DE20022244U1 - Steuerung vibrotaktiler Empfindungen für Haptische Rückkopplungsvorrichtungen - Google Patents
Steuerung vibrotaktiler Empfindungen für Haptische RückkopplungsvorrichtungenInfo
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Description
STEUERUNG VIBROTAKTILER EMPFINDUNGEN FÜR HAPTISCHE RÜCKKOPPLUNGSVORRICHTUNGEN
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erzeugung von Kräften in haptischen Feedback-Schnittstellenvorrichtungen und noch genauer auf die Abgabe und Steuerung von Vibrationen und ähnlichen Kraftempfindungen von Aktuatoren in einer haptischen Feedback-Schnittstellenvorrichtung .
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, ein Steuerrad, eine Art Stift (Stylus), ein Tablett, eine druckempfindliche Kugel oder dergleichen, die an das Computersystem angeschlossen sind, das die angezeigte Umgebung steuert.
die für einen derartigen Dialog verwendet werden, sind u. a. ein Joystick, eine Maus, eine Rollkugel, ein Steuerrad, eine Art Stift (Stylus), ein Tablett, eine druckempfindliche Kugel oder dergleichen, die an das Computersystem angeschlossen sind, das die angezeigte Umgebung steuert.
Bei einigen Schnittstellenvorrichtungen wird dem Benutzer auch eine Kraftrückkopplung oder taktile Rückkopplung zur Verfügung gestellt, die hierin allgemeiner auch als "haptisches Feedback" bekannt sind. Diese Arten von Schnittstellenvorrichtungen können körperliche Empfindungen liefern, die von dem Benutzer, der die Steuereinheit benutzt oder den körperlichen Gegenstand der Schnittstellenvorrichtung betätigt, gefühlt werden. In der Vorrichtung werden ein oder mehr Motoren oder andere Aktuatoren
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verwendet, die an das Steuerungscomputersystem angeschlossen sind. Das Computersystem steuert die Kräfte auf der haptischen Rückkopplungsvorrichtung in Verbindung und koordiniert mit angezeigten Geschehnissen und Dialogen auf dem Host, indem es Steuersignale oder Steuerbefehle an die haptische Rückkopplungsvorrichtung und die Aktuatoren sendet.
Viele preiswerte haptische Rückkopplungsvorrichtungen stellen die Kräfte an den Benutzer durch Erschüttern des Handhabungsgeräts und/oder Gehäuses der Vorrichtung bereit, die der Benutzer festhält. Die Ausgabe einer einfachen haptischen Vibrationsrückkopplung (tastbare Empfindungen) erfordert weniger komplexe Hardware-Komponenten und Software-Steuerung der krafterzeugenden Elemente als eine höherentwickelte haptische Rückkopplung. Beispielsweise sind in vielen aktuellen Spielsteuereinheiten für Spielkonsolen wie Sony Playstation und Nintendo 64 ein oder mehr Motoren in dem Gehäuse der Steuereinheit montiert, die zur Bereitstellung der Vibrationskräfte aktiviert werden. Auf der Welle jedes Motors ist eine exzentrische Masse angeordnet, und die Welle wird schnell gedreht, um den Motor und das Gehäuse der Steuereinheit zum Vibrieren zu bringen. Der Host-Computer (Konsoleneinheit) liefert Steuerbefehle an die Steuereinheit, um die Vibration an- oder abzuschalten oder die Frequenz der Vibration herauf- oder herabzusetzen, indem die Drehgeschwindigkeit des Motors variiert wird.
Ein Problem bei den gegenwärtigen Verwirklichungen zur Bereitstellung einer haptischen Vibrationsrückkopplung ist, daß die Vibrationen, die diese Implementierungen erzeugen, sehr begrenzt sind und nicht signifikant variiert werden können. Beispielsweise kann die Frequenz der von den oben beschriebenen Steuereinheiten ausgegebenen Vibrationen vom Host-Computer eingestellt werden, aber die Größe dieser Vibrationen kann nicht unabhängig von der Frequenz variiert werden. Diese Vorrichtungen können nur Vibrationsgrößen bereitstellen, die direkt proportional zur Frequenz sind; demzufolge müssen
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Niederfrequenzvibrationen einen niedrigen Größenwert aufweisen und Hochfrequenzvibrationen eine hohen Größenwert. Entwickler haben z. B. keine Möglichkeit, Vibrationen mit hoher Frequenz und niedriger Stärke oder Vibrationen mit niedriger Frequenz und hoher Stärke bereitzustellen, wodurch die Kraftrückkopplungseffekte, die ein Benutzer der Vorrichtung erleben kann, gravierend eingeschränkt sind.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Steuerung vibrotaktiler Empfindungen in haptischen Rückkopplungsvorrichtungen gerichtet, die mit einem Host-Anwendungsprogramm verbunden sind. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung abwechslungsreicher und komplexer gestalteter Empfindungen unter Verwendung preisgünstiger Elektronik- und Mechanikteile.
Insbesondere stellt eine haptische Rückkopplungsvorrichtung vibrotaktile Empfindungen an einen Benutzer bereit, ist an einen Host-Computer angeschlossen und weist ein Gehäuse und einen Aktuator auf, der an das Gehäuse angeschlossen ist und eine Masse einschließt, wobei die Masse von dem Aktuator gedreht werden kann. Die Vorrichtung schließt auch eine Schaltung zum Antreiben des Aktuators in zwei Richtungen ein, wobei die Schaltung ein Treibersignal empfängt und den Aktuator veranlaßt, die Masse zu schwenken und eine Vibration in dem Gehäuse zu induzieren. Die Vibration wird von dem Benutzer als vibrotaktile Empfindung erlebt. Die Größe und Frequenz der Vibration kann vorzugsweise durch Einstellen einer Größe bzw. Frequenz des Treibersignals unabhängig gesteuert werden. Die Masse kann eine versetzt auf der Schwenkachse angeordnete exzentrische Masse sein. Die Schaltung zum Antreiben des Aktuators kann eine H-Brückenschaltung einschließen oder zwei Linearverstärker aufweisen. Die haptische Rückkopplungsvorrichtung kann eine Spielunterlagen-Steuereinheit sein, die Informationen von dem Host empfängt, der bestimmt, wann die vibrotaktilen Empfindungen basierend auf Ereignissen, die in einer durch den Host-Computer
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implementierten und angezeigten Graphikumgebung passieren, auszugeben sind.
