DE10004372A1 - Gestaltung von Kraftempfindungen für Computeranwendungen mit Geräuschen - Google Patents
Gestaltung von Kraftempfindungen für Computeranwendungen mit GeräuschenInfo
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Abstract
Design-Schnittstellenwerkzeug zur Gestaltung von Kraftempfindungen zur Verwendung mit einem Host-Computer und einer Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung. Eine Force-Feedback-Vorrichtung ist an einen Host-Computer angeschlossen, der das Schnittstellenwerkzeug anzeigt. Der Benutzer wählt eine Kraftempfindungsart und gestaltet und definiert physikalische Merkmale der ausgewählten Kraftempfindung unter Verwendung des Schnittstellenwerkzeugs. Es wird eine graphische darstellung der gekennzeichneten Kraftempfindung angezeigt, die eine visuelle Demonstration eines Fühlens der gekennzeichneten Kraftempfindung zur Verfügung stellt. Die Kraftempüfindung wird an einen durch den Benutzer betätigbaren Gegenstand einer Force-Feedback-Vorrichtung ausgegeben, damit der Benutzer sie fühlt, wobei die graphische Darstellung in Verbindung mit der Ausgabe der Kraftempfindung aktualisiert wird. Der Benutzer kann der Kraftempfindung auch ein Geräusch zuordnen, so daß das Geräusch in Verbindung mit der Ausgabe der Kraftempfindung ausgegeben wird. Der Benutzer kann die Kraftempfindungsmerkmale iterativ modifizieren und die Ergebnisse fühlen, sowie Kraftempfindungen mit Geräuschen synchronisieren.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
Schnittstellenvorrichtungen, die es dem Menschen ermöglichen, mit
Computersystemen in Verbindung zu treten, und insbesondere auf
Computer-Schnittstellenvorrichtungen, die eine Eingabe vom
Benutzer an Computersysteme liefern und eine Kraftrückkopplung an
den Benutzer realisieren.
Durch Verwenden einer Schnittstellenvorrichtung kann ein Benutzer
mit einer von einem Computersystem angezeigten Umgebung in Dialog
treten, um Funktionen und Aufgaben auf dem Computer
durchzuführen, beispielsweise das Spielen eines Spiels, Erleben
einer Simulation oder virtuellen Wirklichkeitsumgebung, Benutzen
eines computergestützten Gestaltungssystems, Bedienen einer
graphischen Benutzeroberfläche (GUI) oder andersartiges
Beeinflussen von auf dem Bildschirm veranschaulichten
Geschehnissen oder Abbildungen. Übliche Mensch/Computer-
Schnittstellenvorrichtungen, die für einen derartigen Dialog
verwendet werden, sind u. a. ein Joystick, eine Maus, eine
Rollkugel, eine Art Stift (Stylus), ein Tablett, eine
druckempfindliche Kugel oder dergleichen, die an das
Computersystem angeschlossen sind, das die angezeigte Umgebung
steuert. Typischerweise aktualisiert der Computer die Umgebung
unter Ansprechen auf die Betätigung des Benutzers eines durch den
Benutzer bedienbaren körperlichen Gegenstands, wie ein Joystick-
Griff oder eine Maus, und liefert dem Benutzer unter Verwendung
des Bildschirms und der Lautsprecher eine sichtbare und hörbare
Rückkopplung (Feedback). Der Computer fühlt die Betätigung des
Benutzers des Benutzergegenstands durch Meßfühler ab, die auf der
Schnittstellenvorrichtung vorgesehen sind und Lokativsignale an
den Computer senden.
Bei einigen Schnittstellenvorrichtungen wird dem Benutzer auch
eine haptische Rückkopplung zur Verfügung gestellt, die auch als
"Force Feedback" bekannt ist. Diese Arten von
Schnittstellenvorrichtungen können körperliche Empfindungen
liefern, die von dem Benutzer, der einen benutzerbedienbaren
Gegenstand der Schnittstellenvorrichtung betätigt, gefühlt werden
können. Beispielsweise kann der Force-FX Joystick Controller von
der Firma CH Products, Inc. oder der Wingman Force Joystick von
der Firma Logitech an einen Computer angeschlossen werden und
gibt Kräfte an einen Benutzer der Steuerung ab. Andere Systeme
könnten eine Maussteuerung für das Force Feedback verwenden. In
der Vorrichtung werden ein oder mehr Motoren oder andere
Aktuatoren verwendet, die an das Steuerungscomputersystem
angeschlossen sind. Das Computersystem steuert die Kräfte auf dem
Joystick in Verbindung und koordiniert mit angezeigten
Geschehnissen und Dialogen, indem es Steuersignale oder
Steuerbefehle an die Aktuatoren sendet. Auf diese Weise kann das
Computersystem physikalische Kraftempfindungen in Verbindung mit
einer anderen zugeführten Rückkopplung zu dem Benutzer
transportieren, wenn der Benutzer den Joystick oder anderen
Gegenstand der Schnittstellenvorrichtung ergreift oder berührt.
Wenn der Benutzer z. B. den betätigbaren Gegenstand bewegt und
veranlaßt, daß ein dargestellter Positionsanzeiger (Cursor) mit
einem anderen dargestellten graphischen Objekt in
Wechselbeziehung tritt, kann der Computer einen Steuerbefehl
ausgeben, der den Aktuator zur Ausgabe einer Kraft auf den
Benutzergegenstand veranlaßt und so eine fühlbare Empfindung zu
dem Benutzer transportiert.
Ein Problem bei der Entwicklung von Force-Feedback-Empfindungen
in Software des Standes der Technik ist, daß der Programmierer
von Force-Feedback-Anwendungen kein intuitives Gespür dafür hat,
wie Kräfte sich anfühlen werden, wenn sie auf bestimmte Weise
eingestellt sind, und er muß sich daher viel Mühe geben,
Kräftemerkmale zu entwickeln, die für eine bestimmte Anwendung
erwünscht sind. Ein Programmierer kann z. B. eine spezielle
Feder- und Dämpfungskraft-Empfindung zwischen zwei graphischen
Objekten schaffen wollen, wobei die Kraftempfindung eine
bestimmte Steifigkeit, ein bestimmtes Spiel, einen bestimmten
Versatz etc. aufweist. Bei gegenwärtigen Force-Feedback-Systemen
muß der Programmierer die Parameter und Merkmale der gewünschten
Kraft mit einer rohen Kraftmethode bestimmen, indem er einfach
Parameter setzt, die Kraft prüft und die Parameter auf iterative
Weise einstellt. Diese Methode kann mühselig sein, weil es oft
nicht intuitiv ist, wie ein Parameter das Fühlen einer Kraft
beeinflussen wird, wenn sie tatsächlich auf den
Benutzergegenstand ausgegeben wird; oft kommt der Programmierer
mit den Erst-Parametereinstellungen der gewünschten
Kraftempfindung vielleicht nicht einmal nahe. Andere Arten von
Kräften sind vielleicht überhaupt nicht intuitiv, wie z. B. eine
Feder mit negativer Konstante, und so können die Designer von
Kraftempfindungen Schwierigkeiten damit haben, diese Arten von
Empfindungen in Software-Anwendungen zu integrieren.
Des weiteren können die Designer Schwierigkeiten damit haben,
Kraftempfindungen mit Tönen zu synchronisieren, die der Designer
in Verbindung mit der Kraftempfindung abspielen lassen möchte.
Beispielsweise wird eine bestimmte Kraftempfindung wie ein
Zusammenstoß oft von einem entsprechenden Geräusch begleitet, um
einem Endbenutzer das Erlebnis eindrucksvoller zu präsentieren.
Es kann jedoch schwierig sein, eine Kraftempfindung zu entwerfen,
die gut mit einem Geräusch synchronisiert ist. Demzufolge wird
ein Instrument benötigt, um dem Programmierer oder Entwickler
dabei zu helfen, Force-Feedback-Merkmale intuitiv und leicht
festzulegen, um gewünschte Kraftempfindungen bereitzustellen und
Geräusche mit diesen Kraftempfindungen zu synchronisieren.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, Kraftempfindungen
zu gestalten, die von einer Force-Feedback-
Schnittstellenvorrichtung ausgegeben werden. Ein Steuer-Host-
Computer stellt ein Design-Schnittstellenwerkzeug bereit, das
eine intuitive und einfache Gestaltung einer Vielfalt von
Kraftempfindungen ermöglicht und es auch ermöglicht, die
Kraftempfindungen so einzustellen, daß sie mit gewünschten
Geräuscheffekten synchronisiert werden.
Insbesondere wird eine Design-Schnittstelle zur Gestaltung von
Kraftempfindungen zur Verwendung mit einer Force-Feedback-
Schnittstellenvorrichtung beschrieben. Die Schnittstelle zur
Gestaltung einer Kraftempfindung wird auf einer
Anzeigevorrichtung eines Host-Computers angezeigt. Mit der
Eingabe von einem Benutzer wird eine Kraftempfindungsart
ausgewählt, die von einem Host-Computer befehlsgesteuert und
durch eine Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung ausgegeben
werden soll. Dann wird die Eingabe, wie z. B. Parameter, von
einem Benutzer erhalten, der physikalische Merkmale der
ausgewählten Kraftempfindung gestaltet und definiert. Eine
graphische Darstellung der gekennzeichneten Kraftempfindung wird
auf einer Anzeigeeinheit des Host-Computers ausgegeben. Die
graphische Darstellung stellt dem Benutzer eine visuelle
Demonstration eines Fühlens der gekennzeichneten Kraftempfindung
zur Verfügung, so daß der Benutzer eine Wirkung von Parametern
auf die Kraftempfindung betrachten kann. Die ausgewählte
Kraftempfindung ist auch mit einem Geräusch verbunden. Die
gekennzeichnete Kraftempfindung wird an einen vom Benutzer
bedienbaren Gegenstand der Force-Feedback-
Schnittstellenvorrichtung ausgegeben, um dem Benutzer das Fühlen
der gestalteten Kraftempfindung zu ermöglichen. Die graphische
Darstellung wird in Verbindung mit der gerade auf den
Benutzergegenstand ausgegebenen Kraftempfindung aktualisiert. Zum
Schluß wird das zugeordnete Geräusch in Verbindung mit der
Ausgabe der Kraftempfindung ausgegeben. Nachdem der Benutzer das
Gefühl der Empfindung erlebt hat, kann er vorzugsweise
zusätzliche Veränderungen an der gekennzeichneten
Kräfteempfindung eingeben und die geänderte Kraftempfindung
fühlen. Auf diese Weise kann der Benutzer in einem iterativen
Verfahren wirkungsvolle Kraftempfindungen durch tatsächliches
Erleben dieser Empfindungen gestalten. Durch Hören eines
gewünschten Geräusches mit der Kraftempfindung kann der Benutzer
die Kraftempfindung auch wiederholt einstellen, so daß sie besser
mit dem Ton synchronisiert wird. Der Benutzer kann die
Charakterisierung oder Parameter der entworfenen Kraftempfindung
vorzugsweise auf ein Speichermedium speichern, auf das andere
Programme auf dem Host-Computer oder anderen Computern zugreifen
können. So können andere Programme, die das Force Feedback
steuern, die entworfene Kraftempfindung in Anwendungen wie
Spielen, Simulationen oder Graphikschnittstellen verwenden.
