CN1310366A - 叉形万向臂力反馈机构 - Google Patents

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Abstract

一种定点装置,包括一个由一致动器驱动的力反馈机构,以便向使用者传递物理感知。力反馈机构采用一个具有一对万向臂的万向架。一个臂是双侧或叉形万向臂,该臂在全部的运动中充分地夹持操纵杆手柄。改进的约束可随着公差的减小提供更高的精度,从而使游戏更有趣。力反馈机构进一步包括一个齿轮减速系统。齿轮减速系统的结构设计使其所占空间更小。所述定点装置紧凑且精度高,并且生产成本低。

Description

叉形万向臂力反馈机构
本申请是于1999年3月22日申请的美国专利申请序列号No.09/273,894和2000年2月18日申请的美国专利申请序列号__、题目为“具有直接驱动传感器的折叠齿轮驱动力反馈机构”(代理人编号No.009623-022100)的系列申请，这两份申请的全部公开内容在这里作为参考被结合进来。
本发明总体上涉及定点装置，更具体地说涉及具有力反馈机构的定点装置，所述力反馈机构包括一个改善了与使用者可操作物之间的结合以便提高精度和改善游戏操作的万向架。
一种类型的定点装置具有力反馈特性。这种装置通常用于交互系统中，所述交互系统通常在一个显示屏上向使用者显示一个可视环境。使用者可与显示环境互动，以便通过采用一个使用者可操作物或使用者接口装置例如操纵杆、操纵板按钮控制器、鼠标、跟踪球、输入笔和输入板等进行游戏。接口装置与控制显示环境的计算机系统连接。该计算机根据使用者对使用者可操作物的操作更新模拟或游戏，并向使用者提供反馈。一些接口装置通过向使用者提供物理感觉而向使用者产生触觉或力反馈。通常，马达或其它致动器被连接到使用者可操作物上并且受计算机系统的控制。位置传感器监控使用者可操作物的位置并且向处理数据的计算机提供测量数据。根据该数据，计算机系统产生用于控制马达的控制信号，以便向使用者可操作物产生力反馈，从而除视觉刺激外还向使用者传输物理感觉。
定点装置例如操纵杆倾向于具有扩展连接件，该扩展连接件包括例如万向架或其它安装部件。位置测量传感器通常远离在产生运动处的使用者可操作物例如操纵杆手柄等。从而，连接部件(如万向架的各个部分和用于传感器的安装结构)之间的公差减小了位置测量系统的精度。这进而降低了游戏的质量。
本发明针对一种定点装置，该定点装置例如为包含有改进了的力反馈机构的操纵杆，所述力反馈机构的精度被改善且使游戏更有趣。该机构采用一对万向臂。一个臂是双侧或叉形万向臂，从而在操纵杆和力反馈机构之间提供了更好的连接，以便减少反冲并对游戏进行改善。
该定点装置包括一个用于使用者可操作物如操纵杆的位置传感设备。该位置传感设备应采用直接或基本上直接连接到使用者可操作物上的传感器，以减少反冲，并且该位置传感设备以充分消除传感器上的离轴载荷的方式安装。反冲的减小可使位置测量更为精确从而提高了游戏的趣味，同时，离轴载荷的消除可防止传感器不会被其内部机构损坏。
在一些实施例中，定点装置包含结合有一个力反馈机构，该机构包括一个利用一环形齿轮减速部分的齿轮减速系统，用于从力反馈致动器向定点装置的使用者可操作物进行力的传递。环形减速齿轮部分在一个给定空间中产生比传统的齿轮大的齿轮减速，从而可采用较小的致动器。该齿轮减速系统占据更少的空间。从而，定点装置更为紧凑和精确，且可以更加经济实用。
根据本发明的一个方面，定点装置包括一个操纵杆和一个第一万向臂。该第一万向臂包括连接到操纵杆上的一个第一臂部和一个第二臂部，以便在操纵杆和第一万向臂之间绕一个第一轴线旋转。第一和第二臂部被置于操纵杆的相对侧上。一个第二万向臂连接于操纵杆上，以便在操纵杆和第二万向臂之间绕一个第二轴线旋转。
