DE202004020994U1

DE202004020994U1 - Vorrichtung für eine haptische Rückkopplung mit niedriger Leistung

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Publication number: DE202004020994U1
Application number: DE202004020994U
Authority: DE
Original assignee: Immersion Corp
Current assignee: Immersion Corp
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2014-06-02

Abstract

Vorrichtung, umfassend:
– eine Oberfläche mit
– einem ersten Profil, das eine erste Vielzahl von Oberflächenmerkmalen umfasst, wobei die erste Vielzahl von Oberflächenmerkmalen konfiguriert ist, um ein erstes haptisches Profil bereitzustellen; und
– einem zweiten Profil, das zu dem ersten Profil im Wesentlichen parallel ist und eine zweite Vielzahl von Oberflächenmerkmalen umfasst, wobei die zweite Vielzahl von Oberflächenmerkmalen konfiguriert ist, um ein zweites haptisches Profil bereitzustellen; und
– eine Abtasteinrichtung, die konfiguriert ist, um dem ersten Profil und dem zweiten Profil zu folgen; und
– ein Stellglied, das mit der Abtasteinrichtung verbunden und operabel ist, um die Abtasteinrichtung zwischen dem ersten Profil und dem zweiten Profil zu bewegen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine haptische Rückkopplung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf kinästhetische Kraftrückkopplungs-Vorrichtungen mit niedriger Leistung.
HINTERGRUND
Viele herkömmliche Knöpfe, Schieber, Nummernschalter und andere Steuerungen bieten dem Benutzer eine fühlbare oder haptische Rückkopplung. Die Rückkopplung kann dem Benutzer über mechanische Elemente, wie z.B. Arretierungen, bereitgestellt werden, die in die Vorrichtung eingearbeitet sind. Die Rückkopplung, die von Vorrichtungen bereitgestellt wird, die primär oder ausschließlich auf mechanischen Elementen beruhen, ist selten variabel und, falls variabel, nicht in Echtzeit steuerbar und somit nicht programmierbar.
Manche herkömmliche Steuerungen umfassen eine aktive oder Widerstands-Rückkopplung (auch als passive Rückkopplung bezeichnet), die in Echtzeit steuerbar ist, siehe z.B. das US-Patent Nr. 5,220,260. Der Zusatz einer steuerbaren haptischen Rückkopplung zu einer Vorrichtung erfordert normalerweise ein Stellglied, und das Stellglied erfordert eine Stromquelle. In Vorrichtungen, die für einen niedrigen Stromverbrauch entworfen sind, wie z.B. Mobiltelefone und andere handgeführte Vorrichtungen, kann der für die Versorgung des Stellglieds notwendige Strom schwierig zu liefern sein.
Somit besteht eine Nachfrage nach Systemen für die Bereitstellung einer steuerbaren haptischen Rückkopplung, während der Strombedarf minimiert wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Vorrichtungen für eine haptische Rückkopplung mit niedrigem Stromverbrauch bereit. In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung ein Manipulandum und einen Haptikeffekt-Generator, der mit dem Manipulandum verbunden ist. Der Haptikeffekt-Generator ist operabel, um ein erstes haptisches Profil, das mit einer ersten mechanischen Konfiguration assoziiert ist, und ein zweites haptisches Profil bereitzustellen, das mit einer zweiten mechanischen Konfiguration assoziiert ist. Die Vorrichtung kann ferner ein Stellglied umfassen, das mit dem Haptikeffekt-Generator verbunden und operabel ist, um den Haptikeffekt-Generator zwischen dem ersten haptischen Profil und dem zweiten haptischen Profil zu schalten.
Weitere Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, wobei:
1 ein schematisches Diagramm ist, das einen Drehknopf mit programmierbaren Arretierungsprofilen in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein schematisches Diagramm eines Widerstandsstellglieds mit programmierbarer Reibung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Flussdiagramm ist, das die Steuerung des Widerstandsstellglieds der 2 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 und 5 schematische Diagramme sind, die eine programmierbare Oberflächengriffigkeit in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
6 und 7 schematische Diagramme sind, die eine programmierbare Oberflächengriffigkeit in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; und
8 ein Flussdiagramm ist, das eine Steuerung des Betriebs eines Stellglieds, wie z.B. das in den 6 und 7 gezeigte Stellglied, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen eine Vorrichtung für eine haptische Rückkopplung mit niedriger Leistung sowie ein Computer-lesbares Medium hierzu.
Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Manipulandum, einen Haptikeffekt-Generator und ein Stellglied. Die Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass der Haptikeffekt-Generator mit dem Manipulandum verbunden ist. Das Manipulandum kann ein Drehknopf, ein Schieber, ein Druckkopf, ein Steuerknüppel oder ein anderes Manipulandum sein. Der Haptikeffekt-Generator kann operabel sein, um wenigstens zwei haptische Profile bereitzustellen – eines mit einer ersten mechanischen Konfiguration assoziiert und ein anderes mit einer zweiten mechanischen Konfiguration assoziiert. Die zwei haptischen Profile können auf eine beliebige geeignete Art und Weise konfiguriert sein. Zum Beispiel können sie unabhängig sein, oder sie können in einer oder mehreren Dateien, Datensätzen, Aufzeichnungen oder Übertragungen kombiniert sein.
