DE69631487T2 - Einrichtung zur bereitstellung einer kostengünstigen kraftrückkopplung und mechanischer eingang/ausgang für rechnersysteme - Google Patents
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- H01H2003/008—Mechanisms for operating contacts with a haptic or a tactile feedback controlled by electrical means, e.g. a motor or magnetofriction
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 von2 ; -
4 ist eine perspektivische Rückansicht des Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von3 ; -
5 ist eine perspektivische detaillierte Ansicht eines Haspelantriebsmechanismus, der für zwei Bewegungsgrade in der vorliegenden Erfindung verwendet wird; -
5a ist eine Seitenansicht des in5 gezeigten Haspelantriebsmechanismus; -
5b ist eine detaillierte Seitenansicht einer Seilrolle und eines Seils eines Haspelantriebsmechanismus von5 ; -
6 ist eine perspektivische Ansicht eines zentralen Haspelantriebsmechanismus für ein Linearachsenelement der in3 gezeigten mechanischen Vorrichtung; -
6a ist eine Querschnittsdraufsicht auf eine Seilrolle und ein Linearachsenelement, die im Haspelantriebsmechanismus von6 verwendet werden; -
6b ist eine Querschnittsseitenansicht des Linearachsenelements und des Wandlers, die in6 gezeigt sind; -
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung von2 mit einem Griffelobjekt für den Benutzer; -
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung von2 mit einem Steuerhebelobjekt für den Benutzer; -
9 ist ein Blockdiagramm eines Computers und der Schnittstelle zwischen dem Computer und der mechanischen Vorrichtung von2 ; -
10 ist ein schematisches Diagramm einer geeigneten Schaltung für eine Digital-Analog-Steuereinheit der Schnittstelle von9 ; -
11 ist ein schematisches Diagramm einer geeigneten Leistungsverstärkungsschaltung zum Speisen der Stellglieder der vorliegenden Erfindung, wie in9 gezeigt; -
12 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von2 , einschließlich biegsamer Elemente; -
13 ist eine Draufsicht auf die mechanische Vorrichtung von12 ; -
14 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von12 ; -
15 ist eine perspektivische Ansicht eines dritten alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von12 ; -
16 ist eine perspektivische Ansicht eines vierten alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von12 ; -
17 ist eine perspektivische Ansicht eines fünften alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung von12 ; -
18 ist eine perspektivische Ansicht der mechanischen Vorrichtung von2 , einschließlich eines Schwingspulen-Stellgliedes; -
19a ist eine Seitenschnittansicht des Schwingspulen-Stellgliedes von18 ; -
19b ist eine Draufsicht auf das Schwingspulen-Stellglied von19a ; -
20a –20e sind schematische Diagramme eines alternativen Ausführungsbeispiels des Schwingspulen-Stellgliedes von19a ; -
21a ist eine perspektivische Ansicht einer Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung, einschließlich linearer Schwingspulen-Stellglieder; -
21b ist eine Seitenschnittansicht, die ein lineares Schwingspulen-Stellglied von21a zeigt; -
21c ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Schnittstellenvorrichtung von21a ; -
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 von22a ; -
22c ist eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schnittstellenvorrichtung von22a unter Verwendung einer anderen Antirotations-Biegevorrichtung; -
22d ist eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schnittstellenvorrichtung von22a , in der das Benutzerobjekt in linearen Freiheitsgraden bewegt werden kann; -
22e ist eine Seitenansicht der Schnittstellenvorrichtung von22c ; -
23a bis23f 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 System10 für virtuelle Realität, das zum Simulieren einer medizinischen Prozedur verwendet wird, umfasst eine Mensch/Computer-Schnittstellenvorrichtung12 , eine elektronische Schnittstelle14 und einen Hauptrechner16 . Das dargestellte System10 für virtuelle Realität ist auf eine Simulation einer virtuellen Realität einer Laparoskopoperationsprozedur gerichtet. - Der Griff
26 eines Laparoskopinstruments18 , das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird von einer Bedienperson bedient und Bilder einer virtuellen Realität werden auf einem Anzeigebildschirm20 des Digitalverarbeitungssystems als Reaktion auf solche Bedienungen angezeigt. Der Anzeigebildschirm20 kann ein Standardanzeigebildschirm oder eine CRT, eine 3-D-Brille oder irgendeine andere visuelle Schnittstelle sein. Das Digitalverarbeitungssystem ist typischerweise ein Hauptrechner16 . 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 Computer16 kann beispielsweise unter dem MS-DOS-Betriebssystem in Einklang mit einem IBM PC AT Standard arbeiten. Alternativ kann das Hauptrechnersystem12 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 Heimcomputersystem12 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 Schnittstellenvorrichtung14 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 von1 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 Anzeigebildschirm20 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-Laparoskopinstruments18 kann die Mensch/Schnittstellenvorrichtung12 eine Barriere22 und einen Standard-Laparoskoptrokar24 (oder eine Nachbildung eines Trokars) umfassen. Die Barriere22 wird verwendet, um einen Teil der Haut, die den Körper eines Patienten bedeckt, darzustellen. Der Trokar24 wird in den Körper des virtuellen Patienten eingeführt, um einen Eintritts- und Entfernungspunkt aus dem Körper des Patienten für das Laparoskopinstrument18 vorzusehen und um die Bedienung des Laparoskopinstruments zu ermöglichen. Laparoskopinstrumente und Trokars24 sind von Quellen wie z.B. U.S. Surgical in Connecticut kommerziell erhältlich. Die Barriere22 und der Trokar24 können aus der Vorrichtung12 in anderen Ausführungsbeispielen weggelassen werden. Vorzugsweise wird das Laparoskopinstrument18 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 Laparoskopinstruments18 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"-Teil26 und einen Schaftteil28 . 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 Schaftteils28 im dreidimensionalen Raum, wobei die Bewegung derart eingeschränkt wurde, dass der Schaftteil28 nur drei oder vier freie Bewegungsgrade aufweist. Dies ist insofern eine gute Simulation für die echte Verwendung des Laparoskopinstruments18 , als es, sobald es in einen Trokar24 und durch die mechanische Vorrichtung25 eingeführt ist, auf etwa vier Freiheitsgrade begrenzt ist. Insbesondere ist der Schaft28 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 Instrument18 und zur' mechanischen Vorrichtung25 , 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 Vorrichtung25 wird mit Bezug auf die2 und12 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-Schnittstellenvorrichtung12 und kann die Vorrichtung12 mit dem Hauptrechner16 koppeln. Die elektronische Schnittstelle14 kann innerhalb eines Gehäuses einer mechanischen Vorrichtung25 enthalten sein oder als separate Einheit vorgesehen sein, wie in1 gezeigt. Insbesondere wird die Schnittstelle14 in bevorzugten Ausführungsbeispielen verwendet, um die verschiedenen Stellglieder und Sensoren der Vorrichtung25 (nachstehend im einzelnen beschrieben) mit dem Computer16 zu koppeln. Ein geeignetes Ausführungsbeispiel der Schnittstelle14 wird im einzelnen mit Bezug auf9 beschrieben, in der die Schnittstelle eine zweckorientierte Schnittstellenkarte, die in den Computer16 eingesteckt werden soll, umfassen kann. Ein anderes Ausführungsbeispiel14' der Schnittstelle14 wird mit Bezug auf20 im einzelnen beschrieben, in welcher die Schnittstelle einen zur Vorrichtung12 lokalen Mikroprozessor umfasst und über eine langsamere, serielle Schnittstelle oder eine parallele Schnittstelle mit dem Computer16 gekoppelt sein kann. - Die elektronische Schnittstelle
14 kann mit der mechanischen Vorrichtung25 der Vorrichtung12 durch ein Kabel30 gekoppelt sein (oder kann innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung12 enthalten sein) und ist mit dem Computer16 durch ein Kabel32 gekoppelt (oder kann unter Verwendung einer Schnittstellenkarte direkt mit dem Computer verbunden sein). In anderen Ausführungsbeispielen können Signale zu und von der Schnittstelle14 und dem Computer16 durch drahtlose Übertragung und drahtlosen Empfang gesandt werden. In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle14 nur als Eingabevorrichtung für den Computer16 . In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle14 nur als Ausgabevorrichtung für den Computer16 . In bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle14 als Eingabe/Ausgabe- (E/A) Vorrichtung für den Computer16 . Die Schnittstelle14 kann auch Eingangssignale von anderen Eingabevorrichtungen oder Bedienelementen empfangen, die mit der Vorrichtung12 verbunden sind, und kann diese Eingangssignale an den Computer16 weiterleiten. Befehle, die vom Benutzer gesandt werden, der eine Taste an der Vorrichtung12 aktiviert, können beispielsweise zum Computer16 weitergeleitet werden, um einen Befehl zu implementieren oder den Computer16 zu veranlassen, einen Befehl an die Vorrichtung12 auszugeben. Solche Eingabevorrichtungen werden mit Bezug auf24 genauer beschrieben. - In
2 ist eine perspektivische Ansicht der mechanischen Vorrichtung25 zum Vorsehen einer mechanischen Eingabe und Ausgabe gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung25 umfasst einen Kardanmechanismus38 und ein Linearachsenelement40 . Ein Benutzerobjekt44 ist vorzugsweise mit dem Linearachsenelement40 gekoppelt. - Der Kardanmechanismus
38 sieht im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Stütze für die Vorrichtung25 auf einer mit dem Grund gekoppelten Oberfläche56 (schematisch als Teil des Elements46 dargestellt) vor. Der Kardanmechanismus38 ist vorzugsweise ein fünfgliedriges Gestänge, das ein Grundelement46 , Verlängerungselemente48a und48b und zentrale Elemente50a und50b umfasst. Das Grundelement46 ist mit einer Basis oder Oberfläche gekoppelt, die Stabilität für die Vorrichtung25 vorsieht. Das Grundelement46 ist in2 als zwei separate Elemente gezeigt, die durch die mit dem Grund gekoppelte Oberfläche56 miteinander gekoppelt sind. Die Elemente des Kardanmechanismus38 sind durch die Verwendung von drehbaren Lagern oder Drehzapfen drehbar miteinander gekoppelt, wobei das Verlängerungselement48a durch ein Lager43a drehbar mit dem Grundelement46 gekoppelt ist und sich um eine Achse A drehen kann, das zentrale Element50a durch ein Lager45a drehbar mit dem Verlängerungselement48a gekoppelt ist und sich um die schwebende Achse D drehen kann, das Verlängerungselement48b durch ein Lager43b drehbar mit dem Grundelement46 gekoppelt ist und sich um die Achse B drehen kann, das zentrale Element50b durch ein Lager45b drehbar mit dem Verlängerungselement48b gekoppelt ist und sich um die schwebende Achse E drehen kann, und das zentrale Element50a durch ein Lager47 an einem Mittelpunkt P am Schnittpunkt der Achsen D und E drehbar mit dem zentralen Element50b gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das zentrale Element50a mit einem drehbaren Teil47a des Lagers47 gekoppelt und das zentrale Element50b ist mit dem anderen drehbaren Teil47b des Lagers47 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 Verlängerungselement48a , das zentrale Element50a und das zentrale Element50b um die Achse A in einem ersten Freiheitsgrad gedreht werden können. Das Gestänge ist auch derart angeordnet, dass das Verlängerungselement48b , das zentrale Element50b und das zentrale Element50a um die Achse B in einem zweiten Freiheitsgrad gedreht werden können. Wenn das Objekt44 im "Ursprung" angeordnet ist, wie in2 gezeigt, beträgt ein Winkel θ zwischen den zentralen Elementen50a und50b etwa 90 Grad. Wenn das Objekt44 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 Lager45b und/oder45a und Drehung um die Achse C durch das Lager47 , so dass sich der Winkel θ ändert. Wenn das Objekt44 beispielsweise in die Seite von2 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 in2 gezeigt, nimmt der Winkel θ zu. - Das Linearachsenelement
40 ist vorzugsweise ein langgestrecktes, stabartiges Element, das mit dem zentralen Element50a und dem zentralen Element50b am Schnittpunkt P der Achsen A und B gekoppelt ist. Wie in1 gezeigt, kann das Linearachsenelement40 als Schaft28 des Benutzerobjekts44 verwendet werden. In anderen Ausführungsbeispielen ist das Linearachsenelement40 mit einem anderen Objekt gekoppelt. Das Linearachsenelement40 ist mit dem Kardanmechanismus38 derart gekoppelt, dass es sich aus der durch die Achse A und die Achse B festgelegten Ebene herauserstreckt. Das Linearachsenelement40 kann durch Drehen des Verlängerungselements48a , des zentralen Elements50a und des zentralen Elements50b in einem ersten Drehfreiheitsgrad, der als Pfeillinie51 gezeigt ist, um die Achse A gedreht werden. Das Element40 kann durch Drehen des Verlängerungselements50b und der zwei zentralen Elemente um die Achse B in einem zweiten Drehfreiheitsgrad, der durch die Pfeillinie52 gezeigt ist, auch um die Achse B gedreht werden. Da es auch parallelverschiebbar mit den Enden der zentralen Elemente50a und50b gekoppelt ist, kann das Linearachsenelement40 unabhängig bezüglich des Kardanmechanismus38 entlang der schwebenden Achse C linear parallelverschoben werden, was einen dritten Freiheitsgrad bereitstellt, wie durch die Pfeile53 gezeigt. Die Achse C kann natürlich um eine oder beide Achsen A und B gedreht werden, wenn das Element40 um diese Achsen gedreht wird. - Mit dem Kardanmechanismus
38 und dem Linearachsenelement40 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 Computer16 vor. Wandler, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden mit Bezug auf3 genauer beschrieben. - Das Benutzerobjekt
44 ist mit der Vorrichtung25 gekoppelt und ist vorzugsweise ein Schnittstellenobjekt, das ein Benutzer ergreifen oder anderweitig im dreidimensionalen (3D) Raum bedienen soll. Ein Beispiel eines Benutzerobjekts44 ist der Griff26 eines Laparoskopinstruments18 , wie in1 gezeigt. Der Schaft28 des Instruments18 kann als Teil des Linearachsenelements40 implementiert werden. Andere in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebene Beispiele umfassen einen Griffel und einen Steuerhebel. Das Benutzerobjekt44 kann in allen drei Freiheitsgraden, die vom Kardanmechanismus38 und vom Linearachsenelement40 bereitgestellt werden, und zusätzlichen Freiheitsgraden bewegt werden, wie nachstehend beschrieben. Wenn das Benutzerobjekt44 um die Achse A bewegt wird, verändert die schwebende Achse D ihre Position, und wenn das Benutzerobjekt44 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 in2 gezeigt. - Die
