JP2004538520A - 磁気制御型半能動触覚型インターフェイスシステム及び装置 - Google Patents

磁気制御型半能動触覚型インターフェイスシステム及び装置 Download PDF

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Abstract

動きに対抗する抵抗力を与える磁気制御可能装置を有する触覚型インターフェイスシステムまたは力帰還システム。磁気制御可能装置は、システムの操作者に力帰還感覚を与えるための力帰還コンピュータシステムとともに用いるのに適している。磁気制御可能装置には加えられた磁場の強さに比例して可変抵抗を都合よく与える磁気制御可能媒体が入っている。このシステムは、対話型プログラムまたは事象を実行する制御装置、ビデオディスプレイ及び対話型プログラムへの入力及び応答を制御するために操作者と操作可能な接触をしている触覚型インターフェイス装置(例えばジョイスティック、かじ取りハンドル)をさらに備えている。受けた入力とプログラムの処理に基づいて、制御装置は帰還力に対応する可変出力信号を与えて、磁気制御可能装置を制御し、触覚型のインターフェイス装置の動きに対抗し操作者に力帰還知覚を与えるための散逸抵抗力を与える。

Description

【技術分野】
【0001】
本出願は、同時係属米国特許出願第09/189487号(1998年11月10日に出願)の一部継続出願である。
【0002】
一般的にいえば、本発明は力帰還感覚を提供するための触覚型インターフェイスシステムに関し、さらに具体的にいえば、本発明は、抵抗力を与えるために磁気制御可能媒体を使用している触覚型インターフェイスシステムに関する。
【背景技術】
【0003】
触式インターフェイスシステム(別名力帰還・システム)は、インターフェイス装置(例えばジョイスティック又は操縦装置)を保持しているオペレータにインターフェイス装置によって制御されているものは何にでも応答して「感触」又は触感覚を与える。触覚型インターフェイスシステムは、車両及び機械の操縦及び操作を制御するために用いられることが多い。そのような装置は、コンピュータゲームと組合せて用いられることが多い。そのようなゲームにおいて、ビデオディスプレイ上の動き及びジョイスティック又は操縦装置の運動は、ディスプレイに起こっている事象に対する模擬「感じ」を与えるために、ジョイスティック又は操縦装置を通して作業者の手に与えられる物理的力と同等にされる。例えば、自動車レース・ゲームにおいて、操作者が高速で急カーブのまわりで車を操縦するとき、触覚型インターフェイスシステムは、かじ取りハンドルを曲線の中へ回し入れ難くするようにかじ取りハンドルに力を加える。この力帰還は、回転を行っている車の遠心力及びタイヤが回されるときタイヤに加えられる摩擦力を模擬する。したがって、触覚型インターフェイスシステムは、力帰還を通して動き又は事象と関連した実際の身体的感覚を遠隔で模擬したものを与える。
【0004】
代表的触覚型インターフェイスシステムは、力帰還感覚を加えるためにインターフェイス装置に接続された一つ以上のモーターを備えている。典型的モーターは、直流(DC)ステッパ・モーター及びサーボモータを含む。インターフェイス装置がジョイスティックである場合、モーターは、ジョイスティックが動かされることができるどんな方向にも力を与えるように、x方向、y方向又はそれらの組合せ方向に力を加えるために用いられる。同様に、インターフェイス装置がかじ取りハンドルである場合、モーターは、時計回り又は反時計回りの方向に回転力を伝えるために用いられる。したがって、モーターは、インターフェイス装置が動かされることができるどんな方向にでも力を加えるために用いられる。
【0005】
単一のモーターを用いているシステムにおいて、一つ以上の方向の力を与えるために、モーターは、歯車列又は他の同様のエネルギー伝達装置を介してインターフェイス装置に接続されることができる。一つ装置において一つのモーターを使用できるようにするために、普通可逆モーターを用いて二つの異なる方向に力を与える。さらに、適当な時に適当な方向に力を与えるために種々のギヤ又はエネルギー伝達装置を結合したり離したりする機構を必要とする。対照的に、他の典型的装置は、必要な方向の力を与えるために一つ以上のモーターを用いる。したがって、現在のシステムは、力帰還感覚の伝達を扱うために多くの異なるアプローチを利用する。
【0006】
しかしながら、現在の触覚型インターフェイスシステムは、多くの理由により、都合の悪い点がある。重要な一つの主たる問題は、そのようなシステムのコストである。典型的システムのコストに非常に寄与している一つのことは、DCステッパ及びサーボモータ及び可逆モーターの使用にある。これらの形式のモーターは、非常に精巧で、速度又は回転数/分を変え、異なる速度を保持して回転方向を逆転させる能力を必要とする。これらの特徴は、より大きな機械的及び電気的複雑さを必要とし、それは、コストを比較的非常に高いものにすることである。
更に、これらのモーターは、触覚型インターフェイスシステムが扱い難くならないようにするために寸法が小さいことを必要とする。これは、さらにそれらの設計を複雑にしてコストを高める。また、それらの大きさが比較的小さいために、触覚型インターフェイスシステムで一般的に必要な精巧なモーターは、限られた量のトルクを発生することだけしかできない。そのようなものとして、インターフェイス装置の操作者は、モーターによって供給されるトルク又は力帰還を容易に克服することができるかもしれない。したがって、触覚型インターフェイスシステム用に小さい、精巧なモーターを設けることは、比較的非常に高価であり、不十分な力帰還をもたらす可能性がある。
【0007】
また、都合の悪いことには、触覚型インターフェイスシステムで用いられる典型的DCモーターは、システムによって要求されるようにして作動するように設計されていない。力帰還を与えるために、普通のシステムは、モーターの出力軸をインターフェイス装置と機械的に係合させるように構成された直結駆動モーターを用いる。例えば、DCの出力軸は、かじ取りハンドル・シャフトにかみ合されるか又はジョイスティックの運動を制御するスライド又は他の機構に連結されることがある。モーターがギア又はスライドと係合するとき、モーターは力帰還を与えるようにインターフェイス装置を駆動する。しかし、インターフェイス装置を保持している操作者は、力帰還に普通は抵抗する。次に操作者によって与えられる抵抗力は、モーター出力の方向と逆に働き、それはモーターを失速させる傾向がある。この抵抗力は、モーター内の構成要素を摩滅及び/又は剥離する傾向があるだけでなく、失速状態はモーター内に発生する電流を大きくし、モーター内の電気的構成要素を痛める。触覚型インターフェイスシステムは、反復して使われる性質のものなので、そのような触覚型インターフェイスシステムのモーターの信頼性及び寿命は、ひどく減少する。
したがって、普通の触覚型インターフェイスシステムで用いられるモーターは、それらが操作される厳しい環境に一般に非常によく適しているとはいえない。
【0008】
現在の市販の触覚型インターフェイスシステムのさらにもう一つの欠点は、インターフェイス装置に接続されるモーターからの高い衝撃力がインターフェイス装置の操作者に危険なことがあることである。触覚型インターフェイスシステムが迅速な、高い衝撃力を必要とするとき、インターフェイス装置に接続されたモーターは、操作者が突然の力に対する備えがない場合、操作者を傷つける可能性がある大きな力で応ずる可能性がある。これは、その力を達成するためにモーターの速度を逓増させることによって説明されるかも知れないが、知覚は現実的でなくなる。更に、モーターの係合速度を変化させることは、触覚型インターフェイスシステムを動かすために用いられるソフトウエアプログラムを複雑にし、それによってコストを更に大きくする。したがって、現在の触覚型インターフェイスシステムで現実感の高衝撃力を生じることは、操作者に危険である可能性があるか又は高価で複雑なシステム・プログラミングを必要とすることがある。
【0009】
いくつかの従来技術装置が現在の触覚型インターフェイスシステムのいくつかの欠点を克服することを試みたが、結果は限られていた。J.フルショウ及びM.サカグチ著「ER 流体を用いる新しいアクチュエータ及び仮想現実感システムにおけるそれらの力表示装置への応用」(ER流体、MR懸濁液及びそれらの用途に関するインターナショナル会議の抄録1997年7月22〜25日、米沢、日本、頁51−52)によって提案されている。ERアクチュエータはER流体を含む装置を備えている。そして、ER流体とはその剪断強さが電界の印加によって変わる物質である。それで、ER流体は、二つの部材の間の抵抗を大きくするためにクラッチ又は制動装置として用いることができる。