Das Stellglied kann einen Magneten, einen Gleichstrommotor, eine Formgedächtnislegierung (SMA) oder ein anderes geeignetes Stellglied umfassen. Das Stellglied kann mit dem Haptikeffekt-Generator verbunden und operabel sein, um den Haptikeffekt-Generator zwischen dem ersten haptischen Profil und dem zweiten haptischen Profil zu schalten.
Der Haptikeffekt-Generator kann auf eine beliebige geeignete Art und Weise konfiguriert sein. Zum Beispiel umfasst ein Haptikeffekt-Generator eine Oberfläche. Die Oberfläche umfasst zwei Profile, die im Wesentlichen parallel zueinander sind. Jedes Profil umfasst eine Vielzahl von Oberflächenmerkmalen (z.B. Vertiefungen, Vorsprünge, Anschläge usw.), die ein haptisches Profil bestimmen. Der Haptikeffekt-Generator umfasst in einer solchen Ausführungsform ferner eine Abtasteinrichtung. Eine Abtasteinrichtung ist ein Element, das konfiguriert ist, um einer Oberfläche oder einem Oberflächenmerkmal zu folgen. In einer Ausführungsform kann die Abtasteinrichtung konfiguriert sein, um einem Profil zu folgen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Abtasteinrichtung konfiguriert sein, um einem Weg entlang einer Oberfläche oder Wegen auf mehreren Oberflächen zu folgen, der sich nicht in einem Profil befindet. Zum Beispiel kann eine Abtasteinrichtung konfiguriert sein, um der Oberfläche einer Nut zu folgen.
Ein Stellglied, das mit der Abtasteinrichtung verbunden ist, ist operabel, um die Abtasteinrichtung zwischen den Profilen (oder den zwei Wegen) zu bewegen und dadurch das haptische Profil zu verändern. Die Oberfläche kann mehr als zwei Profile umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Haptikeffekt-Generator eine erste Oberfläche, die eine erste Vielzahl von Oberflächenmerkmalen umfasst, und eine zweite Oberfläche, die eine zweite Vielzahl von Oberflächenmerkmalen umfasst. Die zwei Oberflächen sind im Wesentlichen parallel zueinander und konfiguriert, um sich zusammen zu bewegen. Der Haptikeffekt-Generator umfasst ferner eine Abtasteinrichtung, um einer Oberfläche zu folgen, und ein Stellglied, um die Abtasteinrichtung von der ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche zu bewegen.
In einer Ausführungsform kann der Haptikeffekt-Generator konfiguriert sein, um einen Zylinder mit einer Vielzahl von Nuten und einen Hebel zu umfassen, der operabel ist, um in wenigstens eine der Vielzahl von Nuten einzugreifen. Die Vielzahl von Nuten kann die gleiche oder unterschiedliche mechanische Konfigurationen aufweisen. Der Hebel kann einen federbelasteten Hebel, einen federbelasteten Stift, eine Sperre und/oder eine andere geeignete Struktur umfassen. Als ein weiteres Beispiel kann der Haptikeffekt-Generator eine Bremse umfassen. Eine Einzelteil-Bremsbacke oder eine andere geeignete Bremse kann verwendet werden. Eine Schraube oder eine andere Struktur kann verwendet werden, um eine durch die Bremse ausgeübte Reibung zu variieren. Ein Gleichstrommotor oder eine andere Vorrichtung kann verwendet werden, um die Schraube oder eine andere derartige Struktur zu drehen oder zu bewegen.
Als ein weiteres Beispiel kann der Haptikeffekt-Generator so konfiguriert sein, dass er operabel sein kann, um eine Oberfläche des Manipulandums zu verändern. Ein Stift oder eine andere Struktur kann unter der Oberfläche des Manipulandums positioniert sein. Der Haptikeffekt-Generator kann einen Schieber umfassen, der operabel ist, um den Stift über die Oberfläche des Manipulandums zu projizieren.
Eine Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung, die ein Manipulandum umfasst, wie z.B. einen Knopf. Das Manipulandum umfasst eine Oberfläche, die in einem Abschnitt ein Loch abgrenzt. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Stift, der konfiguriert ist, um sich durch das Loch von einer ersten Position an oder unter der Oberfläche zu einer zweiten Position über der Oberfläche zu bewegen. Ein Stellglied, das mit dem Stift verbunden ist, bewegt den Stift von der ersten Position zu der zweiten Position.
Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können ferner andere Merkmale einschließen. Zum Beispiel kann eine Membran oder eine andere Struktur nahe der Oberfläche des Manipulandums platziert sein, so dass sie verhindern kann, dass Fremdstoffe den Arbeitsablauf des Haptikeffekt-Generators beeinträchtigen. Als ein weiteres Beispiel kann ein Prozessor mit dem Stellglied verbunden und operabel sein, um einen Schalter zwischen dem ersten der wenigstens zwei haptischen Profile und dem zweiten der wenigstens zwei haptischen Profile zu steuern.
Nachfolgend werden Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1–8 beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist auf die gegebenen Beispiele nicht beschränkt, aber die Beispiele werden gegeben, um Arten von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darzustellen.