3 und4 sind perspektivische Ansichten eines speziellen Ausführungsbeispiels einer mechanischen Vorrichtung25' zum Liefern einer mechanischen Eingabe und Ausgabe zu einem Computersystem gemäß der vorliegenden Erfindung.3 zeigt eine Vorderansicht der Vorrichtung25' und4 zeigt eine Rückansicht der Vorrichtung. Die Vorrichtung25' umfasst einen Kardanmechanismus38 , ein Linearachsenelement40 und Wandler42 . Ein Benutzerobjekt44 , das in diesem Ausführungsbeispiel als Laparoskopinstrument mit einem Griffteil26 dargestellt ist, ist mit der Vorrichtung25' gekoppelt. Die Vorrichtung25' arbeitet im Wesentlichen in derselben Weise wie die mit Bezug auf2 beschriebene Vorrichtung25 . - Der Kardanmechanismus
38 sieht eine Stütze für die Vorrichtung25' auf einer mit dem Grund gekoppelten Oberfläche56 wie z.B. einer Tischoberseite oder einer ähnlichen Oberfläche vor. Die Elemente und Gelenke ("Lager") des Kardanmechanismus38 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 Kardanmechanismus38 umfasst ein Grundelement46 , einen Haspelantriebsmechanismus58 , Verlängerungselemente48a und48b , ein zentrales Antriebselement50a und ein zentrales Verbindungselement50b . Das Grundelement46 umfasst ein Basiselement60 und vertikale Stützelemente62 . Das Basiselement60 ist mit der mit dem Grund gekoppelten Oberfläche56 gekoppelt und sieht zwei äußere vertikale Oberflächen61 vor, die sich in einer im Wesentlichen senkrechten Beziehung zueinander befinden. Ein vertikales Stützelement62 ist mit jeder dieser äußeren Oberflächen des Basiselements60 gekoppelt, so dass sich die vertikalen Elemente62 in einer ähnlichen Beziehung von im Wesentlichen90 Grad zueinander befinden. - Ein Göpel-bzw. Haspelantriebsmechanismus
58 ist vorzugsweise mit jedem vertikalen Element62 gekoppelt. Haspelantriebsmechanismen58 sind im Kardanmechanismus38 vorgesehen, um einen mechanischen Vorteil bereitzustellen, ohne Reibung und einen toten Gang in das System einzuführen. Eine Haspeltrommel59 jedes Haspelantriebsmechanismus ist drehbar mit einem entsprechenden vertikalen Stützelement62 gekoppelt, um Drehachsen A und B zu bilden, die den Achsen A und B entsprechen, wie in1 gezeigt. Die Haspelantriebsmechanismen58 werden mit Bezug auf5 genauer beschrieben. - Das Verlängerungselement
48a ist mit der Haspeltrommel59 starr gekoppelt und wird um die Achse A gedreht, wenn die Haspeltrommel59 gedreht wird. Ebenso ist das Verlängerungselement48b starr mit der anderen Haspeltrommel59 gekoppelt und kann um die Achse B gedreht werden. Beide Verlängerungselemente48a und48b sind in einem Winkel von im Wesentlichen90 Grad ausgebildet, wobei ein kurzes Ende49 mit der Haspeltrommel59 gekoppelt ist. Das zentrale Antriebselement50a ist drehbar mit einem langen Ende55 des Verlängerungselements48a gekoppelt und erstreckt sich in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung zur Achse B. Ebenso ist das zentrale Verbindungselement50b mit dem langen Ende des Verlängerungselements48b drehbar gekoppelt und erstreckt sich in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung zur Achse A (wie in4 besser zu sehen). Das zentrale Antriebselement50a und das zentrale Verbindungselement50b sind im Drehzentrum des Kardanmechanismus, welches der Schnittpunkt P der Achsen A und B ist, drehbar miteinander gekoppelt. Das Lager64 verbindet die zwei zentralen Elemente50a und50b 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 Elementen50a und50b am Schnittpunkt P gekoppelt ist. In alternativen Ausführungsbeispielen kann das Linearachsenelement40 ein nicht-zylindrisches Element mit einem Querschnitt beispielsweise eines Quadrats oder eines anderen Vielecks sein. Das Element40 ist durch das Zentrum des Lagers64 hindurch und durch Löcher in den zentralen Elementen50a und50b hindurch angeordnet. Das Linearachsenelement kann entlang der Achse C linear parallelverschoben werden, was einen dritten Freiheitsgrad für das Benutzerobjekt44 , das mit dem Linearachsenelement gekoppelt ist, vorsieht. Das Linearachsenelement40 kann vorzugsweise durch einen Wandler42 unter Verwendung eines Haspelantriebsmechanismus ähnlich dem Haspelantriebsmechanismus58 parallelverschoben werden. Die Parallelverschiebung des Linearachsenelements40 wird mit Bezug auf6 genauer beschrieben. - Wandler
42 sind vorzugsweise mit dem Kardanmechanismus38 gekoppelt, um Eingangs- und Ausgangssignale zwischen der mechanischen Vorrichtung25' und dem Computer16 zu liefern. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel umfassen die Wandler42 zwei mit dem Grund gekoppelte Wandler66a und66b , einen zentralen Wandler68 und einen Wellenwandler70 . Das Gehäuse des mit dem Grund gekoppelten Wandlers66a ist vorzugsweise mit dem vertikalen Stützelement62 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 Objekts44 in oder ansonsten beeinflusst durch den ersten Freiheitsgrad um die Achse A, d.h. der Wandler66a ist dem ersten Freiheitsgrad "zugeordnet" oder "betrifft" diesen. Eine Drehwelle des Stellgliedes66a ist mit einer Seilrolle des Haspelantriebsmechanismus58 gekoppelt, um eine Eingabe und Ausgabe entlang des ersten Freiheitsgrades zu übertragen. Der Haspelantriebsmechanismus58 wird mit Bezug auf5 genauer beschrieben. Der mit dem Grund gekoppelte Wandler66b entspricht vorzugsweise dem mit dem Grund gekoppelten Wandler66a in der Funktion und im Betrieb. Der Wandler66b ist mit dem anderen vertikalen Stützelement62 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 und66b 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 Busse67a und67b zur Computerschnittstelle14 geleitet und werden mit Bezug auf9 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 Vorrichtung25 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 Objekts44 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 Vorrichtung25 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 und66b 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 Computerschnittstelle14 auf Steuerbussen67a und67b erzeugt und werden mit Bezug auf9 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 Wandlern42 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 und68 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 Schnittstellenvorrichtung14 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 Wandler42 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 Prozessors410 (siehe24 ), 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 Stellglieder42 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 (siehe18 –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 Antriebselement50a 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 Objekts44 entlang des dritten Freiheitsgrades. Die Drehwelle des zentralen Wandlers68 ist mit einer Parallelverschiebungs-Schnittstelle gekoppelt, die mit dem zentralen Antriebselement50a gekoppelt ist, welche mit Bezug auf6 genauer beschrieben wird. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der zentrale Wandler68 eine Kombination aus optischem Codierer und Gleichstrom-Servomotor ähnlich den vorstehend beschriebenen Stellgliedern66a und66b . - Die Wandler
66a ,66b und68 des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind vorteilhafterweise angeordnet, um ein sehr geringes Ausmaß an Trägheit für das Benutzerhandhabungsobjekt44 vorzusehen. Der Wandler66a und der Wandler66b sind abgekoppelt, was bedeutet, dass die Wandler beide direkt mit dem Grundelement46 gekoppelt sind, das mit der Grundfläche56 gekoppelt ist, d.h. die Grundfläche trägt das Gewicht der Wandler, nicht das Benutzerhandhabungsobjekt44 . Die Gewichte und Trägheit der Wandler66a und66b sind somit im Wesentlichen für ein Benutzerhandhabungs- und -bewegungsobjekt44 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 Vorrichtung25' ist ein Kraftrückkopplungssystem mit hoher Bandbreite, was bedeutet, dass Hochfrequenzsignale verwendet werden können, um die Wandler42 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 Objekts44 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 Wandler68 nicht mit dem Grund gekoppelt ist, ermöglicht seine zentrale Position einen minimalen Trägheitsbeitrag zur mechanischen Vorrichtung25' entlang der vorgesehenen Freiheitsgrade. Ein Benutzer, der das Objekt44 bedient, spürt somit minimale Trägheitseffekte vom Gewicht der Wandler66a ,66b und68 . - Der Wellenwandler
70 umfasst vorzugsweise einen Sensor und ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, um einen vierten Freiheitsgrad für das Objekt44 zu messen. Der Wellenwandler70 ist vorzugsweise am Ende des Linearachsenelements40 angeordnet, welches zum Objekt44 entgegengesetzt liegt, und misst die Drehposition des Objekts44 um die Achse C im vierten Freiheitsgrad, wie durch den Pfeil72 angegeben. Der Wellenwandler70 wird mit Bezug auf6 und6b genauer beschrieben. Vorzugsweise wird der Wellenwandler72 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 Wellenwandler70 nur einen Sensor und kein Stellglied. Dies liegt daran, dass für typische medizinische Prozeduren, was eine beabsichtigte Anwendung für das in den3 und4 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 Wellenwandler70 ähnlich den Wandlern66a ,66b und68 enthalten sein. - Das Objekt
44 ist in den3 und4 als Griffteil26 eines Laparoskopinstruments ähnlich dem in1 gezeigten Instrument gezeigt. Der Schaftteil28 ist als Linearachsenelement40 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 Computersystem16 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 Objekt44 vorzusehen. Ein Wandler kann beispielsweise zum Griff26 des Laparoskopinstruments18 hinzugefügt werden, um festzustellen, wenn der Benutzer die zwei Teile26a und26b 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 Haspelantriebsmechanismus58 , der in gewissem Detail dargestellt ist. Als Beispiel ist der Antriebsmechanismus58 , der mit einem Verlängerungsarm48b gekoppelt ist, gezeigt; der andere Haspelantrieb58 , der mit dem verlängerungsarm48a gekoppelt ist, ist zum hier dargestellten Mechanismus im Wesentlichen ähnlich. Der Haspelantriebsmechanismus58 umfasst eine Haspeltrommel59 , eine Haspelseilrolle76 und einen Anschlag78 . Die Haspeltrommel59 ist vorzugsweise ein keilförmiges Element mit einem Schenkelteil82 und einem gekrümmten Teil84 . Andere Formen des Elements59 können auch verwendet werden. Der Schenkelteil82 ist mit dem vertikalen Stützelement62 an der Achse B (oder Achse A für den entgegengesetzten Haspelantriebsmechanismus) drehbar gekoppelt. Das Verlängerungselement48b ist starr mit dem Schenkelteil82 gekoppelt, so dass, wenn die Haspeltrommel59 um die Achse B gedreht wird, das Verlängerungselement48b auch gedreht wird und die Position relativ zum Schenkelteil82 aufrechterhält, wie in5 gezeigt. Der gekrümmte Teil84 koppelt die zwei Enden des Schenkelteils82 miteinander und ist vorzugsweise in einem um die Achse B zentrierten Bogen ausgebildet. Der gekrümmte Teil84 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass seine untere Kante86 etwa 0,030 Inch oberhalb der Seilrolle76 liegt. - Das Seil
80 ist vorzugsweise ein dünnes Metallseil, das mit dem gekrümmten Teil84 der Haspeltrommel verbunden ist. Andere Arten von haltbaren Seilen, Kordeln, Draht usw. können ebenso verwendet werden. Das Seil80 ist an einem ersten Ende am gekrümmten Teil84 nahe einem Ende des Schenkelteils82 befestigt und ist straff gegen die Außenfläche86 des gekrümmten Teils84 gezogen. Das Seil80 ist mehrere Male um die Seilrolle76 gewickelt und ist dann wieder straff gegen die Außenfläche86 gezogen. Das zweite Ende des Seils80 ist fest am anderen Ende des gekrümmten Teils84 nahe dem entgegengesetzten Schenkel des Schenkelteils82 befestigt. Das Seil überträgt eine Drehkraft von der Seilrolle76 auf die Haspeltrommel59 , was bewirkt, dass sich die Haspeltrommel59 um die Achse B dreht, wie nachstehend erläutert. Das Seil überträgt auch eine Drehkraft von der Trommel59 auf die Seilrolle und den Wandler66b . Die Spannung im Seil80 sollte auf einem Niveau liegen, so dass ein vernachlässigbarer toter Gang oder Spiel zwischen der Haspeltrommel59 und der Seilrolle76 auftritt. Vorzugsweise kann die Spannung des Seils80 durch Ziehen von mehr (oder weniger) der Seillänge durch ein Ende des gekrümmten Teils84 eingestellt werden. Kappen81 an den Enden des gekrümmten Teils84 können verwendet werden, um das Seil80 leicht zu spannen. Jede Kappe81 ist vorzugsweise eng mit dem Seil80 gekoppelt und umfasst einen Drehpunkt und eine Spannschraube, die ermöglichen, dass sich die Kappe in einer Richtung bewegt, die durch den Pfeil83 angegeben ist, um das Seil80 zu spannen. - Die Haspelseilrolle
76 ist ein mit Gewinde versehener Metallzylinder, der eine Drehkraft vom Wandler66b auf die Haspeltrommel59 und von der Haspeltrommel59 auf den Wandler66b überträgt. Die Seilrolle76 ist mit dem vertikalen Stützelement62 durch eine Welle88 (in5a gezeigt) drehbar gekoppelt, welche durch eine Bohrung des vertikalen Elements62 angeordnet und starr an der Seilrolle76 befestigt ist. Der Wandler66b ist mit der Seilrolle76 durch die Welle88 durch das vertikale Stützelement62 gekoppelt. Die Drehkraft wird vom Wandler66b auf die Seilrolle76 aufgebracht, wenn das Stellglied des Wandlers66b die Welle dreht. Die Seilrolle überträgt wiederum die Drehkraft auf das Seil80 und bringt folglich die Haspeltrommel59 dazu, sich in einer Richtung um die Achse B zu drehen. Das Verlängerungselement48b dreht sich mit der Haspeltrommel59 , wobei folglich eine Kraft entlang des zweiten Freiheitsgrades für das Objekt44 bewirkt wird. Man beachte, dass die Seilrolle76 , die Haspeltrommel59 und das Verlängerungselement48b sich nur tatsächlich drehen, wenn der Benutzer nicht dasselbe Ausmaß oder ein größeres Ausmaß an Drehkraft auf das Objekt44 in der entgegengesetzten Richtung aufbringt, um die Drehbewegung aufzuheben. In jedem Fall spürt der Benutzer die Drehkraft entlang des zweiten Freiheitsgrades im Objekt44 als Kraftrückkopplung. - Der Haspelmechanismus
58 sieht einen mechanischen Vorteil für die Vorrichtung25' vor, so dass die Kraftausgabe der Stellglieder erhöht werden kann. Das Verhältnis des Durchmessers der Seilrolle76 zum Durchmesser der Haspeltrommel59 (d.h. der doppelte Abstand von der Achse B zur unteren Kante86 der Haspeltrommel59 ) 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 Verlängerungselement48b ebenso um die Achse B und dreht ebenso die Haspeltrommel59 um die Achse B. Diese Bewegung bewirkt, dass sich das Seil80 bewegt, was die Drehkraft auf die Seilrolle76 überträgt. Die Seilrolle76 dreht sich und bewirkt, dass sich die Welle88 dreht, und die Richtung und der Betrag der Bewegung wird vom Sensor des Wandlers66b 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 Trommel59 zur Seilscheibe76 zu verstärken (15:1 im bevorzugten Ausführungsbeispiel). - Der Anschlag
78 ist starr mit dem vertikalen Stützelement62 einige Millimeter oberhalb des gekrümmten Teils84 der Haspeltrommel59 gekoppelt. Der Anschlag78 wird verwendet, um zu verhindern, dass sich die Haspeltrommel59 über eine festgelegte Winkelgrenze hinaus bewegt. Somit wird die Trommel59 auf eine Bewegung innerhalb eines Bereichs eingeschränkt, der durch die Bogenlänge zwischen den Enden des Schenkelteils82 festgelegt ist. Diese eingeschränkte Bewegung schränkt wiederum die Bewegung des Objekts44 in den ersten zwei Freiheitsgraden ein. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Anschlag78 ein zylindrisches Element, das in eine Gewindebohrung im vertikalen Stützelement62 eingesetzt ist. -
