本發(fā)明涉及一種提供對力覺感的改進控制的力覺接口。

背景技術(shù)：

力覺接口能夠采用由用戶操作的旋轉(zhuǎn)按鈕的形式，在這種情況下，該接口根據(jù)驅(qū)動按鈕的角位置和用戶所施加的運動來向用戶反向施加一阻扭矩，由此使得能夠限定用戶在轉(zhuǎn)動按鈕時將感知到的力覺模型(motifs haptiques)。

阻力矩能夠經(jīng)由磁流變流體傳送到按鈕，通過施加磁場對磁流變流體的表觀黏度進行修改以限定預(yù)定義的力覺模型。

一些力覺模型包括在相對受限的角區(qū)域內(nèi)的許多阻力矩變量。在這種情況下，當按鈕的驅(qū)動速度增加時，可以觀察到用戶所感知的力覺感減少。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種對力覺感的改進控制的力覺接口。

上述目的通過力覺接口來實現(xiàn)，該力覺接口包括用于與用戶交互的元件、用于與流體交互的元件、用于生成可變刺激的裝置、用于測量用于與用戶交互的元件的當前位置的傳感器以及用于根據(jù)所述用于與用戶交互的元件的當前位置和所述用于與用戶交互的元件的驅(qū)動速度對施加到流體的可變刺激進行調(diào)節(jié)的裝置，流體的黏度根據(jù)控制刺激而改變，該兩個交互元件至少以旋轉(zhuǎn)方式或至少以平移方式進行固定。

借助于本發(fā)明，通過應(yīng)用取決于用于與用戶交互的元件的驅(qū)動速度的力覺模型，能夠根據(jù)用于與用戶交互的元件的驅(qū)動速度來調(diào)節(jié)(例如增強)力覺感。這種調(diào)節(jié)可以涉及對模型的振幅或形狀的修改。因此，考慮到在選擇力覺模型值時的驅(qū)動速度，改進了對力覺感的控制。例如，當驅(qū)動速度較高時防止力覺感的減弱。

特別有利地，使用了低速模型和高速模型，并且針對所測量的位置，在速度為零或較低時模型的值和速度較高時模型的值之間執(zhí)行插值法。

在一個實施例中，使用了低速模型和高速模型并且設(shè)定了閾值，低于該閾值則認為交互元件的驅(qū)動速度較低，且超過該閾值則認為用于與用戶交互的元件的驅(qū)動速度較高，并且根據(jù)驅(qū)動速度是高還是低來應(yīng)用模型中的一種或另一種。

換言之，對于每個當前位置，可以設(shè)想施加至少兩個刺激值，該刺激值的強度可選地是不同的以盡量考慮到用于與用戶交互的元件的驅(qū)動速度，然而，在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的力覺接口中，不管驅(qū)動速度如何，針對每個當前位置施加單個刺激值。有利地，根據(jù)預(yù)先確定的將速度作為輸入?yún)?shù)的計算定律或算法來針對每個驅(qū)動速度值確定刺激值。

根據(jù)附加特征，可以設(shè)想使用用于在施加到用于與用戶交互的元件上的運動被用戶和位置測量傳感器感知之前確定用戶的意向動作的設(shè)備，以確定用戶意圖施加到用于與用戶交互的元件上的運動的方向，這使得能夠進一步改進力覺再現(xiàn)。

因此，本發(fā)明的主題是一種力覺接口，包括：

-用于與用戶交互的元件，適于沿第一方向和第二方向運動，

-用于與流體交互的元件，該流體的黏度根據(jù)外部刺激而改變，該用于與流體交互的元件和用于與用戶交互的元件至少以平移方式或至少以旋轉(zhuǎn)方式固定在一起，

-制動器，包括流體以及生成系統(tǒng)，該流體的黏度根據(jù)外部刺激而改變，，該生成系統(tǒng)用于在流體中按指令生成所述刺激，該用于與流體交互的元件設(shè)置在流體中，

-用于確定用于與用戶交互的元件的當前位置的裝置，

-用于確定用于與用戶交互的元件的速度的裝置，

-控制單元，適于向用于生成所述刺激的所述生成系統(tǒng)發(fā)送命令，該控制單元包括用于根據(jù)用于與用戶交互的元件的當前位置和用于與用戶交互的元件的當前的驅(qū)動速度生成所述命令的裝置。

特別有利地，該力覺接口能夠包括用于確定用戶在用于與用戶交互的元件上的意向動作的裝置。

例如，用于確定用戶在用于與用戶交互的元件上的意向動作的裝置包括：

-用于檢測由用戶施加在用于與用戶交互的元件上的扭矩的裝置，在用于與用戶交互的元件可旋轉(zhuǎn)的情況下，為了確定扭矩的方向以及該扭矩是否大于給定方向上的給定值，至少在檢測到用于與用戶交互的元件的速度為零或較低時，控制單元基于所獲得的有關(guān)扭矩的信息來控制用于生成所述刺激的系統(tǒng)，或者

-用于檢測由用戶施加在所述與用戶交互的元件上的荷載的裝置，在用于與用戶交互的元件可平移的情況下，為了確定力的方向以及該力是否大于給定方向上的給定值，至少在檢測到用于與用戶交互的元件的速度為零或較低時，控制單元基于所獲得的有關(guān)力的信息來控制用于生成所述刺激的系統(tǒng)。