Beispiele mit Bezug auf die Zeichnungen
Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugsziffern ähnliche Elemente durchgängig in den verschiedenen Figuren anzeigen, ist die 1 ein schematisches Diagramm, das einen Drehknopf mit programmierbaren Arretierungsprofilen in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Systeme zum Bereitstellen einer haptischen Rückkopplung an einen Benutzer bereit, die den Stromverbrauch minimiert. Die haptische Rückkopplung stellt fühlbare Empfindungen bereit, die von einer Bewegung abhängen, wie z.B. die Bewegung der Hand eines Benutzers oder eines Stellglieds. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Strom zum Bereitstellen des haptischen Effekts durch einen Benutzer bereitgestellt, der ein Manipulandum bewegt. Der Benutzer fühlt mehrere haptische Profile, die von mehreren stabilen mechanischen Konfigurationen oder einer Vorrichtung mit niedriger Leistung abhängen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hängen haptische Empfindungen von einem externen Vermittler ab, wie z.B. einem Computer oder allgemeiner einem Schaltkreis, der sich über Informationen bewusst ist, die für die Vorrichtung extern sind. Deswegen können derartige Ausführungsformen programmierbar sein. In anderen Ausführungsformen verwendet ein Benutzer einen Betriebsartenwähler, der das haptische Profil steuert, oder ein Hersteller führt eine Betriebsartenwahl vor dem Installieren der Vorrichtung durch.
Die in der 1 gezeigte Ausführungsform umfasst einen Drehknopf 102. Ein Benutzer kann den Drehknopf 102 drehen, um irgendeine Funktion auszuführen, wie z.B. Auswählen eines Liedes aus einer Abspielliste auf einem digitalen Musikabspielgerät. Der Drehknopf 102 ist mit einem Haptikeffekt-Generator verbunden, der einen Zylinder umfasst. Ein Haptikeffekt-Generator ist eine Vorrichtung, die in der Lage ist, entweder direkt oder indirekt einen haptischen Effekt an einem Manipulandum zu erzeugen. Der Zylinder umfasst vier Nuten 104a–d, die ausgeprägte mechanische (physikalische) Profile aufweisen, die den haptischen Effekt bestimmen, der an dem Drehknopf 102 erzeugt und von dem Benutzer gefühlt wird, der den Drehknopf 102 bedient.
Jede einzelne der vier Nuten 104a–d stellt ein unterschiedliches haptisches Profil bereit. Ein haptisches Profil umfasst einen vorbestimmten Satz, der einen oder mehrere haptische Empfindungen umfasst, wie z.B. Höcker, Arretierungen, Anschläge oder andere Empfindungen. Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform die erste Nut 104a glatt und liefert eine haptische Rückkopplung, die einem Potentiometer ähnlich ist. Die zweite Nut 104b schließt Arretierungen ein, die flach und eng verteilt sind, wobei sie eine haptische Rückkopplung liefert, die der ähnlich ist, die häufig durch herkömmliche Audio-Lautstärkeregler geliefert wird. Die dritte Nut 104c schließt eine Arretierung in der Drehmitte ein und ist ansonsten glatt, wobei sie eine haptische Rückkopplung liefert, die der ähnlich ist, die häufig durch herkömmliche Klang-, Abgleich- oder Blendregler eines Fahrzeug-Audiosystems geliefert wird. Die vierte Nut 104d schließt vier tiefe Arretierungen ein, die gleichmäßig zwischen zwei festen Anschlägen verteilt sind, wobei sie eine Rückkopplung liefert, die der ähnlich ist, die häufig für eine Lüftungssteuerung einer Fahrzeug-Klimaanlage geliefert wird.
In der gezeigten Ausführungsform hält ein Schieber 106 an einer Vierkantwelle 108 einen Hebel, der eine Blattfeder 110 umfasst, die von einer Kugel 112 begrenzt wird. Die Kugel 112 drückt auf eine der Nuten 104a–d. Der Druck der Kugel 112 auf die Nuten 104a–d liefert den haptischen Effekt. Wenn die Kugel 112 in einer Nut 104a–d ist, dann stellt der Mechanismus eine stabile mechanische Konfiguration bereit. Die mechanische Konfiguration verändert sich nicht, solange das Stellglied auf den Haptikeffekt-Generator wirkt. In einer weiteren Ausführungsform wird ein federbelasteter Stift an Stelle des Hebels verwendet.
In der Ausführungsform, die in der 1 gezeigt ist, bestimmt ein Stellglied die Position des Schiebers 106. Das Stellglied umfasst einen Magneten 114 mit vier Spulen 116a–d und einen Eisenkern 118. Der Eisenkern 118 ist mit dem Schieber 106 über eine Stange 120 verbunden. Die Aktivierung einer Spule 116a–d, die sich in der Nachbarschaft der gegenwärtigen Position des Kerns 118 befindet, verändert die Position des Schiebers 106 und bewegt folglich die Kugel 112 von einer ersten Nut 114a zu einer zweiten Nut 114b und verändert dadurch die an den Benutzer gelieferte haptische Rückkopplung. Die Spulen 116a–d sind mit einer Stromversorgung (nicht gezeigt) und einem Schalter (nicht gezeigt) verbunden. Dieser Schalter kann ein Prozessor sein oder mit einem Prozessor verbunden sein.