5a ist eine Seitenansicht des Haspelmechanismus58 , wie in5 gezeigt. Das Seil80 ist entlang der unteren Seite86 des gekrümmten Teils84 der Haspeltrommel59 geführt gezeigt. Das Seil80 ist vorzugsweise um die Seilrolle76 gewickelt, so dass das Seil zwischen den Gewinden90 angeordnet ist, d.h. das Seil ist durch die Gewinde geführt, wie in5b genauer dargestellt. Wenn die Seilrolle76 durch den Wandler66b oder durch die Bedienungen des Benutzers gedreht wird, bewegt sich der Teil des Seils80 , der um die Seilrolle gewickelt ist, näher zum vertikalen Stützelement62 hin oder weiter von diesem weg in Abhängigkeit von der Richtung, in der sich die Seilrolle76 dreht. Wenn die Seilrolle76 beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird (wenn die Seilrolle wie in5 betrachtet wird), dann bewegt sich das Seil80 in Richtung des vertikalen Stützelements62 , wie durch den Pfeil92 gezeigt. Die Haspeltrommel59 dreht sich auch im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil94 gezeigt. Die Gewinde der Seilrolle76 werden hauptsächlich verwendet, um das Seil80 mit einem besseren Griff an der Seilrolle76 zu versehen. In alternativen Ausführungsbeispielen umfasst die Seilrolle76 keine Gewinde und die hohe Spannung im Seil80 ermöglicht, dass das Seil80 die Seilrolle76 greift. - Der Haspelantriebsmechanismus
58 wird in der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise verwendet, um die Übertragung von Kräften und einen mechanischen Vorteil zwischen den Wandlern66a und66b und dem Objekt44 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 Haspelantriebsmechanismus58 in alternativen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um Kräfte zwischen dem Wandler66a und dem Verlängerungselement48b 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 Objekt44 bedient; die Drehung in einem Haspelantriebsmechanismus ist viel weniger bemerkbar. -
6 ist eine perspektivische Ansicht des zentralen Antriebselements50a und des Linearachsenelements40 , die in gewissem Detail dargestellt sind. Das zentrale Antriebselement50a ist in einer teilweise aufgeschnittenen Ansicht dargestellt, um das Innere des Elements50a freizulegen. Der zentrale Wandler68 ist mit einer Seite des zentralen Antriebselements50a gekoppelt. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Haspelantriebsmechanismus verwendet, um Kräfte zwischen dem Wandler68 und dem Linearachsenelement40 entlang des dritten Freiheitsgrades zu übertragen. Eine drehbare Welle98 des Wandlers68 erstreckt sich durch eine Bohrung in der Seitenwand des zentralen Antriebselements50a und ist mit einer Haspelseilrolle100 gekoppelt. Die Seilrolle100 wird nachstehend mit Bezug auf6a genauer beschrieben. - Das Linearachsenelement
40 umfasst vorzugsweise eine äußere Hülse91 und eine innere Welle93 (mit Bezug auf6b nachstehend beschrieben). Die äußere Hülse91 ist vorzugsweise ein teilweise zylindrisches Element mit einer entlang ihrer Länge vorgesehenen Abflachung41 . Die Abflachung41 verhindert, dass sich die Hülse91 um die Achse C im vorstehend beschriebenen vierten Freiheitsgrad dreht. Das Linearachsenelement40 ist mit einem Seil99 versehen, das an jedem Ende des Elements40 durch Spannkappen101 befestigt ist. Das Seil99 verläuft vorzugsweise einen Hauptteil der Länge der äußeren Hülse91 auf der Oberfläche der Abflachung41 hinab und kann beispielsweise durch Lösen einer Schraube97 , Ziehen eines Endes des Seils99 , bis die gewünschte Spannung erreicht ist, und Festziehen der Schraube97 gespannt werden. Ähnlich dem Seil des mit Bezug auf5 beschriebenen Haspelmechanismus sollte das Seil99 eine relativ hohe Spannung aufweisen. - Wie in
6a gezeigt, ist das Seil99 mehrere Male um die Seilrolle100 gewickelt, so dass Kräfte zwischen der Seilrolle100 und dem Linearachsenelement40 übertragen werden können. Die Seilrolle100 umfasst vorzugsweise einen zentralen Achsenteil103 und Endkantenteile105 . Die äußere Hülse91 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die Abflachung41 der Hülse die Kantenteile105 auf beiden Seiten des Achsenteils103 berührt oder sehr nahe zu diesen liegt. Der Teil des Seils99 um die Seilrolle100 ist um den zentralen Achsenteil103 gewickelt und bewegt sich entlang des Teils103 zur Welle98 hin und von dieser weg, wenn die Seilrolle im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Der Durchmesser des Achsenteils103 ist kleiner als jener des Kantenteils105 , wobei ein Raum zwischen der Seilrolle100 und der Abflachung41 bereitgestellt wird, wo das Seil99 befestigt ist, und eine freie Bewegung des Seils ermöglicht wird. Die Seilrolle100 umfasst vorzugsweise keine Gewinde im Gegensatz zur Seilrolle76 , da die Spannung im Seil99 ermöglicht, dass das Seil die Seilrolle100 straff greift. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Seilrolle100 ein Zylinder mit Gewinde oder ohne Gewinde sein ähnlich zur mit Bezug auf5 beschriebenen Haspelseilrolle76 . - Unter Verwendung des Haspelantriebsmechanismus kann der Wandler
68 das Linearachsenelement40 entlang der Achse C parallel verschieben, wenn die Seilrolle durch das Stellglied des Wandlers68 gedreht wird. Wenn das Linearachsenelement40 entlang der Achse C durch den Benutzer, der das Objekt44 bedient, parallelverschoben wird, werden ebenso die Seilrolle100 und die Welle98 gedreht; diese Drehung wird vom Sensor des Wandlers68 erfasst. Der Haspelantriebsmechanismus sieht eine geringe Reibung und eine sanfte, starre Betätigung für eine genaue Bewegung des Linearachsenelements40 und eine genaue Positionsmessung des Elements40 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 Welle98 angeordnet sein, um das Linearachsenelement40 entlang der Kante des Rades zu berühren. Das Rad kann Kräfte entlang des Elements40 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 Linearachsenelement40 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 Wandlers70 , die in6b gezeigt ist, ist die innere Welle93 innerhalb der hohlen äußeren Hülse91 angeordnet und ist mit der Hülse91 drehbar gekoppelt. Ein erstes Ende107 der Welle93 erstreckt sich vorzugsweise über die Hülse91 hinaus und ist mit dem Objekt44 gekoppelt. Wenn das Objekt44 um die Achse C gedreht wird, wird die Welle93 auch um die Achse C im vierten Freiheitsgrad innerhalb der Hülse91 gedreht. Die Welle93 wird entlang der Achse C im dritten Freiheitsgrad parallelverschoben, wenn die Hülse91 parallelverschoben wird. Alternativ kann die innere Welle93 mit einer Welle des Objekts44 innerhalb der äußeren Hülse91 gekoppelt sein. Ein kurzer Teil der Welle28 eines Laparoskopinstruments18 , wie in1 gezeigt, kann sich beispielsweise in die Hülse91 erstrecken und mit der welle93 innerhalb der Hülse gekoppelt sein oder die welle28 kann sich den gesamten Weg zum Wandler70 erstrecken und funktional als Welle93 verwendet werden. - Die Welle
93 ist an ihrem zweiten Ende109 mit dem Wandler70 gekoppelt, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein optischer Codierersensor ist. Das Gehäuse111 des Wandlers70 ist durch eine Kappe115 starr mit der äußeren Hülse91 gekoppelt und eine welle113 des Wandlers70 ist mit der inneren Welle93 gekoppelt, so dass der Wandler70 die Drehposition der Welle93 und des Objekts44 messen kann. In alternativen Ausführungsbeispielen kann auch ein Stellglied im Wandler70 enthalten sein, um Drehkräfte um die Achse C zur Welle93 zu liefern. -
7 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung25" und des Benutzerobjekts44 der vorliegenden Erfindung. Die in7 gezeigte mechanische Vorrichtung25" arbeitet im Wesentlichen genauso wie die in den3 und4 gezeigte Vorrichtung25' . Das Benutzerobjekt44 ist jedoch ein Griffel102 , 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 Griffel102 kann gespürt werden und eine Kraft kann in verschiedenen Freiheitsgraden durch ein Computersystem und eine Schnittstelle wie z.B. den Computer16 und die Schnittstelle14 von1 aufgebracht werden. Der Griffel102 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 Kardanmechanismus104 gekoppelt, der zwei Freiheitsgrade zusätzlich zu den von der mit Bezug auf die3 und4 beschriebenen Vorrichtung25' bereitgestellten vier Freiheitsgraden vorsieht. Der schwebende Kardanmechanismus104 umfasst ein U-förmiges Element106 , das mit einem Achsenelement108 durch eine Welle109 drehbar gekoppelt ist, so dass sich das U-förmige Element106 um die Achse F drehen kann. Das Achsenelement108 ist mit dem Linearachsenelement40 starr gekoppelt. Außerdem ist das Gehäuse eines Wandlers110 mit dem U-förmigen Element106 gekoppelt und eine Welle des Wandlers110 ist mit der Welle109 gekoppelt. Die Welle109 wird vorzugsweise innerhalb des Achsenelements108 in der Position verriegelt, so dass, wenn das U-förmige Element106 gedreht wird, die Welle109 sich nicht dreht. Der Wandler110 ist vorzugsweise ein Sensor wie z.B. ein optischer Codierer, wie vorstehend mit Bezug auf den Wandler70 beschrieben, der die Drehung des U-förmigen Elements106 um die Achse F in einem fünften Freiheitsgrad misst und elektrische Signale liefert, die eine solche Bewegung für die Schnittstelle14 angeben. - Der Griffel
102 ist vorzugsweise drehbar mit dem U-förmigen Element106 durch eine Welle (nicht dargestellt) gekoppelt, die sich durch das U-förmige Element erstreckt. Diese Welle ist mit einer welle des Wandlers112 gekoppelt, dessen Gehäuse mit dem U-förmigen Element106 gekoppelt ist, wie gezeigt. Der Wandler112 ist vorzugsweise ein Sensor wie z.B. ein optischer Codierer, wie vorstehend beschrieben, der die Drehung des Griffels102 um die Längsachse G des Griffels in einem sechsten Freiheitsgrad misst. - Im beschriebenen Ausführungsbeispiel von
7 werden sechs Freiheitsgrade des Griffels102 abgetastet. Somit können sowohl die Position (x-, y-, z-Koordinaten) als auch die Orientierung (Wälzung, Steigung, Gierung) des Griffels vom Computer16 erfasst werden, um eine sehr realistische Simulation bereitzustellen. Andere Mechanismen abgesehen vom schwebenden Kardanmechanismus104 können verwendet werden, um den fünften und den sechsten Freiheitsgrad bereitzustellen. Außerdem können Kräfte in drei Freiheitsgraden für den Griffel102 aufgebracht werden, um eine 3D-Kraftrückkopplung vorzusehen. In alternativen Ausführungsbeispielen können auch Stellglieder in den Wandlern70 ,110 und112 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 Wandler70 ,100 und112 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 Griffel102 ebenso simuliert werden, was in einer Simulation nützlich sein kann oder nicht. -
8 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels der mechanischen Vorrichtung25" ' und des Benutzerobjekts44 der vorliegenden Erfindung. Die in8 gezeigte mechanische Vorrichtung25''' arbeitet im Wesentlichen genauso wie die in den3 und4 gezeigte Vorrichtung25' . Das Benutzerobjekt44 ist jedoch ein Steuerhebel112 , den der Benutzer vorzugsweise in zwei Freiheitsgraden bewegen kann. Der Steuerhebel112 kann abgetastet werden und eine Kraft kann in beiden Freiheitsgraden durch ein Computersystem und eine Schnittstelle ähnlich dem Computersystem16 und der Schnittstelle14 von1 aufgebracht werden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Steuerhebel112 mit einer zylindrischen Befestigungsvorrichtung64 gekoppelt, so dass der Benutzer den Steuerhebel in den zwei Freiheitsgraden bewegen kann, die vom Kardanmechanismus38 bereitgestellt werden, wie vorstehend beschrieben. Das Linearachsenelement40 ist typischerweise in dem Ausführungsbeispiel von8 nicht enthalten, da ein Steuerhebel gewöhnlich nicht entlang einer Achse C parallelverschoben wird. In alternativen Ausführungsbeispielen kann jedoch der Steuerhebel112 mit einem Linearachsenelement40 ähnlich dem Griffel102 , wie in7 gezeigt, gekoppelt sein, um einen dritten Freiheitsgrad bereitzustellen. In noch anderen Ausführungsbeispielen kann sich das Linearachsenelement40 um die Achse C drehen und der Wandler70 kann mit der Vorrichtung25" ' gekoppelt sein, um einen vierten Freiheitsgrad vorzusehen. In anderen Ausführungsbeispielen kann schließlich ein schwebender Kardanmechanismus, wie in7 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 Steuerhebel112 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 Computers16 und einer Schnittstellenschaltung120 , die in der Schnittstelle14 verwendet werden können, um Signale zur mechanischen Vorrichtung25 zu senden und von dieser zu empfangen. Die Schnittstellenschaltung120 umfasst einen Computer16 , eine Schnittstellenkarte120 , einen DAC122 , eine Leistungsverstärkerschaltung124 , digitale Sensoren128 und eine Sensorschnittstelle130 . Wahlweise sind analoge Sensoren132 anstelle von oder zusätzlich zu den digitalen Sensoren128 und ein ADC134 enthalten. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Schnittstelle14 zwischen dem Computer16 und der mechanischen Vorrichtung25 , wie in1 gezeigt, funktional äquivalent zu den innerhalb der gestrichelten Linie in14 eingeschlossenen Schnittstellenschaltungen betrachtet werden. Andere Arten von Schnittstellen14 können auch verwendet werden. Eine andere Art Schnittstellenschaltung wird beispielsweise nachstehend mit Bezug auf20 beschrieben. - Die Schnittstellenkarte
120 kann als Standardkarte implementiert werden, die in einen Schnittstellenschlitz des Computers16 passt. Wenn der Computer16 beispielsweise ein IMB-kompatibler X86-Computer ist, kann die Schnittstellenkarte14 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 Schnittstellenkarte120 gekoppelt und empfängt ein digitales Signal vom Computer16 . Der DAC122 wandelt das digitale Signal in analoge Spannungen um, die dann zur Leistungsverstärkerschaltung124 gesandt werden. Eine DAC-Schaltung, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wird mit Bezug auf10 beschrieben. Die Leistungsverstärkerschaltung124 empfängt eine analoge Steuerspannung mit niedriger Leistung vom DAC122 und verstärkt die Spannung, um die Stellglieder126 zu steuern. Die Leistungsverstärkerschaltung124 wird mit Bezug auf11 genauer beschrieben. Die Stellglieder126 sind vorzugsweise Gleichstrom-Servomotoren, die in die Wandler66a ,66b und68 integriert sind, und beliebige zusätzliche Stellglieder, wie mit Bezug auf die in den3 ,7 und8 gezeigten Ausführungsbeispiele beschrieben, zum Liefern einer Kraftrückkopplung zu einem Benutzer, der das Objekt44 bedient, welches mit der mechanischen Vorrichtung25 gekoppelt ist. - Digitale Sensoren
