專利名稱：觸覺變速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及觸覺反饋裝置，尤其是和機械裝置相結(jié)合使用的觸覺反饋接口裝置，其允許按需操縱該接口裝置。
背景技術(shù)：
除了機械控制機構(gòu)以外，利用電控機構(gòu)控制車輛有多種不同方式。通常稱為“線傳轉(zhuǎn)向”，“線傳驅(qū)動”，或者“線傳控制”。除了使用者利用設(shè)備直接執(zhí)行機械操作以外，這些控制形式可使使用者控制電機和/或液壓或氣動控制系統(tǒng)執(zhí)行機械操作。舉例來說，在汽車的標(biāo)準(zhǔn)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)中，使用者移動轉(zhuǎn)向輪，從而可機械地轉(zhuǎn)動連桿、齒輪和其他機械零件，以基于轉(zhuǎn)向輪的動作轉(zhuǎn)動前輪。上述線傳驅(qū)動(drive-by-wire)系統(tǒng)中，使用者轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪(或者移動其他類型的操作裝置)，控制一或多個電機、液壓致動器等結(jié)構(gòu)，從而基于轉(zhuǎn)向輪動作，轉(zhuǎn)動前輪。在轉(zhuǎn)向輪動作和輪動作之間沒有實際機械連接(除了助力轉(zhuǎn)向)。處理器(微處理器等)可用以感應(yīng)使用者的動作，并將其和電機控制相關(guān)聯(lián)，從而獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)向。線傳控制(control-by-wire)相比傳統(tǒng)機械控制具有多個優(yōu)點，這包括由于沒有機械傷及使用者，所以安全；使用者操縱控制裝置所需的力更??；控制裝置的運動形式和控制方法相比機械更加靈活；比機械更輕；由于控制處理器可將簡易的使用者動作轉(zhuǎn)換為電機執(zhí)行所需機械動作的復(fù)雜控制，所以使用者執(zhí)行控制任務(wù)所需技能更少；起動優(yōu)勢(在利用線傳轉(zhuǎn)向時，可很容易將轉(zhuǎn)向輪置于車輛的任意側(cè))；利用控制方法，例如優(yōu)化轉(zhuǎn)向算法。
相關(guān)線傳控制的實施例就是“線傳變速(shift-by-wire)”，具有驅(qū)動傳動機構(gòu)的汽車或者其他車輛經(jīng)由傳動齒輪而變速，利用電子控制而不是直接機械控制。因此，為替代使用者移動變速桿設(shè)定的預(yù)定機械位置而機械地改變齒輪，使用者可操縱電子控制裝置來進行，電子系統(tǒng)可改變實際的傳動齒輪。舉例來說，使用者可以向前移動小的手桿，來增加齒輪傳動比(例如從第一齒輪到第二齒輪)，或者向后移動上述手桿，來減小齒輪傳動比(例如從第五齒輪到第四齒輪)。在車輛中可使用不同的電子控制，以便于使用者變速杠桿，按鈕，握鈕和開關(guān)等部件。
現(xiàn)有線傳變速系統(tǒng)的一個問題就是它們?nèi)匀皇芟抻谑褂谜咚倏v物理控制的特定實施。也就是即使需要，使用者也不可能改變?yōu)椴煌淖兯倌Ｊ健６揖€傳變速控制不會向使用者提供任何機械系統(tǒng)控制的指示，因此會導(dǎo)致系統(tǒng)遲鈍或者精度降低。由于變速完全是靠感覺來進行，所以這種機械指示在變速過程中是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有線傳變速系統(tǒng)中的問題，本發(fā)明這里公開了一種線傳變速系統(tǒng)的觸覺感應(yīng)裝置。該觸覺感應(yīng)裝置允許控制中的大范圍的程序控制方案和圖案圖案，并在齒輪換檔和其他操作中向使用者提供更加有效的控制。
尤其是，在一個實施例中，一種車輛的觸覺變速裝置包括使用者以至少一個自由度可物理接觸并操縱的變速桿。至少一個傳感器檢測上述變速桿的位置，表示上述位置的位置數(shù)據(jù)由傳感器導(dǎo)出。處理器接收上述位置數(shù)據(jù)，并基于變速桿的位置，輸出改變車輛換檔齒輪的數(shù)據(jù)。而且至少一個電子控制致動器在變速桿上輸出力。
在一些實施例中，上述變速桿可在一個圖案內(nèi)移動，并被鎖定遠(yuǎn)離上述圖案之外的區(qū)域。上述變速桿可由上述致動器輸出的止擋力而被鎖定遠(yuǎn)離上述圖案之外的區(qū)域。上述致動器可以是在變速桿上輸出主動力的主動致動器，或者是在變速桿上提供阻力的被動致動器；或者是用于變速桿不同自由度的被動和主動致動器的組合。例如，上述主動致動器部分可以在變速桿上輸出觸覺效應(yīng)，而被動致動器部分可提供力將上述變速桿鎖定，防止其偏出預(yù)定圖案之外。可利用機械開關(guān)來鎖定上述變速桿，至少防止其偏出幾個外部區(qū)域。上述機械開關(guān)可提供至少兩種不同的圖案，即手動換檔圖案和自動換檔圖案。還可使用可變機械開關(guān)，以為上述變速桿提供手動和自動模式中的所有方向中的機械止擋部。
在另一發(fā)明中，一種車輛觸覺變速裝置包括使用者可在兩個自由度物理接觸并操縱的變速桿。至少一個傳感器檢測上述變速桿的位置，由傳感器導(dǎo)出的位置數(shù)據(jù)可基于變速桿的位置，改變車輛的換檔齒輪。至少一個電子控制致動器在變速桿上輸出一個力。一個模式選擇器使得使用者可選擇一個變速模式，其中變速桿的至少兩個變速模式具有不同的變速圖案。上述變速桿可通過致動器輸出的止擋力被鎖定，防止進入上述變速圖案邊界之外的區(qū)域。上述變速模式包括自動模式，手動模式和/或按序模式。主動和/或被動致動器以及機械開關(guān)可用在不同的實施例中，并且在變速桿上可輸出不同形式的觸覺效應(yīng)。
在另一發(fā)明中，車輛變速齒輪換檔的方法包括設(shè)置使用者以至少一個自由度可物理接觸并移動的變速桿。由傳感器檢測上述變速桿的位置，并導(dǎo)出位置數(shù)據(jù)。輸出基于變速桿位置而改變車輛換檔齒輪的數(shù)據(jù)，并利用電子控制致動器在變速桿輸出一個力。上述變速桿可在一個圖案內(nèi)移動，通過上述致動器輸出的止擋力被鎖定，防止進入上述變速圖案邊界之外的區(qū)域?？梢岳弥鲃雍?或被動致動器以及機械開關(guān)，并在變速桿上也可輸出不同形式的觸覺效應(yīng)。
在另一發(fā)明中，一種車輛的觸覺變速裝置包括使用者可在兩個自由度物理接觸并操縱的變速桿，至少一個傳感器檢測上述變速桿的位置，其中基于變速桿的位置，改變車輛的換檔齒輪。至少一個電子控制致動器在變速桿上輸出一個力。模式選擇器讓使用者選擇一個上述觸覺變速裝置的變速模式，其中變速桿的變速模式可提供不同的物理特性。這些不同的物理特性包括在至少兩種不同模式下，不同范圍的變速桿運動。在一些實施例中，上述不同的物理特性包括在至少兩種不同模式下輸出的不同力反饋。
本發(fā)明可提供一種觸覺變速裝置，使觸覺感應(yīng)輸出給車輛線傳變速系統(tǒng)的使用者。上述觸覺變速裝置可提供有助于實現(xiàn)止擋變速桿的以及使上述裝置增加程控變量的力。例如，可提供幾個不同的變速圖案，由使用者來選擇。而且在變速桿上輸出的觸覺感應(yīng)在變速任務(wù)中能夠有助于使用者，并在上述線傳變速系統(tǒng)中，可提供機械指示。
基于本發(fā)明的下列敘述和附圖的教導(dǎo)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點將更加清楚。


圖1是車輛中齒輪變速裝置的一個實施例的透視圖，其中包括有適于用于本發(fā)明的變速桿；圖2，3a和3b是實現(xiàn)圖1中變速桿機構(gòu)的一個實施例的透視圖；圖4a-4d是適于用在圖1-3b中變速桿裝置的變速圖案的簡圖；圖5a-5c是本發(fā)明允許多變速圖案的機械開關(guān)的第一實施例的簡圖；圖6a和6b是本發(fā)明允許多變速圖案的機械開關(guān)的第二實施例的簡圖；以及圖7是說明適于用于本發(fā)明的觸覺反饋系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式
