專利名稱：用于觸覺反饋接口設備的有方向觸覺反饋的制作方法
背景技術：
本發(fā)明通常涉及人與計算機接口的接口設備，更具體地涉及使用戶向計算機系統(tǒng)提供輸入并使計算機向用戶提供觸覺反饋的計算機接口設備。
用戶能與由計算機顯示的環(huán)境互動，在計算機上完成功能和任務。用于那樣互動的通常人—機接口設備包括鼠標、游戲桿、跟蹤球、游戲板、駕駛盤、指示筆、輸入板、壓敏球等，它們與計算機系統(tǒng)連接。通常，計算機響應用戶對如游戲桿把手或鼠標那樣的具體操縱器的操縱更新環(huán)境，并使用顯示屏和聲頻嗽叭向用戶提供視頻和聲頻的反饋。計算機借助于向計算機發(fā)送位置信號的接口設備的傳感器感知用戶對操縱設備的操縱。在某些接口設備還向用戶提供動覺力反饋或觸覺反饋，這里常稱為“觸覺反饋——haptic feedback”。這些接口設備可以提供被操縱接口設備中的用戶操縱器的用戶感知的具體感覺。一個或多個馬達或其他致計器連接到外殼或操縱器并連接到控制計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)通過發(fā)送控制信號或命令到各致動器控制各輸出力與顯示的事件及互動相協調。
許多低價的觸覺設備提供基于慣性(inertially-grounded)的觸覺反饋，其中力相對于慣性質量發(fā)送并由用戶感覺，而不是提供動感反饋，其中力相對于物理(地球)地直接輸出到運動的操縱器的運動自由度上。例如，許多現在可得到的游戲板控制器包括帶偏心質量的旋轉馬達，它配合在游戲中發(fā)生的事件輸出力的感覺到控制器的外殼。在某些觸覺鼠標設備中，鼠標的針，按鍵或外殼能按照控制光標與其他圖形對象的互動而致動，用戶通過接觸那個外殼區(qū)域而感覺那些。
那樣的不貴的觸覺控制器的一個問題是它們將不同類型的力的感覺傳遞給用戶的能力有限。更希望有那樣設備，它在協調和調節(jié)觸覺感知的感覺上為開發(fā)者提供更大的靈活性。此外，現在可得到的慣性控制器只能在轉動質量的一般方向上提供輸出脈沖和振動。對用戶那樣感知的感覺好象它們不在任何特定方向上輸出而簡單地輸出到設備的外殼。然而，在游戲和計算機實現的環(huán)境中的許多事件是基于方向的。并將從當前的慣性觸覺設備不能提供的觸覺感知的方向性得到好處。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是在觸覺反饋接口設備中提供有方向的觸覺反饋。還敘述了用于那樣有方向反饋的觸覺設備的有創(chuàng)造力的功率—效率特征。
更具體說來，本發(fā)明的接口設備為用戶提供有方向的觸覺反饋，此接口設備與主計算機通訊。該設備包括與用戶物理上接觸的外殼和至少一個檢測用戶輸入的傳感器。至少有兩個致動器組件，每個包括運動的慣性質量并放置在外殼中引起在外殼上有方向的慣性感覺。一個控制信號以不同的幅值加到致動器組件中每一個，提供被用戶感知的有方向慣性感覺。最好，波形的較大幅值加到致動器組件中特定的一個以提供具有幾乎對應于外殼中該特定致動器組件位置的方向的感覺，例如較大的幅值施加到左致動器組件以提供具有左邊方向的感覺。
可以包括一個當地處理器，它從計算機接收高級命令并控制致動器組件。高級命令可包括平衡參數，它指出在致動器組件之間如何分配電流以提供沿致動器組件之間的軸有方向慣性感覺的所希望的位置。致動器組件能線性振動所述慣性質量，或轉動偏心的轉動質量。控制信號能分成兩個控制信號，一個與另一個異相，且每個送到一個致動器組件。本發(fā)明的方法類似地能輸出有方向的慣性感覺。
在本發(fā)明的另一方面，接口設備向用戶提供有方向的觸覺反饋并包括物理上與用戶接觸的外殼，和至少一個用于檢測用戶輸入的傳感器。至少有兩個致動器組件，每個包括單向驅動的轉動慣性質量。致動器組件定位在外殼中引起在外殼上有方向慣性感覺，其中控制信號在不同工作循環(huán)加到每個致動器組件以提供由用戶感知的有方向慣性感覺。例如，控制信號命令的幅值能加到致動器組件的左邊一個以提供具有左邊方向的感覺；類似地能對右邊方向提供控制。能使用包含平衡參考的高級命令，指出在致動器組件之間如何分配輸出振動幅值。一個控制信號與另一個異相?？刂菩盘栆材芑ハ嘟诲e，使得控制信號永遠不會同時打開。另外，當一個控制信號同時與另一個一樣打開時，一個或兩個信號是以預定頻率和工作循環(huán)脈動以減少致動器組件的平均功率需求。本發(fā)明的方法類似地允許輸出有方向的慣性感覺。
本發(fā)明有益地使用低價致動器提供用于觸覺反饋設備的有方向觸覺反饋感覺。這些感覺允許在此類觸覺設備中有各種各樣的感覺，使能體驗到玩游戲或與用戶更多完成的其他類型的計算機應用的互動。功率效率的特征也允許低功率設備的實施例能提供這里揭示的有方向觸覺感覺。
在閱讀本發(fā)明的下列說明和研究若干附圖以后本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點對業(yè)內的熟練人員將變得十分明白。
附圖概述

圖1是適用于本發(fā)明的游戲板觸覺反饋系統(tǒng)的立體圖；圖2a和2b分別是包括兩個提供有方向慣性反饋的致動器的觸覺接口設備的一個實施例的頂視平面剖視圖及側向立面視圖；圖3是功能概略圖，示出用于圖2a-2b的兩個致動器實施例的本發(fā)明的控制方法；圖4是接口設備的概略表示和用戶感覺合成的慣性力的可能的大概位置；圖5a和5b分別是包括兩個致動器和轉動慣性質量的觸覺接口設備的另一個實施例的頂視平面剖視圖和側向立面視圖；圖6是示出希望的正弦波振動和提供那樣振動的控制信號的時間與幅值關系的圖；圖7是示出希望的正弦波振動和提供那樣振動的控制信號的時間與幅值關系的另一個例子的圖；圖8a和8b是示出用于借助兩個不同致動器組件轉動質量并獨立地控制幅值和頻率的控制信號的圖；圖9a，9b和9c是示出對具有不同頻率和/或重疊的控制信號的本發(fā)明的功率分配方法的圖；圖10a、10b、10c、10d是示出在本發(fā)明的控制方法中為提供有方向觸覺反饋的控制信號的圖，和圖11是一方框圖，示出適用于本發(fā)明的觸覺反饋系統(tǒng)的一個實施例。
較佳實施例的詳細描述圖1是適用于本發(fā)明的觸覺反饋接口系統(tǒng)10的立體圖，它能根據用戶對設備的操縱提供輸入給主計算機，并能根據在主計算機實現的程序中發(fā)生的事件提供觸覺反饋給系統(tǒng)的用戶。系統(tǒng)10作為游戲板系統(tǒng)10的示例性形式示出，包括游戲板接口設備12和主計算機14。
游戲板設備12是手持控制器的形式，并具有當前可用于視頻游戲操縱臺系統(tǒng)的許多游戲板類似的形狀和大小。接口設備10的外殼15的形狀適合于兩手在抓握的凸塊16a和16b處抓住設備。在所述的實施例中，用戶用他或她的手指選取在設備12上的各種控制。在另一些實施例中，接口設備可采取廣泛的形式，包括放置在桌面或其他表面的設備，直立拱廊形游戲機，膝頂設備其它或穿戴在人身上的、手持式或用戶單手使用的設備等。