【0010】
しかし、そのようなERアクチュエータの用途は、典型的触覚型インターフェイスシステムにおいて用いるにはらひどく都合が悪い。一つの主要な問題は、それはアクチュエータがER流体の剪断強さに所望の変化を生成するのに必要な高電圧を原因として生じる重大な安全問題を引き起こすことである。触覚型インターフェイスシステムの場合、典型的ER流体アクチュエータは、約1000〜5000ボルトの範囲の電圧を必要とする可能性がある。逆に、上述の典型的システムにおいて用いられるモーターは、約500ミリアンペア(mA)乃至1.0Aの範囲の電流を必要とする。したがって、ERアクチュエータを操作するために必要な電圧は、非常に高く、ERアクチュエータを大量の損耗と裂断を受けやすい消費者装置にとっては、望ましくなく、おそらく不安全にする。
【0011】
さらに、具合の悪いことに、ERアクチュエータにはアクチュエータ内の空腔にあるER流体を保持するための高価なシールが必要である。シールが頻繁に磨耗し、ERアクチュエータに対する信頼性問題及びER流体リークに関する心配を引き起こす。更に、シールの使用は、一般に厳しい許容誤差を有する機械加工部品を必要とし、ERアクチュエータのコストを大きくする。また、ERアクチュエータには厳しい許容誤差部品の相対的な位置決めを保証するために高価な軸受が必要である。
【0012】
同様に、精密な機械加工がERアクチュエータの内部回転構成要素のために必要で、更に、アクチュエータのコストを大きくする。ER装置が流体ERとER流体が接触する二つの部材の間に比較的大量の表面積を必要とするので、厳しい許容誤差の機械加工が部材の複数の隣接している面の間に必要である。したがって、比較的大量の表面積が典型的触覚型インターフェイスシステムによって必要とされる力帰還のレベルを与えるために充分なトルクを生成することを必要とされることがある。
【0013】
最後に、適当な力を与える典型的ERアクチュエータは、市販の触覚型インターフェイスシステムに組み込まれるには大きすぎる可能性がある。典型的触覚型インターフェイスシステムの力帰還を与えるために利用される装置は、実際にシステムに組み込まれるためには小型かつ軽量でなければならない。上述の欠陥がある他に、これらの要件を満たしているERアクチュエータの生産コストが非常に高い。したがって、典型的触覚型インターフェイスシステムにERアクチュエータを利用することは望ましくない。
【0014】
したがって、上述の従来技術より簡単で、費用効果的で、信頼性が高くかつよく作動する触覚型インターフェイスシステムを提供することが望ましい。
【特許文献1】
米国特許第5,683,615号
【特許文献2】
米国特許第5,705,085号
【非特許文献1】
ER流体、MR懸濁液及びそれらの用途に関するインターナショナル会議(The International Conference On ER Fluids,MR Suspensions Systems)の抄録、1997年7月22〜25日米沢、日本、頁51−52におけるJ.フルショウ及びM.サカグチ著「ER流体を用いる新しいアクチュエータ及び仮想現実感システムにおけるそれらの力表示装置への応用」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
従来技術より簡単で、費用効果的で、信頼性が高くかつよく作動する触覚型インターフェイスシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明の好ましい実施例によれば、本発明の触覚型インターフェイスシステムは、力帰還感覚を与えるために触覚型インターフェイス装置の運動に対抗する可変抵抗力を都合よく与える磁気制御可能装置からなっている。触覚型インターフェイス装置は、車両、機械又はコンピュータシステムの操作者と作動接触している。磁気制御可能装置は、第1と第2の部材の間に磁気制御可能媒体を含むのがよく、ここで第2の部材は触覚型インターフェイス装置と連絡している。説明の便宜上、磁気制御可能媒体は、何らかの磁気制御可能材料(例えば磁気流動流体又は粉)からなる。磁気制御可能媒体は、第1と第2の部材の間の相対的な運動に対抗する加えられた磁場の強さに比例する可変抵抗力を与える。本発明の触覚型インターフェイスシステムは、乗物の操縦、減速、クラッチイング及び制動、並びにコンピュータ・シミュレーション、機械の運動及び機能性を制御するために用いることができる。本発明の触覚型インターフェイスシステムを備えることができる乗物と機械の例は、産業車両並びに水上クラフト、天井クレーン、トラック、自動車とロボットである。触覚型インターフェイス装置は、かじ取りハンドル、クランク、フットペダル、ノブ、マウス、ジョイスティックとレバーを含むがそれらに限られない。
【0017】
さらに、制御装置は車両、機械又はコンピュータ・シミュレーションの動作を制御することのためにセンサ32と他の入力30によって得られた情報に応答して車両、機械又はコンピュータ・シミュレーション30に信号を送ることができる。図1と図2を参照。一旦操作者の入力と他の入力がマイクロプロセッサ54によって処理されると、車両、機械又はコンピュータ・シミュレーションの制御を反映するために触覚型インターフェイス26(例えばジョイスティック、操縦ホイール、マウス等)を制御する力帰還信号が磁気制御可能装置24に送られる。
【0018】
システムはさらにそして、対話型プログラム及び触覚型インターフェイス装置の位置を検出して対応する可変入力信号を制御装置に与えるセンサを動かすのに適応した制御装置(例えばコンピュータシステム)を備えている。
【0019】
制御装置は、対話型プログラムとセンサからの可変入力信号を処理して、対話型プログラムによって計算されるような触感覚を操作者に与え、半能動的、可変抵抗力に対応する可変出力信号を与える。可変出力信号は、第1及び第2の部材に隣接して配置された磁場発生装置にエネルギーを与えて、可変抵抗力に比例した強さを有する磁場を作る。磁場は、第1と第2の部材の間の作業スペースに配置される磁気制御可能媒体を横切って加えられた。加えられた磁場は、触覚型インターフェイス装置と連絡する第1と第2の部材の間の線形運動、回転運動又は曲線運動などの相対運動と関連している磁気制御可能媒体の抵抗力を変える。そのようなものとして、制御装置からの可変出力信号は、加えられた磁場の強さ、したがって磁気制御可能媒体の可変抵抗力を制御する。磁気制御可能媒体を付勢することによって与えられた抵抗力は、複数の位置の間の触覚型インターフェイス装置の運動の容易さを制御する。したがって、本触覚型インターフェイスシステムは、車両、機械又はコンピュータ・シミュレーションの操作者に触覚型インターフェイス装置の運動に対抗する磁気制御可能装置を通して力帰還感覚を与える。
【0020】
好ましい実施例において、磁気制御可能装置の中の磁気制御可能媒体は、第1と第2の部材の間に配置された吸収性要素によって囲まれている。吸収性要素は、静止状態から静止状態の好ましくは約30%−70%の量に圧縮される。吸収性要素は、磁気制御可能媒体を保持するためのオープンスペースを有するマトリックス構造体として形成されてもよい。吸収性要素のための適当な材料は、とりわけ連続気泡フォーム(例えばポリウレタン材料からできている)からなっている。
【0021】
磁気制御可能媒体は、加えられた磁場の強さに応じて変化する剪断強さを有する媒体である。一つの好適な形式の磁気制御可能媒体は磁気流動性流体である。
上述のように、磁場発生装置は、加えられる磁場を与える。磁場発生装置は、コイルであるのが好ましく、ある巻回数と一定のゲージを有する導線を含む。導線の巻数とゲージは、可変強さの磁場の所望の範囲及び可変出力信号の電流と電圧に左右される。
【0022】
前述のように、制御装置は、ホストコンピュータ、制御装置及び増幅器を更に備えるコンピュータシステムを備えていてもよい。後で説明されているように、制御装置及び増幅器は、代わりに触覚型インターフェイス装置の独立した構成要素又は部品であってもよい。ホストコンピュータは、対話型プログラムを実行するプロセッサを備えている。制御装置は、センサから受けた可変入力信号及びホストコンピュータから受けた可変出力信号を変更するために用いられるマイクロプロセッサ及びファームウェアを備えている。制御装置は、それから変更された可変入力信号をホストコンピュータに、そして変更された可変出力信号を磁気制御可能装置に与える。制御装置によって実行される変更機能は、ホストコンピュータ及び磁気制御可能装置及びセンサの間の連絡を可能にする。増幅器は、ホストコンピュータからの出力信号が磁気制御可能装置を制御するのに十分でない状況のときに、増幅された可変出力信号を与えるために出力信号を更に変更する。更に、制御装置及び増幅器は、ローカルプロセッサとして働いて、ホストコンピュータによって処理される必要がないある種の入力信号(例えば反射運動のような抵抗力を与えるための)に対する出力信号を与えることによってホストコンピュータにかかる負担を減らす。
