walzen biegt und eine höhere Reibung erzeugt, wobei folglich ein Rutschen der Antriebsstange verhindert wird.
  • 23d ist eine detaillierte Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der Walzen und der Antriebsstange, welches zu dem in 23b gezeigten Ausführungsbeispiel ähnlich ist, außer dass eine der passiven Walzen 376a und 376b nicht federbelastet ist. Vorzugsweise ist die passive Walze 376a (oder 376b) mit der Antriebswalze 374 durch eine drehbare Platte 382 oder ein anderes starres Element gekoppelt, das als nicht-nachgiebige Verbindung 380 wirkt. Da die Feder 378 die Antriebswalze 374 in Richtung der Antriebsstange 366 drückt, dreht sich die Platte 382, wie durch die Pfeile 384 gezeigt. Dies drückt die passive Walze 376a gegen die Antriebsstange 366 und erhöht folglich die Druckkraft zwischen den Walzen und der Antriebsstange 366.
  • 23e ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des Reibungsantriebs 360, wobei die Walzen 376a, 376b und 374 in einer anderen Orientierung vorgesehen sind. Die Walzen sind in 90 Grad von ihrer Position im Ausführungsbeispiel von 23a versetzt angeordnet. Die Funktion der Walzen ist im Wesentlichen dieselbe wie vorstehend beschrieben.
  • 23f ist ein alternatives Ausführungsbeispiel, das einen linearen Reibungsantrieb 360' zeigt. Der Reibungsantrieb 360' umfasst ein Gleitelement 388, das durch Führungen 390 abgestützt ist. Die Führungen 390 sind vorzugsweise mit dem Grund gekoppelt, so dass sich das Gleitelement 388 zwischen den Führungen parallel verschieben kann, wie durch die Pfeile 386 gezeigt. Eine Antriebsstange 366 ist zwischen zwei Schenkelteile 392 des Gleitelements 388 gekoppelt. Die Antriebsstange 366 kann ein Draht oder ein Element sein, wie vorstehend mit Bezug auf 23a beschrieben.
  • Die passive Walze 376 und die Antriebswalze 374 stehen mit der Antriebsstange 366 in Reibungseingriff. wie vorstehend beschrieben, wird die Antriebswalze 374 durch ein Stellglied gedreht und verursacht eine tangentiale Kraft an der Antriebsstange 366. Dies bewirkt, dass sich das Gleitelement 388 in einer Richtung 386 parallel verschiebt.
  • Eine Feder 378 kann zwischen die passive und die Antriebswalze gekoppelt sein, wie vorstehend beschrieben. Alternativ können die anderen Ausführungsbeispiele der Walzen 374 und 376, wie mit Bezug auf die 23b–23e beschrieben, auch mit dem linearen Reibungsantrieb 360' verwendet werden. Der lineare Reibungsantrieb 360' kann verwendet werden, um Kräfte in einem linearen Freiheitsgrad vorzusehen. Lineare Kräfte können beispielsweise auf das Linearachsenelement 40 oder 204 (oder das Objekt 44, falls geeignet) unter Verwendung des Antriebs 360' aufgebracht werden. Das Linearachsenelement kann mit dem Gleitelement 388 gekoppelt sein und sich folglich parallel verschieben, wenn sich das Element 388 parallel verschiebt.
  • 24 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schnittstelle 14' und eines Hauptrechners 16, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst einen lokalen Mikroprozessor, der viel der Signalverarbeitung durchführen kann, die zum Steuern der Sensoren und Stellglieder der mechanischen Vorrichtung 25 erforderlich ist. Das Benutzerobjekt 44 kann von einem Benutzer ergriffen oder anderweitig berührt oder gesteuert werden und ist mit der mechanischen Vorrichtung 25 gekoppelt, wie vorstehend beschrieben.
  • Der Hauptrechner 16 umfasst vorzugsweise einen Hauptmikroprozessor 400, einen Taktgeber 402 und einen Anzeigebildschirm 20. Der Hauptmikroprozessor 400 kann eine Vielzahl von verfügbaren Mikroprozessoren von Intel, Motorola oder anderen Herstellern umfassen. Der Mikroprozessor 400 kann ein einzelner Mikroprozessorchip sein oder kann mehrere primäre und/oder Koprozessoren umfassen. Außerdem umfasst der Hauptrechner 16 vorzugsweise Standardkomponenten, wie z.B. einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) und eine Eingabe/Ausgabe- (E/A) Elektronik (nicht dargestellt). Im beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Hauptrechnersystem 16 Sensordaten oder ein Sensorsignal über die Schnittstelle 404 von den Sensoren der mechanischen Vorrichtung 25 und eine andere Information empfangen. Der Hauptrechner 16 kann auch einen "Kraftbefehl" über die Schnittstelle 404 an die mechanische Vorrichtung 25 ausgeben, um eine Kraftrückkopplung für die Schnittstellenvorrichtung zu bewirken.
