CN101610877A - 用于触觉控制的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供使用触觉技术的远程接口技术。在第一方面中，提供一种包括多个手指交互作用点的触觉抓握接口，其中致动器在一端连接到致动器控制机构。该机构远离抓握接口安装，反向于手指交互作用点，用于这些点的操作。抓握点包括使致动器通过缆线张紧和传输系统的滑轮。第二方面向操作者提供触觉增强，该触觉增强向操作者指示向受控装置的控制输入的状态。第三方面提供一种仿真运动的装置，其中根据用户在吊舱环境内的运动向用户提供触觉反馈。

Description

用于触觉控制的方法和设备
相关申请
本申请要求以Deakin University的名义在2006年12月19日提交的发明名称为“Method and Apparatus for a Remote Interface”的澳大利亚临时专利申请No.2006907038，和以Deakin University的名义在2007年5月18日提交的发明名称为“Method and Apparatus for MotionSimulation”的澳大利亚临时专利申请No.2007902660，以及以DeakinUniversity的名义在2007年7月13日提交的发明名称为“HapticControl”的澳大利亚临时专利申请No.2007903796的优先权，所述专利申请的说明通过参引完全合并于此并用于所有目的。
技术领域
本发明涉及使用触觉技术的远程接口技术的领域。“触觉”指接触的感觉，比如任何对人类操作者产生触感或通常传感反馈感觉的技术都能分类为触觉技术。
背景技术
在本说明书全文中，词语“发明人”以单数形式的使用可视为对本发明的一个(单数个)或所有(复数个)发明人的参考。发明人识别如下的现有技术。
通常，触觉的领域涉及触觉和力反馈装置以及支持软件的研发、测试和改进，所述触觉和力反馈装置以及支持软件允许用户相对于诸如形状、重量、表面纹理、温度等的属性来感知或“感觉”并操作虚拟物体或环境。
一般地，可规定五种感觉，即视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉，提供最多的关于环境的信息的是视觉、声觉和触觉，其它感觉较细微。
在人体中，触感通常通过位于皮肤表面附近的感受器细胞来实现，最高密度的感受细胞可在手中发现。这些感受器能察觉达到大约300Hz的振动。因此，在触觉接口中，触觉反馈一般可包含通常响应于如用户与虚拟物体之间的接触而在皮肤表面附近应用的相对高频的感觉。相比之下，实际上可认为力的人体感觉更动觉，并且通常力的人体感觉可通过位于身体更深处的感受器实现。这些感受器位于肌肉、肌腱和关节中并且可通过用户身体部位的运动和负载刺激。这些感受器的刺激频率可较低，处在大约0-10Hz的范围中。因此，在触觉接口中，力反馈可包括从某一外部源直接施加在用户上的人为力。
因此，可以认为对触觉而言具有两个方面，首先其提供动觉信息，其次其提供触觉信息。用户察觉的关于物体的动觉信息是诸如其空间位置以及表面对接触是否可变形或有弹性的粗略属性。触觉信息可认为表达被“接触”的物体的纹理或粗糙度。期望两种类型的“接触”信息都在真实的触觉接口中使用。
触觉接口是通过感测用户的运动然后将此信息传递到虚拟环境来使用户能与该虚拟环境交互的系统。除了此交互外，还向用户提供传感反馈，所述传感反馈反映它们在此环境内的动作，由此，它是表达用户与虚拟环境之间的传感交互性的等级的触觉接口的设计。
由M.I.T和SensAble Technologies Inc开发的装置称为PHANToMTM(Personal Haptic Interface Mechanism(个人触觉界面机构))接口，其主要用于计算机触觉的领域中。PHANToMTM接口可使用户能感觉到他们通过利用铅笔或它们手指的末端接触真实物体会经历的交互作用的力。
大部分触觉装置是桌面装置，诸如在包括PHANToM omniTM和PHANToM premiumTM的PHANToMTM范围下出售的触觉装置。其它装置通常是可穿戴的，诸如手套和触觉的身体套装并且可具有高自由度，因此非常昂贵。低价的触觉装置通常是桌面装置，这是因为与它们的全部自由度(DOF)相比，它们具有较少的可控/致动DOF。例如，PHANToM omniTM具有个6DOF，然而仅3个DOF被致动，因此认为此装置仅提供有限的交互性，即传感器比马达更易于安装且更便宜。因此，目前，在PHANToMTM品牌下销售的某些较低价格的触觉装置展现这样的力反馈，该力反馈仅获得三个自由度，即在六个完全的自由度的线性维数(x，y，z)中获得三个自由度。
在触觉接口的设计阶段期间，需要确定在接口上使用的传感器和致动器的数量，使得交互的等级提供最高质量的力反馈。在现有的接口设计中，发明人见证了较大的传感器对致动器的比率的使用，这产生了高度交互式空间经历，但传感反馈的等级降低。较大传感器数量的引入主要由于设计具有高自由度的完全透明的力反馈系统的困难。另一贡献者是传感器比致动器更多的商业实现的低成本因素。
透明度使用户能在不适应机械问题，诸如接口本身的反冲和重量的情况下感觉到真实的力。因此可理解的是在低成本的商业系统中看到更高透明度的接口，这是因为它使用更少的提供力反馈的自由度。由此，更复杂的装置且因此更昂贵的装置提供更低的透明度；然而针对呈现丰富和复杂的虚拟世界以及与丰富和复杂的虚拟世界交互的需求，提供更大的可用性。
已经认识到目前低成本的接口具有的局限性给用户与虚拟环境的交互设置了某些限制。这些限制中的一个是利用传感/力反馈抓握和操作虚拟物体的能力。抓握是最基本的人类交互能力之一，然而，已经显示抓握相对于触觉接口设计是最难以实现的交互能力之一。
早期仿真抓握的尝试基于两个、三个自由度(DOF)装置的使用。尽管此构造提供了非常真实的仿真，但需要大量的工作空间，如果作出使用双手方法的尝试，这是非常受限的。在桌面装置的研发中已具有几种尝试，该桌面装置能仿真具有三维操作和力反馈的抓握，然而这些装置的大部分描述了用于微创手术的工具，诸如腹腔镜或内窥镜工具。鉴于此，还期望提供一种能够适于不同应用的装置。
PHANToMTM装置的交互性能依赖于与虚拟或远距离操作环境的单一交互作用点。已经作出了通过向触觉装置增加具有力反馈的抓握机构来引入多个交互作用点的尝试。此方法允许具有力反馈的抓握的扩展，具有三个自由度的运动和力反馈的增加。通常这些增加可包括触觉装置的末端上包括的抓握功能所需的驱动马达和滑轮系统，这为系统增加了额外的重量并导致总体性能的降低。
关于抓握期间没有内部扭矩施加在物体上的单个理想对的“软手指”(即具有摩擦的点接触)，上述问题的一个潜在的解决方案是使用位于触觉装置的末端上的单个的驱动马达和缆线滑轮系统(K.Salisbury，R.Devengenzo.Toward virtual manipulation：from one point ofcontact to four.Sensor Review，Vol 24·Number 1·2004·pp.51-59)。在此设计中，因为第二指尖感觉到被抓握物体的反作用力(与在拇指与食指之间挤压高尔夫球相同，在两个手指上感觉到的力相同)，所以单个驱动马达和缆线滑轮系统与两个手指都有关。然而，对未被致动的手指的位置进行跟踪明显是不明确的。取决用于与装置即拇指或食指接口交互的附件，附接到滑轮的是通过马达和缆线系统驱动的手指交互作用点。另一手指接口(即，用于抓握的相对手指)直接联接到致动接口，这意味着两个手指将从彼此以及触觉装置移动相等的距离。由此，要降低抓握接口的重量，使用小的驱动马达，由此系统的最大力相对小。此设计可通过不允许用户经历施加到每个手指的个体外力来限制手指接口。此设计还可能受到限制，这是因为扭矩不能提供给用户，这最终将限制用户的交互经历和装置的应用性。
按照发明人的观点，关于当前系统遇到的往往会弱化先前研发的抓握接口的效果的通常弱点，上述问题不用来排他的参考，而是用来指示。
作为示例，图1a示出了已知的触觉接口系统1a，该触觉接口系统1a具有轮式或跟踪平台2a以及诸如上述的PHANToMTM接口的可商业购买的触觉装置3a。触觉装置3a具有探针5a。将向系统1a输入的探针5a的操作者手移动形式的输入转化成向平台2a的控制输入，所述控制输入在通信通道4a上传输。特定应用触觉增强又通过通道6a传递到操作者。
例如，当平台2a在来自机载摄像机的图像的辅助下探测远程环境时，操作者可控制平台2a的运动。当平台可能与障碍物碰撞时，则向操作者提供适当力的形式的触觉增强以向操作者指示机器人将要与障碍物碰撞。