【0023】
一つの実施例において、本発明は、上述の通りに、磁気制御可能装置を含んでいる触覚型インターフェイス装置が対話型プログラムを処理するコンピュータシステムによって生成される受信可変出力信号に比例した可変抵抗力を与えるのに適していることを開示している。磁気制御可能装置は、磁場発生装置、第1及び第2の部材及び磁気制御可能媒体を更に備えている。磁場発生装置は、可変強さ磁場を与えるために可変出力信号によって付勢できる。第1及び第2の部材は、磁場発生装置と隣接している。磁気制御可能媒体は、第1と第2の部材の間に配置され、そこで磁気制御可能媒体は、可変強さ磁場に応じて可変抵抗力を与える。さらに、触覚型インターフェイス・ユニットは、対話型プログラムを制御して応答するための触覚型インターフェイス装置(操作者と作動接触をしているのに適した)を更に備えていてもよい。触覚型インターフェイス装置は、磁気制御可能装置と連絡し、かつ複数の位置を有し、それらの位置において、複数の位置の間の触覚型インターフェイス装置の運動の容易さを可変抵抗力によって制御する。最後に、触覚型インターフェイス・ユニットは、可変抵抗力を制御するために磁気制御可能装置に信号を与える制御装置を更に含むことがある。
【発明の効果】
【0024】
本発明は、従来の能動触覚型インターフェイスシステムとは異なり、半能動型触覚型インターフェイスシステムを用いているので、従来の装置より簡単で、費用効果的で、信頼性が高く性能のよい触覚型インターフェイスシステムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
本発明による半能動触覚型インターフェイスシステム20が、図1に略図で例示されている。半能動触覚型インターフェイスシステム20は、操作者22に抵抗力を与えて触覚型インターフェイス装置の運動に対抗することによって力帰還抵抗感覚を触覚型インターフェイス装置26を通して操作者に与える磁気制御可能装置24を備えている。操作者22は、制御装置28によって実行される制御プログラム又はアルゴリズムを制御して、それに応答するために触覚型インターフェイス装置26を動かす。車両、機械又はコンピュータ・シミュレーションのようなシステムが置かれている用途に関する信号が出力装置30によってそれらの信号が磁気制御可能装置24に及ぼす必要な効果を決めるために処理される制御装置28へ送られる。出力装置は、モニタを備え、対応する映像をモニタ30に表示する。センサ32が触覚型インターフェイス装置26の運動を検出して、運動を制御装置28に報告する。本発明の好ましい実施例の説明のための制御装置28は、触覚型インターフェイス装置26の運動に対応し、かつモニタ30上の映像に対応している可変抵抗力を与えるためにモニタ30上に新しい映像を生成すること及び磁気制御可能装置24を制御することによって対話形式で応答するコンピュータシステム28である。したがって、触覚型インターフェイスシステム20及び特に磁気制御可能装置26は、都合のよいことに、操作者22が現実的な力帰還感覚を感じることができるようにする半能動抵抗力を与えるための簡単で、費用効果的で高性能の解決案を与える。
【0026】
本システムが車両又は機械に設置されるとき、システムはモニタを備えなくてもよい。モニタは、図2に示すように本発明のコンピュータシミュレーション応用には含まれるであろう。
【0027】
本発明の触覚型インターフェイスシステム20の半能動特徴は、非常に経済的で、コンパクトで頑丈なシステムを作る際に特に有利である。本明細書において使用しているように、用語「半能動」は、加えられた運動に応答して散逸的な対向抵抗力を与えることができることをいう。高価なモーターを利用している「能動」力帰還を設ける従来技術の触覚型インターフェイスシステムとは対照的に、本発明の触覚型インターフェイスシステム20は、半能動可変抵抗力を与えるために磁気制御可能媒体34(図5)を含んでいる磁気制御可能装置24を利用する長所がある。用語「能動」は、操作者が装置を動かすことを必要とすることなく力を触覚型インターフェイス装置に独立に与える能力を指す。触覚型インターフェイス装置26と制御装置28の間の継続的な帰還を通して、制御装置は触覚型インターフェイス装置26の運動に対抗する可変抵抗力を与えるように磁気制御可能装置24を導く。更に、対話型プログラムを実行することに基づいて、
制御装置28は、磁気制御可能装置24によって与えられた抵抗を表示装置30上の映像及び/又は触覚型インターフェイス装置26の運動と一緒に変化するように導く。
【0028】
例えば、操作者が図2のコンピュータ・シミュレーション(例えばレーシングカー駆動対話型プログラム)を制御しており、操作者22が不破壊壁にカーを向ける方向に触覚型インターフェイス装置26を動かすことを試みる場合、コンピュータシステムは制御信号を与える。信号は、操作者によって触覚型インターフェイス装置に加えられる力以上の抵抗力を与えるように磁気制御可能装置24を制御する。これは、触覚型インターフェイス装置のどんな動きにも対抗し、不動壁に突っ込む感触を模擬する。
【0029】
同様に、同じ対話型のレーシングカー駆動プログラムと操作者22がカーブを回ってカーを動かしていると仮定すると、制御装置28は、実際の遠心力と摩擦力を模擬するために触覚型インターフェイス装置26に操作者22によって加えられる力より小さい可変量の抵抗力を与える。可変抵抗力の量は、カーの速度と牽引力及びカーブの急な度合いによって変わる。結果として、磁気制御可能装置24は、触覚型インターフェイス装置26を通して操作者22によって感じられた抵抗力帰還感覚を作り、対話型プログラムに現実的な感触を与える。したがって、操作者22が触覚型インターフェイス装置26を動かすと、本発明のシステムは、現実の力を模擬するために触覚型インターフェイス装置の動きに対抗するために抵抗を与える。前述のように、本発明の触覚型インターフェイスシステムは、車両の操縦、減速及び制動、並びにコンピュータシミュレーションや機械類の運動と機能性を制御するために用いられてもよい。しかしながら、本発明の触覚型インターフェイスシステムの説明が更に進むにつれて、本発明の動作を説明するために、本システムをコンピュータシミュレーションの制御に用いる。車両/機械のかじ取りハンドル又はジョイスティックに一体化されたシステム20の概略図が図3及び4に示されている。
【0030】
磁気制御可能装置24が触覚型インターフェイスシステム20の費用効果的で、コンパクトで頑丈な設計にうまく寄与する。図5と6を参照すると、典型的磁気制御可能装置24は、一般に、第1の部材38と第2の部材40の間の作業スペース36に入った磁気制御可能媒体34を備えている。矢印によって示されているように、部材38、40は、合せ面に沿った相対運動(例えば直線運動又は回転運動)をするように配置される。磁気制御可能媒体34は、媒体を横切る可変強さ磁場を生成するために付勢できる環状の磁場発生装置42(図6)の作用を受けている。磁気制御可能媒体34は、加えられた磁場の強さに比例して変化する剪断強さを有する媒体である。換言すれば、媒体の「見かけの粘性」は、加えられた磁場の強さに比例して変化し、部材38と40の間の相対運動に耐えるために制御可能な剪断力を与える。
【0031】
適当な磁気制御可能媒体34は、本願明細書に引用して組み込まれた共通に譲渡された米国特許第5,683,615号及び第5,705,085号に記載されているような磁気流動性流体から成っていてもよい。他の流体(例えばカルボニル鉄を分散させた炭化水素油)又は磁場に応答して特性の変化を示すどんな媒体でもよい。例えば、本発明において用いられることができる他の磁気流動学的流体は、カールソンその他の米国特許第5,382,373号及びワイスその他の米国特許第5,578,238号において開示され、本明細書に参照して組み込まれている。
【0032】
