TWI254874B - Force feedback mechanism for gamepad device - Google Patents

Description

1254874 五、發明說明（） 發明領域： 本發明大致關係於一機制，其可以對連接至一主計 裝置之手持使用者輸入裝置產生一力量，更明確地說， 係有關於一機制，其可以反應於來自一主計算裝置之 號，而施加一方向性觸覺反饋於一手持使用者輸入裝置 外殼上。 發明背景： 已經有幾種觸覺使用者輸入裝置發展出例如於主電 上執行模擬程式或遊戲時，反應於來自一主電腦之信號 而提供力量反饋。例如，微軟公司之SIDEWINDER搖桿 應於發生於電腦遊戲上之事件，基於由主電腦所傳送至 桿之命令，而提供一觸覺反饋給一握著該搖桿之使用者 例如，於一電腦遊戲之執行中，若所顯示之模擬角色被 例如一大石之模擬投射物所擊中，一來自主電腦之信號 得於搖桿中之致動器突然地以相同於模擬投射物之路徑 方向，移動搖桿。為致動器所產生於控制手把上之力量 加一觸覺感覺至使用者手上，該手係正握住搖桿控制手 者，表示該角色已經為投射物所擊中。於另一例子中， 一使用者命令一模擬角色移動進入一模擬膽，藉由移動 制把手於適當方向，則來自主電腦上之信號使致動器產 一力量，其抵抗搖桿控制手把之移動於該方向。此力量 握住搖桿的使用者之手施加一觸覺感覺，以表示為搖桿 控制之模擬角色已經跑入該牆中。 第4頁 算 其 信 之 腦 反 搖 使 的 施 把 若 控 生 對 所 1254874 五、發明說明（） 同樣地’微軟公司之SIDEWINDER方向盤，提供握住 該方向盤之使用者—觸覺反饋並使用之以反應於來自模擬 一車輛模擬的主電腦之信號，而控制一模擬車輛。若一模 擬車輛碰撞並有一來自一模擬牆之反彈，則一來自該模擬 之k號使彳于一連接至安裝有方向盤之軸的致動器突然地以 相同於模擬車輛回彈方向轉動該方向盤。方向盤同時也反 應於一車輛正行經之模擬粗糙面而振動。 不同於觸覺搖桿及觸覺方向盤，力量反饋係典型地以 不同方式施加至遊戲墊輸入裝置。一遊戲墊輸入裝置使用 一多位置搖動開關，其係正常下為一使用者之姆指所致 動’以對在主電腦或計算裝置螢幕上之物件，提供控制用 之輸入信號。因為一遊戲墊輸入裝置並不包含一為使用者 所握持之控制手把或方向盤，所以一觸覺反饋並不能直接

去除能量於一電磁裝置，以 韦马旋轉偏置反向重物或施加和 以振動一鐵磁塊體而加以產生。 此振動並未提供一沿著特定軸線之方向性力量反饋。因 此，無向性振動正被用於幾項遊戲墊手持裝置，其並

含一搖桿控制手把 置移動之控制件。 增加大量之重量， 然而，吾人想要加強具有有持輸入 1254874 五、發明說明（） 之使用者經驗，藉由提供方向性觸覺反饋給使用者。一 方向係揭示於共同受讓之美國專利第5,643,087號案中 該案描述一具有可動件之手持式輸入裝置，該可動件夾 使用者之姆指或其他指部。該可動件因此類似於一非握 性小型搖桿控制手把，但藉由至少部份繞著使用者之 指，而提供給使用者之更有效接觸。該可動件可以相對 兩正交軸作移動，並接收一沿著這些正交轴之一或兩者 力量。 雖然上述方法可以使用，但該方向性觸覺反饋係主 限制於一使用者之單一手指上。因此，吾人想要提供方 性觸覺反饋給使用者之至少一手上，如同現行握住觸覺 置之控制把手或方向盤所提供的般，但又不必在輸入裝 上有一大的可握持控制件。 種 J 住 持 手 於 之 要 向 裝 置 發明目的及概述： 依據本發明，一輸入裝置被定義為對握持該裝置之 用者提供一方向性力量反饋感覺。該輸入裝置包含一 殼，其係適用以被握持，即足夠小而能被支撐於一操作 之手中。一原動機係安置於該外殼内並可作動地連接至 塊體。該原動機使得該塊體反應於接收自主裝置之控制 號而移動。當塊體由於塊體之動量變化而開始或停止移 時，一方向力量會施加至該外殼，這會經由該外殼對握 住該外殼之使用者提供觸覺感覺。 較佳地，原動機包含一馬達，其旋轉一馬達軸，以 第6頁 使 外 者 信 動 持 移 1254874 五、 發明說明 () 動 該 塊 體 〇 輸入 裝 置 同 時也包含一 感 應 器 1 用 以 例 如 藉 由 監 視 該 軸 之 旋轉 角 度， 而直接或1 3曰1接： 決 定 該 塊 體 之 位 置 速 度 及 /或加 速 度 〇 該 輸 入 裝置 較 佳 利 用一傳動裝 置 以 連 接 原 動 機 至 該 塊 體 使 得 該塊 體 移 動 。或者，較 佳 地 該 傳 動 裝 置 為 一 齒 輪 傳 動 其中 在 軸 之 一端之第一 齒 輪 係 岸馬 合 至 一 第 二 齒 輪 〇 第 二 齒 輪係 可 框 轉 地安裝至外 殼 上 〇 連 接 至 該 第 二 齒 輪 的 是 一 向 外延 伸 臂 ， 其係垂直於 第 二 齒 輪 之 旋 轉 軸 Ο 塊 體 係 附 著 至 臂的 另 一 i，使得該第- 一 1 齒 輪 驅 動 該 第 二 齒 輪 沿 著 一 柩轉 點旋J 缚 ，該塊體移1 Ιί;經一 -弧形件。 