JP4394664B2 - インターフェース装置を制御する方法 - Google Patents

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Description

本発明は人及びコンピュータの間を結ぶインターフェース装置を制御する方法、より詳細にはユーザーに対して力フィードバックを提供するコンピュータ入出力装置の制御方法に関する。
バーチャル・リアリティ・コンピュータ・システムはユーザーに対して仮想環境の一部を形成する錯覚を提供する。バーチャル・リアリティ・システムはパーソナル・コンピュータまたはワークステーション等のコンピュータ・プロセッサと、特別なバーチャル・リアリティ・ソフトウェアと、頭部取付け式ディスプレイ(Head mounted display)、センサ・グローブ及び三次元（３Ｄ）ポインタ等のバーチャル・リアリティ入出力装置とを常には含む。
バーチャル・リアリティ・コンピュータ・システムの一般的な利用形態の１つとしては、トレーニングのための利用が挙げられる。航空機、車両及びシステムのオペレーション等の多くの分野において、バーチャル・リアリティ・システムはユーザーが現実的な“仮想”環境を体験し、かつ同環境から学習することを可能にすべく効果的に使用されている。バーチャル・リアリティ・コンピュータ・システムを使用する魅力としては、同システムの利用により、訓練者が現実的な環境内で自信を持って運転し、かつ現実の世界に影響を及ぼすことなく失敗を犯し得る点が挙げられる。従って、訓練パイロットまたは自動車ドライバはバーチャル・リアリティ・シュミレーションを使用することにより、怪我、死及び／または財産の損害を現実世界において招来することなく航空機または車体のオペレーションを学習できる。同様に、原子力発電所及び兵器システム等の複雑なシステムのオペレータは現実に実施した際に生命または財産を危険に曝す各種のトレーニング場面を安全に体験できる。
例えば、バーチャル・リアリティ・コンピュータ・システムはオペレータである研修医または他の人、即ちユーザーがメスまたはプローブをコンピュータ・シュミレーションによって形成された疑似“人体”内で“操作”し、これにより医療処置を仮想患者に対して実施することを可能にする。この例では、三次元ポインタまたはスタイラス等の入出力装置はメスまたはプローブ等の手術器具に相当する。メスまたはプローブは提供された空間または構造物内で移動する。このため、この種の移動の結果は更新され、さらにはコンピュータ・システムのスクリーンに表示された人体像に重ねて写し出される。この結果、オペレータは生きた人体または死体を用いて訓練することなく、医療処置の実施を体験できる。
別の用途において、バーチャル・リアリティ・コンピュータ・システムはユーザーが複雑、かつ高価な車両及び機械装置の制御装置を操作することを可能にする。例えば、トレーニング中のパイロットまたは宇宙飛行士はコントロール・ジョイスティック及び他のボタン等の制御装置を操作することにより、戦闘機または宇宙船を操縦できるとともに、戦闘機の操縦結果を飛行中の戦闘機のバーチャル・リアリティ・シュミレーションで確認できる。更に別の用途において、ユーザーはスタイラス等のオブジェクト（即ち、対象物、以降これに倣う）及びツールを現実の世界で操作できるとともに、バーチャル・リアリティ・ワールドでの“仮想スタイラス”の操作結果をスクリーンまたはスリーディ・ゴーグル（3D goggles）において確認できる。
現実的な体験（及び効果的な体験）をユーザーに対して提供するバーチャル・リアリティ・システムの場合、感覚的フィードバック及びマニュアル・インターアクションは可能な限り自然に近づける必要がある。バーチャル・リアリティ・システムが更に強力になるとともに、潜在的用途の数量が増大している。このため、ユーザーがツールを用いてコンピュータ・シュミレーションと相互作用することを可能にする特定のヒューマン／コンピュータ・インターフェース装置の必要性が増大しており、同ツールはバーチャル・シュミレーション内で表現される動作を現実的にエミュレートする。医師を適切に訓練する場合、腹腔鏡手術、カテーテル挿入及び硬膜無痛法等の処置は適切なヒューマン／コンピュータ・インターフェース装置を用いて現実的にシュミレーションする必要がある。同様に、効果的な経験をユーザーが得るためには、制御装置またはオブジェクトをバーチャル・リアリティ・シュミレーションにおいて操作するための現実的なインターフェースをユーザーに対して提供する必要がある。
バーチャル・シュミレーション及び医療用画像形成を行う従来の装置は貴重、かつ現実的な視覚的フィードバックを提供する。しかし、ユーザーがコンピュータ・シュミレーションとの間で手を用いた自然な相互作用を実施することを可能にする新たなヒューマン／コンピュータ・インターフェース・ツールの必要性が存在する。医療シュミレーションでは、医療処置に付随する手を用いた動作を行うための現実的なメカニズムを医師に対して提供する必要があり、同メカニズムはコンピュータが前記の動作を正確に追跡することを可能にする。別のシュミレーションにおいて、特定のタスクに関する正確、かつ自然なインターフェースをともなうバーチャル・リアリティをユーザーに対して提供する必要がある。
ユーザーに対して三次元の視覚情報を提供すべく、ユーザーの手を用いた動作を検出及び追跡し、これに関する情報を制御コンピュータに対して供給する以外に、ヒューマン・インターフェース・メカニズムは力フィードバック、即ち触知できる（“触覚に関する”）フィードバックをユーザーに対して提供する必要がある。ユーザーが触知できる現実的な情報を獲得し、かつ触知できる刺激を体験することの必要性は多くのシュミレーションにおいて大きい。例えば、医療／手術シュミレーションにおいて、プローブが疑似人体内において移動する際、プローブ・シュミレータまたはメス・シュミレータの“感覚”は重要である。医療に従事する訓練者が人体内でのインスツルメントの移動の様子と、実施されるオペレーションに基づいて必要とされる力の量と、インスツルメントを操作するために使用できる空間の大きさとを学習することは貴重である。乗り物または装置のシュミレーションの場合、ジョイスティック等の制御装置に対する力フィードバックは航空機などの高加速度環境等の特別な状況下で操縦する際にジョイスティックの移動に必要な力をユーザーに対して現実的に教えるために必要となり得る。ユーザーによるオブジェクトの操作が可能なバーチャル・ワールド・シュミレーションでは、力フィードバックは物理的オブジェクトを現実的にシュミレーションするために必要である。例えば、ユーザーがペンをテーブルに対して接触させた場合、ユーザーはテーブル上のペンの衝撃を感じる必要がある。効果的なヒューマン・インターフェースは動作を追跡するための入力装置として機能するのみならす、触覚できる現実的な刺激を形成するための出力装置としても機能する。これらの用途を含む用途に対して“高帯域幅”インターフェース・システム（"Highbandwidth" interface system）を使用することが望ましい。“高帯域幅”インターフェースは高速で変化する広い周波数範囲を有する信号に対して正確に応答するとともに、同信号を制御システムに対して正確に提供する。
バーチャル・リアリティ・シュミレーションを実現すべく人及びコンピュータの間を結ぶ多数の装置が販売されている。例えば、マウス、トラックボール及びディジタイザー等の二次元入力装置が存在する。しかし、２次元入力装置は三次元バーチャル・リアリティ・シュミレーションとの間のインターフェースを実現するには不適切である。
他の三次元インターフェース装置を利用し得る。イマージョン・プローブ（Immersion PROBE）の商標名で販売されている三次元ヒューマン／コンピュータ・インターフェース・ツールはカリフォルニア州サンタクララに所在するイマージョン・ヒューマン・インターフェース・コーポレイションから販売されている。同インターフェース・ツールは三次元バーチャル・リアリティ・コンピュータ環境内における手動制御が可能である。ペン状のスタイラスは効果的な三次元操作を可能にする。そして、スタイラスの配向はホスト・コンピュータに対して伝達される。イマージョン・プローブは６つの自由度を有する。６つの自由度はスタイラスの空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）及び配向（ロール，ピッチ，偏揺れ角）をホスト・コンピュータに対して伝達する。
イマージョン・プローブは効果的な三次元インターフェース・ツールである。しかし、イマージョン・プローブは特定の種類のバーチャル・リアリティ・シュミレーションには不適切である。例えば、前記の医療シュミレーションのうちの幾つかにおいて、三次元ヒューマン／コンピュータ・インターフェース・ツールが提供する３つまたは４つの自由度は十分な効果を示す。更に、３つまたは４つの自由は実際の医療処置における現実の制約を更に正確に表現する。このため、３つまたは４つの自由度は５つまたは６つの自由度よりも更に望ましいことが多い。更に重要な点としては、イマージョン・プローブは力フィードバックをユーザーに対して提供しない点が挙げられる。この結果、イマージョン・プローブはユーザーがバーチャル・リアリティ・シュミレーションにおいて全感覚次元（Entire sensory dimension）を体験することを可能にしない。
力フィードバックを提供するととに、複数の自由度を有する一般的な装置は幾つかの問題点を有する。力フィードバックを提供するアクチュエータはセンサより重く、かつ大きい。この結果、同アクチュエータをイマージョン・プローブ等の装置に対して使用した際、慣性による制約が生じる。更に、接続されたアクチュエータの問題が存在する。一般的な力フィードバック装置では、リンク及びアクチュエータからなる連続するチェーンが形成されている。チェーンは複数の自由度を同チェーンの端に配置された所望のオブジェクトに対して付与すべく形成されている。即ち、各アクチュエータは前のアクチュエータに対して接続されている。オブジェクトを操作するユーザーはチェーン内の第１のアクチュエータを除く全てのアクチュエータの慣性を支持する必要がある。ケーブルまたはベルトからなる複雑な伝動装置を使用することにより、連続チェーン内の全てのアクチュエータを回動させ得る。しかし、これはシステムの帯域幅を悪化させる低い剛性、高い摩擦力及び高い減衰をともなう伝動を招来することにより、感応が遅い不正確なインターフェースをユーザーに対して提供する。この種のインターフェースは摩擦及びコンプライアンスを介して触知できる“ノイズ”を信号伝達において形成し、さらには装置のアクチュエータを通じてユーザーに伝達される感度を低下させる。
他の従来の装置は力フィードバックをユーザーに対して提供する。ジェイ．クレイマーに付与された米国特許第５，１８４，３１９号は、コンピュータ・システムのユーザーに対して力及び触感に関する情報を提供するインターフェースを開示している。インターフェースは指、腕または胴体等のユーザーの付属器を被覆するグローブ、即ち“外骨格(Exoskeleton)”から形成されている。力及び触感フィードバックをシュミレーションすべくコンピュータ・システムによって制御された腱アセンブリ（Tendon assemblies）及びアクチュエータに対して力を加え得る。しかし、クレイマーが開示するシステムはオブジェクトを三次元空間内で示し、かつフォース・フィードバックをオブジェクトに対して加える前記のようなシュミレーション環境には容易に使用できない。クレイマーが開示するシステムでは、ユーザーに加えられた力はユーザーの身体に関するものであり、ユーザーの付属器の絶対位置は容易に算出できない。更に、クレイマーが開示する外骨格装置（Exoskeleton devices）は容易に取扱えないうえ、ユーザーの付属器を広い面積を有する装置で被覆した場合、ユーザーにとって危険である。更に、クレイマーが開示する装置は複雑なメカニズムを有するうえ、力フィードバックをユーザーに対して提供すべく多くのアクチュエータを使用する必要がある。
別の状況下では、力フィードバックを有する低コストのポータブルな機械的インターフェースが望ましい。モータ等のアクティブ・アクチュエータは力をインターフェース装置と、同インターフェース装置を操作するユーザーとに対して加える。この結果、インターフェース装置はユーザーから独立して移動できる。アクティブ・アクチュエータは現実的な力フィードバックを多くの場合において提供する。しかし、同アクティブ・アクチュエータは大きいうえ、動作に大きな電源を常には必要とする。更に、アクティブ・アクチュエータは効果的な運転を実現し、かつ安定性を付与するために高速制御信号を常には必用とする。多くの状況下では、高速制御信号及びハイ・パワー駆動信号は利用できないか、または非常に高い費用を要する。これは特にパーソナル・コンピュータの競争的な低コストマーケットにおいて生じる。予想外の強力な力がインターフェースのユーザーに対して形成された際、アクティブ・アクチュエータはユーザーにとって危険である。
従って、従来のヒューマン／コンピュータ・インターフェース・ツールに代わるツールとして、力フィードバック、低い慣性力、高帯域幅及び低いノイズを有するとともに、簡単な構造を備えたコンパクトで安価なツールが特定の用途において望ましい。また、低速の通信信号を必要とし、さらにはユーザーにとって安全で安価なインターフェースも必要である。
本発明はヒューマン／コンピュータ・インターフェース装置を提供する。同装置は２〜６つの自由度を提供可能であり、さらには装置のユーザーに対して非常に現実的な力フィードバックを提供し得る。本発明の装置は同装置に取付けられ、かつユーザーが把持するオブジェクトに対して３つの自由度を提供するジンバル・メカニズム（即ち、機構、以降これに倣う）及び直線軸部材を有する。装置の構造はトランスデューサが僅かな慣性力を形成するよう同トランスデュサを位置決めすることを可能にする。更に、キャプスタン駆動メカニズムはユーザーに対して力フィードバックを供給する際に機械的効果を提供するとともに、滑らかな動作と、システムの摩擦、コンプライアンス及びバックラッシュ（即ち、遊び、以降これに倣う）の低減とを提供する。本発明は三次元空間シュミレーションにおける特別なツールを使用する医療処置のシュミレーションと、スタイラスまたはジョイスティック等のオブジェクトの移動のシュミレーションとに特に適する。別の実施の形態に基づく好ましい装置は受動アクチュエータを含むトランスデューサ・システムを有する。受動アクチュエータは能動アクチュエータより低い電力及び低速の制御信号を必要とする。コンピュータ・システムがインターフェース及びトランスデューサ・システムに取付けられたオブジェクトを効果的に制御することを可能にすべく、コンプライアンスまたはバックラッシュ等の所望の量の遊びをシステム内に形成することが好ましい。
オブジェクトの移動を電気システムに対してインターフェース（Interface）する（即ち、通信連絡する、以降これに倣う）本発明の装置は２つの回動自由度をオブジェクトに対して２つの回動軸の周囲において提供するジンバル・メカニズムを有する。好ましい実施の形態において、ジンバル・メカニズムは５つの部材からなる閉ループ・リンケージ(Closedloop five-membered linkage)（即ち、連結機構、以降これに倣う）である。同リンケージは接地面（Ground surface）に取付けられた接地部材（Ground member）と、第１の中心部材と、第２の中心部材とを有する。そして、第１の中心部材は第１の延長部材に取付けられた一端を有し、第２の中心部材は第２の延長部材に取付けられた一端を有する。
直線軸部材は２つの中心部材の交点においてジンバル・メカニズムに対して取付けられている。前記の交点は２つの回動軸の交点に位置する。直線軸部材は第３の自由度を提供すべく第３の軸に沿って移動できる。ユーザー・オブジェクトは直線軸部材に対して取付けられる。このため、ユーザー・オブジェクトは第３の軸に沿って移動可能である。この結果、オブジェクトは３つの全ての自由度に沿って移動できる。トランスデューサは電気機械的インターフェースをオブジェクト及び電気システムの間に提供すべく、ジンバル・メカニズムの複数の部材及び直線軸部材の間に取付けられている。
１つの実施の形態において、直線軸部材は第４の自由度を提供すべく同直線軸部材の長手方向に延びる軸の周囲を回動し得る。４つのトランスデューサを提供することが好ましく、同４つのトランスデューサは１つの自由度にそれぞれ付随している。第１の自由度のためのトランスデューサはセンサ及びアクチュエータを有する。第４の自由度のためのトランスデューサはセンサを有することが好ましい。センサ及びアクチュエータはそれぞれディジタル・エンコーダ及びバスケット巻線型直流サーボ・モータ（Basket wound DC servo motors）であることが好ましい。センサは対応する自由度に沿ったオブジェクトの位置を検出し、さらには検出した情報をコンピュータ等のディジタル処理システムに対して出力する。アクチュエータはコンピュータが形成した電気信号に基づいて力を対応する自由度に沿って作用させる。
好ましい実施の形態において、キャプスタン駆動メカニズムはジンバル・メカニズムの各自由度を実現すべくアクチュエータ及びジンバル・メカニズムの間に取付けられている。キャプスタン駆動メカニズムはトランスデューサが形成した力をジンバル・メカニズムに対して伝達し、さらにはユーザーがジンバル・メカニズム上に形成した力をトランスデューサに対して伝達する。更に、キャプスタン駆動メカニズムは力を第３の自由度に沿って伝達すべく直線軸部材及びトランスデューサ間に使用することが好ましい。各キャプスタン駆動メカニズムはジンバル・メカニズムに対して回動可能に取付けられたキャプスタン・ドラムを含むことが好ましい。この場合、キャプスタン・ドラムはケーブルを介してプーリーに対して取付けられている。そして、トランスデューサはプーリーに対して取付けられている。
別の実施の形態において、浮動ジンバル・メカニズム（Floating gimbalmechanism）は同浮動ジンバル・メカニズムに対して取付けられたオブジェクトに対して第５の自由度及び第６の自由度を提供すべく直線軸部材に対して取付けられている。第５の自由度のトランスデューサ及び第６の自由度のトランスデューサは第５の自由度及び第６の自由度に沿ったオブジェクトの位置をそれぞれ検出すべく浮動ジンバル・メカニズムに対して取付けられている。１つの実施の形態において、腹腔鏡等の医療ツールのハンドル、即ち把持部は医療処置シュミレーションにおいてオブジェクトとして使用される。別の実施の形態において、スタイラスまたはジョイスティックはオブジェクトとして使用されている。
本発明の別の実施の形態に基づく装置は受動アクチュエータを使用する。装置は自由度に沿ったオブジェクトの移動を検出するセンサを有し、同センサはオブジェクトに対して取付けることが好ましい。センサは検出分解能（Sensingresolution）を有する。そして、検出分解能より小さい量の遊びがセンサ及びオブジェクトの間に存在することが好ましい。更に好ましくは、検出分解能より一桁小さい量の遊び、即ち無視可能な量の遊びがセンサ及びオブジェクトの間に存在する。
