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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf haptische Schnittstellensysteme
zur Bereitstellung von Kraftrückmeldungsempfindungen
und im besonderen auf aktive Kraftrückmeldungssysteme, welche ein
magnetisch steuerbares Medium einsetzt, um Widerstandskräfte bereitzustellen.
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Hintergrund
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Haptische
Schnittstellensysteme, die auch bekannt sind als Kraftrückmeldungssysteme,
stellen einem Benutzer, der eine Schnittstelleneinrichtung, wie
etwa einen Joystick, hält, "Gefühls"-Empfindungen bereit,
entsprechend dessen was auch immer gesteuert wird durch die Schnittstelleneinrichtung. Ein übliches
Beispiel eines solchen Systems sind Computerspiele, bei welchen
die Handlung auf einem Video-Bildschirm und die Bewegungen eines Joysticks
oder einer Steuereinrichtung koordiniert werden mit einer physikalischen
Kraft, die auf die Hand des Benutzers übertragen wird, durch den Joystick
oder die Steuereinrichtung zum Bereitstellen eines simulierten "Gefühls" für Ereignisse,
die sich auf dem Bildschirm abspielen. Wenn beispielsweise bei einem
Autorennspiel der Benutzer ein Auto um eine scharfe Kurve mit einer
hohen Geschwindigkeit lenkt, überträgt das haptische
Schnittstellensystem Kraft auf das Steuerrad, um es schwieriger
zu machen das Rad in die Kurve hineinzudrehen. Diese Kraftrückmeldung
simuliert die Zentrifugalkraft des Autos, welches die Kurve durchführt und
die Reibungskräfte, die
auf die Räder übertragen
werden, während
sie sich drehen. Somit stellen haptische Schnittstellensysteme eine
abgesetzte Simulation des aktuellen physikalischen Gefühls bereit,
welches mit einer Wirkung oder einem Ereignis assoziiert ist über die
Kraftrückmeldung.
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Typische
haptische Schnittstellensysteme umfassen einen oder mehrere Motoren,
die mit der Schnittstelleneinrichtung verbunden sind, um die Kraftrückmeldungsempfindung
zu übertragen.
Typische Motore umfassen Gleichstrom(DC)-Schrittmotore und Servomotore. Wenn
es sich bei der Schnittstelleneinrichtung um einen Joystick handelt,
werden Motore eingesetzt, um Kraft in eine X-Richtung, eine Y-Richtung
oder eine Kombination zu übertragen,
um eine Kraft in jeder typischen Richtung bereitzustellen, in welcher
der Joystick bewegt werden kann. Wenn in einer ähnlichen Weise die Schnittstelleneinrichtung ein
Steuerrad ist, kommen Motore zum Einsatz, um Drehkräfte im Uhrzeigersinn
und im Gegenuhrzeigersinn zu übertragen.
Somit kommen Motore zum Einsatz, um Kräfte in jeder typischen Richtung
zu übertragen,
in welche die Schnittstelleneinrichtung bewegt werden kann.
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In
einem System, welches einen einzigen Motor zum Einsatz bringt, kann
der Motor über
ein Getriebe oder eine ähnliche
Energieübertragungseinrichtung
an die Schnittstelleneinrichtung angeschlossen sein, um die Kraft
in mehr als einer Richtung bereitzustellen. Um es möglich zu
machen, daß nur
ein Motor in einem System eingesetzt wird, handelt es sich hierbei
typischerweise um einen umkehrbaren Motor, um Kraft in zwei unterschiedlichen
Richtungen bereitzustellen. Außerdem
sind Mechanismen erforderlich, um die verschiedenen Zahnräder oder
Energieübertragungseinrichtungen
zum und außer
Eingriff zu bringen, zur Bereitstellung von Kraft in der entsprechenden
Richtung zu entsprechenden Zeit. Im Gegensatz hierzu setzen andere
typische Systeme mehr als einen Motor ein, um die Kraft in den erforderlichen
Richtungen bereitzustellen. Somit verwenden gegenwärtige Systeme
eine Anzahl sich unterscheidender Maßnahmen, um die Bereitstellung von
Kraftrückmeldungsempfindungen
zu handhaben.
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Gegenwärtige haptische
Schnittstellensysteme können
jedoch aus einer Anzahl von Gründen nachteilig
sein. Ein in erster Linie in Betracht zu ziehendes Problem sind
die Kosten derartiger Systeme. Ein Gegenstand, der in großem Maße zu den
Kosten eines typischen Systems eingesetzt wird, ist die Verwendung
von Gleichstromschrittmotoren und Servomotoren wie auch umkehrbaren
Motoren. Diese Motortypen sind sehr kompliziert und erfordern die Fähigkeit,
Geschwindigkeit oder Umdrehungen/min. (upm) zu ändern, unterschiedliche Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten
und rotatorische Richtungen umzukehren. Diese Merkmale erfordern
größere mechanische
und elektrische Komplexität,
was zu vergleichsweise hohen Kosten führt. Darüber hinaus müssen diese
Motore eine geringe Größe besitzen, um
zu verhindern, daß das
haptische Schnittstellensystem zu umfangreich wird. Dies verkompliziert
zusätzlich
ihren Aufbau und erhöht
die Kosten. Außerdem
sind wegen ihrer relativ geringen Größe die komplizierten Motore,
die typischerweise in einem haptischen Schnittstellensystem erforderlich
sind, lediglich in der Lage, ein begrenztes Ausgangsdrehmoment zu
erzeugen. Damit kann der Benutzer eines Schnittstellensystems leicht
in der Lage sein, das Drehmoment oder die Kraftrückmeldung, die von dem Motor
bereitgestellt wird, zu überwinden.
Dementsprechend ist es relativ sehr teuer, einen kleinen komplizierten
Motor für
ein haptisches Schnittstellensystem bereitzustellen, und kann zu
einer unzureichenden Kraftrückmeldung
führen.
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Darüber hinaus
sind nachteiligerweise die typischen Gleichstrommotore, die in haptischen Schnittstellensystemen
eingesetzt werden, nicht ausgelegt, um in einer Weise zu arbeiten,
wie dies durch das System gefordert wird. Um eine Kraftrückmeldung
bereitzustellen, setzen typische Systeme direkte Antriebsmotore
ein, die ausgelegt sind, um die Abtriebswelle des Motors mit der
Schnittstelleneinrichtung direkt zum Eingriff zu bringen. Beispielsweise kann
die Abtriebswelle eines Gleichstrommotors über Zahnräder an die Lenkradwelle angeschlossen sein
oder mit einem Schlitten oder einem ähnlichen Mechanismus in Verbindung
stehen, der die Bewegung eines Joysticks steuert. Wenn der Motor
mit dem Zahnrad oder dem Schlitten zum Eingriff kommt, treibt der
Motor die Schnittstelleneinrichtung an, um eine Kraftrückmeldung
bereitzustellen. Der Benutzer, der die Schnittstelleneinrichtung
hält, wirkt
jedoch typischerweise der Kraftrückmeldung
entgegen. Die Gegenkraft, die von dem Benutzer bereitgestellt wird, arbeitet
dann gegen die Richtung des Motorabtriebes, was dazu neigt, den
Motor zu blockieren. Diese Gegenkraft neigt nicht nur dazu die Komponenten
innerhalb des Motors oder des zugeordneten Getriebes abzunutzen
und/oder zu beschädigen,
sondern der Blockierzustand führt
zur Erzeugung hoher elektrischer Ströme innerhalb des Motors, wodurch
die elektrischen Komponenten im Motor belastet werden. Aufgrund
der sich wiederholenden Art und Weise eines haptischen Schnittstellensystems
werden die Verläßlichkeit
und Langlebigkeit der Motore in derartigen haptischen Schnittstellensysteme
stark reduziert. Dementsprechend sind die Motore, die in typischen
haptischen Schnittstellensystemen eingesetzt werden, typischerweise
nicht gut geeignet für die
belastende Umgebung, in welcher sie betrieben werden.
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Noch
ein weiterer Nachteil gegenwärtiger handelsüblich verfügbarer haptischer
Schnittstellensysteme liegt darin, daß hohe Aufschlagkräfte von
einem Motor, der mit einer Schnittstelleneinrichtung verbunden ist,
für den
Benutzer der Schnittstelleneinrichtung gefährlich sein kann. Wenn das
haptische Schnittstellensystem eine rasche hohe Aufschlagskraft
erfordert, kann ein Motor, der an eine Schnittstelleneinrichtung
angeschlossen ist, mit einer großen Kraft ansprechen, die den
Benutzer verletzen kann, wenn der Benutzer auf diese abrupte Kraft nicht
vorbereitet ist. Dies kann korrigiert werden durch die Erhöhung der
Geschwindigkeit des Motors, um die Kraft zu erreichen, aber das
Gefühl
wird weniger realistisch. Darüber
hinaus verkompliziert die Veränderung
der Eingriffsgeschwindigkeiten des Motors das Softwareprogramm,
welches zum Einsatz kommt, um das haptische Schnittstellensystem
zu betreiben, wodurch weiterhin Kosten erhöht werden. Somit kann die Erzeugung
einer sich realistisch anfühlenden
hohen Aufschlagskraft bei den gegenwärtigen haptischen Schnittstellensystemen
für den
Benutzer gefährlich
werden oder kostenaufwendiges und komplexes Systemprogrammieren
erfordern.
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Einige
herkömmliche
Einrichtungen haben versucht, einige der Nachteile der gegenwärtigen haptischen
Schnittstellensysteme zu überwinden
mit begrenztem Erfolg. Ein elektrorheologischer (ER) Aktuator, der
in einem Kraftdarstellungssystem zum Einsatz kommt, wird vorgeschlagen
durch J. Furusho und M. Sakaguchi in "New Actuators Using ER Fluid and their
Applications To Force Display Devices in Virtual Reality Systems" in the Proceedings
of the International Conference on Electro-Rheological Fluids, Magneto-Rheological
Suspensions and their Applications 22.–25. July 1997, Yonezawa Japan.
Ein ER-Aktuator umfaßt
eine Einrichtung, die ein ER-Fluid enthält, bei welchem es sich um
eine Substanz handelt, die ihre Scherfestigkeit ändert durch die Anlage eines
elektrischen Feldes. Das ER-Fluid
kann dann eingesetzt werden als Kupplung oder Bremse, um den Widerstand
zwischen zwei Elementen zu erhöhen.
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Die
Verwendung eines derartigen ER-Aktuators ist jedoch höchst nachteilig
für den
Einsatz in typischen haptischen Schnittstellensystemen, wie etwa für Computerspiele.