Vorzugsweise wird ein Beginn des Tons mit einem Beginn der
Kraftempfindung synchronisiert, wenn das Geräusch und die
Kraftempfindung ausgegeben werden. In einer Ausführungsform ist
die ausgewählte Kraftempfindung mit einer Steuerung auf der
Force-Feedback-Vorrichtung verbunden, beispielsweise einem Knopf.
Wenn der Benutzer die Steuerung aktiviert, werden die
Kraftempfindung, die visuelle Demonstration und der Ton
ausgegeben. Die Kraftempfindung und das Geräusch können einem
graphischen Symbol (Icon) in der Design-Schnittstelle zugeordnet
sein, das den Knopf darstellt. Vorzugsweise kann der Benutzer das
Geräusch aus einer Liste mit vielerlei verfügbaren Geräuschen
auswählen, die jeweils in einem Standard-Dateiformat
bereitgestellt sein können. In dem Schnittstellenwerkzeug der
vorliegenden Erfindung kann eine breite Vielfalt von
Kraftempfindungsarten entworfen und mit Geräuschen synchronisiert
werden, wie z. B. Zustände, wiederkehrende Phasen (Effekte) und
Dynamik.
Die vorliegende Erfindung stellt auf vorteilhafte Weise ein
einfaches, benutzerfreundliches Design-Schnittstellenwerkzeug zum
Entwerfen von Force-Feedback-Empfindungen bereit. Bei der
gegebenen großen Vielfalt von möglichen Kraftempfindungen und den
oft unerwarteten Ergebnissen beim Modifizieren der verschiedenen
Kraftempfindungsparameter erfüllt das Design-
Schnittstellenwerkzeug der vorliegenden Erfindung die Bedürfnisse
der Kraftempfindungsdesigner, die Kraftempfindungen schaffen
möchten, die ihren Bedürfnissen möglichst nahe kommen. Die
Graphikdesign-Schnittstelle der vorliegenden Erfindung ermöglicht
es einem Kraftempfindungsdesigner, mit Geräuschen zu
synchronisierende Kraftempfindungen leicht und intuitiv zu
gestalten und zu modifizieren, was ein effektiveres Force
Feedback zur Implementierung in Spielen, Simulationen und anderen
Anwendungen ermöglicht.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
Fachleuten auf diesem Gebiet beim Durchlesen der folgenden
Beschreibung der Erfindung und beim Studium der einzelnen Figuren
der Zeichnung klar werden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Systems zur Steuerung einer
Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines
Mechanismus zum Anschließen eines durch einen Benutzer
bedienbaren Gegenstands an die Force-Feedback-
Vorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer angezeigten
Schnittstelle der vorliegenden Erfindung zur Gestaltung
von Kraftempfindungen;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Schnittstelle
gemäß Fig. 3, in der ein Entwurfsfenster für einen
Federungszustand angezeigt ist;
Fig. 5a-c sind Schaubilder angezeigter graphischer Darstellungen
eines Federzustands;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Schnittstelle
gemäß Fig. 3, in der ein Einfachmodus-Entwurfsfenster
für einen Federungszustand angezeigt ist;
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Schnittstelle
gemäß Fig. 3, in der ein Entwurfsfenster für eine
periodische Welle angezeigt ist; und
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
einer Schnittstelle der vorliegenden Erfindung, die es
ermöglicht, Geräusche und Kräfte miteinander zu
verbinden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Force-Feedback-
Schnittstellensystem 10 zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung darstellt und durch ein Host-Computersystem gesteuert
wird. Das Schnittstellensystem 10 schließt ein Host-
Computersystem 12 und eine Schnittstellenvorrichtung 14 ein.
Das Host-Computersystem 12 ist vorzugsweise ein Personalcomputer,
wie z. B. ein IBM-kompatibler Personalcomputer bzw. ein
Macintosh, oder ein Arbeitsplatzrechner (Workstation) wie eine
Workstation von SUN oder Silicon Graphics. Alternativ kann das
Host-Computersystem 12 eines aus einer Vielfalt von Heimvideo-
Spielsystemen sein, wie z. B. Systeme, die von Nintendo, Sega
oder Sony erhältlich sind, ein Fernseh-"Aufsetzkasten" oder ein
"Netzrechner", etc.. Das Host-Computersystem 12 implementiert
vorzugsweise ein Host-Anwendungsprogramm, mit dem ein Benutzer 22
über Peripheriegeräte und die Schnittstellenvorrichtung 14 einen
Dialog führt. Das Host-Anwendungsprogramm kann beispielsweise ein
Videospiel, eine medizinische Simulation, ein wissenschaftliches
Analyseprogramm, ein Betriebssystem, eine Graphik-
Benutzerschnittstelle oder ein anderes Anwendungsprogramm sein,
das Force Feedback verwendet. Typischerweise liefert die Host-
Anwendung Bilder zur Anzeige auf einer Anzeige-
Ausgabevorrichtung, wie unten beschrieben, und/oder anderes
Feedback wie akustische Signale.
Das Host-Computersystem 12 weist vorzugsweise einen Host-
Mikroprozessor 16, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 17, einen
Festspeicher (ROM) 19, eine Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Elektronik 21,
einen Taktgeber 18, einen Bildschirm 20, und eine
Akustikausgabevorrichtung 21 auf. Der Bildschirm 20 kann zur
Anzeige von Bildern verwendet werden, die von dem Host-
Computersystem 12 oder anderen Computersystemen erzeugt werden,
und kann ein Standardbildschirm, eine Kathodenstrahlröhre (CRT),
ein Flachbildschirm, eine 3D-Brille oder irgendeine andere
Bildschirm-Benutzeroberfläche sein. Die
Akustikausgabevorrichtung 21, wie z. B. Lautsprecher, ist
vorzugsweise über Verstärker, Filter und andere dem Fachmann auf
diesem Gebiet bekannte Schaltungen an den Host-Mikroprozessor 16
angeschlossen (z. B. in einer Soundkarte) und liefert die
Tonausgabe von dem Host-Computer 18 an den Benutzer 22. Andere
Arten von Peripheriegeräten können ebenfalls an den Host-
Prozessor 16 angeschlossen sein, beispielsweise
Speichervorrichtungen (Magnetplattenlaufwerk, CD-ROM/DVD-ROM-
Laufwerk, Magnetdiskettenlaufwerk, etc.), Drucker und andere
Eingabe- und Ausgabegeräte. Die Daten zur Implementierung der
Schnittstellen der vorliegenden Erfindung können auf
computerlesbaren Medien wie einem Speicher (RAM oder ROM), einer
Festplatte, einer CD-ROM oder DVD-ROM etc. gespeichert sein.
Eine Schnittstellenvorrichtung 14 ist durch einen bidirektionalen
Bus 24 mit dem Host-Computersystem 12 verbunden. Der
bidirektionale Bus sendet Signale in beide Richtungen zwischen
dem Host-Computersystem 12 und der Schnittstellenvorrichtung. Ein
Schnittstellenanschluß des Host-Computersystems 12, wie z. B. ein
RS232- oder serieller USB-(universeller serieller Bus)-
Schnittstellenanschluß, paralleler Anschluß, Spiele-Anschluß
(Gameport) etc., verbindet den Bus 24 mit dem Host-
Computersystem 12.
Die Schnittstellenvorrichtung 14 weist einen örtlichen
Mikroprozessor 26, Meßfühler 28, Aktuatoren 30, einen
Benutzergegenstand 34, eine wahlweise Sensorschnittstelle 36,
eine wahlweise Aktuatorschnittstelle 38 und andere wahlweise
Eingabevorrichtungen 39 auf. Der örtliche Mikroprozessor 26 ist
an den Bus 24 angeschlossen und wird als örtlich zur
Schnittstellenvorrichtung 14 angesehen und dient der
Kraftrückkopplung und Sensor-Ein/Ausgabe der
Schnittstellenvorrichtung 14. Der Mikroprozessor 26 kann mit
Softwarebefehlen beliefert werden, auf Steuerbefehle oder
Anforderungen von dem Computer-Hauptrechner 16 warten, den
Steuerbefehl oder die Anforderung entschlüsseln und Eingangs- und
Ausgangssignale entsprechend dem Steuerbefehl oder der
Anforderung verarbeiten/steuern. Darüber hinaus arbeitet der
Prozessor 26 vorzugsweise unabhängig vom Host-Computer 16, indem
er Meßfühlersignale liest und die entsprechenden Kräfte aus
diesen Meßfühlersignalen, Zeitsignalen und gespeicherten oder
übertragenen Befehlen berechnet, die in Übereinstimmung mit einem
Host-Steuerbefehl ausgewählt wurden. Geeignete Mikroprozessoren
zur Verwendung als örtlicher Mikroprozessor 26 sind u. a.
beispielsweise der MC68HC711E9 von Motorola, der PIC16C74 von
Microchip, und der 82930AX von der Intel Corporation. Der
Mikroprozessor 26 kann einen Mikroprozessorchip oder Mehrfach-
Prozessoren und/oder Co-Prozessorchips und/oder
Digitalsignalprozessor-(DSP)-Fähigkeit aufweisen.
In Übereinstimmung mit Befehlen, die der Host-Computer 12 über
den Bus 24 liefert, kann der Mikroprozessor 26 Signale von den
Meßfühlern 28 empfangen und Signale an die Aktuatoren 30 der
Schnittstellenvorrichtung 14 liefern. In einer bevorzugten
Ausführungsform einer örtlichen Steuerung liefert beispielsweise
das Host-Computersystem 12 über den Bus 24 höhere
Kontrollsteuerbefehle an den Mikroprozessor 26, und der
Mikroprozessor 26 leitet die niedrigen Kraftsteuerschleifen an
die Meßfühler und Aktuatoren in Übereinstimmung mit den höheren
Steuerbefehlen und unabhängig vom Host-Computer 18. Das Force-
Feedback-System stellt demzufolge eine Informationsschleife der
Host-Steuerung und eine Informationsschleife der örtlichen
Steuerung in einem verteilten Steuersystem bereit. Der
Mikroprozessor 26 kann Steuerbefehle auch von beliebigen anderen
auf der Schnittstellenvorrichtung 14 enthaltenen
Eingabevorrichtungen 39 erhalten, beispielsweise Knöpfe, und
liefert entsprechende Signale an den Host-Computer 12, um
anzuzeigen, daß die Eingabeinformation und alle in der
Eingabeinformation enthaltenen Informationen erhalten wurden. An
den Mikroprozessor 26 in der Schnittstellenvorrichtung 14 ist
vorzugsweise ein örtlicher Speicher 27 angeschlossen, z. B. ein
RAM und/oder ROM, um Befehle für den Mikroprozessor 26 zu
speichern und temporäre und andere Daten zu speichern. Darüber
hinaus kann ein örtlicher Taktgeber 29 zur Lieferung von
Taktdaten an den Mikroprozessor 26 angeschlossen sein.
Meßfühler 28 fühlen die Position, Bewegung und/oder andere
Merkmale eines Benutzergegenstands 34 der
Schnittstellenvorrichtung 14 längs einem oder mehr
Freiheitsgraden ab und liefern Signale an den Mikroprozessor 26,
die diese Merkmale darstellende Informationen enthalten. Es
können rotierende oder lineare optische Codeumsetzer,
Potentiometer, optische Meßfühler, Geschwindigkeitssensoren,
Beschleunigungssensoren, Dehnungsmeßfühler oder andere Arten von
Meßfühlern verwendet werden. Die Meßfühler 28 liefern ein
elektrisches Signal an eine wahlweise Sensorschnittstelle 36, die
dazu benutzt werden kann, Meßfühlersignale in Signale umzusetzen,
die von dem Mikroprozessor 26 und/oder Host-Computersystem 12
gedeutet werden können.