更に、装置はアクチュエータ・アセンブリを有する。アクチュエータ・アセンブリは力をオブジェクトに対して自由度に沿って伝達すべく同オブジェクトに対して取付けられたアクチュエータを含む。アクチュエータは磁気粒子ブレーキ（Magnetic particle brake）等の電気機械的受動抵抗エレメント（Electromechanical passive resistance element）であることが好ましい。アクチュエータ・アセンブリはアクチュエータに対して取付けられた遊びメカニズムを有する。遊びメカニズムは所望の量の遊びを自由度に沿ってアクチュエータ及びオブジェクトの間に提供する。所望の量の遊びはセンサの検出分解能より大きい。この結果、センサは遊びを検出し得る。このような所望の遊びは捻り撓み（Torsion flex）（コンプライアンス）またはロータリー・バックラッシュ（Rotary backlash）を含み得る。遊びをロータリー・バックラッシュとして提供する場合、アクチュエータはキー付きボア（Keyed bore）を有するカップリングに対して取付けることが好ましい。キー付きボアは同ボア内に収容するキー付きシャフト（Keyed shaft）より小さい。アクチュエータ及びセンサは電気機械的インターフェースをオブジェクト及び電気システムの間に提供する。
別の実施の形態に基づく装置はジンバル・メカニズムを有する。ジンバル・メカニズムは第１の回動自由度を同ジンバル・メカニズムに取付けられたオブジェクトに対して回動軸の周囲において提供する。ジンバル・メカニズムは５つの部材からなる閉ループ・リンケージを含むことが好ましい。検出分解能を有するセンサは第１の自由度に沿ったオブジェクトの位置を検出すべくジンバル・メカニズムに対して強固に取付けられている。ブレーキ・メカニズムは抗力を第１の自由度に沿って形成すべくジンバル・メカニズムに対して取付けられ、さらには所望の量の遊びを自由度に沿ってアクチュエータ及びオブジェクトの間に形成する。所望の量の遊びはセンサの検出分解能以上の大きさを有する。アクチュエータ及びセンサは電気機械的インターフェースをオブジェクト及び電気システムの間に形成する。
更に、装置はジンバル・メカニズムが提供する第２の自由度に沿った力フィードバックを検出するセンサと、同力フィードバックを提供するブレーキ・メカニズムとを有する。ブレーキ・メカニズムは所望の量の遊びを提供すべくアクチュエータ及びカップリング（即ち、継手部、以降これに倣う）を有する。キャプスタン駆動メカニズムはアクチュエータ及びジンバル・メカニズムの間に取付けられている。キャプスタン駆動メカニズムはアクチュエータが形成した力をジンバル・メカニズムに対して伝達し、さらにはユーザーがジンバル・メカニズムに対して加えた力をセンサに対して伝達する。直線軸部材は２つの回動軸の交点においてジンバル・メカニズムに対して取付け可能である。オブジェクトは直線軸部材に対して取付けられている。そして、オブジェクト及び直線軸部材は第３の軸に沿って第３の自由度内で移動可能である。トランスデューサはオブジェクトの位置を検出することと、抗力を第３の自由度、第４の自由度、第５の自由度及び第６の自由度に沿ってそれぞれ形成することのうちの少なくとも一方を実現すべく提供可能である。オブジェクトは手術ツール、スタイラス、ジョイスティックまたは類似する物品であり得る。オブジェクトの移動を電気システムに対してインターフェースする方法は前記のエレメントに類似する工程を有する。
本発明の更に別の実施の形態において、ユーザーが操作する電気機械的インターフェースを制御するシステムはディジタル・コンピュータ・システムを有する。ディジタル・コンピュータ・システムは入力制御信号を受信し、さらには前記入力制御信号に基づいてプロセスを更新する出力制御信号を出力する。出力制御信号を受信する受動アクチュエータは抵抗力を同受動アクチュエータに取付けられたオブジェクトに対して自由度に沿って提供する。オブジェクトはユーザーが把持し、かつ移動させることが好ましい。抵抗力は出力制御信号内の情報に基づくとともに、ユーザーが加えた力に対して自由度に沿って抵抗する。センサはオブジェクトの移動を検出し、さらにはオブジェクトの位置及び移動を表す情報を含む入力制御信号をディジタル・コンピュータ・システムに対して出力する。ディジタル・コンピュータは入力制御信号に基づいてシュミレーション・プロセスを更新し、さらにはディスプレイ・スクリーン上にユーザーのためのシュミレーションを表示することが好ましい。遊びメカニズムは所望の量の遊びをアクチュエータ及びオブジェクトの間に提供することが好ましい。所望の量の遊びはセンサの検出分解能より大きい。シリアル・インターフェースはコンピュータ・システムからの出力制御信号を出力し、さらにはコンピュータ・システムへの入力制御信号を受信し得る。ディジタル−アナログ変換器は出力制御信号を受信し、かつ同出力制御信号をアナログ制御信号に変換し、さらにはアナログ制御信号を受動アクチュエータに対して出力する。更に、マイクロプロセッサは出力制御信号をシリアル・インターフェースからディジタル−アナログ変換器に対して提供し、さらには入力制御信号をセンサから受信し得る。
本発明に基づくインターフェース装置を制御する別の方法は、インターフェース装置に対して取付けられたオブジェクトの現在位置を検出する工程と、オブジェクトの現在位置及び直前の位置の間の差を決定する工程とを含む。オブジェクトに加える抵抗力の大きさを決定する。この大きさはオブジェクトの現在位置及び直前の位置の間の差に少なくとも部分的に基づく。制御信号は所定の大きさの抵抗力をオブジェクトに対して伝達すべく受動アクチュエータに対して提供される。前記の複数の工程はユーザーがオブジェクトを移動させた際に繰り返し実施される。オブジェクトの位置が受動アクチュエータによってロックされている場合にも、オブジェクトの現在位置を検出することが好ましい。抵抗力の大きさを決定すべく前記の差を乗じる減衰定数を決定することが好ましい。
本発明のジンバル・メカニズムは２つの自由度にそれぞれ付随する複数のトランスデューサを接地面に対して取付ける代わりに同複数のトランスデューサを互いに分離することを可能にする構造を提供する。これはトランスデューサの重量がシステムに対する無視可能な慣性力を形成することを許容する。ジンバル・メカニズムの回動中心付近に配置された別の直線軸部材及びトランスデューサは第３の自由度を最小限の慣性力をともなって提供することを可能にする。本発明はランスデューサと、装置の移動部品との間に取付けられたキャプスタン駆動メカニズムを含む。キャプスタン駆動は滑らかな動作の実現を可能にするとともに、システムに対して無視可能な摩擦及びバックラッシュを提供する一方で、機械的効果を提供する。これらの効果は装置のユーザーが体験する力フィードバックによる刺激に対する更に完全、かつ現実的な制御を有するコンピュータ・システムを可能にする。
本発明の実施の形態に基づく受動アクチュエータは能動アクチュエータよりも更に小さな電力及び更に低速の制御信号を必要とする。バックラッシュまたはコンプライアンス等の所望の量の遊びはアクチュエータと、インターフェースで結ばれたユーザー・オブジェクトとの間に形成される。この結果、受動アクチュエータがオブジェクトを固定位置に保持している際にも、制御コンピュータはユーザーがオブジェクトを移動させる方向を決定し得る。更に、ユーザーはシステム内の遊びを感じられないことが好ましい。トランスデューサ・システムは１〜６つの自由度を提供する各種の機械的インターフェースに使用可能であるとともに、キャプスタン駆動メカニズムとも併用できる。この結果、所望の遊びは実質的にインターフェース・システムに加えられた唯一の遊びである。これらの改良はコンピュータ・システムが更に完全、かつ正確な制御を現実的な力フィードバックを提供する低価格のインターフェースに対して有することを可能にする。
当業者にとって、前記の効果を含む本発明の効果は以下の本発明の明細書及び図面から明らかになる。
図１において、医療処置をシュミレーションすべく使用するバーチャル・リアリティ・システム１０はヒューマン／コンピュータ・インターフェース装置１２、電子インターフェース１４及びコンピュータ１６を有する。バーチャル・リアリティ・システム１０は腹腔鏡手術のバーチャル・リアリティ・シュミレーションに使用される。シュミレーションのソフトウェアは本発明の一部を構成しないため、同ソフトウェアの詳細な説明は省略する。しかし、この種のソフトウェアはメリーランド州ロックビルに所在するハイ・テックスプラネーションズ（High Techsplanations）からテレオス（Teleos）の商標名で市販されている。この種のシュミレーション・ソフトウェアをコンピュータ入出力装置に対してインターフェースするための適切なソフトウェア・ドライバはカリフォルニア州サンタクララに所在するイマージョン・ヒューマン・インターフェイス・コーポレイションから入手可能である。
オペレータは本発明に関連して使用する腹腔鏡手術ツール１８のハンドル２６を操作する。そして、バーチャル・リアリティ画像はオペレータの操作に基づいてディジタル処理システムのスクリーン２０に表示される。ディジタル処理システムはパーソナル・コンピュータまたはワークステーションが好ましい。この例としては、ＩＢＭ−ＰＣ ＡＴパーソナル・コンピュータ若しくはマッキントッシュ（登録商標）・パーソナル・コンピュータ、またはサン・ワークステーション（Sun workstation）若しくはシリコン・グラフィックス・ワークステーション（Silicon Graphics workstation）等が挙げられる。最も一般的には、ディジタル処理システムはＩＢＭ−ＰＣ ＡＴスタンダードに準拠したＭＳ−ＤＯＳオペレーティング・システムの下で動作するパーソナル・コンピュータである。
本明細書に開示するヒューマン／コンピュータ・インターフェース装置１２は腹腔鏡手術をシュミレーションすべく使用される。標準腹腔鏡手術ツール１８のハンドルの他に、ヒューマン／コンピュータ・インターフェース装置１２はバリヤ２２及び標準腹腔鏡手術用トロカール２４（またはトロカールの複製）を有し得る。バリヤ２２は患者の身体を被覆する皮膚の一部を表現すべく使用される。トロカール２４は腹腔鏡手術ツール１８を身体に対して出し入れするための出入り口を提供するとともに、腹腔鏡手術ツールの操作を可能にすべく仮想患者の身体内に挿入される。腹腔鏡手術ツール及びトロカール２４はコネティカット州に所在するユー．エス．サージカル（U.S.Surgical）等の供給元から市販されている。別の実施の形態において、バリヤ２２及びトロカール２４は装置１２から削除可能である。好ましい実施の形態において、腹腔鏡手術ツール１８に変更を加えることが好ましく、シャフトを以下に詳述する本発明の直線軸部材と置換する。別の実施の形態において、ツールのシャフトの端部（任意のカッティング・エッジ等）を取り除き得る。腹腔鏡手術ツール１８の端部はバーチャル・リアリティ・シュミレーションに不必要である。このため、同端部は人または財産を損傷する危険を防止すべく取り除かれている。機械的入出力をインターフェースする装置２５は患者の“身体”内において破線で示す。
腹腔鏡手術ツール１８はハンドル、即ち“把持”部２６及びシャフト部分２８を含む。シャフト部分は長形をなす機械的オブジェクトであり、より詳細には、以下に詳述する長形をなす円筒形オブジェクトである。１つの実施の形態において、本発明はシャフト部分２８の移動を三次元空間内で追跡することに関する。この場合、シャフト部分２８が３つまたは４つの動作自由度のみを有するようシャフト部分２８の移動は制限されている。これは腹腔鏡手術ツール１８の実際の使用の効果的なシュミレーションである。即ち、シャフト部分２８をトロカール２４を通ってジンバル装置２５内に配置した後、シャフト部分２８の移動はほぼ４つの自由度内に制限される。より詳細には、シャフト２８を患者の体内において４つの自由度内で移動可能にすべく、同シャフト２８は自身の長さに沿った特定位置において制限されている。
本発明の１つの実施の形態を腹腔鏡手術ツール１８に関連して以下に詳述する。しかし、他の種類の多くのオブジェクトを本発明の方法及び装置とともに使用できる。事実、本発明は任意の機械的オブジェクトとともに使用できる。この場合、３〜６つの自由度を備えたヒューマン／コンピュータ・インターフェースを提供することが望ましい。この種のオブジェクトは内視鏡手術ツール、医療処置に使用する類似する他の手術ツール、カテーテル、皮下注射針、ワイヤ、光ファイバ束、スタイラス、ジョイスティック、ネジ回し及びプール・キュー（Poolcues）等を含み得る。これらのオブジェクトのうちの幾つかは以下に詳述する。
電子インターフェース１４はヒューマン／コンピュータ・インターフェース装置１２の部品であり、かつ同装置１２をコンピュータ１６に対して接続する。より詳細には、好ましい実施の形態において、インターフェース１４は装置１２に含まれる各種のアクチュエータ及びセンサ（以下に詳述）をコンピュータ１６に対して接続すべく使用される。適切なインターフェース１４を図９に基づいて以下に詳述する。
電子インターフェース１４は装置１２の機械的装置２５に対してケーブル３０によって接続され、さらにはケーブル３２によってコンピュータ１６に対して接続されている。別の実施の形態では、信号はワイヤレス送受信を介してインターフェース１４及びコンピュータ１６間で送受信できる。本発明の幾つかの実施の形態において、インターフェース１４はコンピュータ１６に対する入力装置としてのみ機能する。本発明の別の実施の形態において、インターフェース１４はコンピュータ１６の出力装置としてのみ機能する。本発明の好ましい実施の形態において、インターフェース１４はコンピュータ１６の入出力装置として機能する。
図２は本発明に基づく機械的入出力を提供する機械的装置２５の概略を示す。装置２５はジンバル・メカニズム３８及び直線軸部材４０を有する。ユーザー・オブジェクト（User object）４４は直線軸部材４０に対して取付けることが好ましい。
本実施の形態において、ジンバル・メカニズム３８は接地面５６（部材４６の一部として概略を示す）上における装置２５に対する支持を提供する。ジンバル・メカニズム３８は接地部材４６、延長部材４８ａ，４８ｂ及び中心部材５０ａ，５０ｂを含む５つの部材からなるリンケージであることが好ましい。接地部材４６は装置２５に対して安定性を提供するベース、即ち表面に取付けられている。図２において、接地部材４６は接地面５６によって互いに結合された２つの独立した部材として示されている。ジンバル・メカニズム３８を構成する複数の部材はベアリングまたはピボットを使用することにより互いに回動可能に連結されている。延長部材４８ａは接地部材４６に対して回動可能に取付けられるとともに、軸Ａの周囲を回動し得る。中心部材５０ａは延長部材４８ａに対して回動可能に取付けられるとともに、浮動軸Ｄの周囲を回動し得る。延長部材４８ｂは接地部材４６に対して回動可能に取付けられるとともに、軸Ｂの周囲を回動し得る。中心部材５０ｂは延長部材４８ｂに対して回動可能に取付けられるとともに、浮動軸Ｅの周囲を回動し得る。中心部材５０ａは２つの軸Ｄ，Ｅの交点に位置する中心点Ｐにおいて中心部材５０ｂに対して回動可能に取付けられている。２つの軸Ｄ，Ｅは別の２つの軸Ａ，Ｂのように１つの位置に固定されていない点において“浮動”である。２つの軸Ａ，Ｂは互いにほぼ直交する。本明細書中において、“ほぼ直交する”とは、２つのオブジェクトまたは軸が正確またはほぼ正確に互いに直交することを意味する。即ち、２つのオブジェクトまたは軸が少なくとも５度または１０度以内の直角度(Five degrees or ten degrees ofperpendicular)、より好ましくは１度以内の直角度で直交することを意味する。同様に、“ほぼ平行”とは、２つのオブジェクトまたは軸が正確またはほぼ正確に平行に延びることを意味する。即ち、２つのオブジェクトまたは軸が少なくとも５度または１０度以内の平行度(Five or ten deqrees of parallel)、より好ましくは１度以内の平行度で互いに平行に延びることを意味する。
ジンバル・メカニズム３８は５つの部材からなる閉端チェーン（Five member closed chain）として形成されている。１つの部材の各端は別の部材の端に対して連結されている。５つの部材からなるリンケージは、延長部材４８ａ、中心部材５０ａ及び中心部材５０ｂを第１の自由度内で軸Ａの周囲において回動可能にすべく配置されている。更に、同リンケージは延長部材４８ｂ、中心部材５０ｂ及び中心部材５０ａを第２の自由度内で軸Ｂの周囲において回動可能にすべく配置されている。
直線軸部材４０は長形のロッド状部材であることが好ましく、同ロッド状部材は２つの軸Ａ，Ｂの交点Ｐにおいて２つの中心部材５０ａ，５０ｂに対してそれぞれ連結されている。図１に示すように、直線軸部材４０はユーザー・オブジェクト４４のシャフト２８として使用できる。別の実施の形態において、直線軸部材４０は別のオブジェクトに対して連結されている。直線軸部材４０が２つの軸Ａ，Ｂによって画定される平面から延出するよう同直線軸部材４０はジンバル・メカニズム３８に対して連結されている。延長部材４８ａ、中心部材５０ａ及び中心部材５０ｂを矢印５１で示す第１の回動自由度（First revolute degree of freedom）内で回動させることにより、直線軸部材４０を軸Ａの周囲で回動できる。更に、延長部材５０ｂ及び２つの中心部材を軸Ｂの周囲において矢印５２で示す第２の回動自由度（Second revolute degree of freedom）内で回動させることにより、直線軸部材４０を軸Ｂの周囲で回動できる。２つの中心部材５０ａ，５０ｂの端にそれぞれ移動可能に取付けられた直線軸部材４０は浮動軸Ｃに沿って直線移動可能である。これは矢印５３で示す第３の自由度を提供する。部材４０を２つの軸Ａ，Ｂの少なくとも一方の周囲で回動させることにより、軸Ｃを同２つの軸Ａ，Ｂの少なくとも一方の周囲で回動させ得る。
センサ及びアクチュエータ等のトランスデューサをジンバル・メカニズム３８及び直線軸部材４０に対して連結することが好ましい。この種のトランスデューサは装置の複数の部材間の連結ポイントにおいて連結することが好ましい。更に、同トランスデューサはコンピュータ１６等の電気システムに対する入力及び同システムからの出力を提供する。本発明に使用可能なトランスデューサを図２に基づいて以下に詳述する。
ユーザー・オブジェクト４４は装置２５に対して取付けられるとともに、ユーザーが三次元空間内で把持または操作するインターフェース・オブジェクトであることが好ましい。１つの好ましいユーザー・オブジェクト４４は図１に示す腹腔鏡手術ツール１８の把持部２６である。ツール１８のシャフト２８は直線軸部材４０の一部として形成し得る。ユーザー・オブジェクトの他の例は以下の実施の形態において詳述する。ユーザー・オブジェクト４４はジンバル・メカニズム３８及び直線軸部材４０が提供する３つの全ての自由度内において移動し得るとともに、以下に詳述する別の自由度内でも移動し得る。ユーザー・オブジェクト４４を軸Ａの周囲で移動した場合、浮動軸Ｄの位置が変化する。更に、ユーザー・オブジェクト４４を軸Ｂの周囲で回動させた場合、浮動軸Ｅの位置が変化する。
図３及び図４は本発明の特定の実施の形態に基づく機械的入出力をコンピュータ・システムに対して提供する機械的装置２５’の斜視図である。図３は装置２５’を前から見た図である。そして、図４は装置２５’を後ろから見た図である。装置２５’はジンバル・メカニズム３８、直線軸部材４０及びトランスデューサ４２を有する。本実施の形態において把持部２６を備えた腹腔鏡手術器具として示すユーザー・オブジェクト４４は装置２５’に対して取付けられている。装置２５’は図２に基づいて詳述した装置２５とほぼ同様に動作する。