在設備12上能包括一塊方向板18，允許用戶給主計算機14提供方向輸入。在具大多數普通的實施中，方向板18大致形如十字頭或具有四個延伸物或從中心點以90％為間隔伸出的方向位置，其中用戶能按壓一個延伸物20以提供方向輸入信號給主計算機作為對應的方向。
在設備12中包括一個或多個指狀游戲桿，它凸出在外殼15的表面由用戶在一個或多個自由度上操縱。例如，用戶能抓住設備的每個把手部分16a和16b，并使用一個姆指或于指在兩個自由度(在某些實施例為3個或多個自由度)操縱游戲桿26。此動作轉換成提供給主計算機14的輸入信號，并能取與方向板18提供的信號不同的信號。在某些實施例中，對游戲桿能夠提供另外的線性或旋轉自由度。在其它實施例中，替代游戲桿或除此以外提供一個球，其中球的一個或多個部分能伸出外殼15的左，右，頂和/或底邊，使得用戶能在兩個轉動自由度中適當位置轉動此球，并類似于游戲桿進行操作。
除了按鍵24，游戲桿26和方向板18以外或替代它們可以在手握外殼15容易達到的范圍內放置其他控制板。例如，一個或多個觸發(fā)鍵能放在外殼的下方并能由用戶的手指按壓。在設備12的各種位置上也能提供其他控制，如在游戲中用于氣閥控制的撥盤或滑動器，四路或八路的編碼開關、旋鈕，跟蹤球，滾輪或球等。這些控制中任一個也能與如能觸知的反饋那樣的觸覺反饋一起提供。
此外，如在下面詳細描述，當用戶操作設備時與用戶接觸的外殼本身最好提供觸覺反饋。外殼的可動部分也能提供觸覺反饋。因此，外殼能提供觸覺反饋和方向板18(或其他控制)能提供分開的觸覺反饋。每個與觸覺反饋一起提供的其他按鍵或其他控制也能從其他控制單獨地提供觸覺反饋。
接口設備12通過若干種通訊介質的任何一種的總線32連結到主計算機14。例如，能使用串行接口總線，并行接口總線或無線通訊鏈路(無線電，紅外等)。具體的實現可以包括通用串口總線(Universal Serial Bus——USB)，IEEE1394(火線——Firewire)，RS-232，或其他標準。在某些實施例中，設備的致動器的電源能通過在總線32或其他通道上發(fā)送的功率供應或補充，或在設備12上提供電源供應/儲存設備。
接口設備12包括向主計算機14報告控制信號并處理從主計算機14來的命令信號所必需的線路。例如，傳感器(及有關線路)能用于感測并報告設備控制的操縱到主計算機。設備最好還包括從主計算機接收命令信號并按照命令信號使用一個或多個設備致動器輸出觸覺感覺的電路。游戲板12最好包括致動器組件，它運轉，以在游戲板12的外殼上產生力。此操作在下面參考圖2詳細描述。
主計算機14最好是視頻游戲控制臺，個人計算機，工作站或通常包括一個或多個主微處理器的其它計算或電子設備，能使用各種象家用視頻游戲系統(tǒng)之一，如從Nintendo，Sega，或Sony可得到的系統(tǒng)，電視“機頂盒”或“網絡計算機”等。另外能使用如IBM兼容個人計算機或Macintosh個人計算機，或如SUN或Silicon Graphics的工作站?；蛘?，主計算機14和設備12能包括在拱廊形游戲機，便攜式或手持式計算機，車載式計算機，或其他設備的單個外殼中，主計算機14最好執(zhí)行主應用程序，用戶經外圍和接口設備12與該程序交互。例如，主機應用程序可以是視頻或計算機游戲，醫(yī)學仿真，科學分析程序，操作系統(tǒng)，圖形用戶界面，繪圖/CAD程序，或其他應用程序。這里，計算機14可認為提供一個“圖形環(huán)境”，可以是圖形用戶界面，游戲，仿真或其他可視環(huán)境。計算機顯示“圖形對象”或“計算機對象”，它們不是物理對象，而是數據和/或過程的邏輯軟件單元的集合，如業(yè)內熟練人員所知，它們作為映象被計算機14在顯示設備34上顯示。與觸覺反饋設備軟件接口的合適的軟件驅動器可從San Jose，California的Immersion Corporation得到。
顯示設備34可包括在主計算機14中并能是一個標準的顯示屏(LCD，CRT，平面板，等)，3-D護目鏡，投影顯示設備(如投影儀或車輛中的頭罩(heads-up)顯示)，或任何其他可視輸出設備。通常，主機應用提供在顯示設備34顯示的映象和/或如聽覺信號的其他反饋。例如，顯示屏34能從GUI和/或應用程序顯示圖形對象。
在另外的實施例中，以這里敘述的本發(fā)明可以使用許多其他接口和控制設備。例如，鼠標，跟蹤球，游戲桿把手，駕駛盤，旋鈕，觸筆，把手，接觸板，或其他設備能得益于這里描述的慣性觸覺感覺。此外，其他類型的手持設備十分適用于這里描述的發(fā)明，如手持式遠程控制設備或蜂窩電話或手持式電子設備或計算機能與這里描述的觸覺反饋部件一起使用。例如，這里描述的感覺垂直地從設備表面輸出或在游戲桿把手，跟蹤球，觸筆，抓手，輪子，或其他設備上的操縱對象上輸出，或在希望的方向或掃動中輸出。
在操作中，由用戶操縱接口設備12的控制，它指示計算機如何更新所實施的應用程序。包括在設備12的外殼15中的電子接口能將設備12連接到計算機14。主計算機14從接口設備接收輸入并響應此輸入更新應用程序。例如，一個游戲提供圖形環(huán)境，其中用戶使用方向板18，游戲桿26和/或按鍵24控制一個或多個圖形對象或實體。主計算機能提供力反饋命令和/或數據到設備12，產生設備要輸出的觸覺反饋。
圖2a和2b分別是包括使用本發(fā)明的一個實施例的兩個致動器于有方向慣性反饋的設備12的實施例100的頂視剖面圖和側向立面視圖。示出的實施例可以與任何慣性接口設備一起用，但最好地適用于被用戶用兩個手抓住設備外殼的不同部分的手持式設備。為了示例性目的，本實例描述為游戲板。游戲板外殼101包容了游戲板觸覺接口設備12，用戶操縱它向主計算機系統(tǒng)提供輸入。用戶通常借助一個手抓住各手柄16并使用手指操縱外殼101中心部位上的輸入設備而操作該設備。
外殼101最好包括兩個諧波驅動的致動器組件102和104。這些致動器組件能以各種方法的任一個來實現。大多數合適的致動器組件提供能諧波振動的慣性質量，還在慣性質量上包括中心彈簧力，使能有效的和高度可控制的慣性感覺。在一個實施例中，能使用這里參考圖2-8描述的致動器組件。在其他實施例中，致動器組件102和104能是諧波驅動致動器組件，它提供連接到析縫(flexure)的轉動馬達(或其他致動器)，后者使慣性質量能近于線性地振蕩，從而提供觸覺反饋。慣性質量可以是馬達本身。類似這里描述的致動器，致動器可用如正弦波那樣的周期控制信號和諧地控制。慣性質量能以任何方向振蕩；例如，在一個方向上下振蕩，如箭頭106所示。在另外實施例中，能使用如音圈(移動線圈)致動器那樣的其他類型致動器。在又一個實施例中，能使用轉動慣性質量，如下面所述那樣在轉動馬達的軸上提供的偏心質量。
諧波驅動致動器組件102和104最好放在設備允許的最大空間間隔處。例如，在游戲板的實施例中，組件102和104能放置在游戲板的不同的把手16中。這使得方向力的感覺更便于用戶體驗。致動器組件102和104最好在如致動器尺寸、彈簧剛度、慣性質量、和阻尼(如果提供的話)等有關特性方面也相同。這使得在設備的每一端慣性力大致相同并使得方向的平衡更加有效。其他的實施例能包括致動器組件不同的間隔和/或尺寸。