128 liefern Signale zum Computer16 bezüglich der Position des Benutzerobjekts44 im 3D-Raum. In den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Sensoren128 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 Sensorschnittstellenschaltung130 , die vorzugsweise ein einzelner Chip ist, die Signale von den digitalen Sensoren128 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 Computer16 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 Sensor28 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 Sensoren128 für alle oder einige der Wandler der vorliegenden Erfindung enthalten sein. Ein Dehnungsmesser kann beispielsweise angeschlossen sein, um vielmehr Kräfte am Objekt44 als Positionen des Objekts zu messen. Geschwindigkeitssensoren und/oder Beschleunigungsmesser können auch verwendet werden, um Geschwindigkeiten und Beschleunigungen am Objekt44 direkt zu messen. Die analogen Sensoren132 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 Computer16 empfangen und interpretiert wird, wie es Fachleuten gut bekannt ist. Die Auflösung der erfassten Bewegung des Objekts44 wäre durch die Auflösung des ADC begrenzt. -
10 ist eine schematische Ansicht einer DAC-Schaltung122 von9 , die sich zum Umwandeln eines digitalen Eingangssignals in eine analoge Spannung, die an die Leistungsverstärkerschaltung124 ausgegeben wird, eignet. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst die Schaltung122 einen parallelen DAC136 wie z.B. den von National Semiconductor hergestellten DAC1220, der dazu ausgelegt ist, mit einem externen allgemeinen Operationsverstärker138 zu arbeiten. Der Operationsverstärker138 gibt beispielsweise ein Signal von Null bis –5 Volt proportional zur Binärzahl an seinem Eingang aus. Der Operationsverstärker140 ist ein invertierender Summierverstärker, der die Ausgangsspannung in einen symmetrischen bipolaren Bereich umwandelt. Der Operationsverstärker140 erzeugt ein Ausgangssignal zwischen 2,5 V und +2,5 V durch Invertieren des Ausgangssignals des Operationsverstärkers138 und Subtrahieren von 2,5 Volt von diesem Ausgangssignal; dieses Ausgangssignal eignet sich zur Leistungsverstärkung in der Verstärkungsschaltung124 . Als Beispiel R1 = 200 kΩ und R2 = 400 kΩ. Die Schaltung122 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 Leistungsverstärkerschaltung124 , die sich zur Verwendung in der in9 gezeigten Schnittstellenschaltung14 eignet. Die Leistungsverstärkerschaltung empfängt eine Steuerspannung mit niedriger Leistung von der DAC-Schaltung 122, um einen stromgesteuerten Servomotor126 mit hoher Leistung zu steuern. Die Eingangssteuerspannung steuert eine Steilheitsstufe, die aus einem Verstärker142 und mehreren Widerständen besteht. Die Steilheitsstufe (üblicherweise als Howland-Strompumpe bezeichnet) erzeugt einen zur Eingangsspannung proportionalen Ausgangsstrom, um den Motor126 anzutreiben, während sehr wenig Strom von der Eingangsspannungsquelle entnommen wird. Die zweite Verstärkerstufe mit dem Verstärker144 , Widerständen und einem Kondensator C sieht eine zusätzliche Stromkapazität durch Verstärken des Spannungshubs des zweiten Anschlusses147 des Motors146 vor. Als Beispielwerte für die Schaltung124 R = 10 kΩ, R2 = 500 Ω, R3 = 9, 75 kΩ und R4 = 1 Ω. Die Schaltung124 ist natürlich als ein Beispiel von vielen möglichen Schaltungen vorgesehen, die verwendet werden können, um Spannungen zu verstärken, um die Stellglieder126 anzutreiben. -
12 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels200 der mechanischen Schnittstellenvorrichtung25 der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung200 umfasst einen Kardanmechanismus202 und ein wahlweises Linearachsenelement204 . Das Benutzerobjekt44 ist vorzugsweise mit dem Linearachsenelement204 gekoppelt. Alternativ kann das Benutzerobjekt44 direkt mit dem Kardanmechanismus202 gekoppelt sein. - Der Kardanmechanismus
202 ist in einiger Hinsicht zum Kardanmechanismus38 ähnlich, wie vorstehend mit Bezug auf2 beschrieben. Der Kardanmechanismus202 kann auf einer mit dem Grund gekoppelten Fläche206 (schematisch als Teil des Grundelements208 dargestellt) abgestützt sein. Die mit dem Grund gekoppelte Fläche206 kann eine Tischoberseite oder eine andere feste, stabile Oberfläche sein. Die mit dem Grund gekoppelte Fläche kann auch nur relativ zur Vorrichtung200 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 Grundelement208 drehbar gekoppelt ist. Der Kardanmechanismus202 umfasst ein Grundelement208 , Verlängerungselemente210a und210b und zentrale Elemente212a und212b . Das Grundelement208 , das schematisch dargestellt ist, ist mit der mit dem Grund gekoppelten Fläche206 gekoppelt, die Stabilität für die Vorrichtung200 vorsieht. Das Grundelement208 ist in12 als zwei separate Symbole gezeigt, die durch die mit dem Grund gekoppelte Fläche206 miteinander gekoppelt sind, aber das Grundelement208 kann als ein "Element" betrachtet werden, das mit dem Grund gekoppelt ist. Ein Beispiel eines Grundelements208 mit Elementen60 und62 ist vorstehend in3 gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass die Elemente210a ,210b ,212a und212b hierin aufgrund der Ähnlichkeit der mit Bezug auf2 beschriebenen drehbar gekoppelten Elemente als "Elemente" bezeichnet werden. Diese "Elemente" des Kardanmechanismus202 können jedoch als "Segmente" einer "Biegevorrichtung mit mehreren Segmenten" oder als "einheitliches Element" betrachtet werden, das drehbar mit dem Grundelement208 gekoppelt ist. - Die zentralen Elemente
212a und212b sind biegsame Elemente mit einer Torsionsbiegung (Verdrehung) und Biegenachgiebigkeit, so dass das Objekt44 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 Grundfläche206 fest (d.h. mit dem Grund gekoppelt) und sind im Wesentlichen zueinander senkrecht. Wie vorstehend mit Bezug auf2 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 Benutzerobjekt44 in einer zentralen Position befindet, wie in12 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 Grundelement206 gekoppelt. In dem Beispiel von12 ist ein Drehlager214a zwischen dem Verlängerungselement210a und dem Grundelement206 vorgesehen, so dass das Verlängerungselement210a um die mit dem Grund gekoppelte Achse A drehbar ist. Das Lager214a kann beispielsweise ein Teil eines Wandlers42 sein, wie vorstehend beschrieben, wie z.B. ein Stellglied und/oder ein Sensor. Ein solcher Wandler umfasst beispielsweise eine drehbare welle, mit der das Verlängerungselement210a starr gekoppelt sein kann. Das Verlängerungselement210a ist ein starres Element ähnlich dem Verlängerungselement48a , wie mit Bezug auf2 gezeigt, und kann aus einem Material wie z.B. starrem Kunststoff, Metall oder dergleichen bestehen. Das Verlängerungselement210a dreht sich um die Achse A, wie durch den Pfeil220 gezeigt. - Das zweite Ende des Verlängerungselements
210a ist starr mit einem ersten Ende des zentralen Elements212a gekoppelt. Das zentrale Element212a 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 in12 gezeigt, ist das zentrale Element212a 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 Element212a eine relativ große Breite in den Dimensionen der Achsen C und D aufweist, biegt sich das Element in diesen Dimensionen nicht leicht. Das zentrale Element212a 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 Element212a um die schwebende Achse D verdreht, wie durch den Pfeil222 gezeigt, wenn das Objekt44 um die Achse D gedreht wird. Diese Verdrehbewegung ersetzt die Drehbewegung des zentralen Elements50a um die Achse D, wie durch das Drehlager45a ermöglicht, wie vorstehend für2 beschrieben. Zusätzlich zum Verdrehen um die Achse D kann sich das zentrale Element212a in der Ebene der Achsen D und E biegen. Diese Biegebewegung ersetzt die Drehbewegung des zentralen Elements50a um die Achse C, wie durch das Drehlager47 ermöglicht, wie mit Bezug auf2 erläutert. Da sich das zentrale Element212a biegen kann, ist dieses Element mit dem Verlängerungselement210a" biegsam gekoppelt". In anderen Ausführungsbeispielen können die zentralen Elemente212a und212b 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 Objektelement216 gekoppelt, das etwa am Mittelpunkt P am Schnittpunkt der Achsen D und E angeordnet ist. Das Objektelement216 kann das Linearachsenelement204 oder das Benutzerobjekt44 abstützen. Die Größe und Form des Objektelements216 können in verschiedenen Ausführungsbeispielen umfangreich variieren. Das Objektelement216 umfasst vorzugsweise eine Öffnung, durch die sich ein Linearachsenelement204 oder ein Benutzerobjekt44 parallel verschieben kann. In alternativen Ausführungsbeispielen, in denen sich das Objekt44 nicht parallel verschiebt, kann das Objektelement216 weggelassen werden und das zweite Ende des zentralen Elements212a und das erste Ende des zentralen Elements212b können direkt und starr mit dem Benutzerobjekt44 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 Elementen212a und212b gekoppelt sein (in13 gezeigt). - Das zentrale Element
212b ist zum zentralen Element212a ähnlich und umfasst ein erstes Ende, das starr mit dem Objekt216 gekoppelt ist. Das zentrale Element212b 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 Element212b um die schwebende Achse E verdreht, wie durch den Pfeil224 angegeben. Das zentrale Element212b kann sich auch in der Ebene der Achsen D und E biegen. Ein erstes Ende des Verlängerungselements210b ist starr mit dem zweiten Ende des zentralen Elements212b gekoppelt. Das Verlängerungselement210b ist ähnlich dem Verlängerungselement210a starr und erstreckt sich in einer derartigen Weise, dass das zweite Ende des Verlängerungselements210b auf der Achse B angeordnet ist. Ein drehbares Lager214b ist drehbar mit dem zweiten Ende des Verlängerungselements210b gekoppelt, was somit ermöglicht, dass sich das Verlängerungselement210b um die Achse B dreht, wie durch den Pfeil226 angegeben. Wie für das Lager214a kann das Lager214b ein Teil eines Wandlers wie z.B. eines Stellgliedes oder Sensors sein. Das Lager214b ist starr mit dem Grundelement208 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 Verlängerungselement210a , das zentrale Element212a und das zentrale Element212b um die Achse A in einem ersten Freiheitsgrad gedreht werden können. Das Gestänge ist auch derart angeordnet, dass das Verlängerungselement210b , das zentrale Element212b und das zentrale Element212a um die Achse B in einem zweiten Freiheitsgrad gedreht werden können. In dieser Hinsicht ist der Kardanmechanismus202 zum Mechanismus38 , der in2 gezeigt ist, ähnlich. Wenn das Objekt44 bewegt wird, bewirkt die Biegefähigkeit der zentralen Elemente212a und212b , dass der Winkel θ zwischen den zentralen Elementen zunimmt oder abnimmt. In der in12 gezeigten Ursprungsposition beträgt der Winkel θ beispielsweise etwa 90 Grad. Wenn das Objekt44 derart bewegt wird, dass sich die Oberseite des Linearachsenelements204 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 Linearachsenelements204 zu den Seiten bewegt wird, wie in12 gezeigt, dann nimmt der Winkel θ ebenso zu. - Ein Hauptunterschied des vorliegenden Ausführungsbeispiels vom Ausführungsbeispiel von
2 besteht darin, dass die Elemente210a ,210b ,212a und212b 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 Kardanmechanismus202 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 Grundelement208 ist, das drehbar mit dem einheitlichen Element gekoppelt ist. - Da die Elemente
210a ,210b ,212a und212b 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 von2 , 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 Kardanmechanismus202 signifikant weniger teuer herzustellen als der Mechanismus25 von2 . Dies ermöglicht, dass die mechanische Vorrichtung200 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 Elemente210a ,210b ,212a und212b zusammen als einheitliche Elemente ausgebildet werden und einige Elemente können separat ausgebildet werden. Beispielsweise können das Verlängerungselement210a und das zentrale Element212a zusammen als Segmente von einem einheitlichen Element ausgebildet werden, während das Verlängerungselement210b und das zentrale Element212b zusammen als Segmente eines zweiten einheitlichen Elements ausgebildet werden können. Alternativ können die zentralen Elemente212a und212b zusammen als einheitliches Element ausgebildet werden (mit oder ohne zwischen ihnen ausgebildetem Objektelement216 ). - Das Linearachsenelement
204 ist vorzugsweise ein langgestrecktes, stabartiges Element, das parallelverschiebbar mit dem zentralen Element212a und dem zentralen Element212b nahe dem Schnittpunkt P der Achsen D und E gekoppelt ist und ähnlich dem mit Bezug auf2 beschriebenen Linearachsenelement40 ist. Das Linearachsenelement204 kann als Objekt44 oder als Teil des Objekts44 , wie im Schaft28 des Benutzerobjekts44 , wie in1 gezeigt, oder als Steuerhebelgriff, Billardqueue usw. verwendet werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Linearachsenelement204 zwischen ein Objekt44 und den Kardanmechanismus202 gekoppelt werden. Das Linearachsenelement204 ist mit dem Kardanmechanismus202 derart gekoppelt, dass es sich aus der durch die schwebende Achse D und die schwebende Achse E festgelegten Ebene herauserstreckt. Das Linearachsenelement204 kann durch Drehen des Verlängerungselements210a , des zentralen Elements212a und des zentralen Elements212b in einem ersten Drehfreiheitsgrad, der als Pfeillinie230 dargestellt ist, um die Achse E gedreht werden. Das Element204 kann durch Drehen des Verlängerungselements212b und der zwei zentralen Elemente um die Achse D in einem zweiten Drehfreiheitsgrad, der durch die Pfeillinie232 dargestellt ist, auch um die Achse D gedreht werden. - Indem es parallelverschiebbar mit dem Objektelement
216 (oder den Enden der zentralen Elemente210a und210b ) gekoppelt ist, kann das Linearachsenelement204 linear und unabhängig entlang der schwebenden Achse C bezüglich des Kardanmechanismus202 parallelverschoben werden, wobei somit ein dritter linearer Freiheitsgrad bereitgestellt wird, wie durch die Pfeile234 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 Linearachsenelement204 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 Objekt44 ) durch Drehen oder "Wirbeln" des Linearachsenelements um die Achse C vorgesehen werden, wie durch den Pfeil236 angegeben. Dieser vierte Freiheitsgrad kann durch Wirbeln des Linearachsenelements204 innerhalb eines drehbaren Lagers des Objektelements216 vorgesehen werden. Alternativ kann eine begrenztere Form von Wirbeln durch Biegen der zentralen Elemente vorgesehen werden, um das gesamte Objekt44 und das Objektelement216 zu wirbeln. Dies wird mit Bezug auf13 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 Linearachsenelement204 auch Wandler wie z.B. Sensoren und Stellglieder gekoppelt. Solche Wandler sind vorzugsweise als Teil der Lager214a und214b enthalten und sehen eine Eingabe in ein und eine Ausgabe aus einem elektrischen System wie z.B. einem Computer16 vor. Wandler, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind vorstehend mit Bezug auf3 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 Elements212a oder212b angeordnet sein, um die Position des Elements oder die auf das Element aufgebrachte Kraft zu messen. - Das Benutzerobjekt
