DE20080275U1 - Taktiles Mausgerät - Google Patents

Taktiles Mausgerät

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DE20080275U1
DE20080275U1 DE20080275U DE20080275U DE20080275U1 DE 20080275 U1 DE20080275 U1 DE 20080275U1 DE 20080275 U DE20080275 U DE 20080275U DE 20080275 U DE20080275 U DE 20080275U DE 20080275 U1 DE20080275 U1 DE 20080275U1
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force
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Description

Taktiles Mausgerät
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schnittstellengeräte, die es Menschen erlauben, eine Schnittstelle zu einem Computersystem zu bilden und insbesondere Computer-Schnittstellengeräte, die es dem Benutzer erlauben, Computersystemen Eingaben bereitzustellen und die es den Computersystemen ermöglichen, dem Benutzer eine haptische Rückkopplung zu liefern.
Ein Benutzer kann mit einer von einem Computer dargestellten Umgebung interagieren, um Funktionen und Aufgaben auf dem Computer auszuführen, wie das Spielen eines Spiels, die Wahrnehmung einer Simulation oder einer Virtual-Reality-Umgebung, die Verwendung eines CAD-Systems, den Betrieb einer grafischen Benutzerschnittstelle (GUI - Graphical User Interface), etc. Die für eine derartige Interaktion verwendeten herkömmlichen Mensch-Maschine-Schnittstellengeräte umfassen eine Maus, einen Joystick, einen Trackball, ein Steuerrad (steering wheel), einen Lichtgriffel, ein Grafiktablett, eine druckempfindliche Kugel oder dergleichen, die mit dem Computersystem verbunden ist, das die dargestellte Umgebung steuert. Typischerweise aktualisiert der Computer die Umgebung als Antwort auf die Handhabung eines physischen Manipulationsobjektes, wie beispielsweise eines Joystickgriffes oder einer Maus, durch den Benutzer und liefert dem Benutzer unter Verwendung des Bildschirms und der Audiolautsprecher eine visuelle und akustische Rückkopplung. Der Computer erfaßt die Bedienung des Benutzerobjek-
tes durch den Benutzer über Sensoren, die auf dem Schnittstellengerät vorgesehen sind, das Positionssignale an den Computer sendet. Beispielsweise zeigt der Computer einen Zeiger oder ein anderes Grafikobjekt in einer Grafikumgebung, wobei die Position des Zeigers auf die Bewegung des Benutzerobjekts anspricht.
Bei einigen Schnittstellengeräten wird dem Benutzer auch eine Kraftrückkopplung oder eine taktile Rückkopplung geliefert, was hier allgemeiner als "haptische Rückkopplung" bekannt ist. Diese Typen von Schnittstellengeräten können physische Empfindungen liefern, die von dem Benutzer wahrgenommen werden, der ein Manipulationsobjekt des Schnittstellengerätes bedient. Ein oder mehrere Motoren oder Aktoren sind mit dem Gerät gekoppelt ujid mit dem steuernden Computersystem verbunden. Das Computersystem steuert Kräfte auf den Joystick oder die Maus in Verbindung mit und koordiniert mit dargestellten Ereignissen und Interaktionen, indem Steuersignale oder -befehle an die Aktoren gesendet . werden. Das Computersystem kann dem Benutzer so in Verbindung mit anderen bereitgestellten Rückkopplungen physische Kraftempfindungen vermitteln, wenn der Benutzer das Schnittstellengerät oder das Manipulationsobjekt des Schnittstellengerätes greift oder berührt. Beispielsweise kann der Computer einen Befehl ausgeben, der den Aktor veranlaßt, eine Kraft auf das physische Objekt auszugeben, wenn der Benutzer das Manipulationsobjekt bewegt und einen dargestellten Cursor veranlaßt, mit einem anderen dargestellten Grafikobjekt zu interagieren, wodurch dem Benutzer eine Gefühlsempfindung vermittelt wird.
Ein Problem bei derzeitigen Kraftrückkopplungs-Controllern im Heimnutzermarkt sind die hohen., ftexst el Lungs kos ten derar-
tiger Geräte, die die Geräte für den Verbraucher teuer machen.
Ein großer Teil dieser Herstellungsausgaben beruht auf der Aufnahme mehrfacher Aktoren und entsprechender Steuerelektroniken in dem Kraftrückkopplungsgerät. Zusätzlich müssen qualitativ hochwertige mechanische und Kraftübertragungsbauteile, wie Hebelwerke und Lager, vorgesehen sein, um die Kräfte von den Aktoren exakt auf das Benutzer-Manipulationsobjekt zu übertragen und um eine genaue Erfassung der Bewegung des Benutzerobjektes zu ermöglichen. Diese Bauteile sind kompliziert und erfordern eine größere Präzision bei der Herstellung als viele der anderen Bauteile in einem Schnittstellengerät und tragen so zusätzlich zu den Gerätekosten bei. Es besteht deshalb ein, Bedarf an einem Kraftrückkopplungsgerät, das geringere Herstellungskosten aufweist und dem Benutzer trotzdem eine Kraftrückkopplung anbietet, um die Interaktion mit Computeranwendungen zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein mit einem Computersystem verbundenes niedrigpreisiges taktiles Rückkopplungs-Mausgerät gerichtet, wobei das Mausgerät einen einfachen Aktor für eine niedrigpreisige Kraftrückkopplung aufweist, um die Interaktionen und Manipulationen in einer dargestellten Grafikumgebung zu verbessern.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung, das mit einem Host-Computer verbunden ist, der ein Host-Anwendungsprogramm implementiert. In einer, bevorzugten Aus-
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führungsform ist das Gerät eine Maus, die von einem Benutzer physisch berührt wird und in einer ebenen Arbeitsfläche beweglich ist. Die Maus umfasst ein Gehäuse und ein Sensorgerät, das die Bewegung der Maus in der ebenen Arbeitsfläehe erfassen und Sensorsignale ausgeben kann, welche die Bewegung wiedergeben. Ein Aktor ist mit dem Gehäuse der Maus verbunden und übt eine Trägheitskraft in einem bestimmten Freiheitsgrad, vorzugsweise annähernd entlang einer Achse rechtwinklig zu der ebenen Arbeitsfläche, aus, wobei die Trägheitskraft durch das Gehäuse an den Benutzer übertragen wird, der das Gehäuse berührt. Vorzugsweise gibt der Aktor die Trägheitskraft auf das Gehäuse aus, indem eine Trägheitsmasse bewegt wird. Der Aktor kann ein Linearaktor, wie ein Schwingspulenaktor, sein, der die Trägheitsmasse bidirektional entlang einer ^Linearen Achse bewegt, die im wesentlichen rechtwinklig zu der ebenen Arbeitsfläche ist, oder ein Rotationsaktor, der eine Welle dreht und eine annähernd lineare Trägheitskraft liefert.
Die Ausgabekraft steht vorzugsweise in Bezug zu einer Interaktion eines gesteuerten Zeigers mit anderen Grafikobjekten oder -bereichen in einer durch den Host-Computer dargestellten Grafikumgebung. Die Kraft kann ein Impuls, eine Vibration, eine Texturkraft oder ein anderer Krafttyp sein. Ein von dem Host-Computer getrennter lokaler Mikroprozessor kann die Host-Signale oder -Befehle von dem Host-Computer empfangen und Kraftsignale zur Steuerung der Trägheitskraft an den Aktor ausgeben, Sensorsignale empfangen und bearbeiten sowie Positionsdaten an den Host-Computer berichten, die aus den Sensorsignalen abgeleitet werden. Das Sensorgerät kann eine Kugel umfassen, die in Reibkontakt mit der Fläche unterhalb der Maus steht oder einen optischen Sensor enthalten, der eine. ,B.ejfegunfj der Oberfläche
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relativ zu dem Mausgehäuse erfaßt. Ein Verfahren zur Bereitstellung einer haptischen Rückkopplung umfasst in ähnlicher Weise die Erfassung der Bewegung des Mausgerätes in einer ebenen Arbeitsfläche, die Erfassung einer Information von dem Host-Computer, dass eine taktile Empfindung auszugeben ist, und die Ausgabe einer Trägheitskraft auf das Gehäuse des Mausgerätes entlang einer Achse im wesentlichen rechtwinklig zu der ebenen Arbeitsfläche, wobei die Trägheitskraft durch die Bewegung einer mit dem Aktor verbundenen Trägheitsmasse verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt vorteilhafter Weise ein haptisches Rückkopplungsgerät bereit, das deutlich geringere Kosten als andere Typen von haptischen Rückkopplungsgeraten aufweist und so für Heimnutz,eranwendungen wirklich geeignet ist. Es kann ein einziger Aktor vorgesehen sein, der eine Trägheitskraft in einem bestimmten Freiheitsgrad ausübt, wie der Z-Achse rechtwinklig zu der X-Y-Ebene der Mausbewegung. Dies erlaubt die Ausgabe von festen Kräften ohne eine Wechselwirkung mit der Bewegung oder Steuerung der Maus in der X-Y-Ebene und verbessert auch die Wahrnehmung einer dritten Dimension durch den Benutzer relativ zu der Arbeitsfläche der Maus. Weiterhin kann der Aktor gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielfalt von verschiedenen Typen von Kraftempfindungen liefern, um die Interaktion und Wahrnehmung des Benutzers mit einer Computeranwendung zu verbessern.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann anhand der Lektüre der folgenden Beschreibung der Erfindung und des Studiums der verschiedenen Figuren der Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. I ist eine perspektivische Darstellung einer Maus gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit einem Host-Computer verbunden ist;
Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht der Maus aus Fig. 1;
Fig. 3a
- 3c sind Ansichten von verschiedenen Typen von Aktoren, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Maus und des Host-Computers der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Bildschirms, der Grafikobjekte zeigt, denen Kraftempfindungen zugeordnet sind, die unter Verwendung
der Maus gemäß der vorliegenden Erfindung ausgegeben werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines Maus-Schnittstellensystems 10 mit haptischer Rückkopplung gemäß der vorliegenden Erfindung, das in der Lage ist, einem Host-Computer aufgrund der Mausbedienung des Benutzers eine Eingabe zu liefern und fähig ist, dem Benutzer des Maussystems aufgrund von Ereignissen eine haptische Rückkopplung zu liefern, die in einem durch den Host-Computer implementierten
I !
Programm auftreten. Das Maussystem 10 umfasst eine Maus 12 und einen Host-Computer 14. Es sollte bemerkt werden, dass der Begriff "Maus", wie er hier verwendet wird, ein Objekt angibt, das allgemein geformt ist, um von oben gegriffen oder berührt und innerhalb einer im wesentlichen ebenen Arbeitsfläche (und zusätzlichen Freiheitsgraden, falls verfügbar) bewegt zu werden. Eine Maus ist typischerweise eine weich oder eckig geformte kompakte Einheit, die wie angegossen unter die Hand, die Finger und/oder die Handfläche eines Benutzers paßt, kann aber auch als Griff, Fingerbügel (finger cradle), Zylinder, Kugel, ebenes Objekt, etc. implementiert sein.
Die. Maus 12 ist ein Objekt, das vorzugsweise ge- oder ergriffen und durch einen Benutzer manipuliert wird. Unter "Ergreifen" ist zu verstehen, dass die Benutzer einen Teil des Objektes in einer Weise beispielsweise von Hand, mit ihren Fingerspitzen, etc. lösbar fassen. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Maus 12 so geformt, dass die Finger oder die Hand eines Benutzers das Objekt bequem greifen und in den vorgesehenen Freiheitsgraden im physischen Raum bewegen kann. Beispielsweise kann ein Benutzer die Maus 12 bewegen, um einem Computersystem eine zweidimensionale ebene Eingabe zu liefern, um ein computergeneriertes Grafikobjekt, wie einen Zeiger oder ein anderes Bild in einer durch den Computer 14 bereitgestellten Grafikumgebung entsprechend zu bewegen oder um einen virtuellen Charakter, ein Fahrzeug oder eine andere Einheit in einem Spiel oder einer Simulation zu steuern. Zusätzlich umfasst die Maus 12 vorzugsweise einen oder mehrere Schaltknöpfe 16a und 16b, um es dem Benutzer zu ermöglichen, dem Computersystem "zusätzliche Befehle zu liefern. Die Maus 12 kann auch zusätzliche Schaltknöpfe enthalten. Beispielswei-
se kann an einer Seite des Gehäuses der Maus 12 ein Daumenschaltknopf enthalten sein.
Die Maus 12 umfasst vorzugsweise einen Aktor 18, der betrieben wird, um Kräfte auf die Maus 12 zu erzeugen. Dieser Betrieb wird nachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
Die Maus 1 ruht auf einem Untergrund 22, wie einer Tischoberfläche oder einem Mauspad. Ein Benutzer greift die Maus 12 und bewegt die Maus in einer ebenen Arbeitsfläche auf dem Untergrund 22, wie durch Pfeile 24 angegeben ist. Die Maus 12 kann überall auf der Untergrundfläche 22 bewegt, aufgehoben und an anderer Stelle plaziert werden, etc. In einigen Aus führungs formen kann an =ader Unterseite der Maus 12 eine Reibkugel- und -rolleranordnung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um die ebene Bewegung der Maus 12 in elektrische Positionssignale umzusetzen, die über einen Bus, wie er für den Fachmann bekannt ist, an einen Host-Computer gesendet werden. In anderen Ausführungsformen können verschiedene Mechanismen und/oder Elektroniken verwendet werden, um die Mausbewegung in Positions- oder Bewegungssignale umzuwandeln, die von dem Host-Computer empfangen werden. Die Maus 12 ist vorzugsweise ein relatives Gerät, bei dem deren Sensor eine Positionsänderung der Maus erfaßt, was der Maus eine Bewegung über jegliche Oberfläche an jeder Position erlaubt. Es kann auch eine absolute Maus verwendet werden, bei der die Absolutposition der Maus bekannt ist, die Maus jedoch typischerweise auf eine bestimmte vorgegebene Arbeitsfläche beschränkt ist.