因 此 該塊 體 被 驅 動經該弧形 件 之 至 少 一 部 份 及 當 突 狄 /V\\ 停 止 時 ，施 加 一 大 致正切於塊 體 之 弧 形 件 之 線 性 方 向 的 反 應 力 給 外殼 〇 此 反 應力之方向 可 以 選 擇 地 藉 由 改 變 弧 形 件 之 酉己 置 及塊 體 沿 著 該弧形件之 停 止 點 而 加 以 選 擇 性 地 修 改 〇 或 者， 當 塊 體 或臂接觸一 機 械 止 動 件 時 塊 體 停 止 〇 於 另 一 實施 例 中 塊體係為一 機 械 鏈 結 臂 所 移 動 經 一 弧 形 件 〇 用 於此 實 施 例 中之傳動裝 置 包 含 一 為 致 動 器 所 旋 轉 之 車 螺 紋 .軸。 該 :致f 器直接或經1 對 錐 齒 輪 驅 動 該 轴 〇 該 車由 之 螺紋 配 合 一 沿著至少部 份 軸 長 度 移 動 之 導 引 螺 帽 之 内 螺 紋 。該 螺 帽 具 有一銷垂直 於 該 軸 延 伸 並 進 入 一 安 置 於 鏈 結 臂 之近 端 中 之 槽中。當螺 帽 沿 著 軸 長 度 移 動 時 該 銷 作 動 以 抵住 於 臂 中 之槽的邊緣 使 得 該 臂 以 沿 著 一 框 轉 點 極 轉 〇 塊體 所 附 著 之臂的近端 以 相 同 於 臂 之 遠 端 之 旋 第7頁 1254874 五、 發明說明 ( ) 轉 方 向 ， 沿 著 枢 轉 點樞 轉 。當螺帽 停止時，銷接 觸 臂 中 之 槽 的 另 一 緣 使 得 該臂 及 塊體停止 於沿著弧形件 之 一 點 〇 或 者 當 塊 體 Λ 鏈 結臂 或 螺帽接觸 一機械式止動 件 時 J 塊 體 可 以 停 止 ο 另 一 實 施 例 則 更簡 單 使用一螺 帽作為該塊體 〇 該 螺 帽 係 被 提 供 以 防 止 與 轴一 起 旋轉，而 是當車螺紋軸 旋 轉 時 J 沿 著 軸 旋 轉 〇 塊 體 於末 端 點處或當軸停止時停止。 本 發 明 較 佳 更 包含- -控制器 ，其供應能量 給 該 原 動 機 使 得 該 原 動 機 反應 於 接收自主 裝置，例如一 電 腦 5 數 位 選 擇 盒 電 視 遊 樂器 控 制器，電 子遊戲機，或 連 接 至 輸 入 裝 置 之 玩 具 之 控 制信 號 而移動該 塊體。另外， 該 力 量 信 號 可 以 反 應 於 一 儲 存在 一 包含於輸 入裝置中之記 憶 體 的 命 令 程 序 〇 本 發 明 之 另 一 態樣 為 一種方法 ’用以於輸入 裝 置 之 外 殼 上 發 展 一 觸 覺 力 量。 該 方法包含 以上述設備元 件 所 實 施 的 功 能 相 符 之 步 驟 〇 本 發 明 之 上 述 態樣 及 其他優點 可以藉由參考 以 下 詳 細 說 明 ， 配 合 上 附 圖 而更 容 易了解。 圖 式 簡 單 說 明 第 1 圖 為 入 裝 置 之外 部 可見元件之等角投影圖； 第 2 圖 為 fm 入 裝 置 之第 一 較佳實施例之分解圖； 第 3 圖 為 TO 入 裝 置 之第 一 較佳實施例之内部元件平面圖； 第 4 圖 為 入 裝 置 之第 二 較佳實施例的分解圖； 第8頁 1254874 五、發明說明（） 第5圖為輸入裝置之第二較佳實施例的内部元件平面圖； 第 6圖為用以控制輸入裝置之系統方塊圖，該系統對輸入 裝置之外殼提供觸覺反饋。 圖號對照說明： 10 遊戲墊 11 連接線 12 主計算單元 14a 左瓣 14b 右瓣 16 閉合端 20 底外殼 22a 柱 24 樞轉安裝件 26 馬達安裝件 30 馬達 32 馬達軸 34 驅動齒輪 40 斜齒輪 42 輪轂 44 臂 46 插件 50 塊體 52 固定件 53 小孔 60 D轴 62 旋轉位置感應 70 印刷電路板 72 開關 74 按钮 76 開關組件 78 D-墊 80 姆指桿 90 頂外殼 92 弧 94 假想位置 96 線 98 點 1 14c 1 左瓣 1 14b 右瓣 120 底外殼 122a 、b 固定導件 124 鏈結安裝件 第9頁 1254874 五、發明說明（） 126 馬達安裝件 128 軸安裝件 130 馬達 132 馬達轴 136 斜齒輪 138 馬達板 139 固定件 140 軸斜齒輪 144a 、b 軸承 146 軸 148 螺紋 150 鉛螺帽 152 銷 153 槽 154 鏈結臂 155a 、b 固定件 156 插件 157a 、b 墊片 158 塊體 159 通道 160 送碼輪 161 轴 162 感應器 163 突點 170 印刷電路板 172 按鈕開關 174 按鈕 176 D墊開關組件 178 D墊 180 姆指桿 190 頂外殼 190a -c 小孔 192 弧 194 假想圖 196 線 198 點 199a 、b 止動件 200 控制器 202 主界面 204 位址線 206 資料線 208 UVEPROM 210 靜態隨機存取記憶體 212 多通道開關 214 按鈕 216 D墊 218 姆指桿 220 數位至類比轉換器 第10頁 1254874 五、發明說明（ 222 馬達放大器 22 6 位置感應器 224 馬達 2 2 8 類比至數位轉換器 發明詳細說明： _ ;第1圖所不，本發明開始實施於一手持式使用者 輸^裝置，其係被架構為—遊戲* 1〇,其反應於來自-電 月自il戲 電視遊樂益’或其他主計算單元1 2之於連接線 1 1上之^號，而提供觸覺反饋，該電腦遊戲正執行於一個 人電°例如’吾人可以相出遊戲墊1 〇可以與微軟公司之 X-BOX電視遊樂機台一起使用。