Ein Hauptgesichtspunkt liegt darin, daß ein ER-Aktuator ein wesentliches
Sicherheitsproblem darstellt, wegen der hohen elektrischen Spannungen,
die erforderlich sind, um das elektrische Feld zu erzeugen, was
notwendig ist, um die angestrebte Schertestigkeitsänderung
in dem ER-Fluid zu erzeugen. Für
haptische Schnittstellensysteme kann ein typischer ER-Fluid-Aktuator
Spannungen im Bereich von etwa 1000 bis 5000 V erfordern. Entsprechend
erfordern die Motore, die in typischen Systemen eingesetzt werden,
wie sie oben beschrieben wurden, einen Strom im Bereich von etwa
100 Milliampere (mA) bis 1,0 A bei 12 V. Somit ist die Spannung,
die erforderlich ist, um einen ER-Aktuator zu betreiben, sehr hoch,
womit ein ER-Aktuator unerwünscht
wird und möglicherweise
unsicher für
einen Gebrauchsgegenstand, der in einem großen Ausmaß Abnutzung und Belastung ausgesetzt
ist.
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Zusätzlicherweise
erfordert ein ER-Aktuator nachteiligerweise teuere Dichtungen, um
das ER-Fluid in den Ausnehmungen innerhalb des Aktuators zu halten.
Dichtungen nutzen sich häufig
ab und führen
zu Verläßlichkeitsproblemen
für ER-Aktuatoren und Bedenken
hinsichtlich ER-Fluidundichtigkeiten. Darüber hinaus erfordert der Einsatz
von Dichtungen typischerweise bearbeitete Teile mit engen Toleranzen,
wodurch die Kosten des ER-Aktuators zusätzlich erhöht werden. Außerdem erfordern ER-Aktuatoren
auch teure Lager, um die relative Positionierung der Teile mit engen
Toleranzen sicherzustellen.
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In
einer ähnlichen
Weise ist eine präzise
Bearbeitung für
die sich drehenden inneren Komponenten eines ER-Aktuators erforderlich,
wodurch weiterhin die Kosten des Aktuators erhöht werden. Da eine ER-Einrichtung
eine relativ große
Oberfläche
erfordert zwischen dem ER-Fluid und den beiden Elementen, mit denen
dass ER-Fluid in Kontakt steht, ist eine Bearbeitung mit engen Toleranzen
erforderlich zwischen den mehreren benachbarten Oberflächen der Elemente.
Somit kann eine relativ große
Oberfläche erforderlich
sein, um ein ausreichendes Drehmoment zu erzeugen, damit das Niveau
der Kraftrückmeldung bereitgestellt
wird, welches typische haptische Schnittstellensysteme erfordern.
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Schließlich können typische
ER-Aktuatoren, die eine entsprechende Kraft bereitstellen, zu groß sein als
daß sie
in ein handelsübliches
haptisches Schnittstellensystem integriert werden könnten. Die Einrichtung,
die eingesetzt wird, um eine Kraftrückmeldung in einem typischen
haptischen Schnittstellensystem bereitzustellen, muß klein
und leicht sein, um praktisch in das System integriert zu werden.
Ein ER-Aktuator, der diese Anforderungen erfüllt, ist sehr kostenaufwendig
herzustellen und besitzt daneben die oben aufgezeigten Nachteile.
Somit ist die Verwendung eines ER-Aktuators in einem typischen haptischen
Schnittstellensystem nicht erstrebenswert.
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Die
PCT-Anmeldung 97/19440 beschreibt ein Kraftrückmeldungssystem, bei welchem
ein Aktuator eine Kraft entlang eines Freiheitsgrades der Benutzerschnittstelle
anlegt in Abhängigkeit
von elektrischen Signalen, die von einem Computer-System erzeugt werden.
Der Aktuator kann lineare Stromsteuermotore, Schrittmotore, pneumatisch/hydraulisch aktive
Aktuatoren, Reibungsbremsen oder pneumatische/hydraulische passive
Aktuatoren umfassen.
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Die
PCT-Anmeldung 98/24183 umfaßt
eine Maus-Schnittstelle zur Bereitstellung einer Kraftrückmeldung.
Die Maus-Schnittstelle umfaßt
einen Aktuator, der Kräfte
auf die Maus in zwei oder mehr Freiheitsgraden überträgt. Die Aktuatoren können elektromagnetische
Stimmspul-Aktuatoren, Gleichstrommotore, pneumatische Motore, passive
Reibungsbremsen oder passive fluidgesteuerte Bremsen sein.
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Die
US-A-5 717 266 und die US-A-5 015 926 zeigen jeweils haptische Schnittstellensysteme
zur Bereitstellung einer Kraftrückmeldung
an den Benutzer. Die letztere beschreibt ein Übungssystem, welches einen
magnetisch steuerbaren Rutschkupplungsmechanismus einsetzt, um eine
Kraftrückmeldung
bereitzustellen.
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Es
ist erstrebenswert, ein haptisches Schnittstellensystem bereitzustellen,
welches einfacher, kostengünstig,
verläßlich und
leistungsfähiger
ist als der zuvor beschriebene Stand der Technik.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Merkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 definiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die Betätigungseinrichtung ein Motor.
Das System kann darüber
hinaus ein Computer-System
umfassen, welches in der Lage ist, ein interaktives Programm auszuführen, eine
Video-Anzeige zur Darstellung von Bildern, die dem interaktiven
Programm zugeordnet sind, eine haptische Schnittstelleneinrichtung,
die in operativem Kontakt mit einem Benutzer steht, der das interaktive
Programm steuert und hierauf reagiert, sowie ein Sensor, der die
Position der haptischen Schnittstelleneinrichtung erfaßt und ein
entsprechendes variables Eingangssignal dem Computer-System zur Verfügung stellt.
Der Motor ist vorzugsweise ein Gleichstrommotor, der sich in einer
einzigen Richtung mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht. Der Motor
und die magnetisch steuerbare Einrichtung wirken als eine Kupplung,
welche einen Schlupf erlaubt innerhalb der magnetisch steuerbaren
Einrichtung, anstatt den Motor zu blockieren, womit gleichzeitig
ein kostengünstiges
und effizientes haptisches Schnittstellensystem bereitgestellt wird.
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Das
Computer-System bearbeitet das interaktive Programm und das variable
Eingangssignal von dem Sensor und stellt ein variables Ausgangssignal
bereit, welches einer Rückmeldekraft
entspricht, die den Benutzer mit realistischen Empfindungen versorgt,
entsprechend dem interaktiven Programm. Das variable Ausgangssignal
erregt eine Magnetfelderzeugereinrichtung, die sich angrenzend an
das erste und zweite Element befindet, zur Erzeugung eines Magnetfeldes
mit einer Stärke,
welche proportional der Rückmeldekraft
ist. Das magnetische Feld wird über
das magnetisch steuerbare Medium angelegt, welches sich in einem
Arbeitsraum zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element
befindet. Das angelegte magnetische Feld ändert die Widerstandskräfte des
magnetisch steuerbaren Mediums entsprechend der Relativbewegung
zwischen einem ersten Element, welches mit dem Motor in Eingriff
steht, und einem zweiten Element in Verbindung mit der haptischen
Schnittstelleneinrichtung. Das erste und das zweite Element können ausgelegt
sein für
lineare, rotatorische und krummlinige Relativbewegung. Die Betätigungsenergie
des Motors wird übertragen
durch das erste Element auf das zweite Element in einem unterschiedlichen
Ausmaß,
entsprechend den Widerstandskräften,
die durch das magnetisch steuerbare Medium bereitgestellt werden,
um die haptische Schnittstelleneinrichtung mit einer Rückmeldekraft
zu versorgen. Damit steuert das variable Ausgangssignal von dem
Computer-System die angelegte magnetische Feldstärke und dementsprechend die
variablen Widerstandskräfte,
die verfügbar
sind. Dies macht es vorteilhafterweise für den Motor möglich, mit
einer in etwa konstanten Geschwindigkeit zu laufen, während die
Frequenz und Intensität
der Rückmeldekraft
gehandhabt wird durch die Steuerung der magnetisch steuerbaren Einrichtung,
wodurch die Belastung und die Abnutzung des Motors minimiert werden.
Somit versorgt das vorliegende haptische Schnittstellensystem den
Benutzer des interaktiven Programms mit realistischen Kraftrückmeldeempfindungen,
die erzeugt werden durch die magnetisch steuerbare Einrichtung.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das magnetisch steuerbare Medium innerhalb der magnetisch steuerbaren
Einrichtung in einem Absorptionselement enthalten, welches sich
zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element befindet. Das
absorbierende Element kann komprimiert sein, von einem Ruhestatus
ausgehend vorzugsweise mit einem Kompressionsausmaß im Bereich
von etwa 30% bis 70% seines unkomprimierten Status. Das absorbierende
Element kann gebildet sein als eine Matrixstruktur mit offenen Räumen zur
Aufnahme des magnetisch steuerbaren Mediums. Geeignete Materialien
für das
absorbierende Element umfassen einen offenzelligen Schaum, wie etwa
u. a. aus einem Polyurethanmaterial.
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Das
magnetisch steuerbare Medium ist ein Medium mit einer hohen Scherfestigkeit,
die variiert in Abhängigkeit
von der Stärke
eines angelegten magnetischen Feldes. Ein bevorzugter Typ eines
magnetisch steuerbaren Mediums ist ein magnetorheologisches Fluid.
Wie zuvor erwähnt,
stellt die magnetfelderzeugende Einrichtung, vorzugsweise eine elektromagnetische
Spule, das angelegte magnetische Feld bereit. Die Spule umfaßt typischerweise
einen Draht mit einer Anzahl von Wicklungen und einem bestimmten
Ausmaß.
Die Anzahl von Wicklungen und das Ausmaß des Drahtes hängen jedoch
ab von dem angestrebten Bereich des magnetischen Feldes mit der
variablen Stärke
und von dem elektrischen Strom und der Spannung des variablen Ausgangssignals.
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Die
haptische Schnittstelleneinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann jegliche Einrichtung sein, die in operativem Kontakt mit dem
Benutzer steht, zur Steuerung und zum Ansprechen auf das interaktive
Programm, wie etwa ein Videospiel. Z. B. kann eine geeignete haptische
Schnittstelleneinrichtung eine Steuereinrichtung oder einen Joystick
umfassen.
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Das
Computer-System kann einen Arbeitsrechner, eine Steuerung sowie
einen Verstärker
umfassen. Die Steuerung und der Verstärker können, wie nachfolgend erläutert wird,
getrennte Komponenten oder Teil einer haptischen Schnittstelleneinheit sein.
Der Arbeitsrechner umfasst einen Prozessor, der ein interaktives
Programm abfährt.