44 ist mit dem Kardanmechanismus202 entweder direkt oder über das Linearachsenelement204 gekoppelt. Ein mögliches Benutzerobjekt44 ist der Griff26 eines Laparoskopinstruments18 , wie in1 gezeigt, wobei der Schaft28 des Instruments18 als Teil des Linearachsenelements40 implementiert werden kann. Andere Beispiele von Benutzerobjekten umfassen einen Steuerhebel, wie nachstehend beschrieben. -
13 ist eine Draufsicht auf die mechanische Vorrichtung200 von12 . Die Achsen A und B sind im wesentlichen senkrecht zueinander gezeigt. Wenn das Linearachsenelement204 drehbar mit dem Objektelement216 gekoppelt ist, dann kann ein vierter Freiheitsgrad um die Achse C bereitgestellt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann jedoch das Linearachsenelement204 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 Elemente212a und212b bereitgestellt werden. Dies ist in13 gezeigt, in der die Darstellung des Objektelements216 und der zentralen Elemente212a und212b in einer durchgezogenen Linie diese Elemente in einer mittleren, neutralen Position zeigen. Die Darstellung238 der gestrichelten Linie zeigt das Objektelement216 in einer gedrehten Position, nachdem das Objektelement216 und das Linearachsenelement204 gegen den Uhrzeigersinn gedreht wurden, wie durch die Pfeile240 gezeigt. Die zentralen Elemente212a und212b haben sich gebogen, um zu ermöglichen, dass diese Drehung stattfindet, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt. In Abhängigkeit von der speziellen Biegsamkeit der zentralen Elemente212a und212b können somit das Linearachsenelement204 und das Objekt44 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 Objektelement216 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 Objektelements216 , 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 Objektelements216 zu ermöglichen. -
14 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels200b der in12 gezeigten mechanischen Vorrichtung200 . Die Vorrichtung200b umfasst einen Kardanmechanismus202b , der zum Kardanmechanismus202 ähnlich ist, und umfasst ein Grundelement208 (mit der Grundfläche206 gekoppelt schematisch dargestellt), starre Verlängerungselemente210a und210b und biegsame zentrale Elemente212a und212b . In dem Ausführungsbeispiel von14 sind jedoch das zentrale Element212a und das zentrale Element212b starr mit dem Objekt44 gekoppelt, das als Steuerhebel240 gezeigt ist. Das Objekt44 kann sich somit in diesem Ausführungsbeispiel nicht entlang der Achse C parallel verschieben. Das Objekt44 kann sich jedoch in einem begrenzen Winkelbereich um die Achse C drehen, wie vorstehend mit Bezug auf13 erläutert. Außerdem sind die Verlängerungselemente210a und210b des Mechanismus202b in einer geringfügig anderen Position zu jenen des Mechanismus202 gezeigt. Das Verlängerungselement210b wurde "gekippt", um mit dem Objekt44 über das zentrale Element212b auf der entgegengesetzten Seite des Objekts gekoppelt zu werden. Entweder diese Anordnung oder die in12 gezeigte Anordnung kann ohne signifikante Funktionsunterschiede verwendet werden. - Ferner ist ein zusätzlicher Wandler
214c mit einem Ende des Objekts44 gekoppelt gezeigt. Der Wandler214c ist vorzugsweise am Grundelement208 mit dem Grund gekoppelt (oder an einem anderen Element, das mit dem Grund gekoppelt ist). Der Wandler214c kann ein Stellglied wie z.B. einen Motor oder eine Bremse zum Übertragen von Kräften auf das Objekt44 in dem Drehfreiheitsgrad um die Achse C und/oder einen Sensor zum Erfassen der Bewegung und Position des Objekts44 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 Wandler214c ist durch eine torsionsbeständige Biegevorrichtung242 mit dem Objekt44 gekoppelt, welche sich biegt, um zu ermöglichen, dass sich das Objekt44 um die Achsen A und B dreht, aber nicht um die Achse C biegt (d.h. hält Torsionskräften stand). Die Biegevorrichtung242 kann sich mit einer welle des Wandlers214c drehen und folglich ermöglichen, dass sich das Objekt44 um die Achse C dreht. Die Biegevorrichtung kann Kräfte und Positionen des Objekts44 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 Wandler214c und die Biegekopplung242 können auch in anderen hierin offenbarten Ausführungsbeispielen mit dem Objekt44 gekoppelt sein. In noch anderen Ausführungsbeispielen kann die torsionsbeständige Biegevorrichtung242 das Objekt44 direkt mit dem Grundelement208 (oder der Grundfläche206 ) koppeln, d.h. der Wandler214c wird weggelassen. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann sich das Objekt44 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 Biegevorrichtung242 kann hohl sein, z.B. der Innenraum einer Spule oder Feder. Ein Linearachsenelement204 oder ein dünnes Objekt44 kann durch den hohlen Teil der Biegevorrichtung242 hindurch parallelverschoben werden. - In noch anderen Ausführungsbeispielen, in denen sich das Objekt
44 nicht entlang der Achse C parallel verschiebt, kann das Objekt44 wie z.B. ein Steuerhebelgriff ausgefahren und mit dem Grundelement208 oder der Grundfläche206 gekoppelt werden. Ein Kugelgelenk kann beispielsweise verwendet werden, um eine Bewegungsfreiheit für das Objekt44 vorzusehen und dennoch das Objekt zu stabilisieren. Eine Kugel oder ein Teil einer Kugel kann am Ende des Objekts44 vorgesehen und in eine Aufnahmebuchse, die an der Grundfläche206 vorgesehen ist, eingesetzt sein, wie es Fachleuten gut bekannt ist. Ein solches Gelenk wird mit Bezug auf die22a und22b gezeigt und beschrieben. Das Kugelgelenk ermöglicht, dass das Objekt44 um entweder die Achse D oder E bewegt wird. -
15 ist eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels200c der in12 gezeigten mechanischen Vorrichtung200 . Die Vorrichtung200c umfasst einen Kardanmechanismus202c , der ein Grundelement208 (schematisch mit der Grundfläche206 gekoppelt gezeigt) und starre Verlängerungselemente210a und210b ähnlich den in den12 und14 gezeigten äquivalenten Elementen umfasst. Der Kardanmechanismus202c umfasst auch drei biegsame zentrale Elemente212a ,212b und212c . Die zentralen Elemente212a und212b sind zu den vorstehend mit Bezug auf die12 und13 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 Element212a 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 Elemente212a und212b koppeln das Objekt44 mit den Verlängerungselementen210a und210b und ermöglichen, dass sich das Objekt44 um die Achsen A und B (und die schwebenden Achsen D und D) dreht. - Das zentrale Element
212c ist zwischen das Objektelement216 (od.er Objekt44 ) und das Verlängerungselement210a entlang der Achse A und der schwebenden Achse E gekoppelt. Das Element212c ist biegsam wie die Elemente212a und212b , 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 Element212c um die Achsen E und A verdreht und in der Ebene der Achsen A und C biegt. Da sich das biegsame Element212a 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 Elements212c 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 Objekt44 bei der Drehung des Objekts um die Achsen A und E vor. - Alternativ kann ein biegsames Element
212d anstelle des biegsamen Elements212c vorgesehen sein. Das Element212d koppelt das Objektelement216 und das Objekt44 mit dem Verlängerungselement210a auf der entgegengesetzten Seite des Objekts44 vom biegsamen Element212b . Das Element212d ist in den Dimensionen der Achsen A und B breit und in der Dimension der Achse C schmal. Das Element212d kann sich um die Achsen B und D verdrehen und in der Ebene der Achsen B und C biegen, wobei folglich das Objekt44 mit einem Drehfreiheitsgrad um die Achsen B und D versehen ist. Die größere Breite des Elements212d in der A-B-Ebene verhindert, dass sich das Objektelement216 um die Achse C dreht. Typischerweise ist nur das Element212d oder212c aus Stabilitätsgründen erforderlich. Beide Elemente212c und2124 können in alternativen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. - Da sich das Objektelement
216 in diesem Ausführungsbeispiel nicht biegsam um die Achse C drehen kann, kann das Objekt44 drehbar mit dem Objektelement216 gekoppelt sein, um zu ermöglichen, dass sich das Objekt44 um die Achse C dreht, falls erwünscht. In anderen Ausführungsbeispielen, in denen es nicht erwünscht ist, dass sich das Objekt44 dreht, kann das Objekt44 direkt mit den biegsamen Elementen212a–c gekoppelt sein. In dem Ausführungsbeispiel von15 kann das Objekt44 auch entlang der Achse C in einem linearem Freiheitsgrad parallelverschoben werden, wie vorstehend mit Bezug auf12 beschrieben. Ein dritter mit dem Grund gekoppelter Wandler214c kann auch mit dem Objekt44 gekoppelt sein, wie in14 gezeigt. -
16 ist eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels200d der in12 gezeigten mechanischen Vorrichtung200 . Die Vorrichtung200d umfasst einen Kardanmechanismus202d , der ein Grundelement208 (mit der Grundfläche206 gekoppelt schematisch dargestellt) und starre Verlängerungselemente210a und210b . Diese Elemente sind zu den äquivalenten Elementen ähnlich, wie vorstehend mit Bezug auf2 beschrieben. Der Kardanmechanismus202d umfasst auch zwei biegsame zentrale Elemente212a und212b . Die zentralen Elemente212a und212b sind zu den vorstehend mit Bezug auf die12 und13 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 Elemente212a und212b koppeln das Objekt44 mit den Verlängerungselementen210a und210b und ermöglichen, dass sich das Objekt44 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 Elemente212a und212b starr mit dem Objekt44 (oder Objektelement216 ) gekoppelt sind und durch Lager213a und213b drehbar mit den Verlängerungselementen210a bzw.210b gekoppelt sind. Dies ermöglicht, dass sich die biegsamen Elemente biegen und den Winkel θ relativ zueinander aufgrund einer Biegung ändern, wenn das Objekt44 um die Achsen A und B gedreht wird. Da jedoch die biegsamen Elemente212a und212b drehbar mit den Verlängerungselementen gekoppelt sind, verdrehen sie sich nicht, wenn das Objekt44 bewegt wird, sondern drehen sich. Die Biegung kommt nur an den Enden der biegsamen Elemente212a und212b zur Wirkung, die mit dem Objekt44 oder Objektelement216 gekoppelt sind. Diese Anordnung ist ein Kompromiss zwischen den Anordnungen der2 und12 und sieht aufgrund der zusätzlichen erforderlichen Lager213a und213b mehr Teile und Montagekomplexität vor als das Ausführungsbeispiel von12 . Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht jedoch, dass sich die biegsamen Elemente212a und212b leichter drehen, und sieht somit eine realistischere Kraftrückkopplung für den Benutzer vor. -
17 ist eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels200e der in12 gezeigten mechanischen Vorrichtung200 . Die Vorrichtung200e umfasst einen Kardanmechanismus202e , der ein Grundelement208 , Verlängerungselemente210a und210b und biegsame zentrale Elemente212a und212b , die ähnlich den obigen Ausführungsbeispielen miteinander gekoppelt sind, umfasst. In gewisser Hinsicht funktioniert die Vorrichtung200e ähnlich zur Vorrichtung200 von12 . Die biegsamen Elemente212a und212b sind starr mit den Verlängerungselementen210a bzw.210b gekoppelt, wie in dem Ausführungsbeispiel von12 . Die biegsamen Elemente sind jedoch über ein Lager215 drehbar mit dem Objekt44 gekoppeat. Das Lager215 sieht eine drehbare Verbindung zwischen den zentralen Elementen212a und212b und mit dem Objekt44 (oder Linearachsenelement204 ) vor, wobei folglich ermöglicht wird, dass sich das Objekt oder Linearachsenelement um die Achse C dreht oder kreist. wenn das Objekt44 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 Lagers215 anstatt aufgrund der Biegung der Elemente. Die biegsamen Elemente212a und212b verdrehen sich, da sie starr mit dem Lager215 und den Verlängerungselementen210a und210b gekoppelt sind. Diese Anordnung wie die Anordnung von16 ist ein Kompromiss zwischen den Ausführungsbeispielen der2 und12 , der kostenaufwändiger ist als das Ausführungsbeispiel von12 , aber auch realistischere Kräfte für den Benutzer vorsieht. -
18 ist eine perspektivische Ansicht der mechanischen Vorrichtung25 (oder200 ), in der ein Schwingsplen-Stellglied240 als Stellglied126 wirkt, um Kräfte auf das Objekt44 in einem Freiheitsgrad aufzubringen. Schwingspulen-Stellglieder wurden im Stand der Technik in einem einzelnen Freiheitsgrad für Plattenlaufwerke und ähnliche Drehvorrichtungen verwendet. Das Schwingspulen-Stellglied240 umfasst eine Pendelwelle242 , einen Pendelkopf244 , eine Magnetanordnung246 und eine Magnetflussführung247 . Die Pendelwelle242 ist starr mit einem Verlängerungselement48a gekoppelt, so dass, wenn sich das Verlängerungselement48a um die Achse B dreht, die Pendelwelle242 sich auch um die Achse B dreht. Der Pendelkopf244 ist mit der Welle242 gekoppelt und dreht sich mit der Welle. Der Pendelkopf244 ist zwischen zwei Magneten248 der Magnetführung246 angeordnet. Vorzugsweise erstreckt sich der Pendelkopf aus der Magnetanordnung246 heraus und ist auf beiden Seiten von dieser teilweise freigelegt. - Wie in der Seitenschnittansicht von
19a und der Schnittdraufsicht von19b gezeigt, ist der Pendelkopf244 zwischen den Magneten248a und248b angeordnet und wird somit durch die Magnetfelder beider Magnete beeinflusst. Die Magnete248a und248b umfassen jeweils Nordpol-Oberflächen250 und Südpol-Oberflächen252 , wobei somit vier Magnetpolaritäten für den inneren Bereich255 der Führung47 vorgesehen sind (entgegengesetzte Polaritäten sind auf entgegengesetzten Oberflächen der Magnete248 vorgesehen). In alternativen Ausführungsbeispielen können vier verschiedene Magnete vorgesehen sein (zwei Nordpol-Magnete und zwei Südpol-Magnete). In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Magnet248a oder248b vorgesehen sein und der andere Magnet kann ein einfach geformtes Metallstück sein, das einen Flussrückweg vorsieht. Vorzugsweise ist eine kleine Menge an Platz249 zwischen den Magnetoberflächen und dem Pendelkopf244 vorgesehen. Die Magnetflussführung247 ist ein Gehäuse, das ermöglicht, dass der Magnetfluss von einem Ende der Magnete248 zum anderen Ende läuft, wie es Fachleuten gut bekannt ist. - Der Pendelkopf