較佳地，遊戲墊使得 一使用者提供輸入信號給電腦遊戲，並適用以使得一使用 者由於觸覺反饋而察覺到一方向性觸覺。遊戲墊係大致 被作成大小及形狀予以為使用者之單手或雙手所握持。較 佳地’該遊戲墊係呈一反”U”形之形式，如由握持住它於一 般操作位置的使用者所看到。使用者典型使用單手或雙手 握持單或雙直線左瓣丨4a及/或右瓣丨4b，該U形遊戲墊之 閉合端1 6係遠離使用者。 較佳地，遊戲墊1 〇包含一底外殼2 〇及一頂外殼9 0， 其係使用螺紋固定器（未示出）加以固定在一起。外殼支撐 其他包含安裝於遊戲墊内部之元件，這些元件將配合於第 2及4圖之分解圖之實施例加以討論。於” u ”形外殻之内側 中心安置有一具有軸3 2之馬達3 0，如由底外殼2 〇及頂外 殼90。使用者操作元件係被安裝，使得它們可以延伸經頂 外殼90 ’以遊戲墊1 〇，來促成在主計算裝置12上之圖形 第11頁 1254874 五、發明說明（） 物件的使用者控制。包含於使用者操縱元件的有控制 74、一多向 D -墊78及一姆指桿80。雖然於圖中未示 節，但多向 D -墊 7 8係為一搖動開關，其包含四開 點，並且，當使用者擺動D墊之八個等角分開方向中 時，產生一數位信號，以表示正作動之開關接點或鄰 關接點之組合。姆指桿 8 0係類似於用以相對於正交 軸，移動於主計算裝置上之圖形物件的姆指作動搖桿 手把。於遊戲墊所提供之其他細節係不必要的，並且 必顯示，因為這些細節並不特別有關於本發明。 第2圖例示遊戲墊10之分解圖。頂外殼9 0及底 20較佳係由模鑄塑膠作成並作成為使用者之雙手所握 遊戲墊之左瓣14a及右瓣14b。安排於底外殼20之内 有多數内螺紋之柱 22a，用以附著遊戲墊之其他元件 外殼上之固定件（未示出）。接近底外殼之中心位置的 樞轉安裝件 24及一馬達安裝件 26。較佳地，該樞轉 件及馬達安裝件係被模鑄成為塑膠底外殼20並作成外 提供一界面座及一支#面。 座落於馬達安裝件 26輪廓中的為馬達 3 0。於此 較佳實施例中，馬達3 0較佳為由強森電機工程有限公 販售之型號NF223G電動機。其他類似類型及型號之 機也可以使用。當於馬達軸32上產生約3.25x1 (Γ3牛： 時，馬達3 0係被額定以抽取約400毫安之電流。固定 達軸 3 2端向内延伸的為驅動齒輪 3 4，其較佳為一 輪0 按鈕 出細 關接 之一 近開 X-Y 控制 ，不 外殼 持之 側的 至底 有一 安裝 形以 第一 司所 電動 丨員-米 於馬 斜齒 第12頁 1254874 五、發明說明（） 驅動齒輪 34嚙合住一斜齒輪40，該斜齒輪具有垂直 於驅動齒輪34之旋轉軸之旋轉軸。齒輪40包含一輪轂42 及一臂 44，其由輪轂向外作徑向延伸。齒部（未示出）徑向 延伸於齒輪40之圓周旁，由臂44之一側延伸至另一側。 臂44由齒輪40之中心向外延伸，於垂直於擺式斜齒輪之 旋轉軸的方向。於臂44之遠端，一插件46係經由一孔固 定至臂44中。 一塊體50係以一固定件52固定於臂44之遠端，該固 定件係被插入經於塊體5 0中之小孔5 3並進入被車螺紋之 插件46中。塊體50較佳包含一通道，其座落於臂44上並 被作成形狀，以避免當臂 44及塊體 5 0掃過一限制弧形 時，干擾底外殼20。塊體 5 0較佳係由密度高材料或金屬 作成，例如，.鉛，其使得體積大小為最小。於此實施例 中，塊體50約20克重。 組合臂44及塊體5 0係被附著至旋轉位置感應器62之 D軸60，這係藉由座落於輪轂42之中心的相關D-形開口 至D軸加以完成。旋轉位置感應器62較佳係一電位計， 其係具有成比例於D轴旋轉位置之可變電阻。旋轉位置感 應器係定位於樞轉安裝件24内。組合之臂44及塊體5 0係 可旋轉地附著至樞轉安裝件24，使得臂及塊體可旋轉經一 弧形件。臂之可旋轉移動被監視，因為當臂相對於底外殼 移動經該弧件時，旋轉位置感應器62之D軸被旋轉。 另外附著至底外殼20的為一印刷電路板70，其包含 用以提供電源管理及馬達 3 0控制之電路。印刷電路板7 0 第13頁 1254874 五、發明說明（） 包含用以與一例如電腦1 2之主裝置相通訊之電路，該電腦 執行反應於接收自遊戲墊1 0之輸入信號的軟體，並產生供 給至遊戲墊之觸覺反饋控制信號。雖然此等通訊可能為無 線的，但其現行係實施於一連接至通用串列匯流排（USB)埠 之電纜上。明確地說，全速之USB係較佳的，但低速USB 也可以使用。反應於來自例如一電腦遊戲之軟體程式的控 制信號，於電路板7 0上之一控制器（未示出）供應能量給該 馬達 3 0。