專利名稱：叉形萬向臂力反饋機構(gòu)的制作方法
本申請是于1999年3月22日申請的美國專利申請序列號No.09/273,894和2000年2月18日申請的美國專利申請序列號__、題目為“具有直接驅(qū)動傳感器的折疊齒輪驅(qū)動力反饋機構(gòu)”(代理人編號No.009623-022100)的系列申請，這兩份申請的全部公開內(nèi)容在這里作為參考被結(jié)合進來。
本發(fā)明總體上涉及定點裝置，更具體地說涉及具有力反饋機構(gòu)的定點裝置，所述力反饋機構(gòu)包括一個改善了與使用者可操作物之間的結(jié)合以便提高精度和改善游戲操作的萬向架。
一種類型的定點裝置具有力反饋特性。這種裝置通常用于交互系統(tǒng)中，所述交互系統(tǒng)通常在一個顯示屏上向使用者顯示一個可視環(huán)境。使用者可與顯示環(huán)境互動，以便通過采用一個使用者可操作物或使用者接口裝置例如操縱桿、操縱板按鈕控制器、鼠標、跟蹤球、輸入筆和輸入板等進行游戲。接口裝置與控制顯示環(huán)境的計算機系統(tǒng)連接。該計算機根據(jù)使用者對使用者可操作物的操作更新模擬或游戲，并向使用者提供反饋。一些接口裝置通過向使用者提供物理感覺而向使用者產(chǎn)生觸覺或力反饋。通常，馬達或其它致動器被連接到使用者可操作物上并且受計算機系統(tǒng)的控制。位置傳感器監(jiān)控使用者可操作物的位置并且向處理數(shù)據(jù)的計算機提供測量數(shù)據(jù)。根據(jù)該數(shù)據(jù)，計算機系統(tǒng)產(chǎn)生用于控制馬達的控制信號，以便向使用者可操作物產(chǎn)生力反饋，從而除視覺刺激外還向使用者傳輸物理感覺。
定點裝置例如操縱桿傾向于具有擴展連接件，該擴展連接件包括例如萬向架或其它安裝部件。位置測量傳感器通常遠離在產(chǎn)生運動處的使用者可操作物例如操縱桿手柄等。從而，連接部件(如萬向架的各個部分和用于傳感器的安裝結(jié)構(gòu))之間的公差減小了位置測量系統(tǒng)的精度。這進而降低了游戲的質(zhì)量。
本發(fā)明針對一種定點裝置，該定點裝置例如為包含有改進了的力反饋機構(gòu)的操縱桿，所述力反饋機構(gòu)的精度被改善且使游戲更有趣。該機構(gòu)采用一對萬向臂。一個臂是雙側(cè)或叉形萬向臂，從而在操縱桿和力反饋機構(gòu)之間提供了更好的連接，以便減少反沖并對游戲進行改善。
該定點裝置包括一個用于使用者可操作物如操縱桿的位置傳感設(shè)備。該位置傳感設(shè)備應(yīng)采用直接或基本上直接連接到使用者可操作物上的傳感器，以減少反沖，并且該位置傳感設(shè)備以充分消除傳感器上的離軸載荷的方式安裝。反沖的減小可使位置測量更為精確從而提高了游戲的趣味，同時，離軸載荷的消除可防止傳感器不會被其內(nèi)部機構(gòu)損壞。
在一些實施例中，定點裝置包含結(jié)合有一個力反饋機構(gòu)，該機構(gòu)包括一個利用一環(huán)形齒輪減速部分的齒輪減速系統(tǒng)，用于從力反饋致動器向定點裝置的使用者可操作物進行力的傳遞。環(huán)形減速齒輪部分在一個給定空間中產(chǎn)生比傳統(tǒng)的齒輪大的齒輪減速，從而可采用較小的致動器。該齒輪減速系統(tǒng)占據(jù)更少的空間。從而，定點裝置更為緊湊和精確，且可以更加經(jīng)濟實用。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，定點裝置包括一個操縱桿和一個第一萬向臂。該第一萬向臂包括連接到操縱桿上的一個第一臂部和一個第二臂部，以便在操縱桿和第一萬向臂之間繞一個第一軸線旋轉(zhuǎn)。第一和第二臂部被置于操縱桿的相對側(cè)上。一個第二萬向臂連接于操縱桿上，以便在操縱桿和第二萬向臂之間繞一個第二軸線旋轉(zhuǎn)。
在一些實施例中，操縱桿包括位于操縱桿的相對側(cè)上且沿第一軸線取向的一個第一圓形凸起和一個第二圓形凸起。第一萬向臂包括一個位于第一臂部中用于接收第一圓形凸起的第一圓孔，和一個位于第二臂部中用于接收第二圓形凸起的第二圓孔。
在一些實施例中，一個致動器連接到第一萬向臂上，用以繞第二軸線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動第一萬向臂和操縱桿。一個齒輪系統(tǒng)連接到致動器和第一萬向臂之間，并且從致動器向第一萬向臂進行齒輪減速。該齒輪系統(tǒng)包括至少一個環(huán)形齒輪部分，該環(huán)形齒輪部分在一凹側(cè)上具有與一個小齒輪的齒嚙合的齒，用以驅(qū)動環(huán)形齒輪部分。