发明人还已经识别了如下的现有技术。运动的仿真通常可分解成两个分量，即基本运动力以及身体在运动期间的感觉或经历。对于基本运动力的第一分量，大部分仿真器或多或少是固定的并且没有动量，因此它们必须产生使用户移动的力以仿真针对仿真运动的方向或动量的变化。通常，可将仿真器的基本运动认为是俯仰(向上倾斜或向下倾斜)、滚转(侧向向左滚动或向右滚动)以及偏转(在水平面内向左转或向右转)。期望精致的仿真器也可有助于垂直、横向和纵向位移，这有效地为系统提供六个自由度。对于身体的运动感觉的第二分量，可以说这涉及通过身体感觉的经历的大脑解释。内耳和视觉被认为起主要的作用。听力也可能对运动的大脑解释具有影响。此外，触觉或触感可提供一种建立解释的运动真实性的方法。触感通常由运动仿真器经由与仿真器本身的结构操作关联的音频驱动器或振动发生器来提供。
具有几种可商业购买的运动仿真器，诸如飞行仿真器。仿真器的示例是由Moog.Inc及其在整个世界范围内的附属公司提供的那些仿真器，所述仿真器使用以闭环的运动学方式构造的基于液压的伺服致动器，然而这些系统的运动和工作包络可能是很有限的。可利用的仿真器技术可使用“吊舱”作为仿真操作者空间以在操作者与仿真系统之间表现物理环境。在运动启动的仿真系统中，此吊舱可安装在运动平台上，并且可响应用户的控制操作以及仿真系统与虚拟环境的交互而生成视觉指示和运动指令。
大部分运动仿真器系统，无论是飞机、汽车、坦克仿真器等都具有一个公共的弱点。例如，它们缺乏通过机械约束的全身运动仍是针对虚拟环境技术的具有挑战性研究的主题。在大多数情形中，现有的技术可使用“座舱”，该“座舱”表示实体车辆及其控制。座舱通常可安装在运动平台上，并且可响应用户的控制操作而生成虚拟窗口显示和运动指令。这些系统往往也专用于特定的应用。
近年来，还存在通过娱乐业和冒险骑行对此技术的开发。然而，对于很多类型的虚拟环境应用，可能需要更主动的自我运动。对于虚拟环境中的全身运动的主要挑战出现在我们具有通过大虚拟空间的移动能力的任何时刻，需要通过变化的表面特性的移动能力以及沿除水平方向外的方向的运动。因而，全身运动的复制或仿真代表着虚拟环境技术中具体挑战性的研究主题。
此说明书中包括的文献、装置、动作或知识的任何讨论用来对本发明的上下文进行说明。应认为：在此处的公开内容和权利要求的优先权日期或之前，没有任何的材料在澳大利亚或别的地方形成现有技术库或相关领域中的普通公知技术的一部分。
发明内容
此处所述的实施例的目的是要消除至少一个与如上文所讨论的现有技术有关的缺点。
在此处所述的第一实施例的一个方面中，提供一种向触觉接口的至少两个用户触点提供反馈的方法，该方法包括如下步骤：
与触觉装置操作上关联地远程联接第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
彼此独立地致动该第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
分别将反馈从第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器分配到第一用户触点和至少一个第二用户触点。
远程联接的步骤可包括如下步骤：将至少一个致动器缆线引导到与触觉装置的终端连通的中心体。在一种形式中，引导的步骤可通过将致动器缆线支承板附接到与触觉装置的终端连通的中心体来执行。该中心体可用于容纳滑轮的轴承，并有效地提供用于缆线支承板的附接装置。通过增加另一滑轮，经由对中心体进行修改，可增加另一手指触点。
可使用固定联接器使触点到中心体的附接便利。
优选地是，致动的步骤包括如下步骤：为每个致动器提供至少一个滑轮和缆线系统，其中每个系统适于提供其相应的滑轮绕中心体的轴线的双向运动。
此外优选的是分配反馈的步骤包括如下步骤：利用至少一个臂构件将每个用户触点操作附接到其相应的反馈致动器。该至少一个臂构件可操作附接到相应的滑轮。分配反馈的步骤可包括：向用户的指尖施加一个或多个内反馈和外反馈。
在此处所述的第一实施例的另一方面中，提供用于向触觉接口的至少两个用户触点提供反馈的设备，该设备包括：
远程联接装置，所述远程联接装置用于与触觉装置操作上关联地远程联接第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
独立的致动装置，所述独立的致动装置用于彼此独立地致动该第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
反馈分配装置，所述反馈分配装置用于分别将反馈从第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器分配到第一用户触点和至少一个第二用户触点。
因此，该远程联接装置可包括：
引导装置，所述引导装置用于将至少一个致动器缆线引导到与触觉装置的终端连通的中心体。在一种形式中，该引导装置可包括致动器缆线支承板，该致动器缆线支承板附接到与触觉装置的终端连通的中心体。可使用固定联接器使致动器缆线支承板到中心体的附接便利。该独立致动装置可包括用于每个致动器的至少一个滑轮和缆线系统，其中每个系统适于提供其相应的滑轮绕中心体的轴线的双向运动。反馈分配装置可包括至少一个用于将每个用户触点操作联接到其相应的反馈致动器的臂构件。该至少一个臂构件可以操作附接到相应的滑轮。反馈分配装置可包括用于向用户的指尖施加一个或多个内反馈和外反馈的手指垫和手指带。
优选地是，该反馈包括一个或多个：
触感；
至少一个动觉力。
在第一实施例的至少一个优选方面中，提供适于向触觉接口的至少两个用户触点提供反馈的设备，所述设备包括：
处理器装置，所述处理器装置适于根据预定的指令集操作，
所述设备与所述指令集一起适于执行如此处所公开的方法步骤。
本发明的第一实施例的优选方面可包括计算机程序产品，该计算机程序产品又包括：
计算机可用介质，所述计算机可用介质具有计算机可读程序代码和计算机可读系统代码，所述计算机可读程序代码和计算机可读系统代码嵌入在所述介质上，用于在数据处理系统内向触觉接口的至少两个用户触点提供反馈，所述计算机程序产品包括：
用于执行如此处所公开的方法步骤中的任一步骤的所述计算机可用介质内的计算机可读代码。
本发明的第一实施例使用的特征是有护套的致动器缆线，所述有护套的致动器缆线延伸到抓握接口外部并且不附接到触觉装置本身。这允许应用到宽范围的触觉装置。本发明的第一实施例的另一特征在于它采用彼此独立的多个手指接口，例如两个手指。下文所述的本发明的第一实施例的另一特征是要向用户提供扭矩反馈，该扭矩反馈产生用户与虚拟或遥控环境之间的增强的交互性。
因此，根据本发明的第一实施例的本质，期望提供一种触觉抓握接口，该触觉抓握接口提高触觉装置末端上的力反馈自由度的数量，触觉装置的致动器远程地安装到例如位于触觉装置下的箱中的抓握接口，因此使其成为完整的系统。这种抓握接口将具有易于在不同类型的触觉装置之间转换的优点。这种装置还将改进目前可商业购买的低价触觉装置的交互性能并拓宽它们的应用。
申请人看到了填充目前的商业触觉接口中的空白的需求；并且此处所述的第一实施例基于对目前装置的扩展的开发，这将为用户提供在复杂的虚拟环境中抓握和操作物体的能力。
在此处所述第一实施例的又一方面中，具有一种向远程接口的至少两个用户触点提供反馈的方法，该方法包括如下步骤：
与远程装置操作上关联地远程联接第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
彼此独立地致动该第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
分别将反馈从第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器分配到第一用户触点和至少一个第二用户触点。
在此处所述第一实施例的另一方面中，具有用于向远程接口的至少两个用户触点提供反馈的设备，该设备包括：
远程联接装置，所述远程联接装置用于与远程装置操作上关联地远程联接第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
独立的致动装置，所述独立的致动装置用于彼此独立地致动该第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
反馈分配装置，所述反馈分配装置用于分别将反馈从第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器分配到第一用户触点和至少一个第二用户触点。
在此处所述的第二实施例的一个方面中，提供一种仿真运动的方法，该方法包括如下步骤：
通过使人形机器人臂与用于接收用户的用户吊舱操作上关联来向用户提供至少六个自由度的运动；
根据用户吊舱的运动来向用户提供触觉反馈。
优选地是，该方法进一步包括如下步骤中的一个或组合：
为用户提供仿真环境的感知；以及
跟踪用户的运动。