圖1是車輛中觸覺變速裝置10實例的透視圖。在圖1中的變速裝置10類似于手動檔汽車內(nèi)的變速桿。例如，該變速裝置可設(shè)置在汽車前座之間，以使得司機在駕駛過程中能夠很容易接近該變速裝置。
觸覺變速裝置10包括具有把手14的變速桿12，使用者可抓握或者在一或多個方向上移動該把手，以控制車輛的變速。變速桿的位置確定車輛是否和傳遞齒輪嚙合，由于該裝置集成在上述線傳變速系統(tǒng)中，該變速桿并不和車輛的傳遞機構(gòu)機械相連，而是和電子接口以及系統(tǒng)相連，它們能夠響應(yīng)于變速桿的位置，讀取變速桿的位置，并控制上述傳遞機構(gòu)。上述機構(gòu)和接口實例可參考下列圖2和圖3所述。
模式選擇控制器15可使得使用者選擇觸覺變速裝置10的變速模式?？刂破?5在圖1中為一個按鈕，但也可以是任何合適的方式，例如杠桿，開關(guān)，顯示器16上的顯示按鈕等等。例如，控制器15可在手動和自動傳遞模式之間進行選擇，和/或在其他變速模式之間進行選擇。該裝置的其他選項也可以由控制器15或者其他類似的控制器來進行選擇，例如操縱特性(變速桿上的阻尼力；變速桿12上輸出的其他觸覺感應(yīng)的大小，頻率，時間或其他特性等)。在某些實施例中，把手14包括一或多個按鈕或其他控制器15，便于使用者選擇模式，設(shè)置或其他車輛傳遞特性。例如，可包括一個使用者用以推壓的推壓按鈕，以便于選擇變速桿12自動還是手動換擋?？刂破?5可設(shè)置在控制臺，轉(zhuǎn)向輪或車輛的其他常用位置上。而且，可設(shè)置有一或多個控制器15，作為軟件控制或者開關(guān)例如顯示器16上的按鈕。聲音控制，例如使用者輸入麥克風(fēng)內(nèi)的命令聲音，由微處理器所處理，也可用以平衡上述控制器15。
優(yōu)選的，上述觸覺變速桿可為多種控制模式中的一種，其中每一種模式都能夠提供不同的控制和/或運動選項。而且，特定實施例可為使用者提供特定的操縱選項。例如，在某些實施例或模式中，使用者僅僅可在一個方向或自由度上移動變速桿12，例如在自動換檔中的向前或者向后。而其他實施例中可在左右和前后方向上運動，在具有H模式等的手動換檔中，在另外的實施例中，對于不同的變速模式，還可以進行非直角或者對角運動。一些變速模式不會改變變速模式本身，但卻可以調(diào)節(jié)其他變速特性，例如變速桿的工作空間(運動量)，或者輸出力的大小。下面參考圖4，5，6來敘述變速圖案和模式的實例。
變速桿12的操縱可由觸覺感應(yīng)而提高，其為變速桿12運動自由度內(nèi)的輸出。某些觸覺感應(yīng)可用以限制變速桿的運動，而其他的觸覺感應(yīng)在桿12的運動過程中，可用以向使用者提供特定的感應(yīng)。這些感應(yīng)將在下面詳細(xì)敘述。
觸覺變速裝置10的一些實施例中包括顯示裝置16，例如平板。舉例來說，可以利用LCD，等離子體，CRT，或其他形式的顯示屏。該顯示器可設(shè)置在所示的變速桿12附近，或者在司機的視線范圍之內(nèi)，例如儀表盤，儀表板，擋風(fēng)板上的平視顯示器(HUB)等。該顯示器可顯示有關(guān)變速裝置10和車輛其他系統(tǒng)或傳遞機構(gòu)的狀態(tài)信息(例如當(dāng)前選擇齒輪)。例如，如果在觸覺變速裝置上選擇多個變速模式，如圖1所示，就會顯示當(dāng)前激活的變速模式，其中顯示的5速標(biāo)準(zhǔn)手動變速結(jié)構(gòu)。還可以顯示其他類似的模式，以便于使用者了解變速桿12移動到哪一位置。在一些實施例中，顯示器16包括一個觸覺感應(yīng)表面，使得用戶可直接“觸覺”到顯示器16表面上顯示的圖像或者選項，從而選擇這些圖像或者相關(guān)模式，設(shè)置或者功能。
在其他實施例中，觸覺變速裝置10可利用不同方式實現(xiàn)。例如，變速桿12設(shè)置在車輛轉(zhuǎn)向欄中?？商鎿Q的，司機易于接觸到的車輛內(nèi)的儀表盤，地板，或者其他的表面也可以進行不同的控制，用以選檔，還可以設(shè)置觸覺感應(yīng)。上述變速桿可用以不同的車輛中，從而需要傳動齒輪的變速或者類似的功能，這些車輛包括汽車，卡車，軍車，工業(yè)車輛，或者其他大型車輛，船舶，飛行器，空間運輸器或者水下機器等。本發(fā)明一些可替代的實施例還在遠(yuǎn)程控制裝置上設(shè)置有觸覺變速器，用以遠(yuǎn)程控制車輛和機械。在另一實施例中，本發(fā)明中的觸覺變速器還可用以車輛控制的計算機仿真，例如利用顯示屏描述經(jīng)過車輛周圍的情況。這里，術(shù)語“車輛“是指實質(zhì)上的車輛，而并非虛擬車輛(例如計算機仿真或者視頻游戲)。
圖2和3是機構(gòu)30的一個實施例的透視圖，該機構(gòu)用以上述觸覺變速裝置10，在變速桿12輸出應(yīng)力。在該實施例中，連桿和放大機構(gòu)將電機上的力傳遞給上述觸覺變速器，以向使用者提供較大應(yīng)力。
機構(gòu)30可設(shè)置在板32之下(如圖2所示)，該板包括開口34，變速桿12穿過該開口(變速桿12上的把手14在圖2和3中沒有示出)。上述機構(gòu)30可安裝在板32或者另一接地表面上。相對開口34的側(cè)面可以作為變速桿12的硬止擋部，該開口34的尺寸可使變速桿的尺寸空間優(yōu)化。該實施例中，可使變速桿12移動到兩自由度空間的任意地方。而其他的實施例，如下所述，還可以包括在開口34上的機械開關(guān)，以限制變速桿的機械運動為所需的模式。
機構(gòu)30包括可彼此旋轉(zhuǎn)連接的連桿元件36。在所述實施例中，機構(gòu)30是一種萬向接頭機構(gòu)，能夠提供兩個變速桿12的旋轉(zhuǎn)自由度。該機構(gòu)30可將變速桿12連接到一個接地表面或者參考表面上，例如板32或其他表面。
萬向接頭30最好是一種五元件的閉合平行連桿，包括接地件44，延伸件46a、46b，和中間件48a、48b。接地件44作為底座，和板或其他接地表面剛性連接，從而為機構(gòu)30提供剛度。接地件44可為90度L型件，以使得延伸件易于與其相連。
萬向接頭30利用軸承或者轉(zhuǎn)軸可旋轉(zhuǎn)地彼此相連，其中延伸件46a旋轉(zhuǎn)的和接地件相連，可繞軸線A旋轉(zhuǎn)，中間件48a旋轉(zhuǎn)地連接到延伸件46a上，可繞著浮動軸線D旋轉(zhuǎn)，延伸件46b旋轉(zhuǎn)的和接地件44相連，可繞軸線B旋轉(zhuǎn)，中間件48b旋轉(zhuǎn)地連接到延伸件46b上，可繞著浮動軸線E旋轉(zhuǎn)，中間件48a在軸線D和E的交點即中心點P可旋轉(zhuǎn)地連接到中間件48b上，一個軸承(未示出)將這兩個中間件48a、48b在上述交點P連在一起。中間件48a可旋轉(zhuǎn)地連接到延伸件46a的一端上，并基本平行于軸線B。類似的，中間件48b可旋轉(zhuǎn)地連接到延伸件46b的一端上，并基本平行于軸線A。軸線D和E為“浮動”的，即它們不是象軸線A和B那樣固定在一個位置。軸線A和B基本上互相垂直。
萬向接頭30為五件(五桿)閉環(huán)形式。零件的每一端都和另一元件的端部相連。該五桿連桿使得延伸件46a，中間件48a、48b均可在第一自由度繞軸線A旋轉(zhuǎn)，還可以使得延伸件46b，中間件48a、48b均在第二自由度繞軸線B旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)在美國專利No.5,731,804和6,104,382中公開，作為參考結(jié)合在這里。
