DE69627046T2

DE69627046T2 - Sichere und preisgünstige Rechner-Peripheriegeräte mit Kraftrückkoppelung für Konsumanwendungen

Info

Publication number: DE69627046T2
Application number: DE69627046T
Authority: DE
Inventors: Adam C Braun; Louis B Rosenberg; Bruce M Schena
Original assignee: Immersion Corp
Current assignee: Immersion Corp
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: EP0974889A1; WO1997012337A1; EP0852770B1; US20050195168A1; US20090033624A1; US7439951B2; US7038657B2; US20020126091A1; DE69607189D1; US6271833B1; CA2233206A1; DE69627046D1; EP0852770A1; US6348911B1; EP0852770A4; EP0974889B1; CA2233206C; US5929607A; US5907487A; DE69607189T2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Schnittstellenvorrichtungen zwischen Menschen und Computern und insbesondere Computer-Schnittstellenvorrichtungen, die eine Kraftrückkopplung für den Benutzer vorsehen.
Computersysteme werden in vielen verschiedenen Industrien in großem Umfang verwendet, um computergesteuerte Simulationen, Spiele und andere Anwendungsprogramme zu implementieren. Insbesondere sind diese Arten von Spielen und Simulationen auf dem Massenmarkt von Heimanwendern sehr beliebt. Ein Computersystem zeigt typischerweise einem Benutzer eine visuelle Umgebung auf einem Bildschirm oder einer anderen visuellen Ausgabevorrichtung an. Benutzer können mit der angezeigten Umgebung in Dialog treten, um ein Spiel zu spielen, eine Simulation oder eine Umgebung einer "virtuellen Realität" zu erleben, oder anderweitig auf dem Bildschirm abgebildete Ereignisse oder Bilder zu beeinflussen. Ein solcher Benutzerdialog kann durch die Verwendung einer Mensch-Computer-Schnittstellenvorrichtung, wie z. B. eines Steuerhebels, einer "Steuerpult"- Tastensteuereinheit, einer Maus, einer Rollkugel, eines Stifts und Tabletts, Fuß- oder Handpedalen oder dergleichen, die mit dem Computersystem verbunden ist, welches die angezeigte Umgebung steuert, implementiert werden. Der Computer aktualisiert das Spiel oder die Simulation als Reaktion auf die Benutzerbedienung eines bewegten Objekts, wie z. B. eines Steuerhebelgriffs oder einer Maus, und sieht für den Benutzer, der den Bildschirm und typischerweise Lautsprecher verwendet, eine Rückkopplung vor.
Bei einigen Schnittstellenvorrichtungen ist für den Benutzer auch eine taktile (z. B. Berührungs-) Rückkopplung vorgesehen, die allgemeiner als "Kraftrückkopplung" bekannt ist. Diese Arten von Schnittstellenvorrichtungen können für den Benutzer, der das physische Objekt der Schnittstellenvorrichtung bedient, physische Empfindungen vorsehen. Typischerweise sind Motoren oder andere Stellglieder mit dem Schnittstellenobjekt gekoppelt und sind mit dem Steuercomputersystem verbunden. Das Computersystem empfängt Sensorsignale von der Schnittstellenvorrichtung und sendet geeignete Kraftrückkopolungs-Steuersignale zu den Stellgliedern der Schnittstellenvorrichtung in Verbindung mit Simulations-/Spielereignissen. Die Stellglieder sehen dann Kräfte auf dem Schnittstellenobjekt vor. Das Computersystem kann somit physische Empfindungen in Verbindung mit einer anderen visuellen und akustischen Rückkopplung zum Benutzer übertragen, wenn der Benutzer das Objekt der Schnittstellenvorrichtung ergreift oder berührt. Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtungen können eine ganz neue Modalität für den Mensch-Computer-Dialog vorsehen.
Kraftrückkopplungs-Eingabe/Ausgabe-(E/A)-Vorrichtungen des Standes der Technik haben sich auf die Bereitstellung einer maximalen taktilen Wiedergabetreue konzentriert, d. h. es war erwünscht, dass der Realismus der taktilen Rückkopplung optimiert wird. Dies liegt daran, dass die meisten Kraftrückkopplungsvorrichtungen auf die speziellen Bedürfnisse von stark industriellen oder wissenschaftlichen Anwendungen und nicht auf einen Massenanwendermarkt ausgerichtet waren. Um einen solchen Realismus zu erreichen, wurden Entwurfserwägungen, die für den Massenmarkt nützlich sind, wie z. B. geringe Größe und geringes Gewicht, geringe Komplexität, Programmierkompatibilität, geringe Kosten, und Sicherheit, im Stand der Technik geopfert. Folglich umfassen typische Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtungen komplexe Robotermechanismen, die genaue, sperrige und teure Komponenten benötigen, welche für Anwendungen signifikante Leistungsanforderungen aufweisen und schwierig zu programmieren sind.
Außerdem verwenden die Kraftrückkopplungsvorrichtungen des Standes der Technik typischerweise einen Hauptrechner, um eine Steuerschleife um das System zu schließen, um Empfindungen zu erzeugen und die Sicherheit und Stabilität durch eine direkte Hauptrechnersteuerung aufrechtzuerhalten. Fig. 1 stellt ein Blockdiagramm eines Steuersystems 2 mit einer typischen von einem Hauptrechner gesteuerten Schleife dar. Ein vom Benutzer bedientes Objekt 3, wie z. B. ein Steuerhebel oder ein ähnliches Objekt, wird von einem Benutzer bewegt, um mit einem Hauptrechner 4 mit einer Anzeigevorrichtung 5 in Verbindung zu treten. Sensoren 6 erfassen die Position des Benutzerobjekts in vorgesehenen Freiheitsgraden und können auch Tasten oder andere Steuerungen aufweisen, die Benutzerhandlungen, wie z. B. das Drücken einer Taste, erfassen. Die Sensordaten, einschließlich Positions- und Tastendaten, werden über einen bidirektionalen Datenübertragungsbus 7, der typischerweise mit einer in den Hauptrechner eingesteckten Schnittstellenkarte verbunden ist, zum Hauptrechner 4 gesandt. Um die Steuerschleife zu schließen, sendet der Hauptrechner 4 Kraftbefehle über den Bus 7 zu den Stellgliedern 8, und die Stellglieder geben Kräfte auf dem Objekt 3 an den Benutzer aus. Die Funktionen des Lesens der Sensordaten und des Ausgebens von Kraftwerten zu den Stellgliedern. 7 kann für den Hauptrechnerprozessor eine Belastung darstellen, welche die Leistung des Hauptrechners bei anderen Hauptrechneraufgaben und der Anwendungsausführung beeinträchtigt.
Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtungen müssen für den Massenmarkt unbedingt kostengünstige Vorrichtungen sein, die einfach herzustellen sind, so dass die Vorrichtung auf den aggressiven Heimcomputer- und Heimvideospiel-Märkten mit hoher Absatzmenge im Preis wettbewerbsfähig ist.
US-A-3 978 392 offenbart eine allgemeine Leistungsschaltung zum Starten eines Kraftfahrzeugs, von Schweißmaschinen mit Betriebszyklen und Alarmlampen, -glocken und -hupen. In US-A-3978392 wird kein Vorschlag zum Liefern von Leistung zu einem Stellglied in einer Kraftrückkopplungs- Schnittstellenvorrichtung und auch nicht für die Probleme, die mit einer solchen Vorrichtung verbunden sind, gemacht. In EP-A-0626534 ist eine Kraftrückkopplungs- Eingabevorrichtung ohne irgendeine Verwendung einer Leistungsspeichervorrichtung offenbart. Eine Kraftrückkopplungs-Eingabevorrichtung ist eine typische, für die die zu erfindende Schaltung verwendet werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf Implementierungen einer Mensch/Computer- Schnittstellenvorrichtung zum Steuern und Vorsehen einer Kraftrückkopplung für einen Benutzer. Implementierungen werden bereitgestellt, um die Kosten bei der Herstellung einer Schnittstellenvorrichtung zu senken und um die Vorrichtung für den Verbrauchermarkt von Computer- und Videospielanwendern mit hoher Absatzmenge sicher zu machen.
Eine Schaltung der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, zum Speichern von Leistung in einer Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung, die einen Benutzer mit einem Hauptrechnersystem verbindet, umfasst einen Kondensator zum Speichern von Leistung, die durch ein in die Schaltung eingegebenes Signal geliefert wird. Eine Abtastvorrichtung, die mit dem Kondensator gekoppelt ist, stellt fest, wann der Kondensator voll aufgeladen ist, durch Überwachen des Eingangssignals, um festzustellen, wann der Kondensator voll aufgeladen ist. Eine Steuervorrichtung liefert ein Steuersignal zu einem Treiber und einem Stellglied, so dass das Stellglied eine Kraft auf ein Benutzerobjekt der Schnittstellenvorrichtung aufbringen kann. Die gespeicherte Leistung vom Kondensator wird zum Stellglied geliefert, wenn die Kraft aufgebracht wird. Ein Strombegrenzer begrenzt den Strom des Eingangssignals und liefert den begrenzten Strom zum Kondensator. Das Eingangsspannungssignal kann von einem Spielanschluss- Schnittstellenbus, der mit dem Hauptrechnersystem gekoppelt ist, oder von einer Leistungsversorgung, die in der Schnittstellenvorrichtung enthalten ist, empfangen werden.
Die Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst verschiedene kostengünstige Komponenten, die sich zur Bereitstellung einer genauen Kraftrückkopplung für den Heimanwendermarkt mit hoher Absatzmenge und ähnliche Märkte eignen. Die Verwendung der parallelen Kombination eines seriellen Busses und eines Spielanschlussbusses, die mit zwei Anschlüssen des Hauptrechnersystems gekoppelt sind, ermöglicht, dass ein Bus zum Senden von Signalen zum Hauptrechner und der andere Bus zum Empfangen von Kraftbefehlen vom Hauptrechner verwendet wird, was somit ein sehr kostengünstiges System mit einer realistischen Kraftrückkopplung bereitstellt. Der lokale Vorrichtungsmikroprozessor verarbeitet Befehle unabhängig vom Hauptrechner, was folglich eine bedeutende Verarbeitungszeit im Hauptrechner einspart. Andere kostengünstige Ausführungsbeispiele benötigen keine oder minimale Kraftbefehle vom Hauptrechner, was ermöglicht, dass eine einfache Kraftrückkopplung für die Benutzer vorgesehen wird. Die Leistungsschaltung der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass kleinere Leistungsversorgungen verwendet werden, oder beseitigt den Bedarf für eine Leistungsversorgung.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach lesen der folgenden Beschreibung der Erfindung und einer Studie der verschiedenen Figuren der Zeichnung für Fachleute ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems des Standes der Technik für eine Kraftrückkopplungs- Schnittstellenvorrichtung;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Steuersystems zum Steuern einer Kraftrückkopplungs- Schnittstellenvorrichtung von einem Hauptrechner;
Fig. 3 und 3a-b sind schematische Diagramme eines kostengünstigen Ausführungsbeispiels der Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung von Fig. 2;
Fig. 4a-4f sind Blockdiagramme von alternativen kostengünstigen "Rückstoß"-Ausführungsbeispielen der Schnittstellenvorrichtung von Fig. 2;
Fig. 5 und 5a-c sind schematische Diagramme eines alternativen kostengünstigen Ausführungsbeispiels der Schnittstellenvorrichtung von Fig. 2 ohne lokalen Mikroprozessor;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer Leistungsschaltung der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei einer Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung;
Fig. 7 ist sein Ablaufdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Steuern einer Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung darstellt;
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm eines Gestängemechanismus mit fünf Stangen zur Bereitstellung von mehreren Freiheitsgraden für das Benutzerobjekt der Schnittstellenvorrichtung;
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung für einen Berührungsplatten-Schutzschalter der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9a ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Steuerhebels mit dem Berührungsplatten-Schutzschalter von Fig. 9;
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung eines Handgewichts-Schutzschalters der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung eines Lösesteuerhebel-Sicherheitsmerkmals der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 11a-11d sind graphische Darstellungen der Funktion des Steuerhebels von Fig. 9.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein herstellerkompatibles Steuersystem 10 der vorliegenden Erfindung für eine Kraftrückkopplungs- Schnittstellenvorrichtung, die von einem Hauptrechnersystem gesteuert wird, darstellt. Das Steuersystem 10 umfasst ein Hauptrechnersystem 12 und eine Schnittstellenvorrichtung 14 (oder "Kraftrückkopplungs-Peripheriegerät").
Das Hauptrechnersystem 12 ("Hauptrechner") ist vorzugsweise ein Personalcomputer, wie z. B. ein IBM-kompatibler oder Macintosh-Personalcomputer, oder ein Arbeitsplatzrechner, wie z. B. ein SUN oder Silicon Graphics Arbeitsplatzrechner. Das Hauptrechnersystem kann beispielsweise ein Personalcomputer sein, der unter dem MS-DOS- oder Windows- Betriebssystem entsprechend einem IBM PC AT Standard arbeitet. Alternativ kann das Hauptrechnersystem 12 eines von einer Vielfalt von Heimvideospielsystemen sein, die gewöhnlich mit einem Fernsehgerät verbunden werden, wie z. B. Systeme, die von Nintendo, Sega oder Sony erhältlich sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Heimcomputersystem 12 ein anwendungsspezifischerer "Gerätesatz" oder "Internetcomputer" sein, die beispielsweise verwendet werden können, um für Benutzer interaktives Fernsehen oder Informationsfunktionen bereitzustellen.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel implementiert das Hauptrechnersystem 12 ein Hauptrechner-Anwendungsprogramm, mit dem ein Benutzer 22 über Peripheriegeräte und die Schnittstellenvorrichtung 14 in Dialog tritt. Das Hauptrechner-Anwendungsprogramm kann beispielsweise ein Videospiel, eine medizinische Simulation, ein wissenschaftliches Analyseprogramm oder sogar ein Betriebssystem oder ein anderes Anwendungsprogramm sein, das eine Kraftrückkopplung verwendet. Typischerweise liefert die Hauptrechneranwendung auf einer Anzeigeausgabevorrichtung anzuzeigende Bilder, wie nachstehend beschrieben, und/oder eine andere Rückkopplung, wie z. B. Tonsignale.
Das Hauptrechnersystem 12 umfasst vorzugsweise einen Hauptrechner-Mikroprozessor 16, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 17, einen Festwertspeicher (ROM) 19, eine Eingabe/Ausgabe (E/A)-Elektronik 21, einen Takt 18, einen Bildschirm 20 und eine Tonausgabevorrichtung 21. Der Hauptrechner-Mikroprozessor 16 kann eine Vielfalt von erhältlichen Mikroprozessoren von Intel, Motorola, Advanced Micro Devices oder anderen Herstellern umfassen. Der Mikroprozessor 16 kann ein einzelner Mikroprozessorchip sein oder kann mehrere Primär- und/oder Coprozessoren umfassen. Der Mikroprozessor ruft vorzugsweise Befehle und andere notwendige Daten aus dem RAM 17 und ROM 19 ab und speichert diese, wie es Fachleuten gut bekannt ist. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Hauptrechnersystem 12 Sensordaten oder ein Sensorsignal über einen Bus 24 von den Sensoren der Schnittstellenvorrichtung 14 und andere Informationen empfangen. Der Hauptrechner-Mikroprozessor 16 kann Daten auf dem Bus 24 unter Verwendung der E/A-Elektronik 21 empfangen oder übertragen und kann die E/A-Elektronik zur Steuerung von anderen Peripheriegeräten verwenden. Das Hauptrechnersystem 12 kann über den Bus 24 auch einen "Kraftbefehl" zur Schnittstellenvorrichtung 14 ausgeben, um durch die Schnittstellenvorrichtung eine Kraftrückkopplung zu veranlassen.
Der Takt 18 ist ein Standard-Taktkristall oder eine äquivalente Komponente, die vom Hauptrechnersystem 12 verwendet wird, um eine Zeitsteuerung für elektrische Signale, die vom Mikroprozessor 16 und anderen Komponenten des Computersystems verwendet werden, zu liefern. Auf den Takt 18 wird vom Hauptrechnersystem 12 in dem Steuerprozess der vorliegenden Erfindung wie anschließend beschrieben zugegriffen.
Der Bildschirm 20 ist mit dem Hauptrechner-Mikroprozessor 16 durch geeignete Anzeigetreiber gekoppelt und kann verwendet werden, um Bilder anzuzeigen, die vom Hauptrechnersystem 12 oder anderen Computersystemen erzeugt werden. Der Bildschirm 20 kann ein Standardbildschirm oder eine Kathodenstrahlröhre, eine 3-D-Brille oder irgendeine andere visuelle Schnittstelle sein. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel zeigt der Bildschirm 20 Bilder einer Simulations- oder Spielumgebung an. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Bilder angezeigt werden. Beispielsweise können Bilder angezeigt werden, die einen Blickpunkt von einer Perspektive einer ersten Person beschreiben, wie bei einer Simulation einer virtuellen Realität oder einem Spiel. Oder Bilder, die eine Perspektive einer dritten Person von Objekten, Hintergründen usw. beschreiben, können angezeigt werden. Ein Benutzer 22 des Hauptrechners 12 und der Schnittstellenvorrichtung 14 kann durch Betrachten des Bildschirms 20 eine visuelle Rückkopplung erhalten.
Hierin kann der Computer 12 als Computer-"Objekte" oder -"Subjekte" anzeigend bezeichnet werden. Diese Computerobjekte sind keine physischen Objekte, sondern sind logische Softwareeinheitssammlungen von Daten und/oder Prozeduren, die vom Computer 12 auf dem Bildschirm 20 als Bilder angezeigt werden können, wie es Fachleuten gut bekannt ist. Beispielsweise könnte ein Cursor oder ein Blick einer dritten Person auf ein Auto als vom Spieler gesteuerte Computerobjekte betrachtet werden, die über den Bildschirm bewegt werden können. Ein angezeigtes, simuliertes Cockpit eines Flugzeugs könnte ebenfalls als. "Objekt" betrachtet werden, oder das simulierte Flugzeug kann als computergesteuertes "Subjekt" betrachtet werden.
Die Tonausgabevorrichtung 21, wie z. B. Lautsprecher, ist vorzugsweise mit dem Hauptrechner-Mikroprozessor 16 über Verstärker, Filter und andere Schaltkreise, die Fachleuten gut bekannt sind, gekoppelt. Der Hauptrechner-Prozessor 16 gibt an die Lautsprecher 21 Signale aus, um eine Tonausgabe an den Benutzer 22 zu liefern, wenn während der Implementierung des Hauptrechner-Anwendungsprogramms ein "Tonereignis" auftritt. Andere Arten von Peripheriegeräten können auch mit dem Hauptrechner-Prozessor 16 gekoppelt sein, wie z. B. Speichervorrichtungen (Festplattenlaufwerk, CD-ROM-Laufwerk, Diskettenlaufwerk usw.), Drucker und andere Eingabe- und Ausgabevorrichtungen.
Eine Schnittstellenvorrichtung 14 ist mit dem Hauptrechnersystem 12 durch einen Schnittstellenbus 24 gekoppelt. Der Bus 24 sendet Signale in eine oder beide Richtungen zwischen dem Hauptrechnersystem 12 und der Schnittstellenvorrichtung. Hierin soll sich der Begriff "Bus" als Oberbegriff auf irgendeine Schnittstellen-, Anschluss- oder Datenübertragungsverbindung beziehen, wie z. B. zwischen dem Hauptrechner 12 und einem Peripheriegerät, wie z. B. der Schnittstellenvorrichtung 14, die typischerweise ein oder mehrere Anschlussdrähte, Leitungen, Kabel oder andere Verbindungen aufweist, und die auf verschiedene Arten implementiert werden kann. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bus 24 ein serieller Schnittstellenbus, der gemäß einem seriellen Übertragungsprotokoll Daten liefert. Ein Schnittstellenanschluss des Hauptrechnersystems 12, wie z. B. ein serieller RS-232-Schnittstellenanachluss, verbindet dei Bus 24 mit dem Hauptrechnersystem 12. Andere serielle Standard-Übertragungsprotokolle können ebenfalls für die serielle Schnittstelle und den Bus 24 verwendet werden, wie z. B. RS-422, ein universeller serieller Bus (USB), MIDI, systemspezifische Anschlüsse an einem Spielsystem von Sega, Sony usw., oder andere Protokolle oder Standards, die Fachleuten gut bekannt sind.
Der USB-Standard stellt beispielsweise eine serielle Schnittstelle mit relativ hoher Geschwindigkeit bereit, die bei der vorliegenden Erfindung Kraftrückkopplungssignale mit einem hohen Realitätsgrad liefern kann. Der USB kann auch mehr Leistung zum Antreiben der Peripheriegeräte liefern. Da jeder Vorrichtung, die auf den USB zugreift, vom Hauptrechner eine eindeutige USB-Adresse zugeordnet wird, ermöglicht dies, dass sich mehrere Geräte denselben Bus teilen. Außerdem umfasst der USB-Standard Zeitsteuerdaten, die zusammen mit differentiellen Daten codiert werden. Der USB weist verschiedene nützliche Merkmale für die vorliegende Erfindung auf, wie durchweg in dieser Beschreibung beschrieben wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass serielle Übertragungssignale mit geringer Bandbreite verwendet werden können, um mit der Schnittstellenvorrichtung 14 in Verbindung zu stehen, was folglich ermöglicht, dass eine eingebaute serielle Standardschnittstelle von vielen Computern direkt verwendet wird. Alternativ kann ein paralleler Anschluss des Hauptrechnersystems 12 mit einem parallelen Bus 24 gekoppelt sein und mit der Schnittstellenvorrichtung unter Verwendung eines parallelen Protokolls, wie z. B. SCSI oder eines PC-Paralleldruckerbusses, im Dialogverkehr stehen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Bus 24 direkt mit einem Datenbus des Hauptrechnersystems 12 unter Verwendung von beispielsweise einer Steckschnittstellenkarte und einem Einbauplatz oder einem anderen Zugang des Computersystems 12 verbunden werden. In einem IBM AT-kompatiblen Computer kann die Schnittstellenkarte beispielsweise als ISA, EISA, lokaler VESA-Bus, PCI oder eine andere gut bekannte Standard- Schnittstellenkarte implementiert werden, die sich in die Rückwandleiterplatine des Computers einstecken lässt und Eingangs- und Ausgangsanschlüsse zum Verbinden des Hauptdatenbusses des Computers mit dem Bus 24 vorsieht.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein zusätzlicher Bus 25 eingeschlossen sein, um zwischen dem Hauptrechnersystem 12 und der Schnittstellenvorrichtung 14 eine Verbindung herzustellen. Da die Geschwindigkeitsanforderung für Übertragungssignale zum Ausgeben von Kraftrückkopplungssignalen relativ hoch ist, kann die mit dem Bus 24 verwendete einzelne serielle Schnittstelle keine Signale mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zu und von der Schnittstellenvorrichtung liefern, um Eine realistische Kraftrückkopplung zu erreichen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann der Bus 24 mit dem seriellen Standardanschluss des Hauptrechners 12 gekoppelt sein, während ein zusätzlicher Bus 25 mit einem zweiten Anschluss des Hauptrechnersystems gekoppelt sein kann. Beispielsweise umfassen viele Computersysteme zusätzlich zu einem seriellen RS-232- Anschluss einen "Spielanschluss", um einen Steuerhebel oder eine ähnliche Spielsteuereinheit mit dem Computer zu verbinden. Die zwei Busse 24 und 25 können simultan verwendet werden, um eine erhöhte Datenbandbreite bereitzustellen. Der Mikroprozessor 26 kann beispielsweise über einen Spielanschlussbus 25 Sensorsignale zum Hauptrechner 12 senden, während der Hauptrechner 12 über einen unidirektionalen Bus 24 Kraftrückkopplungssignale von einem seriellen Anschluss zum Mikroprozessor 26 ausgeben kann. Ein solches Ausführungsbeispiel wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 3 ausführlicher beschrieben. Andere Kombinationen von Datenflusskonfigurationen und Bussen können in anderen Ausführungsbeispielen implementiert werden. Der Spielanschlussbus 25 kann beispielsweise bei einigen Ausführungsbeispielen (wie in Fig. 3) von den Sensoren 28 (als Bus 25a dargestellt) oder von der Sensorschnittstelle 36 (als Bus 25b dargestellt) direkt mit dem Spielanschluss des Hauptrechners 12 verbunden sein.
Ein weiteres wichtiges Merkmal, das bei dem Kraftrückkoplungs-Steuersystem 10 erwünscht ist, ist eine Übertragungsleitung zwischen dem Hauptrechner 12 und der Schnittstellenvorrichtung 14, die eine Benutzersicherheit beinhaltet. 17a auf dem Benutzerobjekt 34 durch die Stellglieder 30 Kräfte erzeugt werden (wie nachstehend erläutert), kann die Schnittstellenvorrichtung möglicherweise eine gewisse Gefahr für einen Benutzer darstellen, wenn die Busse 24 und/oder 25 während des Betriebs abgetrennt werden. Wenn die Steuerung der Kraftrückkopplung vom Hauptrechner einmal gesperrt ist, können die erzeugten Kräfte unvorhersehbar werden. Somit ist es erwünscht, dass die Stellglieder 30 deaktiviert werden, wenn die Busse 24 und/oder 25 während des Betriebs abgetrennt werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann dieses Merkmal durch Festlegen von einer der Leitungen des Busses 24 und/oder einer der Leitungen des Busses 25 als "Lebensleitung" implementiert werden. Der Mikroprozessor liest periodisch die Lebensleitungssignale, um zu prüfen, ob die Busse noch angeschlossen sind. Wenn die Vorrichtung abgekoppelt wird, erfasst der Mikroprozessor kein Signal und betrachtet den Zustand als "getrennt". Wenn kein Signal erfasst wird, dann sendet der Mikroprozessor automatisch ein Deaktivierungssignal zu den Stellgliedern. Ebenso kann der Hauptrechner bei einigen Ausführungsbeispielen periodisch ein aus dem Mikroprozessor auf einem der Busse 24 oder 25 ausgegebenes Lebensleitungssignal prüfen. Wenn kein solches Signal erfasst wird, kann der Hauptrechner auf dem anderen Bus 24 oder 25 (wenn noch angeschlossen) einen Stellglied-Deaktivierungsbefehl ausgeben. Bei Ausführungsbeispielen ohne Mikroprozessor 26 (siehe nachstehend) kann die Lebensleitung mit einem Schutzschalter 41 gekoppelt sein. Für eine RS-232-, RS-422- oder Spielanschlussschnittstelle kann eine der Steuerleitungen im Schnittstellenbus als Lebensleitung verwendet werden. Wenn eine USB-Schnittstelle verwendet wird, kann das dem USB-Standard innewohnende "Anschluss- Trenn"-Merkmal zweckmäßigerweise für die Lebensleitung verwendet werden.
Es sollte beachtet werden, dass der Bus 24 und der Bus 25 entweder als unidirektionaler Bus oder als bidirektionaler Bus vorgesehen sein können. Bei dem Ausführungsbeispiel mit beiden Bussen 24 und 25 können sie beide unidirektionale Busse sein, die für die beschriebenen Ausführungsbeispiele verschiedene Vorteile aufweisen. Dies ermöglicht, dass die volle Bandbreite jedes Busses für eine Richtung zur Datenübertragung verwendet wird, was bewirkt, dass die Datenübertragungsraten im Vergleich zur normalen bidirektionalen Verwendung von jedem Bus verdoppelt werden. Außerdem kann das Datenübertragungsprotokoll für jeden Bus beim unidirektionalen Betrieb vereinfacht werden. Außerdem kann die Software eines unidirektionalen Treibers im Hauptrechner einfacher sein und weniger Prozessorzeit benötigen als die Software für die bidirektionale Übertragung.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel können Signale, die zwischen dem Hauptrechnersystem 12 und der Schnittstellenvorrichtung 14 laufen, unter Verwendung einer drahtlosen Übertragung gesandt und empfangen werden. Beispielsweise kann eine Antenne in sowohl der Schnittstellenvorrichtung 14 als auch im Hauptrechner 12 enthalten sein, um elektromagnetische Signale, wie z. B. Funksignale, Infrarotsignale oder Mikrowellensignale, zu senden und zu empfangen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann ein "Bus" 24 oder 25 konzeptionell ein Übertragungs-/Empfangsmedium oder einen Übertragungs-/Empfangskanal, wie z. B. die Luft, umfassen.
