专利名称：力反馈触觉接口的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及人/机接口，并且更具体地，涉及力反馈触觉接口。
背景技术：
除了传统的视觉反馈之外，力反馈触觉接口和相关的计算机软硬件已经用在各种系统中以为使用者提供触觉感受的反馈。这些系统在诸如外科技术培训、工业设计和建模以及个人娱乐之类的各个领域中正变得越来越普遍。
用在桌面环境中的触觉接口的两个示例公开在美国专利Nos.5,587,937和6,417,638中，它们的全部内容通过引用包含在这里。一般来说，触觉接口界定了例如位于靠近用户连接元件或在用户连接元件的容积内的用户基准点，这样的用户连接元件例如被构造成由用户戴上或抓住的指套(finger thimble)或触针(stylus)。布置在用户连接元件和空间的或基准的面之间的是一系列机械传输元件，例如当处于无动力驱动状态下时被构造成基本上允许连接元件在触觉接口的预定工作空间内自由运动的万向节、联接和框架。
基于传输元件的构造和定位，可以提供多个独立的自由度。基于用于接口的具体应用，每个自由度可以被驱动或跟踪，或者自由(既不被驱动也不被跟踪)。例如，自由度可以由电动机或致动器驱动，使得在合适的条件下接口可以抵抗、平衡或克服沿该自由度的用户输入力。被驱动的轴可以是主动的，带有随系统条件的功能而变化的力，或可以是被动的，例如当施加恒定的阻抗或制动力时。可替换地或附加地，可以利用编码器、电位计或其它测量装置来跟踪自由度，使得与其它被跟踪的自由度结合，可以确定基准点在工作空间内相对于地面的空间定位。最后，自由度可以是自由的，使得在运动范围内用户可以沿该自由度基本上自由移动而没有限制及跟踪。结合合适的计算机硬件和软件的该接口可以用于在虚拟现实环境中提供触觉反馈或将用户连接至例如位于远程或危险环境中的实际控制器。
对于设计具有合适的操作和响应特性的力反馈触觉接口存在巨大的挑战。例如，有必要使触觉接口具有低摩擦和重量平衡，使得用户的运动不会受到过度的阻挡并且用户不会仅因在工作空间内移动连接元件而疲劳。此外有必要使触觉接口具有高度的分辨率并高度响应以尽可能接近地复制真实的触觉体验。从商业认同和吸引力的角度出发，紧凑的尺寸、低成本和各种输出接口的可交换性也是有利的。
但是，包含在力反馈触觉接口中的复杂技术已经阻碍了减小尺寸和降低成本的努力。通常由于诸如电动机布置、重量平衡方法和部件尺寸特性之类的因素，这样的装置的构造需要大于所需的单元尺寸。如这种装置中所需的特殊部件那样，这种大的单元尺寸通常使商业成本更高。复杂的技术已经限制了输入接口的可交换性，由此对每个不同的应用需要获得带有特定的用户输入的定制的装置。
尺寸和成本上的这些限制显然是使力反馈触觉接口适合于许多市场的不利阻碍。例如，较低的成本将使这样的接口适合于消费者用于它们的家用个人电脑。通过提供包括除了视觉和听觉的标准二维交互之外的触觉的接口，将触觉接口用作外设将有效地拓宽人机交互的范围。
因此，需要一种带有增强的功能的力反馈触觉接口，其尺寸紧凑并且成本相对较低，因此可用于广阔的消费市场。
发明内容
在一个方面中，本发明涉及一种包含至少三个自由度和用户接口的力反馈触觉接口。所述用户接口包括鼻部和可拆卸地耦合到所述鼻部的用户连接部分。所述鼻部与可替换的用户连接部分可互换。
在本发明的前述方面的各个实施例中，所述用户连接部分可以是触针、手枪式握把、滚珠、鼠标、操纵杆和/或转向器。此外，所述用户连接部分可以通过插座和卡盘布置耦合到所述鼻部，并且所述用户连接部分可以通过施加比阈值载荷值大的载荷从所述鼻部拆卸。
在一些实施例中，所述用户接口还包括第一用户输入，并且可选地，第二用户输入。在附加的实施例中，所述第一用户输入和/或所述第二用户输入由用户定制。所述用户输入可以是开关或按钮。所述第一用户输入或所述第二用户输入中的任一个或两者可以改变所述用户接口的功能。在各个实施例中，所述用户接口适合于作为力反馈装置、计算机鼠标和/或数字转换器。
所述用户接口包括壳体。在一个实施例中，所述壳体由互锁的多个部件组成以在不需要紧固件的情况下提供结构整体性和部件保持。此外，所述力反馈触觉接口可以包括耦合到所述用户接口的鼻部的轭组件。在一个实施例中，所述轭组件包括适合于将从所述鼻部延伸的一对凸起抓住的两半铰链。每个凸起适合于与轴承配合，并且至少一个凸起适合于与传感器配合用于输出代表所述用户接口相对于所述轭组件的位置的信号。
在进一步的实施例中，所述用户接口包括传感器用于输出代表所述用户连接部分相对于所述鼻部的位置的信号。此外，所述用户接口可以包括对接站。所述对接站包括布置在所述用户接口与所述触觉接口的壳体中的一个上的凸起以及在所述用户接口和所述壳体中的另一个中形成的配合凹入。此外，所述对接站可以包括传感器用于指示将所述凸起配合在所述凹入中。在另一个方面中，本发明涉及一种包含至少三个自由度和多用途用户接口的力反馈触觉接口，所述用户接口适合于支持第一功能和第二功能。在一个实施例中，所述用户接口还适合于支持第三功能。在本发明的此方面的各个实施例中，所述第一功能作为力反馈装置，所述第二功能作为计算机鼠标，而所述第三功能作为数字转换器。在一个实施例中，所述用户接口可以在所述第一功能和所述第二功能之间切换，并且所述第三功能独立于所述第一功能和所述第二功能实现。
在另一方面中，本发明涉及一种用于包括壳体和用户接口的力反馈触觉接口的对接站。所述对接站包括配合结构和靠近所述配合结构布置的开关。在一些实施例中，所述配合结构包括在所述壳体中形成的插座，并且所述开关是通过将所述用户接口的至少一部分插入到所述插座中来开动的。基于所述开关的开动，所述触觉接口设置到原始位置。
在进一步的实施例中，所述对接站包括用于将所述用户接口保持在所述对接站中的保持器，并且所述保持器包括布置在所述用户接口和所述对接站中的一个上的弹簧加载凸起和布置在所述用户接口和所述对接站中的另一个上用于接收所述凸起的配合凹入。此外，所述对接站可以包括指示器。所述指示器可以是视觉上的指示器并可以指示故障条件和状态中的至少一个。
在另一个方面中，本发明涉及一种包含至少三个自由度的力反馈触觉接口。所述触觉接口包括具有用于驱动第一旋转元件的第一致动器的直接驱动组件和具有用于驱动第二旋转元件的第二致动器的同轴传输驱动组件。所述直接驱动组件和所述传输驱动组件布置在所述第一旋转元件和所述第二旋转元件中的至少一个的相对侧上。
在本发明的此方面的各个实施例中，所述直接驱动组件和所述传输驱动组件每个包括旋转元件或其它类型驱动元件，所述各个旋转元件布置成相对的同轴构造。所述力反馈触觉接口还可以包括布置在所述第一致动器和所述第二致动器中的至少一个的一端上的反射式编码器和/或布置在所述第一致动器和所述第二致动器中的至少一个的轴上的螺纹绞盘。