244 umfasst eine Drahtspule256 , die vorzugsweise um den Umfang des Pendelkopfs gewickelt ist. Ein elektrischer Strom I wird über elektrische Verbindungen257 durch die Spule256 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 Magnete248 erzeugten Magnetfeldern in Wechselwirkung, um eine Bewegung zu erzeugen. Die Bewegung oder das Drehmoment des Pendelkopfs244 ist durch Pfeile258 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 Pendelwelle242 und ein Drehmoment auf das Verlängerungselement48a aufgebracht wird. Dies bringt wiederum eine Kraft auf das Objekt44 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 Schwingspule240 ist beispielsweise vorzugsweise mit dem Verlängerungselement48a in einer ähnlichen Weise gekoppelt, um Kräfte auf das Objekt44 in dem Drehfreiheitsgrad um die Achsen A und E aufzubringen. Außerdem können die anderen Ausführungsbeispiele der mechanischen Vorrichtung25 , die in den12 –17 gezeigt sind, das Schwingspulen-Stellglied240 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 Pendelkopf244 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 Pendelkopfs244 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 Spule256 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 Objekts44 durch die Länge der Magnetanordnung246 festgelegt wird. In vielen Schnittstellenvorrichtungen wie z.B. Steuerhebeln ist ein solcher begrenzter Winkelbereich erwünscht, um die Bewegung des Objekts44 zu begrenzen. Das Schwingspulen-Stellglied sieht auch einen guten mechanischen Vorteil aufgrund des größeren Radius der Magnetanordnung246 vor. Wenn Schwingspulen-Stellglieder für Wandler42 verwendet werden, sind folglich ein Haspelantrieb, wie vorstehend mit Bezug auf5 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 Pendelkopf244 ) parallel verschiebt. Eine solche lineare Schwingspule wird mit Bezug auf die21a –b und22a –e beschrieben und kann beispielsweise mit der Parallelverschiebungsbewegung des Linearachsenelements40 oder 204 und/oder des Objekts44 entlang der Achse C verwendet werden. - Die
20a –20e sind schematische Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels240' eines Schwingspulen-Stellgliedes zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Der Pendelkopf244' ist eine Abänderung des Pendelkopfs244 der19a und19b . Die Spule260 ist um den Umfang des Pendelkopfs244' angeordnet und umfasst mehrere separate "Unterspulen" aus Draht. Anschlüsse261 umfassen einen Satz von Anschlüssen für jede unterschiedliche Unterspule im Pendelkopf244' . Diese unterschiedlichen Unterspulen sind in den20b –20e dargestellt. -
20b zeigt eine Unterspule262 , die eine Schleife um den Umfang des Kopfs244' bildet.20c zeigt eine Unterspule264 , die zwei Schleifen bildet, und20d zeigt eine Unterspule266 , die vier Schleifen bildet. Schließlich zeigt20e eine Unterspule268 , die acht Drahtschleifen bildet. Alle diese Unterspulen können am Pendel244' als Spule260 vorgesehen sein. Jede in den20b –20e gezeigte Unterspule umfasst ihren eigenen Satz von. Anschlüssen261 , 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 Pendelkopf244' 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 Schnittstellensystems270 , in dem zwei lineare Freiheitsgrade für das Benutzerobjekt44 vorgesehen sind und lineare Schwingspulen-Stellglieder272a und272b zum Aufbringen von Kräften auf das Benutzerobjekt verwendet werden. Ein Computer16 (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 in21b gezeigt. Das lineare Schwingspulen-Stellglied272a ist ein mit dem Grund gekoppeltes Stellglied und umfasst ein zylindrisches Magnetflussgehäuse274a und einen Spulenkopf276a . Das Gehäuse274a kann aus Eisen oder einem anderen Eisenmetall bestehen und umfasst einen radial polarisierten, röhrenförmigen Magneten275a (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 Kernteil277a des Gehäuses274a vorzugsweise das Zentrum des Gehäuses274a hinab durch das Zentrum des Spulenkopfs276a . Der Spulenkopf276a umfasst eine Spule278a , die um den Spulenkopf gewickelt ist, ähnlich zur Spule256 von19a . Ein wahlweiser Spulenträger281a kann vorgesehen sein, um den die Spule278a zu wickeln ist. Der Spulenkopf276a bewegt sich innerhalb des Gehäuses274a entlang eines linearen Freiheitsgrades, der durch Pfeile279 angegeben ist, wenn ein Strom durch die Spule278a geleitet wird, ähnlich wie vorstehend beschrieben. Die Richtung des Spulenkopfs276a hängt von der Richtung des angelegten Stroms ab. Außerdem kann ein lineares Schwingspulen-Stellglied verwendet werden, um die Position des Spulenkopfs276a entlang des linearen Freiheitsgrades abzutasten, indem die Geschwindigkeit abgetastet wird, wie vorstehend mit Bezug auf19a und19b beschrieben. Alternativ können separate Linearbewegungssensoren mit dem Objekt44 oder anderen Elementen gekoppelt sein; solche lineare Sensoren sind Fachleuten gut bekannt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Spulenkopf276a länger gemacht werden als das Gehäuse274a . 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 Spulenkopf276a vorzugsweise mit einem ersten Ende einer Welle282a gekoppelt und ein zweites Ende der Welle282a ist mit einem ersten Ende eines Gelenkelements284a gekoppelt. Ein Drehgelenk283a koppelt die Welle282a mit dem Gelenkelement284a und ermöglicht, dass sich das Gelenkelement284a um die schwebende Achse Z1 dreht. Ein zweites Ende des Gelenkelements284a ist durch ein Drehgelenk286 drehbar mit einem zweiten Ende des Gelenkelements284b verbunden. Das Benutzerobjekt44 ist vorzugsweise mit dem Gelenkelement284b (oder alternativ284a ) gekoppelt. Das lineare Schwingspulen-Stellglied272b weist äquivalente Komponenten zum Stellglied272a auf, wie in21b gezeigt. Das Gelenkelement284b kann sich somit um die schwebende Achse Z2 drehen. Das zweite Ende des Gelenkelements284b ist durch ein Drehgelenk286 , das eine Drehachse Z3 vorsieht, drehbar mit dem zweiten Ende des Gelenkelements284a 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 Objekt44 entlang der Achse X zum Gehäuse274a hin oder von diesem weg bewegt wird, dann werden der Spulenkopf276a , die Welle282a und das Gelenkelement284a entsprechend zum Gehäuse274a hin oder von diesem weg bewegt und halten dieselbe relative Position, wie in21a gezeigt, bei. Das Gelenkelement284b dreht sich jedoch um die schwebende Achse Z2 und die schwebende Achse Z3 gemäß der Bewegung des Gelenkelements284a . Wenn das Objekt44 entlang der Achse Y zum Gehäuse272b hin oder von diesem weg bewegt wird, dann werden ebenso der Spulenkopf276b , die Welle282b und das Gelenkelement284b entsprechend zum Gehäuse272b hin oder von diesem weg bewegt und halten die relativen Positionen, wie in21a gezeigt, bei. Das Gelenkelement284a dreht sich um die schwebenden Achsen Z1 und Z3 gemäß der Bewegung des Gelenkelements284b . Wenn das Objekt44 gleichzeitig entlang beider Achsen X und Y bewegt wird (z.B. wird das Objekt44 diagonal bewegt), dann drehen sich beide Gelenkelemente284a und284b um ihre jeweiligen Achsen und die Achse Z3. - Die Wellen
282a und282b und die Gelenkelemente284a und284b können geradlinige Elemente sein, die an flachen Oberflächen der Elemente mit Drehkupplungen oder Gelenken283a ,283b und286 drehbar miteinander gekoppelt sein können. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Gelenkelement284a unter der Welle282a gekoppelt und das andere Gelenkelement284b ist über der Welle282b gekoppelt. Alternativ können die Wellen und Gelenkelemente in vielen verschiedenen Anordnungen miteinander gekoppelt sein. -
21c ist ein schematisches Diagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels270' des in21a gezeigten Schnittstellensystems270 . In21c sind zwei lineare Schwingspulen-Stellglieder272a und272b , wie in21a gezeigt, enthalten, um in zwei linearen Freiheitsgraden Kräfte auf das Objekt44 aufzubringen und Positionen abzutasten. Das Schwingspulen-Stellglied272a umfasst ein Gehäuse274a , einen Spulenkopf276a und eine Welle282a und das Stellglied272b umfasst äquivalente Komponenten. Der Computer16 (nicht dargestellt) ist vorzugsweise mit den Schwingspulen-Stellgliedern gekoppelt, um nach Wunsch einen Strom anzulegen. - Wie in
21a verschieben sich die Spulenkopfe276a und276b parallel entlang der linearen Freiheitsgrade, die durch die Pfeile279 angegeben sind, innerhalb der Gehäuse274a bzw.274b . Der Strom kann durch den Computer16 angelegt werden, um eine Kraft auf die Spulenköpfe aufzubringen oder die Geschwindigkeit abzutasten. - Die Welle
282a ist mit einem biegsamen Element288a gekoppelt. Die biegsamen Elemente288a und288b bestehen vorzugsweise aus einem elastischen Material wie z.B. biegsamem Kunststoff, Gummi, Metall oder dergleichen und können sich ähnlich zu den vorstehend mit Bezug auf12 beschriebenen biegsamen Elementen biegen. Wie vorstehend beschrieben, sind die biegsamen Elemente288a und288b 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 Welle282a ist ein starres Element, das das Element288a mit dem Spulenkopf276a koppelt, und kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen mit verschiedenen Längen vorgesehen sein. Das biegsame Element288a ist am anderen Ende des biegsamen Elements starr mit einem Objektelement289 gekoppelt. Das Element289 kann ein Teil des Objekts44 oder eine Plattform oder eine andere Basis zum Abstützen des Objekts44 sein. Die Welle282b ist mit dem Objekt44 durch das biegsame Element288b in einer ähnlichen Weise gekoppelt. Das biegsame Element288b ist mit dem Objektelement289 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 Elemente288a und288b beugen (biegen) sich entsprechend, wenn das Objekt bewegt wird. Wenn das Objekt44 und das Element289 beispielsweise entlang der Achse X bewegt werden, biegt sich das biegsame Element288a nicht, da die Bewegungsrichtung die Längsachse (im wesentlichen parallel zu dieser) des biegsamen Elements288a hinab gerichtet ist. Da jedoch das Gehäuse274b mit dem Grund gekoppelt und relativ zum Objekt44 an der Stelle fixiert ist, biegt sich das Element288a zum Stellglied272a hin oder von diesem weg (in Abhängigkeit von der Richtung des Objekts entlang der Achse X), um die Parallelverschiebung des Objekts44 zu ermöglichen. Dies geschieht, wenn die Bewegungsrichtung des Objekts44 zur Längsachse des biegsamen Elements288a im Wesentlichen senkrecht ist. Wenn das Objekt44 entlang der Achse Y im anderen linearen Freiheitsgrad parallelverschoben wird, biegt sich ebenso das biegsame Element288b nicht, da die Bewegungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Längsachse des biegsamen Elements288b gerichtet ist. Das biegsame Element288a biegt sich jedoch zum Stellglied272b hin oder von diesem weg, um die Parallelverschiebung des Objekts44 zu ermöglichen. Wenn das Objekt44 gleichzeitig entlang beider Achsen X und Y bewegt wird (z.B. das Objekt44 diagonal bewegt wird), dann biegen sich beide biegsamen Elemente288a und288b in Verbindung mit der Bewegung. Es sollte beachtet werden, dass sich die biegsamen Elemente288a und288b nicht verdrehen (d.h. eine Torsionsbiegung vorsehen) wie die biegsamen Elemente von12 . Nur eine Biegebewegung ist für die Elemente288a und288b in dem Ausführungsbeispiel von21c erforderlich. -
22a ist eine Draufsicht und22b ist eine Seitenansicht einer Schnittstellenvorrichtung300 mit Schwingspulen-Stellgliedern ähnlich den vorstehend mit Bezug auf die18 ,19a und19b beschriebenen. Die Schnittstellenvorrichtung300 umfasst ein Benutzerobjekt44 , ein Kugelgelenk302 , eine Buchse304 und einen Antriebsbolzen306 , eine Leiterplatte308 und Schwingspulen-Stellglieder310a und310b . Das Benutzerobjekt44 ist als Steuerhebel gezeigt, der mit dem Kugelgelenk302 gekoppelt ist. Das Benutzerobjekt44 weist zwei Drehfreiheitsgrade um die Achse X bzw. die Achse Y auf, wie durch die Pfeile312 und314 angegeben. Diese Freiheitsgrade ergeben sich aus dem Kugelgelenk302 , das sich innerhalb der Buchse304 dreht. Die Buchse304 ist mit dem Grund gekoppelt und bleibt relativ zum Benutzerobjekt 44, zum Kugelgelenk302 und zu den anderen beweglichen Komponenten der Vorrichtung300 stationär. Die Kugelbuchse302 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 Kugelgelenk302 gekoppelt und erstreckt sich entlang einer Achse Z aus der durch die Achsen X und Y festgelegten Ebene. Der Antriebsbolzen306 erstreckt sich durch eine Öffnung316 in einer Leiterplatte308 . Vorzugsweise ist eine Tülle322 , die aus Gummi oder einem ähnlichen nachgiebigen Material besteht, zwischen dem Antriebsbolzen306 und der Leiterplatte308 angeordnet. Alternativ kann ein offener Raum zwischen dem Bolzen und der Platte vorgesehen sein. Die Leiterplatte308 ist in einer zur X-Y-Ebene im Wesentlichen parallelen Ebene angeordnet und schwebt, d.h. die Leiterplatte308 ist nicht mit dem Grund gekoppelt. Die Platte308 wird vorzugsweise durch Führungen318 geführt, die dazu dienen, die Leiterplatte308 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 Pfeile320 gezeigt. Die Führungen318 sind als runde, zylindrische Elemente gezeigt, weisen jedoch in alternativen Ausführungsbeispielen eine Vielfalt von Formen auf. In diesem Ausführungsbeispiel verschiebt sich die Leiterplatte308 in linearen Freiheitsgraden parallel, während sich das Benutzerobjekt44 in den Drehfreiheitsgraden dreht. - Die Leiterplatte
308 ist in einer Orientierung in einem im Wesentlichen rechten Winkel vorgesehen, wobei ein verlängerter Teil324 in 90 Grad vom anderen verlängerten Teil324b liegt. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Leiterplatte308 in anderen Formen vorgesehen sein. Die Schwingspulen-Stellglieder310a und310b sind auf der Leiterplatte308 derart angeordnet, dass ein Stellglied310a auf dem Teil324a vorgesehen ist und das andere Stellglied auf dem Teil324b vorgesehen ist. Die Drahtspule326a des Stellgliedes310a ist mit dem Teil324a der Leiterplatte308 gekoppelt. Vorzugsweise umfasst die Drahtspule324a mindestens zwei Schleifen und ist unter Verwendung von gut bekannten Verfahren auf die Platte308 als Leiterbahn der Leiterplatte geätzt. Die Anschlüsse328a sind mit Stellgliedtreibern der Stellgliedschnittstelle414 gekoppelt, wie nachstehend beschrieben, so dass der Computer16 (oder Mikroprozessor410 ) die Richtung und/oder den Betrag des Stroms in der Drahtspule326a steuern kann. In alternativen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Spulen auf dem Teil324a zum Abtasten der Geschwindigkeit und/oder Implementieren des alternativen Ausführungsbeispiels der20a –20e vorgesehen sein. - Das Schwingspulen-Stellglied
310a umfasst auch eine Magnetanordnung330a , die vorzugsweise vier Magnete332 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 Magnete332 sind einander zugewandt, so dass die Spule326a zwischen entgegengesetzten Polaritäten auf jeder Seite der Spule angeordnet ist. Die Magnetfelder von den Magneten332 treten mit dem von der Drahtspule326a erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung, wenn ein Strom in der Spule326a geleitet wird, ähnlich wie vorstehend mit Bezug auf die19a und19b beschrieben, um eine lineare Kraft für die Leiterplatte308 in einer zur Achse Y parallelen Richtung zu erzeugen, wie durch den Pfeil320a gezeigt. Die Leiterplatte308 und die Drahtspule326a werden parallel zur Achse Y bewegt, bis die Spule326a unter dem Magneten332 auf der Seite, wo die Spule bewegt wurde, wegbewegt wird. Die Leiterplatte308 kann beispielsweise in den durch die gestrichelten Linien334 gezeigten Grenzen bewegt werden. Alternativ können physikalische Anschläge an den Kanten der Platte308 angeordnet sein, um diese Bewegungsgrenze vorzusehen. Wenn sich die Leiterplatte308 entlang der Achse Y aufgrund von Kräften, die vom Schwingspulen-Stellglied310a erzeugt werden, parallel verschiebt, wird der Antriebsbolzen306 durch Kontakt mit der Platte308 (und Tülle322 ) auch bewegt. Dies dreht wiederum das Kugelgelenk302 innerhalb der Buchse304 und bewegt das Benutzerobjekt44 so, dass der Benutzer die Kräfte im Drehfreiheitsgrad um die Achse X spürt, wie durch Pfeile312 gezeigt. Die Bewegung des Benutzerobjekts44 kann durch Anschläge, die außerhalb der Kante der Leiterplatte308 angeordnet sind, und/oder durch Anschläge, die am Kugelgelenk302 angeordnet sind, begrenzt werden, um die Bewegung des Objekts44 zu begrenzen. - Das Schwingspulen-Stellglied