在一些实施例中，操纵杆包括位于操纵杆的相对侧上且沿第一轴线取向的一个第一圆形凸起和一个第二圆形凸起。第一万向臂包括一个位于第一臂部中用于接收第一圆形凸起的第一圆孔，和一个位于第二臂部中用于接收第二圆形凸起的第二圆孔。
在一些实施例中，一个致动器连接到第一万向臂上，用以绕第二轴线旋转驱动第一万向臂和操纵杆。一个齿轮系统连接到致动器和第一万向臂之间，并且从致动器向第一万向臂进行齿轮减速。该齿轮系统包括至少一个环形齿轮部分，该环形齿轮部分在一凹侧上具有与一个小齿轮的齿啮合的齿，用以驱动环形齿轮部分。
在一些实施例中，一个第一传感器具有与第一传感器轴连接的第一传感器体。第一传感器轴被充分地固定连接到操纵杆上，以便随操纵杆运动。第一传感器轴可相对于第一传感器体大体绕第一轴线旋转。一个第一安装机构设置在第一万向臂上并且与第一传感器体连接，以便使第一传感器体除绕第一轴线旋转之外可随第一传感器轴运动。
下面参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
图1是一个具有两个单侧万向臂的已有操纵杆装置的透视图；
图2A和2B表示一个传统的可变电阻器；
图3是根据本发明的一个实施例的操纵杆装置的透视图；
图4是图3所示操纵杆装置的分解透视图，示出了叉形万向臂；
图5A是一个与一单侧万向臂连接的操纵杆的正视图；
图5B是图5A所示操纵杆和单侧万向臂沿Ⅰ-Ⅰ线的剖视图；
图6A是一个与一叉形万向臂连接的操纵杆的正视图；
图6B是图6A所示操纵杆和单侧万向臂沿Ⅱ-Ⅱ线的剖视图；
图7是图3所示操纵杆装置的分解视图；
图8A是根据本发明的一个实施例的位置传感器的透视图；
图8B是根据本发明的另一个实施例的位置传感器的透视图；
图9是表示图3所示的操纵杆装置的对角线运动的透视图；
图10是根据本发明的一个采用标准外侧齿轮部分的齿轮减速系统的正视图；
图11是根据本发明的另一个实施例的一个采用环形齿轮部分的齿轮减速系统的局部剖视图；
图12是图11所示齿轮减速系统的透视图。
本发明针对在一定点装置(如操纵杆)中用于使用者可操纵物的力反馈机构和位置传感设备。该力反馈机构采用一个双侧或叉形万向臂，该臂在所有的运动中充分地夹持操纵杆手柄，其中包括施加绕手柄轴的转矩以及上、下和前、后的力。所述改进的约束通过减少公差提供更高的精度，从而可使游戏更为有趣。力反馈机构进一步包括一个齿轮减速系统，该系统采用一个可实现更大的齿轮减速的环形齿轮部分。该齿轮减速系统占据更小的空间，使定点装置更为紧凑。该位置传感设备采用直接或基本上直接固定到操纵杆轴或其它使用者可操纵物上的传感器，以便减小反冲并消除传感器上的离轴载荷。
图1表示一个操纵杆手柄22的操纵杆装置20的现有力反馈设备，该操纵杆手柄支撑在一个万向架上，用以沿前-后轴线24和左一右轴线26两个自由度运动。操纵杆22包括一个基座28。一个第一万向臂30A在一个大致圆形的接合点32A处连接到基座28上。操纵杆手柄22包括一个槽和一个销，其中插入一个第二旋转部件32C。通过在一个垂直于手柄22的轴线的平面中运动，该旋转部件允许连接点32B做球面运动。一个第二万向臂30B通过设有一大致圆形的接合点32B的旋转部件32C连接到基座28上。另一个接合点32D形成于操纵杆手柄22的所述槽和销处。接合点32A允许在操纵杆手柄22和臂30A之间由手柄沿前一后轴线24的运动引起的相对旋转，同时，接合点32B允许在操纵杆手柄22和臂30B之间由手柄22沿左-右轴线26的运动引起的相对旋转。
所示万向臂30A、30B为L形。各臂(30A或30B)每侧具有一个接合点(32A或32B)与操纵杆手柄22的基座38连接起来。臂30A、30B为单侧臂。