  • Der Taktgeber 402 ist ein Standardtaktkristall oder eine äquivalente Komponente, die vom Hauptrechner 16 verwendet wird, um eine Zeitsteuerung für die vom Mikroprozessor 400 und den anderen Komponenten des Computers verwendeten elektrischen Signale bereitzustellen. Auf den Taktgeber 402 kann vom Hauptrechner 16 in dem Steuerprozess der vorliegenden Erfindung zugegriffen werden, wie anschließend beschrieben.
  • Der Anzeigebildschirm 20 wird mit Bezug auf 1 beschrieben. Eine Tonausgabevorrichtung 406 wie z.B. Lautsprecher ist vorzugsweise mit dem Hauptmikroprozessor 400 über Verstärker, Filter und eine andere Schaltung, die Fachleuten gut bekannt sind, gekoppelt. Der Hauptprozessor gibt Signale an die Lautsprecher 406 aus, um eine Tonausgabe zum Benutzer zu liefern, wenn während der Implementierung des Hauptrechner-Anwendungsprogramms ein "Tonereignis" eintritt. Andere Arten von Peripheriegeräten können auch mit dem Hauptprozessor 400 gekoppelt sein, wie z.B. Speichervorrichtungen (Festplattenlaufwerk, CD-ROM-Laufwerk, Diskettenlaufwerk usw.), Drucker und andere Eingabe- und Ausgabevorrichtungen.
  • Die elektronische Schnittstelle 14' ist mit dem Hauptrechner 16 durch einen bidirektionalen Bus 404 gekoppelt. Der bidirektionale Bus sendet Signale in beiden Richtungen zwischen dem Hauptrechner 16 und der Schnittstelle 14'. Hierin soll sich der Begriff "Bus" als Oberbegriff auf eine Schnittstelle wie z.B. zwischen dem Hauptrechner 16 und dem Mikroprozessor 410 beziehen, die typischerweise einen oder mehrere Verbindungsdrähte oder andere Verbindungen umfasst und die in einer Vielzahl von Weisen implementiert werden kann, wie nachstehend beschrieben. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bus 404 ein serieller Schnittstellenbus, der Daten gemäß einem seriellen Datenübertragungsprotokoll liefert. Ein Schnittstellenanschluss des Hauptrechners 16, wie z.B. ein serieller RS232-Schnittstellenanschluss, verbindet den Bus 404 mit den Hauptrechner 16. Andere serielle Standard-Datenübertragungsprotokolle können auch in der seriellen Schnittstelle und im Bus 404 verwendet werden, wie z.B. RS-422, universeller serieller Bus (USB), MIDI, IrDA oder andere Protokolle, die Fachleuten gut bekannt sind. Der USB sieht beispielsweise eine serielle Schnittstelle mit relativ hoher Geschwindigkeit vor, die Kraftrückkopplungssignale in der vorliegenden Erfindung mit einem hohen Grad an Realismus liefern kann.
  • Ein Vorteil des vorliegenden Ausführungsbeispiels 14' besteht darin, dass serielle Datenübertragungssignale mit niedriger Bandbreite verwendet werden können, um mit der mechanischen Vorrichtung 25 zu koppeln, wobei folglich ermöglicht wird, dass eine eingebaute serielle Standardschnittstelle von vielen Computern direkt verwendet wird. Alternativ kann ein paralleler Anschluss des Hauptrechners 16 mit einem parallelen Bus 404 gekoppelt sein und mit der Schnittstellenvorrichtung unter Verwendung eines parallelen Protokolls, wie z.B. SCSI oder paralleler PC-Druckerbus, kommunizieren. In einem anderen Ausführungsbeispiel, wie mit Bezug auf 9 beschrieben, kann der Bus 404 direkt mit einem Datenbus des Hauptrechners 16 unter Verwendung beispielsweise einer Steckkarte und eines Schlitzes oder eines anderen Zugangs des Computers 16 verbunden sein. Auf einem IBM-ATkompatiblem Computer kann die Schnittstellenkarte beispielsweise als ISA, EISA, lokaler VESA-Bus, PCI oder andere gut bekannte Standardschnittstellenkarte implementiert werden, die sich in das Motherboard des Computers einstecken lässt und Eingangs- und Ausgangsanschlüsse vorsieht, die mit dem Hauptdatenbus des Computers verbunden sind. Außerdem kann das Ausführungsbeispiel von 9 mit dem lokalen Mikroprozessor des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendet werden.