在一个实施例中，所述力反馈触觉接口包括用于容纳电子部件的基底。所述基底可以包括至少部分并且典型地是全部抵消在所述触觉接口的使用中产生的力的压载。在一个实施例中，所述压载可以包括多个板。此外，所述力反馈触觉接口可以包括符合IEEE1394标准的电气接口。在一些实施例中，所述力反馈触觉接口包括外部的非结构性壳体，其中所述壳体包括以相对的方式安装在穿过旋转元件的转轴的轴上的两半。在各个实施例中，所述力反馈触觉接口包括在不需要抵消块的情况下用于平衡至少一个悬臂的旋转元件的弹簧。所述弹簧可以是绕所述旋转元件的转轴布置的扭力弹簧。
在另一个方面中，本发明涉及一种力反馈触觉接口，所述力反馈触觉接口包含至少三个自由度和不需要温度传感器的内部温度监控系统。在一个实施例中，所述温度监控系统包括用于测量由驱动至少一个自由度的致动器引入的电流的持续时间和幅度的装置。此外，所述系统基于所述测量的持续时间和幅度计算所述接口内部的温度。在一个实施例中，如果所述计算的温度超过阈值温度值，则所述系统中止所述接口的至少一部分。
在另一个方面中，本发明涉及一种用于监控力反馈触觉接口的内部温度的方法。所述方法包括步骤测量由所述接口中的致动器引入的电流的幅度；测量所述被引入电流的持续时间；并基于所述幅度和持续时间的大小计算温度。在一个实施例中，所述方法包括在所述计算的温度超过阈值温度值的情况下终止所述接口的至少一部分的附加步骤。
与本发明的这里所公开的优点和特征一起的这些和其它目的将通过引用以下的描述、附图和权利要求变得更加清晰。此外，应当理解这里所描述的各个实施例的特征并不互相排斥并且能够以各种组合和置换的方式存在。
在附图中，类似的参考标号通常指不同视图中的相同部件。附图并不必然按照比例绘制，为了说明本发明的原理进行了一些重点突出。在以下的描述中，参考以下的附图描述本发明的各个实施例，其中图1A是根据本发明一个实施例的力反馈触觉接口的示意性立体侧视图；图1B是图1A力反馈触觉接口的示意性立体后视图；图1C是图1A的力反馈触觉接口去除外部壳体部件后的另一个示意性立体后视图；图2A是用于根据本发明一个实施例的触觉接口的用户接口的一个实施例的示意性立体图；图2B是图2A的用户接口的用户连接端的示意性立体局剖图；图2C-2D是图2A的用户接口的鼻端的示意性立体局剖图和分解视图；图3A是用于根据本发明一个实施例的触觉接口的轭臂组件的示意性立体图；
图3B是图3A的轭臂组件的铰接轭的示意性立体图；图3C是图3A的轭臂组件的一部分和鼻部的示例性立体局剖图；图4A是用在根据本发明一个实施例的触觉接口中的对接站和用户接口的实施例的部分分解的示意性立体图；图4B是图4A的对接站的示意性前视图；图4C是图4A的对接站和用户接口的示例性侧剖视图；图5是用在根据本发明一个实施例的触觉接口中的内部驱动系统的实施例的后部示意性立体图；图6A是传输驱动的实施例的示意性立体图，该传输驱动用于供应动力至根据本发明一个实施例的触觉接口的第三关节；图6B是自动缆索张紧装置的示意图，该自动缆索张紧装置用于驱动根据本发明一个实施例的触觉接口的第三关节；图7是用在根据本发明一个实施例的触觉接口中的致动器组件实施例的示意性侧视图；图8A是用在根据本发明一个实施例的触觉接口中的自动缆索张紧装置的示意图；图8B是用在根据本发明一个实施例的缆索驱动中的致动器绞盘的示意性侧视图；图8C是自动缆索张紧装置的示意性平面图，该自动缆索张紧装置用于驱动根据本发明一个实施例的触觉接口的第一关节；图9是自动缆索张紧装置的示意性平面图，该自动缆索张紧装置用于驱动根据本发明一个实施例的触觉接口的第二关节；图10是自动缆索张紧装置的示意性平面图，该自动缆索张紧装置用于驱动根据本发明一个实施例的触觉接口的第三关节的传输驱动元件；图11A-11C是算法的流程图，该算法用于控制和监控根据本发明一个实施例的触觉接口的力和内部温度；图12是用在根据本发明一个实施例的触觉接口中的IEEE1394柔性接口板的示意图；和图13是与根据本发明一个实施例的触觉接口一起使用的腕式支架的示意性立体图。
具体实施例方式
图1A是根据本发明一个实施例的六自由度力反馈触觉接口10的示意性立体图。结合不同的构造、不同的运动学以及更多或更少的自由度，可以有利地实现本发明的各个特征和功能。接口10包括基底12，基底12界定了基准面、六个接头或关节以及六个结构元件。第一个动力驱动的跟踪旋转元件14由基底12支撑以界定带有转轴“A”的第一关节16，转轴“A”具有大致竖直的方向。第二个动力驱动的跟踪旋转元件18(图5)安装在第一个动力驱动的跟踪旋转元件14上以界定带有转轴“B”的第二关节20(图5)，转轴“B”具有与第一轴A大致垂直的方向。第三个动力驱动的跟踪旋转元件22安装在第二元件18的大致径向向外布置的悬臂延伸24(以股部的形式)上以界定具有转轴“C”的第三关节26，转轴“C”大致平行于第二轴B。第四个动力驱动的跟踪旋转元件28安装在第三元件22的大致径向向外布置的延伸30(以股部的形式)上以界定具有转轴“D”的第四关节32，转轴“D”大致垂直于第三轴C。第五个动力驱动的跟踪旋转元件34以鼻部的形式安装在第四元件28的大致径向向外布置的延伸36(以轭的形式)上以界定具有转轴“E”的第五关节38，转轴“E”大致垂直于第四轴D。第六个自由旋转的用户连接元件40以触针(被构造成由用户握持)的形式安装在第五元件34的大致径向向外布置的延伸42上以界定具有转轴“F”的第六关节44，转轴“F”大致垂直于第五轴E。当不在使用中时，鼻部34便利地紧固在位于触觉接口10的基底12上的对接站46中。大致球形的上壳体56包围内部部件，从而保护它们免受损坏和污染。还预期了使用多于或少于六个轴的接口，并且在触觉接口的任何实施例中，任意轴可以是由动力驱动的(也就是由电动机组件控制的)或自由的。
图1B是图1A的力反馈触觉接口10的后部示意性立体图。触觉接口10具有形成在壳体12中的至少两个连接端口。电连接使用铁氧体磁珠54以提供RF屏蔽、寄生振荡抑制和RF去耦。动力连接50供应电能至接口10以运转包括控制电路、传感器、致动器和显示元件的内部部件。在根据本发明的力反馈触觉接口10的一个实施例中，接口10还包括诸如由Apple Computer，Inc.公司出售的FIREWIRE商标之类的至少两个Insituteof Electrical and Electronics Engineers(IEEE)1394端口连接52a、52b。具体地，接口10具有PHY接口连接(其管理物理接口、CRC校验、穿过操作和速度适应)和LINK控制器连接(其格式化数据并管理同步传输)，从而建立了双通道接口。IEEE1394连接比现有的外设连接方法提供了更多的优点。例如，IEEE1394连接比传统的并行或串行连接或者甚至更高速的通用串行总线(USB)连接更快地传输数据。图1B中描述的双重连接的实施例使得触觉接口10能够以100、200和400Mbs的总线速度操作，这有利于高水平的实时数据传输。这样的速度是可以的，因为不论其它的操作，连接提供了用于数据传输的时间空档。此外，IEEE1394连接自动识别外围设备是否存在，而不需要另外安装软件。