Die Schnittstellenvorrichtung 14 ist für den Hauptrechner 12 ein Peripheriegerät, das einen lokalen Mikroprozessor 26, Sensoren 28, Stellglieder 30, ein Benutzerobjekt 34, eine wahlweise Sensorschnittstelle 36, eine wahlweise Stellgliedschnittstelle 38 und andere wahlweise Eingabevorrichtungen 39 umfasst. Die Schnittstellenvorrichtung 14 kann auch zusätzliche elektronische Komponenten zur Datenübertragung über Standardprotokolle auf dem Bus 24 enthalten. Beispielsweise könnte ein separater universeller asynchroner Empfänger/Sender (UART) oder ein Pegelumsetzer enthalten sein, um Signale auf dem Bus 24 zu empfangen/umzuwandeln; oder solche Komponenten können im Mikroprozessor 26 enthalten sein. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 sieht eine Steuerschleife zwischen dem Mikroprozessor 26, den Stellgliedern 30, dem Benutzerobjekt 34 und den Sensoren 28 (die zum Mikroprozessor 26 zurückgeführt sind) vor. Anders als bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Standes der Technik ist der Hauptrechner 12 nicht in der Steuerschleife enthalten, was folglich den Hauptrechner von vielen Routineaufgaben befreit und ermöglicht, dass er die Hauptrechnerprozessorzeit anderen Aufgaben zuordnet. Der Mikroprozessor 26 kann vom Hauptrechner Befehle hoher Ebene empfangen und die Routineaufgaben der Steuerschleife in Reflexprozessen bearbeiten, wie nachstehend erörtert.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel können mehrere Schnittstellenvorrichtungen 14 über den Bus 24 (oder mehrere Busse 24) mit einem einzelnen Hauptrechnersystem 12 gekoppelt sein, so dass mehrere Benutzer simultan mit dem Hauptrechner-Anwendungsprogramm eine Verbindung herstellen können (beispielsweise bei einem Spiel für mehrere Spieler oder einer Simulation). Außerdem können mehrere Spieler im Hauptrechner-Anwendungsprogramm unter Verwendung von vernetzten Hauptrechnern 12 mit mehreren Schnittstellenvorrichtungen 14 im Dialog stehen, wie Fachleuten gut bekannt ist.
Der lokale Mikroprozessor 26 (oder "Vorrichtungsmikroprozessor") ist mit dem Bus 24 gekoppelt und ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses der Schnittstellenvorrichtung 14 enthalten, um eine schnelle Kommunikation mit anderen Komponenten der Schnittstellenvorrichtung zu ermöglichen. Der Prozessor 26 wird als zur Schnittstellenvorrichtung 14 "lokal" betrachtet und ist ein von jeglichen Mikroprozessoren im Hauptrechnersystem 12 separater Mikroprozessor. Der lokale Prozessor 26 teilt sich beispielsweise nicht einen Datenbus, Adressbus und/oder Speicher mit dem (den) Hauptrechner-Prozessor(en) 16. "Lokal" bezieht sich vorzugsweise auch auf einen Prozessor 26, der für die Kraftrückkopplung und Sensor-E/A der Schnittstellenvorrichtung 14 reserviert ist und mit den Sensoren 28 und den Stellgliedern 30 eng gekoppelt ist, wie z. B. innerhalb des Gehäuses für die Schnittstellenvorrichtung oder in einem Gehäuse, das eng mit der Schnittstellenvorrichtung 14 gekoppelt ist. Der Mikroprozessor 26 wird mit Softwarebefehlen versorgt, um dem Prozessor zu befehlen, auf Befehle oder Aufforderungen vom Hauptrechner 16 zu warten, die Befehle oder Aufforderungen zu decodieren und/oder zu analysieren, Daten und Auswahlroutinen zu bearbeiten und Eingangs- und Ausgangssignale gemäß den Befehlen oder Aufforderungen zu verarbeiten/steuern. Außerdem arbeitet der Prozessor 26 vorzugsweise unabhängig vom Hauptrechner 16 durch Lesen von Sensorsignalen und Berechnen von geeigneten Kräften aus diesen Sensorsignalen, Zeitsignalen und einer "Kraftroutine", die gemäß einem Hauptrechnerbefehl ausgewählt wird, wie mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben. Geeignete Mikroprozessoren zur Verwendung als lokaler Mikroprozessor 26 umfassen beispielsweise den MC68HC711E9 von Motorola und den PIC16C74 von Microchip; andere gut bekannte Arten von Mikroprozessoren können ebenfalls verwendet werden. Der Mikroprozessor 26 kann einen Mikroprozessorchip oder mehrere Prozessoren und/oder Coprozessorchips umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Mikroprozessor 26 einen Digitalsignalprozessor (DSP)-Chip enthalten. Der lokale Speicher 27, wie z. B. ein RAM und/oder ROM (EPROM, EEPROM, usw.), ist vorzugsweise mit dem Mikroprozessor 26 in der Schnittstellenvorrichtung 14 gekoppelt, um Befehle für den Mikroprozessor 26 zu speichern und temporäre und andere Daten zu speichern. Der Mikroprozessor 26 kann Signale von den Sensoren 28 empfangen und Signale zu den Stellgliedern 30 der Schnittstellenvorrichtung 14 gemäß den vom Hauptrechner 12 über den Bus 24 gelieferten Befehlen liefern.
Außerdem kann ein lokaler Takt 29 mit dem Mikroprozessor 26 gekoppelt sein, um Zeitsteuerdaten zu liefern, ähnlich dem Systemtakt 18 des Hauptrechners 12; die Zeitsteuerdaten könnten beispielsweise erforderlich sein, um von den Stellgliedern 30 ausgegebene Kräfte zu berechnen (z. B. Kräfte, die von berechneten Geschwindigkeiten oder anderen zeitabhängigen Faktoren abhängen). Bei anderen Ausführungsbeispielen, die die USB- Übertragungsschnittstelle verwenden, können Zeitsteuerdaten für den Mikroprozessor 26 aus dem USB-Signal wiedergewonnen werden. Der USB weist ein Taktsignal auf, das mit dem Datenstrom codiert wird und verwendet werden kann. Alternativ kann die isochrone (Strom-) Betriebsart des USB verwendet werden, um Zeitsteuerinformationen aus der Standard-Datenübertragungsrate abzuleiten. Der USB weist auch einen Abtasttakt, Bustakt und Diensttakt auf, die ebenfalls verwendet werden können.
Bei dem bevorzugten "Reflex"-Ausführungsbeispiel liefert das Hauptrechnersystem 12 beispielsweise Überwachungsbefehle hoher Ebene über den Bus 24 zum Mikroprozessor 26 und der Mikroprozessor 26 verwaltet Kraftsteuerungs- ("Reflex"-) Schleifen niedriger Ebene für die Sensoren 28 und Stellglieder 30 gemäß Kraftroutinen, die durch die Befehle hoher Ebene ausgewählt werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Hauptrechner 12 Kraftbefehle niedriger Ebene über den Bus 24 liefern, die der Mikroprozessor 26 direkt zu den Stellgliedern 30 überträgt. Diese Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf das Verfahren von Fig. 7 ausführlicher beschrieben.
Der Mikroprozessor 26 hat vorzugsweise auch Zugriff auf einen elektrisch löschbaren, programmierbaren ROM (EEPROM) oder eine andere Speichervorrichtung 27 zum Speichern von Kalibrierungsparametern. Die Kalibrierungsparameter können geringfügige Fertigungsschwankungen in verschiedenen physikalischen Eigenschaften der Komponenten von verschiedenen Schnittstellenvorrichtungen, die durch dasselbe Fertigungsverfahren hergestellt werden, wie z. B. physikalische Maße, kompensieren. Die Kalibrierungsparameter können vom Hersteller festgelegt und gespeichert werden, bevor die Schnittstellenvorrichtung 14 verkauft wird, oder wahlweise können die Parameter von einem Benutzer der Schnittstellenvorrichtung festgelegt werden. Die Kalibrierungsparameter werden vom Prozessor 26 verwendet, um die Eingangssensorsignale und/oder Ausgangskraftwerte für die Stellglieder 30 zu modifizieren, um ungefähr denselben Bereich von Kräften auf dem Objekt 34 in einer großen Anzahl von hergestellten Schnittstellenvorrichtungen 14 vorzusehen. Die Implementierung der Kalibrierungsparameter ist Fachleuten gut bekannt.
Der Mikroprozessor 26 kann auch Befehle von irgendwelchen anderen Eingabevorrichtungen empfangen, die in der Schnittstellenvorrichtung 14 enthalten sind, und liefert geeignete Signale zum Hauptrechner 12, um anzuzeigen, dass die Eingangsinformation empfangen wurde, und kann irgendwelche Informationen, die in der Eingangsinformation enthalten sind, senden. Beispielsweise können Tasten, Schalter, Ziffernscheiben oder andere Eingabesteuerungen auf der Schnittstellenvorrichtung 14 oder dem Benutzerobjekt 34 Signale zum Mikroprozessor 26 liefern. Die Eingangsinformation könnte direkt vom Mikroprozessor zum Hauptrechner gesandt werden, oder sie kann verarbeitet oder mit anderen Daten, die zum Hauptrechner gesandt werden, kombiniert werden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 28, die Stellglieder 30 und der Mikroprozessor 26 und andere zugehörige elektronische Komponenten in einem Gehäuse für die Schnittstellenvorrichtung 14 enthalten, mit dem das Benutzerobjekt 34 direkt oder indirekt gekoppelt ist. Alternativ kann der Mikroprozessor 26 und/oder andere elektronische Komponenten der Schnittstellenvorrichtung 14 in einem vom Benutzerobjekt 34, den Sensoren 28 und den Stellgliedern 30 separaten Gehäuse vorgesehen sein. Zusätzliche mechanische Strukturen können Ebenfalls in der Schnittstellenvorrichtung 14 enthalten sein, um das Objekt 34 mit den gewünschten Freiheitsgraden zu versehen. Ein Beispiel eines solchen Mechanismus wird mit. Bezug auf Fig. 8 beschrieben.
Die Sensoren 28 stellen die Position, Bewegung und/oder andere Eigenschaften eines Benutzerobjekts 34 der Schnittstellenvorrichtung 14 entlang von einem oder mehreren Freiheitsgraden fest und liefern Signale zum Mikroprozessor 26, einschließlich Informationen, die diese Eigenschaften darstellen. Ein Beispiel eines Ausführungsbeispiels eines Benutzerobjekts und einer Bewegung innerhalb vorgesehener Freiheitsgrade wird anschließend mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben. Typischerweise ist ein Sensor 28 für jeden Freiheitsgrad, entlang den das Objekt 34 bewegt werden kann, vorgesehen. Alternativ kann ein einzelner Verbundsensor verwendet werden, um eine Position oder Bewegung in mehreren Freiheitsgraden festzustellen. Ein Beispiel von Sensoren, die für verschiedene hierin beschriebene Ausführungsbeispiele geeignet sind, sind digitale optische Codierer, die die Positionsänderung eines Objekts um eine Drehachse erfassen und digitale Signale liefern, die die Positionsänderung anzeigen. Der Codierer reagiert beispielsweise auf die Drehung einer Welle durch Erzeugen von zwei in Phasenbeziehung stehenden Signalen in dem Drehfreiheitsgrad. Lineare optische Codierer erfassen ebenso die Positionsänderung des Objekts 346 entlang eines linearen Freiheitsgrades und können die zwei in Phasenbeziehung stehenden Signale als Reaktion auf die Bewegung einer linearen Welle in dem linearen Freiheitsgrad erzeugen. Es können entweder relative oder absolute Sensoren verwendet werden. Relative Sensoren liefern beispielsweise nur eine relative Winkelinformation und benötigen somit gewöhnlich eine gewisse Form Kalibrierungsschritt, der eine Bezugsposition für die relative Winkelinformation vorsieht. Die hierin beschriebenen Sensoren sind hauptsächlich relative Sensoren. Folglich gibt es einen implizierten Kalibrierungsschritt nach dem Systemeinschalten, wobei eine Sensorwelle in einer bekannten Position innerhalb der Schnittstellenvorrichtung angeordnet wird und ein Kalibrierungssignal zum System geliefert wird, um die vorstehend erwähnte Bezugsposition vorzusehen. Alle von den Sensoren gelieferten Winkel sind anschließend relativ zu dieser Bezugsposition. Alternativ kann ein bekannter Indeximpuls in dem relativen Sensor vorgesehen werden, der eine Bezugsposition vorsehen kann. Solche Kalibrierungsverfahren sind Fachleuten gut bekannt und werden hierin folglich nicht ausführlicher erörtert. Ein geeigneter optischer Codierer ist der "Softpot" von U.S. Digital in Vancouver, Washington.
Die Sensoren 28 liefern ein elektrisches Signal zu einer wahlweisen Sensorschnittstelle 36, die verwendet werden kann, um Sensorsignale in Signale umzuwandeln, die vom Mikroprozessor 26 und/oder vom Hauptrechnersystem 12 interpretiert werden können. Die Sensorschnittstelle 36 empfängt beispielsweise die zwei in Phasenbeziehung stehenden Signale von einem Sensor 28 und wandelt die zwei Signale in ein anderes Paar von Taktsignalen um, die einen bidirektionalen Binärzähler ansteuern. Das Ausgangssignal des Binärzählers wird vom Mikroprozessor 26 als Binärzahl empfangen, welche die Winkelposition der codierten Welle darstellt. Solche Schaltungen oder äquivalente Schaltungen sind Fachleuten gut bekannt; beispielsweise erfüllt der Quadrature Chip LS7166 von Hewlett Packard, Kalifornien, die vorstehend beschriebenen Funktionen. Jeder Sensor 28 kann mit seiner eigenen Sensorschnittstelle versehen sein, oder eine Sensorschnittstelle kann Daten von mehreren Sensoren verarbeiten. Alternativ kann der Mikroprozessor 26 diese Schnittstellenfunktionen ohne den Bedarf für eine separate Sensorschnittstelle 36 erfüllen. Die Positionswertsignale können vom Mikroprozessor 26 verwendet werden und werden auch zum Hauptrechnersystem 12 gesandt, welches das Hauptrechner-Anwendungsprogramm aktualisiert und entsprechend Kraftsteuersignale sendet. Wenn der Benutzer beispielsweise ein Lenkradobjekt 34 bewegt, empfängt das Computersystem 12 Positions- und/oder andere Signale, die diese Bewegung anzeigen, und kann einen angezeigten Blickpunkt des Benutzers bewegen, als ob er aus einem Fahrzeug hinausblickt und das Fahrzeug dreht. Andere Schnittstellenmechanismen können ebenfalls verwendet werden, um ein geeignetes Signal zum Hauptrechnersystem 12 zu liefern. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können Sensorsignale von den Sensoren 28 direkt zum Hauptrechnersystem 12 geliefert werden, wobei der Mikroprozessor 26 umgangen wird. Die Sensorschnittstelle 36 kann auch innerhalb des Hauptrechnersystems 12 enthalten sein, wie z. B. auf einer Schnittstellenplatine oder -karte.
Alternativ kann ein analoger Sensor, wie z. B. ein Potentiometer, anstelle des digitalen Sensors für alle oder einige der Sensoren 28 verwendet werden. Ein Dehnungsmesser kann beispielsweise angeschlossen sein, um Kräfte auf dem Objekt 34 anstelle von Positionen des Objekts zu messen. Auch Geschwindigkeitssensoren und/oder Beschleunigungsmesser können verwendet werden, um Geschwindigkeiten und Beschleunigungen auf dem Objekt 34 direkt zu messen. Analoge Sensoren können ein analoges Signal liefern, das die Position/Geschwindigkeit/Beschleunigung des Benutzerobjekts in einem speziellen Freiheitsgrad darstellt. Ein Analog- Digital-Wandler (ADC) kann das analoge Signal in ein digitales Signal umwandeln, das vom Mikroprozessor 26 und/oder Hauptrechnersystem 12 empfangen und interpretiert wird, wie Fachleuten gut bekannt ist. Die Auflösung der erfassten Bewegung des Objekts 34 wäre durch die Auflösung des ADC begrenzt.
Andere Arten von Schnittstellenschaltkreisen 36 können ebenfalls verwendet werden. Die Schnittstelle ermöglicht, dass die Position der Maus oder des Stifts verfolgt wird, und sieht unter Verwendung von Sensoren und Stellgliedern eine Kraftrückkopplung für den Stift vor. Die Sensorschnittstelle 36 kann Winkelermittlungschips enthalten, um Winkelsignale, die von den Sensoren 28 gelesen werden, vorzuverarbeiten, bevor sie zum Mikroprozessor 26 gesandt werden. Ein Datenbus plus Chipfreigabeleitungen ermöglichen beispielsweise, dass irgendwelche der Winkelermittlungschips mit dem Mikroprozessor kommunizieren. Eine Konfiguration ohne Winkelermittlungschips ist bei einem Ausführungsbeispiel mit absoluten Sensoren am besten anwendbar, welche Ausgangssignale aufweisen, die die Winkel ohne irgendeine Weiterverarbeitung direkt anzeigen, wodurch weniger Berechnung für den Mikroprozessor 26 und somit wenig, wenn überhaupt, Vorverarbeitung erforderlich ist. Wenn die Sensoren 28 relative Sensoren sind, die nur die Änderung eines Winkels anzeigen und die für eine vollständige Ermittlung des Winkels eine Weiterverarbeitung erfordern, dann sind Winkelermittlungschips geeigneter.
Die Stellglieder 30 übertragen Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 der Schnittstellenvorrichtung 14 in einer oder mehreren Richtungen entlang von einem oder mehreren Freiheitsgraden als Reaktion auf vom Mikroprozessor 26 empfangene Signale. Typischerweise ist ein Stellglied 30 für jeden Freiheitsgrad vorgesehen, entlang den es erwünscht ist, Kräfte zu übertragen. Die Stellglieder 30 können zwei Arten umfassen: aktive Stellglieder und passive Stellglieder.
Aktive Stellglieder umfassen lineare Stromsteuermotoren, Schrittmotoren, pneumatische/hydraulische aktive Stellglieder, Schwingspulen und andere Arten von Stellgliedern, die eine Kraft zum Bewegen eines Objekts übertragen. Aktive Stellglieder können beispielsweise eine Drehwelle um eine Achse in einem Drehfreiheitsgrad antreiben oder eine lineare Welle entlang eines linearen Freiheitsgrades antreiben. Aktive Übertrager der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise bidirektional, was bedeutet, dass sie selektiv eine Kraft entlang beider Richtungen eines Freiheitsgrades übertragen können. Gleichstrom-Servomotoren können beispielsweise Kraftsteuersignale empfangen, um die Richtung und das Drehmoment (Kraftausgabe) zu steuern, das auf einer Welle erzeugt wird. Die Motoren können auch Bremsen enthalten, die es ermöglichen, dass die Drehung der Welle in einer kurzen Zeitspanne gestoppt wird. Andere Arten von aktiven Motoren können ebenfalls verwendet werden, wie z. B. ein Schrittmotor, der mit einer Impulsbreitenmodulation einer angelegten Spannung gesteuert wird, pneumatische/hydraulische Stellglieder, ein Drehmomentmotor (Motor mit begrenztem Winkelbereich) oder ein Schwingspulen-Stellglied, die Fachleuten gut bekannt sind.
Passive Stellglieder können ebenfalls für die Stellglieder 30 verwendet werden. Magnetteilchenbremsen, Reibungsbremsen oder pneumatische/hydraulische passive Stellglieder können zusätzlich zu oder anstelle von einem Motor verwendet werden, um einen Dämpfungswiderstand oder eine Reibung in einem Bewegungsgrad zu erzeugen. Ein alternatives bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das nur passive Stellglieder umfasst, kann nicht so realistisch sein wie ein Ausführungsbeispiel mit Motoren; die passiven Stellglieder sind jedoch typischerweise sicherer für einen Benutzer, da der Benutzer nicht gegen erzeugte Kräfte ankämpfen muss. Passive Stellglieder können typischerweise nur einen bidirektionalen Widerstand für einen Bewegungsgrad vorsehen. Eine geeignete Magnetteilchenbremse für die Schnittstellenvorrichtung 14 ist von Force Limited, Inc., in Santa Monica, Kalifornien, erhältlich.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen können alle oder einige der Sensoren 28 und Stellglieder 30 zusammen als Sensor/Stellglied-Paar-Übertrager enthalten sein. Ein geeigneter Übertrager für die vorliegende Erfindung mit sowohl einem optischen Codierer als auch einem stromgesteuerten Motor ist ein Servomotor mit Korbwicklung mit 20 W, der von Maxon hergestellt wird.
Die Stellgliedschnittstelle 38 kann wahlweise zwischen den Stellgliedern 30 und dem Mikroprozessor 26 angeschlossen werden. Die Schnittstelle 38 wandelt Signale vom Mikroprozessor 26 in Signale um, die zum Ansteuern der Stellglieder 30 geeignet sind. Die Schnittstelle 38 kann Leistungsverstärker, Schalter, Digital-Analog- Steuereinheiten (DACs) und andere Komponenten umfassen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Schaltung der Schnittstelle 38 innerhalb des Mikroprozessors 26 oder in den Stellgliedern 30 vorgesehen sein.
Andere Eingabevorrichtungen 39 können wahlweise in der Schnittstellenvorrichtung 14 enthalten sein und Eingabesignale zum Mikroprozessor 26 senden. Solche Eingabevorrichtungen können Tasten, Ziffernscheiben, Schalter oder andere Mechanismen umfassen. Bei Ausführungsbeispielen, wo das Benutzerobjekt 34 ein Steuerhebel ist, können andere Eingabevorrichtungen beispielsweise eine oder mehrere Tasten aufweisen, die beispielsweise am Steuerhebelgriff oder -sockel vorgesehen sind und verwendet werden, um die Eingabe vom Benutzer zu einem Spiel oder einer Simulation zu ergänzen. Die Funktion solcher Eingabevorrichtungen ist Fachleuten gut bekannt.
Die Leistungsversorgung 40 kann wahlweise mit einer Stellgliedschnittstelle 38 und/oder Stellgliedern 30 gekoppelt sein, um elektrische Leistung zu liefern. Aktive Stellglieder benötigen zum Antrieb typischerweise eine separate Leistungsquelle. Die Leistungsversorgung 40 kann innerhalb des Gehäuses der Schnittstellenvorrichtung 14 enthalten sein oder kann als separate Komponente, beispielsweise durch ein elektrisches Stromkabel angeschlossen, vorgesehen sein.
Wenn die USB-Schnittstelle, der Spielanschluss oder eine ähnliche Übertragungsschnittstelle verwendet wird, kann die Schnittstellenvorrichtung 14 alternativ vom Bus 24 und/oder 25 Leistung entnehmen und somit keinen Bedarf für eine Leistungsversorgung 40 aufweisen. Dieses Ausführungsbeispiel ist am besten auf eine Vorrichtung 14 mit passiven Stellgliedern 30 anwendbar, da passive Stellglieder wenig Leistung zum Betrieb benötigen. Aktive Stellglieder benötigen beispielsweise gewöhnlich mehr Leistung als vom USB entnommen werden kann, aber diese Einschränkung kann auf mehrere Arten beseitigt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Schnittstelle 14 so zu konfigurieren, dass sie als mehr als ein Peripheriegerät für den Hauptrechner 12 erscheint; beispielsweise kann jeder vorgesehene Freiheitsgrad des Benutzerobjekts 34 als anderes Peripheriegerät konfiguriert werden und seine eigene Leistungszuordnung erhalten. Dies würde ermöglichen, dass der Hauptrechner 12 der Schnittstellenvorrichtung 14 mehr Leistung zuordnet. Alternativ kann die Leistung vom Bus 24 und/oder 25 durch die Schnittstellenvorrichtung 14 gespeichert und geregelt werden und somit verwendet werden, wenn sie benötigt wird, um die Stellglieder 30 anzutreiben. Beispielsweise kann die Leistung über die Zeit gespeichert werden und dann unmittelbar verbraucht werden, um eine Ruckkraft auf das Benutzerobjekt 34 aufzubringen. Eine Kondensatorschaltung kann beispielsweise die Energie speichern und die Energie verteilen, wenn genügend Leistung gespeichert wurde. Der Mikroprozessor kann die Ausgabe von Kräften regulieren müssen, um zu gewährleisten, dass Zeit für die Leistungsspeicherung zur Verfügung gestellt wird. Dieses Ausführungsbeispiel mit Leistungsspeicherung kann auch in Ausführungsbeispielen der Schnittstellenvorrichtung 14 ohne USB verwendet werden, um zu ermöglichen, dass eine kleinere Leistungsversorgung 40 verwendet wird. Ein Ausführungsbeispiel mit Leistungsspeicherschaltung wird mit Bezug auf Fig. 6 ausführlicher beschrieben.
Aus Sicherheitsgründen ist vorzugsweise ein Schutzschalter 41 in der Schnittstellenvorrichtung enthalten, um einen Mechanismus vorzusehen, um einen Benutzer die Stellglieder 30 ausschalten und deaktivieren zu lassen, oder von einem Benutzer zu verlangen, die Stellglieder 30 zu aktivieren. Bestimmte Arten von Stellgliedern, insbesondere aktive Stellglieder, wie z. B. Motoren, können für den Benutzer ein Sicherheitsproblem darstellen, wenn die Stellglieder das Benutzerobjekt 34 unerwartet mit einer starken Kraft gegen den Benutzer bewegen. Wenn ein Ausfall im Steuersystem 10 auftritt, kann der Benutzer außerdem wünschen, die Stellglieder schnell zu deaktivieren, um jegliche Verletzung zu vermeiden. Um diese Option bereitzustellen, ist ein Schutzschalter 41 mit den Stellgliedern 30 gekoppelt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel muss der Benutzer den Schutzschalter 41 während des Betriebs der Schnittstellenvorrichtung 14 ständig aktivieren oder schließen, um die Stellglieder 30 zu aktivieren. Wenn zu irgendeiner Zeit der Schutzschalter deaktiviert (geöffnet) wird, wird der Strom von der Leistungsversorgung 40 zu den Stellgliedern. 30 unterbrochen (oder die Stellglieder werden anderweitig deaktiviert), solange der Schutzschalter offen ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Schutzschalters ist beispielsweise ein optischer Schalter, der sich auf dem Benutzerobjekt 34 (wie z. B. einem Steuerhebel) oder auf einer zweckmäßigen Oberfläche eines Gehäuses, das die Schnittstellenvorrichtung 14 umschließt, befindet. Wenn der Benutzer den optischen Schalter mit einer Hand oder einem Finger bedeckt, wird der Sensor des Schalters an der Erfassung von Licht gehindert und der Schalter wird geschlossen. Die Stellglieder 30 wirken somit, solange der Benutzer den Schalter bedeckt. Ein solcher optischer Schalter kann einen Umgebungslichtdetektor umfassen, der einfach feststellt, wenn erfasstes Umgebungslicht vom Benutzer blockiert wurde, wenn der Benutzer den Detektor mit einer Hand bedeckt. Alternativ kann ein Strahler/Detektor-Paar in einer kleinen Vertiefung auf der Schnittstellenvorrichtung 14 vorgesehen sein. Der Strahler sendet eine spezielle Art elektromagnetischer Strahlung, wie z. B. Infrarotlicht, aus der Schnittstellenvorrichtung in den Außenraum aus. Wenn der Benutzer den in der Vertiefung angeordneten Strahler/Detektor bedeckt, wird die ausgesandte Strahlung von der Hand oder dem Finger des Benutzers reflektiert, so dass der Detektor die Strahlung erfasst und die Motoren aktiviert. Solche optischen Schalter sind Fachleuten gut bekannt. Andere Arten von Schutzschaltern 41 können bei anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein elektrostatischer Kontaktschalter verwendet werden, um einen Kontakt mit dem Benutzer festzustellen, eine Taste oder ein Auslöser kann gedrückt werden, oder eine andere Art Sensor oder Schalter kann verwendet werden. Weitere Ausführungsbeispiele von Schutzschaltern der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Fig. 9 und 10 beschrieben.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine "Sicherheitsanstiegsroutine" enthalten, die der Mikroprozessor 26 implementiert, wenn der Schutzschalter 41 geöffnet und geschlossen wird. Wenn der Schutzschalter 41 geöffnet wird, werden die von den Stellgliedern 30 ausgegebenen Kräfte sofort auf Null abgesenkt. Wenn jedoch der Schutzschalter dann vom Benutzer geschlossen wird, springen die Ausgangskräfte auf dieselbe Größe zurück, auf der diese Kräfte lagen, bevor der Schutzschalter geöffnet wurde. Diese sofortige Erhöhung der Größe der Kräfte erzeugt für den Benutzer eine gefährliche Bedingung. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, greift der Mikroprozessor vorzugsweise auf eine Sicherheitsanstiegsroutine im Speicher 27 zu, die dem Mikroprozessor befiehlt, die Größe der Kräfte über ein vordefiniertes Zeitintervall, nachdem der Schutzschalter geschlossen wurde, langsam zu erhöhen. Nach dem vordefinierten Zeitintervall (z. B. 3 Sekunden) werden die Kräfte mit voller Größe ausgegeben, die vorgesehen wurde, bevor der Schalter geöffnet wurde.
Das Benutzerobjekt 34 ist vorzugsweise eine Vorrichtung oder ein Gegenstand, der von einem Benutzer ergriffen oder anderweitig berührt oder gesteuert werden kann und der mit der Schnittstellenvorrichtung 14 gekoppelt ist. Mit "Greifen" ist gemeint, dass Benutzer mit einem Griffteil des Objekts in einer gewissen Weise, wie z. B. mit der Hand, mit ihren Fingerspitzen oder sogar oral im Fall von behinderten Personen, lösbar in Eingriff stehen können. Der Benutzer 22 kann das Objekt entlang vorgesehener Freiheitsgrade bedienen und bewegen, um mit dem Hauptrechner-Anwendungsprogramm, das der Benutzer auf dem Bildschirm 20 betrachtet, eine Verbindung herzustellen. Das Objekt 34 kann ein Steuerhebel, eine Maus, eine Rollkugel, ein Stift, ein Lenkrad, ein Hand/Fuß-Pedal, ein medizinisches Instrument (Laparoskop, Katheter usw.), ein Poolbillardqueue, ein Handgriff, ein Knopf, eine Taste oder ein anderer Gegenstand sein.