變速桿或者手柄12和萬向接頭30的中間件48a或48b(示出中間件48b)相連，且從軸線D和E所限定的平面延伸出來。萬向接頭30為定位在或者靠近中心點P旋轉(zhuǎn)的手柄12提供了兩個自由度。該手柄12可繞軸線A和B旋轉(zhuǎn)，或者具有繞這些軸線旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)合。當(dāng)手柄16沿著軸線A移動時，浮動軸線D變更其位置，當(dāng)操縱桿16沿著軸線B移動時，浮動軸線E變更其位置。
在另一實施例中，還可以設(shè)置額外的自由度。例如，手柄12可以繞垂直于浮動軸線D和E形成平面的軸線C旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)自由度可利用傳感器和/或致動器來感應(yīng)運動，并將力作用在上述自由度上。另外，還可以添加不同的自由度，手柄12可沿著浮動軸線C線性位移。如有需要，也可以檢測和執(zhí)行該自由度。
萬向接頭30還可以包括放大驅(qū)動機構(gòu)，例如帶驅(qū)動器，主動輪驅(qū)動器，齒輪傳動等。在圖2和3a-3b所示的實施例中，設(shè)置有帶驅(qū)動器52a、52b。每一帶驅(qū)動器52都包括鼓54，帶56可環(huán)繞該鼓旋轉(zhuǎn)。每一鼓都和延伸件46相連，使得鼓繞軸線A旋轉(zhuǎn)(另一鼓繞軸線B旋轉(zhuǎn))。每一帶56還繞主軸58旋轉(zhuǎn)，該主軸和致動器60a、60b的轉(zhuǎn)軸相連。每一致動器60都最好是和板32，接地件44，或其他接地表面相連，在軸上輸出一個旋轉(zhuǎn)力，來轉(zhuǎn)動上述主軸58，而上述帶56將這個力傳遞到鼓54上，以向手柄12輸出一個力。主軸58到鼓54的速率由致動器輸出力所放大。在另一實施例中，致動器60為DC電機。在其他實施例中，該致動器可以是其他形式。例如，聲控線圈，線性電機，移動磁鐵致動器，被動執(zhí)行機構(gòu)(制動器)，氣動執(zhí)行機構(gòu)等。其中被動致動器即制動器向使用者控制的變速桿施加一個阻力。而不是象主動致動器那樣獨立于使用者而向變速桿施加一個主動力。
優(yōu)選地傳感器62a、62b和萬向接頭30相連，在所述實施例中，傳感器62a、62b分別和致動器60a、60b的外殼以及轉(zhuǎn)軸相連。傳感器62最好是光學(xué)編碼器，能夠提供信號，來測量致動器轉(zhuǎn)軸的角位移，而且還可以在相關(guān)致動器的自由度內(nèi)指示手柄的位置。該編碼器的電子輸出可輸入到一個處理器(例如一個本地處理器或者主處理器)內(nèi)，下面將參考圖7詳細(xì)敘述。在其他實施例中，上述傳感器也可以設(shè)置在其他位置上。例如和延伸件、接地件相連等。也可以利用其他形式的傳感器，例如電位計，霍爾效應(yīng)傳感器，分析器，或者其他分析或數(shù)字傳感器。應(yīng)該注意的是，本發(fā)明可利用絕對傳感器和相對傳感器。
觸覺變速圖案和模式利用上述觸覺變速裝置，可實現(xiàn)多種觸覺變速圖案，從而使得用戶能夠選擇傳遞齒輪(或者選擇其他形式計算機接口應(yīng)用)。上述變速圖案通常具有使得變速桿12移動的區(qū)域和帶，通常設(shè)置有選項(例如齒輪選項)；變速桿12所不希望設(shè)置在的、因而不能移動的容許區(qū)域邊界之外的“鎖定”區(qū)域或帶。相比單獨利用機械機構(gòu)，利用觸覺裝置，設(shè)定變速圖案的好處就是可以利用單一的裝置來實現(xiàn)多種變速圖案，在某些實施例中，還可以利用致動器改變上述圖案，而并不需要移動機械零件。
圖4a、4b和4c示出了車輛中齒輪換檔的三種不同變速圖案，均可由本發(fā)明中的觸覺變速裝置所實現(xiàn)。這些恰恰是多種可能的不同圖案的實例。
圖4a是5速傳動的標(biāo)準(zhǔn)手動變速圖案100(H圖案)，具有5個前向齒輪，一個反向齒輪，和一個惰輪。在一個標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中，第一、第三、第五齒輪設(shè)置在前向方向，第二、第四和反向齒輪設(shè)置在后向方向上，而上述惰輪設(shè)置在中間位置上。輪廓線表示變速桿12可以移動的區(qū)域，A、B、C、D區(qū)域表示變速桿12不許進入的鎖定區(qū)域，這里變速桿會遇到障礙(機械的或者觸覺的)而被防止進入這些區(qū)域。
圖4b示出了車輛的通用基本自動換檔變速圖案102。在一個標(biāo)準(zhǔn)自動換檔中，變速桿可按照一定順序選擇利用標(biāo)準(zhǔn)齒輪“?！?P)，“反向”(R)，“中間”(N)，“主動”(D)，“低檔”(L)，可在單一的線性范圍內(nèi)實現(xiàn)變速。該變速桿并不能移動到上述線性圖案之外的鎖定區(qū)域內(nèi)。
對于本發(fā)明的觸覺變速裝置，在不同變速模式下，在單一裝置內(nèi)均可實現(xiàn)手動和自動換檔圖案。使用者可以選擇哪一模式是當(dāng)前主動的，從而進行該換檔模式。舉例來說，使用者可以選擇單獨的控制器，例如按鈕，開關(guān)或者杠桿，來改變變速圖案。一旦選擇該圖案，使用者就可以在新圖案允許的范圍內(nèi)移動上述變速桿12。一種表示圖4a中手動換檔的變速圖案內(nèi)自動換檔圖案的方法就是在手動換檔模式的一個垂直通道之內(nèi)，提供線性自動換檔。例如，如圖4a所示，在手動換檔模式的中間垂直通道之內(nèi)設(shè)置自動換檔模式(其中在圖4a中3-N-4齒輪)。在其他實施例中，上述自動換檔模式可以設(shè)置在其他的垂直通道之一內(nèi)，或者從手動模式，即從手動模式的側(cè)面離開。
圖4c是使用者可選擇的另一觸覺變速裝置10的變速模式的實例，這個實例是一個“后續(xù)”換檔。類似于上述自動換檔，只設(shè)置有單一的線性通道。上述變速桿12可由使用者移動到“+”區(qū)域以將換檔提高一個齒輪，該變速桿也可以移動回到“-”區(qū)域，以將換檔降低一個齒輪。在一些實施例中，在選擇額外的選項之前，使用者必須將變速桿移動到中間位置，再移動到所需的選擇。正負(fù)號區(qū)域之間的中間區(qū)域可為中間齒輪或者選項。一些實施例可向變速桿提供彈簧恢復(fù)力，從而自動地將變速桿恢復(fù)到中間位置。這種彈簧恢復(fù)力可由機械彈簧來完成，和/或作為由致動器60輸出的彈簧力。
在其他實施例中也可以利用其他形式的圖案。例如，手動換檔模式可將齒輪從中間點，或者從水平或者對角通道發(fā)散。使用者可選的變速圖案還可以包括其他的變速圖案。
舉例來說，圖4d描述了用于本發(fā)明觸覺變速器的另一可能的變速模式，其中設(shè)置有對角通道。在該變速實例中，自動齒輪107設(shè)置在類似于其他自動模式的線性模式內(nèi)。相對下齒輪“L”108，使用者可以選擇其他兩個下齒輪110。在該實例中，變速桿12可從上述L齒輪108移動到對角通道109，從而選擇上述下齒輪110。變速模式的其他實施例，可包括不同形式的對角通道。該對角通道可利用主動力和/或被動力和/或機械開關(guān)來實施，類似于下述的這些實施例。
除了變速圖案模式以外，在本發(fā)明的觸覺變速裝置內(nèi)還可實施其他方式。例如，一種模式可為使用者的變速桿提供較大的空間，將變速桿12移動更大的距離。使用者選擇的不同模式也可以為這些使用者的變速桿提供較小的空間，使變速桿移動較短距離，就能“推動”變速桿。在變速桿到達(dá)機械止擋部之前，利用致動器產(chǎn)生阻力來實現(xiàn)上述較小空間。
還可以實現(xiàn)其他模式。例如在另一模式產(chǎn)生不同的系列力感應(yīng)輸出時，一種模式可產(chǎn)生一系列特定的力感應(yīng)輸出。在一個實施例中，一種模式僅僅在變速桿運動碰到止擋部例如圖案邊界時才產(chǎn)生力感應(yīng)，而另一模式在變速桿沒有碰到止擋部時，卻可以產(chǎn)生止擋部感應(yīng)，以及其他形式的力感應(yīng)，例如棘爪，坡形等。使用者可以設(shè)定為其自身定制的特定力感應(yīng)。另外，還可以提供范圍控制，以調(diào)節(jié)所有變速桿上力感應(yīng)輸出的增益。