图1C描述其中外部壳体被去除的触觉接口10的后部示意性立体图。基底12的大小可以容纳诸如一对计算板58a、58b的控制电路，在此实施例中计算板58a、58b大致竖直地布置在基底12中并大致互相平行。在此实施例中，配电板58a通常控制至触觉接口10的电能，而IEEE1394接口板58b控制复杂的力反馈、传感和其它的功能。此外容纳在基底中的是用于第一个动力驱动的跟踪旋转元件14的电动机组件401、和大量钢板59，钢板59用于压载以至少部分抵消在触觉接口10的使用中产生的力。用橡胶处理接口10的下侧或布置在接口10下侧上的吸盘脚有助于使接口10稳定并防止接口10在平滑的表面上滑动。基底12内的至少一个制动器防止旋转元件14过度旋转。
图2A描述触觉接口10的用户接口60。在一个实施例中，用户接口60由鼻端34和诸如触针40之类的用户连接部分组成。在具体的实施例中，鼻部34和触针40两个的壳体是分离的结构，用于容易地组装和部件构造，但是也考虑了用于鼻部34和/或触针40的单个壳体部件。
在图2A所示的实施例中，两片触针壳体62是可拆装的。可替换地，触针40的整个壳体62可以分离，允许其完全拆除。在一个实施例中，壳体62由四片形成以允许更快地组装。壳体62的可拆装部分可以与压缩环64一起紧固，可以扣在一起，或使用其它方式的连接。触针40的后部根据人体工程学来设计并作为套袖在连接器轴90(图2C)的端上滑动。两个用户输入66a、66b在此实施例中被描述成按钮，但是也可以使用开关、触发器、辊轮或其它装置。第一输入66a和第二输入66b允许用户控制触针40和接口10的各种功能。在一个实施例中，第一输入66a运转作为用于接口10的力反馈功能的标准ON/OFF触发器，而第二输入66b包括其它的系统特征，尽管可以由用户定制输入66a、66b中的任一个、两者或两者都不定制。例如，在一个实施例中，按压第二输入66b允许用户接口60和接口10以与没有力反馈的计算机鼠标类似的方式运转。第二输入66b的其它可选特征包括但不限于暂停(PAUSE)或睡眠“SLEEP”控制、力反馈触发器、数字转换控制、空间位置复位、或根据用户的需要或特定应用的需要的任意其它选择。此外，任一按钮可以用于在两个不同的功能之间触发触觉接口。
鼻部壳体68和触针壳体62在压缩环64处或在压缩环64附近接合。在一个实施例中(如图2A所示)，鼻部壳体68可分离成两片。一旦被组装，鼻部壳体68形成与配合轭36的轴承120啮合的至少两个凸起70。在这些凸起70中的至少一个的端部处或靠近该端部是电位计叶片72，其驱动位于轭36(图3B)内的电位计130。鼻部壳体68的外表面能够包含至少两个凹入74以与触觉接口10的基底12上的对接站46内的弹簧加载凸起154(图4A)配合。凹入74可以是椭圆形、三角形、弓形或允许与弹簧加载凸起154适当配合的任何其它形状。成一定形状的尖端76从鼻部34的锥形端部或靠近锥形端部突起。在一个实施例中，当利用输入66a、66b使触觉接口10用作数字转换器时，尖端76可以用于对实体模型的轮廓的精确描绘或绘制并记录计算机存储器中的附随数据。尽管塑料壳体10的锥形端部自身可以用于此目的，但是也可以使用硬化的金属尖端，因为其更有效地耐磨损。在可替换的实施例中，当用作数字转换器时，成一定形状的尖端76可以使用手动或弹簧加载开关、光学技术或本领域公知的任何其它技术。
现在参考图2B，示出了其中壳体62的一部分被移除情况下的触针40。在触针40内，扣式连接80作为用于用户接口60的两半的连接元件。在此实施例中，使用带有O形环82的四爪扣筒状卡盘，但是也可以使用能够与鼻部34的连接器轴90上的连接器96适当连接的任何扣式连接。O形环82保持爪处于收缩的模式，由此允许连接器被捕获在其中。用在触针40中的扣式连接80至少用于几个目的。第一，扣式连接80允许用于各种应用的多个用户连接的简单更换。代替图中所示的触针40，还可以使用手枪式握把、球、鼠标、操纵杆、方向盘或其它的连接。这样的布置还允许在用户接口60被损坏的情况下简易地修理或更换用户接口60。第二，扣式连接80的释放特性防止在过度拉触针40的情况下损坏触觉接口10。一般来说，在使用中典型施加至触针40的力的最大范围大约为四分之三至一磅。大约为常用力五倍的起步阻力将防止损坏触觉接口10。此外，使用扣式连接80允许用户接口60保持结构的整体性而不需要附加的螺钉或其它的紧固件。在压缩环64处或附近的位置处，定位槽84并调整其尺寸以与连接器轴90(图2C)的导向装置98相配合。槽84可以形成在壳体62的一部分中，或可以由壳体62的两个可移动部分连接处的间隙来形成。
参考图2C和2D，示出了其中壳体68的一部分被移除的情况下接口60的鼻部34。此外，图2D描述了用户接口60的部分分解的鼻部34。在壳体68内，轴承座或架86提供了用于至少一组轴承88的的位置。在一个实施例中，使用多个轴承88以支撑连接器轴90消除了用户接口60中不必要的跳动。位于壳体68内的第一制动器92与连接器轴90上的第二制动器94配合以防止连接器轴90的过度旋转。第一制动器92还防止轴承98在鼻部34内轴向移动，该轴向移动可能导致对连接器轴90和鼻部34的损坏。
部分包含在鼻部壳体68中的是连接器轴90。轴90的末端是作为鼻部34和触针40之间的连接元件的锥形连接器96。在一个实施例中，使用类似于音频设备插座的锥形连接器，但是也可以使用可以与触针40中的扣式连接80机械互锁的菱形、锥形柱体和其它的非锥形形状。导向装置98从连接器轴90径向向外延伸并调整大小以与触针40上的槽84相配合。连接器轴90至少由一组轴承88支撑，其允许轴90在壳体68内的低摩擦转动。可以使用球轴承、滚针轴承、滚珠轴承或其它类型的轴承。电位计定位器100还通过紧固轴承88防止轴90和电位计104的非转动运动。一般来说，电位计是使用浮动中心圆盘的类型，类似于CTS Corp.制造的251系列的那些用在触觉接口10中，但是也可以使用用于输出表示位置的信号的其它传感器。在壳体68中的位置处，电位计叶片102在连接器轴90的终端处或靠近该终端接合连接器轴90。多个导线(不可见)引出电位计104并经由鼻部34、轭36、胫部30和股部24的内部部分连接至触觉接口10的基底12内的计算板。最后，数字转换端76紧固在壳体68的锥形端部内。
随着用户握持并转动触针40，旋转力经由槽84引导至导向装置98。因为导向装置98是连接器轴90的一部分，所以轴绕F轴旋转。连接器轴90的此运动使电位计叶片102旋转，其反过来驱动电位计104。然后电子的输出信号通过导线引导回触觉接口10的计算板。
