KR101024147B1 - 촉각식 변속 장치 - Google Patents

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임머숀 코퍼레이션
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Abstract

본 발명은 차량에서 시프트-바이-와이어 시스템에 이용하기 위한 촉각식 변속 장치에 관한 것이다. 촉각식 변속 장치는 사용자에 의해 조작 가능한 변속 레버를 포함한다. 적어도 하나의 센서가 변속 레버의 위치를 검출하며, 차량의 변속 기어가 변속 레버의 위치에 기초하여 변경된다. 적어도 하나의 전기 제어식 액츄에이터가 변속 레버 상으로 힘을 출력한다. 여러 실시예에서, 변속 레버는 패턴 내에서 이동 가능하며 패턴의 경계 외측에 있는 영역으로부터 차단된다. 액츄에이터(들)는 능동 또는 수동일 수 있으며, 그리고/또는 가변형의 기계적 게이트는 패턴을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 제공된 변속 모드는 자동, 수동 및/또는 순차 모드를 포함할 수 있다. 다른 변속 모드도 제공될 수 있다.

Description

촉각식 변속 장치{HAPTIC SHIFTING DEVICES}
본 발명은 대체로 촉각식 피드백 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인터페이스 장치를 원하는 바와 같이 조작할 수 있게 하는 기계적 장치와 함께 사용되는 촉각식 변속 장치에 관한 것이다.
기계 제어식 기구가 아닌 전자 제어식 기구의 사용을 통한 차량 제어가 여러 가지 다양한 형태로 실행되고 있다. 통상적으로, 스티어-바이-와이어(steer-by-wire), 드라이브-바이-와이어(drive-by-wire) 또는 콘트롤-바이-와이어(control-by-wire)로 지칭되는 이런 유형의 제어는 사용자가 기구를 사용하여 직접 기계적 작업을 수행하지 않고 사용자가 전기 모터 및/또는 유압이나 공압 제어 시스템이 기계적 작업을 수행하도록 명령할 수 있도록 한다. 예컨대, 자동차의 표준 기계 조향 기구에서, 사용자는 조향륜의 운동에 기초하여 전륜을 회전시키기 위해 로드, 기어 및 그 밖의 기계 부품을 기계적으로 회전시키는 조향륜을 이동시킨다. 드라이브-바이-와이어 시스템에서, 사용자는 조향륜의 운동에 기초하여 전륜을 회전시키기 위해 하나 이상의 전기 모터, 유압 액츄에이터 등을 제어하는 조향륜을 회전시킨다[또는 몇몇 다른 유형의 매니퓰랜덤(manipulandum)을 이동시킨다]-(동력 보조식 조향과 달리) 조향륜 운동과 휠 운동 사이에 실질적인 기계적 연결은 없다. 프로세서(마이크로프로세서 등)가 사용자 동작을 감지하고 대응하는 조향을 달성하기 위해 사용자의 동작을 모터 제어와 상관시키기 위해 사용될 수 있다. 콘트롤-바이-와이어는 종래의 기계적 제어를 넘어서는 여러 가지 장점이 있으며, 이들 장점으로는 사용자에게 부상을 가할만한 기구가 없기 때문에 안전하다는 점과, 사용자가 제어 장치를 조작하기 위해 드는 노력이나 힘이 적다는 점과, 사용되는 제어 장치의 유형과 동작 그리고 기구에 대한 제어 방법이 보다 융통성 있다는 점과, 기구 무게가 덜 나간다는 점과, 사용자의 단순 동작을 소정의 기계 작동 수행에 필요한 모터에 대한 복잡한 제어로 전환할 수 있는 제어 프로세서가 있기 때문에 제어 작업을 수행함에 있어 사용자에게 요구되는 기술이 적다는 점과, (예컨대, 스티어-바이-와이어를 사용할 때 차량의 양 측에 조향륜을 설치하기가 더 용이하다는) 공학적 장점과, 적응형 조향 알고리듬과 같은 제어 방법을 사용할 수 있다는 점을 포함한다.
관련된 콘트롤-바이-와이어 실시예는 구동 변속기를 갖는 자동 또는 그 밖의 차량이 직접 기계 제어가 아닌 전자 제어를 사용하는 변속 기어를 거쳐 변속되는 "시프트-바이-와이어(shift-by-wire)"이다. 따라서, 기어를 변경하기 위해 소정의 기계적 위치로 변속 레버를 이동시키는 대신 사용자는 전자 제어부를 조작할 수 있으며, 전자 시스템은 능동 변속 기어를 변경할 수 있다. 예컨대, 사용자는 기어비를 증가시키기 위해 (예컨대, 제1단 기어에서 제2단 기어로) 소형의 레버를 전방 이동시키거나 기어비를 감소시키기 위해 (예컨대, 제5단 기어에서 제4단 기어로) 레버를 후방 이동시킬 수 있다. 사용자가 변속을 할 수 있도록 하기 위해, 레버, 버튼, 손잡이, 스위치 등과 같은 다양한 서로 다른 전자 제어부가 차량에 사용될 수 있다.
기존의 시프트-바이-와이어 시스템에서의 문제점은 이들 시스템이 여전히 사용자에 의해 조작되는 물리적 제어의 특수한 설비에 제한된다는 점이다. 즉, 사용자는 원하는 경우에도 다른 변속기 패턴으로 변경할 수 없다는 것이다. 또한, 시프트-바이-와이어 제어는 변속기 제어에 있어 기계적 시스템의 여러 자극을 사용자에게 제공하지 않으며, 이로 인해 제어는 비직관적이거나 덜 정밀하게 될 수 있다. 변속은 거의 전적으로 감각에 의해 수행되기 때문에,이런 기계적 자극은 변속 업무에 있어 중요할 수 있다.
기존 시프트-바이-와이어 시스템의 몇몇 문제점을 줄이기 위해, 본 명세서에 개시된 발명은 시프트-바이-와이어 시스템에 촉감(haptic sensation)을 제공한다. 촉감은 제어부의 제어 체계와 패턴이 아주 큰 범위로 프로그램될 수 있도록 하고, 사용자가 기어 선택 및 그 밖의 작업을 보다 효과적으로 제어할 수 있도록 한다.
보다 상세하게는, 일 실시예에 따르는 차량용 촉각식 변속 장치는 적어도 1 자유도로 사용자가 물리적으로 접촉하여 조작 가능한 변속 레버를 포함한다. 적어도 하나의 센서가 변속 레버의 위치를 검출하며, 이 위치를 나타내는 위치 데이터가 센서로부터 나온다. 프로세서가 위치 데이터를 수신하고 변속 레버의 위치에 기초하여 차량의 변속 기어를 변경하는 데이터를 출력한다. 또한, 적어도 하나의 전기 제어식 액츄에이터가 변속 레버 상으로 힘을 출력한다.
여러 실시예에서, 변속 레버는 하나의 패턴 내에서 이동 가능하고 패턴의 경계 외측 영역에서 차단된다. 변속 레버는 액츄에이터에 의해 출력되는 장벽 힘(barrier force)에 의해 외부 영역으로부터 차단될 수 있다. 액츄에이터(들)는 변속 레버에 작용력을 출력하도록 작동하는 능동 액츄에이터 또는 변속 레버 상에 저항력을 제공하도록 작동하는 수동 액츄에어터일 수 있거나, 능동 및 수동 액츄에이터의 조합이 다양한 자유도의 변속 레버에 사용될 수 있다. 예컨대, 능동 액츄에이터부는 변속 레버 상에 촉각 효과를 출력할 수 있으며, 수동부는 변속 레버가 소정 패턴의 외부로 이동하지 않도록 차단하는 힘을 제공할 수 있다. 외부 영역의 적어도 일부로부터 변속 레버를 차단하기 위해 기계적 게이트가 사용될 수 있다. 기계적 게이트는 수동 변속기 패턴 및 자동 변속기 패턴과 같은 적어도 두 개의 서로 다른 패턴을 제공하도록 사용될 수 있다. 변속 레버에 수동 및 자동 모드에서 모든 방향으로 기계적 장벽이 제공될 수 있도록 하기 위해 가변형 기계적 게이트가 사용될 수도 있다.
다른 발명에서, 차량용 촉각식 변속 장치는 2 자유도로 사용자에 의해 물리적으로 접촉되어 조작 가능한 변속 레버를 포함한다. 적어도 하나의 센서가 변속 레버의 위치를 검출하며, 센서로부터 나온 데이터는 레버 위치에 기초하여 차량의 변속 기어를 변경시키는 데 사용된다. 적어도 하나의 전기 제어식 액츄에이터는 변속 레버 상으로 힘을 출력하며 모드 선택기는 사용자가 변속 모드를 선택할 수 있도록 하며, 이때 적어도 두 개의 변속 모드는 변속 레버에 대해 서로 다른 변속 패턴을 갖는다. 변속 레버는, 예컨대 액츄에이터에 의해 출력된 장벽 힘에 의해 변속 패턴의 경계 외부의 영역으로부터 차단될 수 있다. 변속 모드는 자동 모드, 수동 모드 및/또는 순차 모드를 포함할 수 있다. 능동 그리고/또는 수동 액츄에이터와 기계적 게이트가 다양한 실시예에서 사용될 수 있으며 서로 다른 유형의 촉각 효과가 변속 레버 상에 출력될 수 있다.
다른 발명에서, 차량 변속기의 기어를 변속하는 방법은 적어도 1 자유도로 사용자에 의해 물리적으로 접촉하여 조작 가능한 변속 레버를 제공하는 단계를 포함한다. 변속 레버의 위치가 검출되며, 위치 데이터가 센서로부터 나온다. 변속 레버의 위치에 기초하여 차량의 변속 기어를 변경시키는 데이터가 출력되며, 힘이 전기 제어식 액츄에이터를 사용하여 변속 레버 상으로 출력된다. 변속 레버는 패턴 내에서 이동 가능하도록 될 수 있으며, 예컨대 액츄에이터에 의해 출력된 장벽 힘에 의해, 패턴의 경계 외측의 영역으로부터 차단될 수 있다. 능동 그리고/또는 수동 액츄에이터 및 기계적 게이트가 사용될 수 있으며, 서로 다른 유형의 촉각 효과가 변속 레버 상에 출력될 수 있다.
다른 발명에서, 차량용 촉각식 변속 장치는 2 자유도로 사용자에 의해 물리적으로 접촉되어 조작 가능한 변속 레버와, 차량의 변속 기어가 변속 레버 위치에 기초하여 변경될 수 있도록 변속 레버의 위치를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서와, 변속 레버 상으로 힘을 출력하는 적어도 하나의 전기 제어식 액츄에이터와, 사용자가 촉각식 변속 장치의 변속 모드를 선택할 수 있도록 하는 모드 선택기를 포함하며, 변속 모드는 변속 레버에 대해 서로 다른 물리적 특성을 제공한다. 서로 다른 물리적 특성은 적어도 두 개의 서로 다른 모드에서 서로 다른 범위의 변속 레버의 동작을 포함할 수 있다. 여러 실시예에서, 서로 다른 물리적 특징은 적어도 두 개의 서로 다른 모드로 출력되는 서로 다른 역감(force sensation)을 포함할 수 있다.