第1の部材38と第2の40の部材は、磁場発生装置42と隣接していて、少なくとも一部分は磁気制御可能媒体34の対向側面に配置されている。部材38、40の各々は、磁束線44によって示されているように、媒体34を横切る磁場を生じるための極片として作用するために磁気的に軟らかい鋼(例えば、AISI 1010、AISI 1018又はAM 12L14など)のような高透磁性材料を含むのが好ましい。さらに、第2の部材40は、触覚型インターフェイス装置26と連絡し、磁場発生装置42が付勢されている間、触覚型インターフェイス装置を動かしている操作者22が磁気制御可能媒体34によって第1の部材38と第2の部材40の間に生成された変更抵抗力を感じる。都合のよいことに、第1の部材38と第2の部材40の相対運動に耐えるかなりの剪断力を可動部材38、40の間の少量の磁気制御可能媒体34によって得ることができる。したがって、2部材間の剪断運動を含む種々の相対運動(例えば線形運動、回転運動、曲線運動及び旋回運動)を本発明による磁気制御可能装置によって制御できる。
【0033】
さらに、磁気制御可能装置24は、作業域36に磁気制御可能媒体34の事実上全量を含むのが好ましい。作業域36に媒体34を入れるためのどんな適当な手段をも使用できる。本発明の好ましい実施例によれば、作業域36の範囲内に磁気制御可能媒体34を入れるための手段は、吸収性要素46から成っている。吸収性要素46は、例えばウィッキング又は毛管作用によって、磁気制御可能媒体34を吸収して保持することができる材料である。吸収性要素46(第1の部材38と第2の部材40の間に配置されている)は、磁気制御可能媒体34を保持するためのオープンスペースを有するマトリックス構造体を備えているのが好ましい。磁気制御可能媒体34が吸収性要素46の中のオープンスペースの中に保持されるが、材料自体は吸収性であってもなくてもよい。そのような装置の完全な説明は、1997年10月29日に出願されたカールソンの「制御可能な媒体の装置及びそれを用いた装置」という名称の米国特許出願番号08/959,775にある。
【0034】
特に好適な吸収性要素46は、スポンジ状の材料(例えば連続気泡フォーム又は部分気泡フォーム)である。そのようなフォームを作るのに適当な材料は、ポリウレタン、ゴム、シリコーンゴム、ポリアミド、ネオプレーン、イオナー、メラミン、ポリイミド高温フォームと金属フォームを含む。さらに、他の例示的な吸収材料は、フェルト(例えば、ノメックス(商標)アラミド繊維、ポリベンジマダゾール繊維、テフロン(商標)繊維とゴアテックス(商標)繊維などの材料でできているフェルトを含む)、繊維ガラス・ウィッキング及び織物ブレーキ又はライニング材料を含む。他の材料と構造(例えば、金属メッシュ、ブラシ又はフロック加工表面材料)もまた適当である。
【0035】
吸収性要素46はまた、磁気制御可能装置24の構成要素の間の許容誤差を減少させるのに都合よく、それによって、装置24を製造して組立てるためのコストを下げる。吸収性要素46の表面で、摩耗の影響を打ち消し、丈夫な設計をするために、部材38と40の間に圧縮された材料を設けることが望ましい。吸収性要素46は、全く圧縮しないでも利用することができるが、材料は静止状態からその設置された状態まで約30%と70%の間に圧縮されるのが好ましい。したがって、作業域36に磁気制御可能媒体34の事実上全量を入れ、吸収性要素46を磨耗と引き裂けを考慮することによって、本発明は、大量の媒体を用意し、従来技術の関連のシール軸受及び装置を設ける必要性をなくす。したがって、本発明は全ての構成要素に以前必要とされた厳しい許容誤差を減らす。
【0036】
吸収性要素46は相対的に動く部材38、40の一つに固定されて、それが作業域36に確実に配置されたままにするのが好ましい。好適な実施の形態によれば、吸収性要素46は、部材の一つに感圧接着剤を用いて、粘着して結合される。一つの好適な吸収性要素46は、片側に感圧接着剤を有するポリウレタン・フォームである。フォームは、接着剤によって一つの部材に容易に取り付けられることができる。代わりに、吸収性要素46は、それが部材の構造によって適所に保持されるように成形できる。例えば、管状の形のフォーム材をスリーブとして部材周りに嵌めてもよい。最後に、吸収性要素46は、作業域36を満たす必要はない。
【0037】
図5と6を参照すると、磁場発生装置42は、保持器50(例えば、プラスチックボビン又はスプール)に巻付けられた電導線で形成された少なくとも一つのコイル48から成るのが好ましい。導線コイル48の巻線は、コイルに電流を流すことによって、磁気制御可能媒体34と交差する誘導磁場(磁束線44によって表されている)を生じるように巻回される。誘導磁場は、コイル48を付勢するために供給される電流に比例し、電流の大きさは、例えばコンピュータシステム28の出力信号及び導線の巻数から決められる。当業者によって実現されるように、導線コイル48は、広範囲の導電材料から選択でき、所望の磁場強さの範囲、所望の電流の範囲、空間制約と所望の作動電圧によって変わる。例えば、導線は、銅、アルミニウム、金、銀などの材料から成っていてもよい。同様に、導線のゲージとコイル48内の巻回数は、用途に左右され、当業者に知られている方法によって決定されることができる。
【0038】
磁場発生装置42は、第1の部材38又は第2の部材40と隣接していてもよいが、一方の部材(図6で第1の部材38内に示されている)の中に形成された凹部52(図示の環状へこみのような)の中に配置される。コイル48に接続するリード線53(図5)は、コイルを付勢するための信号66’(図2に詳細に示されている)を与える制御装置28に接続されている(以下にさらに詳細に説明する)。コイル48を接続している導線53が可動部材に取り付けられることがあるので、導線の過度の引伸し、曲げ又は回転によって導線を切断しないようにするためにその部材の運動を制限する必要があることがある。代わりに、過度の線形、回転、旋回又は曲線の運動があっても、制御装置28に接続できるようにする手段を備えてもよい。例えば、スリップリング・コネクタ、導線巻き取りリール及び蔓巻き導線を信頼できる接続を保持しながら、大量の運動を許すために利用してもよい。しかし、これらの代替案は、一般に高価になり、したがって、費用効果的な触覚型インターフェイスシステムのための望ましいものではない。
【0039】
図2を参照すると、磁気制御可能装置24は、触覚型インターフェイス装置26とセンサ32を一体化して、触覚型インターフェイス・ユニット(点線55によって表されるような)にするのが好ましい。後で詳しく述べるように、触覚型インターフェイス・ユニット55は、さらに制御装置54及び/又は信号増幅装置56を備えてもよい。触覚型インターフェイス・ユニット55は、上述の構成要素の各々が中に取り付けられている保護ハウジング又はシェルを更に備えていてもよい。
【0040】
触覚型インターフェイス装置26は、操作者22と可操作接触をしているどんな装置であってもよい。操作者22は、制御装置28のコンピュータシステムによって処理される対話型プログラムを制御して応答するように触覚型インターフェイス装置26を操作する。適当な触覚型インターフェイス装置26は、かじ取りハンドル、ジョイスティック、操縦ヨーク、クランク、フットペダル、ノブ、マウス、レバー、シート、モーターバイク・フレーム、ジェット・スキー・フレーム、ダウンヒル・スキー・フレーム、娯楽部分乗物及び操作者22と可操作接触している任意のその他の装置を備えていてもよい。
【0041】
センサ32は、触覚型インターフェイス装置26と連絡していて、触覚型インターフェイス装置を中で動かすことのできる複数の位置のどの中でも検出された位置を識別する。センサ32は、検出された位置に基づいて制御装置28に可変入力信号を与える。接触のインターフェイス装置26が絶えず動いていることがあるので、センサ32は、制御装置28がその出力信号を操作者に対話型プログラムによって計算された接触感覚を与えるように更新できるようにするために迅速に制御装置28に触覚型インターフェイス装置26の更新された検出位置を与えなければならない。理想的には、センサ32は、触覚型インターフェイス装置26の検出された位置の動きに比例して変化する連続信号を制御ユニット54に与える。
【0042】
適当なセンサは、電位差計(例えば、クラロスタット(Clarostat) 10Kオーム電位差計)、光学エンコーダ(例えば、クラロスタット・シリーズ 6000光学回転エンコ−ダ)、ロータリ・エンコーダ又は任意の形式のレオスタット若しくは可変抵抗器を備えていてもよい。例えば、センサ32は、かじ取りハンドルの回転を検出するためにかじ取りハンドルに接続されたシャフトに取り付けられることができる。また、一つ以上のセンサ32が触覚型インターフェイス装置26の複雑な運動を検出するために必要なことがある。例えば、触覚型インターフェイス装置26がジョイスティックである場合、一方のセンサ32は、x方向の動きを決めるためにジョイスティックの一つの成分に接続され、他方のセンサ32はy方向の動きを決めるためにジョイスティックのもう一つの成分に接続されてもよい。この例では、x方向のセンサとy方向センサは各々可変入力信号を各制御ユニット54に送る。