图3A描述触觉接口10的轭臂组件110。在一个实施例中，轭臂110由两个主要部分组成，即胫30和轭36。胫30和轭36在轭臂110的中点处或靠近中点处连接。在此连接点处，与壳体114一体的胫带116包括与制动器124(图3B)配合的制动器(未示出)。胫30的另一端(与连接点116相对)可旋转地连接至触觉接口10的股部24，并且轭36的相对端可旋转地连接至用户接口60的鼻部34。在一个实施例中，为了易于安装和部件构造，胫30和轭36是分离的结构。例如，分离的设计允许将部件部分设计成使得它们一直用压力正向地夹住轴承120，使得在使用中没有跳动或不准确(sloppiness)。通过确保必要的零反冲，能够达到非常高的系统分辨率和响应度。
图3B描述轭臂组件110的轭36。如能够看到的，轭36的分支由两个铰链销118连接，铰链销118允许容易地安装壳体114并消除了对螺钉或其它紧固件的需求。在可替换实施例中，模制的柔性接头可以用于替换铰链销118。分离的壳体114的使用还允许一直用正压力夹紧轴承120以消除装置中的跳动和反冲。在此实施例中代替悬臂连接而使用轭36消除了装置中的松弛和跳动，否则在不需要其它机械加强的情况下使用者将会感觉到松弛和跳动。轭36的每个分支包含连接鼻部34上的一个凸起70的至少一个轴承120。轴承120提供了凸起70在轭36的每个分支内进行低摩擦的转动运动。轭36在胫带116处或靠近胫带116连接轭轴122。从轭轴122径向向外延伸的是第一制动器124，其被设计成通过在胫带116的内周上接触对应的第二制动器来防止轭轴122的过度转动。轭轴122的终端连接叶片126，叶片126驱动包含在轭臂组件110的胫30内的电位计136。调整槽123的尺寸来接收定位环以防止轭轴122的轴向运动。
现在参考图3C，示出其中胫30和轭36的壳体114、112的部分被移除的情况下的轭臂组件110。轭36的至少一个分支还容纳电位计保持器128和电位计130，电位计保持128和电位计130被布置成使得保持器128在轴承120和电位计130之间。多根导线(未示出)引出电位计130并经由轭36、胫30和股部24的内部通往位于触觉接口10的基底12内的计算板。轭轴122从轭36延伸到至少由一套轴承132支撑的胫30内，并绕D轴在壳体112内旋转。在一个实施例中，使用多个正向夹紧的轴承120来支撑轭轴122消除了轭臂组件110中不必要的跳动。此外，保持环133防止轭轴122的轴向运动。电位计保持器134通过紧固轴承132防止轭轴122的非转动运动，并且还防止电位计136的运动。多跟导线(未示出)引出电位计136并经由轭36、胫30和股部24的内部通往位于触觉接口10的基底12内的主计算板。
随着用户操纵触针40，一定的力传输到鼻部34，引起凸起70在轭36的轴承120内旋转。凸起70的运动反过来使电位计叶片72绕E轴旋转，这驱动了电位计130。然后电子输出信号通过导线传回到触觉接口10的计算板。类似地，随着用户操纵触针40，一定的力经由鼻部34和凸起70传输至轭36，引起轭36旋转。因为轭36连接到轭轴122，所以轴122绕D轴旋转。轭轴122的此运动使电位计叶片126旋转，并接着驱动电位计136。然后电子输出信号通过导线传回到触觉接口10的计算板。
图4A描述用在触觉接口10中的对接站46的局部分解视图。对接站46紧固在触觉接口10的基底12内，并用作用于接口60的鼻部34的固定点和原始位置。对接站46的锥形筒150被构造成接收鼻部34。筒150内的弹簧加载凸起154与鼻部34上的凹入74配合，由此将接口60保持在对接站46中。可替换地，可以使用诸如磁体或压缩环之类的其它类型保持机构。此外，本发明的其它实施例可以包含凸的对接站46和位于用户接口60的鼻部34上的凹连接。
现在参考图4B和4C，分别描述对接站46的朝向筒150的示意图和对接站46的侧剖示意图。除了作为鼻部34的停止位置的功能之外，布置在对接站46的锥形筒150中的元件能够用于触觉接口10的其它功能。开关152位于筒150的内周上，并检测鼻部34的存在，还重新将接口10的位置校准至原始位置。由此，用户可以根据需要将整个接口10的空间位置复位到零位置或用户定义的原始位置。触觉接口10的其它实施例允许用户通过手动按压用户接口60上的输入来复位接口10的空间位置，而不需要对接接口60。在一个实施例中，LED156位于锥形筒150的基底处。LED156可以通过发出不同性能的各种颜色来指示各种测试功能和/或误差。例如，LED156可以闪烁以提醒用户在程序完成后对接鼻部34。红色的频闪发射可以用于指示触觉接口10或触针40的测试问题。此外，例如稳定的绿光可以指示触觉接口10正常工作。在一个实施例中，LED156是蓝色的氖管。光的颜色和发射模式的任意的各种组合可以用于指示状态或提示用户。作为可替换处于锥形筒150的基底中的LED156的一种，筒150自身可以用光亮的塑料材料来构造。通过给靠近此光亮的筒150安装的LED156供电，整个筒150将发射光，这可以对用户更加明显并且从外观上更加吸引人。
图5描述触觉接口10的一个实施例的内部驱动系统的后部示意性立体图。基底12支撑第一个动力驱动的跟踪旋转元件14以界定绕具有大致竖直方向的轴A的第一关节16。竖直定位的第一致动器401(图1C)驱动竖直定位的第一螺纹绞盘413，第一螺纹绞盘413然后操纵第一缆索453(图8C)。第一缆索紧固在至少两个点455a、455b(图8C)处以水平定位第一个动力驱动的跟踪旋转元件14，并且由此绕A轴旋转第一元件14。对于第一电动机组件401及其操作的详细描述参考图7和8C以及附随的说明。安装在第一个动力驱动的跟踪旋转元件14上的是第二个动力驱动的跟踪旋转元件18、和第三个动力驱动的跟踪旋转元件22的旋转传输驱动元件164、以及它们的关联电动机组件501、601。
第二个动力驱动的跟踪旋转元件18和旋转传输驱动元件164都以与第一个动力驱动的跟踪旋转元件14相类似的方式运转。对于第二电动机组件501及其操作的更详细描述，参考图7和9以及附随的说明。图7和10提供了对第三电动机组件601及其操作的更详细描述。
