DE29923933U1

DE29923933U1 - Verbesserungen an Steuervorrichtungen mit taktiler Rückkopplung

Info

Publication number: DE29923933U1
Application number: DE29923933U
Authority: DE
Original assignee: Immersion Corp
Current assignee: Immersion Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2009-09-17
Also published as: WO2000021071A2; US6697044B2; US20050128186A1; WO2000021071A3; US6184868B1; US20010000663A1; WO2000021071A9; US7561141B2; AU2342400A

Description

Dem Gebrauchsmuster zugrundezulegende Anmeldungsunterlagen

VERBESSERUNGEN AN STEUERVORRICHTUNGEN

MIT TAKTILER RÜCKKOPPLUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Schnittstellenkopplung mit Computer- und mechanischen Vorrichtungen durch einen Benutzer und insbesondere Vorrichtungen, die zum Koppeln mit Computersystemen und Fernbedienungsvorrichtungen verwendet werden und die eine 0 taktiIe Rückkopplung für den Benutzer vorsehen.

Menschen koppeln mit elektronischen und mechanischen Vorrichtungen in einer Vielfalt von Anwendungen, und der Bedarf für eine natürlichere, leicht zu verwendende und informative Schnittstelle ist ein beständiges Anliegen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung koppeln Menschen mit Computervorrichtungen für eine Vielfalt von Anwendungen. Eine solche Anwendung ist die Steuerung von Fernbedienungsvorrichtungen, um mit physischen Umgebungen 0 zu koppeln. Andere Anwendungen umfassen den direkten Dialogverkehr mit computererzeugten Umgebungen, wie z.B. Simulationen, Spielen und Anwendungsprogrammen.

Fernbedienungsvorrichtungen werden häufig zur Fernbedienung von physischen Objekten und Gegenständen in Gebieten verwendet, die für Menschen schwierig oder unerreichbar direkt zu bedienen sein können. Fernbedienungsvorrichtungen

61047.B0D PAeKbhl4rAäck.FieneTetcol! .

können beispielsweise in gefährlichen Umgebungen verwendet werden, wie z.B. radioaktiven Gebieten oder extrem heißen Gebieten, um Gegenstände in dieser Umgebung zu bedienen. Andere Gebiete, wo diese Vorrichtungen üblicherweise eingesetzt werden, umfassen unter Wasser oder den Ozean, den Weltraum, Gebiete mit giftigen Gasen in der Luft usw. Mit diesen Vorrichtungen kann die Erforschung einer Umgebung, die Gewinnung von Proben von der Umgebung oder der Betrieb und die Wartung einer Anlage innerhalb der Umgebung mit geringem Risiko für Menschen ausgeführt werden.

Ein typisches Fernbedienungsgerät umfaßt einen Masterseiten-Effektor (oder "Master") und eine Slaveeinheit (oder "Slave"). Eine Bedienperson oder ein Benutzer betätigt die Mastervorrichtung in vorgesehenen Freiheitsgraden, Steuersignale werden vom Master zum Slave übertragen und der Slave wird in einer Weise entsprechend der Betätigung des Masters bewegt und betätigt. Bei einigen Fernbedienungsvorrichtungen sendet der Slave Informationen zum Master zurück, die einen gegenwärtigen Zustand des Slave angeben oder Informationen über die Umgebung des Slave liefern. Der Slave ist üblicherweise ein Roboterarm mit einem oder mehreren Instrumenten oder Vorrichtungen, die am Arm befestigt sind. Ein Greifer mit parallelen Klemmbacken kann beispielsweise an dem Roboterarm befestigt sein und innerhalb der Umgebung des Slave bewegt werden, um Gegenstände zu greifen, aufzuheben und zu bewegen. Alternativ oder zusätzlich kann der Slaveseiten-Effektor eine Kamera, eine Lichtquelle, einen Schweißbrenner, einen Schraubenschlüssel, einen Schraubenzieher, ein Schneidmesser oder ein anderes Instrument enthalten. Der Slave kann auf einer statischen Oberfläche montiert sein oder kann auf einer beweglichen Einheit, wie z.B. einem Fahrzeug, das beispielsweise unter Verwendung einer Fernsteuerung gelenkt werden kann, angeordnet sein. Ein Computer wird vorzugsweise verwendet, um den Master mit dem

61 047.B0D PAe KJjhllr.Käck, fienei et coil * * '

Slave zu koppeln, um geeignete Signale in einer bidirektionalen Datenübertragung zu liefern und eine Verarbeitung von Signalen oder bei Bedarf eine automatisierte Steuerung des Slave durchzuführen. 5

Der Masterseiten-Effektor kann eine Vielzahl von Formen annehmen. Eine Konfiguration verwendet eine steuerhebelartige Steuereinheit zum Bedienen des Slave. Die Bedienperson bewegt den Steuerhebelgriff in zwei oder mehreren Freiheitsgraden, was festgelegte Teile des Slave in entsprechenden Freiheitsgraden bewegt. Ein Problem bei Steuerhebel-Mastersteuereinheiten besteht darin, daß die Steuerung des Slave nicht sehr intuitiv ist und das Erreichen von Fertigkeit bei dieser Art Master eine beträchtliche Übung der Bedienperson erfordert. Andere Masterseiten-Effektoren sind für die Bedienperson intuitiver. Außengerippe oder Gestänge können ermöglichen, daß eine Bedienperson mit dem Master Bewegungen ausführt, die genau entsprechende Bewegungen des Slave bewirken. Ein Griff kann beispielsweise an einem Gestänge mit sechs Freiheitsgraden befestigt sein und der Griff kann im Raum in einer Art und Weise bewegt und gedreht werden, in der die Bedienperson möchte, daß sich das Instrument am Slave bewegt und dreht.

Bei einigen Fernbedienungsvorrichtungen wird auch eine Kraftrückkopplung oder fühlbare Rückkopplung für den Benutzer vorgesehen, die hierin allgemeiner als "taktile Rückkopplung" bekannt ist. Diese Arten von Fernbedienungsvorrichtungen können physische Empfindungen für den Benutzer, der den Masterseiten-Effektor bedient, vorsehen. Wenn der Slave auf eine Oberfläche oder ein anderes Hindernis auftrifft oder anderweitig mit seiner Umgebung in Wechselwirkung tritt, ist es erwünscht, daß die Bedienperson diese Wechselwirkung wahrnimmt. Somit können am Masterseiten-Effektor vorgesehene Kräfte der Bedienperson helfen, den Slave effektiver zu führen und zu

61 047.B0D PAe l$ihltr*Käck. Rer^r'et tt: '". .' . ! "' · ^: ·..* *..* .'..

bedienen. Wenn der Slave auf eine Wand auftrifft kann eine Kraft entsprechend dem, was der Slave empfindet, am Masterseiten-Effektor unter Verwendung von Motoren oder anderen Stellgliedern der Mastervorrichtung ausgegeben werden.

Ein Problem bei der taktilen Rückkopplung, die in Masterseiten-Effektoren des Standes der Technik verwendet wird, besteht darin, daß die für die Bedienperson vorgesehene taktile Rückkopplung hinsichtlich der Wechselwirkungen des Slave mit seiner Umgebung sehr begrenzt ist und/oder nicht gut mit der Feinsteuerung des Slave in Beziehung steht, so daß die Bedienperson nur eine grobe Empfindung dessen erhält, was in der Slaveumgebung geschieht. Taktile Andeutungen mit höherer Frequenz, die z.B. auftreten, wenn zwei harte Gegenstände einander berühren, werden beispielsweise weggelassen. Ferner wird für Slavevorrichtungen mit einem Klemmbackengreifer keine taktile Rückkopplung hinsichtlich der Bewegung und Wechselwirkung des Klemmbackengreifers mit anderen Gegenständen für die Bedienperson vorgesehen. Außerdem kann eine derzeitige Anlage für eine Fernbedienung teuer sein und weist häufig Zuverlässigkeits- und Stabilitätsprobleme in rauhen Umgebungen, wie z.B. bei der Unterwasserölbohrinselwartung, auf.

Ein weiteres Problem ist der Grad der Steuerung, der für die Bedienperson über die Slavevorrichtung vorgesehen wird. Die Mastersteuerung über solche Slaveinstrumente wie einen Greifer wird häufig grob mit Vorrichtungen, wie z.B. Tasten und Auslösern, ausgeführt, die der Bedienperson nicht beträchtlich helfen, den Greifer zu bedienen, um sehr schwierige Vorgänge auszuführen, und keinen intuitiven Steuermechanismus vorsehen.

Bei anderen Schnittstellenanwendungen steht der Benutzer nicht mit einer physischen Umgebung, sondern mit einer

ol 047.B0D PAe l^ihl^Käck, Fielet tbl ^m*l

computererzeugten oder virtuellen Umgebung in Dialogverkehr. Bei Anwendungen mit virtueller Realität oder Computerspielen ist beispielsweise eine Schnittstellenvorrichtung mit einem Hauptrechner gekoppelt, der ein Anwendungsprogramm abarbeitet, das eine Umgebung, wie z.B. eine graphische Umgebung, bereitstellt. Die computererzeugte Umgebung wird auf einer Vorrichtung, wie z.B. einem Computerbildschirm, angezeigt. Der Benutzer bedient Bedienelemente, wie z.B. eine Bedienvorrichtung (Steuerhebelgriff, Maus usw.), Tasten, Schalter oder dergleichen, und Sensoren erfassen die Bedienung und Eingangssignale für den Hauptrechner, um eine entsprechende Bedienung von graphischen Objekten zu ermöglichen, die auf einem Bildschirm angezeigt werden. Eine taktile Rückkopplung kann zu solchen

Schnittstellensteuervorrichtungen hinzugefügt werden, um den Benutzer mit einer dialogorientierteren Erfahrung zu versehen und eine leichtere Kopplung und Steuerung von computererzeugten Objekten und Umgebungen bereitzustellen.

Ein Problem bei derzeitigen taktilen Rückkopplungsvorrichtungen besteht jedoch darin, daß die taktile Rückkopplung in einige Arten von Steuereinheiten nicht sehr gut integriert ist, wie z.B. Spielpaddel oder andere Steuereinheiten außer üblichen Steuerhebeln.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Steuervorrichtung mit taktiler Rückkopplung bereit, die mehrere Verbesserungen an der Schnittstelle mit Computersystemen und der Steuerung von Objekten beinhaltet. Die Steuervorrichtung umfaßt einen Zangenmechanismus mit Kraftrückkopplung, der eine natürlichere Steuerung über physische oder computerimplementierte Objekte vorsieht. Ein beweglicher Teil des Gehäuses ermöglicht, daß eine taktile Rückkopplung unabhängig von anderen Bedienelementen an den Benutzer ausgegeben wird.

Khl f

61 047.B0D PAe Kehlej, fSck, fieneretdtfi; '*:

Insbesondere umfaßt in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Steuervorrichtung mit taktiler Rückkopplung zum Eingeben von Steuersignalen in einen Computer und zum Ausgeben von Kräften an einen Benutzer der Steuervorrichtung einen Griff und ein Paar von beweglichen Zangenelementen, die mit dem Griff gekoppelt sind. Jedes Zangenelement wird von einem Finger des Benutzers berührt, wenn die Vorrichtung bedient wird, wobei jedes der Zangenelemente in einem Freiheitsgrad beweglich ist und die Freiheitsgrade ungefähr innerhalb einer einzelnen Ebene liegen, so daß, wenn eines der Zangenelemente bewegt wird, das andere Zangenelement ebenfalls ungefähr um denselben Abstand entweder zum ersten Zangenelement hin oder von diesem weg bewegt wird. Ein Stellglied ist mit dem Paar von Zangenelementen gekoppelt und ist zum Ausgeben einer Kraft an den Zangenelementen in dem Freiheitsgrad wirksam. Ein Sensor ist zum Erfassen einer Position der Zangenelemente in dem Freiheitsgrad und zum Ausgeben eines Sensorsignals, das die Position anzeigt und das vom Computer empfangen wird, wirksam. Jedes der Zangenelemente umfaßt vorzugsweise eine Fingerauflage zum Aufnehmen eines Fingers des Benutzers, wobei der Benutzer durch Legen eines Daumens auf eine der Fingerauflagen und eines gegenüberliegenden Fingers auf die andere Fingerauflage die Vorrichtung bedient. Das Stellglied gibt eine lineare Kraft in einer linearen Richtung aus, die in eine Drehkraft umgewandelt wird, welche auf jedes der Zangenelemente aufgebracht wird.

In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt eine Steuervorrichtung mit taktiler Rückkopplung Steuersignale in einen Computer ein und gibt Kräfte an einen Benutzer der Steuervorrichtung aus, und umfaßt ein Gehäuse mit einem ortsfesten Teil und einem beweglichen Teil, wobei der Benutzer sowohl den ortsfesten als auch den beweglichen Teil ergreift, wenn er die Vorrichtung verwendet. Eine Kopplung, wie z.B. ein Biegeelement, ist

61 047.B0D PAe Kphkf. JCäclc Renef et <MC *".

zwischen den beweglichen Teil und den ortsfesten Teil gekoppelt und ermöglicht, daß sich der bewegliche Teil relativ zum ortsfesten Teil in einer Richtung bewegt, die zu einem Teil einer Außenfläche des beweglichen Teils, die vom Benutzer berührt wird, parallel ist. Ein Stellglied ist mit dem Biegeelement gekoppelt und gibt eine Kraft an dem Biegeelement aus, um zu veranlassen, daß sich der bewegliche Teil bezüglich des ortsfesten Teils bewegt. Vorzugsweise gibt das Stellglied eine Schwingungskraft aus, um den beweglichen Teil schwingen zu lassen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung umfaßt ein vom Benutzer bedienbares Bedienelement, das an dem beweglichen Teil angeordnet ist, so daß der Benutzer die Kraft an dem beweglichen Teil als taktile Rückkopplung fühlt, wenn er das Bedienelement bedient, wobei das Bedienelement bezüglich des beweglichen Teils in der Position ortsfest ist. Das Bedienelement kann beispielsweise der Zangenmechanismus mit Kraftrückkopplung der vorliegenden Erfindung oder ein Teil davon sein, oder kann eine Taste, ein Steuerhebel oder ein anderes Bedienelement sein.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Steuervorrichtung mit taktiler Rückkopplung der vorliegenden Erfindung, die irgendwelche der obigen Aspekte umfaßt, eine Mastervorrichtung in einem Fernbedienungssystem, so daß der Griff mit einem Gestänge aus einer Vielzahl von Elementen gekoppelt ist, das zumindest drei Bewegungsfreiheitsgrade für die Steuervorrichtung vorsieht, und wobei der Computer eine Slavevorrichtung in Verbindung mit der Bewegung der Mastervorrichtung steuert. Die Slavevorrichtung kann ein Armgestänge und einen öffnenden/schließenden Greifer umfassen, wobei der Greifer durch die Zangenelemente gesteuert wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel zeigt der Computer eine graphische Umgebung an, mit der der Benutzer unter Verwendung der Steuervorrichtung mit Kraftrückkopplung der vorliegenden Erfindung in

61 047.B0D PAe Kfthlefr, fcäck. Fienef et col» ·» ···· ··

Dialogverkehr steht, wie z.B. ein Computerspiel, eine graphische Benutzerschnittstelle oder eine medizinische Simulation. Ein lokaler Mikroprozessor kann ebenfalls in der Steuervorrichtung enthalten sein, welcher das Sensorsignal empfängt, dem Computer das Sensorsignal meldet und Signale mit niedrigem Pegel für das Stellglied steuert. Andere Bedienelemente können ebenfalls an der Steuervorrichtung enthalten sein, wie z.B. eine Rolle, die von einem Sensor abgetastet wird.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt eine Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung einen Steuerhebel mit zwei Freiheitsgraden und einem Gestänge, das mit dem Steuerhebel gekoppelt ist, zum Vorsehen der zwei Freiheitsgrade. Ein erstes und ein zweites geerdetes lineares Schwingspulen-Stellglied sind mit dem Gestänge gekoppelt und bringen über das Gestänge eine Kraft auf den Steuerhebel auf, wobei eine lineare Bewegung eines Spulenkörpers des ersten Stellgliedes zu einer linearen Bewegung eines Spulenkörpers des zweiten Stellgliedes annähernd parallel ist. Vorzugsweise ist die durch eines der Stellglieder ausgegebene Kraft hinsichtlich der Richtung annähernd parallel bezüglich einer durch das andere Stellglied ausgegebenen Kraft, und die Kräfte sind hinsichtlich der Richtung bezüglich einer Ebene, die durch zwei Drehachsen des Steuerhebels gebildet wird, annähernd orthogonal.

Die Verbesserungen der vorliegenden Erfindung stellen eine Schnittstellenvorrichtung mit natürlicherer taktiler Rückkopplung bereit, die intuitiv und leicht zu bedienen ist. Der Zangenmechanismus der vorliegenden Erfindung ermöglicht einem Benutzer, Objekte, wie z.B. einen Greifer oder eine virtuelle Hand, leicht zu steuern, und stellt auf der Basis von Wechselwirkungen des gesteuerten Objekts eine taktile Rückkopplung bereit, um eine detailliertere und genauere Steuerung zu ermöglichen. Der bewegliche Teil des

61 047.B0D PAe liahlfrJKäck. Fielet ttl '*: .* . : **··..··,.* *..* .!.

