CN1609745A - 力反馈型输入装置 - Google Patents

Abstract

提供一种力反馈型输入装置，即使复原力在中途变化时，也能够使操作者把手离开时的操作部的返回速度不变。力反馈型输入装置，由操作者操作的操作部(1)、检测操作部的操作状态的检测装置(2)、向操作部反馈力的力反馈装置(3)、控制力反馈装置的驱动并向操作部反馈适应其操作状态的规定的力的控制装置(4)构成。在控制装置(4)具有操作状态运算部(4a)、复原力运算部(4b)、阻尼力运算部(4c)和合成力运算部(4d。)阻尼力运算部(4c)，通过在用复原力运算部4b计算的复原力Te(θ)上乘以所需的比例系数c′，求出阻尼系数c[Te(θ)·c′]，在求出的阻尼系数c上乘以操作部(1)的操作速度θdot，计算出阻尼力Te(θ)·c′·θdot。

Description

力反馈型输入装置

技术领域

本发明涉及一种力反馈型输入装置，特别涉及向操作部反馈对应于该操作部的操作位置的复原力、及与该操作部的操作速度成比例的阻尼力的阻尼力反馈型输入装置的阻尼力适当化装置。

背景技术

以往，例如作为适用于线控方式的车载电器设备集中控制装置、转向装置、变速装置或制动装置等的输入装置，如下的力反馈型输入装置已在实用中，该力反馈型输入装置具有由操作者操作的操作部、检测该操作部的操作状态的检测装置、向上述操作部反馈力的力反馈装置，以及，基于上述检测装置输出的检测信号控制上述力反馈装置的驱动、并向上述操作部反馈对应于其操作状态的规定力的控制装置，通过用控制装置控制力反馈装置的驱动，向操作部反馈对应于操作部的操作位置的力，例如将操作部碰到壁的感觉(以下，在本说明书中将该感觉称为“触壁感”)反馈给操作部。

此外，作为此种力反馈型输入装置，为使操作部的操作感更好，以往还提出了向操作部的操作反馈适度的阻力感的装置，或一并向操作部反馈与操作部的操作速度成比例的力的装置(例如，参照专利文献1)。

对于对应于操作部的操作位置的力，除与操作量无关地反馈一定大小的力外，还反馈大小与操作部的操作量成比例的力，这称为“弹性力”。与操作部的操作速度成比例的力，通过在操作部的操作速度上乘以阻尼系数来计算，称为“阻尼力”。另外，由于对操作部的操作反馈类似于粘性摩擦的阻力感，所以有时阻尼力也称为“粘性摩擦力”。

图4是本申请人以前提出的此种力反馈型输入装置的结构图，主要包括：操作者操作的操作部1、检测操作部1的操作状态的检测装置2、向操作部1反馈力的力反馈装置3、控制力反馈装置3的驱动并向操作部1反馈对应于其操作状态的规定力的控制装置4。

控制装置4包括：操作状态运算部4a，利用从检测装置2输出的检测信号，算出操作部1的操作量θ及操作速度θdot；复原力运算部4b，计算对应于操作部1的操作量θ的所需的复原力Te(θ)；阻尼力运算部4c，计算与操作部1的操作速度θdot成比例的阻尼力cθdot；合成力运算部4d，计算复原力Te(θ)和阻尼力cθdot的合成力Te(θ)-cθdot。根据从合成力运算部4d输出的信号，控制力反馈装置3的驱动，并反馈操作部1所需的力。