  • In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein zusätzlicher Bus 405 enthalten sein, um zwischen dem Hauptrechner 16 und der elektronischen Schnittstelle 14' zu kommunizieren. Da die Geschwindigkeitsanforderung für Datenübertragungssignale zum Ausgaben von Kraftrückkopplungssignalen relativ hoch ist, kann die mit dem Bus 404 verwendete serielle Schnittstelle nicht Signale zu und von der Schnittstellenvorrichtung mit einer genügend hohen Geschwindigkeit liefern, um eine realistische Kraftrückkopplung zu erzielen. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann der Bus 404 mit dem seriellen Standardanschluss des Hauptrechners 16 gekoppelt sein, während der zusätzliche Bus 405 mit einem zweiten Anschluss des Hauptrechners gekoppelt sein kann. Viele Computersysteme umfassen beispielsweise einen "Spielanschluss" zusätzlich zu einem seriellen RS-232-Anschluss, um einen Steuerhebel oder eine ähnliche Spielsteuereinheit mit dem Computer zu verbinden. Die zwei Busse 404 und 405 können gleichzeitig verwendet werden, um eine erhöhte Datenbandbreite bereitzustellen. Der Mikroprozessor 410 kann beispielsweise Sensorsignale über einen unidirektionalen Bus 405 und einen Spielanschluss zum Hauptrechner 16 senden, während der Hauptrechner 16 Kraftrückkopplungssignale von einem seriellen Anschluss über den unidirektionalen Bus 404 an den Mikroprozessor 410 ausgeben kann. Andere Kombinationen von Datenflusskonfigurationen können in anderen Ausführungsbeispielen implementiert werden.
  • Die elektronische Schnittstelle 14' umfasst einen lokalen Mikroprozessor 410, Sensoren 128, Stellglieder 126, eine wahlweise Sensorschnittstelle 130, eine wahlweise Stellgliedschnittstelle 412 und andere wahlweise Eingabevorrichtungen 414. Die Schnittstelle 14' kann auch zusätzliche elektronische Komponenten zum Kommunizieren über Standardprotokolle auf dem Bus 404 umfassen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel können mehrere mechanische Vorrichtungen 25 und Schnittstellen 14' über den Bus 404 (oder mehrere Busse 404) mit einem einzelnen Hauptrechner 16 gekoppelt sein, so dass mehrere Benutzer gleichzeitig mit dem Hauptrechner-Anwendungsprogramm (beispielsweise in einem Spiel oder einer Simulation für mehrere Spieler) koppeln können. Außerdem können mehrere Spieler im Hauptrechner-Anwendungsprogramm mit mehreren mechanischen Vorrichtungen 25/Schnittstellen 14' unter Verwendung von vernetzten Hauptrechnern 16 in Dialogverkehr stehen, wie Fachleuten gut bekannt ist.
  • Der lokale Mikroprozessor 410 ist mit dem Bus 404 gekoppelt und ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses der Schnittstelle 14' (und der mechanischen Schnittstellenvorrichtung 25) enthalten, um eine schnelle Kommunikation mit anderen Komponenten der Schnittstellenvorrichtung zu ermöglichen. Der Prozessor 410 wird als für die mechanische Vorrichtung 25 und die Schnittstelle 14' "lokal" betrachtet, wobei sich "lokal" hierin darauf bezieht, dass der Prozessor 410 ein von irgendwelchen Prozessoren im Hauptrechner 16 separater Mikroprozessor ist. "Lokal" bezieht sich vorzugsweise auch darauf, dass der Prozessor 410 für die Kraftrückkopplung und die Sensor-E/A der mechanischen Vorrichtung 25 reserviert ist und eng mit den Sensoren 128 und Stellgliedern 126 gekoppelt ist, wie z.B. innerhalb des Gehäuses für die mechanische Vorrichtung 25 oder eng mit diesem gekoppelt. Der Mikroprozessor 410 kann mit Softwarebefehlen versehen werden, um auf Befehle oder Anforderungen vom Benutzer 16 zu warten, den Befehl oder die Anforderung zu decodieren und Eingangs- und Ausgangssignale gemäß dem Befehl oder der Anforderung zu verarbeiten/steuern. Außerdem arbeitet der Prozessor 410 vorzugsweise unabhängig vom Hauptrechner 16 durch Lesen von Sensorsignalen und Berechnen von geeigneten Kräften aus diesen Sensorsignalen, aus Zeitsignalen und einer Subroutine oder einem "Reflexprozess", der gemäß einem Hauptrechnerbefehl ausgewählt wird. Geeignete Mikroprozessoren zur Verwendung als lokaler Mikroprozessor 410 umfassen beispielsweise den MC68HC711E9 von Motorola und den PIC16C74 von Microchip. Der Mikroprozessor 410 kann einen Mikroprozessorchip oder mehrere Prozessoren und/oder Koprozessorchips umfassen. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Mikroprozessor 410 einen Digitalsignalprozessor(DSP) Chip umfassen. Ein lokaler Speicher 411 wie z.B. ein RAM und/oder ROM ist vorzugsweise mit dem Mikroprozessor 410 in der Schnittstelle 14' gekoppelt, um Befehle für den Mikroprozessor 410 zu speichern und temporäre Daten zu speichern. Außerdem kann ein lokaler Taktgeber 413 mit dem Mikroprozessor gekoppelt sein, um eine absolute Zeitsteuerinformation ähnlich dem Systemtaktgeber 402 des Hauptrechners 16 zu liefern; die Zeitsteuerinformation könnte beispielsweise erforderlich sein, um von den Stellgliedern 126 ausgegebene Kräfte zu berechnen (z.B. Kräfte, die von berechneten Geschwindigkeiten oder anderen zeitabhängigen Faktoren abhängen). Der Mikroprozessor 410 kann Signale von den Sensoren 128 empfangen und Signale zu den Stellgliedern 126 der Schnittstelle 14' gemäß Befehlen, die vom Hauptrechner 16 über den Bus 404 geliefert werden, liefern.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann der Hauptrechner 16 beispielsweise Kraftbefehle niedriger Ebene über den Bus 404 liefern, die der Mikroprozessor 410 direkt zu den Stellgliedern 126 liefert. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Hauptrechner 16 Überwachungsbefehle hoher Ebene über den Bus 404 zum Mikroprozessor 410 liefern und der Mikroprozessor 410 verwaltet Kraftregel- ("Reflex") Schleifen niedriger Ebene für die Sensoren 128 und die Stellglieder 126 gemäß den Befehlen hoher Ebene. Der Hauptrechner 16 kann Hauptrechnerbefehle zum Mikroprozessor senden, um eine Art Kraft auszuwählen, damit der Mikroprozessor unabhängig in einer Reflexschleife implementiert. Der Mikroprozessor 410 kann kontinuierlich Daten von den Sensoren 128 für die Position und Bewegung des Objekts 44 lesen und Kräfte am Objekt gemäß den Sensordaten, Zeitsteuerdaten vom Takt 413 und/oder Subroutinen oder Reflexprozessen, die gemäß den Hauptrechnerbefehlen ausgewählt werden, berechnen. Der Prozessor gibt dann einen Prozessorbefehl an ein Stellglied aus, um eine berechnete Kraft aufzubringen. Ein solcher Prozess ist in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Seriennr. 08/534 791, auf denselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung übertragen und durch den Hinweis hierin aufgenommen, genauer beschrieben.
  • Der Mikroprozessor 410 kann auch Befehle von beliebigen anderen Eingabevorrichtungen 412, die in der mechanischen Vorrichtung 25 oder Schnittstelle 14' enthalten sind, empfangen und liefert geeignete Signale zum Hauptrechner 16, um anzuzeigen, dass die Eingangsinformation und irgendeine in der Eingangsinformation enthaltene Information empfangen wurde. Tasten, Schalter, Wähler oder andere Eingabebedienelemente, die der Vorrichtung 25, 14 zugeordnet sind, können beispielsweise Signale zum Mikroprozessor 410 liefern.
  • Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 14' in einem Gehäuse enthalten, mit dem die mechanische Vorrichtung 25 und das Benutzerobjekt 44 direkt oder indirekt gekoppelt ist. Alternativ können der Mikroprozessor 410 und/oder andere elektronische Komponenten der Schnittstellenvorrichtung 14' in einem separaten Gehäuse vom Benutzerobjekt 44, von der Vorrichtung 25, den Sensoren 128 und Stellgliedern 126 vorgesehen sein.
  • Die Sensoren 128 stellen die Position, Bewegung und/oder andere Eigenschaften des Benutzerobjekts 44 der mechanischen Vorrichtung 25 entlang eines oder mehrerer Freiheitsgrade fest und liefern Signale zum Mikroprozessor 410, einschließlich einer Information, die diese Eigenschaften darstellt. Beispiele von Ausführungsbeispielen von Benutzerobjekten und einer Bewegung innerhalb vorgesehener Freiheitsgrade sind vorstehend mit Bezug auf die 2-8 beschrieben. Typischerweise ist ein Sensor 128 für jeden Freiheitsgrad vorgesehen, entlang dessen das Objekt 44 bewegt werden kann. Alternativ kann ein einzelner Verbundsensor verwendet werden, um die Position oder Bewegung in mehreren Freiheitsgraden festzustellen. Beispiele von Sensoren, die für die hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele geeignet sind, wie z.B. digitale optische Drehcodierer, sind vorstehend beschrieben. Lineare optische Codierer können ebenso die Positionsänderung des Objekts 44 entlang eines linearen Freiheitsgrades feststellen.