圖3是功能性概略圖，示出使用參考圖2a-2b描述的二個致動器的實施例100的本發(fā)明的控制方法，它提供的有方向觸覺反饋能由用戶在兩個致動器組件之間的位置上空間定位。圖3a的時間對電流圖130畫出一個初始控制波形，它提供由設備的致動器輸出的基本振動，并且有所希望的頻率，持續(xù)時間與幅值。波形是沿著軸正負方向和諧驅動質量的力函數。此波形能用各種參數隨意調節(jié)。例如，如圖3b的曲線134所示，可以施加包絡線136提供波形138，它在振動期間在不同點處具有在所需能動范圍的調節(jié)幅值。在另外的應用中，不需要施加包絡線。
當控制波形138輸出到致動器組件(或實現控制波形138的信號被輸出)，同樣的基本波形形狀提供給每個致動器組件，但幅值被改變比例，使得命令的電流在兩個致動器組件102和104之間分配。為了向用戶提供沒有方向感的振動或其他慣性力感覺，用同樣電流量提供給兩個致動器組件，使得從每個致動器輸出同樣幅值的振動。但如果要具有方向感的慣性感覺，則提供一個致動器比另一個更多的電流，即一個致動器輸出比另一個更大幅值的慣性力。曲線圖140和142示出從發(fā)送到致動器組件102和105的曲線圖134的波形導出的控制波形。這些圖指出用戶感覺“向左”的情況。圖340的波形144是命令的100％幅值的70％幅值，并送到在設備左側的左致動器104。圖142的波形146具有命令的幅值的30％(余下的電流量)，并送到設備右側的致動器102。如果輸出右方向，則在設備右側的致動器102得到較大的電流量(較大的幅值)。作為有方向振動，用于在設備一側感覺更強烈的振動。
觸覺感覺的方向性在如游戲那樣的許多應用中有用。例如，如果在游戲中用戶的車輛在左邊撞入柵欄，左邊的致動器能輸出更強的振動，指出此碰撞的方向。如果一個游戲者的字府沖印在他的左邊，能輸出左振動。
根據兩個致動器之間的幅值分配，用戶在兩個致動器組件之間的某個位置感覺輸出慣性感覺；一個力越是強，用戶感覺到輸出的合成力越靠近該致動器組件。例如，圖4示出游戲板100的表示，其中示出致動器組件102和104。軸152指示了用戶可能感覺到合成慣性力的可能位置。從圖3的波形命令，左致動器組件104輸出比右致動器組件102(30％)更大的力(70％)，使用戶感覺到慣性力在外殼101的位置150附近輸出，其位置更靠近左致動器，正比于它的較大的幅值。因為慣性感覺是由同樣的基本波形支配的，效果是帶著相同的頻率同步地輸出。幅值的分配能以任何需要的方式改變，以便在沿軸152上的任何點上輸出能感知的方向。
以此方式支配方法的一個方法是指定“平衡”參數。例如，主計算機能提供高級命令給設備12上的當地處理器。高級命令能包括如頻率、幅值參數，包絡上升(attack)和衰退(fade)參數，和平衡參數等參數。例如，平衡參數可以指定為在一個范圍內的數。例如，0到90的范圍能用來模擬向量力方向，值45說明在致動器組件輸出之間精確的平衡，所以在設備的兩側慣性力感覺相等。低于45的值說明較大的力在左邊，0值說明100％的支配電流控制左邊致動器，而右致動器無輸出。值90控制右致動器具有滿輸出而左致動器無輸出。另外，可以規(guī)定一個百分數，此數可施加到如左致動器那樣的默認致動器；例如，值65指出65％的命令電流幅值應當流向左致動器，而余下35％的命令電流幅值流向右致動器。當地的處理器能按照命令的平衡完成兩個輸出控制信號的換算，并將適當的換算后的信號提供給每個致動器組件102和104。
另外，主計算機能通過直接發(fā)送換算的信號到每個致動器，或通過直接命令當地處理器送出主機發(fā)送的控制信號給每個致動器而直接指令平衡特征。
實施例100的重要特征是兩個致動器組件最好保持同步，包括相位同步。使用單個波形控制兩個致動器，但改變波形的幅值指出對慣性力的方向或偏離平衡的感覺。因此，每個致動器組件的質量同步地振蕩，只是一個質量加速得更快并從質量的原點移動更大的距離，引起從那個致動器組件發(fā)出更大的力。這就是允許用戶更好地感知方向性，因為用空間的布局建立單個感覺。在另外實施例中，致動器能是非同步的，但這趨于對力的感覺提供較小的方向性。
在其他實施例中可以包括附加的致動器。例如，兩個致動器可以在左邊，兩個致動器在右邊，以增加幅值振動?；蛘?，附加的致動器能放置在前面，后面，頂部或底部位置以提供對觸覺反饋的附加的方向。最好，每個致動器以可得到功率的所需比率接收同一波形以得到方向性。例如，如果以三角形配置提供三個致動器組件，合成慣性力感覺的感知位置能放在所有三個致動器組件之間的某個地方，這樣有效地給力的位置增加了第二個維度。通過適當地調節(jié)到每個致動器組件的電流幅值能調節(jié)此位置。
用實施例100能達到的另外重要的方向效果是慣性力的“擺動-sweep”。那樣的擺動使得在致動器組件之間的平衡電流連續(xù)地改變，使得在二個致動器的實施例中慣性力的感知位置平緩地從右到左或從左到右(或在實現的另外方向)移動。例如，可用高級擺動命令控制當地處理器，連續(xù)地改變平衡參數并在指定的時間間隔由均勻從0到90(使用上述習慣)。借助改變時間間隔可命令較快擺動或較慢擺動。然后，在當地處理器改變每個致動器組件在擺動過程中接收到的支配(命令)電流的百分數時，用戶感覺慣性力從設備的左邊開始并近似地沿著軸152移向右邊，并終止于右致動器。因此，如果游戲中的用戶汽車在右側碰撞，慣性振動能很快地(如1-2秒)從右側擺到左側以傳遞碰撞的方向。在包括三個或更多致動器的一個實施例中，借助分配電流力的位置能在兩個維度擺動，使得感知的位置在所有致動器之間的一個希望的路徑中移動。
除了(或替代)在左和右致動器組件之間的平衡控制，另外控制特征包括使用在左和右致動器組件之間的相移。例如，在發(fā)送到每個致動器的控制波形之間(因此在慣性質量的振蕩之間)90度的相移，給用戶雙頻率的印象，并帶有交替擊打效果(左-右)。這使能以感知的更高頻率下得到更高幅值的力感覺，因為與低頻相關的慣性質量的大的位移仍然發(fā)生，但由用戶感覺的合力是較高頻率的。而且其共振頻率是有用的。例如，如果致動器組件的共振頻約為40HZ，在40Hz處發(fā)生強的峰值幅值，通過運行二個相差90度致動器組件在80Hz處發(fā)生另一個強的峰值。
此外，如5到10度的小相移對用戶來說感覺好象主振頻率，但每個脈沖感覺略為更強，因為用戶有這樣的印象，每個力的脈沖延續(xù)較長。此外，如10到30度較大的相移給用戶“一陣一陣階躍”的有趣感覺，即在每個振動周期快速的爆發(fā)(pop-pop)力。相位在高級命令中作為一個參數發(fā)送給設備。
最后，180度的大的相移能使觸覺感覺對用戶十分有趣，因為當一個致動器的慣性質量向上移動并達到極限，另一個致動器的另一個慣性質量向下移動并達到極限。這能圍繞游戲板或其他接口設備的中心加一個力矩，好象有整個游戲板圍繞中心點在軸152周圍轉動的感覺。在一個周期力矩是一個轉動方向，在下一周期力矩的方向反轉。因而得到交替的力矩。這種感覺比慣性質量同相移動時對用戶感知更強烈。在另外的實施例中，控制一個標稱化的方波，例如提供一個方向，如正方向的波，使得慣性質量從其原點位置只向一個方向移動。在兩個致動器組件之間發(fā)出的波形能量是180相差。這能導致順時鐘跳動力矩，其中力矩永不切換方向。另外，如果波形標稱化到負的方向，導致逆時鐘跳動力矩。