Ein Host-Computer, der eine Graphikumgebung implementiert, kann die Vibration steuern, wobei der an einen Benutzer der haptischen Rückkopplungsvorrichtung auszugebende haptische Effekt durch ein in der Graphikumgebung passierendes Ereignis oder einen Dialogeingriff bewirkt wird. Es werden Informationen an die haptische Rückkopplungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Größe und Frequenz aufweisen, die unabhängig einstellbar sind. Ein Aktuator wird veranlaßt, eine Masse in zwei Richtungen um eine Drehachse zu schwenken, um eine Vibration in der haptischen Rückkopplungsvorrichtung zu bewirken, wobei eine Größe und Frequenz der Vibration auf der Größe und Frequenz basieren, die in den Informationen enthalten sind. Die an die haptische Rückkopplungsvorrichtung gelieferte Information kann ein Steuerbefehl sein, der die Größe und Frequenz beschreibende Parameter einschließt, oder kann ein Treibersignal sein, das an den Aktuator geliefert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt vorteilhaft eine haptische Rückkopplungsvorrichtung bereit, die eine große Vielfalt von vibrotaktilen Empfindungen ausgeben kann. Sowohl Frequenz als auch Amplitude der Vibrationen können unter Verwendung von zweiseitig wirkenden Steuermerkmalen gesteuert werden, was dem Benutzer das Erleben einer viel größeren Palette von Empfindungen ermöglicht als bei den einseitig wirkenden Vorrichtungen des Standes der Technik. Des weiteren ist die Vorrichtung kostengünstig herzustellen und dementsprechend recht geeignet für Heimverbraucheranwendungen.
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.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems für
die haptische Feedback-Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsforra eines Motors mit einer exzentrischen Masse, die gedreht wird, um Vibrationen an eine Schnittstellenvorrichtung zu liefern;
Fig. 2b und 2c sind Ansichten von oben auf einen Motor und
unterschiedlich geformte exzentrische Massen;
Fig. 3 ist ein Graph zur Darstellung des Verhältnisses Vibrationsgröße:Motorspannung für Vorrichtungen des Standes der Technik;
Fig. 4 ist ein Graph zur Darstellung des Verhältnisses Vibrationsgröße:Schwingfrequenz des Exzenters oder Treibersignals;
Fig. 5a ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines ersten Beispiels einer Treiberschaltung, die zum Antreiben des Aktuators im Zweirichtungsbetrieb verwendet werden kann; und
Fig. 5b ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines zweiten Beispiels einer Treiberschaltung die zum Antreiben des Aktuators im Zweirichtungsbetrieb verwendet werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Force-Feedback-Schnittstellensystem 10 zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung darstellt und durch ein Host-Computersystem gesteuert ist. Das Schnittstellensystem 10 schließt ein Host-Computersystem 12 und eine Schnittstellenvorrichtung 14 ein.
Das Host-Computersystem 12 kann ein beliebiges aus einer Vielfalt von Computersystemen sein, wie z. B. ein Heimvideo-Spielsystem (Spielkonsole), z. B. Systeme, die von Nintendo, Sega oder Sony erhältlich sind. Auch andere Arten von Rechnern können verwendet werden, beispielsweise ein Personalcomputer
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(PC, Macintosh etc.)/ ein Fernseh-"Aufsetzkasten" oder ein "Netzrechner11, ein Arbeitsplatzrechner (Workstation), ein mobiles und/oder tragbares Spielgerät oder Computer 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 Video- oder Computerspiel, eine medizinische Simulation, ein wissenschaftliches Analyseprogramm, ein Betriebssystem, eine graphische Benutzeroberfläche 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. Die Host-Anwendung oder ein Treiberprogramm, eine API (Software-Schnittstelle) oder andere auf dem Host-Computer laufende Ebene sendet vorzugsweise Informationen aus, um basierend auf Geschehnissen oder Dialogen, die sich in der Host-Anwendung ereignen, eine haptische Rückkopplung auf der Vorrichtung 14 an den Benutzer zu veranlassen, wie unten beschrieben. Wenn z. B. ein benutzergesteuertes Fahrzeug in einem Spiel oder einer Simulation mit einem Hindernis kollidiert, kann eine Vibration an den Benutzer ausgegeben werden, um das interaktive Erlebnis der Kollision zu verbessern. In ähnlicher Weise können Vibrationen verwendet werden, wenn ein benutzergesteuerter Cursor (Positionsmarke) auf ein anderes Objekt wandert, wie z. B. ein Icon (Bildsymbol) oder eine Textüberschrift, um den Benutzer von dem Dialogeingriff in Kenntnis zu setzen.