Unter Ansprechen auf die vom Mikroprozessor 26 erhaltenen Signale
übertragen die Aktuatoren 30 Kräfte in einer oder mehr Richtungen
entlang einem oder mehr Freiheitsgraden an den
Benutzergegenstand 34 der Schnittstellenvorrichtung 14. Die
Aktuatoren 30 können zweierlei Typen umfassen: aktive Aktuatoren
und passive Aktuatoren.
Zu den aktiven Aktuatoren gehören lineare Stromregelmotoren,
Schrittmotoren, pneumatische/hydraulische aktive Aktuatoren, ein
Drehmomenterzeuger (Motor mit begrenzter Winkelreichweite), ein
Schwingspulenaktuator und andere Arten von Aktuatoren, die eine
Kraft übertragen, um ein Objekt zu bewegen. Als Aktuatoren 30
können auch passive Aktuatoren verwendet werden, wie z. B.
Magnetpulverbremsen, Reibungsbremsen oder pneumatische/hy
draulische passive Aktuatoren. Die Aktuatorschnittstelle 38
kann wahlweise zwischen den Aktuatoren 30 und dem
Mikroprozessor 26 angeschlossen sein, um Signale vom
Mikroprozessor 26 in entsprechende Signale zum Antrieb der
Aktuatoren 30 umzusetzen.
In der Schnittstellenvorrichtung 14 können wahlweise auch andere
Eingabevorrichtungen 39 enthalten sein und Eingabesignale zum
Mikroprozessor 26 oder zum Host-Prozessor 16 senden. Solche
Eingabevorrichtungen können u. a. Knöpfe, Wählscheiben, Schalter,
Hebel oder andere Mechanismen sein. In Ausführungsformen, wo der
Benutzergegenstand 34 z. B. ein Joystick ist, können andere
Eingabevorrichtungen einen oder mehr Knöpfe aufweisen, die z. B.
auf dem Joystick-Griff oder Unterteil vorgesehen sind. An die
Aktuatorschnittstelle 38 und/oder Aktuatoren 30 kann wahlweise
eine Stromversorgung 40 zur Bereitstellung elektrischer Leistung
angeschlossen sein. In der Schnittstellenvorrichtung 14 ist
wahlweise ein Sicherheitsschalter 41 zur Bereitstellung eines
Mechanismus zur Deaktivierung der Aktuatoren 30 aus
Sicherheitsgründen enthalten.
Der durch einen Benutzer betätigbare Gegenstand 34
("Benutzergegenstand") ist ein körperliches Objekt, Gerät oder
Artikel, den ein Benutzer greifen oder andersartig berühren oder
steuern kann, und der an die Schnittstellenvorrichtung 14
angeschlossen ist. Mit "greifen" ist gemeint, daß Benutzer ein
Griffteil des Gegenstands in irgendeiner Form lösbar fassen
können, z. B. mit der Hand, den Fingerspitzen oder, im Falle von
Behinderten, sogar mit dem Mund. Der Benutzer 22 kann den
Gegenstand entlang vorgesehener Freiheitsgrade betätigen und
bewegen, um eine Verbindung mit dem Host-Anwendungsprogramm
herzustellen, das der Benutzer gerade auf dem Bildschirm 20
betrachtet. Der Gegenstand 34 kann ein Joystick, eine Maus, eine
Rollkugel, ein Stylus (z. B. am Ende einer Verbindung), ein
Steuerrad, eine Kugel, ein medizinisches Instrument (Laparoskop,
Katheter etc.), Billard-Queue (z. B. Bewegen des Queue über
aktivierte Rollen), Handgriff, Griffknopf, Knopf oder anderes
Objekt sein.
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform einer
mechanischen Vorrichtung 100, die zur Bereitstellung der
mechanischen Eingabe und Ausgabe an das Host-Computersystem 12
geeignet ist. Die Vorrichtung 100 ist für einen Joystick oder
ähnlichen Benutzergegenstand 34 geeignet. Die Vorrichtung 100
beinhaltet einen Tragrahmenmechanismus 140, Meßfühler 28 und
Aktuatoren 30. Der Benutzergegenstand 34 ist in dieser
Ausführungsform als Joystick mit einem Griffteil 162 gezeigt.
Der Tragrahmenmechanismus 140 stellt dem Gegenstand 34 zwei
Rotationsfreiheitsgrade zur Verfügung. Der Tragrahmenmechanismus
140 sorgt für die Lagerung der Vorrichtung 160 auf einer
Stützfläche 142, beispielsweise einer Tischoberseite oder
ähnlichen Fläche. Der Tragrahmenmechanismus 140 ist eine
fünfteilige Verbindung, die ein Grundelement 144, Ansatzelemente
146a und 146b sowie Zentralelemente 148a und 148b umfaßt. Der
Tragrahmenmechanismus 140 schließt auch Capstan- bzw. Winden-
Antriebsmechanismen 164 ein.
Das Grundelement 144 weist ein Unterteil 166 und vertikale
Tragelemente 168 auf. Das Unterteil 166 ist an die Stützfläche
142 angekuppelt. Die Elemente des Tragrahmenmechanismus 140 sind
durch Verwendung von Lagern oder Schwenkachsen drehbar
miteinander verbunden. Das Ansatzelement 146a ist fest an einen
Windenbogen 170 angekuppelt und wird bei Rotieren des
Windenbogens 170 um eine Achse A gedreht. In ähnlicher Weise ist
das Ansatzelement 146b fest an den anderen Windenbogen 170
angekuppelt und kann um eine Achse B gedreht werden. Das zentrale
Antriebselement 148a ist drehbar mit dem Ansatzelement 146a
verbunden und kann um eine Momentanachse D rotieren, und das
zentrale Verbindungselement 148b ist an einem Mittelpunkt P
drehbar mit einem Ende des Ansatzelementes 146b verbunden und
kann um eine Momentanachse E rotieren. Das zentrale
Antriebselement 148a und das zentrale Verbindungselement 148b
sind am Drehpol des Tragrahmenmechanismus drehbar miteinander
verbunden, welches der Schnittpunkt P der Achsen A und B ist. Ein
Lager 172 verbindet die beiden Zentralelemente 148a und 148b am
Schnittpunkt P miteinander. Die Meßfühler 28 und Aktuatoren 30
sind durch den Windenbogen 170 an das Grundelement 144 und die
Elemente 146 angekuppelt.
Der Tragrahmenmechanismus 140 stellt einem am oder nahe am
Rotationsmittelpunkt P positionierten Gegenstand 34 zwei
Freiheitsgrade zur Verfügung, wobei der Gegenstand 34 um die
Achse A und/oder B gedreht werden kann. In alternativen
Ausführungsformen kann der Gegenstand 34 auch in anderen
Freiheitsgraden gedreht oder übersetzt werden, z. B. einem
linearen Freiheitsgrad entlang der Achse C oder einem
Freiheitsgrad mit Rotations-"Drall" um die Achse C, und diese
zusätzlichen Freiheitsgrade können abgefühlt und/oder aktiviert
werden. Darüber hinaus kann an jedes vertikale Element 168 ein
Antriebsmechanismus 164 angekuppelt sein, um einen mechanischen
Vorteil bereitzustellen, ohne Reibung und Spiel in das System
einzubringen.
In anderen Ausführungsformen können andere Arten von Mechanismen
verwendet werden, wie z. B. geschlitzte Bügel, planare
Verbindungen, Ausführungsformen mit tastbarer Schwingung und
andere Mechanismen, wie sie dem Fachmann wohl bekannt sind.
Da Force-Feedback-Vorrichtungen so eine breite Vielfalt von
Gefühlsempfindungen jeweils mit eigenen, einzigartigen
Parametern, Randbedingungen und Implementierungsausgaben erzeugen
können, ist das Gesamtspektrum der Kraftempfindungen hierin in
Unteranordnungen unterteilt. Es werden hier drei Klassen von
Gefühlsempfindungen erörtert: räumliche Zustände ("Zustände"),
zeitliche Wirkungen ("Effekte" oder "Wellen") und dynamische
Empfindungen ("Dynamik"). Zustände sind Kraftempfindungen, die
eine Funktion der Benutzerbewegung des betätigbaren
Gegenstands 34 sind, Effekte sind Kraftempfindungen, die
unabhängig von der Position oder Bewegung des Benutzergegenstands
mit der Zeit wiedergegeben werden, und Dynamik ist eine
Kraftempfindung, die auf einem interaktiven Bewegungsmuster von
Bewegung und Zeit basiert. Bevorzugte Standardzustandsarten
beinhalten Federung, Dämpfung, Trägheit, Reibung, Struktur und
Wandungen. Drei Grundwirkungsarten sind die periodische Kraft,
die konstante Kraft (Vektorkraft) und die schiefe Ebene. Zu den
dynamischen Empfindungen gehören die physikalischen Echtzeit-
Wechselwirkungen, die erstens auf der Benutzerbewegung sowie
zweitens auf einem physikalischen System beruhen, wobei die
Benutzerbewegung während der gegenseitigen Beeinflussung auf das
Verhalten des physikalischen Systems einwirkt. Jede dynamische
Empfindung basiert auf einem simulierten physikalischen
Grundsystem mit einer dynamischen Masse, die durch eine
simulierte Feder und einen simulierten Dämpfer mit dem
Benutzergegenstand 34 verbunden ist.
Fig. 3 zeigt eine Anzeigevorrichtung 20, die eine
Schnittstelle 300 mit einer Graphikdialogwerkzeug-Anordnung der
vorliegenden Erfindung darstellt, die Entwicklern und
Programmierern des Force Feedback ("Benutzern" der Schnittstelle)
eine rasche und effiziente Gestaltung und Realisierung von
Kraftempfindungen ermöglicht. Die Graphikumgebung ermöglicht die
Definition von Zuständen, Effekten ("Wellen") und Dynamik durch
intuitive graphische Metaphern, die die physikalische Bedeutung
jedes betroffenen Parameters transportieren. Während des
Manipulierens der Parameter können Empfindungen in Echtzeit
gespürt werden, was einen iterativen Gestaltungsprozeß zur
Feinabstimmung des Fühlens exakt auf die Bedürfnisse des
Designers ermöglicht. Wenn die passende Empfindung erreicht ist,
kann die Schnittstelle die Parameter als Betriebsmittel speichern
und automatisch einen optimierten Code in einem gewünschten
Format generieren, der direkt in einem Anwendungsprogramm
verwendet werden kann. Auf diese Weise handhabt die
Schnittstelle 300 fast das ganze Force-Feedback-
Entwicklungsverfahren von der Kraftempfindungsgestaltung bis zur
Codierung. Mit diesen Werkzeugen wird die Programmierung des
Force Feedback zu einem schnellen und einfachen Verfahren.