控制器可以基於來自任一開關 72之使用者輸入 信號而供應能量給馬達3 0，該開關係於一相應按鈕74被 使用者所壓下時被作動。同樣地，輸入信號係經由操作一 D-墊開關組件76加以取得，當D-墊78係被壓下於八個方 向之一時，該組件7 6作動開關（其細節未示出）。使得馬達 3 0為控制器所供應能量之輸入信號可以反應於使用者操縱 姆指桿80加以產生。 開關72、按鈕74、D-墊開關組件76、D-墊78及姆指 桿8 0係連接至印刷電路板7 0，印刷電路板7 0係固定至底 外殼20並為頂外殼90所覆蓋。頂外殼90係附著至底外殼 20，使得按鈕74、D-墊78及姆指桿80分別突出穿過於頂 外殼90中之相關小孔90a、90b及90c。 第3圖例示於底外殼20中之主要觸覺反饋元件的配 置。底外殼20包含多數柱子，例如柱子22b，用以導引固 定件，以固定印刷電路板70及頂外殼90(於第1圖中）。底 外殼2 0同時包含馬達安裝部 2 6，其係被模鑄以配合馬達 3 0之外形，以當頂外殼 9 0座落於馬達上及附著至底外殼 第14頁 1254874 五、發明說明（） 2 0上時，將馬達夾持於定位。 馬達齒輪3 4係被固定至馬達軸3 2上，使得馬達齒輪 旋轉於與馬達軸3 2相同之速率旋轉。馬達齒輪3 4較佳為 一斜齒輪，其包含响合齒輪40之齒的齒數。較佳地，所使 用之齒輪係得馬達齒輪34之六旋轉發生齒輪40之一旋轉 (即6 : 1之比例）。齒輪40之輪轂42係附著至旋轉位置感 應器62之D軸60上。當馬達30被提供以力量信號時， 馬達齒輪3 4旋轉，使得齒輪4 0對D軸6 0之軸旋轉，這 使得臂44極轉於D軸之中心軸上。 臂 44承載塊體 50，其係以一固定件 52固定至臂 44(如於第 2圖所示），該固定件嚙合車螺紋之插件46。塊 體50包圍一弧92於在D軸60之軸上之一點。弧92代表 臂44之由第一位置，例如虛線位置94行進至一由實線所 表示之第二位置。當力量信號被移去時，流動至馬達3 0之 電流被中斷，使得馬達停止驅動馬達齒輪3 4，其停止齒輪 40及塊體5 0之動作。當塊體5 0突然停止移動時，一相當 於塊體之動量的變化之反應力量係經由臂44及齒輪40之 輪轂42而加至 D軸及至旋轉位置感應器 62之外殼，因 此，至底外殼2 0上。反應力量之大小係為提供以供應能量 給馬達3 0之電流的函數。例如，一提供以供應能量給馬達 30之400毫安應產生一約0.12磅（0.5 4Nm)之力量以施加於 移動塊體 5 0上。反應力量係沿著線 9 6，該線係正切於圓 周弧92上之塊體5 0突然停止之一點9 8。塊體5 0於很短 時間，例如於1 0毫秒内停止。如所知的，時間係取決於塊 第15頁 1254874 五、發明說明（） 體，齒輪比，速度等。所有參數均影響系統。同時注意 若塊體停止抵抗一機械式止動件，則時間很短，因而， 生很大力量。 如上所述，塊體5 0減速及停止點及正切於弧之線的 向可以被控制，以想要方向施加一力量於底外殼2 0上。 4艮多例子中，吾人想要沿著X軸或Y軸施加一力量，X 係由左至右（取決於當塊體 5 0被停止時，塊體之移動 向），Y軸係由頂至底（即離開或朝向使用者-取決於當塊 突然停止時之塊體 5 0的移動方向）。當塊體開始由一停 位置快速地加速時，亦產生一反應力量，再次取決於當 由供應能量給馬達 3 0來產生加速度時，塊體位於何處 定。或者，也可加上，一反應力量可以藉由使塊體50衝 選用之機械式止動件99a及99b加以產生。 第 4圖例示一遊戲墊之另一實施例的分解圖。如同 上述之第一實施例，第二實施例包含一底外殼 12 0，其 較佳由模鑄塑膠作成並具有外尺寸及輪廓，以使得一使 者可以以一手或兩手握持住左瓣 1 14a及/或右瓣 1 14b。 外殼120包含一固定導件122a及12 2b (典型地），用以安 元件並連接至頂外殼。安裝於底外殼 1 20的為一鏈結安 件124，一馬達安裝件126及一軸安裝件128。較佳地， 安裝件係模鑄至底外殼 1 20並作成形狀以匹配它們所支 之元件的輪廓。例如，馬達安裝件12 6配合馬達1 3 0之 廓，馬達係定位於右瓣1 1 4b内。 較佳地，馬達1 3 0係為一由強森電機工業製造有限 產 方 於 軸 方 體 止 藉 而 擊 於 係 用 底 裝 裝 諸 撐 輪 公 第16頁 1254874 五、發明說明（） 司所購得之型號 HC313G電動機，可以了解的是，任何由 其他來源購得之類似馬達也可以使用。當以約 4 0 0毫安之 電流供應能量時，此馬達較佳於馬達軸 13 2上產生約 5.70xl(T3牛頓-米之力矩。固定至馬達軸132上的為一斜齒 輪136。馬達軸132及斜齒輪136經由馬達板138上之一 孔被插入，該馬達板係被以固定件 13 9 固定至底外殼 120 ° 斜齒輪 136嚙合一軸斜齒輪 140，其係可旋轉地附著 至一軸承 144a。軸承 144a係定位於軸安裝件 128並支撐 有螺紋軸 146，允許軸以自由地旋轉。軸斜齒輪 140係安 裝於有車螺紋軸1 46上，使得當馬達斜齒輪1 3 6驅動軸斜 齒輪140時，車螺紋軸旋轉。