본 발명은 차량에서 시프트-바이-와이어 시스템의 사용자에게 촉감이 출력될 수 있도록 하는 촉각식 변속 장치를 제공한다. 촉각식 변속 장치는 장치에 프로그래밍 가변성을 허용할 뿐 아니라 변속 레버에 대한 장벽 수행을 돕는 힘을 제공한다. 예컨대, 여러 개의 서로 다른 변속 패턴이 제공될 수 있으며 사용자에 의해 선택 가능하다. 또한, 변속 레버 상에 출력되는 촉감은 사용자의 변속 업무를 도우며 시프트-바이-와이어 시스템에서 기계적 자극을 제공한다.
본 발명의 이들 및 그 밖의 장점은 본 발명의 후술하는 상세한 설명을 숙독하고 여러 도면을 참조하여 연구함으로써 기술 분야의 당업자에게는 명백하게 될 것이다.
도1은 본 발명에 사용하기에 적절한 변속 레버를 포함하는 차량에서 기어 변속 장치의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도2, 도3a 및 도3b는 도1의 변속 레버 장치를 구현하기 위한 기구의 일 실시예의 사시도이다.
도4a 내지 도4d는 도1 내지 도3b의 변속 레버 장치와 사용하기에 적절한 변속 패턴의 개략도이다.
도5a 내지 도5c는 다중 변속 패턴을 가능하게 하는 본 발명의 기계적 게이트의 제1 실시예를 도시한 개략도이다.
도6a 및 도6b는 다중 변속 패턴을 가능하게 하는 본 발명의 기계적 게이트의 제2 실시예를 도시한 개략도이다.
도7은 본 발명에 사용하기에 적절한 촉각식 피드백 시스템을 도시한 블록도이다.
도1은 차량용 촉각식 변속 장치(10)의 일 예의 사시도이다. 도1에서는 수동 변속기를 구비한 자동차에서 볼 수 있는 것과 같은 표준형 기어 변속 레버에 유사한 변속 장치(10)가 구비되어 있다. 예컨대, 변속 장치는 운전자가 운전을 하면서 변속 장치에 용이하게 접근할 수 있도록 자동차 전방 시트 사이에 위치될 수 있다.
촉각식 변속 장치(10)는 사용자에 의해 파지되거나 물리적으로 접촉되어 사용자가 차량의 변속기의 기어를 하나 이상의 방향으로 제어하기 위해 사용자에 의해 이동되는 파지부(14)를 포함하는 변속 레버(12)를 포함한다. 변속 레버의 위치는 차량의 어느 변속 기어가 현재 결합되어 있는지를 결정한다. 장치는 시프트-바이-와이어 시스템에 합체되기 때문에, 변속 레버는 차량의 변속기에 기계적으로 결합되지 않고, 레버의 위치를 판독해서 레버의 위치에 반응하여 변속기를 제어할 수 있는 전자 인터페이스 및 시스템에 접속된다. 이하, 도2 및 도3을 참조하여 사용될 수 있는 기구 및 인터페이스의 예를 설명하기로 한다.
사용자가 촉각식 변속 장치(10)의 변속 모드를 선택할 수 있도록 하는 모드 선택 제어부(15)가 포함될 수 있다. 제어부(15)는 도1에서 버튼으로 도시되지만, 레버, 스위치, 디스플레이(16) 상의 표시 버튼 등을 포함하는 임의의 적절한 제어부일 수 있다. 제어부(15)는, 예컨대 수동 및 자동 변속 모드 사이에서 그리고/또는 설치된 경우 그 밖의 변속 모드 사이에서 선택할 수 있다. 장치의 그 밖의 선택 사항은 조작 특성[변속 레버(12) 상의 제동력, 변속 레버(12) 상에 출력되는 다른 촉각의 크기, 빈도, 기간 또는 다른 특징 등]과 같은 추가적인 유사 제어부일 수 있다. 여러 실시예에서, 파지부(14)는 사용자가 차량의 변속기의 모드, 설정 또는 다른 특징들을 선택할 수 있도록 하나 이상의 버튼 또는 그 밖의 제어부(15)를 포함할 수 있다. 예컨대, 사용자가 변속 레버(12)를 사용하여 자동 또는 수동 변속기를 선택할 수 있도록 누르는 엄지 버튼이 포함될 수 있다. 제어부(15)는 차량의 콘솔, 조향륜 또는 다른 편리한 위치 상에 위치될 수 있다. 또한, 하나 이상의 제어부(15)가 디스플레이 장치(16) 상에 표시된 버튼과 같이 소프트웨어 제어부 또는 스위치에 포함될 수 있다. 사용자에 의해 마이크로폰으로 발성되어 마이크로프로세서에 의해 처리되는 명령과 같은 음성 제어가 제어부(15)와 동일하게 사용될 수도 있다.
바람직하게는, 촉각식 변속 장치는 각각의 모드가 서로 다른 제어 그리고/또는 이동 선택 사항을 제공할 수 있는 다중의 이용 가능한 제어 모드 중 하나일 수 있다. 또한, 구현되는 특별한 실시예는 사용자에게 특별한 조작 선택 사항을 제공한다. 예컨대, 여러 실시예 또는 모드에서, 변속 레버(12)는 사용자에 의해 자동 변속기에서와 같이, 예컨대 전방 및 후방의 1 자유도 방향으로만 이동될 수 있다. 그 밖의 실시예는 H 패턴 등을 갖는 수동 변속기에서와 같이 좌우 그리고 전진-후진 모드를 허용할 수 있다. 또 다른 실시예에서는 다른 변속 패턴에 대해 비카르테시안적(non-Cartesian) 또는 사선 동작이 허용될 수 있다. 여러 변속 모드는 변속 패턴 그 자체를 변경하지 않을 수 있으며, 대신에 변속 레버의 작업 공간 또는 출력되는 힘의 크기와 같은 워크스페이스(workspace)(허용된 이동량)와 같은 그 밖의 변속 특징을 조절할 수 있다. 이하, 도4, 도5 및 도6을 참조하여 변속 패턴과 변속 모드의 예를 상세히 설명하기로 한다.
레버(12)의 조작은 레버(12)의 이동 자유도로 출력되는 촉감에 의해 개선된다. 몇몇 촉감은 레버(12)의 동작을 억제하기 위해 사용되고, 다른 촉감은 레버(12)의 동작시 사용자에게 특별한 감각을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이하, 이런 감각을 상세히 설명하기로 한다.
촉각식 변속 장치(10)의 여러 실시예는 평판 스크린과 같은 디스플레이 장치(16)를 포함할 수 있다. 예컨대, LCD, 플라즈마, CRT 또는 그 밖의 유형의 디스플레이 스크린이 사용될 수 있다. 디스플레이는 도시된 바와 같이 변속 레버(12)에 인접해서 위치될 수 있거나, 예컨대 대시보드, 설치 패널, 전면 유리 상의 헤드-업 디스플레이(HUD) 등의 위에서 운전자의 시야에 있는 차량의 그 밖의 장소에 위치될 수 있다. 디스플레이는 변속 장치(10)(예컨대, 선택된 현재의 기어) 및 변속기와 차량의 그 밖의 시스템에 관련된 상태 정보를 보여줄 수 있다. 예컨대, 다중 변속 패턴이나 모드가 촉각식 변속 장치 상에서 선택 가능한 경우, 현행 능동 변속 패턴이 표준형 5속 수동 변속기 구성을 표시한 도1에 도시된 바와 같이 표시될 수 있다. 변속 레버(12)가 어느 위치로 이동될 것인지를 사용자가 알 수 있도록 돕는 그 밖의 패턴이 이와 마찬가지로 그래프로 표시된다. 여러 실시예에서, 디스플레이(16)는 사용자가 디스플레이(16)의 표면 상에 직접 표시된 이미지 또는 선택 사항을 "접촉"해서 이들 이미지 및 관련 모드, 설정 또는 기능을 선택할 수 있도록 하는 접촉 감지면을 포함할 수 있다.
그 밖의 실시예에서, 촉각식 변속 장치(10)의 다른 설비가 이용될 수 있다. 예컨대, 레버(12)는 차량의 조향 컬럼 상에 위치될 수 있다. 대안으로서, 다른 제어부가 운전자가 손쉽게 도달하는 범위 내에서 차량의 대시보드, 바닥, 도어 또는 그 밖의 표면 상에 마련되어서 기어를 선택할 수 있도록 사용될 수 있으며, 촉감이 제공될 수 있다. 변속 레버는, 자동차, 트럭, 군용 차량, 산업용 차량 및 그 밖의 대형 차량, 보트나 선박, 비행기, 우주 비행체, 해저 차량 등을 포함하는, 변속 기어의 변속 또는 유사한 기능을 필요로 할 수 있는 다양한 차량에 사용될 수 있다. 몇몇 다른 실시예는 차량이나 장난감을 원격 제어하는 원격 제어 장치 상에 본 발명의 촉각식 변속기를 제공할 수 있다. 또 다른 선택적인 실시예에서, 본 발명의 촉각식 변속기는, 차량의 둘레를 통하여 이동하는 것을 묘사하기 위해 디스플레이 스크린을 사용하는 것과 같이, 차량 제어의 컴퓨터 모의 실험에 사용될 수 있다. 본 명세서에서, "차량"이라 함은 (컴퓨터 모의 실험 또는 비디오 게임에서와 같은) 가상 차량이 아닌 물리적 차량을 지칭하는 것으로 한다.
도2 및 도3은 변속 레버(12) 상으로 힘을 출력하는 촉각식 변속 장치(10)에 사용될 수 있는 기구(30)의 일 실시예의 사시도이다. 본 실시예에서는 연동 장치 및 증폭 기구가 사용자에게 대규모의 힘을 제공하기 위해 모터로부터의 힘을 촉각식 변속기로 전달한다.
기구(30)는 변속 레버(12)가 연장되는 개구(34)를 포함하는 (도2에 도시된) 판(32) 아래에 위치될 수 있다. [변속 레버(12) 상의 그립부(14)는 도2 및 도3에 도시되어 있지 않다.] 기구(30)는 판(32) 또는 다른 기초면에 장착될 수 있다. 개구(34)의 측면은 변속 레버(12)의 동작에 대해 단단한 정지부로서 작용할 수 있으며, 개구(34)는 변속 레버에 대해 선호되는 작업 공간 크기를 허용하는 크기로 되어 있다. 본 실시예는 변속 레버(12)가 2 자유도 작업 공간에서 어느 곳으로든 이동될 수 있도록 한다. 후술하는 다른 실시예는 변속 레버(12)의 기계적 동작을 원하는 패턴으로 제한하기 위해 개구(34) 상의 기계적 게이트를 포함할 수 있다.