在另外實施例中，從致動器組件102和104來的左—右慣性感覺可以配合如由主計算機輸出的立體(左—右)聲。例如，在主計算機、電視或其他設備上的游戲或聲頻—視頻顯示中飛機飛越用戶，其中飛機的聲音開始從左嗽叭輸出并移動通過右嗽叭輸出表示位置的聲頻效果。與其一致，由左和右的致動器組件輸出的力感覺能與聲音協同地開始在接口設備的左側輸出并移向右側輸出。力的感覺也能與如拍攝全景的攝像機視景那樣顯示的視覺映像同步。在某些實施例中，力感覺的幅值能與如聲音的音量相關聯。主計算機可以命令力的感覺與也由主計算機控制的聲頻或視頻同步。
所有上述觸覺效果和這里的變化能與達到所希望的效果的各種方法相結合，因此使用本發(fā)明的致動器組件的控制方案可能有各種各樣的觸覺效果。
圖5a和5b分別是包括兩個致動器用于本發(fā)明另一個實施例有方向慣性反饋的設備12的另一實施例200的頂視剖面圖及側向立面圖。游戲板外殼201包括兩個致動器組件202和204。在另一個實施例中，致動器組件包括一個能線性諧波振蕩的慣性質量；在圖5a和5b中描述的本實施例中，致動器組件202和204包括轉動慣性質量，其中偏心轉動質量(ERM)206連結到右把手16b中組件202內的致動器208的轉動軸，而偏心轉動質量(ERM)210連結到左把手16a中組件204內的致動器213的轉動軸。致動器208被固定地(或依從地)連結到把手16a中的外殼201，而致動器212被固定地(或依從地)連結到把手16b中的外殼201。偏心質量206和210能是楔形，柱形，或其他形狀。在轉動時，因為偏心慣性質量在其運動范圍內運動，其質量引起外殼201振動。
最好諧波驅動致動器組件202和204定位在設備所允許的它們之間最大空間距離處。例如，在游戲板的實施例中，組件202和204能放在游戲板的不同把手16a和16b中。這使得有方向力的感覺能容易地被用戶感知。在另一個實施例中，組件202和204能放在外殼的其他區(qū)域，雖然最好仍然分開大的空間距離，如在外殼的相反兩側。致動器組件202和204其有關相同特性有致動器大小，慣性質量，和阻尼(若提供的話)，以允許在設備的每一端慣性力幾乎相同地感知，并允許方向感覺有效。在另一個實施例中，能使用具有不同尺寸或其他特性的致動器組件。
用單向ERM馬達控制觸覺感覺對圖5a-5b描述的慣性轉動致動器組件，當慣性質量轉動時能對接口設備12的用戶輸出振動和搖動。在這些方法中，周期觸覺效果的頻率和幅值能獨立地變化，并且顯示在如(但不限于)ERM致動器那樣的單自由度單向驅動致動器上。
許多標準的游戲板振動觸覺設備以固定的幅值和頻率轉動ERM，兩者緊密連結。例如，高頻振動必須是高的幅值，而低頻振動必須是低的頻率。用于在圖5a-5b的實施例和在上面參考的應用中描述的方法能獨立變化一個自由度(DOF)的單向驅動轉動致動器的幅值和頻率，即不使用貴重的雙向電流驅動器，因為ERM只需要在一個轉動方向驅動。因為它使ERM能產生如衰減正弦或疊加波形那樣的復雜振動，此技術是重要的。前面的ERM設備具有大致與其速度線性相關的幅值。不使用額外的連接器，線路，或機械零件而只使用這些控制方法(如在設備12的當地微處理器或其他控制器的固件中執(zhí)行的)的本發(fā)明能使用ERM馬達以任何振幅在一個頻率范圍內實現。注意，這里描述的控制方法不僅能應用到轉動馬達，還可以應用到其他類型的單自由度轉動和線性致動器，包括運動磁體馬達，螺旋管，音圈致動器等。
在此控制方法中，作為參數或到固件的輸入可能提供頻率命令，幅值命令和一個函數(即正弦波，方波，三角形波)。這是按照在如PC那樣的個人計算中使用的現有的Immersion/Direct X協議，其中振動由幅值，頻率和函數類型參數(及希望的其他參數)控制。這些參數的等價物能在其他實施例中提供)。
在圖6的圖形250中示出一個例子，表示時間與幅值的關系。頻率為5Hz且50％幅值的正弦波252被作為由設備輸出的所希望的振動示出(這個和所有以后相似的圖形捕捉1秒的輸入和輸出信號)。本控制方法確定，各波形周期在何處開始(或應開始)，然后控制信號254上升到高或“開”的能級用每周期一次的特定期間；在其它時間控制信號254是“關”或低?！伴_”能級激勵馬達并引起ERM206或210在其單個轉動方向轉動。因此，周期控制信號具有的頻率根據所需(命令的)頻率。借助使用控制信號254每周期一次地脈動致動器，具有指定頻率的感覺傳遞給用戶?？刂祁I信號如顯示那樣在周期開始處，或在周期中不同時間升到高能級。
周期性效果的幅值通過調節(jié)控制信號的工作循環(huán)，如控制信號254的每個周期的持續(xù)時間(“每周期工作時間”)來描繪?？刂菩盘?54是開或關，但是控制保持開的每周期的時間量由幅值命令或參數確定。在圖6中，需要可能幅值50％的正弦波。按照本發(fā)明，所要求的幅值產生控制信號254，它在每250ms中有15ms成為開。作為比較在圖7中提供具有相同頻率的100％幅值的波形，它顯示與圖形254相似的圖形260。控制信號264在與上述控制信號254同樣的時間間隔內成為開，因為頻率命令未變。然而，控制信號264二次停留在“開”的狀態(tài)，時間長到在用戶中產生兩倍振動幅值的感覺?？刂菩盘枴伴_”的時間越長，致動器經過的加速越長。在我們的情況中，ERM達到更大的角速度，且因為力正比于角速度的平方，在用戶手上感知更大的力。最好，質量永不允許停止轉動，使得靜磨擦只在轉動開始處克服一次。如果控制信號保持太長，轉動質量將作出多次轉動，并最終達到其自然(共振)頻率。此時，用戶感知系統(tǒng)的自然頻率而不是命令的頻率。
因此，按照本發(fā)明，1)控制信號如何經?！伴_”直接取決于頻率命令，和2)控制信號多長時間保持“開”(控制信號“開”的時間)與幅值命令相關。能以不同方式實現確定控制信號的開的時間。這里提出兩種不同的方法。首先，開的時間能作為“周期的百分數”來調節(jié)。如果在每周期的固定的百分數時間控制信號成為“開”，當頻率增加時，每周期“開”的時間減少。然而控制信號更經常成為“開”。最終結果是不論頻率如何，每秒鐘控制信號花費同樣時間開。此技術提供了一個優(yōu)點，當頻率增加時，同樣的功率加到致動器，且在該頻率范圍內感知的幅值保持相同。
為了控制所需的振動，此“周期百分數”的技術的一個問題是在較低的頻率下在許多實施例它不能很好工作。在低頻下(如在某些實施例中小于2Hz)，很快要提交太多的功率給致動器。例如，來自1秒周期的所有功率在周期開始處的連續(xù)125ms中提交，在此開的時間內，轉動致動器作出多次轉動而控制信號保持高，所以在此125ms期間的振動(脈動)輸出以致動器轉動速度的頻率，而非命令的頻率，被用戶所感知。因此，設備的振動輸出可能不對應于命令的(低)頻率。