ジンバル・メカニズム３８は装置２５’をテーブル頂面または類似する曲等の接地面５６上で支持する。ジンバル・メカニズム３８の複数の部材及びジョイント（“ベアリング”）はアルミニウム等の軽量で剛性を備えた硬質金属から形成することが好ましい一方、他の金属またはプラスチック等の剛性材料からも形成できる。ジンバル・メカニズム３８は接地部材４６、キャプスタン駆動メカニズム５８、延長部材４８ａ，４８ｂ、中心駆動部材５０ａ及び中心リンク部材５０ｂを含む。接地部材４６はベース部材６０及び垂直支持部材６２を有する。ベース部材６０は接地面５６に対して取付けられるとともに、２つの外側垂直面６１を提供している。２つの外側垂直面６１は互いにほぼ直交する方向に沿ってそれぞれ延びている。垂直支持部材６２はベース部材６０の外側垂直面に対してそれぞれ取付けられている。この結果、複数の垂直支持部材６２は互いに同様にほぼ９０度の関係をなす。
キャプスタン駆動メカニズム５８を各垂直支持部材６２に取付けることが好ましい。キャプスタン駆動メカニズム５８は摩擦及びバックラッシュをシステムに加えることなく機械的効果を実現すべくジンバル・メカニズム３８に含まれる。各キャプスタン駆動メカニズムのキャプスタン・ドラム５９は図１の軸Ａ，Ｂに対応する回動軸Ａ，Ｂをそれぞれ形成すべく対応する垂直支持部材６２に対して回動可能に取付けられている。キャプスタン駆動メカニズム５８を図５に基づいて以下に詳述する。
延長部材４８ａはキャプスタン・ドラム５９に対して強固に取付けられている。そして、延長部材４８ａはキャプスタン・ドラム５９を回動した際に軸Ａの周囲を回動する。同様に、延長部材４８ｂは別のキャプスタン・ドラム５９に対して強固に取付けられるとともに、軸Ｂの周囲を回動し得る。２つの延長部材４８ａ，４８ｂはキャプスタン・ドラム５９に対して取付けられた短い端部４９を有するとともに、ほぼ９０度の角度に曲げられている。中心駆動部材５０ａは延長部材４８ａの長い端部５１に対して回動可能に取付けられ、かつ軸Ｂに対してほぼ平行に延びている。同様に、中心リンク部材５０ｂは延長部材４８ｂの長い端部に対して回動可能に取付けられ、かつ軸Ａに対してほぼ平行に延びている(図４参照)。中心駆動部材５０ａ及び中心リンク部材５０ｂは２つの軸Ａ，Ｂの交点Ｐであるジンバル・メカニズムの回動中心において互いに回動可能に連結されている。ベアリング６４は２つの中心部材５０ａ，５０ｂを交点Ｐにおいて互いに連結している。
回動中心点Ｐに配置されるか、または同回動中心点Ｐに対して取付けられたオブジェクトに対して、ジンバル・メカニズム３８は２つの自由度を提供する。点Ｐに位置するか、または同点Ｐに取付けられたオブジェクトは２つの軸Ａ，Ｂの周囲での回動が可能であるか、または２つの軸Ａ，Ｂの周囲での回動を組合わせた動きを有し得る。
直線軸部材４０は円筒部材であり、同円筒部材は２つの中心部材５０ａ，５０ｂに対して交点Ｐで連結することが好ましい。別の実施の形態において、直線軸部材４０は正方形または他の多角形等の横断面を備えた非円筒形部材であり得る。部材４０はベアリング６４の中心を通り、さらには２つの中心部材５０ａ，５０ｂにそれぞれ形成された孔を通って延びている。直線軸部材は軸Ｃに沿って直線移動可能である。これは直線軸部材に対して取付けられたユーザー・オブジェクト４４に対して第３の自由度を提供する。キャプスタン駆動メカニズム５８に類似したキャプスタン駆動メカニズムを使用することにより、直線軸部材４０をトランスデューサ４２で移動させ得ることが好ましい。直線軸部材４０の移動を図６に基づいて以下に詳述する。
トランスデューサ４２は入力信号及び出力信号を機械的装置２５’及びコンピュータ１６の間に提供すべくジンバル・メカニズム３８に対して取付けることが好ましい。本実施の形態において、トランスデューサ４２は２つの接地トランスデューサ６６ａ，６６ｂ、中心トランスデューサ６８及びシャフト・トランスデューサ７０を有する。接地トランスデューサ６６ａのハウジングを垂直支持部材６２に対して取付けることが好ましい。更に、接地トランスデューサ６６ａのハウジングはアクチュエータ及びセンサを含むことが好ましい。アクチュエータは力を軸Ａの周囲において第１の回動自由度内で作用させるか、または軸Ａの周囲における第１の回動自由度に対して影響を及ぼす。センサは軸Ａの周囲における第１の自由度内でのオブジェクト４４の位置を検出するか、または同第１の自由度による影響を受ける。即ち、トランスデューサ６６ａは第１の自由度に“付随”、即ち“関連”している。アクチュエータ６６ａの回動軸は入力及び出力を第１の自由度に沿って伝達すべくキャプスタン駆動メカニズム５８のプーリーに対して取付けられている。キャプスタン駆動メカニズム５８を図５に基づいて以下に詳述する。接地トランスデューサ６６ｂは機能及び動作の点で接地トランスデューサ６６ａに一致することが好ましい。トランスデューサ６６ｂは別の垂直支持部材６２に対して取付けられている。更に、トランスデューサ６６ｂは軸Ｂの周囲における第２の回動自由度に対して影響を及ぼすか、または同第２の回動自由度からの影響を受けるアクチュエータ／センサである。
接地トランスデューサ６６ａ，６６ｂはセンサ及びアクチュエータを含む二方向トランスデューサ（Bi-directional transducers）であることが好ましい。センサはトランスデューサのシャフトの回動角度を検出すべく信号を提供する相対光学エンコーダ（Relative optical encoders）であることが好ましい。エンコーダの電気的出力はバス６７ａ，６７ｂを通じてコンピュータ・インターフェース１４に対して供給される。この詳細は図９に基づいて以下に詳述する。電位差計等の別の種類のセンサも使用できる。
本発明では、絶対センサ及び相対センサ（Absolute and relative sensors）の両方を使用できる。絶対センサはアナログ電位差計を使用するセンサ等、センサの角度を絶対項で表すセンサである。相対センサは相対角度情報のみを提供する。このため、相対センサは相対角度情報のための基準位置を提供するある種の較正ステップを必要とする。本明細書中に開示するセンサは主に相対センサである。この結果、較正ステップがシステム・パワー・アップ（System power-up）後に実施される。この場合、センサのシャフトは装置２５’内の周知の位置に配置される。そして、前記の基準位置を提供すべく較正信号がシステムに対して供給される。その後、センサが提供する全ての角度は基準位置に対する角度である。この種の較正方法は当業者にとって周知である。このため、同較正方法の詳細な説明は省略する。
トランスデューサ６６ａ，６６ｂはアクチュエータを有することが好ましい。本実施の形態において、アクチュエータは直流サーボ・モータ等の線形電流制御型モータ（Linear current control motors）である。シャフト上に形成される方向及びトルク（力出力）を制御すべく電流信号をモータに対して供給することが好ましい。そして、モータに対する制御信号はコンピュータ・インターフェース１４によって制御バス６７ａ，６７ｂ上に形成される。これについては図９に基づいて以下に詳述する。モータはシャフトの回動を短時間で中止することを可能にすべくブレーキを有し得る。光学エンコーダ及び電流制御型モータを含む本発明の適切なトランスデューサはカリフォルニア州バーリンゲームに所在するマクソン（Maxon）によって製造された２０Ｗバスケット巻線型サーボ・モータ（2ow basket wound servo motor）である。
別の実施の形態において、印加された電圧のパルス幅変調によって制御されるステッピング・モータまたは空気モータ等の別の種類のモータを使用できる。しかし、本発明は線形電流制御型モータを使用することに更に適している。これは電圧パルス幅変調、即ちステッピング・モータ制御はユーザーが“ノイズ”と感じるステップ、即ちパルスの使用を含むことに起因する。この種のノイズはバーチャル・シュミレーションに悪影響を及ぼす。線形電流制御は滑らかである。このため、線形電流制御は本発明に適している。
受動アクチュエータをトランスデューサ６６ａ，６６ｂ，６８に使用し得る。磁気粒子ブレーキまたは摩擦ブレーキを受動抵抗、即ち摩擦を動作自由度内に形成すべくモータの他に、またはモータに代えて使用できる。受動アクチュエータのみを使用する別の好ましい実施の形態はモータを使用する実施の形態ほどに現実的ではない。しかし、受動アクチュエータの場合、ユーザーは形成された力と戦う必要がない。このため、受動アクチュエータは一般的にユーザーにとって更に安全である。
別の実施の形態において、複数のトランスデューサ４２の全てまたは一部は、所定の自由度に沿った力フィードバックを形成しない装置を提供すべくセンサのみを有し得る。同様に、複数のトランスデューサ４２の全てまたは一部は力フィードバックのみを提供すべくセンサを有さないアクチュエータとして形成し得る。
中心トランスデューサ６８は中心駆動部材５０ａに対して連結されている。そして、中心トランスデューサ６８は力を軸Ｃに沿った第３の直線自由度（Linearthird degree of freedom）において提供するアクチュエータと、第３の自由度に沿ったオブジェクト４４の位置を検出するセンサとを有することが好ましい。中心トランスデューサ６８の回動軸は図６に基づいて詳述する中心駆動部材５０ａに対して連結された移動インターフェース（Translation interface）に対して連結されている。本実施の形態において、中心トランスデューサ６８は前記のアクチュエータ６６ａ，６６ｂに類似する光学エンコーダ及び直流サーボ・モータの組み合わせである。
本実施の形態のトランスデューサ６６ａ，６６ｂ，６８ｂはオブジェクト４４を取扱うユーザーに対して少ない量の慣性を提供すべく効果的に位置決めされている。２つのトランスデューサ６６ａ，６６ｂは分離されている。より詳細には、２つのトランスデューサ６６ａ，６６ｂは接地面５６に対して取付けられた接地部材４６に対してそれぞれ直接取付けられている。即ち、接地面がトランスデューサの重量を支持しており、オブジェクト４４を取扱うユーザーはトランスデューサの重量を支持していない。従って、トランスデューサ６６ａ，６６ｂの重量及び慣性力はオブジェクトを４４を操作し、かつ移動させるユーザーにとって実質的に無視可能である。コンピュータは前記の複数の動作自由度内においてユーザーが感じるほぼ全ての力を提供すべくトランスデューサを制御する。このため、これは更に現実的なインターフェースをバーチャル・リアリティ・システムに対して提供する。装置２５’は高帯域力フィードバック・システム（High bandwidth force feedback system）である。即ち、高周波数信号をトランスデューサ４２の制御に使用可能である。そして、同高周波信号は高い精度及び高い信頼度でユーザー・オブジェクトに対して加えられる。ユーザーはオブジェクト４４を取扱う際、高帯域幅に起因して僅かなコンプライアンス、即ち“柔らかい感覚”を感じる。これとは対照的に、複数の自由度を備えたインターフェースを含む一般的な従来の装置では、１つのアクチュエータはリンク及びアクチュエータの連続するチェーン内において別のアクチュエータによって支えられている。この低帯域幅装置（Low bandwidth arrangement）の場合、ユーザーはオブジェクトを操作する際に連結された複数のアクチュエータの慣性力を感じる。
中心トランスデューサ６８は２つの回動自由度の回動中心付近に配置されている。トランスデューサ６８は接地されていない。しかし、トランスデューサ６８の中心位置は最小限の慣性力を複数の自由度に沿って機械的装置２５’に対して及ぼすことを可能にする。従って、オブジェクト４４を操作するユーザーはトランスデューサ６６ａ，６６ｂ，６８の重量から最小限の慣性力を感じる。
シャフト・トランスデューサ７０はセンサを含むことが好ましい。更に、本実施の形態において、シャフト・トランスデューサ７０はオブジェクト４４の第４の自由度を検出すべく提供されている。シヤフト・トランスデューサ７０はオブジェクト４４とは反対側に位置する直線軸部材４０の一端に取付けることが好ましい。そして、シャフト・トランスデューサ７０は矢印７２で示す第４の自由度内における軸Ｃの周囲でのオブジェクト４４の回動位置を検出することが好ましい。シャフト・トランスデューサ７０を図６及び図６ｂに基づいて以下に詳述する。シャフト・トランスデューサ７２は前記のエンコーダに類似する光学エンコーダを用いて形成することが好ましい。本発明に使用する適切な入力トランスデューサはワシントン州のバンクーバーのユー．エス．ディジタル（U.S．Digital of Vancouver）から販売されている光学エンコーダ モデルＳＩ（Optical encoder model SI）である。本実施の形態において、シャフト・トランスデューサ７０はセンサを有するのみであり、アクチュエータを有さない。この理由としては、図３及び図４に示す実施の形態が意図する１つの用途である一般的な医療処置では、軸Ｃの周囲におけるユーザーに対する回動力フィードバックは実際の動作条件をシュミレーションするために常には必要とされない点が挙げられる。しかし、別の実施の形態において、モータ等のアクチュエータをトランスデューサ６６ａ，６６ｂ，６８に類似するシャフト・トランスデューサ７０に含め得る。
図３及び図４において、オブジェクト４４は図１に示すツールに類似した腹腔鏡手術ツールの把持部２６として示されている。シャフト部分２８は直線軸部材４０として形成されている。ユーザーは腹腔鏡手術ツールを軸Ａ，Ｂの周囲で回動させ得る。更に、ユーザーは同ツールを軸Ｃに沿って移動させ、さらには軸Ｃの周囲で回動させ得る。これら４つの自由度内でそれぞれ形成される移動はコンピュータ・システム１６によって検出及び追跡される。身体の部分に対して衝撃を加えるツールをシュミレーションし、これにより組織等を貫通して移動する際の抵抗を体験すべく、力をコンピュータ・システムを使用して最初の３つの自由度内で加えることが好ましい。
任意にて、オブジェクト４４に対して別の自由度を提供すべく別のトランスデューサを装置２５’に加え得る。例えば、腹腔鏡手術ツール１８のカッティング・ブレードを延ばす動作をシュミレーションするためにユーザーが把持部２６の２つの部分２６ａ，２６ｂを相対的に移動させた際に同移動を検出すべく、トランスデューサを腹腔鏡手術ツール１８の把持部２６に対して加え得る。この種の腹腔鏡手術ツール・センサは“コンピュータ・システムに対する機械的入出力を提供する方法及び装置”と称される１９９４年７月１４日に出願された米国特許出願第０８／２７５，１２０号に開示されている。この米国出願は本願の譲受人に対して譲渡されている。そして、同米国出願の全ての内容は本開示をもって本明細書中に開示したものとする。
図５はある程度の詳細を示すキャプスタン駆動メカニズム５８の斜視図である。１つの例として、延長アーム４８ｂに対して取付けられた駆動メカニズム５８を示す。延長アーム４８ａに対して取付けられた別のキャプスタン駆動メカニズム５８は前記のメカニズムにほぼ等しい。キャプスタン駆動メカニズム５８はキャプスタン・ドラム５９、キャプスタン・プーリー７６及び停止部７８を有する。キャプスタン・ドラム５９はウェッジ形をなすとともに、脚部８２及び湾曲部８４を有する。別の形状の部材５９を使用してもよい。脚部８２は軸Ｂ（反対側のキャプスタン駆動メカニズムの場合は軸Ａ）において垂直支持部材６２に対して回動可能に取付けられている。延長部材４８ｂは脚部８２に対して強固に取付けられている。この結果、図５に示すように、キャプスタン・ドラム５９を軸Ｂの周囲で回動した際、延長部材４８ｂは一緒に回動するとともに、脚部８２に対する位置を維持する。湾曲部分８４は脚部８２の２つの端を連結するとともに、軸Ｂを中心とした弧形をなすことが好ましい。湾曲部分８４は同湾曲部分８４の底部エッジ８６がプーリー７６から０．０３０インチ（約０．７６２ｍｍ）上に位置するよう配置することが好ましい。
ケーブル８０はキャプスタン・ドラムの湾曲部分８４に対して取付けられた薄い金属ケーブルであることが好ましい。耐久性に優れた別の種類のケーブル、コードまたはワイヤ等を使用してもよい。ケーブル８０の第１の端は脚部８２の端に隣接した湾曲部分８４の端に対して取付けられる。そして、ケーブル８０は湾曲部分８４の外面８６に沿って弛みのないように引っ張られる。次いで、ケーブル８０はプーリー７６の周囲に複数回巻き付けられ、さらには外面８６に沿って再び弛みのないように引っ張られる。そして、ケーブル８０の第２の端は脚部８２の反対側の脚に隣接する湾曲部分８４の他端に対して強固に取付けられる。ケーブル８０は回動力をプーリー７６からキャプスタン・ドラム５９に対して伝達する。これにより、キャプスタン・ドラム５９は以下に詳述するように軸Ｂの周囲を回動する。更に、ケーブル８０は回動力をドラム５９からプーリー７６及びトランスデューサ６６ｂに対して伝達する。ケーブル８０に加わる張力は無視可能なバックラッシュ、即ち遊びをキャプスタン・ドラム５９及びプーリー７６の間に形成する大きさであることを要する。ケーブル８０の張力は更に長い（または更に短い）ケーブル長さを湾曲部分８４の端を通って引っ張ることにより調整できることが好ましい。湾曲部分８４の両端にそれぞれ取付けられたキャップ８１はケーブル８０を簡単に締め付けるべく使用できる。各キャップ８１はケーブル８０に対して強固に取付けることが好ましく、さらにはピボット及び締付けネジを含む。ピボット及び締付けネジはケーブル８０を締付けるべく矢印８３で示す方向へのキャップの移動を可能にする。
キャプスタン・プーリー７６はネジ山を螺刻した金属円筒体である。同金属円筒体は回動力をトランスデューサ６６ｂからキャプスタン・ドラム５９へ伝達し、さらにはキャプスタン・ドラム５９からトランスデューサ６６ｂへ伝達する。プーリー７６はシャフト８８（図５ａ参照）により垂直支持部材６２に対して回動可能に取付けられている。シャフト８８は垂直部材６２のボアを貫通して延び、かつプーリー７６に対して強固に取付けられている。トランスデューサ６６ｂは垂直支持部材６２を貫通して延びるシャフト８８を介してプーリー７６に対して取付けられている。トランスデューサ６６ｂのアクチュエータがシャフトを回動した際、回動力はトランスデューサ６６ｂからプーリー７６に対して伝達される。次いで、プーリーは回動力をケーブル８０に対して伝達する。そして、ケーブル８０に伝達された回動力はキャプスタン・ドラム５９を軸Ｂの周囲で一方向に回動させる。延長部材４８ｂはキャプスタン・ドラム５９とともに回動する。この結果、オブジェクト４４の第２の自由度に沿った力が形成される。ユーザーがプーリー７６、キャプスタン・ドラム５９及び延長部材４８ｂの回動を打ち消すために同一量以上の回動力をオブジェクト４４に対して反対方向に加えない場合にのみ、プーリー７６、キャプスタン・ドラム５９及び延長部材４８ｂは実際に回動する。少なくとも、ユーザーは第２の自由度に沿った回動力を力フィードバックとしてオブジェクト４４から感じる。
アクチュエータの力出力を増大すべく、キャプスタン・メカニズム５８は装置２５’に対して機械的効果を提供する。プーリー７６直径のキャプスタン・ドラム５９直径に対する比(即ち、軸Ｂからキャプスタン・ドラム５９の底部エッジ８６迄の距離の二倍)はギヤ・システムのように機械的効果の大きさを決定する。好ましい実施の形態において、ドラムのプーリーに対する比は１５：１に等しい。別の実施の形態において、前記の比以外の比を使用してもよい。