在一些實施例中，一個第一傳感器具有與第一傳感器軸連接的第一傳感器體。第一傳感器軸被充分地固定連接到操縱桿上，以便隨操縱桿運動。第一傳感器軸可相對于第一傳感器體大體繞第一軸線旋轉(zhuǎn)。一個第一安裝機構(gòu)設(shè)置在第一萬向臂上并且與第一傳感器體連接，以便使第一傳感器體除繞第一軸線旋轉(zhuǎn)之外可隨第一傳感器軸運動。
下面參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明。


圖1是一個具有兩個單側(cè)萬向臂的已有操縱桿裝置的透視圖；圖2A和2B表示一個傳統(tǒng)的可變電阻器；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的操縱桿裝置的透視圖；圖4是圖3所示操縱桿裝置的分解透視圖，示出了叉形萬向臂；圖5A是一個與一單側(cè)萬向臂連接的操縱桿的正視圖；圖5B是圖5A所示操縱桿和單側(cè)萬向臂沿Ⅰ-Ⅰ線的剖視圖；圖6A是一個與一叉形萬向臂連接的操縱桿的正視圖；圖6B是圖6A所示操縱桿和單側(cè)萬向臂沿Ⅱ-Ⅱ線的剖視圖7是圖3所示操縱桿裝置的分解視圖；圖8A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的位置傳感器的透視圖；圖8B是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的位置傳感器的透視圖；圖9是表示圖3所示的操縱桿裝置的對角線運動的透視圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個采用標準外側(cè)齒輪部分的齒輪減速系統(tǒng)的正視圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的一個采用環(huán)形齒輪部分的齒輪減速系統(tǒng)的局部剖視圖；圖12是圖11所示齒輪減速系統(tǒng)的透視圖。
本發(fā)明針對在一定點裝置(如操縱桿)中用于使用者可操縱物的力反饋機構(gòu)和位置傳感設(shè)備。該力反饋機構(gòu)采用一個雙側(cè)或叉形萬向臂，該臂在所有的運動中充分地夾持操縱桿手柄，其中包括施加繞手柄軸的轉(zhuǎn)矩以及上、下和前、后的力。所述改進的約束通過減少公差提供更高的精度，從而可使游戲更為有趣。力反饋機構(gòu)進一步包括一個齒輪減速系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一個可實現(xiàn)更大的齒輪減速的環(huán)形齒輪部分。該齒輪減速系統(tǒng)占據(jù)更小的空間，使定點裝置更為緊湊。該位置傳感設(shè)備采用直接或基本上直接固定到操縱桿軸或其它使用者可操縱物上的傳感器，以便減小反沖并消除傳感器上的離軸載荷。
圖1表示一個操縱桿手柄22的操縱桿裝置20的現(xiàn)有力反饋設(shè)備，該操縱桿手柄支撐在一個萬向架上，用以沿前-后軸線24和左一右軸線26兩個自由度運動。操縱桿22包括一個基座28。一個第一萬向臂30A在一個大致圓形的接合點32A處連接到基座28上。操縱桿手柄22包括一個槽和一個銷，其中插入一個第二旋轉(zhuǎn)部件32C。通過在一個垂直于手柄22的軸線的平面中運動，該旋轉(zhuǎn)部件允許連接點32B做球面運動。一個第二萬向臂30B通過設(shè)有一大致圓形的接合點32B的旋轉(zhuǎn)部件32C連接到基座28上。另一個接合點32D形成于操縱桿手柄22的所述槽和銷處。接合點32A允許在操縱桿手柄22和臂30A之間由手柄沿前一后軸線24的運動引起的相對旋轉(zhuǎn)，同時，接合點32B允許在操縱桿手柄22和臂30B之間由手柄22沿左-右軸線26的運動引起的相對旋轉(zhuǎn)。
所示萬向臂30A、30B為L形。各臂(30A或30B)每側(cè)具有一個接合點(32A或32B)與操縱桿手柄22的基座38連接起來。臂30A、30B為單側(cè)臂。
臂30A連接到一個齒輪架34A上，該齒輪架支撐有一個由一馬達38A驅(qū)動的齒輪系統(tǒng)36A。同樣地，臂30B連接到一個齒輪架34B上，該齒輪架支撐有一個由馬達38B驅(qū)動的齒輪系統(tǒng)36B。一個電位計40A安裝在齒輪架34A上，以便檢測操縱桿手柄22的左-右運動26，該運動經(jīng)接合點32A通過臂30A傳遞給電位計40A。另一個電位計40B安裝在齒輪架34B上，以便檢測操縱桿手柄22的前-后運動24，該運動經(jīng)接合點32B通過臂30B傳遞到電位計40B上。