Die Herausforderung, das Force Feedback zu programmieren, ist
nicht der Codierungsvorgang. Kraftmuster zur Bereitstellung von
Kraftempfindungen sind verfügbar und sobald die gewünschte
Kraftempfindung bekannt und gekennzeichnet ist, kann die
Kraftempfindung unter Verwendung von Softwarebefehlen geradewegs
realisiert werden. Der Akt des Gestaltens von Kraftempfindungen
zur Bereitstellung eines gewünschten Gefühls, das richtig zu
Spiel- oder anderen Anwendungsabläufen paßt, geht allerdings
nicht so direkt vor sich. Das Gestalten von Kraftempfindungen und
einem speziellen Geühl erfordert ein kreatives und interaktives
Verfahren, bei dem Parameter definiert, ihre Wirkung ausprobiert
und die Parameter abgeändert werden, bis die Empfindungen die
gewünschte Charakterisierung haben. Wenn beispielsweise Zustände
entworfen werden, könnte dieses Dialogverfahren das Einstellen
der Konstanten von Federn, das Abstecken der toten Zone, das
Beeinflussen des Versatzes und das Abstimmen der Sättigungswerte
bedingen. Wenn Effekte gestaltet werden, könnte dies das
Auswählen einer Wellenquelle (Sinus-, Rechteck-,
Dreieckwellenform etc.), das Einstellen der Größe, Frequenz und
Dauer des Signals und dann Abstimmen der Gruppenparameter
bedingen. Für eine dynamische Empfindung könnte dies das
Einstellen der dynamischen Masse und dann Abstimmen der Resonanz-
und Abklingparameter bedingen. Bei der Wahl unter so vielen
Parametern, die jeweils auf eine andere Kraftempfindungsart
anwendbar sind, braucht man ein schnelles, einfaches und
interaktives Mittel zur Empfindungsgestaltung. Um diese
Notwendigkeit zu erfüllen, ermöglicht die
Graphikschnittstelle 300 der vorliegenden Erfindung einem
Benutzer ein rasches Einstellen der physikalischen Parameter und
Fühlen der Empfindungen, wonach die Schnittstelle automatisch den
entsprechenden Code zur Verwendung in einem Host-Computer-
Anwendungsprogramm generiert.
Die Schnittstelle 300 ermöglicht eine Dialoggestaltung des
Empfindens von Zuständen, Effekten und Dynamik in Echtzeit, wobei
die Parameter durch ein schnelles iteratives Verfahren definiert
und ausprobiert werden können. Daher wird die Computer-
Implementierungsschnittstelle 300 bevorzugt mit einer Force-
Feedback-Schnittstellenvorrichtung 14 verbunden, deren Funktion
die Ausgabe befehlsgesteuerter Kraftempfindungen ist. In der
Schnittstelle 300 sind intuitive graphische Metaphern
bereitgestellt, die das Verständnis eines Programmierers für die
auf jede Empfindungsart bezogenen physikalischen Parameter
verbessern und dadurch den iterativen Gestaltungsprozeß
beschleunigen. Vorzugsweise sind in der Schnittstelle 300 auch
Dateiverwaltungswerkzeuge vorgesehen, so daß entworfene
Kraftempfindungen gespeichert, kopiert, verändert und kombiniert
werden können und es einem Benutzer dadurch ermöglichen, eine
Bibliothek mit Kraftempfindungen anzulegen. Wenn Empfindungen
einmal definiert sind, speichert die Schnittstelle 300 die
Parameter vorzugsweise als "Betriebsmittel", die von einem
Anwendungsprogramm benutzt werden können. Durch Einbinden eines
Kraftempfindungsbetriebsmittels in ein Anwendungsprogramm können
die Betriebsmittel z. B. in den optimierten Direct-X Code zur
Verwendung in einer Anwendung in der Windows-Umgebung umgesetzt
werden. In anderen Ausführungsformen können andere Codeformate
oder Sprachen vorgesehen sein. Die Schnittstelle 300 kann durch
Programmbefehle oder einen auf einem computerlesbaren Medium
gespeicherten Code implementiert werden, wobei das
computerlesbare Medium entweder ein mobiles oder immobiles Gerät
und ein Halbleiter oder anderer Speicher des ausführenden
Computers (wie z. B. der Computer 12), ein Magnetplattenlaufwerk
oder -band, eine mobile Festplatte, optische Medien wie eine
CD-ROM, eine PCMCIA-Karte oder ein anderes Medium sein kann.
Wie in Fig. 3 gezeigt, weist die Schnittstelle 300 drei
Hauptarbeitsbereiche auf: die Empfindungspalette 302, die
Knopfauslöserpalette 304 und den Gestaltungsraum 306. In dem
Gestaltungsraum 306 werden Kraftempfindungen erzeugt und können
unter Verwendung von Standard-Dateihandhabungsmerkmalen in diesem
Raum gespeichert und hineingeladen werden.
Zur Erzeugung einer neuen Kraftempfindung wird eine
Empfindungsart aus der Empfindungspalette 302 gewählt. Die
Palette 302 ist in einem erweiterungsfähigen Baumformat gezeigt.
Die Wurzel des Baums enthält die drei Klassen 310 der hierin
beschriebenen Force-Feedback-Empfindungen, Zustände, Wellen
(Effekte) und Dynamik. Vorzugsweise können Benutzer auch ihre
eigenen Überschriften definieren; beispielsweise kann eine
"Lieblings-"Gruppe hinzugefügt werden, wo Kraftempfindungen mit
erwünschten, früher entworfenen Parametern gespeichert werden.
In der Schnittstelle 300 sind die Klassen Zustände, Wellen und
Dynamik in erweiterter Ansicht gezeigt. Auf Wunsch können diese
Klassen auch "komprimiert" werden, so daß sie nur die
Klassenüberschrift anzeigen. Wenn eine Klasse in erweiterter
Ansicht angezeigt wird, zeigt die Schnittstelle 300 eine
Auflistung aller Empfindungsarten an, die für diese Klasse von
der mit dem Host-Computer 12 verbundenen Hardware unterstützt
werden. Beim Programmieren neuerer oder teurerer Hardware, die
eine große Anzahl von Kraftempfindungsarten unterstützt, wird
z. B. eine Liste mit vielen oder allen verfügbaren
Empfindungsarten angezeigt. Beim Programmieren älterer oder
preiswerterer Schnittstellenvorrichtungs-Hardware, die nicht alle
Empfindungen implementieren kann, können einige Empfindungsarten
in der erweiterten Ansicht weggelassen oder nicht zur Auswahl
verfügbar sein. Vorzugsweise kann die Schnittstelle 300 unter
Verwendung eines Leistungsaufzählprozesses genau bestimmen,
welche Kraftempfindungen durch eine mit dem Host-Computer
verbundene gegebene Schnittstellenvorrichtung 14 unterstützt
werden, d. h. der Host-Computer kann Informationen von der
Schnittstellenvorrichtung anfordern, beispielsweise die Nummer
einer Version, das Herstelldatum, eine Liste der implementierten
Merkmale etc.
Sobald eine Empfindungsart aus der Empfindungspalette 302
ausgesucht ist, wird die Empfindungsart dem Gestaltungsraum 306
hinzugefügt. In Fig. 3 ist z. B. ein Icon 308 für die gewählte
Kraftempfindung "Dämpfung" im Fenster des Gestaltungsraums 306
angezeigt. Das Icon 308 kann nun vom Benutzer ausgewählt/geöffnet
werden, um die Parameter für die gegebene Empfindungsart unter
Verwendung von graphischen Entwicklungswerkzeugen festzulegen
(weiter unten beschrieben). In ähnlicher Weise können vielerlei
Icons in den Gestaltungsraum gezogen werden, um eine komplexere
Kraftempfindung zu erzeugen. Sobald die Parameter für die
gegebene Empfindung genau angegeben sind, kann die Empfindung als
Betriebsmitteldatei gespeichert werden. Unter Verwendung dieses
Verfahrens kann ein Benutzer eine vielseitige Bibliothek von
Fühlempfindungen als Betriebsmitteldateien erzeugen. Es könnten
auch vordefinierte Bibliotheken von Muster-Betriebsmitteln aus
Drittquellen verfügbar sein.
In der Auslöserknopfpalette 304 angezeigte Optionen kann der
Benutzer ebenfalls auswählen. Die Auslöserpalette 304 wird zum
Testen von Kraftempfindungen verwendet, die nun als Knopfreflexe
definiert werden. Zum Beispiel könnte eine Kraftempfindung als
Kombination aus einer Rechteckwelle und einer Sinuswelle
gestaltet werden, die ausgelöst wird, wenn der Knopf #2 der
Schnittstellenvorrichtung gedrückt wird. Die Rechteckwelle würde
erzeugt, indem aus der Empfindungspalette 302 der periodische
Typ 312 ausgesucht wird und passende Parameter für die
Rechteckwelle definiert werden. Dann würde eine Sinuswelle
erzeugt, indem ein anderer periodischer Typ 312 aus der
Empfindungspalette 302 ausgesucht wird und die passenden
Parameter für die Sinuswelle definiert werden. Zu diesem
Zeitpunkt würden zwei periodische Icons 308 in dem
Gestaltungsraumfenster 306 angezeigt. Zum Testen des Auslösers
kann der Benutzer diese Icons 308 einfach in das Icon 314 des
Knopfes 2 ziehen und loslassen. Auf diese Weise ist der Knopf 2
auf der Schnittstellenvorrichtung 14 so gestaltet worden, daß er
die Reflexempfindung auslöst, wenn er gedrückt wird. Dieses
Verfahren ist schnell, einfach und vielseitig. Wenn der Benutzer
eine Empfindung genau nach Wunsch erreicht, kann die Empfindung
als Betriebsmitteldatei gespeichert werden, und es wird ein
optimierter Softwarecode zur Verwendung im Anwendungsprogramm
erzeugt. Die Auswahl des Knopfes 2 könnte in anderen
Ausführungsformen auf andere Art vorgesehen sein. Der Benutzer
könnte beispielsweise die gestalteten Kraft-Icons im
Gestaltungsraum 306 auswählen oder markieren und dann das Icon
des Knopfes 2 in der Palette 304 auswählen, um anzugeben, daß die
markierten Kräfte durch den Knopf 2 ausgelöst werden.
Fig. 4 stellt die Schnittstelle 300 dar, wobei im
Gestaltungsraum 306 eine Kraftempfindung gekennzeichnet wird.
Wenn vom Benutzer ein Icon 308 im Gestaltungsraum 306 ausgewählt
wird, erweitert sich das Icon 308 zu einem
Kraftempfindungsfenster mit Graphikumgebung zum Festlegen und
Testen der physikalischen Parameter, die der gewählten Empfindung
zugeordnet sind. In Fig. 4 ist z. B. die Empfindungsart einer
Federung 320 aus der Zustandsliste 322 gewählt und im
Gestaltungsraum 306 als Icon 324 bereitgestellt. Wenn das
Icon 324 ausgewählt wird, wird im Gestaltungsraum 306 ein
Federungsfenster 326 angezeigt. Innerhalb des
Federungsfensters 326 befinden sich Felder 328 zur
Charakterisierung der Kraft, einschließlich der Achse 330
(und/oder Richtung, Freiheitsgrad etc.), in der die Kraft
angelegt werden soll, des Zuwachses 332 (oder der Größe) der
Kraft, und der Parameter 334, die der Kraftempfindung zugeordnet
sind. Für die Federempfindung werden z. B. die positive Konstante
("Koeffizient"), die negative Konstante ("Koeffizient"), die
positive Sättigung, die negative Sättigung, die Abweichung und
die tote Zone der Federempfindung als Parameter angezeigt. Der
Benutzer kann die gewünschten Daten in die Felder 328 eingeben,
um die Kraft zu kennzeichnen. Der Benutzer hat beispielsweise
genau angegeben, daß die Kraft entlang der x-Achse angelegt
werden soll (in beide Richtungen, da keine einzelne Richtung
spezifiziert ist), hat einen Zuwachs von 100 angegeben und hat
Sättigungswerte von 10.000 in positiver und in negativer Richtung
festgesetzt. Der Benutzer kann vorzugsweise auch alle oder einige
der Parameter in graphischer Form angeben, indem er die Größe
oder den Verlauf der Umhüllungskurve, die Höhe oder Frequenz der
Wellenform, die Breite der toten Zone oder der Federn, den Platz
einer Scheidewand auf einer Achse etc. unter Verwendung eines
Cursors oder anderen gesteuerten graphischen Gegenstands
einstellt.