Die Steuerung umfasst einen Mikroprozessor und eine Firmware, die
zum Einsatz kommen, um das variable Eingangssignal zu modifizieren,
welches von dem Sensor empfangen wird, und das variable Ausgangssignal,
welches von dem Arbeitsrechner empfangen wird. Die Steuerung stellt
dann ein modifiziertes variables Eingangssignal dem Arbeitsrechner
zur Verfügung,
wie auch ein modifiziertes variables Ausgangssignal der magnetisch
steuerbaren Einrichtung. Die Steuerungsmodifikationsfunktion, die
durch die Steuerung ausgeführt
wird, ermöglicht
eine Kommunikation zwischen dem Arbeitsrechner und der magnetisch steuerbaren
Einrichtung und dem Sensor. Der Verstärker modifiziert darüber hinaus
das Ausgangssignal zur Bereitstellung eines modifizierten variablen Ausgangssignals
in Situationen, in welchen das Ausgangssignal von dem Arbeitsrechner
nicht ausreicht, um die magnetisch steuerbare Einrichtung zu steuern.
Die Steuerung und der Verstärker
können
als lokale Prozessoren wirken, um die Last auf den Arbeitsrechner
zu reduzieren durch Bereitstellung von Ausgangssignalen auf die
lokale Bearbeitung bestimmter Sensoreingangssignale hin, die nicht
durch den Arbeitsrechner bearbeitet werden müssen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
beschreibt die vorliegende Erfindung eine haptische Schnittstelleneinheit,
bei welcher der Motor und die magnetisch steuerbare Einrichtung,
wie oben beschrieben, innerhalb eines Rahmens montiert sind. Die
haptische Schnittstelleneinheit kann darüber hinaus die haptische Schnittstellen einrichtung,
den Sensor, die Steuereinheit und den Verstärker enthalten, wie dies zuvor
beschrieben wurde.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
umfasst ein haptisches Schnittstellensystem einen Arbeitsrechner,
eine haptische Schnittstelleneinrichtung, einen Sensor und eine
Steuereinheit im wesentlichen wie zuvor beschrieben. Diese Ausführungsform
umfasst darüber
hinaus eine magnetisch steuerbare Einrichtung mit einem Motor zur
Bereitstellung von Betätigungsenergie,
einen ersten erregbaren Teil zur Bereitstellung von Kraftrückmeldungsbetätigungsenergie
in einer ersten rotatorischen Richtung und einen zweiten erregbaren
Teil zur Bereitstellung von Kraftrückmeldungsbetätigungsenergie
in einer zweiten rotatorischen Richtung.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
umfasst ein Kraftrückmeldungssteuersystem
ein Computersystem zum Empfang eines variablen Eingangssignals und
Bereitstellung eines variablen Ausgangssignals, wobei das Computersystem
in der Lage ist, ein interaktives Programm abzufahren, welches das
variable Eingangssignal bearbeitet und in Abhängigkeit hiervon ein variables
Ausgangssignal ableitet, welches einem Niveau an rotatorischer Kraftrückmeldung
entspricht. Diese Ausführungsform umfasst
auch eine drehbare Welle zur Übertragung des
Niveaus an rotatorischer Kraftrückmeldung
sowie einen Rotor, der fest an der Welle befestigt ist, wobei der
Rotor eine erste Seite und eine zweite Seite besitzt. Eine Sensoreinrichtung
steht in Kommunikation mit der drehbaren Welle und dem Computersystem.
Die Sensoreinrichtung stellt ein variables Eingangssignal bereit,
repräsentativ
für eine
rotatorische Position der drehbaren Welle für das Computersystem.
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Das
Steuersystem umfasst darüber
hinaus ein erstes drehbares Element, welches der ersten Seite des
Rotors benachbart ist, und ein zweites drehbares Element, welches
der zweiten Seite des Rotors benachbart ist. Eine erste Spule befindet
sich zwischen dem ersten drehbaren Element und dem Rotor, wobei
die erste Spule erregbar ist in Abhängigkeit von dem variablen
Ausgangssignal zur Erzeugung eines ersten magnetischen Feldes mit
variabler Stärke.
In einer ähnlichen
Weise befindet sich eine zweite Spule zwischen dem zweiten drehbaren
Element und dem Rotor, wobei die zweite Spule erregbar ist in Abhängigkeit
von dem vari ablen Ausgangssignal zur Erzeugung eines zweiten magnetischen Feldes
mit variabler Stärke.
Außerdem
befindet sich eine erste absorbierende Matrix mit einem magnetisch
steuerbaren Medium zwischen dem ersten drehbaren Element und dem
Rotor, wobei die erste absorbierende Matrix einen variablen Widerstand
bereitstellt zwischen dem ersten drehbaren Element und dem Rotor
in Proportion zur Stärke
des ersten magnetischen Feldes. In einer ähnlichen Weise befindet sich
eine zweite absorbierende Matrix, die ebenfalls ein magnetisch steuerbares
Medium enthält,
zwischen dem zweiten drehbaren Element und dem Rotor, wobei die
zweite absorbierende Matrix einen variablen Widerstand bereitstellt
zwischen dem zweiten drehbaren Element und dem Rotor in Proportion
zur Stärke
des zweiten magnetischen Feldes. Darüber hinaus kann das Steuersystem
einen Motor umfassen zur Bereitstellung der rotatorischen Kraftrückmeldungsenergie
in Kommunikation mit dem ersten drehbaren Element und dem zweiten
drehbaren Element, wobei der Motor in der Lage ist, die Welle in
einer ersten Richtung zu drehen durch die Übertragung von Energie durch
das erste drehbare Element auf dem Motor und der Motor ist auch
in der Lage, die Welle in einer zweiten Richtung zu drehen durch
die Übertragung
der Energie durch das zweite drehbare Element auf den Motor durch
die selektive Erregung der ersten Spule und der zweiten Spule. Bei
dieser Ausführungsform
kann das Computersystem zusätzlich
in Kommunikation mit dem Motor stehen. Schließlich kann das Steuersystem
darüber
hinaus eine haptische Schnittstelleneinrichtung umfassen, in Kommunikation
mit der drehbaren Welle zur Aufnahme der rotatorischen Kraftrückmeldung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Repräsentation eines
haptischen Schnittstellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 ist eine perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform
einer haptischen Schnittstelleneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
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3 ist eine perspektivische
Explosionsansicht der haptischen Schnittstelleneinheit gemäß 2, wobei einige Komponenten
zum Zwecke der Klarheit weggelassen sind, und
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4 ist eine Querschnittsansicht
der haptischen Schnittstelleneinheit gemäß den 2 und 3.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist unter Bezugnahme auf 1 ein
aktives haptisches Schnittstellensystem 10 vorgesehen zur
Bereitstellung von Kraftrückmeldungsempfindungen
auf einen Benutzer 12, welches eine magnetisch steuerbare Einrichtung 14 umfasst,
mit einem magnetisch steuerbaren Medium, angetrieben durch einen
Motor 16, welcher aktive Kräfte oder aktive Kraftrückmeldungsempfindungen
auf den Benutzer überträgt durch
eine haptische Schnittstelleneinrichtung 18, wie etwa ein Steuerrad.
Der Benutzer 12 bewegt die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 zur
Steuerung und zum Ansprechen auf ein interaktives Programm, welches von
dem Computersystem 20 abgefahren wird mit entsprechenden
Bildern, die auf einen Videobildschirm 22 dargestellt sind.
Ein Sensor 24 erfasst die Bewegungen der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 und
berichtet die Bewegungen dem Computersystem 20. Alternativ
oder zusätzlich
kann der Sensor angelegtes Drehmoment erfassen. Das Computersystem 20 spricht
interaktiv an durch Erzeugung neuer Bilder auf dem Bildschirm 22.
und durch aktives Steuern der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 zur
Bereitstellung variabler aktiver Rückmeldungskräfte entsprechend
der Bewegung der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 und
entsprechend den Bildern auf dem Bildschirm 22. Das Computersystem 20 sendet
ein Signal entsprechend einer angestrebten aktiven Kraftrückmeldungsempfinden
an die magnetisch steuerbare Einrichtung 14. Das Signal
befiehlt der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 seinen
Widerstand zu ändern
in einer solchen Weise, dass Energie übertragen wird vom Motor 16 auf
die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 zur Erzeugung
der angestrebten aktiven Kraftrückmeldungsempfindung.
Somit stellen das haptische Schnittstellensystem 10 und
insbesondere die magnetisch steuerbare Einrichtung 14 in
Kombination mit dem Motor 16 in einer vorteilhaften Weise
eine einfache, kostengünstige
hochleistungsfähige
Lösung
bereit zur Zuführung
aktiver variabler Rückmeldungskräfte, die
es dem Benutzer 12 ermöglichen,
realistische Kraftrückmeldungsempfindungen
zu fühlen.
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Das
haptische Schnittstellensystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist besonders vorteilhaft bei der Bereitstellung eines sehr kostengünstigen,
kompakten und robusten aktiven Kraftrückmeldungssystems. Der hier
verwendete Begriff "aktiv" bezieht sich auf
die Fähigkeit,
unabhängig
eine aktive (positiv wirkende, z. B. nützliche Arbeit ausführende) Kraft
auf die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 zu übertragen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen
haptischen Schnittstellensystemen, die eine aktive Kraftrückkopplung
bereitstellen, benutzen teure Schritt- und Servomotoren, die direkt
an die haptische Schnittstelleneinrichtung angeschlossen sind, während das
haptische Schnittstellensystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer vorteilhaften Weise einen einfachen, kostengünstigen
unidirektionalen Motor 16 einsetzt in Kombination mit einer
magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 zur Bereitstellung aktiver
Rückmeldungsempfindungen.
Eine magnetisch steuerbare Einrichtung 14 wirkt als eine
Kupplung, die einen Schlupf gestattet innerhalb der magnetisch steuerbaren
Einrichtung 14 anstatt eines Blockierens des Motors 16.
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Im
Gegensatz hierzu gestatten herkömmliche
Systeme, dass ein Blockieren eintritt innerhalb deren teurer Motore,
wodurch der elektrische Strom innerhalb des Motors ansteigt, was
den Motor einer hohen Belastung aussetzt und die Abnutzung des Motors
erhöht.
Die kontinuierliche Abnutzung und Belastung, welchen die Motoren
der herkömmlichen Systeme
wiederholt ausgesetzt sind, erklärt,
warum die herkömmlichen
Systeme solch teure und hochleistungsfähige Motoren erfordern. Die
herkömmlichen
Systeme sind schlicht nicht gut geeignet und nicht wirksam ausgelegt
für die
fordernde Umgebung eines aktiven Kraftrückmeldungssystems. Diese Probleme
werden jedoch durch die vorliegende Erfindung behoben, da Schlupf
innerhalb der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 die
Blockierbedingungen, die auf den Motor 16 übertragen
werden, reduziert. Als Ergebnis können weniger teure und hochleistungsfähige Motoren
gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden, wodurch die Kosten des Systems verringert
werden.