기구(30)는 서로에 대해 회전 가능하게 결합된 부재들의 연동 장치(36)를 포함한다. 소정 실시예에서, 기구(30)는 변속 레버(12)에 대해 2 회전 자유도를 제공하는 짐벌(gimbal) 기구이다. 기구(30)는 판(32) 또는 그 밖의 지면과 같은 기초면 또는 기준면에 변속 레버(12)를 결합시킨다.
짐벌 기구(30)는 바람직하게는 바닥 부재(44), 연장 부재(46a, 46b) 및 중심 부재(48a, 48b)를 포함하는 다섯 개의 부재로 된 폐곡면 형태의 평행한 연동 기구이다. 바닥 부재(44)는 판(32) 또는 그 밖의 기초면에 단단히 결합되어, 기구(30)에 안정성을 제공하는 기부 부재로서 제공된다. 바닥 부재(44)는 도시된 바와 같이 연장 부재가 용이하게 결합될 수 있도록 90도의 "L"형 편부로서 형성될 수 있다.
짐벌 기구(30)의 부재는 베어링이나 피봇을 사용해서 서로에 대해 회전 가능하게 결합되며, 이때 연장 부재(46a)는 바닥 부재(44)에 회전 가능하게 결합되어서 축(A)을 중심으로 회전할 수 있고, 중심 부재(48a)는 연장 부재(46a)에 회전 가능하게 결합되어서 부유하는 축(D)을 중심으로 회전할 수 있고, 연장 부재(46b)는 바닥 부재(44)에 회전 가능하게 결합되어서 축(B)을 중심으로 회전할 수 있고, 중심 부재(48b)는 연장 부재(46b)에 회전 가능하게 결합되어서 부유하는 축(E)을 중심으로 회전할 수 있고, 중심 부재(48a)는 축(D)과 축(E)의 교차하는 중심점(P)에서 중심 부재(48b)에 회전 가능하게 결합된다. (도시 안된) 베어링이 교차점(P)에서 두 개의 중심 부재(48a, 48)를 서로 회전 가능하게 결합시킨다. 중심 부재(48a)는 연장 부재(46a)의 일 단부에 회전 가능하게 결합되고 축(B)과 사실상 평행한 관계로 연장된다. 마찬가지로, 중심 부재(48b)는 연장 부재(46b)의 일 단부에 회전 가능하게 결합되고 축(A)과 사실상 평행한 관계로 연장된다. 축(D, E)은 이들 축이 축(A, B)에서와 같이 고정되어 있지 않는다는 관점에서 "부유"된다. 축(A, B)은 사실상 서로에 대해 수직하다.
짐벌 기구(30)는 다섯 부재(다섯 바아)로 된 밀폐형 체인으로 형성된다. 한 부재의 각 단부는 다른 부재의 단부에 결합된다. 다섯 바아 연동 기구는 연장 부재(46a), 중심 부재(48a) 및 중심 부재(48b)가 제1 자유도로 축(A)을 중심으로 회전될 수 있도록 배열된다. 연동 기구는 또한 연장 부재(46b), 중심 부재(48b) 및 중심 부재(48a)가 제2 자유도로 축(B)을 중심으로 회전될 수 있도록 배열된다. 이런 구조는 본 명세서에서 그 내용이 전체적으로 인용되어 합체된 미국 특허 제5,731,804 및 제6,104,382호에 개시되어 있다.
변속 레버 또는 핸들(12)은 축(D, E)에 의해 한정된 평면 밖으로 연장되도록 짐벌 기구(30)의 어느 한 중심 부재(48a 또는 48b)(48b로서 도시됨)에 결합된다. 짐벌 기구(30)는 회전 중심점(P)에 또는 그에 인접해서 위치된 핸들(12)에 2 자유도를 제공한다. 핸들(16)은 축(A, B)을 중심으로 회전하거나 이들 축 둘레에서 회전 운동의 조합을 갖는다. 핸들(12)이 축(A) 둘레에서 이동됨에 따라 부유 축(D)은 그 위치를 변경하고, 조이스틱 핸들(16)이 축(B) 둘레에서 이동됨에 따라 부유 축(E)은 그 위치를 변경한다.
다른 실시예에서는 추가적인 자유도가 제공될 수 있다. 예컨대, 핸들(12)은 부유축(D, E)에 의해 형성된 평면에서 수직하게 연장된 축(C) 둘레에서 회전될 수 있다. 이런 회전 자유도는 동작을 감지해서 이 자유도로 힘을 인가하는 센서 및/또는 액츄에이터로 제공될 수 있다. 다르게는, 핸들(12)이 부유축(C)을 따라 선형적으로 전달될 수 있도록 또 다른 자유도가 추가될 수 있다. 이 자유도는 원할 경우 감지되어 작동될 수도 있다.
짐벌 기구(30)는 또한 벨트 구동부, 캡스턴(capstan) 구동부, 기어 구동부 등과 같은 증폭 구동 기구를 포함할 수 있다. 도2, 도3a 및 도3b의 실시예에서는 벨트 구동부(52a, 52b)가 마련된다. 각각의 벨트 구동부(52)는 그 주변에 벨트(56)가 권취되어 있는 드럼(54)을 포함한다. 각각의 드럼은 드럼이 축(A)을 중심으로 회전하도록 (그리고 다른 드럼은 축(B)을 중심으로 회전하도록) 관련 연장 부재(46)에 연결된다. 각각의 벨트(56)는 또한 액츄에이터(60a 또는 60b)의 회전축에 결합된 스핀들(58) 둘레에 권취된다. 각각의 액츄에이터(60)는 바람직하게는 판(32), 바닥 부재(44) 또는 다른 기초면에 기초를 두고, 벨트(56)가 핸들(12) 상으로 힘을 출력하기 위해 드럼(54)에 힘을 전달하는 곳에서 스핀들(58)을 회전시키기 위해 축 상에 회전력을 출력한다. 드럼(54)에 대한 스핀들(58)의 비율은 액츄에이터에 의해 출력된 힘의 증폭을 허용한다. 도시된 실시예에서, 예컨대 액츄에이터(60)는 DC 모터이다. 액츄에이터는, 보이스 코일(voice coil), 선형 액츄에이터, 이동 자석 액츄에이터, 수동 액츄에이터(예컨대, 브레이크), 공압식 액츄에이터 등과 같이, 다른 실시예에서는 다른 유형일 수 있다. 브레이크와 같은 수동 액츄에이터는 능동 액츄에이터와 같이 사용자에 독립해서 레버에 작용력을 출력하기 보다는 사용자에 의해 제공된 변속 레버의 동작에 대해 저항력을 출력한다.
바람직하게는, 짐벌 기구(30)에는 또한 설명된 실시예에서 회전축 및 액츄에이터(60a, 60b)의 하우징에 각각 결합된 센서(62a, 62b)가 결합된다. 바람직하게는, 센서(62)는 액츄에이터 축의 각방향 회전을 측정하기 위한 신호를 제공하고, 또한 액츄에이터에 관련된 자유도로 핸들의 위치를 지시하는 신호를 제공하는 상대 광학 인코더이다. 인코더의 전기적 출력은 도7과 관련하여 아래에서 설명되는 바와 같은 프로세서(예컨대, 로컬 프로세스 또는 호스트 프로세서)에 연결될 수 있다. 센서는, 연장 부재 및 바닥 부재 등의 결합부와 같이, 다른 실시예에서 짐벌 기구 상의 다른 위치에 위치될 수 있다. 전위차계, 홀 효과 센서, 결심자 또는 그 밖의 아날로그형 또는 디지털 센서와 같은 다른 유형의 센서가 사용될 수 있다. 본 발명은 절대적 또는 상대적 센서를 이용할 수 있다.
촉각식 변속 패턴 및 모드
상술한 촉각식 변속 장치를 사용해서, 사용자가 변속 기어를 선택할 수 있도록 하는 (또는 다른 유형의 컴퓨터 인터페이스 적용에서 선택을 할 수 있도록 하는) 다양한 촉각식 변속 패턴이 구현될 수 있다. 변속 패턴은 통상적으로 변속 레버(12)가 이동하도록 허용되는, 통상적으로 (기어 선택부와 같은) 선택부가 위치되는 영역과, 허용 영역의 경계 외측의 영역으로서 레버(12)가 위치되지 않도록 기대되는 따라서 이동되는 것이 허용되지 않은 "차단된" 영역을 갖는다. 기계적 선택부만을 사용하는 것에 반대되는 것으로서 촉각식 장치를 사용하는 변속 패턴을 제공하는 장점은 다중적인 서로 다른 변속 패턴이 하나의 장치로 실행될 수 있다는 점이며, 다른 실시예에서는 패턴이 어떠한 기계 부품을 이동시키지 않고도 변경될 수 있다는 점이다.
도4a, 도4b 및 도4c는 본 발명의 촉각식 변속기 장치로 실행될 수 있는 차량 내의 기어 선택부를 위한 세 개의 서로 다른 변속 패턴을 도시한다. 이들은 단지 가능한 많은 서로 다른 패턴의 예일 뿐이다.
도4a는 다섯 개의 전진 기어, 하나의 후진 기어, 중립 또는 공전 기어를 갖는 5속 변속기에 대한 표준형 수동 변속기 변속 패턴(100)("H" 패턴)을 도시한다. 하나의 표준형 구성에서, 제1, 제3 및 제5 기어는 전방 방향에 있고, 제2, 제4 및 후진 기어는 후방 방향에 있고, 중립 기어는 중간 위치에 있다. 윤곽선은 변속 레버(12)가 이동될 수 있는 영역을 나타내며, A, B, C 및 D로 분류되어 있는 영역은 변속 레버(12)가 이동되는 것이 허용되지 않는 차단된 영역을 나타내며, 여기에서 레버는 이들 영역으로 진입하는 것을 방지하기 위해 (기계적 또는 촉각식) 장벽 내로 들어간다.
도4b는 차량을 위한 통상의 기본 자동 변속기 변속 패턴(102)을 도시한다. 표준형 자동 변속기에서, 변속은 하나의 선형적 차원으로 수행되며, 순차적인 순서로 표준형 기어 "정차"(P), "후진"(R), "중립"(N), "구동"(D) 및 "저단 기어"(L)가 변속 레버에 의해 선택 가능하다. 변속 레버는 선형 패턴 외부의 차단된 영역으로 이동될 수 없다.