臂30A连接到一个齿轮架34A上，该齿轮架支撑有一个由一马达38A驱动的齿轮系统36A。同样地，臂30B连接到一个齿轮架34B上，该齿轮架支撑有一个由马达38B驱动的齿轮系统36B。一个电位计40A安装在齿轮架34A上，以便检测操纵杆手柄22的左-右运动26，该运动经接合点32A通过臂30A传递给电位计40A。另一个电位计40B安装在齿轮架34B上，以便检测操纵杆手柄22的前-后运动24，该运动经接合点32B通过臂30B传递到电位计40B上。
在图1所示的操纵杆装置20中，操纵杆手柄22的左-右运动26使得臂30A旋转并触发安装在齿轮架34A上的电位计40A。前-后运动34使得臂30B旋转并触发安装在齿轮架34B上的电位计40B。接合点32A中的公差在电位计40A被操纵杆手柄22的左-右运动26触发之前必须首先被占据。相类似的结果，接合点32B和32D中的公差在电位计40B被操纵杆手柄22的前-后运动24触发之前必须首先被占据。这些公差在定点装置中导致反冲，从而降低了测量精度和游戏的质量。
采用两个单侧万向臂30A、30B需要各个万向臂提供对手柄22的部分固位。这种部分固位与采用完全固位的方式相比，导致额外的公差的叠加，并且增加了系统中的反冲。进而，由于电位计40A、40B安装在齿轮架34A、34B上，马达38A、38B位于外侧，这导致相对较大的台面面积，因而使得操纵杆装置20实际上很大。
与电位计或类似的传感器相关的另一个问题可由离轴载荷引起。可通过图2A和2B中的一个典型的电位计的例子对此进行说明。如箭头Ⅰ所指示的轴S的旋转改变电位计的阻值，以便提供位置感知。在游戏时，一个游戏控制器必须对使用者沿不同的轴线做出突然的和不可预测的运动做出响应，所示游戏控制器通常为一个计算机控制器，例如一个操纵杆。这种类型的运动可将离轴或径向载荷传递给游戏控制器中采用的传感器。
如图2B所示，箭头2和4指示的离轴力随时间的推移可造成接触滑动片W的永久变形，使得即使当对可变电阻的轴S重新定位时滑动片W也会偏离电阻材料R。可变电阻的工作方式为，通过滑动片W猛烈冲击电阻材料R以根据滑动片的旋转位置改变可变电阻的阻值。当滑动片W再也不会与电阻材料R接触时，滑动片W的“离开”将最终损坏可变电阻的功能。随着滑动片的离开，轴S的运动不再被可变电阻记录，因此，计算机将不再记录使用者在操纵杆或其它游戏控制器上的手的运动或其它运动。
传统的传感器不具有用于补偿或消除这些传感器上的载荷的机构，并且不能承受在猛烈的游戏过程中分布在可变电阻的内部机构上的径向载荷和其它离轴力的大的变化。进而，传统的电位计和可变电阻通常被刚性安装在计算机控制器中，并且最终将这些载荷传递给内部机构。从而，随着长时间承受严酷的计算机游戏，这些传感器既缺乏坚固性又缺乏精确性。
定点装置50的一个克服这些问题的实施例如图3所示。定点装置50包括一个支撑在一个万向架上以便在沿前-后轴线54和左-右轴线56在两个自由度上运动的操纵杆手柄52。一个第一万向臂60A在一个圆形接合点62A和一个圆形接合点63A处连接到操纵杆手柄52的基座58上。一个第二万向臂60B在一个圆形接合点62B处连接到基座58上。左-右臂50A连接到一个齿轮架64A上，该齿轮架支撑着一个由左-右马达68A驱动的齿轮系统66A。前-后臂60B连接到一个齿轮架64B上，该齿轮架支撑着一个由前-后马达68B驱动的齿轮系统66B。
A．叉形万向臂
如图4所示，定点装置50的第一万向臂60A是一个包括两个平行臂部65A、67A的双侧或折叠臂，所述两个平行臂部65A、67A分别具有孔79、81，用于在操纵杆52的基座58上与凸起73和凸起71连接。圆形凸起73、71沿左-右轴线56取向，并且优选地相互对齐。由于手柄52的位置在两侧受两个凸起71、73控制，而不是在单侧万向臂中仅受一个凸起的控制，所以可产生更高的转矩阻力。另外，将手柄52夹持在叉形万向臂60A中，进一步减小了万向臂60A的孔79、81和手柄52的凸起73、71之间的公差。单侧万向臂和叉形万向臂之间的比较如图5A-6B所示。