車螺紋軸146同時也為一軸 承144b所旋轉支撐，軸承144b係安置於車螺紋軸146之 離開為軸承1 44a所支撐之端部之一相對端。 螺旋螺紋1 48沿著車螺紋軸146之多數長度延伸。與 螺紋 1 4 8相嚙合的是一内車螺紋之鉛螺帽 1 5 0。當車螺紋 軸1 46旋轉時，螺旋螺紋1 48使得鉛螺帽1 5 0沿著車螺紋 軸 146移動。鉛螺帽150包含一銷 152，其係以垂直於車 螺紋軸1 46之軸向外延伸，並安排成與槽1 5 3之邊緣作滑 動接觸。槽1 5 3係形成於鏈結臂1 5 4之近端。銷1 5 2係為 固定件155a及墊片157a所可滑動地扣持於槽 153内。鏈 結臂1 5 4係可樞轉地連接至鏈結安裝件1 24並以一固定件 155b及一墊片157b所可樞轉地扣持於其中。 於鏈結臂1 5 4之遠端，即與安排有槽1 5 3之相對的另 1254874 五、發明說明（） 一端，至少一插件 1 5 6係被用以附著一塊體 1 5 8至一鏈結 臂1 5 4。塊體1 5 8較佳包含一通道1 5 9，其中座落有鏈結臂 1 5 4。同時，塊體1 5 8較佳係架構成為一形狀，以避免與底 外殼 12 0干擾。如同於用於第一實施例中之塊體，塊體 1 5 8較佳係約8 0克重並由金屬或其他高密度材料作成，以 使其尺寸為最小。 包含有一送碼輪160以決定塊體158之位置成為由車 螺紋轴 1 46所旋轉之函數。送碼輪之軸1 6 1係被插入經軸 承144b並被固定至車螺紋軸146。多數突點163由送碼輪 1 60之中心徑向向外延伸，於其圓周旁於突點間界定有 槽。當車螺紋軸 146旋轉時，突點 163通過一為發光二極 體（LED)所發出之光束，並中斷了為感應器162所接收之 光。較佳地，感應器162係為一光電晶體或其他光感應元 件。如同於本技藝所知，當一突點旋轉以阻擋為LED所發 出之光時，由光電晶體所產生之信號改變狀態。狀態改變 係被計數以決定車螺紋軸1 4 6之旋轉數量，藉以間接地量 測鉛螺帽 1 5 2之移動及位置，以決定鏈結臂 1 5 4及塊體 1 5 8之位置。 於一印刷電路板170上之·電路處理由感應器162輸出 之狀態改變信號，並反應於來自遊戲墊上之使用者輸入控 制之輸入信號及接收自主計算裝置之觸覺反饋信號，以產 生控制供給至馬達 1 3 0之電流之力量信號。於第一實施例 中，印刷電路板1 70包含使輸入信號與主裝置或電腦相通 訊並接收觸覺反饋控制信號，使得馬達被供應能量之元 1254874 五、發明說明（） 件。印刷電路板1 7 0包含元件（未分開顯示），其處理當按 紐開關1 72反應於使用者下壓及釋放按鈕1 74而被致動時 所產生之輸入信號。同樣地，當一 D墊開關組件17 6接點 由於使用者壓下D墊1 7 8之外緣而被作動時，輸入信號也 被提供。再者，當一使用者移動姆指桿180時，提供有輸 入信。同時，在印刷電路板17 〇上之電路元件提供電源管 理功能。 按钮開關1 7 2、按鈕1 7 4、D墊開關組件1 7 6、D墊 1 7 8及姆指桿丨8 0均連接至印刷電路板1 7 〇，其係被固定至 底外殼120並為一頂外殼19〇所覆蓋。頂外殼19〇係以適 當固定件（未示出）附著至底外殼12〇，包圍住遊戲墊之元 件。按紐174、D墊丨7 8及姆指桿丨8〇分別延伸穿過頂外 殼190中之小孔19〇a、19〇b及19“。 第5圖例示一底外殼120及主觸覺反饋元件的平面 圖。底外殼120包含多數固定導件，例如固定導件122c。 馬達安裝件126支撐馬達13〇於底外殼12〇之右瓣n4b 中同樣地’軸安裝件128支撐軸承144a及144b於車螺 輛146之兩相對端。馬達13 〇係為一馬達板1 3 8所固定 至定位。馬達細γ去- 罕（禾不出）延伸經馬達板丨3 8中之孔並固定 至—斜齒輪1 36。 斜齒輪136喻人土，Λ| km ㉟a軸斜齒輪1 4 〇，使得馬達丨3 〇驅動車 螺紋軸1 4 6。較住+山 ’齒輪比同時也約6比1，這係取決於 所實際使用之馬達六此 ^ ^ %刀矩，電流，塊體等而定。如上所述， 螺紋1 4 8沿著車螺έ 系、、、文軸1 46之大部份長度延伸並嚙合鉛螺 第19頁 1254874 五、發明說明（） 巾目150之内螺紋（未示出）。當車螺紋軸旋轉時，此鉛 組件使得鉛螺帽1 5〇沿著車螺紋軸i 46之長度移動。' 。” 正交於車螺紋軸146之軸的銷152(示於第4圖中）由鉛 螺帽150之中心向上延伸穿過鏈結臂154之槽153。銷Η? 係與槽I53之邊緣作滑動接觸並以固定件被扣持在槽 153内。當鉛螺帽15〇沿著車螺紋軸146之長度移動日士曰 銷152沿著槽153之緣滑動，使得鏈結臂154沿著固2 15 5b及鏈結安裝件124之中心軸旋轉。 定件 於鏈結臂154之遠端，塊體158係藉由連接至才 156之固定件（未示出）所附著至鏈結臂。當銷152使得街件 臂154旋轉時’塊體158包圍一弧192，直到鉛螺：：結 移動為止。較佳地，弧192之角度限制係至約1〇〇。，目、T止 表由第一位置，例如由虛線之假想線丨94所示者，至、代 二位置，其係由圖中之實線所示者。