본 발명의 촉각식 변속기 장치에 의하면, 수동 및 자동 변속기 패턴이 서로 다른 변속 모드로서 하나의 장치에서 실행될 수 있다. 사용자는 어느 패턴이 현재 작동하고 있는지를 선택할 수 있으며, 따라서 어느 변속 체계가 이행되는지를 선택할 수 있다. 예컨대, 사용자는 변속 패턴을 변경하기 위해 버튼, 스위치 또는 레버와 같은 별도의 제어부를 선택할 수 있다. 패턴이 일단 선택되면, 사용자는 새로운 패턴 내에서 허용되는 영역 내에서 변속 레버(12)를 이동시킬 수 있다. 도4a에 도시된 바와 같은 수동 변속기의 변속 패턴 내의 자동 변속기 패턴을 나타내는 한 방법은 수동 변속기 패턴의 수직 채널 중 하나 내에서 선형 자동 변속기를 제공하는 것이다. 예컨대, 도4b에 도시된 바와 같은 자동 변속기 패턴은 (도4a에서 3-N-4 기어가 위치되는) 수동 변속기 패턴의 중심 수직 채널 내에 마련될 수 있다. 일 실시예에서, 자동 변속기 패턴은 다른 수직 채널중 하나에 위치될 수 있거나, 수동 패턴에서 분리되어, 예컨대 수동 패턴의 측면에 위치될 수 있다.
도4c는 촉각식 변속 장치(10)를 위해 사용자에 의해 선택 가능한 다른 변속 패턴(104)의 일 예로서, 이것은 "순차" 변속기이다. 자동 변속기와 마찬가지로, 단지 하나의 선형 채널만이 마련된다. 변속 레버(12)는 하나의 기어 위로 변속기를 변속하기 위해 사용자에 의해 "+" 기호 영역으로 상향 이동될 수 있으며, 레버는 하나의 기어 아래로 변속기를 전환하기 위해 사용자에 의해 "-" 기호 영역으로 후방 이동될 수 있다. 여러 실시예에서, 사용자는 레버를 중간 위치로 이동시키고, 이어서 추가적 선택이 이루어질 수 있기에 앞서 원하는 선택부로 이동시켜야 한다. 플러스와 마이너스 사이의 중간 영역은 중립 기어 또는 선택부일 수 있다. 여러 실시예는 레버를 중심 위치로 자동 복원하기 위해 변속 레버에 스프링 복원력을 제공할 수 있다. 이런 스프링 복원력은 기계적 스프링으로 그리고/또는 액츄에이터(60)에 의해 출력되는 스프링 힘으로서 구현될 수 있다.
다른 유형의 패턴이 다른 실시예에서 가능하다. 예컨대, 수동 변속기 패턴은 중심점에서 발산되도록 기어를 정렬하거나 수평 또는 사선 방향의 채널 내에 기어를 정렬할 수 있다. 추가적인 변속 패턴이 사용자가 선택 가능한 가능한 변속 패턴의 목록에 포함될 수 있다.
예컨대, 도4d는 사선 방향 채널이 마련되는 본 발명의 촉각식 변속기를 사용하여 사용자를 위한 다른 가능한 변속 패턴(106)을 도시한다. 이런 변속 패턴의 예에서, 자동 기어(107)는 다른 자동 모드와 유사한 선형 패턴으로 배열된다. 저단 기어 "L"(108)로부터, 두 개의 서로 다른 저단 기어 선택부(110)가 사용자에 의해 선택 가능하다. 본 예에서, 변속 레버(12)는 저단 기어(110)를 선택하기 위해 양 사선 채널(109)을 거쳐 L 기어(108)로부터 이동될 수 있다. 변속 패턴의 다른 실시예도 다양한 구성의 사선 채널을 포함할 수 있다. 사선 채널은 후술하는 실시예와 마찬가지로, 수동력 및/또는 작용력 및/또는 기계적 게이트를 사용하여 실행될 수 있다.
변속 패턴 모드 이외의 다른 모드도 본 발명의 촉각식 변속기 장치에서 구현될 수 있다. 예컨대, 하나의 모드는 레버(12)를 큰 거리에서 이동시키기를 선호하는 경우 사용자에게 변속 레버를 위한 보다 큰 작업 공간을 제공할 수 있다. 사용자에 의해 선택된 다른 모드는 사용자가 레버에 대해 보다 짧은 "움직임"을 선호하는 사용자에게 변속 레버를 위한 보다 작은 작업 공간을 제공할 수 있다. 작은 작업 공간은 기계적 경계가 레버에 의해 도달되기에 앞서 장벽 힘을 일으키기 위해 액츄에이터를 사용하여 구현될 수 있다.
다른 모드도 구현될 수 있다. 예컨대, 하나의 모드는 하나의 한 세트의 역감이 출력되도록 할 수 있고, 다른 모드는 다른 세트의 역감이 출력되도록 할 수 있다. 일 예에서, 하나의 모드는 패턴 한계와 같은 경계 내로의 레버 동작에 대해서만 역감을 제공할 수 있고, 다른 모드는 멈춤쇠, 언덕 등과 같은 다른 유형의 역감 및 장벽 감각을 제공할 수 있다. 사용자는 사용자의 취향에 맞게 주문 제작된 특별한 역감 프로파일을 설정할 수 있다. 또한, 크기 제어가 변속 레버에 대한 모든 역감의 증대치를 전체적으로 조절하도록 제공될 수 있다.
촉각식 변속기 설비
몇몇 설비가 모든 촉각 기능을 이용하고 다른 설비가 촉각 및 기계적 성분의 혼합을 이용한 여러 개의 서로 다른 설비가 촉각식 변속 장치(10)에서 가능하다.
완전 능동 설비
본 설비는 변속 레버(12) 상으로 출력되는 힘과 장벽이 액츄에이터(60)에 의해 생성되는 완전 촉각식 설비를 제공한다. 본 설비의 일 예가 도2, 도3a 및 도3b에 도시되어 있으며, 여기에서 변속 레버는 완전한 2 자유도 작업 공간을 가지며 변속 패턴 내의 경계는 액츄에이터 출력 힘에 기인한다. 기구, 액츄에이터 힘 변속기 및 액츄에이터는 바람직하게는 저항력이 레버 동작에 대해 기계적 장벽과 같은 느낌을 주는 "단단한" 장벽 및 경계를 생성할 수 있게 하는 비율로 정해진다. 액츄에이터는 레버(12)가 수평 및 수직 운동이 허용되지 않는 영역에 있을 때 아주 높은 강성의 스프링으로 작용하는 힘을 출력할 수 있다. 레버(12)가, 예컨대 도4a 내지 도4c에 도시된 바와 같은 선택부를 구동하는 라인에서, 기어로 들어가서 나오거나 선택부들 사이에서 이동될 때 고성능 "언덕" 또는 멈춤 감각이 출력될 수 있다. 언덕 감각은 힘이 방향을 전환해서 레버를 선택부 내로 밀어내는 힘 "최대" 또는 "정상"이 도달될 때까지의 거리에서, 처음에는 큰 힘으로 레버가 다음 선택부로 더욱 이동함에 따라 하향 경사지면서, 크기가 올라가는 힘이다. 이에 대해서는 본 명세서에서 그 내용이 인용되어 합체된 계류 중인 미국 특허 출원 제09/783,936호에서 상세히 설명되어 있다. 다른 역감은 선택부 사이에서 또는 후술하는 바와 같은 멈춤부, 스프링, 요동(jolt), 제동, 진동, 텍스쳐 등과 같은 장벽에 마련될 수도 있다.
자동, 순차 또는 그 밖의 유사한 선형 변속 패턴을 제공하는 모드에서, X-축(좌-우) 액츄에이터는 수평 동작에 대한 장벽을 제공하기 위해, 예컨대 "로킹된" 스프링 모드로 고강성 스프링 힘을 항상 출력할 수 있다. 이 힘은 중심 채널의 좌 또는 우로 향하는 변속 레버(12)의 모든 동작을 방지하고자 한다. Y-축(전방-후방) 액츄에이터는 변속 레버가 임의의 선택부 사이에서 이동될 때 언덕 효과와 같은 힘 효과를 출력할 수 있다.
완전 능동 설비의 한 장점은 아주 다양한 변속 패턴이 제공되어 사용자에 의해 선택될 수 있으며, 변속 패턴은 변속 레버의 X-축 및 Y-축 이동뿐 아니라 사선 방향 이동을 포함할 수 있다는 점이다. 단점은 대규모 고비용 액츄에이터, 변속기 및 그 밖의 구성 요소를 필요로 하는 것으로서 사용자가 레버를 차단 영역을 이동하는 것을 방지하기 위해 요구되는 높은 장벽력을 포함한다는 점이다.
게이트를 구비한 완전 능동 설비
본 설비는 상술한 완전 능동 설비와 유사하지만, 변속 레버(12)의 작업 공간에 기계적 게이트가 추가되어 있다. 예컨대, 게이트는 판(32)의 개구(34) 위에 위치될 수 있다. 게이트는 단지 실행된 패턴 중 하나의 정확한 형상을 가지며 게이트 내에 추가 패턴을 허용하는 개구를 제공할 수 있다. 예컨대, 도4a에 도시된 바와 같은 형상의 수동 변속기 패턴 게이트가 사용될 수 있으며, 이는 또한 도4b 및 도4c의 자동 및 순차 변속 패턴이 사용될 수 있도록 한다.
기계적 게이트는 (A, B, C 및 D와 같은) 차단 영역 영역에 대한 경계에 기계적인 단단한 정지부를 제공함으로써 레버(12)가 이들 영역으로 이동하는 것을 방지한다. 이는, 기계적인 단단한 정지부가 사용자에 의해 극복될 수 없고 어떠한 액츄에이터 출력을 필요로 하지 않음으로 해서 소형의 액추에이터가 다른 촉감에 사용될 수 있도록 하기 때문에, 상술한 순수 촉각식 설비보다 훨씬 효과적일 수 있다. 액츄에이터(60)는 레버가 기어 선택부 사이에서 또는 선택부 내로 이동하거나 예컨대 언덕 감각, 멈춤부 등과 같은 중립 위치에서 나올 때 레버(12) 상에 역감을 출력하기 위해 사용될 수 있다. 액츄에이터(60)는, 예컨대 레버(12)가 사용된 Y-축 채널에서 밖으로 이동해서 다른 수동 변속 Y-채널로 이동하는 것을 방지하기 위해 자동, 순차 그리고 다른 단일한 수직 채널 모드로 X-축 장벽 힘을 출력할 때와 같이, 필요할 때 장벽 힘을 출력할 수 있다. 따라서, 게이트는 완전 능동 변속 장치에 많은 장점을 추가한다. 게이트를 포함하지 않는 한 이유는, 예컨대 기어를 선택하기 위해 사선 방향 경로를 갖는 패턴과 같은, 다른 비전통적인 변속 패턴이 촉각식 변속기에서 프로그램될 수 있도록 하기 때문이다.