第二个动力驱动的跟踪旋转元件18和旋转传输驱动元件164以及它们的关联电动机组件501、601的定位允许非常紧凑的构造，并减小了触觉接口10的整体尺寸。如能够从图5所观察到的，第二电动机组件501和第三电动机组件601互相大致平行地水平安装，并绕A轴平衡构造。该布置在几何中心A的每一侧上传输绕B轴的转动力，由此在两侧上相对平稳地加载接口10。在一个实施例中，来自一个旋转元件的转矩通过其它元件位于其上的中心轴传输。类似地，第二旋转元件18和旋转传输驱动元件164安装在第一旋转元件14的相对端上。这种特别的布置消除了用大壳体来包围内部部件的需要，并简化了用于修理的进入。平衡的布置还在装置内更加均匀地分配电动机的整个惯性，由此与悬臂布置相反，提高了触觉接口10的稳定性。单个装配轴172(大致水平地安装并与第二和第三电动机组件501、601平行，并且与B轴成一直线)紧固第二旋转元件18和旋转传输驱动元件164，允许容易地安装。此外，装配杆173贯穿轴172并将球形壳体56紧固到接口10，由此消除了使用穿入壳体56的大量螺钉或其它紧固件的需要。
图5中所示的触觉接口10的具体实施例还使用了接口10的B轴上的至少一个扭力弹簧160。在使用中，股部24、胫30、轭36、鼻部34和触针40的重量易于对抗用户的大量操作。很自然，由于重力，这些元件的重量引起绕B轴的旋转。当使用触觉接口10时，这样的旋转被用户感觉为迟滞或阻抗。在克服由外设元件的重量引起的这些力的努力中，以前的用户接口利用附装到旋转元件的大体积平衡物。但是，这些大体积平衡物增加了触觉接口的尺寸和重量。但是，本发明的触觉接口10仅单独使用扭力弹簧160来抵消强加在旋转元件18上的力，而不需要任何平衡物。
图6A描述用在触觉接口10中的传输驱动162的实施例。尽管旋转传输驱动元件164绕B轴旋转，但是旋转传输驱动元件164界定了具有轴C的第三关节26，第三关节26位于第二元件18的径向向外布置的延伸24上。随着旋转传输驱动元件164的绞盘613旋转，元件164旋转与第二轴B对齐的传输驱动轴166，将转动运动转换成沿第二元件18的径向延伸24布置的第一传输驱动杆168a和第二传输驱动杆168b的线形运动。第一驱动杆168a和第二驱动杆168b以成环的编织钢缆端终止，成环的编织钢缆端钩到第三旋转元件22的突出的锚泊凸起165上。
由此，第二传输驱动杆168b通过成环的缆索端直接锚泊到传输驱动轴166和第三旋转元件22中的每个；但是，第一驱动杆168a通过成环的缆索端直接锚泊到第三旋转元件22的突出的锚泊凸起167，并通过离合柱757(图6B)和弹簧759与单个缆索一起锚泊到传输驱动轴。驱动杆168a、168b使缆索长度最小化，并且因此增加了传输驱动162的刚度和硬度。缆索仅用在锚泊点处，其中第一驱动杆168a的一个缆索753端经过图8A中所描述的自动缆索张紧装置751，以基本消除第三轴驱动中的反冲。
在图6B中，稍后参考图8A描述的缆索张紧装置351的一个实施例用在触觉接口10的传输驱动162中，这里通称为缆索张紧装置751。所描述的是圆形传输驱动轴166。缆索753(来自第一驱动杆168a的终端)在第一锚泊位置755a处固定到轴166，并以顺时针方向围绕轴166。缆索753绕离合柱757缠绕，并且之后张紧地附装到弹簧759，弹簧759在锚泊755b处锚泊到轴166的径向延伸170。凸起、槽和其它导向特征可以设置在轴166中以辅助缆索753以合适的位置和方向穿过轴166的运动范围来通行和保持。用自动缆索张紧装置751达到的张紧还提供了驱动系统中增加的刚度和硬度。
图7示出用在触觉接口10的一个实施例中的典型致动器组件301的示意图。为了跟踪动力驱动的轴A-C的位置，每个致动器303在致动器303的基底处安装有编码板305。发射器/探测器光学编码器芯片307紧固在板305上或板305中。通过在从致动器303远离绞盘313延伸的致动器轴延伸311b上安装反射式编码盘309来跟踪致动器轴311a的转动。通过包含反射式编码盘309，代替常用的非反射式盘，减小了致动器组件301的整体体积，因为非反射式盘需要使用跨在盘309的边缘上的发射器/探测器对。
在触觉接口10的实施例中，发射器/探测器307是安装在致动器303的端部处的单个单元，其引导脉冲至反射式编码盘309并接收来自编码盘309的脉冲。随着致动器303引起盘309转动，或随着由于用户操作装置10的运动引起盘309旋转，发射器/探测器307输出脉冲，该脉冲又由盘309反射，由此允许确定关节的角度方位。这些致动器组件301中的三个用在触觉接口10中，每个动力驱动的关节16、20、26使用一个；但是，根据动力驱动的轴的数量也可以使用更多或更少的致动器组件。
致动器组件301使用市场上可以容易得到的部件。在一个实施例中，致动器303是D.C.电动机。通常，使用与Agilent Technologies制造的8000系列类似的反射式编码盘。绞盘313和反射式编码盘309可以通过各种装置紧固到致动器轴311a和延伸311b，例如通过机械连接或利用热胀冷缩的压配合连接。但是，在本发明的具体实施例中，绞盘313和盘309利用强力粘结剂(诸如由Henkel Consumer Adhesives，Inc.，制造的名为Loctite中市场上的一种)来紧固以减小组件301的整体尺寸。
代替使用机械联接装置、齿轮或其它力传输部件，接口10使用安装有绞盘和响应的缆索的三个专用致动器(如上所述)来驱动转轴A-C。缆索驱动提供了低重量的良好力传输特性；但是，反冲可能成为问题，特别是在高精度、高分辨率的触觉接口中。在诸如接口10中使用的那些之类的转动机械传输中的反冲或跳动在反转转动方向时是最明显的。减小反冲的一个方法是提供手动调节的部件来调节一个或两个缆索端相对于锚泊的位置，使得能够减小缆索中的松弛。此外，可以预加载张紧缆索使得当绞盘旋转时在缆索和致动器绞盘之间的滑动最小化；但是，由于缆索随着时间过去而伸长并且部件的机构磨损，所以缆索张力减小并且必须周期性地调节以防止滑动。此外，很难测量缆索张力并且过度张紧可能导致结构元件的变形并加速关节轴承中的过早磨损。
图8A是自动缆索张紧装置351的示意图，其克服了公知的缆索驱动的许多限制，并用在触觉接口10的动力驱动的轴中。张紧装置351自动将缆索353加载到预定张力并长期保持该张力，即使是在缆索伸长和部件磨损的情况下。张紧装置351包括在靠近末端或末端处直接或间接固定到通常以355a、355b表示的锚泊。也固定到锚泊的非转动离合柱357沿着缆索路径定位。弹簧359沿离合柱357和锚泊355b之间的缆索路径布置。最后，致动器绞盘313沿离合柱357和与弹簧359相对的侧上的锚泊355b之间的缆索路径设置。如图8A所示，缆索353从锚泊355a延伸，围绕致动器绞盘313和离合柱357每个至少一次，并连接到处于张紧状态并连接到锚泊355b的弹簧359。
诸如离合柱357之类的非旋转柱可以用于放大或增加施加的缆索张力以抵抗或抵消施加到柱357下游的缆索353的张力。如本领域技术人员公知的，放大因子是柱直径、缆索绕柱的缠绕角度以及缆索和柱之间的摩擦系数的函数。由此，对于给定的弹簧张力，随着缠绕角度和/或摩擦增大，可以抵消或抵抗更大的下游缆索力。