Die Maus 12 ist mit dem Computer 14 über einen Bus 20 verbunden, der Signale zwischen der Maus 12 und dem Computer
·■·
14 überträgt und der Maus 12 in einigen bevorzugten Ausführungsformen auch Energie liefert. Bauteile wie der Aktor 18 benötigen Energie, die von einer herkömmlichen seriellen Schnittstelle oder durch eine Schnittstelle wie einen USB- oder Firewire-Bus geliefert werden kann. In anderen Ausführungsformen können Signale zwischen der Maus 12 und dem Computer 14 durch kabellose Übertragung/Empfang gesendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Energie für den Aktor durch ein auf der Maus vorgesehenes Energiespeichergerät ergänzt oder allein geliefert werden, wie einen Kondensator oder einen oder mehrere Batterien. Einige solche Ausführungsformen sind in dem US-Patent 5,691,898 offenbart, das durch Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.
Der Host-Computer 14 ist vorzugsweise ein Personal-Computer oder eine Workstation, wie ein PC-kompatibler Computer oder ein Macintosh-Personalcomputer oder eine Sun- oder Silicon-Graphics-Workstation. Beispielsweise kann der Computer 14 unter dem Betriebssystem Windows™, MacOS, UNIX oder MS-DOS arbeiten. Alternativ kann das Host-Computersystem 14 eines aus einer Vielfalt von Heimvideo-Spielkonsolensystem sein, die üblicherweise mit einem Fernsehgerät oder einem anderen Bildschirm verbunden werden, wie von Nintendo, Sega oder Sony erhältliche Systeme. In anderen Ausführungsformen kann das Host-Computersystem 14 eine "Set Top Box" sein, die beispielsweise verwendet wird, um Benutzern interaktive Fernsehfunktionen bereitzustellen, oder ein "Netzwerk-" oder "Internet-Computer", der es Benutzern ermöglicht, unter Verwendung von Standardverbindungen und "Protokollen" wie den für das Internet und das World Wide Web verwendeten mit einem lokalen oder globalen Netzwerk zu interagieren. Der Host-Computer enthält vorzugsweise einen Host-Mikropraze,ssor,.. einen, ScJareib-Lese-Speicher. (RAM - Random
- &iacgr;&ogr; -
Access Memory) , einen Nur-Lese-Speicher (ROM - Read Only-Memory) , eine Eingabe/Ausgabe-(E/A)-Schaltung und andere für den Fachmann bekannte Computerbauteile.
Vorzugsweise implementiert der Host-Computer 14 ein Host-Anwendungsprogramm, mit dem ein Benutzer über die Maus 12 und, falls gewünscht, über andere Peripheriegeräte interagiert und das eine Kraftrückkopplungsfunktionalität enthält. Beispielsweise kann das Host-Anwendungsprogramm ein Videospiel, eine Textverarbeitung oder eine Tabellenkalkulation, eine Web-Seite oder ein HTML- oder VRML-Befehle implementierender Browser, ein wissenschaftliches Analyseprogramm, ein Programm oder eine Anwendung für Virtual Reality Training oder ein anderes Anwendungsprogramm sein, das die Eingabe der Maus 12 verwendet und Kraftrückkopplungsbefehle an die Maus 12 abgibt. Hierbei werden Betriebssysteme wie Windows™, MS-DOS, MacOS, Linus, Be, etc. zur Vereinfachung auch als "Anwendungsprogramme" bezeichnet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet ein Anwendungsprogramm eine grafische Benutzerstelle (GUI - Graphical User Interface), um einem Benutzer Optionen anzubieten und eine Eingabe von dem Benutzer zu empfangen. Hierbei kann man davon sprechen, dass der Computer 14 eine "Grafikumgebung" bereitstellt, die eine grafische Benutzerschnittstelle, ein Spiel, eine Simulation oder eine andere visuelle Umgebung sein kann. Der Computer stellt "Grafikobjekte" oder "Computerobjekte" dar, die keine physischen Objekte, sondern logische Softwareeinheiten aus Ansammlungen von Daten und/oder Befehlen sind, die von dem Computer 14 auf einem Bildschirm 26 als Bilder dargestellt werden können, wie für den Fachmann bekannt ist. Ein dargestellter Zeiger oder ein simuliertes Cockpit eines Flugzeuges können als Grafikobjekte bfetjrkchtet* jiejcjeri. ."Dafe Jlo&f-itnwejidijnfjsgirogramm prüft
- 11 -
auch von den Elektroniken und Sensoren der Maus 12 empfangene Eingabesignale und gibt Kraftwerte und/oder -befehle
aus, die in eine Kraftausgabe für die Maus 12 umgewandelt
werden müssen. Geeignete Softwaretreiber, die eine Schnittstelle einer solchen Simulationssoftware mit Computer-Eingabe/Ausgabe-
(E/A) -Geräten bilden, sind von Immersion
Corporation aus San Jose, Kalifornien erhältlich.
Das Bildschirmgerät 2 6 kann in dem Host-Computer 14 enthalten sein und kann ein Standardbildschirm (LCD, CRT, Flachbildschirm, etc.), eine 3D-Brille oder jedes andere visuelle Ausgabegerät sein. Typischerweise liefert die Hostanwendung Bilder, die auf dem Anzeigegerät 26 darzustellen sind und/oder eine andere Rückkopplung, wie hörbare Signale.
Beispielsweise kann der Anzeigeschj.rm 26 Bilder aus einer
GUI darstellen.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann der Host-Computer seinen eigenen "Host-Rahmen" 28 haben, der auf dem Anzeige-
schirm 26 dargestellt ist. Zusätzlich hat die Maus 12 ihre eigene Arbeitsfläche oder einen "lokalen Rahmen" 30, in dem die Maus 12 bewegt wird. In einem Musterbeispiel einer Positionssteuerung entspricht die Position (oder die Positionsänderung) eines benutzergesteuerten Grafikobjektes, wie eines Zeigers, in dem Host-Rahmen 28 einer Position (oder
einer Positionsänderung) der Maus 12 in dem lokalen Rahmen 30. Der Versatz zwischen dem Objekt in dem Host-Rahmen und dem Objekt in dem lokalen Rahmen kann von dem Benutzer
durch Indizierung verändert werden, d.h. durch eine Bewe-
gung der Maus, während dem Host-Computer keine Eingabe geliefert wird, wie beim Anheben der Maus von der Oberfläche und dem Absetzen an einer anderen Stelle.
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In alternativen Ausführungsformen kann die Maus ein anderes Schnittstellen- oder Steuergerät sein. Beispielsweise kann ein zur Auswahl von Funktionen eines Fernsehgerätes, eines Videokassettenrekorders, einer Stereoanlage, eines Internet- oder Netzwerkcomputers (z.B. Web-TVTH) oder eines Gamepad-Controllers für Videospiele oder Computerspiele verwendetes handbedienbares Fernsteuergerät mit den hier beschriebenen haptischen Rückkopplungsbauteilen verwendet werden. Handgeräte sind nicht auf eine ebene Arbeitsfläche beschränkt wie eine Maus, können jedoch trotzdem von den hier beschriebenen gerichteten Trägheitsempfindungen profitieren, die beispielsweise rechtwinklig zu der Geräteoberfläche ausgegeben werden.
Fig. 2 ist eine Seitenschnittansi©ht der Maus aus Fig. 1. Die Maus 12 umfasst einen oder mehrere Aktoren 18, um eine haptische Rückkopplung, wie taktile Empfindungen, an den Benutzer der Maus zu vermitteln. Der Aktor gibt auf die Maus 12 Kräfte aus, die der Benutzer wahrnehmen kann.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Aktor mit einer Trägheitsmasse gekoppelt, die von dem Aktor bewegt wird. Der Aktor ist auch mit dem Gehäuse der Maus verbunden, so dass durch die Bewegung der Trägheitsmasse verursachte Trägheitskräfte auf das Gehäuse der Maus in Bezug auf die Trägheitsmasse (die als Trägheit sfundament wirkt) ausgeübt werden, wodurch eine haptische Rückkopplung, wie taktile Empfindungen, dem Benutzer der Maus vermittelt wird, der das Gehäuse berührt (im Gegensatz zu den üblichen Verfahren der Ausübung von Kräften auf den Benutzer in Bezug auf ein Bodenfundament). So bewegt der Aktor nicht direkt einen Teil des Gehäuses gegen den Benutzer, sondern statt dessen erzeugt die sich bewe-
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gende Masse eine Trägheitskraft, die über das Gehäuse indirekt auf den Benutzer übertragen wird. Im folgenden werden einige Entwicklungsüberlegungen für ein derartiges trägheitsbezogenes Aktorsystem beschrieben. 5
Die Verwendung einer Trägheitsmasse als Fundamentbezug für die Erzeugung einer taktilen Empfindung auf einer Zeigersteuerungsschnittstelle hat zahlreiche Beschränkungen. Zuerst und vor allem ist die Amplitude der Kräfte, die in Bezug auf ein Trägheitsfundament ausgegeben werden können, nicht so groß wie sie in Bezug auf ein Bodenfundament ausgegeben werden kann. Selbstverständlich sind die Kräfte, die ausgegeben werden können, um so größer, je größer die Masse ist, so dass die theoretische Grenze der Kraftamplitude sehr groß ist. Aus praktischeji Gründen können jedoch in einem Mausgerät nicht sehr große Massen als Trägheitsfundament verwendet werden, da große Massen das Mausgerät zu schwer machen. Die Größe der praktischer Weise ausübbaren Kraftausgabe ist deshalb begrenzt.
Weil durch ein Trägheitsfundament keine großen Kräfte ausgeübt werden können, ist eine Kompensation durch Verwendung eines Aktors mit einer großen Bandbreite wünschenswert, d.h. eines Aktors, der abrupte Änderungen in der Kraftamplitudengröße ausgeben kann. Da die menschliche Hand gegenüber Änderungen der Krafthöhe empfindlicher ist als gegenüber absoluten Krafthöhen kann ein zur Vermittlung von in Bezug auf ein Trägheitsfundament erzeugten niedrigen Kräften verwendeter Aktor mit einer großen Bandbreite.wirklich effektiv sein, um bezwingende taktile Empfindungen zu erzeugen.
Eine Implementation, die zur Erzeugung taktiler Empfindun-
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gen verwendet werden kann, ist ein Motor (oder ein anderer Aktor) der eine sich drehende Welle aufweist, wobei eine Trägheitsmasse an einem exzentrischen Punkt der Masse mit der Welle verbunden ist. Die Trägheitsmasse wird mit verschiedenen Geschwindigkeiten um die Motorwelle in Bezug auf das Schnittstellengerät gedreht. Dies kann in Abhängigkeit von dem durch den Motor getriebenen Strom sinusförmige Kraftsignale mit verschiedenen Frequenzen erzeugen. Das Problem bei einem derartigen Vorgehen ist die langsame An-Sprechzeit, da die sich drehende Masse über die Zeit beschleunigt und abgebremst werden muss, um die einer gewünschten Frequenzausgabe entsprechende Drehgeschwindigkeit zu erreichen. Auch übt diese Implementierung Kräfte in einer kontinuierlich wechselnden Richtung aus, die durch die Drehebene der Masse beschränkt ist-, wodurch eine "Wobble"-Empfindung geliefert wird. Dies kann besonders bei niedrigen Frequenzen für den Benutzer beunruhigend sein. Die Technik einer rotierenden exzentrischen Trägheitsmasse kann hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Ausgabe von Kraftempfindüngen hochgradig beschränkt sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erzeugt Trägheitskräfte, die im wesentlichen in einem bestimmten Freiheitsgrad, d.h. entlang einer bestimmten Achse, ausgerichtet sind.
Beispielsweise können die Trägheitskräfte unter Verwendung eines Linearaktors mit einer großen Bandbreite erzeugt werden. Bevorzugte Aktoren umfassen einen linear beweglichen Schwingspulenaktor und einen linear beweglichen Magnetaktor, die für eine Betätigung mit einer großen Bandbreite geeignet sind. Ein in harmonischen Antriebskonfigurationen verwendeter traditioneller Servomotor kann auch ein geeigneter Aktor mit einer großen Bandbreite sein. Diese Ausführungsform ermöglicht eine High-Fidality-Steuerung der
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Kraftempfindungen sowohl hinsichtlich der Frequenz- als auch der Amplitudenbereiche. Dies ermöglicht auch eine Ausrichtung der Kräfte entlang einer gewünschten Achse und ermöglicht feste taktile Empfindungen, die in Amplitude und Frequenz unabhängig moduliert werden können. Derartige feste Empfindungen können typischerweise nicht unter Verwendung einer sich drehenden Masse erreicht werden, die eine ungerichtete Trägheitskraft in einer Drehebene liefert und ein allgemeines Wobblen auf dem Gerät erzeugt.