在圖1所示的操縱桿裝置20中，操縱桿手柄22的左-右運動26使得臂30A旋轉(zhuǎn)并觸發(fā)安裝在齒輪架34A上的電位計40A。前-后運動34使得臂30B旋轉(zhuǎn)并觸發(fā)安裝在齒輪架34B上的電位計40B。接合點32A中的公差在電位計40A被操縱桿手柄22的左-右運動26觸發(fā)之前必須首先被占據(jù)。相類似的結(jié)果，接合點32B和32D中的公差在電位計40B被操縱桿手柄22的前-后運動24觸發(fā)之前必須首先被占據(jù)。這些公差在定點裝置中導(dǎo)致反沖，從而降低了測量精度和游戲的質(zhì)量。
采用兩個單側(cè)萬向臂30A、30B需要各個萬向臂提供對手柄22的部分固位。這種部分固位與采用完全固位的方式相比，導(dǎo)致額外的公差的疊加，并且增加了系統(tǒng)中的反沖。進而，由于電位計40A、40B安裝在齒輪架34A、34B上，馬達38A、38B位于外側(cè)，這導(dǎo)致相對較大的臺面面積，因而使得操縱桿裝置20實際上很大。
與電位計或類似的傳感器相關(guān)的另一個問題可由離軸載荷引起?？赏ㄟ^圖2A和2B中的一個典型的電位計的例子對此進行說明。如箭頭Ⅰ所指示的軸S的旋轉(zhuǎn)改變電位計的阻值，以便提供位置感知。在游戲時，一個游戲控制器必須對使用者沿不同的軸線做出突然的和不可預(yù)測的運動做出響應(yīng)，所示游戲控制器通常為一個計算機控制器，例如一個操縱桿。這種類型的運動可將離軸或徑向載荷傳遞給游戲控制器中采用的傳感器。
如圖2B所示，箭頭2和4指示的離軸力隨時間的推移可造成接觸滑動片W的永久變形，使得即使當對可變電阻的軸S重新定位時滑動片W也會偏離電阻材料R?？勺冸娮璧墓ぷ鞣绞綖?，通過滑動片W猛烈沖擊電阻材料R以根據(jù)滑動片的旋轉(zhuǎn)位置改變可變電阻的阻值。當滑動片W再也不會與電阻材料R接觸時，滑動片W的“離開”將最終損壞可變電阻的功能。隨著滑動片的離開，軸S的運動不再被可變電阻記錄，因此，計算機將不再記錄使用者在操縱桿或其它游戲控制器上的手的運動或其它運動。
傳統(tǒng)的傳感器不具有用于補償或消除這些傳感器上的載荷的機構(gòu)，并且不能承受在猛烈的游戲過程中分布在可變電阻的內(nèi)部機構(gòu)上的徑向載荷和其它離軸力的大的變化。進而，傳統(tǒng)的電位計和可變電阻通常被剛性安裝在計算機控制器中，并且最終將這些載荷傳遞給內(nèi)部機構(gòu)。從而，隨著長時間承受嚴酷的計算機游戲，這些傳感器既缺乏堅固性又缺乏精確性。
定點裝置50的一個克服這些問題的實施例如圖3所示。定點裝置50包括一個支撐在一個萬向架上以便在沿前-后軸線54和左-右軸線56在兩個自由度上運動的操縱桿手柄52。一個第一萬向臂60A在一個圓形接合點62A和一個圓形接合點63A處連接到操縱桿手柄52的基座58上。一個第二萬向臂60B在一個圓形接合點62B處連接到基座58上。左-右臂50A連接到一個齒輪架64A上，該齒輪架支撐著一個由左-右馬達68A驅(qū)動的齒輪系統(tǒng)66A。前-后臂60B連接到一個齒輪架64B上，該齒輪架支撐著一個由前-后馬達68B驅(qū)動的齒輪系統(tǒng)66B。
A．叉形萬向臂如圖4所示，定點裝置50的第一萬向臂60A是一個包括兩個平行臂部65A、67A的雙側(cè)或折疊臂，所述兩個平行臂部65A、67A分別具有孔79、81，用于在操縱桿52的基座58上與凸起73和凸起71連接。圓形凸起73、71沿左-右軸線56取向，并且優(yōu)選地相互對齊。由于手柄52的位置在兩側(cè)受兩個凸起71、73控制，而不是在單側(cè)萬向臂中僅受一個凸起的控制，所以可產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)矩阻力。另外，將手柄52夾持在叉形萬向臂60A中，進一步減小了萬向臂60A的孔79、81和手柄52的凸起73、71之間的公差。單側(cè)萬向臂和叉形萬向臂之間的比較如圖5A-6B所示。