여러 실시예에서, 게이트는 레버의 전체 범위 또는 특별한 범위 내에서 레버의 자동 동작을 허용하지 않도록 기대된다. 예컨대, 여러 실시예는 스티어-바이-와이어 설비에서 차량을 조향하기 위한 레버를 사용할 수 있다. (예컨대, 레버 또는 조향륜을 사용하는) 스티어-바이-와이어 실시예는 촉감 또는 본 명세서에서 개시된 본 발명의 그 밖의 특징을 사용할 수 있다.
본 설비의 여러 실시예는 기계적 벽 상에 겹쳐진 또는 바로 내측에 위치된 촉각 벽 뿐 아니라, 기계적 게이트를 사용하는 기계적 벽 모두를 포함할 수 있다. 예컨대, 도4a의 점선 106은 실선 108에 의해 표현된 기계적 게이트의 바로 내측에 존재하는 촉각 벽을 나타낼 수 있다. 기계적 벽으로부터 촉각 벽의 거리는 설계자에 의해 프로그램될 수 있으며, 바람직하게는 강한 촉각 반발 스프링을 설치하기 위해 충분한 거리를 둔다. 촉각 벽은 허용된 영역의 경계 뒤의 영역으로 이동하는 것을 방지하기 위해 상술한 바와 같이 액츄에이터(60)에 의해 출력된 강성 스프링과 같이 설치될 수 있다. 촉각 벽은 게이트의 단단한 기계적 정지부를 가격하는 충격을 완화하는 작은 스프링 힘을 레버에 제공할 수 있다. 또한, 촉각 벽을 사용하는 것은 기구를 덜 사용되게 하여, 기구의 수명과 신뢰성을 연장시킨다.
도5a 내지 도5c는 가변 기계적 게이트가 완전 폐쇄식 기계적 장벽을 갖는 수동 및 자동 변속 패턴을 허용하도록 사용되는 게이트를 구비한 완전 능동 설비의 일 실시예를 도시한다. 도5a에 도시된 가변형 게이트(110)는 중간 X-축 (수평) 채널(116)을 제공하도록 게이트(110)의 제1 부분(112)이 게이트(110)의 제2 부분(114)에 인접해서 위치되는 수동 패턴 위치에 있다. 변속 레버(112)는 표준형 수동 기어 변속에서와 같이 패턴의 기어 변속 위치로 접근하기 위해 채널(116) 내에서 이동할 수 있다.
도5b에서, 가변형 게이트(110)는 단지 하나의 수직 채널을 갖는 자동 변속 변속 패턴을 제공하도록 활주되거나 이동되었다. 제1 부분(112), 제2 부분(114) 또는 제1 부분(112) 및 제2 부분(114) 모두는 중심 X-축 채널(116)을 덮기 위해 화살표 118에 의해 지시된 바와 같이 변속 레버(12)쪽으로 이동됨으로써, 변속 레버(12)는 단지 수직 채널(120) 내에서만 이동될 수 있다. 자동 모드 선택부에는 채널(120) 내에서, 예컨대 선택부 사이에 마련된 언덕 또는 다른 유형의 감각 등이 마련된다.
도5e는 서로에 대해 관계하는 게이트(110)의 부분(112, 114)들을 도시한다. 자동 변속 모드에서, 하나의 부분(112)은 수평 채널(116)을 덮도록 다른 부분(114)을 덮을 수 있다. 부분(112) 및/또는 부분(114)은 모터, 솔레노이드 또는 다른 유형의 액츄에이터(도시 안됨)에 의해 이동될 수 있으며, 여러 실시예에서는 사용자에 의해 수동으로 이동될 수 있다.
도5a 내지 도5c에 따르는 가변형 게이트 실시예의 한 가지 장점은, 게이트가 촉각 장벽보다 더 단단한 기계적 장벽을 제공하도록 이동되기 때문에, 변속 레버의 수평 이동을 방지하기 위해 자동 모드에서 액츄에이터에 의해 장벽 힘이 출력될 필요가 없다는 점이다. 액츄에이터로부터의 촉각 반응은 레버 동작에 대해 힘 크기가 높은 장벽을 제공하기 보다는 레버의 선택 과정을 개선하기 위해 단지 스프링, 언덕, 멈춤부 또는 유사한 감각을 가상하도록 사용되기 때문에, 이는 장치(10)에서 사용되는 액츄에이터가 소형화될 수 있도록 하고 힘을 적게 출력할 수 있도록 한다. 여러 실시예에서, X-액츄에이터는 제거될 수 있는 반면, 다른 유사한 실시예는 적절한 변속 패턴에서 수평 중심 스프링을 제공하기 위한 X-액츄에이터를 사용할 수 있다.
도6a 및 도6b는 도5a 내지 도5c를 참조로 설명한 실시예와 유사한 완전 능동 실시예에 사용되는 가변형 게이트의 다른 실시예(130)를 도시한다. 게이트(130)도 마찬가지로 자동 및 수동 모드 모두에서 변속 레버(12)의 모든 동작에 대한 기계적 정지부를 제공한다. 게이트(130)에서, 단일 게이트부(132)가 수동 변속 패턴에서 마련된다. 두 개의 게이트 핑거(134)는 게이트부(132)의 중심 돌출부(136)에 인접해서 마련되며 화살표 138에 의해 도시된 바와 같이 이동될 수 있다. 핑거(134)가 기어 위치(1, 3, 5)쪽으로 전방 활주될 때, 이들 핑거는 장치가 자동 모드에 있을 때의 변속 레버(12)가 수직 채널(141)에서 밖으로 이동하는 것을 방지하기 위해 중심 수평 채널(140)을 고립시킨다. 핑거(134)가 기어 위치(2, 4, R)쪽 방향으로 후퇴될 때, 중심 수평 채널(140)은 변속 레버(12)가 수동 변속기 모드에서 다른 수직 채널 내로 이동할 수 있도록 개방된다. 핑거는 원할 경우 추가적 변속 패턴을 형성하기 위해 독립적으로 이동될 수 있다. 도5a 내지 도5c의 실시예에서와 같이, 게이트(130)는 레버 이동을 차단하기 위해 액츄에이터가 장벽 힘을 출력하도록 할 필요가 없이 보다 단단한 기계적 정지부가 양 모드에서 사용될 수 있도록 한다. 이로 인해 장치에서 보다 저렴하고 소형의 액츄에이터 및/또는 간단한 변속기가 사용될 수 있게 된다. 게이트 핑거(134)는 (도시 안된) 모터와 같은 전용 액츄에이터로 이동될 수 있거나, 변속 모드를 선택할 때 사용자에 의해 수동으로 이동될 수 있다.
가변형 기계적 게이트의 다른 설비가 사용될 수도 있다. 예컨대, 선형 이동게이트(들)가 자동 또는 순차 모드에서 도4의 변속 패턴으로 수동 기어(108)에 대해 사선형 채널을 차단하도록 사용될 수 있으며, 수동 모드에서 자동 기어를 차단하도록 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 회전식으로 이동하는 게이트가 설비될 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 판들이 판들 사이에 하나 이상의 채널을 개방하기 위해 레버 축 둘레에서 변속될 수 있거나 회전식으로 배열될 수 있는 중심 변속 레버 둘레에는 많은 판들이 방사상으로 배열될 수 있다. 이는 변속 레버가 통과되는 수평, 수직 또는 사선 방향 채널이 특별한 변속 패턴 모드에서 기어를 선택할 수 있도록 한다.
능동 X-축 및 수동 Y-축 설비
촉각식 변속 장치(10)의 본 설비에서, X-축으로 힘을 출력하는 DC 모터와 같은 능동 액츄에이터는 브레이크 및 기계적 스프링과 같은 수동 액츄에이터로 대체된다. 변속 레버(12)의 X-축 동작은 (자동 또는 순차 모드에서) 완전 로킹되거나 중심 수평 채널(수동 변속기의 중립 영역)에 있는 중심 스프링과의 선형 동작에 제한되기 때문에, 완전 능동 액츄에이터는 여러 실시예에서 필요하지 않을 수 있다. 브레이크 또는 다른 수동 액츄에이터는, 스틱이 수동 변속 모드의 중립 위치에 (도4a에서 기호 "N"에 또는 근처에) 있지 않을 때마다 로킹될 수 있다. 즉, 임의의 기어 위치에서 X-축 로킹된다. 브레이크는 변속 레버가 수동 패턴의 수평 채널 내로 후진 이동될 때 언로킹될 수 있다(자동 또는 순차적 모드에서 로킹된 상태로 유지될 수 있다). Y-축 액츄에이터는 본 실시예에서 DC 모터와 같은 완전 능동식일 수 있으며, 이것이 이동될 때 레버(12)상에 역감을 생성하도록, 즉 변속이 사용자에게 감지되는 방식을 한정하는 언덕, 제동 및 스프링을 생성하도록 사용될 수 있다. 능동 Y-축 액츄에이터는 레버(12)가 수동 변속기 패턴의 수직 채널 사이의 수평 채널 내에서 이동될 때 사용자가 차단되는 (도4a에 도시된 바와 같이 영역 A, B, C, D와 같은) 영역으로 레버를 전환하는 것을 방지하기 위해 사용될 수도 있다.
브레이크와 같은 수동 액츄에이터를 사용하는 하나의 장점은 이들 액츄에이터가 상당한 크기의 능동 액츄에이터에 비해 상당히 높은 유지력을 가지며, 따라서 큰 동력을 요구하지 않고도 사용자에게 아주 강한 반대되는 또는 장벽 힘을 제공할 수 있다는 점이다. 이는 변속 패턴의 차단 영역에 저렴하고 소형화된 구성 요소가 보다 용이하게 설치될 수 있도록 한다. 브레이크의 단점은 이들 브레이크가 능동적이고 사용자 힘에 저항할 때, 그 자유도의 양 방향으로 동작을 제한함으로써, 경계로부터 벗어나려는 동작에 대한 감지를 보다 복잡하게 한다. 수동 액츄에이터를 이용하여 동작을 감지하는 한 방식은 그 내용이 전체적으로 인용되어 합체된 미국 특허 제5,767,839호에 개시되어 있다.
게이트를 구비한 능동 Y-축 및 수동 X-축 설비
본 설비는 능동 액츄에이터가 변속 레버의 Y-축 동작에 대한 역감을 출력하도록 사용되고 브레이크와 같은 수동 액츄에이터가 X-축 동작에 대해 사용되는 상술한 설비와 유사하다. 본 설비는 상술한 여러 게이트 실시예와 유사할 수 있는 기계적 게이트를 추가한다. 게이트는 레버가 중심 채널에 있고 차단 영역으로 이동할 때 Y-축 액츄에이터가 변속 레버 상에 장벽 힘을 출력할 필요가 없도록 한다. 따라서, Y-축 액츄에이터는 언덕, 멈춤부, 제동 및 스프링과 같은 변속 레버의 동작과 선택부를 개선하기 위해 역감만을 출력하기 때문에 소형화될 수 있다.