310a kann, wie in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben, auch verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Leiterplatte308 entlang der Achse Y abzutasten, wenn der Benutzer das Objekt44 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 Objekts44 für kostengünstige Schnittstellenvorrichtungen festzustellen. Ein Seiteneffekt-Photodiodensensor338 kann beispielsweise verwendet werden. Der Sensor338 kann eine rechteckigen Detektor340 umfassen, der in einer zur X-Y-Ebene senkrechten Ebene angeordnet ist und auf den ein Energiestrahl342 von einem mit dem Grund gekoppelten Emitter344 emittiert wird. Die Position der Leiterplatte308 und folglich die Position des Objekts44 können durch den Ort des Strahls342 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 Leiterplatte308 in Reibungseingriff steht. - Das Schwingspulen-Stellglied
310b arbeitet ähnlich zum Stellglied310a . Ein Strom wird durch die Spule326b geleitet, um Magnetkräfte zu induzieren, die die Leiterplatte308 in einer zur Achse X parallelen Richtung parallel verschieben, wie durch den Pfeil320b gezeigt. Dies bewegt den Antriebsbolzen306 und bewirkt, dass Kräfte auf das Benutzerobjekt44 in dem Drehfreiheitsgrad um die Achse Y aufgebracht werden, wie durch Pfeile314 gezeigt. Ein separater Sensor kann auch für die Bewegung des Objekts 44 um die Achse Y vorgesehen sein oder ein einzelner Sensor338 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 Leiterplatte308 gekoppelt sein. Diese Biegevorrichtung336 verhindert vorzugsweise, dass sich die Platte308 um die Achse Z in der zur X-Y-Ebene parallelen Ebene dreht. Außerdem kann die Biegevorrichtung336 eine Rückstellkraft durch die Leiterplatte308 für das Objekt44 vorsehen, um das Objekt in eine mittlere Position zurückzubringen, wie in22b gezeigt, wenn keine anderen Kräfte auf das Objekt aufgebracht werden. Die Biegevorrichtung336 kann ein schraubenförmiges, federartiges Element (wie gezeigt), eine Wellenkupplung im Oldham-Stil (die eine geschlitzte Bewegung ermöglicht) oder eine Biegeanordnung ähnlich der in22c gezeigten sein. Die Biegevorrichtung kann in anderen Ausführungsbeispielen andere Formen annehmen. - Das Ausführungsbeispiel der
22a und22b weist mehrere Vorteile auf. Einer besteht darin, dass die Spulen326a und326b direkt auf die Leiterplatte308 geätzt werden können, wobei folglich Montagezeit beim Wickeln eines separaten Drahts vermieden wird. Außerdem können die bevorzugten Schwingspulen-Treiberchips (mit Bezug auf24 beschrieben) sowie andere elektronische Komponenten der Schnittstelle14 oder14' direkt mit der Leiterplatte308 gekoppelt werden und mit Leiterbahnen auf der Platte308 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 Schnittstellenvorrichtung300 , die in22a gezeigt ist, wobei eine andere Antirotations-Biegevorrichtung336' anstelle der schraubenförmigen Biegevorrichtung336 , die in22b gezeigt ist, verwendet wird. Die Antirotations-Biegevorrichtung336' umfasst biegsame Elemente354 , die in der Richtung der Achse X orientiert sind, biegsame Elemente356 , die in der Richtung der Achse Y orientiert sind, und ein starres, Lförmiges Element358 . Die Elemente354 sind mit der Leiterplatte308 an einem Ende und mit dem L-förmigen Element358 am anderen Ende gekoppelt. Die Elemente356 sind mit dem L-förmigen Element358 an einem Ende und mit dem Grund am anderen Ende gekoppelt. Die Elemente354 und356 können in einer Dimension schmal und in anderen Dimensionen relativ breit sein, ähnlich zu den in12 gezeigten biegsamen Elementen212a und212b , so dass sich die Elemente innerhalb der X-Y-Ebene biegen können. - Die Biegevorrichtung
336' ermöglicht, dass sich die Leiterplatte308 entlang der Achsen X und Y bewegt, verhindert jedoch, dass sich die Leiterplatte308 innerhalb der Ebene X-Y dreht. Die Biegevorrichtung336' ist komplexer zu implementieren als die schraubenförmige Biegevorrichtung336 , sieht jedoch weniger widerstand gegen die Bewegung der Leiterplatte entlang der X- und Y-Achsen vor und ermöglicht folglich eine genauere Kraftrückkopplung. - Die
22d und22e zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel 300' der Schnittstellenvorrichtung300 , die in den22a und22b geeignet ist. Die Schnittstellenvorrichtung300' sieht zwei lineare Freiheitsgrade für das Objekt44 vor, so dass der Benutzer das Objekt44 entlang der X-Achse, entlang der Y-Achse oder entlang beider Achsen (diagonale Bewegung) parallel verschieben kann. Die Vorrichtung300' umfasst eine Leiterplatte308 , die Schwingspulen-Stellglieder310a und310b und Führungen318 umfasst. Diese Komponenten arbeiten im Wesentlichen ähnlich zu den äquivalenten Komponenten in der Vorrichtung300 . - Ein Hauptunterschied zwischen den Ausführungsbeispielen der
22a –b und der22d –e besteht darin, dass das Objekt44 starr mit der Leiterplatte308 gekoppelt ist. - Wenn die Leiterplatte
308 entlang der Achse X und/oder Achse Y, die durch die Pfeile320a und320b gezeigt ist, parallelverschoben wird, wird das Objekt44 in denselben Richtungen parallelverschoben, wie durch die Pfeile350 bzw.352 gezeigt, wobei das Objekt mit linearen Freiheitsgraden versehen wird. Somit bewegen sich sowohl das Benutzerobjekt44 als auch die Leiterplatte308 in linearen Freiheitsgraden. Dies steht im Gegensatz zur Vorrichtung300 , bei der die lineare Bewegung der Leiterplatte308 durch das Kugelgelenk302 in Drehfreiheitsgrade für das Objekt44 umgewandelt wurde. -
23a ist eine Vorderseitenansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Reibungsantrieb360 , der beispielsweise anstelle des Haspelantriebsmechanismus58 der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Eine Trommel162 ist ähnlich zur Haspeltrommel59 und kann mit der mechanischen Vorrichtung25 oder200 , ähnlich wie vorstehend beschrieben, gekoppelt sein. Eine Trommel362 kann beispielsweise starr mit dem Verlängerungselement48a oder48b gekoppelt sein und kann sich um die Achse A bzw. Achse B drehen. Die Achse A ist in23a als Beispiel gezeigt. - Schenkelteile
364 der Trommel362 sind in einer ähnlichen Anordnung wie die Haspeltrommel59 vorgesehen. Eine Antriebsstange366 ist zwischen die Schenkelteile364 gekoppelt. Die Antriebsstange366 ist ein gekrümmter, vorzugsweise runder, starrer Draht, der eine innere Reibungsfläche370 und eine äußere Reibungsfläche372 aufweist. Alternativ kann die Antriebsstange ein flaches Element oder Element mit quadratischem Querschnitt sein und/oder kann entweder starr oder biegsam sein. Eine Antriebswalze374 steht durch Reibung mit der äußeren Reibungsfläche372 in Eingriff und ist drehbar mit einem Grundelement gekoppelt. Die Antriebswalze374 kann beispielsweise ähnlich der Seilrolle76 , wie in5 gezeigt, mit dem Grundelement62 der Vorrichtung25 gekoppelt sein. Die Antriebswalze374 ist vorzugsweise mit einer Welle eines Wandlers42 gekoppelt, ähnlich der Seilrolle76 von5 . Vorzugsweise umfasst der Wandler42 ein Stellglied, das die Antriebswalze374 dreht. - Eine passive Walze
376 steht durch Reibung mit der inneren Reibungsfläche370 der Antriebsstange366 entgegengesetzt zur Antriebswalze374 in Eingriff und erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Antriebswalze. Die passive Walze376 ist vorzugsweise federbelastet, so dass die passive Walze in Richtung der Antriebswalze374 gedrückt wird. Diese Kraft ist durch die Feder378 angegeben. Federelemente können beispielsweise die passive Walze mit der Antriebswalze374 koppeln. Eine Spannkraft wird folglich zwischen der passiven Walze376 und der Antriebswalze374 erzeugt, die eine hohe Druckkraft zwischen der Antriebsstange366 und der Antriebswalze374 erzeugt. Diese Kraft ermöglicht, dass die Antriebswalze eine tangentiale Antriebskraft auf die Antriebsstange366 überträgt und folglich die Antriebsstange bewegt, was wiederum die Trommel362 um die Achse A dreht. Unter Verwendung des Reibungsantriebs360 kann ein Stellglied im Wandler42 Drehkräfte auf die Trommel362 und beispielsweise das Verlängerungselement48a oder48b übertragen. Außerdem kann ein Sensor im Wandler42 die Position eines Verlängerungselements48a oder48b durch Lesen der Position der Trommel60 feststellen. Die Bewegung der Trommel60 wird durch die Druckkraft auf die Antriebswalze374 übertragen und wird vom Sensor gelesen, wenn sich die Antriebswalze dreht. - In alternativen Ausführungsbeispielen kann die passive Walze
376 drehbar mit dem Grundelement62 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 Antriebswalze374 und dem Grund angeordnet sein. Dies würde ermöglichen, dass die passive Walze und die Antriebswalze beide gegen die Antriebsstange366 gezogen werden. - Der Reibungsantrieb
360 weist mehrere Vorteile auf. Ein mechanischer Vorteil ist zwischen einem Stellglied und der Drehung des Objekts44 vorgesehen, wie vorstehend für den Haspelantriebsmechanismus58 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 Trommel362 um die Achse A sind auch möglich, wenn beispielsweise eine kleine Antriebswalze374 eine Antriebsstange366 mit einem großen Arbeitsradius antreibt. -
23b ist eine detaillierte Ansicht (durch die gestrichelte Linie368 von23a definiert) eines anderen Ausführungsbeispiels der Walzen und der Antriebsstange des Reibungsantriebs360 . In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei passive Walzen376a und376b so vorgesehen, dass sie mit der Innenfläche370 der Antriebsstange366 in Reibungseingriff stehen. Jede passive Walze376a und376b ist durch Federelemente378a bzw.378b an der Antriebswalze374 federbelastet. Die zwei passiven Walzen376a und376b sehen eine größere Spannkraft und Druckkraft zwischen der Antriebs- und der passiven Walze vor, wobei somit mehr Schlupf der Antriebsstange366 verhindert wird als im Ausführungsbeispiel von23a . -
23c ist eine detaillierte Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Walzen und der Antriebsstange des Reibungsantriebs360 . Die Antriebsstange366 ist vorzugsweise ein runder oder quadratischer Draht, der in zumindest einer Richtung biegsam ist. Zwei passive Walzen376a und376b können miteinander und mit der Antriebswalze374 durch spannungslose Verbindungen380 gekoppelt sein. Die Biegsamkeit in der Antriebsstange366 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 in23b gezeigten Ausführungsbeispiel ähnlich ist, außer dass eine der passiven Walzen376a und376b nicht federbelastet ist. Vorzugsweise ist die passive Walze376a (oder376b ) mit der Antriebswalze374 durch eine drehbare Platte382 oder ein anderes starres Element gekoppelt, das als nicht-nachgiebige Verbindung 380 wirkt. Da die Feder378 die Antriebswalze374 in Richtung der Antriebsstange366 drückt, dreht sich die Platte382 , wie durch die Pfeile384 gezeigt. Dies drückt die passive Walze376a gegen die Antriebsstange366 und erhöht folglich die Druckkraft zwischen den Walzen und der Antriebsstange366 . -
23e ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des Reibungsantriebs360 , wobei die Walzen376a ,376b und374 in einer anderen Orientierung vorgesehen sind. Die Walzen sind in 90 Grad von ihrer Position im Ausführungsbeispiel von23a versetzt angeordnet. Die Funktion der Walzen ist im Wesentlichen dieselbe wie vorstehend beschrieben. -
23f ist ein alternatives Ausführungsbeispiel, das einen linearen Reibungsantrieb360' zeigt. Der Reibungsantrieb360' umfasst ein Gleitelement388 , das durch Führungen390 abgestützt ist. Die Führungen390 sind vorzugsweise mit dem Grund gekoppelt, so dass sich das Gleitelement388 zwischen den Führungen parallel verschieben kann, wie durch die Pfeile386 gezeigt. Eine Antriebsstange366 ist zwischen zwei Schenkelteile392 des Gleitelements388 gekoppelt. Die Antriebsstange366 kann ein Draht oder ein Element sein, wie vorstehend mit Bezug auf23a beschrieben. - Die passive Walze
376 und die Antriebswalze374 stehen mit der Antriebsstange366 in Reibungseingriff. wie vorstehend beschrieben, wird die Antriebswalze374 durch ein Stellglied gedreht und verursacht eine tangentiale Kraft an der Antriebsstange366 . Dies bewirkt, dass sich das Gleitelement388 in einer Richtung386 parallel verschiebt. - Eine Feder
378 kann zwischen die passive und die Antriebswalze gekoppelt sein, wie vorstehend beschrieben. Alternativ können die anderen Ausführungsbeispiele der Walzen374 und376 , wie mit Bezug auf die23b –23e beschrieben, auch mit dem linearen Reibungsantrieb360' verwendet werden. Der lineare Reibungsantrieb360' kann verwendet werden, um Kräfte in einem linearen Freiheitsgrad vorzusehen. Lineare Kräfte können beispielsweise auf das Linearachsenelement40 oder204 (oder das Objekt44 , falls geeignet) unter Verwendung des Antriebs360' aufgebracht werden. Das Linearachsenelement kann mit dem Gleitelement388 gekoppelt sein und sich folglich parallel verschieben, wenn sich das Element388 parallel verschiebt. -
24 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schnittstelle14' und eines Hauptrechners16 , 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 Vorrichtung25 erforderlich ist. Das Benutzerobjekt44 kann von einem Benutzer ergriffen oder anderweitig berührt oder gesteuert werden und ist mit der mechanischen Vorrichtung25 gekoppelt, wie vorstehend beschrieben. - Der Hauptrechner
16 umfasst vorzugsweise einen Hauptmikroprozessor400 , einen Taktgeber402 und einen Anzeigebildschirm20 . Der Hauptmikroprozessor400 kann eine Vielzahl von verfügbaren Mikroprozessoren von Intel, Motorola oder anderen Herstellern umfassen. Der Mikroprozessor400 kann ein einzelner Mikroprozessorchip sein oder kann mehrere primäre und/oder Koprozessoren umfassen. Außerdem umfasst der Hauptrechner16 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 Hauptrechnersystem16 Sensordaten oder ein Sensorsignal über die Schnittstelle404 von den Sensoren der mechanischen Vorrichtung25 und eine andere Information empfangen. Der Hauptrechner16 kann auch einen "Kraftbefehl" über die Schnittstelle404 an die mechanische Vorrichtung25 ausgeben, um eine Kraftrückkopplung für die Schnittstellenvorrichtung zu bewirken. - Der Taktgeber
402 ist ein Standardtaktkristall oder eine äquivalente Komponente, die vom Hauptrechner16 verwendet wird, um eine Zeitsteuerung für die vom Mikroprozessor400 und den anderen Komponenten des Computers verwendeten elektrischen Signale bereitzustellen. Auf den Taktgeber402 kann vom Hauptrechner16 in dem Steuerprozess der vorliegenden Erfindung zugegriffen werden, wie anschließend beschrieben. - Der Anzeigebildschirm