本發(fā)明的第二種方法能避免此在低頻下的問題，并因而對許多ERM振動設備提供更合適的輸出振動方法。這第二種方法在每周期的固定最大時間量中而不是周期的百分數中設置控制信號為高。因此，在任何頻率下100％幅值的開時間是一樣的。對小于100％的命令幅值的開時間在比例上低于在100％之下命令幅值的量。這就有效地建立了每周期的最大開時間，禁止了致動器在長時間內成為開，免得在一個連續(xù)的開時間內作多次旋轉。如果致動器允許作多次旋轉(如在某些實施例中大于2或3轉)，根據致動器的轉動速度而不是命令頻率(即，該頻率可能低于10Hz)用戶將感知更高的頻率，所以此方法防止了那樣的結果。在某些實施例中，特定的馬達在低頻下100％幅值的請求等同于引起質量的旋轉低于轉動數的開時間，這種轉動數使得用戶在單個周期內感覺多于一個脈動(如2-3轉)；此開時間能經驗地確定。第二種技術的缺點是當頻率增加時，分開的開時間變得靠近了，且致動器最終實際上在長于一個周期內請求保持開。這里，控制信號總是被要求維持，質量連續(xù)轉動，且頻率和幅值不再獨立變化。
因為用于將幅度映射成控制信號的開時間的兩種技術用于頻率范圍是不同部分是好的，一個較佳實施例結合或混合此兩種技術，避免了每種方法中的缺點。在較佳結合方法中，第二種方法只用于命令的頻率低于特定混合閾值頻率的情況，而第一種方法能用于高于閾值頻率的命令頻率。即使在控制信號的幅值也變化時混合也是可能的。首先，混合閾值是根據系統(tǒng)的動態(tài)特性選擇的；混合頻率是開時間為最長時的頻率，所以混合頻率應該那樣選擇，使得在那個頻率對相應于100％幅度的開時間，每個周期提供一個振動脈動(如小于二個質量旋轉)。例如，當使用如上所述的大的馬達/質量組合，可使用10Hz作為混合閾值頻率。對于高于10Hz的命令頻率，使用第一種方法(“周期的百分數”)計算控制信號的開時間，而對于低于10Hz的命令頻率，能使用第二種方法(“每周期”固定時間)。在其他實施例中可以使用其他閾值。為了混合兩種方法，選擇一個標量，使得對兩種方法的最大幅度在混合閾值頻率處相一致，即兩種方法之間的過渡是平穩(wěn)的。例如，在10Hz處25ms控制信號開時間產生10Hz，100％幅度的振動。如果命令的頻率從10Hz下方接近于混合頻率，則“周期的百分數”的方法被換算到在10Hz處產生25ms的開時間，且那些使用的標量保持不變，且對于高于10Hz頻率被應用于此方法。根據所希望的效果能使用更先進的混合技術，如模仿在混合區(qū)域的帶通濾波器，或在混合閾值頻率的任一邊模仿低通/高通濾波器的組合。
一種使得幅值命令獨立于頻率的不同方法是正比于請求的幅度改變控制信號254的幅值，而不是對此控制信號只有兩個能級。這可以單獨完成，或結合上述第一和第二方法兩者或任一個完成。例如，具有變化幅值的其他類型波形可以作為控制信號(正弦波，三角波等)使用。設置或改變控制信號的幅值的一種有效方法是在對上面提供的控制信號選定的開時間期間提供脈寬調制(PWM)，或在使用其他方法的開時間期間改變控制信號工作循環(huán)。然而，PWM需要單獨的PWM模塊，它增加設備的費用。為了避免PWM方案，上述第一和第二方法能借助位—沖擊(bit-banging)實現，其中當地微處理器直接輸出控制信號到致動器而不使用PWM模塊。位—沖擊不允許直接控制控制信號幅度，但去除了對PWM模塊的需求，并潛在地減少處理器或接口設備的費用。
上述用于獨立改變振動的幅值和頻率的技術能同時用于如在圖5a-5b的實施例中的多個致動器。下面將描述此控制技術的附加發(fā)明的特征。
對功率效率的交錯控制信號上述控制信號用于互相獨立地控制輸出振動的幅值與頻率。此控制方法能用于如致動器組件202和204那樣的多個致動器。例如，致動器組件202和204能同時激活，每個使用專用的控制信號。
同時操作多個致動器組件的一個問題是需要大量功率驅動這些致動器。在某些實施例中，可用功率的量較小，限止了使用多個致動器組件。例如，如果接口設備12從主計算機14經如USB那樣的通訊通道供電，它提供有限量的功率，且不具有自己專用電源，可用于操作致動器組件的功率的量十分有限?；蛘撸谥痪哂兄林饔嬎銠C無線鏈結的接口設備12的情況下，在接口設備中使用有限功率的電池(或其他便攜式能量儲存設備)驅動致動器。在那樣功率有限的許多情況中，當同時使用兩個或更多致動器組時輸出較小的外加觸覺感覺。
本發(fā)明的一個方法允許帶著有限的可用功率預算同時操作兩個致動器組件。圖8a和8b是示出如上所述為轉動ERM，獨立控制幅度和頻率的控制信號的圖形270和272。圖形270示出加到一個致動器組件(如組件202)的控制信號274，而圖272示出加到另一個致動器組件(如組件204)的控制信號276?？刂菩盘?74和276具有相同的頻率和周期T1和T2。在信號高時控制信號274有開時間，當信號低時有關時間，其中工作周期示出約為40％。當控制信號274為開時，所有或大部分可用的功率被用于轉動馬達而提供高幅值的振動。但是當控制信號274為開時，控制信號276保持關?？刂菩盘?76在控制信號274關時成為開而在控制信號274回到開以前變成關。因此，控制信號276與控制信號274有足夠的相移，使得這些控制信號永遠不會同時開。這就使得所有可用的功率在任何時刻用于單個致動器，而可用的功率不要在兩個致動器組件202和204之間分配。
另外，控制信號276能使得在控制信號274之后只有少量延遲。在ERM需要更多的功率從停止(或其他工況)開始轉動，但需要較少的功率保持轉動的情況這是有用的。例如，對兩個ERM的起動電流大于可用的功率預算，對一個ERM需要的起動電流加上對另一個ERM需要的轉動電流在可用功率的預算之中，則允許第二個ERM在第一個ERM起動并轉動后很短時間內起動。在某些實施例中，越少交錯的控制信號，用戶感覺振動越明顯，因為從每個致動器組件產生的振動更加同步而更少相互排斥。
控制信號274和276能在頻率和工作周期(負載周期)上變化(它們開時間寬度相移)以產生如上參考圖6和圖7所述的變化的振動幅值。在這樣變化時，控制信號最好維持在同樣的頻率和負載周期。這就對用戶產生無方向性的振動，如好象整個外殼側相同的輸出。
在上面參考圖6和7描述的方法中使用的控制信號最好沒有大于50％的工作周期，因為在許多實施例中，這將引起致動器組件在其自然頻率下而不是在命令的頻率下運作，例如，用戶感覺ERM連續(xù)轉動的頻率，而不是命令的頻率。因此，此方法能有效地分配功率，在有限功率預算下提供最強可能的振動，因為交錯是可能的。因此，此交錯方法允許以功率有效的方案獨立地控制由兩個致動器輸出的振動的幅值和頻率。
圖9a和9b是示出對具有不同頻率和/或重疊對控制信號本發(fā)明的功率分配方法的圖形280和282。圖形280示出具有特定頻率和周期T1的控制信號284，而圖282示出具有特定頻率和周期T2的控制信號286。信號的開時間重疊時間間隔A，它通常對每個周期是不同的。在某些環(huán)境重疊是不可避免，包括其中需要大于50％的工作周期，或在控制信號具有不同的頻率和/或工作周期的情況。例如，可以命令一個致動器組件202輸出一個頻率的振動，而命令另外致動器組件204輸出不同頻率的振動，以達到用戶感知的特定觸覺感覺。