以下，参照图5，以采用编码器作为上述检测装置2的情况为例，，说明如上所述构成的现有例的力反馈型输入装置的工作。

当供给电源时，控制装置4对从编码器(检测装置2)输出的每固定时间Δt的信号脉冲数n进行计数(步骤S11)，在操作状态运算部4a，基于式θ＝θ+n，计算操作部1的操作量θ，并基于式θdot＝n/Δt，计算操作部1的操作速度θdot(步骤S12)。然后，在复原力运算部4b，在θ₀≤θ≤θ₁的情况下，直接采用θ；在θ₁＜θ的情况下，代入θ₁作为θ，基于式Te＝k(θ-θ₀)，计算应反馈操作部1的复原力Te，并且，在阻尼力运算部4c，基于Tc＝c·θdot，计算应反馈操作部1的阻尼力Tc(步骤S13)。此处，k表示弹性系数，θ₀表示操作部1的基准位置，c表示阻尼系数。另外，在θ₀≤θ≤θ₁的范围内，反馈与操作量成比例的所谓的弹性力，在θ₁＜θ的范围内，反馈一定的力。该一定的力，在此处为与θ＝θ₁时的弹性力相同的值。然后，在合成力运算部4d，基于式Ttotal＝Te-Tc，计算应反馈给操作部1的复原力Te和阻尼力Tc的合成力Ttotal(步骤S14)。最后，基于由合成力运算部4d输出的合成力Ttotal，驱动力反馈装置3，向操作部1反馈所需的力(步骤S15)。

该结构的力反馈型输入装置，由于不仅向操作部1反馈复原力Te，而且还反馈阻尼力Tc，因此向操作部1反馈阻力感，操作部1的操作感良好。另外，在θ₀≤θ≤θ₁的范围内，与操作量成比例地增大复原力，即反馈弹性力，为的是防止在θ₀地点的振荡。

专利文献1：特开2003-150261。

但是，以往例的力反馈型输入装置中，阻尼力只与操作速度成比例，与复原力无关。因此，当在反馈一定的复原力的位置(例如θ₂)把手离开时，在复原力变化的位置(例如θ₁)，存在操作部的复原速度变化，且给操作者带来不适感的问题。

发明内容

本发明是为解决上述以往技术的不完善而提出的，其目的是提供一种力反馈型输入装置，即使在复原力变化的位置，操作部的返回速度也不变化，不给操作者带来不适感。

本发明的力反馈型输入装置为解决上述问题，具有由操作者操作的操作部、检测该操作部的操作状态的检测装置、向上述操作部反馈力的力反馈装置、以及控制装置，该控制装置基于由上述检测装置输出的检测信号，控制上述力反馈装置的驱动；上述控制装置具有：基于上述操作部的操作位置计算复原力的复原力运算部、基于上述操作部的操作速度及阻尼系数计算阻尼力的阻尼力运算部、基于上述复原力及上述阻尼力计算合成力的合成力运算部；上述阻尼力运算部，基于上述复原力计算上述阻尼系数。上述阻尼力运算部，在上述复原力上乘以比例系数，来计算上述阻尼系数。

这样，当在阻尼力运算部基于复原力计算阻尼系数时，由于即使在复原力变化的位置，操作部的返回速度也不变化，因此不会给操作者带来不适感，能够使操作部的操作感良好。

此外，本发明在上述结构的力反馈型输入装置中，从复原开始位置到规定位置，上述复原力逐渐增大。

这样，如果从复原开始位置到规定位置，逐渐增大复原力，则在复原开始地点附近，阻尼力随复原力逐渐变化，不会急剧变化。因此，在复原开始地点附近，不容易对操作部作用冲击力，能够形成良好的操作感触。

发明效果

本发明的力反馈型输入装置，由于在阻尼力运算部基于复原力计算阻尼系数，所以即使在复原力变化的位置，操作部的返回速度也不变化，能够消除操作者的不适感，能够使操作感良好。