Fig. 3, die in den Fig. 3a und 3b einzeln dargestellt ist, ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines speziellen Ausführungsbeispiels 50 der Schnittstellenvorrichtung 14. Der lokale Mikroprozessor 26 ist in diesem Beispiel ein PIC16C74, der von Microchip erhältlich ist und 14 Adressleitungen und 8 Datenleitungen aufweist. Dieser Mikroprozessor umfasst eine interne Architektur, die den Speicher in zwei Partitionen teilt und schnelle Programmausführungen ermöglicht, und somit für eine Kraftrückkopplungsverarbeitung mit hoher Geschwindigkeit gut geeignet ist. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst vorzugsweise einen lokalen Speicher 27, wie z. B. einen ROM, ebenso wie einen lokalen Takt 29 auf der Platine des Mikroprozessors.
Wie mit Bezug auf Fig. 2 erläutert, soll die Schnittstellenvorrichtung 50 unter Verwendung von sowohl einer seriellen Schnittstelle, wie z. B. einer RS-232- Schnittstelle, als auch einer zweiten Schnittstelle 25, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Spielanschluss-Schnittstelle ist, wie sie typischerweise in einem IBM-kompatiblen Personalcomputer (PC) anzutreffen ist, mit dem Hauptrechner 12 im Dialogverkehr stehen.
Die Sensoren 28 werden verwendet, um die Position des Benutzerobjekts 34 in vorgesehenen Freiheitsgraden festzustellen. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 28 Potentiometer 52, wobei jedes Potentiometer mit einer Welle gekoppelt ist, die sich in einem Freiheitsgrad dreht, wenn das Benutzerobjekt 34 gedreht wird. Jedes Potentiometer gibt ein analoges Spannungssignal ("Sensorsignal") im Verhältnis zur Position des Benutzerobjekts in dem gemessenen Freiheitsgrad aus. Die Potentiometer 52 werden mit einem Signal von fünf Volt gespeist, welches auf einer Stromleitung 53 der Spielanschluss-Schnittstelle geliefert wird (mit Bezug auf eine Erdleitung 53a der Spielanschluss-Schnittstelle, und wobei Kondensatoren C1 und C2 zum Filtern des Signals verwendet werden, wie Fachleuten gut bekannt ist). Die Potentiometer geben ihre Sensorsignale auf dem Spielanschluss-Schnittstellenbus 25 aus. Jedes Potentiometer kann einen Trimmermechanismus umfassen, um eine Umorientierung bezüglich des Benutzerobjekts 34 zu ermöglichen, und ermöglicht, dass das Benutzerobjekt, wenn es verwendet wird, neu kalibriert wird, wie Fachleuten gut bekannt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden analoge Potentiometer verwendet, da die Standard-Spielanschluss- Schnittstelle diese Art Sensor benötigt. Andere Arten von Sensoren, wie z. B. digitale Drehcodierer, können für die Sensoren 28 in anderen Ausführungsbeispielen unter Verwendung einer anderen Art Schnittstellenbus 25 verwendet werden.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen können digitale Schalter oder Kontakte anstelle der analogen Potentiometer 52 verwendet werden. Einige Arten von Steuerhebeln, die von Videospielsystemen oder Computern verwendet werden, sind beispielsweise "digitale Steuerhebel", die digitale Signale entsprechend einer Position oder Richtung des Steuerhebels liefern. Solche digitalen Signale beschreiben typischerweise keine Position des Steuerhebels innerhalb eines Dreh- oder linearen Freiheitsgrades wie es "analoge Steuerhebel" tun, sondern beschreiben statt dessen einfache Richtungen, wie z. B. "nach oben", "nach links" oder "diagonal nach oben links". Kontaktschalter können beispielsweise an vier Positionen (oben, unten, links, rechts) um einen Steuerhebel angeordnet werden, um acht mögliche Richtungen zu erfassen (jene vier Richtungen und die vier diagonalen Zwischenrichtungen). Wenn der Steuerhebel in eine dieser Richtungen bewegt wird, wird (werden) der (die) entsprechende(n) Kontaktschalter geschlossen und ein entsprechendes Signal wird ausgegeben, "Steuerpulte" und ähnlich Steuereinheiten für Videospiele verwenden typischerweise diese Anordnung. Für das beschriebene und weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann ein solcher digitaler Steuerhebel eingeschlossen sein, um digitale Darstellungen der Richtung des Steuerhebels zum Hauptrechner 12 zu senden, während die Stellglieder 30 in vorgesehenen Freiheitsgraden Kräfte auf dem Steuerhebel vorsehen können.
Der Spielanschluss-Schnittstellenbus 25 wird zum Senden von Sensordaten, die die Position des Benutzerobjekts 34 in vorgesehenen Freiheitsgraden beschreiben, zum Hauptrechner verwendet. Die Potentiometer 52 können beispielsweise die Position eines Steuerhebels innerhalb des Links/Rechts- Freiheitsgrades und innerhalb des Vorwärts/Rückwärts- Freiheitsgrades erfassen. Diese Information wird für die Spielanschluss-Schnittstelle dargestellt und durch eine RC- Schaltung, die sich typischerweise im Hauptrechnersystem 12 befindet und mit dem Spielanschluss verwendet wird, in digitale Signale umgewandelt, wie Fachleuten gut bekannt ist. Die digitalen Signale werden seriell über den Bus 25 übertragen, der mit dem Standard-Spielanschluss des Hauptrechners 12 verbunden ist. In dieser Hinsicht arbeitet die Schnittstellenvorrichtung 50 als typischer Steuerhebel des Standes der Technik beim Melden der Position des Steuerhebels direkt zum Hauptrechner. Der Hauptrechner kann dann einen Prozess, wie z. B. ein Spiel, als Reaktion auf die empfangene Positionsinformation aktualisieren. Die Schnittstellenvorrichtung 50 kann somit vorteilhaft mit irgendeiner verfügbaren Software und Hardware, die mit einem Standard-Steuerhebel kompatibel ist, verwendet werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Sensordaten vorzugsweise über den Spielanschluss- Schnittstellenbus 25 direkt zum Hauptrechner 12 gesandt, ohne dass sie zum Mikroprozessor 26 gesandt werden. Dies liegt daran, dass die Spielanschluss-Schnittstelle die analogen Signale unter Verwendung der RC-Schaltung zu digitalen Signalen verarbeitet, was verhindert, dass andere Komponenten, wie z. B. der Mikroprozessor 26, auch die Potentiometerdaten lesen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Mikroprozessor Sensorleseinformation benötigen, um Kraftbefehle zu den Stellgliedern zu liefern; bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann ein zweiter Satz von Sensoren verwendet werden, wie nachstehend beschrieben.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel umfasst auch einen zweiten Schnittstellenbus 24, der zwischen den Hauptrechner 12 und die Schnittstellenvorrichtung 50 gekoppelt ist, welche vorzugsweise als serielle RS-232-, RS-442- oder ähnliche Schnittstelle implementiert ist. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird dieser Schnittstellenbus ausschließlich zum Liefern von Kraftrückkopplungsbefehlen vom Hauptrechner zur Schnittstellenvorrichtung 50 verwendet. Ein RS-232- Pegelumsetzer 54 setzt Signale auf die geeigneten Spannungspegel zur Übertragung und zum Empfang um. Der Hauptrechner 12 sendet serielle Befehle von seinem seriellen Standardanschluss auf der Leitung RxD der RS-232- Schnittstelle aus. Der Umsetzer 54 empfängt diese Befehle und setzt sie auf den erforderlichen Logikpegel (z. B. 5 Volt) um und liefert die Befehle zum Mikroprozessor 26. Der Mikroprozessor steuert die Motoren 66 als Reaktion auf die empfangenen Befehle. Die TxD-Leitung der RS-232- Schnittstelle des Pegelumsetzers muss nicht mit dem Hauptrechner verbunden sein.
Alternativ kann die TxD-Leitung bei einigen Ausführungsbeispielen zwischen die Schnittstellenvorrichtung 50 und den Hauptrechner 12 geschaltet sein, um Schnittstellenvorrichtungs- Produktinformationen und andere erforderliche Informationen von der Schnittstellenvorrichtung zum Hauptrechner zu liefern. Solche Produktinformationen können die Seriennummer, die Versionsnummer der Vorrichtung 50, die Versionsnummer der Firmware des Mikroprozessors/lokalen Speichers, das Ausgabedatum der Firmware und/oder Vorrichtung 50, die Modellnummer, Hauptrechnerbefehle, die mit der Vorrichtung 50 kompatibel sind, die Anzahl der Achsen oder Freiheitsgrade des Benutzerobjekts 34, die verfügbar sind, und deren Beschreibung, die Auflösung der Sensoren oder Stellglieder und/oder Urheberrechtsinformationen umfassen. Diese Informationen können im ROM oder in einem anderen Speicher 27 in der Schnittstellenvorrichtung 50 gespeichert sein. Auch Zustandsinformationen und Sensordaten von den Sensoren 28 können auf dieser TxD-Leitung geliefert werden, wenn beispielsweise der Spielanschlussbus 25 abgetrennt wird oder nicht verwendet wird.
Da die gesamte Bandbreite der seriellen RS-232- Schnittstelle zum Empfangen von Kraftrückkopplungsbefehlen vom Hauptrechner verwendet wird, kann eine größere Übertragungsrate für Kraftsignale implementiert werden und ein größerer Grad an Realismus und Steuerung kann in den auf das Benutzerobjekt ausgegebenen Kräften vorgesehen werden. Außerdem wird der Spielanschluss wie in Standardsteuerhebeln implementiert, die keine Kraftrückkopplung vorsehen. Die Schnittstellenvorrichtung 50 kann somit mit irgendeinem Computer mit einem Spielanschluss verbunden werden und kann als Steuerhebel ohne Kraftrückkopplung mit irgendeiner Software, die mit Steuerhebeln ohne Kraftrückkopplung kompatibel ist, funktionieren. Wenn im Hauptrechner 12 eine Software zur Verfügung steht, um Kraftrückkopplungsbefehle zu implementieren, kann die Schnittstellenvorrichtung 50 auch diese Funktionalität ausnutzen. Dies ist insofern wichtig, dass die Schnittstellenvorrichtung mit den derzeit erhältlichen Softwareanwendungen kompatibel ist und mit neuer Kraftrückkopplungssoftware kompatibel ist, wenn diese Software eingeführt wird. Dies stellt eine marktfähigere Schnittstellenvorrichtung bereit als ein reiner Kraftrückkopplungs-Steuerhebel, bis die Kraftrückkopplungssoftware breiter verfügbar ist.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel umfasst vorzugsweise auch ein Übertragungsleitungs-Sicherheitsmerkmal, wie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Um zu ermöglichen, dass der Mikroprozessor 26 leicht den Zustand der Verbindung des seriellen Busses 24 überwacht, ist eine der Leitungen des Busses 24 mit dem Mikroprozessor gekoppelt. Bei dem beschriebener. Ausführungsbeispiel ist die DTR-Leitung 51 der RS-232-Schnittstelle (über einen Pegelumsetzer 54) mit einem digitalen Eingang (B6) des Mikroprozessors gekoppelt. Der PIC-Mikroprozessor des beschriebenen Ausführungsbeispiels umfasst einen universalen asynchronen Empfänger/Sender (UART) auf dem Chip selbst. Der Mikroprozessor prüft auf einen niedrigen Logikzustand auf der DTR-Leitung, um zu bestätigen, dass der serielle Bus 24 angeschlossen ist. Wenn die DTR-Leitung einen hohen Logikzustand überträgt, wird angenommen, dass der serielle Bus/das serielle Kabel nicht angeschlossen ist, und der Mikroprozessor sendet auf der Leitung 60 ein Sperrsignal zu den Motoren 68. Der Hauptrechner 12 kann auch den Zustand des Signals auf der DTR-Leitung steuern, um die Motoren auf Wunsch in ähnlicher Weise zu sperren. Bei anderen ähnlichen Ausführungsbeispielen könnte ein UART als separate Komponente vorgesehen sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Hauptrechner periodisch ein Signal zum Mikroprozessor aussenden und der Mikroprozessor kann dieses Signal überprüfen, um zu gewährleisten, dass die Verbindung des Busses noch intakt ist. Der Bus 25 wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht geprüft, kann jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen überwacht werden.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Arten von Schnittstellen als serielle Schnittstellen, die als Busse 24 und/oder 25 verwendet werden sollen, implementiert werden. Videospielkonsolen, wie z. B. die Sega Saturn oder die Sony PlayStation, weisen beispielsweise keinen seriellen Anschluss oder Spielanschluss auf, wie vorstehend beschrieben, sondern weisen statt dessen einen Steueranschluss mit einer parallelen Schnittstelle auf. Eine serielle Schnittstelle kann jedoch unter Verwendung der Eingangs- und Ausgangsleitungen des parallelen Anschlusses emuliert werden. Die Steuersignalleitungen "nach oben", "nach unten", "nach links" und "nach rechts" der Sega Saturn können beispielsweise als Leitungen verwendet werden, die die Sensordaten (wie z. B. von einem digitalen Codierer oder Potentiometer) und Tastendaten codieren und diese Daten zum Hauptrechner senden, und die Ausgangsleitungen TH, TR und TL von der Sega Saturn können verwendet wenden, um die Hauptrechnerbefehle für den Mikroprozessor 26 zu codieren, was folglich eine Zweiweg- Kommunikation zwischen dem Hauptrechner 12 und der Schnittstellenvorrichtung vorsieht. Ein serielles Protokoll kann verwendet werden, wobei eine Ausgangsleitung (z. B. TH) anstelle der vorstehend beschriebenen TxD-Leitung verwendet wird. Eine andere Leitung (z. B. TR) kann anstelle der DTR- Leitung verwendet werden. Man beachte, dass die Potentiometerdaten bei einem solchen Ausführungsbeispiel vom Mikroprozessor 26 gelesen, verarbeitet und zum Hauptrechner gesandt werden würden. Außerdem können die Strom- und Erdleitungen von einem Videospielkonsolen- Anschluss ähnlich der Stromleitung 53 einer RS-232- Schnittstelle verwendet werden.
Bedientasten 56 sind als weitere Eingabevorrichtungen 39 enthalten, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Tasten 56 umfassen Schalter und ein Eingangssignal von 5 Volt von der Spielanschluss-Schnittstelle, wie Fachleuten gut bekannt ist. Vierzehn Tasten sind als im Ausführungsbeispiel 50 verfügbar angegeben, aber bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine andere Anzahl von Tasten oder andere Arten von Schaltern, Knöpfen oder Steuerungen enthalten sein. Die Tasteneingabesignale werden in Datenanschlüsse D0-D7 des Mikroprozessors 26 auf dem Bus 57 eingespeist. Der Mikroprozessor 26 gibt die digitalen Tastensignale auf den Leitungen 55 des Spielanschluss-Schnittstellenbusses 25 aus.
Thermistoren 58 sind mit dem Mikroprozessor 26 gekoppelt und fühlen die Temperatur der Motoren 68 ab. Die Thermistoren wandeln eine abgefühlte Temperatur in ein elektrisches Signal um, wie Fachleuten gut bekannt ist. Thermistoren, wie z. B. RL2006-1600-103-Dl, die von Keystone Thermometrics erhältlich sind, können beispielsweise verwendet werden. Der Mikroprozessor 26 liest die Temperatursignale auf den Bussen 59, um festzustellen, ob sich die Motoren überhitzen. Der Mikroprozessor kann die Motoren unter Verwendung des EN-Signals 60 deaktivieren, wenn eine Überhitzungsbedingung festgestellt wird (und kann die Übertemperatur-LED 62 aktivieren, um den Benutzer über die Überhitzungsbedingung zu informieren). Andere Arten von Temperaturfühlkomponenten können bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden. Beispielsweise kann eine die Temperatur abfühlende integrierte Schaltung verwendet werden. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen kann die Temperatur der Motoren unter Verwendung von anderen Komponenten oder Schritten abgefühlt oder ermittelt werden. Der Spannungsabfall über den Motorwicklungen kann beispielsweise durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) gemessen werden, der beispielsweise im Mikroprozessor 26 enthalten sein kann. Der Spannungsabfall über den Motorwicklungen ist typischerweise ein zuverlässiger Indikator der Temperatur des Wicklungsmaterials, so dass die Temperatur durch die Menge des Spannungsabfalls ermittelt werden kann. Alternativ kann eine Softwareabschätzung der Motortemperatur durch den Mikroprozessor 26 durchgeführt werden. Der Mikroprozessor kann einen laufenden Mittelwert der Menge an Strom, der zu den Motoren 68 gesandt wird, über die Zeit verfolgen. Die thermischen Eigenschaften der Motoren werden vom Speicher oder in der Software zum Mikroprozessor geliefert und die Software im Mikroprozessor kann somit die Temperatur der Motoren zu irgendeiner gewünschten Zeit abschätzen. Dies ist eine kostengünstige Lösung zur Bereitstellung eines Überhitzungsschutzes, da keine zusätzlichen Hardwarekomponenten erforderlich sind, sie kann jedoch in einigen Situationen aufgrund von Schwankungen der Umgebungslufttemperatur und anderen Faktoren, die das thermische Ansprechen der Motoren 68 ohne Wissen des Mikroprozessors verändern können, nicht zuverlässig sein.
Sekundäre Potentiometer 62 sind wahlweise zusätzliche Sensoren, die enthalten sind, um Sensordaten zum Mikroprozessor 26 zu liefern, welche die Position des Benutzerobjekts 34 beschreiben. Wie vorstehend erläutert, erfordert die Standard-Spielanschluss-Schnittstelle, dass die Sensordaten direkt von den Potentiometern 52 zum Hauptrechner 12 gesandt werden und dass der Mikroprozessor 26 die Sensorsignale nicht lesen kann. Der Mikroprozessor 26 kann jedoch dennoch die Sensordaten benötigen, um Kraftwerte zu berechnen oder ansonsten die zu den Stellgliedern 30 gesandten Steuersignale festzulegen. Die sekundären Potentiometer 62 können unabhängig von den Potentiometern 52 Sensordaten zum Mikroprozessor liefern, so dass der Mikroprozessor die erforderlichen Daten empfängt. Die sekundären Potentiometer können analoge Potentiometer, Drehcodierer oder andere Arten von Sensoren ähnlich den Sensoren 28 sein. Diese Potentiometer können beispielsweise mit derselben Drehwelle (nicht dargestellt) gekoppelt sein wie die Potentiometer 52. Der Mikroprozessor 26 empfängt die Sensorsignale von den sekundären Potentiometern 62 auf den Bussen 63.
Das 5-Volt-Signal von der Leitung 53 der Spielanschluss- Schnittstelle wird verwendet, um die Bedientasten 56, die LEDs auf der Vorrichtung 50, die Potentiometer 52 und 62 und andere Logikkomponenten der Schnittstellenvorrichtung 50 zu speisen. Die Spielanschluss-Stromleitung 53 wird vorzugsweise anstelle eines Stromsignals von der Schnittstelle 24 verwendet, da die Spielanschluss- Schnittstelle immer verwendet wird, wenn die Schnittstellenvorrichtung 14 angeschlossen ist, während die Schnittstelle 24 für Nicht-Kraftrückkopplungs-Verwendungen der Schnittstellenvorrichtung 50 abgetrennt werden kann. Die anderen Komponenten, wie z. B. die Motoren 68, werden durch die Leistungsversorgungsabteilung gespeist, wie nachstehend erläutert. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können Stromleitungen von anderen Schnittstellen verwendet werden.
Die Leistungsversorgungsabteilung 64 ist vorzugsweise ein separater Leistungsabschnitt der Schnittstellenvorrichtung 50, der die Stellglieder 30 der Schnittstellenvorrichtung antreibt. Die Leistungsversorgungsabteilung 64 umfasst die Stellglieder 30 und eine Leistungsschaltung 66. Die Stellglieder 30 sind bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorzugsweise zwei Motoren 68, wie z. B. 24 V Motoren, die von Mabuchi, Japan, erhältlich sind, wobei jeder Motor verwendet wird, um Kräfte entlang eines Freiheitsgrades des Benutzerobjekts 34 vorzusehen. Ein Steuerhebel weist typischerweise zwei Freiheitsgrade auf, vorwärts/rückwärts und links/rechts. Wenn zusätzliche Freiheitsgrade in der Schnittstellenvorrichtung 50 enthalten sind, dann können zusätzliche Motoren entsprechend hinzugefügt werden. Der Mikroprozessor 16 liefert zwei Signale zu jedem Motor: ein Richtungssignal (DIR) 70 und ein Impulsbreitenmodulationssignal (PWM) 72. Das Richtungssignal befiehlt dem Motor 68, eine Kraft entlang einer der zwei Richtungen innerhalb seines Freiheitsgrades vorzusehen. Das PWM-Signal steuert die Größe der Kraft durch Liefern eines Signals mit einer konstanten Frequenz (z. B. 10 kHz) und einem variierenden Tastgrad. Ein hoher Tastgrad stellt Kräfte mit großer Größe bereit und umgekehrt. Das DIR- und das PWM-Signal aus dem Mikroprozessor 26 werden in Treiberverstärker 74 eingespeist, die als Teil der Stellgliedschnittstelle 38 betrachtet werden können. Die Verstärker 74 weisen Eingangssignale von 24 Volt von einer Leistungsversorgung 40 von 24 Volt auf und liefern die Steuersignale vom Mikroprozessor zum Antreiben der Motoren 68 mit dem geeigneten Hochstrompegel.
Der Mikroprozessor gibt auf der Leitung 60 ein Freigabesignal aus, das ermöglicht, dass die Motoren 68 aktiviert werden und Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 ausgeben. Ein Schutz- oder "Totmann"-Schalter 41 ist ebenfalls im Ausführungsbeispiel 50 enthalten, um den Benutzer steuern zu lassen, wann die Motoren Kräfte ausgeben können. Der Schalter 41, wie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben, muss vom Benutzer geschlossen werden, damit die Motoren 68 aktiviert werden. Ein 5-Volt-Signal von der Spielanschluss-Schnittstelle wird auf der Leitung 78 in ein NICHT-ODER-Gatter 70 eingespeist, wenn der Schutzschalter 41 offen ist. Wenn der Schutzschalter geschlossen wird, geht das 5-Volt-Signal auf Erde und ein niedriges Freigabesignal wird zum NICHT-ODER-Gatter 70 geliefert. Das Ausgangssignal des NICHT-ODER-Gatters wird als Freigabeeingangssignal zu den Treiberverstärkern 74 geliefert. Wenn entweder der Schutzschalter 41 geschlossen ist oder wenn ein Freigabesignal vom Mikroprozessor 26 auf der Leitung ü0 gesandt wird, werden somit die Motoren 68 aktiviert und geben gemäß den Steuersignalen auf den Leitungen 70 und 72 Kräfte aus. Das 5-Volt-Signal auf der Leitung 78 wird vorzugsweise auch in den Mikroprozessor 26 eingespeist, so dass der Mikroprozessor den Zustand des Schutzschalters überwachen kann. Der Schutzschalter 41 kann eine Vorrichtung sein, wie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben, oder kann ein Schutzschalter der vorliegenden Erfindung sein, der mit Bezug auf die Fig. 9 und 10 beschrieben wird. Vorzugsweise wird die "Aktiv"-LED 76 beleuchtet, wenn die Motoren aktiviert sind, so dass der Benutzer weiß, wann die Motoren eine Kraft ausüben.
Die Leistungsschaltung 66 ist ebenfalls vorzugsweise in der Leistungsversorgungsabteilung 60 enthalten und wird verwendet, um das 24-Volt-Ausgangssignal aus der Leistungsversorgung 40 in ein 5-Volt-Signal umzuwandeln, das in verschiedenen Komponenten der Leistungsversorgungsabteilung 64, wie z. B. den Treiberverstärkern 74, verwendet wird. Die Leistungsversorgung 40 ist vorzugsweise mit einer Standard- Wechselstrom-Wandsteckdose verbunden.
Die Leistungsversorgungsabteilung 60 ermöglicht, dass der Kraftrückkopplungsteil der Schnittstellenvorrichtung 50 abgetrennt wird und unabhängig von den anderen Komponenten in der Vorrichtung verwendet wird. Wenn die Schnittstellenvorrichtung 50 als Standard-Steuerhebel verwendet wird und nur mit der Spielanschluss-Schnittstelle des Hauptrechners 12 verbunden ist, dann wird folglich das 5-Volt-Signal aus dem Spielanschluss verwendet, während die Leistungsversorgungsabteilung nicht verwendet wird, und die Leistungsversorgung 40 von 12 Volt muss nicht in eine Wechselstrom-Wandsteckdose eingesteckt werden. Die Leistungsversorgung 40 von 12 Volt wird in eine Wandsteckdose eingesteckt, wenn die Kraftrückkopplung in der Vorrichtung 50 implementiert werden soll.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Schnittstellenvorrichtung 50 muss der Mikroprozessor 26 nicht enthalten sein und kann durch eine festverdrahtete Logik ersetzt sein. Die Motoren 68 können direkt vom Hauptrechner 12 unter Verwendung von Befehlen niedriger oder hoher Ebene gesteuert werden, wie nachstehend mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sendet der Spielanschluss-Schnittstellenbus 25 nur Sensorsignale zum Hauptrechner und der serielle Schnittstellenbus 24 sendet nur Hauptrechnerbefehle zur Schnittstellenvorrichtung. Der Hauptrechner kann Kraftwerte berechnen und die Befehle niedriger Ebene zur Schnittstellenvorrichtung senden. Ein Pegelumsetzer und ein Schieberegister können beispielsweise verwendet werden, um die seriellen Befehle einzulesen und die Befehle zu einer auf einem anwenderprogrammierbaren Logikfeld (FPGA) vorgesehenen Logik zu liefern, die verwendet werden kann, um Kraftwerte an die Stellglieder auszugeben, wie durch die Befehle niedriger Ebene vom Hauptrechner befohlen (wie mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben). Da der serielle Anschlussschnittstellenbus 24 ausschließlich verwendet wird, um Hauptrechnerbefehle niedriger Ebene zu den Stellgliedern zu senden, kann eine größere Bandbreite und eine realistischere Kraftrückkopplung bereitgestellt werden. Bei einem noch einfacheren Ausführungsbeispiel müssen die Logik und das Schieberegister nicht verwendet werden und die serielle Schnittstelle kann als einfache parallele Bitleitungen verwendet werden, um hohe und niedrige Logiksignale zur Steuerung der Stellglieder 30 zu liefern. Dieses Ausführungsbeispiel wird mit Bezug auf die Fig. 4a-4f ausführlicher beschrieben.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Schnittstellenvorrichtung 50 (oder bei anderen hierin offenbarten Ausführungsbeispielen von Schnittstellenvorrichtungen) erweiterbar gemacht werden, damit sie auf andere Weise gesteuert wird. Die Schnittstellenvorrichtung 50 kann beispielsweise mit einem separaten "Zugangsanschluss" versehen werden, der mit sowohl den Sensoren 28 als auch den Stellgliedern 30 verbunden ist. Wenn der Benutzer wünscht, dass der Hauptrechner 12 die Schnittstellenvorrichtung direkt steuert, kann ein paralleler Bus zwischen den Zugangsanschluss und den Hauptrechner geschaltet werden (z. B. kann eine Schnittstellenkarte in den Hauptrechner eingesteckt werden), so dass der Hauptrechner direkt Sensorsignale empfängt und so dass die Hauptrechnerbefehle direkt zu den Stellgliedern 30 oder zur Stellgliedschnittstelle 38 geliefert werden. Vorzugsweise kann der Benutzer einen Schalter an der Schnittstellenvorrichtung anwählen, um die Übertragungsleitungen von einer normalen Mikroprozessorsteuerung zur direkten Hauptrechnersteuerung über den Zugangsanschluss umzuschalten (der Mikroprozessor kann deaktiviert werden, wenn die direkte Hauptrechnersteuerung verwendet wird). Dies würde ermöglichen, dass der Hauptrechner eine realistische, direkte Kraftrückkopplung für den Benutzer vorsieht, würde aber dem Hauptrechner eine größere Verarbeitungslast auferlegen.
Fig. 4a ist ein Blockdiagramm eines alternativen "Rückstoß"-Ausführungsbeispiels 80 des Kraftrückkopplungs- Steuersystems 10 von Fig. 2. In dem Rückstoß-Steuersystem 80 ist kein Lokaler Vorrichtungsmikroprozessor 26 erforderlich, um eine Kraftrückkopplung vorzusehen, und der Hauptrechner sendet keine Signale oder nur minimale Signale zur Schnittstellenvorrichtung 14. Das Rückstoß- Ausführungsbeispiel ist somit eine "Reflex"- Schnittstellenvorrichtung, indem Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 unabhängig vom Hauptrechner 12 ausgegeben werden, und diese Kräfte hängen nur von lokalen Steuerereignissen (z. B. einem Drücken einer Taste durch den Benutzer) ab. Der Reflexprozess umfasst die Ausgabe einer Kraft, wenn eine Taste gedrückt wird, ohne Datenübertragung vom Hauptrechner.