圖5A和5B表示手柄22的基座28，該基座具有一個與設(shè)置在圖1所示的操縱桿裝置20的單側(cè)萬向臂中的開口59相連接的隆起部57。隆起部57和開口59之間的公差允許一定的反沖。以在手柄22和萬向臂30A之間的連接處的角位移形式存在的反沖量例如為5°。在圖6A和6B中，手柄52的基座58在兩個位置上與叉形萬向臂60A連接。隆起部73在一側(cè)上與設(shè)置在臂部65A中的孔79連接，隆起71在相對側(cè)上與設(shè)置在臂部67A中的開口81連接。由于在叉形萬向臂60A中隆起部73、71和孔79、81之間的公差與單側(cè)臂30A中的相同，手柄52和萬向臂60A之間的反沖被減小到例如1°。因此，具有叉形萬向臂60A的操縱桿裝置50可制造得比現(xiàn)有的操縱桿裝置20具有更小的公差，且產(chǎn)生的反沖更小。
叉形萬向臂60A的另一個特征是對手柄52和萬向臂60A之間沿隆起部71、73和孔79、81的軸線的軸向運動的約束。為了提供相同水平的約束，單側(cè)萬向臂需要依賴于整個系統(tǒng)的更為緊密的組裝公差，因而增加了制造成本并減小了系統(tǒng)的功能。
B．直接驅(qū)動傳感器在圖3所示的定點裝置50中，一個旋轉(zhuǎn)傳感器、例如一個左一右電位計70A基本上直接連接到操縱桿軸的基座58上，以便檢測操縱桿手柄22的左-右運動56。另一個旋轉(zhuǎn)傳感器70B為一個直接連接到基座58上的前一后電位計，以便檢測操縱桿手柄22的前-后運動24。
如圖7的分解圖所示，操縱桿手柄52包括兩個凸起73、71，這兩個凸起從基座58向相反的方向延伸，并且它們優(yōu)選地與手柄52形成一體。圓形凸起73、71基本上沿左-右軸線56取向，并且優(yōu)選地相互對齊。另一個圓形凸起74包括一個插入設(shè)置在操縱桿手柄52的基座58中的槽76中的隆起部或柱銷75。凸起74基本上沿前-后軸線54取向。柱銷75優(yōu)選地壓緊插入槽76中，并且被約束以防相對于手柄52向上、向下或繞前-后軸線54運動。這使得凸起74與手柄52相連接。柱銷75的結(jié)構(gòu)有利于允許凸起74繞手柄52的軸線做小的旋轉(zhuǎn)運動，以跟蹤操縱桿萬向結(jié)構(gòu)的球面運動。
傳感器70B具有一個從傳感器體78延伸出來并且插入凸起73中的一個開口中的傳感器軸77。傳感器軸77的軸線基本上與左-右軸線56對齊。臂60的臂部65A中的孔79允許通過其建立起凸起73和傳感器軸77之間的連接。傳感器軸77優(yōu)選地通過壓入配合或相互配合連接到凸起73上，以形成一個直接驅(qū)動連接，以便消除反沖及提高傳感器精度。如圖3所示，凸起73穿過孔79的插入在操縱桿手柄52和臂60A之間形成萬向節(jié)62A。在相對側(cè)，凸起71穿過孔81的插入在操縱桿手柄52和臂60A之間形成萬向節(jié)63A。
如圖8A所示，前-后傳感器70B包括一個從傳感器體78大體徑向延伸遠離傳感器軸77的側(cè)隆起部80。在側(cè)隆起部80的端部處是一個優(yōu)選為球形的末端82。末端82優(yōu)選包括一個槽或狹縫84。當組裝時，如圖3所示，末端82位于一對設(shè)置在臂60A上的接觸肋或表面86、88之間。如圖3和7所示，接觸表面86、88可大體從傳感器軸77的軸線徑向布置，或者可從傳感器軸77的軸線橫向布置并且大體相互平行定位。
接觸表面86、88與末端82接觸，以防止傳感器體78相對于傳感器軸77的軸線旋轉(zhuǎn)。大體呈球形的末端82在其它不受限制的運動方向上提供充分的自由度。例如，除了相對于傳感器軸77的軸線旋轉(zhuǎn)之外，如圖3所示，傳感器體78在包括前-后54、左-右56、上-下、相對于前-后軸線54的列94以及相對于上-下軸線92的偏轉(zhuǎn)96在內(nèi)的五個自由度上隨操縱桿軸52運動。通過允許傳感器體78隨操縱桿52在五個自由度上運動，用于傳感器70B的安裝機構(gòu)不會在傳感器軸77和傳感器體78之間引起任何彎曲力。由于用于使傳感器軸77相對于傳感器體78旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩非常低，所以側(cè)隆起部80上的力非常低，并且不會產(chǎn)生任何破壞。通過這樣，僅有傳感器70B的內(nèi)部機構(gòu)經(jīng)受的力使連接到傳感器70B中的軸77上的滑動片W旋轉(zhuǎn)。從而，用于傳感器70B的安裝機構(gòu)充分消除了離軸力(即，除了繞傳感器軸77旋轉(zhuǎn)之外的力)引起的傳感器70B的內(nèi)部機構(gòu)的應(yīng)變，從而，有利于通過消除反沖而不損傷傳感器70B損傷地提高傳感器的性能。