附图说明

图1是实施方式例的力反馈型输入装置的结构图。

图2是表示实施方式例的力反馈型输入装置中的力反馈装置的控制步骤的流程图。

图3是表示实施方式例的力反馈型输入装置的弹性力、比例系数和阻尼系数关系的曲线图。

图4是现有例的力反馈型输入装置的结构图。

图5是现有例的力反馈型输入装置中的力反馈装置的控制步骤的流程图。

图6是表示现有例的力反馈型输入装置的弹性力和阻尼系数关系的曲线图。

具体实施方式

以下，根据图1～图3，说明本发明的力反馈型输入装置的最佳实施方式。图1是实施方式例的力反馈型输入装置的结构图，图2是表示实施方式例的力反馈型输入装置中的力反馈装置的控制步骤的流程图，图3是表示实施方式例的力反馈型输入装置的弹性力、比例系数和阻尼系数关系的曲线图。

如图1所示，本例的力反馈型输入装置的基本结构，也与图4所示的以往的力反馈型输入装置相同，主要由操作者操作的操作部1、检测操作部1的操作状态的检测装置2、向操作部1反馈力的力反馈装置3、控制力反馈装置3的驱动并向操作部1反馈对应于其操作状态的规定力的控制装置4构成。控制装置4具有操作状态运算部4a、复原力运算部4b、阻尼力运算部4c和合成力运算部4d。

操作部1是操作者手动操作的操作部，可根据力反馈型输入装置的用途，采用例如旋转捏手、摇动杆或操纵杆等适当的装置。

检测装置2是将操作部1的操作量及操作方向变换成电量输出的装置，采用编码器或可变电阻器等，但通常采用可输出双相信号脉冲的检测装置。

力反馈装置3是向操作部1反馈所需力的装置，采用旋转电机、线性电机或螺线管等。另外，在作为力反馈装置3而采用线性电机或螺线管的情况下，在力反馈装置3和操作部1之间设置所需的动力传递机构，用于将力反馈装置3的直线运动变换成旋转运动并传递给操作部1。

在控制装置4，如图1(a)、(b)、(c)所示，以曲线图的形式，存储操作部1的操作量θ和复原力Te的关系、操作部1的操作量θ和比例系数c’的关系、以及操作部1的操作量θ和阻尼系数c的关系。另外，作为复原力Te，如图3所示，在θ₀≤θ≤θ₁的范围内，反馈与操作量成比例的所谓的弹性力，在θ₁＜θ的范围内，反馈一定的力。该一定的力，在此处为与θ＝θ₁时的弹性力相同的值。此外，比例系数c’如图3(b)所示设定为一定值，阻尼系数c如图3(c)所示设定为与复原力Te成比例的值。

本例的力反馈型输入装置，在控制装置4中具有的阻尼力运算部4c，不是像以往的力反馈型输入装置那样，仅在操作部1的操作速度θdot上乘以阻尼系数c来得到阻尼力c·θdot，而是首先在由复原力运算部4b计算的复原力Te(θ)上乘以所需的比例系数c’，来求出阻尼系数c[Te(θ)·c’]，在求出的阻尼系数c上乘以操作部1的操作速度θdot，来算出复原力Te(θ)·c’·θdot。这样，如果在弹性力Te(θ)上乘以所需的比例系数c’，来求出阻尼系数c[Te(θ)·c’]，则如图3所示，由于能够将阻尼系数c设定为与复原力Te(θ)成比例的值，所以在复原开始地点附近，阻尼力随复原力逐渐变化，因此，在复原开始地点附近，冲击力难于作用于操作部，能够形成良好的操作触感。此外，由于能够将阻尼系数c设定为与复原力Te(θ)成比例的值，所以能够使操作者把手离开时的操作部1的返回速度与复原力成反比，由于即使在复原力变化的位置，操作部的返回速度也不变，因此不会给操作者带来不适感。