  • Die Sensoren 128 liefern ein elektrisches Signal zu einer wahlweisen Sensorschnittstelle 130, die verwendet werden kann, um die Sensorsignale in Signale umzuwandeln, die zum Mikroprozessor 410 und/oder Hauptrechner 16 geliefert werden und von diesen interpretiert werden können. Alternativ kann der Mikroprozessor 410 diese Sensorschnittsellenfunktionen ohne den Bedarf für eine separate Sensorschnittstelle 130 erfüllen. Die Sensorsignale können vom Mikroprozessor 410 verarbeitet werden und können auch zum Hauptrechner 16 gesandt werden, der das Hauptrechner-Anwendungsprogramm aktualisiert und Kraftsteuersignale sendet, wie geeignet. Andere Schnittstellenmechanismen können auch verwendet werden, um ein geeignetes Signal zum Hauptrechner 16 zu liefern. In alternativen Ausführungsbeispielen können Sensorsignale von den Sensoren 128 direkt zum Hauptrechner 16 geliefert werden, wobei der Mikroprozessor 410 umgangen wird. Die Sensorschnittstelle 130 kann auch innerhalb des Hauptrechners 16 enthalten sein, wie z.B. auf einer Schnittstellenplatine oder -karte. Alternativ, wie vorstehend beschrieben, kann ein analoger Sensor anstelle des digitalen Sensors für alle oder einige der Sensoren 128 verwendet werden.
  • Andere Arten einer Schnittstellenschaltung 36 können auch verwendet werden. Eine elektronische Schnittstelle ist beispielsweise in der vorstehend erwähnten Patentstammmanmeldung Seriennr. 08/092 974 beschrieben. Die darin beschriebene elektronische Schnittstelle weist sechs Kanäle entsprechend den sechs Freiheitsgraden eines Stifts auf. Die Schnittstelle ermöglicht, dass die Position der Maus oder des Stifts verfolgt wird, und sieht eine Kraftrückkopplung für die Maus unter Verwendung von Sensoren und Stellgliedern vor. Die Sensorschnittstelle 130 kann Winkelermittlungschips umfassen, um von den Sensoren 128 gelesene Winkelsignale vorzuverarbeiten, bevor sie zum Mikroprozessor 410 gesandt werden. Ein Datenbus plus Chipfreigabeleitungen ermöglichen beispielsweise, dass irgendwelche der Winkelermittlungschips mit dem Mikroprozessor kommunizieren. Eine Konfiguration ohne Winkelermittlungschips ist am besten in einem Ausführungsbeispiel mit absoluten Sensoren anwendbar, die Ausgangssignale aufweisen, die die Winkel ohne irgendeine Weiterverarbeitung direkt angeben, wodurch weniger Berechnung für den Mikroprozessor 410 und somit wenig Vorverarbeitung, falls überhaupt, erforderlich ist. wenn die Sensoren 128 relative Sensoren sind, die nur die Änderung eines Winkels angeben und die eine Weiterverarbeitung für eine vollständige Ermittlung des Winkels erfordern, dann sind die Winkelermittlungschips geeigneter.
  • Wenn der Mikroprozessor 410 schnell genug ist, kann er in jeder Konfiguration die Position und/oder Orientierung (oder Bewegung, falls erwünscht) des Objekts 44 in dem Ausführungsbeispiel berechnen und diese Enddaten über eine beliebige Standard-Datenübertragungsschnittstelle wie z.B. den Bus 404 zum Hauptrechner 16 und zum Anzeigebildschirm 20 weitersenden. Wenn der Mikroprozessor 410 nicht schnell genug ist, dann können die Winkel zum Hauptrechner 16 gesandt werden, der die Berechnungen selbst durchführen kann.
  • Andere Variationen können aus einem Mikroprozessor 410 bestehen, der andere Eingabevorrichtungen 412 liest, Winkel erhält, möglicherweise Koordinaten und die Orientierung des Objekts 44 berechnet und die Kommunikation mit dem Hauptrechner 16 überwacht. Eine andere Variation kann aus zweckorientierten Unterschaltungen und spezialisierten Serienchips bestehen, die die anderen Eingabevorrichtungen lesen, die Sensoren 128 überwachen, Winkel ermitteln und Kommunikationen mit dem Hauptrechner 16 verarbeiten, alles ohne Software oder Mikroprozessor 410.
  • Die Stellglieder 126 übertragen Kräfte zum Benutzerobjekt 44 der mechanischen Vorrichtung 25 in einer oder mehreren Richtungen entlang eines oder mehrerer Freiheitsgrade als Reaktion auf Signale, die vom Mikroprozessor 410 empfangen werden. Typischerweise ist ein Stellglied 126 für jeden Freiheitsgrad vorgesehen, entlang dessen es erwünscht ist, Kräfte zu übertragen. Wie vorstehend erläutert, können die Stellglieder 126 aktive Stellglieder und/oder passive Stellglieder umfassen.