如圖8A所示，傳感器70B的末端82中的槽84基本上平行于接觸表面86、88，并且典型地延伸穿過末端82。槽84允許在末端82的制造公差中的變化，同時確保接觸表面86、88之間易于組裝。槽84有利于末端82被滑動壓縮，以便在接觸表面86、88之間提供滑動配合。例如，通常球形末端82可具有大約3.15mm的直徑，而接觸表面86、88之間的間隙大約為3mm。典型地，末端82具有在大約2mm到4mm之間的直徑。隆起部80具有大約在3mm到20mm之間的總長度，典型地約為14mm。
末端82典型地由具有一定柔性和彈性的塑料或聚合物材料制成。接觸表面86、88優(yōu)選地在兩個接觸點上與末端82接觸，以提供在防止傳感器體78相對于傳感器軸77旋轉(zhuǎn)的同時可在剩余五個自由度上完全不受約束地運動的相互配合。塑料和硬聚合物有蠕變的傾向，最終由相互配合產(chǎn)生的應(yīng)力可達到材料應(yīng)力曲線上蠕變停止的點，但仍不希望在接觸表面86、88和末端82之間沒有間隙，以確保它們之間的滑動配合。在一些實施例中，末端82中的槽84可包括一個偏壓部件，例如一個彈簧或可壓縮材料，該部件偏壓末端82，以保持與接觸表面86、88的接觸。
如圖7所示，左-右傳感器70A包括一個從傳感器體108延伸出來并且插入凸起74的一個開口中的傳感器軸107。傳感器軸107的軸線大體與前-后軸線54對齊。臂60B具有一個孔109，允許凸起74和傳感器軸107之間通過該孔連接起來。如圖3所示，凸起74穿過孔109的插入形成操縱桿手柄52和臂60B之間的萬向節(jié)62B。
傳感器軸107優(yōu)選地通過壓力配合或靜配合連接到凸起74上，從而形成直接驅(qū)動連接，以便充分消除反沖并提高傳感器的精度。由于凸起74可在繞操縱桿手柄52的軸線的旋轉(zhuǎn)中滑動，所以傳感器70A是一個浮動傳感器。在凸起74的柱銷75和手柄基座58的槽76之間的連接處可存在一定的反沖，但反沖的總量與圖1所示的現(xiàn)有操縱桿裝置20相比被充分地減弱。
左-右傳感器70A可與圖8A所示的前-后傳感器70B相同。圖8B表示傳感器70A的一個可替代的實施例，該傳感器70A包括一個從傳感器體108大體沿徑向延伸遠離傳感器軸107的軸線的側(cè)隆起部120。在側(cè)隆起部120的端部處是一個典型地呈球形的末端122。末端122優(yōu)選包括槽或狹縫124。在圖8B所示的替代實施例中，側(cè)隆起部120是一個安裝到傳感器體108上的分立的元件，而在圖8A所示的實施例中，側(cè)隆起部80是與傳感器體78形成一體的。在本實施例中的側(cè)隆起部120，為了適用于傳感器70A可更換所需的不同尺寸和形狀。當然，傳感器70A、70B均可具有圖8B中所示的相同的結(jié)構(gòu)。
在組裝時，如圖3所示，傳感器70A的末端122位于一對設(shè)置在臂60B上的接觸肋或表面126、128之間。接觸表面126、128可大體從傳感器軸107的軸線徑向設(shè)置，或者它們可從傳感器軸107橫向布置并且相互基本平行，如圖3和7所示。
接觸表面126、128與末端122接觸，以便防止傳感器體108相對于傳感器軸107旋轉(zhuǎn)。大體呈球形的末端122在不受約束的其它運動自由度上提供充分的自由。例如，如圖3所示，除了相對于傳感器軸107的旋轉(zhuǎn)外，傳感器體108隨操縱桿軸52在包括前-后54、左-右56、上-下92、相對于上-下軸線92的偏轉(zhuǎn)96及相對于左-右軸線56的傾斜五個自由度上運動。通過允許傳感器體108隨操縱桿軸52在五個自由度上運動，用于傳感器70A的安裝機構(gòu)不會在傳感器軸107和傳感器體108之間造成任何彎曲力，從而充分消除了離軸力(即除了繞傳感器軸107的旋轉(zhuǎn)之外的力)造成的傳感器70A的內(nèi)部機構(gòu)中的應(yīng)變。傳感器70A的尺寸、材料和操作與上述傳感器70B基本相同。
用于將傳感器70A、70B連接到操作桿手柄52上的直接驅(qū)動連接使得傳感器70A、70B隨著支撐在一個萬向架上的手柄52運動。圖9表示當手柄52以離軸方式在前-后軸線54和左-右軸線56之間斜對角運動時，傳感器70A、70B的運動。因為傳感器70A、70B除了被約束不能繞各自的傳感器軸77的軸線旋轉(zhuǎn)外可隨手柄52運動，所以充分地消除了離軸力。