Das Host-Computersystem 12 weist vorzugsweise einen Host-Mikroprozessor 16, einen Taktgeber 18, einen Bildschirm 20 und ein Akustikausgabevorrichtung 21 auf. Bei dem Mikroprozessor kann es sich um einen oder mehr eines beliebigen bekannten Mikroprozessortyps handeln. In dem Host-Computer sind vorzugsweise auch ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Festspeicher (ROM), und eine Ein-Ausgabe-(I/O)-Elektronik enthalten. Der Bildschirm 20 kann zur Anzeige von Bildern
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verwendet werden, die von dem Host-Computersystein 12 oder anderen Computersystemen erzeugt werden, und kann ein Standardbildschirm, ein Fernsehgerät, eine Kathodenstrahlröhre (CRT), ein Flachbildschirm, eine 2D- oder 3D-Bild-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 und liefert die Tonausgabe von dem Host-Computer 12 an den Benutzer 22. Andere Arten von Peripheriegeräten können ebenfalls an den Host-Prozessor angeschlossen sein, beispielsweise Speichervorrichtungen (Magnetplattenlaufwerk, CD-ROM/DVD-ROM-Laufwerk, Magnetdiskettenlaufwerk etc.), Kommunikationseinrichtungen, 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. Die Schnittstellenvorrichtung 14 kann eine Spielunterlagen-Steuereinheit, Joystick-Steuereinheit, Maus-Steuereinheit, Lenkrad-Steuereinheit oder andere Vorrichtung sein, die ein Benutzer betätigen kann, um eine Eingabe an das Computersystem zu liefern und ein haptisches Feedback zu erleben. 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 mit dem Host-Computersystem 12. Alternativ kann eine drahtlose Kommunikationsverbindung verwendet werden.
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Die Schnittstellenvorrichtung 14 weist einen örtlichen Mikroprozessor 26, Meßfühler 28, Aktuatoren 30, einen Benutzergegenstand 34, eine wahlweise Sensorschnittstelle 36, eine 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 2 6 kann mit Softwarebefehlen beliefert werden, um auf Steuerbefehle oder Anforderungen von dem Computer-Hauptrechner 12 zu warten, den Steuerbefehl oder die Anforderung zu entschlüsseln und Eingangs- und Ausgangssignale entsprechend dem Steuerbefehl oder der Anforderung zu verarbeiten/steuern. Darüber hinaus arbeitet der Prozessor 26 vorzugsweise unabhängig vom Host-Computer 12, 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 kann einen Mikroprozessorchip oder Mehrfach-Prozessoren und/oder Co-Prozessorchips und/oder Digitalsignalprozessor-(DSP)-Fähigkeit aufweisen oder kann eine Zustandsmaschine, ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) oder eine andere Art Steuereinheit sein.
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 der Host-Computer 12 über den Bus 24 höhere Kontrollsteuerbefehle an den Mikroprozessor 26, und der Mikroprozessor 26 leitet die niedrigen Kraftsteuerschleifen an
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die Meßfühler und Aktuatoren in Übereinstimmung mit den höheren Steuerbefehlen und unabhängig vom Host-Computer 12. Das Force-Feedback-System stellt demzufolge eine Informationsschleife der Host-Steuerung und eine Informationsschleife der örtlichen Steuerung in einem verteilten Steuersystem bereit. Dieser Betrieb ist im US-Patent Nr. 5,734,373 detaillierter beschrieben. 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 kann ein örtlicher Speicher 27 angeschlossen sein, z. B. ein RAM und/oder ROM, um Befehle für den Mikroprozessor 26 zu speichern und temporäre und andere Daten zu speichern (und/oder Verzeichnisse des Mikroprozessors 26 können Daten 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 Benutzer-Handhabungsgeräts 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, Photodioden oder Photowiderstandsmeßfühler, 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 2 6 und/oder Host-Computersystem 12 gedeutet werden können. Beispielsweise können diese Meßfühlersignale vom Host-Computer dazu benutzt werden, das Host-Anwendungsprogramm zu beeinflussen, z. B. zum Steuern
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eines Rennwagens in einem Spiel oder zum Bewegen eines Cursors über den Bildschirm.
Unter Ansprechen auf die vom Mikroprozessor 26 erhaltenen Signale übertragen ein oder mehr Aktuatoren 30 Kräfte an die Schnittstellenvorrichtung 14 und/oder das Handhabungsgerät 34 der Schnittstellenvorrichtung 14. In einer Ausführungsform geben die Aktuatoren Kräfte auf das Gehäuse der Schnittstellenvorrichtung 14 aus, die der Benutzer in der Hand hält, so daß die Kräfte über das Gehäuse auf das Handhabungsgerät übertragen werden. Alternativ oder zusätzlich können Aktuatoren direkt an das Handhabungsgerät 34 angeschlossen sein. 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), Schwingspulenaktuatoren, Drehmagnetaktuatoren 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/hydraulische passive Aktuatoren. In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aktive Aktuatoren bevorzugt. Die Aktuatorschnittstelle 38 kann zwischen den Aktuatoren 30 und dem Mikroprozessor 26 angeschlossen sein, um Signale vom Mikroprozessor 26 in entsprechende Signale zum Antrieb der Aktuatoren 30 umzusetzen, wie nachstehend detaillierter beschrieben ist.
In der Schnittstellenvorrichtung 14 können wahlweise auch andere Eingabevorrichtungen 39 enthalten sein und Eingabesignale zum Mikroprozessor 26 oder zum Host-Prozessor senden. Solche Eingabevorrichtungen können u. a. Knöpfe, Wählscheiben, Schalter, Hebel oder andere Mechanismen sein. In Ausführungsformen, wo die Vorrichtung 14 z. B. eine Spielunterlage ist, können die verschiedenen Knöpfe und
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Auslöser andere Eingabevorrichtungen 39 sein. Oder wenn das Benutzer-Handhabungsgerät 34 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.
Das Handhabungsgerät (oder "Benutzergegenstand11) 34 ist ein körperliches Objekt, Gerät oder Artikel, den ein Benutzer greifen (zwischen zwei oder mehr Fingern oder in der Handfläche halten) oder andersartig berühren oder steuern kann, und der an die Schnittstellenvorrichtung 14 angeschlossen ist. In einigen Ausführungsformen kann der Benutzer 22 das Handhabungsgerät entlang vorgesehener Freiheitsgrade betätigen und bewegen, um eine Verbindung mit dem Host-Anwendungsprogramm herzustellen, das der Benutzer gerade auf dem Bildschirm 20 betrachtet. In diesen Ausführungsformen kann das Handhabungsgerät 34 ein Joystick, eine Maus, eine Rollkugel, ein Stylus (z. B. am Ende einer Verbindung), ein Steuerrad, eine Kugel, ein medizinisches Instrument (Laparoskop, Katether etc.), Billard-Queue (z. B. Bewegen des Queue über aktivierte Rollen), Handgriff, Griffknopf, Knopf oder anderes Objekt sein. Zur Bereitstellung der Freiheitsgrade an das Handhabungsgerät können Mechanismen verwendet werden wie z. B. Tragrahmenmechanismen, SchlitzJochmechanismen, Biegemechanismen etc.. Verschiedene Ausführungsformen geeigneter Mechanismen sind in den US-Patenten Nr. 5,767,839; 5,721,566; 5,623,582; 5,805,140 und 5,825,308 beschrieben.