Wenn der Benutzer Werte in die Felder 328 einsetzt, werden die
resultierenden Zusätze und Änderungen an der Kraftempfindung in
einem intuitiven Graphikformat in dem Kraftempfindungsfenster
angezeigt. Beispielsweise ist in dem
Federungsempfindungsfenster 326 eine graphische Darstellung 336
angezeigt. Die Darstellung 336 beinhaltet eine Abb. 338 des
Benutzergegenstands 34 (als Joystick gezeigt, kann aber auch als
eine andere Art von Benutzergegenstand gezeigt sein), eine
Abb. 340 des Bodens, eine Abb. 342 einer Feder auf der
rechten Seite des Joysticks 34 und eine Abb. 344 einer Feder
auf der linken Seite des Joysticks 34. Die Darstellung 336 führt
eine einzelne Achse bzw. einen einzigen Freiheitsgrad der
Schnittstellenvorrichtung vor.
Die Darstellung 336 stellt ein physikalisches, graphisches Modell
dar, mit dem der Benutzer die Funktionsweise der Kraftempfindung
visuell verstehen kann. Die Benutzergegenstandsabbildung 338 wird
vorzugsweise in ähnlicher Gestalt wie der tatsächliche
Benutzergegenstand der gewünschten Schnittstellenvorrichtung
angezeigt (in diesem Beispiel ein Joystick). Entlang der
angezeigten Achse sind in beiden Richtungen Federabbildungen 342
und 344 vorhanden, die durch einen positiven Steifheitsparameter
(k) und einen negativen Steifheitsparameter (k) definiert sind.
Graphisch ist die große Konstante der Feder nach rechts
(Koeffizient 80) als größere Federabbildung 342 dargestellt. Der
Nullpunkt des Federzustands ist an einer Mittenposition 346
gezeigt, da der Versatzparameter 348 null ist. Falls der Versatz
eine positive oder negative Größe hat, würde der Nullpunkt
entsprechend weiter links oder rechts angezeigt. Die
Totzonenregion ist graphisch als Lücke zwischen der
Benutzergegenstandsabbildung 338 und den Federabbildungen 342
und 344 gezeigt.
In der bevorzugten Ausführungsform hilft die graphische
Darstellung dem Benutzer ferner bei der Sichtbarmachung der
geplanten Kraftempfindung dadurch, daß sie in Übereinstimmung mit
der Bewegung des Benutzergegenstands 34 der angeschlossenen
Schnittstellenvorrichtung 14 in Echtzeit aktualisiert wird. Die
Benutzergegenstandsabbildung 338 verschiebt sich dann in einer
Richtung, die der Bewegung des Benutzergegenstands 34 auf
Veranlassung des Benutzers entspricht. Der Benutzergegenstand
kann entlang der gegebenen Achse sowohl in positiver als auch in
negativer Richtung frei bewegt werden und entweder auf eine
positive oder negative Konstante von der Federempfindung treffen.
Falls demnach der Benutzergegenstand vom Nullpunkt 346 aus frei
nach links bewegt wird, wird die Joystick-Abbildung 338 in der
Totzonenregion nach links verschoben, und wenn der
Benutzergegenstand 34 auf den Federwiderstand trifft, wird die
Joystick-Abbildung 338 in Kontakt mit der Federabbildung 344
angezeigt. Falls keine tote Zone definiert ist, werden die
Federabbildungen 342 und 344 als in Kontakt mit der Joystick-
Abbildung 338 an der Mittenposition dargestellt. Die
Randanschlagabbildungen 350 definieren die Begrenzungen des
Freiheitsgrads; wenn der Benutzergegenstand 34 z. B. entlang
einer Achse zu einer physikalischen Grenze der
Schnittstellenvorrichtung bewegt wird, wird die Joystick-
Abbildung 338 als in Kontakt mit einer entsprechenden
Randanschlagabbildung 350 dargestellt.
Fig. 5a bis 5c veranschaulichen die graphische Darstellung 336,
wenn der Benutzergegenstand 34 vom Benutzer bewegt wird. In
Fig. 5a bewegt der Benutzer den Benutzergegenstand 34 und die
Abbildung 338 in positiver Richtung längs einer Achse, wie durch
den Pfeil 354 gezeigt. Der Benutzer spürt keinen Kraftwiderstand,
weil sich der Benutzergegenstand in der Totzonenregion befindet.
Dies ist dadurch dargestellt, daß die Joystick-Abbildung 338
nicht in Kontakt mit anderen Gegenständen angezeigt ist. In
Fig. 5b trifft der Benutzergegenstand 34 in der positiven
Richtung auf die Federkonstante und beginnt, die Feder
zusammenzudrücken. Wie durch die graphische Darstellung 336
gezeigt, hat die Joystick-Abbildung 338 die rechte
Federabbildung 342 berührt, und die Federabbildung 342 ist leicht
komprimiert gezeigt. In Fig. 5c bewegt sich der
Benutzergegenstand weiter gegen die Federkraft, wie in der
Darstellung 336 entsprechend als Kompression der Feder 342
angezeigt. Sobald auf die positive Federkonstante getroffen wird,
steigt die Widerstandskraft linear zur Kompression der Feder an
(wie dies auch bei einer echten Feder ist). Der
Kompressionsumfang, den der Benutzer fühlt, ist mit dem
Kompressionsumfang korreliert, der durch die Federabbildung 342
gezeigt ist. Falls der Programmierer einen Sättigungswert für die
Kraftgegenbewegung in positiver Richtung definiert hat, würde die
Kraftausgabe nicht mehr weiter mit der Kompression steigen,
sobald die Sättigungsgrenze in positiver Richtung überschritten
würde. Die Sättigung kann auch graphisch dargestellt werden,
beispielsweise durch Hervorheben der zutreffenden Federabbildung
in einer anderen Farbe (wie z. B. Rot), oder durch Hervorheben
einer Nachricht oder Anzeige auf dem Bildschirm.
Bezugnehmend auf Fig. 4 kann der Benutzer/die Benutzerin sofort
nach Überprüfen der Eingabeparameter und Einstellungen jede der
vorhandenen Informationen ändern oder neue Informationen
hinzufügen, indem er oder sie Daten in die Felder 328 eingibt.
Alle diese Änderungen werden sofort im Fenster 326 angezeigt.
Wenn der Benutzer z. B. den Koeffizienten (Konstante) der Feder
auf der rechten Seite ändert, wird die Federabbildung 342
größenmäßig sofort geändert, um mit dem neuen Wert zu
korrelieren. Durch einfaches Betrachten der Darstellung 336
gewinnt der Benutzer so ein intuitives Gefühl dafür, wie sich die
Empfindung anfühlen wird. Durch Bewegen des Benutzergegenstands
und Spüren der Empfindung kann der Benutzer dann mit mehr
Genauigkeit bestimmen, wie die Empfindung sich anfühlen wird
(Feinabstimmung). Demzufolge zeigt die graphische
Darstellung 336, wie angezeigt, dem Benutzer deutlich die
verschiedenen Wirkungen von Parametern auf die Kraftempfindung
auf und ermöglicht es dem Benutzer außerdem, die mit der
graphischen Darstellung koordinierten Kräfte zu erleben.
Andere graphische Darstellungen können in der Schnittstelle 300
für Raumstrukturzustände, Wandzustände, Dämpfungszustände,
Trägheitszustände, Reibungszustände etc. angezeigt werden. In
anderen Ausführungsformen kann durch Zeigen einer
Gesamtdarstellung des Benutzergegenstands eine zweidimensionale
Kraftempfindung (d. h. zwei Freiheitsgrade) im Fenster 326
angezeigt werden. Beispielsweise kann in der Mitte von zwei
Anordnungen von Federabbildungen in Querformation eine
kreisförmige Benutzergegenstandsabbildung angezeigt werden, wobei
jede Federanordnung für einen anderen Freiheitsgrad steht.
Fig. 6 veranschaulicht die Schnittstelle 300 und zeigt eine
alternative graphische Darstellung eines Federzustands. Fig. 6
zeigt auch die Vielfalt von Bedingungen 400, die zum Aussuchen
aus der Zustandsliste zur Verfügung stehen. Die in Fig. 4
verwendete Darstellung kann ebenso für einen Federzustand
verwendet werden. In Fig. 6 hat der Benutzer das Feder-Icon 401
im Gestaltungsraum 306 ausgesucht. Wenn das Icon 401 ausgewählt
ist, wird ein Federzustandsfenster 402 im Gestaltungsraum 306
angezeigt. Das Federungsfenster 402 beinhaltet Parameter 404 zur
Kennzeichnung der Federkraft sowie des Zuwachses 406 und der
Achsensteuerung 408. Für jede Achse, in der die Kraft angelegt
werden soll, wird ein Fenster angezeigt. Ein grau ausgefülltes
Fenster für den zweiten Achsenzustand zeigt an, daß dieser Achse
gegenwärtig keine Kraft zugeordnet ist.
Im ersten Achsenfenster 410 steht ein einfacher Modus und ein
höherer Modus zur Verfügung, ähnlich wie beim Dämpfungszustand.
In Fig. 6 hat der Benutzer den einfachen Modus ausgesucht. Von
jedem Rand des Fensters 410 aus sind Federabbildungen 412
dargestellt, wobei die Federabbildung 412a für die negative
Richtung steht und die Federabbildung 412b für die positive
Richtung steht. Wenn der Benutzer den Benutzergegenstand längs
der angezeigten Achse bewegt (die x-Achse), verschiebt sich die
Linie 414 in die entsprechende Richtung. Wenn sich die Linie 414
in eine Federabbildung 412 hineinbewegt, gibt der Mikroprozessor
die angegebene Federkraft auf den Benutzergegenstand aus, so daß
der Benutzer die gekennzeichnete Kraftempfindung spüren kann.
Wenn der Benutzergegenstand weiter in die Feder hineinbewegt
wird, wird die Federabbildung so komprimiert, wie es bei einer
echten Feder wäre. Der leere Raum zwischen den
Federabbildungen 412 zeigt die Totzonenregion an, wo keine Kräfte
ausgegeben werden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Benutzer
eine Federkraft spürt, wenn irgendein Bestandteil der Bewegung
des Benutzergegenstands längs der x-Achse liegt; falls der
Benutzer den Benutzergegenstand in einem 45°-Winkel bewegt (wo
die x-Achse bei 0° ist), dann ist ein Teil der Federkraft in der
x-Achse zu spüren. Dieser Bestandteil ist aber eine schwächere
Federkraft als wenn der Benutzergegenstand direkt auf der x-Achse
bewegt würde. Dies ist auch für die anderen Bedingungen der
Schnittstelle 300 vorzugsweise der Fall. Bei gewissen
alternativen Ausführungsformen könnte die Federkraft in alle
Richtungen ausgeschaltet sein, außer für die Bewegung exakt (oder
innerhalb einer Toleranz) auf der angezeigten Achse.