Die Position des Benutzerobjekts 34 wird durch Sensoren 28 festgestellt und die Sensoren senden Positions- oder andere zugehörige Signale zum Hauptrechner 12. Die Steuerschleife umfasst Tasten oder andere Eingabevorrichtungen 39, die Handlungen des Benutzers feststellen, wie z. B. wenn der Benutzer eine der Tasten drückt. Die Tasten. 39 liefern Eingabesignale zu einem Rückstoßreflex-Steuerblock 82, der eine "festverdrahtete" Logik oder andere Komponenten anstelle eines Mikroprozessors ist. Der Steuerblock 82 sendet Aktivierungssignale zum Motor (oder einer anderen Art Stellglied) 30, der Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 ausgibt, um die Schleife zu schließen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen, die mit Bezug auf die Fig. 4c-4f offenbart werden, kann der Hauptrechner 12 zusätzlich einfache Freigabesignale auf der Leitung 81 zum Steuerblock 82 oder Aktivierungssignale auf der Leitung 83 zum Stellglied 30 liefern, um eine realistischere Kraftrückkopplung vorzusehen. Da der Hauptrechner nicht in der Hauptsteuerschleife enthalten ist, kann der Hauptrechner eine minimale Verarbeitungszeit zur Steuerung der Kraftrückkopplung verwenden und kann andere Aufgaben effizienter verarbeiten, wie z. B. das Anzeigen von Bildern auf der Anzeigevorrichtung 20 und andere Prozesse. Außerdem vereinfacht das Fehlen eines Mikroprozessors 26 die Schnittstellenvorrichtung 14 und verringert deren Kosten, wie nachstehend erörtert.
Fig. 4b ist ein schematisches Diagramm eines ersten "Rückstoß"-Ausführungsbeispiels 80 von Fig. 4a. Die Schnittstellenvorrichtung 80 umfasst einen Steuerhebel 84 oder ein ähnliches Benutzerobjekt 34, das mit Sensoren 28 gekoppelt ist (oder anderweitig durch diese abgetastet wird). Die Sensoren 28 liefern Signale, die die Position des Steuerhebels in den vorgesehenen Freiheitsgraden anzeigen. Beispielsweise sind die Sensoren 28 vorzugsweise analoge Potentiometer 86 ähnlich jenen, die mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurden. Der Steuerhebel 84 weist vorzugsweise auch eine oder mehrere Tasten 88 auf, die darauf angeordnet sind, ähnlich den mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen Tasten 56. Tasten oder andere Steuerungen können auch auf einem Gehäuse oder Sockel der Schnittstellenvorrichtung 14 zusätzlich zu oder anstelle von den Tasten auf dem Steuerhebel vorgesehen sein.
Die Sensordaten von den Sensoren 28 werden vorzugsweise auf dem Spielanschluss-Schnittstellenbus 25 zum Hauptrechner 12 ausgegeben. Beispielsweise werden vorzugsweise analoge Potentiometer verwendet und die Sensordaten werden in Übereinstimmung mit dem Spielanschluss- Schnittstellenstandard in eine digitale Form umgewandelt.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Kraftrückkopplung vorgesehen, wenn der Benutzer Eingabevorrichtungen, wie z. B. Tasten 88, aktiviert. Wenn beispielsweise die Taste #1 auf der Schnittstellenvorrichtung 80 vom Benutzer gedrückt wird, wird das Signal von der Taste #1 über die Spielanschlussschnittstelle 25 mit den anderen Tastendaten zum Hauptrechner 12 gesandt. Die Daten der Taste #1 werden auch zu einem Zeitgeber/Impulsgenerator 90, der in der Schnittstellenvorrichtung 80 enthalten ist, gesandt. Wenn der Zeitgeber/Impulsgenerator 90 das Signal der Taste #2 empfängt, gibt er auf der Leitung 92 ein Motorsteuersignal aus.
Die Leitung 92 ist mit der Stellglied-Schnittstelle 38 gekoppelt, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Transistor 94 aufweist, der zum Verstärken des Motorsteuersignals verwendet wird. Die Stellglied- Schnittstelle 38 ist mit dem Motor 96 gekoppelt, um ein geeignetes Signal zum Antreiben des Motors zu liefern. Der Motor 96 liefert eine Kraft in einem speziellen Freiheitsgrad zum Benutzerobjekt 34. Ein Satz eines Motors 96 und einer Stellglied-Schnittstelle 38 kann für jeden Freiheitsgrad vorgesehen sein, in dem sich das Benutzerobjekt bewegen kann. Alternativ können weniger Motoren 96 enthalten sein, wenn erwünscht ist, dass die Kraft nur in ausgewählten Freiheitsgraden vorgesehen wird.
Die Leistungsversorgung 92 speist den Motor 96 und kann beispielsweise mit einer Standard-Wechselstrom- Wandsteckdose verbunden sein. Zwei Schalter 41 und 98 aktivieren oder deaktivieren den Motor 96 durch Anschließen oder Trennen des Stroms zum Motor. Der Schutzschalter 41 ist ähnlich dem bezüglich Fig. 3 beschriebenen Schutzschalter und wird geschlossen, wenn der Benutzer einen Schalter auf der Schnittstellenvorrichtung 80 drückt oder anderweitig schließt. Der Schalter 98 ist ein "Rückstoßaktivierungs"-Schalter", der auf dem Äußeren der Schnittstellenvorrichtung angeordnet ist und vom Benutzer geschlossen oder geöffnet werden kann. Wenn er geschlossen ist, isa die vom Motor 96 vorgesehene Kraftrückkopplung wirksam, und wenn er offen ist, ist die Kraftrückkopplung abgeschaltet. Dies ermöglicht, dass der Benutzer die Kraftrückkopplung einschaltet, wenn der Benutzer es für zweckmäßig hält, Kräfte an den Steuerhebel als Reaktion auf einen Tastendruck auszugeben. Der Benutzer kann die Kraftrückkopplung ausschalten, wenn er es wünscht und/oder wenn es ungeeignet ist zu veranlassen, dass Kräfte ausgegeben werden, wenn eine Taste gedrückt wird.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist zur Verwendung als kostengünstige "Rückstoß"-Kraftrückkopplungs- Schnittstellenvorrichtung vorgesehen, die keinen lokalen Mikroprozessor 26 benötigt und nicht erfordert, dass der Hauptrechner 12 Kraftrückkopplungssignale sendet, um Kräfte auf dem Benutzerobjekt 34 vorzusehen. Vielmehr wird die Kraftrückkopplung ausgelöst, sobald der Benutzer eine entsprechende Steuerung aktiviert, wie z. B. eine Schießtaste 88 auf einem Steuerhebel. Somit ist die "Rückstoß"-Kraftrückkopplung ein unabhängiger "Reflexprozess". Obwohl der Hauptrechner keine Signale oder Befehle zum Auslösen der Kraftrückkopplung sendet, können die Kräfte bei diesem Ausführungsbeispiel dennoch Kraftereignisse realistisch darstellen. Der Hauptrechner kann beispielsweise eine Simulation oder ein Videospiel ablaufen lassen, bei dem der Benutzer eine Schusswaffe steuert. Die Vom Motor 96 ausgegebene Kraft kann ausgelöst werden, wenn der Benutzer eine Taste drückt, um die Schusswaffe abzufeuern, und kann einen Ruck oder eine ähnlich Kraft vorsehen, um den Rückstoß der Schusswaffe zu simulieren. Bei vielen derartigen Spielen feuert ein Tastendruck immer die gesteuerte Schusswaffe in dem Spiel ab. Die Kräfte simulieren somit genau eine Rückstoßkraft, wenn während eines Spiels eine Schusswaffe abgefeuert wird, eine Zentrifugalkraft, wenn Triebwerke in einem simulierten Flugzeug oder Raumfahrzeug aktiviert werden, eine Schwingungskraft für eine bestimmte Handlung oder eine andere Kraft bei der Ausführung irgendeiner anderen Handlung wähnend einer Simulation oder eines Spiels. Die Kräfte können in einer vorbestimmten oder willkürlichen Richtung(en) vorgesehen werden.
Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht, dass in jeder Software, die mit einem Standardsteuerhebel oder einem anderen mit einem Standard-Spielanschluss verbundenen Peripheriegerät kompatibel ist, eine Kraftrückkopplung für einen Benutzer bereitgestellt wird. Es ist keine spezielle Kraftsteuer-Software für den Hauptrechner erforderlich, da der Hauptrechner bei diesem Ausführungsbeispiel keine Kraftbefehle an die Schnittstellenvorrichtung ausgibt. Die Taste #1 ist beispielsweise direkt mit dem Zeitgeber/Impulsgenerator 90 verdrahtet, der den Motor 96 aktiviert, wenn die Taste #1 gedrückt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Zeitgeber/Impulsgenerator einen einzelnen Kraftruck erzeugen, während eine Taste gedrückt wird. Alternativ kann der Impulsgenerator 90 veranlassen, dass der Motor 96 eine Kraftruckserie mit einer vorbestimmten Frequenz für die Zeitdauer ausgibt, die der Benutzer die Taste ständig drückt.
Wenn dem Benutzer während eines Spiels die Munition ausgeht oder er anderweitig nicht imstande ist, eine mit einer Kraftrückkopplung verbundene Handlung auszuführen, dann kann der Benutzer den Rückstoßschalter 98 öffnen, um den Motor zu deaktivieren. Dies ermöglicht, dass die Kraftrückkopplung bequem gesperrt wird, wenn sie für das Spiel oder die Simulation nicht zweckmäßig ist. Außerdem kann der Benutzer den Rückstoßschalter 98 öffnen, wenn der Benutzer nicht wünscht, als Reaktion auf Tastendrücke Kräfte zu spüren. Der Benutzer kann auch den Schutzschalter 41 öffnen, um die Kraftrückkopplung zu sperren (wenn nicht der Handgewichts-Schutzschalter von Fig. 9 verwendet wird, bei dem es nicht möglich wäre, dass der Benutzer den Steuerhebel bedient, ohne den Schutzschalter zu schließen). Andere Tasten auf der Schnittstellenvorrichtung 80 können ebenfalls mit einzelnen Motoren und Zeitgebern/Generatoren in ähnlicher Weise verbunden sein, oder mehrere Tasten können mit einem Motor und Zeitgeber/Generator verbunden sein. Verschiedene Motoren können eingestellt werden, um verschiedene Kraftempfindungen in Abhängigkeit von der speziellen Taste, die der Benutzer drückt, zu liefern, z. B. kann ein Motor eine Schusswaffen-Rückstoßkraft auf dem Benutzerobjekt vorsehen, ein anderer Motor kann eine Schwingungskraft eines Fahrzeugs vorsehen, usw. Viele Kombinationen von Tasten- oder anderen Steuerungsaktivierungen und verschiedene Motorkräfte können bereitgestellt werden.
Fig. 4c ist ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels 100 der "Rückstoß"- Schnittstellenvorrichtung von Fig. 4a. Die Schnittstellenvorrichtung 100 ist funktionaler als die Schnittstellenvorrichtung 80, da einfache Logikzustände vom Hauptrechner 12 als Steuersignal gesandt werden können, um die Kraftrückkopplung an der Schnittstellenvorrichtung 100 freizugeben oder zu sperren, um die Korrelation der Kraftrückkopplung mit vom Hauptrechner implementierten Spiel- oder Simulationsereignissen zu unterstützen. Die Potentiometer 86, die Tasten 88, der Motor 96, die Motorschnittstelle 94 und die Schalter 41 und 98 sind ähnlich den mit Bezug auf Fig. 4b beschriebenen äquivalenten Komponenten.
Wie hierin bezeichnet, beziehen sich die Begriffe "aktivieren" oder "deaktivieren", die auf die Stellglieder oder Reflexprozesse angewendet werden, auf die direkte Bewirkung, dass die Stellglieder eine Kraft ausgeben oder entfernen. Ein Aktivierungssignal bewirkt beispielsweise, dass das Stellglied eine Kraft ausgibt, wenn das Stellglied das Aktivierungssignal empfängt, und ein Deaktivierungssignal schaltet das Stellglied aus und/oder entfernt Ausgangskräfte (unter der Annahme, dass keine anderen Sperrsignale wirksam sind). Im Gegensatz dazu beziehen sich die Begriffe "freigeben" und "sperren" auf entweder das Zulassen oder nicht Zulassen, dass die Motoren durch andere Aktivierungs- oder Deaktivierungssignale gesteuert werden. Wenn beispielsweise ein Sperrsignal zur Stellgliedschnittstelle gesandt wurde, oder wenn die Stellglieder durch Öffnen des Rückstoßschalters 98 und Unterbrechen des Stroms gesperrt werden, gibt das Stellglied keine Kräfte aus, wenn ein Aktivierungssignal empfangen wird (oder zu irgendeiner anderen Zeit). Wenn ein Freigabesignal gesandt wird, können die Stellglieder Kräfte ausgeben, wenn ein Aktivierungssignal empfangen wird, und entfernen alle Kräfte, wenn ein Deaktivierungssignal empfangen wird. Ein Stellglied kann Kräfte ausgeben, wenn alle Freigabesignale auf "Freigabe" gesetzt sind und wenn ein Aktivierungssignal empfangen wird. Außerdem werden die Reflexprozesse hierin auch als "freigegeben" oder "gesperrt" bezeichnet, wobei gemeint ist, dass der Prozess der Ausgabe von Kräften als Reaktion auf lokale Ereignisse entweder wirksam (freigegeben) oder nicht wirksam (gesperrt) ist. Ein Rückstoßreflexprozess, der gesperrt ist, bedeutet beispielsweise, dass der Prozess der Ausgabe von Kräften als Reaktion auf den Benutzer, der eine Taste drückt, nicht: wirksam ist.
Die Schnittstellenvorrichtung 100 umfasst einen Auswahlblock 102, der mit einer Steuersignalleitung 104 von einer Taste auf der Schnittstellenvorrichtung gekoppelt ist. Außerdem ist eine Hauptrechnerleitung 106 (oder mehrere Hauptrechnerleitungen in alternativen Ausführungsbeispielen) mit dem Auswahlblock 102 von einem parallelen Bus 105, der mit dem Hauptrechner 12 verbunden ist, gekoppelt. Die Hauptrechnerleitung 106 wird vom Hauptrechner verwendet, um den Motor 96 freizugeben oder zu sperren. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Leitung 106 mit einem seriellen Anschluss des Hauptrechners 12 verbunden, der bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als paralleler Anschluss verwendet wird. Ein RS-232- Anschluss des Hauptrechners kann beispielsweise mit dem parallelen Bus 105 gekoppelt sein. Die DTR-Leitung der RS- 232-Schnittstelle kann als parallele Leitung verwendet werden, die ein Signal mit niedrigem oder hohem Pegel überträgt. Diese DTR-Leitung wäre die Hauptrechnerleitung 106, die zum Freigeben oder Sperren der Stellglieder verwendet wird. Andere Leitungen der RS-232-Schnittstelle könnten ebenfalls verwendet werden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel behandelt somit die serielle RS-232- Schnittstelle als parallele Schnittstelle und benötigt keinen UART oder andere seriellen Unterstützungschips, was folglich die Kosten der Vorrichtung 100 signifikant verringert. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können andere Schnittstellen verwendet werden. Ein paralleler Bus 105 kann beispielsweise mit einem parallelen Standardanschluss des Hauptrechners 12 gekoppelt sein.
Der Auswahlblock 102 gibt ein Impulssignal auf der Steuerleitung 108 aus, um den Motor 96 zu aktivieren, wenn die Taste ein Aktivierungssignal auf der Leitung 104 sendet und wenn der Hauptrechner ein Freigabesignal auf der Leitung 106 sendet. Wenn eines dieser Signale nicht auf einem hohen zustand (oder äquivalent) liegt, kann der Motor nicht aktiviert werden. Der Auswahlblock 102 kann auf mehrere mögliche Arten implementiert werden. Fig. 4d stellt beispielsweise ein Funktionsdiagramm dar, in dem die Tastenleitung 104, die Hauptrechnerleitung 106 und eine Leitung von einem Takt-/Impulsgenerator 90 Eingänge in ein UND-Gatter 110 sind und das Ausgangssignal des UND-Gatters 110 als Steuersignal auf der Leitung 108 zur Motorschnittstelle 94 geliefert wird. Fig. 4e stellt ein alternatives Diagramm dar, in dem die Tastenleitung 104 in einen getriggerten Impulsgenerator 90 eingeführt wird, welcher einer. Impuls (oder Impulse) ausgibt, wenn ein Signal empfangen wird, das anzeigt, dass eine Taste vom Benutzer gedrückt wurde. Das Ausgangssignal des getriggerten Impulsgenerators 90 und die Freigabeleitung 106 vom Hauptrechner 12 werden in ein UND-Gatter 110 eingeführt, das das Steuersignal auf der Leitung 108 zum Motor 94 ausgibt, wenn beide Eingangssignale auf einem hohen Pegel liegen.
Die Freigabeleitung 106 vom Hauptrechner kann als direkte Leitung von einem seriellen oder anderen Anschluss des Hauptrechners oder als Mehrleitungsbus 105 mit mehr Informationen implementiert werden. Der Bus 105 kann beispielsweise separate Leitungen für einen Takt, Daten und ein Löschsignal enthalten, die in einen Zwischenspeicher vom Hauptrechner 12 eingespeist werden, und das Ausgangssignal des Zwischenspeichers kann als Leitung 106 mit dem Auswahlblock gekoppelt werden. Der Zwischenspeicher würde das Freigabesignal liefern, wenn sich das Taktsignal auf einen hohen Zustand ändert, was somit ermöglicht, dass der Hauptrechner steuert, wann das Freigabesignal gesandt wird, unter Verwendung einer synchronen Datenübertragung.
Die Schnittstellenvorrichtung 100 ist insofern ähnlich der Rückstoß-Schnittstellenvorrichtung von Fig. 4b, dass, wenn ein Benutzer eine festgelegte Taste drückt, durch den Motor 96 eine Kraftrückkopplung auf das Benutzerobjekt 34 aufgebracht wird. Die Vorrichtung 100 umfasst jedoch auch eine Freigabeleitung 106 vom Hauptrechner, welche ermöglicht, dass der Hauptrechner festlegt, wann der Motor aktiviert werden kann. Die Freigabeleitung 106 ermöglicht nicht, dass der Hauptrechner gewünschte Kräfte befiehlt, sondern ermöglicht nur, dass der Hauptrechner auswählt, wann der Benutzer die Kraft durch Drücken einer Taste aktivieren kann (was somit den Reflexprozess freigibt/sperrt).
Die Freigabeleitung 106 ermöglicht, dass der Softwareprozess, der im Hauptrechner abläuft, besser mit der Kraftrückkopplung koordiniert wird. Wenn beispielsweise dem Benutzerspieler bei einem Videospiel die Munition für eine gesteuerte Schusswaffe ausgeht, kann der Hauptrechner ein Sperrsignal zum Auswahlblock 102 senden, das den Motor 96 ungeachtet des Zustands der Taste 88 sofort deaktiviert. Wenn der Benutzerspieler sich in einer Situation befindet, in der eine Kraftrückkopplung aufgebracht werden kann, beispielsweise wenn der Benutzer in einem Spiel mehr Munition aufnimmt, kann der Hauptrechner ebenso ein Freigabesignal auf der Leitung 106 senden, das den Motor eine Kraft ausgeben lässt, wenn der Benutzer die Taste 88 anwählt. Dies ist eine Verbesserung bei der Koordinierung von Kräften mit einer Hauptrechneranwendung gegenüber dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4b, da bei diesem Ausführungsbeispiel ein Benutzer die Stellglieder mit dem Rückstoßschalter 98 manuell sperren musste. Diese Konfiguration ist fast so kostengünstig und einfach wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 4b, obwohl es einen größeren Grad an Realismus und Koordination der Kraftrückkopplung mit einer anderen visuellen und akustischen Rückkopplung im Hauptrechner 12 ermöglicht. Nur eine einzelne Leitung 106 ist erforderlich, damit der Hauptrechner die Kraftrückkopplung gemäß Spiel- oder Simulationsereignissen deaktivieren kann. Der Benutzer kann auch ähnlich dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4b den Schalter 94 "Rückstoß aktiv" öffnen oder schließen, um den Motor freizugeben oder zu sperren.
Fig. 4f ist ein drittes Ausführungsbeispiel 114 der Rückstoß-Schnittstellenvorrichtung von Fig. 4a, bei der entweder ein Tastendruck oder ein Steuersignal vom Hauptrechner bewirken kann, dass eine Kraftrückkopplung auf das Benutzerobjekt 34 ausgegeben wird. Die Schnittstellenvorrichtung 114 umfasst einen Steuerhebel 84, Potentiometer 86, Tasten 88, einen Motor 96, eine Motorschnittstelle 94 und Schalter 41 und 98, die ähnlich den mit Bezug auf Fig. 4b beschriebenen äquivalenten Komponenten sind. Die Vorrichtung 114 umfasst auch einen Auswahlblock 102, in den Leitungen 104 und 106 eingeführt werden und der im wesentlichen ähnlich dem bei Fig. 4c beschriebenen Auswahlblock 102 ist.
Die Schnittstellenvorrichtung 114 umfasst zusätzlich ein ODER-Gatter 116 oder das funktionale Äquivalent. Das ODER- Gatter 116 weist zwei Eingangsleitungen auf, eine Leitung 118 vom Auswahlblock 102 und eine separate Aktivierungsleitung 120 vom parallelen Bus 105, welcher mit dem Hauptrechner gekoppelt ist. Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 116 wird in die Motorschnittstelle 94 eingekoppelt. Das ODER-Gatter ermöglicht, dass der Hauptrechner den Motor 96 unter Verwendung eines Aktivierungssignals auf der Aktivierungsleitung 120 ungeachtet dessen, ob ein Benutzer irgendwelche Tasten drückt, aktiviert. Diese Aktivierung des Motors 96 ist einfach das Ein- oder Ausschalten des Motors unter Verwendung des Impulsgenerators 90, d. h. der Impulsgenerator sendet ein vorbestimmtes PWM-Signal oder einen anderen Befehl zum Stellglied aus, um eine vorbestimmte Kraftempfindung, wie z. B. eine Schwingung, einen Ruck usw., zu implementieren. Der Hauptrechner sendet vorzugsweise nicht tatsächliche Kraftwerte oder steuert die Kräfte des Motors 96 direkt und kann somit die Größe der Ausgangskräfte nicht ändern. Der Bus 105 kann eine parallele Standardanschlussschnittstelle vom Hauptrechner sein oder der Bus kann ein serieller Anschluss sein, der verwendet wird, um serielle Signale zu übertragen, wie vorstehend erläutert.
Der Hauptrechner sendet das Aktivierungssignal, um die Kraftrückkopplung mit Ereignissen zu koordinieren, die innerhalb eines computerimplementierten Prozesses oder Anwendungsprogramms auftreten. Wenn beispielsweise eine Explosion ein Fahrzeug erschüttert, das der Benutzer in einem Videospiel oder einer Simulation steuert, kann der Hauptrechner der Schnittstellenvorrichtung 114 signalisieren, eine Kraftrückkopplung auf das Benutzerobjekt 34 auszugeben, ohne Rücksicht auf die Tasten, die der Benutzer drückt. Dies fügt eine weitere Funktionalität gegenüber dem Ausführungsbeispiel 100 von Fig. 4c hinzu, bei dem der Hauptrechner nur die Kraftrückkopplung freigeben oder sperren konnte und sie nicht aktivieren konnte; bei diesem Ausführungsbeispiel konnten Kräfte, die durch Explosionen oder andere Ereignisse ausgelöst wurden, welche dem Benutzer passieren, nicht bereitgestellt werden. Die Schnittstellenvorrichtung 114 stellt somit einen noch größeren Realismus bei der Kraftrückkopplung als die Ausführungsbeispiele der Fig. 4b und 4c und eine Koordination mit dem im Hauptrechner 12 implementierten Prozess bereit, da der Hauptrechner die Stellglieder auf zwei Arten steuern kann: entweder Freigeben oder Sperren der Sperrglieder unter Verwendung der Steuerleitung 104, wobei er jedoch den Benutzer die Kraftrückkopplung mit einer Taste auslösen lässt; oder durch unabhängiges Auslösen der Kraftrückkopplung ungeachtet des Zustands der Taste. Trotz der hinzugefügten Funktionalität bleibt die Schnittstellenvorrichtung 110 kostengünstig und einfach, wobei nur eine kleine Anzahl von Leitungen vom Hauptrechner zum Steuern der Kraftrückkopplung erforderlich ist und kein lokaler Mikroprozessor 26 erforderlich ist. Der Nachteil der Ausführungsbeispiele 100 und 114 besteht darin, dass eine spezielle Software erforderlich ist, damit der Hauptrechner 12 Freigabe- und Aktivierungsbefehle an die Schnittstellenvorrichtung 14 ausgibt.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Leitungen des Busses 105 für eine zusätzliche Funktionalität verwendet werden. Eine weitere Leitung, wie z. B. die CTS-Leitung einer RS-232-Schnittstelle (die normalerweise für Bestätigungssignale in einer seriellen Schnittstelle verwendet wird, aber hierin als Leitung in einer parallelen Schnittstelle verwendet wird), kann beispielsweise als "Achsenauswahlleitung" verwendet werden, um spezielle Achsen oder Freiheitsgrade auszuwählen, in denen die Kraft aufgebracht werden soll. Ein Signal mit hohem Pegel auf der Achsenauswahlleitung könnte anzeigen, dass Kräfte sowohl in der Vorwärts/Rückwärts- als auch der Links/Rechts-Achse eines Steuerhebels (d. h. zwei Motoren) aufgebracht werden sollen, während ein Signal mit niedrigem Pegel anzeigen könnte, dass nur ein Motor für die Links/Rechts-Achse aktiviert werden soll. Ebenso kann eine zusätzliche Leitung (oder Leitungen) im Bus 105 verwendet werden, um zu ermöglichen, dass der Hauptrechner eine Richtung der Kräfte in einem speziellen Freiheitsgrad befiehlt. Zusätzliche Leitungen können ebenfalls verwendet werden, um andere Motorausgabekonfigurationen auszuwählen. Die Vorrichtung 114 kann auch eine zusätzliche Leitung im parallelen Bus 105 enthalten, die als Freigabeleitung 104 von Fig. 4c verwendet werden soll. Beispielsweise kann in der RS-232-Schnittstelle die DTR-Leitung als Freigabeleitung 104 verwendet werden und die TxD-Leitung der RS-232-Schnittstelle kann als Aktivierungsleitung 120 verwendet werden. Die RxD-Leitung kann als "Lebensleitung" verwendet werden, um zu ermöglichen, dass der Mikroprozessor oder Hauptrechner überwacht, ob der Bus abgetrennt wurde, wie vorstehend beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die RS-232-Schnittstelle drei Leitungen aufweist, die aus dem Hauptrechner ausgehen, und somit maximal drei Leitungen als parallele Signalleitungen im Bus 105 zur Schnittstellenvorrichtung 114 verwendet werden können. Wenn zusätzliche Steuersignalleitungen erforderlich sind, kann das nachstehende Ausführungsbeispiel von Fig. 5 implementiert werden.
Eine TxD-Leitung kann auch verwendet werden, um komplexere Hauptrechnersignale zu senden, die eine gewünschte Kraftempfindung für den Benutzer vorsehen. In der RS-232- Schnittstelle kann beispielsweise eine Schrittgeschwindigkeit durch einen UART im Hauptrechner 12 festgelegt werden, um eine Geschwindigkeit zur Datenübertragung festzulegen. Daten können als hohe oder niedrige Bits auf der TxD-Leitung mit der festgelegten Schrittgeschwindigkeit gesandt werden, um die Motoren 96 mit der gewünschten Geschwindigkeit ein- und auszuschalten. Beispielsweise kann ein als 01010101 festgelegtes Byte auf der Leitung TxD mit einer Schrittgeschwindigkeit von 9600 Bits geliefert werden, so dass jedes Bit 1/9600 = 10 ms währt. Da jedes "1"-Bit das Stellglied aktiviert und jedes "0"-Bit das Stellglied deaktiviert, ergibt sich eine Kraftempfindung einer Schwingung. Die Frequenz der Schwingung kann durch Ändern der Werte oder des Musters der gesandten Bits und/oder durch Ändern der Schrittgeschwindigkeit eingestellt werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Impulsbreitenmodulationssignal (PWM) auf der TxD-Leitung gesandt werden, um die Stellglieder 30 ähnlich wie vorstehend beschrieben zu steuern.
Andere Schnittstellen, wie z. B. der parallele Standardanschluss des Hauptrechners 12, können alternativ verwendet werden, um verschiedene parallele Steuersignale vom Hauptrechner zur Schnittstellenvorrichtung zu liefern. Wenn alternativ eine Videospielkonsole als Hauptrechner 12 verwendet werden würde, können die parallelen Leitungen des Steueranschlusses der Spielkonsole verwendet werden, wie z. B. die TL-, TR- und TL-Leitungen des Steueranschlusses der Sega Saturn.
Es sollte beachtet werden, dass diese parallelen Leitungen sehr wenig Verarbeitung vom Hauptrechner benötigen und sehr wenig Datenübertragungsbandbreite benötigen, aber dennoch eine beträchtliche Funktionalität bei der Korrelation der Kraftrückkopplung der Schnittstellenvorrichtung 14 mit Anwendungsereignissen, die vom Hauptrechner implementiert werden, hinzufügen. Außerdem können alle Ausführungsbeispiele der Fig. 4b-4f als Standard- Steuerhebel ohne Kraftrückkopplung oder andere Peripheriegeräte verwendet werden, die einen Standard- Spielanschluss an Computern oder äquivalente Anschlüsse an anderen Computern oder Videospielkonsolen verwenden.