為了允許按本發(fā)明在那樣情況下使用有限功率預算，最好控制信號在重疊時間A內在預定的負載周期和頻率處關閉和打開。這就允許在兩個致動器操作期間減少對每個致動器的平均功率消耗，因而允許有效地使用可用的功率預算。例如，如圖9c所示，控制信號284在重疊時間周期A期間在特定的負載周期和較高頻率下脈動，這允許在重疊期間控制信號284的功率需要減少。這是有效的PWM型的控制。這使得致動器振動輸出幅度減少(這對用戶僅僅稍為引人注意)。同時，在重疊周期期間控制信號286也在特定的工作周期和頻率下脈動(如圖6b中虛線288所示)。因此，可用的功率在兩個致動器組件之間分享，引起在可用的功率預算內每個致動器輸出減少。在重疊期間所示控制信號的頻率在圖中被夸大，比能使用的實際頻率更低。
控制信號在重疊期間脈動的工作周期和/或頻率能根據接口裝置12的操作特性確定，如致動器、ERM、放大器的特征等。能選擇一工作周期，它將控制信號的功率需求減小到希望的大小，允許兩致動器重疊期間工作在功率預算內，例如，控制信號連續(xù)保持開時有效重疊幅度能是全幅度的75％。通常不需要安排控制信號使得在重疊期間的脈沖不會同時開。這是因為控制信號的相對高頻，即使兩個控制信號都為高，也允許在驅動線路中的如電容那樣的部件足以充電到維持所希望的功率能級。在其他實施例中，如果可能的話在重疊期間的控制信號能安排成在交替時間開，使得控制信號不同時開。根據帶有電容和其他能量存儲部件的驅動線路維持所希望的功率能級的能力選擇在重疊周期控制信號的頻率。
在某些實施例中，在重疊周期控制信號的工作周期能根據兩個控制信號的頻率或周期T調節(jié)。例如，通?？刂菩盘柕闹芷赥1和T2越小(頻率越高)，操作致動器需要的功率越大。如果兩個控制信號之一或兩者具有小的周期，則在重疊期間控制信號的工作周期能縮短以消耗較少的功率，即在重疊周期引起更小的有效幅值。在某些實施例中，如果周期T1或T2很長，在開時間的后半部分ERM可以得到力矩并需要較小功率轉動，在確定在重疊周期控制信號的工作周期時要考慮此因素。在某些實施例中，對高頻控制信號能加長工作周期，使得高頻振動不會被另外的致動器的低頻振動輸出“排斥”。
控制信號能根據致動器組件的各個特性在重疊周期各具有不同的負載周期和/或頻率。在某些實施例中，在重疊周期中只有一個控制信號在脈動。
當地處理器(見圖11)能控制在重疊期間如何相移控制信號和/或脈動控制信號。例如，在圖5a和5b的交替開時間的實施例中，微處理器能鑒控何時送出控制信號并能當另一個控制信號為關時只送出一個控制信號。
上述功率有效控制方法也能用于具有其他類型致動器的其他實施例，能用類似的控制信號或其他具有開時間的信號控制。
使用轉動慣性致動器組件的有方向感覺上述的控制方法能在功率有限的設備中用于互相獨立地控制振動輸出的幅值和頻率。此控制方法也能結合上述輸出有方向慣性觸覺感覺的方法使用。
圖10a、10b、10c和10d分別是圖形310、312、314和316，示出在使用參考圖5a-5b描述的兩個致動器實施例的本發(fā)明的控制方法中的控制信號，用于提供有方向的觸覺反饋，這里是位于兩個致動器之間的某位置用戶設置在空間的觸覺反饋。圖形310和312示出類似于圖8a和8b的信號的控制信號318和320，導致如由圖6和7的方法所確定的所希望的振動的幅值和頻率。如果希望，控制信號能用如持續(xù)時間，包絡線等其它參數調節(jié)。
在確定了希望的參數以后，進一步能修改控制信號以提供下面所述的方向性或“平衡”。在圖10c的圖形314中，控制信號322在開時間上減少，對第一致動器組件提供較小的平均電流，而在圖10d的圖形316中，控制信號324在開時間上增加相同的量，使得控制信號322減小以提供較大的平均電流給第二致動器組件。因此，第一致動器組件得到額外的功率量而第二致動器得到較小的功率，少的量就是供給第一致動器額外功率的量。例如，控制信號324具有較大的工作周期，如增加25％，因而提供致動器更多的功率并引起輸出更強的振動?？刂菩盘?22具有低對應量(25％)的工作周期，引起從那個致動器輸出較低幅值的振動，所以全100％的命令的幅值在兩個致動器組件之間具有不同的分配。
因此，通過在兩個致動器組件202和204之間劃分的幅值換算各振動的幅值。為了提供對用戶無方向感覺的振動或其他慣性力感覺，兩個致動器組件得到相等的功率值(平均電流)，使得從每個致動器輸出相同幅度的振動，如圖10a-10b所示。然而，如果慣性的感覺是具有感知的方向，則調節(jié)控制信號的開時間，即給一個致動器比另一個更多的平均電流，且由一個致動器輸出比另一個致動器更大幅值的慣性力。如果控制信號324加到在游戲板設備200左邊的致動器組件204，因為左邊的振動具有較大的幅值，用戶感覺到左方向。如果輸出右方向，則在設備右邊的致動器202具有較大的平均電流。用戶感知在設備一側較強的振動作為有方向的振動。例如，如果用戶在游戲中的車輛在左邊撞入柵欄，左邊致動器能輸出較強的振動，指出這次碰撞的方向。
根據在兩個致動器之間命令的幅值的分配，用戶感知在兩個致動器組件之間的某處輸出慣性感覺，其中一個力越強，用戶感知合成力輸出處越靠近那個致動器。這類似于在上面圖4中示出的位置。如上所述，以此方式命令方向的一個方法是指定“平衡”參數，或使主計算機直接命令致動器組件。類似于上述實施例100在實施例200中能采用附加致動器，且可以使用實施例200命令并輸出擺動的效果。
圖11是方塊圖，示出一個適于用于本發(fā)明的觸覺反饋系統(tǒng)的實施例。
最好主計算機系統(tǒng)14包括一個主微處理器400，一個時鐘402，一個顯示屏206和一個聲頻輸出設備404。主計算機也包括其他眾知的部件，如隨機存取存儲器(RAM)，只讀存儲器(ROM)，和輸入/輸出(I/O)電子線路(未示出)。顯示屏26顯示游戲環(huán)境的映像，操作系統(tǒng)應用，模擬等，而如嗽叭那樣的聲頻輸出設備404為用戶提供聲音輸出。如存儲設備(硬盤驅動器、CD-ROM驅動器、軟盤驅動器等)、打印機和其它輸入輸出設備那樣的其他類型的外圍設備也能連結到主處理器400。
如鼠標、游戲板等那樣的接口設備12通過雙向總線20連結到主計算機系統(tǒng)14。雙向總線在主計算機系統(tǒng)14和接口設備之間以任一方向發(fā)送信號。總線20能是如RS232串口接口那樣的串行接口總線，RS-422，通用串行總線(USB)、MIDI、或本專業(yè)熟知的其他協議；或者并行總線，或無線鏈路。某些接口也能向設備12的致動器提供電源(功率)。
設備12能包括一個當地微處理器410。當地微處理器410可選地包括在設備12的外殼中，使能有效地與鼠標的其他部件通訊。處理器410認為對設備12是當地的，此處“當地”意味著處理器410是與主計算機系統(tǒng)14中任何處理器分開的微處理器?！爱數亍币沧詈每醋魈幚砥?10專門用于設備12的觸覺反饋和傳感器I/O。微處理器410能具有軟件指令，以便等待從主計算機14來的命令或請求，解碼該命令或請求，并按照該命令和請求處理/控制輸入和輸出信號。此外，處理器410能通過讀出傳感器信號并根據那些傳感器信號，時間信號和按照主機命令選擇的存儲或中繼的指令計算適當的力，而獨立于主計算機14地操作，微處理器410能包括一個微處理器芯片，多個處理器和/或協處理器芯片，和/或數字信號處理(DSP)能力。