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Durch
die kontinuierliche Rückkopplung
zwischen dem haptischen Schnittstellensystem 18 und dem
Computersystem 19 dirigiert das Computersystem die magnetisch
steuerbare Einrichtung 14 dahingehend, dass sie einen variablen
Widerstand bereitstellt, welcher Energie von dem Motor 16 auf
die haptische Schnittstelleneinrichtung 20 überträgt, so das diese
eine Kraft ausführt.
Darüber
hinaus dirigiert das Computersystem 20 basierend auf der
Bearbeitung des interaktiven Programms, dass der Widerstand, der
durch die magnetisch steuerbare Einrichtung 14 bereitgestellt
wird, variiert im Zusammenhang mit den Bildern auf dem Bildschirm 22 und
mit der Bewegung der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18. Wie
dem Sachverständigen
auf diesem Gebiet einleuchtet, ist das Computersystem 20 in
der Lage, eine Vielzahl von Spielen oder Ereignissen zu bearbeiten,
die ein interaktives Programm umfassen, und die nachfolgend gegebenen
Beispiele sollen nicht einschränkend
sein.
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Wenn
beispielsweise das Computersystem 20 ein interaktives Programm
hinsichtlich eines Wagenrennens abfährt und der Benutzer 12 versucht, die
haptische Schnittstelleneinrichtung 18 in einer Richtung
zu bewegen, welche den Rennwagen derart steuert, dass er von einer
nicht zerstörbaren Wand
abprallt, steuert das Computersystem die magnetisch steuerbare Einrichtung 14 derart,
dass sie Energie von dem Motor 16 eine Impulskraft auf
die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 beim Aufprall auf
die Wand überträgt. Außerdem stellen,
solange der Benutzer 12 fortfährt, die Wand anzusteuern,
die magnetisch steuerbare Einrichtung 14 und der Motor 16 Widerstandskräfte bereit,
die gleich oder größer sind
als die Kraft, die an das haptische Schnittstellensysteme 18 angelegt
wird durch den Benutzer, um das Gefühl der unbewegbaren und nicht
zerstörbaren
Wand zu simulieren.
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In
einer ähnlichen
Weise stellt unter der Voraussetzung des gleichen interaktiven Rennwagenabfahrprogramms,
wenn der Benutzer 12 das Auto um eine Kurve fährt, das
Computersystem 20 ein Signal bereit, welches die magnetisch
steuerbare Einrichtung 14 veranlasst, ein variables Ausmaß an Widerstand
bereitzustellen, welches Energie überträgt von dem Motor 16,
um eine Kraftrückkopplung
bereitzustellen, welche der Kraft entgegengesetzt ist, welche der
Benutzer 12 auf die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 überträgt. Die
entgegengesetzte Kraft variiert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
und der Traktion des Autos und der Krümmung der Kurve zum Beispiel.
Als Ergebnis stellt das System 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Widerstandskraftrückkopplungsempfindung
bereit, welche durch den Benutzer 12 empfunden wird über die
haptische Schnittstelleneinrichtung 18, wodurch auf das
interaktive Programm ein realistisches Gefühl für das versuchte Manöver überträgt. Somit übt das System
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine aktive Rückkopplungskraft
auf die haptische Schnittstelleneinrichtung aus, um lebensnahe Kräfte zu simulieren, die
man erfährt
bei dem auf dem Bildschirm 22 dargestellten Ereignis.
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Es
soll nun auf 1 bis 4 Bezug genommen werden,
wobei eine Ausführungsform
der haptischen Schnittstelleneinheit 26 eine magnetisch steuerbare
Einrichtung 14, einen Motor 16, eine haptische
Schnittstelleneinrichtung 18 und einen Sensor 24 umfasst,
die an einem Rahmen 28 montiert sind. Wie der Sachverständige auf
diesem Gebiet erkennt, kann die haptische Schnittstelleneinrichtung 26 auch eine
Steuereinheit 30 umfassen mit einem Rechner 32 zur
lokalen Steuerung von Kommunikationen zwischen dem Computersystem 20 (4) und den haptischen Schnittstelleneinheitskomponenten.
Das Computersystem 20 treibt den Motor 16 mit
einer konstanten Geschwindigkeit und steht auch in Kommunikation
mit dem Sensor 24 und den ein erstes und ein zweites Magnetfeld
erzeugenden Einrichtungen 34, 34' innerhalb der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14.
Es sollte zur Klarheit der 3 erwähnt werden,
dass die Komponenten auf der anderen Seite des Motors 16 und
die Boden- und Endplatten des Rahmens 28 entfernt sind.
Es leuchtet ein, dass die Komponenten auf der anderen Seite spiegelbildlich
zu den sind, die gezeigt sind. Der Motor 16 dreht vorteilhafterweise
ein erstes und ein zweites scheibenförmiges Element 36, 36' in entgegengesetzten
Richtungen über
ein Eingriffselement 38, während der Motor 16 die
Motorabtriebswelle 40 in einer einzigen Richtung dreht.
Während
die Elemente 36, 36' im
Gegensinn durch den Motor 16 gedreht werden, erregt das
Computersystem 20 selektiv die magnetfelderzeugenden Einrichtungen 34, 34' in Abhängigkeit
von der Bearbeitung des interaktiven Programms und des variablen
Eingangssignals von dem Positionssensor 24. Die selektive
Erregung führt
zur Übertragung
einer Drehung des zugeordneten Elementes 36 oder 36' auf die Abtriebswelle 50,
die fest an dem zentralen Motor 42 gehalten ist. Die Energie des
Motors 16 wird übertragen
auf den Rotor 42 und dementsprechend auf die Antriebswelle 50 durch eine Änderung
des Widerstandes zwischen dem Rotor und dem Element 36 oder 36' oder sowohl
durch die Anlegung eines Magnetfeldes über eines der jeweils magnetisch
gesteuerten Media 44 oder 44' oder beide, die in dem absorbierenden
Element 46 oder 46' enthalten
sind. Das System 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt damit vorteilhaft aktive bidirektionale Kräfte bereit
in Abhängigkeit
von der selektiven Erregung der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14.
Somit fühlt
ein (nicht dargestellter) Benutzer, der im aktiven Kontakt einer
aktiven Schnittstelleneinrichtung 18, wie beispielsweise
einem Lenkrad in diesem Fall steht, aktive Kraftrückmeldungsempfindungen,
die resultieren aus der Energie, die übertragen wird durch die magnetisch
steuerbare Einrichtung 14 von dem Motor 16.
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Die
magnetisch steuerbare Einrichtung 14 trägt vorteilhaft bei zu einem
kostengünstigen,
kompakten und robusten Aufbau des haptischen Schnittstellensystems 10.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 umfasst eine typische magnetisch
steuerbare Einrichtung 14 ein erstes und ein zweites magnetisch steuerbares
Medium 44, 44',
die jeweils in Arbeitsräumen 48, 48' zwischen einem
ersten drehbaren Element 36 und dem Rotor 42 und
zwischen dem zweiten drehbaren Element 36' bzw. dem Rotor 42 angeordnet
sind. Scheibenelemente 36, 36' sind angeordnet für eine unabhängige relative
Drehung um die Welle 50, während der Rotor 42 an
der Welle fixiert ist und sich mit dieser dreht.
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Die
Welle 50 ist drehbar an dem Rahmen 28 befestigt,
vorzugsweise an zwei Stellen aufeinander gegenüberliegenden Seiten der magnetisch
steuerbaren Einrichtung 14. Lager 52, 52' können an
den Enden des Rahmens 28 vorgesehen sein, um die Welle 50 radial
abzustützen,
während
eine relativ reibungslose Drehung dieser Welle gestattet wird. Geeignete
Materialien für
Lager 52, 52' umfassen
Nylon, Teflon®,
Delrin® oder
MDS, gefüllt
mit Nylon oder ein anderes ähnliches
Material oder eine Einrichtung, wie etwa ein Lager, welches das
Gewicht und die Rotationskräfte
der Welle 50 und der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 aufnehmen
können,
ohne dass sie sich im wesentlichen deformieren und dass sie eine
relativ reibungslose Drehung zwischen der Welle 50 und
dem Rahmen 28 bereitstellen.
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In
einer ähnlichen
Weise können
Abstandselemente 54, 54' jeweils zwischen den Elementen 36, 36' und der Welle 50 angeordnet
sein, um die Reibung zwischen den Elementen und der Welle zu reduzieren.
Niedrige Reibung ist wichtig, da die Welle 50 sich oft
in einer Richtung dreht entgegengesetzt derjenigen der Elemente 36 oder 36' in Abhängigkeit davon,
welche magnetfelderzeugende Einrichtung 34 oder 34' selektiv erregt
ist. Die Reibung zwischen der Welle 50 und den Elementen 36, 36' sollte vorzugsweise
minimiert werden, um den Wirkungsgrad und das Ansprechen des Systems 10 zu
erhöhen
und die Bremswirkung auf die Welle zu reduzieren. Geeignete Materialien
für die
Abstandselemente 54, 54' umfassen Ny– lon, Teflon®, Delrin® und
MDS gefüllt mit
Nylon oder irgendein anderes Material oder eine Einrichtung, wie
etwa ein Lager, welches die Reibung zwischen der Welle 50 und
den Elementen 36, 36' reduziert. Zusätzlich können Abstandselemente 54, 54' zwischen den
Elementen 36, 36' und
dem Rotor 42 positioniert werden, um den geeigneten Abstand
einzustellen zwischen jedem Element und dem Rotor. Außerdem helfen
Abstandselemente 54, 54' bei der Reduzierung der Reibung
zwischen den Elementen 36, 36' und dem Rotor 42 aus
den gleichen Gründen, wie
sie oben beschrieben wurden.
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Magnetisch
steuerbare Media 44, 44' stehen jeweils unter dem Einfluß einer
ersten bzw. einer zweiten, ein magnetisches Feld erzeugenden Einrichtung 34, 34', die selektiv
erregbar sind zur Erzeugung magnetischer Felder variabler Stärke über das jeweils
benachbarte Medium. Das Magnetfeld mit variabler Stärke steht
in Proportion zum variablen Ausgangssignal 45, 45' vom Computersystem 20,
welches der angestrebten Rückmeldungskraft
entspricht, die durch das Computersystem berechnet wird. Jedes magnetisch
steuerbare Medium 44, 44' ist ein Medium, welches eine Änderung
des Widerstandes bereitstellt zu einer relativen Bewegung in Proportion
zu einem angelegten Magnetfeld. Beispielsweise können magnetisch steuerbare
Media 44, 44' eine
Scherfestigkeit besitzen, die sich ändert in Proportion zur Größe des angelegten
magnetischen Feldes. Mit anderen Worten ändert sich die "scheinbare Viskosität" des Mediums proportional
zur Stärke
eines angelegten Magnetfeldes, wobei die Scherkraft, die bereitgestellt
wird, der Relativbewegung widersteht zwischen dem jeweils drehbaren Element 36, 36' und dem Rotor 42.