  • Die Stellgliedschnittstelle 414 kann wahlweise zwischen die Stellglieder 126 und den Mikroprozessor 410 geschaltet sein. Die Schnittstelle 414 wandelt Signale vom Mikroprozessor 410 in Signale um, die zum Antreiben der Stellglieder 126 geeignet sind. Die Schnittstelle 414 kann Leistungsverstärker, Schalter, Digital-Analog-Steuereinheiten (DACs) und andere Komponenten umfassen. Ein Beispiel einer Stellgliedschnittstelle für aktive Stellglieder ist vorstehend mit Bezug auf die 9, 10 und 11 beschrieben. In alternativen Ausführungsbeispielen kann eine Schaltung der Schnittstelle 414 innerhalb des Mikroprozessors 410 oder in den Stellgliedern 126 vorgesehen sein.
  • Wenn eine oder mehrere Schwingspulen 240 als Stellglieder 126 verwendet werden, um Kräfte auf das Objekt 44 aufzubringen, wie in 18 gezeigt, dann können der Mikroprozessor 410 und Hauptrechner 16 einen speziellen Strombetrag- und eine spezielle Stromrichtung für die Schwingspule(n) 240 befehlen, um gewünschte Kräfte auf das Objekt 44 aufzubringen. Dies wird vorzugsweise unter Verwendung von Schwingspulen-Treiberchips durchgeführt, die in der Stellgliedschnittstelle 414 vorgesehen sein können. Diese Chips umfassen typischerweise einen eingebauten Steilheitsverstärker mit einer Stromregel-Rückkopplungsschleife, um Strom an das Schwingspulen-Stellglied auszugeben. Ein bevorzugter Schwingspulen-Treiberchip umfasst eine schaltbare Steilheitsverstärkungsschaltung, die dem Benutzer ermöglicht, zwischen zwei verschiedenen Spannungs-Strom-Verstärkungen zu wählen. Wenn kleinere, feinere Kräfte ausgegeben werden sollen, kann die Verstärkung von einer hohen Verstärkung auf eine niedrige Verstärkung umgeschaltet werden, wobei folglich die Stromschrittgröße gesenkt wird. Dies erhöht die Auflösung des zum Ansteuern des Schwingspulentreibers verwendeten DAC. Mit einer größeren Auflösung kann der DAC die vom Benutzer gespürten Kräfte feiner und genauer steuern. Diese feine Steuerung sieht jedoch einen kleineren Bereich von möglichen Kräften vor, die ausgegeben werden können. Wenn ein größerer Bereich von Kräften erwünscht ist, kann die Verstärkung auf die größere Verstärkung zurück umgeschaltet werden. Das Verstärkungsumschalten kann unter Verwendung einer Steuerleitung vom Mikroprozessor 410 oder Computer 16 zum Schwingspulen-Treiberchip implementiert werden. Geeignete Schwingspulen-Treiberchips umfassen den Siliconex Si9961 (mit Verstärkungsregelung), den Allegro 8932-A (mit Verstärkungsregelung), den Allegro 8958 (keine Verstärkungsregelung) und den Unitrode UC3176 (keine Verstärkungsregelung). Der Betrieb und die Implementierung dieser Treiber sind Fachleuten gut bekannt. Außerdem können solche Schwingspulen-Treiberchips vorteilhaft mit anderen Stellgliedern als Schwingspulen-Stellgliedern verwendet werden. Ein Servomotor kann beispielsweise mit Strom und umschaltbaren Verstärkungen von einem Schwingspulen-Treiberchip versorgt werden, der kostengünstig ist und zweckmäßig implementiert wird.
  • Andere Eingabevorrichtungen 412 können wahlweise im Gehäuse für die mechanische Vorrichtung 25 enthalten sein und Eingangssignale zum Mikroprozessor 410 senden. Solche Eingabevorrichtungen können Tasten, Wähler, Schalter oder andere Mechanismen umfassen. In Ausführungsbeispielen, in denen das Benutzerobjekt 44 beispielsweise ein Steuerhebel ist (wie in 8), können andere Eingabevorrichtungen eine oder mehrere Tasten umfassen, die beispielsweise am Steuerhebelgriff oder an der Steuerhebelbasis vorgesehen sind und verwendet werden, um die Eingabe vom Benutzer in ein Spiel oder eine Simulation zu ergänzen. Die Funktionsweise solcher Eingabevorrichtungen ist Fachleuten gut bekannt.