Fig. 5, die in den Fig. 5a, 5b und 5c einzeln dargestellt ist, ist ein schematisches Diagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels 130 der Schnittstellenvorrichtung 14, wobei der Mikroprozessor 26 nicht in der Schnittstellenvorrichtung verwendet wird und wobei der Hauptrechner 12 von den Stellgliedern 30 ausgegebene Kräfte effektiver steuern kann. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet keine Hauptrechnerbefehle hoher Ebene, die bei dem Ausführungsbeispiel 80 von Fig. 3 verwendet werden können, dennoch liefert dieses Ausführungsbeispiel mehr Steuersignale zur Schnittstellenvorrichtung 14 als die Ausführungsbeispiele der Fig. 4a-4f.
Die Schnittstellenvorrichtung 130 umfasst einen seriellen Schnittstellenbus 24 und einen Spielanschluss- Schnittstellenbus 25 (nicht dargestellt). Der Spielanschluss-Schnittstellenbus (oder das Äquivalent) ist ähnlich dem Bus 25 von Fig. 3 und ist mit Potentiometern oder ähnlichen Sensoren, wie vorstehend beschrieben, gekoppelt, um Positionsdaten in vorgesehenen Freiheitsgraden des Benutzerobjekts 34 über einen Spielanschluss zum Hauptrechner zu liefern. Bei dem beschriebenen. Ausführungsbeispiel ist der Schnittstellenbus 24 mit einem seriellen Anschluss am Hauptrechner 12 gekoppelt, wie z. B. einem RS-232-Anschluss oder einer ähnlichen Schnittstelle. Alternativ können andere Schnittstellen, wie z. B. die Steueranschluss-Schnittstelle einer Videospielkonsole, verwendet werden.
Der Schnittstellenbus 24 wird vorzugsweise verwendet, um Hauptrechner-Steuersignale und/oder Hauptrechnerbefehle seriell zur Schnittstellenvorrichtung 130 zu übertragen. Die zur seriellen Übertragung verwendeten Standard-RS-232- Signalleitungen weisen jedoch vorzugsweise eine veränderte Funktionalität auf. Die Signalleitung TxD wird typischerweise in der RS-232-Schnittstelle verwendet, um Daten in serieller Weise zu übertragen, und die Leitungen DTR, DSR und RTS werden typischerweise verwendet, um Bestätigungssignale zu und von einem Peripheriegerät zu senden und zu empfangen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Leitung DTR statt dessen verwendet, um Daten seriell zu übertragen, und die Leitungen TxD und RTS werden als parallele Ausgangssteuerleitungen mit hohen und niedrigen Zuständen verwendet, um zu ermöglichen, dass der Hauptrechner Funktionen der Schnittstellenvorrichtung freigibt und sperrt und Kräfte steuert. Die DSR-Leitung wird verwendet, um Informationen zum Hauptrechner zurückzuliefern. Somit wird der serielle Schnittstellenbus 24 sowohl als serieller Bus verwendet, wenn Befehle über die Leitung DTR übertragen werden, als auch als paralleler Bus verwendet, wenn die Steuerleitungen TxD, RTS und DSR verwendet werden.
Die DTR-Leitung 132 überträgt Hauptrechnerbefehle niedriger Ebene seriell vom Hauptrechner zur Schnittstellenvorrichtung 130. Die DTR-Leitung 132 läuft in den Pegelumsetzer 134, der die RS-232-Signalspannung auf eine geeignete Logikspannung umsetzt und die seriellen Daten an ein erstes Schieberegister 136 ausgibt. Das Schieberegister 136 empfängt das serielle Signal an einem DSA-Anschluss und wandelt die serielle Information in parallele Bits auf einem parallelen 8-Bit-Bus 138 um. Der parallele Bus 138 ist mit Eingangsanschlüssen P0-P7 eines Adressenvergleichers 140 gekoppelt. Ein Bus 139 ist auch mit den sechs Bitleitungen des parallelen Busses 138 zwischen den Leitungen für das höchstwertige und das niedrigstwertige Bit gekoppelt. Der Bus 139 ist mit Eingangsanschlüssen eines Chips mit einer programmierbaren Matrixlogik (PAL) 142 gekoppelt. Außerdem ist die Leitung 141 für das höchstwertige Bit (MSB) des parallelen Busses 138 mit dem DSA-Eingangsanschluss eines zweiten Schieberegisters 144 gekoppelt. Das zweite Schieberegister 144 wandelt die Eingangsinformation auf der Leitung 141 in parallele Bits um, die auf dem parallelen 8-Bit-Bus 146 ausgegeben werden. Der Bus 146 ist mit einem Logikvergleicher 140 an Eingangsanschlüssen Q0-Q7 gekoppelt.
Die Schieberegister 136 und 144 und der Vergleicher 140 stellen eine Schaltung bereit zum Feststellen, wenn ein neues Byte (eigentlich sechs Bits) von Daten empfangen wurde und zur Verarbeitung durch die PAL 142 bereit ist. Die Schieberegister 136 und 144 sind derart in Reihe geschaltet, dass das Schieberegister 144 die aus dem Schieberegister 136 herausgeschobenen Bits empfängt. Die Ausgangsbytes auf den parallelen Bussen 138 und 146 werden vom Vergleicher 140 verglichen. Wenn die zwei Bytes identisch sind, wurde ein neues Byte vollständig eingeschoben und ist zur Verarbeitung durch die PAL 142 bereit.
Um festzustellen, wann ein volles neues Byte eingegeben wurde, werden das höchstwertige Bit und das niedrigstwertige Bit eines Eingangsbytes als "Gleichheitsprüfbits" vorgesehen. Die Gleichheitsprüfbits werden verwendet, um zu prüfen, wann das neue Byte in die Schieberegister 136 und 144 geschoben wurde, und kann entweder ein 1 (hoher) Wert oder ein 0 (niedriger) Wert sein. Der Hauptrechner 12 fügt vorzugsweise ein Paar von Gleichheitsprüfbits um alle 6 Datenbits ein, die er seriell auf der DTR-Leitung 132 überträgt. Der Prozess des Verschiebens von seriellen Daten in den zwei Schieberegistern wird mit Bezug auf Tabelle 1 nachstehend beschrieben. TABELLE 1
Tabelle 1 zeigt die Ausgangssignale Q0-Q7 der Schieberegister 136 und 144 in verschiedenen Stufen (a)- (h), wenn Datenbits vom seriellen Datenstrom auf der DTR- Leitung 132 eingegeben werden. Das System beginnt in der Anfangsstufe (a), in der die Ausgangssignale Q0-Q7 des Registers 136 exakt mit den Ausgangssignalen Q0-Q7 des Registers 144 übereinstimmen. Wenn eine solche exakte Übereinstimmung auftritt und vom Vergleicher 140 auf den Bussen 138 und 146 gelesen wird, gibt der Vergleicher ein Signal mit niedrigem Pegel auf der Leitung 148 zur PAL 142 aus, welches anzeigt, dass ein gültiges, volles neues Byte eingeschoben wurde.
Das nächste Bit aus dem seriellen Datenstrom wird in der Stufe (b) in Q0 des Registers 136 eingeschoben. Dies ist ein Gleichheitsprüfbit, da es der Beginn eines neuen Datenbytes ist. Dieses Gleichheitsprüfbit wird absichtlich auf Null, das Gegenteil der Gleichheitsprüfbits der Stufe (a), gesetzt, so dass keine Übereinstimmung mit den vorherigen Bytes festgestellt wird. Die anderen Werte in den Schieberegistern wurden alle um eine Ausgabe nach rechts verschoben und das MSB (1), das in der Stufe (a) auf Q7 des zweiten Scheiberegisters war, wird verworfen.
In der Stufe (c) wurden drei weitere Bits Y5, Y4 und Y3 aus dem seriellen Datenstrom eingeschoben und die vorherigen Bits wurden drei Stellen nach rechts verschoben. Jedes dieser Bits kann entweder einen niedrigen oder einen hohen Wert aufweisen in Abhängigkeit davon, welche Befehle der Hauptrechner gesandt hat und wie die Bits interpretiert werden. In der Stufe (d) wurden drei weitere Bits Y2, Y1 und Y0 in das erste Schieberegister geschoben und die anderen Bits wurden entsprechend verschoben. In der Stufe (e) wird das letzte Gleichheitsprüfbit des neuen Datenbytes eingeschoben. Dieses Gleichheitsprüfbit wird absichtlich auf "0" gesetzt, so dass keine Übereinstimmung mit den Gleichheitsprüfbits des Bytes im zweiten Schieberegister auftritt.
Obwohl in der Stufe (e) ein volles neues Byte in das erste Register geschoben wurde, gibt es keine Übereinstimmung der Bits zwischen dem ersten und dem zweiten Register. Um wieder eine Übereinstimmungsbedingung herzustellen, verschiebt der Hauptrechner 12 in den Stufen (f)-(h) folglich dasselbe Datenbyte Y5-Y0 und die Gleichheitsprüfbits (0) in das erste Register. Bis zur Stufe (h) entsprechen sich die Bits der zwei Register nicht exakt. In der Stufe (h) entsprechen sich die Bits exakt, um eine Übereinstimmungsbedingung anzuzeigen, und der Vergleicher 140 gibt auf der Leitung 148 ein Signal aus, um der PAL 142 anzuzeigen, dass ein neues Byte vollständig eingeschoben und auf Gültigkeit geprüft wurde. Die PAL 142 verarbeitet dann die aktuellen Bits auf dem Bus 139 (d. h. die Bits Y5-Y0) als neues Eingangs-"Byte". Man beachte, dass die PAL 142 während des gesamten Schiebeprozesses ständig Bits auf dem Bus 139 empfängt, aber tatsächlich nur die eingehenden Daten verarbeitet, die vorliegen, wenn das Gültigkeitssignal auf der Leitung 148 empfangen wird. Neue Bytes im Datenstrom werden ebenso verglichen und von der PAL 142 verarbeitet, wenn sie bestätigt wurden. Man beachte, dass der Hauptrechner das Gleichheitsprüfbit des nächsten Bytes nach der Stufe (h) auf einen Wert von "1" umstellen sollte, so dass mit den vorliegenden Gleichheitsprüfbits von "0" keine Übereinstimmung auftritt.
Die PAL 142 kann die sechs Informationsbits auf verschiedene Weisen verarbeiten. Vorzugsweise ist eine Logik in der PAL 142 vorgesehen, um jedes eingehende Bit als Steuersignal oder "Steuerbit" zu verarbeiten, so dass effektiv sechs Steuersignale über den seriellen Bus empfangen werden. Die sechs Steuerleitungen sind eine Verbesserung gegenüber dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4f, welches nur zulässt, dass drei parallele Steuersignale über eine RS-232-Leitung gesandt werden, wie vorstehend erläutert. Der Hauptrechner kann somit eine größere Vielfalt von Parametern und Eigenschaften von Kräften unter Verwendung der größeren Anzahl von Steuerleitungen steuern. Jedes Steuerbit kann beispielsweise einen separaten Parameter steuern, wie z. B. ein Freigabesignal für die Stellglieder 30, ein Auswahlbit, das festlegt, welche Freiheitsgrade mit Kräften versehen werden sollen, oder ein Freigabesignal, um zu ermöglichen, dass die Tasten 39 Kräfte aktivieren. Die Tasten 39 geben vorzugsweise ein Signal auf der Leitung 145 in die PAL 142 ein, so dass die PAL direkt feststellen kann, wenn irgendeine der Tasten vom Benutzer gedrückt wurde. Wenn beispielsweise eine Taste gedrückt wurde, ein Gültigkeitssignal auf der Leitung 148 empfangen wurde und alle entsprechenden Freigabesignale vom Hauptrechner geliefert wurden, dann kann die PAL veranlassen, dass die Stellglieder auf das Benutzerobjekt 34 Kräfte ausgeben. Wenn irgendwelche dieser Bedingungen falsch sind, werden vorzugsweise keine Kräfte ausgegeben.
Die PAL umfasst die geeignete Logik, um die Steuerbits unter Verwendung der Ausgangsleitungen 143 zu den entsprechenden Komponenten in der Schnittstellenvorrichtung 130 zu senden, wie z. B. den Stellgliedern 30 und der Schnittstelle 36 oder einer anderen Logik. Ein Freigabesignal kann beispielsweise direkt von der PAL 142 zur Stellgliedschnittstelle 36 gesandt werden.
Alternativ können Hauptrechnerbefehle niedriger Ebene, wie z. B. tatsächliche Kraftwerte, vom Hauptrechner auf der seriellen DTR-Leitung 132 gesandt werden, um sie in durch die Stellglieder ausgegebene Kräfte umzuwandeln. Die PAL kann eine Logik enthalten, um die Befehle niedriger Ebene in Kraftwerte umzuwandeln und die Kraftwerte unter Verwendung der Ausgangsleitungen 143 zu den entsprechenden Komponenten in der Schnittstellenvorrichtung 130 zu senden, wie z. B. den Stellgliedern 30 und der Schnittstelle 36 oder einer anderen Logik. Einige der Leitungen des parallelen Busses 139 können als Steuerbits verwendet werden, während andere Leitungen verwendet werden können, um einen Kraftwert oder einen anderen Befehl niedriger Ebene zu liefern. Eine solche Logik für die PAL 142 kann unter Verwendung von Verfahren implementiert werden, die Fachleuten gut bekannt sind.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Leitungen im Bus 139 enthalten sein, um zusätzliche Steuerbits zur PAL 142 zu liefern. Auch zusätzliche Schieberegister können bei alternativen Ausführungsbeispielen hinzugefügt werden, wie z. B. ein Schieberegister 150. Das Register 150 ist mit dem zweiten Schieberegister 144 in Reihe geschaltet und empfängt das höchstwertige Bit vom zweiten Schieberegister. Unter Verwendung des Schieberegisters 150 und/oder zusätzlichen Schieberegistern können mehr eingehende Datenbits auf einmal zur PAL gesandt werden, was folglich mehr Steuerleitungen zur Schnittstellenvorrichtung 130 und/oder eine Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit der Eingangs-Hauptrechnerbefehle vorsieht. Zusätzliche Schieberegister, wie z. B. das Register 150, können Bits direkt zur PAL 142 ausgeben; beispielsweise gibt das Schieberegister 150 Bits zur PAL 142 auf dem Bus 151 ähnlich den Bits auf dem parallelen Bus 139 aus. Da das erste und das zweite Schieberegister 136 und 144 prüfen können, wann neue Bytes eingeschoben wurden, müssen die zusätzlichen Schieberegister nicht ihre Bytes mit den Bytes der anderen Schieberegister vergleichen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können Speicherschieberegister verwendet werden. Die Zwischenspeicher an den Ausgängen solcher Schieberegister können die Werte halten, bis alle Werte eingeschoben wurden, und dann die parallelen Daten aussenden. Nur ein solches Schieberegister muss vorgesehen sein, um die sechs Steuerbits zur PAL 142 zu senden. Die Speicherschieberegister benötigen jedoch auch ein zusätzliches Speichertaktsignal zum Speichern der Daten. Eine der Leitungen der RS-232-Schnittstelle kann als Speichertaktsignal verwendet werden, wie z. B. das TxD- Signal. Da jedoch das TxD-Signal bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise für eine andere Funktionalität verwendet wird (wie nachstehend beschrieben), ist keine zweckmäßige Leitung zur Verwendung als Speichertaktleitung in einer RS-232-Schnittstelle verfügbar. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel mit dem Gleichheitsprüf-Schieberegister ist daher geeigneter für das beschriebene Ausführungsbeispiel und ist auch preisgünstiger als ein Ausführungsbeispiel mit Speicherschieberegister. Bei anderen Ausführungsbeispielen, die einen anderen, Nicht-RS-232-Schnittstellenbus 24 verwenden, können Speicherschieberegister geeigneter sein.
Der Hauptrechner 12 sendet auch Signale auf der TxD-Leitung 155 zur Schnittstellenvorrichtung 130. Der Pegelumsetzer 154 empfängt die TxD-Leitung 155 vom RS-232- Schnittstellenbus 24. Die TxD-Leitung 155 läuft in die PAL 142 und wird verwendet, um die Motoren freizugeben oder zu aktivieren, ähnlich dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4c und 3c. Die TxD-Leitung 155 kann auch verwendet werden, um komplexere Hauptrechnersignale zu senden, die eine gewünschte Kraftempfindung für den Benutzer bereitstellen. Beispielsweise kann eine Schrittgeschwindigkeit von einem UART im Hauptrechner 12 festgelegt werden, um eine Datenübertragungsrate festzulegen. Daten können als hohe oder niedrige Bits auf der TxD-Leitung mit der festgelegten Schrittgeschwindigkeit gesandt werden, um die Stellglieder 30 mit der gewünschten Geschwindigkeit ein- und auszuschalten, wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 4f beschrieben. Oder ein Impulsbreitenmodulationssignal (PWM) kann auf der TxD-Leitung 155 gesandt werden, um die Stellglieder 30 zu steuern, wie vorstehend beschrieben.
Die RTS-Leitung 152 läuft in den Pegelumsetzer 134 und wird als Taktsignal für die Schieberegister 136 und 144 (und 150, falls vorhanden) vorgesehen, um die Geschwindigkeit zur Verschiebung der Eingangsbits und zum Liefern derselben zur PAL 142 festzulegen. Das Taktsignal auf der RTS-Leitung wird vom Hauptrechner mit einer vorbestimmten Frequenz geliefert. Somit wird die RS-232-Schnittstelle in dem aktuellen Ausführungsbeispiel für eine synchrone serielle Übertragung anstelle der asynchronen seriellen Übertragung, für die sie normalerweise verwendet wird, benutzt.
Die DSR-Leitung 156 wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel als parallele Übertragungsleitung verwendet, um Informationen zum Hauptrechner 12 zu liefern. Vorzugsweise kann der Hauptrechner die DSR-Leitung 156 aus Sicherheits- und anderen Gründen, wie vorstehend beschrieben, verwenden, um zu bestätigen, dass die Schnittstellenvorrichtung 130 vorhanden ist und mit dem seriellen Schnittstellenbus 24 verbunden ist. Die DSR- Leitung 156 ist mit dem Ausgang Q0 des ersten Schieberegisters 136 gekoppelt und ist mit dem Pegelumsetzer 154 verbunden, um das Logikpegelsignal auf einen RS-232-Spannungspegel umzusetzen. Die Daten auf der DSR-Leitung 156 werden aus dem Pegelumsetzer 154 an den Hauptrechner 12 ausgegeben. Das Bit auf der Leitung 156 ändert sich, wenn serielle Daten in die Schieberegister auf der DTR-Leitung 132 eingetaktet werden, wie vorstehend beschrieben. Der Zustand der DSR-Leitung kann somit zum Hauptrechner über den Schnittstellenbus 24 zurückgetaktet werden. Um zu prüfen, ob die Schnittstellenvorrichtung 130 angeschlossen ist, kann der Hauptrechner die DSR-Leitung 156 lesen und die Daten-DTR-Leitung auf ein Bit des entgegengesetzten Zustands setzen. An diesem Punkt sollte sich die DSR-Leitung noch in ihrem ursprünglichen Zustand befinden. Der Hauptrechner würde dann einen Taktimpuls auf der RTS-Leitung liefern und prüfen, um festzustellen, dass sich die DSR-Leitung in denselben Zustand ändert wie die DTR-Leitung. Wenn dies der Fall ist, wurde die Verbindung zwischen dem Hauptrechner und der Schnittstellenvorrichtung bestätigt. Wenn die DTR-Leitung die Zustände nicht ändert, kann die Schnittstellenvorrichtung abgetrennt sein. Dieser Test kann für beide Zustände der DTR-Daten vorgesehen werden, um eine übereinstimmende Antwort zu prüfen.
Steuer-"Prüfschleifen"-Leitungen eines seriellen oder parallelen Anschlusses können vom Hauptrechner verwendet werden, um die Identität der Schnittstellenvorrichtung 130 zu überprüfen, insbesondere wenn kein Mikroprozessor 26 vorliegt, um ein Identifikationssignal für die Schnittstellenvorrichtung zu liefern. Vorzugsweise werden die Nicht-Standard-Ausgangs- und -Eingangsleitungen des Schnittstellenbusses so verwendet, dass die Schnittstellenvorrichtung nicht mit anderen Arten von Vorrichtungen verwechselt wird, die mit dem Hauptrechner verbunden sein können. Wenn der Hauptrechner beispielsweise feststellen möchte, welche Art Peripheriegerät an seinem seriellen Anschluss angeschlossen ist, kann der Hauptrechner ein Signal auf einer Ausgangsleitung aussenden und die Nicht-Standard-Eingangsleitung prüfen; wenn das gesandte Signal erfasst wird, dann weiß der Hauptrechner, dass die Schnittstellenvorrichtung 14 oder 130 angeschlossen ist. Dieses Merkmal kann auch in den Ausführungsbeispielen der Fig. 4a-4f uni in anderen Ausführungsbeispielen, die keinen Mikroprozessor 26 aufweisen, verwendet werden.
Es sollte beachtet werden, dass verschiedene und äquivalente Signale zu den vorstehend beschriebenen RS-232- Signalen in alternativen Ausführungsbeispielen der Schnittstellenvorrichtung 130 verwendet werden können. Beispielsweise können ebenso äquivalente Signale an RS-422- oder Videospiel-Schnittstellen verwendet werden.
Das Ausführungsbeispiel 130 der Schnittstellenvorrichtung besitzt verschiedene Vorteile. Da kein lokaler Mikroprozessor 26 oder UART in der Schnittstellenvorrichtung 130 erforderlich ist, werden die Kosten der Schnittstellenvorrichtung stark verringert. Die Implementierung eines seriellen Datenstroms ermöglicht, dass der Hauptrechner eine größere Anzahl von Steuersignalen sendet und eine viel stärkere Steuerung besitzt als in den Ausführungsbeispielen der Fig. 4a-4f. Viele weitere Arten von Befehlen können unter Verwendung der seriellen Schnittstelle vom Hauptrechner gesandt werden als die drei maximalen Befehle, die bei der Implementierung des parallelen Busses einer RS-232-Schnittstelle in den obigen "Rückstoß"-Ausführungsbeispielen möglich sind. Kraftwerte oder andere Befehle können auch vom Hauptrechner gesandt werden, um die Stellglieder besser zu steuern. Außerdem können die Logikkomponenten der Schnittstellenvorrichtung 130, die in Fig. 5 gezeigt sind, leicht auf einem einzelnen Chip bereitgestellt werden, der als ASIC oder FPGA implementiert ist. Dies ermöglicht, dass die Schaltkreise für die Schnittstellenvorrichtung 130 in hoher Menge bei sehr geringen Kosten hergestellt werden.
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das eine kostengünstige und kompakte Leistungsschaltung 158 der vorliegenden Erfindung darstellt, die zum Implementieren einer Kraftrückkopplung in der Schnittstellenvorrichtung 14 verwendet wird. Die Leistungsschaltung 158 umfasst einen Strombegrenzer 160, einen Kondensator 162 und einen wahlweisen Analog-Digital-Wandler 164. Der Motor 96 (oder eine andere Art aktives Stellglied) und die Motorschnittstelle 94 sind im wesentlichen ähnlich den bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2-5 beschriebenen äquivalenten Komponenten.
Eine Spannung V wird auf einer Leitung 159 geliefert. Die Leitung 159 kann eine Leitung sein, die mit einer Leistungsversorgung, wie z. B. der Leistungsversorgung 41, oder mit dem Leistungssignal einer Spielanschluss- Schnittstelle 25 verbunden ist. Die Leitung 159 kann auch mit einem Peripheriegerät-Schnittstellenanschluss von Videospielkonsolen, wie z. B. der Sega Saturn oder der Sony PlayStation, verbunden sein. Die Leitung 159 verläuft in den Strombegrenzer 160, der mit verschiedenen Komponenten, die Fachleuten gut bekannt sind, implementiert werden kann.
Der Strombegrenzer 160 begrenzt den Strom des Eingangsspannungssignals auf der Leitung 159 auf einen maximalen Strom von IGRENZ Dieser Strom wurde vorher so festgelegt, dass er der gewünschte Strom ist, um den Kondensator 162 aufzuladen, wie in Tabelle 2 nachstehend gezeigt.
Der Kondensator 162 ist zwischen einen Ausgang des Strombegrenzers 160 und die Erdung gekoppelt. Der Kondensator weist eine Kapazität C auf, die so ausgewählt wurde, dass die gewünschten Ladeeigenschaften vorgesehen werden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann C beispielsweise 2000 bis 10000 Mikrofarad betragen. Die Faktoren, die C und andere Komponentenwerte festlegen, werden nachstehend ausführlicher beschrieben. Der Kondensator 162 speichert die Energie vom strombegrenzten Signal auf der Leitung 161, bis er vollständig aufgeladen ist. Die Leitung 161 ist auch mit einem Vorspannungseingang eines Verstärkers 166 gekoppelt, der in einer Stellgliedschnittstelle 94 enthalten ist. Der Kondensator 162 und die Schaltung 166 des Verstärkers ("Treibers") sind derart konfiguriert, dass ermöglicht wird, dass der Kondensator 0 Leistung zum Verstärker liefert, um ein in den Verstärker eingegebenes Steuersignal zu verstärken.
Widerstände R1 und R2 sind zwischen den Ausgang des Strombegrenzers 160 und die Erdung gekoppelt. Ein wahlweiser A/D-Wandler 164 weist einen Eingang auf, der mit dem Knoten zwischen den Widerständen R1 und R2 gekoppelt ist, und weist einen Ausgang auf, der mit dem Mikroprozessor 26 gekoppelt ist. Der Mikroprozessor 26 empfängt das digitale Signal vom A/D-Wandler an einem analogen Eingangsanschluss. Der Mikroprozessor 26 sendet auch ein Motorsteuersignal auf der Leitung 163 aus, um den Motor 96 zu aktivieren, ähnlich den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die Leistungsschaltung 158 arbeitet folgendermaßen. Die Spannung V von der Leistungsversorgung wird wie vorstehend beschrieben durch den Strombegrenzer 160 begrenzt. Das begrenzte Spannungssignal wird auf der Leitung 161 ausgegeben und lädt den Kondensator C auf. Das strombegrenzte Spannungssignal wird auch zum A/D-Wandler 164 geliefert, welcher eine digitale Darstellung des Signals zum Mikroprozessor 26 liefert. Der Mikroprozessor überwacht dieses Signal, um den Stromladezustand des Kondensators 162 festzustellen; die Spannungsgröße zeigt die Menge der Ladung an, die im Kondensator gespeichert ist. Wenn genügend Leistung im Kondensator geladen wurde, um den Motor 96 anzutreiben, und wenn der Mikroprozessor festgestellt hat, dass es ein geeigneter Zeitpunkt ist, um Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 auszugeben, dann signalisiert der Mikroprozessor auf der Leitung 163, dass der Motor aktiviert wird. Das Aktivierungssignal vom Mikroprozessor 26 kann beispielsweise ein analoges Signal von einem D/A-Wandler im Mikroprozessor sein, oder könnte ein Impulsbreitenmodulationssignal (PWM) sein. Die Leistung im Kondensator wird zum Verstärker 166 geliefert und wird verwendet, um das Signal vom Mikroprozessor zu verstärken und den Motor 96 anzutreiben.
Die vorliegende Konfiguration der Leistungsschaltung bietet verschiedene Vorteile gegenüber Standard- Leistungsversorgungen des Standes der Technik, die zur Kraftrückkopplung verwendet werden. Es wurde festgestellt, dass sich die menschliche Wahrnehmung von Kraftempfindungen stark auf vorübergehende Kräfte anstatt auf konstante Kräfte konzentriert. Beispielsweise nimmt ein Mensch leicht eine Kraftänderung wahr, fühlt aber nicht so leicht eine stationäre, stetige Kraft. Wenn es hinsichtlich einer Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung erwünscht ist, dass eine starke Kraft an den Benutzer, der die Vorrichtung bedient, ausgegeben wird, dann ist eigentlich nur ein kurzer Kraftruck oder -impuls (d. h. eine Kraftänderung) erforderlich, damit der Benutzer dieser Kraft erfasst; das Aufrechterhalten einer kontinuierlichen Kraftgröße über die Zeit ist nicht so entscheidend, da der Benutzer diese konstante Kraft nicht so leicht erfasst, nachdem die Kraftänderung aufgetreten ist.
Diese menschliche Wahrnehmungsbedingung ist stark relevant für die vorliegende Leistungsschaltung. Unter Verwendung der im Kondensator 162 gespeicherten Energie für den Leistungsverstärker 166 kann für eine kurze Zeitdauer eine Kraftänderung erzeugt werden, indem der Kondensator seine Energie entlädt. Unter Verwendung der hinzugefügten Leistung vom Kondensator kann der Motor 96 eine stärkere Kraft ausgeben, als wenn die Leistungsversorgung 41 oder eine andere Quelle allein verwendet werden würde. Somit können starke Rucke oder andere Kraftempfindungen oberhalb des maximalen Kraftpegels der Leistungsversorgung der Schnittstellenvorrichtung vorgesehen werden. Diese Empfindungen müssen nicht sehr lang aufrechterhalten werden, da der Benutzer die Kraftänderung leichter spürt als irgendeine kontinuierliche stärkere Kraftausgabe, so dass dem Benutzer weisgemacht werden kann, dass eine stärkere Kraft ausgegeben wurde und weiter ausgegeben wird.