Gehäuses der vorliegenden Erfindung stellt einen weiteren Kanal bereit, durch den der Benutzer eine taktile Rückkopplung unabhängig von irgendwelchen anderen Steuermechanismen, wie z.B. dem Zangenmechanismus, erfahren kann, was dem Benutzer ermöglicht, eine Rückkopplung hinsichtlich Wechselwirkungen des gesteuerten Objekts in einem größeren Umfang zu erfahren, was eine noch natürlichere und genauere Steuerung des Objekts ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Anwendung für die Steuervorrichtung mit taktiler Rückkopplung der vorliegenden Erfindung, wobei eine Mastervorrichtung eine Slaveeinheit in einem Fernbedienungssystem steuert;

Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Steuereinheit mit taktiler Rückkopplung der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei den Systemen von Figur 1 oder Figur 10;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Mechanismus eines ersten Ausführungsbeispiels der Steuereinheit von Figur 2; 25

Figur 4 eine perspektivische Ansicht des Mechanismus eines zweiten Ausführungsbeispiels der Steuereinheit von Figur 2;

Figur 5a eine schematische Darstellung eines Teils des Gestängemechanismus des in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiels;

Figur 5b eine perspektivische Ansicht des Gestängemechanismus des in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiels;

61 047.B0D PAe KqhleJ $äck. Renket cbli

Figur 6 eine schematische Darstellung eines Schwingspulen-Stellgliedes, das sich zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eignet;

Figur 7 eine perspektivische Ansicht des Mechanismus eines dritten Ausführungsbeispiels der Steuereinheit von Figur 2/

Figur 8 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Steuereinheit mit taktiler Rückkopplung der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei den Systemen von Figur 1 oder Figur 10;

Figur 9a eine schematische Darstellung eines Teils des Gestängemechanismus des in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiels;

Figuren 9b und 9c eine Draufsicht bzw. einen Seitenaufriß des Gestängemechanismus des in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiels;

Figur 10a eine perspektivische Ansicht einer zweiten Anwendung für die Steuervorrichtung mit taktiler Rückkopplung der vorliegenden Erfindung, wobei eine Steuervorrichtung direkt mit einem Computersystem koppelt;

Figur 10b einen Seitenaufriß eines Ausführungsbeispiels zum Vorsehen einer Kraftrückkopplung an einer Taste der Steuervorrichtung von Fig. 10a;

Figur 11 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Steuervorrichtung mit taktiler Rückkopplung mit den Schwingspulen-Stellgliedern der vorliegenden Erfindung; und

Figur 12 ein Blockdiagramm eines Steuersystems mit taktiler Rückkopplung, das die vorliegende Erfindung darstellt.

61 047.B0D PAe K$W<*f,JCöck, Fieptet <MII ·*:

In FIGUR 1 ist ein Fernbedienungssystem 10 als erste Anwendung zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Fernbedienungssystem 10 umfaßt einen Masterseiten-Effektor 12 und eine Slaveeinheit 14. Das dargestellte System 10 wird zum Bedienen von physischen Gegenständen oder zum Durchführen von Aufgaben in einer physischen Umgebung 15 verwendet.

Der Masterseiten-Effektor 12 (oder "Master") wird von einem Benutzer bedient, um die Slaveeinheit 14 zu steuern. Der Master 12 umfaßt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Gestänge 20 und eine Handsteuereinheit 22. Das Gestänge 20 ist wegen der Stabilität mit einer Grundfläche 24 oder einer anderen Bezugsfläche gekoppelt und umfaßt mehrere Elemente, um zu ermöglichen, daß die Steuereinheit 22 in mehreren Freiheitsgraden bewegt wird. Das beschriebene Ausführungsbeispiel des Gestänges 20 umfaßt beispielsweise Elemente 26, 28, 30, 32 und 34, wobei jedes dieser Elemente drehbar mit anderen Elementen in serieller Weise durch Gelenke 27, 29, 31 bzw. 33 gekoppelt ist. Ferner ist das Basiselement 26 durch ein Gelenk 35 drehbar mit der Grundfläche 24 gekoppelt und die Steuereinheit 22 ist durch ein Gelenk 37 drehbar mit dem Endelement 34 gekoppelt. Diese Anordnung stellt sechs Freiheitsgrade für die Steuereinheit 22 bereit, die in Figur 1 als DFl bis DF6 bezeichnet sind. Andere Arten von Gestängen oder Mechanismen können ebenfalls verwendet werden, um die Steuereinheit 22 mit zwei oder mehr Freiheitsgraden zu versehen. Alternativ kann die Steuereinheit 22 eine frei bewegliche Einheit sein, die Beschleunigungsmesser oder andere Sensoren enthält, die eine Bewegung in drei Dimensionen erfassen, wie Fachleuten gut bekannt ist.

Das Gestänge 20 umfaßt vorzugsweise eine Anzahl von Sensoren (nicht dargestellt) zum Erfassen der Position und/oder Bewegung der Steuereinheit 22. Bei dem ■ beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Sensor mit jedem

61 047.B0D PAe Kühlet, lock, Fien#?et cöl J * * t

Gelenk des Gestänges 20 gekoppelt, aber bei anderen Ausführungsbeispielen können weniger Sensoren verwendet werden. Die Sensoren können beliebige einer Vielzahl von verschiedenen Arten sein, einschließlich optischen Codierern, Potentiometern, Hall-Effekt-Sensoren usw. Die Signale von den Sensoren werden zu einem Computer 16 übertragen. Diese Übertragung kann in verschiedenen Weisen implementiert werden, wie z.B. über Drähte, Kabel oder eine drahtlose Übertragung (Funksignale usw.).

Die Handsteuereinheit 22 ist durch ein Gelenk 37 drehbar mit dem Endelement 34 des Gestänges 20 gekoppelt und wird vom Benutzer gegriffen, gehalten oder anderweitig physisch berührt. Vorzugsweise wird das Gelenk 37 nicht abgetastet und ermöglicht, daß die Steuereinheit 22 relativ zum Element 34 in eine Position orientiert wird, die für den Benutzer komfortabel ist. Entweder ein Gelenk mit einem einzigen Freiheitsgrad oder ein Kugelgelenk kann als Gelenk 37 verwendet werden. Die Steuereinheit 22 umfaßt ein Greiferbedienelement 36 und kann andere Bedienelemente für eine detaillierte Bedienung der Slaveeinheit 14 umfassen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 22 für eine leichte, enge Anpassung an die Hand des Benutzers ungefähr wie ein Keil geformt. Ein Beispiel des Griffs des Benutzers ist in Fig. 1 mit Bezug auf die Hand 40, die in gestrichelten Linien dargestellt ist, gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel wird mit Bezug auf die Figuren 2-4 und 7 genauer beschrieben. Ein anderes Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 22 wird mit Bezug auf Fig. 8-9c genau beschrieben.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel umfaßt die Steuereinheit 22 sowohl (einen) Sensor(en) als auch Stellglieder. Die Sensoren werden verwendet, um die Bedienung von Bedienelementen an der Steuereinheit 22 durch den Benutzer zu erfassen, um die Slaveeinheit 14 zu bedienen. Beispielsweise können Tasten, Ziffernscheiben,

61 047.B0D PAe tohlirjfcack, Fienar'ef «el *··&iacgr;

Schalter, Steuerhebel, Knöpfe oder andere Steuervorrichtungen an der Steuereinheit 22 vorgesehen sein und vom Benutzer bedient werden. Ferner umfaßt die Steuereinheit 22 auch Stellglieder zum Vorsehen von Kräften an Komponenten der Steuereinheit 22. Diese Kräfte informieren den Benutzer über Wechselwirkungen der Slaveeinheit 14 mit Objekten innerhalb der Umgebung 15 des Slave. Eine bevorzugte Implementierung der Sensoren und Stellglieder in der Steuereinheit 22 wird mit Bezug auf Fig. 2 genauer beschrieben.

Der Computer 16 ist eine elektronische Vorrichtung, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zum Koordinieren der Steuerung des Slave 14 durch den Master 12 verwendet wird.

Der Computer 16 empfängt Signale vom Master 12, die zum Steuern des Slave 14 verwendet werden. Beispielsweise kann die Position und/oder Orientierung der Steuereinheit 22 im dreidimensionalen Raum zum Computer 16 als verschiedene Sensorsignale von den Sensoren im Gestänge 20 gesandt werden. Der Computer 16 kann dann die Sensorsignale zu x-, y- und z-Koordinaten und/oder Orientierungskoordinaten verarbeiten. Alternativ kann der Master 12 eine Verarbeitungsfähigkeit beinhalten und kann Koordinaten zum Computer 16 liefern. Außerdem kann der Computer 16 Signale vom Master 12 für die Bedienelemente an der Steuereinheit 22, wie z.B. für Tasten, ein Greiferbedienelement, eine Rolle und andere Vorrichtungen, empfangen, wie nachstehend genauer erläutert wird. Der Computer 16 sendet Steuersignale zum Slave 14 auf der Basis der vom Master 12 empfangenen Signale. Der Computer 16 sendet beispielsweise verschiedene Motorsteuersignale aus, um den Greifer des Slave 14 in eine Position und Orientierung entsprechend der Position und Orientierung des Masters 12 zu bewegen. Ferner sendet der Computer Steuersignale zum Aktivieren verschiedener Instrumente am Slave 14, die vom Benutzer mit den Bedienelementen des Masters 12 betätigt worden sein können. Der Computer 16 kann eine zweckorientierte

ol 047.B0D PAe Kghlej.fäck. Renket

Rechnervorrichtung, ein Standard-Tisch- oder tragbarer Computer oder eine andere Steuereinheit sein. Ferner kann ein lokaler Mikroprozessor separat vom Computer 16 in der Steuereinheit 22 vorgesehen sein, um lokale Sensorinformationen zu verarbeiten und Kräfte an die Stellglieder auszugeben, um die Rechenlast am Hauptrechner zu verringern. Ein Ausführungsbeispiel eines geeigneten Computers und lokalen Mikroprozessors wird mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben.

Die Slaveeinheit (oder der "Slave") 14 wird vom Benutzer bedient, um sie in der Umgebung 15 umherzubewegen, um mit der Umgebung in Wechselwirkung zu treten. Der Slave 14 kann beispielsweise gesteuert werden, um Gegenstände aufzuheben, Gegenstände zu bewegen, Bedienelemente zu bedienen oder andere Aufgaben auszuführen. Der Vorteil der Verwendung des Slave 14 besteht darin, daß keine menschliche Bedienperson in der Umgebung 15 körperlich anwesend sein muß, die für eine direkte menschliche Anwesenheit häufig feindlich oder unbequem ist. Bei anderen Anwendungen ist die Slaveeinheit 14 als Versuchsvorrichtung oder als Hilfe zum Bewegen oder Handhaben von physischen Gegenständen nützlich.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Slave 14 ein Arm, der zur Bewegung in mehreren Freiheitsgraden innerhalb der Umgebung 15 betriebsfähig ist. Der Slave 14 kann in einer Vielzahl von Arten implementiert werden; beispielsweise umfaßt das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ein Basiselement 50, Gestängeelemente 52, 54 und 56, und eine Klaue oder einen Greifer 58. Das Basiselement 50 ist mit einem Grundelement 60 gekoppelt, das mit einer Grundfläche 62 gekoppelt ist, wobei das Basiselement 50 bezüglich des Grundelements 60 gedreht werden kann. Die Gestängeelemente 52, 54 und 56 sind in einer Kette mit dem Basiselement 50 drehbar gekoppelt. Der Greifer 58 ist drehbar mit dem Ende des Elements 56 gekoppelt, so daß der Greifer wie durch den Pfeil 57 gezeigt gedreht werden kann.

61 0-47.BOD PAe ljah£r;Käck, Fieijer'et ccj.

Der Greifer 58 kann auch geöffnet oder geschlossen werden, um zu ermöglichen, daß der Greifer verschiedene physische Gegenstände aufhebt und trägt. In Fig. 1 ist beispielsweise ein Gegenstand 64 gezeigt, der vom Greifer 58 getragen wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Instrumente oder Werkzeuge mit dem Element 56 gekoppelt sein, wie z.B. eine Kamera, eine Lichtquelle, ein Schweißbrenner, ein Schraubenschlüssel, ein Schraubenzieher, ein Schneidmesser oder ein anderes Instrument. Der Slave 14 kann auf einer statischen Oberfläche montiert sein oder kann auf einer beweglichen Einheit, wie z.B. einem Fahrzeug, das beispielsweise durch eine Fernsteuerung gelenkt werden kann, angeordnet sein.

Der Slave 14 umfaßt typischerweise Stellglieder, um zu veranlassen, daß sich der Greifer 58 in der Umgebung 15 umherbewegt. Ein Stellglied kann an jedem der Gelenke zwischen den Elementen 60, 50, 52, 54, 56 und 58 vorgesehen sein. Diese Stellglieder können durch Signale vom Computer 16 oder direkt vom Masterseiten-Effektor 12 (wenn der Master Verarbeitungskomponenten enthält) angesteuert werden. Der Computer 16 kann beispielsweise verwendet werden, um Sensorsignale vom Masterseiten-Effektor 12 zu empfangen, die Signale, falls erforderlich, zu verarbeiten, und entsprechende Treibersignale an die Stellglieder des Slave 14 auszugeben. Der Computer 16 oder eine äquivalente Schaltungsanordnung kann alternativ im Slave 14 enthalten sein. Der Slave 14 umfaßt auch Sensoren (nicht dargestellt), um die Position des Greifers und der anderen Elemente des Slave festzustellen, so daß die Position des Slave zum Computer und/oder zum Masterseiten-Effektor 12 übertragen werden kann. Unter Verwendung solcher Sensoren können Hindernisse für die Bewegung des Slave 14 erkannt werden. Der Greifer 58 umfaßt vorzugsweise beispielsweise einen Kraftsensor, der das Ausmaß der auf den Greifer durch ein vom Greifer gehaltenes Objekt ausgeübten Kraft erfaßt. Die Kraftgröße, die von diesem Greifersensor festgestellt

61 047.B0D PAe Kiihlä-.JSfclc. Rene*et'eel» *··&iacgr; ·* ·
··· · * ····

wird, wird zum Computer gesandt, der diese Information verwenden kann, um am Master 12 eine taktile Rückkopplung vorzusehen, wie nachstehend beschrieben.

Es sollte beachtet werden, daß die Steuereinheit 22 auch in anderen Anwendungen außer Fernbedienungsvorrichtungen verwendet werden kann. Beispielsweise ist auch eine computererzeugte Umgebung, wie z.B. Umgebungen einer virtuellen Realität oder Computerspiele, zur Verwendung mit der Steuereinheit 22 geeignet, wobei die Steuereinheit eine virtuelle Hand, ein Werkzeug, eine Ansicht, einen Cursor oder einen anderen Aspekt einer graphischen Umgebung bedienen kann. Solche computererzeugten Umgebungen werden mit Bezug auf Fig. 10a genauer beschrieben.

FIGUR 2 ist eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 70 der Steuereinheit 22 der vorliegenden Erfindung für den Masterseiten-Effektor 12. Dieses Ausführungsbeispiel ist dazu ausgelegt, einen intuitiven Steuermechanismus vorzusehen, der bequem und natürlich zu verwenden ist. Der Benutzer hält die Steuereinheit 70, wie in Fig. 1 gezeigt, durch Legen des Ballens einer Hand auf die Seite 72, die glatt und abgerundet ist. Verschieden große Hände werden leicht aufgenommen, da der Benutzer die Seite 72 in verschiedenen Abständen von den Bedienelementen 36 und 80 greifen kann. Die Steuereinheit 70 ist symmetrisch, so daß die Rückseite der Steuereinheit (die in Fig. 2 nicht gezeigte Seite) zur in Fig. 2 gezeigten Seite im wesentlichen identisch ist.

Entweder ein linkshändiger oder ein rechtshändiger Benutzer kann die Steuereinheit 70 gleich leicht verwenden.

Die Steuereinheit 70 umfaßt ein Gehäuse 74, das einen ortsfesten Teil 75 und einen beweglichen Teil 76 umfaßt. Der bewegliche Teil 7 6 der vorliegenden Erfindung bewegt sich bezüglich des ortsfesten Teils 75 in einer zur Ebene der Oberfläche 77 der Steuereinheit 70 parallelen Richtung

6I047.B0D PAe Kfchleriliack. fiener'efeei *···

entlang der Ebene des Kontakts zwischen dem Finger des Benutzers und dem beweglichen Teil 7 6 (und quer zur Bewegung der Fingerauflage 78a), um eine taktile Rückkopplung für den Benutzer vorzusehen, d.h. eine Gleitbewegung in Scherung mit der Haut des Fingers, der die Oberfläche des beweglichen Teils berührt. Die Bewegung kann beispielsweise eine Schwingung sein, die eine Wechselwirkung des Slave 14 in seiner Umgebung 15 anzeigen kann, wie z.B., daß der Slavearm auf eine Oberfläche oder einen Gegenstand auftrifft. Die Finger des Benutzers berühren typischerweise den beweglichen Teil 76, während er die Steuereinheit 70 bedient, und er kann somit jederzeit über aktuelle Slavebedingungen informiert werden. Solche Hochfrequenzschwingungen sind nützlich, um feine Wechselwirkungen des Slave 14 mit seiner Umgebung zu übertragen, die nicht durch die Verwendung einer Kraftrückkopplung mit niedriger Frequenz (die z.B. für das Greiferbedienelement 36 verwendet wird) übertragen werden können. Ein flüchtiger "Schlag" des Slave gegen eine Oberfläche kann beispielsweise mit einer flüchtigen Schwingung des beweglichen Teils 76, die der Benutzer taktil durch die Haupt empfindet, an den Benutzer realistisch übertragen werden. Die Wirkungsweise des beweglichen Teils 7 6 wird mit Bezug auf Fig. 3 genauer beschrieben. Der bewegliche Teil 76 ist vorzugsweise texturiert, wie z.B. mit mehreren kleinen Höckern oder Nuten auf seiner Oberfläche, die ermöglichen, daß die Schwingungsgefühl-Empfindungen wirksamer an die Finger des Benutzers, die den beweglichen Teil berühren, übertragen werden.