  • Eine Stromversorgung 416 kann wahlweise mit der Stellgliedschnittstelle 414 und/oder mit den Stellgliedern 126 gekoppelt sein, um elektrischen Strom zu liefern. Aktive Stellglieder erfordern typischerweise eine separate Stromquelle, damit sie angetrieben werden. Die Stromversorgung 416 kann innerhalb des Gehäuses der mechanischen Vorrichtung 25 enthalten sein, oder kann als separate Komponente vorgesehen sein, beispielsweise durch ein elektrisches Stromkabel angeschlossen sein.
  • Ein Schutzschalter 418 ist vorzugsweise in der Schnittstellenvorrichtung enthalten, um einen Mechanismus vorzusehen, um aus Sicherheitsgründen einem Benutzer zu ermöglichen, die Stellglieder 126 auszuschalten und zu deaktivieren, oder einen Benutzer aufzufordern, die Stellglieder 126 zu aktivieren. Bestimmte Arten von Stellgliedern, insbesondere aktive Stellglieder wie z.B. Motoren, können für den Benutzer ein Sicherheitsproblem darstellen, wenn die Stellglieder das Benutzerobjekt 44 unerwartet mit einer starken Kraft gegen den Benutzer bewegen. Wenn ein Ausfall im Schnittstellensystem auftritt, kann es der Benutzer außerdem wünschen, die Stellglieder schnell zu deaktivieren, um irgendeine Verletzung zu vermeiden. Um diese Option bereitzustellen, ist der Schutzschalter 418 mit den Stellgliedern 126 gekoppelt. Der Schutzschalter 418 kann derart implementiert werden, dass der Benutzer den Schalter immer halten oder schließen muss, so dass, wenn der Benutzer loslässt, der Strom zu den Stellgliedern unterbrochen wird.
  • Obwohl diese Erfindung hinsichtlich verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird in Erwägung gezogen, dass Änderungen, Modifikationen und Vertauschungen derselben für Fachleute nach Lesen der Beschreibung und Studieren der Zeichnungen ersichtlich werden. Beispielsweise können die verbundenen Elemente der Vorrichtung 25 eine Anzahl von tatsächlichen physikalischen Größen und Formen annehmen, während die offenbarte Gestängestruktur beibehalten wird. Außerdem können auch andere Kardanmechanismen mit dem Linearachsenelement 40 vorgesehen werden, um drei Freiheitsgrade bereitzustellen. Ebenso können andere Arten von Kardanmechanismen oder verschiedenen Mechanismen, die mehrere Freiheitsgrade vorsehen, mit den hierin offenbarten Haspelantriebsmechanismen verwendet werden, um die Trägheit, Reibung und den toten Gang in dem System zu verringern. Eine Vielzahl von Vorrichtungen können auch verwendet werden, um die Position eines Objekts in den vorgesehenen Freiheitsgraden festzustellen und das Objekt entlang dieser Freiheitsgrade anzutreiben. Außerdem können der Sensor und das Stellglied, die im Wandlersystem mit einem gewünschten Spiel verwendet werden, eine Vielfalt von Formen annehmen. Ebenso können andere Arten von Kupplungen verwendet werden, um das gewünschte Spiel zwischen dem Objekt und dem Stellglied bereitzustellen. Ferner wurde eine bestimmte Terminologie für die Zwecke der Beschreibungsklarheit und nicht zum Begrenzen der vorliegenden Erfindung verwendet, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims (17)

  1. Schnittstellenvorrichtung zum Koppeln einer Bewegung eines Benutzers mit einem Computersystem (16), wobei die Schnittstellenvorrichtung umfasst: ein vom Benutzer bedienbares Objekt (44), das in mindestens zwei Freiheitsgraden beweglich ist; ein Gestänge, das mit dem vom Benutzer bedienbaren Objekt gekoppelt ist und die mindestens zwei Freiheitsgrade für das vom Benutzer bedienbare Objekt vorsieht, wobei das Gestänge eine Vielzahl von Elementen umfasst, die durch zentrale Elemente und Verlängerungselemente festgelegt sind; und mindestens einen Sensor (42), der eine Position oder Bewegung des vom Benutzer bedienbaren Objekts (44) entlang der mindestens zwei Freiheitsgrade erfassen kann und Sensorsignale ausgibt, wobei die Sensorsignale oder eine Darstellung derselben dazu ausgelegt sind, zum Computersystem (16) übertragen zu werden; dadurch gekennzeichnet, dass eine ausgewählte Anzahl der Vielzahl von Elementen (210a, 210b, 212a, 212b) als einheitliches Element ausgebildet sind, in dem eine Biegung zwischen der ausgewählten Anzahl von Elementen vorgesehen ist, wobei eine Drehung als zusätzlicher Freiheitsgrad durch die Biegsamkeit des zentralen Elements zugelassen wird.