Obwohl die 1 eine Ausführungsform zum Bereitstellen von haptischen Effektprofilen an einen Drehknopf darstellt, könnte eine Vielfalt von ähnlichen Vorrichtungen nach diesem Prinzip arbeiten, die z.B. Schieber, Druckknöpfe und Steuerknüppel einschließt. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Betriebsartenwähler, ein Prozessor oder irgendein anderes Steuerungsmittel das Stellglied steuern. Ähnlich werden die Magnete und das Plunger-System, das verwendet wird, um zwischen den haptischen Profilen zu schalten, ausschließlich für erläuternde Zwecke verwendet. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnte ein beliebiges geeignetes mechanisches System mit einer endlichen Anzahl von stabilen Konfigurationen, die mit einem oder mehreren Stellgliedern gekoppelt sind, die in der Lage sind, das System in eine beliebige dieser stabilen Konfigurationen zu versetzen, gemäß den Erfordernissen von bestimmten Anwendungen verwendet werden. Verschiedene Arten von Stellgliedern können eingesetzt werden, die die hierin beschriebenen beispielhaften Stellglieder einschließen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Prozessor, der mit dem Stellglied verbunden und programmiert ist, um eine Rückkopplung basierend auf Parametern bereitzustellen, wie z.B. eine Benutzereingabe und von Sensoren gelieferte Umgebungsfaktoren. Prozessoren können zum Beispiel digitale logische Prozessoren umfassen, die in der Lage sind, eine Eingabe zu verarbeiten, Algorithmen auszuführen und eine Ausgabe zu erzeugen, wie sie für die Steuerung des Stellglieds als Reaktion auf die Eingabe erforderlich ist. Derartige Steuerungsgeräte können einen Mikroprozessor, einen Anwendungs-spezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) und Zustandsmaschinen umfassen. Derartige Prozessoren umfassen oder können mit Medien verbunden sein, z.B. Computerlesbare Medien, die Anweisungen derart speichern, dass, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, sie den Prozessor dazu veranlassen, die hierin beschriebenen Schritte auszuführen, wie sie von einem Prozessor ausgeführt oder unterstützt werden.
Ausführungsformen von Computer-lesbaren Medien umfassen eine elektronische, optische, magnetische oder andere Speicher- oder Übertragungs-Vorrichtung, die in der Lage ist, einen Prozessor, wie z.B. den Prozessor in einem Web-Server, mit Computer-lesbaren Anweisungen zu versorgen, sind aber nicht darauf beschränkt. Andere Beispiele von geeigneten Medien umfassen eine Floppy-Disk, CD-ROM, magnetische Disk, einen Speicherchip, ein ROM, RAM, ASIC, einen konfigurierten Prozessor, sämtliche optische Medien, sämtliche magnetische Bänder oder andere magnetische Medien oder ein beliebiges anderes Medium, von dem ein Computer-Prozessor lesen kann, sind aber nicht darauf beschränkt. Ferner können verschiedene andere Formen von Computer-lesbaren Medien Anweisungen an einen Computer übertragen oder führen, die einen Router, ein privates oder öffentliches Netzwerk oder eine andere Übertragungs-Vorrichtung oder -Kanal umfassen.
Die in der 1 gezeigte Ausführungsform verwendet ein magnetisches Stellglied. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen Gleichstrommotoren als Stellglieder ein. In anderen Ausführungsformen liefern Stellglieder die Stellbewegung, die Fasern aus Formgedächtnislegierungen (SMA) beinhalten, wie z.B. NiTi-Fasern. Derartige Stellglieder können in einem Einzelpulsbetrieb unter Verwendung eines einfachen Pulsbreiten-modulierten Signals bewegt werden. Verwendbare Stellglieder sind von vielen Quellen erhältlich, die Nanomuscle, Inc. of Antioch, California (www.nanomuscle.com) einschließen. Andere Stellgliedarten können ferner verwendet werden, wie z.B. Piezo- oder Polymer-Stellglieder. In einer Ausführungsform wird ein Stellglied verwendet, das mechanische Ratschen einsetzt, um den Haptikeffekt-Generator in dessen mehrere stabile Konfigurationen zu versetzen, die ferner als Ruhepositionen bezeichnet werden.
Die 2 ist eine Darstellung eines Widerstandsstellglieds in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Herkömmliche Vorrichtungen, wie z.B. elektromagnetische Pulverbremsen mit einer programmierbaren Reibung verbrauchen während eines normalen Betriebs Strom. In der Ausführungsform, die in der 2 gezeigt ist, verbraucht ein Widerstandsstellglied mit programmierbarer variierender Reibung Strom nur, wenn die Reibung verändert wird.
In der gezeigten Ausführungsform ist ein Drehknopf (nicht gezeigt) mit einer Welle (nicht gezeigt) verbunden. Die Welle ist in der Mitte 202 einer Einzelteil-Bremsbacke 204 positioniert, so dass sie der Drehung der Welle entgegenwirkt, wenn die Bremse betätigt wird. Ein Motor 206, wie z.B. ein Gleichstrommotor, dreht eine Spindel bzw. Schraube 208, um die Bremse 204 zu betätigen. Die Bremse besitzt zwei Enden 210, 212. Wenn der Motor 206 die Schraube 208 dreht, dann werden die zwei Enden 210, 212 entlang der Linie 214 zusammengezogen oder auseinander gedrückt. Wenn die zwei Enden 210, 212 zusammengezogen werden, dann spannt sich die Bremse 204 um die Welle (nicht gezeigt) herum, um eine Widerstandskraft zu liefern. Wenn die zwei Enden 210, 212 auseinander gedrückt werden, dann lässt die Widerstandskraft nach. Der Abstand der Schraube 208 ist derart, dass bei stromlosem Motor 206 die von der Bremse 204 ausgeübte Reibung annähernd konstant und stabil bleibt.