觸覺變速器實施方式觸覺變速裝置10可能有不同的實施方式。一些是利用所有觸覺功能實現(xiàn)，而其他實施方式是利用觸覺和機械零件的混合來實現(xiàn)。
全主動實施方式這種方式提供一種全觸覺實施方式，變速桿12上的力和止擋部由致動器60所產(chǎn)生。這種方式的實例如圖2，3a和3b示出，變速桿具有完全2自由度的工作空間，變速圖案內(nèi)的止擋部由致動器輸出力所產(chǎn)生。這些機構(gòu)、致動器、力換檔和致動器都最好是標(biāo)以刻度，以使得阻力可以產(chǎn)生“硬”止擋部和邊界，感覺上象防止變速桿運動的機械止擋部。上述致動器可輸出力，當(dāng)變速桿12處于禁止水平或者垂直位移的區(qū)域時，作為高硬度彈簧。當(dāng)變速桿12移進和移出齒輪或者移到之間時，例如在圖4a-c所示的分隔線上時，可以輸出高保真度的坡形或者棘爪感應(yīng)。坡形感應(yīng)是一種隨距離增大的力，直到達(dá)到力的“峰值”或者“端點”(例如兩段之間的中點)為止，在這些點，上述力變換方向，將變速桿推向下一個選項，當(dāng)變速桿繼續(xù)向下一個選項運動時，力逐漸減小。這種情況將在未審申請09/783,936中詳細(xì)敘述，該申請作為參考結(jié)合在這里。如下所述，在選項之間或者在止擋部上還可以設(shè)置其他的力感應(yīng)，例如棘爪，彈簧，顛簸，阻尼，震動，組織等。
在設(shè)置有自動，按序或其他類似的線性變速圖案中，例如在“鎖定”彈簧模式，X軸(左右)致動器可以總是輸出一個高彈簧力，為水平運動設(shè)置止擋。這種力可防止變速桿12在中間通道左右方向的任何運動。在變速桿在任意選項之間移動時，Y軸(前后)致動器可輸出力效應(yīng)，例如坡形效應(yīng)。
上述全主動實施方式的一個好處就是可以設(shè)置無限多不同的變速圖案，由使用者選擇，上述變速圖案包括變速桿的對角運動和X軸、Y軸運動。而不利的就是需要有防止使用者將變速桿移到鎖定帶內(nèi)的高阻力，從而需要較大且成本較高的致動器，換檔機構(gòu)和其他元件。
利用開關(guān)的全主動實施方式這種實施方式類似于上述全主動實施方式，不同的是在變速桿12的工作空間內(nèi)增加了機械開關(guān)。例如，上述開關(guān)可設(shè)置在板32的開口34之上。該開關(guān)可簡單地提供一個在該實施圖案精確范圍內(nèi)的開口，使得額外的圖案在該開關(guān)之內(nèi)。例如可以使用手動換檔圖案，形狀如圖4a所示，當(dāng)然也可以使用圖4b和4c中的自動和按序變速圖案。
通過在區(qū)域邊界設(shè)定機械止擋部，上述機械開關(guān)可防止變速桿12移到上述鎖定區(qū)域(即A、B、C、D)。由于使用者不可能克服上述機械止擋部，所以這比上述觸覺實施方式更有效，不需要致動器輸出，從而可使用更小的致動器，用以其他觸覺感應(yīng)。當(dāng)變速桿在齒輪選項之間或者移出中間位置時，可使用致動器60在變速桿12上輸出力感應(yīng)，例如坡形感應(yīng)，棘爪感應(yīng)等。如有必要，致動器60可輸出X軸阻力，在自動，按序和其他單一垂直通道模式，以防止變速桿移出在用的Y軸通道而移入另一手動換檔Y通道。因此，上述開關(guān)就為上述全主動變速裝置增添了大量優(yōu)點。不包括上述開關(guān)，就需要在觸覺變速器內(nèi)嵌入其他的非通用變速模式，例如對角通路以選擇齒輪的圖案。
在一些實施例中，也可不需要開關(guān)，使得變速桿在整個范圍或者特定范圍內(nèi)自由運動。例如，在一些實施例中，可利用變速桿在上述線傳變速實施方式中將車輛變速。線傳變速實施例(例如利用變速桿或者轉(zhuǎn)向輪)可使用上述觸覺感應(yīng)和本發(fā)明這里公開的其他特性。
該實施方式的一些實施例中，可包括利用機械開關(guān)的機械壁以及設(shè)置在機械壁內(nèi)的觸覺壁。例如，圖4a中的點劃線106表示在機械開關(guān)內(nèi)的觸覺壁，而機械開關(guān)由實線108所表示。觸覺壁距離機械壁的距離可由設(shè)計者來確定，最好是有足夠的空間來實施較大的觸覺彈簧排斥力。該觸覺壁可作為上述致動器60輸出的剛性彈簧，來防止變速桿移入允許區(qū)域邊界后的區(qū)域。該觸覺壁可向變速桿提供較小的彈簧力，以緩和和開關(guān)的機械止擋部相碰時的沖擊。另外，利用上述觸覺壁可減小和上述機構(gòu)的摩擦力，延長上述機構(gòu)的壽命和可靠性。
圖5a，5b，5c說明了具有開關(guān)的全主動實施方式的實施例，其中使用了可變機械開關(guān)，可手動和自動變速圖案具有全封閉的機械止擋部。圖5a中，可變開關(guān)110處于手動圖案位置，而開關(guān)110的第一部分112設(shè)置在靠近開關(guān)110的第二部分114的位置上，以提供中間的X軸(水平)通道116。變速桿12可在該通道116內(nèi)移動，從而如同標(biāo)準(zhǔn)手動換檔中一樣，接近上述圖案的齒輪變速位置。
在圖5b中，滑動或者移動可變開關(guān)110，來設(shè)置具有僅僅單垂直通道的自動換檔圖案。第一部分112，第二部分114，或者第一部分112和第二部分114，都如箭頭118所示朝向變速桿12移動，關(guān)閉上述中間X軸通道116，使得變速桿12僅僅在垂直通道120內(nèi)移動。在該通道120內(nèi)利用選項之間設(shè)置的坡形或者其他感應(yīng)，實現(xiàn)上述自動模式選項。
圖5e示出了開關(guān)110的部分112和114彼此之間的關(guān)系。當(dāng)處于自動換檔模式時，一個部分112可折疊另一部分114，來關(guān)閉水平通道116。部分112和/或部分114可由電機，螺線管或其他致動器(未示出)移動，或者在一些實施例中由使用者手動完成。
圖5a-c中可變開關(guān)實施例的一個優(yōu)點就是由于上述開關(guān)可移動設(shè)置比觸覺止擋部更硬的機械止擋部，所以在自動模式中不需要由致動器輸出的阻力，來防止變速桿的水平運動。這就使得裝置10中的致動器可以更小，輸出更小的力，由于致動器的觸覺反饋僅用以仿真彈簧，坡形，棘爪和類似的感應(yīng)，所以除了為變速桿運動提供高阻力以外，還可提高變速桿的選項處理。在一些實施例中，可不用X致動器，但在其他實施例中，也可使用X致動器在合適的圖案中設(shè)置水平中間彈簧。
圖6a和6b說明了用于全主動實施例的可變開關(guān)的另一實施例，類似于圖5a-c中實施例。開關(guān)130類似地設(shè)置有機械止擋部，以自動和手動模式防止變速桿12的所有運動。在開關(guān)130中，在手動變速圖案中設(shè)置有單一的開關(guān)部132?？拷_關(guān)部132的中心突出部136設(shè)置有兩個開關(guān)凸頭134，該凸頭可按照箭頭138所示的方向移動或者滑動。當(dāng)凸頭134朝向齒輪位置1，3，5向前滑動時，它們可閉合中間水平通道140，在裝置處于自動模式時，防止變速桿12移出垂直通道141。當(dāng)凸頭134縮回時，在朝向齒輪位置2，4和R的方向上，中間的水平通道140被打開，使得在手動換檔模式內(nèi)，變速桿12移入其他的垂直通道內(nèi)。如有必要，也可以獨立移動上述凸頭，產(chǎn)生額外的變速圖案。在圖5a-c中的實施例中，開關(guān)130可在兩個模式中使用更硬的機械止擋部，而不需要致動器輸出阻力防止變速桿運動。這就使得成本更低，致動器更小和/或換檔更加簡單。在選擇換檔模式時，可由相關(guān)的致動器，例如電機(未示出)移動開關(guān)凸頭134，或者由使用者手動移動。