Die Steuereinheit 70 umfaßt auch ein Greiferbedienelement 36 mit Kraftrückkopplung der vorliegenden Erfindung. Das Greiferbedienelement 36 wird vorzugsweise verwendet, um den Greifer 58 des Slave 14 zu steuern, kann jedoch verwendet werden, um eine Vielzahl von Bewegungen oder Funktionen des Slave oder eines anderen Gegenstandes bei anderen

61 047.B0D PAe Kcfilefi l?aik, Rener^'t cek&idigr; *.·&idigr; ·' *· *··· . *; . *:

Ausführungsbeispielen zu steuern. Fingerauflagen 78a und 78b des Greiferbedienelements 36 sind durch eine Öffnung im beweglichen Teil 76 des Gehäuses 74 hindurch zugänglich. Die Fingerauflage 78b ist in Fig. 2 nicht gezeigt, ist jedoch auf der entgegengesetzten Seite der Steuereinheit durch eine Öffnung im beweglichen Teil 7 6 ähnlich der in Fig. 2 gezeigten zugänglich. Die Fingerauflagen sind so geformt, daß sie jeweils einen "Fingerspitzenteil" des Fingers eines Benutzers, z.B. die Fingerspitzen, eine Seite eines Fingers, die Spitze und den Teil eines Fingers über dem ersten Knöchel, usw., bequem aufnehmen. Außerdem umfassen die Fingerauflagen 78 vorzugsweise eine Texturierung, wie z.B. mehrere kleine Höcker oder Nuten, die ermöglichen, daß die Finger des Benutzers die Auflagen leichter greifen.

Bei seiner vorgesehenen Betätigung wird das Greiferbedienelement 36 an den Fingerauflagen 78a und 78b durch den Daumen eines Benutzers, der eine Auflage 78 (wie z.B. die Auflage 78a) berührt, und mit einem dem Daumen gegenüberliegenden Finger (z.B. dem Zeige- oder Mittelfinger des Benutzers), der die andere Auflage 78 (wie z.B. die Auflage 78b) berührt, berührt. Der Benutzer kann dann die zwei Fingerauflagen 78a und 78b gemeinsam, und zwar jede Fingerauflage in ihrem eigenen Freiheitsgrad, durch Drücken der Fingerauflagen 78 mit denjenigen Fingern, die die Auflagen berühren, zueinander hin bewegen. Diese Bewegung kann beispielsweise verwendet werden, um zu bewirken, daß sich die Klemmbacken des Greifers 58 einander nähern, wobei jede Klemmbacke einer speziellen Fingerauflage entspricht. Vorzugsweise entspricht die Position der Klemmbacken in ihrem Freiheitsgrad der Position der zugehörigen Auflage im Freiheitsgrad der Auflage (d.h. Positionssteuerung). Wenn die Auflagen 78 vom Benutzer losgelassen werden, bewegen sich die Auflagen vorzugsweise in dem Freiheitsgrad aufgrund einer inneren Federkraft voneinander weg, bis sie in der anfänglichen

61047.B0D PAe &hiar,j£ack, FienerefeeJ *···

Ruhelage stoppen. Dies bewirkt, daß sich die Klemmbacken des Greifers 58 des Slave 14 entsprechend öffnen. Somit kann der Benutzer die Bewegung des Greifers 58 durch Bewegen der Greiferauflagen 78 zueinander hin und voneinander weg leicht betätigen. Die Auflagen 78 sind vorzugsweise so verbunden, daß, wenn eine Auflage 78 bewegt wird, die andere Auflage 78 sich in einem entsprechenden Ausmaß in entgegengesetzter Richtung bewegt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Auflagen 78 einen Bewegungsbereich von etwa V von einer vollständig offenen Position in eine vollständig geschlossene Position auf.

Das Greiferbedienelement 36 umfaßt auch vorzugsweise eine Kraftrückkopplung, um den Benutzer über die Wechselwirkung des Greifers mit einem Gegentand, den der Greifer ergreift oder hält, zu informieren. Die Kraftrückkopplung kann in einer Vielzahl von Arten vorgesehen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel tastet ein Kraftsensor im Greifer 58 das Ausmaß an Kraft am Greifer 58 ab, welche durch den vom Greifer gehaltenen Gegenstand verursacht wird. Der Computer 16, der diese abgetastete Kraft empfängt, kann dann eine entsprechende Kraft an den Fingerauflagen 78 in ihrem Freiheitsgrad befehlen, um einer Bewegung der Auflagen zueinander hin zu widerstehen, wobei somit das Gefühl des Haltens eines Gegenstandes mit den Auflagen 78 simuliert wird. Der Greifersensor erfaßt die Position der Auflagen und der Computer 16 kann dann auf der Basis der aktuellen Position der Auflagen ermitteln, wie viel Kraft auszugeben ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Sensor in der Steuereinheit 70 ein Ausmaß einer Bewegung der Greiferauflagen 78 erfassen, und ein Ausmaß einer Kraft auf der Basis der Position, Geschwindigkeit oder einer anderen Bewegung der Auflagen kann vom Computer 16 festgelegt und ausgegeben werden (oder auf der Basis von sowohl der vom Greifer 58 festgestellten Kraft als auch der Bewegung der Auflagen). Die an den Greiferteilen 78 ausgegebene Kraft

61047.B0D

kann beispielsweise eine Federkraft sein. Die Kraftrückkopplung versieht somit den Benutzer mit einer Angabe dessen, wie weit der Greifer bewegt werden kann, bevor ein Gegenstand, den er hält, eine weitere Bewegung blockiert. Die Wirkungsweise des Greiferbedienelements 36 wird mit Bezug auf Fig. 4 genauer beschrieben.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Greiferbedienelement 36 eine Geschwindigkeitssteuerung zum Befehlen der Bewegung der Klemmbacken des Greifers am Slave 14 (oder zum Steuern irgendeines anderen Objekts, wie z.B. eines computererzeugten Objekts) verwenden. Eine Federkraft kann beispielsweise die Auflagen ständig in eine mittlere Position in dem Freiheitsgrad jeder Auflage vorspannen. Der Benutzer kann die Klemmbacken durch Bewegen jeder Auflage gegen die Federkraft bewegen, wobei das Ausmaß der Verlagerung einer Auflage von der mittleren Position weg die Größe der Geschwindigkeit der entsprechenden Klemmbacke steuert, und die Richtung der Auflage von der mittleren Position weg die Richtung der Bewegung der Klemmbacke angibt. In einem solchen Ausführungsbeispiel können Fingerringe oder andere Elemente, die die Auflage am berührenden Finger festhalten, verwendet werden, um zu ermöglichen, daß der Benutzer jede Auflage in ihrem Freiheitsgrad von ihrer mittleren Position wegzieht. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen kann nur eine einzelne Fingerauflage 78 vorgesehen sein, wie z.B. auf einer Seite der Vorrichtung. Die einzelne Fingerauflage kann wie eine Taste arbeiten, kann jedoch eine proportionale Steuerung auf der Basis dessen, wie weit die Taste gedrückt oder gezogen wird, vorsehen.

Eine Rolle 80 ist vorzugsweise ebenfalls in der Steuereinheit 70 als zusätzliches Bedienelement zur Bedienung für den Benutzer enthalten. Die Rolle 80 weist vorzugsweise eine kugelförmige Form auf und ragt- teilweise von der Oberfläche des Gehäuses 74 durch eine Öffnung im

61 047.BOO PAeKöhlÄr.JSJck. fien^fferceC *..:

Gehäuse hervor. Die Rolle 80 ragt vorzugsweise von der Gehäuseoberfläche auf beiden Seiten der Steuereinheit 70 hervor. Der Benutzer kann die Rolle 80 um eine Achse, wie z.B. die Achse A, drehen, um eine Bewegung oder Funktion des Slave 14 zu betätigen. Die Rolle 80 kann beispielsweise eine Greifer-"Handgelenk"-Drehung steuern, d.h. die Drehung des Greifers 58 um die Achse, die sich durch den Greifer erstreckt, wie durch den Pfeil 57 in Fig. 1 angegeben. Dies verhindert eine Ermüdung der Bedienperson, die auftreten kann, wenn die Bedienperson ihr Handgelenk drehen muß, um den Greifer zu drehen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Rolle 80 befohlen werden, andere Gelenke des Slave 14 zu steuern; beispielsweise kann eine Taste oder ein anderes Bedienelement ein spezielles Gelenk des Slave zur Steuerung für die Rolle 80 auswählen, um zu ermöglichen, daß eine Bedienperson den Slave 14 an einem einzelnen Gelenk steuert.

Die Rolle 80 wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorzugsweise abgetastet und nicht betätigt; bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Stellglied verwendet werden, um Kräfte auf die Rolle aufzubringen, was bei Ausführungsbeispielen zweckmäßig sein kann, bei denen die Rolle 80 die Drehung des Basiselements 50 oder eines anderen Elements des Slave steuert. Alternativ kann ein mit der Rolle 80 gekoppeltes Stellglied gesteuert werden, um Arretierkräfte oder einen Ruck auf der Basis der Position der Rolle auszugeben, die dem Benutzer anzeigen, wie weit die Rolle gedreht wurde, und eine genauere Steuerung der Rolle ermöglichen, z.B. kann eine Arretierkraft für jeweils zehn Grad der Drehung in einer speziellen Richtung ausgegeben werden. Andere Kraftempfindungen können ebenfalls ausgegeben werden, um zu helfen, eine genauere Steuerung der Rolle zu erleichtern, wie z.B. eine zentrierende Federkraft, die die Rolle 80 in eine Ruhelage vorspannt, je weiter der Benutzer die Rolle aus der Ruhelage bewegt, desto größer ist z.B. die Federkraft

61 047.B0D PAe SahfeiK6ck. Fierier&bgr;&idigr;«3.'..:

entgegengesetzt zur Bewegung der Rolle in der Richtung von der Ruhelage weg. Eine solche Federkraft kann als Geschwindigkeitssteuervorrichtung verwendet werden, wobei das Ausmaß der Auslenkung aus der Mittelposition die Geschwindigkeit der gesteuerten Funktionen steuert, wie z.B. die Drehgeschwindigkeit des Greifers des Slave 14, wie durch den Pfeil 57 in Fig. 1 gezeigt. Solche Kräfte können bei einigen Ausführungsbeispielen durch einen lokalen Mikroprozessor gesteuert werden, wie nachstehend mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben wird.

Tasten 82 und 84 können ebenfalls an der Steuereinheit 70 angeordnet sein, um eine zusätzliche Funktionalität und Steuerung für den Benutzer bereitzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Taste 82 das Öffnen und Schließen des Greifers 58 als Alternative zur Verwendung des Greiferbedienelements 36 steuern, wobei die Seite 83 der Taste 82 eine Richtung steuert und die andere Seite 84 die entgegengesetzte Richtung steuert. Die Taste 84 kann solche Funktionen wie einen Masterschaltvorgang steuern, um dem Benutzer vorübergehend zu ermöglichen, die Steuereinheit 22 in eine bequemere Position zu bewegen, ohne Steuerbefehle in den Slave 14 oder ein anderes gesteuertes Objekt einzugeben. Bei anderen Ausführungsbeispielen können den Tasten 82 und 84 andere Funktionen zugewiesen werden. Ferner können auch zusätzliche Tasten oder andere Bedienelemente (Schalter, Ziffernscheiben, Knöpfe, Steuerhebel, Rollkugeln, usw.) an der Steuereinheit 70 auf Wunsch vorgesehen werden. Außerdem können andere Sensoren für zusätzliche Funktionen vorgesehen werden. Ein Totmann- oder Schutzschalter (siehe Fig. 12) kann beispielsweise in dem Gehäuse vorgesehen sein, so daß die Stellglieder keine Kraft ausgeben, wenn der Benutzer die Steuereinheit 22 nicht in korrekter Weise greift.

61 047.B0D PAe KJihl^·. JCÖtk.

FIGUR 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 90 der Steuereinheit 70 von Fig. 2, wobei ein Teil des Gehäuses 74 entfernt wurde. In diesem Ausführungsbeispiel ist kein Greiferbedienelement 36 mit Kraftrückkopplung vorgesehen. Der bewegliche Teil 7 6 des Gehäuses ist den ortsfesten Teil 75 des Gehäuses 74 an Punkten 91 und 93 verschiebbar berührend dargestellt. Ein Blattfederelement 92 ist zwischen das Element 94 und das Element 96 gekoppelt, wobei das Element 94 starr mit dem beweglichen Teil 76 gekoppelt ist und das Element 96 starr mit dem ortsfesten Teil 75 gekoppelt ist. Ebenso ist eine Blattfeder 98 zwischen das Element 96 und das Element gekoppelt, wobei das Element 100 mit dem beweglichen Teil 76 gekoppelt ist. Die Blattfederelemente 92 und 98 ermöglichen, daß sich der bewegliche Teil 76 relativ zum ortsfesten Teil 75 verschieben läßt und in eine Ruhelage zurückkehrt, wenn keine Kräfte auf den beweglichen Teil oder die Blattfederelemente ausgeübt werden. Die zwei Blattfederelemente sind vorzugsweise, wie gezeigt, in einer 90-Grad-Beziehung zueinander vorgesehen für die Abstützung des beweglichen Teils 76 und zum Einschränken des beweglichen Teils vor einer zu weiten und regellosen Bewegung (was sich aus der Verwendung nur eines Blattfederelements ergeben kann). Ferner müssen die Blattfedern aus einem zweckmäßigen Material bestehen und eine ausreichende Steifigkeit im Verhältnis zur Größe der vom Stellglied 102 ausgegebenen Kraft aufweisen, um die gewünschte Schwingungskraftempfindung vorzusehen. Die Blattfederelemente können aus Federstahl, Berylliumkupfer usw. bestehen.

Die Steuereinheit 90 umfaßt ferner ein Stellglied 102, das mit einem der Blattfederelemente 92 oder 98 gekoppelt ist; bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Stellglied 102 mit dem Blattfederelement 98 gekoppelt. Das Stellglied 102 gibt eine Kraft am Blattfederelement 98 aus, um zu bewirken, daß sich der bewegliche Teil 76 relativ zum

61 047.B0D PAe IfehlftrJRäck. Fienar*efeet *..:

• ·

ortsfesten Teil 75 bewegt, d.h. es besteht eine differentielle Bewegung zwischen dem ortsfesten Teil 75.und dem beweglichen Teil 76. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt das Stellglied 102 eine Schwingungskraft aus, d.h. eine periodische Schwingungskraft, die eine entsprechende Schwingungsbewegung des beweglichen Teils 7 6 veranlaßt. Beispielsweise kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der bewegliche Teil eine Verlagerung von etwa 0,040 Inch (1,016 mm) Spitze-Spitze bezüglich des ortsfesten Teils 75 aufweisen. Der Benutzer nimmt diese Bewegung als Schwingung des beweglichen Teils wahr. Die zum Vorsehen der Schwingungskraft am beweglichen Teil 76 verwendeten Signale sind vorzugsweise Hochfrequenzsignale im Vergleich zu den Signalen für das Greiferbedienelement 36, z.B. können die Hochfrequenzsignale in der Größenordnung von etwa 30 Hz bis 1 kHz liegen. Andere Arten von Kräften können bei anderen Ausführungsbeispielen ausgegeben werden, wie z.B. ein Ruck, eine Schwingung mit variierender Amplitude usw.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Stellglied 102 ein Schwingspulen-Stellglied. Ein Magnetteil 104 des Stellgliedes wird relativ zu einem Spulenteil oder "Spulenkörper" 106 bewegt. Das Blattfederelement 98 ist starr mit dem Spulenkörper 106 gekoppelt und der Spulenkörper 106 bewegt sich relativ zum Magnetteil 104, der an dem ortsfesten Teil des Gehäuses 74 geerdet ist. Das Schwingspulen-Stellglied, das bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet wird, wird mit Bezug auf Fig. 6 genauer beschrieben. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Magnetteil 104 bewegt werden, während der Spulenkörper 106 am Gehäuse 74 geerdet ist.

Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann ein Sensor (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um die Bewegung des

61 047.B0D PAe iahliriltöck. RenefeTcd. '..&Idigr;

beweglichen Teils 76 relativ zum ortsfesten Teil 75 des Gehäuses abzutasten. Der Sensor kann die Größe der Schwingungsbewegung des beweglichen Teils 7 6 relativ zum ortsfesten Teil 75 erfassen. Diese kann beispielsweise als Verstärkungsregelung für die Ausgabe der Schwingungsgefühlkräfte verwendet werden, um die Schwingung automatisch auf eine Standardamplitude zu kompensieren, unabhängig von der Stärke des speziellen Griffs des Benutzers. Wenn der Sensor beispielsweise feststellt, daß der bewegliche Teil 76 nur in einem kleinen Ausmaß schwingt, das unter dem vorbestimmten gewünschten Ausmaß liegt, kann der Computer 16, lokale Mikroprozessor oder eine andere Steuerschaltungsanordnung die Leistung für das Stellglied erhöhen, um die Schwingungsamplitude zu erhöhen.