图5A和5B表示手柄22的基座28，该基座具有一个与设置在图1所示的操纵杆装置20的单侧万向臂中的开口59相连接的隆起部57。隆起部57和开口59之间的公差允许一定的反冲。以在手柄22和万向臂30A之间的连接处的角位移形式存在的反冲量例如为5°。在图6A和6B中，手柄52的基座58在两个位置上与叉形万向臂60A连接。隆起部73在一侧上与设置在臂部65A中的孔79连接，隆起71在相对侧上与设置在臂部67A中的开口81连接。由于在叉形万向臂60A中隆起部73、71和孔79、81之间的公差与单侧臂30A中的相同，手柄52和万向臂60A之间的反冲被减小到例如1°。因此，具有叉形万向臂60A的操纵杆装置50可制造得比现有的操纵杆装置20具有更小的公差，且产生的反冲更小。
叉形万向臂60A的另一个特征是对手柄52和万向臂60A之间沿隆起部71、73和孔79、81的轴线的轴向运动的约束。为了提供相同水平的约束，单侧万向臂需要依赖于整个系统的更为紧密的组装公差，因而增加了制造成本并减小了系统的功能。
B．直接驱动传感器
在图3所示的定点装置50中，一个旋转传感器、例如一个左一右电位计70A基本上直接连接到操纵杆轴的基座58上，以便检测操纵杆手柄22的左-右运动56。另一个旋转传感器70B为一个直接连接到基座58上的前一后电位计，以便检测操纵杆手柄22的前-后运动24。
如图7的分解图所示，操纵杆手柄52包括两个凸起73、71，这两个凸起从基座58向相反的方向延伸，并且它们优选地与手柄52形成一体。圆形凸起73、71基本上沿左-右轴线56取向，并且优选地相互对齐。另一个圆形凸起74包括一个插入设置在操纵杆手柄52的基座58中的槽76中的隆起部或柱销75。凸起74基本上沿前-后轴线54取向。柱销75优选地压紧插入槽76中，并且被约束以防相对于手柄52向上、向下或绕前-后轴线54运动。这使得凸起74与手柄52相连接。柱销75的结构有利于允许凸起74绕手柄52的轴线做小的旋转运动，以跟踪操纵杆万向结构的球面运动。
传感器70B具有一个从传感器体78延伸出来并且插入凸起73中的一个开口中的传感器轴77。传感器轴77的轴线基本上与左-右轴线56对齐。臂60的臂部65A中的孔79允许通过其建立起凸起73和传感器轴77之间的连接。传感器轴77优选地通过压入配合或相互配合连接到凸起73上，以形成一个直接驱动连接，以便消除反冲及提高传感器精度。如图3所示，凸起73穿过孔79的插入在操纵杆手柄52和臂60A之间形成万向节62A。在相对侧，凸起71穿过孔81的插入在操纵杆手柄52和臂60A之间形成万向节63A。
如图8A所示，前-后传感器70B包括一个从传感器体78大体径向延伸远离传感器轴77的侧隆起部80。在侧隆起部80的端部处是一个优选为球形的末端82。末端82优选包括一个槽或狭缝84。当组装时，如图3所示，末端82位于一对设置在臂60A上的接触肋或表面86、88之间。如图3和7所示，接触表面86、88可大体从传感器轴77的轴线径向布置，或者可从传感器轴77的轴线横向布置并且大体相互平行定位。
接触表面86、88与末端82接触，以防止传感器体78相对于传感器轴77的轴线旋转。大体呈球形的末端82在其它不受限制的运动方向上提供充分的自由度。例如，除了相对于传感器轴77的轴线旋转之外，如图3所示，传感器体78在包括前-后54、左-右56、上-下、相对于前-后轴线54的列94以及相对于上-下轴线92的偏转96在内的五个自由度上随操纵杆轴52运动。通过允许传感器体78随操纵杆52在五个自由度上运动，用于传感器70B的安装机构不会在传感器轴77和传感器体78之间引起任何弯曲力。由于用于使传感器轴77相对于传感器体78旋转的转矩非常低，所以侧隆起部80上的力非常低，并且不会产生任何破坏。通过这样，仅有传感器70B的内部机构经受的力使连接到传感器70B中的轴77上的滑动片W旋转。从而，用于传感器70B的安装机构充分消除了离轴力(即，除了绕传感器轴77旋转之外的力)引起的传感器70B的内部机构的应变，从而，有利于通过消除反冲而不损伤传感器70B损伤地提高传感器的性能。