用于檢測由用戶施加到用于與所述用戶交互的元件上的扭矩或力的裝置可以包括優(yōu)選地以預(yù)應(yīng)變方式安裝的至少一個荷載傳感器，或者由施加到力覺接口的元件之一上的扭矩或力引起的應(yīng)變的至少一個傳感器。

該力覺接口能夠包括防護體，該防護體被設(shè)置成在由用戶施加到用于與所述用戶交互的元件上的扭矩或力的作用下應(yīng)變，用于檢測扭矩或力的裝置與所述防護體相接觸。優(yōu)選地，防護體由使防護體的應(yīng)變不被用戶感知的材料制成。

在實施例的一個示例中，控制單元能夠至少包括：

-第一數(shù)據(jù)庫，當驅(qū)動速度的范數(shù)小于或等于第一給定值且不為零、并且用于與用戶交互的元件沿第一方向運動時，該第一數(shù)據(jù)庫包含第一力覺模型的值，

-第二數(shù)據(jù)庫，當驅(qū)動速度的范數(shù)至少等于第二給定值、并且用于與用戶交互的元件沿第一方向運動時，該第二數(shù)據(jù)庫包含第二力覺模型的值，

-第三數(shù)據(jù)庫，當驅(qū)動速度的范數(shù)小于或等于第三給定值且不為零、并且用于與用戶交互的元件沿第二方向運動時，該第三數(shù)據(jù)庫包含第三力覺模型的值，

-第四數(shù)據(jù)庫，當驅(qū)動速度的范數(shù)至少等于第四給定值、并且用于與用戶交互的元件沿第一方向運動時，該第四數(shù)據(jù)庫包含第四力覺模型的值，以及

適于生成命令的裝置，該生成命令的裝置根據(jù)用于與用戶交互的元件的驅(qū)動方向，使用第一和/或第二數(shù)據(jù)庫或者第三和/或第四數(shù)據(jù)庫以基于生成的命令來確定新的力覺模型的值。

在實施例的又一示例中，控制單元能夠至少包括：

-第一數(shù)據(jù)庫，當驅(qū)動速度的范數(shù)小于等于第一給定值并且用于與用戶交互的元件沿第一方向運動時，該第一數(shù)據(jù)庫包含第一力覺模型的值，

-第二數(shù)據(jù)庫，當驅(qū)動速度的范數(shù)至少等于第二給定值并且用于與用戶交互的元件沿第一方向運動時，該第二數(shù)據(jù)庫包含第二力覺模型的值，

-第三數(shù)據(jù)庫，當驅(qū)動速度的范數(shù)小于或等于第三給定值并且用于與用戶交互的元件沿第二方向運動時，該第三數(shù)據(jù)庫包含第三力覺模型的值，

-第四數(shù)據(jù)庫，當驅(qū)動速度的范數(shù)至少等于第四給定值并且用于與用戶交互的元件沿第一方向運動時，該第四數(shù)據(jù)庫包含第四力覺模型的值，以及

適于生成命令的裝置，該生成命令的裝置根據(jù)用于與用戶交互的元件的驅(qū)動方向，使用第一和/或第二數(shù)據(jù)庫或者第三和/或第四數(shù)據(jù)庫以基于生成的命令來確定新的力覺模型的值。

有利地，該生成命令的裝置在第一數(shù)據(jù)庫的值和第二數(shù)據(jù)庫的值之間或者在第三數(shù)據(jù)庫的值和第四數(shù)據(jù)庫的值之間應(yīng)用插值法，例如線性插值法。

例如，可以將第二給定速度定義為第一驅(qū)動方向上的最大驅(qū)動速度，并且將第四給定速度定義為第二驅(qū)動方向上的最大驅(qū)動速度。

在一個有利的實施例中，流體是磁流變流體，刺激是磁場并且所生成的命令是電流強度。

用于確定驅(qū)動速度的裝置能夠例如計算由用于確定當前位置的裝置提供的信息的導(dǎo)數(shù)。

在實施例的一個示例中，用于與用戶交互的元件可旋轉(zhuǎn)并且固定到縱軸線的旋轉(zhuǎn)軸上，用于與流體交互的元件以旋轉(zhuǎn)方式固定到旋轉(zhuǎn)軸上，用于測量角位置的裝置是角位置傳感器。

在實施例的另一示例中，用于與用戶交互的元件是可平移的。

本發(fā)明的另一主題是一種用于控制根據(jù)本發(fā)明的力覺接口的方法，該方法包括以下步驟：

a)確定用于與用戶交互的元件的當前位置，

b)確定用于與用戶交互的元件的速度，

c)確定驅(qū)動方向，

d)針對所確定的驅(qū)動方向，確定用于所確定的驅(qū)動速度的力覺模型的值，

e)給用于生成所述刺激的生成系統(tǒng)生成命令。

在步驟d)中，力覺模型的值可以基于驅(qū)動速度小于第一給定值并且不等于零時力覺模型的第一值和驅(qū)動速度至少等于第二給定值時力覺模型的第二值來確定。

例如，步驟d)是用于通過閾值函數(shù)來計算用于所確定的驅(qū)動速度的力覺模型的所述值的步驟，用于所確定的驅(qū)動速度的力覺模型的值是驅(qū)動速度小于第一給定值時力覺模型的第一值、或者驅(qū)動速度至少等于第二給定值時力覺模型的第二值。