提供触觉反馈的步骤可包括将所跟踪的用户的运动反馈到接口，用于适应仿真环境的用户感知。因此，优选的是反馈的步骤包括通过与所跟踪的运动互补的负量来转换用户的视野。所跟踪的运动包括如下中的一个或组合：在笛卡儿坐标X、Y和Z中的位置；以及包括偏转、俯仰和滚转的定向。可提供：至少一个主运动指示，所述至少一个主运动指示由机器人臂产生并对应于吊舱的位置和/或定向；至少一个次运动指示，所述至少一个次运动指示由设置在吊舱中并与用户操作上关联的至少一个触觉致动器生成；以及至少一个力反馈指示，所述至少一个力反馈指示由该至少一个触觉致动器生成，用于仿真用户在仿真环境中遇到的物理现象。
可将进行编程以联系多个仿真环境应用的软件控制与机器人臂的运动控制器操作上关联，并且此操作上关联可包括：生成与由用户控制的吊舱装置相关联并且包括运动参数的用户控制信号，以及将所述控制信号传递到软件控制，用于触发机器人臂的运动指令。
在此处所述的第二实施例的另一方面中，提供运动仿真器设备，该设备联合包括：
人形机器人臂，所述人形机器人臂适于提供至少六个自由度的运动；
用户吊舱，所述用户吊舱用于接收用户，操作连接到该人形机器人臂；
触觉接口，所述触觉接口与该用户吊舱操作上关联，用于根据用户吊舱的运动向用户提供触觉反馈。
此外，该设备进一步包括：用户控制接口，所述用户控制接口与吊舱和机器人臂操作上关联，用于为用户提供仿真环境的感知；以及跟踪装置，所述跟踪装置用于跟踪用户的运动。触觉接口优选适于将所跟踪的用户的运动反馈到用户控制接口，用于适应仿真环境的用户感知。
本发明的所述第二实施例的方面还包括适于仿真运动的设备，所述设备包括：
处理器装置，所述处理器装置适于根据预定的指令集操作，
所述设备与所述指令集一起适于执行如此处所公开的方法步骤中的一个或组合。
在本发明的所述第二实施例的又一方面中，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括：
计算机可用介质，所述计算机可用介质具有计算机可读程序代码和计算机可读系统代码，所述计算机可读程序代码和计算机可读系统代码嵌入在所述介质上，用于在数据处理系统内仿真运动，所述计算机程序产品包括：
用于执行此处所公开的方法步骤中的一个或组合的所述计算机可用介质内的计算机可读代码。
本质上，本发明的第二实施例的方面源于实现：与触觉反馈相结合通过笛卡儿坐标系的X、Y和Z平面以任意定向提供全身运动，通过变得可得到的合成的可信运动指示能明显建立用户的物理真实感或不确信的延缓的量。因此，可认为此处所述的第二实施例提供了通用运动仿真器(UMS)。
此处所述的第二实施例提供了许多优点，诸如：
作为更真实和可信的运动指示的直接结果，该完整系统可提高用户能经历的物理真实感或不确信的延缓的量。
由于当改变方向时通过平移运动与旋转运动的组合以及相同尺寸的转弯半径的使用，而降低了对于视觉和运动指示的对准的依赖性，所以它可消除用户的运动病问题。
人体运动仿真模型的精度能大大改进。
另外，一个或几个研究项目可通过此UMS设施进行支撑，并致力于提高车辆安全性和防止车辆事故，因而所提出的仿真器还可提供显著的社会价值。
触觉启动的UMS设施可提供多种先进的仿真运动，从而明显增强了合作研究计划的能力和研发质量。
具体的研究领域可通过优选的UMS设施支撑，诸如：
·车辆中的电子稳定性控制和对失控情形的意识
·驾驶员疲劳分析
·提高农场上所有地面运动车辆的安全性
·运动对驾驶员达到的速度和精度的影响
·实时车辆动态
与上述的特定现有技术的系统相比，根据第三实施例，本说明书公开了一种用于触觉增强的新用途，我们将其称为“输入控制触觉增强(haptic augmentation)”。
根据一个方面，本发明的第三实施例提供一种系统，其中，对操作者的触觉增强包括第一类型的触觉增强，该第一类型的触觉增强向操作者指示向受控装置的控制输入的状态。
优选的是所述第三实施例的受控装置包括可移动平台。
优选的是该控制输入包括如下中的至少一个：
指令线速度；以及
指令角速度。
优选的是对操作者的第一类型的触觉增强包括虚拟呈现的三维表面。
优选的是该虚拟呈现的三维表面：
在第一维中，表示控制输入的第一分量；
在第二维中，表示控制输入的第二分量；以及
其中控制输入的第一分量和第二分量都是第三维的值的单调递增函数。
此外优选的是该虚拟呈现的三维表面是倒置的中空圆锥，其中该倒置圆锥的高度在第三维中延伸。
优选的是对操作者的触觉增强进一步包括第二类型的触觉增强。
优选的是该第二类型的增强是特定应用触觉增强。在此情形中，还优选的是第一类型触觉增强和第二类型的触觉增强都通过一个虚拟呈现的表面呈现给操作者。
根据另一方面，本发明的所述第三实施例提供一种系统，其中，对操作者的触觉增强包括第一类型的触觉增强和第二类型的触觉增强。在此情形中，优选的是第一类型的触觉增强向操作者指示向受控装置的控制输入的状态。
本发明的所述第三实施例的其它方面提供相应的过程以及用于那些嵌入机读基体中的过程的实施软件。
在此说明书全文中，包括权利要求，我们使用术语：
“ASHA”作为“特定应用触觉增强”的首字母缩写词；以及
“ICHA”作为“输入控制触觉增强”的首字母缩写词。
实施例的其它方面和优选特征在说明书中公开和/或在所附的权利要求中限定，所附的权利要求形成本说明书的一部分。
根据下文给出的详细描述，这些实施例的应用性的进一步范围将变得显而易见。然而，应当理解的是尽管指示了优选实施例，但是这些详细描述和具体示例仅作为示例给出，因为根据此详细描述，此公开的精神和范围内的各种变形和修改对本领域中的技术人员将变得显而易见。
附图说明
根据下面参照附图并与附图结合使用的书面描述，一个或多个优选实施例的其它特征和优点对本领域中的普通技术人员将是显而易见的，这些附图仅作为示例给出，因而不限制本发明的范围，并且在附图中：
图1a是已知的触觉接口系统的示意图；
图1是根据此处所述的第一优选实施例的触觉抓握接口的透视图；
图2是根据此处所述的第一优选实施例的触觉抓握接口的分解透视图；
图3是根据此处所述的第一优选实施例的触觉抓握接口的另一透视图；
图4是根据此处所述的第一优选实施例的触觉抓握接口的前视图；
图5是根据此处所述的第一优选实施例的触觉抓握接口的后视图；
图6是根据此处所述的第一优选实施例的触觉抓握接口的侧视图；
图7是根据此处所述的第一优选实施例的触觉抓握接口的顶视图；
图8是根据此处所述的第一优选实施例的触觉抓握接口的底视图；
图9是根据此处所述的第二优选实施例的通用运动仿真器的透视图；
图10是流程图，示出了针对根据此处所述的第二优选实施例的通用运动仿真器的总体反馈和控制；
图10a是更详细的流程图，示出了针对根据此处所述的第二优选实施例的通用运动仿真器的总体反馈和控制；
图10b是图10和图10a的仿真器的示意性框图；
图10c是如图9中所示的改进吊舱的更详细的透视图；
图11是用于与根据此处所述的第二优选实施例的通用运动仿真器一起使用的改进吊舱的另一透视图；
图12是用于与通用运动仿真器一起使用的改进吊舱的另一透视图，显示了根据此处所述的第二优选实施例的运动捕捉设备；
图13是根据本发明第三优选实施例的操作者控制和可移动平台的示意性框图；
图14、图15和图16示出了图13中所示的实施例的细节；
图17和图17a示出了图1a的现有技术的细节；以及
图18是示出了图13的实施例的操作的方面的流程。
具体实施方式
第一实施例涉及用于提供触觉接口的方法和设备。在一个具体形式中，本实施例涉及便于抓握触觉接口中的物体的方法和设备。在下文中就使用设备向多个手指交互作用点提供反映触觉夹持器接口的力来对该实施例进行描述将是便利的，然而，应当理解的是本发明不仅限于此应用。
在开发所述第一实施例中，对两个要解决的问题进行考虑。首先，具有虚拟指尖点(具体化)的数量的定义，所述虚拟指尖点需要具有完整的形式封闭(稳定抓握)，用于不同的远程夹持器应用。第二，具有能容纳这些多点需求的人体接口的设计。一个相当感兴趣的应用是医学训练，诸如微创手术。由于触觉研究团体对此领域作出了大量努力的事实，所以此触觉领域正变得比以前愈加可信。在另一领域中，诸如在危险环境内的遥操作的军事应用允许对敏感和危险目标的安全评估和解除武装。诸如操作者训练的工业应用允许在不过早暴露于危险工作环境的情况下对工业中的雇员进行安全教育和训练。
在此第一优选实施例中，对两个手指的装置进行考虑，这是因为它允许基于拇指与食指之间的抓握而使用最小限度的传感器和致动器来建立形式封闭。利用较少的传感器和致动器，该装置能附接到现存的3DOF装置并因此提供具有力反馈的抓握和操作同时保持最大可能的透明度。此两个手指设计的益处在于它允许绕抓握轴向用户施加扭力，这产生了另一具有力反馈的轴。
根据第一实施例的触觉接口的透视图在图1中显示。所示的接口具有两个手指抓握触点13，所述手指抓握触点13通常被系统性地称为夹持器1。根据本发明的此优选实施例，每个触点独立于另一触点并由此呈现个体的力。夹持器1通过中心体3和固定联接器4附接到触觉装置2的终端，将参照图2对其进行进一步说明。中心体3可用于容纳滑轮9的轴承，并有效地提供用于缆线支承板5的附接装置。中心体3还提供到触觉装置2的末端的附接点。通过增加另一滑轮9，经由对中心体3进行修改，可增加另一手指触点13。固定联接器4用于将触点13附接到在一个示例情形中的plantom omniTM，但其能够修改成附接到任何触觉装置2。