Bei einer Linearaktor-Implementation ist es wichtig, die Richtung oder den Freiheitsgrad zu berücksichtigen, indem die Kraft auf das Gehäuse des Mausgerätes in Bezug auf die Trägheitsmasse ausgeübt wird. Falls ein wesentlicher Kraftanteil entlang einer oder mehrerer, der beweglichen ebenen Freiheitsgrade der Maus (d.h. der X- oder Y-Achse) in Bezug auf die Trägheitsmasse ausgeübt wird, so kann sich der kurze Impuls nicht mit der Maus in einem oder beiden dieser ebenen Freiheitsgrade vertragen und beeinträchtigt die Fähigkeit des Benutzers, ein gesteuertes Grafikobjekt, wie einen Zeiger, genau auf ein vorgegebenes Ziel zu führen. Da eine vorrangige Funktion einer Maus in einem genauen Zielen besteht, ist eine taktile Empfindung, die das Zielen selbst geringfügig verzerrt oder beeinträchtigt unerwünscht. Zur Lösung dies Problems übt das Mausgerät gemäß der vorliegenden Erfindung Trägheitskräfte im wesentlichen entlang der Z-Achse rechtwinklig zu den ebenen X- und Y-Achsen des Maus-Controllers aus. Bei einer solchen neuen Anordnung können taktische Empfindungen auf einem für den Benutzer wahrnehmbaren starken Niveau ausgeübt werden, ohne die Fähigkeit zur genauen Positionierung eines benutzergesteuerten Grafikobjektes in den X- und Y-Achsen zu beeinträchtigen. Da die taktilen Empfindungen in einem dritten Frei-
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heitsgrad relativ zu dem zweidimensionalen ebenen Arbeitsbereich der Maus und dem Anzeigeschirm ausgegeben werden, fühlen sich entlang der Z-Achse ausgegebene Rucke oder Impulse für den Benutzer viel mehr wie dreidimensionale Huekel oder Divots an, wodurch der Realismus der taktilen Empfindungen erhöht und eine bezwingendere Interaktion er-'zeugt wird. Beispielsweise erzeugt ein bei der Bewegung des Zeigers über eine Fenstergrenze ausgegebener aufwärts gerichteter Impuls die Illusion, dass sich die Maus "über" einen Huckel an der Fenstergrenze bewegt.
Alternativ können gerichtete Trägheitskräfte entlang der X- und Y-Achse in der ebenen Arbeitsfläche des Gerätes ausgegeben und kompensiert werden, um die Wechselwirkung mit der Benutzersteuerung des Gerätes zu vermeiden zu reduzieren.
Ein Kompensationsverfahren ist es, das in der Arbeitsfläche weitergegebene Zittern aktiv zu filtern, wie es in dem US-Patent 6,020,867 offenbart. Diese Implementierung kann jedoch Komplexität und Kosten zu dem Mausgerät hinzufügen.
In Anbetracht der vorstehenden Entwicklungsfaktoren ist in Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Maus 12 gezeigt, das einen Linearaktor enthält. Die Maus 12 enthält ein Gehäuse 50, ein Erfassungssystem 52 und einen Aktor 18.
Das Gehäuse 50 ist so geformt, dass es wie eine Standardmaus in die Hand des Benutzers paßt, während der Benutzer die Maus in ihren ebenen Freiheitsgraden bewegt und die Schaltknöpfe 16 bedient. Andere Gehäuseformen können in vielen verschiedenen Ausführungsformen vorgesehen sein.
Das Erfassungssystem 52 erfaßt die Position der Maus in ihren ebenen Freiheitsgraden, z.B. entlang der X-.und Y-Achse. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält das
Erfassungssystem 52 eine Standardmauskugel 54, um dem Computersystem eine Richtungseingabe zu liefern. Die Kugel 45 ist eine Sphäre, die sich teilweise aus der Bodenfläche der Maus heraus erstreckt und in einer Richtung rollt, die der Bewegung der Maus auf einer ebenen Fläche 22 entspricht. Wenn die Maus 12 beispielsweise in einer durch einen Pfeil 56 (Y-Richtung) angegebenen Richtung bewegt, dreht sich die Kugel auf der Stelle in einer durch einen Pfeil 58 gezeigten Richtung. Die Kugelbewegung kann durch einen zylindrisehen Roller 60 verfolgt werden, der zur Erfassung der Mausbewegung mit einem Sensor 62 verbunden ist. Ein ähnlicher Roller und Sensor 28 kann für die X-Richtung verwendet werden, die zu der Y-Achse rechtwinklig ist.
In anderen Aus führungs formen könneji andere Typen von Mechanismen und/oder Elektroniken zur Erfassung der ebenen Bewegung der Maus 12 verwendet werden. Beispielsweise können hochfrequente taktile Sensationen von dem Aktor ausgeübt werden, die eine Mauskugel 45 dazu veranlassen, in Bezug auf die im Reibeingriff stehenden Roller durch zu rutschen. Dies ist problematisch, da es aufgrund der taktilen Sensationen eine geringere Genauigkeit der Maus verursacht. Zur Behebung dieses Problems setzt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel den Aktor 18 in einer optischen Maus ein, die kein bewegliches Mauskugelbauteil aufweist. Eine geeignete optische Maustechnologie wird von Hewlett Packard aus Palo Alto, CA hergestellt und kann vorteilhafterweise mit den hier beschriebenen Technologien für taktile Sensationen kombiniert werden, wobei der optische Sensor die Mausbewegung relativ zu der ebenen Auflagefläche erfaßt, indem optisch eine Anzahl von Bildern der Auflagefläche aufgenommen und gespeichert und indem diese Bilder über die Zeit verglichen werden, um zu bestimmen, ob sich die Maus bewegt hat. Bei-
spielsweise verwenden der Intellimouse-Explorer oder die Intellimouse mit Intellieye-Mausgeräten von Microsoft Corporation diesen Sensortyp. Falls ein lokaler Mikroprozessor eingesetzt wird (siehe Fig. 4), kann die Steuerung des taktilen Elementes durch denselben lokalen Prozessor durchgeführt werden, der die optische Sensortechnologie steuert, wodurch Bauteilkosten reduziert werden (d.h. es besteht kein Bedarf an einem Prozessor für die Optik und einem Prozessor für die taktile Rückkopplung). Alternativ kann ein Teil eines optischen Sensors in die Fläche 22 eingebaut werden, um die Position eines Senders oder eines Funksenders in der Maus zu erfassen und so die Position der Maus 12 auf der Fläche 22 zu erfassen.
Mit dem Gehäuse 50 ist ein Aktor 18 verbunden, um dem Benutzer eine haptische Rückkopplung zu liefern. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Aktor 18 ein linearer elektromagnetischer Aktor mit einem mit dem Mausgehäuse 50 (und so nur in Bezug auf den Abschnitt des Mausgehäuses feststehend, mit dem er verbunden ist) verbundenen feststehenden Abschnitt 66 und einem beweglichen Abschnitt 57, der sich annähernd entlang der Z-Achse linear bewegt. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält der stationäre Abschnitt 66 einen Magnet und der bewegliche Abschnitt 67 enthält eine Drahtspule. Mit dem linear beweglichen Abschnitt des Aktors ist eine Trägheitsmasse 64 verbunden. Der Aktor 18 wird so betrieben, dass er die Trägheitsmasse 64 schnell entlang der Achse C oszilliert, die annähernd parallel zu der Z-Achse verläuft. So werden die durch die bewegliche Masse 64 erzeugten Kräfte über den feststehenden Abschnitt 66 des Aktors 18 auf das Gehäuse übertragen und von dem Benutzer gefühlt. Diese Kräfte sind im wesentlichen entlang der Z-Achse ausgerichtet und interferrieren deshalb
nicht wesentlich mit der Bewegung der Maus entlang der X- und Y-Achse.
Der Aktor 18 kann ein Linear-Schwingspulenaktor sein, wie nachfolgend zu Fig. 3a beschrieben wird. In anderen Ausführungsbeispielen kann der feststehende Abschnitt die Spule und der bewegliche Abschnitt der Magnet sein. In anderen Ausführungsformen kann der Aktor 18 von anderen Aktortypen sein. Einige verschiedene Typen von Aktoren, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden unter Bezugnahme auf die Fig. 3a - 3c beschrieben. Der Aktor 18 kann innerhalb des Mausgehäuses an einer Vielzahl von Positionen plaziert werden. Beispielsweise plaziert ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel den Aktor auf der Unterseite des Gehäuses, so nah wie möglich aji dem Mittelpunkt der Maus entlang sowohl der X- als auch der Y-Achse, um einen Wobble-Effekt auf die Maus zu verhindern, wenn der Aktor aktiv ist. In anderen Ausführungsformen kann der Aktor 18 entlang einer Achse zentrisch, aber entlang der anderen Achse exzentrisch positioniert sein, um sich an andere elektronische oder mechanische Bauteile in der Maus anzupassen, z.B. nahe der Vorder- oder Hinterseite der Maus.
In noch anderen Ausführungsformen kann der Aktor 18 mit einer Seite oder einem oberen Abschnitt des Gehäuses 50 anstelle des unteren Abschnitts 68 verbunden sein, obwohl es bevorzugt ist, dass der Aktor ausgerichtet ist, um Ausgabekräfte annähernd entlang der Z-Achse auszugeben (und so kann die Oberseite gegenüber der Seite bevorzugt sein). Es kann eine Vielfalt von taktilen Sensationen an den Benutzer ausgegeben werden, von denen viele nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 5 detaillierter beschrieben werden.
Eine zusätzliche Herausforderung bei der Ausübung einer bezwingenden taktilen Sensation auf das Mausgehäuse entlang der beschriebenen Z-Achse besteht darin, dass die Maus auf einem Tisch oder einer anderen Fläche 22 ruht und deshalb entlang der Z-Achse gebunden ist. Mit anderen Worten wird den von dem Aktor 18 entlang der Z-Achse in Bezug auf die Trägheitsmasse ausgeübten Kräften durch die Normalkräfte entgegengewirkt, die von der Tischoberfläche auf das Mausgehäuse ausgeübt werden. Ein Weg zur Anpassung dieser Gegenkräfte besteht in der Verwendung einer flexiblen oder halbflexiblen Oberfläche unter der Maus, wie eines Standardmauspads. Dieser Typ einer flexiblen Oberfläche erhöht die Übertragungsfähigkeit der Trägheitskräfte von dem Aktor auf das Gehäuse. Alternative Ausführungsbeispiele umfassen die Verbindung des feststehenden Abschnitts 66 des Aktors 18 mit einem Abschnitt des Gehäuses 50, der von der Basis oder dem Bodenabschnitt 68 des Gehäuses verschieden ist (z.B. die Gehäuseseite) und die Bereitstellung eines Ausmaßes an Flexibilität zwischen dem Aktor gekoppelten Abschnitt des Mausgehäuses und dem Bodenabschnitt 68, der in Kontakt mit der Oberfläche 22 ist. Beispielsweise können flexible Gelenke oder Verbindungsteile die zwei Abschnitte verbinden. Dies verbessert auch die Übertragungsfähigkeit der taktilen Sensationen und kann auch in Verbindung mit einem Mauspad verwendet werden, um die Übertragungsfähigkeit noch weiter zu verbessern.
Die Schaltknöpfe 16 können von dem Benutzer als "Befehlsgeste" ausgewählt werden, wenn es der Benutzer wünscht, dem Host-Computer 14 ein Befehlssignal einzugeben. Der Benutzer drückt einen Schaltknopf 16 nieder (in dem Freiheitsgrad des Schaltknopfes annähernd entlang der Z-Achse), um dem Computer einen Befehl zu liefern. Wenn es von dem Host-
Computer empfangen wurde kann das Befehlssignal die Grafikumgebung in vielfältiger Weise beeinflussen. In einer Ausführungsform kann ein elektrischer Anschluß dazu veranlaßt werden, einen Fühleranschluß wie bei jedem mechanischen Schalter zu kontaktieren, um einen einfachen EIN- oder AUS-Zustand des Schaltknopfes zu bestimmen. Alternativ kann ein optischer Schalter oder ein anderer Typ eines digitalen Sensors vorgesehen sein, um eine Schaltknopfbetätigung zu erfassen. In einem anderen Ausführungsbeispiel eines Schaltknopfs mit einem kontinuierlichen Wertebereich kann ein Sensor verwendet werden, um die genaue Position des Schaltknopfs 16 in seinem Bewegungsbereich (Freiheitsgrad) zu erfassen. Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere der Schaltknöpfe 16 mit einer Kraftrückkopplung in dem Freiheitsgrad der Sehaltknopfbewegung versehen sein (zusätzlich zu der taktilen Trägheitsrückkopplung vom Aktor 18).