有利地，該方法可以包括在步驟d)之前的用于確定用戶在用于與用戶交互的元件上的意向動作的步驟。在步驟d)期間，力覺模型的值可以基于驅(qū)動速度小于或等于第一給定值、可選地等于零時力覺模型的第一值和驅(qū)動速度至少等于第二給定值時力覺模型的第二值來確定

步驟d)可以是通過插值法(例如線性插值法)來計算用于所確定的驅(qū)動速度的力覺模型的所述值的步驟。

附圖說明

基于以下描述和附圖將更清楚地理解本發(fā)明，在附圖中，

-圖1A為能夠在本發(fā)明中使用的旋轉(zhuǎn)力覺接口的實施例的示例的剖視圖，

-圖1B為根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)接口的示意圖，

-圖2為根據(jù)針對沿給定方向且針對給定速度的模型的用于與用戶交互的元件的角位置通過磁流變制動器施加的制動荷載的變量的圖形表示，

-圖3為根據(jù)用于與用戶交互的元件的驅(qū)動速度通過磁流變制動器施加的制動水平的圖形表示，

-圖4和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的力覺接口的控制算法的示例，

-圖6為圖1中的接口沿平面A-A的橫截面圖，

-圖7為圖6的接口中所使用的防護體的實施例的一個示例的立體圖，

-圖8為可以在圖6的接口中所使用的防護體的實施例的另一示例的立體圖，

-圖9為力覺接口的又一示例的側(cè)視圖，

-圖10A至圖10C為圖9中的接口使用的防護體的不同視圖，

-圖11為能夠在本發(fā)明中使用的線性力覺接口的示例的分解圖，

-圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的力覺接口的控制算法的示例，

-圖13和圖14分別示出了在考慮到用戶的意向動作的情況下圖4和圖5中的算法的替代性實施例。

具體實施方式

在下文的說明中，將詳細地對有旋轉(zhuǎn)按鈕的力覺接口的示例進行描述，但是可以理解的是，本發(fā)明還可應(yīng)用于游標類型線性運動的力覺接口。此外，所描述的接口使用了磁流變流體，即磁流變流體的表觀黏度根據(jù)所施加的磁場而改變，但是電流變流體(即流體的表觀黏度取決于所施加的電場)的使用也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

在圖1A中，可以看到根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)力覺接口I1的實施例的一個示例的縱截面圖。

力覺接口I1包括元件1以及抵抗軸2的旋轉(zhuǎn)的阻性荷載生成設(shè)備4或磁流變制動器，元件1意在由用戶操作并且在下文中被稱為“按鈕”，該按鈕旋轉(zhuǎn)固定到可繞軸線X旋轉(zhuǎn)的軸2上。

制動器4包括流體和用于生成磁場的系統(tǒng)6，流體的特性可以通過磁場來修改，該系統(tǒng)6被容置在殼體8中。流體例如是磁流變流體。該包括殼體、流體和用于生成磁場的系統(tǒng)的總成形成磁流變制動器。

殼體8限定了包含磁流變流體的密封室9。該室的全部或部分受到系統(tǒng)6所生成的磁場的影響。殼體8包括側(cè)壁8.1、底端8.2和頂端8.3。

軸2穿過頂端8.3、穿過室9并且穿過底端8.2。軸2的與支撐按鈕1的端部相反的端部2.1容置在殼體8的底端并且借助于安裝在底端8.2的支承件11來引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)。密封件13(例如O形環(huán))確保軸和底端及頂端之間的密封性。

殼體8限定了封閉磁流變流體的密封室。

制動器4還包括元件12，該元件12被旋轉(zhuǎn)固定到軸2上并且容置在密封室10中。該元件適于與磁流變流體交互，元件12的旋轉(zhuǎn)或多或少根據(jù)磁流變流體的表觀黏度受磁流變流體制動。

在所示示例中，元件12包括兩個具有固定到端12.3處的圓形橫截面的同心側(cè)壁12.1、12.2，端12.3與軸旋轉(zhuǎn)固定。

可替換地，元件12可以僅包括一個側(cè)壁或者超過兩個同心側(cè)壁。還可替換地，元件12可以由圓盤形成。此外，交互元件可以包括槽和/或突出或中空部分，以增加對運動的阻礙。

在所示示例中，殼體8的底端8.2所具有的形狀使得密封室9的內(nèi)部容積具有與交互元件12的內(nèi)部容積的形狀對應(yīng)的形狀，這使得能夠減小所需的流體的量。在所示示例中，具有固定到殼體上的圓形橫截面的圓筒元件13被插在兩個側(cè)壁12.1、12.2之間，這有助于磁流變流體在側(cè)壁12.1、12.2被旋轉(zhuǎn)時的剪切效應(yīng)。

元件12的側(cè)壁12.1、12.2可以由磁性材料或非磁性材料制成。

在所示示例中，用于生成可變磁場的系統(tǒng)6包括線圈和電流源(未示出)，線圈安裝在殼體上并設(shè)置在交互元件12內(nèi)側(cè)，電流源由控制單元根據(jù)對按鈕的操作和預(yù)記錄的模型來進行控制。

該接口還包括位置傳感器14，在所示示例中，該位置傳感器14位于殼體外側(cè)并且部分地固定到軸2上。位置傳感器14可以測量按鈕的當前位置，該當前位置在該示例中由當前角位置來表示。位置傳感器14可以例如包括增量式光學(xué)編碼器。