如图8A所示，传感器70B的末端82中的槽84基本上平行于接触表面86、88，并且典型地延伸穿过末端82。槽84允许在末端82的制造公差中的变化，同时确保接触表面86、88之间易于组装。槽84有利于末端82被滑动压缩，以便在接触表面86、88之间提供滑动配合。例如，通常球形末端82可具有大约3.15mm的直径，而接触表面86、88之间的间隙大约为3mm。典型地，末端82具有在大约2mm到4mm之间的直径。隆起部80具有大约在3mm到20mm之间的总长度，典型地约为14mm。
末端82典型地由具有一定柔性和弹性的塑料或聚合物材料制成。接触表面86、88优选地在两个接触点上与末端82接触，以提供在防止传感器体78相对于传感器轴77旋转的同时可在剩余五个自由度上完全不受约束地运动的相互配合。塑料和硬聚合物有蠕变的倾向，最终由相互配合产生的应力可达到材料应力曲线上蠕变停止的点，但仍不希望在接触表面86、88和末端82之间没有间隙，以确保它们之间的滑动配合。在一些实施例中，末端82中的槽84可包括一个偏压部件，例如一个弹簧或可压缩材料，该部件偏压末端82，以保持与接触表面86、88的接触。
如图7所示，左-右传感器70A包括一个从传感器体108延伸出来并且插入凸起74的一个开口中的传感器轴107。传感器轴107的轴线大体与前-后轴线54对齐。臂60B具有一个孔109，允许凸起74和传感器轴107之间通过该孔连接起来。如图3所示，凸起74穿过孔109的插入形成操纵杆手柄52和臂60B之间的万向节62B。
传感器轴107优选地通过压力配合或静配合连接到凸起74上，从而形成直接驱动连接，以便充分消除反冲并提高传感器的精度。由于凸起74可在绕操纵杆手柄52的轴线的旋转中滑动，所以传感器70A是一个浮动传感器。在凸起74的柱销75和手柄基座58的槽76之间的连接处可存在一定的反冲，但反冲的总量与图1所示的现有操纵杆装置20相比被充分地减弱。
左-右传感器70A可与图8A所示的前-后传感器70B相同。图8B表示传感器70A的一个可替代的实施例，该传感器70A包括一个从传感器体108大体沿径向延伸远离传感器轴107的轴线的侧隆起部120。在侧隆起部120的端部处是一个典型地呈球形的末端122。末端122优选包括槽或狭缝124。在图8B所示的替代实施例中，侧隆起部120是一个安装到传感器体108上的分立的元件，而在图8A所示的实施例中，侧隆起部80是与传感器体78形成一体的。在本实施例中的侧隆起部120，为了适用于传感器70A可更换所需的不同尺寸和形状。当然，传感器70A、70B均可具有图8B中所示的相同的结构。
在组装时，如图3所示，传感器70A的末端122位于一对设置在臂60B上的接触肋或表面126、128之间。接触表面126、128可大体从传感器轴107的轴线径向设置，或者它们可从传感器轴107横向布置并且相互基本平行，如图3和7所示。