In der bevorzugten Ausführungsform kann der Benutzer die
Steifheit (k) der Federkraft durch die Auswahl von
Steuerpunkten 422 an den Rändern der Stirnseite der
Federabbildungen 412 mit einem Cursor einstellen. Der Benutzer
kann die Steuerpunkte verziehen, um die Breite der
Federabbildungen einzustellen, was wiederum den
Steifheitsparameter einstellt (wobei in der Gleichung F = kx die
Steifheit k eine Konstante ist, x die Verschiebung des
Benutzergegenstands ist und F die resultierende Kraft ist). Eine
dickere Federabbildung deutet einen größeren Steifheitsparameter
und eine stärkere Federkraft an. So ist die Abbildung 412a breit
und deutet eine große Federkraft in negativer Richtung und das
Gegenstück in positiver Richtung an. Der Benutzer kann auch die
Vorderenden der Federabbildungen näher zusammen- oder weiter
auseinanderschieben und so die Totzonen- und Versatzparameter
einstellen. Die Parameter werden beim Einstellen an den örtlichen
Mikroprozessor gesendet, der dann die neu gekennzeichnete Kraft
auf dem Benutzergegenstand implementiert (falls zweckmäßig).
Es sind auch vorzugsweise Icons vorgesehen, um dem Benutzer bei
der Gestaltung von Kraftempfindungen aus vorher gespeicherten
Kraftempfindungen zu helfen. Wenn z. B. das Icon 424 "Clip-
Objekte" ausgewählt wird, stellt es dem Benutzer eine Liste oder
Bibliothek vordefinierter, allgemeiner Kraftempfindungen zur
Verfügung, die der Benutzer als Basis oder Ausgangspunkt
verwenden kann, d. h. der Benutzer kann eine allgemeine
Federzustandskonfiguration so verändern, daß er schnell eine
gewünschte Kraft erreicht. Diese Bibliothek kann beispielsweise
von kommerziellen Kraftanbietern oder anderen Quellen zur
Verfügung gestellt werden oder eine vom Kunden erstellte
Bibliothek sein.
Fig. 7 veranschaulicht die Schnittstelle 300 mit einer
graphischen Darstellung für eine periodische Wellen-(Effekt)-
Kraftempfindung. Ein Periodenformfenster 440 ist unter Ansprechen
darauf dargestellt, daß der Benutzer (z. B. durch Doppelklick)
das Icon 442 für periodische Wirkung auswählt, das in den
Gestaltungsraum 306 gezogen wurde. Im Fenster 440 ermöglicht das
Wellenform-Quellenfeld 444 einem Benutzer die Auswahl aus
vielerlei verfügbaren Arten von Signalwellenquellen für den
Effekt. Der Benutzer hat die Möglichkeit, die Dauer der
periodischen Welle durch Verwenden von Schiebereitern 446
auszuwählen und kann mit dem Kästchen 448 auch eine unbegrenzte
Dauer wählen. Zuwachs und Versatz können unter Verwendung von
Schiebereitern 450 ausgewählt werden, und andere Parameter sind
in Feldern 452 vorgesehen. In einem Fenster 454 ist eine
graphische Darstellung der periodischen Wellenform angezeigt, die
eine Gestalt aufweist, die auf der gewählten Wellenquelle basiert
und auf den anderen ausgewählten Parametern (oder
Ausgangsparametern, falls keine Parameter ausgesucht sind)
basiert. Durch Verziehen von Steuerpunkten 456 der Wellenform
kann der Benutzer in Feldern 452 Umhüllungsparameter graphisch
einstellen. Eine Frequenz der Wellenform kann durch Verziehen
einer angezeigten Welle zum Verbreitern oder Verschmälern der
dargestellten Schwingungen der Welle oder durch Festlegen der
Periode in einem Feld 458 eingestellt werden. In Feldern 460
können Auslöserknöpfe für die periodische Welle bestimmt werden,
um der entworfenen Wirkung einen physikalischen Knopf (Knöpfe)
oder Steuerungen zuzuordnen, und die Richtung der periodischen
Welle im Benutzergegenstand-Arbeitsraum wird unter Verwendung
einer Wählscheibe 462 und eines Feldes 464 bestimmt. Das
Wiederholungsintervallfeld 460 ermöglicht es einem Benutzer, die
Zeitgröße vor Wiederholung des Effektes festzulegen, wenn der
bezeichnete Knopf gedrückt ist. Diese Parameter und Merkmale
können als Zahlen in die dargestellten Eingabefelder oder
Bereitschaftsfelder eingegeben werden oder können durch Verziehen
der graphischen Darstellung der Wellenform im Fenster 454 mit
einem Cursor bis zu dem gewünschten Aussehen oder Maß eingegeben
werden.
Beim Spezifizieren verursachen die Parameter eine Änderung der
graphischen Darstellung gemäß den Parametern. Wenn also der
Benutzer eine bestimmte Umhüllungskurve spezifiziert, wird diese
Umhüllungskurve sofort im Fenster 454 angezeigt. Der Benutzer
kann auf diese Weise schnell visuell bestimmen, wie die
angegebenen Parameter sich genau auf die periodische Wellenform
auswirken.
Zum Testen der spezifizierten periodischen Welle wählt der
Benutzer vorzugsweise den Startknopf 456 aus, der den
Mikroprozessor anweist, die angegebene Kraftempfindung über die
Zeit an den Benutzergegenstand auszugeben, so daß der Benutzer
die Kraftempfindung fühlen kann, wenn er den Benutzergegenstand
ergreift. In der bevorzugten Ausführungsform rollt eine
Graphikmarke, wie z. B. eine vertikale Linie oder ein Zeiger, von
links nach rechts über das Bildschirmfenster 454 und zeigt den
aktuellen Abschnitt oder Punkt auf der Wellenform an, der gerade
ausgegeben wird. Oder die Wellenform kann belebt sein; wenn
beispielsweise ein Impuls und Nachlassen festgelegt ist, wird die
Welle so belebt, daß der Impulsabschnitt der Wellenform angezeigt
wird, wenn die Impulskraft auf den Benutzergegenstand ausgegeben
wird, und das Nachlassen wird angezeigt, wenn die Ausgangskraft
auf ein konstantes Level herunterfährt. Da die graphische Anzeige
von dem Host-Computer übertragen wird und die
Kraftwellenerzeugung (in einer Ausführungsform) von einem
örtlichen Mikroprozessor verarbeitet wird, muß die Host-Anzeige
der Marke zu Beginn der Kraftausgabe mit der Krafterzeugung des
Mikroprozessors synchronisiert werden. Der Benutzer kann die
Ausgabe der periodischen Empfindung stoppen, indem er den Stop-
Knopf 458 auswählt.
Wie oben beschrieben, besteht die normale Vorgehensweise eines
Kraftdesigners bei der Verwendung der Schnittstelle 300 darin,
Parameter für eine ausgewählte Kraftempfindungsart einzugeben,
durch Betätigen des Benutzergegenstands die Art und Weise zu
testen, wie sich die Kraftempfindung anfühlt, die Parameter auf
der Basis dessen einzustellen, wie sich die Kraft anfühlt, und
die Schritte Testen der Art und Weise, wie sich die Kraft anfühlt
und Einstellen der Parameter iterativ zu wiederholen, bis die
gewünschte Kraftempfindung charakterisiert ist. Normalerweise
würde der Benutzer dann die resultierende Parameteranordnung zur
Beschreibung dieser Kraftempfindung auf einem Speichermedium
sichern, wie z. B. einer Magnetplatte, einer CD-ROM, einem
nichtflüchtigen Speicher, einer PCMCIA-Karte, einem Band oder
anderen Speicherraum, auf den ein Computer zugreifen kann, der
zur Steuerung des Force Feedback gewünscht wird. Der Benutzer
ordnet der gespeicherten Parameteranordnung vorzugsweise auch
einen Feldnamen zu, wie z. B. einen Dateinamen, so daß später auf
diese Kraftempfindung zugegriffen werden kann. Demzufolge können
andere auf einem Host-Computer laufende Anwendungsprogramme mit
diesem Feldnamen auf die Parameteranordnung zugreifen und die
gestaltete Kraftempfindung in einer Anwendung verwenden, wie
z. B. in einem Spiel, einer Graphik-Benutzerschnittstelle, einer
Simulation etc.
Sobald eine Kraftempfindung unter Verwendung der Graphikwerkzeuge
gestaltet ist, wie oben beschrieben, kann die Definition als
Parameter-Betriebsmittel gespeichert werden. Durch Zugreifen auf
das Schnittstellen-Betriebsmittel von einem Anwendungsprogramm
aus wird das Betriebsmittel automatisch von einer
Parameteranordnung in den Code in der gewünschten Sprache oder
dem gewünschten Format konvertiert, z. B. Direct-X von der Firma
Microsoft® Corporation zur Verwendung im Betriebssystem
WindowsTM. Das Force-Feedback-Betriebsmittel kann als oder in
einer DLL (Dynamische Link-Bibliothek) vorgesehen sein, die mit
einem Anwendungsprogramm verknüpft ist. In einer Ausführungsform
kann die DLL das Anwendungsprogramm mit Effekten bereitstellen,
die als komplettierte Direct_X Structs (DI_Struct) definiert
sind, wobei der Anwendungsprogrammierer dann unter Verwendung des
Aufrufs "CreateEffect" im Direct-X (oder entsprechenden Aufrufen
in anderen Sprachen/Formaten) Effekte erzeugen kann. Oder die DLL
kann das gesamte Verfahren durchführen und den Effekt für das
Anwendungsprogramm erzeugen, wobei sie für den Programmierer
einen Zeiger auf die Empfindung bereitstellt. Ein Vorteil bei der
Verwendung der ersten Option, bei der der Programmierer
"CreateEffect" aufruft, ist dabei, daß sie dem Programmierer vor
der Erzeugung des Effekts die Gelegenheit gibt, auf die Parameter
zuzugreifen, so daß die Parameter auf Wunsch verändert werden
können.
Fig. 8 veranschaulicht eine andere Ausführungsform 500 der
Kraftdesign-Schnittstelle der vorliegenden Erfindung, die die
Möglichkeit zur Synchronisierung von Geräuschen und
Kraftempfindungen ("Krafteffekte") einschließt. Geräusche sind
für das Erleben von Gefühlsempfindungen ziemlich wichtig. Ein
Fühlen einer Maschine, einer Explosion oder einer Kollision hat
ohne Ton beispielsweise nicht annähernd dieselbe Wirkung auf den
Benutzer wie wenn es von synchronisierten Geräuscheffekten
begleitet ist. Es ist daher wichtig für den Designer von
Kraftempfindungen, während des Gestaltungsverfahrens die
Geräusche zu berücksichtigen, die die Kraftempfindungen begleiten
werden. Die Schnittstelle 500 ermöglicht es einem Benutzer der
Design-Schnittstelle, Kräfte mit gewünschten Geräuscheffekten
einfach zu synchronisieren und, was noch wichtiger ist,
ermöglicht es dem Benutzer, Kraftempfindungen wiederholt zu
modifizieren, so daß sie effizienter mit den Geräuscheffekten
präsentiert werden.