該力覺接口還包括框架16，框架16中設(shè)置有殼體8?？蚣?6包括第一和第二端法蘭18、20以及固定到兩個法蘭18、20上的側(cè)壁22，第一法蘭18被旋轉(zhuǎn)軸穿過。位置傳感器14安裝在框架的第一法蘭上。

制動器意圖施加抵抗用于與用戶交互的元件的運動的阻性荷載。該阻性荷載根據(jù)待重現(xiàn)的力覺再現(xiàn)、基于預(yù)定義的力覺接口來確定，這些模型被記錄在數(shù)據(jù)庫中。

模型通過待施加的制動荷載來限定，該制動荷載取決于以下數(shù)據(jù)：

-按鈕當前的角位置，

-按鈕當前的旋轉(zhuǎn)方向，

-按鈕的旋轉(zhuǎn)速度。

因此，力覺模型是待施加到按鈕上的一組制動荷載值，即一組定義模型的值，力覺模型的每個值與按鈕的給定的角位置及按鈕的旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)聯(lián)。該制動荷載值與表觀黏度值對應(yīng)，表觀黏度值與磁場值對應(yīng)，磁場值與向生成磁場的系統(tǒng)(例如線圈)供電的電流強度對應(yīng)。

很顯然，相同的模型值能夠針對不同的角位置、或者在線性接口的情況下的多個不同的線性位置進行分配。

在圖2中，示出了任何力覺模型的圖形表示。圖中示出了由制動器根據(jù)角位置(以θ度表示)施加的制動荷載CF。每個角度值具有對應(yīng)的制動荷載值。

力覺接口包括控制單元UC，該控制單元UC配置成給用于生成磁場的所述系統(tǒng)生成命令以使所述系統(tǒng)應(yīng)用待重現(xiàn)的模型的值。在圖1B中，示出了接口I1的示意圖。

根據(jù)本發(fā)明，除了運動方向之外，控制單元UC還考慮了按鈕的驅(qū)動速度的值，以給用于生成磁場的系統(tǒng)生成命令。

為此，限定了四種模型：

-針對按鈕的被認為是正向的驅(qū)動方向以及低轉(zhuǎn)速來限定的模型MPL；

-針對按鈕的正驅(qū)動方向以及高轉(zhuǎn)速來限定的模型MPR；

-針對按鈕的被認為是負向的驅(qū)動方向以及低轉(zhuǎn)速來限定的模型MNL；

-針對按鈕的負驅(qū)動方向以及高轉(zhuǎn)速來限定的模型MNR。

低速度是值小于或等于給定閾值但不為零的速度。

高速度被認為是按鈕能夠被驅(qū)動的最大速度。沿正向的高速度可以等于或不同于沿負向的高速度。

基于位置傳感器所提供的信息來有利地對驅(qū)動速度進行近似，這使得能夠提供緊湊的系統(tǒng)。然而，也可以使用與位置傳感器不同的任何其它設(shè)備來確定轉(zhuǎn)速。

在圖4中，示出了用于選擇待考慮的模型值的選項的第一算法。

在第一步驟100期間，基于當前的位置傳感器所提供的信息來確定按鈕的位置、驅(qū)動速度(速度變量)和驅(qū)動方向(方向變量)。方向變量能夠取值+1(認為運動方向為正)、值-1(認為運動方向為負)或者值0(當速度為零時)。

如果方向變量等于+1，則：

-將在低速正模型數(shù)據(jù)庫BPL中運行對模型值VPL的搜索(步驟102)，以及

-將在高速正模型數(shù)據(jù)庫BPR中運行對模型值VPR的搜索(步驟104)。

步驟102和步驟104可以同時進行或按順序進行。

否則，如果方向變量等于-1或0，則：

-將在低速負模型數(shù)據(jù)庫BNL中運行對模型值VNL的搜索(步驟106)，以及

-將在高速負模型數(shù)據(jù)庫BNR中運行對模型值VNR的搜索(步驟108)。

在第一算法流程的最后，獲得兩個模型值VPL和VPR、或者VNL和VNR。

在圖5中，示出了適于確定制動荷載或電流強度的第二算法的有利示例，電流強度被認為是成比例地施加到用于生成磁場的系統(tǒng)上。

在第一步驟200期間，檢查方向變量是否等于0，如果方向變量等于0，則在該示例中，控制單元向制動器生成命令以不將任何荷載施加到按鈕上，即不向流體施加磁場。該算法完成?？商鎿Q地，可以決定保留最后施加的磁場。這個步驟可以在步驟102之前發(fā)生。

如果方向變量不為0，即如果方向變量等于+1或-1，則在下一步驟202期間，計算系數(shù)ALPHA，其等于：(abs(VITESSE)–V_MIN)/(V_MAX–V-MIN)。

其中，abs(VITESSE)是速度(VITESSE)變量的絕對值，

其中，V_MAX是一組最大驅(qū)動速度的值，該值例如被設(shè)置為通常的最大轉(zhuǎn)速，當用戶使接口進行快速粗略的運動時，用戶通常采用該最大轉(zhuǎn)速驅(qū)動按鈕。

其中，V_MIN是一組最小驅(qū)動速度的值，該值例如被設(shè)置為通常的最小轉(zhuǎn)速，當用戶使接口進行緩慢精確的運動時，用戶通常采用該最小轉(zhuǎn)速驅(qū)動按鈕。