Dieser Betrieb kann insofern vorteilhaft sein, dass eine kleinere Leistungsversorgung verwendet werden kann, um die Motoren zu speisen. Die Kondensatorleistung kann für eine kurze Zeitdauer vorgesehen werden, um Kraftpegel zu erreichen, die so groß sind, wie eine größere Leistungsversorgung liefern würde. Eine kleinere Leistungsversorgung würde ermöglichen, dass die Schnittstellenvorrichtung viel kleiner, kostengünstiger und leichtgewichtig ist, was ideale Eigenschaften für Kraftrückkopplungsvorrichtungen sind, die für den Massenmarkt vorgesehen sind. Da eine solche kleinere Leistungsversorgung außerdem nur die Kräfte mit größerer Größe für kurze Zeitdauern anstatt kontinuierlich ausgegeben würde, wäre die Bedienung der Kraftrückkopplungsvorrichtung für den Benutzer sicherer.
Bei einem idealen Ausführungsbeispiel würde überhaupt keine Leistungsversorgung 41 erforderlich sein, wenn die Leistungsschaltung 158 verwendet wird. Die Leistung kann direkt aus dem Hauptrechner 12 über die Spielanschluss- Schnittstelle 25 oder eine andere Schnittstelle, die vom Hauptrechner Leistung liefert, wie z. B. eine USB- Schnittstelle, entnommen werden. Diese Leistung kann unter Verwendung des Kondensators 162 ergänzt werden, wenn Kräfte mit hoher Größe vom Motor 96 ausgegeben werden müssen. Die Beseitigung einer separaten Leistungsversorgung 41 ermöglicht, dass die Schnittstellenvorrichtung sehr viel kleiner und kostengünstiger hergestellt wird, ebenso wie dass sie für einen typischen Benutzer bequemer zu bedienen ist.
Da der Kondensator 162 seine Energie entlädt, wenn der Motor aktiviert wird, muss er wieder aufgeladen werden, bevor er wieder wirksam ist, um den Motor 96 zu speisen. Die Aufladezeit ist für die Konstruktion bedeutend, da der Mikroprozessor in der Frequenz und Steuerung von Kräften hinsichtlich dessen, wann der Kondensator bereit ist, Leistung zu Liefern, begrenzt ist. Mehrere verschiedene Kapazitäten C des Kondensators 162 und andere Parameter in der Schaltung wurden variiert, um effiziente Konfigurationen der Schaltung zu ermitteln.
Tabelle 2 zeigt Probeimpulsdauern und Wiederaufladezeiten für verschiedene Konfigurationen von Versorgungsspannungen, Strömen und Speicherkapazitäten (C). TABELLE 2 Konfigurationen
Tabelle 3 zeigt Probespeicherkapazitäten und Wiederaufladezeiten für verschiedene Versorgungsspannungen, Ströme und eine Impulsdauer. TABELLE 3 Konfigurationen
Wie in den Tabellen 2 und 3 gezeigt, kann ein Speicherkondensator genügend Leistung liefern, um eine bedeutende Erhöhung der ausgegebenen Kraftgröße vorzusehen. Wie in der Konfiguration 4 von Tabelle 1 gezeigt, kann beispielsweise ein Kondensator 162 mit 2000 uF einen Impulsstrom von 2000 mA liefern, um mit dem Motor 96 für 21 Millisekunden eine Ruckkraft zu erzeugen, wenn eine Leistungsversorgung von 24 V, 200 mA (Iss) verwendet wird. Dies ermöglicht eine Ruckkraft mit der 10fachen Größe von jener, die die Leistungsversorgung allein ausgeben könnte. Eine Ladezeit von 380 Millisekunden verzögert die Kraftrucke für viele Anwendungen nicht signifikant. Man beachte, dass viele verschiedenen Konfigurationen und/oder Werte der in den Tabellen 2 und 3 gezeigten Parameter verwendet werden können, und dass andere Parameter, die in den Tabellen nicht gezeigt sind, bei anderen Ausführungsbeispielen verändert werden können.
Unter Verwendung von zusätzlichen und/oder anderen Kondensatoren 162 sowie zusätzlichen und/oder anderen Leistungsversorgungen 41 können unter Verwendung einer Kombination von Kondensatorspeicherfähigkeiten und Leistungsversorgungs-Ausgangsleistungen eine Vielzahl von Dauern und Größen von Kräften erzeugt werden. Außerdem können mehrere Motoren der Schnittstellenvorrichtung 14 jeweils mit ihrer eigenen Kondensatorschaltung versehen werden, um Leistung für einen zweckbestimmten Motor zu liefern.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Mikroprozessor 26 aus der Schnittstellenvorrichtung 14 beseitigt werden. Die "Rückstoß"- Schnittstellenvorrichtungen der Fig. 4a-4f stellen beispielsweise eine Kraftrückkopplung ohne Verwendung des Mikroprozessors 26 bereit. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel muss der A/D-Wandler 164 nicht verwendet werden. Die Wiederaufladezeit kann abgeschätzt werden und der Motor kann beispielsweise unter Verwendung einer Zeitsteuerschaltung deaktiviert werden, bis der Kondensator vollständig aufgeladen ist. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen kann der Mikroprozessor 26 weggelassen werden und der A/D-Wandler 164 kann die umgewandelten digitalen Signale zum Hauptrechner 12 senden, welcher feststellt, wann der Kondensator voll aufgeladen ist, und ein Ausgangsaktivierungs- oder -freigabesignal zum Motor 96 sendet, wenn es zweckmäßig ist.
Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren 200 zum Steuern einer Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des Mikroprozessors 26, wie z. B. bei den mit Bezug auf Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Schnittstellenvorrichtungen, darstellt. Außerdem kann dieses Verfahren für einige Ausführungsbeispiele, die keinen Mikroprozessor 26 aufweisen, angepasst werden, wie z. B. die Rückstoß- Ausführungsbeispiele der Fig. 4a-4f oder das Ausführungsbeispiel 130 von Fig. 5. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können die Mikroprozessorschritte des Prozesses durch Logik- oder andere Komponenten implementiert werden, wie z. B. in der PAL 142 oder im Steuerblock 102.
Der Prozess von Fig. 7 eignet sich für Datenübertragungsschnittstellen mit geringer Geschwindigkeit, wie z. B. eine serielle Standard-RS-232- Schnittstelle. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 7 eignet sich jedoch auch für Datenübertragungsschnittstellen mit hoher Geschwindigkeit, wie z. B. USB, da der lokale Mikroprozessor den Hauptrechnerprozessor 16 von der Rechenlast befreit. Bei diesem Reflex-Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die langsamere Betriebsart des USB der "unterbrochenen Datenübertragung" verwendet werden.
Der Prozess von Fig. 7 beginnt bei 202. In Schritt 204 werden das Hauptrechnersystem 12 und die Schnittstellenvorrichtung 14 eingeschaltet, beispielsweise durch einen Benutzer, der Stromversorgungsschalter aktiviert. Nach Schritt 204 verzweigt sich der Prozess 200 in zwei parallele (simultane) Prozesse. Ein Prozess wird im Hauptrechnersystem 12 implementiert, und der andere Prozess wird im lokalen Mikroprozessor 26 implementiert. Diese zwei Prozesse verzweigen sich ab Schritt 204 in verschiedene Richtungen, um diese Simultanität anzuzeigen.
Bei dem Hauptrechnersystem-Prozess wird zuerst Schritt 206 implementiert, in dem ein Anwendungsprogramm verarbeitet oder aktualisiert wird. Diese Anwendung kann eine Simulation, ein Videospiel, ein wissenschaftliches Programm, ein Betriebssystem oder ein anderes Softwareprogramm sein. Bilder können für einen Benutzer auf einem Ausgabebildschirm 20 angezeigt werden und eine andere Rückkopplung kann dargestellt werden, wie z. B. eine akustische Rückkopplung.
Vom Schritt 206 gehen zwei Verzweigungen aus, um anzuzeigen, dass im Hauptrechnersystem 12 zwei Prozesse simultan ablaufen (z. B. Mehrprogrammbetrieb usw.). Bei einem der Prozesse wird Schritt 208 implementiert, wobei Sensordaten, die das Benutzerobjekt beschreiben, durch den Hauptrechner vom lokalen Mikroprozessor 26 empfangen werden. Der Lokale Prozessor 26 empfängt ständig Rohdaten von den Sensoren 28, verarbeitet die Rohdaten und sendet verarbeitete Sensordaten zum Hauptrechner 12. Alternativ sendet der lokale Prozessor 26 Rohdaten direkt zum Hauptrechnersystem 12. "Sensordaten", wie hierin bezeichnet, können Positionswerte, Geschwindigkeitswerte und/oder Beschleunigungswerte umfassen, die von den Sensoren 28 stammen, welche die Bewegung des Objekts 34 in einem oder mehreren Freiheitsgraden beschreiben. Außerdem können auch irgendwelche anderen Daten, die von anderen Eingabevorrichtungen 39 empfangen werden, in Schritt 208 als "Sensordaten" betrachtet werden, wie z. B. Signale, die anzeigen, dass eine Taste auf der Schnittstellenvorrichtung 14 vom Benutzer gedrückt wurde. Schließlich kann der Begriff "Sensordaten" auch ein Protokoll von Werten einschließen, wie z. B. Positionswerte, die vorher registriert und gespeichert wurden, um eine Geschwindigkeit zu berechnen.
Das Hauptrechnersystem 12 empfängt in Schritt 208 entweder Rohdaten (z. B. Positionsdaten und keine Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsdaten) oder verarbeitete Sensordaten (Positions-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsdaten) vom Mikroprozessor 26. Außerdem können irgendwelche anderen Sensordaten, die von anderen Eingabevorrichtungen 39 empfangen werden, auch durch das Hauptrechnersystem 12 vom Mikroprozessor 26 in Schritt 208 empfangen werden, wie z. B. Signale, die anzeigen, dass vom Benutzer eine Taste auf der Schnittstellenvorrichtung 14 gedrückt wurde. Der Hauptrechner muss in Schritt 208 keine Kraftwerte aus den empfangenen Sensordaten berechnen. Vielmehr überwacht der Hauptrechner 12 die Sensordaten, um festzustellen, wann eine Änderung der Art der Kraft erforderlich ist. Dies wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Natürlich verwendet der Hauptrechner 12 auch die Sensordaten als Eingabe für die Hauptrechneranwendung, um die Hauptrechneranwendung dementsprechend zu aktualisieren.
Nachdem in Schritt 208 die Sensordaten empfangen wurden, kehrt der Prozess zu Schritt 206 zurück, wo das Hauptrechnersystem 12 das Anwendungsprogramm als Reaktion auf die Benutzerbedienungen des Objekts 34 und irgendeine andere Benutzereingabe, die als Sensordaten in Schritt 208 empfangen wird, aktualisieren kann, ebenso wie er feststellen kann, ob in dem parallelen Prozess ein oder mehrere Kraftbefehle an das Objekt 34 ausgegeben werden müssen (Schritt 210). Schritt 208 wird in einer kontinuierlichen Schleife zum Empfangen von Sätzen von Sensordaten vom lokalen Prozessor 26 implementiert. Da der Hauptrechner nicht direkt Stellglieder auf der Basis der Sensordaten steuern muss, können die Sensordaten mit geringer Geschwindigkeit zum Hauptrechner geliefert werden. Da der Hauptrechner als Reaktion auf die Sensordaten die Hauptrechneranwendung aktualisiert und auf dem Bildschirm 20 abbildet, müssen die Sensordaten beispielsweise nur mit 60-80 Hz (den. Auffrischzyklus eines typischen Bildschirms) gelesen werden, im Vergleich zur viel höheren Geschwindigkeit von etwa 500-1000 Hz (oder mehr), die erforderlich wäre, um Kraftrückkopplungssignale direkt vom Hauptrechner realistisch zu steuern.
Die zweite Verzweigung vom Schritt 206 betrifft den Prozess des Hauptrechners, der Kraftbefehle hoher Ebene oder Überwachungskraftbefehle ("Hauptrechnerbefehle") festlegt, um eine Kraftrückkopplung für das vom Benutzer bediente Objekt 34 vorzusehen.
Die zweite Verzweigung beginnt mit Schritt 210, in dem das Hauptrechnersystem prüft, ob eine Änderung der Art der Kraft, die auf das Benutzerobjekt 34 aufgebracht wird, erforderlich ist. Die "Art" der Kraft soll sich als Oberbegriff auf verschiedene Kraftempfindungen, Dauern, Richtungen oder andere Eigenschaften von Kräften hoher Ebene oder Änderungen dieser Eigenschaften, die vom Hauptrechner gesteuert werden, beziehen. Eine Kraftempfindung oder ein Kraftprofil sind beispielsweise Arten von Kräften, die von einer speziellen Kraftroutine erzeugt werden, die der lokale Mikroprozessor 26 unabhängig vom Hauptrechner implementieren kann.
Der Hauptrechner 12 stellt fest, ob eine Änderung der Art der Kraft erforderlich ist, gemäß verschiedenen Kriterien, von denen das wichtigste die vom Hauptrechner 12 in Schritt 208 gelesenen Sensordaten sind, Zeitsteuerdaten, und der Implementierung oder "Ereignisse" des in Schritt 206 aktualisierten Anwendungsprogramms. Die in Schritt 208 gelesenen Sensordaten informieren den Hauptrechner, wie der Benutzer mit dem Anwendungsprogramm in Dialogverkehr steht und wann neue Arten von Kräften auf das Objekt aufgebracht werden sollten, auf der Basis der aktuellen Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Objekts. Die Benutzerbedienungen des Objekts 34 können verursacht haben, dass eine neue Art Kraft erforderlich ist. Wenn der Benutzer beispielsweise ein virtuelles Rennauto in einem Videospiel in einer virtuellen Schlammlache bewegt, sollte eine Dämpfungskraftart auf das Objekt 34 aufgebracht werden, solange sich das Rennauto innerhalb des Schlamms bewegt. Somit müssen Dämpfungskräfte kontinuierlich auf das Objekt aufgebracht werden, aber keine Änderung der Art der Kraft ist erforderlich. Wenn sich das Rennauto aus der Schlammlache herausbewegt, ist eine neue Kraftart (d. h. in diesem Fall eine Entfernung der Dämpfungskraft) erforderlich. Die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Benutzerobjekts kann auch beeinflussen, ob eine Kraftänderung auf dem Objekt erforderlich ist. Wenn der Benutzer einen Tennisschläger in einem Spiel steuert, kann die Geschwindigkeit eines Benutzerobjekt-Steuerhebels bestimmen, ob ein Tennisball getroffen wird, und somit, ob eine entsprechende Kraft auf den Steuerhebel aufgebracht werden sollte.
Andere Kriterien zum Festlegen, ob eine Änderung der Art der Kraft erforderlich ist, umfassen Ereignisse im Anwendungsprogramm. Ein Spielanwendungsprogramm kann beispielsweise (vielleicht willkürlich) bestimmen, dass ein anderes Objekt im Spiel mit einem vom Benutzer gesteuerten Computerobjekt zusammenstoßen wird, ungeachtet der Position des Benutzerobjekts 34. Kräfte sollten somit auf das Benutzerobjekt gemäß diesem Zusammenstoßereignis aufgebracht werden, um einen Aufprall zu simulieren. Eine Kraftart kann auf dem Benutzerobjekt in Abhängigkeit von einer Kombination solcher Ereignisse und den in Schritt 208 gelesenen Sensordaten erforderlich sein. Andere Parameter und Eingaben in das Anwendungsprogramm können bestimmen, ob eine Änderung der Kraft für das Benutzerobjekt erforderlich ist, wie z. B. andere Eingabevorrichtungen oder Benutzer- Schnittstellenvorrichtungen, die mit dem Hauptrechnersystem 12 verbunden sind, welche Daten in das Anwendungsprogramm eingeben (andere Schnittstellenvorrichtungen können direkt angeschlossen sein, entfernt über ein Netzwerk angeschlossen sein, usw.).
Wenn momentan keine Änderung der Art der Kraft in Schritt 210 erforderlich ist, dann kehrt der Prozess zu Schritt 206 zurück, um die Hauptrechneranwendung zu aktualisieren und zu Schritt 210 zurückzukehren, um wieder zu prüfen, bis eine solche Änderung der Kraftart erforderlich ist. Wenn eine solche Änderung erforderlich ist, wird Schritt 212 implementiert, in dem der Hauptrechner 12 einen geeigneten Hauptrechnerbefehl hoher Ebene zum Senden zum Mikroprozessor 26 festlegt. Die verfügbaren Hauptrechnerbefehle für den Hauptrechner 12 können jeweils einer zugehörigen Kraftroutine entsprechen, die vom Mikroprozessor 26 implementiert wird. Verschiedene Hauptrechnerbefehle zum Vorsehen einer Dämpfungskraft, einer Federkraft, einer Erdanziehungskraft, einer Kraft einer holperigen Oberfläche, einer Kraft eines virtuellen Hindernisses und anderer Kräfte können beispielsweise im Hauptrechner 12 verfügbar sein. Diese Hauptrechnerbefehle können auch eine Festlegung der speziellen Stellglieder 30 und/oder Freiheitsgrade beinhalten, die diese gewünschte Kraft auf das Objekt 34 aufbringen sollen. Die Hauptrechnerbefehle können auch andere Befehlsparameter- Informationen beinhalten, die die durch eine spezielle Kraftroutine erzeugte Kraft verändern könnten. Eine Dämpfungskonstante kann beispielsweise in einem Hauptrechnerbefehl enthalten sein, um eine gewünschte Menge einer Dämpfungskraft festzulegen, oder eine Kraftrichtung kann bereitgestellt werden. Der Hauptrechnerbefehl kann auch vorzugsweise die Reflexoperation des Prozessors 26 abschalten und Kraftbefehle "niedriger Ebene" enthalten, wie z. B. direkte Kraftwerte, die direkt zu den Stellgliedern 30 gesandt werden können (nachstehend mit Bezug auf Schritt 226 beschrieben).
Vorzugsweise umfassen die Befehle direkte Hauptrechnerbefehle, "Reflex"-Befehle und kundenspezifische Effekte. Einige erwünschte direkte Hauptrechnerbefehle umfassen RUCK (ein kurzer Kraftimpuls), WACKELN (willkürliche Kraft), FEDER (eine virtuelle Feder), DÄMPFER (eine Dämpfungskraft) und so weiter. Jeder Befehl umfasst vorzugsweise Parameter, die dem Hauptrechner helfen, die Eigenschaften der gewünschten Ausgangskraft festzulegen. Diese Befehle würden bewirken, dass der Mikroprozessor sofort die befohlene Kraft gemäß der entsprechend ausgewählten Kraftroutine ausgibt. "Reflex"-Befehle liefern im Gegensatz dazu Bedingungen zum Mikroprozessor, so dass die gewünschte Kraft ausgegeben wird, wenn die Bedingungen erfüllt werden. Beispielsweise kann ein Reflexbefehl von Ruck Taste Reflex den Mikroprozessor anweisen, eine Kraftroutine auszuwählen, die nur dann eine RUCK-Kraft ausgibt, wenn eine festgelegte Taste vom Benutzer gedrückt wird (oder wenn das Benutzerobjekt in eine spezielle Richtung bewegt wird). Schließlich können kundenspezifische Effekte vom Hauptrechner zum Mikroprozessor geliefert werden und dann deren Ausgabe befohlen werden. Der Hauptrechner kann beispielsweise zum Mikroprozessor einen Satz von Kraftwerten (ein Kraftprofil) als "Kraftprofildatei" oder eine andere Sammlung von Daten unter Verwendung des Hauptrechnerbefehls LADE_PROFIL übertragen, welche im lokalen Speicher 27 gespeichert werden kann. Ein separater Hauptrechnerbefehl SPIEL_PROFIL könnte dann gesandt werden, um dem Mikroprozessor zu befehlen, das übertragene Kraftprofil als Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 auszugeben. Reflexbefehle können auch verwendet werden, um zu veranlassen, dass das übertragene Profil nur ausgegeben wird, wenn eine Bedingung, wie z. B. ein Tastendruck, stattfindet. Vorzugsweise enthält eine Kraftprofildatei eine Matrix von Kraftwerten, Größeninformationen über die Größe der Daten und Zeitsteuerinformationen dafür, wann die verschiedenen Kraftwerte ausgegeben werden sollen (vorzugsweise weisen die Kraftwerte die Vorzeichen "+" oder "-" auf, um die Richtung der Kräfte anzugeben; alternativ können Richtungen separat angegeben werden). Zahlreiche Kraftprofildateien können zum Mikroprozessor übertragen werden, und der Mikroprozessor kann einen Index oder eine andere Information zurücksenden, um den Hauptrechner zu informieren, wie eine spezielle Kraftprofildatei auszuwählen ist. Kundenspezifische Effekte können auch über ein Computernetzwerk, wie z. B. das World Wide Web, übertragen werden, wie nachstehend beschrieben.
Im nächsten Schritt 214 sendet der Hauptrechner den Hauptrechnerbefehl über den Bus 24 (oder, falls geeignet, über den Bus 25) zum Mikroprozessor 26. Der Prozess kehrt dann zu Schritt 206 zurück, um die Hauptrechneranwendung zu aktualisieren und zu Schritt 210 zurückzukehren, um zu prüfen, ob eine weitere Kraftänderung erforderlich ist.
Außerdem synchronisiert der Hauptrechner 12 vorzugsweise irgendeine entsprechende visuelle Rückkopplung, akustische Rückkopplung oder eine andere zur Hauptrechneranwendung gehörende Rückkopplung mit der Ausgabe von Hauptrechnerbefehlen und dem Aufbringen von Kräften auf das Benutzerobjekt 34. Bei einer Videospielanwendung sollte beispielsweise das Einsetzen oder der Start von visuellen Ereignissen, wie z. B. ein Objekt, das mit dem Benutzer auf dem Bildschirm 20 zusammenstößt, mit dem Einsetzen oder Start von Kräften, die vom Benutzer wahrgenommen werden und die diesen visuellen Ereignissen entsprechen oder diese ergänzen, synchronisiert werden. Das Einsetzen der visuellen Ereignisse und Kraftereignisse geschieht vorzugsweise innerhalb von etwa 30 Millisekunden (ms) zueinander. Diese Zeitspanne ist die typische Grenze der menschlichen Wahrnehmungsfähigkeit, um die Ereignisse als simultan wahrzunehmen. Wenn die visuellen und Kraftereignisse außerhalb dieses Bereichs auftreten, dann kann gewöhnlich eine Zeitverzögerung zwischen den Ereignissen wahrgenommen werden. Ebenso wird die Ausgabe von Tonsignalen entsprechend dem Einsetzen von Tonereignissen in der Hauptrechneranwendung vorzugsweise synchron mit dem Einsetzen von Ausgangskräften, die diesen Tonereignissen entsprechen/diese ergänzen, ausgegeben. Wieder tritt das Einsetzen dieser Ereignisse vorzugsweise innerhalb von etwa 30 ms zueinander auf. Das Hauptrechnersystem 12 kann beispielsweise Töne einer Explosion aus den Lautsprechern 21 so zeitnah wie möglich zu den Kräften, die vom Benutzer von dieser Explosion bei einer Simulation gefühlt werden, ausgeben. Vorzugsweise steht die Lautstärke des Tons in direktem (im Gegensatz zum inversen) Verhältnis zur Größe der auf das Benutzerobjekt 34 aufgebrachten Kräfte. Während einer Simulation kann beispielsweise ein leiser Ton einer Explosion in weitem (virtuellen) Abstand eine kleine Kraft auf dem Benutzerobjekt 34 verursachen, während eine große, "nahe gelegene" Explosion bewirken könnte, dass ein lauter Ton durch die Lautsprecher ausgegeben wird und eine entsprechend große Kraft auf das Objekt 34 ausgegeben wird.
Die zweite Prozessverzweigung vom Schritt 204 wird vom lokalen Mikroprozessor 26 implementiert. Dieser Prozess beginnt mit Schritt 216 und wird parallel mit dem Hauptrechnerprozess der vorstehend beschriebenen Schritte 206-214 implementiert. In Schritt 216 wird die Schnittstellenvorrichtung 14 aktiviert. Beispielsweise können Signale zwischen dem Hauptrechner 12 und der Schnittstellenvorrichtung 14 gesandt werden, um zu bestätigen, dass die Schnittstellenvorrichtung nun aktiv ist und vom Hauptrechner 12 Befehle erhalten kann. Ab dem Schritt 216 verzweigen sich zwei Prozesse, um anzuzeigen, dass zwei Prozesse (z. B. Mehrprogrammbetrieb) im lokalen Mikroprozessor 26 simultan ablaufen.
In der ersten Prozessverzweigung wird Schritt 218 implementiert, in dem der Prozessor 26 Rohdaten (Sensormesswerte) von den Sensoren 28 liest. Solche Rohdaten umfassen vorzugsweise Positionswerte, die die Position des Benutzerobjekts entlang vorgesehener Freiheitsgrade beschreiben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 28 relative Sensoren, die Positionswerte liefern, welche die Positionsänderung seit der letzten gelesenen Position beschreiben. Der Prozessor 26 kann die absolute Position durch Messen der relativen Position ab einer festgelegten Bezugsposition ermitteln. Alternativ können absolute Sensoren verwendet werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Sensoren 28 Geschwindigkeitssensoren und Beschleunigungsmesser zum Liefern von Rohgeschwindigkeits- und -beschleunigungswerten des Objekts 34 umfassen. Die in Schritt 218 gelesenen Rohdaten können auch eine andere Eingabe umfassen, wie z. B. von einer aktivierten Taste oder einer anderen Steuerung 39 der Schnittstellenvorrichtung 14.
Bei anderen Ausführungsbeispielen, wie z. B. der Schnittstellenvorrichtung 50 von Fig. 3 und den Ausführungsbeispielen der Fig. 4a-f und 5, können entweder Rohdaten oder verarbeitete Sensordaten von den Sensoren 28 direkt zum Hauptrechner 12 gesandt werden, ohne dass sie vom Mikroprozessor 26 empfangen werden. Der Hauptrechner kann irgendeine Verarbeitung durchführen, die notwendig ist, um die Sensordaten in diesen Ausführungsbeispielen zu interpretieren, so dass irgendeiner oder alle der Schritte 218-221 nicht notwendig sein können.
Im nächsten Schritt 220 verarbeitet der Mikroprozessor 26 die empfangenen Rohdaten zu Sensordaten, wenn sie anwendbar sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst diese Verarbeitung zwei Schritte: Berechnen von Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungswerten aus Rohpositionsdaten (wenn eine Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung zum Berechnen von Kräften erforderlich ist), und Filtern der berechneten Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten. Die Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte werden aus den in Schritt 218 empfangenen Rohpositionsdaten und einem Protokoll von gespeicherten Positions- und Zeitwerten (und anderen Arten von Werten, falls geeignet) berechnet. Vorzugsweise speichert der Prozessor 26 eine Anzahl von Positionswerten und Zeitwerten, entsprechend dem, wann die Positionswerte empfangen wurden. Der Prozessor 26 kann beispielsweise den lokalen Takt 21 verwenden, um die Zeitsteuerdaten zu ermitteln. Die Geschwindigkeit und Beschleunigung können unter Verwendung der gespeicherten Positionsdaten und Zeitsteuerdaten berechnet werden, wie Fachleuten gut bekannt ist. Die berechneten Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungswerte können dann gefiltert werden, um Rauschen aus den Daten zu entfernen, wie z. B. große Spitzen, die sich bei Geschwindigkeitsberechnungen von schnellen Positionsänderungen des Objekts 34 ergeben können. Somit umfassen die Sensordaten bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und andere Eingangsdaten. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann eine Schaltung, die elektrisch mit dem Prozessor 26 gekoppelt ist, aber von diesem getrennt ist, die Rohdaten empfangen und die Geschwindigkeit und Beschleunigung ermitteln. Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder diskrete Logikschaltung kann beispielsweise Zähler oder dergleichen verwenden, um die Geschwindigkeit und Beschleunigung zu ermitteln, um Verarbeitungszeit im Mikroprozessor 26 zu sparen. Bei Ausführungsbeispielen, wo Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungssensoren verwendet werden, wird die Berechnung der Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung weggelassen.
Im nächsten Schritt 221 sendet der Prozessor 26 die verarbeiteten Sensordaten zum Hauptrechner 12 und speichert auch Protokolle der Sensordaten in Speichervorrichtungen, wie z. B. dem Speicher 27, zum Berechnen von Kräften. Der Prozess kehrt dann zu Schritt 218 zurück, um Rohdaten zu lesen. Die Schritte 218, 220 und 221 werden somit kontinuierlich implementiert, um aktuelle Sensordaten zum Prozessor 26 und zum Hauptrechner 12 zu liefern.
Die zweite Verzweigung von Schritt 216 betrifft einen "Reflexprozess" oder "Reflex", bei dem der Mikroprozessor 26 die Stellglieder 30 steuert, um Kräfte auf das Objekt 34 aufzubringen. Wie vorstehend erwähnt, ist ein "Reflexprozess" ein Kraftprozess, der Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 ausgibt und lokal zur Schnittstellenvorrichtung 14 implementiert wird, vom Hauptrechner 12 unabhängig ist und nur von lokalen Steuerereignissen, wie z. B. Tasten, die gedrückt werden, oder einem Benutzerobjekt 34, das vom Benutzer bewegt wird, abhängt. Die einfachste Form des Reflexes wird in den "Rückstoß"-Ausführungsbeispielen der Fig. 4a-4f verwendet, bei denen ein einfaches Steuerereignis, wie z. B. das Drücken einer Taste vom Benutzer, bewirkt, dass durch die Stellglieder 30 eine Kraft auf das Benutzerobjekt ausgegeben wird. Die komplexere Form des Reflexprozesses, die bei dem aktuellen Verfahren beschrieben wird, kann in Abhängigkeit von einer Vielzahl von lokalen Steuerereignissen, wie z. B. Tastendrücken und der Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Benutzerobjekts 34 in vorgesehenen Freiheitsgraden, Kräfte berechnen und ausgeben.