Die Schnittstelle 500 enthält vorzugsweise eine
Empfindungspalette 502, eine Knopf-Auslöserpalette 504 und einen
Gestaltungsraum 506 mit ähnlichen Merkmalen wie in der oben
beschriebenen Schnittstelle 300. Der Gestaltungsraum kann eine
Reihe von Kraftempfindungen 508 enthalten, die dann in einer
speziellen "Kraft-Betriebsmittel"-Datei gespeichert werden, die
von der Schnittstelle 500 herausgegeben wird. Jede
Kraftempfindung in dem Gestaltungsraum 506 kann durch Aufrufen
eines Kraft-Entwurfsfensters 508 verändert werden, das eine
graphische Darstellung der Kraft und mehrere Steuerungen enthält,
um eine Modifikation der Kraftempfindung zu ermöglichen, wie oben
detailliert beschrieben. In Fig. 8 ist beispielsweise ein
Entwurfsfenster für eine periodische "Pfeil und Bogen"-
Kraftempfindung gezeigt.
Die Knopf-Auslöserpalette 504 weist vorzugsweise eine zusätzliche
Funktionsvielfalt der vorliegenden Erfindung bezüglich der
Zuordnung von Geräuschen zu Kraftempfindungen auf. Die
Auslöserpalette 504 wird zum Testen von Kraftempfindungen und
Geräuschen verwendet, die den Kraftempfindungen jeweils in der
Schnittstelle 500 zugeordnet wurden (und unterscheidet sich auf
diese Weise vom Zuordnen einer Auslöserbedingung zu einer
Kraftempfindung selbst, was im Feld 509 des Entwurfsfensters 508
geschieht). Jedes Knopf-Icon 510 kann einem bestimmten Knopf oder
einer anderen Steuerung auf der Force-Feedback-Vorrichtung
zugeordnet werden, die mit dem Computer verbunden ist, der die
Schnittstelle 500 betreibt. Zur Anzeige der Möglichkeit der
Zuordnung von Geräuschen weisen die Knopf-Icons 510 vorzugsweise
ein Hinweis-Icon oder eine andere graphische Indikation der
Möglichkeit zum Hinzufügen von Geräuschen auf. Der Benutzer kann
einem Knopf-Icon 510 eine Kraftempfindung zuordnen, um es dem
Benutzer zu ermöglichen, die Kraftempfindung auszugeben, wie oben
beschrieben; beispielsweise kann ein Kraftempfindungs-Icon 508 im
Gestaltungsraum 506 auf das Knopf-Icon 510a gezogen werden.
Alternativ können ein Menü und eine Liste mit Kraftempfindungen
zum Hinzufügen zu dem Knopf-Icon angezeigt werden. Einem Knopf-
Icon 510 können mehrfache Kraftempfindungen zugeordnet sein, wie
durch unter dem Knopf-Icon 510a dargestellte Kraft-Icons 511
gezeigt.
Dem Knopf-Icon 510a kann vom Benutzer auch ein Geräusch
zugeordnet werden. Wenn der Benutzer beispielsweise die Anzeige
eines Geräuschmenüs auswählt (z. B. Wahl eines graphischen
Knopfes etc. durch Rechtsklick auf der Maus), wird ein Menü 512
angezeigt, das es einem Benutzer ermöglicht, ein Geräusch an das
Knopf-Icon "anzuhängen". In dem gezeigten Beispielsmenü hat die
Benutzerauswahl die Optionen, ein Geräusch an das ausgewählte
Knopf-Icon anzuhängen, ein zuvor angehängtes Geräusch von dem
ausgewählten Knopf-Icon "abzutrennen", oder ein Geräusch zu
testen, das für das Knopf-Icon ausgewählt wurde. Beim Anhängen
eines Geräusches wird vorzugsweise eine Liste mit Geräuschdateien
angezeigt, aus denen der Benutzer eine Datei auswählen kann. Die
Geräuschdateien können in einem Standardformat vorliegen, wie
z. B. "wav" oder RealAudio, und können sich auf dem Computer
befinden, der die Design-Schnittstelle 500 betreibt oder auf
einem anderen Computer, der beispielsweise durch ein Computer-
Netzwerk mit dem Computer verbunden ist, der die Schnittstelle
betreibt. In wechselnden Ausführungsformen kann der Benutzer
mehrfache Geräuschdateien zum Anhängen an ein einzelnes Knopf-
Icon 510 auswählen.
Wenn eine oder mehr Geräuschdateien an ein Knopf-Icon wie das
Knopf-Icon 510a angehängt wurden, werden die Geräuschdateien auf
an den Computer angehängten Lautsprechern abgespielt, wenn der
zugehörige Knopf auf der Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung
vom Benutzer gedrückt wird. Darüber hinaus werden alle dem Knopf-
Icon 510a zugeordneten Kraftempfindungen 511 zur selben Zeit
abgespielt wie das Geräusch, wenn der Knopf gedrückt wird.
Vorzugsweise ist der Beginn der Kraftempfindung mit dem Beginn
des abgespielten Geräuscheffektes synchronisiert. Die
Kraftempfindung und das Geräusch können auch abgespielt werden,
wenn der Benutzer eine Steuerung in der Schnittstelle 500
aktiviert, wie z. B. einen graphischen Knopf oder Icon in der
Schnittstelle 500.
Die Möglichkeit, Toneffekte mit einem Knopf zu verbinden und eine
oder mehr Geräuschdateien mit einer Kraftempfindung abzuspielen,
ermöglicht dem Benutzer eine direkte Kenntnis der Art und Weise,
wie eine Kraftempfindung in Verbindung mit einem gewünschten
Toneffekt von dem Benutzer erlebt werden wird. Dies ermöglicht
dem Benutzer die Feinabstimmung einer Kraftempfindung, die mit
Geräuschen synchronisiert werden soll. Wenn beispielsweise eine
Vibration mit einem pulsierenden Geräuscheffekt synchronisiert
werden soll, können die vom Benutzer verspürten Vibrations-
"Stöße" mit jedem Tonimpuls synchronisiert werden, indem ein
Knopf gedrückt wird, der mit einem Knopf-Icon 510 verbunden ist,
dem die Kraft und das Geräusch zugeordnet sind. Wenn die
Vibrationsstöße teilweise nicht mit den Tonimpulsen synchron
sind, kann der Benutzer die Frequenz (oder andere relevante
Parameter) der Vibration schnell einstellen und die Kraft und das
Geräusch erneut testen. Falls die Kraft eine weitere Abstimmung
benötigt, kann der Benutzer dies schnell tun. Dieses iterative
Gestaltungsverfahren ermöglicht es, einzelne Merkmale in einem
Geräuscheffekt an die Merkmale in einem abgespielten Krafteffekt
anzupassen. Wenn beispielsweise ein Geräusch nicht periodisch ist
und bestimmte Merkmale aufweist, wie z. B. ein leises
Kollisionsgeräusch gefolgt von einem lauten Kollisionsgeräusch,
ist eine Kraftempfindung mit der Ausgabe von Rüttelstößen mit den
Kollisionsgeräuschen in der Schnittstelle 500 (oder
Schnittstelle 300) der vorliegenden Erfindung leicht zu
synchronisieren. Natürlich kann der Benutzer den Ton auch so
einstellen, daß er mit einer bestimmten Kraftempfindung
synchronisiert wird. In einigen Ausführungsformen kann die
Schnittstelle 500 einen Geräuschdateiaufbereiter (Sound Editor)
enthalten; oder der Benutzer kann ein externes, separates
Programm zum Editieren von Geräuschdateien verwenden, wie es
Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt ist.
In alternativen Ausführungsformen können unterschiedliche
Methoden zum Zuordnen von Geräuschen verwendet werden. Zum
Beispiel könnte ein Geräusch direkt einer Kraftempfindung
zugeordnet sein (oder umgekehrt), und die Kraftempfindung kann
ganz normal unter Verwendung eines Auslösers, graphischen
Knopfes, Knopf-Icons 510 etc. getestet werden. Immer wenn die
Kraftempfindung ausgegeben wird, wird auch das zugeordnete
Geräusch ausgegeben.
In einer Ausführungsform enthalten die von der Schnittstelle 500
geschriebenen Kraftempfindungsdateien keinerlei Toninformationen
darüber, welche Geräusche welchen Knopf-Icons oder
Kraftempfindungen zugeordnet wurden. In anderen Ausführungsformen
kann eine Kraftempfindungsdatei Informationen darüber enthalten,
welche Geräusche und Kraftempfindungen mit bestimmten Knopf-Icons
verbunden wurden. Dies entbindet einen Benutzer davon, jedesmal
dieselben Kräfte und Geräusche zuzuordnen, wenn die
Schnittstelle 500 geladen wird, da die Zuordnungsinformationen
gespeichert sind und bei Laden der Schnittstelle 500 automatisch
angewendet werden. Des weiteren könnte beim Laden der
Schnittstelle 500 oder während des Gebrauchs der Schnittstelle
ein Geräusch automatisch einer Kraft mit demselben Namen wie das
Geräusch zugeordnet werden, z. B. kann eine Kraftdatei
"explosion.ifr" benannt werden und eine Geräuschdatei kann
"explosion.wav" benannt werden, so daß die beiden Dateien
einander zugeordnet und gleichzeitig abgespielt werden.
In anderen Ausführungsformen können zusätzliche Merkmale
bereitgestellt sein, um einem Benutzer ein leichtes
Synchronisieren einer Kraftempfindung mit einem Ton zu
ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Fenster zur Darstellung des
Tons als eine Größe/Zeit-Kurve angezeigt sein, ähnlich wie die
für eine periodische Kraftempfindung gezeigte Kurve 514. Der
Benutzer kann die Ton- und Kraft-Wellenformen nebeneinander
anzeigen und alle gewünschten Merkmale der Kraft und Merkmale im
Ton aneinander anpassen. Des weiteren ist ein Benutzer
vorzugsweise in der Lage, einen Teil eines Geräusches zum
Abspielen auszuwählen, und der entsprechende Teil der
zugeordneten Kraftempfindung spielt dann automatisch. Ebenso ist
ein Benutzer vorzugsweise in der Lage, einen Teil einer
Kraftempfindung zum Abspielen auszuwählen, und der entsprechende
Teil des zugeordneten Geräusches spielt dann automatisch.
Zwar ist diese Erfindung bezogen auf mehrere bevorzugte
Ausführungsformen beschrieben worden, es wird jedoch erwartet,
daß diesbezügliche Veränderungen, Vertauschungen und Äquivalente
für Fachleute auf diesem Gebiet beim Lesen der Beschreibung und
Studieren der Zeichnungen offensichtlich werden. Beispielsweise
können viele unterschiedliche Parameter mit dynamischen
Empfindungen, Zuständen und Effekten verbunden sein, um einen
Spielraum beim Spezifizieren einer bestimmten Kraftempfindung zu
ermöglichen. Diese Parameter können in der Graphikschnittstelle
der vorliegenden Erfindung präsentiert sein. Im
Schnittstellenwerkzeug der vorliegenden Erfindung können viele
Arten von unterschiedlichen visuellen Metaphern angezeigt werden,
um es einem Programmierer zu ermöglichen, sich leicht ein Bild
von Veränderungen an einer Kraftempfindung zu machen und die
Charakterisierung der Kraftempfindung zu verbessern. Des weiteren
ist die bestimmte Terminologie zum Zwecke der darstellerischen
Klarheit verwendet worden und nicht zur Einschränkung der
vorliegenden Erfindung. Daher sollen die folgenden beiliegenden
Ansprüche alle solchen Veränderungen, Vertauschungen und
Äquivalente einschließen, die unter den eigentlichen
Erfindungsgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
fallen.