V_MAX與高速度對應(yīng)，在高速度處建立模型MPR和MNR而不校正。

V_MIN與低速度對應(yīng)，在低速度處建立模型MPL和MNL而不校正。

在步驟204期間，將系數(shù)ALPHA有利地限制在0和1之間以防止異常的計算結(jié)果，事實上可以例外地發(fā)現(xiàn)，按鈕在速度大于最大驅(qū)動速度組時被驅(qū)動，即對值A(chǔ)LPHA的計算給出了大于1的結(jié)果，這是由于沒有任何因素機械地限制驅(qū)動速度。類似地，可以例外地發(fā)現(xiàn)，按鈕在速度小于最小速度組時被驅(qū)動，即對ALPHA值的計算給出了小于0的結(jié)果，這是由于能夠給V_MIN選擇不為0的值。

在下一步驟206期間，基于由第一算法選擇的模型值，使用線性插值法來計算MOTIF_COURANT(當前模型)變量。

○如果驅(qū)動方向為正，則MOTIF_COURANT＝(1-ALPHA)×VPL+ALPHA×VPR，或者

○如果驅(qū)動方向為負，則MOTIF_COURANT＝(1-ALPHA)×VNL+ALPHA×VNR。

在步驟208期間，將MOTIF_COURANT變量施加到制動器上。

在圖5中的算法中，基于線性插值法來計算MOTIF_COURANT。在圖3中，示出了在沿正向驅(qū)動的情況下根據(jù)驅(qū)動速度對該模型的表示。

可以使用例如二次插值法的任何其他插值法。

還可以設(shè)想使用閾值函數(shù)，MOTIF_COURANT為小于或等于閾值的速度取一個值并且為大于閾值的速度取另一個值。

在圖5中的算法中，在選擇VPR>VPL(或?qū)τ谄渌?qū)動方向，VNR>VNL)的情況下，制動荷載隨驅(qū)動速度的增大而增加。

另一方面，可以設(shè)想制動荷載減小而驅(qū)動速度增加或者MOTIF COURANT和速度之間的關(guān)系不是單調(diào)的。

上述算法完全適用于線性力覺接口，則位置傳感器將確定縱向位置而不是角位置。

在一個特別有利的實施例中，可以設(shè)想使用用于確定用戶的意向動作的系統(tǒng)來進一步改進接口的總體的力覺再現(xiàn)。

在施加到按鈕的運動被用戶和位置傳感器感知到之前，用于確定用戶的意向動作的系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)接口的情況下檢測由用戶施加到按鈕上的扭矩、或者在線性接口的情況下檢測由用戶施加到按鈕上的力。

在圖1A和圖6所示的示例中，使用了上述系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括防護體26，其中，將采用荷載傳感器對由用戶施加的扭矩引起的應(yīng)變進行檢測。圖7中單獨示出了防護體。防護體26通過縱向端26.1固定到框架16上并且通過另一縱向端26.2固定到磁流變制動器，即固定到示例中所述的殼體8上。荷載傳感器在防護體的固定到殼體8上的縱向端26.2處與該防護體相接觸。

在圖1和圖6所示的示例中，防護體26包括圓筒形狀的主體，該主體具有圓形橫截面、在縱向端26.2處通過底部28封閉。環(huán)形卡箍30在另一縱向端26.1處徑向朝外延伸。

防護體的內(nèi)徑對應(yīng)于殼體8的外徑加上功能間隙。防護體的底部設(shè)置在殼體和框架16的第二法蘭20之間。

防護體借助于至少一個通過法蘭18和卡箍30的螺絲32固定到框架上。在所示示例中，螺絲32還用來將法蘭18連接到側(cè)壁28。

防護體的底部28通過至少一個螺絲34固定到殼體8。

防護體26還包括從該防護體的縱向端26.2在與殼體接觸的相反側(cè)突起的元件36。元件36容置在形成于框架的法蘭20中的腔38內(nèi)。

在所示示例中，突起元件36具有以縱軸為中心的角形部分的形狀。角形部分36由兩個面36.1、36.2限定。腔38具有與角形部分36的形狀對應(yīng)的形狀并且由兩個面38.1、38.2限定，每個面38.1、38.2面向角形部分36的一個面36.1、36.2。荷載傳感器40.1安裝在腔的與角形部分的面36.1接觸的面38.1上，并且荷載傳感器40.2安裝在腔的與角形部分36的面36.2接觸的面38.2上。點型機械觸頭設(shè)置在每個荷載傳感器40.1、40.2和防護體26之間。荷載傳感器40.1、40.2有利地以預(yù)應(yīng)變方式進行安裝。

因此，當扭矩施加到按鈕上時，按鈕經(jīng)由與流體交互的殼體8導(dǎo)致防護體26的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變，流體與交互元件12交互，交互元件12被連接到軸2。根據(jù)按鈕的旋轉(zhuǎn)方向，該應(yīng)變被一個或另一個荷載傳感器40.1、40.2檢測到。

防護體例如由諸如ABS之類的塑料材料制成。

防護體的材料和幾何特性可以根據(jù)所施加的最小扭矩和最大扭矩、荷載傳感器的靈敏度以及所尋求的檢測閾值來確定。此外，防護體的應(yīng)變使得不會被用戶感知。例如，可以認為幾微米的應(yīng)變不會被用戶感知。