능동/수동 Y-축 및 수동 X-축 설비
본 설비는 Y-축 액츄에이터에 대해 조합 능동 액츄에이터 및 수동 액츄에이터를 사용할 수 있다. 모터와 같은 능동 액츄에이터부가 언덕, 멈춤부 및 스프링과 같은 능동 촉각 효과를 위해 사용될 수 있다. 브레이크와 같은 수동 액츄에이터부는 기어 위치 사이의 중립 영역에서 이탈하는 동작을 방지하도록 장벽 힘을 제공하기 위해 사용될 수 있다. X-축 액츄에이터는 수동 액츄에이터이고, 바람직하게는 변속 레버가 (도4a에서 패턴의 중심에 있는) 중립 위치로 복귀하도록 항상 편의되는 스프링 중심을 갖는다. 도4a의 표준형 수동 변속기 패턴에서, 이런 설비에는 기계적 게이트가 없기 때문에, X-축 수동 액츄에이터는 변속 레버가 수직 채널 내에 레버를 유지하기 위해 중립 위치에서 외부로 Y 방향으로 이동될 때마다 로킹한다. 마찬가지로, Y-축 수동 액츄에이터는 변속 레버가 차단 영역 내로의 Y-축 동작을 방지하기 위해 (수동 모드에서) 세 개의 변속 컬럼 중 하나의 외부로 X 방향으로 이동될 때마다 로킹한다. 바람직하게는, 변속 레버가 중심 수평 채널 내로 또는 중심 수평 채널에서 나올 때 액츄에이터의 아주 신속한 응답이 제공된다.
여러 실시예는 제동, 브레이크 요동, 수동 멈춤부 등과 같이, 레버 상으로 수동 촉각 효과를 출력하기 위해 수동 액츄에이터를 사용할 수 있다. 여러 실시예에서, 기계적 게이트는 본 실시예의 강성 및 잠재 조건을 용이하게 하기 위해 추가될 수 있다.
능동 액츄에이터 및 수동 액츄에이터의 조합은 다양한 방식으로 설치될 수 있다. 예컨대, 기구가 2 자유도를 갖는 경우, 능동 액츄에이터는 이런 자유도의 작용력을 제공하기 위해 1 자유도의 연동 기구에 결합될 수 있는 반면, 수동 액츄에이터는 이런 자유도의 수동력을 제공하기 위해 다른 자유도의 연동 기구에 결합될 수 있다. 작용력 및 수동력 모두가 특별한 자유도로 기대되는 경우, 능동 액츄에이터 및 수동 액츄에이터 모두는 적절한 연동 기구 또는 구성 요소에 결합될 수 있다. 예컨대, 능동 액츄에이터는 이동식 연동 기구의 일 측면에 단단히 결합되고 수동 액츄에이터는 이동식 연동 기구의 타 측면에 결합될 수 있으며, 이때 수동 액츄에이터는 적절히 정렬될 수 있도록 하기 위해 소량의 만곡부와, 브레이크가 로킹될 때 동작을 감지할 수 있도록 하기 위해 소량의 유격부를 갖는 부재에 의해 결합된다. 그 후, 이들 액츄에이터 중 어느 하나 또는 모두는 이런 자유도로 힘을 제공하도록 여기될 수 있다.
능동/수동 Y-축 및 능동/수동 X-축 설비
능동 액츄에이터 및 수동 액츄에이터의 조합이 본 실시예에서 X-축 및 Y-축 모두에 힘을 출력하기 위해 사용된다. 모터와 같은 능동 액츄에이터부는 언덕 및 스프링과 같은 능동 촉감을 위해 사용될 수 있으며, 브레이크와 같은 수동 액츄에이터부는 소정 패턴의 외측으로 향하는 변속 레버의 동작을 방지하기 위해 사용될 수 있다. X-축 액츄에이터는 장치가 자동 또는 순차 모드(또는 그 밖의 유사한 모드)에 있을 때 X-축 동작을 방지하기 위해 브레이크를 사용할 수 있으며, 능동 모터는 스프링 중심을 제공할 수 있다.
본 설비가 기계적 게이트 없이 사용되는 경우, X-축 브레이크는 변속 레버가 변속 패턴의 수직 채널 중 하나 내에서 (그리고 중심 수평 채널에 있지 않은) Y-방향으로 이동될 때마다 로킹될 수 있음으로 해서, 그 채널 내에서의 X-축 동작을 방지한다. Y-축 브레이크는 변속 레버가 (수동 모드에서) 수직 변속 채널 중 하나의 외측으로 X-방향으로 이동할 때마다 로킹될 수 있다. 상술한 실시예와 마찬가지로, 기계적 게이트가 개선된 강성과 보다 강한 장벽 힘을 제공하기 위해 사용될 수도 있다.
완전 수동 설비
본 설비는 변속 레버의 X-축 및 Y-축 동작을 위해 브레이크과 같은 수동 액츄에이터만을 올린다. 브레이크는 변속 레버가 선택된 변속 패턴 외측으로 이동하는 것을 방지하기 위해 변속 레버에 번갈아가며 적용된다. 기계적 스프링은 변속 레버 상에 스프링 중심력을 제공하기 위해 사용됨으로써, 변속 레버를 중간 중립 위치 N쪽으로 편의시킬 수 있다. 자동, 순차 또는 유사한 일-채널 모드에서, X-축 브레이크는 사용자가 변속 레버를 중심 채널 외측으로 이동시키는 것을 방지한다. 수동 모드에서, Y-축 브레이크는 사용자가 변속 레버를 중심 수평 채널로부터 차단되도록 기대되는 영역(예컨대, 영역 A, B, C 또는 D) 내로 이동시키는 것을 방지한다. 변속 레버가 수동 모드의 기어 위치로 이동될 때, 브레이크는 스프링 편의력이 스틱을 이동시키는 것을 방지하는 위치에 레버를 로킹할 수 있다. 브레이크는 레버가 기어 위치 내로 떨어지는 것을 가상하고 사용자에게 현재 선택부를 알리기 위해 멈춤부, 제동 등과 같은 촉감을 생성할 수도 있다. 자동 모드 및 기대되는 다른 모드에서, 가벼운 저항력이 브레이크에 의해 변속 레버에 인가되어서 기계적 스프링에 의해 마련되는 스프링 힘을 소멸시킬 수 있다. 이와 달리, 자동 모드에서, 브레이크는 각각의 기어에서 로킹될 수 있으며, 변속 레버 상의 버튼 또는 다른 제어부가 사용자에 의해 눌려져서 브레이크를 해제하고 변속 레버가 다른 기어 위치로 이동될 수 있도록 한다. 여러 실시예에서, 예컨대 레버가 하나의 기어에서 다른 기어쪽으로 이동될 때, 브레이크는 순전히 변속 레버의 위치 정보에 기초하여 해지될 수 있다(미국 특허 제5,767,839호에 개시된 바와 같이, 브레이크가 레버에 예컨대 소량의 유격부를 사용하여 로킹될 때 동작이 감지될 수 있다.)
주목해야 할 점은, 상술한 촉각식 변속기 장치의 기능은 모의 차량에 대해서도 사용될 수 있다는 점이다. 예컨대, 전자 장치, 컴퓨터 또는 비디오 게임 장치에 방향 신호 또는 데이터를 입력하기 위한 조이스틱 장치는 본 명세서에서 설명된 모드와 촉각 반응을 포함할 수 있다. 예컨대, 이들 변속 패턴을 갖는 조이스틱은 컴퓨터 시스템의 디스플레이 장치 상에 화상을 표시함으로써 운전자의 시야가 가상적으로 그려지는 컴퓨터 시뮬레이션의 가상 차량에서 가상된 기어를 변경하기 위해 스틱시프트 또는 변속 레버를 모의 실험하도록 사용될 수 있다. 측방향 동작을 갖는 회전식 손잡이, 마우스 또는 트랙볼, 또는 그 밖의 가동 조작구와 같은 그 밖의 인터페이스 장치가 본 명세서에서 설명된 이동 패턴 및 모드로 사용될 수 있다.
도7은 본 발명의 촉각식 변속 장치와 사용하기에 적절한 전기 기기 시스템(200)을 도시한 블록도이다. 많은 유사한 구성 요소를 포함하는 촉각 반응 시스템은 그 내용이 전체적으로 합체되어 있는 미국 특허 제5,734,373호에 상세히 설명된다.
일 실시예에서, 제어 장치는 로컬 프로세서(202), 로컬 클록(clock)(204), 로컬 메모리(206), 센서 인터페이스(208) 및 액츄에이터 인터페이스(210)을 갖는 전자부를 포함한다.
로컬 프로세서(202)는 촉각식 변속 장치(10)에 대해 "국부적"인 것으로 고려되며, 이때 국부적이란 모든 다른 프로세서와 별도인 프로세서(202)를 지칭하며 레버(12)에 대해 촉각 반응 및/또는 센서 입/출력 전용인 프로세서(202)를 지칭한다. 프로세서(202)는 센서 또는 센서 인터페이스로부터 센서 신호를 판독해서 변속 레버(12)에 의해 선택된 차량의 기어를 결정할 수 있으며, 그후 차량의 기어가 기계적으로 전환될 수 있도록 제어 시스템 또는 그 밖의 프로세서에 적절한 데이터를 제공할 수 있다. 예컨대, 제어 시스템은, 시프트-바이-와이어 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, 변속 기어를 변속하기 위해 적절한 기계 부품을 이동시키도록 다른 액츄에이터를 제어할 수 있다. 이와 달리, 프로세서(202)는 데이터로부터 적절한 차량 기어를 결정하고 그 기어로의 전환을 제어하는 제어 시스템으로 위치 데이터를 간단히 통과시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 프로세서(202)는 차량에서도 변속 프로세서를 제어할 수 있다.
여러 실시예에서, 프로세서(202)는 호스트 명령에 따라 선택된 센서 신호, 시간 신호 및 힘 처리로부터 적절한 힘을 계산해서 변속 레버 상에 촉감을 출력하기 위해 액츄에이터에 적절한 제어 신호를 출력할 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 프로세서는 힘을 결정해서 제어할 수 있다. 프로세서(202)는 (하나의 마이크로프로세서 칩, 다중 프로세서, 코-프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP) 등과 같은) 마이크로프로세서일 수 있다. 또는, 프로세서(202)는 고정식 디지털 로직, ASIC, 상태 기계(state machine) 또는 다른 유형의 프로세서일 수 있다.