在静态的状态下，由弹簧359在缆索353中引起的张力引起缆索353被向右拉，消除了缆索353中的任何松弛或放松，缆索张力是弹簧常数k、弹簧端部从静止状态的线形位移x的函数。在操作中，随着致动器绞盘313如所描述地以顺时针方向旋转，张力施加到缆索353的位于绞盘313和锚泊355a之间的部分，并且绞盘313相对于锚泊355a向左移动。缆索353中向绞盘313的右侧的任何放松或松弛被弹簧359自动吸收，只要弹簧力克服缆索353绕离合柱357的摩擦阻碍，则缆索353绕离合柱357滑动。
可替换地，当绞盘313以逆时针方向旋转时，绞盘313施加张力至缆索353的位于绞盘313和离合柱357之间的部分。只要由离合柱的作用增加的弹簧张力超过由绞盘313引起的张力，缆索353将有效地锁定到离合柱357，并且将不会绕柱357滑动。弹簧359将与绞盘加载有效地隔离。由此，张紧装置351自动地自调节缆索张力并将缆索张力保持在预定的幅度，同时在绞盘313以第一方向旋转时吸收任何松弛，并在绞盘313以第二方向旋转时锁定。
参考图8B，示出了用在触觉接口10的一个实施例中的致动器绞盘313的放大视图。尽管绞盘313可以是均匀的柱体，但是在一个实施例中，绞盘313包括沿其外表面形成的螺旋通道315。螺旋通道315可以包含大直径而没有可能切割缆索353或以别的方式减少缆索寿命的锐利的边缘。螺旋通道315把缆索353放入其中并使缆索353通行，防止缆索353在绞盘313上的重叠或缠结。在一个实施例中，尼龙涂覆的缆索353被用户防止绞盘313上的滑动，并保护缆索353受到破坏以确保长寿命。可以用各种缆索材料，包括但不限于钨、不锈钢、无涂层的钢或其它形式的涂层的钢。此外，缆索缠绕绞盘的数量依赖于绞盘和缆索尺寸、预期的载荷和其它相关的因素。
现在参考图8C，上述的缆索张紧装置351用在触觉接口10的第一关节16中，此处通称为缆索张紧装置451。描述的是第一元件14的大致D型的轮毂部分。缆索453在第一锚泊位置455a处固定到第一个动力驱动的跟踪旋转元件14，并以逆时针方向围绕元件14。缆索453在绕离合柱457缠绕几次之前缠绕布置成与元件14的圆周大致相切的致动器绞盘413。此后，缆索453张紧地附装到弹簧459，弹簧459在锚泊455b处锚泊到元件14。因为致动器固定在接口10的壳体12内，所以随着致动器旋转绞盘413，引起第一元件14绕第一轴A旋转。凸起、槽和其它导向部件可以设置在元件14中以辅助缆索453以合适的位置和方向贯穿元件14的运动范围来通行和保持。
如可以从图8C中所观察的，第一旋转元件14的中心部分通常是D形。可替换地，可以使用环形或局部环形的元件14。旋转元件14支撑在中心定位于A轴上的轴处。第一旋转元件14可以根据需要是如图所示的扇块结构或实心、有孔或任何其它的构造。如果需要，用于其它旋转元件和它们的关联电动机的支撑表面可以紧固到第一旋转元件14。此外，A轴可以是中空的或包含槽以容纳触觉接口10的任何控制线路或电源电路。可替换地，为了此目的可以在第一旋转元件14中形成开口。
现在参考图9，上述的缆索张紧装置351用在触觉接10的第二关节20中，这里统称为缆索张紧装置551。描述的是第二元件18的D形轮毂部分。缆索553在第一锚泊位置555a处固定到元件18并以逆时针方向围绕元件18。缆索553在绕离合柱557缠绕几次之前缠绕布置成与元件18的圆周大致相切的致动器绞盘513。此后，缆索553以张紧的方式通过旋转元件18中的凹入561并附装到弹簧559，弹簧559在锚泊555b处锚泊到元件18。对于本领域普通技术人员来说很明显的是，凸起、槽和其它导向部件可以设置在元件18的外周中以辅助缆索553以合适的位置和方向贯穿元件18的运动范围来通行和保持。
在触觉接口10的一个实施例中，第二旋转元件18至少由两个控制线路导管563a、563b穿过。这些导管563a、563b提供了用于电源和控制线路的位置，并通常随着元件18旋转限制导线运动。旋转元件18绕中心定位的B轴旋转，B轴根据需要可以是平滑的、包括槽或凸起、或者带有螺纹。作为图9中所示的D形元件的替代物，可以使用环形的旋转元件。但是，D形元件18的使用能够减小触觉接口10的整体尺寸。
类似地，在图10中，上述的缆索张紧装置351用在触觉接口10的一个实施例的第三关节26中，这里统称为缆索张紧装置651。描述的是旋转传输驱动元件164的D形轮毂部分。缆索653在第一锚泊位置655a处固定到元件164并以逆时针方向围绕元件164。缆索653在绕离合柱657缠绕几次之前缠绕布置成与元件164的圆周大致相切的致动器绞盘613。此后，缆索653以张紧的方式通过旋转传输驱动元件164中的凹入661并附装到弹簧659，弹簧659在锚泊655b处锚泊到元件164。对于本领域普通技术人员来说很明显的是，凸起、槽和其它导向部件可以设置在元件164的外周中以辅助缆索653以合适的位置和方向贯穿元件164的运动范围来通行和保持。
旋转传输驱动元件164绕轴B自由旋转。旋转力由传输驱动轴166和相关的部件传输到第三关节26，传输驱动轴166和相关的部件在图6A-6B中有更详细的描述并在附随的文字中也有描述。作为图10中所示的D形元件的替代物，可以使用环形的旋转元件。但是，D形元件164的使用能够减小触觉接口10的整体尺寸。
在触觉接口10的使用中，三个动力驱动的跟踪旋转元件14、18和22可以是“动力驱动的”或“自由的”。当动力驱动时，致动器被供以能量并能够控制各个旋转元件的转动，根据应用指引元件或者抵抗用户接口的运动或者促进用户接口的运动。动力驱动的设置可以用于诸如模拟外科技术、在计算机游戏中提供反馈等的力反馈情况中。在自由的设置中，致动器没有被供以能量并且旋转元件经受接口使用者的力。这样的设置可以用于利用用户接口作为个人电脑鼠标将图像或物体直接数字化成计算机程序、起草计算机辅助设计(CAD)图像等。对于任何具体的应用，三个旋转元件中的任意个可以处于动力驱动或自由模式，或者可以在满足一定标准时在两种模式之间切换。
对于触觉接口的可移动部分来说较轻的重量、低成本、高刚度和高强度是优选的性能。由于这些原因，40％碳纤维填充的尼龙或类似成分的注塑模型可以被选择用于诸如第二元件18、第二元件延伸24、第三元件22、第三元件延伸30、第五元件34和第六元件40之类的结构元件。也可以使用其它的玻璃和碳纤维填充模铸的塑料。此外，在一个实施例中，触针壳体62的外部握持表面用于防滑涂层或涂料处理以防止触针40从用户的握持滑离。可替换地，根据需要外表面可以是自然的纹理或有凸出物。在一个实施例中，触觉接口10可以与图13所描述的腕式支架700结合使用。这样的腕式支架700的示例公开在美国专利号6,417,637中。所有的内部部件可以由塑料、金属或这些材料的组合来制造。触觉接口10的基底12和球形壳体56所需的性能还包括低成本、高强度和高刚度；但是，因为基底结构还可以用作用于内部电子器件的散热片，所以有必要使基底结构是导热性的。