可替換地，可以直接在殼體8或旋轉(zhuǎn)軸上測量荷載，為此將使用扭矩傳感器。然而，相較力覺傳感器而言，扭矩傳感器成本高且體積大。此外，扭矩傳感器提供了精確且已校準的扭矩值，然而這個信息在本發(fā)明的范圍內(nèi)并沒有益處。

荷載傳感器例如使用以惠斯通電橋形式組裝的壓阻元件來實現(xiàn)，這些壓阻元件允許具有每牛頓幾十mV量級的靈敏度以及足夠高的硬度以在滿載時將運動限制到幾十微米?？商鎿Q地，荷載傳感器可以用一個或多個例如由直接施加到防護體上的應(yīng)變儀形成的應(yīng)變傳感器替代以來檢測防護體的應(yīng)變。

在圖8中，示出了防護體126的另一示例，該防護體的大體形狀與防護體26相同，但是還包括在防護體126的側(cè)壁中的縱向槽127。優(yōu)選地，槽127以規(guī)則的方式成角度分布。在該實施例中，防護體展現(xiàn)出更大的應(yīng)變能力。該防護體例如由鋁合金制成。

相對于縱軸傾斜和/或具有除直線以外的形狀(例如彎曲形狀)的槽在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，槽不一定全部具有相同的大小。

有利地，能夠設(shè)想用于在軸向扭轉(zhuǎn)應(yīng)變下放大防護體的應(yīng)變、同時減小在本發(fā)明的范圍內(nèi)不相關(guān)的任何其他應(yīng)變(諸如例如，由用戶寄生地施加到按鈕上的徑向應(yīng)變)的防護體應(yīng)變的裝置。因而提高了檢測的靈敏度，并且能夠消除干擾或錯誤檢測。

圖1A、圖6至圖8中的防護體的示例使得能夠通過將傳感器布置在盡可能大的直徑上來增加測量設(shè)備的靈敏度。

在所示示例中并且有利地，突起元件的壁36.1和36.2相對于彼此成90°布置。與荷載傳感器40.1和40.2處的點觸頭相關(guān)聯(lián)的該定位使得能夠破壞防護體的變形應(yīng)變，并且優(yōu)先考慮沿框架16的平面中的兩個正交分量上的荷載的靈敏度。因此，例如，垂直于框架16的平面施加的寄生荷載的靈敏度顯著降低。此外，對有關(guān)由傳感器40.1和40.2測量的正交力的分量的計算或算法處理，諸如例如在具有荷載預(yù)應(yīng)力的傳感器的優(yōu)選總成的情況下基于由兩個傳感器的公共測量分量加權(quán)的兩個傳感器之間的測量差的計算，使得能夠在一定程度上降低對與框架16的平面平行的所施加的寄生荷載的靈敏度。

現(xiàn)在將對確定用戶的意向動作的設(shè)備的操作的示例進行描述。

用戶繞按鈕的軸線沿第一旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動按鈕并將按鈕置于被定義為停止的角位置。將磁場施加到磁流變流體，以使磁流變流體的表觀黏度的變化在用于與流體交互的元件處生成扭矩、沿第一旋轉(zhuǎn)方向模擬按鈕處的停止。

如果用戶在第一旋轉(zhuǎn)方向上保持按鈕上的荷載，則防護體26會經(jīng)由殼體受到扭力矩的作用，殼體與流體交互，流體與交互元件12交互，交互元件被連接到軸2。

上述應(yīng)變通過沿第一旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置在下游的力覺傳感器進行測量。知道哪一個力覺傳感器被驅(qū)動使得能夠確定用戶意圖轉(zhuǎn)動按鈕的方向。優(yōu)選地，可以將來自以荷載預(yù)應(yīng)變方式組裝的兩個力覺傳感器的測量值相結(jié)合來確定用戶意圖轉(zhuǎn)動按鈕的方向。檢測最小扭矩可以確認用戶確實想要轉(zhuǎn)動按鈕?？梢酝瞥觯脩粢鈭D使按鈕保持在停止處。保持磁場不變以經(jīng)由黏性磁流變流體來抵抗用于交互元件12的運動的荷載。

如果用戶意圖沿與第一方向相反的第二方向轉(zhuǎn)動按鈕，則沿第一旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置在上游的荷載傳感器將被驅(qū)動。優(yōu)選地，可以將來自以荷載預(yù)應(yīng)變方式組裝的兩個力覺傳感器進行的測量值相結(jié)合以確定用戶意圖轉(zhuǎn)動按鈕的新的方向。由此可以推斷出用戶的意圖，該意圖可以通過檢測最小扭矩來確認。在這種情況下，磁場被取消，流體的表觀黏度大大減小，交互元件因而可以沿第二方向旋轉(zhuǎn)而不會發(fā)生粘連效應(yīng)。因此，可以通過本發(fā)明重現(xiàn)對自由輪的操作。

在圖9和圖10A至圖10C中，示出了根據(jù)本發(fā)明的接口12的實施例的又一示例，接口12包括框架216、制動器204、具有車輪形狀的防護體226和用于與用戶交互的元件201，用于與流體交互的元件未示出。