Dies kann erforderlich sein, wenn ein spezieller Benutzer das Gehäuse 74 zu eng greift, um effektive taktile Empfindungen zu ermöglichen. Ebenso kann die Verstärkung der Kräfte verringert werden, wenn der Benutzer das Gehäuse zu locker ergreift, wie vom Sensor festgestellt. Der Sensor kann auch verwendet werden, um taktile Kräfte entsprechend einer speziellen Art von Wechselwirkung des Slave 14 zu steuern; beispielsweise kann eine Schwingung mit größerer Amplitude erwünscht sein, wenn der Slave 14 auf eine Oberfläche auftrifft, anstatt auf eine Oberfläche zu klopfen, und der Sensor kann helfen, die Größe der auszugebenden Kraft zu ermitteln. Beispiele von Sensoren, die verwendet werden können, umfassen Hall-Effekt-Sensoren oder optische Sensoren, wobei ein Teil des Sensors (z.B. Detektor) am ortsfesten Teil 75 montiert ist und der andere Teil des Sensors (z.B. Sender oder Magnet) am beweglichen Teil 76 montiert ist. Alternativ kann das Schwingspulen-Stellglied selbst als Sensor verwendet werden, wobei die Spule zum Aufbringen von Kräften und Feststellen einer Geschwindigkeit (aus der die Position ermittelt werden kann) verwendet wird, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist; oder wobei eine Spannung in einer zweiten Spule, die zur Geschwindigkeit des Spulenkörpers proportional ist,

61 047.B0D PA^KaJiIJr. Käck. Fiener etoDl. ··;

&Dgr; &Oacgr;

abgetastet wird, und aus der die Position abgeleitet werden kann.

Die Rolle 80 ist als Kugel gezeigt, die auf zwei Seiten teilweise weggeschnitten wurde, welche drehbar mit dem ortsfesten Teil 75 des Gehäuses gekoppelt ist und welche um eine Achse A drehbar ist. Der Sensor 108 wird zum Abtasten der Drehung der Rolle 80 verwendet und kann ein Potentiometer, ein optischer Codierer oder eine andere Form eines Sensors sein. Die Signale vom Sensor werden zum Computer 16 gesandt.

Der Schalter 82 kann als dualer Schalter implementiert werden, wie vorstehend beschrieben, wobei, wenn eine Seite des Schalters gedrückt wird, ein Signal ausgegeben wird, und wenn die andere Seite gedrückt wird, ein anderes Signal ausgegeben wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Schalter 82 mit einer Drehwelle 83 und einem Schieberelement 85 gekoppelt sein. Wenn eine Seite des Schalters 82 gedrückt wird, drehen sich die Welle und das Schieberelement 85, was bewirkt, daß das Schieberelement den entsprechenden druckempfindlichen Schalter 87 auf der Basis der Seite des Schalters 82, die gedrückt wird, berührt. Diese Implementierung des Schalters 82 spart Platz in dem Gehäuse 74 für andere Komponenten, die in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 verwendet werden; andere Implementierungen können ebenfalls verwendet werden.

FIGUR 4 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten, bevorzugten Ausführungsbeispiels 120 der Steuereinheit 70 von Fig. 2, einschließlich sowohl des beweglichen Teils 76 des Gehäuses als auch des Greiferbedienelements 36 mit Kraftrückkopplung. Ein Teil des Gehäuses 74 ist entfernt, um den Mechanismus innerhalb der Steuereinheit 70 zu zeigen.

61 047.B0D PAS KcJ-ilfcr,*ICäck.

Der Mechanismus zum Bewegen des beweglichen Teils 76 des Gehäuses ist im wesentlichen derselbe wie mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Der bewegliche Teil 76 ist beweglich mit dem ortsfesten Teil 75 des Gehäuses 74 durch Blattfedern 98 und 92 gekoppelt, die in einer 90-Grad-Beziehung zueinander zum Abstützen des beweglichen Teils vorgesehen sind. Das Stellglied 102 gibt Kräfte an dem Blattfederelement 98 aus, das den beweglichen Teil 76 relativ zum ortsfesten Teil 75 bewegt. Außerdem bewirkt dies eine Bewegung des beweglichen Teils 76 relativ zum Greifermechanismus 36, einschließlich der Fingerauflagen 78 und der Greiferelemente 130. Wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wird vorzugsweise eine Schwingungskraft ausgegeben, um eine Schwingung des beweglichen Teils 76 zu bewirken.

Das Ausführungsbeispiel 120 umfaßt auch ein Greiferbedienelement 36 mit Kraftrückkopplung, wobei Greiferauflagen 78a und 78b von den Fingerspitzen des Benutzers berührt werden und in einer Zangenbewegung bewegt werden, um einen Greifer zu öffnen und zu schließen, irgendeinen anderen Teil oder irgendein anderes Instrument des Slave 14 zu bedienen oder irgendein anderes Objekt (wie z.B. ein von einem Computer angezeigtes graphisches Objekt) zu bedienen. Die Auflagen 78a und 78b sind mit einem Gestängemechanismus 122 gekoppelt, der innerhalb des Gehäuses 74 angeordnet ist, wie gezeigt. Der Gestängemechanismus ist mit einem Stellglied 124 gekoppelt, das am ortsfesten Teil des Gehäuses 74 geerdet ist. Das Stellglied 124 kann ein beliebiges von verschiedenen Arten von Stellgliedern sein und ist ähnlich dem Stellglied 102 im bevorzugten Ausführungsbeispiel, z.B. können sowohl das Stellglied 102 als auch 124 lineare Schwingspulen-Stellglieder sein. Die an dem Greiferbedienelement 36 ausgegebenen Kräfte sind jedoch vorzugsweise stetige oder Widerstandskräfte mit niedriger Frequenz auf der- Basis der Position der Auflagen 78 in ihren Freiheitsgraden, wobei

61 047.B0D PAe Kcihterjccick. Fienentkeol·.&iacgr; .* '. '..', '. ''. \ \ "·

Niederfrequenzsignale vom Computer zum Steuern der Kraftausgabe verwendet werden (d.h. der Frequenzgehalt des Signals selbst ist niedrig, z.B. weniger als oder gleich Hz, aber die Regelschleife oder Servoschleife zwischen der Steuereinheit und dem Stellglied weist vorzugsweise eine viel höhere Frequenz auf, z.B. 1000 Hz). Beispielsweise können Feder- oder Dämpfungskräfte ausgegeben werden. Ein bevorzugter Gestängemechanismus 122, ein bevorzugtes Stellglied 124 und die Wirkungsweise des Greiferbedienelements 36 wird Bezug auf Fig. 5 genauer beschrieben. Ferner ist der bewegliche Teil des Stellgliedes 124, wie z.B. der Spulenkörper 142, vorzugsweise mit dem ortsfesten Teil 75 des Gehäuses durch ein Federelement 125 gekoppelt. Das Federelement ist mit dem Gehäuse am Punkt 127 in Fig. 4 gekoppelt und sieht eine Vorspannung für den Spulenkörper 142 in einer Richtung vor, die wiederum die Greiferelemente 130 und die Greiferauflagen 78 in eine offene Position vorspannt, d.h. zur Bewegung voneinander weg. Dies ermöglicht, daß die Fingerauflagen 78 in eine offene Ruhelage zurückkehren, wenn der Benutzer keine Kraft auf die Auflagen ausübt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann diese Federrückstellkraft vom Stellglied 124 geliefert werden, um zu veranlassen, daß die Auflagen in die Ruhelage zurückkehren. Wenn beispielsweise ein lokaler Mikroprozessor oder eine andere Steuerschaltungsanordnung in der Steuereinheit 22 enthalten ist, dann kann der Mikroprozessor das Stellglied 124 steuern, um diese Federkraft jederzeit vorzusehen, ungeachtet irgendeiner Kraftrückkopplung, die am Greifer aufgrund von Wechselwirkungen des Slave oder eines anderen gesteuerten Objekts ausgegeben wird.

Außerdem ist ein Sensor 12 6 auch mit dem Gestänge 122 gekoppelt, um die Position der Fingerauflagen 78 in ihren jeweiligen Freiheitsgraden festzustellen. Der Sensor 126 kann ein relativer Sensor sein, der die Position relativ zu

61 047.B0D PAa KaMSi! Kack,

einer festgelegten Bezugsposition (wie z.B. einer Ruhelage) erfaßt; oder ein absoluter Sensor kann verwendet werden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mißt der Sensor 126 die Rotation der Welle 128, die mit dem Ausmaß der Bewegung der Greiferauflagen 78 in Beziehung steht, wie mit Bezug auf Fig. 5a und 5b erläutert wird. Da der Bewegungsbereich der Greiferauflagen bekannt ist, gibt die gemessene Rotation den Abstand zwischen den Fingerauflagen an. Der Sensor 126 kann ein Hall-Effekt-Sensor, ein optischer Codierer, ein Potentiometer, ein Photodiodensensor, ein kapazitiver Sensor oder eine andere Form eines Sensors sein.

Das Greiferbedienelement 36 liefert eine Kraftrückkopplung am gleichen Ort, d.h. die Kraftrückkopplung geschieht in demselben Freiheitsgrad wie das Abtasten und die Bewegung der bewegten Elemente. Dies ist in einem Steuersystem, das z.B. für eine Fernbedienungssteuerung verwendet wird, vorteilhaft, da Kräfte in der Dimension wahrgenommen werden können, in der der Slave gesteuert wird, z.B. werden Kräfte an dem gesteuerten Greifer 58 vom Benutzer als Kräfte an dem Greiferbedienelement 36 wahrgenommen, wobei die Greiferauflagen 78 eine ähnliche Bewegung wie die zwei Klemmbacken des Greifers 58 aufweisen. Dies ist eine viel intuitivere Benutzerschnittstelle als andere Arten von Fernbedienungssteuerungen zum Steuern von Vorrichtungen, wie z.B. einem Greifer, da es die Illusion vorsieht, daß der Benutzer die Greiferklemmbacken direkt bewegt, wenn die Greiferauflagen bewegt werden. Diese Art Bedienelement ist auch zum Steuern von computererzeugten Objekten, wie z.B. einer angezeigten virtuellen Hand, nützlich. Das Greiferbedienelement 36 ist auch ein proportionales Bedienelement, das ermöglicht, daß ein Bewegungsbereich der Klemmbacken des Greifers genau gesteuert wird, anstatt einen einfachen Offnen-Schließen-Schalter zum Steuern der Klemmbacken vorzusehen.

61 047.BOD &Rgr;&Agr;&bgr;&iacgr;&Kgr;&agr;&bgr;&Igr;&phgr;&Tgr; Rack. Reger fe] fj>l?..;

Ferner umfaßt die Steuereinheit 120 vorteilhafterweise die Querschwingung am beweglichen Teil 16 des Gehäuses 74. Dies versorgt den Benutzer mit einer zusätzlichen Rückkopplung, die nicht mit dem Greifer selbst in Beziehung steht, und diese Rückkopplung kann selbst dann vorgesehen werden, wenn der Fingergreifer keine solche Rückkopplung liefern kann. Wenn sich beispielsweise das Greiferbedienelement in einem Bewegungsmaximum befindet, wie z.B. vollständig geschlossen, wird ein harter Anschlag angetroffen, so daß keine weitere Federkraft ausgegeben werden kann. Eine Schwingung kann jedoch am beweglichen Teil 7 6 ausgegeben werden, die den Benutzer ständig über Gegenstände informiert, die von der Slavevorrichtung oder einem anderen gesteuerten Objekt angetroffen werden, selbst wenn keine Kraftrückkopplung am Greiferbedienelement 36 möglich ist. Ferner geschieht die Schwingung des beweglichen Teils 76 relativ zum Greiferbedienelement, so daß das Greiferbedienelement nicht schwingen muß, um eine solche Rückkopplung für den Benutzer vorzusehen. Da das Greiferbedienelement nicht schwingen muß, wird das Abtasten der Position der Fingerauflagen nicht durch irgendwelche Schwingungskräfte verzerrt. Schließlich kann der bewegliche Teil 76 eine Schwingung oder eine ähnliche taktile Empfindung mit hoher Frequenz und geringer Amplitude zum Benutzer liefern, was zum Darstellen von Ereignissen, wie z.B. Zusammenstößen zwischen dem Slave und einer harten Oberfläche in der Slaveumgebung, vorteilhaft ist.

Die Steuereinheit 120 umfaßt auch vorzugsweise eine Rolle 80, die mit dem ortsfesten Teil 75 des Gehäuses drehbar gekoppelt ist und deren Drehung um die Achse A vom Sensor 108 abgetastet wird. Die Rolle 80 kann beispielsweise mit dem Sensor 108 durch eine Drehwelle gekoppelt sein. Die Rolle 80 und Tasten 82 und 84 funktionieren vorzugsweise ähnlich wie vorstehend beschrieben.

61 047.B0D PAe Kciiler.*Käck, fiener'aWeof.. . '.

FIGUR 5a ist ein schematisches Diagramm des Gestängemechanismus 122 und des Stellgliedes 124. Da für das Greiferbedienelement 36 ein längerer Bewegungsbereich erwünscht ist als für den beweglichen Teil 76, wird vorzugsweise ein Gestängemechanismus verwendet, um die Kräfte vom Stellglied 124 auf die Greiferauflagen 78 zu übertragen. Der Gestängemechanismus der Figuren 5a und 5b erweitert die Bewegung (Verlagerung) der Fingerauflagen relativ zur Bewegung des Stellgliedes 124, z.B. wenn sich der Spulenkörper des Stellgliedes um 1/8" (3,175 mm)bewegt, dann bewegt sich die Fingerauflage um 1/4" (6,35 mm); diese Verlagerungen und die Beziehung zwischen diesen Verlagerungen können bei anderen Ausführungsbeispielen anders sein. Eine Kraft F_A wird vom Benutzer aufgebracht, wenn er die Greiferauflagen 78a und 78b niederdrückt. Für Erläuterungszwecke ist in Fig. 5a nur eine der Greiferauflagen 78 und ihr zugehöriges Gestänge dargestellt. Das Greiferelement 130 ist mit einem Greiferteil 78 gekoppelt und ist ein Hebelarm, der um einen geerdeten Drehpunkt 132 schwenkt. Das Greiferelement 130 ist auch drehbar mit einem ersten Zwischenglied 134 gekoppelt und das erste Zwischenglied 134 ist drehbar mit einem zentralen Verbindungselement 136 gekoppelt. Das zentrale Verbindungselement 136 ist drehbar mit einer Erdung 137 gekoppelt. Die Elemente 130, 134, 136 und die Erdung 137 bilden effektiv ein Gestänge mit 4 Stangen. Eine Drehwelle 138, die sich torsionsmäßig um ihre Längsachse dreht, ist starr mit dem Element 136 gekoppelt. Ferner kann der Sensor 126 mit der Welle 138 gekoppelt sein, um die Drehung der Welle 138 zu messen, welche die Bewegung des Elements 130 und der Greiferauflage 78 angibt. Die Drehwelle 138 ist starr mit dem Zwischenelement 140 gekoppelt. Das Stellglied 124 gibt eine Kraft F_B am Ende des Elements 140 aus, das nicht mit der Welle 138 gekoppelt ist. Falls erwünscht, kann der Sensor 126 an anderen Stellen des Gestänges vorgesehen sein.

61 047.B0D PAeJCalJ^·*äck. Fieri* «tfC¹!.· . . ·
• · ·

Der Gestängemechanismus 122 arbeitet wie folgt. Die vom Benutzer auf das Element 130 aufgebrachte Kraft F_A bewirkt, daß sich das Element 130 um den Erdungsdrehpunkt 132 dreht, wie durch den Pfeil 133 gezeigt. Diese Bewegung bewirkt, daß sich das Element 134 entsprechend mit dem Element 130 dreht, und bewirkt, daß sich das Element 136 um die Erdung

137 dreht, wie durch den Pfeil 135 gezeigt. Da das Element 136 starr mit der Welle 138 gekoppelt ist, wird die Welle

138 veranlaßt, sich um ihre Längsachse zu drehen, wie durch den Pfeil 139 gezeigt. Dies bewirkt, daß sich das Element 140 dreht, wie durch den Pfeil 141 gezeigt. Wenn das Stellglied 124 die Kraft F_B an das Element 140 in der in Fig. 5a gezeigten Richtung ausgibt, wirkt sie der Bewegung des Elements 140 entgegen, die durch die Kraft F_A des Benutzers verursacht wird. Der Benutzer fühlt die Kraft als Widerstand, der die Bewegung der Greiferteile 78 näher zusammen behindert. Das Stellglied 124 kann auch eine Kraft in der entgegengesetzten Richtung zur Kraft F_B ausgeben, um die Bewegung der Greiferauflagen 78 zueinander zu unterstützen, wenn eine solche Kraft bei einer speziellen Anwendung erwünscht ist.

FIGUR 5b ist eine perspektivische Ansicht des Gestängemechanismus 122 und eines Teils des Stellgliedes 124 des Ausführungsbeispiels 120 der Steuereinheit von Fig. 4 und 5a. Die Greiferauflage 78a ist mit dem Greiferelement 130a gekoppelt und die Greiferauflage 78b ist mit einem Greiferelement 130b gekoppelt. Wie in Fig. 5b gezeigt, dreht sich das Element 130a um eine Achse durch den geerdeten Drehpunkt 132a, und das Element 130b dreht sich um eine Achse durch den geerdeten Drehpunkt 132b. Diese Drehung kann auch als ungefähre lineare Bewegung betrachtet werden; für den Benutzer erscheint die Bewegung der Fingerauflagen 78 als linear in einer Richtung zueinander hin oder voneinander weg, da die Elemente 130 relativ lang sind im Vergleich zu der durchlaufenen Drehstrecke. Das Verbindungselement 134a koppelt das Element 130a mit dem

61 047.B0D PAe KähfeV Köck. Redet ei fcdl..:

Element 136 und das Verbindungselement 134b koppelt das Element 130b mit dem Element 136. Das Element 136 kann beispielsweise zwischen den Verbindungselementen 134a und 134b am Kopplungspunkt angeordnet sein. Da die Greiferelemente 130a und 130b beide mit der Erdung 137 und dem Element 136 gekoppelt sind, werden beide Greiferauflagen 78 in demselben Ausmaß bewegt, d.h. wenn eine Greiferauflage 78 bewegt wird, wird die andere Greiferauflage auch um eine entsprechende Strecke in der entgegengesetzten Richtung bewegt. Wenn eine Greiferauflage 78 "in" das Gehäuse 74 bewegt wird, wird somit die andere Greiferauflage auf der entgegengesetzten Seite der Steuereinheit 70 ebenfalls in das Gehäuse bewegt.