Das Reibungsniveau, das von der Bremse 204 ausgeübt wird, wird durch die Zyklen des Stroms bestimmt, der an dem Motor 206 angelegt wird. Sie kann in einer offenen Schleife genau bestimmt werden, indem der Vorteil der Hystereseeigenschaften der Reibung zu Nutze gemacht wird. Das Prinzip besteht darin, ein unterschiedliches Signalprofil in Abhängigkeit davon anzulegen, ob die Reibung erhöht oder verringert werden muss.
Das Anlegen von Pulsen an dem Motor 206 erzielt die Steuerung des Ausmaßes an Reibung, die auf das Manipulandum aufgebracht wird. Die Form des Pulses ist nicht wichtig, ausschließlich das Ausmaß ihrer Extrema ist wichtig. Es sei angenommen, dass ein positiver Puls die Schraube 208 anzieht. Um die Reibung um ein gegebenes Maß zu erhöhen, muss das Niveau des Pulses proportional höher als das vorherige Maximum sein. Um die Reibung zu verringern, muss ein negativer Puls, wenn er zuerst dem gegenwärtigen Reibungsniveau (um zurückzustellen) proportional angelegt wurde, von einem positiven Puls des gewünschten Ausmaßes gefolgt werden. Aufgrund der kleinen Massen und der involvierten kleinen Bewegungen kann die Zeitskala dieser Pulse Millisekunden betragen. Andere Steuerungen können auch eingesetzt werden.
In der Ausführungsform, die in der 2 gezeigt ist, bleibt das auf ein Steuergerät aufgebrachte Reibungsmaß zwischen den Steuerpulsen konstant. Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Drehknopf verwendet, um die Lautstärke und Frequenz für einen Radioempfänger zu wählen. Die Steuerung der Lautstärke erfordert keinen feinen Genauigkeitsgrad. Das Wählen einer Frequenz erfordert eine feinere Graduierung der Steuerung, um die gewünschte Genauigkeit zu erzielen. Wenn ein Benutzer eine Funktion wählt, wie z.B. den Steuerungsbetrieb der Lautstärke, dann wird ein Puls an das Stellglied gesendet, das in einer geringen Reibung resultiert, d.h. die Schraube wird gelockert oder zurückgestellt und liefert anschließend eine minimale Reibung. Der Benutzer ist in der Lage, den Nummerschalter schnell zu drehen und große Änderungen der Lautstärke vorzunehmen. Der Benutzer ist jedoch weniger in der Lage, Feineinstellungen der Lautstärke vorzunehmen. Wenn der Benutzer den Steuerungsbetrieb der Frequenz wählt, dann wird ein Puls an das Stellglied gesendet, das ein größeres Reibungsniveau verursacht, das auf die Welle des Drehknopfs aufgebracht werden muss. Durch das Aufbringen von Reibung verlangsamt die Bremse die Bewegung der Welle; ein derartiges Steuerprofil gestattet es einem Benutzer, viel einfacher eine Genauigkeit bei der Wahl einer Frequenz auszuüben.
Die 3 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung des in der 2 dargestellten Stellglieds in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In der gezeigten Ausführungsform stellt ein Drehknopf oder ein anderes Manipulandum einen Mechanismus zum Blättern durch eine Liste von Namen in einer Adressbuchanwendung oder in einer Musikwiedergabeliste eines digitalen Musikabspielgeräts bereit. Jedes Mal, wenn der Cursor ein Objekt in der Liste antrifft, wird das Stellglied gesteuert, um zu veranlassen, dass ein Benutzer einen fühlbareren Impuls spürt. In der gezeigten Ausführungsform wird Strom nur verbraucht, um die aufgebrachte Reibung zu erhöhen oder zu verringern.
Wenn der Benutzer den Drehknopf bewegt, so dass der Cursor ein Merkmal antrifft, das fühlbar dargestellt werden soll, wie z.B. eine Arretierung, dann erfasst der Schritt 308 das Ereignis entsprechend dem Cursor, der das Merkmal eingibt. Wenn dieses Ereignis erfasst wurde, dann wird in dem Schritt 310 das Reibungsniveau durch Senden eines Pulses an das Stellglied 206 erhöht. Wenn in dem Schritt 312 das Ereignis erfasst wird, dass das Merkmal verlassen wird, dann wird in dem Schritt 304 die Reibung durch Zurücksetzen der Vorrichtung mit einem negativen Puls, der ausreichend ist, um die Reibung unter das nominale Niveau zu verringern, und anschließend durch Zurückbringen der Reibung auf das nominale Niveau mit einem positiven Puls des gewünschten Ausmaßes verringert. Der Prozess fährt fort, während der Benutzer den Adressbuchbetrieb einsetzt. Auf diese Art und Weise ist der Benutzer in der Lage, schnell durch eine lange Liste von Namen und Adressen zu blättern, und ist ferner in der Lage, einen Cursor oder anderen Zeiger auf eine einzelne Eingabe in einer Adressbuchliste genau zu platzieren.
Die 4 und 5 sind schematische Diagramme, die eine programmierbare Oberflächengriffigkeit in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Eine derartige Ausführungsform ist in der Lage, eine programmierbare Oberflächengriffigkeit in verschiedenen Manipulanda bereitzustellen, die zum Beispiel einen Druckkopf oder eine andere Vorrichtung einschließen, die entworfen ist, um mit der Haut eines Benutzers während dem Betrieb in Kontakt zu kommen.