車輪包括輪轂228、外圈232和將輪轂228連接到外圈232的輪輻230。

在該示例中，輪轂228例如通過徑向地穿過輪轂228的螺絲被固定到接口的殼體上，外圈232例如通過徑向地穿過外圈的螺絲被固定到框架上。

兩個荷載傳感器240.1、240.2被布置成每個荷載傳感器支承輪輻230并且相對于輪輻布置成使得當沿一個旋轉(zhuǎn)方向驅(qū)動防護體226時，僅有一個傳感器被驅(qū)動。荷載傳感器安裝在框架216上并且支承輪輻230的一個面。可替換地，荷載傳感器能夠以荷載預(yù)應(yīng)變方式組裝，或者如上所述由設(shè)置在防護體上并在扭力矩的作用下檢測例如輪輻的應(yīng)變的伸長計代替。更一般地，荷載傳感器可以由應(yīng)變傳感器代替。

對該設(shè)備的操作與對上述圖1A中的設(shè)備的操作相似。

有利地，可以添加用于將機械應(yīng)力施加到防護體的裝置，諸如旋轉(zhuǎn)或平移引導(dǎo)裝置，該裝置使得能夠通過以荷載預(yù)應(yīng)變方式組裝力覺傳感器來減少力覺傳感器的數(shù)量。

電子系統(tǒng)對從這些力覺或應(yīng)變傳感器獲得的數(shù)據(jù)進行處理，以確定用戶施加到接口上的扭矩是否超過預(yù)先確定的閾值。同樣確定扭矩符號并且由此能夠確定用戶意圖轉(zhuǎn)動按鈕的方向。

如上所述，不需要扭力矩的實際值，知道扭力的方向就足夠了。因此，只要在接口不進行任何旋轉(zhuǎn)的情況下傳感器足夠靈敏以檢測作用在接口上的最小扭矩，就能夠使用適于至少檢測荷載或應(yīng)變的二進制閾值或單調(diào)函數(shù)的低成本傳感器，而不需要任何線性、動態(tài)、分辨率的類型規(guī)格。該傳感器還使得能夠保持最大荷載不降低。

在圖11中，可以看到根據(jù)本發(fā)明的線性力覺接口的示例的示意性示出的分解圖。

該設(shè)備包括安裝了軸302的殼體308和用于生成可變磁場的裝置306，軸302適于沿該軸302的軸線X徑向運動，軸302配置成在其至少一個縱端的水平上支撐用于與用戶交互的元件(未示出)，裝置306設(shè)置在殼體中。殼體限定了密封室，該密封室包含磁流變流體并且被軸302穿過。密封件313確保軸在室中密封滑動。

接口還包括位置傳感器(未示出)，該位置傳感器適于測量軸302的當前的縱向位置。

接口還包括用于檢測用戶的意向動作的裝置，這些裝置因此在施加到軸的運動被用戶和位置傳感器感知之前檢測用戶施加到軸上的平移力。這些裝置包括防護體(未示出)，防護體的應(yīng)變通過一個或多個力覺或應(yīng)變傳感器來測量，防護體一方面被安裝在殼體和框架上(未示出)。如果用戶意圖沿平移的第一方向使軸運動，則防護體經(jīng)由殼體受到剪切力、然后與流體交互、再與交互元件交互、最后被連接到軸302。

現(xiàn)在我們將根據(jù)本發(fā)明并考慮到用戶的意向動作對用于操作力覺接口的算法進行描述。

在現(xiàn)有情況下，我們將特別關(guān)注按鈕的轉(zhuǎn)速為零或至少小于一值，在小于該值時，按鈕的運動被認為是不可察覺的。

控制電子裝置聯(lián)合使用角位置傳感器的信息和荷載位置傳感器的信息來確定待由制動器4生成的阻力矩。

應(yīng)用圖12中所示的算法來確定按鈕被轉(zhuǎn)動或者用戶意圖轉(zhuǎn)動按鈕的旋轉(zhuǎn)方向。

使用對扭力矩的估算的扭力(TORSION)變量。不需要知道扭力的精確值?；诹τX傳感器所提供的信息來獲得該估算，力覺傳感器通過圖1A、圖6至圖8中實施例的示例中的防護體來驅(qū)動。對扭力矩的估算使得能夠在考慮施加扭力矩的方向時確定扭力矩是否大于或小于閾值。

在第一步驟400期間，計算按鈕的運動速度。獲得速度(VITESSE)變量。

當速度小于給定的實際值時，認為該速度為零，因而以頻率Te進行采樣的角度傳感器所提供的信息的導(dǎo)數(shù)的近似值返回零值。

在下一步驟402期間，基于荷載傳感器所提供的信息來計算用戶所施加的扭力矩的估算函數(shù)，該函數(shù)為扭力變量。

在下一步驟404期間，檢查速度變量是否為零，如果速度變量不為零，則將速度的符號分配給方向(DIRECTION)變量(步驟406)。

如果速度變量為零，則使用扭力變量。

在下一步驟408中，檢查扭力變量是否大于所謂的“正閾值”，如果扭力變量大于“正閾值”，則將+1分配給方向變量(步驟410)。

否則，在下一步驟412中，檢查扭力變量是否小于所謂的“負閾值”，如果扭力變量小于“負閾值”，則將-1分配給方向變量(步驟414)。

否則，即如果速度為零并且扭力矩大于負閾值且小于正閾值，則在下一步驟316期間，方向變量取零值。系統(tǒng)認為沒有扭矩被施加到按鈕上，可以例如由此推斷出用戶松開了按鈕。