图11A描述用在用于测量和控制由触觉接口10产生的力的接口控制的一个实施例中的算法800。来自致动器和/或电位计的信号首先更新802存储在存储器中的力的读数。接下来，计算804新的力，并且计算的力相对应的电流被发送806到致动器中的一个，以旋转相关的元件或抵抗这样的旋转。然后算法800等待来自致动器和/或电位计的响应信号808(由于使用者操作)，并由此更新储存的力的读数802。该算法在整个程序中继续运行，解释并跟踪电信号以允许接口使用者与计算机应用程序交互。
在消费产品中需要温度传感装置以防止过热和对用户可能的伤害，并防止损坏装置的内部部件。通常，热电偶用于测量内部电动机和其它部件的温度以满足这种需要。但是，根据本发明的触觉接口10的一个实施例在没有直接读取内部温度的任何热电偶或其它传感器的情况下使用计算机算法来监控装置中的温度。图11B中描述这样的温度计算算法810(上述的控制算法800的子程序)的流程图。通常，算法810用时间和致动器电流消耗来估计温度。随着电流被送到致动器以在旋转元件上(旋转元件或抵抗这样的旋转)产生力806，算法810计算传输到电动机的电流和传输时间的整个长度。然后算法810基于电流已经被传输到致动器的时间量来计算估计的内部致动器温度，由此更新其温度模型812。
如果更新的结果是内部温度低于80℃(814)，则力施加到旋转元件816。但是，如果内部温度超过80℃(818)，则中止力820，并终止电流至致动器的传输。在后者的情况下，温度数据被储存(822)用于应用在温度错误算法830(下述)中，并且温度错误信息824被传输给用户。该错误可以以相关的计算机程序中的提示的形式显示在计算机屏幕上和/或引起触觉接口对接站中的LED的可见变化以指示系统错误。对于任何给定的应用可以根据需要调整温度限制或用于防止损坏内部装置部件。例如可以设置49℃的阈值温度以在发生对致动器或其它内部部件的任何损坏之前引起接口10的关闭。
图11C中描述温度错误算法830的流程图。通过更新储存在控制算法800中的力802，子程序温度错误算法830确定可能的温度错误的结果。没有温度错误发生的决定832引起绕过步骤834和836。但是，如果温度计算算法810确定已经发生错误824，则温度错误算法830读取在温度计算算法810的储存温度步骤822中存储的温度数据834。然后算法830计算由于过高的温度引起的接口部件的任何温度腐蚀836。关于腐蚀的信息以及其如何影响未来的接口性能的信息被存储838并考虑在任何以后的运动学计算840中。由此，接口性能受到温度错误的影响，接口10能够根据需要补偿以继续为用户传输精确的力重现过程。
现在参考图12，描述触觉接口10的一个实施例的IEEE1394柔性接口板58b的示意图。板58b控制各种类型的机电接口功能900和数字功能902。板58b由触觉接口电源906供给能量。板58b的机电接口功能900最终控制触觉接口10的各个部件904(以上更详细的描述)的功能。具体地，当前的驱动器910控制三个致动器的功能。当前的驱动器904由用于永磁D.C.伺服电动机的三个通道组成。驱动器904在每个通道上以14.4瓦加或减18伏毫安的最大连续输出来操作。三个通道的最大输出是25瓦。驱动器904还在1KHz的带宽上具有12比特的分辨率。编码计数器912由三个通道组成。计数器912能够接收高达500KHz和16比特分辨率的脉冲速率。类似的电位计输入914也具有三个通道，并且典型地识别来自5K欧的电位计0-5伏的信号。该输入也具有10比特的分辨率和带有3-dB截频的1kHz滤波。数字输入/输出916由四个输出通道和八个输入通道组成。数字输入/输出用足够的电流操作反跳的TTL输入和TTL输出以驱动任意的LEDs。
板58b的数字功能902经由IEEE1394连接926与各种机电接口功能900和程序主机908通讯。本地反馈和安全逻辑功能918执行若干功能。这些包括但不限于基于正反馈的速度来补偿电动机的反向电动势和摩擦、速度阈值关闭、在阈值被超过的情况下电流关闭、以及如果在一定时间内没有更新则监视定时器关闭。此外，32位只读序列号接口920识别至主机的触觉接口10。数字功能902还包括32位读写易失性寄存器922和非易失性寄存器924。此外，接口的电子器件可以包括8031微处理器、闪存、可编程逻辑器件(PLD)和基于PLD的delta sigma A/D转换器和四层的印刷电路板。
微处理器与主机进行通讯，在操作中管理系统初始化和同步数据传输，加载PLD构造、并管理闪存读/写操作(以允许8031程序、PLD构造和系统常数的远程更新)。PLD执行三个16位积分编码接口、编码速度检测、无能量供给和过电流安全逻辑、电动机使能监控、512字节堆栈RAM内存库以增补8031存储器、至IEEE1394连接的FIFO接口以连接控制器同步数据移动端口、用于三个九位的精确的delta-sigma电位计A/D转换器的控制、三个十位PWM发生器以设置电动机电流、三角波频发生器以及电源同步频率发生器。配电板58a(图1C)包括电源、安全电路、三个PWM放大器、基于PWM的D/A转换器和两层的印刷电路板。
尽管这里所描述的被认为是本发明的示例性和优选实施例，但是对本领域技术人员来说本发明的其它修改可以从这里的指导变清楚。这是所公开的制造的具体方法和几何参数实质上是示例性的并且不作为限制。因此，要求将落入本发明的精神和范围的所有这样的修改限定在所附权利要求种。由此，由专利许可证要求的是以以下的权利要求所限定和区别的发明。
权利要求
1.一种力反馈触觉接口，包含至少三个自由度和用户接口，所述用户接口包括鼻部；和可拆卸地耦合到所述鼻部的用户连接部分，所述鼻部与可替换的用户连接部分可互换。
2.如权利要求1所述的力反馈触觉接口，其中所述用户连接部分从由触针、手枪式握把、滚珠、鼠标、操纵杆和转向器组成的组中选择。
3.如权利要求1所述的力反馈触觉接口，其中所述用户连接部分通过插座和卡盘布置耦合到所述鼻部。
4.如权利要求1所述的力反馈触觉接口，其中所述用户连接部分通过施加比阈值载荷值大的载荷从所述鼻部拆卸。
5.如权利要求1所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口还包括第一用户输入。
6.如权利要求5所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口还包括第二用户输入。
7.如权利要求6所述的力反馈触觉接口，其中所述第一用户输入和所述第二用户输入中的至少一个由用户定制。
8.如权利要求6所述的力反馈触觉接口，其中所述第一用户输入和所述第二用户输入中的至少一个包含开关。