同様に、ユーザーがオブジェクト４４を第２の自由度内で移動させた場合、延長部材４８ｂは軸Ｂの周囲で回動するとともに、キャプスタン・ドラム５９を軸Ｂの周囲で回動させる。この移動は回動力をプーリー７６に対して伝達するケーブル８０の移動を招来する。プーリー７６は回動するとともに、シャフト８８を回動させる。移動の方向及び大きさはトランスデューサ６６ｂのセンサに基づいて決定される。他方のキャプスタン駆動メカニズム５８に対する類似するプロセスが第１の自由度に沿って形成される。アクチュエータに関連して前述したように、キャプスタン駆動メカニズムはドラム５９のプーリー７６に対する比（好ましい実施の形態において、１５：１）だけセンサの分解能を増大させる機械的効果を提供する。
停止部７８はキャプスタン・ドラム５９の湾曲部分８４から数ミリメートル上方に離間した位置において垂直支持部材６２に対して強固に取付けられている。停止部７８はキャプスタン・ドラム５９が所定の角度限界を越えて移動することを防止すべく使用される。従って、ドラム５９は脚部８２の両端の間の弧の長さによって決定される範囲内で移動すべく形成されている。そして、この制限された移動は最初の２つの自由度内におけるオブジェクト４４の移動を制限する。前記の実施の形態において、停止部７８は円筒部材であり、同円筒部材は垂直支持部材６２内のネジ山を螺刻したボア内に螺入されている。
図５ａは図５に示すキャプスタン・メカニズム５８の側面図である。ケーブル８０はキャプスタン・ドラム５９の湾曲部分８４の底面８６に沿って延びている。ケーブル８０は複数のネジ山９０の間を通るようにプーリー７６の周囲に巻き付けることが好ましい。即ち、ケーブルは図５ｂに示すようにネジ山によって案内される。トランスデューサ６６またはユーザーによる手動操作により、プーリー７６を回動した際、プーリーの周囲に巻き付けられたケーブル８０はプーリー７６の回動方向に基づいて垂直支持部材６２に接近する方向または離間する方向に移動する。例えば、プーリー７６を逆時計方向(図５に示すようにプーリーを見た場合)、ケーブル８０は矢印９２で示すように垂直支持部材６２に向かって移動する。キャプスタン・ドラム５９も矢印９４で示すように時計方向に回動する。プーリー７６のネジ山は更に効果的なグリップを有するケーブル８０をプーリー７６上に提供するために主に使用される。別の実施の形態において、プーリー７６はネジ山を有さない。そして、ケーブル８０に加わる高い張力はケーブルによるプーリー７６の把持を可能にする。
キャプスタン駆動メカニズム５８は実質的なコンプライアンス、摩擦またはバックラッシュをシステムに加えることなく、トランスデューサ６６ａ，６６ｂ及びオブジェクト４４の間における力の伝達及び機械的効果を実現すべく本発明において効果的に使用されている。キャプスタン駆動は高い剛性を提供する。この結果、力は構成部品の無視可能な伸縮をともなって伝達される。摩擦力の量はキャプスタン駆動メカニズムの使用により低減される。この結果、実質的に“ノイズを含まない”触知可能な信号をユーザーに対して提供できる。更に、キャプスタン駆動によって生じるバックラッシュの量は無視可能な量である。“バックラッシュ”はギヤ・システムまたはプーリー・システムにおいて互いに連結された２つの回動体間に生じる遊びの量である。力をトランスデューサ６６ａ及び延長部材４８ｂの間で伝達すべくキャプスタン駆動メカニズム５８に代えて２つのキヤ、ベルトまたは他の駆動メカニズムを別の実施の形態において使用し得る。しかし、ギヤ等はシステム内にある程度のバックラッシュを形成する。更に、オブジェクト４４を操作する際、ユーザーはギヤの歯のインターロッキング及びグラインディングをギヤの回動中に感じ得る。キャプスタン駆動メカニズムにおける回動は更に目立たないものである。
図６は中心駆動部材５０ａ及び直線軸部材４０のある程度の詳細を示す斜視図である。中心駆動部材５０ａは同部材５０ａの内部を示すべく部分的に破断してある。中心トランスデューサ６８は中心駆動部材５０ａの１つ側部に対して取付けられている。本実施の形態において、キャプスタン駆動メカニズムは力を第３の自由度に沿ってトランスデューサ６８及び直線軸部材４０の間で伝達すべく使用される。トランスデューサ６８の回動軸９８は中心駆動部材５０ａの側壁に形成されたボアを貫通して延びるとともに、キャプスタン・プーリー１００に対して取付けられている。プーリー１００は図６ａに基づいて以下に詳述する。
直線軸部材４０は外側スリーブ９１及び内側シャフト９３（図６ｂに基づいて以下に詳述）を有することが好ましい。外側スリーブ９１は長さに沿って延びる平坦部４１を備えた部分的に円筒をなす部材であることが好ましい。平坦部４１はスリーブ９１が前記の第４の自由度内において軸Ｃの周囲を回動することを防止する。直線軸部材４０はケーブル９９を有する。ケーブル９９は部材４０の各端に対してテンション・キャップ１０１で固定されている。ケーブル９９は平坦部４１の表面に沿って外側スリーブ９１の長さの大半を通って下方に延びることが好ましい。更に、ケーブル９９はネジ９７を緩め、さらには所望の張力が形成されるまでケーブル９９の端を引っ張り、次いでネジ９７を締めることによって締付け得る。図５に基づいて詳述したキャプスタン・メカニズムのケーブル同様に、ケーブル９９は比較的大きな張力を有する必要がある。
図６ａに示すように、ケーブル９９はプーリー１００の周囲に複数回巻付けられている。この結果、力をプーリー１００及び直線軸部材４０の間で伝達し得る。プーリー１００は中心軸部分１０３及び端部舌部１０５を有することが好ましい。外側スリーブ９１は同スリーブの平坦部４１が軸部分１０３の両側に位置する複数の舌部１０５に対してそれぞれ当接するか、または隣接するように配置することが好ましい。プーリー１００の周囲に延びるケーブル９９は中心軸部分１０３の周囲に巻付けられている。更に、プーリーが時計回りまたは逆時計回りに回動した際、ケーブル９９は部分１０３に沿ってシャフト９８に接近する方向または離間する方向にそれぞれ移動する。軸部分１０３の直径は舌部１０５より小さい。この結果、空間をケーブル９９が取付けられたプーリー１００及び平坦部４１の間に形成するとともに、ケーブルの自由な移動を可能にする。ケーブル９９に加わる張力は同ケーブル９９によるプーリー１００の強力な把持を可能にする。このため、プーリー１００はプーリー７６とは異なりネジ山を有さないことが好ましい。別の実施の形態において、プーリー１００は図５に基づいて詳述したキャプスタン・プーリー７６のようにネジ山を螺刻した円筒体またはネジ山を有さない円筒体であり得る。
キャプスタン駆動メカニズムを使用することにより、トランスデューサ６８のアクチュエータを用いてプーリーを回動させた際、トランスデューサ６８は直線軸部材４０を軸Ｃに沿って移動させ得る。同様に、ユーザーがオブジェクト４４を操作することにより直線軸部材４０が軸Ｃに沿って移動した際、プーリー１００及びシャフト９８が回動する。この回動はトランスデューサ６８のセンサによって検出される。キャプスタン駆動メカニズムは低い摩擦力を形成する円滑、かつ正確なオペレーションを直線軸部材４０の正確な移動と、同部材４０の正確な位置検出とに対して提供する。
力を直線軸部材４０に対して伝達し、さらには軸Ｃに沿った部材４０からの位置情報を入手すべく別の駆動メカニズムを使用し得る。例えば、直線軸部材４０をゴムのような弾性材料または他の摩擦力を形成する摩擦材料（Frictionalmaterial）から形成したドライブ・ホイールのエッジに沿って接触させるべく同トライブ・ホイールをシャフト９８上に配置し得る。ホイールは同ホイール及び直線軸部材の摩擦によって生じる力を部材４０に沿って形成し得る。この種のドライブ・ホイール・メカニズムは前記の米国特許出願第０８／２７５，１２０号と、本願の譲受人に譲渡された“長形可撓性オブジェクトに対して接続されたコンピュータ・システムに対する機械的入出力を提供する方法及び装置”と称される１９９４年１１月２３日に出願された米国特許出願第０８／３４４，１４８号とに開示されている。米国特許出願第０８，３４４，１４８号の全ての内容は本開示をもって本明細書中に開示したものとする。更に、直線軸部材４０はスリーブ及びシャフトからなる二重構造に代えて１つのシャフトから形成し得る。
図６ｂは部材４０及びトランスデューサ７０の縦断面図である。内側シャフト９３は中空外側スリーブ９１内に位置するとともに、同スリーブ９１に対して回動可能に取付けられている。シャフト９３の第１の端１０７はスリーブ９１を越えて延びるとともに、オブジェクト４４に対して取付けることが好ましい。オブジェクト４４を軸Ｃの周囲で回動した際、シャフト９３はスリーブ９１内において第４の自由度内で軸Ｃの周囲を回動する。スリーブ９１が移動した際、シャフト９３は第３の自由度内で軸Ｃに沿って移動する。これに代えて、内側シャフト９３は外側スリーブ９１内においてオブジェクト４４のシャフトに対して取付け可能である。例えば、図１に示す腹腔鏡手術ツール１８のシャフト２８の短い部分をスリーブ９１内に延ばすとともに、同スリーブ９１内においてシャフト９３に対して取付け得る。これに代えて、シャフト２８をトランスデューサ７０まで延はし、さらにはシャフト９３として使用できる。
シャフト９３は同シャフト９３の第２の端１０９においてトランスデューサ７０に取付けられている。好ましい実施の形態において、トランスデューサ７０は光学エンコーダ・センサ（Optical encoder sensor）である。トランスデューサ７０のハウジング１１１はキャップ１１５によって外側スリーブ９１に対して強固に取付けられている。そして、トランスデューサ７０のシャフト１１３は内側シャフト９３に対して取付けられている。この結果、トランスデューサ７０はシャフト９３及びオブジェクト４４の回動位置を検出し得る。別の実施の形態において、トランスデューサ７０は軸Ｃの周囲における回動力をシャフト９３に対して提供すべくアクチュエータを含み得る。
図７は本発明の別の実施の形態に基づく機械的装置２５”及びユーザー・オブジェクト４４の斜視図である。図７に示す機械的装置２５”は図３及び図４に示す機械的装置２５’とほぼ同様に動作する。しかし、ユーザー・オブジェクト４４はユーザーが把持し、かつ６つの自由度内で移動させ得るスタイラス１０２である。“把持”とは、ユーザーがオブジェクトの把持部に対して解放可能に係合することを意味する。この係合は指先とともに手を使用するか、または障害者の場合には口を使用するなどして行い得る。スタイラス１０２は図１に示すコンピュータ１６及びインターフェース１４等のコンピュータ・システム及びインターフェースを使用することにより、検出可能であるとともに、力を各種の自由度内で加え得る。スタイラス１０２はバーチャル・リアリティ・シュミレーションに使用可能である。同バーチャル・リアリティ・シュミレーションにおいて、ユーザーはオブジェクトを指し示すか、または文字、図形または他の像を描くべくスタイラス１０２を三次元空間で移動させ得る。例えば、ユーザーは仮想環境をコンピュータ・スクリーンまたはスリーディ・ゴーグルで見ることができる。仮想スタイラスはユーザーの仮想の手の中に配置できる。ユーザーがスタイラスを移動させた際、コンピュータ・システムはセンサを通じて同スタイラスの位置を追跡する。更に、ユーザーがスタイラスを仮想の机表面上に移動させ、さらには仮想の紙パッド上に書き込みを行った際等、コンピュータ・システムは力フィードバックをスタイラスに対して提供する。従って、ユーザーはスタイラスが実際の表面に対して当接しているように感じる。
スタイラス１０２は浮動ジンバル・メカニズム１０４に対して取付けることが好ましい。浮動ジンバル・メカニズム１０４は図３及び図４に基づいて詳述した装置２５’の４つの自由度とは別に２つの自由度を提供する。浮動ジンバル・メカニズム１０４はＵ字形部材１０６を含む。Ｕ字形部材１０６は軸部材１０８に対してシャフト１０９を介して回動可能に取付けられている。この結果、Ｕ字形部材１０６は軸Ｆの周囲を回動し得る。軸部材１０８は直線軸部材４０に対して強固に取付けられている。更に、トランスデューサ１１０のハウジングはＵ字形部材１０６に対して取付けられている。そして、トランスデューサ１１０のシャフトはシャフト１０９に対して取付けられている。シャフト１０９は軸部材１０８内において所定位置にロックされていることが好ましい。この結果、Ｕ字形部材が回動した際、シャフト１０９は回動しない。トランスデューサ１１０はトランスデューサ７０に関連して詳述した光学エンコーダ等のセンサであることが好ましい。トランスデューサ１１０は第５の自由度内での軸Ｆの周囲におけるＵ字形部材１０６の回動を検出するとともに、同Ｕ字形部材１０６の回動を示す電気信号をインターフェース１４に対して出力する。
スタイラス１０２はＵ字形部材１０６を貫通して延びるシャフト（図示略）を介して同Ｕ字形部材１０６に対して回動可能に取付けることが好ましい。そして、このシャフトはトランスデューサ１１２のシャフトに対して連結されている。更に、トランスデューサ１１２のハウジングはＵ字形部材１０６に対して取付けられている。トランスデューサ１１２は前記の光学エンコーダ等のセンサであることが好ましい。トランスデューサ１１２はスタイラスの長さ方向に延びる軸Ｇの周囲における第６の自由度内でのスタイラス１０２の回動を検出する。
図７に示す実施の形態では、スタイラス１０２の６つの自由度が検出される。従って、現実的なシュミレーションを提供すべくスタイラスの位置（ｘ座標，ｙ座標，ｚ座標）及び配向（ロール，ピッチ，偏揺れ角）をコンピュータ１６を用いて検出できる。第５の自由度及び第６の自由度を提供すべく浮動ジンバル・メカニズム１０４以外のメカニズムを使用できる。更に、三次元の力フィードバックを形成すべく力をスタイラス１０２に対して３つの自由度内で加え得る。別の実施の形態において、トランスデューサ７０，１１０，１１２はアクチュエータを有し得る。しかし、アクチュエータはセンサより常には重い。更に、アクチュエータをトランスデューサ７０，１００，１１２の位置に配置した際、同アクチュエータは更に大きな慣性力をシステム内に形成し得る。このため、アクチュエータを前記の実施の形態における第４の自由度、第５の自由度及び第６の自由度に対して提供しないことが好ましい。更に、前記の３つの自由度に対する力フィードバックは衝撃及び抵抗のシュミレーションを可能にする。これはバーチャル・リアリティの多くの用途において常には適切である。第４の自由度、第５の自由度及び第６の自由度における力フィードバックはスタイラス１０２上におけるトルクをシュミレーションすることを可能にする。これはシュミレーションにおいて効果的であり得る。
図８は本発明の第２の別の実施の形態に基づく機械的装置２５'''及びユーザー・オブジェクト４４の斜視図である。図８に示す機械的装置２５'''は図３及び図４に示す装置２５’とほぼ同様に動作する。しかし、ユーザー・オブジェクト４４はジョイスティック１１２である。ユーザーはジョイスティック１１２を２つの自由度内で移動し得ることが好ましい。図１に示すコンピュータ・システム１６及びインターフェース１４に類似するコンピュータ・システム及びインターフェースを使用することにより、ジョイスティク１１２を検出し、さらには力を２つの自由度内で加え得る。本実施の形態において、ジョイスティック１１２は円筒形締結装置６４に対して取付けられている。この結果、ユーザーはジョイスティック１１２を前記のジンバル・メカニズム３８が提供する２つの自由度内で移動させ得る。ジョイスティックは軸Ｃに沿って常には移動しない。このため、図８に示す実施の形態は直線軸部材４０を常には含まない。しかし、別の実施の形態において、ジョイスティック１１２は第３の自由度を提供すべく図７のスタイラス１０２同様に直線軸部材４０に対して取付け得る。更に、別の実施の形態において、直線軸部材４０は軸Ｃの周囲で回動可能であり、第４の自由度を提供すべくトランスデューサ７０を装置２５'''に対して取付け得る。更に別の実施の形態において、６つの全ての自由度を可能にすべく図７に示す浮動ジンバル・メカニズムまたは別のメカニズムをジョイスティックに取付け得る。
ジョイスティック１１２はバーチャル・リアリティ・シュミレーションに使用可能である。同バーチャル・リアリティ・シュミレーションにおいて、ユーザーは乗り物を移動させることと、オブジェクトを指し示すことと、メカニズムを制御すること等を実現すべくジョイスティックを移動させ得る。例えば、ユーザーはジョイスティック１１２を用いて航空機を制御するコンピュータ・スクリーンまたはスリーディ・ゴーグル上に形成された仮想環境を見ることができる。コンピュータ・システムはユーザーがジョイスティックを移動させた際、同ジョイスティックの位置をセンサを用いて追跡するとともに、航空機を表示された方向に移動させるべくバーチャル・リアリティ・ディスプレイを更新する。更に、コンピュータ・システムは、例えば航空機を傾ける際または回転中に加速する際等にジョイスティックに対して力フィードバックを提供する。この場合、ユーザーはジョイスティクに加わる力を感じる。即ち、ユーザーは航空機の操縦が更に困難になったことを実感する。
図９は信号を機械的装置２５との間で送受信すべくインターフェース１４内に使用されるインターフェース回路１２０及びコンピュータ１６を示す。回路１２０はコンピュータ１６、インターフェース・カード１２０、ＤＡＣ（ディジタル−アナログ変換器）１２２、パワー・アンプ回路１２４、ディジタル・センサ１２８及びセンサ・インターフェース１３０を含む。任意にて、ディジタル・センサ１２８に代えて、または同ディジタル・センサ１２８の他にアナログ・センサ１３２及びＡＤＣ（アナログ−ディジタル変換器）１３４を含み得る。本実施の形態において、図１に示すコンピュータ１６及び機械的装置２５の間のインターフェース１４は図１４に示す破線で囲まれたインターフェース回路と機能的に同等と見なし得る。更に、別の種類のインターフェース１４を使用し得る。例えば、電子インターフェース１４は本願の譲受人に譲渡された“スリーディ・メカニカル・マウス”と称される１９９３年７月１６日に出願された米国特許出願第０８／０９２，９７４号に開示されている。同米国特許出願第０８／０９２，９７４号の全ての内容は本開示をもって本明細書中に開示したものとする。更に、同米国特許出願第０８／０９２，９７４号が開示する電子インターフェースはイマージョン・プローブ・スリーディ・メカニカル・マウス（Immersion PROBE 3-Dmechanical mouse）のために形成されたものであり、さらにはイマージョン・プローブの６つの自由度にそれぞれ対応する６つのチャンネルを有する。
インターフェース・カード１２０はコンピュータ１６のインターフェース・スロットに取付け可能なカードであることが好ましい。例えば、コンピュータ１６がＩＢＭ ＡＴ互換機である場合、インターフェース・カード１４はＩＳＡインターフェース・カードまたは他の従来の標準インターフェース・カードとして形成可能であり、同従来の標準インターフェース・カードはコンピュータのマザー・ボードにプラグ・インされるとともに、コンピュータのメイン・データ・バスに接続された入出力ポートを提供する。
ディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１２２はインターフェース・カード１２０に対して接続され、さらにはコンピュータ１６からディジタル信号の入力を受ける。ＤＡＣ１２２はディジタル信号をアナログ電圧に変換する。次いで、同アナログ電圧はパワー・アンプ回路１２４に入力される。本発明での使用に適するＤＡＣ回路は図１０に基づいて以下に詳述する。パワー・アンプ回路１２４は低電力のアナログ制御電圧をＤＡＣ１２２から入力され、さらにはアクチュエータ１２６を制御すべく同電圧を増幅する。パワー・アンプ回路１２４は図１１に基づいて以下に詳述する。アクチュエータ１２６はトランスデューサ６６ａ，６６ｂ，６８に組み込まれた直流サーボ・モータであることが好ましい。更に、アクチュエータ１２６は機械的装置２５に取付けられたユーザーが操作するオブジェクト４４に対して力フィードバックを提供する図３、図７及び図８に示す実施の形態に関連して詳述した任意の別のアクチュエータであり得る。
ディジタル・センサ１２８は３次元空間内におけるユーザー・オブジェクトの位置に関する信号をコンピュータ１６に対して出力する。前記の好ましい実施の形態において、センサ１２８は相対光学エンコーダである。相対光学エンコーダは位相に関連する２つの信号を形成することによりシャフトの回動に応答する電気光学的装置である。前記の実施の形態において、好ましくは１つのチップからなるセンサ・インターフェース回路１３０はディジタル・センサ１２８からの信号を受信し、さらには各センサからの２つの信号を別の対のクロック信号に変換する。そして、同別の対のクロック信号は２方向２進カウンタ（Bi-directionalbinary counter）を駆動する。２進カウンタからの出力はエンコードされたシャフトの角位置を示す２進数としてコンピュータ１６に入力される。この種の回路または同等の回路は当業者によく知られている。例えば、カリフォルニア州に所在するヒューレット・パッカードから販売されているクォードラチャー・チップ（Quadrature Chip）は前記の機能を果たす。
本発明の全てのトランスデューサまたは一部のトランスデューサに対して、ディジタル・センサ１２８に代えてアナログ・センサ１３２を含め得る。例えば、力を測定すべく歪みゲージを図７のスタイラス１３０に対して取付け得る。アナログ・センサ１３２は特定の自由度内におけるユーザー・オブジェクトの位置を示すアナログ信号を出力する。当業者によく知られているように、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）１３４はアナログ信号をディジタル信号に変換する。そして、当業者によく知られているように、同変換されたディジタル信号はコンピュータ１６に入力され、かつ処理される。
図１０は図９のＤＡＣ回路１２２の概略図である。ＤＡＣ回路１２２は入力ディジタル信号をアナログ電圧に変換することに適している。そして、同変換されたアナログ電圧はパワー・アンプ回路１２４に対して出力される。前記の実施の形態において、回路１２２はナショナル・セミコンダクタ（National Semiconductor）によって製造されたＤＡＣ１２２０に代表される並列ＤＡＣ１３６を含む。並列ＤＡＣ１３６は外付けの一般的なオペ・アンプ１３８と協働すべく形成されている。例えば、オペ・アンプ１３８は同オペ・アンプ１３８の入力端子に入力された２進数に比例したゼロから−５ボルトの信号を出力する。オペ・アンプ１４０は出力電圧を対称なバイポーラ・レンジ（Symmetrical bipolar range）に変換する反転加算アンプ(inverting summing amplifier)である。オペ・アンプ１４０はオペ・アンプ１３８の出力を反転し、かつ２．５Ｖを同出力から差し引くことにより−２．５〜＋２．５Ｖの出力信号を形成する。この出力信号はアンプ回路１２４における電力増幅に適する。例えば、Ｒ１＝２００ｋΩ、及びＲ２＝４００ｋΩとし得る。勿論、回路１２２はディジタル信号をアナログ信号に変換すべく使用できる多くの回路のうちの１つのである。
図１１は図９に示すインターフェース回路１４における使用に適するパワー・アンプ回路１２４の概略図である。高電力の電流制御型サーボ・モータ（High-power，current-controlled servo motor）１２６を制御すべく、ＤＡＣ回路１２２から出力された低電力の制御電圧がパワー・アンプ回路に入力される。入力制御電圧はアンプ１４２及び複数の抵抗器からなる相互コンダクタンス・ステージ（Transconductance staqe）を制御する。相互コンダクタンス・ステージは入力電圧源から非常に僅かな電流を引く一方で、駆動モータ１２６を駆動すべく入力電圧に比例した出力電流を形成する。アンプ１４４、抵抗器及びコンデンサＣを含む第２の増幅ステージはモータ１４６の第２のターミナル１４７の電圧変動を増大させることにより別の電流能力（Current capacity）を提供する。回路１２４に対する値の例として、Ｒ＝１０ｋΩ、Ｒ２＝５００Ω、Ｒ３＝９．７５ｋΩ及びＲ４＝１Ωであり得る。勿論、回路１２４はアクチュエータ１２６を駆動する電圧を増幅すべく使用できる多くの回路の１つの例である。
図１２ａは本発明での使用に適するトランスデューサ・システム２００の概略図である。トランスデューサ・システム２００は能動アクチュエータに代えて受動アクチュエータを使用するインターフェース・システムに適する。図１２ａに示すように、トランスデューサ・システム２００は矢印２０１で示す１つの自由度を有するメカニズムに使用される。システム２００を別の複数の自由度を有するシステムに使用する実施の形態を後から詳述する。トランスデューサ・システム２００はアクチュエータ２０２、アクチュエータ・シャフト２０４、緩く取付けられたカップリング２０６、カップリング・シャフト２０８、センサ２１０及びオブジェクト４４を含む。
アクチュエータ２０２は力をオブジェクト４４に対して伝達するとともに、符号２０３で示すように接地していることが好ましい。アクチュエータ２０２はアクチュエータ・シャフト２０４に対して強固に取付けられており、同アクチュエータ・シャフト２０４はアクチュエータ２０２からカップリング２０６まで延びている。アクチュエータ２０２は矢印２１２で示す回動力をアクチュエータ・シャフト２０４に対して提供する。好ましい実施の形態において、アクチュエータ２０２は受動アクチュエータであり、同受動アクチュエータは抵抗力、即ち摩擦力（即ち、抗力）をシャフト２０４に対して矢印２１２の方向に形成可能である一方、能動的力をシャフト２０４に対して提供できない(即ち、アクチュエータ２０２はシャフト２０４を回動できない)。従って、ユーザーが形成する力等の外部回動力がシャフト２０４に対して加えられる。そして、受動アクチュエータ２０２は同外部回動力に対する抵抗力を形成する。好ましい受動アクチュエータは安価で電力効率の良いロターリー式磁気ブレーキ(rotary magnetic breakes)、より詳細には磁気粒子ブレーキを含む。適切な磁気粒子ブレーキはカリフォルニア州のサンタ・モニカに所在するフォース・リミテッド，インコーポレーテッド（Force limited,Inc.）から入手可能である。
受動アクチュエータは現実的な力フィードバックを仮想環境内でインターフェース装置を操作するユーザーに対して提供し得る。受動アクチュエータはユーザーが操作するオブジェクト４４の移動に対して抵抗を付与する。従って、受動アクチュエータを含むインターフェースを操作するユーザーは同ユーザーがインターフェースのオブジェクトを実際に移動させた際にのみ力を感じる。
能動アクチュエータと比較した際、受動アクチュエータ２０２は複数の効果を提供する。受動アクチュエータを駆動すべく能動アクチュエータより実質的に更に小さい電流が必要である。これは受動アクチュエータ・システムを駆動するための更に安価な電源の使用を可能にする。更に、小さな電源の使用により小型、かつ軽量な力フィードバック・メカニズムが可能になる。更に、受動アクチュエータは仮想環境内において動作すべくモータ等の能動アクチュエータより実質的に低い速度の制御信号を必要とする。インターフェース・メカニズムのコントローラがシリアル・ボート等の低速の標準入出力ポートのみを有するコンピュータ・システムである場合、これは重要である。シリアル・ポートはパーソナル・コンピュータにおいて一般的である。しかし、シリアル・ポートは殆どの能動アクチュエータをリアルタイムで安定的に制御する十分な速度で通信を行えない。低速の制御信号を有するコントローラを使用した際、受動アクチュエータは安定した力フィードバックをユーザーに対して提供し得る。前記の受動アクチュエータの別の効果としては、受動アクチュエータが力をインターフェース及びユーザー上に形成しないため、同受動アクチュエータがユーザーにとって更に安全な点が挙げられる。
カップリング２０６はアクチュエータ・シャフト２０４に対して取付けられている。アクチュエータ２０２、アクチュエータ・シャフト２０４及びカップリング２０６は“アクチュエータ・アセンブリ”と見做し得る。また、受動アクチュエーティング・システムでは、アクチュエータ２０２、アクチュエータ・シャフト２０４及びカップリング２０６は“ブレーキ・メカニズム”と見做し得る。カップリング２０６はアクチュエータ・シャフト２０４に対して強固に取付けないことが好ましい。この結果、“遊び”の量（大きさ）がアクチュエータ・シャフト２０４及びカップリング２０６の間に許容される。“遊び”という用語は、トランスデューサと移動したオブジェクトとの間の自由な移動の量、即ち“緩さ”を意味する。従って、オブジェクトはアクチュエータから同オブジェクトに加えられた力に左右されることなく外部から加えられた力によって短い距離を移動し得る。好ましい実施の形態において、ユーザーはブレーキ等の受動アクチュエータによって形成された抗力と戦うことなくオブジェクトを短い距離移動させ得る。例えば、アクチュエータ２０２は抵抗力、即ち摩擦力をアクチュエータ・シャフト２０４に対して加え得る。この結果、アクチュエータ・シャフト２０４は力が同シャフトに対して加えられた際にも所定位置にロックされる。しかし、カップリング２０６は同カップリング２０６及びシャフト２０４の間に形成された遊びに起因していずれか一方の回動方向に所定距離だけ自由に回動できる。この遊びは以下に詳述する目的のために汎用的である。このため、同遊びは“所望”の量の遊びと称される。カップリング２０６を許容される遊びの限界値まで回動した後、カップリング２０６はシャフト２０４を同カップリング２０６と一緒に回動させるべくシャフト２０４に力を加える。また、アクチュエータ２０２がシャフト２０４を保持（即ち、ロック）している場合、カップリング２０６を更に回動させることはできない。アクチュエータ２０２及びオブジェクト４４の間の所望の遊びの量は以下に詳述する使用されるセンサの分解能に大きく依存している。遊びの種類の例には、前記の実施の形態において詳述したギヤ・システム内で生じるロータリー・バックラッシュと、可撓性を有する回動可能部材または回動不能部材を用いた際に生じ得るコンプライアンス、即ち捻り撓みとが含まれる。これらの遊びの形態を含む実施の形態を図１３及び図１６に基づいて以下に詳述する。
カップリング・シャフト２０８はカップリング２０６に対して強固に取付けられ、かつセンサ２１０まで延びている。センサ２１０は軸Ｈの周囲におけるシャフト２０８及びオブジェクト４４の回動を検出すべくカップリング・シャフト２０８に対して強固に取付けることが好ましい。センサ２１０はシャフト２０８の回動位置を示す電気信号を出力するとともに、符号２１１で示すように接地されていることが好ましい。前記の実施の形態において、センサ２１０は図１〜図１１に示す実施の形態において詳述したエンコーダに類似するディジタル光学エンコーダである。別の実施の形態において、センサ２１０はオブジェクト４４、カップリング・シャフト２０８及びカップリング２０６から分離可能である。例えば、電磁エネルギーのエミッタ及び検出器を有するセンサはトランスデューサ・システム２００の残りの部分から分離可能である。その一方、同センサは赤外線等の電磁エネルギーのビームを使用することによりオブジェクト４４の回動位置を検出し得る。同様に、磁気センサをシャフト２０８またはオブジェクト４４に対して接続していない状態において、同磁気センサはオブジェクト４４の位置を検出し得る。この種のセンサの動作は当業者によく知られている。
センサ２１０は検出分解能を有する。検出分解能はセンサが検出し得るカップリング・シャフト２０８の回動位置の最も小さい変化である。例えば、前記の実施の形態に示す光学エンコーダはシャフト２０８が一回転する間に約３６００個の均等に離間した“パルス”を検出し得る。これは１度当たりの回動角度内で、約１０個のパルスが検出されたことを意味する。従って、本例における前記のセンサの検出分解能は約１／１０度になる。以下に詳述するように、アクチュエータ２０２及びオブジェクト４４の間の所望の遊びを検出することが望ましいため、所望の遊びはセンサ２１０の検出分解能（例：１／１０度）を下回ってはならない。この例において、アクチュエータ及びオブジェクト間の所望の遊びは少なくとも１／５度である。これは遊びを少なくとも１／５度にすることによってエンコーダが移動の２つのパルスを検出し得ることに起因する。これは更に信頼性の高い測定値を提供するとともに、移動方向を更に簡単に決定することを可能にする。
センサ２１０はシャフト２０８に対して可能な限り強固に取付ける必要がある。この結果、センサはシャフト２０８及びオブジェクト４４の所望の遊びを検出し得る。センサ２１０及びオブジェクト４４の間の任意の遊びはセンサの測定値に対して悪影響を及ぼさないよう最小限に抑制する必要がある。センサ２１０及びオブジェクト４４の間に存在する固有の任意の遊びはセンサの検出分解能より小さいことを要する。更に、同遊びは検出分解能より少なくとも一桁小さいことが好ましい。即ち、前記の例において、センサ及びオブジェクトの間の遊びは１／１０度より小さく、好ましくは１／１００度より小さい。シャフト２０８及び他の部品を形成するためのスチールまたは他の剛性材料はセンサ２１０及びオブジェクト４４の間の遊びを本発明の目的において事実上無視可能にする。前記のように、部材に対して“強固”に取付けられたセンサは同センサの検出分解能より小さい遊び（好ましくは無視可能な量）を有する。アクチュエータ２０２及びオブジェクト４４の間の遊びは以下に詳述する。センサ２１０に使用する適切なエンコーダはワシントン州のバンクーバーに所在するユー．エス．ディジタルから販売されている“ソフトポット（Softpot）”が挙げられる。
オブジェクト４４はカップリング・シャフト２０８に対して強固に取付けられている。オブジェクト４４は前記の実施の形態において詳述したように各種の形態をなし得る。更に、オブジェクト４４はカップリング・シャフト２０８に対して直接取付けるか、または他の中間部材を介してシャフト２０８に対して取付け得る。図１２ａにおいて、オブジェクト４４はカップリング２０６及びセンサ２１０の間に位置するシャフト２０８に対して取付けられている。従って、オブジェクト４４を軸Ｈの周囲で回動した際、シャフト２０８も軸Ｈの周囲て回動される。そして、センサ２１０はオブジェクト４４の回動の大きさ及び方向を検出する。これに代えて、オブジェクト４４はカップリング２０６に対して直接取付け得る。カップリング２０６及び／またはシャフト２０４，２０８は所望の遊びをアクチュエータ２０２及びオブジェクト４４の間に形成する“遊びメカニズム”と見做し得る。特定の適切なオブジェクト４４はジョイスティック、医療器具(カテーテル及び腹腔鏡等)、ステアリング・ホイール（例えば、１つの自由度を有する）及びプール・キュー等を含む。
前記のように、トランスデューサ・システム２００は受動アクチュエータ等の低価格エレメントを含む機械的システムに適する。ユーザーが保持し、かつ移動させるオブジェクトに対して正確な力フィードバックを提供すべくコンピュータ・システム１６等の制御コンピュータ・システムを使用する場合、オブジェクトをロックすべく受動アクチュエータを最大の力でオブジェクトに対して作用させた際であっても、コンピュータ・システムはユーザーがオブジェクトを移動させる方向を検出し得る必要がある。しかし、受動回動アクチュエータは軸の周囲における両回動方向への回動に対して抵抗力、即ち摩擦力を提供する。このため、受動アクチュエータを使用した際、前記の移動方向の検出は困難である。従って、アクチュエータからの力が一方向へのオブジェクトの移動を防止する際、同力は反対方向へのオブジェクトの移動も防止する。これはユーザーがアクチュエータの抵抗力より大きい力を提供し、かつアクチュエータの力を上回らない限り(即ち、打ち勝たない限り)、反対方向へのオブジェクトの移動をコンピュータが検出することを可能にしない。
例えば、オブジェクト４４はビデオ・カーソルを移動させるために使用する１自由度のジョイスティック（One-degree-of-freedom joystick）であり、ビデオ・カーソルはビデオ・スクリーン上においてジョイスティックが示す方向に移動する。ユーザーはカーソルを仮想（即ち、コンピュータが形成した）“壁”内に移動させ、同壁はカーソルの一方向への移動をブロックする。制御コンピュータ・システムはユーザーがジョイスティックを壁の方向に移動させることを防止すべく受動磁気粒子ブレーキを作動させることにより、ジョイスティックに対して力フィードバックを加える。これにより、壁の表面をシュミレーティングする。センサ２１０をアクチュエータ・シャフト２０４に対して強固に取付けた場合、ユーザーがジョィスティックを壁とは反対の方向に移動させることを所望した際に問題が生じる。ブレーキはジョイスティックを両方向にロックしているため、ユーザーが受動ブレーキに打ち勝たない限りコンピュータはユーザーがジョイスティックの方向を切換えた際に同切換えを検出できない。従って、ユーザーはカーソルが壁に“貼り付いている”ように感じる。
本願出願人がオブジェクト４４及びアクチュエータ２０２の間に形成した（“所望する”）遊びは前記の問題を効果的、かつ安価に解決する。ブレーキを最大の摩擦力でジョイスティックに対して加えた際にも、遊びはジョイスティックまたは他の取付けられたオブジェクトを反対方向に僅かに移動することを可能にする。ジョイスティックに対して強固に取付けられたセンサはアクチュエータによってロックされないうえ、方向の変化を検出する。センサはコンピュータに対して動作を中継する。そして、コンピュータは反対方向へのジョイスティックの自由な移動を可能にすべくブレーキの作動を停止させる。ユーザーがカーソルを壁の中へ移動させる必要が生じた際、ブレーキは同様に作動される。アクチュエータ２０２をバーチャル・リアリティ環境内で制御する方法は図２２に関連して以下に詳述する。
図３〜図８に示す実施の形態において詳述した直流モータまたは他の種類のモータ等の能動アクチュエータをトランスデューサ・システム２００とともに使用できる。しかし、多くの能動アクチュエータは力を１つの自由度内において選択された１つの方向にのみ加え得る。従って、この種のアクチュエータを使用する際、意図的に形成された遊びは必ずしも必要ではない。
別の実施の形態において、回動遊び(Rotary play)に代えて直線遊び(Linear play)を形成し得る。図１２ａ及び図１２ｂに示す好ましい実施の形態（以下に詳述）では、遊びをロータリー・アクチュエータ及びセンサ等の複数の回動部品間に形成している。しかし、コンプライアンスまたはバックラッシュを直線移動する（即ち、移動可能な）複数の部品間に形成し得る。例えば、本発明に基づく遊びを形成すべく小さな空間をインターロックされた移動可能な複数の部品間に形成できる。当業者によく知られている直線移動を変換するためのアクチュエータ及びセンサを前記の実施の形態に使用できる。