参照图1到图8，这里将相同的附图标记用于相应的特征，缆线支承板5附接到中心体3，该缆线支承板5含有四个护套端支承构件6并为两个有护套的缆线7提供水平支承。用于手指8的每一个的一个缆线7进入护套端支承构件6的开口(见图7的顶视图中的6)中并绕滑轮9缠绕，这里附图标记‘8’用于指示双向驱动单个手指所必需的每个缆线。每个手指8包括滑轮9、臂和支承垫。
在滑轮的通道中，每个滑轮9具有开口10(在图6中显示)，用于终止缆线7以提供滑轮9绕中心体3的轴线的双向运动。每个缆线7具有两个护套，所述护套用于帮助为滑轮9提供双向运动以及在致动器驱动和控制机构11中的马达致动器之间提供引导，在图1中示意性示出，该致动器驱动和控制机构11远离夹持器1安装在例如触觉装置下的箱中。
角臂构件12附接到滑轮9并平行于中心体3以将反馈，即触感或更优选的力，分配到用户的指尖。这些力经由手指触点13分配，该手指触点13安装到角臂构件12，用于绕角臂构件12的旋转运动。图1中示出的箭头A表示绕中心体3的轴线的旋转运动，以便绕此轴线施加扭矩。此外，所示的箭头A’表示每个手指垫如何能绕每个臂构件12的轴线旋转，这可允许用户的手指在舒适的位置中移动，尤其是在抓握和旋转操作期间。手指触点13包含手指带14，该手指带14将用户的拇指和食指系缚到手指触点13并由此向用户的指尖施加内反馈和外反馈或力。
本领域中的技术人员将认识到，第一实施例的实际体现可在例如适于提供远程呈现的环境中找到应用，尽管不将这视为使用的限制示例。在远程呈现的应用中，用户经历的环境可能是真实的，但是太困难或危险，而不能实际访问。通常某一形式或机器人或可能仅仅是机器人臂可携载传感器，所述传感器经历该环境并将信息发送回到用户。这些环境可涉及如下领域，诸如通过机器人进行消防、外科手术和探测如火星的非常遥远的环境，并且此远程呈现系统的益处在于它们能用于将用户的感觉延伸超越他们的正常能力。例如，可以设想红外线或紫外线传感器能使它们的输出重新映射到可见光谱中以使用户能看到正常情况下不可见的事件，并且装配有辐射计数器的机器人能用于在对人类不安全的原子能发电站内部进行探测。例如，机器人能在不使操作者遭受危险的情况下对损坏的区域进行检查并报告辐射等级。
第二实施例涉及运动仿真。在下文中就使用人形机器设备以提供触觉启动的通用运动仿真器平台用于促进车辆仿真以支持训练和/或研究来对第二实施例进行描述将是便利的，然而，应当理解的是本发明不仅限于此应用。
通常，触觉学领域涉及触觉和力反馈装置以及支持软件的研发、测试和改进，所述触觉和力反馈装置以及支持软件允许用户相对于诸如形状、重量、表面纹理、温度等的属性来感知或“感觉”并操作虚拟物体。
一般地，可规定五种感觉，即视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉，提供最多的关于环境的信息的是视觉、声觉和触觉，其它感觉较细微。
在人体中，触感通常通过位于皮肤表面附近的感受器细胞来实现，最高密度的感受细胞可在手中发现。这些感受器能察觉达到大约300Hz的振动。因此，在触觉接口中，触觉反馈一般可包含通常响应于如用户与虚拟物体之间的接触而在皮肤表面附近应用的相对高频的感觉。相比之下，实际上可认为力的人体感觉更动觉，并且通常力的人体感觉可通过位于身体更深处的感受器实现。这些感受器位于肌肉、肌腱和关节中并且可通过用户身体部位的运动和负载刺激。这些感受器的刺激频率可较低，处在大约0-10Hz的范围中。因此，在触觉接口中，力反馈可包括从某一外部源直接施加在用户上的人为力。
因此，可以认为对触觉而言具有两个方面，首先其提供动觉信息，其次其提供触觉信息。用户察觉的关于物体的动觉信息是诸如其空间位置以及表面对接触是否可变形或有弹性的粗略属性。触觉信息可认为表达被“接触”的物体的纹理或粗糙度。期望两种类型的“接触”信息都在真实的触觉接口中使用。
触觉接口是通过感测用户的运动然后将此信息传递到虚拟环境来使用户能与该虚拟环境交互的系统。除了此交互外，还向用户提供传感反馈，所述传感反馈反映它们在此环境内的动作，由此，它是表达用户与虚拟环境之间的传感交互性的等级的触觉接口的设计。
根据第二实施例的具体优选方面，提供一种如图9中所示的触觉启动的通用运动仿真器(UMS)。图9的优选UMS是用于经由运动仿真来提供研究和/或训练的平台，其联合包括如下技术：
·高有效载荷的人形机器人91；
·用于人体运动捕捉的跟踪装置(在图11和图12中最好地示出)；
·视觉显示系统93；
·触觉系统94；
·3D音频系统96；
·相关的仿真应用程序设计接口(API)，未示出；
·仿真运动控制软件和硬件，未示出。
在优选的UMS平台中，修改的吊舱97操作附接到机器人臂99的端腕98并且可与商业购得的运动仿真器是相同的构造，诸如与在以De-Gol的名义并转让给Robocoaster Limited的US专利No.6776722中公开的运动仿真器是相同的构造。由De-Gol公开的装置作为RobocoasterTM出售。
吊舱97经由诸如安装法兰911的适当联接器附接到人形机器人91的腕98。因而吊舱97实际上可变成机器人91的末端效应器(工具或夹持器)部分。机器人91可适于在笛卡儿坐标系中以任何定向将吊舱97置于或定位在X、Y和Z平面中的任何位置。
吊舱97可包括形成用户接口的部分的触觉控制(未示出)，该触觉控制用于观察仿真世界的由用户穿戴的诸如头戴式显示器(HMD)的轻型3D显示头戴耳机(未示出)以及提供听觉指示的3D音频系统。HMD可配备有用于音频输入的耳机。虚拟世界能通过合适的定制软件生成，诸如本领域中的技术人员所理解的，用于创建虚拟世界的游戏开发引擎可用于此目的。因此，可优选使用序列立体声将此虚拟世界或环境的场景显示在HMD上，用于对用户的3D深度感知。根据该虚拟世界，可产生听觉指示并能根据可能发生在虚拟世界内的不同事件来触发所述听觉指示，以为用户提供真实和沉浸的真实感觉。要保持UMS的运动与人类视觉系统同步并用于任何动态的生物力学分析，可通过如图11和图12中所示的磁性、电磁和/或光学跟踪器1112引入跟踪能力。
具有其相应的能力的磁性和光学跟踪器1112可互相补充并且可相对于吊舱97的定向和位置在任意的时刻产生精确的定向和位置信息。在任意时刻，根据吊舱97的位置(在笛卡儿坐标中，即X、Y、Z中)和定向(根据偏转、俯仰和滚转)，用户的视野可通过相同值的X、Y、Z偏转、俯仰和滚转的负量转换以保持UMS与用户的视觉系统同步。
限定不同运动模式的两个平行的运动指示可在仿真环境内任何事件的发生处同时产生，并因此能定义为主运动指示和次运动指示。主运动指示可限定吊舱97从空间中的一个点到另一点的位置和定向的总体变化，诸如在汽车驾驶仿真中，从时刻t到t+ε，汽车的位置和定向相对于道路的变化，这里ε定义了时间的微小变化。主运动指示可通过机器人臂99生成并可限定吊舱97的总体位置和定向。另一方面，负责用户的更详细但低强度运动感觉的次运动指示可优选使用如图10c中所示的触觉致动器94在吊舱97内生成。图10c中示出的触觉致动器优选是两个PHANToMTM OmniTM的触觉致动器，然而具有许多不同的触觉致动器的组合和配置，这些触觉致动器的组合和配置可加入吊舱97中，如本领域中的技术人员所理解的。
触觉致动器94还可负责产生力反馈指示以模仿实际的物理现象，诸如在粗糙表面的道路上转弯的同时伴有振动的外倾。
因而，所提出的UMS将在操作者和系统的仿真训练和测试的研究中提供显著的进步。此外，由于当改变方向时通过平移运动与旋转运动的组合以及相同尺寸的转弯半径的使用，而降低了对于视觉和运动指示的对准的依赖性，所以它可消除用户的运动病问题。这可通过沿X、Y、Z平面(在笛卡儿坐标中)将吊舱97置于空间中的任意点处，同时在相同的时间在机器人的腕处产生滚转、倾斜和偏转，从而在空间中以任意的定向放置吊舱97来实现。
如所述的，具有附接到机器人臂的末端的罩的RobocoasterTM系统已经可商业购买。然而，在这些系统中，用户在罩内部的物理运动受到罩壁和罩顶的约束。建议将罩以这样的方式修改成吊舱/座舱97，即用户通过例如五点式安全带约束，而罩本身充当总体框架和上部结构。
吊舱97也可重新构造为允许UMS用于许多不同的应用中。已对机器人91与人类用户之间的交互性进行了考虑以支持此目标并在图10a中示意性示出了这种交互性。图10a显示了用户与机器人之间的交互性。模块101是用于用户输入的GUI(图形用户接口)。模块102从由用户触发的输入控制中提取信息。模块103负责呈现给用户的可视化。预定的仿真环境存在于104中。模块105负责提取位置和定向信息。模块106执行机器人运动信息的提取，然后将该信息传递到用于控制机器人的机器人控制模块108。模块107执行触觉反馈信息的提取，然后将该信息传递到用于控制触觉信息的触觉反馈控制模块109。模块1010表示6DOF的机器人臂。触觉致动器由1011表示，除了单独由机器人臂提供的整个身体的触感之外，触觉致动器为操作者提供触觉信息。图形模块1012用于仿真环境和可视化。