C．齒輪減速系統(tǒng)再次參考圖3，齒輪系統(tǒng)66A、66B在各馬達68A、68B和操作桿手柄52之間提供齒輪減速?？刹捎酶叩臏p速比、更小、更廉價的馬達68A、68B。大減速比通常需要大的齒輪，然而，這將增加操作桿裝置50的的尺寸。另外，大減速比也可通過采用多個齒輪減速來實現(xiàn)，但這將導(dǎo)致反沖增大。本發(fā)明的一個實施例對于齒輪系統(tǒng)采用一個雙減速環(huán)形齒輪驅(qū)動，以實現(xiàn)高齒輪減速，同時與傳統(tǒng)的裝置相比減小了操縱桿裝置50的物理尺寸。
如圖7所示，各馬達68A、68B驅(qū)動第一小齒輪132A、132B，它們與第一齒輪134A、134B嚙合并且形成一個第一減速，用于在與第一小齒輪132A、132B的旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上的旋轉(zhuǎn)中對其進行驅(qū)動。第二小齒輪136A、136B連接到第一齒輪134A、134B上，并且隨第一齒輪134A、134B旋轉(zhuǎn)。第二小齒輪136A、136B依次驅(qū)動連接到萬向臂60A、60B上的第二齒輪，以便提供第二齒輪減速。
圖10表示在齒輪系統(tǒng)66B中的第二減速齒輪部分138B的一個實施例，該第二減速齒輪部分138B由第二小齒輪136B驅(qū)動，沿與第一小齒輪132B相同的方向旋轉(zhuǎn)。第二齒輪部分138B優(yōu)選地與臂60B形成一個整體，以便減少零件的數(shù)量和潛在的反沖。另外，第二齒輪部分138B也可以是可拆裝的，以便根據(jù)需要提供不同的齒輪減速。臂60B提供用于操縱桿手柄52的萬向支撐且形成齒輪系統(tǒng)66B的一部分。臂60B通過緊固件133B和墊圈135B連接到齒輪架64B上(見圖7)。類似地，臂60A通過緊固件133A和墊圈135A連接到齒輪架64A上(見圖7)。
第二齒輪部分138B具有足以為臂60B的旋轉(zhuǎn)運動提供足夠范圍的尺寸，該運動用以向操縱桿手柄52提供力反饋驅(qū)動。通過這樣，齒輪系統(tǒng)66B不需要一個完整的第二齒輪，從而縮小了裝置50的尺寸。由于前-后傳感器70B從齒輪架64B移動到操縱桿手柄52的其它側(cè)，所以與圖1的現(xiàn)有裝置相比，前-后馬達68B可移動得更靠近手柄，從而減小的本裝置50的尺寸。
在圖11和12所示的齒輪系統(tǒng)的另一個實施例中，第二減速齒輪部分140B是一個在內(nèi)部凹表面上具有齒輪齒的環(huán)形齒輪部分，而不象在圖10所示的實施例中那樣，齒輪齒位于外部凸表面上。在圖11和12中，第二減速齒輪部分140B折疊跨過由第一小齒輪132B和第一減速齒輪134B形成的第一級減速。第二小齒輪136B驅(qū)動第二減速齒輪部分140B，以便在與第一小齒輪132B的旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上旋轉(zhuǎn)。置于環(huán)形齒輪部分140B的凹側(cè)上的齒輪齒將節(jié)圓直徑移動到第二小齒輪136B的其它側(cè)，從而減小了實現(xiàn)給定齒輪比所需的尺寸。采用圖11和12中的折疊齒輪部分140B比采用圖10的減速齒輪部分138B更為緊湊。
如圖10-12所示，齒輪系統(tǒng)66A可與齒輪系統(tǒng)66B基本相同。本齒輪系統(tǒng)66A、66B優(yōu)選地提供至少大約15∶1的齒輪減速比，更優(yōu)選地在17∶1到35∶1之間。
在操作中，使用者操作操縱桿手柄52。位置傳感器70A、70B檢測手柄52的位置，并且將位置測量數(shù)據(jù)輸入給一個馬達控制器150，如圖3所示?？刂破?50對數(shù)據(jù)進行處理，并且將控制信號導(dǎo)向馬達68A、68B，以產(chǎn)生并通過齒輪系統(tǒng)66A、66B及萬向臂60A、60B向操縱桿手柄52施加一個反饋力，從而向使用者傳遞物理感受。
叉形萬向臂60A產(chǎn)生一個小而強的機構(gòu)，與單側(cè)萬向臂相比，其精度高、公差小，并且可在低成本下提高游戲的趣味性。用于安裝傳感器70A、70B的直接驅(qū)動連接通過減小反沖同時使傳感器70A、70B的離軸載荷最小化來提供精確的位置測量。折疊齒輪減速系統(tǒng)66A、66B產(chǎn)生較大的齒輪減速，以便使馬達68A、68B的尺寸最小化，同時減小操縱桿裝置50的尺寸。