遊びの使用の他に、受動アクチュエータがオブジェクトを所定位置に保持している間にオブジェクト４４の移動方向を検出すべく他の装置またはメカニズムを別の実施の形態において使用できる。
例えば、ユーザーが所望の自由度に沿ってオブジェクトに対して加えた力を検出すべく力センサ（Force sensors）をオブジェクトに対して取付け得る。例えば、ユーザーが力を仮想壁に向かう方向または同仮想壁から離間する方向に加えた場合、力センサは検出可能である。そして、コンピュータは同力センサの出力に基づいて受動アクチュエータを作動または作動停止させる。従って、この実施の形態では、オブジェクト及びアクチュエータ間に意図的に形成された遊びは必要とされない。しかし、この種の力センサは高価であって、かつ大きいため、インターフェース・メカニズムのコスト及びサイズを大きくすることがある。
図１２ｂは図１２ａに示すトランスデューサ・システム２００に類似する別のトランスデューサ・システム２００’の概略図である。本実施の形態において、センサ２１０はカップリング２０６及びオブジェクト４４の間においてカップリング・シャフト２０８に取付けられている。シャフト２０８はセンサ２１０を貫通して延びるとともに、同シャフトの端に位置するオブジェクト４４に対して強固に取付けられている。トランスデューサ・システム２００’は図１２ａに示すトランスデューサ・システム２００とほぼ同様に機能する。
図１３は１つの自由度を提供するメカニズムのための好ましい実施の形態に基づくトランスデューサ・システム２００の概略図である。トランスデューサ・システム２００は遊びをアクチュエータ２０２及びカップリング２０６の間に形成すべくロータリー・バックラッシュを使用する。キー付きアクチュエータ・シャフト２１４はアクチュエータ２０２に対して強固に取付けられ、かつキー付きカップリング２１６に対して係合する。キー付きアクチュエータ・シャフト２１４の横断面の直径は図１４ａに基づいて以下に詳述する所望のバックラッシュを形成すべくカップリング２１６のボア２１８の直径より小さいことが好ましい。カップリング・シャフト２０８、センサ２１０及びオブジェクト４４は図１２ａに関連して詳述した部品と実質的に同じである。別の実施の形態では、ギヤまたはプーリー等の異なる部品を使用することにより、バックラッシュをアクチュエータ２０２及びカップリング２０６の間に形成し得る。
図１４ａは図１３の１４ａ−１４ａ線におけるキー付きアクチュエータ・シャフト２１４及びカップリング２１６の横断面図である。キー付きシャフト２１４はカップリング２１６のキー付きボア２１８内に延びている。図１４ａにおいて、間隙２２０はシャフト２１４の周縁全体に沿って形成されている。別の実施の形態において、間隙２２０は図１５に基づいて以下に詳述するようにシャフト２１４のキー付き部分２２２の複数の側部の間にのみ形成されている。
図１４ｂは図１４ａの１４ｂ−１４ｂ線におけるキー付きアクチュエータ・シャフト２１４及びカップリング２１６の部分縦断面図である。キー付きシャフト２１４はカップリング２１６内に部分的に挿入された状態にある。図１４ａに示すように、小さな間隙２２０をカップリング２１６及びシャフト２１４の間に形成することが好ましい。図１５に基づいて以下に詳述するようにシャフト２１４のキー付き部分をボア２１８のキー付き部分に対して係合した後で、シャフト２１４を回動した際、カップリング２１６も回動される。カップリング・シャフト２０８はカップリング２１６に対して強固に取付けられているため、カップリング２１６が回動することにより、カップリング・シャフト２０８が回動する。
図１５は図１４の詳細を示す拡大図であり、シャフトの２１４のキー付き部分及びボア２１８のキー付き部分をそれぞれ示す。シャフト２１８の長く延びるキー付き部分はボア２１８のキー付き部分２２４内に延びている。別の実施の形態では、カップリング２１８の長く延びるキー付き部分をシャフト２１４のキー付き部分内に延ばし得る。間隙２２０は幅ｄを有する。幅ｄはアクチュエータ２０２及びオブジェクト４４の間に形成される所望のバックラッシュ（遊び）の大きさを決定する(シャフトのコンプライアンスに起因して、別の意図しないバックラッシュ、即ち別の固有の遊びがシステムの複数の部品間に存在し得る)。センサが約１／１０度の検出分解能を有する前記の実施の形態において、ｄは約１／１０００インチ（約０．０２５ｍｍ）であることが好ましい。別の実施の形態において、ｄは広範にわたって変化し得る。ユーザーがオブジェクト４４を操作する際にシステム内に存在するバックラッシュを感じることを防止すべく、選択された距離ｄは十分に小さいことが好ましい。その一方で、ユーザーがオブジェクト４４を移動する方向をセンサからコンピュータに対して出力することを可能にすべく、同距離ｄはセンサによる遊びの検出を可能にする十分な大きさ（即ち、センサ２１０の検出分解能より大きい値）を有することが好ましい。従って、距離ｄはセンサ２１０の検出分解能に大きく依存している。例えば、１／１００度の検出分解能を使用できる場合、距離ｄは更に小さくし得る。ユーザーが常には感じるバックラッシュの量はオブジェク４４のサイズ及び形状に依存し得る。しかし、使用可能な大半のオブジェクトに関して、ユーザーは前記のバックラッシュを検出できない。別の実施の形態では、ユーザーがシステム内のバックラッシュまたは他の遊びを感じることを可能にすることが望ましい。これを実現すべく、更に大きな距離ｄを形成し得る。
好ましい実施の形態において、距離ｄは２つの回動方向のうちのいずれか一方の方向へのセンサ２１０の検出分解能に少なくとも等しい量のカップリング２１６の回動を可能にする。この結果、２ｄの距離のトータル・バックラッシュをカップリング２１６の複数の表面２２８，２３２間に形成することが可能である。これに代えて、距離ｄのトータル・バックラッシュを２つの表面２２８，２３２間に形成し得る（図示する距離の半分）。しかし、この実施の形態において、センサ２１０はバックラッシュの一方の限界から他方の限界までの移動を検出し得るのみである。そして、例えば中央位置（図１５に示す位置）からのカップリング２１６の移動は検出されない。
前記の実施の形態では、ディジタル・エンコーダ・センサ２１０を使用する。この場合、当業者によく知られているように、固定センサを通過して回動するホイール上の複数の目盛りを使用することにより回動を検出する。各目盛りは“パルス”を形成し、同パルスは移動の量（大きさ）を決定すべく数えられる。距離ｄはエンコーダの検出分解能以上の大きさを有し得る。この結果、間隙２２０内における移動の大きさ及び方向を検出し得る。これに代えて、センサの分解能は間隙２２０内における移動を検出すべく十分な大きさ（即ち、目盛り間の距離はディジタル・エンコーダ内において十分に小さくする）に形成し得る。例えば、ディジタル・エンコーダ等を使用することによりオブジェクト４４及びカップリング２１６の移動距離を決定すべく、２つ以上のパルスを距離ｄ内において検出可能である。
ユーザーがオブジェクト４４を移動させることにより、カップリング２１６を図１５に示す位置から矢印２２６で示す方向（図１４ａにおける逆時計方向）に最初に回動させた際、同カップリング２１６は自由に回動する。しかし、キー付き部分２２４の内面２２８がキー付き部分２２２の表面２３０に対して当接した際、カップリング２１６を更に回動できない。その後、同一方向に加えられた外部の力（例えば、ユーザーが加える力）はカップリング２１６及びシャフト２１４を一緒に同一方向に回動させ得る。しかし、シャフト２１４の回動を防止すべく高い抵抗力でアクチュエータ２０２がシャフト２１４をロックしている場合、同外部の力は妨げられ、カップリング２１６及びシャフト２１４の回動は阻止される。
表面２２８が表面２３０に対して当接した後で、ユーザーがオブジェクト４４を急激に移動させた場合、カップリング２１６はボア２１８の表面２３２がシャフト２１４の表面２３４に対して当接するまで間隙２２０内で自由に再び回動できる。この時点において、シャフト及びカップリングは一緒に回動される(または、前記のように回動が不可能になる)。センサ２１０はカップリング２１６に対して強固に取付けられているため、同センサ２１０はキー付き部分２２２の表面及びキー付き部分２２４の表面が互いに当接する間における移動の大きさ及び方向を検出し得る。センサ２１０はカップリング２１６(及びオブジェクト４４)が移動する方向を制御コンピュータに対して中継し得る。このため、コンピュータはセンサ２１０からの信号に基づいて能動アクチュエータ２０２を作動または作動停止させ得る。仮想“壁”内に移動した際にオブジェクト４４がアクチュエータ２０２によって所定位置に保持されている場合であっても、ユーザーがオブジェクトの方向を変更した場合、コンピュータはオブジェクト４４のバックラッシュ動作を検出し、かつブレーキを解放できる。コンピュータ１６は表面２３２が表面２３４に対して当接する前に受動アクチュエータの作動を中止（解放）することが好ましい。この結果、ユーザーは反対方向への移動に対する抵抗を感じることがない。
図１６は別の実施の形態に基づくトランスデューサ・システム２００の概略図である。アクチュエータ２０２及びオブジェクト４４の間の所望の遊びは図１３に示すバックラッシュを有するキー付きシャフト・システムに代えて可撓性（即ち、弾性）カップリングを使用して形成される。可撓性カップリングは当業者によく知られているように多数の形態をなし得る。可撓性カップリングは図１３〜図１５に基づいて詳述したようにカップリング・シャフト２０８をアクチュエータ・シャフト２０４から独立して短い距離を回動させ、次いでアクチュエータ・シャフト２０４をカップリング・シャフト２０８と同一の方向に回動させることを可能にする。図１６において、アクチュエータ２０２、カップリング・シャフト２０８、センサ２１０及びオブジェクト４４は図１２ａに基づいて詳述した同等の部品に類似している。可撓性カップリング２３６は２つの端２１９及び長手部分２２１を有する。長手部分２２１は２つの端２１９間に捻り撓みを提供する。従って、可撓性カップリング２３６はカップリング・シャフト２０８及びアクチュエータ・シャフト２１５の間において軸Ｈの周囲に捻り撓み（遊び）の量を可能にする。アクチュエータ・シャフト２１５をアクチュエータ２０２を用いて所定位置にロックした際、カップリング・シャフト２０８が回動され、カップリング２３６は一方向における限界まで撓む。そして、シャフト２０８は同一方向への回動を防止され、ユーザーはオブジェクト４４を前記の方向に更に回動できなくなる。オブジェクト４４及びカップリング・シャフト２０８を反対方向に急激に回動させた際、カップリング２３６は同反対方向に自由に撓む。そして、この移動はセンサ２１０によって検出される。これは、コンピュータがアクチュエータ２０２から加わる抵抗力を変更することを可能にする。カップリング２３６が別の方向に最大限の撓みを形成した際、メカニズムは同様に機能し、ユーザーはアクチュエータ２０２からの力（力が存在する場合）を感じる。コンプライアンス即ち、撓みはバネ等の弾性部材を用いて提供することもできる。
図１３〜図１５に基づいて詳述したバックラッシュ・システム同様に、可撓性カップリング２３６がアクチュエータ２０２及びオブジェクト４４の間に形成する遊びの量はセンサ２１０の検出分解能以上である。一般的な可撓性カップリングは固有の剛性を有する。この結果、力は可撓性カップリングの剛性に打ち勝つべく加える必要がある。可撓性カップリング２３６は低い剛性を有し、さらには受動アクチュエータ２０２による最大抗力出力に対して小さい力で撓むことが好ましい。可撓性カップリング２３６は少ない量の所望の遊びを提供すべく小さい撓み量を有することが好ましい。可撓性カップリング２３６を使用する際、所望の遊びはセンサ２１０が高い信頼性で検出し得る最小限の量の遊びとする必要がある。
図１７は本発明の実施の形態に基づくトランスデューサ・システム２００を使用する機械的装置２４０の概略図である。図２に基づいて詳述した装置２５同様に、装置２００はジンバル・メカニズム３８及び直線軸部材４０を有する。ユーザー・オブジェクト４４は直線軸部材４０に対して取付けることが好ましい。シンバル・メカニズム３８は２つの矢印２４２，２４４でそれぞれ示す２つの回動自由度を提供する。直線軸部材４０は矢印２４６で示す第３の直線自由度を提供する。これらの部品は図２に基づいて詳述したように機能する。トランスデューサ・システム２３８(トランスデューサ・システム２００に等しい)，２３９（トランスデューサ・システム２００’に等しい）は各延長部材４８ａ，４８ｂに対して取付けられている。例示を目的として２つの異なる実施の形態に基づくトランスデューサ・システム２００，２００’を１つの機械的装置２４０上に示す。１つの実施の形態に基づくシステム２００または２００’が両方の接地部材４８ａ，４８ｂに対して常にはそれぞれ使用される。
トランスデューサ・システム２３８はオブジェクト４４をカップリング２０６及びセンサ２１０の間に配置した図１２ａに示すシステムに類似している。トランスデューサ・システム２３８はアクチュエータ２０２ａを含む。アクチュエータ２０２ａは接地しており、さらにはカップリング２０６ａに対して取付けられている(図２同様に、接地面５６は接地部材４６に対して取付けられている)。カップリンク２０６ａは延長部材４８ａに対して取付けられている。延長部材４８ａは最終的にはオブジェクト４４に対して取付けられ、かつ軸Ａの周囲における１つの回動自由度を提供する。センサ２１０ａは延長部材４８ａ内の第１の曲部２３７において同延長部材４８ａに対して強固に取付けられている。センサ２１０ａを接地部材４６に対して取付けるか、または別に接地面５６に対して取付けることにより、センサ２１０ａは接地されている。従って、センサ２１０ａは軸Ａの周囲における延長部材４８ａ及びオブジェクト４４の全ての回動を検出する。しかし、カップリング２０６ａは前記のようにアクチュエータ２０２ａ及び延長部材４８ａの間に所望の量の遊びを提供する。これに代えて、センサ２１０ａは延長部材４８ａ内の別の位置または曲部において同延長部材４８ａに対して強固に取付け得る。また、センサ２１０ａは軸Ａの周囲におけるオブジェクト４４の回動を検出し得る限り中心部材５０ｂ上に強固に取付けてもよい。
トランスデューサ・システム２３９はセンサ２１０をカップリング２０６及びオブジェクト４の間に配置した図１２ｂに示すトランスデューサ・システムに類似している。アクチュエータ２０２ｂは接地されており、さらにはカップリング２０６ｂに対して緩く取付けられている(即ち、前記のように所望の遊びをともなって取付けられている)。そして、カップリング２０６ｂはセンサ２１０ｂに対して強固に取付けられている。センサ２１０ｂは独立して接地されるとともに、接地部材４６に対して強固に取付けられている(これにより、カップリング２０６ｂは接地しない状態に残される)。延長部材４８ｂはセンサ２１０ｂを貫通して延びるシャフト（図示略）によってカップリング２０６ｂに対して強固に取付けられている。従って、センサ２１０ｂは軸Ｂの周囲における延長部材４８ｂ及びオブジェクト４４の全ての回動を検出する。カップリング２０６ｂは前記の目的のために所望の量の遊びをアクチュエータ２０２ｂ及び延長部材４８ｂの間に提供する。
回動に対する抵抗、即ちインピーダンスはアクチュエータ２０２ａ，２０２ｂを使用することにより、延長部材４８ａ，４８ｂ及びオブジェクト４４の少なくとも一方に対して加え得る。アクチュエータがオブジェクト４４の移動をロックした際、カップリング２０６ａ，２０６ｂは軸Ａまたは軸Ｂの周囲におけるオブジェクト４４の移動をコンピュータ１６が検出することを可能にする。軸Ｃに沿った第３の自由度内における移動を検出し、さらには同第３の自由度に対して力フィードバックを提供すべく、システム２３８または２３９に類似するトランスデューサ・システムを直線軸部材４０に対して提供し得る。この種のシステムは図６に示し、かつ以下に詳述するトランスデューサと同様に形成可能である。
図１８は好ましい実施の形態に基づく図１７に示す機械的装置２４０の斜視図である。装置２４０は図８に示す実施の形態の装置２５'''に類似しており、オブジェクト４４はジョイスティック１１２として形成され、かつ２つの軸Ａ，Ｂの周囲において２つの自由度内で移動し得る。例示を目的として、装置２４０は２つの実施の形態に基づく装置２００，２００’とともに示されている。システム２３９は図１７に示すシステム２３９と同様であり、かつアクチュエータ２０２ｂ、カップリング２０６ｂ及びセンサ２１０ｂを有する。そして、適切なシャフト（図示略）はこれらの部品を連結している。例えば、アクチュエータ２０２ｂは支持部材２４１を介して接地されている。センサ２１０ｂから延びるカップリング・シャフト２０８はキャプスタン駆動メカニズム５８のキャプスタン・プーリー７６に対して取付けることが好ましい。オブジェクト４４を軸Ａの周囲で回動した際、延長部材４８ｂも回動する。これはキャプスタン部材５９（部材４８ｂに対して強固に取付けられている）の回動を招来する。この回動はプーリー７６の回動を招来し、さらには動作をトランスデューサ・システム２３９に対して伝達する。図５に基づいて詳述したように、キャプスタン・メカニズムは実質的なバックラッシュを形成することなくオブジェクト４４の移動を可能にする。これはカップリング２０６の制御されたバックラッシュをシステム内における唯一のバックラッシュとすることを可能にする。更に、前記のようにキャプスタン駆動メカニズムはオブジェクト４４の移動に対して機械的効果を提供する。センサ２１０ｂは更に高い分解能で回動を検出し得る。更に、アクチュエータ２０２ｂは更に大きな力をオブジェクト４４に対して提供し得る。例えば、これはユーザーがアクチュエータ２０２ｂから出力された抵抗力に打ち勝ち得る際に効果的である。キャプスタン・メカニズム５８はユーザーが打ち勝つことを更に困難にする更に大きな力をアクチュエータから出力することを可能にする。プーリー・システム等の異なる種類のギヤ・システムを前記の機械的効果の提供に使用できる。図１７に示すように、トランスデューサ・システム２３９，２３８を接地部材４６及び延長部材４８ａまたは４８ｂに対して直接取付け得る。例えば、トランスデューサ・システム２３９は軸Ａ上において垂直支持部材６２及びキャプスタン部材５９に対して直接取付け得る。しかし、この構成では、キャプスタン駆動メカニズムの前記の効果を得ることはできない。
トランスデューサ・システム２３８は図１７に示すトランスデューサ・システム２３８同様に別の延長部材４８ａに対して取付けられている。この構成において、アクチュエータ２０２ａ及びカップリング２０６ａは垂直支持部材６２の片側に配置されている。カップリング・シャフト２０８は垂直支持部材６２及びプーリー７６を貫通して延びることが好ましい。更に、カップリング・シャフト２０８は接地されたセンサ２１０ａに対して取付けられている。前記のように、トランスデューサ・システム２３８はキャプスタン駆動メカニズムの効果を得られる。これに代えて、センサ２１０ｂは軸Ｂにおいてキャプスタン部材及び垂直支持部材６２に対して取付け可能である。しかし、この位置において、センサはキャプスタン駆動メカニズム５８から機械的効果を全く得られない。例えば、アクチュエータ２０２ａ及びセンサ２１０ｂは支持部材２４３によって接地させることが好ましい。