机器人91与人类用户之间的交互性也可基于现有的运动仿真器技术，诸如MediaMationTM控制软件。一个示例的控制系统包是与负责驱动机器人的运动控制器通信的来自MediaMationTM的“UniversalKinematics(通用运动学)”。在汽车驾驶的情景仿真中，可通过用户控制1113，诸如通过转动方向盘或踩下制动或加速踏板来由用户生成信号。然后可将具有不同参数诸如位置坐标、定向转换信息以及线速度和角速度分量的信号传递到运动控制软件以触发对控制器由此对机器人91的内嵌运动指令，从而产生合适的运动。
在广泛的方面中，图10显示了实现这种从用户输入到机器人运动的控制的流程图。概念上，图10显示：
驾驶仿真器+触觉→MediaMationTM控制软件
此逻辑流程包括身体在空间中的位置的创建以及所需速度的计算。然后，将此数据传送到机器人控制器中以执行针对此段的运动。在此上下文中，‘段’指在仿真环境中被转化为要通过机器人控制器执行的控制动作的运动段。
优选的UMS平台的有用特征是通过使用触觉系统在吊舱/座舱97内产生所需的较小的但非常详细的运动来模仿真实的物理运动场景。这通过诸如触觉机械手、触觉方向盘1113和换档机构的触觉系统的力反馈并反射所述力来实现。
作为对机器人臂运动的响应，触觉系统可产生更精细的运动，以便提供真实世界场景的接近真实的经历。此系统的一个示例能是骑高速摩托车的仿真，其中在高速转弯处，驾驶员必须朝着转弯的内侧倾斜。在此仿真场景中，机器人臂99产生总体运动，但驾驶员的平衡感仅能通过触觉系统产生。
对于包括动态生物力学分析和精确的人体运动仿真模型的研发的仿真场景，可建立从有效的测量和良好标准化的数据处理方法论中获得的经验运动数据库。这可从存储到数据库中的运动捕捉单元中获得。一些研发中心可能已具有此数据以便于获得。精确的测量能通过同时使用电磁和光学运动捕捉系统实现以通过非常高精度和鲁棒性地记录运动数据。实际上，磁性跟踪器1112能提供身体不同部位的位置和定向信息，诸如臂和腿利用关节的弯曲角的定位，而光学跟踪器1112可提供用户的整体姿势。将两组信息互相比较并彼此校准以提取用户的真正姿势并由此提取鲁棒性人体运动数据。图11显示了同时使用电磁和光学跟踪器1112的人体运动捕捉的装置。使用联合的电磁和光学运动传感器的跟踪装置1112能提供运动学信息、测量的空间范围、外部的噪声源、运动跟踪时间的量的一定程度的变化并横跨较大的信息空间，从而人体运动仿真模型的精度能大大提高。图12显示了同时使用电磁和光学跟踪器1112的用于人体运动捕捉的物理装置。
参照图11和图12，一旦收集到人类用户输入，则运动控制器(未示出)可用于提供机器人的响应、监控和/或3D图形仿真。此控制器可基于非常先进的运动控制模式。系统控制的体系结构在图10b中呈现。
1310是用以与仿真环境交互的用户交互控制。模块1410跟踪用户以使用户运动和可视化同步。物理引擎1510控制图形对象的物理行为，而模块1610负责图形的注册。校准模块1710保持仿真期间硬件和可视化同步。1810控制机器人臂的致动。力获取模块1910触发触觉反馈。2010表示仿真所需的数据的仓库。仿真环境2110控制不同模块的交互。响应于仿真内的不同事件而为用户产生音频和视觉反馈2210。图形用户接口模块2310通过显示器2410向操作者提供视觉信息。机器人控制器2510负责控制最终的机器人运动。触觉控制器2610负责控制最终的机器人运动。触觉致动器2710向操作者身体的某一特定部位提供触觉力。
能对任何低或高带宽的机器人指令提供非常快速的机器人响应。实际上，运动控制可以是一个软件，该软件在机器人控制器(未示出)中执行以为吊舱97提供运动。
相关控制器软件的一个属性允许机器人轨迹的产生，所述机器人轨迹具有可编程级的关节二阶加速度(jerk)(操作者舒适度)并且没有急剧的曲率变化
此外，系统可允许对包括关节位置、总电流、关节速度和轨迹的在线绘制的各种高级和低级机器人变量的完全实时访问。
一旦完全建立，则系统能用作在事件发生时能响应用户输入的实时训练仿真器，并且能在任一时刻沿任何方向机械移动。运动捕捉可用于确定人体在吊舱97中的空间位置。系统可使用此数据以及来自触觉装置94的输入来确定下一过程的动作。机器人可适于响应来自触觉装置的输入信号。
所提出的UMS平台设施将显著增强研究和开发能力，特别是汽车工业的相关研究。因为汽车工业可能是经济世界或个体经济的基石之一，所以所提出的UMS可使工业能保持对海外竞争者的优势并将明显有助于特定经济的可持续性。
本领域中的技术人员将理解的是，本发明的实施例可在例如适于提供远程呈现的环境中找到应用，尽管不将这视为使用的限制示例。在远程呈现的应用中，用户经历的环境可能是真实的，但是太困难或危险，而不能实际访问。通常某一形式或机器人或可能仅仅是机器人臂可携载传感器，所述传感器经历该环境并将信息发送回到用户。这些环境可涉及如下领域，诸如通过机器人进行消防、外科手术和探测火星，并且此远程呈现系统的益处在于它们能用于将用户的感觉延伸超越他们的正常能力。例如，可以设想红外线或紫外线传感器能使它们的输出重新映射到可见光谱中以使用户能看到正常情况下不可见的事件，并且装配有辐射计数器的机器人能用于在对人类不安全的原子能发电站内部进行探测。例如，机器人能在不使操作者遭受危险的情况下对损坏的区域进行检查并报告辐射等级。
在一种形式中，所描述的第三实施例涉及触觉技术及其用于控制可移动平台的使用。“可移动平台”指具有从一个位置移动到另一位置的能力的系统。这种平台包括但不限于可移动机器人系统、客运地面车辆和无人驾驶飞行器。
图13示出了根据本发明第三实施例的触觉系统138。模块139示出了系统138的部件，这些部件通常会机载地安装在可移动平台上，诸如如图1a中所示的平台2a上。模块1311示出了系统138的部件，这些部件通常会安装在用户附近，包括安装在如图1a中所示的触觉探针3a内。
模块139包括微控制器1312以及运动控制器1313、PID(比例积分微分)马达控制器1314、监控器和编码器1316、机载摄像机1317、GPS接收机1318和6轴惯性测量单元(IMU)1319、声纳传感器1321和ASHA模块1322。
包括模块139的这些部件可在图1a的平台2a上操作。微控制器1312上的程序代码负责低级传感器系统诸如声纳传感器1321的预处理和控制。PID马达控制器1314是其自己的硬件模块。运动控制器1313和ASHA模块1322存在于平台嵌入式计算机上的可执行程序代码中。ASHA模块1322从运动控制器1313、PID马达控制器1314、声纳传感器1321(经由微控制器1312)、GPS 1318和6轴IMU 1319接收所有所需的信息。在ICHA 1323的控制下作用的运动控制器1313产生运动控制设定，所述运动控制设定被发送到PID马达控制器1314。然后，PID马达控制器1314基于编码器反馈1316来实现马达1316的闭环控制。
可移动平台上的传感器系统包括6轴IMU 1319、GPS 1318和声纳传感器1321。GPS 1318和IMU 1319使用串口RS-232通信直接连接到ASHA模块1322(机载计算机上的软件实现)。声纳传感器1321通过微控制器1312控制，然后该微控制器1312使用串口RS-232通信将适当的传感器信息传输到ASHA模块1322(机载计算机上的软件实现)。
操作者控制模块1311包括合适的触觉接口1324(诸如图1a中所示的触觉装置3a)和输入触觉控制增强(ICHA/IHCCS)1323。触觉接口1324从操作者接收物理输入(诸如图1a的探针5a的运动)并将触觉增强传达回到操作者。ICHA 1323的结构和操作以及其与触觉接口1324的交互在下文进行更详细地描述。
图14示出了根据本发明第三实施例的呈现给用户的触觉呈现的控制表面26。
根据目前所述的本发明的实施例，触觉呈现的虚拟表面26使用现货供应的硬件和合适的控制软件实现。根据具体实施的触觉装置，用户能“感觉”或“触及”触觉呈现的虚拟表面26。合适的装置包括但不限于PhantomTM OmniTM、Desktop和Premium装置以及来自NovintTMTechnologies的FalconTM。
触觉控制表面26的优选形状被设计为用作向操作者指示远程平台的指令输入线速度“v”和角速度“ω”的值的指示器。也就是说，触觉控制表面26的形状由如下公式定义：
[(k1·v)2+(k2·ω)2]1/2＝k3·z    (1)
这里
k1和k2按比例确定v和ω相对于彼此的适当范围
k3是与此特定圆锥的斜率有关的常数；以及
假定k1、k2和k3的适当值，则对于任意点(v，ω)，z值(高度)由下式给出：
z＝[(k1·v)2+(k2·ω)2]1/2/k3·(2)
对于最大的期望线速度(v)和角速度(ω)