另外，比例系数c’可以设定为任意的值，但为使操作部1的操作感触及装置的使用感更好，在实用上无问题的范围内，将作用于操作部1的冲击设定在尽可能低的值。

下面，基于附图图2说明本实施方式的力反馈型输入装置中的力反馈装置的控制步骤。

当供给电源时，控制装置4对从编码器(检测装置2)输出的每一定时间Δt的信号脉冲数n进行计数(步骤S1)，在操作状态运算部4a，基于式θ＝θ+n，计算操作部1的操作量θ，并基于式θdot＝n/Δt，计算操作部1的操作速度θdot(步骤S2)。然后，在复原力运算部4b，在θ₀≤θ≤θ₁的情况下，直接采用θ；在θ₁＜θ的情况下，在θ中代入θ₁，并基于式Te＝k(θ-θ₀)，计算应反馈操作部1的复原力Te，并且，在阻尼力运算部4c，基于Tc＝Te(θ)·c’·θdot，计算应反馈操作部1的阻尼力Tc(步骤S3)。另外，在此处，k表示弹性系数，θ₀表示操作部1的基准位置，c’表示比例系数。另外，在θ₀≤θ≤θ₁的范围内，反馈与操作量成比例的所谓的弹性力，在θ₁＜θ的范围内，反馈一定的力。该一定的力，在此处为与θ＝θ₁时的弹性力相同的值。然后，在合成力运算部4d，基于式Ttotal＝Te-Tc，计算应反馈操作部1的复原力Te和阻尼力Tc的合成力Ttotal(步骤S4)。最后，基于由合成力运算部4d输出的合成力Ttotal，驱动力反馈装置3，向操作部1反馈所需的力(步骤S5)。

下面，从力学的角度考察本实施方式例的力反馈型输入装置的效果。

利用牛顿的运动方程式，由下式(1)表示作用于操作部1的弹性力。

$\mathrm{Te}=J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+c\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}+\mathrm{Tf}--------------------\left(1\right)$

其中，

Te：弹性例

J：惯性矩

c：阻尼系数

Tf：库仑摩擦力

θ：位置

由于库仑摩擦力Tf，与作用于操作部1的弹性力的加速度成分[式(1)的第1项]及速度成分[式(1)的第2项]相比为非常小的值，所以在实际中可以忽略不计，忽略其的牛顿运动方程式成为下式(2)。

$\mathrm{Te}=J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+c\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}--------------------\left(2\right)$

如果在操作部1的初速度为0的条件下求解式(2)，则得出下式(3)。

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{Te}}{c}(1-e^{-\frac{c}{J}t})--------------------\left(3\right)$

在时间t为无限大时，上述式(3)由下式(4)表示。

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{Te}}{c}--------------------\left(4\right)$

式(4)是向操作部1反馈阻尼力时的效果，能够将操作部1的返回速度缓和到复原力Te的阻尼系数c分之一。

在本发明中，如下列的式(5)所示，根据比例系数c’和复原力Te的积计算阻尼系数c。因此，如果在式(6)中代入式(5)，则可知：操作部1的返回速度成为与复原力Te无关的常数，操作部1以1/c’表示的一定速度移动。

c＝c′Te    ---------------------(5)

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{Te}}{c^{\′}\mathrm{Te}}=\frac{1}{c^{\′}}--------------------\left(6\right)$

Claims (3)

1.一种力反馈型输入装置，具有由操作者操作的操作部、检测该操作部的操作状态的检测装置、向上述操作部反馈力的力反馈装置、以及控制装置，该控制装置基于由上述检测装置输出的检测信号，控制上述力反馈装置的驱动；

上述控制装置具有：基于上述操作部的操作位置计算复原力的复原力运算部、基于上述操作部的操作速度及阻尼系数计算阻尼力的阻尼力运算部、基于上述复原力及上述阻尼力计算合成力的合成力运算部；其特征在于，

上述阻尼力运算部，基于上述复原力计算上述阻尼系数。

2.如权利要求1记载的力反馈型输入装置，其特征在于，上述阻尼力运算部，在上述复原力上乘以比例系数，计算上述阻尼系数。

3.如权利要求1记载的力反馈型输入装置，其特征在于，由复原开始位置到规定位置，上述复原力逐渐增大。

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