In anderen Ausführungsformen kann die haptische Rückkopplung direkt auf das Gehäuse einer Vorrichtung ausgegeben werden, z. B. eine tragbare Vorrichtung. Das Gehäuse kann
beispielsweise für eine Spielunterlage, eine Fernsteuerung, ein Telefon oder eine andere tragbare Vorrichtung verwendet werden. In der Ausführungsform einer Spielunterlage kann das Gehäuse der Spielunterlage die vibrotaktile Rückkopplung der vorliegenden Erfindung empfangen, und ein Fingerspitzen-Joystick oder eine andere Steuerung auf der Spielunterlage kann mit einer separaten haptischen Rückkopplung ausgestattet sein, &zgr;. B. mit Motoren, die an den Joystick-Mechanismus angeschlossen sind, um eine Kraftrückkopplung in den Freiheitsgraden des Joysticks und/oder taktile Rückkopplung bereitzustellen. Manche Spielunterlagenausführungen enthalten vielleicht keinen Joystick, so daß das Handhabungsgerät 34 auch ein Tastenblock oder andere Vorrichtung zum Eingeben von Richtungen oder Steuerbefehlen an den Host-Computer sein kann.
Steuerung von Force-Feedback-Vibrationen unter Verwendung einer Umkehrmotorleistung
Die vorliegende Erfindung stellt mehr Kontrolle über eine vibrotaktile Rückkopplung bereit, indem ein Aktuator verwendet wird, der eine bewegliche Masse aufweist. In vorhandenen Verwirklichungen wird die bewegliche Masse durch einen Drehaktuator gedreht, wie nachstehend beschrieben.
Fig. 2a ist ein Graph zur Darstellung eines Gleichstrom-Rotationsmotors 100, der in einer tragbaren Steuereinheit 14 enthalten oder als Aktuator 30 zur Bereitstellung der Kraftrückkopplung an den Benutzer der Steuereinheit 14 und/oder des Handhabungsgeräts 34 an das Handhabungsgerät 34 angeschlossen sein kann. Der Motor 100 weist eine Welle 102 auf, die sich um eine Achse A dreht, und eine exzentrische Masse 104 ist starr mit der Welle 102 verbunden und rotiert demzufolge mit der Welle um die Achse A. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse 106 des Motors 100 mit dem Gehäuse der Schnittstellenvorrichtung 14 verbunden, der Motor kann z. B. an der Innenseite des Gehäuses einer tragbaren Spielunterlage oder anderen Steuereinheit angebracht sein. In
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anderen Ausführungsformen kann der Aktuator an ein bewegliches Handhabungsgerät angeschlossen sein, beispielsweise ein Joystick oder eine Maus oder ein anderes Element.
Es können viele unterschiedliche Arten und Formen von exzentrischen Massen 104 verwendet werden. Wie in Fig. 2b gezeigt, kann ein keil- oder tortenstuckformiger Exzenter verwendet werden, wobei ein Ende des Exzenters mit der Welle 102 verbunden ist, so daß sich der Keil überwiegend zu einer Seite der Welle erstreckt. Alternativ kann eine zylindrisch oder anders geformte Masse 108 mit der Welle 102 verbunden sein, wie in Fig. 2c gezeigt. Das Zentrum 110 der Masse 108 ist versetzt von der Drehachse A der Welle 102 angeordnet, wodurch ein Exzentrizitätsparameter e erzeugt wird, der durch den Abstand zwischen der Drehachse der Welle 102 und dem Massezentrum der Masse 108 bestimmt wird. Der Parameter e kann in unterschiedlichen Geräte-Ausführungsformen so eingestellt werden, daß er je nach Wunsch stärkere oder schwächere Vibrationen liefert. Beispielsweise wird die Radialkraft aufgrund der unausgewuchteten rotierenden Masse angegeben durch F = m*wA2*e, wobei m die rotierende Masse ist, w die Winkelgeschwindigkeit und e die Exzentrizität. Dieses Verhältnis sagt vorher, daß durch Ändern der Exzentrizität ein größerer Ausschlag erhalten wird, wenn der Motor konstant in einer Richtung angetrieben wird.
Wenn die exzentrische Masse 104 durch den Motor 100 gedreht wird, wird aufgrund der Unwuchtbewegung der Masse eine Vibration in dem Motor und jedem an den Motor gekoppelten Element induziert. Da das Gehäuse 106 des Motors 100 vorzugsweise mit einem Gehäuse einer Steuereinheit oder einem beweglichen Handhabungsgerät verbunden ist, wird die Vibration zu dem Benutzer übertragen, der das Gehäuse oder Handhabungsgerät hält. In einer Vorrichtung 14 können ein oder mehr Motoren 100 zur Bereitstellung eines vibrotaktilen oder anderen haptischen Feedbacks enthalten sein; beispielsweise können zwei Motoren verwendet werden, um Vibrationen mit einem
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größeren Ausschlag und/oder Vibrationen in zwei unterschiedlichen Richtungen zu liefern.