如於前一實施例苐 當塊體158係快速地由一停止狀態加速或快速地停止聍， 一反應力量經由鏈結臂154、固定件155b及鏈結安^， 124所施加至底外殼12〇。反應力量係同時經由鏈$， 154、固定件l55a，銷152(未示於圖中），鉛螺帽is〇、、了臂 螺紋軸146，軸承l44a及144b及軸安裝件128所施知車 底外设1 2 0。如於前一實施例，由加速塊體所產生之至 力之大小係成比例於提供以供應能量給馬達13〇之電、☆應 例如，當以400毫安之電流激勵時，馬達13〇施加約f。 磅之力量至該塊體上。力量係朝向正切於弧丨92 13 緣 1 9 的一點198，其中當有加速時’塊體ι58被安排。 第20頁 1254874 五、發明說明（） 如上所述，反應力將可以藉由驅動塊體 1 5 8進入一機 械式止動件（未示出）而施加至底外殼1 2 0，該止動件係固定 至底外殼 12 0。或者，臂本身可以只提供塊體，及馬達可 以驅動臂進入一機械式止動件，簡單地停止移動它，或快 速地由停止位置於一脈衝動作中將之加速。於另一實施例 中，鉛螺帽 1 5 0可以被驅動進入選用機械式止動 1 9 9 a及 199b，其可以定位於想要點沿著車螺紋軸 146，使得塊體 1 5 8經由軸安裝件 1 2 8及一鏈結安裝件 1 24施加一反應力 至底外殼 1 2 0，並使得鉛螺帽 1 5 0以施加部份力量至螺紋 148、螺紋軸146、軸承144a及144b及軸安裝件128進入 底外殼1 2 0。 應注意的是，為了防止反應力施加至用於本發明之任 一實施例之遊戲墊之外殼，施加以供應能量給馬達之電流 可以於時間上緩慢地增加，呈一斜波，其延伸於一秒之至 少幾十分之一，使得該塊體並不會由一停止位置突然加 速。施加至塊體之較慢之加速將使塊體之活動變化對於一 握持該遊戲墊之使用者較不明顯。於一般而言，將塊體緩 悛地移動經所行之距離，或移動該塊體一較短距離將降低 力量之影響。 另一實施例限制了鏈結臂 1 5 4及塊體 1 5 8。相反地， 鉛螺帽 1 5 0係用以使用作為塊體，其施加一反應力量至該 外殼。當車螺紋軸旋轉及停止於該端點或當車螺紋軸停止 旋轉時，該螺帽沿著車螺紋軸移動。螺帽係被防止為插入 銷 1 5 2所旋轉車螺紋軸進入一通道或槽（未示出），其沿著 第21頁 1254874 五、發明說明（） 底外殼 120或頂外殼 190延伸，其大致平行於車螺紋 1 4 6。然而，於此一實施例中，反應力之方向可以只沿著 螺紋軸1 4 6之軸。 由感應器1 62所產生之監視送碼輪1 60的信號使得 遊戲墊中之控制電路決定位置、速度及鉛螺帽 1 5 0、鏈 臂1 5 4及/或塊體1 5 8之加速，使得反應力之大小及方向 以沿著至少一軸控制。也可以想出該控制電路將包含一 憶體（未示出），其中儲存有力量作用之程序，這使得一 定順序之反應力反應於由主計算裝置所接收之相應控制 號，而為本發明所產生。反應力之順序可以以一或多數 數加以決定，其包含大小及方向。例如，一連串之各種 小及方向之反應力量，模擬於太空船中之振動控制的 覺，這可以藉由本發明反應於一接收自一控制信號而 生，該控制信號由一個人電腦啟始該順序至所連接之遊 墊10。 於另一實施例中（未示出），該遊戲墊將包含兩或更 馬達，其係架構以選擇性地沿著不同軸產生一被導向的 應力量。選擇地供應能量給該兩或更多馬達，以產生沿 一想要軸之反應力，當一操作地連接至一馬達之塊體係 停止件加速或使停止沿著一特定軸之移動。 第 6圖為一用以控制輸入裝置之系統的方塊圖，其 供輸入裝置外殼的觸覺回授。該系統較佳内藏於電子電 中並包含一控制器 200，其係為一適當處理機，數位信 處理機（DSP)，或精簡指令集電腦（RISC)處理機。再者， 軸 車 於 結 可 記 預 信 參 大 感 產 戲 多 反 著 由 提 路 號 該 第22頁 1254874 五、發明說明（） 系統可以被設計以使用一可升級之處理機核心，而無關於 輸入/輸出硬體。另外，可以想出該系統可以改變可執行之 碼，其反應於由主裝置所接收之命令而加以實施。此彈性 開放機會以設計輸入裝置的操作用於特定主應用中。控制 器 200於開始時，執行開機碼，其由板上之非揮發性記憶 體，例如紫外線可抹除可程式唯讀記憶體（UVEPROM)208 裝載預定操作韌體，並等待一主命令，以開始執行，或下 載作業軟體。預定作業碼提供一般力量反饋、位置控制及 其他未直接相關於本發明之功能。由主機下載至控制器 2 00之碼可以被調整，以用於特定功能及/或特性。被下載 之碼可以為本地可執行二進制或用於板上解譯器之虛擬 碼。 控制器200使用一主界面202通訊，而接收控制指令 或來自主裝置之下載碼。主界面 202同時轉送輸入信號至 主裝置，並由主裝置接收控制信號，該主裝置啟始觸覺反 饋。於内部中，控制器 200藉由經由一位址線204定址每 一元件，而與系統之其他元件通訊。輸入信號、命令信號 及其他資料信號係經由一資料線206加以通訊。雖然所示 為兩條線，但這些可以實施於任一適當内部格式，包含一 匯流排。 