Der Sensor 126, die Welle 138 und das Element 140 sind ebenfalls gezeigt. Da das Stellglied 124 vorzugsweise ein lineares Stellglied ist, das eine lineare Kraft und Bewegung am Element 140 vorsieht, ist vorzugsweise ein Verbindungselement 142 zwischen dem Element 14 0 und dem beweglichen Teil 144 des Stellgliedes 124 (z.B. dem Spulenkörper) vorgesehen. Das Verbindungselement 142 ist mit sowohl dem Element 140 als auch dem beweglichen Teil 144 drehbar gekoppelt, was somit ermöglicht, daß die lineare Bewegung des Stellgliedes in eine Drehbewegung des Elements 140 um die Längsachse der Welle 138 umgewandelt wird.

FIGUR 6 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels 150 eines Schwingspulen-Stellgliedes, das sich zur Verwendung als Stellglied 102 und/oder Stellglied 124 des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels eignet. Das Stellglied 150 umfaßt einen Magnetteil 152 und einen Spulenkörper 154. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Magnetteil 152 geerdet und der Spulenkörper 154 wird relativ zum Magnetteil bewegt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Spulenkörper 154 geerdet sein und der Magnetteil 152

61 047.B0D PA$

kann bewegt werden. Der Magnetteil 152 umfaßt ein Gehäuse 158, das aus einem Material wie z.B. Stahl besteht. Ein Magnet 160 ist innerhalb des Gehäuses 158 vorgesehen und ein Polschuh 162 ist am Magneten 160 angeordnet. Der Magnet 160 sieht ein Magnetfeld 164 vor, das das Stahlgehäuse als Magnetflußrückweg verwendet. Der Polschuh 162 fokussiert den Magnetfluß in den Spalt zwischen dem Polschuh 162 und dem Gehäuse 158. Die Länge des Polschuhs 162 ist als L_P bezeichnet, wie gezeigt. Das Gehäuse 158, der Magnetteil 152 und der Spulenkörper 154 sind vorzugsweise zylindrisch geformt, können jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen auch als andere Formen vorgesehen sein.

Der Spulenkörper 154 ist zum linearen Bewegen bezüglich des Magnetteils 158 wirksam. Der Spulenkörper 154 umfaßt ein Tragelement 166 und eine Spule 168, die an dem Tragelement 166 befestigt ist. Die Spule ist vorzugsweise in aufeinanderfolgenden Schleifen um das Tragelement 166 gewickelt. Ein Element eines Gestänges, wie z.B. das Element 142 oder das Element 140, ist mit dem Tragelement 166 gekoppelt. Die Länge der Spule ist in Fig. 6 als L_c bezeichnet. Wenn der Spulenkörper bewegt wird, wird die Spule 168 durch das Magnetfeld 164 bewegt. Ein elektrischer Strom I wird über elektrische Anschlüsse 169 durch die Spule 168 geleitet. Wie Fachleuten gut bekannt ist, erzeugt der elektrische Strom in der Spule ein Magnetfeld. Das Magnetfeld von der Spule tritt dann mit dem vom Magneten 160 erzeugten Magnetfeld 164 in Wechselwirkung, um eine Kraft zu erzeugen. Die Größe oder Stärke der Kraft hängt von der Größe des Stroms, der an die Spule angelegt wird, und der Stärke des Magnetfelds ab. Ebenso hängt die Richtung der Kraft von der Richtung des Stroms in der Spule ab. Die Wirkungsweise und die- Implementierung einer Kraft unter Verwendung von Magnetfeldern ist Fachleuten gut bekannt.

61 O47.B0D PAe Kahle« Käck, dieneret ooS t ' '.

Um die gewünschte Größe der an dem Greiferbedienelement 36 ausgegebenen Kraft zu erzielen, weist das Stellglied 150 vorzugsweise eine Spulenlänge L_c auf, die größer ist als die Länge des Polschuhs Lp, wie z.B. zwei- oder dreimal größer. Dies ermöglicht, daß ein langer Hub des Spulenkörpers 166 und eine annähernd konstante Kraft über den linearen Bewegungsbereich des Spulenkörpers ausgegeben wird. Wenn die Spulenlänge L_c nahe der oder gleich wie die Länge des Polschuhs L_P gemacht wird, ergibt sich eine stärker variierende Kraftgröße und ein kurzer Hub, was für die Kraftrückkopplungsanwendung des Greiferbedienelements der vorliegenden Erfindung unerwünscht ist. Das Stellglied 102, das zum Aufbringen einer Kraft auf den beweglichen Teil 7 6 des Gehäuses 74 verwendet wird, kann eine näher an Lp liegende Spulenlänge verwenden, da es bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erwünscht ist, daß nur eine Schwingungskraft an den beweglichen Teil 76 ausgegeben wird; die Schwingungskraft weist vorzugsweise einen kurzen Bewegungsbereich auf, was somit die Verwendung eines kurzen Hubs für den Spulenkörper 166 ermöglicht.

FIGUR 7 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels 180 der Steuereinheit 70 von Fig. 2, wobei die gesamte Steuereinheit 70 als Schwingungsgefühlvorrichtung oder "Schüttelvorrichtung" verwendet wird. Die Steuereinheit 180 umfaßt eine Rolle 80 und Tasten 82 und 84, wie vorstehend beschrieben. Der bewegliche Teil 7 6 und Blattfedern 98 und 92 können ebenfalls enthalten sein, obwohl sie für keine spezielle Funktion separat vom Rest des Gehäuses 74 verwendet werden, so daß der bewegliche Teil 76 auf Wunsch einheitlich mit dem Gehäuse 74 hergestellt werden kann.

Das Stellglied 182 ist enthalten, um eine Schwingungsgefühl-Rückkopplung für das Gehäuse 7 4 vorzusehen. Ein Teil 184 des Stellgliedes 182 ist am Gehäuse 74 geerdet und ein zweiter Teil oder ein

61 047.B0D PAf K(Jt^r?Käck/Pi^iie?^t ccS_k#j ' *· .* l^^l .| .| · I •_fc · · * · ···· ····· *·

Spulenkörper 186 bewegt sich bezüglich des geerdeten Teils 184. Beispielsweise kann ein Schwingspulen-Stellglied ähnlich dem Stellglied 150, das mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben wurde, verwendet werden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Spulenkörper 18 6 mit zwei Blattfedern 188 und 190 gekoppelt, und die Blattfedern sind wiederum mit dem Gehäuse 74 gekoppelt. Beim Betrieb wird der Spulenkörper so gesteuert, daß er sich in zwei linearen Richtungen in einem Freiheitsgrad hin- und herbewegt, was bewirkt, daß eine Schwingungskraft durch die Blattfedern und auf das Gehäuse 74 übertragen wird. Die Schwingung wird vom Benutzer wahrgenommen, wenn die Steuereinheit 70 gehalten wird, wobei das gesamte Gehäuse 74 vom Stellglied 124 in Schwingung versetzt wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Arten von Kräften vorgesehen werden; beispielsweise kann eine einzelne oder eine begrenzte Anzahl von Ruckkräften an das Gehäuse 74 ausgegeben werden, um verschiedene Wechselwirkungen des Slave oder eines anderen gesteuerten Objekts mit seiner Umgebung anzuzeigen.

Die Steuereinheit 180 ermöglicht einem Benutzer, die natürliche, bequeme Form, die mit dem Gehäuse 7 4 bereitgestellt ist, zu greifen und auf bequem angeordnete Bedienelemente zuzugreifen, wie z.B. die Rolle 80 und die Tasten 82 und 84. Diese Merkmale sind mit grundlegenden Schwingungskräften kombiniert, die dem Benutzer anzeigen, wenn der Slave mit Objekten in Wechselwirkung tritt, wie z.B. wenn er durch eine spezielle Oberfläche blockiert wird oder einen momentanen Kontakt mit einer Oberfläche hat.

Diese taktilen Kräfte können alles sein, was bei speziellen Anwendungen erforderlich ist, was das kostengünstige Ausführungsbeispiel 180 unter einigen Umständen ideal macht.

FIGUR 8 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels 200 einer Handsteuereinheit 22 des

61 O47.BOD P/Je Kfcljftf. Kack,

• ·

Masterseiten-Effektors 12. Das Ausführungsbeispiel 200 umfaßt einen Greiferbedienmechanismus mit Kraftrückkopplung ähnlich dem Greiferbedienelement 36 der Steuereinheit 70. Die Steuereinheit 200 ist drehbar mit einem Element 34 des Gestänges 20, wie bei Fig. 1 beschrieben, oder einem anderen geerdeten Gestänge gekoppelt, oder kann alternativ eine frei bewegliche Steuereinheit sein, wie vorstehend beschrieben. Wie hierin beschrieben, unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel 200 von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen insofern, daß kein beweglicher Teil 7 6 mit Schwingungsgefühl oder ein schwingendes Gehäuse in Verbindung mit dem Greiferbedienelement 36 verwendet wird.

Die Steuereinheit 200 umfaßt Greiferauflagen 202a und 202b, auf die der Benutzer seine Finger legt, um das Bedienelement zu bedienen. Die Auflagen 202a und 202b sind mit einem Gestänge 204 gekoppelt, das mit Bezug auf die Figuren 9a und 9b genauer beschrieben wird. Das Gestänge 204 ist mit einem Handgriff 206 gekoppelt, der die Hand des Benutzers abstützt. Der Benutzer kann beispielsweise einen Daumen auf die Greiferauflage 202a legen, wobei der Ballen seiner Hand um den Griff 206 gebogen ist und der Zeigeoder Mittelfinger der Hand die Greiferauflage 202b berührt. Die Greifauflagen 202a und 202b sind wie gezeigt vorzugsweise in gekrümmter Weise geformt, um jeden verwendeten Finger teilweise zu umgeben, um den Finger aufzulegen und zu greifen. Das Gehäuse 208 des Gestänges 204 (das auch eine Verlängerung des Griffs 206 ist) ist vorzugsweise durch eine Kopplung 210 mit dem Element 34 des Gestänges 20 gekoppelt. Die Steuereinheit 200 kann auch mit anderen Arten von Gestängen anstelle des Gestänges 20, die mehrere Freiheitsgrade zum Steuern des Slave 14 ermöglichen, verwendet werden.

Ein Stellglied ist ebenfalls vorzugsweise im Gehäuse 210 enthalten, das eine Kraftrückkopplung an den Greiferauflagen 202a und 202b vorsieht. Die

6) 047.B0D PAe K<filwlCäck.tier*eiet ecä. I * :

Kraftrückkopplung arbeitet vorzugsweise ähnlich den für das Greiferbedienelement 36 vorstehend beschriebenen Kräften. Die Greiferauflagen 202a und 202b werden beispielsweise zueinander bewegt, um den Greifer 58 des Slave 14 zu schließen. Die Positionen der Greiferauflagen 202 werden von einem Sensor abgetastet, und wenn die Klemmbacken des Greifers 58 nicht mehr näher zusammen bewegt werden können, weil ein Gegenstand gehalten wird, dann können an den Greiferauflagen Kräfte ausgegeben werden, die einer weiteren Bewegung zueinander widerstehen und die die Greiferauflagen in Richtung der Ruhelage vorspannen. Der Benutzer kann somit mit der Kraftrückkopplung darüber informiert werden, wie viel Steuerung erforderlich ist, um einen speziellen Gegenstand zu greifen, was eine genauere Steuerung bei schwierigen Vorgängen ermöglicht.

FIGUR 9a ist ein schematisches Diagramm des Gestängemechanismus 204 und des Stellgliedes des Greiferbedienelements 200 von Fig. 8. Der Gestängemechanismus von Fig. 9a erweitert die Bewegung der Greiferauflagen relativ zum Stellglied 124. Eine Kraft F_A wird durch den Benutzer aufgebracht, wenn er die Greiferteile 202a und 202b niederdrückt. Für Erläuterungszwecke ist in Fig. 9a nur eine der Greiferauflagen 202 und Greiferelemente 216 dargestellt. Das Greiferelement 216 ist mit einem Greiferteil 202 gekoppelt und ist ein Hebelarm, der um eine Kopplung 215 schwenkt. Das Greiferelement 216 ist auch mit einem Element 218 an der Kopplung 215 drehbar gekoppelt, und das Element 218 ist drehbar mit einem geerdeten Element 220 gekoppelt. Das Greiferelement 216 ist mit einem linear beweglichen Element 222 an einer Stelle am Element 216, die von der Kopplung 215 beabstandet ist, gekoppelt. Das Element 222 ist mit einem beweglichen Teil eines Stellgliedes 226 gekoppelt, das sich in einem linearen Freiheitsgrad bewegt. Ein nicht beweglicher Teil des Stellgliedes 226 ist geerdet. Das Stellgliedausführungsbeispiel 150 von Fig.

61 047.B0D PAiKatil&JCöck, Pienfcrfct c£C

kann beispielsweise als Stellglied 226 verwendet werden, wobei das Element 222 mit dem linear beweglichen Spulenkörper des Stellgliedes gekoppelt ist und der Magnetteil des Stellgliedes geerdet ist. Das Stellglied gibt eine lineare Kraft F_B an das Element 222 aus.

Die Elemente 216, 218, 222 und die Erdung (Gehäuse 210) bilden effektiv ein Gestänge mit 4 Stangen. Ein Sensor 228 ist mit den Greiferelementen 216 oder Auflagen 202 gekoppelt, um die Position der Elemente 216 und der Greifauflagen 202 in dem Freiheitsgrad der Bewegung zu messen. Beispielsweise kann ein Hall-Effekt-Sensor verwendet werden, wobei ein Magnet 227 an jeder Fingerauflage 202 vorgesehen ist, welcher einer Verlängerung 231 des geerdeten Elements 220 zugewandt ist. Ein Hall-Effekt-Sensor 229 ist auf jeder Seite der Verlängerung 231, die dem zugehörigen Magneten 228 zugewandt ist, vorgesehen. Somit wird der Abstand zwischen jedem Magneten 227 und Sensor 229 erfaßt und zusammen summiert, um den Abstand zwischen den Fingerauflagen 202 zu ermitteln. Sensoren können in anderen Bereichen des Gestängemechanismus 204 vorgesehen sein und auf Wunsch können andere Arten von Sensoren verwendet werden.

Der Gestängemechanismus 204 arbeitet folgendermaßen. Die vom Benutzer auf das Element 216 aufgebrachte Kraft F_A bewirkt, daß sich das Element 216 um die Kopplung 215 dreht, wie durch den Pfeil 217 gezeigt. Diese Bewegung bewirkt, daß sich das Element 218 entsprechend um das geerdete Element 220 in der durch den Pfeil 219 gezeigten Richtung dreht. Zusätzlich bewirkt die Drehung um die Kopplung 215, daß das Element 222 linear in Richtung des Pfeils 221 bewegt wird. Wenn das Stellglied 226 die Kraft F_B an das Element 222 in der in Fig. 9a gezeigten Richtung ausgibt, wirkt sie der Bewegung des Elements 222, die durch die Kraft F_A des Benutzers verursacht wird, entgegen. Der Benutzer fühlt die Kraft als Widerstand, der die Bewegung

61 047.B0D &Rgr;&Agr;<3&Kgr;&bgr;^&bgr;&igr;»&Kgr;&agr;&ogr;&idiagr;&Lgr;&bgr;&Bgr;<=*&bgr;&iacgr;&idigr;:(&iacgr;&idiagr;. 1

der Greiferteile 202 näher zusammen behindert. Das Stellglied 226 kann auch eine Kraft in der entgegengesetzten Richtung zur Kraft F_B ausgeben, um die Bewegung der Greiferteile 202 zueinander hin zu unterstützen, wenn eine solche Kraft für eine spezielle Anwendung erwünscht ist.

Die FIGUREN 9b und 9c sind eine Draufsicht bzw. ein Seitenaufriß des Gestänges 204 und des Stellgliedes 226 der Handsteuereinheit 200, die in Fig. 8 und 9a gezeigt ist. Der Greiferteil 202a ist mit dem Element 216a gekoppelt, das drehbar mit den Elementen 218a und 222 gekoppelt ist. Ebenso ist der Greiferteil 202b mit dem Element 216b gekoppelt, das drehbar mit dem Elementen 218b und 222 gekoppelt ist. Es sollte beachtet werden, daß die Elemente 218a und 218b mit demselben geerdeten Element 220 gekoppelt sind. Außerdem ist das Element 222 ein einzelnes Element, wobei eine erste Verlängerung 230a des Elements 222 drehbar mit dem Element 216a gekoppelt ist und eine zweite Verlängerung 230b des Elements 222 drehbar mit dem Element 216b gekoppelt ist.

Das Stellglied 226 ist ähnlich dem Schwingspulen-Stellglied 150 von Fig. 6 gezeigt. Ein Magnetteil 232 und ein Spulenkörper 234 sind enthalten, wobei der Magnetteil geerdet ist und der Spulenkörper 234 relativ zum Magnetteil bewegt wird. Ein Magnet 238 ist innerhalb eines Gehäuses 236 vorgesehen und ein Polschuh 240 ist am Magneten 238 angeordnet. Der Spulenkörper 234 ist zum linearen Bewegen bezüglich des Magnetteils 232 wirksam und umfaßt ein Tragelement 242 und eine Spule 244, die am Tragelement befestigt ist. Das Element 222 ist mit dem Tragelement gekoppelt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden der Spulenkörper 234 und das Element 222 linear entlang einer Welle 246 bewegt, die sich vom Magneten 238 durch den Spulenkörper 234 und durch das Element 222 erstreckt und für die gewünschte Hublänge des Spulenkörpers und den

61 047.B0D PAe Kehler, fcöck. Rener etcol? · ' ' '

Bewegungsbereich der Greifteile 202 lang genug ist. Ein elektrischer Strom I wird durch die Spule 244 fließen lassen, um ein Magnetfeld und eine Kraft am Spulenkörper 234 und am Element 222 zu erzeugen, wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 6 erläutert. Da Niederfrequenzsignale und ein Bewegungsbereich für die Bewegung der Greiferteile erwünscht sind, ist ein Schwingspulen-Stellglied mit langem Hub und mit einer Spulenlänge L_c, die größer ist als die Länge L_P des Polschuhs, erwünscht, wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 6 erläutert.