20 wird mit Bezug auf1 beschrieben. Eine Tonausgabevorrichtung406 wie z.B. Lautsprecher ist vorzugsweise mit dem Hauptmikroprozessor400 über Verstärker, Filter und eine andere Schaltung, die Fachleuten gut bekannt sind, gekoppelt. Der Hauptprozessor gibt Signale an die Lautsprecher406 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 Hauptprozessor400 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 Hauptrechner16 durch einen bidirektionalen Bus404 gekoppelt. Der bidirektionale Bus sendet Signale in beiden Richtungen zwischen dem Hauptrechner16 und der Schnittstelle14' . Hierin soll sich der Begriff "Bus" als Oberbegriff auf eine Schnittstelle wie z.B. zwischen dem Hauptrechner16 und dem Mikroprozessor410 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 Bus404 ein serieller Schnittstellenbus, der Daten gemäß einem seriellen Datenübertragungsprotokoll liefert. Ein Schnittstellenanschluss des Hauptrechners16 , wie z.B. ein serieller RS232-Schnittstellenanschluss, verbindet den Bus404 mit den Hauptrechner16 . Andere serielle Standard-Datenübertragungsprotokolle können auch in der seriellen Schnittstelle und im Bus404 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 Vorrichtung25 zu koppeln, wobei folglich ermöglicht wird, dass eine eingebaute serielle Standardschnittstelle von vielen Computern direkt verwendet wird. Alternativ kann ein paralleler Anschluss des Hauptrechners16 mit einem parallelen Bus404 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 auf9 beschrieben, kann der Bus404 direkt mit einem Datenbus des Hauptrechners16 unter Verwendung beispielsweise einer Steckkarte und eines Schlitzes oder eines anderen Zugangs des Computers16 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 von9 mit dem lokalen Mikroprozessor des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendet werden. - In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein zusätzlicher Bus
405 enthalten sein, um zwischen dem Hauptrechner16 und der elektronischen Schnittstelle14' zu kommunizieren. Da die Geschwindigkeitsanforderung für Datenübertragungssignale zum Ausgaben von Kraftrückkopplungssignalen relativ hoch ist, kann die mit dem Bus404 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 Bus404 mit dem seriellen Standardanschluss des Hauptrechners16 gekoppelt sein, während der zusätzliche Bus405 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 Busse404 und405 können gleichzeitig verwendet werden, um eine erhöhte Datenbandbreite bereitzustellen. Der Mikroprozessor410 kann beispielsweise Sensorsignale über einen unidirektionalen Bus405 und einen Spielanschluss zum Hauptrechner16 senden, während der Hauptrechner16 Kraftrückkopplungssignale von einem seriellen Anschluss über den unidirektionalen Bus404 an den Mikroprozessor410 ausgeben kann. Andere Kombinationen von Datenflusskonfigurationen können in anderen Ausführungsbeispielen implementiert werden. - Die elektronische Schnittstelle
14' umfasst einen lokalen Mikroprozessor410 , Sensoren128 , Stellglieder126 , eine wahlweise Sensorschnittstelle130 , eine wahlweise Stellgliedschnittstelle412 und andere wahlweise Eingabevorrichtungen414 . Die Schnittstelle14' kann auch zusätzliche elektronische Komponenten zum Kommunizieren über Standardprotokolle auf dem Bus404 umfassen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel können mehrere mechanische Vorrichtungen25 und Schnittstellen14' über den Bus404 (oder mehrere Busse404 ) mit einem einzelnen Hauptrechner16 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 Vorrichtungen25 /Schnittstellen14' unter Verwendung von vernetzten Hauptrechnern16 in Dialogverkehr stehen, wie Fachleuten gut bekannt ist. - Der lokale Mikroprozessor
410 ist mit dem Bus404 gekoppelt und ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses der Schnittstelle14' (und der mechanischen Schnittstellenvorrichtung25 ) enthalten, um eine schnelle Kommunikation mit anderen Komponenten der Schnittstellenvorrichtung zu ermöglichen. Der Prozessor410 wird als für die mechanische Vorrichtung25 und die Schnittstelle14' "lokal" betrachtet, wobei sich "lokal" hierin darauf bezieht, dass der Prozessor410 ein von irgendwelchen Prozessoren im Hauptrechner16 separater Mikroprozessor ist. "Lokal" bezieht sich vorzugsweise auch darauf, dass der Prozessor410 für die Kraftrückkopplung und die Sensor-E/A der mechanischen Vorrichtung25 reserviert ist und eng mit den Sensoren128 und Stellgliedern126 gekoppelt ist, wie z.B. innerhalb des Gehäuses für die mechanische Vorrichtung25 oder eng mit diesem gekoppelt. Der Mikroprozessor410 kann mit Softwarebefehlen versehen werden, um auf Befehle oder Anforderungen vom Benutzer16 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 Prozessor410 vorzugsweise unabhängig vom Hauptrechner16 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 Mikroprozessor410 umfassen beispielsweise den MC68HC711E9 von Motorola und den PIC16C74 von Microchip. Der Mikroprozessor410 kann einen Mikroprozessorchip oder mehrere Prozessoren und/oder Koprozessorchips umfassen. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Mikroprozessor410 einen Digitalsignalprozessor(DSP) Chip umfassen. Ein lokaler Speicher411 wie z.B. ein RAM und/oder ROM ist vorzugsweise mit dem Mikroprozessor410 in der Schnittstelle14' gekoppelt, um Befehle für den Mikroprozessor410 zu speichern und temporäre Daten zu speichern. Außerdem kann ein lokaler Taktgeber413 mit dem Mikroprozessor gekoppelt sein, um eine absolute Zeitsteuerinformation ähnlich dem Systemtaktgeber402 des Hauptrechners16 zu liefern; die Zeitsteuerinformation könnte beispielsweise erforderlich sein, um von den Stellgliedern126 ausgegebene Kräfte zu berechnen (z.B. Kräfte, die von berechneten Geschwindigkeiten oder anderen zeitabhängigen Faktoren abhängen). Der Mikroprozessor410 kann Signale von den Sensoren128 empfangen und Signale zu den Stellgliedern126 der Schnittstelle14' gemäß Befehlen, die vom Hauptrechner16 über den Bus404 geliefert werden, liefern. - In einem Ausführungsbeispiel kann der Hauptrechner
16 beispielsweise Kraftbefehle niedriger Ebene über den Bus404 liefern, die der Mikroprozessor410 direkt zu den Stellgliedern126 liefert. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Hauptrechner16 Überwachungsbefehle hoher Ebene über den Bus404 zum Mikroprozessor410 liefern und der Mikroprozessor410 verwaltet Kraftregel- ("Reflex") Schleifen niedriger Ebene für die Sensoren128 und die Stellglieder126 gemäß den Befehlen hoher Ebene. Der Hauptrechner16 kann Hauptrechnerbefehle zum Mikroprozessor senden, um eine Art Kraft auszuwählen, damit der Mikroprozessor unabhängig in einer Reflexschleife implementiert. Der Mikroprozessor410 kann kontinuierlich Daten von den Sensoren128 für die Position und Bewegung des Objekts44 lesen und Kräfte am Objekt gemäß den Sensordaten, Zeitsteuerdaten vom Takt413 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 Eingabevorrichtungen412 , die in der mechanischen Vorrichtung25 oder Schnittstelle14' 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 Vorrichtung25 ,14 zugeordnet sind, können beispielsweise Signale zum Mikroprozessor410 liefern. - Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle
14' in einem Gehäuse enthalten, mit dem die mechanische Vorrichtung25 und das Benutzerobjekt44 direkt oder indirekt gekoppelt ist. Alternativ können der Mikroprozessor410 und/oder andere elektronische Komponenten der Schnittstellenvorrichtung14' in einem separaten Gehäuse vom Benutzerobjekt44 , von der Vorrichtung25 , den Sensoren128 und Stellgliedern126 vorgesehen sein. - Die Sensoren
128 stellen die Position, Bewegung und/oder andere Eigenschaften des Benutzerobjekts44 der mechanischen Vorrichtung25 entlang eines oder mehrerer Freiheitsgrade fest und liefern Signale zum Mikroprozessor410 , einschließlich einer Information, die diese Eigenschaften darstellt. Beispiele von Ausführungsbeispielen von Benutzerobjekten und einer Bewegung innerhalb vorgesehener Freiheitsgrade sind vorstehend mit Bezug auf die2 -8 beschrieben. Typischerweise ist ein Sensor128 für jeden Freiheitsgrad vorgesehen, entlang dessen das Objekt44 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 Objekts44 entlang eines linearen Freiheitsgrades feststellen. - Die Sensoren
128 liefern ein elektrisches Signal zu einer wahlweisen Sensorschnittstelle130 , die verwendet werden kann, um die Sensorsignale in Signale umzuwandeln, die zum Mikroprozessor410 und/oder Hauptrechner16 geliefert werden und von diesen interpretiert werden können. Alternativ kann der Mikroprozessor410 diese Sensorschnittsellenfunktionen ohne den Bedarf für eine separate Sensorschnittstelle130 erfüllen. Die Sensorsignale können vom Mikroprozessor410 verarbeitet werden und können auch zum Hauptrechner16 gesandt werden, der das Hauptrechner-Anwendungsprogramm aktualisiert und Kraftsteuersignale sendet, wie geeignet. Andere Schnittstellenmechanismen können auch verwendet werden, um ein geeignetes Signal zum Hauptrechner16 zu liefern. In alternativen Ausführungsbeispielen können Sensorsignale von den Sensoren128 direkt zum Hauptrechner16 geliefert werden, wobei der Mikroprozessor410 umgangen wird. Die Sensorschnittstelle130 kann auch innerhalb des Hauptrechners16 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 Sensoren128 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 Sensorschnittstelle130 kann Winkelermittlungschips umfassen, um von den Sensoren128 gelesene Winkelsignale vorzuverarbeiten, bevor sie zum Mikroprozessor410 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 Mikroprozessor410 und somit wenig Vorverarbeitung, falls überhaupt, erforderlich ist. wenn die Sensoren128 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 Objekts44 in dem Ausführungsbeispiel berechnen und diese Enddaten über eine beliebige Standard-Datenübertragungsschnittstelle wie z.B. den Bus404 zum Hauptrechner16 und zum Anzeigebildschirm20 weitersenden. Wenn der Mikroprozessor410 nicht schnell genug ist, dann können die Winkel zum Hauptrechner16 gesandt werden, der die Berechnungen selbst durchführen kann. - Andere Variationen können aus einem Mikroprozessor
410 bestehen, der andere Eingabevorrichtungen412 liest, Winkel erhält, möglicherweise Koordinaten und die Orientierung des Objekts44 berechnet und die Kommunikation mit dem Hauptrechner16 überwacht. Eine andere Variation kann aus zweckorientierten Unterschaltungen und spezialisierten Serienchips bestehen, die die anderen Eingabevorrichtungen lesen, die Sensoren128 überwachen, Winkel ermitteln und Kommunikationen mit dem Hauptrechner16 verarbeiten, alles ohne Software oder Mikroprozessor410 . - Die Stellglieder
126 übertragen Kräfte zum Benutzerobjekt44 der mechanischen Vorrichtung25 in einer oder mehreren Richtungen entlang eines oder mehrerer Freiheitsgrade als Reaktion auf Signale, die vom Mikroprozessor410 empfangen werden. Typischerweise ist ein Stellglied126 für jeden Freiheitsgrad vorgesehen, entlang dessen es erwünscht ist, Kräfte zu übertragen. Wie vorstehend erläutert, können die Stellglieder126 aktive Stellglieder und/oder passive Stellglieder umfassen. - Die Stellgliedschnittstelle
414 kann wahlweise zwischen die Stellglieder126 und den Mikroprozessor410 geschaltet sein. Die Schnittstelle414 wandelt Signale vom Mikroprozessor410 in Signale um, die zum Antreiben der Stellglieder126 geeignet sind. Die Schnittstelle414 kann Leistungsverstärker, Schalter, Digital-Analog-Steuereinheiten (DACs) und andere Komponenten umfassen. Ein Beispiel einer Stellgliedschnittstelle für aktive Stellglieder ist vorstehend mit Bezug auf die9 ,10 und11 beschrieben. In alternativen Ausführungsbeispielen kann eine Schaltung der Schnittstelle414 innerhalb des Mikroprozessors410 oder in den Stellgliedern126 vorgesehen sein. - Wenn eine oder mehrere Schwingspulen
240 als Stellglieder126 verwendet werden, um Kräfte auf das Objekt44 aufzubringen, wie in18 gezeigt, dann können der Mikroprozessor410 und Hauptrechner16 einen speziellen Strombetrag- und eine spezielle Stromrichtung für die Schwingspule(n)240 befehlen, um gewünschte Kräfte auf das Objekt44 aufzubringen. Dies wird vorzugsweise unter Verwendung von Schwingspulen-Treiberchips durchgeführt, die in der Stellgliedschnittstelle414 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 Mikroprozessor410 oder Computer16 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 Vorrichtung25 enthalten sein und Eingangssignale zum Mikroprozessor410 senden. Solche Eingabevorrichtungen können Tasten, Wähler, Schalter oder andere Mechanismen umfassen. In Ausführungsbeispielen, in denen das Benutzerobjekt44 beispielsweise ein Steuerhebel ist (wie in8 ), 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 Stellgliedschnittstelle414 und/oder mit den Stellgliedern126 gekoppelt sein, um elektrischen Strom zu liefern. Aktive Stellglieder erfordern typischerweise eine separate Stromquelle, damit sie angetrieben werden. Die Stromversorgung416 kann innerhalb des Gehäuses der mechanischen Vorrichtung25 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 Stellglieder126 auszuschalten und zu deaktivieren, oder einen Benutzer aufzufordern, die Stellglieder126 zu aktivieren. Bestimmte Arten von Stellgliedern, insbesondere aktive Stellglieder wie z.B. Motoren, können für den Benutzer ein Sicherheitsproblem darstellen, wenn die Stellglieder das Benutzerobjekt44 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 Schutzschalter418 mit den Stellgliedern126 gekoppelt. Der Schutzschalter418 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 Linearachsenelement40 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)
- 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. - 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. - Schnittstelle nach Anspruch 1, wobei das Gestänge mindestens zwei Drehfreiheitsgrade für das vom Benutzer bedienbare Objekt vorsieht, wobei jeder Drehfreiheitsgrad um eine Drehachse liegt.
- Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Elementen des Gestänges als Gestänge in geschlossener Schleife ausgebildet sind.
- 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.
- 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. - 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. - 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.
- Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Grundelement durch Lager (
213a ,213b ,214a ,214b ) drehbar mit dem ersten und dem zweiten Verlängerungselement gekoppelt ist. - 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.
- 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.
- 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. - 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.
- Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das vom Benutzer bedienbare Objekt ein Steuerhebelgriff ist.
- 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. - 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.
- Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die zentralen Elemente mit einem Objektelement biegsam gekoppelt sind, welches mit dem Benutzerobjekt gekoppelt ist.
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