借助于該算法，能夠在按鈕的運動速度為零的情況下確定用戶意圖使按鈕運動而按鈕沒有明顯運動的方向。

實際上，即使按鈕沒有明顯的運動，也能夠通過僅由力覺或應(yīng)變傳感器提供的信息來確定扭力矩被施加的方向，因而決定用戶意圖使按鈕運動的方向，并基于此控制用于因此生成可變磁場的系統(tǒng)。

然后，應(yīng)用圖4中的算法的變型實施例。

在該替代性實施例中，限定了以下四種模型：

-針對按鈕的被認為是正向的驅(qū)動方向以及為零或較低的轉(zhuǎn)速來限定的模型MPL'；

-針對按鈕的正驅(qū)動方向以及高轉(zhuǎn)速來限定的模型MPR'；

-針對按鈕的被認為是負向的驅(qū)動方向以及為零或較低的轉(zhuǎn)速來限定的模型MNL'；

-針對按鈕的負驅(qū)動方向以及高轉(zhuǎn)速來限定的模型MNR'。

零速或低速度是值小于或等于給定閾值的速度。由于確定了用戶的意向動作，所以能夠限定沿正向方向的零速度以及沿負向的零速度。實際上，用戶不可以使按鈕運動，速度變量等于0但是沿一個方向或另一方向施加的扭矩可以不為零。當變量DIRECTION＝0(方向＝0)時，沒有用戶的意向動作被給出。

如上所述，高速度被認為是按鈕能夠被驅(qū)動的最大速度。沿正向的高速度可以等于或不同于沿負向的高速度。

在圖13中，示出了圖4中的用于選擇待考慮的模型值的算法的替代性實施例。

在第一步驟100'之間，檢查方向變量是否等于+1，如果方向變量等于+1，則：

-將在低速正模型數(shù)據(jù)庫BPL'中運行對模型值VPL'的搜索(步驟102')，以及

-將在高速正模型數(shù)據(jù)庫BPR'中運行對模型值VPR'的搜索(步驟104')。

步驟102'和步驟104'可以同時進行或按順序進行。

否則，即如果方向變量等于0或-1，則：

-將在低速負模型數(shù)據(jù)庫BNL'中運行對模型值VNL'的搜索(步驟106)，以及

-將在高速負模型數(shù)據(jù)庫BNR'中運行對模型值VNR'的搜索(步驟108)。

在第一算法流程的最后，獲得兩個模型值VPL'和VPR'、或者VNL'和VNR'。

然后，應(yīng)用圖14中示出的圖5中的算法的變型以有效地確定待施加的制動荷載(即待施加的磁場)的值，并因此確定給用于生成磁場的系統(tǒng)供電的電流強度。

在第一步驟200'期間，檢查方向變量是否等于0，如果方向變量等于0，則控制單元向制動器生成命令以不將任何荷載施加到按鈕上，即不向流體施加磁場。該算法完成。在該算法中，DIRECTION＝0意味著確定了用戶不會沿一個方向或沿另一方向驅(qū)動按鈕?？梢岳缬纱送瞥?，用戶松開了按鈕。這個步驟可以在步驟102'之前發(fā)生。

如果方向變量不為0，即如果方向變量等于+1或-1，則在下一步驟202'期間，計算系數(shù)ALPHA，其等于：abs(VITESSE)/V_MAX。

其中，abs(VITESSE)是當前的速度變量的絕對值，

其中，參數(shù)V_MAX是一組最大驅(qū)動速度的值。

在下一步驟204'期間，有利地將系數(shù)ALPHA限制在0和1之間以防止計算錯誤，事實上例外地可以發(fā)現(xiàn)，按鈕在速度大于最大速度組時被驅(qū)動，即ALPHA大于1，這是由于沒有任何因素機械地限制驅(qū)動速度。

在下一步驟206'期間，基于由第一算法選擇的模型值，使用線性插值法來計算MOTIF_COURANT(當前模型)變量。

○如果驅(qū)動方向為正，則MOTIF_COURANT＝(1-ALPHA)×VPL'+ALPHA×VPR'，或者

○如果驅(qū)動方向為負，則MOTIF_COURANT＝(1-ALPHA)×VNL'+ALPHA×VNR'。

在下一步驟208'期間，將MOTIF_COURANT變量施加到制動器上。

對于圖5中的算法，MOTIF_COURANT能夠采用任何其它插值法來計算，例如可以使用二次插值法。還可以設(shè)想使用閾值函數(shù)。

上述算法完全適用于線性力覺接口，則位置傳感器將確定縱向位置而不是角位置。

知道沒有用戶意圖使得能夠例如關(guān)閉生成磁場的系統(tǒng)的電流源，同時確定用戶不再意圖使按鈕運動，這改進了力覺再現(xiàn)。另一方面，不需要知道上述情況，在用戶已經(jīng)將扭矩施加到按鈕上而未被系統(tǒng)感知到之前，電流可以被隨機切斷。

根據(jù)本發(fā)明的力覺接口特別適用于在機動車輛中的應(yīng)用，例如適用于形成輔助機動車司機的車載力覺接口。該力覺接口能夠輔助用戶與諸如GPS(全球定位系統(tǒng))、無線電、空調(diào)等各種車輛設(shè)備或附件進行交互。