還可以使用其他的可變機械開關(guān)實施方式。例如，在自動或按序模式下，可使用線性移動開關(guān)，在圖4中變速圖案內(nèi)鎖定手動齒輪108的對角通道，還可用以在手動模式下鎖定自動齒輪。在另一實施例中，還可使用以旋轉(zhuǎn)方式移動的開關(guān)。例如，可環(huán)繞中間的變速桿，徑向設(shè)置有多個板，繞變速桿軸線旋轉(zhuǎn)的變換或者滑動其中一個或者多個板，來打開各個板之間的一或多個通道。這就使得經(jīng)過變速桿的水平、垂直或?qū)堑耐ǖ?，可選擇齒輪的特定變速圖案和模式。
主動Y軸和被動X軸的實施方式在觸覺變速裝置10的這種實施方式中，在X軸輸出力的主動致動器(例如DC電機)可由被動致動器來替換，例如制動器和機械彈簧。由于變速桿12的X軸運動被完全鎖定(在自動或者按序模式)，或者受限于中間水平通道(在手動換檔內(nèi)的中間地帶)內(nèi)的中間彈簧的線性運動，在某些實施例中，并不需要全主動的致動器。在手動換檔模式下(在或者靠近圖4a中標(biāo)號“N”)，即X軸鎖定在任意齒輪位置時，只要沒有處于中間位置，即可鎖定制動器或者其他的被動致動器。當(dāng)變速桿移回手動圖案的水平通道內(nèi)時(在自動或者按序模式中制動器保持鎖定)，可打開該制動器。在該實施例，在Y軸致動器也可是完全主動的，例如DC電機，當(dāng)其移動時，在變速桿12上產(chǎn)生力感應(yīng)，限定使用者的變速感覺，例如產(chǎn)生坡形，阻尼和彈簧感應(yīng)等。當(dāng)變速桿12在手動換檔圖案垂直通道之間的水平通道內(nèi)移動時，該主動Y軸致動器還可用以防止使用者將變速桿移入鎖定區(qū)域(圖4a中的A、B、C、D帶)。
使用被動致動器例如制動器的一個好處就是相比相等尺寸的主動致動器，它們具有明顯的高夾緊力，從而可向使用者提供較大的阻力，并不需要較大的力。這就使得變速模式的鎖定區(qū)域更易于實現(xiàn)，成本更低，尺寸更小。制動器的缺點在于當(dāng)它們?yōu)橹鲃佣a(chǎn)生阻力時，將約束兩個方向上的自由度，導(dǎo)致對運動的檢測遠(yuǎn)離止擋部，而更加復(fù)雜。一種方式就是利用美國專利No.5,767,839所述的被動致動器來感應(yīng)運動，該專利作為參考結(jié)合在這里。
利用開關(guān)的主動Y軸和被動X軸實施方式這種實施方式類似于上述的實施方式，其中利用主動致動器輸出力感應(yīng)，用于變速桿的Y軸的運動，被動致動器例如制動器用于X軸運動。這種實施方式可增添有機械開關(guān)，類似于上述開關(guān)實施例中的任何一種。當(dāng)變速桿處于中間通道，移進鎖定區(qū)域時，Y軸致動器在變速桿上不需要有開關(guān)輸出阻力。因此，由于僅僅輸出力感應(yīng)來提高變速桿的運動和選擇，例如坡形，棘爪，阻尼和彈簧等感應(yīng)，所以上述Y軸致動器可以制造得很小。
主動/被動Y軸和被動X軸的實施方式這種實施方式可利用Y軸致動器的主動致動器和被動致動器之間的結(jié)合。上述主動致動器部分例如電機，可用以主動觸覺效應(yīng)，例如坡形，棘爪和彈簧。上述被動致動器部分例如制動器，可用以提供阻力，以防止移出齒輪位置之間的中間帶。上述X軸致動器是一種被動致動器，最好具有彈簧中心，使得變速桿總是能夠被偏壓回到上述中間位置(在圖4a中圖案的中間)，在圖4a的標(biāo)準(zhǔn)手動換檔圖案中，由于沒有機械開關(guān)，所以只要在Y軸移動的變速桿移出上述中間位置，上述X軸被動致動器就將其鎖定，將其保持在垂直通道范圍內(nèi)。類似的，上述只要在X軸移動的變速桿移出上述三個變速欄之一(在手動模式)，上述Y軸被動致動器就將其鎖定，防止Y向運動到上述鎖定區(qū)域內(nèi)。最好是，當(dāng)變速桿移進或者移出上述中間水平通道，上述致動器還可以設(shè)置極快的響應(yīng)。
一些實施例中，可使用被動致動器在變速桿上輸出被動觸覺效應(yīng)，例如阻尼，制動器震蕩，被動棘爪等。在一些實施例中，還可以添加機械開關(guān)，以滿足該實施例的剛度和等數(shù)時間條件。
主動致動器和被動致動器之間的結(jié)合，也可以由不同的方式實現(xiàn)。例如，如果機構(gòu)具有兩個自由度，主動致動器可和單自由度的連桿相連，提供主動力，而被動機構(gòu)可和另一自由度的連桿相連，從而提供該自由度的被動力。如果主動力和被動力都需要特定的自由度，則主動和被動致動器都和合適的連桿相連。例如，主動致動器可和活動連桿的一側(cè)剛性相連，而被動致動器則和該連桿的另一側(cè)相連，被動致動器可由小柔度和小間隙的零件連接，以使制動器被鎖定時，可合理設(shè)置，能夠感應(yīng)動作。可進而向這些致動器中的一個或兩個賦能，從而提供該自由度的力。
主動/被動Y軸和主動/被動X軸的實施方式在該實施例中，主動致動器和被動致動器之間相結(jié)合用以在X軸和Y軸上輸出力。上述主動致動器部分例如電機，可用以主動觸覺效應(yīng)，例如坡形，棘爪和彈簧效應(yīng)。上述被動致動器部分例如制動器，可用以防止變速桿移出所需圖案。當(dāng)上述裝置處于自動或者按序模式(其他類似模式)時，上述X軸致動器可利用上述制動器防止X軸運動。上述主動電機提供彈簧對中。
如果該實施例沒有使用機械開關(guān)，只要在Y軸移動的變速桿在變速圖案的一個垂直通道內(nèi)(沒有在中間的水平通道內(nèi))，上述X軸制動器就將其鎖定，因而可防止在該通道內(nèi)的X軸運動。而且只要在X軸移動的變速桿移出一個垂直變速通道(在手動模式)，上述Y軸制動器就會將其鎖定。類似于上述實施例，還可使用一個機械開關(guān)來提供更大的硬度和阻力。
全被動實施方式對于變速桿的X軸和Y軸的運動，該實施方式僅僅作用于被動致動器，例如制動器。該制動器可用于變速桿，防止變速桿移出所選擇的變速圖案之外。還可使用機械彈簧，在變速桿上提供彈簧對中力，使其可被偏壓朝向中央的中間位置N。當(dāng)處于自動，按序或者類似的單通道模式時，X軸制動器可防止使用者將變速桿移出中間通道。當(dāng)處于手動模式時，Y軸制動器可防止使用者將變速桿從中間的水平通道移到鎖定區(qū)域(例如A、B、C、D區(qū)域)內(nèi)。在手動模式下，當(dāng)變速桿移動到齒輪位置時，制動器可以鎖定變速桿，以防止彈簧偏壓上述桿。上述制動器還可以產(chǎn)生觸覺感應(yīng)，例如棘爪，阻尼等感應(yīng)，以仿真落到齒輪位置的變速桿，通知使用者當(dāng)前的選項。在所需的自動模式和其他的模式中，還可以由制動器將一個光敏電阻應(yīng)用到變速桿上，以抵消機械彈簧施加的彈簧力。可替換的，在自動模式中，上述制動器鎖定每一齒輪，使用者可壓下變速桿上的按鈕或者其他控制器以釋放上述制動器，使得變速桿移動另一齒輪位置。在一些實施例中，在變速桿從一個齒輪移動到另一個齒輪時，可基于變速桿的位置信息，可釋放制動器(在利用美國專利No.5,767,839中所述的小量間隙鎖定制動器時，感應(yīng)上述運動)。
應(yīng)該注意的是，上述觸覺變速裝置的功能還可以用于仿真車輛。例如，向電子裝置輸入導(dǎo)向信號或者數(shù)據(jù)的操縱桿裝置，計算機，或者視頻游戲裝置都可以包括這里所述的模式和觸覺反饋。例如，在計算機仿真中，具有這些變速圖案的操縱桿可用以仿真控制桿或者變速桿，來模擬仿真車輛中的仿真齒輪。司機的視圖范圍由上述計算機系統(tǒng)的顯示裝置上的顯示圖象所仿真。其他的接口裝置，例如具有橫向?qū)б\動的轉(zhuǎn)鈕，鼠標(biāo)或滾球，或者其他可動操縱器，也都可以用于這里所述的運動圖案和模式。
圖7是說明適用于本發(fā)明觸覺變速器裝置的機電系統(tǒng)200的框圖。包括多個類似元件的觸覺反饋系統(tǒng)在美國專利No.5,734,373中已經(jīng)詳細(xì)敘述，該專利作為參考結(jié)合在這里。