Fig. 3 ist ein Graph 112 zur Darstellung eines einseitigen Betriebs des Motors 100, wie er beim Stand der Technik zur Ausgabe einer vibrotaktilen Rückkopplung verwendet wird. In dieser Betriebsart wird der Motor durch einen Spannungswert gesteuert und dreht die exzentrische Masse in einer Richtung um die Drehachse der Welle. Beispielsweise kann ein örtlicher Mikroprozessor eine Spannung direkt an den Motor ausgeben, oder eine AktuatorschnittstelIe kann den gewünschten Spannungswert an den Motor 100 liefern. Typischerweise wird ein Ein-Aus-Treiberspannungssignal verwendet, wobei der Schaltzyklus des Treibersignals die momentan über dem Motor liegende Spannung angibt.
Der Graph 112 zeigt das Verhältnis zwischen Spannung (Horizontalachse) und Beschleunigung auf der Oberfläche des Gehäuses des Steuerungsgeräts 14 (Vertikalachse). Für diesen Graph wurde die Beschleunigung an Flächen oben und seitlich am Gehäuse gemessen, wie durch die unterschiedlichen Kurven angedeutet; außerdem wurden eine große exzentrische Masse und eine kleinere exzentrische Masse verwendet. Die Beschleunigungsgröße ist bezeichnend für die Vibrationsgröße, wie sie der Benutzer erlebt. Wie dargestellt, nimmt die Vibration größenmäßig proportional zu der Spannungsgröße zu, die zum Steuern des Motors verwendet wird.
Spielunterlagen-Steuereinheiten des Standes der Technik, wie z. B. Dual-Shock™ von Sony Corporation oder Dual Impact von Performance, verwenden den einseitigen Betrieb zur Bereitstellung einer vibrotaktilen Rückkopplung an eine Steuereinheit, die der Benutzer hält. Ein Vorteil dieser Betriebsart ist, daß starke Vibrationen an den Benutzer geliefert werden können. Die Stärke der Vibrationen ist jedoch direkt mit der Frequenz der Vibration verknüpft, d. h. den Umdrehungen pro Minute der exzentrischen Masse um die Drehachse
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der Welle; je höher also die Frequenz ist, desto größer ist der Vibrationsausschlag. Demzufolge kann bei hoher Frequenz keine Vibration mit niedriger Stärke ausgegeben werden. Ähnlich kann für eine bestimmte Masse und Exzentrizität bei niedriger Frequenz keine Vibration mit hoher Stärke ausgegeben werden.
Fig. 4 ist ein Graph 120 zur Darstellung der Leistungsergebnisse der vorliegenden Erfindung eines zweiseitigen Betriebs des Motors 100 zur Ausgabe der vibrotaktilen Rückkopplung. In dieser Betriebsart wird der Motor durch eine Steuerwellenform gesteuert, die zwischen positivem und negativem Vorzeichen wechselt und dadurch die Umlaufrichtung der Motorwelle 102 in Übereinstimmung mit der Wellenform ändert. In der bevorzugten Betriebsweise vollendet die exzentrische Masse 104 niemals eine volle Umdrehung, sondern wird statt dessen so gesteuert, daß sie ungefähr um einen einzigen Punkt in ihrem Bewegungsbereich schwenkt (erzwungene harmonische Komponente). Die exzentrische Masse durchwandert demzufolge nur einen Teil des vollen Bewegungsbereiches der Welle, bevor sie die Richtung wechselt und in die Gegenrichtung läuft. Dies verursacht eine Vibration im Motor und in jedem mit dem Motor verbundenen Element oder Gehäuse, da die Masse schnell hin- und herbewegt wird. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß eine Mindestfrequenz zur Verfügung stehen muß, damit die exzentrische Masse um einen einzigen Punkt schwenkt; unter dieser Eigenfrequenz der exzentrischen Masse verschiebt sich die Masse beim Schwenken leicht um den Rotationsbereich des Aktuators. Die Eigenfrequenz wird durch die Federkonstante des Eigenverzahnungseffektes (Reluktanzkraft) des Motors bestimmt.
Der Graph 120 zeigt das Verhältnis für mehrere Motoren zwischen der Schwingungsfrequenz des Exzenters oder Treibersignals (Horizontalachse) und der Beschleunigung auf der Oberseite des Gehäuses des Steuerungsgeräts 14 (Vertikalachse). Wie in dem Graph gezeigt, verursacht bei den meisten gezeigten Motoren eine höhere Schwingungsfrequenz eine niedrigere
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Vibrationsgröße, während eine niedrigere Schwingungsfrequenz eine höhere Vibrationsgröße verursacht. Der Steuerungsdynamikbereich ist im zweiseitigen Betrieb viel größer als im einseitigen Betrieb. Die in Graph 120 gezeigten Ergebnisse wurden unter Verwendung eines stromgesteuerten Linearverstärkers erhalten; jedoch kann auch ein spannungsgesteuerter Verstärker verwendet werden und/oder ein Schaltverstärker verwendet werden, wie in Fig. 5a gezeigt. Die Steuerwellenform kann eine Stromwellenform oder eine Spannungswellenform sein, was von der speziellen Verstärkerschaltung und anderen Schaltungen abhängig ist, die in einer bestimmten Implementierung verwendet werden.
Die Steuerwellenform kann durch eine örtliche Steuereinheit oder Schaltungen zugeführt werden, wie z. B. den Mikroprozessor 26, durch eine Aktuatorschnittstelle 38, oder der Host-Computer 12 kann die Spannung (unter Verwendung eines Verstärkers) oder einen Steuerbefehl zur Lieferung einer gewünschten Spannung direkt liefern. Beispielsweise kann ein auf dem Host-Computer laufendes Force-Feedback-Treiberprogramm, eine API oder ein Anwendungsprogramm (oder eine andere Software-Ebene) einen Aktuator-Steuerbefehl mit unabhängig steuerbarem Größen- und Frequenzparameter bereitstellen, wobei der Steuerbefehl als Reaktion auf ein Geschehnis oder einen Dialog in der vom Host bereitgestellten Graphikumgebung geliefert wird. Der örtliche Mikroprozessor oder andere Schaltungen können den Steuerbefehl und die Parameter empfangen und unter Ansprechen darauf ein Treibersignal der entsprechenden Frequenz oder Größe an den/die Aktuator(en) bereitstellen. Alternativ kann ein Host-Computerprogramm ein Treibersignal direkt an die Vorrichtung und Aktuator(en) bereitstellen.