【0043】
制御ユニット54は、センサ32から可変入力信号を受けて、磁気制御可能装置24に可変出力信号を与える。上記のように、継続的な帰還ループが制御装置28と触覚型インターフェイス装置26の制御ユニット54の間、したがって、ホストコンピュータ58、磁気制御可能装置24とセンサ32の間にある。ホストコンピュータ58によって処理される対話型プログラムは、センサ32からの可変入力信号を対話型プログラムへの入力として用いる。この入力に基づいて、ホストコンピュータ58は、更に制御プログラムを処理して磁気制御可能装置24に送る可変出力信号を決める。コンピュータシステムを制御している操作者22の以前に示された例に戻って、そのようなコンピュータシステムにおいて、ホストコンピュータ58内の制御又は対話型のプログラムは、センサ32からの入力信号を処理する。このことから、ホストコンピュータ58は、操作者22が表示装置30で見ているものを操作者が触覚型インターフェイス装置26によって感知しているものと統合して触覚を模擬するために磁気制御可能装置24から要求された半能動抵抗力を求める。ホストコンピュータ58は、表示された映像を更新するために表示装置30に信号を送り、同時に磁気制御可能装置24に出力信号を送る。例えば、磁気制御可能装置24に送られる出力信号は、操作者22によって感知されるように望まれた抵抗力に比例した値を有する電流であってもよい。したがって、触覚型インターフェイス装置26を動かそうとするときに、操作者22は、触覚型インターフェイス装置を通して磁気制御可能装置24によって加えられた抵抗力の変化を感じ、それによって力帰還感覚を定める。
【0044】
一般に、制御装置28がセンサ32から可変入力信号を受けて、磁気制御可能装置24への可変出力信号を生成するが、多くの異なる構成要素が信号取扱いに関連することがある。制御装置28は、ホストコンピュータ58を含み、触覚型インターフェイス装置26で通信するために制御装置54と増幅装置56を更に備えることがある。例えば、ホストコンピュータ58は、一般に電気信号を送/受信する入/出力60、例えば、対話型プログラムを表す電気信号をそれぞれ処理し、記憶するプロセッサ62と記憶装置64を備えている。例えば、適当なホストコンピュータ58は、パソコン(例えばIBM、コンパック、ゲートウェイ又は適当な情報を処理できる他の適当なコンピュータ)である。入/出力60は、複数の連続及び/又は並列の通信ポート(例えば、RS−232形ポート及びユニバーサル・シリアル・バス(USB)のような高速双方向通信路)を含むことができる。プロセッサ62は、インテル・ペンティアム(商標))又は他の適当なマイクロプロセッサであってもよい。記憶装置64は、ランダムアクセスメモリ(RAM)と読み出し専用メモリ(ROM)並びに他の周知の形式のメモリから成っていてもよい。当業者が認めるように、特定の用途次第で、本発明で利用される広範囲のパソコン、入/出力、マイクロプロセッサ及び記憶装置がある。
【0045】
例えば、ホストコンピュータ58は、触覚型インターフェイス装置26に加えられる所望の抵抗力と比例した電流を含む出力信号66を送ることができる。出力信号66は、追加の処理のための制御ユニット54によって受けられることができる。制御装置54は、入/出力68、電気信号を処理するプロセッサ70(デジタル信号処理装置(DSP)など)、電気信号を記憶する記憶装置72及び/又は電気信号を記憶して処理するファームウェア74を備えるマイクロコンピュータであってもよく、ここで、電気信号は、ローカル対話型プログラム又はシステム20を有する他の装置からの入力を表している。入/出力68、マイクロプロセッサ70及びメモリ72はホストコンピュータ58に対する上述のものとほとんど同様であってもよいが、制御ユニット54の能力は、コストを減らすためにさらに限定されてもよい。制御ユニット54は、ホストコンピュータ58からのプロセス出力信号66を処理し、変更出力信号66´を与える。
【0046】
さらに、制御ユニット54は、システム20にある構成要素から直接受けた信号又は信号の部分を局所的に処理する。例えば、制御ユニット54は、センサ32から可変入力信号76を受けて、変更可変入力信号76’としてホストコンピュータ58に入力信号を通す前に局所的に処理される部分に対する信号を検索する。また、制御ユニット54は、ホストコンピュータ58によって理解されるか又は処理可能であるフォーマットで入力信号76を入れるために変更入力信号を与えることができる。更に、制御ユニット54は、触覚型インターフェイス装置26からの入力信号78(例えば、触覚型インターフェイス装置上のボタン又は引金79からの信号)を受けることができる。入力信号78は、反動状応答(例えば銃の発射)を必要とする信号であってもよい。これらの形式の信号を処理することでホストコンピュータ58に負担をかける(非常に頻繁であることがある)のではなく、制御ユニット54は処理に能力を与える。入力信号78は制御ユニット54によって完全に処理され、それによって、ホストコンピュータ58にかかる処理負担を都合よく減らすことができる。したがって、制御ユニット54を使用すると、対話型プログラムを実行する際にホストコンピュータ58によって実行されている力帰還計算と並列に力帰還計算を実行することによってシステム20の効率が大きくなる。
【0047】
同様に、制御ユニット54は、制御ユニット54の中で局所的に処理されるべき簡潔な高レベル命令(出力信号66の全て又は一部を含む)を受けることがある。これらの高レベル命令は、制御ユニット54によって局所的に容易に処理できる簡単な、半能動可変抵抗力感覚を表すことができる。したがって、要するに、制御ユニット54は、システム20の総合的な効率を最大にするためにホストコンピュータ58に並列処理に能力を与える。
【0048】
制御ユニット54によって与えられた変更可変出力信号66′は、磁気制御可能装置24によって受けられる前に更なる処理を必要とすることがある。変更出力信号66′は、変更出力信号66′のレベルを押し上げて、増幅された出力信号66″を与えるために、例えば、増幅装置56によって受けられることがある。
変更出力信号66′は、所望の抵抗力を与えるための強さの磁場を生じるために適切にコイル48を付勢するのに不十分な小さい電流の可変信号であることがある。この問題を解決するために、増幅装置56は適切にコイル48を付勢するのに十分なレベルに変更出力信号66′の強さ又はアンペア数を比例して大きくする。したがって、増幅装置56は、都合よく低い強さの信号をシステム20内で処理できるようにし、それによって、磁気制御可能装置24を適切に付勢するのに必要なレベルに信号を押し上げる前に、必要な構成要素の耐久性と電力を少なくすることによってコストを節約する。
【0049】
上述のように、制御ユニット54と増幅装置56は、コンピュータシステム28又は触覚型インターフェイス装置の一部分であってもよく、それらはシステム20中の独立した構成要素であってもよい。当業者は、上述の種々の構成要素がシステムの操作性に影響を及ぼすことなく、多数の方法で組み合わされてもよいとわかるであろう。同様に、いくつかの構成要素(例えば、制御ユニット54及び増幅装置56)は、それらの機能が他のシステム構成要素(例えば、ホストコンピュータ58)によって適切に実行されることができる場合、必要でないことがある。したがって、システム20の上述の構成のバリエーションは、本発明によって意図されている。
【0050】
触覚型インターフェイスシステム20は、二つの密接に結合された対話型の機能、すなわち感覚的入力機能と力出力機能を含む。感覚的入力機能は、触覚型インターフェイス装置の操作者の手の操作を追跡して、それらの操作を表わす制御装置に感覚のデータを送る。力出力機能は、ホストコンピュータからの命令に応答して操作者に物理的な触覚を戻す。これらの二つの機能は、感覚的入力機能が一般に力出力機能に応じて変化し、その逆も同様である点で絡み合っている。換言すれば、触覚型インターフェイス装置の操作者の操作は、加えられた抵抗力又は力帰還によって影響され、加えられた抵抗力は、操作者の操作に左右される。
したがって、触覚型インターフェイスシステム20は、非常に複雑で継続的な相互作用を包含している。
【0051】