トランスデューサ・システム２３８，２３９は図３及び図７に示す実施の形態の別の装置とともに使用できる。例えば、第３の直線自由度及び第４の回動自由度を図３に示すように加え得る。トランスデューサ・システム２３８または２３９は第３の自由度及び第４の自由度内における移動をそれぞれ検出し、さらには力フィードバックを第３の自由度及び第４の自由度に対してそれぞれ提供すべく使用できる。同様に、トランスデューサ・システム２３８または２３９を図７に基づいて詳述したように第５の自由度及び第６の自由度に対して加え得る。
図１９はトランスデューサ・システム２００とともに使用するのに適した別のインターフェース装置２５０の斜視図である。メカニズム２５０は当業者によく知られているジョイスティック・コントローラとともに使用するための溝付きヨークを含む。装置２５０は溝付きヨーク２５２ａ，２５２ｂ、センサ２５４ａ，２５４ｂ、ベアリング２５５ａ，２５５ｂ、アクチュエータ２５６ａ，２５６ｂ、カップリング２５８ａ，２５８ｂ及びジョイスティック４４を含む。溝付きヨーク２５２ａの一端はシャフト２５９ａに対して強固に取付けられている。シャフト２５９ａはセンサ２５４ａを貫通して延びるとともに、同センサ２５４ａに対して強固に取付けられている。溝付きヨーク２５２ａの他端は同様にシャフト２５９ｃ及びベアリング２５５ａに対して取付けられている。溝付きヨーク２５２ａは軸Ｌの周囲において回動可能であり、同回動はセンサ２５４ａを用いて検出される。所望の量の遊びをアクチュエータ２６５及びシャフト２５９ａの間に許容すべく、カップリング２５８ａはシャフト２５９ａに対して強固に取付けられ、かつアクチュエータ２５６に対して取付けられている。この構成は前記の実施の形態において詳述したオブジェクト４４及びアクチュエータ間の遊びを許容する。アクチュエータ２５６ａは磁気粒子ブレーキ等の受動アクチュエータが好ましい。別の実施の形態において、アクチュエータ２５６ａ及びカップリング２５８ａをベアリング２５５ａに代えてシャフト２５９ｃに対して取付け得る。更に、別の実施の形態において、ベアリング２５５ａをセンサ２５４ａ等の別のセンサとして形成し得る。
同様に、溝付きヨーク２５２ｂの一端はシャフト２５９ｂ及びセンサ２５４ｂに対して強固に取り付けられ、他端はシャフト２５９ｄ及びベアリング２５５ｂに対して強固に取付け得る。ヨーク２５２ｂは軸Ｍの周囲で回動可能であり、同回動はセンサ２５４ｂを用いて検出できる。カップリング２５８ｂはシャフト２５９ｂに対して強固に取付けられている。そして、アクチュエータ２５６ｂはカップリング２５８ｂに対して取付けられている。この結果、前記のアクチュエータ２５６ａ同様に、所望の量の遊びがシャフト２５９ｂ及びアクチュエータ２５６ｂの間に許容される。
オブジェクト４４はジョイスティック１１２であり、同ジョイスティック１１２の一端２６２は接地面２６０に対して回動可能に取付けられている。この結果、ジョイスティック１１２の他端２６４は表面２６０の上方において互いに９０度で交差する４つの方向に移動可能である(別の実施の形態では更に別の方向にも移動可能)。ジョイスティック１１２は２つのヨーク２５２ａ，２５２ｂ内にそれぞれ形成された２つの溝２６６，２６８を貫通して延びている。従って、ジョイスティックが任意の方向に移動した際、２つのヨーク２５２ａ，２５２ｂはジョイスティックに追従し、かつ２つの軸Ｌ，Ｍの周囲でそれぞれ回動する。センサ２５４ａ〜２５４ｄは前記の回動を検出することにより、ジョイスティック１１２の動作を追跡し得る。アクチュエータ２５６ａ，２５６ｂの追加はユーザーがジョイスティック４４を操作する際に力フィードバックを経験することを可能にする。ジョイスティック１１２がアクチュエータ２５６ａ，２５６ｂによって所定位置に保持されている場合にも、制御システムがジョイスティック１１２の方向の変化を検出することを可能にすべく、カップリング２５８ａ，２５８ｂは前記のように遊びの量を提供する。溝付きヨークはある程度の固有の遊び（コンプライアンスまたはバックラッシュ）を機械的装置内に常には形成する。カップリング２５９ａ，２５９ｂは必要に応じて更に別の量の遊びを提供すべく加え得る。同様に、固有の遊びの量を常には提供する他のインターフェース装置を使用可能である。この結果、固有の遊びはセンサ２１０によって検出され、カップリング２０６は必要なくなる。更に、別の種類のオブジェクト４４をジョイスティック１１２に代えて使用するか、別のオブジェクトをジョイスティック１１２に対して取付け得る。
別の実施の形態において、別の力をジョイスティック１１２に対して提供すべくアクチュエータ及びカップリングをシャフト２５９ｃ，２５９ｄに対して取付け得る。ベール（Bail）２５２ａに対して力を加えるか、または同ベール２５２ａから力を解放すべく、アクチュエータ２５６ａと、シャフト２５９ｃに取付けられたアクチュエータとをコンピュータまたは他の電気システムを用いて同時に制御し得る。同様に、アクチュエータ２５６ｂと、シャフト２５９ｄに取付けられたアクチュエータとを同時に制御し得る。
図２０はトランスデューサ・システム２００とともに使用することに適した電子インターフェースのブロック図２７０である。ブロック図２７０に示す複数の電子部品は受動アクチュエータ及び光学エンコーダ・センサとともに使用することが好ましい。しかし、ブロック図２７０のインターフェースは前記の別の実施の形態に基づくインターフェース装置２５とともに使用できる。
ホスト・コンピュータ１６は図１及び図９に基づいて詳述したコンピュータ・システム１６であり得る。更に、当業者によく知られているようにホスト・コンピュータ１６はユーザーが体験し、かつオブジェクト４４を移動させるシュミレーションまたは類似する仮想環境を形成することが好ましい。前記の実施の形態において、インターフェース電子装置は市販されている殆どのコンピュータに含まれる標準インターフェースであるＲＳ−２３２インターフェース等のシリアル・ポートを含む。このインターフェースは制御信号の高速通信を可能にする図９に関連して詳述したインターフェース・カード及び電子装置とは異なる。図９に関連して詳述したインターフェース・カード及び電子装置は制御信号の高速通信を可能にするため、インターフェース電子装置と比べて能動アクチュエータの制御に更に適する。
マイクロプロセッサ２７４はインターフェース２７２に対して入力される入力信号及び同インターフェース２７２から出力される出力信号を制御するために使用できる。例えば、マイクロプロセッサはホスト・コンピュータ１６からのコマンドまたはリクエストを待つ命令と、コマンドまたはリクエストをデコーディングする命令と、コマンドまたはリクエストに基づいて入出力信号を処理する命令とともに提供し得る。コンピュータ１６がアクチュエータを制御すべくコマンドを送信した場合、マイクロプロセッサ２７４は加える力を示す信号をアクチュエータに対して出力し、さらには同出力が送信されたことを示す確認信号をコンピュータ１６に対して送信し得る。コンピュータ１６がセンサからの入力（sensory input）のリクエストを送信した場合、マイクロプロセッサ２７４は位置データをセンサから読出し、かつ同データをコンピュータ１６に対して送信する。マイクロプロセッサ２７４として使用することに適したマイクロプロセッサはモトローラから販売されているＭＣ６８ＨＣ７１１Ｅ９及びマイクロチップ（Microchip）から販売されているＰＩＣ１６Ｃ７４を含む。
ディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）２７６はマイクロプロセッサ２７４に対して電気的に接続され、さらには力の値を示すディジタル信号をマイクロプロセッサから受信する。当業者によく知られているように、ＤＡＣ２７６はディジタル信号をアナログ信号に変換する。適切なＤＡＣはマキシム（Maxim）が製造するＭＡＸ５３０ＡＣＮＧである。パワー・アンプ２７８はアナログ信号をＤＡＣ２７６から受信し、さらには同アナログ信号をアクチュエータ２０２に対する適切なブレーキ制御信号に変換する。例えば、ＬＭ３２４及びＴＩＰ３１をパワー・アンプとして使用できる。フォース・リミテッド，インコーポレーテッドから販売されている磁気粒子ブレーキであることが好ましいアクチュエータ２０２はブレーキ信号を受信し、さらにはユーザーが引き起こしたオブジェクト４４の移動を妨げるべく適切な抵抗力を提供する。独立したＤＡＣ及びパワー・アンプをインターフェース装置内に形成された各アクチュエータ２０２に対して使用することが好ましい。これにより、コンピュータ１６は提供された各動作自由度に対してアクチュエータを独立して制御し得る。
センサ２１０は前記の要領で動作するディジタル光学エンコーダが好ましい。例えば、適切なエンコーダはワシントン州バンクーバーに所在するユー．エス．ディジタルから販売されている“ソフトポット”である。センサはオブジェクト４４の位置を検出し、さらにはディジタル位置信号をデコーディング電子装置２８０に対して出力する。デコーディング電子装置２８０はセンサ信号をコンピュータ１６が解釈するのに適した入力信号に変換する。例えば、直角位相デコーダＬＳ７１６６（Quadrature decoder LS7166）はセンサ２１０から出力された直角位相信号のデコーディングに適する。位置の値を示す信号はコンピュータ１６によって解釈される。そして、コンピュータ１６はバーチャル・リアリティ環境を更新し、かつアクチュエータ２０２を適切に制御する。適切な信号をマイクロプロセッサ２７４に対して提供すべく、デコーディング・エンコーダ２８０以外のインターフェース・メカニズムを使用し得る。別の実施の形態において、アナログ・センサ２１０はアナログ信号をアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）に対して提供すべく使用できる。アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）はディジタル位置信号をコンピュータ１６に対して出力し得る。オブジェクト４４の検出された移動の分解能はＡＤＣの分解能によって制限される。しかし、ノイズはアナログ・センサ２１０からオブジェクト４４の小さな移動をマスクすることがある。これは本実施の形態において重要な遊びを潜在的にマスクし得る。
図２１は流体または類似する材料中における１つの自由度に沿ったオブジェクト４４のシュミレーションされた移動中におけるアクチュエータ２０２の制御プロセス３００を示す流れ図である。プロセス３００はコンピュータ１６と、同コンピュータ１６に接続されたマイクロプロセッサ２７４とのいずれか一方により実現可能である。プロセスはステップ３１０において開始される。ステップ３１２において、減衰定数が初期化される。減衰定数はオブジェクト４４がシュミレーションされた材料内を移動する際に同オブジェクト４４に加わる抵抗の度合いを示す。大きい数字は大きい抵抗を意味する。例えば、水は油またはシロップよりも低い減衰定数を有する。
ステップ３１４において、調査する自由度に沿ったオブジェクト４４の現在の位置は変数Ｘ０内に格納される。ステップ３１６において、調査する自由度に沿ったオブジェクト４４の現在の位置は変数Ｘ１に格納される。プロセス３００を初めて実行した際、Ｘ０及びＸ１は同一の値にセットされる。ステップ３１８において、変数ΔＸはＸ１及びＸ０の間の差にセットされる(プロセスを初めて実行した際、ΔＸはゼロである)。ΔＸの符号（負または正）から、オブジェクト４４の移動方向を決定できる。次のステップ３２０において、変数FORCEは減衰定数にΔＸを乗じた値にセットされる。次いで、ブレーキ・インピーダンスを所望のレベルにセットすべくFORCEの値を示す信号はステップ３２２においてブレーキ（または他の受動アクチュエータ）に送信される。ステップ３２４において、変数Ｘ０はＸ１に等しい値にセットされる。次いで、プロセスはオブジェクト４４の別の位置を読出し、かつＸ１に格納すべくステップ３１６に戻る。従って、プロセス３００はユーザーが制御するオブジェクト４４の手動速度を検出する。更に、プロセス３００は流体中における移動をシュミレーションすべくユーザーの移動に比例したブレーキ・インピーダンス（FORCE）を形成する。凹凸のある表面または傾斜面等の別の媒体中における移動はFORCEを算出する別の方法を使用することにより同様にシュミレーションできる。
図２２はインターフェース２４０またはインターフェース２５０等の機械的インターフェースをトランスデューサ・システム２００とともに使用した際に、“壁”または他の硬質面、即ち障害物を仮想環境内においてモデリングする好ましい方法を示す。この方法において、オブジェクト４４はユーザーが仮想環境内において把持し、かつ移動させると仮定する。コンピュータ・システム１６はオブジェクトの位置を検出し、かつオブジェクトに対して力フィードバックを適時に加える。
方法はステップ３３０において開始される。オブジェクトの位置はコンピュータ１６及び／またはマイクロプロセッサ２７４によって検出される。センサ２１０は検出された複数の自由度内におけるオブジェクト４４の回動位置及び／または直線位置を提供する。コンピュータ１６はユーザーが形成するオブジェクト４４の移動に基づいてバーチャル・リアリティ環境を更新する。例えば、ユーザーがステアリング・ホイール・オブジェクト４４を移動させる場合、コンピュータ１６はユーザーが車両の外から同車両を視認し、かつ回動させているように見せるべくユーザーの視点を変更できる。このステップにおいて、コンピュータ１６／マイクロプロセッサ２７４は仮想壁に関連しない力フィードバックをユーザーに対して提供し得る。例えば、コンピュータは図２１に基づいて詳述したように泥の中または凹凸面等を走行する車両をシュミレーティングする際、ジョイスティックを移動させるために更に大きな力を同ジョイステックが必要とするよう設定できる。
ステップ３３４において、オブジェクト４４（または、オブジェクト４４によって制御され、かつコンピュータが形成する仮想オブジェクト）を同オブジェクト４４の１つまたは複数の方向への移動を防止し得る仮想壁または類似する障害物内に移動させたか否かを決定する。オブジェクトが障害物内に移動していない場合、ステップ２７２を繰り返すとともに、オブジェクトの移動に基づく他の任意の力フィードバックを加え得る。オブジェクトが障害物内に移動している場合、ステップ３３６が実行される。ステップ３３６において、ブレーキ等の受動アクチュエータは移動が妨げられた自由度に沿ったオブジェクトの移動に対して最大限のインピーダンスを提供する。この結果、ユーザーはオブジェクト４４が障害物に当接し、かつ同オブジェクト４４を“壁”即ち障害物の方向に更に移動できないように感じる。
次のステップ３３８では、コンピュータ１６は壁から離間する方向への移動をチェックする。壁から離間する方向への移動が存在しない場合、最大限の抵抗力をオブジェクト４４に対してステップ３３６で継続的に加える。従って、ユーザーは依然としてオブジェクト４４を壁に向けて押圧していることになる。コンピュータ／マイクロプロセッサがカップリング２０６によって形成された遊びを介することにより、壁から離間する方向への移動をステップ３３８で検出した場合、ステップ３４０が実行される。ステップ３４０において、コンピュータ／マイクロプロセッサは新たな方向における遊びの限界に到達する前（即ち、許容されたコンプライアンスまたはバックラッシュ内において）にブレーキを解放する。ユーザーはオブジェクト４４が壁に貼り付いたような感覚を受けることなく同オブジェクト４４を壁から離間する方向に自由に移動させ得る。次いで、プロセスはステップ３３２に戻る。ステップ３３２において、コンピュータ／マイクロプロセッサはオブジェクト４４の位置を検出する。
以上、本発明を幾つかの好ましい実施の形態に基づいて詳述した。しかし、当業者は明細書及び図面から同実施の形態の別例、変更例及び組替えが可能なことを認識し得る。例えば、装置２５の複数の結合された部材は前記の結合構造を維持するとともに、複数の物理的サイズ及び形状を有し得る。更に、３つの自由度を提供すべく他のジンバル・メカニズムを直線軸部材４０とともに提供し得る。同様に、システム内における慣性、摩擦及びバックラッシュを低減すべく複数の自由度を提供する別の種類のジンバル・メカニズムまた他のメカニズムを前記のキャプスタン駆動メカニズムとともに使用し得る。所定の自由度内におけるオブジェクトの位置を検出し、さらにはオブジェクトを所定の自由度内で移動させるべく各種の装置を使用できる。更に、前記の遊びを有するトランスデューサ・システム内に使用するセンサ及びアクチュエータは各種の形態をなし得る。同様に、オブジェクト及びアクチュエータの間に所望の遊びを形成すべく他の種類のカップリングを使用できる。更に、特定の用語は説明を明確にする目的で使用した。しかし、同用語は本発明を制限するためのものではない。従って、請求の範囲は本発明の精神及び範囲に属する全ての別例、変更例及び組替えを含む。
図１は腹腔鏡手術ツールのハンドルに対してインターフェースする本発明の装置を用いたバーチャル・リアリティ・システムの斜視図である。 図２はコンピュータ・システムに対して機械的入出力を提供する本発明の機械的装置の概略図である。 図３は本発明の好ましい実施の形態に基づく図２の機械的装置の前部を示す斜視図である。 図４は図３の機械的装置の後部を示す斜視図である。 図５は本発明において２つの動作自由度を実現すべく使用するキャプスタン駆動メカニズムの詳細を示す斜視図である。 図５ａは図５のキャプスタン駆動メカニズムの側面図である。 図５ｂは図５のキャプスタン駆動メカニズムのプーリー及びケーブルの詳細を示す拡大側面図である。 図６は図３の機械的装置の直線軸部材に対する中心キャプスタン駆動メカニズムの斜視図である。 図６ａは図６のキャプスタン駆動メカニズムに使用するプーリー及び直線軸部材を示す平断面図である。 図６ｂは図６に示す直線軸部材及びトランスデューサの縦断面図である。 図７はユーザーのためのスタイラス・オブジェクトを備えた図２の装置の斜視図である。 図８はユーザーのためのジョイスティック・オブジェクトを備えた図２の装置の斜視図である。 図９はコンピュータと、コンピュータ及び図２の機械的装置の間のインターフェースとを示すブロック図。 図１０は図９のインターフェースのディジタル−アナログ・コントローラのための適切な回路の概略図である。 図１１は図９に示す本発明のアクチュエータに対して電力を供給する適切なパワー・アンプ回路の概略図である。 図１２ａは本発明のトランスデューサ・システムの概略を示す斜視図である。 図１２ｂは図１２ａのトランスデューサ・システムの別例を示す斜視図である。 図１３はバックラッシュをアクチュエータ及びオブジェクトの間に提供する図１２ａのトランスデューサ・システムの斜視図である。 図１４ａは図１３のアクチュエータ・シャフトと、トランスデューサ・システムのカップリングとを示す横断面図である。 図１４ｂは図１４ａのアクチュエータ・シャフト及びカップリングの部分縦断面図である。 図１５は図１４ａのアクチュエータ・シャフト及びカップリングの各キー付き部分の詳細を示す拡大部分横断面図である。 図１６は撓み継手を有する図１２ａのトランスデューサ・システムの概略を示す斜視図である。 図１７は図２の機械的装置に対して接続された図１２ａ及び図１２ｂのトランスデューサ・システムの概略を示す斜視図である。 図１８は図８の機械的装置に対して接続された図１２ａ及び図１２ｂのトランスデューサ・システムの斜視図である。 図１９は図１２ａのトランスデューサ・システムに使用する溝付きヨーク機械的装置（Slotted yoke mechanical apparatus）の斜視図である。 図２０は図１２ａのトランスデューサ・システムを備えた機械的装置のためのインターフェースを示すブロック図である。 図２１は図１２ａのトランスデューサ・システムのアクチュエータを流体環境のシュミレーションにおいて制御する方法を示す流れ図である。 図２２は仮想環境内において障害物に遭遇した際に図１２ａのトランスデューサ・システムのアクチュエータを制御する方法を示す流れ図である。