9.如权利要求6所述的力反馈触觉接口，其中所述第一用户输入和所述第二用户输入中的至少一个改变所述用户接口的功能。
10.如权利要求9所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口适合于作为力反馈装置和计算机鼠标。
11.如权利要求10所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口适合于用作数字转换器。
12.如权利要求1所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口包括壳体，所述壳体包括不需要紧固件就能够互锁的多个部件。
13.如权利要求1所述的力反馈触觉接口，还包括耦合到所述鼻部的轭组件。
14.如权利要求13所述的力反馈触觉接口，其中所述轭组件包括适合于将从所述鼻部延伸的一对凸起抓住的两半铰链。
15.如权利要求14所述的力反馈触觉接口，其中每个凸起适合于与轴承配合，并且至少一个所述凸起适合于与传感器配合用于输出代表所述用户接口相对于所述轭组件的位置的信号。
16.如权利要求1所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口包括传感器用于输出代表所述用户连接部分相对于所述鼻部的位置的信号。
17.如权利要求1所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口包括对接站。
18.如权利要求17所述的力反馈触觉接口，其中所述对接站包括布置在所述用户接口与所述触觉接口的壳体中的一个上的凸起以及在所述用户接口和所述壳体中的另一个中形成的配合凹入。
19.如权利要求18所述的力反馈触觉接口，其中所述对接站还包括传感器用于指示将所述凸起配合在所述凹入中。
20.一种力反馈触觉接口，包括至少三个自由度；和多用途用户接口，所述用户接口适合于支持第一功能和第二功能。
21.如权利要求20所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口还适合于支持第三功能。
22.如权利要求20所述的力反馈触觉接口，其中所述第一功能包括力反馈装置。
23.如权利要求20所述的力反馈触觉接口，其中所述第二功能包括计算机鼠标。
24.如权利要求21所述的力反馈触觉接口，其中所述第三功能包括数字转换器。
25.如权利要求20所述的力反馈触觉接口，其中所述用户接口可以在所述第一功能和所述第二功能之间切换。
26.如权利要求21所述的力反馈触觉接口，其中所述第三功能独立于所述第一功能和所述第二功能实现。
27.一种用于包括壳体和用户接口的力反馈触觉接口的对接站，所述对接站包括配合结构；和靠近所述配合结构布置的开关。
28.如权利要求27所述的对接站，其中所述配合结构包括在所述壳体中形成的插座。
29.如权利要求28所述的对接站，其中所述开关可通过将所述用户接口的至少一部分插入到所述插座中来开动。
30.如权利要求29所述的对接站，其中，基于所述开关的开动，所述触觉接口被设置到原始位置。
31.如权利要求27所述的对接站，还包括用于将所述用户接口保持在所述对接站中的保持器。
32.如权利要求31所述的对接站，其中所述保持器包括布置在所述用户接口和所述对接站中的一个上的弹簧加载凸起；和布置在所述用户接口和所述对接站中的另一个上用于接收所述凸起的配合凹入。
33.如权利要求27所述的对接站，还包括指示器。
34.如权利要求33所述的对接站，其中所述指示器包括视觉上的指示器。
35.如权利要求33所述的对接站，其中所述指示器指示故障条件和状态中的至少一个。
36.一种包含至少三个自由度的力反馈触觉接口，所述触觉接口包括包含用于驱动第一旋转元件的第一致动器的直接驱动组件；和包含用于驱动第二旋转元件的第二致动器的同轴传输驱动组件，其中所述直接驱动组件和所述传输驱动组件布置在所述第一旋转元件和所述第二旋转元件中的至少一个的相对侧上。
37.如权利要求36所述的力反馈触觉接口，其中所述直接驱动组件和所述传输驱动组件每个都包括旋转元件，所述各个旋转元件布置成相对的同轴构造。
38.如权利要求36所述的力反馈触觉接口，还包括布置在所述第一致动器和所述第二致动器中的至少一个的一端上的反射式编码器。
39.如权利要求36所述的力反馈触觉接口，还包括布置在所述第一致动器和所述第二致动器中的至少一个的轴上的螺纹绞盘。
40.如权利要求36所述的力反馈触觉接口，还包括用于容纳电子部件的基底。
41.如权利要求40所述的力反馈触觉接口，其中所述基底包括至少部分抵消在所述触觉接口的使用中产生的力的压载。
42.如权利要求41所述的力反馈触觉接口，其中所述压载包括多个板。
43.如权利要求36所述的力反馈触觉接口，还包括符合IEEE1394的电气接口。
44.如权利要求36所述的力反馈触觉接口，还包括外部的非结构性壳体。
45.如权利要求44所述的力反馈触觉接口，其中所述壳体包括以相对的方式安装在穿过旋转元件的转轴的轴上的两半。
46.如权利要求36所述的力反馈触觉接口，还包括用于在不需要抵消块的情况下平衡至少一个悬臂旋转元件的装置。
47.如权利要求46所述的力反馈触觉接口，其中所述平衡装置包括绕所述旋转元件的转轴布置的扭力弹簧。
48.一种力反馈触觉接口，包含至少三个自由度和不需要温度传感器的内部温度监控系统。
49.如权利要求48所述的力反馈触觉接口，其中所述温度监控系统包括用于测量由驱动至少一个自由度的致动器引入的电流的持续时间和幅度的装置。
50.如权利要求49所述的力反馈触觉接口，其中所述系统基于所述测量的持续时间和幅度计算所述接口内部的温度。
51.如权利要求50所述的力反馈触觉接口，其中如果所述计算的温度超过阈值温度值，则所述系统中止所述接口的至少一部分。
52.一种用于监控力反馈触觉接口的内部温度的方法，包括步骤测量由所述接口中的致动器引入的电流的幅度；测量所述被引入电流的持续时间；并且基于所述幅度和持续时间的大小计算温度。
53.如权利要求52所述的方法，还包括在所述计算的温度超过阈值温度值的情况下中止所述接口的至少一部分的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种包含各种子组件的多功能力反馈触觉接口。所述子组件包括多功能用户接口、用于将所述接口设置到原始位置的用户接口对接站、温度监控和控制系统以及各种运动缆索驱动系统。
文档编号G06F3/00GK1886716SQ200480035445
公开日2006年12月27日 申请日期2004年10月29日 优先权日2003年10月30日
发明者托马斯·H·马塞, 威廉·亚历山大·古德温, 伊莱恩·陈, 蒂帕克·卡泊尔, 艾贝·J·科恩, 布兰登·D·伊特科伍兹 申请人:森瑟博科技有限公司