接触表面126、128与末端122接触，以便防止传感器体108相对于传感器轴107旋转。大体呈球形的末端122在不受约束的其它运动自由度上提供充分的自由。例如，如图3所示，除了相对于传感器轴107的旋转外，传感器体108随操纵杆轴52在包括前-后54、左-右56、上-下92、相对于上-下轴线92的偏转96及相对于左-右轴线56的倾斜五个自由度上运动。通过允许传感器体108随操纵杆轴52在五个自由度上运动，用于传感器70A的安装机构不会在传感器轴107和传感器体108之间造成任何弯曲力，从而充分消除了离轴力(即除了绕传感器轴107的旋转之外的力)造成的传感器70A的内部机构中的应变。传感器70A的尺寸、材料和操作与上述传感器70B基本相同。
用于将传感器70A、70B连接到操作杆手柄52上的直接驱动连接使得传感器70A、70B随着支撑在一个万向架上的手柄52运动。图9表示当手柄52以离轴方式在前-后轴线54和左-右轴线56之间斜对角运动时，传感器70A、70B的运动。因为传感器70A、70B除了被约束不能绕各自的传感器轴77的轴线旋转外可随手柄52运动，所以充分地消除了离轴力。
C．齿轮减速系统
再次参考图3，齿轮系统66A、66B在各马达68A、68B和操作杆手柄52之间提供齿轮减速。可采用更高的减速比、更小、更廉价的马达68A、68B。大减速比通常需要大的齿轮，然而，这将增加操作杆装置50的的尺寸。另外，大减速比也可通过采用多个齿轮减速来实现，但这将导致反冲增大。本发明的一个实施例对于齿轮系统采用一个双减速环形齿轮驱动，以实现高齿轮减速，同时与传统的装置相比减小了操纵杆装置50的物理尺寸。
如图7所示，各马达68A、68B驱动第一小齿轮132A、132B，它们与第一齿轮134A、134B啮合并且形成一个第一减速，用于在与第一小齿轮132A、132B的旋转方向相反的方向上的旋转中对其进行驱动。第二小齿轮136A、136B连接到第一齿轮134A、134B上，并且随第一齿轮134A、134B旋转。第二小齿轮136A、136B依次驱动连接到万向臂60A、60B上的第二齿轮，以便提供第二齿轮减速。
图10表示在齿轮系统66B中的第二减速齿轮部分138B的一个实施例，该第二减速齿轮部分138B由第二小齿轮136B驱动，沿与第一小齿轮132B相同的方向旋转。第二齿轮部分138B优选地与臂60B形成一个整体，以便减少零件的数量和潜在的反冲。另外，第二齿轮部分138B也可以是可拆装的，以便根据需要提供不同的齿轮减速。臂60B提供用于操纵杆手柄52的万向支撑且形成齿轮系统66B的一部分。臂60B通过紧固件133B和垫圈135B连接到齿轮架64B上(见图7)。类似地，臂60A通过紧固件133A和垫圈135A连接到齿轮架64A上(见图7)。
第二齿轮部分138B具有足以为臂60B的旋转运动提供足够范围的尺寸，该运动用以向操纵杆手柄52提供力反馈驱动。通过这样，齿轮系统66B不需要一个完整的第二齿轮，从而缩小了装置50的尺寸。由于前-后传感器70B从齿轮架64B移动到操纵杆手柄52的其它侧，所以与图1的现有装置相比，前-后马达68B可移动得更靠近手柄，从而减小的本装置50的尺寸。
在图11和12所示的齿轮系统的另一个实施例中，第二减速齿轮部分140B是一个在内部凹表面上具有齿轮齿的环形齿轮部分，而不象在图10所示的实施例中那样，齿轮齿位于外部凸表面上。在图11和12中，第二减速齿轮部分140B折叠跨过由第一小齿轮132B和第一减速齿轮134B形成的第一级减速。第二小齿轮136B驱动第二减速齿轮部分140B，以便在与第一小齿轮132B的旋转方向相反的方向上旋转。置于环形齿轮部分140B的凹侧上的齿轮齿将节圆直径移动到第二小齿轮136B的其它侧，从而减小了实现给定齿轮比所需的尺寸。采用图11和12中的折叠齿轮部分140B比采用图10的减速齿轮部分138B更为紧凑。
如图10-12所示，齿轮系统66A可与齿轮系统66B基本相同。本齿轮系统66A、66B优选地提供至少大约15∶1的齿轮减速比，更优选地在17∶1到35∶1之间。