로컬 클록(204)은 타이밍 데이터를 제공하기 위해 프로세서(202)에 결합될 수 있으며, RAM 및/또는 ROM과 같은 로컬 메모리(206)는 바람직하게는 프로세서(202)에 결합되어서 지시와, 일시적 그리고 그 밖의 데이터와, 보정 매개 변수와, 센서 변위를 보상하기 위한 조절기 및/또는 장치의 상태를 저장한다. 디스플레이(16)가 여러 실시예에 제공될 수 있으며, 로컬 프로세서(202)에 결합된다. 대안으로서, 다른 프로세서 또는 제어부가 디스플레이(16)로의 출력을 제어할 수 있다.
센서(214)에 의해 제공된 센서 신호를 프로세서(202)에 의해 해독될 수 있는 신호로 전환하는 센서 인터페이스(208)가 선택적으로 포함될 수 있다. 예컨대, 센서 인터페이스(208)는 판독기와 같은 디지털 센서(214)로부터 신호를 수신해서 이 신호를 디지털 이진수로 전환할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 사용될 수도 있다. 대안으로서, 프로세서(202)는 이들 인터페이스 기능을 수행할 수 있다. 액츄에이터 인터페이스(210)는 프로세서(202)로부터의 신호를 액츄에이터를 구동하기에 적절한 신호로 변환하기 위해 액츄에이터(들)(216)과 프로세서(202) 사이에서 선택적으로 연결될 수도 있다. 액츄에이터 인터페이스(210)는 동력 증폭기, 스위치, 디지털-아날로그 제어기(DAC) 및 그 밖의 구성 요소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 액츄에이터 인터페이스(210) 회로는 프로세서(202) 내에 또는 액츄에이터(들)에 마련될 수 있다. (자동차에서 차 배터리 또는 교류기를 포함하는) 다양한 유형의 어느 하나의 동력 공급부(212)가 액츄에이터에 전기 동력을 제공하기 위해 액츄에이터 및/또는 액츄에이터 인터페이스(210)에 결합될 수 있다.
시스템의 기계부는 그 일부 예가 위에서 설명된 변속 레버(12)의 허용된 동작을 위해 필요한 구성 요소 중 일부 또는 모두를 포함할 수 있다. 센서(214)는 1 이상의 자유도에서 레버(12)의 위치, 동작 그리고/또는 다른 특징을 감지해서 이들 특징을 나타내는 정보를 포함하는 프로세서(202)(또는 다른 프로세서)로 신호를 제공한다. 센서(214)가 레버(21)가 이동할 수 있는 각각의 자유도를 위해 제공될 수 있거나, 단일의 복합 센서가 다중 자유도를 위해 사용될 수 있다. 적절한 센서의 예는 도3b의 센서(62)와, 광학 판독기와, 전위차계와 같은 아날로그 센서와, 홀 효과 자기 센서와, 측방 효과 광 다이오드와 같은 광학 센서와, 회전 속도계와, 가속계 등을 포함한다. 또한, 절대 또는 상대 센서가 사용될 수 있다.
액츄에이터(216)는 프로세서(202) 또는 전자 로직 또는 장치에 의해 출력되는 신호에 반응해서 통상적으로 회전 자유도로 하나 이상의 방향으로 레버(12)에 힘을 전달한다. 즉, 이것은 "전자적으로 제어"된다. 액츄에이터(216)는 프로세서(202) 또는 다른 전자 장치가 힘의 적용을 제어함을 의미하는 전자적으로 변조된 힘을 생성한다. 액츄에이터(216)는 각각의 자유도를 위해 제공될 수 있다. 액츄에이터(216)는 선형 전류 제어 모터, 스텝 모터, 공압식/유압식 능동 액츄에이터, (각방향 범위가 제한된 모터인) 토오커(torquer), 자기-유동 브레이크, 음성 코일 액츄에이터 등과 같은 능동 액츄에이터일 수 있다. 자기 입자 브레이크, 마찰 브레이크 또는 공압/유압 수동 액츄에이터를 포함하는 수동 액츄에이터가 사용될 수도 있으며, 어느 정도의 동작에서 제동 저항 또는 마찰을 생성할 수 있다. 이제까지 능동 및 수동 액츄에이터를 사용하는 실시예에 대해 설명하였다.
기구(218)는 레버(12)의 동작을 센서(214)에 의해 판독될 수 있는 형태로 해석하고, 액츄에이터(216)로부터 레버(12)로 힘을 전달하기 위해 사용된다. 위에서는 기구(218)의 일부 예를 설명하였다. 또한, 벨트 드라이브, 기어 드라이브 또는 캡스턴 드라이브 기구와 같은 구동 기구가 액츄에이터(216)에 의해 출력된 힘에 대해 기계적 장점을 제공하기 위해 그리고/또는 개선된 감지능을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
그 밖의 입력 장치(220)는 프로세서(202)에 입력 센서를 보내기 위해 포함될 수 있다. 이런 입력 장치는 패널로부터 제어 장치로의 입력을 보조하기 위해 사용되는 버튼 또는 그 밖의 제어부를 포함할 수 있다. 또한, 다이얼, 스위치, 음성 인식 하드웨어(예컨대, 프로세서(202)에 의해 구현되는 소프트웨어를 구비한 마이크로폰) 또는 다른 입력 기구가 프로세서(202)로 또는 액츄에이터(216)로 입력을 제공하기 위해 포함될 수 있다. 데드맨 스위치(deadman switch)가 레버(12) 상에 또는 그 근처에 포함될 수 있으며, 이로써 사용자가 레버에 접촉하지 않을 때 레버가 그 스스로 이동하는 것을 방지하기 위해 사용자가 원할 때 레버와 접촉하지 않을 때 힘의 출력을 중단시키며, 예컨대 레버와 사용자의 손 또는 손가락(손가각, 엄지 등)의 접촉은 광학적, 저항성, 유동성, 힘/압력 또는 그 밖의 센서를 사용하여 검출될 수 있으며, 사용자로부터 가해지는 레버 상의 압력은 공지된 센서를 사용하여 검출될 수 있으며, 레버 상에 가해지는 사용자 손의 무게는 검출될 수 있으며, 레버 상의 힘은 변형 게이지 등을 사용하여 측정될 수 있다.
하나 이상의 다른 프로세서(224)가 로컬 프로세서(202)와의 통신을 위해 여러 실시예에 포함될 수 있다. 프로세서(202, 224)는 바람직하게는 양방향 버스(226)에 의해 서로 결합된다. 추가적 전자 구성 요소가 버스(226) 상의 표준 프로토콜을 거친 통신을 위해 포함될 수도 있다. 이들 구성 요소는 장치 또는 그 밖의 연결 장치에 포함될 수 있다. 버스(226)는 다양한 서로 다른 통신 버스 중 임의의 것일 수 있다. 예컨대, 양방향 직렬 또는 병렬 버스, 무선 링크, (CATV 버스와 같은) 네트워크 구조(network architecture) 또는 일방향 버스가 프로세서(224, 202) 사이에 마련될 수 있다.
다른 프로세서(224)는 제어 장치와의 작업이나 기능을 통합하는 다른 장치 또는 시스템에서 별도의 마이크로프로세서[또는 프로세서(202)에 대해 상술한 바와같은 다른 유형의 프로세서]일 수 있다. 예컨대, 다른 프로세서(224)는 상술한 바와 같이 차량의 기어의 실제 변속을 제어할 수 있다. 여러 실시예에서, 다른 프로세서(224)는 차량의 별도의 제어 부시스템에 마련될 수 있으며, 여기에서 다른 프로세서(224)는 차량 내의 온도 시스템과 같은 시스템, 기계적 구성 요소의 위치(차 미러, 시트, 변속기 변환점 또는 위치 등) 또는 다양한 시스템으로부터의 정보를 표시하는 중심 디스플레이 장치를 제어한다. 또는, 다른 프로세서(224)는 제어된 촉각식 변속 장치 및 프로세서(202)를 포함하는 많은 시스템을 위한 호스트 프로세서 또는 중앙 제어기일 수 있다. 두 개(또는 두 개 이상)의 프로세서(202, 224)는 다양한 시스템의 출력, 사용자에 대한 사건 통지 출력 등을 용이하게 하기 위해 필요한 정보를 교환할 수 있다. 예컨대, 차량이 여러 방식으로 오기능한다고 다른 프로세서(224)가 판단하거나 확인하는 경우, 다른 프로세서(224)는 이 정보를 로컬 프로세서(202)로 통신할 수 있고, 그 후 로컬 프로세서(202)는 사용자에게 경고하기 위해 디스플레이(16) 또는 다른 디스플레이 상에 특별한 지시자(및/또는 변속 레버 상에 촉감)를 출력할 수 있다. 또는, 레버(12)가 변속 또는 제어의 다른 모드로 허용되는 경우, 다른 프로세서(224)는 다른 모드의 일부 또는 모두를 제어할 수 있다.
그 밖의 실시예에서, 다른 프로세서(224)는, 예컨대 호스트 명령을 로컬 프로세서로 전달함으로써 역감을 출력하도록 로컬 프로세서(202)에 명령하는 호스트 프로세서일 수 있다. 호스트 프로세서는 단일 프로세서일 수 있거나, 퍼스널 컴퓨터와 같은 컴퓨터, 워크 스테이션, 비디오 게임 콘솔, 휴대용 컴퓨터 또는 그 밖의 계산 또는 디스플레이 장치, 셋톱 박스 등에 마련될 수 있다. 호스트 프로세서는 랜덤 억세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 입/출력(I/O) 회로, 및 기술 분야의 당업자에게 공지된 컴퓨터의 그 밖의 구성 요소를 포함할 수 있다. 호스트 프로세서는 사용자가 레버(12) 및/또는 다른 제어부 및 주변 기기를 사용하여 상호 작용하는 호스트 응용 프로그램을 실행할 수 있다. 호스트 응용 프로그램은 레버(12)로부터의 신호에 응답할 수 있다. 여러 실시예에서, 호스트 응용 프로그램은 로컬 프로세서(202) 및 레버(12)에 힘 피드백 명령을 출력할 수 있다. 호스트 프로세서 실시예 또는 다른 유사한 실시예에서, 프로세서(202)에는 호스트 프로세서로부터의 명령 또는 요구를 대기하고, 명령 또는 요구를 해석/해독해서, 명령 또는 요구에 따르는 입력 및 출력 신호를 조작/제어하는 소프트웨어 지시가 제공될 수 있다.