Fig. 3a ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels 80 des Aktors 18, das zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Der Aktor 80 ist ein niedrigpreisiges Bauteil mit geringem Energieverbrauch und . hat eine große Bandbreite und einen kleinen Bewegungsbereich und ist so gut geeignet zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. Der Aktor 80 ist ein Schwingspulenaktor, der einen Magnetabschnitt 82 (der der feststehende Abschnitt 66 ist) und einen Spulenkörper 8 4 (der der bewegliche Abschnitt 67 ist) enthält. Der Magnetabschnitt 82 ist fundamentgebunden und der Spulenkörper 84 wird relativ zu - dem-Magnetabschnitt bewegt. In anderen Ausführungsformen
kann der Spulenkörper 8 4 fundamentgebunden sein und der Magnetabschnitt 82 kann bewegt werden. Der Magnetabschnitt 82 enthält ein Gehäuse 88, das aus einem MetaJ.1. wie Stahl her-• : :·· ·:::: . ·: · · : : : : :
hergestellt ist. Innerhalb des Gehäuses 88 ist ein Magnet 90 vorgesehen und ein Polstück 92 ist auf dem Magnet 90 angeordnet. Der Magnet 90 liefert ein magnetisches Feld 94, das das Stahlgehäuse 88 als Rückflußpfad nutzt. Das PoI-stück 92 fokussiert den Fluß in dem Spalt zwischen dem Polstück 92 und dem Gehäuse 88. Die Länge des Polstücks 92 ist als Lp bestimmt, wie dargestellt ist. Das Gehäuse 88, der Magnetabschnitt 82 und der Spulenkörper 84 sind vorzugsweise zylindrisch geformt, jedoch können in anderen Ausführungsformen auch andere Formen vorgesehen sein.
Der Spulenkörper 84 wird so betrieben, dass er sich linear in Bezug auf den Magnetabschnitt 82 bewegt. Der Spulenkörper 84 enthält ein Aufnahmeelement 96 und eine an dem Aufnahmeelement 96 befestigte Spule 98. Die Spule ist vorzugsweise in aufeinanderfolgenden Wicklungen um das Aufnahmeelement 96 gewickelt. Die Länge der Spule ist in Fig. 3a als Lc bestimmt. Wenn der Spulenkörper bewegt wird, so bewegt sich die Spule 98 durch das Magnetfeld 94. Über elektrische Anschlüsse 99 fließt ein elektrischer Strom I durch die Spule 98. Der elektrische Strom in der Spule erzeugt ein Magnetfeld, wie für den Fachmann bekannt ist. Das Magnetfeld der Spule tritt dann in Wechselwirkung mit dem durch den Magneten 90 erzeugten Magnetfeld 94, um eine Kraft zu erzeugen. Die Amplitude oder Stärke der Kraft hängt von der Amplitude des auf die Spule ausgeübten Stromes und der Stärke des Magnetfeldes ab. Ebenso hängt die Richtung der Kraft von der Stromrichtung in der Spule ab. Die Trägheitsmasse 64 ist vorzugsweise mit dem Spulenkörper 84 verbunden und bewegt sich mit dem Spulenkörper linear. Der Betrieb und die Implementation der Kraft unter Verwendung von Magnetfeldern ist für den Fachmann bekannt. Ein Beispiel eines Schwingspulenaktors ist in dem US-Patent
5,805,140 vorgesehen, das durch in Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.
Die Länge der Spule Lc und die Länge des Polstückes LP kann eingestellt werden, um sich an eine bestimmte Anwendung anzupassen. Beispielsweise kann die Länge der Spule Lc beispielsweise zwei- oder dreimal größer als die Länge des Polstückes LP sein, um einen langen Hub des Spulenkörpers 84 und eine über den linearen Bewegungsbereich des Spulen-IQ körpers annähernd konstante Kraftausgabe zu liefern. In den meisten Ausführungsformen ist jedoch nur ein kurzer Hub des Spulenkörpers 84 erforderlich und die Spulenlänge Lc kann annähernd gleich oder gleich der Länge des Polstückes LP ausgelegt werden.
. „
Fig. 3b ist eine Perspektivansicht eines anderen Aktors 70. Der Aktor 70 hat eine sich drehende Welle 72, die einen Bruchteil einer Umdrehung gedreht werden kann. Ein Hebel 73 ist mit der Welle 72 annähernd rechtwinklig zu der Drehachse der Welle verbunden. Mit dem anderen Ende des Hebels 73 ist eine Trägheitsmasse 74 verbunden. Wenn die Welle 72 oszilliert, werden von der Trägheitsmasse Impulse oder eine Vibration an das Mausgehäuse weitergegeben. Die Oszillation der Masse 74 entlang den Richtungen 75 erfolgt annähernd entlang der Z-Achse und deshalb sind die Kräfte nicht in der X-Y-Ebene der Mausbewegung. Der dargestellte Aktor 7 0 kann ein beweglicher Magnetaktor mit einem E-Spulenkern sein. Der Aktor kann für eine größere Amplitude der taktilen Empfindungen zwei feststehende Spulen 71 enthalten, wie dargestellt ist, oder der Aktor kann nur eine Spule enthalten, falls Platz erhalten werden muss. In weiteren Ausführungsformen mit einem beweglichen Magneten kann sich der Magnet anstelle in Drehrichtung linear bewegen.
Fig. 3c ist eine Perspektivansicht eines anderen Typs eines Aktors 76, der in der vorliegenden Erfindung für den Aktor 18 verwendet werden kann. Es ist ein Pager-Motor 77 oder ein anderer Aktor mit einer drehbaren Welle dargestellt. Ein Aktorstopfen 78 hat ein Innengewinde mit einer großen Steigung, das mit einem Stift 79 zusammenpaßt, der sich von der Seite der drehbaren Motorwelle erstreckt und so eine niedrigpreisige Führungsschraube bereitstellt. Wenn sich die Welle dreht, veranlaßt der Stift den Stopfen 78 dazu, sich entlang der Z-Achse auf- und abwärts zu bewegen. Wenn die Welle oszilliert, so wirkt der Stopfen 78 als Trägheitsmasse (oder kann mit der Trägheitsmasse 64 verbunden werden) und der Maus wird eine angemessene taktile Sensation geliefert.
In anderen Ausführungsformen können verschiedene Aktortypen verwendet werden. Beispielsweise kann für den Linearaktor ein Solenoid mit einem vertikal beweglichen Abschnitt verwendet werden. Es können ein linearer Schwingspulenmagnet (voice magnet), ein gleichstromgesteuerter Linearmotor, ein mit einer angelegten Spannung pulsweitenmoduliert gesteuerter linearer Schrittmotor, ein pneumatischer/hydraulischer Aktor, ein Drehmomentgeber (Motor mit einem begrenzten Winkelbereich), ein piezoelektrischer Aktor, etc. verwendet werden. Ein Rotationsaktor kann verwendet werden, um ein Drehmoment in einem Rotationsfreiheitsgrad auf eine Welle auszugeben, das durch ein Getriebe in eine lineare Kraft und Bewegung umgewandelt wird, wie für den Fachmann bekannt ist.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftrückkopplungssystems verdeut-
licht, das einen lokalen Mikroprozessor und ein Host-Computersystem enthält.
Das Host-Computersystem 14 enthält vorzugsweise einen Host-Mikroprozessor 100, einen Taktgeber 102, einen Anzeigeschirm 26 und ein Audioausgabegerät 104. Der Host-Computer enthält auch andere bekannte Bauteile, wie einen Schreib-Lese-Speicher (RAM - Random Access Memory), einen Nur-Lese-Speicher (ROM - Read Only Memory) sowie eine Eingabe/Ausgäbe-(E/A)-Elektronik (nicht dargestellt). Der Anzeigeschirm 26 stellt Bilder einer Spieleumgebung, einer Betriebssystemanwendung, einer Simulation, etc. dar. Das Audioausgabegerät 104, wie Lautsprecher, ist vorzugsweise durch Verstärker, Filter und andere für den Fachmann bekannte Schaltungen mit dem Host-MiLkroprozessor 100 verbunden und liefert dem Benutzer eine Geräuschausgabe, wenn während der Implementation des Hostanwendungsprogrammes ein "Audioereignis" auftritt. Es können auch andere Typen von Peripheriegeräten mit dem Host-Mikroprozessor 100 verbunden werden, wie Speichergeräte (Festplattenlaufwerk, CD-ROM-Laufwerk, Diskettenlaufwerk, etc.), Drucker und andere Eingabe- und Ausgabegeräte.
Die Maus 12 ist durch einen bidirektionalen Bus 20 mit dem Host-Computersystem 14 verbunden. Der bidirektionale Bus sendet Signale in jeder Richtung zwischen dem Host-Computersystem 14 und dem Schnittstellengerät. Der Bus 20 kann ein serieller Schnittstellenbus, wie eine RS-232-serielle Schnittstelle, eine RS-422, ein Universal Serial Bus (USB) , ein MIDI oder anderer für den Fachmann bekannter Protokolle oder ein Parallelbus oder eine kabellose Verbindung sein. Beispielsweise stellt der USB-Standard eine Schnittstelle mit einer relativ hohgn, Geschwindigkeit be-
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reit, die dem Aktor 18 auch Energie liefern kann.
Die Maus 12 kann einen lokalen Mikroprozessor 110 enthalten. Der lokale Mikroprozessor 110 kann optional innerhalb des Gehäuses der Maus 12 enthalten sein, um eine effiziente Kommunikation mit anderen Bauteilen der Maus zu ermöglichen. Der Prozessor 110 wird als bezüglich der Maus 12 lokal betrachtet, wobei sich "lokal" hierbei darauf bezieht, dass der Prozessor 110 ein von anderen Prozessoren in dem Host-Computersystem 14 separater Mikroprozessor ist. "Lokal" bezieht sich vorzugsweise auch darauf, dass der Prozessor 110 für die haptische Rückkopplung und die Sensor-E/A der Maus 12 bestimmt ist. Der Mikroprozessor 110 kann mit Softwarebefehlen versehen sein, um auf Befehle oder An-. forderungen durch den Host-Computar 14 zu warten, den Befehl oder die Anforderung zu decodieren und entsprechend dem Befehl oder der Anforderung Eingabe- und Ausgabesignale zu handhaben/steuern. Zusätzlich kann der Prozessor 110 unabhängig von dem Host-Computer 14 arbeiten, indem er Sensorsignale liest und aus diesen Sensorsignalen, Zeitsignalen sowie gespeicherten oder weitergegebenen, entsprechend einem Host-Befehl ausgewählten Befehlen geeignete Kräfte berechnet. Geeignete Mikroprozessoren zur Verwendung als lokaler Mikroprozessor 110 umfassen beispielsweise den MC68HC711E9 von Motorala, den PIC16C74 von" Microchip und den 82930AX von Intel Corp. sowie kompliziertere Kraftrückkopplungsprozessoren wie den Immersion Touchsense Prozessor. Der Mikroprozessor 110 kann einen Mikroprozessorchip, Mehrfachprozessoren und/oder Co-Prozessorchips und/oder die Fähigkeiten eines digitalen Signalprozessors (DSP) enthalten.
Der Mikroprozessor 110 kann von dem Sensor 3-12 Signale emp-
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fangen und dem Aktor 18 entsprechend von dem Host-Computer 14 über den Bus 20 bereitgestellten Befehlen Signale liefern. Beispielsweise liefert der Host-Computer 14 in einer Ausführungsform mit lokaler Steuerung hochrangige Überwachungsbefehle über den Bus 20 an den Mikroprozessor 110 und der Mikroprozessor 110 decodiert die Befehle und verwaltet entsprechend den hochrangigen Befehlen und unabhängig von dem Host-Computer 14 niedrigrangige Kraftregelschleifen der Sensoren und des Aktors. Dieser Betrieb ist detaillierter in den US-Patenten 5,739,811 und 5,734,373 beschrieben, die durch Bezugnahme hier mit aufgenommen werden. In der Host-Steuerschleife werden Kraftbefehle von dem Host-Computer an den Mikroprozessor 110 ausgegeben und weisen den Mikroprozessor an, eine Kraft oder eine Kraftempfindung mit bestimmten Eigenschaften auszugeben»- Der lokale Mikroprozessor 110 berichtet an den Host-Computer Daten, wie Positionsdaten, die die Position der Maus in einem oder mehreren vorgesehenen Freiheitsgraden beschreiben. Die Daten können auch den Zustand der Schaltknöpfe 16 und eines Sic.herheitsschalters 132 beschreiben. Der Host-Computer verwendet die Daten, um die ausgeführten Programme zu aktualisieren. In der lokalen Regelschleife werden Aktorsignale von dem Mikroprozessor 110 an Aktor 18 geliefert und es werden Sensorsignale von dem Sensor 112 und anderen Eingabegeräten 118 an den Mikroprozessor 110 geliefert. Hierbei bezieht sich der Begriff "taktile Empfindungen" entweder auf eine Einzelkraft oder eine Abfolge von Kräften, die von dem Aktor 18 ausgegeben werden, der dem Benutzer eine Empfindung liefert. Beispielsweise werden Vibrationen, ein einzelner Ruck oder eine Texturempfindung alle als taktile Empfindungen betrachtet. Der Mikroprozessor 110 kann die aufgenommenen Sensorsignale bearbeiten, um geeignete Aktorausgabesignale zu bestimmen, indem gespeicherten..B,e.f.ehJ.eji gefolgt wird.
Der Mikroprozessor kann bei der lokalen Bestimmung der an das Benutzerobjekt auszugebenden Kräfte die Sensorsignale verwenden sowie aus den Sensorsignalen abgeleitete Positionsdaten an den Host-Computer berichten. 5
In noch anderen Ausführungsformen kann eine andere Art der lokalen Bestimmung bezüglich der Maus 12 vorgesehen sein, um eine Funktionalität ähnlich dem Mikroprozessor 110 zu liefern. Beispielsweise kann eine feste Logik einschließende Hardware-Zustandsmaschine verwendet werden, um dem Aktor 18 Signale zu liefern und Sensorsignale von den Sensoren 112 zu empfangen und um entsprechend einer vorgegebenen Abfolge, eines Algorithmus oder eines Prozesses taktile Signale auszugeben. Die Techniken zur Implementierung von Logik mit gewünschten Funktionen in ^Hardware sind für den Fachmann bekannt. Derartige Hardware kann für weniger komplexe Kraftrückkopplungsgeräte besser geeignet sein, wie für das Gerät der vorliegenden Erfindung.