在操作中，使用者操作操纵杆手柄52。位置传感器70A、70B检测手柄52的位置，并且将位置测量数据输入给一个马达控制器150，如图3所示。控制器150对数据进行处理，并且将控制信号导向马达68A、68B，以产生并通过齿轮系统66A、66B及万向臂60A、60B向操纵杆手柄52施加一个反馈力，从而向使用者传递物理感受。
叉形万向臂60A产生一个小而强的机构，与单侧万向臂相比，其精度高、公差小，并且可在低成本下提高游戏的趣味性。用于安装传感器70A、70B的直接驱动连接通过减小反冲同时使传感器70A、70B的离轴载荷最小化来提供精确的位置测量。折叠齿轮减速系统66A、66B产生较大的齿轮减速，以便使马达68A、68B的尺寸最小化，同时减小操纵杆装置50的尺寸。
上述设备和方法的设计仅是对本发明的原理的应用，并且可在不脱离权利要求所确定的本发明的主旨和范围的情况下提出许多其它实施例和变型。例如，操纵杆设备可被另一种在不同的自由度上做不同类型运动的使用者可操作物替换。传感器的其它类型或可变电阻可被用作位置传感器。可采用一种不同的万向架结构。齿轮减速的数目可多于或少于两个。可采用不同类型的致动器用于产生力反馈。因此，本发明的范围不应根据上述说明来确定，而是应当根据具有等同于本发明全部范围的后面所附的权利要求书来确定。

Claims (24)

1、一种定点装置，包括：
一个操纵杆；
一个第一万向臂，该第一万向臂包括连接到操纵杆上的一个第一臂部和一个第二臂部，以便在操纵杆和第一万向臂之间绕一个第一轴线旋转，第一和第二臂部被置于操纵杆的相对侧上；
以及一个连接于操纵杆上的第二万向臂，以便在操纵杆和第二万向臂之间绕一个第二轴线旋转。
2、如权利要求1所述的定点装置，其特征在于，第二轴线垂直于第一轴线。
3、如权利要求1所述的定点装置，其特征在于，操纵杆包括位于操纵杆的相对两侧上且沿第一轴线取向的一个第一圆形隆起部和一个第二圆形隆起部，并且第一万向臂包括一个在第一臂部中用于接收第一圆形隆起部的第一圆孔和一个在第二臂部中用于接收第二圆形隆起部的第二圆孔。
4、如权利要求3所述的定点装置，其特征在于，第一圆形隆起部和第二圆形隆起部沿一公共轴线对齐。
5、如权利要求1所述的定点装置，其特征在于，第一万向臂的第一臂部和第二臂部连接到操纵杆的相对侧，以防止在操纵杆和第一万向臂之间沿第一轴线的运动。
6、如权利要求1所述的定点装置，其特征在于，操纵杆包括一个沿第二轴线取向的第三圆形隆起部，并且其中，第二万向臂包括一个用于接收第三圆形隆起部的圆孔。
7、一种定点装置，包括：
一个使用者可操纵物；
一个万向臂，该万向臂包括一个第一臂部和一个第二臂部，它们与使用者可操纵物连接，以便允许在使用者可操纵物和万向臂之间绕第一轴线旋转，第一和第二臂部位于使用者可操纵物的相对侧；
一个与万向臂连接的致动器，用于在绕第二轴线旋转的方向上驱动万向臂和使用者可操纵物；以及
一个连接到致动器和万向臂之间的齿轮系统，该齿轮系统提供从致动器到万向臂的齿轮减速，齿轮系统包括至少一个环形齿轮部分，该部分包括一个位于一凹侧上的齿，用于与驱动环形齿轮部分的小齿轮的齿啮合。
8、如权利要求7所述的定点装置，其特征在于，第二轴线垂直于第一轴线。
9、如权利要求7所述的定点装置，其特征在于，齿轮系统包括一个双重齿轮减速系统。
10、如权利要求9所述的定点装置，其特征在于，所述齿轮系统包括：
一个连接到致动器上以便由致动器旋转驱动的驱动小齿轮；
一个连接到驱动小齿轮上以便由驱动小齿轮驱动的齿轮；以及
一个连接到该齿轮上以便随该齿轮运动的中间小齿轮，
其中，万向臂包括一个环形齿轮部分，该部分在一凹侧上具有与中间小齿轮的齿啮合的齿，用以绕第二轴线旋转驱动使用者可操纵物。
11、如权利要求7所述的定点装置，其特征在于，它进一步包括一个直接连接到使用者可操纵物上的旋转传感器，用以检测使用者可操纵物相对于第二轴线的旋转。