Ein geeignetes Medium für
die magnetisch steuerbaren Media 44, 44' kann ein magnetorheologisches
Fluid sein, wie dies in den gemeinsam über tragenen amerikanischen
Patentschriften Nr. 5 683 615 und 5 705 085 beschrieben wird. Andere
Fluide können
zum Einsatz kommen, wie etwa Karbonyleisen, welches in einem Kohlenwasserstofföl dispergiert
ist, oder irgendein Medium, welches eine Änderung in seinen Eigenschaften
zeigt in Abhängigkeit
von einem angelegten Magnetfeld. Andere rheologische Fluide können zum Einsatz
kommen gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie sie beschrieben sind beispielsweise in den amerikanischen
Patentschriften Nr. 5 382 373 (Carlson et al) und der US-PS 5 578
238 (Weiss et al).
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Das
erste und das zweite Element 36, 36' sind jeweils drehbar durch den
Motor 16 und befinden sich benachbart zu ihren jeweiligen,
das Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen 34, 34'. Die Elemente 36, 36' befinden sich
bevorzugt auf einander gegenüberliegenden
Seiten des Rotors 42 und vorzugsweise sind beide Elemente
entgegengesetzt durch den Motor 16 getrieben. Vorzugsweise
dreht der Motor 16 die Elemente 36, 36' kontinuierlich
und in entgegengesetzten Richtungen, um die Komplexität und die
Kosten des Motors zu verringern und den Vorteil des Momentes des
drehenden Elementes auszunutzen auf den Eingriff mit dem Motor 42 hin, um
Kraftrückmeldungsempfindungen
bereitzustellen. Wie dem Sachverständigen auf diesem Gebiet jedoch
einleuchtet, können
auch Motore mit verschiedenen Betriebsspezifizierungen, wie etwa
kontinuierlich drehend gegenüber
Drehen auf Befehl und unidirektionale Rotation über bidirektionale Rotation,
wirksam gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden.
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Die
Elemente 36, 36' wie
auch der Rotor 42 umfassen jeweils vorzugsweise ein magnetisch
permeables Material, wie etwa einen magnetisch weichen Stahl, wie
z. B. AISI 1018 Stahl oder AISI 12L14-Stahl, um als Polstücke zu wirken
zur Erzeugung eines Magnetfeldes quer über die jeweiligen Media 44, 44', wie dies durch
Flußlinien 56, 56' angezeigt ist.
Die Elemente 36, 36' können selektiv
in Kommunikation mit der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 stehen
auf die Erregung ihrer entsprechenden magnetfelderzeugenden Einrichtungen 34, 34' hin. Als solches
fühlt der
Benutzer 12, der in Kontakt mit der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 steht
während
der selektiven Erregung die geänderten
Widerstandskräfte,
die bereitgestellt werden durch das selektiv erregbare magnetisch
steuerbare Medium 44, 44'. Dies führt zu einem Transfer von Energie
zwischen dem ersten Element 36 und dem Rotor 42 oder
dem zweiten Element 36' und
dem Rotor 42 in Abhängigkeit
davon, welche Erzeugereinrichtung 34, 34' erregt ist.
Eine signifikante Scherkraft, die der Relativbewegung des ersten
oder des zweiten Elementes 36, 36' und dem Rotor 42 widersteht, kann
erhalten werden mit einer kleinen Menge an magnetisch steuerbarem
Medium 44, 44' zwischen dem
Rotor 42 und dem jeweiligen Element. Somit können Bewegungen,
die eine Scherbewegung zwischen einem Element 36 oder 36' und dem Rotor 42 einschließen, variabel
gesteuert werden durch die magnetisch steuerbare Einrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Weiterhin
enthält
die magnetisch steuerbare Einrichtung 14 vorzugsweise im
wesentlichen die gesamte Menge eines jeden Körpers der magnetisch steuerbaren
Media 44, 44' jeweils
in den Arbeitsräumen 48, 48'. Jede geeignete
Maßnahme,
um die Media 44, 44' an
den Arbeitsräumen 48, 48' aufzunehmen,
kann zum Einsatz kommen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfassen Maßnahmen
zur Aufnahme der magnetisch steuerbaren Media 44, 44' innerhalb der
jeweiligen Arbeitsräume 48, 48' ein erstes
absorbierendes Element 46 bzw. ein zweites absorbierendes
Element 46'.
Die absorbierenden Elemente 46, 46' umfassen ein Material, welches
ein magnetisch steuerbares Medium 44, 44' aufnehmen und
halten kann, wie z. B. über eine
Wicken- oder Kapillarwirkung. Die absorbierenden Elemente 46, 46' besitzen vorzugsweise
einen Matrixaufbau mit offenen Räumen
zur Aufnahme des jeweils magnetisch steuerbaren Mediums 44, 44'. Während jeder
Körper
des magnetisch steuerbaren Mediums 44, 44' innerhalb der
Räume der
jeweiligen absorbierenden Elemente 46, 46' gehalten wird, kann
das Material jedoch muß nicht
selbst absorbierend sein.
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Ein
besonders bevorzugtes Material für
absorbierende Elemente 46, 46' ist ein schwammähnliches
Material, beispielsweise ein offenzelliger Schaum oder ein teilweise
offenzelliger Schaum. Geeignete Materialien für die Herstellung solcher Schäume umfassen
Polyurethan, Kautschuk, Silikonkautschuk, Polyamid, Neopren, Isomer,
Melamin, Polyimid-Hochtemperaturschaum und Metallschaum. Weiterhin
umfassen andere beispielhafte absorbierende Elemente Filze, einschließlich Filze
aus Materialien wie etwa Nomexaramidfaser, Polybenzimadazolfaser,
Teflonfaser und Goretexfaser, Faserglaswickel und textiles Brems-
oder Kopplungs auskleidungsmaterial. Andere Materialien und Strukturen sind
ebenfalls geeignet, wie etwa ein Metallsieb, eine Bürste oder
ein geflocktes Oberflächenmaterial.
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Die
absorbierenden Elemente 46, 46' gestatten auch vorteilhaft eine
Reduzierung der Toleranzen zwischen den Komponenten der magnetisch
steuerbaren Einrichtung 14, wodurch sich Kosten reduzieren
lassen. Um den Einfluß der
Abnutzung an der Oberfläche
der absorbierenden Elemente 46, 46' zu beheben und einen robusten
Aufbau bereitzustellen, ist es erstrebenswert, daß jedes
absorbierende Element zwischen Rotor 42 und dem entsprechenden Element 36, 36' komprimiert
ist. Schraubenfedern 48, 48' können zwischen dem Rahmen 28 und
den Elementen 36, 36' positioniert sein, um Kompressionskräfte bereitzustellen
auf die absorbierenden Elemente 46, 46'. Darüber hinaus
können
die Schraubenfedern 58, 58' zwischen den Lagern 55, 55' positioniert
sein, die sich auf den Scheiben 62, 62' abstützen. Gleitscheiben 62, 62' reduzieren
die Reibung zwischen den sich drehenden Elementen und den Schraubenfedern 58, 58'. Die Komponenten
der Einrichtung 14 werden durch die Federn 58, 58', die Leerlaufrolle 70 sowie
das Eingriffselement 38 zentriert. Geeignetes Material
für die
Gleitscheiben 62, 62' und die Lager 55, 55' umfassen Teflon®,
Nylon, Delrin®,
MDS gefüllt
mit Nylon oder anderes geeignetes Material oder eine Einrichtung,
wie etwa ein Lager, welches die Reibung reduziert zwischen den sich drehenden
Elementen und der Schulter und/oder den Federn.
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Die
absorbierenden Elemente 46, 46' können ohne jegliche Kompression
eingesetzt werden, jedoch jedes absorbierende Element ist vorzugsweise
komprimiert zwischen etwa 30% und 70%, ausgehend von dem Ruhestatus,
in welchem es installiert wurde. Somit vermeidet die vorliegende
Erfindung durch das Einbringen im wesentlichen des gesamten Ausmaßes eines
jeden Körpers
an steuerbarem Medium 44, 44' an den entsprechenden Arbeitsräumen 48, 48' und durch das
Gestatten einer Abnutzung der absorbierenden Elemente 46, 46', die Notwendigkeit, große Mengen
an Medium bereitzustellen wie auch der zugeordneten Dichtugen, Lager
und Aufnahmeeinrichtungen nach dem Stand der Technik, wodurch dementsprechend
die engen Toleranzen reduziert wurden, die früher für alle Komponenten erforderlich waren.
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Die
absorbierenden Elemente 46, 46' sind vorzugsweise an ihren jeweils
drehbaren Elementen 36,36' fixiert, um sicherzustellen, daß sie innerhalb der
jeweiligen Arbeitsräume 48, 48' verbleiben.
Alternativ können
die Elemente 46, 46' auf
jeder Seite des Rotors 42 befestigt sein. Dementsprechend
sind gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
die absorbierenden Elemente 46, 46' jeweils verklebt mit den inneren
Flächen
der Elemente 36, 36',
beispielsweise über
einen druckempfindlichen Kleber. Ein bevorzugtes Material für die absorbierenden
Elemente 46, 46' ist
ein offenzelliger Polyurethanschaum mit einem druckempfindlichen
Kleber auf einer Seite. Alternativ können die absorbierenden Elemente 46, 46' derart geformt
sein, daß sie
an ihrem Platz gehalten werden durch den Aufbau des Elementes, beispielsweise kann
ein rohrförmig
ausgebildetes Schaummaterial um ein Element herum als Hülse befestigt
sein. Schließlich
muß jedes
absorbierende Element 46, 46' nicht vollständig den jeweiligen Arbeitsraum 48, 48' ausfüllen.
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Bei
dem Motor 16 handelt es sich, wie oben diskutiert wurde,
vorzugsweise um einen einfachen Gleichstrom-(DC)-Motor, der vorzugsweise
in einer Richtung dreht mit einer einzigen Betriebsgeschwindigkeit.
Ein in eine Richtung drehender Motor, der mit einer Geschwindigkeit
dreht, vereinfacht die vorliegende Erfindung in einem starken Maße und reduziert
Kosten relativ zu den Motoren, die nach dem Stand der Technik erforderlich
waren. Beispiele eines geeigneten Motors 16 umfassen Permanentmagnetmotore,
hergestellt von Buhler, Johnson, Dayton oder Canon.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 3 und 4 ist der Motor 16 an
einem v-Block des Rahmens 28 über geeignete Maßnahmen,
wie etwa eine c-Klammer, eine Lasche oder einem Halteelement zwischen den
Elementen des Rahmens 28 nach der Montage befestigt. Der
Motor 16 umfaßt
außerdem
eine Abtriebswelle 40, die in Verbindung steht mit beiden
Elementen 36, 36'.