Claims (23)
1. Verfahren zur Realisierung einer Schnittstelle zur
Gestaltung einer Kraftempfindung, wobei das Verfahren
umfaßt:
- - Anzeigen der Schnittstelle zur Gestaltung einer Kraftempfindung auf einer Anzeigeeinheit eines Host- Computers;
- - Erhalten einer Eingabe von einem Benutzer an die Schnittstelle zur Gestaltung einer Kraftempfindung, wobei die Eingabe eine Kraftempfindungsart wählt, die von dem Host-Computer befehlsgesteuert und durch eine Force- Feedback-Schnittstellenvorrichtung ausgegeben werden soll, wobei die Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung einen Gegenstand einschließt, der von einem Benutzer betätigt werden kann, den ein Benutzer greifen kann und der in einem Freiheitsgrad beweglich ist;
- - Erhalten einer Eingabe von einem Benutzer zur Definition der physikalischen Merkmale der ausgewählten Kraftempfindung;
- - Anzeigen einer graphischen Darstellung der ausgewählten Kraftempfindung, wie sie von dem Benutzer gekennzeichnet wurde, wobei die graphische Darstellung dem Benutzer eine visuelle Demonstration eines Fühlens der gekennzeichneten Kraftempfindung zur Verfügung stellt;
- - Verbinden der ausgewählten Kraftempfindung und eines Geräusches miteinander;
- - Befehlen, daß die gekennzeichnete Kraftempfindung durch die an den Rost-Computer gekoppelte Force-Feedback- Schnittstellenvorrichtung ausgegeben wird, so daß die Kraftempfindung in Verbindung mit einer Aktualisierung der visuellen Demonstration des Fühlens der gekennzeichneten Kraftempfindung und in Verbindung mit einer Ausgabe des zugeordneten Geräusches ausgegeben wird; und
- - Erhalten von Änderungen an der gekennzeichneten Kraftempfindung von dem Benutzer, nachdem die Kraftempfindung ausgegeben ist, um die Kraftempfindung mit dem Geräusch zu synchronisieren, und Anzeigen der zusätzlichen Änderungen in der graphischen Darstellung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Speicherung
einer Vielzahl von die Kraftempfindung kennzeichnenden
Parametern auf ein Speichermedium, auf das der Host-Computer
Zugriff hat.
3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Zugreifen
auf die gespeicherte Vielzahl von Parametern von einem
anderen Anwendungsprogramm aus als die
Gestaltungsschnittstelle, wobei das Anwendungsprogramm die
Vielzahl von Parametern zur Ausgabe der gekennzeichneten
Kraftempfindung während der Ausführung des
Anwendungsprogramms verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Anfang des Geräusches
mit einem Anfang der Kraftempfindung synchronisiert wird,
wenn das Geräusch und die Kraftempfindung ausgegeben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ausgewählte
Kraftempfindung mit einer Steuerung auf der Force-Feedback-
Vorrichtung verbunden ist, so daß die Kraftempfindung, die
visuelle Demonstration und das Geräusch ausgegeben werden,
wenn die Steuerung durch den Benutzer aktiviert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ein Knopf ist
und wobei die Kraftempfindung und das Geräusch mit einem
graphischen Symbol in der Gestaltungsschnittstelle verbunden
sind, das den Knopf darstellt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Benutzer beim Auswählen
des graphischen Symbols eine Option hat, das Symbol mit
einem Geräusch zu verbinden, das Symbol von einem Geräusch
zu trennen oder das Symbol zu testen.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Benutzer das Geräusch
von der Steuerung trennen kann.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Benutzer das Geräusch
aus einer Liste mit einer Vielzahl verfügbarer Geräusche
auswählen kann.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Benutzer das Geräusch
testen kann, bevor er die Kraftempfindung mit dem Geräusch
verbindet.
11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Benutzer aus einer
Vielzahl von Kraftempfindungen wählen kann, und wobei die
wählbaren Kraftempfindungen Zustände, Effekte und Dynamik
einschließen.
12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ausgewählte
Kraftempfindung eine periodische Kraftempfindung und wobei
die graphische Darstellung eine Abbildung einer periodischen
Wellenform ist.
13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Geräusch in einem
Standard-Dateiformat bereitgestellt wird.
14. Vorrichtung zur Realisierung einer Schnittstelle zur
Gestaltung einer Kraftempfindung, wobei die Vorrichtung
umfaßt:
- - Mittel zum Anzeigen einer graphischen Darstellung einer ausgewählten Kraftempfindung, wie sie von dem Benutzer gekennzeichnet wurde, wobei die graphische Darstellung dem Benutzer eine visuelle Demonstration eines Fühlens der gekennzeichneten Kraftempfindung zur Verfügung stellt und in der Schnittstelle zur Gestaltung einer Kraftempfindung auf einer Anzeigevorrichtung eines Host-Computers angezeigt wird, wobei die Schnittstelle zur Gestaltung einer Kraftempfindung eine Eingabe von einem Benutzer erhält, der eine Kraftempfindungsart auswählt, die von dem Host-Computer befehlsgesteuert und durch eine Force- Feedback-Schnittstellenvorrichtung ausgegeben werden soll, wobei die Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung einen Gegenstand einschließt, der von einem Benutzer betätigt werden kann, den ein Benutzer greifen kann und der in einem Freiheitsgrad beweglich ist;
- - Mittel zum Empfangen einer Eingabe von einem Benutzer zur Definition der physikalischen Merkmale der ausgewählten Kraftempfindung;
- - Mittel zum Verbinden der ausgewählten Kraftempfindung und eines Geräusches miteinander;
- - Mittel zum Bereitstellen der gekennzeichneten Kraftempfindung an die an den Host-Computer gekoppelte Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung, so daß Aktuatoren der Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung die Kraftempfindung auf dem Benutzergegenstand in Verbindung mit der visuellen Demonstration des Fühlens der gekennzeichneten Kraftempfindung und in Verbindung mit der Ausgabe des zugeordneten Geräusches ausgeben; und
- - Mittel zum Ändern der Merkmale der Kraftempfindung basierend auf der Eingabe von dem Benutzer, um die Kraftempfindung mit dem Geräusch zu synchronisieren, und Anzeigen der geänderten Kraftempfindung als besagte graphische Darstellung, wobei von den Aktuatoren eine in Übereinstimmung mit den Änderungen modifizierte Kraftempfindung auf dem Benutzergegenstand ausgegeben wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Verbinden der
Kraftempfindung und des Geräusches miteinander das Verbinden
der Kraftempfindung mit einem auf der Force-Feedback-
Vorrichtung vorgesehenen realen Knopf und das Verbinden
eines Geräusches mit dem Knopf einschließt, so daß die
Kraftempfindung und das Geräusch in synchronisierter Form
ausgegeben werden, wenn der Knopf von einem Benutzer der
Gestaltungsschnittstelle gedrückt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Kraftempfindung und
das Geräusch mit einer graphischen Darstellung eines in der
Schnittstelle angezeigten Knopfes verbunden sind, wobei die
graphische Darstellung mit dem realen Knopf auf der Force-
Feedback-Schnittstellenvorrichtung verbunden ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, ferner umfassend Mittel zum
Einschreiben von Daten zur Beschreibung der physikalischen
Merkmale der Kraftempfindung in ein Speichermedium.
18. Computerlesbares Medium, das Programmbefehle zur
Bereitstellung einer durch einen Computer implementierten
Schnittstelle zur Gestaltung einer Kraftempfindung
einschließt, wobei die Programmbefehle folgende Schritte
durchführen:
- - Anzeigen einer Design-Schnittstelle auf einer Anzeigeeinheit eines Computers;
- - Erhalten einer Eingabe von einem Benutzer in der Design- Schnittstelle, wobei die Eingabe eine Kraftempfindungsart wählt, die von einem Host-Computer befehlsgesteuert und durch eine Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung ausgegeben werden soll, wobei die Force-Feedback- Schnittstellenvorrichtung einen Gegenstand einschließt, der von einem Benutzer betätigt werden kann, den ein Benutzer greifen kann und der in einem Freiheitsgrad beweglich ist;
- - Erhalten einer Eingabe von einem Benutzer zur Spezifikation von Parametern zur Definition der ausgewählten Kraftempfindung;
- - Anzeigen einer graphischen Darstellung der gekennzeichneten Kraftempfindung in der Design- Schnittstelle, wobei die graphische Darstellung visuelle Darstellungen der Parameter einschließt, so daß der Benutzer eine Wirkung der Parameter auf die Kraftempfindung betrachten kann;
- - Verbinden der ausgewählten Kraftempfindung mit einem Geräusch, so daß das Geräusch in Verbindung mit der Ausgabe der Kraftempfindung auf dem Benutzergegenstand und in Verbindung mit einer visuellen Demonstration des Fühlens der gekennzeichneten Kraftempfindung ausgegeben wird, wenn der Steuerbefehl zur Ausgabe der gekennzeichneten Kraftempfindung durch die an den Host- Computer gekoppelte Force-Feedback- Schnittstellenvorrichtung erfolgt.
19. Computerlesbares Medium nach Anspruch 18, wobei die
gekennzeichnete Kraftempfindung den Steuerbefehl zur Ausgabe
durch die Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung erhält,
wenn der Benutzer eine Steuerung in der Design-Schnittstelle
zum Testen der Kraftempfindung auswählt.
20. Computerlesbares Medium nach Anspruch 18, aufweisend
Programmbefehle zum Empfangen einer zusätzlichen Eingabe von
dem Benutzer zum Ändern der Merkmale der Kraftempfindung, so
daß sie weiter in Synchronisierung mit dem Geräusch sind.
21. Computerlesbares Medium nach Anspruch 18, aufweisend
Programmbefehle zum Einschreiben der Parameter in ein
Speichermedium, wobei die Parameter für Anwendungsprogramme
zugänglich sind, die auf dem Computer implementiert sind und
die Kraftrückkopplung steuern.
22. Computerlesbares Medium nach Anspruch 18, aufweisend
Programmbefehle zum Aktualisieren der graphischen
Darstellung in Übereinstimmung mit der gerade auf den
Benutzergegenstand ausgegebenen Kraftempfindung.
23. Computerlesbares Medium nach Anspruch 18, wobei ein Anfang
des Geräusches mit einem Anfang der Kraftempfindung
synchronisiert ist, wenn das Geräusch und die
Kraftempfindung ausgegeben werden.
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Free format text: CHANG, DEAN C., SANTA CLARA, CALIF., US ROSENBERG, LOUIS B., SAN JOSE, CALIF., US MALLETT, JEFFREY R., BOULDER CREEK, CALIF., US |
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Effective date: 20110729 |
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