在一個實施例中，受控裝置包括具有本地處理器202，本地時鐘204，本地存儲器206，傳感器接口208和致動器接口210的電子部分。
本地處理器202相對上述觸覺變速器裝置是“本地”的，其中這里的“本地”是指處理器202和其他處理器相比為一個單獨的處理器，而且還指處理器202是專用于變速桿的觸覺反饋和/或傳感器I/O。該處理器202可從傳感器或者傳感器接口中讀取傳感器信號，并確定車輛的齒輪是否已由變速桿12所選擇，隨后向控制系統(tǒng)或者其他處理器提供合適的數(shù)據(jù)，從而機械地轉(zhuǎn)換車輛齒輪。例如，對于線傳變速領(lǐng)域的技術(shù)人員來說眾所周知的是，上述控制系統(tǒng)控制其他致動器，來移動合適的機械零件轉(zhuǎn)換齒輪?？商鎿Q的，處理器202可簡單地將位置數(shù)據(jù)向控制系統(tǒng)傳遞，該控制系統(tǒng)根據(jù)該數(shù)據(jù)確定合適的車輛齒輪，并控制轉(zhuǎn)換到該齒輪。在另一實施例中，處理器202可在車輛中控制上述換檔過程。
在一些實施例中，處理器202還可以根據(jù)傳感器信號，時間信號，和根據(jù)主機命令選擇的力處理來計算合適的力，并將合適的控制信號輸出到上述致動器上，從而在變速桿上輸出觸覺感應(yīng)。在另一實施例中，其他處理器也可以確定和控制力。處理器202可為微處理器(一個微處理器芯片，多重處理器，聯(lián)合處理器，數(shù)字信號處理器(DSP)等)?；蛘?，上述處理器202可以是固定數(shù)字邏輯器，ASIC，指令器或其他形式的處理器。
本地時鐘204和上述處理器202相連，提供時鐘數(shù)據(jù)。本地存儲器206，例如RAM和/或ROM最好是和處理器202相連，用于存儲指令，暫存和其他數(shù)據(jù)，校正參數(shù)，補償傳感器偏差的調(diào)節(jié)和/或裝置的狀態(tài)。在一些實施例中，可設(shè)置顯示器16，與本地處理器202相連。可替換的，不同的處理器和其他控制器控制向顯示器16的輸出。
傳感器接口208可有選擇地將傳感器214提供的傳感器信號轉(zhuǎn)換為處理器202能夠翻譯的信號。例如，傳感器接口208可從編碼器等數(shù)字傳感器214中接收信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字二進制序數(shù)。還可以使用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)?？商鎿Q的，處理器202可執(zhí)行這些接口功能。致動器接口210可有選擇地被連接在致動器216和處理器202之間，以將處理器202的信號轉(zhuǎn)換為適合于驅(qū)動上述致動器的信號。致動器接口210包括功率放大器，開關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，和其他元件。在另一實施例中，致動器接口210回路可設(shè)置在處理器202內(nèi)或者在致動器內(nèi)。各種形式的電源(在汽車中包括車載電池或者交流發(fā)電機)212可和上述致動器和/或致動器接口210相連，為致動器提供電源。
上述系統(tǒng)的機械部分包括一些或者所有可使變速桿12運動的元件，在上面已經(jīng)敘述了一些。傳感器214在一或多個自由度感應(yīng)變速桿12的位置，動作，和/或其他特性，并向處理器202(或其他處理器)提供信號，這些信號包括代表這些特性的信息?？裳刂兯贄U12移動的每一自由度設(shè)置傳感器214，或者設(shè)置一個合成傳感器，用于多重自由度。合適的傳感器包括圖3b中的傳感器62，光編碼器，分析傳感器例如電位計，霍耳效應(yīng)磁力傳感器，光學(xué)傳感器例如橫向效應(yīng)光影二極管，速度計，加速計等。而且可以使用絕對或者相對傳感器。
致動器216可在一或多個方向向變速桿12傳遞力，通常在響應(yīng)于處理器202或其他電子邏輯器或裝置輸出信號的旋轉(zhuǎn)自由度上，即其為“電子控制”。上述致動器216產(chǎn)生電子調(diào)制力，這就意味著處理器202或其他電子裝置來控制這些力的應(yīng)用。每一自由度都可以設(shè)置致動器216。致動器216可以是主動致動器，例如線性電流控制電機，步進電機，氣動/液壓主動致動器，扭矩機(具有限定角度范圍的電機)，磁流變制動器，聲控線圈致動器等。還可以使用被動致動器，包括磁粒制動器，摩擦制動器，或者氣動/液壓被動致動器，可在運動范圍內(nèi)產(chǎn)生阻尼力或者摩擦。利用主動和被動致動器的實施例上面已經(jīng)詳細(xì)敘述過。
機構(gòu)218可用以將變速桿12的運動轉(zhuǎn)換為可由傳感器214讀取的形式，并將致動器216的力傳遞到變速桿12。該機械裝置218的一些實例在上面已經(jīng)敘述過。而且，驅(qū)動機構(gòu)例如帶驅(qū)動器，齒輪傳動，或者主動輪驅(qū)動都可用以為致動器216輸出的力提供機械驅(qū)動，或者改進感應(yīng)轉(zhuǎn)數(shù)。
還可以包括其他的輸入裝置220，將輸入信號發(fā)送到處理器202中。這種輸入裝置可包括按鈕或其他控制器，用于將從面板的輸入供給到上述受控裝置。而且，也可以包括刻度盤，開關(guān)，聲控識別硬件(例如具有由處理器202執(zhí)行軟件的麥克風(fēng))，或者其他輸入機構(gòu)，將輸入提供到處理器202或者致動器216上。在靠近變速桿12或者其上還可包括剎車開關(guān)，可產(chǎn)生力，以便于在使用者沒有接觸到變速桿時停止輸出，防止變速桿自行移動，例如使用者的手或手指(食指，拇指等)是否接觸到變速桿，可由光學(xué)的，電阻的，感應(yīng)的，力/壓力，或其他傳感器檢測出來，使用者在變速桿上的壓力也可以利用已知的傳感器檢測出來，還可以檢測出使用者的手在變速桿上的重量，利用應(yīng)變儀等可測量出變速桿上的力。
在一些實施例中，還可以包括一或多個其他處理器224，和上述處理器202向聯(lián)通。處理器202和224最好是由雙向總線226連在一起。還可以包括額外的電子元件，經(jīng)由總線226上的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進行聯(lián)通。這些元件可以包括在上述裝置內(nèi)或者與其相連的裝置內(nèi)?？偩€226可以是任意一種不同的聯(lián)通總線。例如，在處理器224和202之間可以設(shè)置雙向串行或者并行總線，無線連接，網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)(例如CATV總線)，或者單向總線。
其他處理器224可以是單一的微處理器(或者其他形式的處理器，如上述的處理器202)，在不同的裝置和系統(tǒng)中，和上述受控裝置操作或作用。例如如上所述，該處理器224可控制車輛的實際換向齒輪。在一些實施例中，在一個車輛的單獨控制系統(tǒng)中可以設(shè)置另一個處理器224，該處理器224可控制車內(nèi)的溫度系統(tǒng)，或者控制機械元件(車鏡，車座，換檔桿點或位置等)或者中央顯示器的位置，該顯示器可從不同系統(tǒng)顯示信息?；蛘?，對于多種包括有受控觸覺變速器裝置和處理器202的系統(tǒng)，其他處理器224可以是主處理器或集中控制器。上述兩個(或者更多)處理器202和224可交換所需的信息，以便于控制各種系統(tǒng)，從而向使用者輸出通知。例如，如果處理器224確定或者發(fā)現(xiàn)車輛發(fā)生錯誤，處理器224將該信息通信到上述本地處理器202內(nèi)，隨后在顯示器16或其他顯示器(和/或在變速桿上的觸覺感應(yīng))上輸出特定的指示器，以警告使用者?；蛘撸绻兯贄U12在不同的變速或者控制模式，則另一處理器224可控制一些或者所有不同模式。