再びコンピュータシステム操作者22の例に戻ると、動作において、ホストコンピュータ58は、対話型プログラム(例えば、ゲーム)を表示装置30によって受けられる映像信号80を発生するためにプロセッサ62を用いて実行する。
映像信号80は、表示装置30に映像(ゲームの中で生じている事象に対応している)を生成するのに用いられる電気信号である。操作者22は、触覚型インターフェイス装置26(例えば、かじ取りハンドル又はジョイスティック)を見ている事象と協力して動かすことによって事象に応答する。センサ32は、制御ユニット54にホイール又はジョイスティックの位置を表している追跡情報を含む可変入力信号76を送る。制御ユニット54は、局所的に情報を処理することによる情報又はその情報の変更形をホストコンピュータ58に変更可変入力信号76′として転送することによって応答することができる。局所的に情報を処理するときでさえ、制御ユニット54は、変更可変入力信号76′をホストコンピュータ58及び/又は表示装置30に与えて、最新の入力と対応するように事象の生成映像を更新することができる。
【0052】
ホストコンピュータ58は、制御ユニット54からの変更可変入力信号76′を受け、その情報を対話型ゲームを実行しているプロセッサ50に入力する。ホストコンピュータ58は、変更入力可変信号76′の処理に基づいて、表示装置30に生成される事象の映像を更新し、ホイール又はジョイスティックを動かす際の操作者20によって感じられた抵抗力に比例した可変出力信号66を与える。可変出力信号66は、増幅された可変出力信号66″として磁気制御可能装置24に達する前に、制御ユニット54によって変更され、増幅装置56によって増幅されてもよい。増幅された可変出力信号66″の強さは、所望の磁場強さに、したがって抵抗力(対話型プログラと整合するようにホストコンピュータ58によって計算される)に比例して変化する。
【0053】
図2、5及び6を再度参照すると、可変出力信号66″は、それによって変更24の中のコイル48を付勢して磁場を生じる。磁場は、作業域36を横切って加えられ、吸収性要素46の中に含まれた磁気制御可能媒体34の剪断強さに影響を及ぼす。媒体34の剪断強さへの影響は、第1の部材38と触覚型インターフェイス装置26に接続されている第2の部材40との間に半能動抵抗力をつくる。結果として、操作者22は、触覚型インターフェイス装置の企てた動きの間、触覚型インターフェイス装置26を通じて変更抵抗力を感知する。したがって、触覚型インターフェイスシステム20は、現実的な感触を模擬するために触覚型インターフェイス装置26を操作している操作者22に対抗する力帰還感覚又は抵抗力を与える。例えば、がたがた揺する突風、剛性表面、粘凋液体、漸増重力、弾力性ばね、きしり振動、格子組織、重い物質、一陣の風及び数学的に表され、制御装置28によって計算されることができる他のすべての物理的現象の感触は、模擬されることができる
【0054】
以下は、本発明の教示を使用している多くの異なる実施態様を含む。要素が事実上上述のものと同じ場合、それらは同じ参照番号を付けてある。触覚型インターフェイス装置の動き(x方向とy方向の動きなど)を小さくして扱いやすく、測定可能な構成要素にするために種々の製造業者によって利用されるさまざまな機構に基づいて、本発明の教示を利用している多数の構成の触覚型インターフェイスシステムを使用できる。したがって、これらの例は、制限することを目的とするのではなく、触覚型インターフェイスシステムの多数の実施態様への本発明の教示の例である。
【0055】
一般に、触覚型インターフェイス装置26の動きは直線運動又は部分的回転又は曲線運動を含む回転運動である。同様に、磁気制御可能装置24は、上述のように、部分的な回転又は曲線運動を含めて線形運動又は回転運動のどちらかに、対抗する可変抵抗力を与えることができる。触覚型インターフェイス装置26の動きを制御するために、磁気制御可能装置24は、何らかの方法で触覚型インターフェイス装置26に連結されなければならない。そういうものだから、連結機構は、一般的に触覚型インターフェイス装置26から磁気制御可能装置24への以下の形式の運動変換をする。すなわち、線形から線形に、線形から回転に、回転から回転に及び線形から回転に。それゆえ、触覚型インターフェイス装置の構成は変化することがあり、磁気制御可能装置24の構成は、触覚型インターフェイス装置26の動きを分析するために用いられる機構、空間的制約、抵抗力及び/又はトルク要件並びにコスト制約次第で変わる。したがって、本発明の教示は、複数の異なる構成に適用して等しくうまくゆく。
【実施例1】
【0056】
図7を参照すると、本発明の一実施例は、駆動メカニズム92を通して抵抗力を触覚型インターフェイス装置26に加えるのに適している磁気制御可能装置24を有する触覚型インターフェイス装置55を備えている。図7において、インターフェイス装置は、車両内を示す図3において使用するために示されているかじ取りハンドルである。そのような用途において、磁気制御可能装置24は、回転制動装置であり、モニタ30は、車両操作情報を表示する。駆動メカニズム92は、触覚型インターフェイス装置26(例えば、図示のかじ取りハンドル)と操作可能な接触をしている操作者22(図3を参照)によって駆動されることができる。センサ32は、触覚型インターフェイス装置26の位置に対応する駆動メカニズムの位置を決定して報告するために駆動機構92と回転接触している。触覚型インターフェイス装置55は、さらに磁気制御可能装置24とセンサ32が固定的に取り付けられ、駆動メカニズム92が例えば軸受、ブッシング、スリーブ等のような低摩擦要素で可動に取り付けられたフレーム94を備えている。センサは、かじ取りハンドルの回転変位を感知する。
【0057】
駆動メカニズム92は、シャフト98に固定的に取り付けられたディスク96を備えている。ディスク96は、操縦ホイール26の回転している間、磁気制御可能装置24とセンサ32に係合するように構成されている。ディスク96は、丸いディスク又は限られた回転が望まれる場合、丸いディスクの部分的なセグメントだけを備えていてもよい。ディスク96は、磁気制御可能装置24及びセンサ32に係合するために図示のような周辺歯車歯又は高摩擦面を備えていてもよい。
【0058】
図8を参照すると、図7の磁気制御可能装置24は、断面で示されており、回転ディスク状の第2の部材40の両側面に隣接して配置された一対の第1のプレート部材38を含む。高透磁率材料から成る環状リング部材100は、第2の部材40のまわりに周囲壁を形成し、ハウジング99を形成するために第1の部材38と結合する。固定手段102が磁気制御可能装置24の構成要素をつなぎ合わせるために複数の場所において使用されてもよい。固定手段102は、ネジ、クランプ、ボンド接着又は装置24の構成要素を一つにつなぎ合わせるための任意の他の方法を含んでいてもよい。更なる保持手段がフレーム94に装置24を留める。
【0059】
磁気制御可能媒体34を含むディスク形のリングであるのが好ましい吸収性要素46が第1の部材38と第2の部材40の間の二箇所にはさまれている。保持器50のまわりに巻かれたコイル48を含む磁場発生装置42は、磁気制御可能装置24の周辺部に第1の部材38及び第2の部材40に隣接して配置されている。コイル48は、制御装置28(図3)に至るリード線53よって接続されている。したがって、磁束線44によって表された磁場が磁場発生装置42を付勢すると生じる。
【0060】
シャフト104は、第2の部材40を通って伸びて、それにしっかりと固定され、係合部材106(例えば、ホイール、ギア又はピニオン)を介して一端でディスク96(図7)に相互接続している。係合部材106は、シャフト104に、例えば、圧力嵌め、取付ネジ、接着剤又は溶接結合、ピン及びシャフトに固定関係で係合部材を保持する任意の他の適当な方法によってしっかりと取り付けられる。係合部材106が周辺歯又はディスク96の周辺部と相補的な高摩擦面を備えていてもよい。第1の軸受部材108は、係合部材106と第2の部材40の間でシャフト104に配置されている。第1の軸受部材108は、シャフト104の回転を可能にし、第1の部材38と関連して半径方向の負荷に対してシャフトを支持する。適当な軸受部材108は、ころ軸受、ナイロン又はテフロン(商標)のような低摩擦材料のスリーブ若しくはワッシャ又は他の適当な機構を備えていてもよい。第2の軸受部材110は、第2の部材40の対向する側面にシャフト104の他端に配置されている。第2の軸受部材110は、シャフト104と第2の部材40の半径方向支持となる。適当な軸受部材110がスラスト軸受、ナイロン又はテフロン(商標)のような低摩擦材料のスリーブ若しくはワッシャ又は他の適当な機構を備えていてもよい。