In einer anderen Host-gesteuerten Ausführungsform kann der Host-Computer 14 über den Bus 20 niedrigrangige Kraftbefehle liefern, die über den Mikroprozessor 110 oder eine andere Schaltung direkt zu dem Aktor 18 übertragen werden. So steuert und verarbeitet der Host-Computer 14 direkt alle Signale zu und von der Maus 12, z.B. steuert der Host-Computer direkt von dem Aktor 18 ausgegebenen Kräfte und empfängt direkt Sensorsignale von dem Sensor 112 und den Eingabegeräten 118. Diese Ausführungsform kann wünschenswert sein, um die Kosten des Kraftrückkopplungsgeräts weiter zu reduzieren, da kein komplexer lokaler Mikroprozessor 110 oder eine andere Verarbeitungsschaltung in der Maus enthalten sein muss. Weiterhin kann die lokale Steuerung der Kräfte durch den Mikroprozessor 110 bei der vorliegen-
den Erfindung nicht notwendig sein, um die gewünschte Qualität der Kräfte bereitzustellen, da ein Aktor 18 mit Kräften verwendet wird, die nicht in den primär erfaßten Freiheitsgraden geliefert werden.
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In der einfachsten Host-gesteuerten Ausführungsform kann das Signal von dem Host an das Gerät ein einzelnes Bit sein, das angibt, ob der Aktor mit einer vorgegebenen Frequenz und Amplitude gepulst werden soll. In einer komplizierten Ausführungsform kann das Signal von dem Host eine Amplitude enthalten, die die Stärke der gewünschten Impulse angibt. In einer noch komplizierteren Ausführungsform kann ein lokaler Prozessor verwendet werden, um einen einfachen Befehl von dem Host zu empfangen, der angibt, ob über die Zeit ein gewünschter Kraftwert anzuwenden ist. Der Mikroprozessor gibt dann aufgrund des einen Befehls den Kraftwert für die spezifizierte Zeitspanne aus, wodurch die Kommunikationsbelastung reduziert wird, die zwischen dem Host und dem Gerät weitergegeben werden muss. In einer noch komplazierten Ausführungsform kann ein hochrangiger Befehl mit taktilen Empfindungsparametern an den lokalen Prozessor auf dem Gerät weitergegeben werden, der dann unabhängig von einem Hosteingriff die vollständige Empfindung verwendet. Eine derartige Ausführungsform ermöglicht die größtmögliche Verringerung der Kommunikationsbelastung. Schließlich kann eine Kombination zahlreicher der vorstehend beschriebenen Verfahren für ein einzelnes Mausgerät 12 verwendet werden.
Vorzugsweise ist ein lokaler Speicher 122, wie ein RAM und/oder ein ROM, mit dem Mikroprozessor 110 in der Maus verbunden, um Befehle für den Mikroprozessor 110 zu speichern und temporäre und andere Daten abzulegen. Beispielsweise können in dem Speicher 122 Kraftprofile gespeichert : ::.. ·::::: *..*: : · .· —. ; ; :
werden, wie eine Abfolge von gespeicherten Kraftwerten, die von dem Mikroprozessor ausgegeben werden können, oder eine Look-up-table von Kraftwerten, die in Abhängigkeit von der aktuellen Position des Benutzerobjektes ausgegeben werden. Zusätzlich kann ein lokaler Taktgeber 124 mit dem Mikroprozessor 110 verbunden werden, um ähnlich zu dem Systemtaktgeber 18 des Host-Computers 14 Zeitdaten zu liefern. Die Zeitdaten können beispielsweise erforderlich sein, um die von dem Aktor 18 ausgegebenen Kräfte zu berechnen (z.B. Kräfte, die von berechneten Geschwindigkeiten oder anderen zeitabhängigen Faktoren abhängen). In Ausführungsformen, die die USB-Übertragungsschnittstelle verwenden, können die Zeitdaten alternativ aus dem USB-Signal abgefragt werden.
Beispielsweise kann der Host-Computer 14 eine "räumliche Wiedergabe" an den lokalen Mikroprozessor 110 senden, wobei es sich um Daten handelt, die die Positionen einiger oder aller der in einer GUI oder einer anderen Grafikumgebung dargestellten Grafikobjekte und die Typen/Eigenschaften dieser Grafikobjekte beschreiben, denen Kräfte zugeordnet sind. Der Mikroprozessor kann eine derartige räumliche Wiedergabe in dem lokalen Speicher 122 speichern und ist so in der Lage, Wechselwirkungen zwischen dem Benutzerobjekt und den Grafikobjekten (wie der festen Oberfläche) unabhängig von dem Host-Computer zu bestimmen. Zusätzlich kann der Mikroprozessor mit den notwendigen Befehlen oder Daten versehen sein, um die Sensorauslesungen zu überprüfen, die Zeiger- und Zielpositionen zu bestimmen und die Ausgabekräfte unabhängig von dem Host-Computer 14 festzulegen. Der Host könnte Programmfunktionen (wie das Darstellen von Bildern) implementieren, wenn dies angemessen ist, und es können Synchronisationsbefehle zwischen dem Mikroprozessor und dem Host 14 übertragen werden, um den Mikroprozessor und : ::" *:::: ;"; · · : : : : :
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die Hostprozesse zueinander in Beziehung zu setzen. Auch kann der lokale Speicher vorgegebene Kraftempfindungen für den Mikroprozessor speichern, die bestimmten Typen von Grafikobjekten zugeordnet sind. Alternativ kann der Computer 14 Kraftrückkopplungssignale direkt an die Maus senden, um taktile Empfindungen zu erzeugen.
Die Sensoren 112 erfassen die Position oder die Bewegung der Maus (z.B. des Gehäuses 50) in deren ebenen Freiheitsgraden und liefern Signale an den Mikroprozessor 110 (oder den Host 14) einschließlich Informationen, welche die Position oder die Bewegung wiedergeben. Sensoren, die zur Erfassung der ebenen Bewegung der Maus geeignet sind, umfassen digitale optische Encoder, die mit einer rotierenden Kugel oder einem Zylinder reibgekgppelt sind, was für den Fachmann bekannt ist. Es können auch optische Sensorsysteme, lineare optische Geber, Potentiometer, optische Sensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungssensoren, Dehnungsmeßstreifen oder andere Typen von Sensoren verwendet werden und es können entweder relative oder absolute Sensoren vorgesehen sein. Es kann eine optische Sensorschnittstelle 114 verwendet werden, um die Sensorsignale in Signale umzuwandeln, die von dem Mikroprozessor 110 und/ oder dem Host-Computersystem 14 ausgewertet werden können, wie für den Fachmann bekannt ist.
Der Aktor 18 überträgt als Antwort auf von dem Mikroprozessor 110 und/oder dem Host-Computer 14 empfangene Signale Kräfte auf das Gehäuse 50 der Maus, wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde. Der Aktor 18 ist vorgesehen, um durch die Bewegung einer Trägheitsmasse Trägheitskräfte zu erzeugen. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Masse linear und#annäh#ernd rechtwinklig
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zu den ebenen Freiheitsgraden der Mausbewegung bewegt und der Aktor erzeugt so keine Kraft in den primären Freiheitsgraden der Mausbewegung. Statt dessen liefert der Aktor 18 "informative" oder "Effekf'-Kräfte, die der Bewegung keinen Widerstand leisten oder diese unterstützen. Die Sensoren 112 erfassen die Position/Bewegung der Maus 12 in ihren ebenen Freiheitsgraden und diese Erfassung wird durch die Kraftausgabe durch den Aktor 18 nicht wesentlich beeinflußt.
Der hier beschriebene Aktor hat die Fähigkeit, kurz dauernde Kraftempfindungen in Bezug auf die Trägheitsmasse auf den Griff der Maus auszuüben. Diese kurz dauernde Kraftempfindung wird hierbei als "Impuls" beschrieben. Idealerweise ist der Impuls im wesentlichen entlang einer Z-Achse rechtwinklig zu der X-Y-Ebene der Mausbewegung ausgerichtet. In zunehmend fortgeschritteneren Ausführungsformen kann die Amplitude des "Impulses" gesteuert werden. Die Erfassung des "Impulses" kann entweder mit positiver oder negativer Vorspannung gesteuert werden. Es kann eine "periodische Kraftempfindung" in Bezug auf die Trägheitsmasse auf den Mausgriff ausgeübt werden, wobei die periodische Empfindung eine Amplitude und eine Frequenz aufweisen kann, z.B. eine Sinuswelle. Die periodische Empfindung kann aus einer Sinuswelle, einer Rechteckwelle, einer Sägezahn-Aufwärtswelle, einer Sägezahn-Abwärtswelle und einer Dreieckskurve auswählbar sein. Zur Ermöglichung einer Amplitudenänderung über die Zeit kann auf das periodische Signal eine Hüllkurve angewendet werden und das resultierende Kraftsignal kann "impulswellengeformt" werden, wie in dem US-Patent 5,959,613 beschrieben ist. Es gibt zwei Wege, wie die periodischen Empfindungen von dem Host an das Gerät übertragen werden können. Die Wellenformen können von dem Host an das
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Gerät "gestreamt" werden, wie in dem US-Patent 5,959,613 beschrieben ist, oder die Wellenformen können durch hochrangige Befehle übertragen werden, die Parameter wie die Amplitude, die Frequenz und die Dauer enthalten, wie es in dem US-Patent 5,734,373 beschrieben ist.
Alternative Ausführungsformen können zusätzliche Aktoren einsetzen, um taktile Empfindungen oder Kräfte in den ebenen Freiheitsgraden der Maus 12 zu liefern. Beispielsweise kann die Maus mit einem sekundären Aktor verbessert werden. Aufgrund von Energiebeschränkungen kann dieses sekundäre Mittel passiv sein (d.h. es verbraucht Energie). Der passive Aktor kann eine Bremse sein, wie eine Bremse, die ein sehr niedrigenergetisches Substrat, wie ein magnet-reologisches Fluid einsetzt. Alternativ, kann er eine traditionellere Bremse sein. Das passive Bremsmittel kann durch eine Reibverbindung zwischen dem Mausgehäuse und der Tischoberfläche 22 eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Reibroller in der Bodenseite des Mausgehäuses in die Tisch-Oberfläche eingreifen. Der Roller kann sich frei drehen, wenn die Maus von dem Benutzer bewegt wird, so lange der Passive nicht eingreift. Wenn die Bremse eingreift, kann der Benutzer den passiven Widerstand gegenüber der Mausbewegung (in einem oder zwei Freiheitsgraden) fühlen. Der passive Widerstand kann zusätzliche Gefühlsempfindungen ermöglichen, die die vorstehend beschriebenen (beschrieben unter Bezugnahme auf Fig. 5) "Impuls"- und "Vibrations"-Empfindungen ergänzen.
Zwischen dem Aktor 18 und dem Mikroprozessor· 110 kann optional eine Aktorschnittstelle 116 gekoppelt sein, um Signale von dem Mikroprozessor 110 in Signale umzuwandeln, die zum Antrieb des Aktors 18 geeignet sind. Die Schnittstelle 38
07.0ft
kann Leistungsverstärker, Schalter, Digital-Analog-Controller (DACs), Analog-Digital-Controller (ACDs) und andere Bauteile enthalten, was für den Fachmann bekannt ist.
Andere Eingabegeräte 118 sind in der Maus 12 enthalten und senden Eingabesignale an den Mikroprozessor 110 oder den Host 14, wenn diese von dem Benutzer bedient werden. Derartige Eingabegeräte enthalten Schaltknöpfe 16 und können zusätzlich Schaltknöpfe, Wählscheiben, Schalter, Bildlaufrollen oder andere Steuerungen oder Mechanismen enthalten.
Optional kann in der Maus 12 eine Stromversorgung 120 enthalten sein, die mit der Aktorschnittstelle 116 und/oder dem Aktor 18 verbunden ist, um dem Aktor elektrische Energie zu liefern oder diese kann als_ separates Bauteil vorgesehen sein. Alternativ und eher vorzuziehen kann die Energie von einer von der Maus 12 getrennten Stromversorgung bezogen werden oder die Energie kann über einen USB- oder anderen Bus aufgenommen werden. Auch kann die aufgenommene Energie von der Maus 12 gespeichert und geregelt werden und so benutzt werden, wenn sie zum Antrieb des Aktors 18 benötigt oder in zusätzlicher Weise verwendet wird. Aufgrund der beschränkten Energielieferfähigkeiten einer USB kann in dem Mausgerät ein Energiespeichergerät erforderlich sein, um sicherzustellen, dass Spitzenkräfte impliziert werden können (wie in US-Patent 5,929,607 beschrieben). Beispielsweise kann die Energie zeitweise in einem Kondensator oder einer Batterie gespeichert und dann sofort verbraucht werden, um eine Ruck-Empfindung an die Maus zu liefern. Alternativ kann diese Technologie in einer kabellosen Maus eingesetzt werden, wobei Batterieenergie verwendet wird, um den taktilen Aktor anzutreiben. In einer Ausführungsform kann die Batterie durch einen elektrischen Generator in der
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Maus aufgeladen werden, wobei der Generator durch die Bewegungen des Mausgerätes durch den Benutzer angetrieben wird. Beispielsweise kann eine Mauskugel oder ein -zylinder einen Reibroller oder eine -welle drehen, die mit dem Generator verbunden ist und diesen auflädt.