FIGUR 10a ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Schnittstellenvorrichtung mit einer taktilen Rückkopplung und hauptsächlich zum Koppeln eines Benutzers mit einer computererzeugten Umgebung anstatt einer physischen Umgebung über eine Fernbedienungsvorrichtung. Beispielsweise stellen Computerspiele eine graphische Umgebung dar, in der der Benutzer eines oder mehrere graphische Objekte oder Einheiten unter Verwendung einer Schnittstellenvorrichtung steuert. Der Hauptrechner empfängt das Eingangssignal von der Schnittstellenvorrichtung und aktualisiert ein Anwendungsprogramm als Reaktion auf das Eingangssignal. Die Software und Umgebung, die auf dem Hauptrechner 18 ablaufen, können von einer breiten Vielfalt sein.

Beispielsweise kann das Hauptrechner-Anwendungsprogramm eine Simulation, ein Videospiel, eine graphische Benutzerschnittstelle (GUI), eine Webseite oder eine Suchmaschine, die HTML- oder VRML-Befehle implementiert, ein wissenschaftliches Analyseprogramm, ein Übungsprogramm oder eine Anwendung einer virtuellen Realität oder ein anderes Anwendungsprogramm sein, das ein Eingangssignal von der Steuereinheit 22 verwendet und taktile Rückkopplungsbefehle an die Steuereinheit ausgibt.

Beispielsweise umfassen viele Spielanwendungsprogramme eine Kraftrückkopplungsfunktionalität und können mit der Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung 12 unter

61047.B0D PAeKijhl&fcäck, fiefier etcoli I

Verwendung von Standard-Protokoll/Treibern, wie z.B. I-Force, das von Immersion Corporation erhältlich ist, in Dialogverkehr stehen. Hierin kann der Computer 18 als "graphische Objekte" oder "Einheiten" anzeigend bezeichnet werden. Diese Objekte sind keine physischen Objekte, sondern sind logische Softwareeinheitssammlungen von Daten und/oder Prozeduren, die als Bilder vom Computer 18 auf dem Bildschirm 20 angezeigt werden können, wie Fachleuten gut bekannt ist. Ein angezeigter Cursor oder ein simuliertes Cockpit eines Flugzeugs könnte als graphisches Objekt betrachtet werden. Der Computer 16 kann ein Personal- oder tragbarer Computer, ein Arbeitsplatzrechner, ein Videospielkonsolen-System, ein Netzwerkcomputer, ein Decodiergerät für digitales Fernsehen, oder eine andere Rechenvorrichtung oder -anlage sein. Der Computer 16 zeigt vorzugsweise graphische Bilder der Umgebung auf einer Anzeigevorrichtung, wie z.B. dem Bildschirm 17, einer SD-Fernsehbrille, einer LCD-Anzeige usw., an.

In Fig. 10a ist eine Schnittstellenvorrichtung 250 gezeigt, die Merkmale der vorliegenden Erfindung beinhaltet und die als Schnittstellenvorrichtung für eine computererzeugte Umgebung verwendet werden kann, wie z.B. ein von einem Hauptrechner 16 implementiertes Computerspiel. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Schnittstellenvorrichtung 250 ein Simulator eines medizinischen Instruments sein, der mit einer computererzeugten Umgebung koppelt, welche einen medizinischen Prozeß, wie z.B. eine Operation, simuliert. Die Schnittstellenvorrichtung 250 liefert Eingangssignale zum Hauptrechner 16, aus denen der Computer den Zustand, die Position und/oder Orientierung von einem oder mehreren Bedienelementen der Steuereinheit 250 ermitteln kann. Die Information kann in ein Bild auf einer Computeranzeigevorrichtung, wie z.B. dem Bildschirm 17, umgesetzt werden. Die Bedienelemente der Steuereinheit 250 werden vom Benutzer bedient, was dem Computer anzeigt, wie das implementierte Programm aktualisiert werden soll. Eine

61 047.B0D PAe Ijahljr'Käck. Fien^e»ffj. ·..;

elektronische Schnittstelle, die im Gehäuse 256 der Steuervorrichtung 250 enthalten ist, kann die Vorrichtung 250 mit dem Computer 16 koppeln. Eine geeignete elektronische Schnittstelle wird mit Bezug auf Fig. 12 im einzelnen beschrieben. Die Steuervorrichtung 250 ist mit dem Computer 16 durch ein Kabel 21 gekoppelt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können zwischen der Schnittstellenvorrichtung 250 und dem Computer 16 durch drahtloses Senden und drahtlosen Empfang Signale übertragen werden.

Wie viele Spielsteuereinheiten des Standes der Technik kann die Vorrichtung 250 ein Richtungsspielpaddel 252 und mehrere verschiedene Tasten 254 umfassen, die in verschiedenen Bereichen des Gehäuses 256 vorgesehen sind. Die Vorrichtung 250 kann auch einen Fingerspitzen-Steuerhebel 258 umfassen, der durch den Finger eines Benutzers in zwei Freiheitsgraden bewegt werden kann.

Die Schnittstellenvorrichtung 250 kann auch ein Bedienelement 260 mit Kraftrückkopplung umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Bedienelement 260 ähnlich einer Taste, wobei das Bedienelement vom Benutzer in das Gehäuse 254 herabgedrückt werden kann. Ein solches Tastenbedienelement kann eine proportionale Eingabe in einen Hauptrechner vorsehen, die den Abstand oder das Ausmaß, in dem die Taste gedrückt wird, anzeigt. Vorzugsweise werden Kräfte an dem Bedienelement durch ein Stellglied in der Vorrichtung 250 ausgegeben, wenn der Benutzer es bewegt. Diese Kräfte können derart

nebeneinander liegen, daß der Benutzer die Kräfte in dem Freiheitsgrad der Bewegung der Taste spürt. Beispielsweise kann eine Feder- oder Dämpfungswiderstandskraft aufgebracht werden, um der Bewegung der Taste zu widerstehen. .35 Alternativ können Texturkräfte oder zeitvariable Kräfte, wie z.B. ein Ruck, an das Bedienelement 2 60 ausgegeben werden. Das Bedienelement 2 60 kann unter Verwendung eines

61 047.B0D PA^ K(JhJ^r. Köck.iieijejet f cjl. ;

Greifermechanismus ähnlich den vorstehend mit Bezug auf Fig. 2-9 beschriebenen Mechanismen implementiert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist beispielsweise eine einzelne Taste 260 vorgesehen, wobei eine einzelne Tastenkontaktfläche ähnlich einer Greiferauflage 78, die mit einem Greiferelement 130 gekoppelt ist, verwendet wird, und wobei die andere Greiferauflage 78 und das Greiferelement 130 nicht enthalten sind. Alternativ können zwei Tasten ähnlich den zwei Greiferauflagen 78a und 78b oder 202a und 202b vorgesehen sein, wobei eine erste Taste 260 auf der oberen Oberfläche des Gehäuses 256 vorgesehen ist und eine zweite Taste auf der entgegengesetzten Oberfläche des Gehäuses 256 direkt entgegengesetzt zur ersten Taste vorgesehen ist. Somit kann der Benutzer die zwei Tasten unter Verwendung eines Daumens auf der ersten Taste, wobei er den Ballen der Hand um die Kante 262 des Gehäuses legt, und unter Verwendung eines Fingers auf der zweiten Taste an der unteren Oberfläche betätigen. Die erste und die zweite Taste können ähnlich dem Greiferbedienelement 36 zusammen betätigt werden, wobei die Bewegung einer Taste eine äquivalente Bewegung für die andere Taste bewirkt. Alternativ können die zwei Tasten unabhängig voneinander bewegt werden. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann für jede Taste 2 60 ein separater Mechanismus und ein separates Stellglied verwendet werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Vorsehen einer Kraftrückkopplung für eine Taste wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 10b beschrieben.

Außerdem können andere Bedienelemente der Steuervorrichtung 250 mit einer ähnlichen Kraftrückkopplungsfunktionalität versehen sein. Beispielsweise kann das Richtungsspielpaddel 252 mit einer taktilen Rückkopplung in einer oder mehreren der Richtungen des Paddels oder bei einer Bewegung des gesamten Paddels, wenn es nach unten gedrückt wird (z.B. von der Mitte des Paddels), versehen sein. Eine Taste ist häufig auf der unteren Oberfläche von

61047.B0D PAe Kfchl^r.JÄck. ReTierfeCcoC '.

Spielsteuereinheiten ähnlich dem in Fig. 10a gezeigten Ausführungsbeispiel enthalten, und diese Taste kann ähnlich der Taste 260 mit einer taktilen Rückkopplung versehen sein.
5

Ein weiteres Beispiel zum Versehen der Taste 266 mit einer Kraftrückkopplung ist in FIGUR 10b gezeigt. Die Taste kann in einem Freiheitsgrad bewegt werden, der durch den Pfeil 267 angegeben ist. Die Taste 266 kann mit einem Schwingspulen-Stellglied 270 gekoppelt sein, das ähnlich dem mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Schwingspulen-Stellglied sein kann. Die Taste 266 kann mit dem Spulenkörper 272 gekoppelt sein, der sich relativ zum geerdeten Magnetteil/Gehäuse 274 linear bewegt. Ein lokaler Mikroprozessor oder ein Hauptrechner kann lineare Kräfte an der Taste in dem Freiheitsgrad 267 steuern. Ferner kann ein Sensor verwendet werden, um die Position der Taste in dem linearen Freiheitsgrad zu erfassen. Beispielsweise kann ein Hall-Effekt-Sensor 276 zwischen dem Spulenkörper 272 und dem Gehäuse 274 vorgesehen sein, um die Position der Taste zu messen. Alternativ kann ein optischer Sensor (z.B. ein Photodiodensensor) oder eine andere Art Sensor verwendet werden; oder der Strom in der Spule des Stellgliedes 270 kann gemessen werden, um die Position des Spulenkörpers und der Taste 266 zu ermitteln, wobei die Größe des Stroms zu einer Position des Spulenkörpers proportional ist.

Unter Verwendung des Stellgliedes und des Sensors, die mit der Taste 266 gekoppelt sind, können eine Vielzahl von Kraftempfindungen an den Benutzer, der die Taste berührt, ausgegeben werden. Beispielsweise können ein Ruck, Schwingungen, Texturen, Federkräfte, Dämpfungskräfte und Hinderniskräfte ausgegeben werden. Die Kräfte können zumindest teilweise auf der Position der Taste in ihrem Freiheitsgrad basieren; alternativ können die Kräfte von der Tastenposition unabhängig sein. Andere Tasten 254 an der Steuereinheit 250 oder irgendeiner ähnlichen

Steuereinheit können ebenfalls mit dem Stellglied 270 versehen sein. Beispielsweise können Steuerhebel-, Mausund Lenkrad-Schnittstellenvorrichtungen mit Kraftrückkopplung Tasten mit einer Kraftrückkopplung ähnlich der Taste 266 umfassen. Ferner kann ein beweglicher Teil 264 (nachstehend beschrieben) vorgesehen sein, der die Taste 266 umgibt oder nahe dieser liegt, und der vom Benutzer berührt wird, wenn der Benutzer die Taste 266 betätigt.

Unter Rückbezug auf Fig. 10a kann die Schnittstellenvorrichtung 250 auch einen beweglichen Teil 264 des Gehäuses 256 und einen ortsfesten Teil 265 des Gehäuses ähnlich dem vorstehend beschriebenen beweglichen Teil 76 umfassen. Der bewegliche Teil 264 kann beispielsweise mit einem separaten Stellglied gekoppelt sein, das den beweglichen Teil in Schwingung versetzt oder anderweitig bewegt, ähnlich wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Wenn der Benutzer das Bedienelement 260 und/oder andere Tasten und Bedienelemente der Vorrichtung 250 betätigt, berührt vorzugsweise mindestens einer der Finger und/oder der Handballen des Benutzers den beweglichen Teil 264, so daß der Benutzer die Querbewegung und Schwingung des Teils 264 spürt. Eine solche Schwingung kann verwendet werden, um den Benutzer über Ereignisse und/oder Wechselwirkungen zu informieren, die in dem Computeranwendungsprogramm auftreten, wie z.B. ein Zusammenstoß eines Objekts mit dem benutzergesteuerten Objekt, oder ein Alarmereignis, von dem der Computer festgelegt hat, daß es stattfinden sollte. Die Schwingung kann auch aufrechterhalten werden, während beispielsweise ein benutzergesteuertes graphisches Objekt ein anderes Objekt berührt. Dieses Merkmal ermöglicht, daß eine Schwingung (taktile Rückkopplung) an den Benutzer unabhängig von der Kraftrückkopplung des Bedienelements 2 60 ausgegeben wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der bewegliche Teil 264 um eine oder mehrere Standardtasten,

61 047.B0D PAe Kflhl^, fßpk, Hefter &t fcolj '.

einen Steuerhebel, ein Spielpaddel oder andere Bedienelemente und Schnittstellen ohne Kraftrückkopplung vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein isometrisches oder elastisches Bedienelement mit einem umgebenden beweglichen Teil 264 versehen sein. Eine solche isometrische Steuereinheit kann die Form einer Kugel, einer Scheibe, eines Würfels oder eines anders geformten Objekts annehmen, das einen auf das Objekt aufgebrachten Druck feststellt, um Eingangssignale zum Hauptrechner zu liefern. "Elastische" Steuereinheiten sind ähnlich, aber ermöglichen typischerweise eine kleine Menge einer Bewegung und/oder des Objekts, wenn vom Benutzer ein Druck aufgebracht wird. Der bewegliche Teil 264 oder zusätzliche bewegliche Teile 264 können ebenfalls an verschiedenen Stellen am Gehäuse 256 vorgesehen sein, wie z.B. das Spielpaddel 252, den Steuerhebel 258 oder die Taste 266 umgebend. Beispielsweise können zwei verschiedene bewegliche Teile 264 vorgesehen sein, die jeweils einer Achse oder einem Freiheitsgrad des Bedienelements, das von der Spielsteuereinheit bereitgestellt wird, entsprechen.

Andere Bedienelemente können die vorstehend beschriebenen Merkmale der taktilen Rückkopplung beinhalten. Beispielsweise kann das Spielpaddel 252 mit einem Stellglied ähnlich dem Stellglied 270 und einem Sensor, wie z.B. dem Sensor 276, versehen sein, um eine Kraftrückkopplungsfunktionalität zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Spielpaddel 252 als ganze Einheit in einem Freiheitsgrad, der ähnlich der Taste 266 abgetastet und betätigt wird, gedrückt werden. Alternativ kann jede der vier Richtungstasten auf dem Spielpaddel 252 ebenso mit ihrer eigenen Kraftrückkopplung versehen sein. Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Spielpaddel mit Kraftrückkopplung ähnlich dem Spielpaddel 252 unter Verwendung einer Greiferauflage mit Kraftrückkopplung wie die Taste 260 für jede Richtung des Spielpaddels implementiert werden, z.B. ist jede von vier

61 047.B0D

Richtungstasten in Abständen von 90 Grad um einen kreisförmigen Weg vorgesehen (acht Tasten können ebenfalls vorgesehen sein, einschließlich der diagonalen Richtungen). Jede Taste kann mit einem Schwingspulen-Stellglied verbunden sein, um eine Kraftrückkopplung in einer Richtung vorzusehen, die zur Oberfläche des Gehäuses, das diese Taste umgibt, ungefähr senkrecht ist. Die Tasten können direkt, ähnlich der Taste 266, oder über ein Gestänge, wie z.B. bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 5, 9 oder 11, mit dem Stellglied verbunden sein.

Das Spielpaddel 252 kann auch mit einer taktilen Rückkopplung ähnlich dem beweglichen Teil 264 der Vorrichtung versehen sein. Beispielsweise kann ein Spalt 253 zwischen dem Spielpaddel 252 und dem ortsfesten Teil 265 des Gehäuses vorgesehen sein, um zu ermöglichen, daß das Spielpaddel 252 in den durch die Pfeile 251 gezeigten Richtungen schwingt. Um die taktile Rückkopplung vorzusehen, kann ein ähnlicher Mechanismus wie der vorstehend mit Bezug auf Fig. 3 und 4 gezeigte verwendet werden. Beispielsweise koppeln biegsame Elemente 255 das Spielpaddel 252 mit dem ortsfesten Teil 265 des Gehäuses. Ein Stellglied 257 ähnlich dem vorstehend beschriebenen Stellglied 104 kann verwendet werden, um die taktile Kraft an das biegsame Element 255 auszugeben, das die Kraft auf das Spielpaddel überträgt. Das Spielpaddel 252 kann somit ähnlich dem beweglichen Teil 264 mit Kraftempfindungen mit hoher Frequenz versehen werden. Andere Bedienelemente der Spielsteuereinheit 250 können ebenfalls mit einer solchen taktilen Rückkopplung versehen sein. Beispielsweise kann der Fingersteuerhebel 258 mit einer taktilen Rückkopplung versehen werden, indem der Hebel 258 selbst in Schwingung versetzt wird, und/oder indem eine zentrale Oberfläche auf der Oberseite des Steuerhebels 258 vorgesehen wird, die bezüglich der umgebenden Oberfläche des Steuerhebels sich bewegt oder schwingt. Alternativ kann die zentrale

61047.B0D PAe Kbhlir,5icjck, ReTierfeicoC &iacgr; '.