與控制器 200 以這些線加以通訊之元件包含 UVEPROM208，及一靜態隨機存取記憶體（SRAM)21 0， UVEPROM實施碼及資料之非揮發儲存，SRAM2 10實行指 令及資料之揮發性儲存。該系統同時也包含一多通道開關 第23頁 1254874 五、發明說明（） 2 1 2以發送例如來自按鈕2 1 4、D墊2 1 6及姆指桿2 1 8之手 動元件之輸入給控制器2 0 0。 控制器200解釋來自主裝置之觸覺反饋命令並發出一 致動器命令給數位至類比（D/A)轉換器220。D/A轉換器 2 2 0提供力量信號給馬達放大器2 2 2，其放大該力量信號， 並提供供應能量給馬達224之電流。放大器222同時也包 含電源官理電路，以更緩慢地提高用以供應能量給馬達 224之電流’若並不想要一反應動量力量，當馬達被供應 能量時。施加以供應能量給馬達224之電流的大小可以用 以決疋由該馬達所產生之力矩。馬達224驅動並停止該塊 體’以施加一動量力或衝擊力給輸入裝置之外殼，及於上 述之某些實施例中，該力量係沿著一選定軸加以產生。 較^圭為電位計之位置感應器226檢測出馬達224之 位置，以間接地決 感應器信號係被一 位資料並被轉送給 間接地決定塊體之 定該塊體的位置。一來自位置感應器之 類比至數位（A/D)轉換器228所轉換為數 控制器200。該數位資料使得控制器200 位置、速度及加速度。 雖然本$ Θ已經參考其較佳實施例加以說明，但熟習於 本技藝者可以j 知道彳艮多修改可以在申請專利範圍内加以修 改。例如，兮# Μ我置之一實施例可以對遙控玩具、機器或車 輛，提供輪入# 0占丄 L就或由該處接收力量回授控制信號，以反應 於由遙控玩且、 、 機器或車輛所檢測之物理力量，施加一方向 性力量於輪入货罢 衣置之外殼上。因此，本發明之範圍並不為上 述說明所限定， 而疋參考以下之申請專利範圍加以決定。 第24頁

Claims (1)

1254874 ~、申請專利範圍 1. 一種適用以連接至—主裝置之輸人裝置，該輸人 沿者-軸提供―力量反饋感覺給握持住該輸人吨 作者，該輸入裝置至少包含： 夏之操 (a) —外殼，適用以被握持； (b) —原動機’安置於該外殼内；及 (C)連接元件’其可驅動地連接一塊體至該原 原動機反應於接收自主裝置之控㈣號，㈣ ^亥 件傳送-力量’而使得該塊體移動，於該塊體/ 變化對該外殼施加一方向性力量，該方向性力量= 4外殼的-部分傳送為—觸覺感，其中該外殼係由 用者握持，用以支持該輸入裝置。 2.如申請專利_ i項所述之輸入裝置，其中 動地連接之該連接元件包含一軸連接至該塊體，及宜中 遠原動機包含-馬達，其係可驅動地連接至 得該軸旋轉。 使 =申=專利範圍帛！項所述之輪4置，更包含一感應 ，、產生一 4唬，以指示該塊體的位置，該作於係被 用以控制原動機及控制由操作者所感覺的力量。…… 專利範” 1項所述之輪人裝置，更包含-感應 ;w產纟“虎’以表示相對於-旋轉軸之塊體的角 “置’该旋轉軸係當塊體為原動機所驅動時，塊體塊 第25頁 1254874 六、申請專利範圍 體所繞著其移動者。 5·如申請專利範圍帛1項所述之輸入裝置，其中用於可驅 動地連接之該連接元件包含-傳動裝置，其可驅動地連 接/原動機至遠塊體，使得當原動機被被供應能量時， 移動該塊體。 6.如申請專利範圍帛5項所述之輸人裝置，其中上述之傳 動裝置包含一機械鏈結件。 7·如申#專利耗圍第5項所述之輸人裝置，其中上述之傳 動裝置包含一齒輪驅動。 u口申請專利範圍帛7項所述之輸人裝置，其中上述之齒 輪驅動包含-為原動機機所旋轉驅動之卜齒輪，及一 °疋轉也安裝於外设上並為該第―齒輪所驅動鳴合之第 :齒輪:曰該第二齒輪包含一臂’其—遠端係連接至該塊 ，使传當該第一齒輪旋轉驅動該第二齒輪時，該臂及 塊體係被沿著一弧移動。 9·如申请專利範圍第8項所述之輸人|置，其中上述之第 一齒輸及第二齒輪係為斜齒輪。 10.如申請專利範圍第8項所述之輸人裝置，其中上述之塊 第26頁

1254874 τ、申請專利範圍 體當被驅動沿著一弧移動時，苴 殼造忐c⑦丄曰 /、迷度上之變化對該外 Γΐ 該力量係於正切於該弧之-點的方 向’该點係速度變化發生處。 ^的万 11·::二專：範圍第5項所述之輪入裝置，其中上述之傳 有蟬r: ’其係可為該原動機所旋轉並呈 中：：螺紋’延伸於該車螺紋轴之大部份長度上，及： 述之塊體係被螺旋入該螺旋螺紋中，使 ^ :為原動機所旋轉時，該塊體沿著該車螺== 向移動。 f㊉、、、又軸之長度方 12·如申請專利範圍第5項所述之輪 裝置包含： 其中上述傳動 (a)一車螺紋軸，具有螺旋螺紋沿 大部份延伸，嗲車蟫纹妯孫炎 者以車螺紋軸長度之 4螺絲係為该原動機所旋轉； ⑻-錯螺帽，螺旋入該螺旋螺紋 使該車螺紋軸旋轉時，該錯 ：：该原動機 方向移動；及 〜者邊車螺紋軸之長度 —(土c)-鏈結臂’可旋轉地安裝至該外殼並包人山 遇端，該近端包含一槽，其嚙合住該 3 ^及 係連接至該塊體，使得鉛螺帽 :二累帽，該遠端 該鏈結臂旋轉，以將該塊體移動經— 軸長度移動使得 包含一！ 13.如申請專利範圍第11項所述之輪入裝置 第27頁 1254874