在其他的實施例中，處理器224可以是主處理器，例如通過將主命令發(fā)送到本地處理器，命令上述本地處理器202輸出力感應(yīng)。該主處理器可以是單處理器或者可設(shè)置在計算機內(nèi)，例如個人計算機，工作站，視頻游戲控制臺，便攜式電腦或者其他計算機或者顯示裝置，頂置盒等。上述主處理器可包括隨機存儲器(RAM)，只讀存儲器(ROM)，輸入/輸出(I/O)回路，和其他本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的計算機零件。利用變速桿12和/或其他控制器和外設(shè)，該主處理器可執(zhí)行一個和使用者交互的主應(yīng)用程序。在一些實施例中，上述主應(yīng)用程序可向上述本地處理器20和變速桿12輸出力反饋命令程序。在主處理器實施例或者其他類似實施例中，還可以利用軟件指令，使得處理器202等待主處理器的命令和請求，并根據(jù)上述命令和請求，操作/控制輸入和輸出信號。
例如，在力反饋實施例中，主處理器224可經(jīng)由總線26提供低電平力命令，本地處理器202直接將這些命令傳遞到上述致動器內(nèi)。在不同的力反饋本地控制實施例中，主處理器224經(jīng)由總線226向處理器202提供高電平監(jiān)督命令，處理器202管理低電平力控制回路，根據(jù)上述高電平命令，傳遞給傳感器和致動器，這和上述主處理器224無關(guān)。在本地控制實施例中，處理器202可獨立地處理傳感器信號，通過跟蹤可存儲在本地存儲器206內(nèi)的“力處理“指令，來確定合適的輸出致動器信號，而且還包括計算指令，公式，力大小(力構(gòu)形)，和/或其他數(shù)據(jù)。上述力處理可命令變速桿12上的明顯力感應(yīng)，例如阻尼，彈簧，止擋部，棘爪，震動，組織，搖晃等。這些本地處理器在力反饋應(yīng)用的實例在美國專利US5,734,373中進行了詳細(xì)描述。
在另一實施例中，上述接口裝置內(nèi)沒有包括本地處理器202，而處理器24控制和處理所有觸覺變速裝置10元件的信號。或者，硬線數(shù)字邏輯器可執(zhí)行上述變速裝置的輸入/輸出功能。
力感應(yīng)下面敘述適合于這里描述的觸覺變速器裝置的一些力感應(yīng)。
在變速桿12上輸出的力效應(yīng)包括彈簧，阻尼器，組織，震動，棘爪，震蕩或脈沖，慣性，摩擦，障礙物(止擋部)，或者動態(tài)力效應(yīng)。多個這種力效應(yīng)已經(jīng)在其他申請中進行了敘述，例如No.09/783,936和美國專利No.5,734,373；6,147,674；6,154,201；6,128,006，這些都整體作為參考結(jié)合在這里。上述力感應(yīng)可整體利用變速桿12的控制功能來實施。一些感應(yīng)(例如彈簧)僅可利用主動致動器輸出。
基本的力感應(yīng)就是在變速桿12預(yù)定或者規(guī)定空間位置輸出的力棘爪，用于通知使用者變速桿已經(jīng)移動到和/或指示變速桿的特定位置。上述力棘爪可以是簡單地在命令方向以震蕩或搖蕩力輸出，來指示棘爪的位置或標(biāo)示變速桿的特定位置?；蛘呱鲜黾砂▽⑸鲜鲎兯贄U吸引到特定位置和/或防止變速桿遠(yuǎn)離該位置運動的力。還可以設(shè)置力反饋“扣接“棘爪，用一個較小的力將按鈕偏壓到上述棘爪位置，在其剛剛偏出上述位置時。這些棘爪形式在美國專利No.6,154,201和5,734,373中已經(jīng)敘述過。
另一種由變速桿12輸出的力感應(yīng)就是彈簧力。該彈簧力可在任一方向上為變速桿的運動設(shè)置阻力，以在變速桿和地面之間仿真一個物理彈簧。例如在使用者放手變速桿之后，可用以將變速桿彈回其?？炕蛘咧行奈恢谩＿€可以在變速桿12上設(shè)置阻尼力感應(yīng)，以基于變速桿的速度，減緩變速桿的運動。還可以利用小幅彈簧，用于棘爪或者其他元件。
在一些實施例中還可以使用“坡形“力效應(yīng)。這種坡形力效應(yīng)作為增大的阻力，直到到達(dá)該坡形的“峰值”。在離開該峰值點后，該力效應(yīng)有助于使用者離開上述峰值。例如這種力效應(yīng)可用于變速桿的齒輪選項之間。這種坡形力效應(yīng)的一些實例在未審申請No.09/783,936中進行了敘述。
止擋力效應(yīng)是限定使用者已經(jīng)達(dá)到臨界的變速桿的運動，可部分或者全部地物理鎖定上述變速桿，防止其移動到上述止擋部“之后“的位置上。實現(xiàn)止擋效應(yīng)的一種方式就是設(shè)置一個具有較大幅度或者較大“剛度”的彈簧?，F(xiàn)有技術(shù)中的彈簧通常是利用關(guān)系式F＝kx，其中阻力輸出和上述按鈕移動上述彈簧的距離線性成比例。可以使用線性的，指數(shù)的，或者其他形式的止擋力；一些止擋力效應(yīng)在2001年2月14日申請的美國未審申請No.09/783,936已經(jīng)有所敘述。其他形式的止擋力效應(yīng)業(yè)已實施。
還可以輸出其他力反饋通知使用者變速桿行程的端點。例如，可以輸出一個比正常棘爪幅度更大的震蕩力，來通知使用者已經(jīng)達(dá)到或者將要達(dá)到的數(shù)值范圍或其他范圍端點。
也可以將任一種的這些力反饋相結(jié)合，來提供同時的多重力效應(yīng)。
盡管本發(fā)明由幾個優(yōu)選實施例進行了敘述，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)，還可以進行替換，修改和排列組合。應(yīng)該注意的是，上述的實施例能夠以不同的方式結(jié)合在特定的實施方式和實施例中。而且這里的術(shù)語僅僅是用于解釋的目的，而并非是限制本發(fā)明。可以理解隨后的權(quán)利要求在不偏離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，也可以進行替換，修改和排列組合。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括以至少一個自由度移動的操縱裝置；至少一個傳感器，檢測所述以至少一個自由度移動的操縱裝置的位置；基于所述操縱裝置的位置，輸出所述位置，改變車輛的傳動比；和至少一個致動器，在所述操縱裝置上輸出一個力。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括處理器，從所述至少一個傳感器接收所述位置數(shù)據(jù)，并輸出數(shù)據(jù)，改變所述傳動比。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述車輛包括汽車。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述車輛包括計算機實現(xiàn)的虛擬車輛。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述操縱裝置包括變速桿。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述操縱裝置可在具有邊界的圖案中移動，并被鎖定，防止移出所述圖案的邊界之外。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述圖案包括至少一個用于所述操縱裝置的通道，使得所述操縱裝置相對于所述圖案的直角坐標(biāo)定位進行非直角坐標(biāo)運動。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述操縱裝置可被至少一個致動器輸出的止擋力鎖定在所述外部區(qū)域之外。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述至少一個致動器之一是主動致動器，可在所述操縱裝置上輸出主動力。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述至少一個致動器之一是被動致動器，可在所述操縱裝置上提供阻力。