예컨대, 하나의 힘 피드백 실시예에서, 호스트 프로세서(224)는 로컬 프로세서(202)가 힘을 액츄에이터로 직접 전달하는 버스(26) 위로 저수준 힘 명령을 제공할 수 있다. 다른 힘 피드백 로컬 제어 실시예에서, 호스트 프로세서(224)는 버스(226) 위의 프로세서(202)로 고수준 관리 명령을 제공하고, 프로세서(202)는 고수준 명령에 따라 그리고 호스트 프로세서(224)에 독립하여 센서 및 액츄에이터로의 저수준 힘 제어 루프를 조절한다. 로컬 제어 실시예에서, 프로세서(202)는 로컬 메모리(206)에 저장될 수 있고, 계산 지시, 공식, 힘 크기(힘 프로파일) 및/또는 다른 데이터를 포함하는 "힘 처리"의 지시에 따름으로써 적절한 출력 액츄에이터 신호를 결정하도록 센서 신호를 독립적으로 처리할 수 있다. 힘 처리는 제동, 스프링, 경계부, 멈춤부, 진동, 텍스쳐, 요동 등과 같은 뚜렷한 역감을 레버(12) 상으로 명령할 수 있다. 힘 피드백 적용시 로컬 프로세서의 이런 작업의 일 예가 미국 특허 제5,734,373호에 상세히 개시되어 있다.
다른 실시예에서는 인터페이스 장치에 로컬 프로세서(202)가 포함되어 있지 않으며, 프로세서(224)와 같은 프로세서가 촉각식 변속 장치(10)의 구성 요소에서 나오고 들어가는 모든 신호를 제어하고 처리한다. 또는, 회로 접속된 디지털 로직은 변속 장치(10)에 대한 모든 입/출력 기능을 수행할 수 있다.
역감
이하, 본 명세서에서 설명한 촉각식 변속 장치에 사용하기에 적절한 많은 역감에 대해 설명하기로 한다.
레버(12) 상으로 출력된 힘 효과는 스프링, 제동, 텍스쳐, 진동, 멈춤부, 요동 또는 펄스, 텍스쳐, 관성력, 마찰, 방해(장벽) 또는 동적인 힘 효과를 포함할 수 있다. 많은 이들 효과는 모두 전체적으로 본 명세서에서 인용되어 합체된 미국 특허 출원 제09/783,936호와 같은 출원과, 미국 특허 제5,734,373호, 제6,147,674호, 제6,154,201호 및 제6,128,006호에 설명되어 있다. 역감은 레버(12)에 의해 제공되는 제어 기능과 일체로 구현될 수 있다. (스프링과 같은) 몇몇 감각은 능동 액츄에이터만을 사용하여 출력될 수 있다.
기본적 역감은 사용자에게 레버가 얼마나 많이 이동되었는지를 알리기 위해 그리고/또는 레버의 특별한 위치를 지시하기 위해 레버(12)의 미리 한정된 또는 규칙적으로 이격된 위치에 출력되는 힘 멈춤부이다. 힘 멈춤부는 멈춤부의 위치를 지시하기 위해 또는 레버의 특별한 위치를 표시하기 위해 명령된 방향으로 출력되는 간단한 요동 또는 충돌 힘일 수 있거나, 멈춤부는 레버를 특별한 위치로 끌어 당기고 그리고/또는 그 위치로부터 벗어나는 레버의 이동에 저항하는 힘을 포함할 수 있다. 힘 피드백 "스냅-투(snap-to)" 멈춤부는 손잡이가 멈춤부 위치 바로 외측에 있을 때 작은 힘이 손잡이를 멈춤부 위치로 편의시키는 곳에 마련될 수 있다. 여러 유형의 멈춤부가 미국 특허 제6,154,201호 및 제5,734,373호에 설명되어 있다.
레버(12) 상으로 출력될 수 있는 다른 유형의 역감은 스프링 힘이다. 스프링 힘은 레버와 지면 사이에 물리적 스프링을 모의실험하기 위해 레버의 양 방향 이동에 대한 저항력을 제공할 수 있다. 이는, 예컨대 사용자가 레버의 진행을 허용한 후, 그 저항 또는 중심 위치로 레버를 "스냅-백(snap-back)"하기 위해 사용될 수 있다. 제동력 감각은 레버의 속도에 기초하여 레버의 동작을 감속하기 위해 레버(12) 상에 제공될 수도 있다. 작은 크기의 스프링 힘이 멈춤부 또는 그 밖의 특징을 위해 사용될 수도 있다.
"언덕" 힘 효과가 여러 실시예에서 사용될 수 있다. 언덕 힘 효과는 언덕의 "피크"가 도달될 때까지 점차 증가하는 저항력으로서 작용하며, 피크에 도달한 후 이 힘은 사용자가 피크로부터 벗어나서 계속 이동하는 것을 돕는다. 이런 효과는 예컨대 변속 기어의 기어 선택부 사이에서 사용될 수 있다. 언덕 효과의 이런 예는 미국 특허 출원 제09/783,936호에 설명되어 있다.
장벽 힘 효과는 사용자에게 레버가 그 동작의 한계에 도달해서 변속 레버가 부분적으로 또는 전체적으로 경계를 "뒤의" 위치로 이동하는 것을 물리적으로 차단하는 알리는 의미가 있다. 경계 효과를 구현하는 한 방식은 큰 크기 또는 "강성도"를 갖는 간단한 스프링 힘을 제공하는 것이다. 종래 기술의 스프링은 통상적으로 저항력 출력이 손잡이가 스프링 내로 이동되는 거리에 선형적으로 비례하는 F = kx와 같은 관계를 사용하여 설계된다. 선형적인, 기하 급수적인 또는 다른 유형의 프로파일을 갖는 경계가 사용될 수 있으며, 일부 경계 효과는 2001년 2월 14일 출원된 계류중인 미국 특허 출원 제09/873,936호에 설명된다. 다른 유형의 경계 효과도 구현될 수 있다.
그 밖의 역감이 사용자에게 레버(12)에 대한 이동의 종료를 알리기 위해 출력될 수 있다. 예컨대, 보통의 멈춤부보다 크기가 큰 요동력이 출력될 수 있으며, 이는 사용자에게 수치의 범위 또는 다른 범위의 끝 부분이 도달되었거나 곧 도달함을 알리는 것이다.
이들 임의의 역감은 다중의 동시적 힘 효과를 제공하도록 결합될 수 있다.
본 발명은 여러 개의 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였지만, 본 발명의 범위 내에서 개조, 변조 및 변경이 가능하다. 상술한 실시예는 특별한 설비 또는 실시예에서 다양한 방식으로 결합될 수도 있다. 또한, 임의의 용어는 설명을 보다 명백히 하기 위해 사용되었으며, 본 발명을 제한하지 않는다. 따라서, 다음의 첨부된 청구범위는 본 발명의 범위 내에 있는 개조, 변조 및 변경과 같은 것을 포함한다.

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 자유도로 이동 가능한 매니퓰랜덤과,
    상기 적어도 하나의 자유도에서 상기 매니퓰랜덤의 위치를 검출하고, 차량의 변속비가 상기 매니퓰랜덤의 상기 위치에 기초하여 변경되게 상기 위치를 출력하도록 작동될 수 있는 적어도 하나의 센서와,
    상기 메니퓰랜덤에 결합되고, 장벽 힘을 상기 매니퓰랜덤에 출력하도록 작동될 수 있는 적어도 하나의 수동 액츄에이터와,
    경계를 갖는 소정의 변속 패턴에 상응하는 기계적 게이트를 포함하며,
    상기 장벽 힘과 상기 기계적 게이트는 상기 매니퓰랜덤을 상기 소정의 변속 패턴의 경계 내에서 이동될 수 있도록 구속하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서로부터의 상기 위치 데이터를 수신하고, 상기 변속비가 변경되게 작동될 수 있는 데이터를 출력하도록 작동될 수 있는 프로세서를 추가로 포함하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 차량은 자동차를 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 차량은 컴퓨터에 의해 구현된 가상 차량을 포함하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 매니퓰랜덤은 변속 레버를 포함하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 패턴은 상기 패턴의 카르테시안적 배향에 대하여 상기 매니퓰랜덤의 비카르테시안적 이동을 허용하는 상기 매니퓰랜덤용의 적어도 하나의 채널을 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기계적 게이트는 두 개의 서로 다른 패턴을 제공하도록 작동될 수 있으며, 상기 패턴 중 하나는 수평 채널에 의해 결합된 적어도 두 개의 수직 채널을 갖는 수동 변속기 패턴이고, 상기 패턴 중 다른 하나는 단일 수직 채널을 갖는 자동 변속기 패턴인 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기계적 게이트는 다중 자유도에서 상기 매니퓰랜덤에 대한 기계적 장벽을 제공하도록 작동 가능한 적어도 하나의 기계적으로 이동하는 구성 요소를 갖는 가변형 기계적 게이트를 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기계적으로 이동하는 구성 요소는 상기 패턴에서 수평 채널을 차단하도록 작동 가능한 복수 개의 게이트 핑거를 포함하는 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기계적으로 이동하는 구성 요소는 상기 패턴에서 채널을 차단하도록 선형적으로 이동 가능한 게이트 구성 요소를 포함하는 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기계적으로 이동하는 구성 요소는 상기 패턴에서 채널을 차단하도록 회전식으로 이동 가능한 게이트 구성 요소를 포함하는 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액츄에이터는 두 개의 액츄에이터를 포함하며, 상기 액츄에이터 중 하나는 상기 매니퓰랜덤에 저항력을 제공하도록 작동될 수 있는 저항 액츄에이터이고, 상기 액츄에이터 중 다른 하나는 상기 매니퓰랜덤에 작용력을 출력하도록 작동될 수 있는 능동 액츄에이터인 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액츄에이터는 두 개의 액츄에이터를 포함하며, 상기 액츄에이터 양쪽 모두는 상기 매니퓰랜덤에 저항력을 출력하도록 작동될 수 있는 저항 액츄에이터인 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 또한 상기 매니퓰랜덤에 촉각 효과를 야기하도록 작동될 수 있는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 촉각 효과는 멈춤과 언덕 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  16. 제1항에 있어서, 제2 프로세서와 통신하는 제1 프로세서를 추가로 포함하고, 상기 제2 프로세서는 상기 차량의 추가 기능을 조절하는 장치.
  17. 제1항에 있어서, 복수 개의 변속 모드 중 적어도 하나를 선택하기 위한 매니퓰랜덤 모드 선택기를 추가로 포함하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 복수 개의 변속 모드는 자동 모드, 수동 모드 및 순차 모드 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 변속 모드 중 적어도 두 개는 상기 매니퓰랜덤에 대해 서로 다른 물리적 특징을 제공하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 서로 다른 물리적 특징은 적어도 두 개의 서로 다른 모드에서 상기 매니퓰랜덤의 서로 다른 범위의 동작을 포함하는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 서로 다른 물리적 특징은 적어도 두 개의 서로 다른 모드에서 출력된 서로 다른 역감을 포함하는 장치.
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