Der Knopf 602 umfasst eine Oberfläche 604. Die Oberfläche 604 besitzt eine Anordnung von Löchern, die an eine Vielzahl von Zähnen eines Elements 614 angepasst sind, das zwei stabile Konfigurationen aufweisen kann, eine, in der die Zähne herausragen, wie in der 4, und die andere, in der die Zähne versenkt sind, wie in der 5. Die Schaltung von einer Konfiguration in die andere wird durch die Aktivierung einer der Magnetspulen 606 oder 608 ausgeführt, die auf den Eisenkern 610 wirken. Eine elastische Membran 612 wird verwendet, um das Element 614 in einer der zwei stabilen Konfigurationen zu halten.
Die 6 und 7 sind schematische Diagramme, die eine programmierbare Oberflächengriffigkeit in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. In der gezeigten Ausführungsform besitzt ein Knopf 402 eine Oberfläche 404. Die Oberfläche 404 des Knopfes 402 besitzt eine Anordnung von Löchern, die das Loch 406 einschließt. Unter der Knopfoberfläche 404 befindet sich ein Element 410, das eine Vielzahl von Stiften einschließt, die den Löchern in der Oberfläche 404 entsprechen. Ein Schieber 412, der durch einen Magneten 414 betätigt wird, besitzt zwei stabile Positionen. Die linke Position, die in der 4 dargestellt ist, gestattet es der Anordnung von Stiften, sich mit der Oberfläche des Knopfes 402 frei zu bewegen. Die Knopfoberfläche 404 fühlt sich glatt an, wenn der Knopf 402 heruntergedrückt wird. Wenn der Schieber 412 in der Position ist, die durch die 5 dargestellt ist, dann fühlt sich die Knopfoberfläche 404 rau an, weil sich die Vorsprünge über die Oberfläche hinaus erstrecken. In einer weiteren Ausführungsform verschiebt ein Stellglied die Anordnung von Stiften hinsichtlich der Oberfläche seitwärts, anstatt zur Haut vorzudringen. Das kann leicht ausgeführt werden, indem selektiv in eine oder mehrere Nuten eingegriffen wird, wie in dem Knopfbeispiel oben.
In einer Ausführungsform, die Löcher in der Oberfläche eines Manipulandums verwendet, ist eine Membran (nicht gezeigt) über den Stiften positioniert. Die Membran gestattet einem Benutzer, die Stifte zu fühlen, und verhindert, dass Schmutz, Staub oder anderes Fremdmaterial in den Mechanismus eintritt und die Bewegung der Stifte beeinträchtigt.
Die 8 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung des Betriebs eines Stellglieds, das in den 6 und 7 gezeigt ist, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wenn eine Vorrichtung den Zustand ändert, dann wird dieser Zustand durch ein Signal an den programmierbaren Knopf gesendet. Wenn zum Beispiel ein Prozessor über ein Sensor-Signal bestimmt, dass eine Vorrichtung ausgeschaltet ist, dann sendet der Prozessor ein Signal an das Stellglied 414, um die Stifte 410 einzufahren. Wenn der Benutzer einen Finger auf die Membran über dem Knopf 402 setzt, wobei die Stifte 410 eingefahren sind, dann kann der Benutzer bestimmen, dass die Vorrichtung ausgeschaltet ist, ohne auf den Knopf oder irgendeinen anderen Zeiger zu sehen.
Wenn der Benutzer den Knopf 402 herunterdrückt und die Vorrichtung einschaltet, dann empfängt der Prozessor ein Signal für den Wechsel des Vorrichtungszustands, das anzeigt, dass die Vorrichtung nun eingeschaltet ist (508). Der Prozessor bestimmt, ob die Vorrichtung nun eingeschaltet oder ausgeschaltet ist, indem er einen mit dem Signal 510 assoziierten Datenwert bewertet. Zum Beispiel kann ein Wert von "1" anzeigen, dass die Vorrichtung eingeschaltet ist; ein Wert von "0" kann anzeigen, dass die Vorrichtung ausgeschaltet ist. Wenn die Vorrichtung nun ausgeschaltet ist, dann sendet der Prozessor ein Signal an das Stellglied 414, um die Stifte 410 auszufahren (512). Wenn die Vorrichtung nun eingeschaltet ist, dann sendet der Prozessor ein Signal an das Stellglied 414, um die Stifte 410 einzufahren (514). Der Prozess endet dann (516). Ausschließlich durch die Berührung des Knopfes 402 ist der Benutzer wiederum in der Lage, den Zustand irgendeines Systems oder einer Vorrichtung zu bestimmen, das von dem Knopf 402 gesteuert wird.
Zum Beispiel steuert in einer Ausführungsform ein Knopf mit einem Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung den hinteren Entfroster eines Fahrzeugs. Herkömmliche Knöpfe zum Steuern des hinteren Entfrosters eines Fahrzeugs umfassen häufig eine Anzeigelampe, die aufleuchtet, wenn der Entfroster eingeschaltet ist. Bei Entfrostern, die sich nach einer Zeitspanne abschalten, muss der Benutzer auf die Anzeigelampe sehen, um zu bestimmen, ob der Entfroster eingeschaltet ist oder nicht. Ein Knopf gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet dem Benutzer zu bestimmen, ob der hintere Entfroster eingeschaltet ist oder nicht, indem er einfach den Steuerknopf berührt. Wenn der Entfroster eingeschaltet ist, dann sind die Stifte ausgefahren und der Benutzer ist in der Lage, die Stifte durch die Oberflächenmembran des Schalters zu fühlen.