11.如權(quán)利要求6所述的裝置，進一步包括實施所述圖案一部分的機械開關(guān)，其特征在于，所述操縱裝置可由該機械開關(guān)鎖定在所述外部區(qū)域中的一個之外。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述機械開關(guān)可提供兩種不同的圖案，一種是具有至少兩種和水平通道相結(jié)合的垂直通道的手動換檔圖案，另一種是具有單一垂直通道的自動換檔圖案。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述機械開關(guān)包括具有至少一個機械可動零件的可變機械開關(guān)，在多自由度為所述操縱裝置提供機械止擋部。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述至少一個機械移動的零件包括多個開關(guān)凸頭，可在所述圖案中鎖定水平通道。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述至少一個機械移動的零件包括可線性移動、以在所述圖案中鎖定通道的開關(guān)元件。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述至少一個機械移動的零件包括可旋轉(zhuǎn)移動、以在所述圖案中鎖定通道的開關(guān)元件。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個致動器包括兩個致動器，其中一個是阻力致動器，可在所述操縱裝置上提供阻力，另一個是主動致動器，可在所述操縱裝置上輸出主動力。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個致動器包括兩個致動器，其中這兩個都是主動致動器，都可在所述操縱裝置上輸出主動力。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個致動器包括兩個致動器，其中這兩個都是阻力致動器，都可在所述操縱裝置上提供阻力。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個致動器包括至少一種阻力致動器部分和主動致動器部分之間的結(jié)合，用于所述操縱裝置的特定自由度。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述主動致動器部分在所述操縱裝置上輸出觸覺效應(yīng)，所述阻力致動器提供阻力來鎖定操縱裝置，防止其移出預(yù)定圖案之外。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述輸出力可在所述操縱裝置上產(chǎn)生觸覺效應(yīng)。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述觸覺效應(yīng)包括至少棘爪和坡形之一。
24.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括和第二處理器相聯(lián)通的操縱處理器，所述第二處理器可協(xié)同所述車輛的其他功能。
25.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述操縱裝置可在兩個旋轉(zhuǎn)自由度上運動，該操縱裝置可和五桿閉環(huán)萬向接頭機構(gòu)相連。
26.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括操縱模式選擇器，用以選擇多個變速模式中的至少一個。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述多個變速模式包括自動模式，手動模式和按序模式中至少之一。
28.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述變速模式中的至少兩個可為所述操縱裝置提供不同的物理特性。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，所述不同的物理特性包括所述操縱裝置以至少兩個不同模式的不同運動范圍。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述不同的物理特性包括在至少兩個不同模式下的不同力感應(yīng)輸出。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，在所述模式之一中，止擋力感應(yīng)被應(yīng)用到所述操縱裝置上。
32.一種方法，包括檢測以至少一個自由度移動的操縱裝置的位置；基于所述操縱裝置的位置，輸出所述數(shù)據(jù)，來改變車輛的傳動比；和利用至少一個致動器，在所述操縱裝置上輸出一個力。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述操縱裝置可在圖案內(nèi)移動，并被鎖定離開所述圖案邊界的外部區(qū)域。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述操縱裝置可由至少一個致動器輸出的止擋力鎖定離開所述外部區(qū)域。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述在操縱裝置上的力輸出包括主動力，所述至少一個致動器包括主動致動器。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述在操縱裝置上的力輸出包括阻力，所述至少一個致動器包括阻力致動器。
37.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述操縱裝置上的力輸出包括提供所述止擋力的阻力，和提供觸覺感應(yīng)的主動力。
38.如權(quán)利要求32所述的方法，進一步包括利用實施所述圖案的機械開關(guān)，將所述操縱裝置的運動鎖定在所述圖案邊界外部區(qū)域之外。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述機械開關(guān)可提供兩種不同的圖案，一種是具有至少兩種和水平通道相結(jié)合的垂直通道的手動換檔圖案，另一種是具有單一垂直通道的自動換檔圖案。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，進一步包括在改變所述操縱裝置的模式時，機械地移動所述機械開關(guān)的一個元件。
全文摘要
一種用于車輛中線傳變速系統(tǒng)的觸覺變速裝置。該觸覺變速裝置包括使用者可操縱的變速桿。至少一個傳感器檢測所述變速桿的位置。車輛的換檔齒輪基于變速桿的位置而改變。至少一個電子控制致動器在變速桿上輸出一個力。在某些實施例中，所述變速桿可在圖案內(nèi)移動，并被鎖定防止進入該圖案邊界之外的區(qū)域。所述致動器可以是主動的，或者被動的，和/或利用可變機械開關(guān)實施所述圖案。設(shè)定的變速模式包括自動的，手動的和/或按序模式。還可以設(shè)置有其他的變速模式。
文檔編號B60K20/02GK1646833SQ03807822
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月3日
發(fā)明者邁克爾·D·萊文, 史蒂文·P·瓦薩洛 申請人:伊梅森公司