Oberfläche 259 eine Taste oder ein ähnliches Bedienelement sein.

Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen kann ein ähnliches Bedienelement 260 und/oder beweglicher Teil 264 des Gehäuses mit Kraftrückkopplung in anderen Vorrichtungen implementiert werden. Beispielsweise kann eine in der Hand gehaltene Fernsteuervorrichtung verwendet werden, um auf die Funktionen einer Vorrichtung oder eines Geräts aus der Ferne durch einen Benutzer zuzugreifen, wie z.B. ein Fernsehgerät, ein Videokassettenrekorder, eine Stereoanlage, ein Internet- oder Netzwerkcomputer, der mit einem Fernsehgerät verbunden ist, usw. Eine populäre Vorrichtung ist beispielsweise Web-TV™, die mit einem Fernsehgerät verbunden ist und Internetinformationen wie z.B. Webseiten auf dem Fernsehbildschirm anzeigt. Eine Fernsteuerung kann Tasten, einen Steuerhebel und Bedienelemente ähnlich den für die Vorrichtung 250 beschriebenen zum Auswählen von Optionen der Web-TV-Vorrichtung, des Anwendungsprogramms, das auf der Vorrichtung abläuft, oder von Webseiten umfassen. Die Fernsteuerung kann ein Bedienelement 260 und/oder einen beweglichen Teil 264 des Gehäuses mit Kraftrückkopplung umfassen, um eine Kraftrückkopplung zur Verwendung bei der Unterstützung der Auswahl von Funktionen der gesteuerten Vorrichtung und zum Informieren des Benutzers über Wechselwirkungen und Ereignisse, die für die Vorrichtung auftreten, vorzusehen. Andere Steuervorrichtungen oder Griffe, die den beweglichen Teil 264 und/oder die Kraftrückkopplungstaste 260 enthalten können, umfassen eine Maus oder eine Rollkugelvorrichtung zum Bedienen eines Cursors oder anderer graphischer Objekte in einer computererzeugten Umgebung; oder eine Druckkugel, eine Schreibnadel oder dergleichen. Beispielsweise kann der bewegliche Teil 264 des Gehäuses um Tasten auf einer Maus vorgesehen sein.

61 047.BOD PAiJ &Kgr;&phgr;^&sfgr;,/äck, &Ggr;&iacgr;&bgr;&phgr;&phgr;&idiagr; (Jot

Es sollte auch beachtet werden, daß eine Steuervorrichtung ähnlich der Vorrichtung 250, d.h. mit Tasten und anderen
Bedienelementen ähnlich wie die für die Vorrichtung 250
enthaltenen, auch zum Steuern des Slave 14 in dem
Fernbedienungssystem 10, das in Fig. 1 gezeigt ist,
verwendet werden kann.

FIGUR 11 ist eine perspektivische Ansicht eines
alternativen Ausführungsbeispiels 280 einer

Kraftrückkopplungs-Schnittstellenvorrichtung zur Verwendung in den hierin beschriebenen Anwendungen, wie z.B. zur
Steuerung von computererzeugten Objekten in
Anwendungsprogrammen und zur Steuerung von
Slavevorrichtungen in Fernbedienungssystemen. Die

Vorrichtung 280 umfaßt eine Bedienvorrichtung 282, die mit einem Kardan- oder Gestängemechanismus 284 gekoppelt ist,
mit dem Wandlersysteme 294 gekoppelt sind. Die
Bedienvorrichtung 282 ist bei dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel als Steuerhebelgriff dargestellt, kann jedoch eine Vielzahl von anderen Objekten sein,

einschließlich einer Maus, einer Rollkugel, eines
medizinischen Instruments oder eines anderen Griffs.
Beispielsweise besteht eine Verwendung für die Vorrichtung 280 in der Steuereinheit 250 von Fig. 10a, wobei die

Bedienvorrichtung 282 für den Fingerspitzen-Steuerhebel verwendet wird.

Der Kardanmechanismus 284 kann von einer Vielzahl von Arten von Gestängen sein. In Fig. 11 ist ein geschlossenes

Gestänge mit fünf Stangen gezeigt, das zwei Freiheitsgrade für die Bedienvorrichtung 282 vorsieht, wobei die Elemente des Kardanmechanismus durch die Verwendung von Lagern oder Drehzapfen drehbar miteinander gekoppelt sind. Ein
Grundelement 286, das schematisch dargestellt ist, ist als Abstützung vorgesehen, wobei zwei Verlängerungselemente

288a und 288b drehbar mit dem Grundelement gekoppelt sind. Ein zentrales Element 290a ist drehbar mit dem

61 047.B0D PAe Kcjhlet. töfck, Fiener.ät fcol.J

Verlängerungselement 288a gekoppelt und ein zentrales Element 290b ist drehbar mit dem Verlängerungselement 288b gekoppelt. Die zentralen Elemente 290a und 290b sind an einem Schnittpunkt P drehbar miteinander gekoppelt, wobei die Bedienvorrichtung vorzugsweise mit einem der zentralen Elemente 290 gekoppelt ist. Der Kardanmechanismus arbeitet derart, daß sich das Verlängerungselement 288a um eine Achse B drehen kann, das zentrale Element 290a sich um eine bewegliche Achse D drehen kann, das Verlängerungselement 288b sich um eine Achse C drehen kann und das zentrale Element 290b sich um eine bewegliche Achse E drehen kann. Die Achsen D und E sind in der Hinsicht "beweglich", daß sie nicht in einer Position ortsfest sind wie die Achsen A und B. Die Achsen A und B sind im wesentlichen zueinander senkrecht. Das Gestänge mit fünf Stangen ist derart angeordnet, daß das Verlängerungselement 288a; das zentrale Element 290a und das zentrale Element 290b um die Achse B in einem ersten Freiheitsgrad gedreht werden können. Ferner können das Verlängerungselement 288b, das zentrale Element 290b und das zentrale Element 290a um die Achse C in einem zweiten Freiheitsgrad gedreht werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können zusätzliche Freiheitsgrade vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Bedienvorrichtung 282 um eine Achse F gedreht werden, die sich senkrecht von der Ebene erstreckt, die durch die beweglichen Achsen D und E gebildet wird. Oder die Bedienvorrichtung 282 kann linear entlang der beweglichen Achse C parallelverschoben werden. Diese Freiheitsgrade können auf Wunsch abgetastet und betätigt werden. Andere Gestängemechanismen können in anderen Ausführungsbeispielen ebenfalls verwendet werden.

Zwei Wandlersysteme 294a und 294b, die in Figur 11 gezeigt sind, sind enthalten, um die Bewegung in den zwei Freiheitsgraden der Bedienvorrichtung 282 abzutasten und Kräfte an der Bedienvorrichtung in diesen Freiheitsgraden auszugeben. Das Wandlersystem 294a umfaßt ein erstes Element 296a, ein zweites Element 298a, ein Stellglied 300a

61 047.B0D PAeJKaIjIiJ? Rock. Her}«· 6t ppi.· . , ;

und einen Sensor 302a. Das erste Element 296a ist starr mit dem Verlängerungselement 288a gekoppelt, so daß, wenn sich das Verlängerungselement 288a dreht, sich das erste Element 296a um die Achse B dreht. Das zweite Element 298a ist an dem Ende des Elements 296a, das nicht mit dem Verlängerungselement 288a gekoppelt ist, drehbar mit dem ersten Element 296a gekoppelt. Das andere Ende des zweiten Elements 298a ist drehbar mit dem Stellglied 300a gekoppelt. Der Sensor 302a tastet die Drehbewegung und/oder Position des Verlängerungselements 288a um die Achse B ab und zeigt die Bewegung oder Position der Bedienvorrichtung 282 in diesem Freiheitsgrad an. Alternativ kann das Schwingspulen-Stellglied 300a verwendet werden, um die Position der Bedienvorrichtung, wie vorstehend beschrieben, abzutasten.

Das Stellglied 300a kann als Vielzahl von verschiedenen Arten von Stellgliedern implementiert werden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Stellglied 300a vorzugsweise ein geerdetes lineares Schwingspulen-Stellglied, das hinsichtlich der Struktur und der Funktion ähnlich ist wie das vorstehend mit Bezug auf Fig. 6 beschriebene Schwingspulen-Stellglied 150. Ein Spulenkörper 306a wird vorzugsweise in einem linearen Freiheitsgrad bezüglich eines geerdeten Magnetteils 308a bewegt. Der Spulenkörper 306a umfaßt eine Spule, durch die ein elektrischer Strom geleitet wird, was ein Magnetfeld erzeugt, das mit einem Magnetfeld vom Magneten im Magnetteil 308a in Wechselwirkung tritt, um eine Kraft zu erzeugen, um den Spulenkörper relativ zum Magnetteil zu bewegen. Die Elemente 298a und 296a übertragen die Ausgangskraft auf das Verlängerungselement 288a, das wiederum die Kraft über das zentrale Element 290a auf die Bedienvorrichtung 282 um die Achse B überträgt. Das zweite Element 298a ermöglicht, daß die lineare Bewegung des Spulenkörpers 306a durch das Element 296a in eine Drehbewegung um die Achse B umgewandelt wird. Das

61 047.B0D PAeKjIhI^r₁JC¹OCk. fienef &bgr;&Kgr;&sfgr;&sfgr;&iacgr;; ·..;

Wandlersystem 2 94b weist äquivalente Komponenten zum System 294a auf und arbeitet in ähnlicher Weise, um Kräfte zur Bedienvorrichtung 282 um die Achse C zu liefern. Daher sind bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Stellglieder 300a und 300b annähernd parallel zueinander orientiert, so daß die Bewegung des Spulenkörpers eines Stellgliedes in seinem linearen Freiheitsgrad ungefähr parallel ist zur Bewegung des Spulenkörpers des anderen Stellgliedes in seinem linearen Freiheitsgrad. Alternativ können die Magnetteile bewegt werden und die Spulenkörper geerdet werden. Ferner ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Richtung dieser linearen Bewegung der Stellglieder 300 zur Ebene AB, die durch die Achsen A und B definiert ist, annähernd orthogonal. Diese Orientierung der Stellglieder 300 kann eine effizientere Anordnung für die Stellglieder vorsehen, als wenn sie in verschiedenen Richtungen orientiert wären. Beispielsweise können die zwei Stellglieder 300 auf einer einzelnen Leiterplatte oder anderen Auflage angeordnet sein, um in dem Gehäuse einer Vorrichtung Platz zu sparen.

FIGUR 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuervorrichtung 320 mit taktiler Rückkopplung und einen Hauptrechner 16 darstellt, die sich zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eignen. Die Steuervorrichtung 320 kann ein beliebiges der beschriebenen Ausführungsbeispiele sein, einschließlich der Steuereinheit 22, 70, 250 oder 280.

Wie mit Bezug auf Figur 1 erläutert, ist der Computer 16 vorzugsweise ein Personalcomputer, ein Arbeitsplatzrechner, eine Videospielkonsole oder eine andere Rechen- oder Anzeigevorrichtung. Das Hauptrechnersystem 16 umfaßt üblicherweise einen Hauptmikroprozessor 322, einen Takt 324, eine Anzeigevorrichtung 17 und eine Tonausgabevorrichtung 326. Der Hauptmikroprozessor 322 kann eine Vielzahl von verfügbaren Mikroprozessoren von Intel, AMD, Motorola oder anderen Herstellern umfassen. Der

61047.B0D PAe KcAe* Käck! Fienar eficel. &iacgr; * i

Mikroprozessor 322 kann ein einzelner Mikroprozessorchip sein oder kann mehrere primäre und/oder Coprozessoren enthalten und ruft vorzugsweise Befehle und andere erforderliche Daten aus einem Direktzugriffsspeicher (RAM) und einem Festwertspeicher (ROM) ab und speichert diese darin, wie Fachleuten gut bekannt ist. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Hauptrechnersystem 16 Sensordaten oder ein Sensorsignal über einen Bus 321 von den Sensoren der Vorrichtung 320 und andere Informationen empfangen. Der Mikroprozessor 322 kann Daten vom Bus 321 unter Verwendung einer E/A-Elektronik empfangen und kann die E/A-Elektronik zum Steuern anderer Peripheriegeräte verwenden. Das Hauptrechnersystem 16 kann auch Befehle an die Schnittstellenvorrichtung 320 über den Bus 321 ausgeben, um eine taktile Rückkopplung zu veranlassen.

Der Takt 324 kann ein Standardtaktkristall oder eine äquivalente Komponente sein, die vom Hauptrechner 16 verwendet wird, um eine Zeitsteuerung für elektrische Signale vorzusehen, die vom Hauptmikroprozessor 322 und anderen Komponenten des Computersystems 16 verwendet werden, und kann verwendet werden, um eine Taktinformation bereitzustellen, die bei der Ermittlung von Kraft- oder Positionswerten erforderlich sein kann. Die Anzeigevorrichtung 17 wurde mit Bezug auf Fig. 10a beschrieben. Die Tonausgabevorrichtung 326, wie z.B. Lautsprecher, kann mit dem Hauptmikroprozessor 322 über Verstärker, Filter und eine andere Schaltungsanordnung gekoppelt sein, die Fachleuten gut bekannt sind. Andere Arten von Peripheriegeräten können ebenfalls mit dem Hauptprozessor 322 gekoppelt sein, wie z.B. Speichervorrichtungen (Festplattenlaufwerk, CD-ROM-Laufwerk, Diskettelaufwerk usw.), Drucker und andere Eingabe- und Ausgabevorrichtungen. Der Slave 14 kann in dem Fernbedienungssystem 10 auch als Peripheriegerät betrachtet werden.

61 047.B0D PAe KJhlej. fe

Die Steuervorrichtung 320 ist mit dem Hauptrechnersystem 16 durch einen bidirektionalen Bus 321 gekoppelt. Der bidirektionale Bus sendet Signale in beiden Richtungen zwischen dem Hauptrechnersystem 16 und der Schnittstellenvorrichtung 320. Der Bus 321 kann ein serieller Schnittstellenbus, wie z.B. USB, RS-232, oder Firewire (IEEE 1394), der Daten gemäß einem seriellen Datenübertragungsprotokoll liefert, ein paralleler Bus unter Verwendung eines parallelen Protokolls oder andere Arten von Bussen sein. Ein Schnittstellenanschluß des Hauptrechnersystems 16, wie z.B. ein serieller USB- oder RS232-Schnittstellenanschluß, kann den Bus 321 mit dem Hauptrechnersystem 16 verbinden.

Die Steuervorrichtung 320 kann einen lokalen Mikroprozessor 330, einen lokalen Takt 332, einen lokalen Speicher 334, eine Sensorschnittstelle 336 und eine Stellgliedschnittstelle 338 umfassen. Die Vorrichtung 320 kann auch zusätzliche elektronische Komponenten zur Datenübertragung über Standardprotokolle auf dem Bus 321 umfassen.

Der lokale Mikroprozessor 330 ist vorzugsweise mit dem Bus 321 gekoppelt und wird als für die Vorrichtung 320 "lokal" betrachtet, wobei sich "lokal" hierin darauf bezieht, daß der Prozessor 330 ein von irgendwelchen Prozessoren 322 im Hauptrechner 16 separater Mikroprozessor ist. "Lokal" bezieht sich vorzugsweise auch darauf, daß der Prozessor 330 für die taktile Rückkopplung und die Sensor-E/A der Vorrichtung 320 zweckgebunden ist und eng mit den Sensoren und Stellgliedern der Vorrichtung 320 gekoppelt ist, wie z.B. innerhalb des Gehäuses 74 oder 256. Der Mikroprozessor 330 kann mit Softwarebefehlen versehen werden, um auf Befehle oder Aufforderungen vom Hauptrechner 16 zu warten, den Befehl oder die Aufforderung zu analysieren/decodieren, und Eingangs- und Ausgangssignale gemäß dem Befehl oder der

61047.B0D PAe KaÄtef. Köck! Rener eficcl. &iacgr; * '

Aufforderung zu verarbeiten/steuern. Außerdem kann der Prozessor 330 unabhängig vom Hauptrechner 16 arbeiten, indem er Sensorsignale liest und entsprechende Kräfte aus diesen Sensorsignalen, Taktsignalen und Kraftprozessen, die gemäß einem Hauptrechnerbefehl ausgewählt werden, berechnet und entsprechende Steuersignale an die Stellglieder ausgibt. Geeignete Mikroprozessoren zur Verwendung als lokaler Mikroprozessor 330 umfassen beispielsweise den 8X930AX von Intel, den MC68HC711E9 von Motorola oder den PIC16C74 von Microchip. Der Mikroprozessor 330 kann einen Mikroprozessorchip oder mehrere Prozessoren und/oder Coprozessorchips umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Mikroprozessor 330 eine Digitalsignalprozessor- (DSP) Funktionalität umfassen oder als Steuerlogikkomponenten oder Hardware-Zustandsmaschine anstelle eines tatsächlichen Mikroprozessorchips implementiert sein.