符号の説明
１０ バーチャル・リアリティ・システム
１２ ヒューマン／コンピュータ・インターフェース装置
１４ 電子インターフェース
１６ コンピュータ
１８ 腹腔手術ツール
２０ スクリーン
２２ バリヤ
２４ トロカール
２５ ジンバル装置（機械的入出力をインターフェースする装置）
２６ ハンドル
２８ シャフト（部分）
３０ ケーブル
３２ ケーブル

Claims (39)

  1. ユーザーの操作を監視するためで且つ前記ユーザーの操作に対応する触感のシミレーションを可能にするための、入出力デバイスであって、ホストコンピュータと共に使用される入出力デバイスにおいて、
    前記触感が、前記ホストコンピュータにおいて作動するソフトウェアに従がい生成されており、
    前記入出力デバイスは、
    一方の端部において、ユーザーにより物理的に接触されていて且つ他方の端部において、接地面に回転可能に取り付けられる、ユーザーによる操作が可能な対象物であって、前記ユーザーによる操作が可能な対象物が前記ユーザーによって前記接地面に対して少なくとも２つの自由度で可動であることを前記回転が可能にする、対象物と、
    前記接地面に対して少なくとも２つの自由度において、前記ユーザーによる操作が可能な対象物に伝達される、力を出力することにより触感を生成するために、前記接地面に接続された第１と第２のアクチュエータと、
    前記第１と第２のアクチュエータから前記ユーザーによる操作が可能な対象物へ力を伝達するための第１のヨーク部材と第２のヨーク部材であって、前記第１のヨーク部材と前記第２のヨーク部材にはそれぞれ第１穴と第２穴が開けられており、前記ユーザーによる操作が可能な対象物が、前記第１のヨーク部材に具備される第１の穴を介して且つ前記第２のヨーク部材に具備される第２の穴を介して通過する、第１と第２のヨーク部材と、
    前記ホストコンピュータから前記入出力デバイスに送られた命令に対応して、ソフトウェアプロセスを実行するための前記ホストコンピュータから分離した局部的プロセッサであって、前記ソフトウェアプロセスは、前記アクチュエータにより前記ユーザーによる操作が可能な対象物に作用するべき抵抗の程度を表す、減衰定数を設定して、前記ソフトウェアプロセスは、前記アクチュエータに作用させられて前記力の前記出力を生じるべき力の値を推論しており、そこでは前記推論は、前記減衰定数及び前記ユーザーによる操作が可能な対象物の速度に少なくとも部分的に基く、局部的プロセッサと、
    前記接地面に対する前記ユーザーによる操作が可能な対象物の動きを検出するための少なくとも１つのセンサであって、前記少なくとも１つのセンサは、前記センサの信号の表現を前記局部的プロセッサに報告する、少なくとも１つのセンサと、
    を具備することを特徴とする入出力デバイス。
  2. 穴が開けられた各前記第１と第２のヨーク部材は、前記アクチュエータと前記ユーザーによる操作が可能な対象物との間の継手部に、遊びを導入することを特徴とする請求項１に記載の入出力デバイス。
  3. 前記遊びは、前記少なくとも１つのセンサの分解能の範囲内で検知可能であることを特徴とする請求項２に記載の入出力デバイス。
  4. 前記局部的プロセッサは、前記力の値の前記推論において前記遊びの前記検知を使用することを特徴とする請求項３に記載の入出力デバイス。
  5. 前記局部的プロセッサは、前記遊びを検知することにより、前記ユーザーによる操作が可能な対象物の移動方向を決定することを特徴とする請求項３に記載の入出力デバイス。
  6. 前記局部的プロセッサは、前記出力の力を使用する壁の触感を生成するプロセスにおいて、前記遊びの前記検知を使用することを特徴とする請求項３に記載の入出力デバイス。
  7. 前記センサにより検知された前記ユーザーによる操作が可能な対象物の現在位置と、前記センサにより検知された前記ユーザーによる操作が可能な対象物の前の位置との間の相違は、前記局部的プロセッサにより決定されることを特徴とする請求項１に記載の入出力デバイス。
  8. 前記局部的プロセッサは、前記ホストコンピュータからの命令を受信し、前記命令を復号し、前記命令に従ってアクチュエータに信号を出力して前記アクチュエータを制御し、更に前記センサ信号の表現を前記ホストコンピュータに送信することを特徴とする請求項１に記載の入出力デバイス。
  9. ホストコンピュータシステムにユーザーの運動を通信連絡するための装置は、
    前記ユーザーにより物理的に接触される、ユーザーによる操作が可能な対象物と、
    前記ユーザーによる操作が可能な対象物と接地面との間において接続するジンバル機構であって、前記ジンバル機構は、複数の部材の連結機構を具備することにより、第１の固定回転軸と第２の固定回転軸との周りで、前記ユーザーによる操作が可能な対象物に対して２つの回転自由度を形成しており、前記ユーザーによる操作が可能な対象物は、前記２つの固定回転軸の概略交点において前記ジンバル機構に接続しており、
    前記２つの固定回転軸は、前記接地面に対して固定されており、
    前記連結機構は、
    a)前記接地面に接地される接地部材と、
    b)第１と第２の延長部材であって、各延長部材がそれぞれ、第１と第２の延長継手部により前記接地面に回転可能に接続し、前記延長部材は、前記２つの固定回転軸の周りで回転可能である、第１と第２の延長部材と、
    c)第１と第２の中心部材であって、前記第１の中心部材は、第１の中心継手部により前記第１の延長部材に回転可能に接続し、第１の対象物継手部により前記ユーザーによる操作が可能な対象物に回転可能に接続しており、前記第２の中心部材は、第２の中心継手部により前記第２の延長部材に回転可能に接続し、第２の対象物継手部により前記ユーザーによる操作が可能な対象物又は前記第１の中心部材に回転可能に接続しており、前記中心部材は、第１と第２の浮動軸の周りで回転可能であり、前記ユーザーによる操作が可能な対象物が第１の位置にある時に、前記第１の延長継手部及び前記第２の中心継手部は、前記第１の固定回転軸と交差し、前記第２の延長継手部及び前記第１の中心継手部は、前記第２の固定回転軸と交差しており、前記浮動軸は、前記接地面に対して可動であり、前記浮動軸は、前記ユーザーによる操作が可能な対象物が中立位置に配置される時に、前記固定回転軸に一致する、第１と第２の中心部材と、
    前記２つの固定回転軸の周りで前記ユーザーによる操作が可能な対象物の動きを検知する、第１と第２の自由度センサと、
    を具備することを特徴とする装置。
  10. 前記連結機構は正確には５つの部材を具備することを特徴とする請求項９に記載の装置。
  11. 前記第１の延長部材と前記第１の中心部材と前記第２の中心部材は、前記第１の固定回転軸の周りで回転可能であり、前記第２の延長部材と前記第２の中心部材と前記第１の中心部材は、前記第２の固定回転軸の周りで回転可能であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
  12. 前記コンピュータシステムにより生成された信号に対応して、前記第１の自由度に沿って力を作用させるためのアクチュエータを更に具備することを特徴とする請求項９に記載の装置。
  13. 前記センサは、前記２つの回転自由度における前記ユーザーによる操作が可能な対象物の位置に対応する電気信号を生成する、回転式エンコーダを具備することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
  14. 第２の自由度のアクチュエータを更に具備しており、前記第１の自由度アクチュエータ及び前記第２の自由度アクチュエータは各々、前記接地部材に接続することを特徴とする請求項９に記載の装置。
  15. 各前記アクチュエータを前記ジンバル機構に接続するキャプスタン駆動機構を更に具備することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
  16. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物に接続する直線軸部材であって、前記直線軸部材及び前記ユーザーによる操作が可能な対象物は、前記ジンバル機構に対して第３の軸に沿って移動可能である、直線軸部材と、
    前記接地部材と前記ジンバル機構の延長部材との間において接続される第２の自由度アクチュエータと、
    前記直線軸部材と前記ジンバル機構との間において接続される第３の自由度アクチュエータと、
    を更に具備することを特徴とする請求項９に記載の装置。
  17. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物は、前記第３の軸の周りで回転可能であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
  18. 各前記アクチュエータを前記ジンバル機構に接続する、キャプスタン駆動機構を更に具備することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
  19. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物は、前記第１の浮動軸と前記第２の浮動軸との概略前記交点を介して伸張する、第３の軸の周りで回転可能であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
  20. 前記第３の軸が前記２つの固定回転軸により形成される前記平面に垂直に配置される場合に、前記２つの固定回転軸により形成される単一平面において、前記第１の延長部材は、前記第２の中心部材に整列し、前記第２の延長部材は、前記第１の中心部材に整列する、ことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
  21. 第１と第２の延長部材及び第１と第２の中心部材は、前記ユーザーによる操作が可能な対象物が、前記浮動軸が前記固定回転軸に一致する、前記第１の位置に配置される場合に、前記２つの固定回転軸により形成される、単一平面に概略配置されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
  22. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物が、前記第１の浮動軸と前記第２の浮動軸との概略交点を介して伸張する、回転のための第３の軸の周りで回転しても良く、更に前記第３の軸は、前記第１と第２の浮動軸により形成される、平面に実質的に垂直であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
  23. ホストコンピュータシステムにユーザーを通信連絡させるためのインターフェース装置は、
    前記ユーザーにより物理的に接触されていて且つ前記ユーザーにより２つの回転自由度において可動である、ユーザーによる操作が可能な対象物と、
    前記ユーザーによる操作が可能な対象物に接続し且つ物理的な接地面に接続するジンバル機構であって、前記ジンバル機構は、第１の固定回転軸及び第２の固定回転軸の周りで、前記２つの回転自由度を前記ユーザーによる操作が可能な対象物に提供しており、前記２つの固定回転軸は前記接地面に対して固定されており、前記ジンバル機構は、直列にリンクされたチェーンの部材を具備しており、前記チェーンの部材は前記チェーンの部材の両端において前記物理的接地面に接続し、前記チェーンの部材は、共に直列に回転可能に接続する、第１の部材と第２の部材と第３の部材と第４の部材とを具備しており、前記ユーザーによる操作が可能な対象物が第１の位置にある場合に、前記第１の部材と前記接地面との間の第１の継手部及び前記第３の部材と前記第４の部材との間の第３の継手部は、前記固定回転軸の１つに整列し、前記第１の部材と前記第２の部材との間の第２の継手部及び前記第４の部材と前記接地との間の第４の継手部は、前記固定回転軸の異なる１つに整列しており、前記第１の部材と前記第４の部材は、前記２つの固定回転軸の周りで回転可能であり、前記第２の部材と前記第３の部材は、第１と第２の浮動軸の周りで回転可能であり、前記浮動軸は前記接地面に対して可動である、ジンバル機構と、
    前記回転自由度において前記ユーザーによる操作が可能な対象物の位置を検知して、前記回転自由度において前記ユーザーによる操作が可能な対象物の前記位置を表現する情報を具備する、センサ信号を出力するためのセンサであって、前記センサ信号の表現は前記ホストコンピュータへの出力である、センサと、
    を具備することを特徴とするインターフェース装置。
  24. 前記ジンバル機構に接続するためのアクチュエータを更に具備して、前記ホストコンピュータが前記アクチュエータに信号を送信する場合に、前記回動自由度の１つにおいて力を提供することを特徴とする請求項２３に記載のインターフェース装置。
  25. 前記第１の固定回転軸は、前記第２の固定回転軸に対して実質的にお互いに垂直であることを特徴とする請求項２４に記載のインターフェース装置。
  26. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物が、前記第１の浮動軸と前記第２の浮動軸との概略交点を介して伸張する、回転のための第３の軸の周りで回転しても良いことを特徴とする請求項２３に記載のインターフェース装置。
  27. 前記接地面と前記第１の部材との間において接続する第１のキャプスタン駆動機構と、
    前記接地面と前記第４の部材との間において接続する第２のキャプスタン駆動機構と、
    を更に具備することを特徴とする請求項２３に記載のインターフェース装置。
  28. 前記ホストコンピュータは、前記アクチュエータにより出力される力と同調する、アプリケーションプログラムにおけるグラフィック環境を実現することを特徴とする請求項２３に記載のインターフェース装置。
  29. ユーザーに力のフィードバック提供するためのインターフェース装置であって、グラフィック環境を実現するホストコンピュータに接続する、該インターフェース装置は、
    前記ユーザーにより把持されていて且つ前記ユーザーにより２つの回転自由度において可動である、ユーザーによる操作が可能な対象物と、
    前記ユーザーによる操作が可能な対象物に接続し且つ２つの回転軸の周りで、前記２つの回転自由度を前記ユーザーによる操作が可能な対象物に提供する、ジンバル機構であって、前記ジンバル機構は、閉ループにおいて複数の部材を具備し、接地面に物理的に接続する接地部材を具備しており、各部材は前記部材の別の２つに回転可能に接続する、ジンバル機構と、
    各々が前記接地面及び前記ジンバル機構に接続する、複数の物理的に設置されたアクチュエータであって、各前記アクチュエータは、前記ユーザーによる操作が可能な対象物の前記回転自由度の異なるものにおいて力を提供する、複数の物理的に設置されたアクチュエータと、
    前記アクチュエータの各々及び前記ジンバル機構に接続するキャプスタン駆動機構であって、各前記キャプスタン駆動機構は、前記ジンバル機構に接続する回動可能なキャプスタンドラムと、前記アクチュエータの１つに接続するプーリーと、前記キャプスタンドラムと前記プーリーとの間において接続する可撓性部材とを具備しており、前記キャプスタン駆動機構は、前記アクチュエータからの力を前記ジンバル機構に、実質的に遊びなしの状態で伝達する、キャプスタン駆動機構と、
    前記２つの回転自由度において前記ユーザーによる操作が可能な対象物の位置を検知して、センサ信号を出力する、複数のセンサであって、前記センサ信号は、前記ユーザーによる操作が可能な対象物の前記位置を表現する情報を具備しており、前記情報は前記ホストコンピュータにより受信される、複数のセンサと、
    を具備することを特徴とするインターフェース装置。
  30. 前記２つの回転軸は実質的に直交しており、前記複数のアクチュエータは、前記直交する軸の一つの周りで力を各々が提供するように配置される、２つのアクチュエータを具備することを特徴とする請求項２９に記載のインターフェース装置。
  31. 前記複数の部材は、
    前記接地部材と第２の部材との間において回転可能に接続する第１の部材と、
    前記第１の部材と第３の部材との間において回転可能に接続する第２の部材と、
    前記第２の部材と第４の部材との間において回転可能に接続する第３の部材と、
    前記第３の部材と前記接地部材との間において接続する第４の部材と、
    を具備しており、
    前記ユーザーによる操作が可能な対象物は、前記第２と第３の部材の内少なくとも１つにおける回転式継手部において前記ジンバル機構に接続することを特徴とする請求項２９に記載のインターフェース装置。
  32. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物は、前記２つの回転軸の概略交点において、前記ジンバル機構に接続することを特徴とする請求項３１に記載のインターフェース装置。
  33. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物が第１の位置にある場合に、前記接地部材と前記第１の部材との間の第１の継手部及び前記第３の部材と前記第４の部材との間の第３の継手部は、前記回転軸の１つにおいて整列しており、
    前記第１の部材と前記第２の部材との間の第２の継手部及び前記第４の部材と前記接地部材との間の第４の継手部は、前記回転軸の異なる１つにおいて整列することを特徴とする請求項３２に記載のインターフェース装置。
  34. 前記キャプスタン駆動機構の前記複数の部材はケーブルであることを特徴とする請求項２９に記載のインターフェース装置。
  35. 各前記アクチュエータは、前記接地部材に接続するハウジングと、前記キャプスタン駆動機構の前記プーリーに接続する回動可能なシャフトとを具備することを特徴とする請求項２９に記載のインターフェース装置。
  36. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物は、前記２つの回転軸の概略交点を介して伸張する、第３の軸に沿って第３の自由度において移動可能であることを特徴とする請求項２９に記載のインターフェース装置。
  37. 前記第３の自由度において力を提供するために前記ジンバル機構に接続する、アクチュエータを更に具備することを特徴とする請求項３６に記載のインターフェース装置。
  38. 前記ホストコンピュータは、前記アクチュエータにより出力される力に同調する、アプリケーションプログラムにおけるグラフィック環境を実現することを特徴とする請求項２９に記載のインターフェース装置。
  39. 前記ユーザーによる操作が可能な対象物は、前記２つの回転軸の概略交点を介して伸張する、第３の軸の周りで第３の自由度において回転可能であることを特徴とする請求項２９に記載のインターフェース装置。
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