Die in den 4, 5, 6 und 7 gezeigte Ausführungsform ist lediglich beispielhaft dafür, wie Oberflächen durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verändert werden können. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch zahlreiche andere Oberflächenveränderungen bereitstellen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft in Anwendungen implementiert werden, in denen ein niedriger Stromverbrauch entscheidend ist, wie z.B. in einer Fernsteuerung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestattet ein Drehknopf in einer Fernsteuerung dem Benutzer, mehrere Funktionen zu steuern, wie z.B. Lautstärke, Schnell-Vorwärts/Rückwärts (Shuttle) und eine Bildsteuerung (Vorrücken) mit Frame-für-Frame. Wenn der Benutzer den Steuerbetrieb für die Lautstärke wählt, dann greift das Stellglied in ein Profil ein, das es dem Drehknopf gestattet, sich frei zwischen zwei Anschlägen zu bewegen, einem Minimum und einem Maximum. Wenn der Benutzer den Steuerbetrieb für das Vorrücken wählt, dann greift das Stellglied in ein Profil ein, das es dem Drehknopf gestattet, sich um 360 Grad durch eine Reihe von gleich weit entfernten Arretierungen zu bewegen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Kippschalter, der mit einem steuerbaren Profilelement verbunden ist, der ferner mit einem Stellglied verbunden ist. Der Kippschalter ist in der Lage, sich in einer Ebene zwischen zwei Anschlägen zu bewegen. In einem ersten Profil ist der Kippschalter in der Lage, sich über dessen Bewegungsbereich ohne Arretierungen zu bewegen. In einem zweiten Profil umfasst der Kippschalter eine Arretierung an oder nahe einem Ende von dessen Bewegungsbereich und an oder nahe dem zweiten Ende von dessen Bewegungsbereich, wobei er wie ein herkömmlicher Zweiwege-Lichtschalter arbeitet. In einem dritten Profil umfasst der Kippschalter eine dritte Arretierung bei annähernd dem Mittelpunkt von dessen Bewegungsbereich. In einer derartigen Ausführungsform umfasst der Mittelpunkt eine neutrale Position.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können vorprogrammiert sein. Zum Beispiel umfasst in einer Ausführungsform ein Drehknopf gemäß der vorliegenden Erfindung drei programmierbare Profile. Der Hersteller des Drehknopfs liefert eine Bestellmenge dieser Drehknöpfe an einen Fahrzeughersteller. Der Fahrzeughersteller verwendet die gleiche Drehknopfart, um viele verschiedene Funktionen auszuführen, die ausgeprägte Profile für jede oder zwischen vielen dieser ausgeprägten Funktionen erfordern. Der Hersteller ist in der Lage, den Drehknopf zu programmieren, um ein spezifisches Profil nach der Installation des Drehknopfs durch das Anlegen von Strom an das Stellglied bereitzustellen. Der Drehknopf hält dieses Profil, solange nicht oder bis das Profil später gewechselt wird. In der Zwischenzeit erfordert die Vorrichtung keinen Strom, um den gewünschten haptischen Effekt zu vermitteln.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können alleine oder in Verbindung mit anderen haptischen Rückkopplungs-Vorrichtungen mit geringem Stromverbrauch, herkömmlichen mechanischen Vorrichtungen und aktiven und passiven Widerstands-Vorrichtungen mit haptischer Rückkopplung verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Drehknopf mit verschiedenen Arretierungseffekten mit geringem Stromverbrauch ferner mit einem Schwingungs-fühlbaren Stellglied verbunden sein, zum Beispiel ein exzentrisches Rotationsmassen-(ERM)-Stellglied, das dem Drehknopf unter bestimmten Bedingungen eine Schwingung verleiht.
Die vorangehende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung ist ausschließlich für den Zweck der Erläuterung und der Beschreibung dargelegt worden und soll nicht abschließend sein oder die Erfindung auf die offenbarten genauen Formen beschränken. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen davon werden einem Fachmann ersichtlich sein, ohne von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung, umfassend: – eine Oberfläche mit – einem ersten Profil, das eine erste Vielzahl von Oberflächenmerkmalen umfasst, wobei die erste Vielzahl von Oberflächenmerkmalen konfiguriert ist, um ein erstes haptisches Profil bereitzustellen; und – einem zweiten Profil, das zu dem ersten Profil im Wesentlichen parallel ist und eine zweite Vielzahl von Oberflächenmerkmalen umfasst, wobei die zweite Vielzahl von Oberflächenmerkmalen konfiguriert ist, um ein zweites haptisches Profil bereitzustellen; und – eine Abtasteinrichtung, die konfiguriert ist, um dem ersten Profil und dem zweiten Profil zu folgen; und – ein Stellglied, das mit der Abtasteinrichtung verbunden und operabel ist, um die Abtasteinrichtung zwischen dem ersten Profil und dem zweiten Profil zu bewegen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Oberfläche die Oberfläche eines Zylinders umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das erste Profil eine erste Nut umfasst und das zweite Profil eine zweite Nut umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens eines aus der ersten Vielzahl von Oberflächenmerkmalen einen Vorsprung umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens eines aus der ersten Vielzahl von Oberflächenmerkmalen einen Anschlag umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens eines aus der ersten Vielzahl von Oberflächenmerkmalen eine Vertiefung umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Abtasteinrichtung einen Stift, eine Sperre und einen Hebel umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Stellglied einen Magnetmotor oder einen Gleichstrommotor umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner ein mit der Oberfläche verbundenes Manipulandum umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das Manipulandum einen Drehknopf, einen Schieber, einen Druckknopf und einen Steuerknüppel umfasst.