上述設(shè)備和方法的設(shè)計僅是對本發(fā)明的原理的應(yīng)用，并且可在不脫離權(quán)利要求所確定的本發(fā)明的主旨和范圍的情況下提出許多其它實施例和變型。例如，操縱桿設(shè)備可被另一種在不同的自由度上做不同類型運動的使用者可操作物替換。傳感器的其它類型或可變電阻可被用作位置傳感器?？刹捎靡环N不同的萬向架結(jié)構(gòu)。齒輪減速的數(shù)目可多于或少于兩個?？刹捎貌煌愋偷闹聞悠饔糜诋a(chǎn)生力反饋。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)根據(jù)上述說明來確定，而是應(yīng)當根據(jù)具有等同于本發(fā)明全部范圍的后面所附的權(quán)利要求書來確定。
權(quán)利要求
1.一種定點裝置，包括一個操縱桿；一個第一萬向臂，該第一萬向臂包括連接到操縱桿上的一個第一臂部和一個第二臂部，以便在操縱桿和第一萬向臂之間繞一個第一軸線旋轉(zhuǎn)，第一和第二臂部被置于操縱桿的相對側(cè)上；以及一個連接于操縱桿上的第二萬向臂，以便在操縱桿和第二萬向臂之間繞一個第二軸線旋轉(zhuǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的定點裝置，其特征在于，第二軸線垂直于第一軸線。
3.如權(quán)利要求1所述的定點裝置，其特征在于，操縱桿包括位于操縱桿的相對兩側(cè)上且沿第一軸線取向的一個第一圓形隆起部和一個第二圓形隆起部，并且第一萬向臂包括一個在第一臂部中用于接收第一圓形隆起部的第一圓孔和一個在第二臂部中用于接收第二圓形隆起部的第二圓孔。
4.如權(quán)利要求3所述的定點裝置，其特征在于，第一圓形隆起部和第二圓形隆起部沿一公共軸線對齊。
5.如權(quán)利要求1所述的定點裝置，其特征在于，第一萬向臂的第一臂部和第二臂部連接到操縱桿的相對側(cè)，以防止在操縱桿和第一萬向臂之間沿第一軸線的運動。
6.如權(quán)利要求1所述的定點裝置，其特征在于，操縱桿包括一個沿第二軸線取向的第三圓形隆起部，并且其中，第二萬向臂包括一個用于接收第三圓形隆起部的圓孔。
7.一種定點裝置，包括一個使用者可操縱物；一個萬向臂，該萬向臂包括一個第一臂部和一個第二臂部，它們與使用者可操縱物連接，以便允許在使用者可操縱物和萬向臂之間繞第一軸線旋轉(zhuǎn)，第一和第二臂部位于使用者可操縱物的相對側(cè)；一個與萬向臂連接的致動器，用于在繞第二軸線旋轉(zhuǎn)的方向上驅(qū)動萬向臂和使用者可操縱物；以及一個連接到致動器和萬向臂之間的齒輪系統(tǒng)，該齒輪系統(tǒng)提供從致動器到萬向臂的齒輪減速，齒輪系統(tǒng)包括至少一個環(huán)形齒輪部分，該部分包括一個位于一凹側(cè)上的齒，用于與驅(qū)動環(huán)形齒輪部分的小齒輪的齒嚙合。
8.如權(quán)利要求7所述的定點裝置，其特征在于，第二軸線垂直于第一軸線。
9.如權(quán)利要求7所述的定點裝置，其特征在于，齒輪系統(tǒng)包括一個雙重齒輪減速系統(tǒng)。
10.如權(quán)利要求9所述的定點裝置，其特征在于，所述齒輪系統(tǒng)包括一個連接到致動器上以便由致動器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的驅(qū)動小齒輪；一個連接到驅(qū)動小齒輪上以便由驅(qū)動小齒輪驅(qū)動的齒輪；以及一個連接到該齒輪上以便隨該齒輪運動的中間小齒輪，其中，萬向臂包括一個環(huán)形齒輪部分，該部分在一凹側(cè)上具有與中間小齒輪的齒嚙合的齒，用以繞第二軸線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動使用者可操縱物。
11.如權(quán)利要求7所述的定點裝置，其特征在于，它進一步包括一個直接連接到使用者可操縱物上的旋轉(zhuǎn)傳感器，用以檢測使用者可操縱物相對于第二軸線的旋轉(zhuǎn)。
12.如權(quán)利要求11所述的定點裝置，其特征在于，旋轉(zhuǎn)傳感器包括一個與一傳感器軸連接的傳感器體，所述傳感器軸可相對于傳感器體繞第二軸線旋轉(zhuǎn)，傳感器軸線充分固定地連接到使用者可操縱物上，以便隨使用者可操縱物運動，并且還進一步包括一個與旋轉(zhuǎn)傳感器連接的安裝機構(gòu)，以便允許除了繞第二軸線的旋轉(zhuǎn)之外，傳感器體可隨傳感器軸運動。
13.如權(quán)利要求12所述的定點裝置，其特征在于，傳感器體包括一個隆起部，并且其中，安裝機構(gòu)包括一對設(shè)置在萬向臂上、相對于第二軸線橫向設(shè)置且與隆起部的兩側(cè)接觸的表面，以便防止傳感器體繞第二軸線旋轉(zhuǎn)。