Optional kann ein Sicherheitsschalter 132 enthalten sein, um es einem Benutzer zu ermöglichen, den Aktor 18 aus Sicherheitsgründen zu deaktivieren. Beispielsweise muss der Benutzer während des Betriebs der Maus 12 den Sicherheitsschalter 132 kontinuierlich aktivieren oder schließen, um den Aktor 18 freizugeben. Falls der Sicherheitsschalter zu irgend einer Zeit deaktiviert (geöffnet) wird, so wird die Energie an den Aktor 18 von der Stromversorgung 120 abgeschnitten (oder der Aktor wird in ^anderer Weise gesperrt)/ so lange der Sicherheitsschalter geöffnet ist. Ausführungsformen enthalten einen optischen Schalter, einen elektrostatischen Kontaktschalter, einen Schaltknopf oder einen Abzugshebel, einen Handgewichts-Sicherheitsschalter, etc.
Fig. 5 ist ein Schaubild des Anzeigeschirms 26 des Host-Computers 14, das eine grafische Benutzerschnittstelle zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, die ein Typ einer Grafikumgebung ist, mit der der Benutzer unter Verwendung des Gerätes gemäß der vorliegenden Erfindung interagieren kann. Die haptische Rückkopplungsmaus· gemäß der vorliegenden Erfindung kann taktile Empfindungen liefern, die die Interaktion mit der Grafikumgebung bezwingender und intuitiver machen. Der Benutzer steuert typischerweise einen Zeiger 146, um Grafikobjekte und Informationen in der grafischen Benutzerschnittstelle auszuwählen und zu beeinflussen. Der Zeiger wird entsprechend einem Positionssteuerungsparadigma bewegt, wobei die Position des Zeigers einer
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Position der Maus in ihrer ebenen Arbeitsfläche entspricht. Die Fenster 150 und 152 stellen Informationen aus Anwendungsprogrammen dar, die auf dem Host-Computer 14 laufen. Die Menüelemente 156 eines Menüs 154 können von dem Benutzer ausgewählt werden, nachdem eine Menü-Titelzeile oder ein Schaltknopf wie der Start-Schaltknopf 155 ausgewählt worden ist. Die Schaltflächen 156, 160 und 161 sowie die Web-Verknüpfungen 162 sind dargestellte Eigenschaften, die ebenfalls ausgewählt werden können. Diesen Grafikobjekten zugeordnete taktile Empfindungen können unter Verwendung des Aktors 18 aufgrund von durch den lokalen Mikroprozessor oder den Host-Computer ausgegebenen Signalen ausgegeben werden.
Eine für das hier beschriebene Mai^sgerät wünschenswerte grundlegende taktile Funktionalität ist eine "Impuls"-(oder Ruck-)-Empfindung, die ausgegeben wird, wenn der Zeiger (a) zwischen die Menüelemente 156 eines Menüs 154 bewegt wird, (b) auf eine Schaltfläche 156, einen Schaltknopf, einen Hyperlink 162 oder ein anderes Grafikziel bewegt wird, (c) über eine Grenze eines Fensters 150 oder 152 bewegt wird, (d) über anwendungsspezifische Elemente in einem Softwaretitel bewegt wird, wie Knoten in einem Flußdiagramm, die Punkte einer Zeichnung oder die Zellen einer Tabellenkalkulation. Die angemessene Empfindung für diese einfache Zeigerinteraktion ist ein schneller, abrupter "Impuls" oder "Pop". Dies kann durch die Applizierung einer festen, kurzen Kraft zwischen der Trägheitsmasse und dem Gehäuse des Mausgerätes erreicht werden, z.B. durch eine Bewegung der Trägheitsmasse in einer oder einer kleinen Anzahl von Oszillationen. Beispielsweise kann ein Impuls einen einzelnen Impuls oder eine Kraft enthalten, die schnell auf eine gewünschte Amplitude ansteigt und dann abgeschaltet wird oder
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schnell auf Null oder eine kleine Amplitude zurückgeht.
Auch kann eine Vibration ausgegeben werden, die eine Reihe von Impulsen enthält, die über eine bestimmte Zeitspanne mit einer bestimmten Frequenz appliziert werden. Die zeitlich variierende Kraft kann entsprechend einer Kraft-Zeit-Kennlinie ausgegeben werden, die wie eine Sinuswelle, eine Dreieckswelle, eine Sägezahnkurve oder eine andere Wellenform geformt ist. Die Vibration wird von der vor- und zurück oszillierenden Masse 64 verursacht.
In einigen Ausführungsformen kann die Empfindung einer "räumlichen Textur" ausgegeben werden, indem die Impulse und/oder Vibrationen mit der Bewegung des Zeigers über ein Grafikobjekt oder einen Bereich in. Bezug gesetzt werden.
Dieser Krafttyp kann von der Position der Maus in ihrer ebenen Arbeitsfläche (oder von der Position des Zeigers in der grafischen Benutzerschnittstelle) abhängen. Beispielsweise kann der Zeiger über ein grafisches Gitter gezogen werden und die Impulse können zu dem Gitterabstand in Bezug gesetzt werden. So werden Texturhuckel in Abhängigkeit davon ausgegeben, ob der Zeiger über die Stelle eines Huckels in einem Grafikobjekt bewegt wurde. Es wird keine Kraft ausgegeben, wenn die Maus zwischen "Erhebungen" der Textur positioniert ist und es wird eine Kraft ausgegeben, wenn die Maus über eine Erhebung bewegt wird. Dies kann durch eine Hoststeuerung (z.B. der Host sendet die Impulse, wennder Zeiger über das Gitter bewegt wird) oder durch eine lokale Steuerung (z.B. der Host sendet einen hochrangigen Befehl mit Texturparametern und die Empfindung wird direkt von dem Gerät gesteuert) erreicht werden. In anderen Fällen kann eine Textur vorgeführt werden, indem dem Benutzer eine Vibration dargeboten wird, wobei di,e. Vibr.at.ion von der ak-
tuellen Geschwindigkeit der Maus in ihrer ebenen Arbeitsfläche abhängt. Die Vibration wird deaktiviert, wenn die Maus feststeht. Wenn sich die Maus schneller bewegt, wird die Frequenz und die Amplitude der Vibration erhöht. Diese Empfindung könnte lokal von dem Geräteprozessor gesteuert werden oder durch den Host gesteuert werden. Eine lokale Steuerung durch das Gerät kann die Kommunikationsbelastung bei einigen Ausführungsformen beseitigen. Es können auch andere räumliche Kraftempfindungen ausgegeben werden. Zusätzlich kann jede der hier beschriebenen Kraftempfindungen von dem Aktor 18 gleichzeitig oder in anderer gewünschter Weise kombiniert ausgegeben werden.
Der Host-Computer 14 kann die taktilen Empfindungen mit Interaktionen oder Ereignissen koordinieren, die in der Hostanwendung auftreten. Den individuellen Menüelementen 156 in dem Menü können Kräfte zugeordnet werden. Bei einer Interaktion werden "Impuls"-Empfindungen appliziert, wenn der Zeiger über die Menüelemente 156 in dem Menü 154 der grafisehen Benutzerschnittstelle bewegt wird. Die Empfindungen für bestimmte Menüauswahlen können stärker sein als andere, um die Bedeutung oder die Benutzungsfrequenz anzuzeigen, d.h. der am meisten verwendeten Menüauswahl können Impulse mit einer größeren (stärkeren) Amplitude zugeordnet werden als den weniger benutzten Menüauswahlen. Auch können gesperrte Menüauswahlen einen schwächeren Impuls oder keinen Impuls aufweisen, um anzuzeigen, dass die Menüauswahl zur Zeit nicht freigegeben ist. Wenn geschachtelte Menüs vorgesehen sind, bei denen ein Untermenü dargestellt wird, nachdem ein bestimmtes Menüelement ausgewählt wurde, wie in Microsoft Windows™ können weiterhin Impulsempfindungen gesendet werden, wenn ein Untermenü dargestellt wird. Dies kann sehr nützlich sein, da Benutzer möglicherweise keine
Darstellung eines Üntermenüs erwarten, wenn ein Zeiger auf ein Menüelement bewegt wird.
Auch können Impulsempfindungen bei einer Interaktion zwisehen dem Zeiger 146 und einem Fenster ausgegeben werden. Beispielsweise kann ein Impuls ausgegeben werden, wenn der Zeiger über eine Grenze eines Fensters 150 oder 152 bewegt wird, um dem Benutzer die Position des Zeigers zu signalisieren. Wenn der Zeiger 14 6 innerhalb der Fenstergrenzen bewegt wird, so wird eine Texturkraftempfindung ausgegeben. Die Textur kann eine Folge von Erhebungen sein, die in einem vorgegebenen Muster innerhalb des Fensterbereiches räumlich angeordnet sind. Wenn sich der Zeiger über einen bestimmten Erhebungsbereich bewegt, wird eine Impulsempfindung ausgegeben, wenn sich der Zeiger über bestimmte Impulspunkte oder -linien bewegt. Es kann auch ein Impuls ausgegeben werden, wenn der Zeiger über ein auswählbares Objekt bewegt wird, wie eine Verknüpfung 154 in einer dargestellten Web-Seite oder eine Schaltfläche 156. Eine Vibration kann auch ausgegeben werden, um ein Grafikobjekt anzudeuten, über dem der,Zeiger derzeit positioniert ist. Weiterhin können auch Eigenschaften eines in dem Fenster 150 oder 152 dargestellten Dokuments Kraftempfindungen zugeordnet werden.
Bei einer anderen Interaktion wird eine Impulsempfindung appliziert, wenn der Zeiger über eine Schaltfläche 156, einen Ordner, einen Hyperlink 162 oder ein anderes Grafikziel bewegt wird. Die einigen Elementen zugeordneten Empfindungen können stärker sein als andere, um die Bedeutung anzuzeigen oder die verschiedenen Elemente einfach zu differenzieren. Beispielsweise können Schaltflächen stärkere Impulse zugeordnet werden als Ordnern, w#4hre.n4 Qrdnern stärkere • · · ···::: ·.. &igr; &igr; · ·
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Impulse zugeordnet werden als Werkzeugleistenelementen. Auch kann die Impulsstärke der dargestellten Größe der Grafikelemente zugeordnet werden, wobei einem großen Werkzeugleistenelement ein stärkerer Impuls zugeordnet wird, als einem kleinen Werkzeugleistenelement. Dies ist insbesondere auf Web-Seiten interessant, wobei kleinen Grafikzielen schwächere Impulse zugeordnet werden als großen Grafikzielen. Auch können sich auf Web-Seiten Kontrollkästchen und Hyperlinks aufgrund der Impulsstärke anders anfühlen-als Schaltknöpfe oder Grafikelemente. Die Impulsamplitude kann auch von anderen Eigenschaften der Grafikobjekte abhängen, wie beispielsweise einem aktiven Fenster im Gegensatz zu einem Hintergrundfenster, Aktenordnersymbole verschiedener durch den Benutzer bestimmter Prioritäten, Schaltflächen für Spiele im Gegensatz zu Schaltflächen für Geschäftsanwendungen, verschiedene Menüpunkte in einem Drop-Down-Menü, etc. Verfahren zur Hinzufügung von taktilen Empfindungen zu Web-Seiten sind in dem US-Patent 5,956,484 beschrieben.
Bei einer anderen Interaktion kann eine Impulsempfindung verwendet werden, wenn ein Dokument gerollt wird, um das Passieren von Seitenumbrüchen oder anderen Grenzen anzuzeigen, z.B. wenn ein bestimmter Bereich oder ein Merkmal einer gerollten Seite über einen bestimmten Fensterbereich gerollt wird. Bei diesbezüglichen taktilen Empfindungen kann eine Vibrationsempfindung verwendet werden, um die Bewegung anzuzeigen, wenn ein Dokument gerollt wird. Die Frequenz der Vibration kann verwendet werden, um die Rollge-.schwindigkeit anzuzeigen, wobei einem schnellen Rollen hochfrequentere Empfindungen als einem langsamen Rollen zugeordnet werden.
In ähnj.i,chjsn Rail,-Interaktionen -kenn· eijne, Vibration auf dem
Gerät dargestellt werden, um anzuzeigen, dass das Rollen erfolgt, wenn ein Abwärts-Pfeil auf dem Rollbalken gedrückt wird. Bei einer Verwendung eines Grafikschiebers und dem Erreichen des Anschlags der Schieberbewegung kann ein Impuls verwendet werden, um anzuzeigen, dass der Bewegungsanschlag erreicht wurde. Bei der Verwendung eines Schiebebalkens, der "Kontrollmarkierungen" aufweist, können Impulsempfindungen verwendet werden, um die Position der "Kontrollzeichen" anzuzeigen. Bei einigen Schiebebalken gibt es nur eine einzelne Kontrollmarkierung, um die Mitte des Schiebebalkens anzuzeigen. Es kann ein Impuls ausgegeben werden, um den Benutzer zu informieren, wenn die Mitte erreicht ist. Bei anderen Schiebebalken gibt es Kontrollzeichen verschiedener Größe (beispielsweise kann das mittige Kontrollzeichen wichtiger als die.^anderen) . In einer derartigen Ausführungsform können Impulse mit unterschiedlicher Stärke verwendet werden, wobei eine größere Stärke wichtigere Kontrollzeichen anzeigt. Beispielsweise wird ein Schieber mit Kontrollzeichen verwendet, wenn die Balance eines Audiolautsprechersystems eingestellt"wird. Durch die Bereitstellung von zugeordneten Impulsen kann der Benutzer mit der vorliegenden Erfindung die Kontrollzeichen spüren, besonders das mittige Kontrollzeichen, das die mittige Balance anzeigt. Auch können Impulse für Lautstärkesteuerungen vorgesehen werden. Bei anderen Beispielen kann die Stärke einer Vibration der Einstellung einer Lautstärkesteuerung zugeordnet werden, um die Amplitude anzuzeigen. Bei noch anderen Beispielen kann die Frequenz einer Vibration der Einstellung einer Lautstärkesteuerung zugeordnet werden, um die Amplitude anzuzeigen.