Die Abtriebswelle 40 kann direkt in die Elemente 36, 36' eingreifen
oder vorzugsweise umfaßt
die Abtriebswelle ein Eingriffselement 38, wie etwa ein
Zahnrad, ein gezahntes Rad oder ein Reibrad, welches die Abtriebswelle
und die Elemente miteinander verbindet. Darüber hinaus können Eingriffsringe 66, 66' zwischen jedem
Element 36, 36' und
der Welle 40 angeordnet sein oder es kann ein Eingriffselement 38 vorgesehen
sein, um eine erhöhte
Reibung oder Wirkungsgrad bereitzustellen, zur Verbesserung des Energieüberganges
von dem Motor 16 auf die Elemente. Geeignete Materialien
für die
Eingriffsringe 66 und 66' umfassen Elastomeres, wie etwa
natürlicher
Kautschuk, Nitril oder Neopren oder jedes andere geeignete Material
oder eine Einrichtung, wie etwa Zahnräder, die einen erhöhten Wirkungsgrad
bei der Übertragung
der Energie von dem Motor 16 auf die Elemente 36, 36' leisten.
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Die
Welle 40 oder das Eingriffselement 38 sowie die
Elemente 36, 36' besitzen
ein Verhältnis
effektiver Durchmesser, wobei der "effektive Durchmesser" der Durchmesser
einer jeweiligen Komponente an dem Punkt ist, wo sie angeschlossen
sind, um in einer geeigneten Weise die rotatorische Energie von
dem Motor 16 auf den Rotor 32 zu übertragen.
Dieses Verhältnis
bietet ein hinlängliches
Drehmoment, um realistische Kraftrückkopplungsempfindungen auf
den Benutzer 12 zu übertragen
durch die haptische Schnittstelleneinrichtung 18. Wenn
beispielsweise die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 ein
6–10 Zoll
Durchmesser Steuerrad ist, und der Motor 16 ein Gleichstrommotor
ist, der mit etwa 1000–4000
Umdrehungen/min. (upm) rotiert, dann liegt das effektive Durchmesserverhältnis zwischen den
Elementen 36, 36' und
der Welle 40 oder dem Eingriffselement 38 vorzugsweise
zwischen etwa 10 : 1 und 50 : 1 und besonders bevorzugt liegt es
bei etwa 18 : 1.
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Eine
Leerlaufeinrichtung 17 ist an dem Rahmen 28 montiert,
vorzugsweise über
den Einsatz einer Lagereinrichtung 72, wie etwa einem Walzenlager.
Die Leerlaufeinrichtung 70 befindet sich zwischen den Elementen 36, 36', vorzugsweise
auf der gegenüberliegenden
Seite der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 vom Motor 16.
Die Leerlaufeinrichtung 70 ist ein drehbares Element, welches
den Motor 16 komplementiert und die Bildung eines Winkels zwischen
den Elementen 16, 36' verhindert, wodurch ein Außereingrifftreten
mit dem Motor verursacht werden kann. Ähnlich wie der Motor 16 umfaßt die Leerlaufeinrichtung 70 eine
Abtriebswelle 74, die in Verbindung mit beiden Elementen 36, 36' steht. Die Abtriebswelle 74 kann
mit den Elementen 36, 36' in Eingriff stehen oder vorzugsweise
umfaßt
die Abtriebswelle ein Eingriffselement 76, wie etwa ein Zahnrad,
ein gezahntes Rad oder ein Reibrad, welches die Abtriebswelle und
die Elemente miteinander verbindet. Wie beim Motor kontaktiert das
Eingriffselement 76 vorzugsweise Eingriffsringe 66, 66'. Alternativ
kann mehr als ein Freilaufelement vor gesehen sein, welches sich
in einem 120°-Winkelabstand
voneinander befindet im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn
von der Position des Motors 16.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 und 4 umfassen die erste und
die zweite magnetfelderzeugenden Einrichtungen 34, 34' jeweils eine
erste bzw. eine zweite Spule 80, 80', die jeweils aus einem elektrisch leitenden
Draht bestehen, welcher um ein Aufnahmeelement 82, 82', wie etwa einen
Spulenkern oder eine Spule, aufgewickelt ist. Die Schleifenwicklungen
des Drahtes, die jede Spule 80, 80' bilden, sind derart gewickelt,
daß die
Erregung einer jeden Spule mit Elektrizität ein induziertes magnetisches
Feld erzeugt, repräsentiert
durch eine jeweilige Flußlinie 56, 56', die das magnetisch
steuerbare Medium 44, 44' durchschneidet. Das induzierte
magnetische Feld ist proportional zu dem elektrischen Strom, der
angelegt wird, um die Spule und die Anzahl der Wicklungen zu erregen,
und wird gesteuert durch das Ausgangssignal 45, 45' vom Computersystem 20.
Der Draht, welcher jede Spule 80, 80' bildet, kann,
wie dem Sachverständigen
auf dem Gebiet einleuchtet, ausgewählt werden aus einem weiten
Bereich elektrisch leitender Materialien in Abhängigkeit von dem Bereich der
angestrebten magnetischen Feldstärke,
dem Bereich des angestrebten elektrischen Stromes, Raumeinschränkungen
und Spannung. Beispielsweise kann der Draht elektrisch leitende
Materialien umfassen, wie etwa Kupfer, Aluminium, Gold, Silber und ähnliches.
In einer ähnlichen
Weise hängen
die Stärke des
Drahtes und die Anzahl der Windungen innerhalb einer jeden Spule 80, 80' ab von der
Anwendung und können
bestimmt werden durch Verfahren, die dem Sachverständigen auf
diesem Gebiet geläufig
sind.
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Die
erste und die zweite, ein magnetisches Feld erzeugende Einrichtung 34 bzw. 34' können jeweils
dem ersten Element 36 bzw. dem zweiten Element 36' benachbart
sein, sind jedoch vorzugsweise innerhalb von Ausnehmungen 86 bzw. 86' innerhalb axial
einander gegenüberliegenden
Flächen
des Rotors 42 angeordnet. Wie dem Sachverständigen auf dem
Gebiet jedoch einleuchtet, können
die das Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen 34, 34' irgendwo dem
Rotor 42. und dem jeweiligen magnetisch steuerbaren Medium 44, 44' und den zugeordneten
drehbaren Elementen 36, 36' benachbart angeordnet sein, um
einen magnetischen Fluß hierdurch
zu erzeugen.
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Die
Drähte
einer jeweiligen Spule 80, 80' sind über Leiterdrähte 84, 84' an das Computersystem 20 angeschlossen,
welches ein Signal 45, 45' bereitstellt, um jede Spule selektiv
zu erregen, wie dies im größeren Detail
nachfolgend erläutert
wird. Leiterdrähte 84, 84' können auch
durch die Welle 50 geführt
werden, die vorzugsweise hohl ausgebildet ist, und Gewindebohrungen 85 in
der Welle, um jeweils die Spulen 80, 80' der Generatoren 34, 34' mit dem Computersystem 20 zu
verbinden. Nuten 83 können
in einer oder mehreren Seiten des Rotors 40 ausgebildet
sein, um die Leiterdrähte 84, 84' aufzunehmen.
Da die Leiterdrähte 84, 84' an einer drehbaren
Komponente, wie etwa dem Rotor 42, montiert sind, kann
auch eine Notwendigkeit bestehen, die Bewegung dieses Elementes
zu begrenzen, um zu vermeiden, daß der Draht durch exzessive
Streckung, Bindung oder Drehung der Drähte bricht. Alternativ können Maßnahmen
vorgesehen sein, die eine Verbindung zwischen den Drähten und
dem Computersystem 20 gestatten, auch wenn exzessive lineare,
rotatorische, schwenkende oder krummlinige Bewegungen eintreten.
Beispielsweise kann ein Gleitringanschluß, eine Drahtaufwickelspule
und ein Schraubendraht eingesetzt werden, um größere Bewegungsausmaße zu ermöglichen,
während
eine verläßliche Verbindung
aufrechterhalten wird. Diese Alternativen sind jedoch im allgemeinen
teurer und sind dementsprechend nicht so erstrebenswert für ein kostenwirksames
haptisches Schnittstellensystem.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist
die magnetisch steuerbare Einrichtung 14 vorzugsweise mit
der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 und dem Sensor 24 integriert
zur Bildung einer haptischen Schnittstelleneinheit 26.
Die haptische Schnittstelleneinheit 26 kann darüber hinaus
eine Steuereinheit 30 und/oder eine Signalverstärkereinrichtung 90 umfassen,
wie nachfolgend noch in größerem Detail
beschrieben werden wird. Die haptische Schnittstelleneinheit 26 kann
darüber
hinaus einen Rahmen 28 umfassen zur Montage der vorerwähnten Komponenten.
Der Rahmen 28 kann zusätzlich
ein Gehäuse oder
eine Schale einschließen,
um die inneren Komponenten vor den äußeren Elementen zu schützen.
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Eine
geeignete haptische Schnittstelleneinrichtung 18 kann ein
Lenkrad, einen Joystick, einen Steuerknüppel, einen Sitz, einen Motorradrahmen, einen
Jetski-Rahmen, einen
Alpinski-Rahmen oder ein Fußpedal
und jegliche andere Einrichtung, die in Kontakt mit dem Benutzer 12 betreibbar
sind, umfassen. Unter Bezug nahme auf 3 ist
die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 (4) an einer Welle 50 fixiert,
wie etwa über
einen Preßsitz,
eine Verklebung oder mechanische Einrichtungen, wie etwa eine Klammer
oder eine Stellschraube. Somit dreht der Benutzer 12, der
in operativem Kontakt mit der Einrichtung 18 steht, in
diesem Fall einem Lenkrad, auch die Welle 50. In gleicher
Weise wird die Welle 50 auch gedreht durch den Motor 16 über den
selektiven Eingriff des sich drehenden Elementes 36 oder 36' mit dem Rotor 42,
welcher an der Welle 50 fixiert ist. Somit überträgt die haptische
Schnittstelleneinrichtung 18 Energie von dem Motor 16 auf
den Benutzer 12, um eine aktive Kraftrückmeldungsempfindung bereitzustellen.
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Der
Sensor 24 steht in Kommunikation mit der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 (4) zur Identifizierung einer
erfaßten
Position innerhalb einer Beliebigen einer Vielzahl von Positionen,
in welchen die haptische Schnittstelleneinrichtung bewegt werden
kann. Der Sensor 24 stellt ein variables Eingangssignal 92 dem
Computersystem 20 zur Verfügung, basierend auf der erfaßten Position.