Vorrichtung, umfassend: – eine erste Oberfläche, die eine erste Vielzahl von Oberflächenmerkmalen umfasst, wobei die erste Vielzahl von Oberflächenmerkmalen konfiguriert ist, um ein erstes haptisches Profil bereitzustellen; und – eine zweite Oberfläche, die zu dem ersten Profil im Wesentlichen parallel ist und konfiguriert ist, um sich mit der ersten Oberfläche zu bewegen, wobei die zweite Oberfläche eine zweite Vielzahl von Oberflächenmerkmalen umfasst und wobei die zweite Vielzahl von Oberflächenmerkmalen konfiguriert ist, um ein zweites haptisches Profil bereitzustellen; und – eine Abtasteinrichtung, die konfiguriert ist, um der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche zu folgen; und – ein Stellglied, das mit der Abtasteinrichtung verbunden und operabel ist, um die Abtasteinrichtung zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche zu bewegen.
Vorrichtung, umfassend: – ein Manipulandum, das eine Manipulandumoberfläche umfasst, wobei ein Abschnitt der Manipulandumoberfläche ein Loch bestimmt; – einen Stift, der konfiguriert ist, um sich durch das Loch von einer ersten Position an oder unter der Oberfläche zu einer zweiten Position über der Oberfläche zu bewegen; und – ein Stellglied, das mit dem Stift verbunden und operabel ist, um den Stift zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu bewegen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, die ferner eine an dem Stift befestigte Feder umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Manipulandumoberfläche eine Vielzahl von Löchern bestimmt und eine Vielzahl von Stiften vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Manipulandum einen Knopf umfasst.
Vorrichtung, umfassend: – einen Haptikeffekt-Generator, der operabel ist, um ein erstes haptisches Profil, das mit einer ersten mechanischen Konfiguration assoziiert ist, und ein zweites haptisches Profil bereitzustellen, das mit einer zweiten mechanischen Konfiguration assoziiert ist; und – ein Stellglied, das mit dem Haptikeffekt-Generator verbunden und operabel ist, um den Haptikeffekt-Generator zwischen dem ersten haptischen Profil und dem zweiten haptischen Profil zu schalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, die ferner ein Manipulandum umfasst, das mit dem Haptikeffekt-Generator verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei das Manipulandum einen Drehknopf, einen Schieber, einen Druckknopf und einen Steuerknüppel umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der Haptikeffekt-Generator Folgendes umfasst: – einen Zylinder, der wenigstens zwei Nuten umfasst, wobei jede der zwei Nuten unterschiedliche mechanische Konfigurationen aufweist; und – einen Hebel, der operabel ist, um in wenigstens eine der wenigstens zwei Nuten einzugreifen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei der Hebel einen federbelasteten Hebel umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei der Hebel einen federbelasteten Stift umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der Haptikeffekt-Generator eine Bremse umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 22, wobei die Bremse eine Einzelteil-Bremsbacke umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 22, die ferner eine Schraube umfasst, die operabel ist, um eine durch die Bremse ausgeübte Reibung zu variieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 24, wobei das Stellglied einen Gleichstrommotor umfasst, der operabel ist, um die Schraube zu drehen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der Haptikeffekt-Generator operabel ist, um eine Oberfläche des Manipulandums zu verändern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 26, wobei der Haptikeffekt-Generator einen Stift umfasst, der unter der Oberfläche des Manipulandums positioniert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 27, wobei der Haptikeffekt-Generator ferner einen Schieber umfasst, der operabel ist, um den Stift über die Oberfläche des Manipulandums zu projizieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 27, wobei das Stellglied einen Magneten umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 26, die ferner eine Membran nahe der Oberfläche des Manipulandums umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei das Stellglied einen Magneten, einen Gleichstrommotor oder eine Formgedächtnislegierung (SMA) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, die ferner einen Prozessor umfasst, der mit dem Stellglied verbunden und operabel ist, um einen Schalter zwischen dem ersten der wenigstens zwei haptischen Profile und dem zweiten der wenigstens zwei haptischen Profile zu steuern.
Computer-lesbares Medium, auf dem ein Prozessor-ausführbarer Programmcode kodiert ist, das Folgendes umfasst: – einen Programmcode zum Empfangen eines Eingangssignals, das mit einem Haptikeffekt-Schalter assoziiert ist; und – einen Programmcode zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das operabel ist, damit ein Stellglied veranlasst wird, einen Haptikeffekt-Generator von der Ausgabe eines ersten haptischen Effekts in die Ausgabe eines zweiten haptischen Effekts zu schalten, wobei der Haptikeffekt-Generator eine erste mechanische Konfiguration, die mit dem ersten haptischen Profil assoziiert ist, und eine zweite mechanische Konfiguration umfasst, die mit dem zweiten haptischen Profil assoziiert ist.