Bei einem vom Hauptrechner gesteuerten Ausführungsbeispiel, das den Mikroprozessor 330 verwendet, kann der Hauptrechner 16 beispielsweise Kraftbefehle niedriger Ebene über den Bus 321 liefern, die der Mikroprozessor 330 direkt zu den Stellgliedern überträgt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel mit lokaler Steuerung liefert das Hauptrechnersystem 16 Überwachungsbefehle hoher Ebene über den Bus 321 zum Mikroprozessor 330 und der Mikroprozessor 330 verwaltet Kraftregelschleifen niedriger Ebene für die Sensoren und Stellglieder gemäß den Befehlen hoher Ebene und unabhängig vom Hauptrechner 16. Bei dem Ausführungsbeispiel mit lokaler Steuerung kann der Mikroprozessor 330 Sensorsignale verarbeiten, um entsprechende Stellglied-Ausgangssignale zu ermitteln, indem er den Befehlen eines "Kraftprozesses" folgt, der im lokalen Speicher 334 gespeichert sein kann und Berechnungsbefehle, Bedingungen, Formeln, Kraftgrößen oder andere Daten enthält. Der Kraftprozeß kann ausgeprägte Kraftempfindungen befehlen, wie z.B. Schwingungen,

61 047.B0D PAe Kahljsrj Käck, Renket ffj. ·..:

Texturen, einen Ruck, oder sogar simulierte Wechselwirkungen zwischen angezeigten Objekten. Der Hauptrechner kann dem lokalen Prozessor 330 eine räumliche Anordnung von Objekten in der graphischen Umgebung senden, so daß der Mikroprozessor eine Kartierung von Orten von graphischen Objekten hat und Kraftwechselwirkungen lokal festlegen kann.

Ein lokaler Takt 332 kann mit dem Mikroprozessor 330 gekoppelt sein, um Zeitsteuerdaten zu liefern, ähnlich dem Systemtakt 324 des Hauptrechners 16; die Zeitsteuerdaten könnten beispielsweise zum Berechnen von Kräften, die durch die Stellglieder 342 ausgegeben werden, erforderlich sein.

Der lokale Speicher 334, wie z.B. ein RAM und/oder ROM, ist vorzugsweise mit dem Mikroprozessor 330 gekoppelt, um Befehle für den Mikroprozessor 330 zu speichern und temporäre und andere Daten zu speichern.

Eine Sensorschnittstelle 336 kann wahlweise in der Vorrichtung 320 enthalten sein, um Sensorsignale in Signale umzuwandeln, die vom Mikroprozessor 330 und/oder Hauptrechnersystem 16 interpretiert werden können. Beispielsweise kann die Sensorschnittstelle 336 Signale von einem digitalen Sensor, wie z.B. einem Codierer, oder von einem analogen Sensor unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) empfangen und umwandeln. Solche Schaltungen oder äquivalente Schaltungen sind Fachleuten gut bekannt. Alternativ kann der Mikroprozessor 330 oder Hauptrechner 16 diese Schnittstellenfunktionen erfüllen.

Die Stellgliedschnittstelle 338 kann wahlweise zwischen die Stellglieder der Vorrichtung 320 und den Mikroprozessor geschaltet sein, um Signale vom Mikroprozessor 330 in Signale umzuwandeln, die zum Ansteuern der Stellglieder geeignet sind. Die Schnittstelle 338 kann Leistungsverstärker, Schalter, Digital-Analog-Wandler (DACs) und andere Komponenten umfassen, die Fachleuten gut bekannt sind. Eine Leistungsversorgung 340 kann wahlweise

61 047.B0D PAe KjJhlar.jköck, Fienereicoj &idigr;_##· * ,·

mit der Stellgliedschnittstelle 338 und/oder den Stellgliedern 342 gekoppelt sein, um eine elektrische Leistung zu liefern. Wenn der USB oder ein ähnliches Datenübertragungsprotokoll verwendet wird, können alternativ die Stellglieder und anderen Komponenten Leistung von dem USB vom Hauptrechner entnehmen. Oder die Leistung kann von der Vorrichtung 320 gespeichert und reguliert werden und verwendet werden, wenn sie zum Ansteuern der Stellglieder 342 benötigt wird.

Die Sensoren 344 tasten die Position, Bewegung und/oder andere Eigenschaften von speziellen Bedienelementen der Vorrichtung 320 ab; beispielsweise können die Sensoren der Sensor 126 oder die Sensoren des Gestänges 20 sein, wie vorstehend beschrieben. Die Sensoren 344 liefern Signale zum Mikroprozessor 330, einschließlich Informationen, die diese Eigenschaften darstellen. Der Sensor 344 oder die Sensorschnittstelle 336 kann wahlweise Sensorsignale direkt zum Computer 16 liefern, wie durch die Busse 321a und 321b gezeigt. Typischerweise ist ein Sensor 344 für jeden Freiheitsgrad vorgesehen, in dem eine Bedienvorrichtung bewegt werden kann und es erwünscht ist, diese abzutasten, oder ein einzelner Verbundsensor kann für mehrere Freiheitsgrade verwendet werden. Beispiele von Sensoren, die sich für die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele eignen, sind Hall-Effekt-Sensoren, digitale optische Drehcodierer, lineare optische Codierer, analoge Sensoren wie z.B. Potentiometer, optische Sensoren wie z.B. eine Seiteneffekt-Photodiode, Geschwindigkeitssensoren (z.B.

Tachometer) und/oder Beschleunigungssensoren (z.B.

Beschleunigungsmesser). Ferner können entweder relative oder absolute Sensoren verwendet werden.

Die Stellglieder 342 übertragen Kräfte zu speziellen Bedienelementen der Vorrichtung 320 in einer oder mehreren Richtungen entlang von einem oder mehreren Freiheitsgraden als Reaktion auf Signale, die vom Mikroprozessor 330

61 047.B0D PAeKphlijr.föck. Rene{fet«t;qi: ·..;

• · 1

und/oder Hauptrechner 16 ausgegeben werden, d.h. sie sind "computergesteuert". Die Stellglieder 342 können zwei Arten umfassen: aktive Stellglieder und passive Stellglieder. Die Stellglieder 342 sind vorzugsweise die vorstehend beschriebenen Schwingspulen-Stellglieder 150, können jedoch in anderen Ausführungsbeispielen als andere Arten implementiert werden, wie z.B. lineare Stromsteuerungsmotoren, Schrittmotoren, pneumatische/hydraulische aktive Stellglieder, ein Drehmomenterzeuger (Motor mit begrenztem Winkelbereich), Magnetteilchenbremsen, Reibungsbremsen oder pneumatische/hydraulische passive Stellglieder. Beispielsweise können die Stellglieder 342 das Stellglied 102, 124, 186, 226 oder 300 umfassen.

Das Bedienelement 350 kann eine Vielzahl von verschiedenen Objekten oder Bedienvorrichtungen sein, die von einem Benutzer bedient werden und die eine taktile Rückkopplung empfangen können. Beispielsweise kann das Bedienelement die Fingerauflagen 78 sein, die abgetastet und betätigt werden; und/oder das Bedienelement 350 kann die gesamte Steuereinheit 22 sein, deren Gehäuse betätigt wird (oder nur der bewegliche Teil, der betätigt wird) und deren Position beispielsweise über das Gestänge 20 abgetastet wird. Andere Bedienelemente können auch vorgesehen sein, wie vorstehend beschrieben. Verschiedene Arten von Mechanismen können verwendet werden, um eine Kraft an die Bedienelemente auszugeben (wie z.B. die Fingerauflagen 78) und die Bedienelemente mit Freiheitsgraden zu versehen.

Andere Eingabevorrichtungen 34 6 können wahlweise in der Vorrichtung 320 enthalten sein und Eingangssignale zum Mikroprozessor 330 und/oder Hauptrechner 16 senden. Solche Eingabevorrichtungen können Tasten, Ziffernscheiben, Knöpfe, Schalter, eine Spracherkennungshardware (mit einer vom Hauptrechner 16 implementierten Software) oder andere Eingabemechanismen, wie vorstehend beschrieben, umfassen.

il 047.B0D PAe Kehlw, fcöck. Fiener etJqcjlj *_tm\ ' .·

Aus Sicherheitsgründen kann ein Schutz- oder "Totmann"-Schalter 348 in einigen Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 320 enthalten sein, um einen Mechanismus vorzusehen, um einem Benutzer zu ermöglichen, die von den Stellgliedern 342 ausgegebenen Kräfte auszuschalten und zu deaktivieren, oder von einem Benutzer zu verlangen, die Stellglieder 342 zu aktivieren. Es kann beispielsweise erforderlich sein, daß der Benutzer während der Bedienung der Vorrichtung 320 ständig einen Schutzschalter 348 aktiviert oder schließt, um die Stellglieder 342 zu aktivieren. Ausführungsbeispiele eines Schutzschalters 348 umfassen einen optischen Schutzschalter, einen Schalter mit einem elektrostatischen Kontakt, einen Handgewichts-Schutzschalter usw.

Obwohl diese Erfindung hinsichtlich verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird in Erwägung gezogen, daß Änderungen, Vertauschungen und Äquivalente derselben für Fachleute nach Lesen der Beschreibung und Studieren der Zeichnungen ersichtlich werden. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele der Steuervorrichtungen können beispielsweise in einer Vielzahl von Anwendungen von Fernbedienungssystemen bis zu einer Schnittstellenkopplung mit Computersimulationen mit taktiler Rückkopplung verwendet werden. Außerdem können die hierin beschriebenen Merkmale mit anderen Ausführungsbeispielen austauschbar verwendet werden. Ferner wurde für die Zwecke der Beschreibungsklarheit und nicht zur Begrenzung der vorliegenden Erfindung eine bestimmte Terminologie verwendet. Es ist daher vorgesehen, daß die folgenden beigefügten Ansprüche alle solchen Änderungen, Vertauschungen und Äquivalente, die innerhalb den wahren Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen, umfassen.

61 047.B0D PAe ÄahleriKeck, Fienertet cdi. &iacgr;
·· · ····

Claims

1. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung zum Eingeben von Steuersignalen in einen Computer und zum Ausgeben von Kräften an einen Benutzer der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:
ein Gehäuse mit einem ortsfesten Teil und einem beweglichen Teil, wobei der Benutzer sowohl den ortsfesten Teil als auch den beweglichen Teil des Gehäuses berührt, wenn er die Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung verwendet;
eine Kopplung, die zwischen den beweglichen Teil und den ortsfesten Teil gekoppelt ist und ermöglicht, daß sich der bewegliche Teil relativ zu dem ortsfesten Teil in einer zu einer Außenfläche des beweglichen Teils parallelen Richtung bewegt; und
ein Stellglied, das mit der Kopplung gekoppelt ist, wobei das Stellglied eine Kraft an der Kopplung ausgibt, um zu bewirken, daß sich der bewegliche Teil bezüglich des ortsfesten Teils bewegt.

2. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 1, wobei die Kopplung ein Biegeelement ist.

3. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 2, wobei das Stellglied eine Schwingungskraft ausgibt, um zu bewirken, daß der bewegliche Teil schwingt.

4. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 1, wobei der bewegliche Teil in Scherung mit der Haut eines Fingers des Benutzers, der die Oberfläche des beweglichen Teils berührt, gleitet.

5. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 1, welche ferner ein Bedienelement umfaßt, das von dem Benutzer bedienbar ist und bezüglich des beweglichen Teils derart angeordnet ist, daß der Benutzer die Kraft an dem beweglichen Teil fühlt, wenn er das Bedienelement bedient.

6. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 5, wobei das Bedienelement eine Taste ist.

7. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 6, wobei die Taste unter Verwendung eines Tastenstellgliedes mit einer Kraftrückkopplung in einem Freiheitsgrad versehen wird.

8. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 5, wobei das Bedienelement ein erstes Zangenelement umfaßt und ferner ein zweites Zangenelement umfaßt, das für den Benutzer auf einer anderen Seite des Gehäuses vom ersten Zangenelement zugänglich ist.

9. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 8, wobei das erste und das zweite Zangenelement in einem Freiheitsgrad ungefähr innerhalb einer einzelnen Ebene beweglich sind, wobei, wenn eines der Elemente bewegt wird, das andere der Elemente ebenfalls bewegt wird.

10. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 1, welche ferner einen Sensor umfaßt, der mit dem Gehäuse gekoppelt ist und zum Erfassen einer Bewegung des beweglichen Teils bezüglich des ortsfesten Teils wirksam ist.

11. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung eine Mastervorrichtung ist, die eine Slavevorrichtung in einem Fernbedienungssystem steuert.

12. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 3, wobei das Biegeelement zwei Biegeelemente umfaßt, wobei jedes der Biegeelemente zwischen den beweglichen Teil und den ortsfesten Teil gekoppelt ist und wobei das Stellglied eine Kraft an einem der Biegeelemente ausgibt.

13. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 1, wobei der Computer eine graphische Umgebung anzeigt, mit der der Benutzer unter Verwendung der Steuervorrichtung in Dialogverkehr steht.

14. Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung eine Spielsteuereinheit ist und der Computer ein Spiel anzeigt.

15. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung und in Dialogverkehr mit einem Hauptrechner, wobei die Schnittstellenvorrichtung folgendes umfaßt:
ein Gehäuse mit einem ortsfesten Teil und einem beweglichen Teil, wobei ein Benutzer eine Außenfläche des Gehäuses berührt, wenn er die Vorrichtung verwendet;
ein ergreifbares Bedienelement, das wirksam ist zum Aufnehmen eines Fingers des Benutzers durch eine Öffnung in dem beweglichen Teil in dem Gehäuse, so daß der bewegliche Teil zumindest teilweise das ergreifbare Bedienelement umgibt, wobei das ergreifbare Bedienelement ein Signal ausgibt, wenn es durch den Finger des Benutzers betätigt wird, wobei das Signal vom Hauptrechner empfangen wird; und
ein Stellglied, das mit dem Gehäuse gekoppelt ist und zum Ausgeben einer Kraft an dem beweglichen Teil des Gehäuses wirksam ist, um zu bewirken, daß der bewegliche Teil bezüglich des ortsfesten Teils des Gehäuses schwingt, so daß der Benutzer, der mit dem Bedienelement mit dem Finger in Eingriff steht, eine Scherschwingung an dem Finger fühlt.

16. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das ergreifbare Bedienelement eine Fingerauflage ist, die zum Aufnehmen des Fingers eines Benutzers durch eine Öffnung in dem Gehäuse wirksam ist, wobei die Fingerauflage mit einem beweglichen Element gekoppelt ist.

17. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Stellglied ein erstes Stellglied ist, und welche ferner ein zweites Stellglied umfaßt, das mit dem Gehäuse gekoppelt ist und zum Ausgeben einer Kraft an dem beweglichen Element wirksam ist.

18. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das ergreifbare Bedienelement eine Taste ist, wobei das Signal auf einen Zustand der Taste reagiert.

19. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das ergreifbare Bedienelement ein Steuerpaddel mit 4 Richtungen mit mindestens vier Richtungstasten ist und zum Ausgeben eines Signals, das einen Zustand von mindestens einer der Richtungstasten anzeigt, wirksam ist.

20. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der bewegliche Teil des Gehäuses das ergreifbare Bedienelement vollständig umgibt.

21. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 15, welche ferner einen Sensor umfaßt, der mit dem beweglichen Element gekoppelt ist und zum Erfassen einer Bewegung des beweglichen Elements in einem Drehfreiheitsgrad wirksam ist.

22. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Öffnung eine erste Öffnung ist, und welche ferner eine zweite Fingerauflage umfaßt, die mit einem beweglichen Element gekoppelt ist und zum Aufnehmen eines Fingers des Benutzers durch eine zweite Öffnung in dem Gehäuse wirksam ist, wobei die zweite Öffnung auf einer anderen Seite des Gehäuses als die Öffnung liegt.

23. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 22, wobei sich die Fingerauflagen als Zangenelemente entweder zueinander hin oder voneinander weg bewegen.

24. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 22, welche ferner eine Rolle, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und zum Drehen um eine Achse wirksam ist, und einen Sensor, der mit der Rolle gekoppelt ist und zum Ausgeben eines Sensorsignals wirksam ist, das eine Position der Rolle um die Achse angibt, umfaßt.

25. Schnittstellenvorrichtung nach Anspruch 24, welche ferner ein Rollenstellglied umfaßt, das mit der Rolle gekoppelt ist, wobei das Rollenstellglied Kräfte an der Rolle ausgibt.

26. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:
eine ortsfeste Oberfläche, wobei der Benutzer mit der ortsfesten Oberfläche in Eingriff steht, wenn er die Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung bedient;
eine bewegliche Oberfläche, wobei der Benutzer mit der beweglichen Oberfläche in Eingriff steht, wenn er die Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung bedient;
eine Kopplung, die zwischen die bewegliche Oberfläche und die ortsfeste Oberfläche gekoppelt ist und ermöglicht, daß sich die bewegliche Oberfläche relativ zu der ortsfesten Oberfläche in einer zu der beweglichen Oberfläche parallelen Richtung bewegt; und
ein Stellglied, das mit der Kopplung gekoppelt ist, wobei das Stellglied eine Kraft an der Kopplung ausgibt, um zu bewirken, daß sich die bewegliche Oberfläche bezüglich der ortsfesten Oberfläche bewegt.

27. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 26, wobei das Stellglied bewirkt, daß die bewegliche Oberfläche bezüglich der ortsfesten Oberfläche schwingt.

28. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 26, welche ferner ein Bedienelement umfaßt, das von der beweglichen Oberfläche umgeben ist, wobei das Bedienelement ein Eingangssignal in einen Hauptrechner in Dialogverkehr mit der Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung vorsieht.

29. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 28, wobei der Hauptrechner eine graphische Umgebung anzeigt, mit der der Benutzer unter Verwendung des Bedienelements in Dialogverkehr steht.

30. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 29, wobei die Vorrichtung mit taktiler Rückkopplung eine Spielsteuereinheit ist und der Computer ein Spiel anzeigt.

31. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 28, wobei das Bedienelement eine Taste ist.

32. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 31, wobei die Taste unter Verwendung eines Tastenstellgliedes mit einer Kraftrückkopplung in einem Freiheitsgrad versehen wird.

33. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 26, wobei die Kopplung ein Biegeelement ist.

34. Schnittstellenvorrichtung mit taktiler Rückkopplung nach Anspruch 26, wobei die bewegliche Oberfläche in Scherung mit der Haut eines Fingers des Benutzers, der die bewegliche Oberfläche berührt, gleitet.