Da die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 sich kontinuierlich
bewegen kann, muß der
Sensor 24 rasch das Computersystem 20 mit einer
aktualisierten erfaßten Position
der haptischen Schnittstelleneinrichtung versorgen, um ein realistisches
Gefühl
des interaktiven Programms bereitzustellen. In idealer Weise stellt
der Sensor 24 dem Computersystem 20 ein kontinuierliches
Signal zur Verfügung,
wie etwa einen elektrischen Strom, einen Widerstand, eine Spannung
oder einen Digitalimpuls, die variieren in Abhängigkeit von der Bewegung der
erfaßten
Position und dementsprechend von der Bewegung der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18.
Indem ein kontinuierliches Signal dem Computersystem 20 bereitgestellt wird,
stellt der Sensor 24 eine im wesentlichen augenblickliche
Rückmeldung
der Position der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 dem
Computersystem 20 zur Verfügung. Geeignete Sensoren können ein
Potentiometer, wie etwa Clarostat 10K Ohm Poetentiometer, ein optischer
Codierer, wie etwa ein Clarostat Series 6000 optical rotatry encoder
oder irgendein Typ eines regelbaren oder variablen Widerstandes.
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Unter
Bezugnahme auf 4 kann
beispielsweise ein Sensor 24, wie etwa ein Potentiometer,
auf einer Welle 50 montiert sein, die fest verbunden ist
mit der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18, wobei
es sich in diesem Fall um ein Lenkrad handelt, um die Drehung des
Lenkrades zu erfassen und zu berichten und ein Signal 92 dem
Computersystem 20 zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus
kann auch mehr als ein Sensor 24 erforderlich sein, um
die komplexen Bewegungen der haptischen Schnittstelleneinrichtungen 18 zu
erfassen. Wenn beispielsweise die haptische Schnittstellenenrichtung 18 ein
Joystick ist, kann ein Sensor 24 mit einer Komponente des
Joysticks verbunden sein, um die Bewegung in der X-Richtung zu bestimmen,
während
ein weiterer Sensor 24 an eine andere Komponente des Joysticks angeschlossen
sein kann, um eine Bewegung in der Y-Richtung zu bestimmen. In diesem Beispiel
können
der X-Richtungssensor und der Y-Richtungssensor jeweils ein variables
Eingangssignal absenden, entsprechend der erfaßten Joystick-Position an das Computersystem 20.
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Unter
Bezugnahme auf 1 umfaßt das Computersystem 20 einen
Hauptrechner 94 und kann eine Steuereinheit 30 sowie
eine Verstärkereinrichtung 90 anschließen unter
anderen Komponenten, die erforderlich sind, um mit der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 zu
kommunizieren. Der Hauptrechner 94 schließt typischerweise
einen Eingang/Ausgang 96 zum Absenden/Empfang elektrischer
Signale, einen Prozessor 98 sowie einen Speicher 100 zum
Bearbeiten und Speichern elektrischer Signale, die beispielsweise
repräsentativ
sind für
ein interaktives Programm. Ein geeigneter Hauptrechner 94 ist
beispielsweise ein Personal Computer, wie etwa ein Compaq, IBM,
Gateway oder ein anderer Computer, der in der Lage ist, ausführbare Programme
abzufahren. Der Eingang/Ausgang 96 kann eine Mehrzahl serieller
und/oder paralleler Kommunikationsanschlüsse aufweisen, wie etwa RS-232-Typ-Anschlüsse sowie
Hochgeschwindigkeits-bidirektionale Kommunikationskanäle, wie
der Universal Serial Bus (USB). Der Prozessor 98 kann einen
Intel Pentium Mikroprozessor beispielsweise einschließen. Der Speicher 100 kann
ein Random Access Memory (RAM) und ein Read-Only Memory (ROM), wie
auch ein anderer hinlänglich
bekannter Typ eines Speichers sein. Wie dem Sachverständigen auf
diesem Gebiet bekannt ist, gibt es einen weiten Bereich in Abhängigkeit
von dem speziellen Einsatz an Personal oder anderen Computern, Ein-/Ausgängen, Prozessoren
und Speicher, die gemäß der vorliegenden Erfindung
zum Einsatz kommen können.
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Der
Hauptrechner 94 nimmt das variable Eingangssignal 92 von
dem Sensor 24 auf und stellt ein variables Ausgangssignal
der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 zur Verfügung. Wie
zuvor diskutiert wurde, gibt es eine kontinuierliche Rückmeldeschleife
zwischen dem Computersystem 20 und der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 und
dementsprechend zwischen dem Hauptrechner 94, der magnetisch
steuerbaren Einrichtung 14 und dem Sensor 24.
Das interaktive Programm, welches von dem Hauptrechner 94 abgefahren
wird, nutzt das variable Eingangssignal von dem Sensor 24 als
Eingang zum interaktiven Programm. Unter Verwendung dieses Einganges
bearbeitet der Hauptrechner 94 darüber hinaus das interaktive
Programm, um das variable Ausgangssignal zu bestimmen und dieses
zu der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 abzusenden.
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Beispielsweise
bearbeitet das interaktive Programm innerhalb des Hauptrechners 94 ein
Eingangssignal 92 von dem Sensor 24 und bestimmt eine
Widerstandskraft, die gefordert wird von der magnetisch steuerbaren
Einrichtung 14, um zu koordinieren was der Benutzer 12 gerade
auf dem Bildschirm 22 sieht mit dem was der Benutzer fühlt durch die
haptische Schnittstelleneinrichtung 18, um lebensechte
Empfindungen zu simulieren. Der Hauptrechner 94 sendet
ein Signal 114 zum Bildschirm 22, um das dargestellte
Bild zu aktualisieren, während
er gleichzeitig ein Ausgangssignal zur magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 sendet.
Das Ausgangssignal, welches der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 zugesandt
wird, kann beispielsweise ein elektrischer Strom sein mit einem
Wert, der proportional ist einer Widerstandskraft, die von dem Benutzer 12 erfühlt werden
soll.
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Unter
Bezugnahme auf 4 kann
das elektrische Signal übertragen
werden durch die Drähte 84 oder 84', um die das
elektrische Feld erzeugenden Einrichtungen 34 oder 34' selektiv zu
erregen. Die Widerstandskräfte
zwischen dem Element 36 oder 36' und dem Rotor 42 können geändert werden
durch das magnetische Feld, welches über das magnetisch steuerbare
Medium 44 oder 44' erzeugt
wird. Dies führt
dazu, daß eine Änderung
der Energie, die von dem Motor 16 durch das Element 36 oder 36', den Rotor 42 und
die Welle 50 zur Einrichtung 18 übertragen
wird durch den Benutzer 12 erfühlt wird. Somit fühlt der
Benutzter 12 die aktive Kraft, die durch die magnetisch
steuerbare Einrichtung 14 angelegt wird, welche die Energie
von dem Motor 16 zur haptischen Schnitstelleneinrichtung 14 überträgt, wobei
hierdurch Kraftrückmeldeempfindungen
bereitgestellt werden.
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Während im
allgemeinen das Computersystem 20 ein variables Eingangssignal 52 von
dem Sensor 24 aufnimmt und ein variables Ausgangssignal
für die
magnetisch steuerbare Einrichtung 14 erzeugt, kann eine
Anzahl unterschiedlicher Komponenten in den Signalübergängen involviert
sein. Unter Bezugnahme auf 2 kann
z. B. der Hauptrechner 94 ein Ausgangssignal 102 absenden
mit einem elektrischen Strom, der einer bestimmten Widerstandskraft
proportional ist, welcher an die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 angelegt
wird. Ein Ausgangssignal 102 kann durch die Steuereinheit 30 empfangen
werden für
eine weitere Verarbeitung. Die Steuereinheit 30 empfängt ein
Steuersignal 102 niedriger Leistung und bearbeitet und
konvertiert dieses zu einem entsprechenden Strom für die Aktivierung
der magnetisch steuerbaren Einrichtung 14. Die Steuereinheit 30 kann
ein Mikro-Computer
oder eine Mikro-Steuerung sein mit einem Ein-/Ausgang 104, einem
Prozessor 32 zur Bearbeitung elektrischer Signale, einem
Speicher 106 zum Speichern elektrischer Signale und/oder
Firmware 108, die elektrische Signale speichert und bearbeitet,
wobei die elektrischen Signale repräsentativ sind für ein lokales
interaktives Programm oder Eingänge
von anderen Einrichtungen des Systems 10. Der Ein-/Ausgang 104, der
Prozessor 32 und der Speicher 106 können im wesentlichen ähnlich demjenigen
sein, wie sie beschrieben wurden im Zusammenhang mit dem Hauptrechner 94,
wobei jedoch die Fähigkeiten
der Steuereinheit 30 begrenzter sein können, um Kosten zu reduzieren.
Die Steuereinheit 30 bearbeitet das Ausgangssignal 102 von
dem Hauptrechner 94 und stellt ein modifiziertes Ausgangssignal 102' zur Verfügung.
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Darüber hinaus
kann die Steuereinheit 30 lokal Signale oder Teile von
Signalen bearbeiten, die direkt von den Komponenten innerhalb des
Systems 10 empfangen werden. Beispielsweise kann die Steuereinheit 30 ein
variables Eingangssignal 92 von dem Sensor 24 aufnehmen
und das Signal untersuchen hinsichtlich von Teilen, die lokal bearbeitet
werden können,
bevor das Signal an den Hauptrechner 94 weitergeleitet
wird als modifiziertes variables Eingangssignal 92'. Außerdem kann
die Steuereinheit 30 ein modifiziertes Eingangssignal 92' bereitstellen, um
das Eingangssignal 92 in ein Format zu bringen, welches
leicht von dem Hauptrechner 94 verstanden oder bearbeitet
werden kann. Darüber
hinaus kann die Steuereinheit 30 wahlweise ein Eingangssignal 112 von
der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 empfangen,
wie etwa ein Signal von einem Knopf oder Drücker 111, welcher
sich an der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18 befindet.
Das Eingangssignal 112 kann ein Signal sein, welches ein
reflexartiges Ansprechen erfordert, wie etwa z. B. das Abfeuern
einer Waffe. Anstatt den Hauptrechner 94 mit der Bearbeitung
von Signalen dieses Typs zu belasten, die sehr häufig auftreten können, kann
die Steuereinheit 30 die Bearbeitungsfähigkeit bereitstellen. Das Eingangssignal 112 kann
vollständig
von der Steuereinheit 30 bearbeitet werden, wodurch in
vorteilhafter Weise die Arbeitslast der Hauptrechners 94 reduziert wird.