Die zweite Verzweigung beginnt mit Schritt 222, in dem der Prozessor 26 prüft, ob ein Hauptrechnerbefehl vom Hauptrechner 12 über den Bus 24 empfangen wurde. Hauptrechnerbefehle sind Befehle hoher Ebene, die Änderungen der Kräfte für das Benutzerobjekt befehlen, wie mit Bezug auf Schritt 214 beschrieben. Wenn ein Hauptrechnerbefehl empfangen wurde, geht der Prozess zu Schritt 224 weit er, wo eine "Kraftroutine", die durch den Hauptrechnerbefehl angegeben wird oder zu diesem gehört, falls geeignet, ausgewählt wird. Eine "Kraftroutine", wie hierin bezeichnet, ist ein Satz von Schritten oder Anweisungen für den Mikroprozessor 26, um Kraftbefehle niedriger Ebene zu den Stellgliedern 30 zu liefern. Diese Kraftbefehle "niedriger Ebene" (oder "Prozessorkraftbefehle) sollen von den Hauptrechnerbefehlen "hoher Ebene", die vom Hauptrechner 12 ausgegeben werden, unterschieden werden. Ein Kraftbefehl niedriger Ebene befiehlt einem Stellglied, eine Kraft mit einer speziellen Größe auszugeben. Der Befehl niedriger Ebene umfasst beispielsweise typischerweise einen "Kraftwert" oder eine Größe, z. B. (ein) äquivalente(s) Signal(e), um dem Stellglied zu befehlen, eine Kraft mit einem gewünschten Größenwert aufzubringen. Kraftbefehle niedriger Ebene können auch eine Richtung einer Kraft, wenn ein Stellglied eine Kraft in einer ausgewählten Richtung aufbringen kann, und/oder andere Informationen niedriger Ebene, die von einem Stellglied benötigt werden, festlegen.
Kraftroutinen ermitteln Kraftbefehle niedriger Ebene aus anderen Parametern, wie z. B. den in Schritt. 218 gelesenen Sensordaten (Tastendruckdaten, Positionsdaten, usw.) und Zeitsteuerdaten aus dem Takt 18. Die Kraftroutinen können lokal zum Mikroprozessor 26 beispielsweise im Speicher 27, wie z. B. einem RAM oder ROM (oder EPROM, EEPROM, usw.), gespeichert werden. Somit könnte der Mikroprozessor eine spezielle Dämpfungskraftroutine auswählen, wenn der Hauptrechnerbefehl anzeigen würde, dass die Dämpfungskraft von diesem speziellen Dämpfungsprozess auf das Objekt 34 aufgebracht werden sollte. Andere Dämpfungskraftroutinen könnten auch verfügbar sein. Die verfügbaren Kraftroutinen werden nachstehend ausführlicher beschrieben und können Algoritbmen, gespeicherte Kraftprofile oder Werte, Bedingungen usw. einschließen. Der vom Hauptrechner in Schritt 222 empfangene Hauptrechnerbefehl kann in einigen Fällen auch einfach ein Kraftbefehl niedriger Ebene oder sogar ein einzelner Kraftwert sein, der zu einem Stellglied 30 gesandt werden soll, wobei in diesem Fall keine Kraftroutine ausgewählt werden muss.
Nachdem in Schritt 224 eine Kraftroutine ausgewählt wurde, oder wenn in Schritt 222 kein neuer Hauptrechnerbefehl empfangen wurde, dann wird Schritt 226 implementiert, in dem der Prozessor 26 einen Prozessor-Kraftbefehl niedriger Ebene festlegt. Der Kraftbefehl niedriger Ebene wird entweder von einer ausgewählten Kraftroutine, einer residenten Kraftroutine, irgendwelchen anderen Daten, die für die Kraftroutine erforderlich sind, und/oder Befehlsparametern und/oder Werten, die in relevanten Hauptrechnerbefehlen enthalten sind, abgeleitet. Wie vorstehend erläutert, können die erforderlichen Daten Sensordaten und/oder Zeitsteuerdaten vom lokalen Takt 29 einschließen. Wenn kein neuer Befehl hoher Ebene in Schritt 222 empfangen wurde, dann kann der Mikroprozessor 26 einen Kraftbefehl gemäß einer oder mehreren "residenten" Kraftroutinen festlegen, d. h. denselben Kraftroutinen, die in den vorherigen Iterationen von Schritt 226 ausgewählt und verwendet wurden. Dies ist die "Reflex"- Prozessoperation der Schnittstellenvorrichtung, die keine neue Eingabe vom Hauptrechner 12 benötigt.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel können Kraftroutinen mehrere verschiedene Arten von Schritten und/oder Befehlen umfassen, die verfolgt werden, um einen Kraftbefehl niedriger Ebene festzulegen. Eine Art Befehl in einer Kraftroutine ist ein Kraftalgorithmus, der eine Gleichung beinhaltet, die der Hauptrechner 12 verwenden kann, um einen Kraftwert auf der Basis von Sensor- und Zeitsteuerdaten zu berechnen oder zu entwerfen. Verschiedene Arten von Algorithmen können verwendet werden. Algorithmen, bei denen sich die Kraft linear (oder nichtlinear) mit der Position des Objekts 34 ändert, können beispielsweise verwendet werden, um eine simulierte Kraft wie eine Feder zu liefern. Algorithmen, bei denen sich die Kraft linear (oder nichtlinear) mit der Geschwindigkeit des Objekts 34 ändert, können auch verwendet werden, um eine simulierte Dämpfungskraft oder andere Kräfte auf dem Benutzerobjekt 34 vorzusehen. Algorithmen, bei denen sich die Kraft linear (oder nichtlinear) mit der Beschleunigung des Objekts 34 ändert, können auch verwendet werden, um beispielsweise eine simulierte Trägheitskraft auf einer Masse (für eine lineare Änderung) oder eine simulierte Erdanziehungskraft (für eine nichtlineare Änderung) vorzusehen. Verschiedene Arten von simulierten Kräften und die zum Berechnen solcher Kräfte verwendeten Algorithmen sind in "Perceptual Design of a Virtual Rigid Surface Contact", von Louis B. Rosenberg, Center tor Design Research, Stanford University, Bericht Nummer AL/CF-TR- 1995-0029, April 1993, beschrieben, welches durch die Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Eine kinematische Gleichung, die einen Kraftwert auf der Basis der Geschwindigkeit des Benutzerobjekts, multipliziert mit einer Dämpfungskonstante, berechnet, kann beispielsweise verwendet werden, um eine Dämpfungskraft auf dem Benutzerobjekt zu ermitteln. Diese Art Gleichung kann eine Bewegung des Objekts 34 entlang eines Freiheitsgrades durch ein Fluid oder ein ähnliches Material simulieren.
Beispielsweise kann zuerst eine Dämpfungskonstante ausgewählt werden, die den Grad des Widerstandes angibt, den das Objekt 34 erfährt, wenn es sich durch ein simuliertes Material, wie z. B. eine Flüssigkeit, bewegt, wobei eine größere Zahl einen größeren Widerstand angibt. Wasser hätte eine niedrigere Dämpfungskonstante als Öl oder Sirup. Der Mikroprozessor 26 ruft die vorherige Position des Benutzerobjekts 34 (entlang eines speziellen Freiheitsgrades) aus dem Speicher 27 ab, prüft die aktuelle Position des Benutzerobjekts und berechnet die Positionsdifferenz. Aus dem Vorzeichen (negativ oder positiv) der Differenz kann die Richtung der Bewegung des Objekts 34 auch ermittelt werden. Der Kraftwert wird dann gleich der Dämpfungskonstante, multipliziert mit der Positionsänderung, gesetzt. Befehle niedriger Ebene, die ein Stellglied auf der Basis dieses Algorithmus steuern, erzeugen eine zur Bewegung des Benutzerobjekts proportionale Kraft, um die Bewegung durch ein Fluid zu simulieren. Die Bewegung in anderen Medien, wie z. B. auf einer holperigen Oberfläche, auf einer schiefen Ebene usw., kann in ähnlicher Weise unter Verwendung von verschiedenen Verfahren zur Berechnung der Kraftbefehle niedriger Ebene simuliert werden.
Die Bestimmung von Befehlen niedriger Ebene aus den Kraftroutinen kann auch durch Zeitsteuerdaten beeinflusst werden, auf die vom Systemtakt 18 zugegriffen wird. Bei dem vorstehend beschriebenen Dämpfungskraftbeispiel wird die Geschwindigkeit des Benutzerobjekts 34 beispielsweise durch Berechnen der Differenz von Positionen des Benutzerobjekts und Multiplizieren mit der Dämpfungskonstante ermittelt. Diese Berechnung nimmt ein festes Zeitintervall zwischen Datenpunkten an, d. h. es wird angenommen, dass die Positionsdaten des Objekts 34 vom Hauptrechner 12 in regelmäßigen, vorbestimmten Zeitintervallen empfangen werden. Dies kann jedoch aufgrund von verschiedenen Verarbeitungsgeschwindigkeiten von verschiedenen Computerplattformen oder aufgrund von Verarbeitungsschwankungen in einem einzelnen Hauptrechner- Mikroprozessor 16, wie z. B. aufgrund von Mehrprogrammbetrieb, nicht tatsächlich geschehen. Daher greift bei der vorliegenden Erfindung der Hauptrechner vorzugsweise auf den Takt 12 zu, um festzustellen, wie viel Zeit tatsächlich vergangen ist, seitdem die letzten Positionsdaten empfangen wurden. Bei dem Dämpfungskraftbeispiel könnte der Hauptrechner die Positionsdifferenz nehmen und sie durch ein Zeitmaß teilen, um Unterschiede der Zeitsteuerung zu berücksichtigen. Der Hauptrechner kann somit die Zeitsteuerdaten des Takts bei der Modulation von Kräften und Kraftempfindungen für den Benutzer verwenden. Zeitsteuerdaten können in anderen Algorithmen und Kraftempfindungsprozessen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um eine reproduzierbare und konsistente Kraftrückkopplung ungeachtet der Art der Plattform oder verfügbaren Verarbeitungszeit im Hauptrechner 12 vorzusehen.
Die Geschwindigkeit und Beschleunigung, die für spezielle Kraftroutinen erforderlich sind, können in mehreren verschiedenen Arten bereitgestellt werden. Die durch die Schritte 218-221 gelieferten Sensordaten können Positionsdaten, Geschwindigkeitsdaten und/oder Beschleunigungsdaten umfassen. Der Mikroprozessor kann beispielsweise die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten direkt in einem Algorithmus zum Berechnen eines Kraftbefehls niedriger Ebene verwenden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnten nur Positionsdaten von den Sensoren 28 empfangen werden, und der Mikroprozessor kann die Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungswerte unter Verwendung von gespeicherten Protokollen von Werten berechnen. Der Mikroprozessor berechnet nur die Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungswerte, wenn die Werte von einer Kraftroutine benötigt werden. Alternativ kann der Prozessor immer die Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte berechnen, ungeachtet dessen, ob die Werte in einer Kraftroutine verwendet werden.
Andere Befehle können auch in einer Kraftroutine enthalten sein. Beispielsweise können bedingte Schritte enthalten sein, um Kräfte unter festgelegten Umständen zu liefern. Beispielsweise könnte eine Kraftroutine dem Prozessor 26 befehlen, einen Kraftbefehl niedriger Ebene nur dann auszugeben, wenn das Benutzerobjekt in eine spezielle Position in vorgesehenen Freiheitsgraden bewegt wird. Oder um ein virtuelles Hindernis, wie z. B. eine Wand, zu simulieren, sollten Kräfte nur in einer Richtung (unidirektional) aufgebracht werden. Für viele passive Stellglieder können nur bidirektionale Widerstandskräfte aufgebracht werden. Um einen unidirektionalen Widerstand unter Verwendung eines passiven Stellgliedes zu simulieren, können in einer Kraftroutine eines virtuellen Hindernisses bedingte Befehle enthalten sein, um einen Kraftbefehl niedriger Ebene nur dann auszugeben, wenn das Benutzerobjekt in einer speziellen Richtung in einer speziellen Position bewegt wird. Auch eine Kraftroutine von "Null" kann verfügbar sein, die dem Mikroprozessor 26 befiehlt, Befehle niedriger Ebene auszugeben, um eine Nullkraft auf dem Benutzerobjekt 34 vorzusehen (d. h. alle Kräfte zu entfernen).
Eine weitere Art Kraftroutine verwendet keine Algorithmen, um eine Kraft zu entwerfen, sondern verwendet statt dessen Kraftwerte, die vorher berechnet oder abgetastet und als digitalisiertes "Kraftprofil" im Speicher oder einer anderen Speichervorrichtung gespeichert wurden. Diese Kraftwerte können unter Verwendung einer Gleichung oder eines Algorithmus, wie vorstehend beschrieben, vorher erzeugt worden sein, oder durch Abtasten und Digitalisieren von Kräften geliefert werden. Um beispielsweise eine spezielle Kraftempfindung für den Benutzer vorzusehen, kann der Hauptrechner 12 durch die Schritte einer Kraftroutine angewiesen werden, aufeinanderfolgende Kraftwerte eines Kraftprofils aus einer bestimmten Speichervorrichtung, wie z. B. dem Speicher 27, einem RAM, einer Festplatte usw., abzurufen. Diese Kraftwerte können in Befehlen niedriger Ebene enthalten sein, die direkt zu einem Stellglied gesandt werden, um spezielle Kräfte zu liefern, ohne den Hauptrechner 12 zum Berechnen der Kraftwerte zu benötigen. Außerdem können vorher gespeicherte Kraftwerte bezüglich anderen Parametern ausgegeben werden, um verschiedene Arten von Kräften und Kraftempfindungen von einem Satz von gespeicherten Kraftwerten vorzusehen. Unter Verwendung des Systemtakts 18 kann beispielsweise ein Satz von gespeicherten Kraftwerten der Reihe nach gemäß verschiedenen Zeitintervallen, die sich in Abhängigkeit von der gewünschten Kraft ändern können, ausgegeben werden, was folglich verschiedene Arten von Kräften beim Benutzer erzeugt. Oder verschiedene abgerufene Kraftwerte können in Abhängigkeit von der aktuellen Position, Geschwindigkeit usw. des Benutzerobjekts 34 ausgegeben werden.
Der in Schritt 226 festgelegte Kraftbefehl niedriger Ebene kann auch von Befehlen abhängen, die andere Parameter überprüfen. Diese Befehle können innerhalb oder außerhalb der vorstehend beschriebenen Kraftroutinen enthalten sein. Ein solcher Parameter kann Werte umfassen, die vom implementierten Hauptrechner-Anwendungsprogramm geliefert werden. Das Anwendungsprogramm kann bestimmen, dass ein spezieller Kraftbefehl niedriger Ebene ausgegeben werden sollte, oder eine Kraftroutine, die auf der Basis von Ereignissen, die innerhalb des Anwendungsprogramms auftreten, oder anderen Befehlen ausgewählt wird, bestimmen. Hauptrechnerbefehle können vom Hauptrechner- Anwendungsprogramm geliefert werden, um unabhängig von den Sensordaten Kräfte auszugeben. In einem Hauptrechnerbefehl kann der Hauptrechner auch seine eigenen speziellen Positions-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsdaten zu einer festgelegten Kraftroutine liefern, um eine Kraft zu berechnen oder vorzusehen, die nicht auf der Bedienung des Benutzerobjekts 34 basiert, sondern vorgesehen wird, um ein Ereignis im Anwendungsprogramm zu simulieren. Solche Ereignisse können Zusammenstoßereignisse umfassen, wie sie z. B. auftreten, wenn ein vom Benutzer gesteuertes Computerbild auf eine virtuelle Oberfläche oder Struktur auftrifft. Andere Eingabevorrichtungen, die mit dem Hauptrechner 12 verbunden sind, können auch Ereignisse und daher die auf das Benutzerobjekt 34 aufgebrachten Kräfte beeinflussen. Die Sensordaten von mehreren Schnittstellenvorrichtungen 14, die mit einem einzelnen Hauptrechner verbunden sind, können beispielsweise die Kräfte beeinflussen, die an anderen angeschlossenen Schnittstellenvorrichtungen wahrgenommen werden, durch Beeinflussen von Ereignissen und computergesteuerten Bildern/Objekten des Hauptrechner-Anwendungsprogramms.
Die in Schritt 226 bestimmten Kraftbefehle niedriger Ebene können auch auf anderen Eingaben in den Hauptrechner 12 basieren, wie z. B. Aktivierungen von Tasten oder anderen Eingabevorrichtungen in (oder außerhalb von) der Schnittstellenvorrichtung 14. Eine spezielle Kraftroutine könnte beispielsweise dem Mikroprozessor befehlen, eine Kraft an einen Steuerhebel auszugeben, sobald ein Benutzer eine Taste auf dem Steuerhebel drückt. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Schritte 218, 220 und 221 zum Lesen von Sensordaten in einer oder mehreren Kraftroutinen für den Mikroprozessor integriert sein, so dass die Sensordaten nur gelesen werden, wenn eine Kraftroutine einmal ausgewählt und ausgeführt wurde. Außerdem kann der Hauptrechnerbefehl andere Befehlsparameter-Informationen enthalten, die erforderlich sind, um einen Kraftbefehl niedriger Ebene festzulegen. Beispielsweise kann der Hauptrechnerbefehl die Richtung einer Kraft entlang eines Freiheitsgrades angeben.
Der Mikroprozessor 26 kann in Schritt 226 Einen Kraftbefehl niedriger Ebene gemäß einer neu ausgewählten Kraftroutine oder einer vorher ausgewählten Kraftroutine festlegen. Wenn dies beispielsweise eine zweite oder spätere Iteration von Schritt 226 ist, kann dieselbe Kraftroutine wie bei der vorherigen Iteration wieder implementiert werden, wenn kein neuer Hauptrechnerbefehl empfangen wurde. Das ist tatsächlich der Vorteil eines unabhängigen Reflexprozesses: der Mikroprozessor 26 kann ständig Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 unter Verwendung von Sensordaten und Zeitsteuerdaten gemäß den Kraftroutinen unabhängig von irgendwelchen Befehlen vom Hauptrechner ausgeben. Somit würde eine Kraftroutine einer "virtuellen Wand" ermöglichen, dass der Mikroprozessor Kräfte befiehlt, die die Wand simulieren, sobald der Steuerhebel des Benutzers in die entsprechende Position oder Richtung bewegt wurde. Der Hauptrechner muss nur befehlen, dass die virtuelle Wand existiert, und den Ort der Wand vorsehen, und der Mikroprozessor 26 implementiert bei Bedarf unabhängig die Wand und die erforderlichen Kräfte.
Die vorstehend beschriebenen Kraftroutinen und andere Parameter können verwendet werden, um eine Vielzahl von Tastempfindungen für den Benutzer über das Benutzerobjekt 34 vorzusehen, um viele verschiedenen Arten von taktilen Ereignissen zu simulieren. Typische Tastempfindungen können beispielsweise eine virtuelle Dämpfung (vorstehend beschrieben), ein virtuelles Hindernis und eine virtuelle Textur beinhalten. Virtuelle Hindernisse werden vorgesehen, um Wände, Hindernisse und andere unidirektionale Kräfte in einer Simulation, einem Spiel, usw. zu simulieren. Wenn ein Benutzer mit einem Steuerhebel ein Computerbild in ein virtuelles Hindernis bewegt, dann fühlt der Benutzer einen physischen Widerstand, wenn er den Steuerhebel weiter in diese Richtung bewegt. Wenn der Benutzer das Objekt von dem Hindernis wegbewegt, wird die unidirektionale Kraft entfernt. Somit wird dem Benutzer eine überzeugende Empfindung gegeben, dass das auf dem Bildschirm angezeigte virtuelle Hindernis physische Eigenschaften besitzt. Ebenso können virtuelle Texturen verwendet werden, um einen Oberflächenzustand oder eine ähnliche Textur zu simulieren. Wenn der Benutzer beispielsweise einen Steuerhebel oder ein anderes Benutzerobjekt entlang einer Achse bewegt, sendet der Hauptrechner eine rasche Folge von Befehlen, um wiederholt 1) einen Widerstand entlang dieser Achse aufzubringen, und 2) dann unmittelbar keinen Widerstand entlang dieser Achse aufzubringen, beispielsweise gemäß einer Kraftroutine. Diese Frequenz basiert auf der Bewegung des Steuerhebelgriffs und ist somit mit der Raumposition korreliert. Somit fühlt der Benutzer eine physische Empfindung der Textur, die als Gefühl beim Ziehen eines Stocks über ein Gitter beschrieben werden kann.
In Schritt 228 gibt der Prozessor 26 den festgelegten Prozessor-Kraftbefehl an die Stellglieder 30 aus, um die Ausgangskraft auf den gewünschten Pegel einzustellen. Vor dem Aussenden des Kraftbefehls niedriger Ebene kann der Prozessor 26 wahlweise den Kraftbefehl niedriger Ebene in eine geeignete Form umwandeln, die für das Stellglied 30 brauchbar ist, und/oder die Stellgliedschnittstelle 38 kann eine solche Umwandlung durchführen. Der Prozess kehrt dann zu Schritt 222 zurück, um zu prüfen, ob ein weiterer Hauptrechnerbefehl vom Hauptrechner 12 empfangen wurde.
Der Reflexprozess des Mikroprozessors 26 (Schritte 218, 220, 222, 224, 226 und 228) arbeitet folglich zum Vorsehen von Kräften auf dem Objekt 34 unabhängig vom Hauptrechner 12 gemäß einer ausgewählten Kraftroutine und anderen Parametern. Die Kraftroutine befiehlt, wie der Prozessor- Kraftbefehl auf der Basis der neuesten Sensordaten, die vom Mikroprozessor 26 gelesen werden, bestimmt werden soll. Da ein Reflexprozess unabhängig Kräfte in Abhängigkeit von den lokalen Steuerereignissen der Schnittstellenvorrichtung 14 ausgibt, ist der Hauptrechner frei zum Verarbeiten der Hauptrechneranwendung und zum Festlegen von lediglich, wann eine neue Art Kraft ausgegeben werden muss. Dies verbessert die Datenübertragungsraten zwischen dem Hauptrechner 12 und der Schnittstellenvorrichtung 14 in hohem Maße.
Außerdem besitzt der Hauptrechner 12 vorzugsweise die Fähigkeit, die Reflexoperation des Mikroprozessors 26 abzuschalten und direkt Kraftwerte oder Befehle niedriger Ebene zu liefern. Der Hauptrechnerbefehl kann beispielsweise einfach einen zu einem Stellglied 30 zu sendenden Kraftwert angeben. Dieser Abschaltmodus kann auch als Kraftroutine implementiert werden. Der Mikroprozessor 26 kann beispielsweise eine Kraftroutine aus dem Speicher auswählen, die ihm befiehlt, Kraftbefehle niedriger Ebene, die vom Hauptrechner 12 empfangen werden, zu einem Stellglied 30 weiterzuleiten.
Ein weiterer Vorteil des Reflexausführungsbeispiels von Fig. 7 ebenso wie der Hardware-Ausführungsbeispiele der Fig. 2, 3, 4a-f und 5 besteht darin, dass die geringen Kommunikationserfordernisse zwischen dem Hauptrechner und der Schnittstellenvorrichtung ermöglichen, dass eine Kraftrückkopplung über Computernetzwerke leicht implementiert wird. Der Hauptrechner 12 kann beispielsweise mit dem Internet und den Netzwerken des World Wide Web verbunden sein, wie Fachleuten gut bekannt ist. Eine "Website" oder eine andere Netzwerkstelle oder ein Knoten kann Kraftrückkopplungsinformationen für einen Benutzer zum Herunterladen und Implementieren unter Verwendung der Schnittstellenvorrichtung 14 speichern. Eine Website könnte beispielsweise eine Folge von Kraftwerten speichern, so dass der Benutzer mit einem Spiel oder einer Simulation, die auf der Website implementiert wird, in Dialog treten kann. Der Hauptrechner 12 kann die Kraftbefehle oder andere Kraftinformationen über das Netzwerk unter Verwendung von beispielsweise einem Webbrowser oder Softwaredienstprogramm, wie z. B. Netscape von Netscape Communications, empfangen. Wenn die Kraftinformation vom Hauptrechner empfangen wird, kann der Hauptrechner die Kraftinformation zum Mikroprozessor 26 übertragen, um die Stellglieder wie vorstehend beschrieben zu steuern. Da nur Kraftbefehle hoher Ebene bei dem Reflexausführungsbeispiel erforderlich sind, muss die Website nur eine kleine Menge an zum Hauptrechner zu übertragender Information speichern, anstatt alle tatsächlichen Kraftwerte, die zum Steuern der Stellglieder erforderlich sind. Ein Befehlsprotokoll hoher Ebene ermöglicht einen realistischeren Kraftrückkopplungsdialog über ein globales Netzwerk.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein "hauptrechnergesteuertes" Verfahren verwendet werden, bei dem das Hauptrechnersystem 12 direkte Kraftbefehle niedriger Ebene zum Mikroprozessor 26 liefert und der Mikroprozessor diese Kraftbefehle direkt zu den Stellgliedern 30 liefert, um von den Stellgliedern ausgegebene Kräfte zu steuern. Diese Art Ausführungsbeispiel ist jedoch kein Reflexausführungsbeispiel, da die an das Benutzerobjekt 34 ausgegebenen Kräfte von einer aktiven und kontinuierlichen Steuerung vom Hauptrechner abhängen, was die Rechenlast am Hauptrechner steigert.
Der Steuerprozess für ein hauptrechnergesteuertes Ausführungsbeispiel wäre ähnlich zu dem Prozess von Fig. 7, außer dass der Hauptrechner 12 alle an das Benutzerobjekt 34 auszugebenden Kräfte festlegen würde. Sensordaten werden durch den Hauptrechner vom lokalen Mikroprozessor 26 empfangen. Der Prozessor 26 empfängt kontinuierlich Signale von den Sensoren 28, verarbeitet die Rohdaten und sendet verarbeitete Sensordaten zum Hauptrechner 12. Alternativ kann der Prozessor 26 Positionsrohdaten und andere Eingangsdaten zum Hauptrechner 12 liefern und der Hauptrechner 12 filtert und berechnet eine Geschwindigkeit und Beschleunigung aus den Positionsrohdaten. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Filtern am Hauptrechner 12 durchgeführt werden, während die andere Verarbeitung am Prozessor 26 durchgeführt werden kann.
Bei dem hauptrechnergesteuerten Ausführungsbeispiel legt der Hauptrechner die Kraftbefehle niedriger Ebene fest, um eine Kraftrückkopplung zum Benutzerbedienobjekt 34 zu liefern. Vorzugsweise werden Kraftroutinen vom Hauptrechner verwendet, die lokal zum Hauptrechner vorgesehen sind und die zu den Kraftroutinen ähnlich sind, die vom Mikroprozessor 26 verwendet werden, wie vorstehend beschrieben. Der Hauptrechner prüft die Sensordaten, um festzustellen, ob eine Änderung an der auf das Benutzerobjekt 34 aufgebrachten Kraft niedriger Ebene erforderlich ist. Wenn der Benutzer beispielsweise ein simuliertes Rennauto in einem Videospiel steuert, legt die Position eines Steuerhebels fest, ob sich das Rennauto in eine Wand bewegt, und somit, ob eine Kollisionskraft am Steuerhebel erzeugt werden sollte.
Wenn eine Kraftänderung erforderlich ist, gibt der Hauptrechner 12 geeignete Kraftbefehle niedriger Ebene über den Bus 24 an den Mikroprozessor 26 aus. Diese Kraftbefehle niedriger Ebene können einen oder mehrere Kraftwerte und/oder Richtungen umfassen, die gemäß den vorstehend beschriebenen Parametern festgelegt wurden. Der Kraftbefehl kann als tatsächliches Kraftsignal ausgegeben werden, das vom Mikroprozessor 26 nur an ein Stellglied 30 weitergeleitet wird; oder der Kraftbefehl kann vom Mikroprozessor 26 in eine geeignete Form umgewandelt werden, bevor er zum Stellglied 30 gesandt wird. Außerdem umfasst der Kraftbefehl niedriger Ebene vorzugsweise eine Information, die dem Mikroprozessor 26 anzeigt, welche Stellglieder diesen Kraftwert empfangen sollen. Das Hauptrechneranwendungsprogramm wird dann verarbeitet/aktualisiert. Wenn keine Kraftänderung erforderlich ist, muss der Hauptrechner 12 keinen anderen Befehl ausgeben, da der Mikroprozessor 26 weiterhin den vorherigen Kraftbefehl niedriger Ebene an die Stellglieder 30 ausgeben kann. Alternativ kann der Hauptrechner 12 kontinuierlich Befehle niedriger Ebene ausgeben, selbst wenn keine Kraftänderung erforderlich ist.
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Benutzerobjekts 34, das mit einem Kardanmechanismus 240 zum Vorsehen von zwei oder mehreren Drehfreiheitsgraden für das Objekt 34 gekoppelt ist. Der Kardanmechanismus 240 kann mit der Schnittstellenvorrichtung 14 gekoppelt sein oder mit Sensoren 28 und Stellgliedern 30 separat von den anderen Komponenten der Schnittstellenvorrichtung 14 versehen sein.