Bei anderen Interaktionen kann eine Vibrationsempfindung verwendet werden, um anzuzeigen, dass die Funktion aktiv
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ist, wenn ein Grafikobjekt wie eine Schaltfläche in einer grafischen Benutzerschnittstelle gezogen oder ein Element wie eine Linie gedehnt wird. In manchen Fällen führt ein Benutzer eine Funktion durch, wie das Ausschneiden und Einfügen eines Dokumentes und es gibt aufgrund von Verarbeitungsverzögerungen oder anderen Verzögerung, eine Verzögerung zwischen der die Funktion befehligenden Schaltknopfbetätigung und der Funktionsausführung. Eine Impulsempfindung kann verwendet werden, um anzuzeigen, dass die Funktion (das Ausschneiden und Einfügen) ausgeführt worden ist.
Taktile Empfindungen können auch bestimmten Ereignissen zugeordnet werden, über die der Benutzer Kontrolle haben kann oder auch nicht. Beispielsweise kann ein Impuls oder eine Vibration beim Eintreffen von E-Ma-H oder der Darstellung einer Verabredungserinnerung ausgegeben werden, um den Benutzer über das Ereignis zu benachrichtigen. Dies ist insbesondere für behinderte Benutzer (z.B. blinde oder gehörlose Benutzer) nützlich. Ein Impuls oder eine Vibration kann verwendet werden, wenn eine Fehlermeldung oder ein anderes Systemereignis in einer Dialogbox auf dem Host-Computer dargestellt wird, um die Aufmerksamkeit des Benutzers auf das Systemereignis zu ziehen. Wenn das Host-System "nachdenkt", was ein Warten des Benutzers erfordert, während eine Funktion ausgeführt oder aufgerufen wird (üblicherweise, wenn von dem Host ein Zeitgeber dargestellt wird), ist es oftmals überraschend, wenn die Funktion beendet ist. Falls der Benutzer ihre oder seine Augen von dem Bildschirm abwendet, kann sich er oder sie nicht gewahr werden, wenn die Funktion beendet ist. Eine Impulsempfindung kann gesendet werden, um anzuzeigen, dass das "Nachdenken" vorbei ist. Die taktilen Empfindungen können variiert werden, um verschiedene Typen von Ereignissen oder
verschiedene Ereignisse desselben Typs zu kennzeichnen. Beispielsweise können jeweils Vibrationen verschiedener Frequenzen verwendet werden, um verschiedene Ereignisse oder verschiedene Eigenschaften von Ereignissen zu differenzieren, wie insbesondere das Absenden von E-Mail durch den Benutzer, die Priorität eines Ereignisses oder die Initiierung oder Beendigung eines bestimmten Tasks (z.B. des Herunterladens eines Dokumentes oder von Daten über ein Netzwerk) .
Viele taktile Empfindungen können mit Interaktionen und Ereignissen koordiniert werden, die innerhalb bestimmter Typen von Anwendungen auftreten. Beispielsweise kann in einer Spieleanwendung eine große Vielfalt von periodischen Empfindungen verwendet werden, um vielfältige Spieleaktionen und -ereignisse zu verbessern, wie Motorvibrationen, Waffenabschuß, Zusammenstöße und Huckel, rauhe Straßen, Explosionen, etc. Diese Empfindungen können als Schaltknopfreflexe implementiert werden, wie es in dem US-Patent 5,691,891 beschrieben ist, das hier durch in Bezugnahme mit aufgenommen wird.
Bei einer Tabellenkalkulationsanwendung können Impulsempfindungen verwendet werden, um anzuzeigen, wenn der Zeiger von einem Element oder einer Zelle zur nächsten bewegt wird. Stärkere Impulse können verwendet werden, um anzuzeigen, wenn man auf eine bestimmte oder vorgegebene Zeile, Spalte oder Zelle stößt. Idealerweise kann der die Tabellenkalkulation fertigende Benutzer die Stärke der Empfindüngen als Teil des Tabellenkalkulations-Erstellungsprozesse.s definieren sowie die bestimmten Eigenschaften, denen bestimmte Impulsstärken zugeordnet sind.
In einer Textverarbeitung können Impulsempfindungen ausgegeben, um es dem Benutzer zu ermöglichen, die Grenzen zwischen Wörtern, die Leerzeichen zwischen Wörtern, die Leerzeichen zwischen Linien, Punkten, Hervorhebungen, fettgedrucktem Text oder anderen beachtenswerten Elementen zu fühlen. Bei der Einstellung des Tabulatorabstandes bei einer Textverarbeitung können Impulse verwendet werden, um die Einstellung der grafischen Tabulatormarkierungen anzuzeigen. Auf den Leerstellen können bei bestimmten Vielfachen stärkere Impulse verwendet werden. Beim Schreiben einer Kurzdarstellung in einer Textverarbeitung, bei der eine Hierarchie von Absätzen vorgegeben ist, können Impulse verwendet werden, wenn der Zeiger auf einer bestimmten Kurzfassungszeile einer vorgegebenen Hierarchie ist.
Bei einer Zeichnungsanwendung, die es dem Benutzer ermöglicht, Farbpixel unter Verwendung einer "Spraydosen"-Metapher niederzulegen, kann während des "Spray"-Prozesses eine Vibration ausgegeben werden, um die Spraydosen-Metapher für den Benutzer beeindruckender zu machen. Auch haben Zeichnungs- oder CAD-Programme viele anderen Eigenschäften, denen Impulse oder andere Empfindungen zugeordnet werden können, wie dargestellte (oder unsichtbare) Gitterlinien oder Punkte, Steuerpunkte von Zeichnungsobjekten, Umrißlinien oder Grenzlinien von Objekten, etc.
Auf Web-Seiten kann ein Impuls- oder Vibrationsgehalt verwendet werden, um die Benutzererfahrung zu verbessern, z.B. für Webobjekte wie Web-Seitenverküpfungen, Texteingabekästen, grafische Schaltflächen und Bilder. Verfahren zur Hinzufügung eines derartigen Inhaltes sind in dem US-Patent 5,956,484 beschrieben.
Es mag bestimmte Fälle geben, in denen der Benutzer wünschen mag, dass er in der Lage ist, die Impulsrückkopplung für ein bestimmtes Merkmal einzuschalten oder auszuschalten. Beim Hinzufügen eines Buchstabens zu einem Wort in einer Textverarbeitung ist es beispielsweise nützlich, in der Lage zu sein, die Buchstaben als Impulse zu fühlen, wenn der Zeiger entlang, einem Wort von Buchstabe zu Buchstabe bewegt wird. Diese Empfindung wird jedoch von dem Benutzer nicht immer gewünscht. Die Empfindung kann deshalb vorzugsweise durch einen Software-Wählschalter, wie ein Kontrollkästchen und/oder durch Hardware, wie das Niederdrücken eines Schaltknopfes auf der Maus, freigegeben oder gesperrt werden. In anderen Fällen oder Ausführungsformen kann ein Merkmal in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit freigegeben oder gesperrt werden, mit der diejlaus bewegt wird. Falls der Benutzer den Zeiger beispielsweise sehr schnell über die dargestellte Arbeitsfläche bewegt, so versucht der Benutzer wahrscheinlich nicht, ein Grafikobjekt auf dem Zeigerpfad auszuwählen. In diesem Fall könnten die Impulse eine Ablenkung sein, wenn sich der Zeiger über Schaltflächen oder über Fenstergrenzen bewegt. Es wäre deshalb vorteilhaft, wenn die Host-Software (oder die auf dem lokalen Mikroprozessor laufende Software/Firmware) die Impulse bei einer Bewegung an oder oberhalb einer Grenzwertgeschwindigkeit abschwächen oder beseitigen würde. Wenn der Benutzer den Zeiger langsam bewegt, so ist es umgekehrt wahrscheinlich, dass er oder sie versucht, ein Grafikziel auszuwählen oder zu belegen. In diesem Fall könnten die Impulse aktiv oder sogar mit einer größeren Amplitude betont sein.
Ein Softwareentwickler kann den Wunsch haben, einem Benutzer den Zugriff auf eine Softwarefunktion zu erlauben, indem der Zeiger über einem bestimmten Bereich des Bild-
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schirms positioniert wird, ohne dass es erforderlich ist, einen Schaltknopf auf der Maus zu drücken (was der typische Weg zur Ausführung einer Funktion ist und üblicherweise als "Klicken" bezeichnet wird). Derzeit ist es problematisch, eine "klickfreie" Ausführung zu ermöglichen, da der Benutzer beim Drücken des Schaltknopfs eine physische Bestätigung der Ausführung hat. Ein zu der erfindungsgemäßen haptischen Maus gesendeter Impuls kann als diese physische Bestätigung dienen, ohne dass der Benutzer einen Schaltknopf drücken muss. Beispielsweise kann der Benutzer einen Zeiger über einem Webseitenelement positionieren und es wird eine zugehörige Funktion ausgeführt und dem Benutzer durch einen haptischen Impuls angezeigt, sobald sich der Zeiger für eine vorgegebene Zeitspanne innerhalb des ge-, wünschten Gebietes befindet.
Falls zur Unterstützung des primären Aktors 18 ein zweiter Aktor, wie eine in Bezug auf Fig. 4 beschriebene Bremse mit geringer Energie, verwendet wird, kann der durch die Bremse bereitgestellte passive Widerstand zusätzliche Empfindungen erlauben, welche die vorstehend beschriebenen "Impuls"- und "Vibrations"-Empfindungen ergänzen. Beispielsweise kann die passive Widerstandskraft dem Benutzer eine Zugempfindung (Dämpfung) liefern, wenn ein Benutzer ein Symbol zieht. Je größer das zu ziehende Objekt (in dargestellter Größe oder anderen meßbaren Eigenschaften) ist, desto größer ist der applizierte Widerstand. Auch wenn ein Benutzer ein Bild dehnt, kann die passive Widerstandskraft eine Zugempfindung liefern. Je größer das zu ziehende Objekt ist, desto größer ist der applizierte Widerstand. Die Verwendung sowohl aktiver als auch passiver haptischer Rückkopplung kann synergistisch verwendet werden. Beispielsweise kann ein passiver Widerstand nützlich sein, um die Mausbewegung bei der Aus- : : :!* .* : : : : : : · · · : : : : :
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wahl von Menüpunkten zu verlangsamen, jedoch ist die Ausgabe einer aktiven Rückkopplung nützlichen, wenn sich die Maus in Ruhe befindet oder langsam bewegt, da eine passive Rückkopplung nur ausgegeben werden kann/ wenn die Maus von dem Benutzer bewegt wird. Eine Ausführungsform, die eine passive Bremse einsetzt, kann auch die Methode des "Desired Play" einsetzen, die in dem US-Patent 5,767,839 beschrieben ist, das hier durch Bezugnahme mit aufgenommen wird, um eine verbesserte Funktionalität zu erreichen.
Obwohl diese Erfindung in den Worten von verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist daran zu denken, dass dem Fachmann aus der Lektüre der Beschreibung und dem Studium der Zeichnungen Änderungen, Ab-Wandlungen und Äquivalente davon ersichtlich sind. Beispielsweise können viele verschiedene Typen von haptischen Empfindungen mit dem erfindungsgemäßen Aktor bereitgestellt werden und es können verschiedene Aktortypen verwendet werden. Weiterhin ist eine bestimmte Terminologie zum Zwecke der Klarheit der Beschreibung verwendet worden und nicht, um die vorliegende Erfindung einzuschränken. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die folgenden anhängenden Ansprüche Änderungen, Abwandlungen und Äquivalente umfassen, die in den wahren Erfindungsgedanken und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims (51)

1. Maus mit taktiler Rückkopplung, die mit einem Host- Computer verbunden ist, der ein Host-Anwendungsprogramm implementiert, wobei die Maus von einem Benutzer in einer ebenen Arbeitsfläche gehandhabt wird, wobei die Maus folgende Merkmale aufweist:
ein von dem Benutzer physisch berührtes und bewegtes Gehäuse,
ein mit dem Gehäuse der Maus verbundenes Sensorgerät, wobei das Sensorgerät die Bewegung der Maus in der ebenen Arbeitsfläche erfasst und Sensorsignale ausgibt, welche die Bewegung wiedergeben, und
einen mit dem Gehäuse der Maus verbundenen Aktor, wobei der Aktor betrieben wird, um eine Trägheitskraft in Bezug auf ein Trägheitsfundament auszugeben, wobei die Trägheitskraft annähernd entlang einer Achse rechtwinklig zu der ebenen Arbeitsfläche ausgegeben wird, wobei die Trägheitskraft durch das Oszillieren einer Trägheitsmasse annähernd entlang der Achse in Bezug auf das Gehäuse erzeugt wird, wobei die Trägheitskraft durch das Gehäuse auf den das Gehäuse berührenden Benutzer übertragen wird.
2. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei der Aktor ein linearer Aktor ist, der einen beweglichen Abschnitt aufweist, der sich in Bezug auf einen nicht beweglichen Abschnitt des Aktors linear bewegt, wobei der lineare Aktor die Trägheitsmasse bidirektional entlang einer linearen Achse bewegt, die im wesentlichen rechtwinklig zu der ebenen Arbeitsfläche ist.
3. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei der Aktor ein rotatorischer Aktor ist, der eine Welle dreht.
4. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 3, wobei der rotatorische Aktor die Trägheitsmasse annähernd linear bewegt, indem die Trägheitsmasse bidirektional um einen kleinen Bruchteil einer vollen Umdrehung der Welle gedreht wird.
5. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei die Trägheitskraft zu einer durch den Host-Computer dargestellten grafischen Wiedergabe in Bezug gesetzt wird, wobei die Position der Maus in der ebenen Arbeitsfläche einer Position eines in der grafischen Wiedergabe dargestellten Zeigers entspricht.
6. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei die Trägheitskraft ein Impuls ist, der mit der Interaktion eines benutzergesteuerten Zeigers mit einem Grafikobjekt in Bezug gesetzt wird, das durch den Host-Computer in einer grafischen Benutzerschnittstelle dargestellt wird.
7. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 6, wobei der Impuls mit einer Amplitude ausgegeben wird, die von einer Eigenschaft des Grafikobjektes abhängt, mit dem der Zeiger interagiert.
8. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 7, wobei die Eigenschaft des Grafikobjektes ein Typ des Grafikobjektes ist, wobei der Typ ein Symbol, ein Fenster und einen Menüpunkt umfasst.
9. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 7, wobei der Impuls ausgegeben wird, wenn sich der Zeiger zwischen Menüpunkte in einem dargestellten Grafikmenü bewegt.
10. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei die Kraft in einer Kraftempfindung enthalten ist, wobei die Kraftempfindung ein Impuls, eine Vibration und eine Texturkraft sein kann.
11. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, weiterhin enthaltend einen Mikroprozessor, der von dem Host-Computer getrennt ist und mit dem Sensor und dem Aktor verbunden ist, wobei der Mikroprozessor betrieben wird, um Rost-Befehle von dem Host-Computer zu empfangen und Kraftsignale zur Steuerung der Trägheitskraft an den Aktor auszugeben und betrieben wird, um Sensorsignale von den Sensoren zu empfangen, die Sensorsignale zu verarbeiten und Positionsdaten an den Host-Computer zu berichten, die aus den Sensorsignalen abgeleitet sind und die Bewegung der Maus angeben.
12. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei der Aktor die Kraft als Antwort auf einen Befehl ausgibt, der durch die Maus von dem Host-Computer empfangen wurde.
13. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei das Sensorgerät eine Kugel umfasst, die eine Oberfläche reibmäßig berührt, auf der die Maus von dem Benutzer bewegt wird.
14. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei das Sensorgerät einen optischen Sensor enthält, der eine Bewegung einer Oberfläche, auf der die Maus bewegt wird, relativ zu dem Gehäuse der Maus erfasst.
15. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei der Aktor innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
16. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 15, wobei zwischen einem Abschnitt tes von dem Benutzer berührten Gehäuses und der Bodenfläche, auf der die Maus bewegt wird, ein nachgiebiges Teil vorgesehen ist.
17. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 16, wobei das nachgiebige Teil eine flexible Unterlage enthält, die auf der Bodenfläche ruht, wobei die Maus auf der flexiblen Unterlage bewegt wird.
18. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 16, wobei das nachgiebige Teil ein flexibles Verbindungsteil enthält, das einen mit dem Aktor verbundenen Abschnitt des Gehäuses mit einem die Bodenfläche berührenden Abschnitt des Gehäuses verbindet.
19. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, wobei die Trägheitskraft eine periodische Kraftempfindung mit einer Frequenz ist.
20. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 19, wobei die periodische Kraftempfindung eine Amplitude aufweist, die von dem Host-Computer angegeben werden kann.
21. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 19, wobei die periodische Kraftempfindung als Sinuswellensteuersignal oder als Rechtecksteuersignal vorgegeben wird.
22. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 19, wobei eine Folge von auszugebenden Kraftwerten als periodische Trägheitskraft von dem Host-Computer an die Maus mit taktiler Rückkopplung gestreamed wird.
23. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend ein mit dem Aktor verbundenes Energiespeichergerät, wobei das Energiespeichergerät Energie speichert und die Energie dem Aktor liefert, wenn es angemessen ist, um Trägheitskräfte auszugeben.
24. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung, das mit einem Host-Computer verbunden ist, der eine Grafikumgebung implementiert, wobei das Schnittstellengerät von einem Benutzer physisch gehandhabt wird, wobei das Schnittstellengerät aufweist:
ein bewegliches Objekt, das von dem Benutze r physisch berührt und bewegt wird,
ein mit dem beweglichen Objekt des Schnittstellengerätes verbundenes Sensorgerät, wobei das Sensorgerät die Bewegung des beweglichen Objektes in einer ebenen Arbeitsfläche erfasst und Sensorsignale ausgibt, welche die Bewegung wiedergeben und
einen mit dem beweglichen Objekt des Schnittstellengerätes verbundenen Aktor, wobei der Aktor betrieben wird, um eine Trägheitskraft im wesentlichen entlang einem bestimmten Freiheitsgrad in Bezug auf ein Trägheitsfundament auszugeben, wobei die Trägheitskraft durch Oszillieren einer Trägheitsmasse annähernd linear in dem Freiheitsgrad in Bezug auf das Gehäuse erzeugt wird, wobei die Trägheitskraft durch das bewegliche Objekt auf den das bewegliche Objekt berührenden Benutzer übertragen wird und wobei die Trägheitskraft zu einer Interaktion eines benutzergesteuerten Grafikobjektes mit einem anderen irr der Grafikumgebung dargestellten Grafikobjekt in Bezug gesetzt wird.
25. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 24, wobei das bewegliche Objekt eine Maus ist und die Maus in einer ebenen Arbeitsfläche bewegt wird und wobei der Aktor mit dem Gehäuse der Maus verbunden ist.
26. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 25, wobei der Aktor die Trägheitsmasse bidirektional entlang einer linearen Achse bewegt, die im wesentlichen rechtwinklig zu der ebenen Arbeitsfläche ist.
27. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 26, wobei der lineare Aktor ein Schwingspulenaktor ist.
28. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 25, wobei das benutzergesteuerte Objekt ein Zeiger ist und wobei die Trägheitskraft ein Impuls ist, der mit der Interaktion des Zeigers mit dem anderen in der Grafikumgebung dargestellten Grafikobjekt in Beziehung steht.
29. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 28, wobei der Impuls ausgegeben wird, wenn sich der Zeiger in einem dargestellten Grafikmenü zwischen Menüpunkten bewegt.
30. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 24, wobei die Trägheitskraft in einer Kraftempfindung enthalten ist, wobei die Kraftempfindung ein Impuls, eine Vibration oder eine Texturkraft ist.
31. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 24, weiterhin umfassend einen von dem Host- Computer getrennten Mikroprozessor, der mit dem Sensor und dem Aktor verbunden ist, wobei der Mikroprozessor betrieben wird, um Host-Befehle von dem Host-Computer zu empfangen und Kraftsignale zur Steuerung der Trägheitskraft an den Aktor auszugeben und betrieben wird, um die Sensorsignale von den Sensoren zu empfangen, die Sensorsignale zu verarbeiten und Positionsdaten an den Host-Computer zu berichten, die aus den Sensorsignalen abgeleitet sind und die Bewegung des beweglichen Objektes angeben.
32. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 31, wobei das Sensorgerät einen optischen Sensor enthält, der relativ zu dem beweglichen Objekt die Bewegung einer Oberfläche erfasst, auf der das bewegliche Objekt bewegt wird.
33. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 26, wobei der Aktor innerhalb des Gehäuses der Maus angeordnet ist.
34. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 33, wobei das nachgiebige Teil zwischen einem von dem Benutzer berührten Abschnitt der Maus und einer Auflagefläche vorgesehen ist, über die die Maus bewegt wird.
35. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 34, wobei das nachgiebige Element eine flexible Unterlage enthält, die auf der Bodenfläche ruht, wobei die Maus auf der flexiblen Unterlage bewegt wird.
36. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 34, wobei das nachgiebige Element ein flexibles Verbindungsteil enthält, das einen mit dem Aktor verbundenen Abschnitt des Gehäuses und einen die Bodenfläche berührenden Abschnitt des Gehäuses verbindet.
37. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 26, wobei der Aktor ein linearer Aktor ist, der einen beweglichen Abschnitt aufweist, der sich in Bezug auf den nicht beweglichen Abschnitt des Aktors linear bewegt.
38. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 24, wobei der Aktor ein rotatorischer Aktor ist, der ein Drehmoment ausgibt, wobei das Drehmoment die Trägheitsmasse um einen Bruchteil einer vollständigen Umdrehung bewegt, um eine lineare Bewegung anzunähern.
39. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 26, wobei die Trägheitskraft eine periodische Kraftempfindung ist.
40. . Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 39, wobei die periodische Kraftempfindung mindestens eine Frequenz oder eine Amplitude aufweist, die von dem Host-Computer bestimmt werden kann.
41. Schnittstellengerät mit haptischer Rückkopplung gemäß Anspruch 39, wobei die periodische Kraftempfindung durch ein Sinuswellensteuersignal oder ein Rechteckwellensteuersignal bereitgestellt wird.
42. Maus mit taktiler Rückkopplung, die mit einem Host- Computer verbunden ist, der eine Grafikumgebung implementiert, wobei die Maus von einem Benutzer in einer ebenen Arbeitsfläche physisch gehandhabt wird, wobei die Maus aufweist:
ein Gehäuse, das von dem Benutzer physisch berührt und bewegt wird,
ein mit dem Gehäuse der Maus verbundenes Sensorgerät, wobei das Sensorgerät die Bewegung der Maus in der ebenen Arbeitsfläche erfasst und Sensorsignale ausgibt, welche die Bewegung wiedergeben, und
einen mit dem Gehäuse der Maus verbundenen Aktor, wobei der Aktor betrieben wird, um eine oszillierende Kraft auf das Gehäuse entlang einer Achse im wesentlichen rechtwinklig zu der ebenen Arbeitsfläche auszuüben, wobei die oszillierende Kraft in Bezug auf eine Trägheitsmasse ausgeübt wird, die als Trägheitsfundament wirkt, wobei die oszillierende Kraft über das Gehäuse auf den Benutzer übertragen wird, der das Gehäuse berührt.
43. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 42, wobei der Aktor ein linearer Aktor ist, der einen beweglichen Abschnitt aufweist, der sich in Bezug auf den nicht beweglichen Abschnitt linear bewegt, wobei der lineare Aktor die Trägheitsmasse bidirektional entlang einer linearen Achse bewegt, die im wesentlichen rechtwinklig zu der ebenen Arbeitsfläche ist.
44. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 42, wobei der Aktor ein rotatorischer Aktor ist, der eine Welle dreht, wobei der rotatorische Aktor die Trägheitsmasse annähernd linear bewegt, indem er die Trägheitsmasse bidirektional um einen kleinen Bruchteil einer vollen Umdrehung der Welle dreht.
45. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 42, wobei die Trägheitskraft ein Impuls ist, der mit der Interaktion eines benutzergesteuerten Zeigers mit einem in der Grafikumgebung dargestellten Grafikobjekt in Beziehung steht.
46. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 45, wobei der Impuls mit einer Amplitude ausgegeben wird, die von einer Eigenschaft des Grafikobjektes abhängt, mit dem der Zeiger interagiert.
47. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 42, wobei die Kraft in einer Kraftempfindung enthalten ist, wobei die Kraftempfindung ein Impuls, eine Vibration oder eine Texturkraft ist.
48. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 42, weiterhin umfassend einen von dem Host-Computer getrennten Mikroprozessor, der mit dem Sensor und dem Aktor verbunden ist, wobei der Mikroprozessor betrieben wird, um Host-Befehle von dem Host-Computer zu empfangen und Kraftsignale zur Steuerung der Trägheitskraft an den Aktor auszugeben und betrieben wird, um die Sensorsignale von den Sensoren zu empfangen, die Sensorsignale zu verarbeiten und Positionsdaten an den Host-Computer zu berichten, die aus den Sensorsignalen abgeleitet werden und die Bewegung der Maus angeben.
49. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 42, wobei der Aktor innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
50. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 49, wobei zwischen einem durch den Benutzer berührten Abschnitt des Gehäuses und einem Bodenabschnitt, über den die Maus bewegt wird, ein nachgiebiges Teil vorgesehen ist.
51. Maus mit taktiler Rückkopplung gemäß Anspruch 42, wobei eine Folge von Kräften, die als periodische Trägheitskraft ausgegeben sind, von dem Host-Computer zu der Maus mit taktiler Rückkopplung gestreamed wird.
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