Der Einsatz der Steuereinheit 30 erhöht die Effizienz des Systems 10 durch
die Durchführung
von Kraftrückmeldeberechnungen
parallel zu den Kraftrückmeldeberechnungen,
die durch den Hauptcomputer 94 ausgeführt wird, während er das interaktive Programm
abfährt.
In einer ähnlichen
Weise kann die Steuereinheit 30 prägnante Befehle hohen Niveaus empfangen
mit dem gesamten oder einem Teil des Ausgangssignals 102,
welches hierin lokal bearbeitet wird. Diese Befehle hohen Niveaus
können
einfache Kraftrückmelde-empfindungen
repräsentieren,
die leicht lokal bearbeitet werden können durch die Steuereinheit 30.
Somit stellt tatsächlich
die Steuereinheit 30 eine parallele Bearbeitungsfähigkeit
dem Hauptrechner 94 zur Verfügung, um den Gesamtwirkungsgrad
des Systems 10 zu maximieren.
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Das
modifizierte variable Ausgangssignal 102', welches durch die Steuereinheit 30 bereitgestellt
wird, kann eine weitere Bearbeitung erfordern, bevor es durch die
magnetisch steuerbare Einrichtung 14 aufgenommen wird.
Das modifizierte Signal 102' kann
empfangen werden beispielsweise durch die Verstärkereinrichtung 90,
um das Niveau des modifizierten Signals 102' anzuheben und ein verstärktes variables
Ausgangssignal 102'' bereitzustellen. Das
modifizierte Signal 102' kann
ein variables Signal mit niedrigem elektrischem Strom sein, welches nicht
ausreicht, um die Spule 80 derart hinreichend zu erregen,
daß sie
ein magnetisches Feld erzeugt mit der erforderlichen Stärke zur
Bereitstellung der angestrebten Widerstandskräfte. Um dieses Problem zu lösen, erhöht die Verstärkereinrichtung 90 die Stärke oder
die Stromstärke
des modifizierten Signals 102' proportional auf ein Niveau, welches
ausreicht, um die Spule 80 in einer geeigneten Weise zu erregen.
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Somit
gestattet die Verstärkereinrichtung 90 vorteilhaft
die Bearbeitung weniger starker Signale innerhalb des Systems 10,
wodurch Kosten eingespart werden, indem weniger Hochleistungskomponenten
und eine geringere Leistung erforderlich sind, bevor man das Signal
auf ein Niveau anhebt, welches erforderlich ist, um die magnetisch
steuerbare Einrichtung 14 entsprechend zu erregen.
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Wie
zuvor erwähnt,
können
die Steuereinheit 30 und die Verstärkereinrichtung 90 ein
Teil des Computersystems 20 oder der haptischen Schnittstelleneinheit 26 sein,
oder sie können
getrennte Komponenten innerhalb des Systems 10 sein. Dem
Sachverständigen
auf diesem Gebiet leuchtet ein, daß die verschiedenen oben beschriebenen
Komponenten kombiniert werden können
in mancherlei Weise, ohne die Betreibbarkeit des Systems zu beeinflussen.
In einer ähnlichen
Weise mögen
manche der Komponenten, wie etwa die Steuereinheit 30 und
die Verstärkereinrichtung 90,
nicht erforderlich sein, wenn ihre Funktionen in einer adäquaten Weise durch
andere Systemkomponenten, wie etwa den Hauptrechner 94,
durchgeführt
werden können.
Somit wird eine Variation der oben beschriebenen Konfiguration des
Systems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
in Betracht gezogen.
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Das
haptische Schnittstellensystem 10 umfaßt zwei eng verkoppelte interaktive
Funktionen: eine Sensoreingangsfunktion sowie eine Kraftausgabefunktion.
Die Sensoreingangsfunktion folgt der Manipulation des Betriebshandbuches
der haptischen Schnittstelleneinrichtung und schickt sensorische Daten
zum Hauptcomputer, welche für
diese Manipulationen repräsentativ
sind. Die Kraftausgabefunktion stellt eine physikalische Rückmeldung
für den
Benutzer zur Verfügung
in Abhängigkeit
von den Befehlen vom Hauptrechner. Diese beiden Funktionen sind miteinander
verflochten dahingehend, daß die
sensorische Eingangsfunktion allgemein variiert in Abhängigkeit
von der Kraftausgabefunktion und umgekehrt. Mit anderen Worten werden
die Manipulationen der haptischen Schnittstelleneinrichtung durch den
Benutzer beeinflußt
durch die angelegten Widerstandskräfte oder die Kraftrückmeldung
und die angelegten Widerstandskräfte
hängen
ab von den Manipulationen des Benutzers. Somit involviert das haptische
Schnittstellensystem 10 eine sehr komplexe und kontinuierliche
Zwischenwirkung.
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Beim
Betrieb fährt
der Hauptrechner 94 ein interaktives Programm, wie etwa
ein Spiel ab, wobei der Prozessor 98 eingesetzt wird, um
ein Video-Signal 114 zu erzeugen, welches von dem Bildschirm 22 empfangen
wird. Das Video-Signal 114 ist ein elektrisches Signal,
welches eingesetzt wird, um ein Bild zu erzeugen, welches einem
Ereignis innerhalb des Spiels entspricht auf dem Bildschirm 22.
Der Benutzer 12 spricht auf das Ereignis an durch die Bewegung
der haptischen Schnittstelleneinrichtung 18, wie etwa ein
Lenkrad oder ein Joystick in Verbindung mit dem gesehenen Ereignis.
Der Sensor 24 sendet ein variables Eingangssignal 92 ab,
welches das Verfolgen der Information umfaßt, die die Position des Lenkrades
oder Joysticks repräsentiert
zur Steuereinheit 30. Die Steuereinheit 30 kann
auf die Information ansprechen durch die Bearbeitung der Information
lokal und durch Weiterleiten der Information oder einer modifizierten
Form der Information als modifiziertes Eingangssignal 92' zum Hauptrechner 94. Auch
wenn die Information lokal bearbeitet wird, kann die Steuereinheit 30 ein
modifiziertes Eingangssignal 92' dem Hauptrechner 94 und/oder
dem Bildschirm 22 zur Verfügung stellen, um das erzeugte
Bild des Ereignisses zu aktualisieren, so daß es der letzten Eingabe entspricht.
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Der
Arbeitscomputer 94 empfängt
das modifizierte Signal 92' von
der Steuereinheit 30 und leitet diese Information in den
Prozessor 98, welcher das interaktive Spiel abfährt. Der
Hauptrechner 94 aktualisiert, basierend auf der Bearbeitung
des modifizierten Eingangssignals 92', das Bild des Ereignisses, welches
auf dem Bildschirm 22 erzeugt wird und stellt ein Ausgangssignal 102 zur
Verfügung,
um die Widerstandskräfte
und dementsprechend die Kraftrückmeldeempfindungen
zu beeinflussen, die von dem Benutzer 12 erfühlt werden,
welcher die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 bewegt
(z. B. ein Rad, ein Joystick oder eine andere menschliche Schnittstelle).
Das Ausgangssignal 102 kann modifiziert werden durch die
Steuereinheit 30 und verstärkt werden durch die Verstärkereinrichtung 90 bevor
des die magnetisch steuerbare Einrichtung 14 als verstärktes variables
Ausgangssignal 102'' erreicht. Das
verstärkte
variable Ausgangssignal 102'' leitet die
Widerstandskraft ein, wie berechnet durch den Hauptrechner 94,
um sie mit dem Ereignis zu koordinieren. Das verstärkte variable
Ausgangssignal 102'' erregt hierdurch
selektiv die Spule 80 oder 80' innerhalb der magnetisch steuerbaren
Einrichtung 14, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld
wird über
den Arbeitsraum 48 oder 48' gelegt und beeinflußt die Scherfestigkeit
des magnetisch steuerbaren Mediums 44 oder 44', welches sich
innerhalb des absorbierenden Elementes 46 oder 46' befindet. Der
Einfluß auf
die Scherfestigkeit des Mediums 44 oder 44' erzeugt Widerstandskräfte zwischen
dem ersten Element 36 oder dem zweiten Element 36' und dem Rotor 42,
welcher an die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 über die
Welle 40 angeschlossen ist. Dies führt dazu, daß der Benutzer 12 die
Widerstandskräfte
durch die haptische Schnittstelleneinrichtung 18 fühlt. Somit überträgt das haptische
Schnittstellensystem 10 die Kraft, die sich ergibt aus
den aktiven Kraftrückmeldeempfindungen
auf den Benutzer 12 durch die haptische Schnittstelleneinrichtung 18,
um beispielsweise das Gefühl
von rüttelnden
Stößen, rauhen
oder weichen Oberflächen,
viskosen Flüssigkeiten,
erhöhter
Schwerkraft, nachgiebiger Federn, rüttelnder Vibrationen, reißender Gewebe,
schwerer Massen, heftiger Winde und jeglichen anderen physikalischen
Phänomens
zu simulieren, welche mathematisch repräsentiert und vom Computersystem 20 berechnet
werden können.
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Während das
haptische Schnittstellensystem 10 beschrieben worden ist
unter Bezugnahme auf die speziellen Ausführungsformen der haptischen Schnittstelleneinheiten
und der zuvor beschriebenen magnetisch steuerbaren Einrichtungen,
können
viele andere Variationen und Ausgestaltungen zum Einsatz kommen,
die die Lehre des hier beschriebenen magnetisch steuerbaren haptischen
Schnittstellensystems anwenden. Es gibt eine Vielzahl haptischer Schnittstelleneinrichtungen 18,
die eine unterschiedliche Ausgestaltung und Anordnung der oben beschriebenen
Komponenten erfordern. Beispielsweise kann die spezielle haptische
Schnittstelleneinrichtung lineare, rotatorische und teilweise rotatorische oder
krummlinige Kräfte
erfordern. Die Lehre, die in dieser Beschreibung gegeben wird, kann
derart angepaßt
werden, daß sie
derartige Erfordernisse umfaßt.
In einer ähnlichen
Weise können
andere Ausführungsformen
einer magnetisch steuerbaren Einrichtung 14 eingesetzt
werden, um zu ähnlichen
Ergebnissen zu kommen. Beispielsweise können magnetisch steuerbare
Einrichtungen erforderlich sein, die unidirektionale rotatorische
Energie, lineare und teilweise rotatorische oder krummlinige Energie übertragen.
Die hier beschriebenen Prinzipien können wiederum so angepaßt werden,
daß sie
derartige Anforderungen umfassen.
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Obwohl
die Erfindung beschrieben wurde unter Bezugnahme auf diese bevorzugten
Ausführungsformen
können
andere Ausführungsformen
zu den gleichen Ergebnissen führen.
Variationen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung sind für den Sachverständigen auf
diesem Gebiet selbstverständlich
und die nachfolgenden Ansprüche
sollen alle derartigen Modifikationen und Äquivalente abdecken.