[(k1·Max v)2+(k2·Max ω)2]1/2＝k3·Max z(3)
这里Max v和Max ω表示期望的最大平台速度。
考虑使用Sensable Technologies(http://www.sensable.com/)的PhantomTM OmniTM 和PioneerTM P3DX MobileRobot(http://www.activrobots.com/ROBOTS/p2dx.html)作为硬件装置的特定组合。
PhantomTM OmniTM提供160W×120H×70D的可用触觉工作空间。PioneerTM P3DX提供1.6米/秒的最大公布的线速度(v)。合适的角速度(ω)需要凭经验确定，然而出于说明的目的，我们考虑可行的最大角速度为0.5的完全旋转(180度)/秒。此外需要考虑当包括彼此的明显作用时，实际上可能不能实现最大的个体线速度和角速度。
这样，我们考虑1米/秒的最大线速度和0.25的完全旋转/秒的角速度。k1、k2的比例因子用于两个目的，相对于彼此按比例确定k1和k2以及按实施的触觉装置的工作空间的尺寸依比例地确定尺寸。装置提供160W×120H×70D的工作空间，分别表示ω、v和高度尺寸(见图14)，而此70mm的深度是限制因子。沿ω和v轴选择标称的65mm范围，这里k1和k2适当地选择为：
对于ω，0.25*k2＝65/2
对于v，1*k1＝65/2
这满足
[(k1·Max v)2+(k2·Maxω)2]1/2＝k3·Max z
这里适当地选择k3。
独立于ASHA的ICHA的实施
当认为ICHA独立时，具有可选的用以呈现所需的虚拟触觉表面的优选方法。一个呈现虚拟触觉圆锥表面的合适方法提供仅沿Z方向呈现的力。假定由Z实际给出的实际Z位置和由公式2给出的期望Z位置，各种控制技术能使用(由Z实际给出的Z位置之间的)差值来呈现期望的表面。具有各种已证实的用于向用户呈现触觉表面和触觉力的显示的技术。此方法包括使用质量弹簧减震器、质量细绳和弹簧模型以及比例积分控制(PID)。所采用的实际方法取决于各种因素，诸如所采用的触觉装置的特性，装置软件库是否提供此预制的软件功能等，以及所呈现的圆锥表面的预期刚度或硬度。通常，需要对触觉探针的位置(x，y，z)进行监控，施加适当的力，指定实施的控制策略。具有各种已证实的用于呈现此表面的控制方法。
图17示出了现有2D平面触觉控制表面(http://citeseer.ist.psu.edu/705176.html)与上述的3-D ICHA之间的差别。在图17中，v和ω分别表示如图1a中所示的平台2a的线速度和角速度。如图17中所示，在二维中，图1a的触觉探针3a从原点的正交位移表示远程平台的指令输入线速度和角速度的值。相比之下，如上文参照公式(1)、(2)和(3)以及图14所述，根据本发明的第三实施例，用户被限制为与三维平面相一致地移动输入探针3a，在三维平面中，探针在第三维中的位移(图14中的高度Z)也指示线速度和角速度的值。
图17a和图15示出了图17的现有技术的配置与根据图14的本发明的第三实施例之间的性能的差别。
具体来说，图15示出了操作者使用根据图14的ICHA将指令输入返回到零运动状态的能力。在提供运动指令中，操作者能利用圆锥的几何形状返回到0，0，0位置。当操作者具有利用指定梯度的表面操作的经历时，那么操作者将能够基于触觉探针的垂直位移判断指令速度。从图17a和图15中将看到使用根据本发明第三实施例的ICHA，远程平台2a的实际角速度和线速度均同时直接返回到零，而在根据图17的系统中，在回到零之前，具有线速度和角速度均过零的过调量。
ICHA的优选圆锥形式为控制可移动平台的运动的用户提供独特的性质。圆锥的几何性质产生向触觉呈现的控制表面上的特定点的会聚。通过沿圆锥表面到其会聚点，用户能容易地判定零速度指令状态。另外，圆锥表面的梯度为用户特别是有经验的用户提供当前指令速度的指示。当操作者具有利用指定梯度的表面操作的经历时，操作者将能够基于触觉探针的垂直位移判断指令速度。
ICHA与ASHA结合的实施
根据本发明第三优选实施例的可选方面，ICHA和ASHA通过单触觉呈现的控制表面26结合并提供给操作者。
当远程平坦2a的运动使得没有ASHA生成时，触觉探针在虚拟表面26上的移动未受阻止，仅受到由角速度和线速度的最大限制所施加的运动上的约束。当远程平台2a的运动使得必须向操作者提供ASHA时，情形是用户能容易地识别实施ASHA的力并易于区别ASHA与ICHA。
假定触觉装置需要进行充分编程以触觉呈现任何虚拟表面和/或力，以便实施此方法，则有两个成分需要考虑。这些是ICHA的触觉呈现以及ASHA的同时触觉呈现。这样，在此方法的实施中，任何瞬间呈现的触觉力将是所需用以呈现ICHA以及任何所需ASHA的力的适当的同时组合。具有几种不同的可采用以呈现所需的虚拟触觉表面的可能方法。一种用于确定用以呈现沿ICHA作用的触觉增强的所需的实际力的优选方法是触觉呈现力的矢量组合。这在图16中进行进一步地说明，这里Fb表示触觉增强力分量，而Fa表示ICHA力分量。，
图18显示了流程图，该流程图示出了用以提供ICHA和AHSA两者的处理1800。
在步骤1802，将触觉装置初始化。
在步骤1803，确定ICHA的参数。这些参数包括最大线速度Maxv，最大角速度Maxω以及比例因子k1，k2，k3。
在步骤1804，作出是否需要ASHA的决定。如果需要ASHA，那么从ASHA接收ω和v方向的力分量的大小(步骤1805)，如果不需要ASHA，那么ASHA的力分量为零(步骤1806)。
在步骤1807，我们确定单独呈现ICHA所需的力。
在步骤1808，我们确定联合ICHA和ASHA的合成力。
在步骤1809，呈现合成触觉力。
尽管已参照若干特定实施例对本发明进行了描述，但是该描述仅是本发明的示例而不认是本发明的限制。在不偏离如所附权利要求所限定的本发明的真正精神和范围的情况下，本领域中的技术人员可设想各种修改。例如，本领域中的技术人员将认识到此处所述的本发明的实施例可使用一个或多个计算机实施。在此情形中，此处公开的方法步骤可体现为包括计算机程序的指示。该程序可存储在计算机可读介质上，诸如存储在软盘、光盘(例如压缩磁盘)或固定磁盘(诸如硬盘驱动器等)上，并且可贮存在存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、固件或闪速RAM存储器中。然后作为软件的程序可在计算机或微处理器装置上执行以实施该方法。程序或其执行的部分也可分配在网络中的多个计算机或服务器上，该网络具有与如下中的一个或其组合相对应的拓扑结构：小的区域，诸如在LAN(局域网)中；大的校园或城市区域，诸如在MAN(城域网)中；或广阔的地理区域，诸如在WAN(广域网)中。作为示例，此处所述的第一实施例可适合用于质量保证(QA)或维护系统的计算机网络实施，用于诊断故障和维修模块或仪器以实现对来自远程平台或中央控制器或微控制器的仪器软件的维护、修理和升级。
应注意的是在此处使用术语“服务器”、“安全服务器”或类似术语的位置，对通信装置进行了描述，该通信装置可用于通信系统中，除非上下文另有需求，并且不应认为将本发明限于任何具体的通信装置类型。因而，通信装置可包括但不限于桥、路由器、桥接路由器(路由器)、交换机、节点或其它通信装置，所述通信装置可以是或不是安全的。
此外应注意的是在此处使用流程图、规则组或它们的等同物来说明本发明各个方面的位置，不应认为本发明限于任何具体的逻辑流程或逻辑实现。在不改变总结果或以其它方式偏离本发明的真正范围的情况下，所述的逻辑可分成不同的逻辑块(例如，程序、模块、功能或子程序)。经常，在不改变总结果或以其它方式偏离本发明的真正范围的情况下，逻辑元件可进行添加、修改、省略、以不同的顺序执行或使用不同的逻辑结构(例如，逻辑门、循环基元、条件逻辑和其它逻辑结构)实施。
本发明的各种实施例可以通过很多不同的形式体现，包括用于与处理器(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器或通用计算机)一起使用的计算机程序逻辑、用于与可编程逻辑装置(例如现场可编程门阵列(FPGA)或其它PLD)一起使用的可编程逻辑、分立元件、集成电路(例如，特定用途集成电路(ASIC))或包括其任何组合的任何其它装置。在本发明的示例性实施例中，将用户与服务器之间的基本所有的通信实施为一组计算机程序指令，将该组计算机程序指令转换成计算机可执行的形式，将其存储在计算机可读介质中，并在操作系统的控制下通过微处理器执行。
实施此处所述的所有或部分功能的计算机程序逻辑可以通过各种形式体现，包括源代码的形式、计算机可执行的形式以及各种中间形式(例如，通过汇编器、编译器、连接器或定位器生成的形式)。源代码可包括一系列计算机程序指令，所述计算机程序指令可在用于与各种操作系统或操作环境一起使用的各种程序语言(例如，目标代码、汇编语言或高级语言，诸如Fortran、C、C++、JACA或HTML)中的任一种中实施。源代码可限定和使用各种数据结构和通信信息。源代码可以是计算机可执行的形式(例如，经由解释程序)，或者源代码可(例如，经由翻译器、汇编器或编译器)转换成计算机可执行的形式。