六、申請專利範圍 "/、由原動機傳動旋轉動作至該車螺紋軸 14 ·如申請專利筋 圍弟1項所述之輸入裝置，更包含一機械 式止動件，间令 ^ 也連接至該外殼，該機械式止動件限制 了 5亥塊體的爲 矛夕動’该塊體之衝擊向止動件，對該外殼施 加了該方向性力量。 ★申明專利圍帛1項所述之輸人裝置，更包含-控制 八°選擇地供應能量給該原動機，使得該原動機反 應於為控制器所接數自一主裝置之控制信號，而移動該 16·如申請專利範圍第15項所述之輸入裝置，其中上述之 接收自主裝置之控制信號界定了由一操作者所感覺之 被導向的力量的大小及方向之至少之一。 17·如申請專利範圍第 控制器依據力量作 機0 15項所述之輪入裝置，其中上述之 用之預定程序，而供應能量給該原動 其中上述之被 環境及遊戲之 18·如申請專利範圍第1項所述之輸入裝置， 導向的力量係反應於為一主裝置執行模擬 一時所發生之一事件加以產生。 第28頁 1254874 申請專利範圍 其中上述之被 '如申請專利範圍第1項所述之輸入裝置 ^向的力量係被侷限以沿著單一軸進行。 W申請專利範圍第1項所述之輪人裝置，其中上述之原 '也反應於-操作者作動在輪人裝置上之開關而 竭能量。 種遥擇性地產生觸覺力量之設備，該觸覺力量係施加 於控制方向，該設備至少包含： (a) 一外殼，適用以被握持； (b) —原動機，安裝於該外殼中；及 二）連接元件，其可驅動地連接一塊體至該原動機，藉 忒$接7G件傳送一力量，該原動機使得該塊體由外殼 ::t'點移動至第二點，以造成-沿著-軸之塊體的 八里菱化，该塊體的動量變化被傳動經該外殼的一部 ::而成為一觸覺感，其中該外殼係由一使用者握持， 用以支持該輸入裝置。 動 包 .如申請專利範圍帛21項所述之設備，其中用％ =接之該連接元件包含—軸，及其中上述之原 3 —馬達’其係可驅動地連接以旋轉該軸。 其中用於可驅動 其可驅動地連接 、 --月广/r迷 地連接之該連接元件包含一傳s 1254874

六、申請專利範圍 該原動機至該塊體 該塊體。 使得當原動機被供應能量時，移動 24·如申請專利範圍第 裝置包含： 2 3項所述之設備 其中上述之傳動 U)-為原動機機所旋轉驅動之第一齒輪；及 ()—可旋轉地安裝於外殼上並為該第一齒輪所驅動嚙 合，弟_齒輪，該第二齒輪包含—臂，其—遠端係連接 至该塊體，使得當讀笛 ^ 于田及弟一齒輪旋轉驅動該第二齒輪時， 該臂及塊體係被沿著一弧移動。 25·如.月專利乾圍冑24項所述之設備，其中上述之第二 w輪驅動4塊體，以在_ ^夠短時間内改變速度，以施 加一可為握㈣殼之操作者所檢狀反應力給該外殼， α亥反應力係於正切於該弧之一點的方向，該點 化發生處。 疋反欠 23項所述之設備，其中上述之傳動 2 6 ·如申請專利範圍第 裝置包含： (a)—車螺紋軸， 軸之大部份長度上 為其所旋轉； 其上具有螺旋螺紋，延伸於該車螺紋 ’該車螺紋軸係連接至該原動機，以 (b) 一鉛螺帽，螺旋 使该車螺紋軸旋轉時 入該螺旋螺紋中，使得當該原動機 ’該錯螺帽沿著該車螺紋軸之長度 第30頁 1254874

六、申請專利範圍 方向移動；及 包含一近端及 螺帽，該遠端 長度移動使得 (c ) 一鏈結臂，可旋轉地安裝至該外殼並 一遠端，該近端包含一槽，其嚙合住該錯 係連接至該塊體，使得錯螺帽沿著螺紋車由 該鏈結臂旋轉，以將該塊體移動經一弧。 27·如申請專利範圍第21項所述之 更包含一控制 為’其可選擇地供應能量給該原動機，传 俄便侍该原動機移 動該塊體。 28. —種發展一方向性觸覺力量給—操作者之方法，該觸覺 1量係經由為該操作者所握持住之一輸入裝置之外殼而 施加給操作者，該方法至少包含步驟： (a) 啟動一原動機，其經由一軸和一傳動裝置的至少— :’可驅動地連接至一塊體，使得該塊體反應於接收自 -主裝置之控制信號，而移動於該輸入裝置内，該原動 機和該塊體係安置於該外殼内； (b) 產生該塊體之—動量上之變化，以施加一反應力至 該輸入裝置的外刼 _ ^ , 双’ 5亥動1上之變化係經由下列之至少 一者所產生： (i )邊原動機 速度；及 其使該塊體加速，以改變該塊體之_ (1 i ) 一止動件，甘、由 ^ 千 其連接至與該塊體作用之該外殼 以停止由該原動機θ 幾所造成之該塊體的動作；及 第31頁 1254874 申請專利範圍 該反應力 (C)沿著一方向軸 係傳送經外殼施加該反應力給該外殼 战為一觸覺感。 29·如申請專利範圍 動旦 28項所述之方法，其中上述之產生 里之變化包含停止該塊體的步驟，該停止該塊體的 二驟匕s中斷施加以移動該塊體之驅動力量之步驟及使 為塊體衝擊向-機械式止動件之步驟之至少一步驟。 30.如申請專利範圍第28項所述之方法，其中上述之施加 反應力之步驟包含傳送於動量上之變化經由一連接至該 塊體之鏈結臂至該外殼的步驟，該鏈結臂係連接至該外 殼並經由一弧樞轉該塊體，及該反應力係朝著沿著正切 於該弧之一線，於動量改變發生之一點。 第32頁