  2. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner ein Stellglied (126, 240, 272a) umfasst, das mit dem Gestänge gekoppelt ist und entlang mindestens eines der mindestens zwei Freiheitsgrade auf das vom Benutzer bedienbare Objekt über das einheitliche Element eine Kraft aufbringen kann.
  3. Schnittstelle nach Anspruch 1, wobei das Gestänge mindestens zwei Drehfreiheitsgrade für das vom Benutzer bedienbare Objekt vorsieht, wobei jeder Drehfreiheitsgrad um eine Drehachse liegt.
  4. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Elementen des Gestänges als Gestänge in geschlossener Schleife ausgebildet sind.
  5. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Gestänge in geschlossener Schleife vier Elemente umfasst, wobei die vier Elemente des Gestänges in geschlossener Schleife als Segmente des einheitlichen Elements biegsam miteinander gekoppelt sind.
  6. Schnittstellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 4-5, wobei das Gestänge in geschlossener Schleife umfasst: ein Grundelement (208), das mit einer Grundfläche gekoppelt ist; ein erstes und ein zweites Verlängerungselement (210a, 210b), wobei jedes Verlängerungselement mit dem Grundelement gekoppelt ist; und ein erstes und ein zweites zentrales Element (212a, 212b), wobei das erste zentrale Element ein erstes Ende, das mit dem ersten Verlängerungselement gekoppelt ist, und ein zweites Ende aufweist, wobei das zweite zentrale Element ein erstes Ende, das mit dem zweiten Verlängerungselement gekoppelt ist, und ein zweites Ende aufweist, wobei die zentralen Elemente an ihren jeweiligen zweiten Enden miteinander gekoppelt sind und wobei mindestens eines der zentralen Elemente mit dem vom Benutzer bedienbaren Objekt gekoppelt ist.
  7. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das erste und das zweite zentrale Element mit einem Objektelement (216) gekoppelt sind, das mit dem vom Benutzer bedienbaren Objekt gekoppelt ist.
  8. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das erste und das zweite zentrale Element biegsam sind und wobei das erste und das zweite zentrale Element und das erste und das zweite Verlängerungselement biegsam miteinander gekoppelt sind und das einheitliche Element bilden.
  9. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Grundelement durch Lager (213a, 213b, 214a, 214b) drehbar mit dem ersten und dem zweiten Verlängerungselement gekoppelt ist.
  10. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Elementen des Gestänges als Gestänge in geschlossener Schleife ausgebildet sind und wobei mindestens eines der Elemente, die in dem einheitlichen Element biegsam gekoppelt sind, in einer Abmessung, in der es erwünscht ist, dass das Element biegsam ist, relativ schmal ist und in anderen Abmessungen, in denen es erwünscht ist, dass das Element steif ist, relativ breit ist.
  11. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste und das zweite zentrale Element biegsam mit dem Objektelement gekoppelt sind, welches mit dem vom Benutzer bedienbaren Objekt gekoppelt ist.
  12. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Stellglied ein erstes Stellglied ist, das mit einem Grundelement gekoppelt ist, und ferner mit einem zweiten Stellglied (272b), das mit einem Grundelement des Gestänges gekoppelt ist, wobei das zweite Stellglied wirksam ist, um als Reaktion auf vom Computersystem empfangene Signale in einem Freiheitsgrad auf das vom Benutzer bedienbare Objekt eine Kraft aufzubringen.
  13. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zwei Freiheitsgrade Drehfreiheitsgrade sind, wobei jeder Freiheitsgrad um eine Drehachse liegt und wobei die zwei Drehachsen (A, B) bezüglich des Grundelements fest sind, wobei das erste und das zweite Verlängerungselement um die festen Drehachsen drehbar sind und wobei die zentralen Elemente um eine erste und eine zweite schwebende Achse (D, E) drehbar sind, wobei die schwebenden Achsen bezüglich des vom Benutzer bedienbaren Objekts beweglich sind.
  14. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das vom Benutzer bedienbare Objekt ein Steuerhebelgriff ist.
  15. Schnittstellenvorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 12, wobei das Stellglied ein Schwingspulen-Stellglied (240, 272a, 272b, 310a, 310b) zum Übertragen einer Kraft auf das Benutzerobjekt unter Verwendung von Magnetfeldern, welches von einem elektrischen Strom gesteuert wird, umfasst.
  16. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das erste Ende des ersten zentralen Elements durch ein Lager mit dem ersten Verlängerungselement drehbar gekoppelt ist, wobei das erste Ende des zweiten zentralen Elements durch ein Lager mit dem zweiten Verlängerungselement drehbar gekoppelt ist und wobei die zentralen Elemente biegsam mit dem vom Benutzer bedienbaren Objekt gekoppelt sind.
  17. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die zentralen Elemente mit einem Objektelement biegsam gekoppelt sind, welches mit dem Benutzerobjekt gekoppelt ist.
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