计算机程序可以通过任何形式(例如，源代码形式、计算机可读形式或中间形式)永久或暂时地固定于有形存储介质，诸如半导体存储器设备(例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或Flash-ProgrammableRAM)、磁性存储设备(例如，软磁盘或固定磁盘)、光学存储设备(例如，CD-ROM或DVD-ROM)、PC卡(例如，PCMCIA卡)或其它存储设备。计算机程序可以通过任何形式固定在信号中，该信号可使用各种通信技术中的任一种传输到计算机，所述通信技术包括但决不限于模拟技术、数字技术、光学技术、无线技术(例如，蓝牙)、网络技术和网络互连技术。计算机程序可利用附带的印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)以任何形式作为可移动存储介质分配，利用计算机系统(例如，在系统ROM或固定磁盘上)预加载或从服务器或电子公告牌分配到通信系统(例如，Internet或万维网)上。
实施此处所述的所有或部分功能的硬件逻辑(包括用于与可编程逻辑装置一起使用的可编程逻辑)可使用传统的手工方法设计，或者可使用各种工具，诸如计算机辅助设计(CAD)、硬件描述语言(例如，VHDL或AHDL)或PLD程序语言(例如，PALASM、ABEL或CUPL)进行电子设计、捕捉、仿真或记录。
可编程逻辑可或永久或暂时地固定于有形存储介质，诸如半导体存储器设备(例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或Flash-Programmable RAM)、磁性存储设备(例如，软磁盘或固定磁盘)、光学存储设备(例如，CD-ROM或DVD-ROM)或其它存储设备。可编程逻辑可固定在信号中，该信号可使用各种通信技术中的任一种传输到计算机，所述通信技术包括但决不限于模拟技术、数字技术、光学技术、无线技术(例如，蓝牙)、网络技术和网络互连技术。可编程逻辑可利用附带的印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)作为可移动存储介质分配，利用计算机系统(例如，在系统ROM或固定磁盘上)预加载或从服务器或电子公告牌分配到通信系统(例如，Internet或万维网)上。
因为在不偏离本发明的必要特征的精神的情况下，本发明可以通过几种方式体现，所以应理解的是除非另有指定，上述实施例不是要限制本发明，而是应在如所附的权利要求中限定的本发明的精神和范围内广泛地解释。各种修改和等同配置旨在包括在本发明以及所附的权利要求的精神和范围内。因此，应将这些具体实施例理解为许多方面的示例，其中本发明的原理可以许多方式实行。例如，尽管此处在特定实施例中将触觉装置描述为能够与人手交互作用(或读和写)，但是还可理解的是此装置可设计为读和写到人脚或身体的某一其它部位以及从人脚或身体的某一其它部位读和写，同时仍体现本发明的实施例。此外，熟悉触觉领域的人员将认识到具有很多不同的在用户的控制下将物体的运动转换成电信号的触觉接口、很多不同的将计算机中生成的力信号转换成能被用户经历的机械力的触觉接口、以及实现两个结果的触觉接口，本发明可包括所述触觉接口的每个和每一个。
在所附的权利要求中，装置加功能分句旨在覆盖执行所限定功能的结构，并且不仅覆盖结构等同物，而且覆盖等同结构。例如尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，这是因为钉子采用圆柱形表面来将木制部件固定在一起，而螺钉采用螺旋表面来将木制部件固定在一起，但是在紧固木制部件的环境中，钉子和螺钉是等同结构。
本说明书中使用的“包括/包含”是要指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、部件或其组合的存在或添加。

Claims (60)

1.一种向触觉接口的至少两个用户触点提供反馈的方法，所述方法包括如下步骤：
与触觉装置操作上关联地远程联接第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
彼此独立地致动所述第一反馈致动器和所述至少一个第二反馈致动器；
分别将反馈从所述第一反馈致动器和所述至少一个第二反馈致动器分配到第一用户触点和至少一个第二用户触点。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述远程联接的步骤包括如下步骤：
将至少一个致动器缆线引导到与触觉装置的终端连通的中心体。
3.如权利要求2所述的方法，其中一固定联接器有利于所述触点到所述中心体的附接。
4.如权利要求1、2或3中的任一项所述的方法，其中所述致动的步骤包括如下步骤：
为每个致动器提供至少一个滑轮和缆线系统，其中每个系统适于提供其相应的滑轮绕所述中心体的轴线的双向运动。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中所述分配反馈的步骤包括如下步骤：
利用至少一个臂构件将每个用户触点可操作地附接到其相应的反馈致动器。
6.如当从属于权利要求4时的权利要求5所述的方法，其中所述至少一个臂构件可操作地附接到相应的滑轮。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中所述分配反馈的步骤包括：
向用户的指尖施加一个或多个内反馈和外反馈。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中所述反馈包括一个或多个：
触感；
至少一个动觉力。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中用户触点包括用于如下用户身体部位中的至少一个的触点：
拇指；
手指；
手；
脚；
前额；
肘。
10.用于向触觉接口的至少两个用户触点提供反馈的设备，包括：
远程联接装置，所述远程联接装置用于与触觉装置操作上关联地远程联接第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
独立的致动装置，所述独立的致动装置用于彼此独立地致动所述第一反馈致动器和所述至少一个第二反馈致动器；
反馈分配装置，所述反馈分配装置用于分别将反馈从所述第一反馈致动器和所述至少一个第二反馈致动器分配到第一用户触点和至少一个第二用户触点。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述远程联接装置包括引导装置，所述引导装置用于将至少一个致动器缆线引导到与触觉装置的终端连通的中心体。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述远程联接装置包括致动器缆线支承板，所述致动器缆线支承板附接到与触觉装置的终端连通的中心体。
13.如权利要求11或12所述的设备，其中一固定联接器有利于所述触点到所述中心体的附接。
14.如权利要求11或12所述的设备，其中一固定联接器有利于所述致动器缆线支承板到所述中心体的附接。
15.如权利要求10至14中的任一项所述的设备，其中所述独立的致动装置包括：
用于每个致动器的至少一个滑轮和缆线系统，其中每个系统适于提供其相应的滑轮绕所述中心体的轴线的双向运动。
16.如权利要求10至15中的任一项所述的设备，其中所述反馈分配装置包括：
至少一个臂构件，用于将每个用户触点可操作地联接到其相应的反馈致动器。
17.如当从属于权利要求15时的权利要求16所述的方法，其中所述至少一个臂构件可操作地附接到相应的滑轮。
18.如权利要求10至17中的任一项所述的设备，其中所述反馈分配装置包括：
手指垫和手指带，用于向用户的指尖施加一个或多个内反馈和外反馈。
19.如权利要求10至18中的任一项所述的设备，其中所述反馈包括一个或多个：
触感；
至少一个动觉力。
20.如权利要求10至19中的任一项所述的设备，其中用户触点包括用于如下用户身体部位中的至少一个的触点：
拇指；
手指；
手；
脚；
前额；
肘。
21.适于向触觉接口的至少两个用户触点提供反馈的设备，所述设备包括：
处理器装置，所述处理器装置适于根据预定的指令集操作，
所述设备与所述指令集一起适于执行如权利要求1至9中的任一项所述的方法。
22.一种计算机程序产品，包括：
计算机可用介质，所述计算机可用介质具有计算机可读程序代码和计算机可读系统代码，所述计算机可读程序代码和所述计算机可读系统代码嵌入在所述介质上，用于在数据处理系统内向触觉接口的至少两个用户触点提供反馈，所述计算机程序产品包括：