14.如權(quán)利要求13所述的定點裝置，其特征在于，傳感器體的隆起部包括一個大體呈球形的末端，且所述一對表面與大體呈球形的末端接觸，以便允許除了繞第二軸線的旋轉(zhuǎn)之外，傳感器體可隨傳感器軸運動。
15.一種定點裝置，包括一個操縱桿；一個第一萬向臂，該萬向臂包括一個第一臂部和一個第二臂部，它們連接到操縱桿上，以允許在操縱桿和第一萬向臂之間繞第一軸線旋轉(zhuǎn)，第一和第二臂部設(shè)置在操縱桿的相對側(cè)；一個具有與第一傳感器軸連接的第一傳感器體的第一傳感器，第一傳感器軸充分固定地連接到操縱桿上，以便隨操縱桿運動，第一傳感器軸可相對于第一傳感器體大體繞第一軸線旋轉(zhuǎn)；以及設(shè)置在第一萬向臂上并且與第一傳感器體連接的第一安裝機構(gòu)，用以允許除了繞第一軸線旋轉(zhuǎn)外使第一傳感器體隨第一傳感器軸運動。
16.如權(quán)利要求15所述的定點裝置，其特征在于，第一傳感器軸以壓入配合方式插入到一個在操縱桿中的開口內(nèi)，并且大體上沿第一軸線取向。
17.如權(quán)利要求15所述的定點裝置，其特征在于，第一傳感器包括一個與第一傳感器體連接的第一隆起部，并且其中，第一安裝機構(gòu)包括一對設(shè)置在第一萬向臂上、相對于第一軸線橫向設(shè)置且與第一隆起部的兩側(cè)接觸的表面，用以防止第一傳感器體繞第一軸線旋轉(zhuǎn)。
18.如權(quán)利要求17所述的定點裝置，其特征在于，第一傳感器體的第一隆起部包括一個大體呈球形的末端，并且所述一對表面與大體呈球形的末端接觸，以便除了第一傳感器體繞第一軸線的旋轉(zhuǎn)外允許第一傳感器體隨操縱桿運動。
19.如權(quán)利要求17所述的定點裝置，其特征在于，它進一步包括一個連接到操縱桿上的第二萬向臂，用以允許在操縱桿和第二萬向臂之間繞第二軸線旋轉(zhuǎn)。
20.如權(quán)利要求19所述的定點裝置，其特征在于，它進一步包括一個具有與第二傳感器軸連接的第二傳感器體的第二傳感器，第二傳感器軸充分固定地連接到操縱桿上，以便除了第二傳感器軸可相對于操縱桿繞操縱桿軸線旋轉(zhuǎn)外隨操縱桿運動，第二傳感器軸可相對于第二傳感器體大體繞第二軸線旋轉(zhuǎn)；以及一個設(shè)置在第二萬向臂上且與第二傳感器體連接的第二安裝機構(gòu)，用以允許除了繞第二軸線旋轉(zhuǎn)外第二傳感器可隨第二傳感器軸運動。
21.如權(quán)利要求20所述的定點裝置，其特征在于，它進一步包括一個插入操縱桿的一個槽內(nèi)的凸起，該槽的結(jié)構(gòu)可允許凸起相對于操縱桿僅繞操縱桿軸線運動，并且其中，第二傳感器軸被充分固定地連接到該凸起上。
22.如權(quán)利要求21所述的定點裝置，其特征在于，第二傳感器軸以壓入配合方式插入一個位于凸起中的開口內(nèi)，并且大體沿第二軸線取向。
23.如權(quán)利要求21所述的定點裝置，其特征在于，第二傳感器包括一個與第二傳感器體連接的第二隆起部，并且其中，第二安裝機構(gòu)包括一對設(shè)置在第二萬向臂上、相對于第二軸線橫向設(shè)置且與第二隆起部的兩側(cè)接觸的表面，以便防止第二傳感器體繞第二軸線旋轉(zhuǎn)。
24.如權(quán)利要求23所述的定點裝置，其特征在于，第二傳感器體的第二隆起部包括一個大體呈球形的末端，并且所述一對表面與大體呈球形的末端接觸，以便除了第二傳感器體繞第二軸線旋轉(zhuǎn)之外允許第二傳感器體隨操縱桿運動。
全文摘要
一種定點裝置,包括一個由一致動器驅(qū)動的力反饋機構(gòu),以便向使用者傳遞物理感知。力反饋機構(gòu)采用一個具有一對萬向臂的萬向架。一個臂是雙側(cè)或叉形萬向臂,該臂在全部的運動中充分地夾持操縱桿手柄。改進的約束可隨著公差的減小提供更高的精度,從而使游戲更有趣。力反饋機構(gòu)進一步包括一個齒輪減速系統(tǒng)。齒輪減速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使其所占空間更小。所述定點裝置緊湊且精度高,并且生產(chǎn)成本低。
文檔編號G06F3/033GK1310366SQ0110404
公開日2001年8月29日 申請日期2001年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月18日
發(fā)明者戴維·麥克維卡 申請人:羅技歐洲公司