【0061】
ディスク96と係合部材106は、それらの直径の比率が磁気制御可能装置24に適当な量の抵抗力を与えさせることができるようにする比率の範囲内にあるように寸法を決められる。同様に、ディスク96の半径と係合部材106と同様のセンサ32(図7)のシャフトに固定的に接続された係合部材1l2との比が適当なシステム効率を保証するために調整されなければならない。
【実施例2】
【0062】
図9は、図8の装置24の代わりに用いられる磁気制御可能装置24bの別の実施例を例示している。この装置では、シャフト104bは、軸受108b、110bによってU字形の第1の部材38bの中に半径方向に支持されている。係合部材106bは、図7のディスク部材96に係合する。装置24bは、フレーム94に第1の部材38bの両端とスペーサ90を通して受けられる固定手段102bによって取り付けられている。ディスク形の第2の部材40は、シャフト104bに圧力嵌めで係止されて、それとともに回転する。局所化された吸収性要素46bは、第2の部材40bのどちらかの側に配置されて、第1の部材38bの内部に接着剤で固定された連続気泡ポリウレタン・フォームであるのが好ましい。磁気制御可能媒体34bは、要素46bによって保持される。
第1部材38のまわりに巻かれたコイル48に相互接続するリード線53bに、電流を与えることによって磁場発生器42bを付勢すると、即座に、第1部材38bによって運ばれる磁束44が作られ、媒体34bを保持している要素46bを横切る。この付勢は、媒体のレオロジーを変えて、部材38bと40bの間の相対回転を防ぐように作用する抵抗力を作り、それによって操作者22に抵抗力を与える。
【実施例3】
【0063】
図10〜12を参照すると、本発明のもう一つの実施態様は、図8に関して上述した一対の磁気制御可能装置24を利用している触覚型インターフェイス装置155(明確にするために制御ユニットと増幅器が示されていない)を備えている。図4は、車両内に置かれたジョイスティックを例示し、この場合にはモニタ30が車両の動作特性を表示する。代わりに、図9に示された制動装置を用いてもよい。明瞭にするために、装置155のいくつかの構成要素は示されないか又は別々に(例えば、一方が図12に示されている一対のセンサ32のように)示されている。この実施例において、各磁気制御可能装置24は、抵抗力を駆動機構122によって触覚型インターフェイス装置26(例えば、グラヴィス(Gravis)プロ・ジョイスティック)に加えるのに適している。
【0064】
駆動メカニズム122は、それぞれ触覚型インターフェイス装置の動きに応じてy方向とx方向に並進する第1のプレート124及び第2のプレート126を通して触覚型インターフェイス装置26と連絡している。各プレート124、126は、触覚型インターフェイス装置26のベースにある柱132が中で動く溝128と130(図12,13)を備えている。柱132は、インターフェイス装置26に固定されるか又はそれと一体になって、ピボット125のまわりにインターフェイス装置26と一緒に動く。溝128、130の中の柱132の動きは、触覚型インターフェイス装置26の運動をそれのそれぞれのy方向成分及びx方向成分に分解する。各プレート124、126は、y方向又はx方向に対応する直線運動をシャフト138、140にそれぞれの固定的に取り付けられた第1のホイール134と第2のホイール136を介してその線形運動を伝える。
そのようなものとして、プレート124、126の線形運動は、シャフト138、140の回転運動に変換される。
【0065】
シャフト138、140の回転運動は、それからシャフト138,140に固定的に取り付けられたそれぞれの第3のホイール142及び第4のホイール144と接触しているそれぞれの係合部材106を介して各磁気制御可能装置24に与えられる。更に、各シャフト138、140は回転可能にハウジング146に取り付けられた一端及びパネル148に回転可能に取り付けられた対向端部を備えている。ハウジング146とパネル148は、種々の材料(例えば、プラスチック又は金属)から作られてもよい。脚150(一般的に、4箇所に設けられる)がハウジング146とパネル148を固定的に取り付け、インターフェイス装置155が上に立っているベースとなる。したがって、対の磁気制御可能装置24は、駆動メカニズム122によるジョイスティックなどの触覚型インターフェイス装置26の動きに対抗する半能動可変抵抗力を加えることが可能である。
【0066】
ハウジング146とパネル148が単に例示的なだけであリ、どんな適当なハウジング及び支持手段も利用できると認められるはずである。更に、それぞれの装置24において達成可能なトルク次第で、シャフト138は、装置24に直接取り付けられてもよい。さらに、動力伝達装置の他の形式又は平歯車以外の歯車伝動装置(例えば、かさ歯車、はすば歯車、ウォーム歯車及びハイポイド歯車)を利用できる。触覚型インターフェイス装置26とハウジング146の間につなってばねバイアスを装置に全方向に与え、戻しばね機能を与える、すなわち装置を中央に置くばね(図示せず)が設けられてもよい。
【0067】
x運動とy運動を表わす信号がプレート124、126の凹部84に受けられたアーム82を備えるそれぞれのセンサ32によって与えられる。それぞれのxとy方向のプレート124、126の動きがセンサ32(回転電位差計であるのが好ましい)のそれぞれのアーム84を回転させる。これは、それぞれの装置24に力帰還信号を与えるために制御システムによって処理されるx方向とy方向の運動に対応する信号を生じる。図示の一つ以上のボタン又は引金79a、79bは、制御ユニット54((図1)に追加信号を送る。
【実施例4】
【0068】
図14と15は、明確にするために除かれたハウジングのカバー部を有する触覚型インターフェイス装置255のもう一つの実施態様を例示している。ユニット255は、回転可能にそれぞれのxとy方向又はそれらの任意の組合せ方向に運動を生じるように旋回運動可能な触覚型インターフェイス装置26を備えている。装置26のそのような動きは、それぞれの磁気制御可能装置24x、24yに相互接続されたラックとピニオンアセンブリ86x、86yのそれぞれの動きを引き起こす。組立体86x,86yは、ラック87とピニオン106を備えている。ラック87は、それによって運動をz方向に沿ってだけに制限しているハウジング部分246に形成されたスロット89内を摺動する突起91を備えている。延長部83に取り付けられた球形ボール93が触覚型インターフェイス装置26に形成された案内95に受けられる。
【0069】
x方向の装置26の動きは、例えば、転心(図示せず)のまわりにフランジ97の下で装置を旋回させ、案内95にラック87xをz方向に動かすためにボール93に係合させる。同様に、y方向の装置26の動きによって、案内95がボール93に係合してラック87yをz方向に動かす。ラック87x、87yのどんなz方向運動によっても、ラック87x、87yの外面上の歯85がピニオン106x、106y上の歯と係合する。これは、それぞれのシャフト104x、104y(図示せず)及びしっかり固定された磁気制御可能装置24x、24yの第2の部材40x、40yを回転させる。
【0070】
センサ32x、32yは、センサ32x、32yの可動構成要素が、ラック(例えば87s)に相互接続されている図15において説明したものと同様のラック組立体を利用することでx方向とy方向の動きを表わす信号を生成する。コイル48x、48yは、第2の部材40x、40yにまたがる脚を有するU字形の第1の部材38xの磁束を発生するために選択的に付勢される。磁気制御媒体(図示せず)が図9に示されるようにそれぞれの脚と第2部材40x、40yの間に含まれて、その中に説明されているように吸収部材の中に保持されるのが好ましい。リード線53x‘、53y’からの位置信号に応答して制御システム28は、装置24x、24yによって生成される有効抵抗をリード線53x、53yに信号を送ることによって制御する。
【実施例5】
【0071】
図16と17を参照すると、磁気制御可能装置24のもう一つの実施態様は、その開放端160で第2の部材40を受けるU字形のボデーを有する第1の部材38を備えている。吸収性要素46が第1の部材38と第2の部材40の間の各作業域36に配置されている。各吸収性要素46は、磁気制御可能媒体34を含んでいる。磁場発生装置42は、第2の部材40の閉じた端162のまわりに配置されて、制御装置28(図1)によって付勢されると、磁束線44によって表されているように、磁気制御可能媒体34を通る磁場を作る。磁場発生装置42は、導線53によって制御装置28へ接続されている。第2の部材40(図16)上の矢印によって示されるように、第2の部材40と第1の部材38の間の相対運動は線形、回転又は曲線である。したがって、磁気制御可能装置24のこの実施態様は、第1の部材38と第2の部材40の間の線形、回転又は曲線の相対運動に対抗する抵抗力を与える。