Die im Graph 120 gezeigten Kurven sind an einer Maximalamplitude der Steuerwellenform für den Motor (d. h. der Maximalstrom, der zum Antrieb der Motoren in dem Test verwendet wurde, der den Graph 120 ergab). Wenn eine niedrigere
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Amplituden-Steuerwellenform verwendet wird, dann ist die abgegebene Vibrationsgröße entsprechend niedriger. Dies ermöglicht der Steuereinheit der Steuerwellenform eine Einstellung der Vibrationsgröße auf einen gewünschten Wert innerhalb des zulässigen Größenbereiches durch Einstellen der Stromgröße der Wellenform. Die Steuereinheit kann auch die Frequenz der Steuerwellenform unabhängig von der Amplitude der Steuerwellenform einstellen, um die Vibrationsfrequenz einzustellen. Dies ermöglicht die Abgabe unterschiedlicher Frequenzschwingungen unabhängig von der Größe dieser Vibrationen und stellt dadurch ein Ausmaß der Kontrolle über die Vibration zur Verfügung, das im einseitigen Betrieb nicht möglich ist.
Obwohl die maximale Vibrationsgröße (Beschleunigung) im zweiseitigen Betrieb geringer ist als die maximale Vibrationsgröße, die im einseitigen Betrieb abgegeben werden kann, ermöglicht der Vorteil der unabhängig steuerbaren Vibrationsgröße und -frequenz die Erzeugung einer Menge haptischer Rückkopplungseffekte, die im einseitigen Betrieb nicht möglich sind. Im einseitigen Betrieb kann eine Vibration dadurch stark gemacht werden, daß die Spannung und damit die Rotationsfrequenz der exzentrischen Masse erhöht wird. Die Vibrationsstärke muß jedoch immer mit einer entsprechenden Frequenz verbunden sein, so daß bei Ausgabe einer bestimmten Vibrationsstärke jedesmal ein ähnliches Gefühl beim Benutzer erzeugt wird. Im zweiseitigen Betrieb können zwei Vibrationen eine ähnliche Größe aber vollkommen unterschiedliche Frequenzen aufweisen oder dieselben Frequenzen, aber unterschiedliche Größen haben. Dies schafft eine große Vielfalt von Vibrationsempfindungen, die an den Benutzer ausgegeben werden können.
In einer optimierten Ausführungsform werden sowohl der einseitige Betrieb als auch der zweiseitige Betrieb in einem einzigen Hybrid-Steuerungsgerät 14 verwendet. Ein Motor 100, der so konfiguriert ist, daß er im zweiseitigen Betrieb
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arbeitet, kann geeignet sein, im einseitigen Betrieb zu arbeiten, z. B. kann eine spannungsgesteuerte Brückenschaltung in der Lage sein, den Motor in beiden Betriebsarten anzutreiben (ein stromgesteuerter Motor ist für den einseitigen Betrieb nicht so geeignet). In einigen Ausführungsformen kann ein Verstärker verwendet werden, der als Spannungssteuerverstärker im einseitigen Betrieb und als anderer Verstärker (z. B. stromgesteuert) im zweiseitigen Betrieb arbeiten kann; oder es können zwei unterschiedliche Verstärker verwendet werden, die abwechselnd ausgewählt werden können, wobei der geeignete Verstärker basierend auf der aktuellen Betriebsart ausgewählt wird. Da der einseitige Betrieb Vibrationen mit höherer Stärke bieten kann, kann diese Betriebsart nützlich sein, um sehr starke Kraftrückkopplungseffekte mit niedrigerer Frequenz zu erzeugen, z. B. Explosionen, Kollisionen etc. in einem Spiel, das vom Host-Computer angezeigt und implementiert wird. Beispielsweise kann ein gegebener Aktuator mit Spannungssteuerung im einseitigen Betrieb betrieben werden, um Vibrationen mit großer Größe von 5 bis 80 Hz zu erhalten. Die Steuereinheit (z. B. der Mikroprozessor 26) kann dann auf den Steuermodus für Strom mit wechselndem Vorzeichen umschalten, um Hochfrequenzschwingungen zu erzeugen. Diese Multimodelösung stellt eine höhere Bandbreite bereit, die im einseitigen Betrieb nicht möglich wäre und eröffnet eine ganze Spannbreite haptischer Rückkopplungseffekte. Unter Verwendung dieses Paradigmas kann beispielsweise im einseitigen Betrieb eine 10g/5Hz-Vibration abgegeben werden, gefolgt von einer hochfrequenten abklingenden Schwingung, um den Verlust der Fahrzeugkontrolle, gefolgt von einem Aufprall auf eine Metall-Leitplanke in einem Rennspiel zu simulieren, das vom Host-Computer implementiert wird. Auch andere Kombinationen einseitiger Vibrationen und zweiseitiger Vibrationen können vorgesehen sein. In anderen Ausführungsformen arbeitet ein Aktuator in der Vorrichtung 14 im einseitigen Betrieb, und ein anderer Aktuator kann im zweiseitigen Betrieb arbeiten, wodurch
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die Ausgabe einseitiger Vibrationen zu unterschiedlichen Zeiten oder gleichzeitig ermöglicht wird.
Die oben beschriebenen Vibrationseffekte können durch Ändern der Steuerwellenform in großem Umfang variiert werden. Software-Instrumente wie das Immersion Studio™ von Immersion Corporation können zur Gestaltung und Bereitstellung unterschiedlicher Vibrationswellenformen verwendet werden und zum Bestimmen, welche Abgabeleistung für eine bestimmte Anwendung die beste ist.