Der Kardanmechanismus 38 bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel stellt eine Abstützung für die Vorrichtung 25 auf einer geerdeten Oberfläche 56 (schematisch als Teil des Elements 46 dargestellt) bereit. Der Kardanmechanismus 38 ist vorzugsweise ein aus fünf Elementen bestehendes Gestänge, das ein Grundelement 46, Verlängerungselemente 48a und 48b und zentrale Elemente 50a und 50b umfasst. Das Grundelement 46 ist vorzugsweise mit einem Sockel oder einer Oberfläche gekoppelt, die für die Vorrichtung 25 eine Stabilität vorsieht.
Der Kardanmechanismus 240 kann durch eine geerdete Oberfläche 242 abgestützt werden, die beispielsweise eine Oberfläche des Gehäuses der Schnittstellenvorrichtung 14 (schematisch als Teil des Elements 244 dargestellt), ein Sockel, eine Tischplatte oder eine andere Oberfläche sein kann, die in der Position bezüglich des Benutzers ortsfest ist. Der Kardanmechanismus 240 ist vorzugsweise ein aus fünf Elementen bestehendes Gestänge, das ein Grundelement 244, Verlängerungselemente 246a und 246b und zentrale Elemente 248a und 248b umfasst. Das Grundelement 244 ist mit der Grundfläche 242 gekoppelt, die für den Mechanismus 240 eine Stabilität vorsieht. Das Grundelement 244 ist in Fig. 8 als zwei separate Elemente, die über die geerdete Oberfläche 242 miteinander gekoppelt sind, dargestellt, wird jedoch als ein "Element" des aus fünf Elementen bestehenden Gestänges betrachtet.
Die Elemente des Kardanmechanismus 240 sind durch die Verwendung von Lagern oder Drehgelenken drehbar miteinander gekoppelt, wobei das Verlängerungselement 246a durch ein Lager 243a drehbar mit dem Grundelement 244 gekoppelt ist und sich um eine Achse A drehen kann, das zentrale Element 248a durch ein Lager 245a drehbar mit dem Verlängerungselement 246a gekoppelt ist und sich um eine bewegliche Achse D drehen kann, das Verlängerungselement 246b durch ein Lager 243b drehbar mit dem Grundelement 244 gekoppelt ist und sich um eine Achse B drehen kann, das zentrale Element 248b durch ein Lager 245b drehbar mit dem Verlängerungselement 246b gekoppelt ist und sich um eine bewegliche Achse E drehen kann, und das zentrale Element 248a durch ein Lager 247 an einem Mittelpunkt P am Schnittpunkt der Achsen D und E drehbar mit dem zentralen Element 248b gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das zentrale Element 248a mit einem drehbaren Teil 247a des Lagers 47 gekoppelt und das zentrale Element 248b ist mit dem anderen drehbaren Teil 247b des Lagers 247 gekoppelt. Die Achsen D und E sind insofern "beweglich", dass sie nicht in einer Position ortsfest sind wie die Achsen A und B. Die Achsen A und B sind in wesentlichen zueinander senkrecht. Wie hierin verwendet, bedeutet "im wesentlichen senkrecht", dass zwei Objekte oder Achsen exakt oder fast senkrecht, d. h. zumindest innerhalb von fünf Grad oder zehn Grad senkrecht, oder bevorzugter innerhalb von weniger als einem Grad senkrecht sind.
Der Kardanmechanismus 240 ist als aus fünf Elementen bestehende geschlossene Kette oder Schleife ausgebildet, so dass ein erstes Element der Kette mit dem letzten Element in der Kette gekoppelt ist. Jedes Ende eines Elements ist mit dem Ende eines anderen Elements gekoppelt. Das aus fünf Elementen bestehende Gestänge ist derart angeordnet, dass das Verlängerungselement 246a, das zentrale Element 248a und das zentrale Element 248b um die Achse A in einem ersten Freiheitsgrad gedreht werden können. Das Gestänge ist auch derart angeordnet, dass das Verlängerungselement 246b, das zentrale Element 248b und das zentrale Element 248a um die Achse B in einem zweiten Freiheitsgrad gedreht werden können. Wenn das Objekt 34 im "Ursprung" angeordnet ist, wie in Fig. 3 gezeigt, beträgt ein Winkel θ zwischen den zentralen Elementen 248a und 248b etwa 90 Grad. Wenn das Objekt 34 um eine oder beide Achsen A und B gedreht wird, bewegen sich die zentralen Elemente auf zwei Arten: Drehung um die Achse D oder E durch das Lager 245b und/oder 245a, und Drehung um die Achse C durch das Lager 247, so dass sich der Winkel θ ändert. Wenn das Objekt 34 beispielsweise in die Seite von Fig. 3 hinein und vom Betrachter weg oder aus der Ebene der Seite heraus in Richtung des Betrachters bewegt wird, dann nimmt der Winkel θ ab. Wenn das Objekt nach links oder rechts bewegt wird, wie in Fig. 3 gezeigt, nimmt der Winkel θ zu.
Das Element 250 mit linearer Achse ist vorzugsweise ein langgestrecktes stabartiges Element, das mit dem zentralen Element 248a und dem zentralen Element 248b am Schnittpunkt P der Achsen A und B gekoppelt ist. Das Element 250 mit linearer Achse kann als Welle des Benutzerobjekts 34 verwendet werden, oder bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Element 250 mit linearer Achse mit einem anderen Objekt gekoppelt sein. Das Element 250 mit linearer Achse ist mit dem Kardanmechanismus 240 derart gekoppelt, dass es sich aus der durch die Achse D und die Achse E festgelegten Ebene herauserstreckt. Das Element 250 mit linearer Achse kann durch Drehen des Verlängerungselements 246a, des zentralen Elements 248a und des zentralen Elements 248b in einem ersten Drehfreiheitsgrad, der als Pfeillinie 251 dargestellt ist, um die Achse A (und E) gedreht werden. Das Element 250 kann durch Drehen des Verlängerungselements 250b und der zwei zentralen Elemente um die Achse B in einem zweiten Drehfreiheitsgrad, der durch die Pfeillinie 252 dargestellt ist, auch um die Achse B (und D) gedreht werden. Das Element mit linearer Achse kann auch verschiebbar mit den Enden der zentralen Elemente 248a und 248b gekoppelt sein und kann somit unabhängig bezüglich des Kardanmechanismus 240 entlang der beweglichen Achse C linear bewegt werden, was einen dritten Freiheitsgrad vorsieht, wie durch die Pfeile 253 gezeigt. Die Achse C kann natürlich um eine oder beide Achsen A und B gedreht werden, wenn das Element 250 um diese Achsen gedreht wird. Außerdem kann das Element 250 mit linearer Achse bei einigen Ausführungsbeispielen um die Achse C gedreht werden, wie durch den Pfeil 255 angegeben, um einen zusätzlichen Freiheitsgrad vorzusehen. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade können auch zusätzlichen Sensoren und Stellgliedern zugeordnet sein, um zu ermöglichen, dass der Prozessor 26/Hauptrechner 12 die Position/Bewegung des Objekts 34 liest und Kräfte in diesen Freiheitsgraden aufbringt.
Mit dem Kardanmechanismus 240 und/oder mit dem Element 250 mit linearer Achse sind auch vorzugsweise Wandler gekoppelt, wie z. B. die Sensoren 28 und Stellglieder 30 von Fig. 2. Solche Wandler sind vorzugsweise an den Verbindungs- oder Lagerpunkten zwischen den Elementen der Vorrichtung angekoppelt und stellen eine Eingabe in den und eine Ausgabe aus dem Mikroprozessor 26 und/oder Hauptrechnersystem 12 bereit. Ein Sensor/Stellglied-Wandler 256 kann beispielsweise mit dem Verlängerungselement 246b durch ein Zahnradgetriebe 258 gekoppelt sein. Das Zahnradgetriebe 258 kann ein Treibrad 255 und eine drehbare Nocke 257 aufweisen, die unter Verwendung von Zahnradzähnen 253 ineinander greifen. Die Nocke 257 ist starr mit dem Verlängerungselement 246b gekoppelt und ist mit dem Element 246b bezüglich der Basis 242 drehbar. Das Treibrad ist starr mit einer Drehwelle des Wandlers 256 gekoppelt, so dass der Wandler 256 das Treibrad 255, die Nocke 257 und das Element 246b drehen kann, um Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 um die Achse B/D auszugeben. Ebenso kann der Wandler 256 die Drehung um die Achse B/D feststellen, wenn sich das Element 246b, die Nocke 257 und das Treibrad 255 drehen. Ein ähnliches Zahnradgetriebesystem kann am Lager 243a vorgesehen sein, um die Bewegung um die Achse A/E festzustellen und zu betätigen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können andere Antriebssysteme und Wandler, Sensoren und Stellglieder verwendet werden, wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Ein Spillantrieb oder ein Reibungsantrieb kann beispielsweise vorgesehen sein, und Stellglieder und Sensoren können für Dreh- oder lineare Freiheitsgrade des Benutzerobjekts 34 vorgesehen sein.
Das Benutzerobjekt 34 ist mit dem Mechanismus 240 gekoppelt und ist vorzugsweise ein Schnittstellenobjekt zum Ergreifen oder anderweitigen Bedienen im dreidimensionalen (3D) Raum durch einen Benutzer. Das Benutzerobjekt 34 kann in beiden (oder allen drei oder vier) Freiheitsgraden bewegt werden, die vom Kardanmechanismus 240 und Element 250 mit linearer Achse vorgesehen werden. Wenn das Objekt 34 um die Achse A bewegt wird, verändert die bewegliche Achse D ihre Position, und wenn das Objekt 34 um die Achse B bewegt wird, verändert die bewegliche Achse E ihre Position.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel für den Kardanmechanismus 240 ist für ein Steuerhebel- Benutzerobjekt, das in zwei Drehfreiheitsgraden um die Achsen A/E und B/D bewegt werden kann. Das Element 250 mit linearer Achse kann beispielsweise durch einen Steuerhebelgriff ersetzt werden, der starr mit dem zentralen Element 248b gekoppelt ist. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel umfasst einen dritten Freiheitsgrad, in dem der Steuerhebelgriff um die Achse C rotieren oder sich drehen kann. Diese Ausführungsbeispiele sind am besten für Videospiele und bestimmte Anwendungen einer virtuellen Realität, wie z. B. die Steuerung eines Fahrzeugs, einen Blickpunkt einer ersten Person, usw. geeignet. Weitere Ausführungsbeispiele umfassen eine medizinische Simulation und Operation, für die die vorstehend beschriebenen vier Freiheitsgracte zweckmäßiger sind.
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung 260 für einen Berührungsplatten-Schutzschalter 262 der vorliegenden Erfindung. Wie die mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen optischen und Kontakt-Schutzschalter ist der Berührungsplatten-Schutzschalter dazu ausgelegt, von einem Benutzer berührt zu werden, während die Schnittstellenvorrichtung verwendet wird. Wenn der Benutzer den Schutzschalter nicht berührt, werden die Stellglieder 30 der Schnittstellenvorrichtung deaktiviert und stellen für den Benutzer keine Gefahr dar.
Der Berührungsplatten-Schutzschalter 262 ist so ausgelegt, dass der Benutzer nicht eine Taste drücken muss oder anderweitig aktiv einen Schalter steuern muss, was während der Bedienung des Steuerhebels oder anderen Benutzerobjekts 34 schwierig und lästig sein kann. Zwei Berührungsplatten 264 sind auf dem Äußeren der Schnittstellenvorrichtung 14 vorgesehen, vorzugsweise in einer Position, die natürlich unterhalb des Griffs eines Benutzers liegt, der das Benutzerobjekt 34 ergreift. Die zwei Platten können beispielsweise auf einem Steuerhebelgriff, wie in Fig. 9a gezeigt, nahe dem Mittelteil des Griffs, wo Benutzer ihn typischerweise berühren, vorgesehen sein. Oder die Kontakte könnten zusätzlich oder alternativ auf dem oberen Teil des Steuerhebels 34 vorgesehen sein.
Die Berührungsplatten 264 bestehen vorzugsweise aus einem Metall oder einem anderen leitenden Material. Wenn der Benutzer beide Platten mit der Haut berührt, wird durch den Benutzer ein Stromkreis geschlossen, was ein Totmann-Signal zum Mikroprozessor, Hauptrechner und/oder den Stellgliedern 30 liefert, dass der Schutzschalter geschlossen ist und dass die Stellglieder freigegeben werden können. Wenn der Benutzer nicht beide Platten 264 berührt, kann kein Strom fließen und der Schutzschalter ist offen, was die Stellglieder 30 an ihrer Funktion hindert.
Die Berührungsplatte 264a ist mit einer Schaltung 266 gekoppelt, die ein "Totmann"-Signal 270 als Signal mit hohem Pegel (5V) ausgibt, wenn der Benutzer beide Platten berührt. Die Schaltung 266 umfasst zwei Kondensatoren, drei Widerstände, 4 Inverter und eine Diode. Die Berührungsplatte 26b ist mit einer Schaltung 268 gekoppelt, die den Strom zur Erdung fließen lässt. Die Schaltung 268 umfasst drei Widerstände, zwei Kondensatoren und zwei Inverter. Die Funktion und Implementierung dieser Komponenten sind Fachleuten gut bekannt. Andere äquivalente Schaltungen können ebenfalls verwendet werden, um im wesentlichen dieselben Funktionen zu erfüllen, und sind Fachleuten gut bekannt.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung eines Steuerhebels 280 mit einem Handgewichts-Schutzschalter der vorliegenden Erfindung. Der Schutzschalter 41, wie bei den Fig. 2 und 9 beschrieben, ist im Steuerhebel 260 enthalten, so dass der Benutzer den Schalter aktivieren muss, bevor die Stellglieder 30 Kräfte ausgeben können. Dies ist ein Schutzmerkmal, das verhindert, dass sich das Benutzerobjekt unerwartet bewegt und mit dem Benutzer zusammenstößt, wenn der Benutzer das Benutzerobjekt nicht steuert. Schutzschalter, wie z. B. Kontaktschalter, Lichtdetektoren und andere Arten von Schaltern, wurden vorstehend beschrieben, welche der Benutzer während der Bedienung des Steuerhebels berührt oder bedeckt und welche sich auf dem Benutzerobjekt oder Gehäuse der Schnittstellenvorrichtung 14 befinden. Dies kann während der Bedienung des Hebels schwierig sein, da der Benutzer eine spezielle Fläche des Benutzerobjekts oder Vorrichtungsgehäuses ständig berühren oder bedecken muss.
Der Steuerhebel 260 umfasst einen Handgewichts- Schutzschalter 262, der verwendet werden kann, um den Schutzschalter 41 zu ersetzen oder zu ergänzen, und der für den Benutzer bequemer ist. Der Steuerhebel 260 umfasst einen verschiebbaren Griff 264, einen Sockel 266, eine Feder 268 und Schaltkontakte 270. Der Griff 264 ist ein Standard-Steuerhebelgriff, kann jedoch auch durch andere Benutzerobjekte 34 ersetzt werden, wie vorstehend beschrieben. Der Griff 264 kann entlang der Achse C innerhalb eines Abstandsbereichs d des Sockels 266 vorzugsweise auf einem Verlängerungselement 272 oder einer anderen ähnlichen Führung bewegt werden. Der Abstand d ist vorzugsweise relativ klein, wie z. B. 1 Millimeter, und ist in Fig. 8 der Deutlichkeit halber übertrieben. Eine vorgespannte Feder 268 drückt vorzugsweise den Griff 264 nach oben vom Sockel 266 weg in eine Richtung, die durch den Pfeil 274 angegeben ist, in eine "offene" Position, wenn kein Gewicht auf den Griff 264 aufgebracht wird. Vorzugsweise verhindert ein mit der Oberseite des Elements 272 oder mit der Unterseite des Griffs 264 gekoppelter Anschlag (nicht dargestellt), dass der Griff vom Sockel 266 gelöst wird. Eine ähnliche Grenze für die Bewegung des Griffs 264 in der Richtung des Sockels 266 ist durch den physischen Eingriff des Griffs und des Sockels vorgesehen.
Schaltkontakte 270 sind zwischen dem Sockel 266 und dem Griff 264 des Steuerhebels 260 vorgesehen. Die Kontakte 270 sind durch Leitungen 276 mit dem Mikroprozessor 26 verbunden, der überwachen kann, wenn sich die Kontakte berühren. Wenn sich der Griff 264 in der offenen Position befindet, sind die Kontakte 270 getrennt und zwischen ihnen kann kein elektrischer Strom fließen, und somit kann kein elektrischer Strom oder elektrische Leistung von der Leistungsversorgung zu den Motoren fließen. Alternativ können die Kontakte 270 mit dem Mikroprozessor 26 oder einer anderen Ansteuerkomponente verbunden sein, die den offenen Zustand der Kontakte erkennen kann und die Stellglieder 30 mit einem Sicherheits-Sperrsignal deaktivieren kann, wenn der offene Zustand erkannt wird. Die Stellglieder 30 werden somit daran gehindert; Kräfte auszugeben, wenn der Benutzer keine Steuerung über den Steuerhebelgriff 264 und die Schnittstellenvorrichtung 14 hat.
Wenn ein Benutzer den Griff 264 ergreift, drückt das Gewicht der Hand des Benutzers den Griff 264 nach unten, um in den Sockel 266 einzugreifen. Die Schaltkontakte 270 verbinden sich durch diesen Eingriff und lassen einen Strom zwischen ihnen fließen. Da die Kontakte 270 den Stromkreis von den Stellgliedern zur Leistungsversorgung schließen, kann somit ein Strom von der Leistungsversorgung zu den Stellgliedern fließen. Alternativ erkennt der Mikroprozessor 26 den Zustand des geschlossenen Kontakts und hört auf, ein Sicherheits-Sperrsignal zu den Stellgliedern 30 zu senden. Dies ermöglicht, dass die Stellglieder 30 durch den Hauptrechner 12 und den Mikroprozessor 26 normal gesteuert und aktiviert werden. Wenn der Benutzer den Griff 264 aus seinem Griff loslässt, drückt die Feder 268 den Griff 264 vom Sockel 266 weg, was die Kontakte 270 trennt und die Stellglieder 30 deaktiviert.
Der Handgewichts-Schutzschalter besitzt verschiedene Vorteile gegenüber anderen Arten von Schutzschaltern. Der Benutzer kam den Griff in normaler, bequemer Weise einfach ergreifen oder halten und dennoch den Schutzschalter infolge des Gewichts der Benutzerhand aktivieren. Somit muss der Benutzer nicht einen ungünstig angeordneten Schalter an einer speziellen Stelle des Griffs oder Gehäuses bedecken oder drücken. Ein weiterer Vorteil betrifft die Transportfähigkeit der Schnittstellenvorrichtung 14. Die Verwendung von kleineren Leistungsversorgungen, insbesondere bezüglich der Merkmale der Leistungsschaltung von Fig. 6 der vorliegenden Erfindung, und die Verwendung der Schnittstellenvorrichtung 14 für Heimanwendungen führt zu einer leichtgewichtigeren Schnittstellenvorrichtung. Somit können Benutzer die Schnittstellenvorrichtung leicht hochheben und sie zu gewünschten Stellen bewegen. Eine natürliche Art für einen Benutzer, einen Steuerhebel anzuheben, besteht darin, den Griff 264 zu halten und an diesem zu ziehen. Ein Standard- Kraftrückkopplungs-Steuerhebel kann eine gewisse Gefahr für einen Benutzer darstellen, wenn er durch den Griff angehoben wird, da die Stellglieder 30 bewirken, dass sich der Sockel des Steuerhebels bewegt und ausschlägt. Wenn der Handgewichts-Schutzschalter 262 der vorliegenden Erfindung verwendet wird, existiert diese Gefahr nicht: die Stellglieder werden nur aktiviert, wenn der Benutzer Gewicht auf den Griff aufbringt, und das ziehen und Tragen des Griffs sieht dieses Gewicht nicht vor und aktiviert die Stellglieder nicht.
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung eines Lösesteuerhebels 280 der vorliegenden Erfindung. Da Kräfte auf das Benutzerobjekt 34 und den Benutzer von den Stellgliedern 30 ausgeübt werden, besteht Eine Möglichkeit dafür, dass eine zu starke Kraft ausgegeben wird und einen Benutzer verletzt. Als Schutzmaßnahme kann ein Lösesteuerhebel 280 oder ein anderes Lösebenutzerobjekt 34 implementiert werden. Der Lösesteuerhebel 280 umfasst einen Griff 282, einen Sockel 284 und eine Befestigungsvorrichtung 286. Beim normalen Betrieb wird der Griff 282 am Sockel 284 durch die Befestigungsvorrichtung 286 befestigt. Die Befestigungsvorrichtung 286 kann beispielsweise Magnete sein, die den Sockel und den Griff durch Magnetfelder aneinander halten. Entgegengesetzt polarisierte Magnete können in den Kontaktteilen des Sockels und des Griffs vorgesehen sein. Die Magnete können speziell ausgewählt werden, um eine vorbestimmte Befestigungsstärke vorzusehen. Ein Benutzer bringt während der Bedienung der Schnittstellenvorrichtung eine Kraft auf den Griff 282 auf und die Stellglieder 30 bringen Kräfte auf den Sockel 284 auf, um eine Kraftrückkopplung für den Benutzer vorzusehen. Eine Gesamtkraft auf dem Griff und dem Sockel ist somit gleich der Summe der Kraft auf dem Griff vom Benutzer und der Kraft in der Gegenrichtung auf dem Sockel von den Stellgliedern. Wenn eine größere Gesamtkraft als eine vorbestimmte Größe auf den Lösesteuerhebel aufgebracht wird, dann löst sich der Griff vom Sockel. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Befestigungsvorrichtungen oder Materialien verwendet werden, wie z. B. ein Klettenverschluss, mechanische oder elektromechanische Befestigungsvorrichtungen usw.
Die Fig. 11a-11c zeigen den Lösesteuerhebel beim Betrieb. In Fig. 11a ergreift ein Benutzer den Griff 282 und drückt den Griff in die Richtung des Pfeils 290. Gleichzeitig liefert ein Stellglied 30 eine Kraft in einer Richtung des Pfeils 292 zum Sockel 284. Kombiniert addieren sich diese Kräfte zu einer Gesamtkraft, die größer ist als die vorbestimmte Kraft, der die Befestigungsvorrichtung standhalten kann. Wie in den Fig. 11b und 11c gezeigt, löst sich der Griff vom Sockel in der Richtung, in der der Benutzer den Griff drückte, während sich der Sockel in die durch die Stellglieder 30 erzwungene Richtung bewegt.
Außerdem können in den Freiheitsgraden des Steuerhebels Anschläge vorgesehen sein, um Grenzen für die Bewegung des Steuerhebels vorzusehen. Der Griff kann sich lösen, wenn die Kraft vom Benutzer auf dem Griff über der vorbestimmten Grenze liegt, wenn der Sockel an einem Anschlag angeordnet wird, so dass der Anschlag eine Kraft in der Gegenrichtung zur Benutzerkraft vorsieht.
Fig. 11d zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel 280' des Lösesteuerhebels 280. Der Steuerhebel 280' umfasst eine oder mehrere Steuerungen 294 auf dem Griff 282, die für den Benutzer zur Bedienung zur Verfügung stehen, um eine andere Eingabe 39 vorzusehen, wie z. B. Tasten, Schalter oder andere Eingabevorrichtungen. Da Eingangssignale von der Steuerung 294 zum Mikroprozessor und/oder Hauptrechner 12 geliefert werden, werden die Signale von der Steuerung 294 auf dem Griff über ein Drahtbündel 296 übertragen. Das Drahtbündel 296 ist mit einer zusätzlichen Länge versehen, so dass, wenn sich der Griff 282 vom Sockel 284 löst, das Drahtbündel nicht bricht. Das Drahtbündel wird durch den Sockel 284 durch eine Öffnung 298 geleitet und ist mit dem Mikroprozessor gekoppelt oder wird direkt zum Hauptrechner 12 geleitet, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel zum Ausführungsbeispiel 280' von Fig. 11d muss das Drahtbündel 296 nicht verwendet werden. Statt dessen können der Griff 282 und der Sockel 284 mit zusammengehörigen leitenden Kontaktstellen versehen sein, die sich in Kontakt befinden, wenn der Griff 282 mit dem Sockel 284 in Eingriff steht, und ermöglichen, dass Tastensignale zum Sockel 284 nur dann übertragen werden, wenn der Griff und der Sockel in Eingriff stehen. Die leitende Kontaktstelle des Griffs ist mit der Taste 294 gekoppelt und die leitende Kontaktstelle des Sockels ist mit einem Draht gekoppelt, der zum Mikroprozessor oder zu anderen Steuerkomponenten der Schnittstellenvorrichtung verläuft. Signale von der Taste 294 können somit über den Steuerhebel 280 übertragen werden, wenn der Griff und der Sockel in Eingriff stehen und die leitenden Kontaktstellen in Kontakt stehen. Wenn sich der Steuerhebelgriff 282 von dem Sockel 284 löst, stehen die leitenden Kontaktstellen nicht mehr in Kontakt und keine Signale von der Taste 294 werden zum Sockel 284 übertragen.
Obwohl diese Erfindung hinsichtlich verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, wird in Erwägung gezogen, dass Änderungen, Modifikationen und Vertauschungen derselben für Fachleute nach Lesen der Beschreibung und Studieren der Zeichnungen ersichtlich werden. Beispielsweise können viele verschiedene Arten und Standards von Datenübertragungsschnittstellen bei der hierin offenbarten Schnittstellenvorrichtung verwendet werden. Verschiedene Signalleitungen können verwendet werden, um eine Kommunikation zwischen dem Hauptrechner und der Schnittstellenvorrichtung in Abhängigkeit von der gewünschten Steuerung, die der Hauptrechner über die Ausgabekräfte hat, vorzusehen. Außerdem können viele verschiedene Arten von Kardanmechanismen oder anderen Mechanismen vorgesehen werden, um eine Bewegung des Benutzerobjekas in gewünschten Freiheitsgraden zu ermöglichen. Eine Vielzahl von verschiedenen Arten von Stellgliedern, Sensoren und anderen Vorrichtungen ebenso wie den erforderlichen Leistungsversorgungen können ebenfalls verwendet werden, um die Position eines Objekts festzustellen und Kräfte auf das Objekt entlang den Freiheitsgraden aufzubringen. Die hierin offenbarten verschiedener, kostengünstigen und sicheren Ausführungsbeispiele können in mehreren Konfigurationen für verschiedene Anwendungen kombiniert werden.
Ferner wurde eine bestimmte Terminologie für die Zwecke der Beschreibungsklarheit und nicht zum Begrenzen der vorliegenden Erfindung verwendet. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die folgenden beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

1. Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung (14), die einen Benutzer mit einem Hauptrechnersystem (12) koppelt, mit einer Schaltung (158) zum Speichern von Leistung, wobei die Schaltung in der Kraftrückkopplungs- Schnittstellenvorrichtung (14) vorgesehen ist, wobei die Schaltung umfasst:

- ein Mittel (162) zum Speichern von Leistung, wobei die Leistung durch ein in die Schaltung (158) eingegebenes Signal bereitgestellt wird;

- eine Steuervorrichtung (94) zum Liefern eines Steuersignals (X) zu einem Stellglied (96), das in der Schnittstellenvorrichtung (14) vorgesehen ist, wobei das Steuersignal (X) bewirkt, dass das Stellglied (96) Kraft auf den Benutzer der Schnittstellenvorrichtung (14) aufbringt,

- wobei die gespeicherte Leistung zu dem Stellglied (96) geliefert wird, um die Kraft aufzubringen; und

- ein Feststellungsmittel (26, 164), das mit dem Mittel (162) zum Speichern von Leistung gekoppelt ist, wobei das Feststellungsmittel (26, 164) feststellt, wenn das Mittel (162) zum Speichern von Leistung ausreichend aufgeladen ist, um Leistung zu dem Stellglied (96) zu liefern, um eine Kraft auszugeben,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Feststellungsmittel (26, 164) einen Mikroprozessor (26) umfasst, der wirksam ist, um festzustellen, wenn das Mittel (162) zum Speichern von Leistung ausreichend aufgeladen ist, um Leistung zu dem Stellglied (96) zu liefern, um eine Kraft auszugeben.

2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Feststellungsmittel (26, 164) einen Analog-Digital-Wandler (164) umfasst und wobei der Mikroprozessor (26) zum Überwachen des Eingangssignals wirksam ist, um festzustellen, wenn das Mittel (162) zum Speichern von Leistung voll aufgeladen ist.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-2, welche ferner ein Treibermittel (166) zum Empfangen des Steuersignals (X) und zum Verstärken des Steuersignals (X) unter Verwendung der gelieferten gespeicherten Leistung zum Ansteuern des Stellgliedes (96) umfasst.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3, welche ferner ein Strombegrenzungsmittel (160) umfasst, das mit dem Eingangssignal gekoppelt ist, um einen Strom des Eingangssignals auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen und den begrenzten Strom zu dem Mittel (162) zum Speichern von Leistung zu liefern.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Eingangssignal von einer Leistungsversorgung (41) empfangen wird, die in der Schnittstellenvorrichtung (14) enthalten ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das Mittel zum Speichern von Leistung einen Kondensator (162) umfasst, wobei das Feststellungsmittel feststellt, dass das Mittel zum Speichern von Leistung ausreichend aufgeladen ist, wenn der Kondensator voll aufgeladen ist.