12、如权利要求11所述的定点装置，其特征在于，旋转传感器包括一个与一传感器轴连接的传感器体，所述传感器轴可相对于传感器体绕第二轴线旋转，传感器轴线充分固定地连接到使用者可操纵物上，以便随使用者可操纵物运动，并且还进一步包括一个与旋转传感器连接的安装机构，以便允许除了绕第二轴线的旋转之外，传感器体可随传感器轴运动。
13、如权利要求12所述的定点装置，其特征在于，传感器体包括一个隆起部，并且其中，安装机构包括一对设置在万向臂上、相对于第二轴线横向设置且与隆起部的两侧接触的表面，以便防止传感器体绕第二轴线旋转。
14、如权利要求13所述的定点装置，其特征在于，传感器体的隆起部包括一个大体呈球形的末端，且所述一对表面与大体呈球形的末端接触，以便允许除了绕第二轴线的旋转之外，传感器体可随传感器轴运动。
15、一种定点装置，包括：
一个操纵杆；
一个第一万向臂，该万向臂包括一个第一臂部和一个第二臂部，它们连接到操纵杆上，以允许在操纵杆和第一万向臂之间绕第一轴线旋转，第一和第二臂部设置在操纵杆的相对侧；
一个具有与第一传感器轴连接的第一传感器体的第一传感器，第一传感器轴充分固定地连接到操纵杆上，以便随操纵杆运动，第一传感器轴可相对于第一传感器体大体绕第一轴线旋转；以及
设置在第一万向臂上并且与第一传感器体连接的第一安装机构，用以允许除了绕第一轴线旋转外使第一传感器体随第一传感器轴运动。
16、如权利要求15所述的定点装置，其特征在于，第一传感器轴以压入配合方式插入到一个在操纵杆中的开口内，并且大体上沿第一轴线取向。
17、如权利要求15所述的定点装置，其特征在于，第一传感器包括一个与第一传感器体连接的第一隆起部，并且其中，第一安装机构包括一对设置在第一万向臂上、相对于第一轴线横向设置且与第一隆起部的两侧接触的表面，用以防止第一传感器体绕第一轴线旋转。
18、如权利要求17所述的定点装置，其特征在于，第一传感器体的第一隆起部包括一个大体呈球形的末端，并且所述一对表面与大体呈球形的末端接触，以便除了第一传感器体绕第一轴线的旋转外允许第一传感器体随操纵杆运动。
19、如权利要求17所述的定点装置，其特征在于，它进一步包括一个连接到操纵杆上的第二万向臂，用以允许在操纵杆和第二万向臂之间绕第二轴线旋转。
20、如权利要求19所述的定点装置，其特征在于，它进一步包括：
一个具有与第二传感器轴连接的第二传感器体的第二传感器，第二传感器轴充分固定地连接到操纵杆上，以便除了第二传感器轴可相对于操纵杆绕操纵杆轴线旋转外随操纵杆运动，第二传感器轴可相对于第二传感器体大体绕第二轴线旋转；以及
一个设置在第二万向臂上且与第二传感器体连接的第二安装机构，用以允许除了绕第二轴线旋转外第二传感器可随第二传感器轴运动。
21、如权利要求20所述的定点装置，其特征在于，它进一步包括一个插入操纵杆的一个槽内的凸起，该槽的结构可允许凸起相对于操纵杆仅绕操纵杆轴线运动，并且其中，第二传感器轴被充分固定地连接到该凸起上。
22、如权利要求21所述的定点装置，其特征在于，第二传感器轴以压入配合方式插入一个位于凸起中的开口内，并且大体沿第二轴线取向。
23、如权利要求21所述的定点装置，其特征在于，第二传感器包括一个与第二传感器体连接的第二隆起部，并且其中，第二安装机构包括一对设置在第二万向臂上、相对于第二轴线横向设置且与第二隆起部的两侧接触的表面，以便防止第二传感器体绕第二轴线旋转。
24、如权利要求23所述的定点装置，其特征在于，第二传感器体的第二隆起部包括一个大体呈球形的末端，并且所述一对表面与大体呈球形的末端接触，以便除了第二传感器体绕第二轴线旋转之外允许第二传感器体随操纵杆运动。
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