Fig. 5a ist ein schematisches Diagramm eines ersten Beispiels einer Treiberschaltung 50, die zum Antreiben des Aktuators 3 0 verwendet werden kann (z. B. der Motor 100 oder eine andere Art Aktuator). Diese Schaltung ermöglicht dem Aktuator die Arbeit im zweiseitigen Betrieb. Die Schaltung kann z. B. in der Aktuatorschnittstelle 38 gemäß Fig. 1 oder im Mikroprozessor oder anderen Schaltungen enthalten sein.
Die Schaltung 50 ist eine bekannte H-Brückenschaltung, die es einem Eingangsstrom oder einer Eingangsspannung ermöglicht, den Aktuator 3 0 vor- und rückwärts anzutreiben, indem Strom oder Spannung in beide Richtungen durch die Aktuatorladung hindurch bereitgestellt wird. In der gezeigten Konfiguration sind Transistoren 52, 54, 56 und 58 vorgesehen, die als Schalter verwendet werden, um abhängig von der eingeschalteten Konfiguration Spannung oder Strom in einer der beiden Richtungen durch den Motor 3 0 zur Verfügung stellen. Beispielsweise können die Transistoren 52 und 54 eingeschaltet und die Transistoren 56 und 58 abgeschaltet sein, um Strom in der einen Richtung durch den Motor 3 0 bereitzustellen, und die Transistoren 56 und 58 können eingeschaltet sein, während die Transistoren 52 und 54 abgeschaltet sind, um Strom in der anderen Richtung durch den Motor 30 bereitzustellen. Der Schaltbetrieb von H-Brückenschaltungen ist Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt. Es kann entweder eine spannungsgesteuerte Verstärkerschaltung oder eine
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stromgesteuerte Verstärkerschaltung verwendet werden. Auch andere H-Brücken-Umschaltschaltungen, die FET-Transistoren verwenden, können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Fig. 5b ist ein Diagramm eines zweiten Beispiels einer Treiberschaltung 60, die zum Antreiben des Aktuators 30 im zweiseitigen Betrieb verwendet werden kann. Die Schaltung 60 ermöglicht es einem Eingangsstrom, den Aktuator 30 vor- und rückwärts anzutreiben, indem Strom in beide Richtungen durch die Aktuatorladung bereitgestellt wird. An einem Knoten 62 wird ein Eingangssignal bereitgestellt und abhängig von der Richtung des Stroms entweder durch einen Linearverstärker 64 oder einen Linearverstärker 66 verstärkt, wobei ein Wechselrichter 68 das Signal für den Verstärker 66 invertiert. Eine derartige Funktionsweise kann mit vielen allgemein erhältlichen integrierten Schaltungen mit Linearverstärkern erhalten werden. Zum Antreiben des Motors in zwei Richtungen kann jede Verstärkerschaltung verwendet werden, die in der Lage ist, den Treiberstrom umzukehren.
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können noch andere Arten von Aktuatoren verwendet werden. Beispielsweise kann zur Bereitstellung der oben beschriebenen bidirektionalen Vibrationen ein Solenoid mit Linearbewegung verwendet werden. Auch rotierende oder lineare Schwingspulenoder Drehmagnetaktuatoren können verwendet werden.
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. 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 die Veränderungen,
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Vertauschungen und Äquivalente einschließen, die unter den eigentlichen Erfindungsgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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Claims (25)
1. Haptische Rückkopplungsvorrichtung zur Bereitstellung vibrotaktiler Empfindungen an einen Benutzer, wobei die haptische Rückkopplungsvorrichtung an einen Host-Computer gekoppelt ist und umfaßt:
1. ein Gehäuse, das der Benutzer körperlich berührt;
- einen Aktuator, der an das Gehäuse gekoppelt ist und eine Masse einschließt, wobei die Masse von dem Aktuator gedreht werden kann; und
- eine Schaltung zum Antreiben des Aktuators in zwei Richtungen, wobei die Schaltung ein Treibersignal empfängt und den Aktuator veranlaßt, die Masse um eine Drehachse zu schwenken und eine Vibration in dem Gehäuse zu induzieren, wobei die Vibration von dem Benutzer als vibrotaktile Empfindungen erlebt wird.
2. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Masse eine versetzt auf der Schwenkachse angeordnete exzentrische Masse ist.
3. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltung zum Antreiben des Aktuators eine H- Brückenschaltung einschließt, die Strom in zwei Richtungen durch den Aktuator bereitstellen kann.
4. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltung zum Antreiben des Aktuators zwei Linearverstärker aufweist, wobei jeder der Linearverstärker ein Signal in einer anderen Richtung durch den Aktuator verstärkt, um einen Antrieb des Aktuators in den zwei Richtungen zu ermöglichen.
5. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die haptische Rückkopplungsvorrichtung eine Spielunterlagen-Steuereinheit ist und diese Spielunterlagen-Steuereinheit von dem Host-Computer Informationen empfängt, die bestimmen, wann die vibrotaktilen Empfindungen basierend auf Geschehnissen, die in einer durch den Host-Computer implementierten und angezeigten Graphikumgebung passieren, auszugeben sind.
6. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Spielunterlagen-Steuereinheit einen Joystick einschließt, der zwei Freiheitsgrade aufweist und bei Betätigung durch den Benutzer eine Eingabe an den Host- Computer liefert.
7. Haptische Rückkopplungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Vibration für eine haptische Rückkopplungsvorrichtung, wobei die Vorrichtung umfaßt:
1. ein Gehäuse, das der Benutzer körperlich berührt;
- einen Aktuator, der an das Gehäuse gekoppelt ist und eine durch den Aktuator drehbare Masse einschließt; und
- eine Elektronik zum Antreiben des Aktuators in zwei Richtungen, wobei die Elektronik Informationen empfängt, die die Elektronik veranlassen, ein Treibersignal zu erzeugen, wobei das Treibersignal den Aktuator so steuert, daß er die Masse in zwei Richtungen um eine Drehachse des Aktuators schwenkt, so daß das Schwingen der Masse eine Vibration in der haptischen Rückkopplungsvorrichtung induziert, wobei eine Größe und Frequenz der Vibration durch Einstellen einer Größe bzw. Frequenz des Treibersignals unabhängig gesteuert werden können.
8. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Masse des Aktuators eine exzentrische Masse ist.
9. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Schwingen der exzentrischen Masse in den zwei Richtungen in einem zweiseitigen Betrieb erreicht wird und in einem einseitigen Betrieb ein anderes Treibersignal an den Aktuator geliefert wird, um die exzentrische Masse in einer einzigen Richtung um die Drehachse der Welle zu drehen.
10. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der einseitige Betrieb zur Ausgabe vibrotaktiler Effekte von großer Größe und niedriger Frequenz verwendet wird und der zweiseitige Betrieb zur Ausgabe vibrotaktiler Effekte von hoher Frequenz verwendet wird.
11. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die haptische Rückkopplungsvorrichtung eine Spielunterlagen-Steuereinheit ist, wobei diese Spielunterlagen-Steuereinheit mit einem Computer in Verbindung steht und von diesem Computer Steuerbefehle empfängt, die bestimmen, wann die Vibration basierend auf Geschehnissen, die in einer durch den Computer implementierten und angezeigten Graphikumgebung passieren, auszugeben sind.
12. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Spielunterlagen-Steuereinheit einen Joystick einschließt, der zwei Freiheitsgrade aufweist und bei Betätigung durch den Benutzer die Eingabe an den Host- Computer liefert.
13. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Elektronik eine H-Brückenschaltung aufweist.
14. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Treibersignal von einem Steuerbefehl von einem Host- Computer abgeleitet wird, der an die Kraftrückkopplungsvorrichtung gekoppelt ist und eine von einem Benutzer der haptischen Rückkopplungsvorrichtung beeinflußbare Graphikumgebung anzeigt.
15. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die exzentrische Masse keilförmig ist.
16. Haptische Rückkopplungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Vibration für eine haptische Rückkopplungsvorrichtung, wobei die haptische Rückkopplungsvorrichtung umfaßt:
1. Mittel zum Bereitstellen eines Aktuators für die haptische Rückkopplungsvorrichtung, wobei der Aktuator eine durch den Aktuator drehbare exzentrische Masse einschließt; und
- Mittel zum Empfangen von Informationen an der haptischen Rückkopplungsvorrichtung, wobei diese Informationen die Erzeugung eines Treibersignals veranlassen und dieses Treibersignal den Aktuator so steuert, daß er die Masse in zwei Richtungen um eine Drehachse des Aktuators schwenkt, so daß das Schwingen der Masse eine Vibration in der haptischen Rückkopplungsvorrichtung induziert, wobei eine Größe und Frequenz der Vibration durch Einstellen einer Größe bzw. Frequenz des Treibersignals unabhängig gesteuert werden können.
17. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Schwingen der exzentrischen Masse in den zwei Richtungen in einem zweiseitigen Betrieb erreicht wird und in einem einseitigen Betrieb ein anderes Treibersignal an den Aktuator geliefert wird, um die exzentrische Masse in einer einzigen Richtung um die Drehachse der Welle zu drehen.
18. Haptische Rückkopplungsvorrichtung zur Steuerung einer Vibration für eine haptische Rückkopplungsvorrichtung von einem Host-Computer aus, wobei der Host-Computer eine Graphikumgebung implementiert und die haptische Rückkopplungsvorrichtung umfaßt:
1. Mittel zum Empfangen einer Anzeige zur Ausgabe von Informationen zum Veranlassen der Ausgabe eines haptischen Effektes an einen Benutzer einer an den Host- Computer gekoppelten haptischen Rückkopplungsvorrichtung, wobei diese Anzeige durch ein in der Graphikumgebung passierendes Geschehnis oder Dialogeingriff bewirkt wird; und
2. Mittel zum Bereitstellen von Informationen an die haptische Rückkopplungsvorrichtung, wobei die Informationen eine Größe und Frequenz aufweisen, die unabhängig einstellbar sind, wobei ein Aktuator veranlaßt wird, eine Masse in zwei Richtungen zu schwenken, um eine Vibration in einem Gehäuse der haptischen Rückkopplungsvorrichtung zu bewirken, wobei eine Größe und Frequenz der Vibration auf der Größe und Frequenz basieren, die in den Informationen enthalten sind.
19. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Anzeige zur Ausgabe der Informationen von einem auf dem Host-Computer laufenden Force-Feedback-Treiberprogramm empfangen wird.
20. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Aktuator ein Drehaktuator ist und die Masse des Aktuators eine exzentrische Masse ist und um eine Drehachse des Aktuators gedreht wird.
21. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Schwingen der Masse in den zwei Richtungen in einem zweiseitigen Betrieb erreicht wird und in einem einseitigen Betrieb andere Informationen an den Aktuator geliefert werden, um die Masse in einer einzigen Richtung um die Drehachse des Aktuators zu drehen.
22. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 21, wobei der einseitige Betrieb zur Ausgabe vibrotaktiler Effekte von großer Größe und niedriger Frequenz verwendet wird und der zweiseitige Betrieb zur Ausgabe vibrotaktiler Effekte von hoher Frequenz verwendet wird.
23. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die haptische Rückkopplungsvorrichtung eine von einem Benutzer mit der Hand festgehaltene Spielunterlagen- Steuereinheit ist und die in der Graphikumgebung passierenden Geschehnisse einen Dialog eines benutzergesteuerten graphischen Gegenstands mit einem anderen graphischen Gegenstand einschließen.
24. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die an die haptische Rückkopplungsvorrichtung gelieferte Information ein Steuerbefehl ist, der die Größe und Frequenz beschreibende Parameter einschließt.
25. Haptische Rückkopplungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die an die haptische Rückkopplungsvorrichtung gelieferte Information ein Treibersignal ist, das an den Aktuator geliefert wird.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20011213 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20030717 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20060829 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20080828 |
|
| R071 | Expiry of right |