微處理器410能從傳感器412接收信號并按照由主計算14通過總線20提供的指令提供信號給致動器組件54。例如，在當地控制實施例中，主計算機14經過總線20提供高級監(jiān)管命令給微處理器410，微處理器410解碼命令并按照此高級命令獨立于主計算機14地管理到傳感器和致動器的低級力控制環(huán)。在US專利5,734,373中更詳細地描述此操作。在主控制環(huán)路中，從主計算機輸出力命令給微處理器410，并命令微處理器輸出力或具有特定特征的力的感覺。當地微處理器410將如描述鼠標在一個或多個規(guī)定自由度上的位置的定位數據那樣的數據報告給主計算機。數據也能描述按鍵24，方向板20等狀態(tài)。主計算機使用這些數據更新執(zhí)行的程序。在當地控制環(huán)路中，致動器信號從微處理器410提供給致動器組件434，而傳感器信號從傳感器412和其他輸入設備418提供給微處理器410。這里，術語“觸覺(haptic)感覺”或“觸動(tactile)感覺”認為是由提供感覺給用戶的致動器組件輸出的單個力或一系列力。微處理器410能處理輸入的傳感器信號，根據存儲的指令確定合適的輸出致動器信號。微處理器能使用傳感器信號于當地確定輸出到用戶對象的力，并將從傳感器信號導出的定位數據報告給主計算機。
在又一個實施例中，另一更簡單的硬件能在當地提供給設備12，給出相似于微處理器410的功能。例如，能使用包括固定邏輯的硬件狀態(tài)機，提供信號給致動器組件434并從傳感器412接收傳感器信號，并按預定的順序，算法，或過程輸出觸覺信號。在硬件中實現具有所需功能的邏輯的技術為本專業(yè)熟練人員所熟知。
在不同的主控制實施例中，主計算機14能經過總線20提供低級力命令，通過微處理器410或其他(如更簡單的)線路直接發(fā)送給致動器組件434。因此，主計算機14直接控制和處理來往于設備12的所有信號。
在一個簡單的主控制實施例中，從主機到設備的信號能夠是單個位，它指示是否要以預定的頻率和幅值脈動致動器。在較復雜的實施例中，從主機來的信號能包括幅值，給出所需脈沖的強度，和/或方向，給出對脈沖的幅值和感覺，在更復雜的實施例中，能使用當地處理器，從主機接收簡單的命令，指示出所希望的力加到時間上，然后微處理器根據該一個命令將其輸出。在又一個復雜施例中，帶有觸覺感覺參數的高級命令被送到設備中的當地處理器，然后它獨立于主機的干預施加全部感覺。這些方法的組合能使用于單個設備12。
如RAM和/或ROM那樣的當地存儲器422最好與鼠標12中的微處理器410連結，存儲對微處理器410的指令并存儲暫時的和其他數據。例如，如能由微處理器輸出的一系列儲存的力值或根據用戶對象的當前位置輸出的力值的查找表那樣的力變化形狀能存入存儲器422。此外，當地時鐘424能連結到微處理器410，類似主計算機12的系統(tǒng)時鐘提供定時數據；定時數據如對計算致動器組件434力的輸出是需要的(如力取決于計算的速度或其他與時間有關的因素)。在使用USB通訊接口的實施例中，微處理器410的定時數據能交替地從USB信號取出。
傳感器412感知設備和/或一個或多個操縱器或控制器的位置或運動，并將包括表示位置或運動的信息提供給微處理器410(或主機14)。能適用于檢測操縱的傳感器，包括數字光編碼器，光傳感系統(tǒng)，線性光編碼器，電位計，光傳感器，速度傳感器，加速度傳感器，應變儀，以及其他類型能使用的傳感器，相對的或絕對的傳感器。能使用光傳感器接口414將傳感器信號轉換成能由微處理器410和或主計算機系統(tǒng)14解釋的信號，正如本專業(yè)熟練人員所熟知的。
如上所述，響應從微處理器410和/或主計算機14接收的信號，致動器組件434將力發(fā)送到設備12的外殼。例如，致動器組件434能借助運動慣性質量產生慣性力。也能使用其他類型的致動器，如驅動貼著外殼的構件產生觸覺感覺的致動器。
致動器接口416能可選地連結在致動器組件434和微處理器410之間，將從微處理器410來的信號轉換成適合于驅動致動器組件434的信號。接口416能包括功率放大器、轉換器、數?？刂破?DAC)，模數控制器(ADC)和其他部件。其他輸入設備418也包括在設備12中，并當用戶操縱時將輸入信號送到微處理器410或主機14。那樣的輸入設備包括按鍵24，方向板20等并能包括另外的按鍵，撥盤，開關，滾輪，或其他控制器或機構。
電源420能可選地包括在設備12之中，連接到致動器接口416和/或致動器組件434以提供電源給致動器，或作為分開的部件提供。另外，功率能從與設備12分開的電源取出，或通過總線20接收。而且，接收的功率可由設備12存儲和調節(jié)，因而在需要驅動致動器組件434時使用，或以輔助方式使用。某些實施例在設備中使用電源儲存設備以保證能施加峰值力(如在美國專利No.5,929,607中所述)。另外，此技術能在無線設備中使用，其中使用電池電源驅動觸覺致動器。能可選地包括安全開關432，使用戶能為了安全的原因關閉致動器組件。
雖然本發(fā)明已借助若干較佳實施例作了描述，可以看到，在閱讀本專利說明并研究附圖以后對本專業(yè)熟練人員來說，變種，重新配置和等價的內容是明白無誤的。例如，可使用觸覺反饋設備的許多不同的實施例輸出這里描述的觸覺感覺，包括游戲桿，駕駛輪，游戲板，和遠程控制器。此外，為了描述清楚的目的使用某些術語，這不是限定本發(fā)明。
權利要求
1.一種為用戶提供有方向觸覺反饋的接口設備，其特征在于，所述接口設備與主計算機通訊，該設備包括物理上與用戶接觸的外殼；至少一個用于檢測所述用戶來的用戶輸入的傳感器；和至少兩個連結到所述外殼的致動器組件，所述致動器組件的每一個包括運動慣性質量，其中所述致動器組件定位于所述外殼中，引起在所述外殼上有方向的慣性感覺，其中對每個所述致動器組件以不同的幅值提供單個控制信號，給出由所述用戶感知的所述有方向慣性感覺。
2.如權利要求1的接口設備，其特征在于，所述波形的較大幅值加到所述致動器組件的特定的一個，提供在所述外殼中大致對應于所述特定致動器組件的位置的有方向的感覺。
3.如權利要求2的接口設備，其特征在于，較大幅值的所述波形加到所述致動器組件的左邊一個，提供具有左方向的感覺，其中較大幅值的所述波形加到所述致動器組件的右邊一個。產生具有右方向的感覺。
4.如權利要求1的接口設備，其特征在于，還包括當地處理器，它從所述計算機接收高級命令并按所述高級命令控制所述致動器組件。
5.如權利要求4的接口設備，其特征在于所述高級命令包括平衡參數，所述平衡參數指出在所述的致動器組件之間如何分配輸出電流，提供沿所述致動器組件之間的軸的所述有方向慣性感覺的希望的位置。
6.如權利要求5的接口設備，其特征在于，所述高級命令包括用于指定所述慣性感覺的頻率與幅值的頻率和幅值參數，所述頻率和幅值是互相獨立的。
7.如權利要求5的接口設備，其特征在于，所述高級命令包括至少一個用于指定所述慣性感覺上的包絡的包絡參數，所述的包絡修改所述慣性感覺的幅值。
8.如權利要求1的接口設備，其特征在于，每個所述致動器組件線性地振蕩所述慣性質量。
9.如權利要求8的接口設備，其特征在于，所述控制信號是諧波的，并在兩個方向上驅動所述慣性質量。