【0072】
図16と17の磁気制御可能装置24は、装置をフレーム94に取り付けること及びディスク96を図9に示されているのとほとんど同じ第2の部材40として作用させることによって触覚型インターフェイス装置55(図7)に一体化されてもよい。この場合、ディスク96は、第2の部材40に関して上述したように、軟磁性材料から成ることを必要とする。同様に、一対の装置(図16と17の磁気制御可能装置24のような)触覚型インターフェイス装置155(図10−13)に一体化されてもよい。これは、例えばジョイスティックにおいて装置をハウジング146に取り付けること及び第1と第2の並進プレート124と126を各装置における第2の部材40として作用させることによって達成されてもよい。もちろん、プレートが透磁性材料から作られることを必要とする。
【実施例6】
【0073】
最後に、図18を参照すると、磁気制御可能装置24のもう一つの実施態様が曲面環状リング形の本体を有する第1の部材38及び旋回可能なディスク状本体を有する第2の部材40を備えている。磁場発生装置42が第1の部材38に隣接して、第2の部材40の周辺部にある環状部材である。磁気制御可能媒体34は、室35の中にかつ第1の部材38と第2の部材40の間の作業域36に含まれている。磁場発生装置42は、制御装置28(図示せず)によって付勢すると、作業域36内の磁気制御可能媒体34を通る磁場(磁束線44によって表されるような)を作り出す。磁場発生装置42は、導線53によって制御装置28へ接続されている。
【0074】
触覚型インターフェイス装置26(例えばジョイスティック)と操作可能に接触している操作者22(図4)がシャフト形触覚型インターフェイス装置26に固定して取り付けられた第2の部材40を動かす。ピボット部材172は、第2の部材40の反対側で装置26に向き合っている。ピボット部材172は、ボール形の端を有する柱を備えているのが好ましい。ピボット部材172は、やはり、第1の部材38に固定して取り付けられている下部板174によって磁気制御可能装置24に固着されている。同様に、上部部材176は、磁気制御可能装置24を更に補強するために第1の部材38に接続されてもよい。したがって、当業者が認めるように、本発明の教示は、触覚型インターフェイスシステム20の触覚型インターフェイス装置26の運動に対抗する抵抗力を与えるために種々の触覚型インターフェイス装置において実施できる。さらに、多種多様な磁気制御可能装置が本願明細書において利用できること分かるであろう。例えば、共通に譲渡された米国特許番号第5,816,372号、第5,711,746号、第5,652,704号、第5,492,312号、第5,284、330号及び第5,277,281号に記載された磁気流動性流体装置を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【0075】
本発明の触覚型インターフェイスシステムは、乗物の操縦、減速、クラッチイング及び制動、並びにコンピュータ・シミュレーション、機械の運動及び機能性を制御するために用いることができ、産業車両並びに水上クラフト、天井クレーン、トラック、自動車及びロボットなどの乗物及び機械に備えることができる。
【0076】
本発明をこれらの好ましい実施例に関して説明したが、他の実施態様が同じ結果を達成することができる。本発明の変形態様及び変更態様が当業者には自明であり、特許請求の範囲はすべてのかかる変更態様及び等価態様をカバーするように図られている。
【図面の簡単な説明】
【0077】
【図1】本発明の触覚型インターフェイスシステムの略ブロック図である。
【図2】コンピュータ・シミュレーション用途に用いられる本発明の触覚型インターフェイスシステムの略ブロック図である。
【図3】車両又は機械操縦用途に用いられる本発明の触覚型インターフェイスシステムの略ブロック図である。
【図4】車両又は機械ジョイスティック用途に用いられる本発明の触覚型インターフェイスシステムの略ブロック図である。
【図5】代表的磁気制御可能装置の斜視図である。
【図6】代表的磁気制御可能装置の断面図である。
【図7】触覚型インターフェイス装置の一実施例の部分断面図である。
【図8】磁気制御可能装置の一実施例の図7の線4−4に沿った断面図である。
【図9】磁気制御可能装置の別の実施例の断面図である。
【図10】図7,8,9の磁気制御可能装置を利用している触覚型インターフェイス装置のもう一つの実施態様(明確にするためにいくつかの構成要素を除いてある)の部分断面背面図である。
【図11】明確にするため除かれるいくつかの構成要素については、図10の触覚型インターフェイス装置の部分的な断面側面図である。
【図12】図10の線7a−7aに沿った部分断面平面図であり、明確にするためにいつかの構成要素を除いている。
【図13】図12のプレートに相互接続するセンサの平面図である。
【図14】触覚型インターフェイス装置のさらにもう一つの実施態様の斜視図である。
【図15】図14のラックの側面図である。
【図16】磁気制御可能装置のさらにもう一つの実施態様の側面図である。
【図17】図9の装置の線10−10に沿った断面図である。
【図18】磁気制御可能装置のもう一つの実施態様の断面図である。
【符号の説明】
【0078】
22 操作者
24 磁気制御可能装置
26 触覚型インターフェイス装置
30 モニタ
34 磁気制御可能媒体
38 第1の部材
40 第2の部材
42 磁場発生装置
46 吸収性要素
48 コイル

Claims (10)

  1. 触覚型インターフェイスシステムであって、
    変位の少なくとも一つの方向に操作者によって可動な触覚型インターフェイス装置、
    可変入力信号を受けて可変出力信号与える制御装置、
    及び
    前記可変出力信号を受けて、前記可変出力信号に比例した前記可変抵抗力を与える磁気制御可能装置を備え、
    前記触覚型インターフェイスシステムは、触覚型インターフェイス装置に抵抗力を与え、
    前記制御装置は、前記可変入力信号を処理し、それに応じて前記可変出力信号を導き出すプログラムをするように構成され、
    前記磁気制御可能装置には、多量の磁気制御可能媒体が入っており、
    可変抵抗力は、磁気制御可能媒体の流動性を前記出力信号に応じて変えることによって与えられ、それによって触覚型インターフェイス装置の動きの容易さを直接制御し、
    前記可変抵抗力は、触覚型インターフェイス装置の変位に耐えるために前記装置の変位の少なくとも一つの方向に操作者によって与えられることを特徴とする触覚型インターフェイスシステム。
  2. 前記触覚型インターフェイス装置は、操縦装置を含む請求項1に記載の触覚型インターフェイスシステム。
  3. 前記操縦装置が車両又は機械を操縦するものである請求項2に記載の触覚型インターフェイスシステム。
  4. 前記触覚型インターフェイス装置は、ジョイスティックを備える請求項1に記載の触覚型インターフェイスシステム。
  5. 前記触覚型インターフェイス装置がかじ取りハンドルからなる請求項2に記載の触覚型インターフェイスシステム。
  6. 操縦装置がヨークである請求項2に記載の触覚型インターフェイスシステム。
  7. 前記触覚型インターフェイス装置は、レバーからなる請求項1に記載の触覚型インターフェイスシステム。
  8. 磁気制御可能媒体は、磁気流動性粉である請求項1に記載の触覚型インターフェイスシステム。
  9. 前記磁気制御可能装置が
    前記可変出力信号によって付勢可能で可変強さの磁場を与える磁場発生装置と、
    前記磁場発生装置に隣接した第1部材と、
    前記磁場発生装置に隣接し前記触覚型インターフェイス装置に接続された第2部材
    を備え、
    前記磁気制御可能媒体が前記第1部材と前記第2部材の間に置かれている請求項1に記載の触覚型インターフェイスシステム。
  10. 前記第1部材と前記第2部材の間に配置された吸収性要素をさらに備え、前記吸収性要素は、前記磁気制御可能媒体を含んでいる請求項10に記載の触覚型インターフェイスシステム。
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