用于执行权利要求1至9中的任一项所述的步骤的所述计算机可用介质内的计算机可读代码。
23.一种向远程接口的至少两个用户触点提供反馈的方法，所述方法包括如下步骤：
与远程装置操作上关联地远程联接第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
彼此独立地致动所述第一反馈致动器和所述至少一个第二反馈致动器；
分别将反馈从所述第一反馈致动器和所述至少一个第二反馈致动器分配到第一用户触点和至少一个第二用户触点。
24.用于向远程接口的至少两个用户触点提供反馈的设备，包括：
远程联接装置，所述远程联接装置用于与远程装置操作上关联地远程联接第一反馈致动器和至少一个第二反馈致动器；
独立的致动装置，所述独立的致动装置用于彼此独立地致动所述第一反馈致动器和所述至少一个第二反馈致动器；
反馈分配装置，所述反馈分配装置用于分别将反馈从所述第一反馈致动器和所述至少一个第二反馈致动器分配到第一用户触点和至少一个第二用户触点。
25.一种仿真运动的方法，所述方法包括如下步骤：
通过使人形机器人臂与用于容纳用户的用户吊舱操作上关联来向所述用户提供至少六个自由度的运动；
根据所述用户吊舱的运动来向所述用户提供触觉反馈。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括如下步骤中的一个或组合：
为用户提供仿真环境的感知；以及
跟踪所述用户的运动。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述提供触觉反馈的步骤包括：
将所跟踪的用户的运动反馈到接口，用于适应所述仿真环境的所述用户感知。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述反馈的步骤包括通过与所跟踪的运动互补的负量来转换用户的视野。
29.如权利要求25至28中的任一项所述的方法，其中所跟踪的运动包括如下中的一个或组合：
在笛卡儿坐标X、Y和Z中的位置；以及
包括偏转、俯仰和滚转的定向。
30.如权利要求25至29中的任一项所述的方法，进一步包括提供如下中的一个或组合的步骤：
至少一个主运动指示，所述至少一个主运动指示由所述机器人臂产生并对应于所述吊舱的位置和/或定向；
至少一个次运动指示，所述至少一个次运动指示由设置在所述吊舱中并与所述用户操作上关联的至少一个触觉致动器生成；以及
至少一个力反馈指示，所述至少一个力反馈指示由所述至少一个触觉致动器生成，用于仿真所述用户在所述仿真环境中遇到的物理现象。
31.如权利要求25至30中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：
将进行编程以联系多个仿真环境应用的软件控制与所述机器人臂的运动控制器操作上关联。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述将软件控制与所述运动控制器操作上关联的步骤包括如下步骤：
生成与由所述用户控制的吊舱装置相关联并且包括运动参数的用户控制信号，
将所述控制信号传递到所述软件控制，用于触发所述机器人臂的运动指令。
33.如权利要求25至32中的任一项所述的方法，进一步包括如下中的一个或组合的步骤：
生成经验运动数据库，所述经验运动数据库由捕捉的运动数据组成，用于仿真预定的仿真场景和/或建模；
访问现存的经验运动数据库，所述经验运动数据库由捕捉的运动数据组成，用于仿真预定的仿真场景和/或建模。
34.如权利要求26至33中的任一项所述的方法，其中运动跟踪包括所述用户的身体和/或身体部位的位置和/或定向信息的一个或组合并且通过如下中的一个或组合获得：
磁性；
电磁；以及
光学运动捕捉装置。
35.运动仿真器设备，联合包括：
人形机器人臂，所述人形机器人臂适于提供至少六个自由度的运动；
用户吊舱，所述用户吊舱用于容纳用户，并且可操作地连接到所述人形机器人臂；
触觉接口，所述触觉接口与所述用户吊舱操作上关联，用于根据所述用户吊舱的运动向所述用户提供触觉反馈。
36.如权利要求35所述的设备，进一步包括：
用户控制接口，所述用户控制接口与所述吊舱和所述机器人臂操作上关联，用于为用户提供仿真环境的感知；以及
跟踪装置，所述跟踪装置用于跟踪所述用户的运动。
37.如权利要求36所述的设备，其中所述触觉接口适于将所跟踪的所述用户的运动反馈到所述用户控制接口，用于适应所述仿真环境的所述用户感知。
38.如权利要求37所述的设备，进一步包括转换装置，所述转换装置通过与所跟踪的运动互补的负量来转换用户的视野。
39.如权利要求36至38中的任一项所述的设备，其中所跟踪的运动包括如下中的一个或组合：
在笛卡儿坐标X、Y和Z中的位置；以及
包括偏转、俯仰和滚转的定向。
40.如权利要求35至39中的任一项所述的设备，其中所述设备适于提供如下中的一个或组合：
至少一个主运动指示，所述至少一个主运动指示由所述机器人臂产生并对应于所述吊舱的位置和/或定向；
至少一个次运动指示，所述至少一个次运动指示由设置在所述吊舱中并与所述用户操作上关联的至少一个触觉致动器生成；以及
至少一个力反馈指示，所述至少一个力反馈指示由所述至少一个触觉致动器生成，用于仿真所述用户在所述仿真环境中遇到的物理现象。
41.如权利要求35至40中的任一项所述的设备，进一步包括：
计算机产品，包括软件控制，对所述软件控制进行编程以联系多个仿真环境应用，并且所述软件控制适于与所述机器人臂的运动控制器操作上关联。
42.如权利要求41所述的设备，其中所述软件控制通过如下与所述运动控制器操作上关联：
用户控制信号生成装置，所述用户控制信号生成装置用于生成用户控制信号，所述用户控制信号与由所述用户控制的吊舱装置相关联并且包括运动参数，
通信装置，所述通信装置用于将所述控制信号传递到所述软件控制，用于触发所述机器人臂的运动指令。
43.如权利要求35至42中的任一项所述的设备，进一步包括如下中的一个或组合：
经验运动数据库，所述经验运动数据库初始生成并且由捕捉的运动数据组成，用于仿真预定的仿真场景和/或建模；
访问装置，所述访问装置用于访问现存的经验运动数据库，所述经验运动数据库由捕捉的运动数据组成，用于仿真预定的仿真场景和/或建模。
44.如权利要求36至43中的任一项所述的设备，其中所跟踪的运动包括所述用户的身体和/或身体部位的位置和/或定向信息的一个或组合并且通过如下中的一个或组合获得：
磁性；
电磁；以及
光学运动捕捉装置。
45.适于仿真运动的设备，所述设备包括：
处理器装置，所述处理器装置适于根据预定的指令集操作，
所述设备与所述指令集一起适于执行如权利要求25至34中的任一项所述的方法。
46.一种计算机程序产品，包括：
计算机可用介质，所述计算机可用介质具有计算机可读程序代码和计算机可读系统代码，所述计算机可读程序代码和所述计算机可读系统代码嵌入在所述介质上，用于在数据处理系统内仿真运动，所述计算机程序产品包括：
用于执行权利要求25至34中的任一项的步骤的所述计算机可用介质内的计算机可读代码。
47.一种系统，其中，对操作者的触觉增强包括第一类型的触觉增强，所述第一类型的触觉增强向所述操作者指示向受控装置的控制输入的状态。
48.如权利要求47所述的系统，其中所述受控装置包括可移动平台。
49.如权利要求47或48所述的系统，其中所述控制输入包括如下中的至少一个：
指令线速度；以及
指令角速度。
50.如权利要求47至49中的任一项所述的系统，其中对所述操作者的所述第一类型的触觉增强包括虚拟呈现的三维表面。
51.如权利要求50所述的系统，其中所述虚拟呈现的三维表面：
在第一维中，表示所述控制输入的第一分量；
在第二维中，表示所述控制输入的第二分量；以及
其中所述控制输入的所述第一分量和所述第二分量都是第三维的值的单调递增函数。
52.如权利要求51所述的系统，其中所述虚拟呈现的三维表面是倒置的中空圆锥，其中所述倒置圆锥的高度在第三维中延伸。
53.如权利要求47至52中的任一项所述的系统，其中对所述操作者的所述触觉增强进一步包括第二类型的触觉增强。
54.如权利要求53所述的系统，其中所述第二类型的增强是特定应用触觉增强。
55.如权利要求53或54所述的系统，其中所述第一类型的触觉增强和所述第二类型的触觉增强都通过一个虚拟呈现的表面呈现给所述操作者。
56.一种系统，其中，对操作者的触觉增强包括第一类型的触觉增强和第二类型的触觉增强。
57.如权利要求56所述的系统，其中所述第一类型的触觉增强向所述操作者指示向受控装置的控制输入的状态。
58.如前述权利要求中的任一项所述的系统，基本如参照图13、14、15、16和18所示。
59.一种基本如此处参照所述附图中的至少一个描述的方法。
60.一种基本如此处参照所述附图中的至少一个描述的设备。
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