10.如權利要求1的接口設備，其特征在于，所述控制信號分成兩個控制信號，一個所述控制信號與另一控制信號異相，每個控制信號送到所述致動器組件的一個。
11.如權利要求1的接口設備，其特征在于，每個所述的致動器組件轉動所述的慣性質量。
12.如權利要求11的接口設備，其特征在于，所述的慣性質量只在一個轉動方向轉動。
13.如權利要求12的接口設備，其特征在于，由每個所述致動器組件產生的每個分別的慣性感覺的幅值和頻率能互相獨立的調節(jié)。
14.如權利要求1的接口設備，其特征在于，所述外殼包括兩個把手，其中每個所述致動器組件在一個所述把手之中。
15.一種為用戶提供有方向觸覺反饋的接口設備，其特征在于，所述接口設備按計算機的顯示提供所述觸覺反饋，該設備包括物理上與所述用戶接觸的外殼；至少一個用于檢測所述用戶來的用戶輸入的傳感器；和至少兩個連結到所述外殼的致動器組件，每個所述致動器組件包括單方向驅動的轉動慣性質量，其中所述致動器組件位于所述外殼中引起在所述外殼的有方向慣性感覺，其中控制信號在不同的工作周期加到每個所述致動器組件，給出由所述用戶感知的有方向慣性感覺。
16.如權利要求14的接口設備，其特征在于，所述控制信號的命令的幅值加到所述致動器組件的左邊一個，提供具有左方向的感覺，而所述控制信號的命令的幅值加到所述致動器組件的右邊一個，提供具有右方向的感覺。
17.如權利要求15的接口設備，其特征在于，還包括一個當地處理器，它從所述計算機接收高級命令并按所述高級命令控制所述致動器組件。
18.如權利要求17的接口設備，其特征在于，所述高級命令包括平衡參數，所述平衡參數指出在所述致動器組件之間如何分配輸出振動幅值，以給出沿所述致動器組件之間的軸的所述有方向慣性感覺的所希望的位置。
19.如權利要求18的接口設備，其特征在于，所述高級命令包括用于指定所述慣性感覺的頻率與幅值的頻率和幅值參數，所述的頻率和幅值是互相獨立的。
20.如權利要求18的接口設備，其特征在于，所述高級命令包括至少一個用于指定所述慣性感覺上的包絡的包絡參數，所述包絡修改所述慣性感覺的幅值。
21.如權利要求15的接口設備，其特征在于，一個所述控制信號與另一個控制信號異相，每個控制信號送到一個所述致動器組件。
22.如權利要求15的接口設備，其特征在于，一個所述控制信號與另一個控制信號異相。
23.如權利要求22的接口設備，其特征在于，一個所述控制信號與所述另一個信號交錯，使得所述的控制信號永不會同時開。
24.如權利要求15的接口設備，其特征在于，當一個所述控制信號在與另一個控制信號同時開時，至少一個所述控制信號在預定的頻率和工作周期脈動以減少至少一個所述致動器組件的平均功率需求。
25.一種為操縱接口設備的用戶提供有方向觸覺反饋的方法，所述接口設備與主計算機通訊，該方法包括根據所述接口設備的所述操縱檢測從所述用戶來的輸入；和在與所述用戶物理接觸的所述接口設備的外殼上輸出有方向的慣性感覺，其中所述有方向的慣性感覺由至少兩個致動器組件引起，每個所述的致動器組件驅動慣性質量，其中所述致動器組件放置在所述外殼中，引起有方向的慣性感覺，且其中單個控制信號以不同的幅值提供給每個所述致動器組件，以提供由用戶感知所述有方向慣性感覺。
26.如權利要求25的方法，其特征在于，所述波形的較大幅值加到所述致動器組件的特定的一個，提供具有約對應所述外殼中所述特定致動器組件位置的方向的有方向感覺。
27.如權利要求26的方法，其特征在于，較大幅值的所述波形加到所述致動器組件的左邊一個，提供具有左方向的感覺，而較大幅值的所述波形加到所述致動器組件的右邊一個，提供具有右方向的感覺。
28.如權利要求26的方法，其特征在于，還包括當地處理器，它從所述計算機接收高級命令并按所述高級命令控制所述致動器組件，其中所述高級命令包括衡參數，所述平衡參數指出在所述的致動器組件之間如何分配輸出電流，以給出沿所述致動器組件之間的軸的所述有方向的慣性感覺的希望位置。
29.如權利要求28的方法，其特征在于，所述的高級命令包括用于指定所述慣性感覺的頻率和幅值的頻率和幅值參數，所述頻率和幅值是相互獨立的。
30.如權利要求25的接口設備，其特征在于，每個所述致動器組件線性地振蕩所述慣性質量，其中所述的控制信號是諧波的并在兩個方向驅動所述慣性質量。
31.如權利要求25的接口設備，其特征在于，所述控制信號分成兩個控制信號，一個所述控制信號與另一控制信號異相，每個控制信號送到所述致動器組件的一個。
32.如權利要求25的接口設備，其特征在于，每個所述的致動器組件轉動所述的慣性質量。
33.一種為操縱接口設備的用戶提供有方向的觸覺反饋的方法，所述接口設備與主計算機通訊，該方法包括根據所述接口設備的所述操縱檢測從所述用戶來的輸入；和在與所述用戶物理接觸的所述接口設備的外殼上輸出有方向的慣性感覺，其中所述有方向的慣性感覺由至少兩個致動器組件引起，每個所述致動器組件單向轉動慣性質量，其中所述致動器組件放置在所述外殼中，引起有方向慣性感覺，且其中控制信號在不同的工作周期提供給每個所述的致動器組件，以提供由用戶感知的所述有方向慣性感覺。
34.如權利要求33的方法，其特征在于，所述控制信號的命令幅值加到所述致動器組件左邊一個，提供具有左方向的感覺，而所述控制信號的命令幅值加到所述致動器組件的右邊一個，提供具有右方向的感覺。
35.如權利要求33的方法，其特征在于，從所述主計算機接收的高級命令控制所述致動器組件，并包括平衡參數，所述平衡參數指出在所述致動器組件之間如何分配輸出振動幅值，以提供沿所述致動器組件之間的軸的所述有方向慣性感覺的希望位置。
36.如權利要求35的方法，其特征在于，所述的高級命令包括用于指定所述慣性感覺的頻率與幅值的頻率和幅值參數，所述頻率和幅值是互相獨立的。
37.如權利要求33的方法，其特征在于，一個所述的控制信號與所述另一個控制信號異相。
38.如權利要求37的方法，其特征在于，一個所述控制信號與所述另一個控制信號交錯，使得所述控制信號永不在同一時間開。
39.如權利要求33的方法，其特征在于，一個所述控制信號與另一個控制信號同時開，至少一個控制信號在預定頻率和工作周期內脈動，以減少至少一個所述致動器組件的平均功率需求。
全文摘要
在觸覺反饋接口設備(200)中提供的有方向觸覺反饋。接口設備(200)包括至少兩個致動器組件(202，204)，每個包括運動慣性質量(206/210)。以不同的幅值提供給致動器組件(202，204)的單個控制信號提供由用戶感知的有方向慣性感覺。較大幅值波形能加到一個致動器(208/212)，提供在外殼中具有大約對應于那個致動器的位置的方向的感覺。在另外實施例中，每個致動器組件包括轉動慣性質量，且控制信號具有不同工作周期以提供有方向的感覺。為了功率消耗的效率，控制信號能在不同頻率的工作周期中交錯或脈動，以減少平均功率需求。
文檔編號G06F3/00GK1397061SQ01804309
公開日2003年2月12日 申請日期2001年9月27日 優(yōu)先權日2000年9月28日
發(fā)明者A·C·布勞恩, L·B·羅森伯格, D·F·摩爾, K·M·馬汀, A·S·戈登堡 申請人:伊默遜股份有限公司