具有触觉反馈的控制轮的制作方法

专利名称：具有触觉反馈的控制轮的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及轮式控制装置，而更特别地涉及具有触觉反馈的控制轮装置。
背景技术：
控制轮和旋钮用于许多不同类型的装置上来行使多种功能。通常，旋转控制钮给使用者提供了一种不匹配于其它形式控制装置如按钮或开关控制的控制度。例如，由于旋钮可以相对容易地对音量进行微调和粗调，特别是相比于按钮控制器，所以许多使用者更喜欢用旋转控制钮来调节立体声系统或其它声音输出装置所输出的音频的音量。控制轮和旋钮可用于多种其它类型的装置上，例如厨房用具和其它家用电器，图象剪辑或重放装置，遥控器，电视，等等。
有一些控制轮配备有“力反馈”功能。力反馈装置可以提供物理感觉给操作旋钮的使用者。典型地，将一个电机连接于轮上并与控制器如微处理器连在一起。微处理器从控制轮接收传感器信号后输出适当的力反馈控制信号给电机，从而电机提供符合于控制轮自由旋转度的动力。如此，就可以把多种可编程序的触觉感觉输出到控制轮上，例如制动器、弹簧力等。

发明内容
依照本发明的一个方面，由使用者对系统的至少一种功能进行控制的控制轮，包括用来接合使用者的接合轮和连接于接合轮来响应接合轮的移动提供动力或触觉反馈给接合轮的致动器。还提供有用来感测接合轮移动的传感器，以及连接于传感器来接收接合轮的定位与移动信息，并连接于致动器来控制施加给接合轮的动力的控制系统。该控制系统也可对系统的至少一种功能予以控制。
依照本发明的另一方面，接合轮经由一个齿轮传动装置连接于致动器，该齿轮传动装置包括接合轮内的内齿轮和经由一个转轴连接于致动器的小齿轮，该内齿轮啮合于小齿轮。
依照本发明的另一方面，接合轮经由连接于致动器转轴的传送带与致动器相连接。
依照本发明的另一方面，接合轮直接连接于致动器的转轴。
依照本发明的另一方面，接合轮通过与连接于致动器转轴的小齿轮相接触而连接于致动器。
依照本发明的另一方面，接合轮经由一个弹性联轴节连接于致动器。
依照本发明的另一方面，致动器由一个直流电机构成。
依照本发明的另一方面，传感器包括一个由光学编码盘与发射器/探测器组成的光学编码器。
依照本发明的另一方面，传感器包括模拟电位计、电容传感器和反射式发射器/探测器及编码条中的一种。
依照本发明的另一方面，控制轮还包括一个开关转轴，和一个开关导杆，它与开关转轴相接合并连接于接合轮，从而通过压下接合轮就能够接通开关。
通过阅读和理解下文中所建立的优选实施例的描述并结合参照附图，可以明了本发明的其它特征和优点，在附图中相同的数字代表相同的部件。


图1A和1B是依照本发明的带有触觉式滚轮的方向盘构造的透视图；图1C是使用者接合着依照本发明的触觉式滚轮的近距离平面图；图2A是依照本发明的触觉式滚轮的正视平面图；图2B是图2A中所示的触觉式滚轮的透视图；图2C是图2A和2B中所示的触觉式滚轮的分解图；图2D是图2A和2B中所示的触觉式滚轮的另一分解图；图2E是用于依照本发明的触觉式滚轮的传感器装置的示意图；图3是依照本发明的触觉式滚轮的选择实施例的透视图；图4A和4B分别是依照本发明的触觉式滚轮装置的另一选择实施例的平面图与分解图；图5A是依照本发明的触觉式滚轮装置的另一选择实施例的平面图；图5B是图5A中所示的触觉式滚轮装置的分解图；图6是依照本发明的触觉式滚轮的另一选择实施例的透视图；以及图7是显示可以用于依照本发明的滚轮装置的致动器，传感器传动装置，选择开关电机，传感器和动力传动装置分类的几个不同实施的图表。
具体实施例方式
在此公布的触觉式滚轮的一个目的是让使用者能够直觉地控制计算机或带有单个滚轮的电动装置的几种界面模式。也就是说，通过调节滚轮的感觉来明确地符合于用户界面的工作环境，使用者可以更容易地在综合的计算机执行菜单和模式内进行操纵。例如，一些界面模式可能具有制动器的触觉，而其它模式可能具有轻推-飞梭控制器(jog-shuttle)的弹簧定心感觉。通过提供常见的触觉暗示，这种可变反馈给予了使用者更清楚、更丰富的感受。
触觉式滚轮的一个首选应用是在机车如汽车中。触觉式滚轮可以便利地安置于例如汽车的方向盘上，从而使驾驶员能够容易地接近滚轮。在其它实施例中，可以把滚轮放置于汽车的仪表板或其它位置上，使驾驶员和/或乘客利用滚轮经控制系统来控制各种功能。装置10还可以控制车的功能性例如声频控制与输出，温度控制，车窗控制，车座控制，导航系统，移动电话或其它便携式电话控制系统，安全/报警系统，等等。
在另外的实施例中，滚轮可以用于其它装置，例如计算机接口装置(鼠标、控制杆、跟踪球、舵轮、医用仿真设备等)，立体声系统，电视机，计算机(例如互联网导航)，器具，剪辑/重放装置，任何装置的遥控器，家用自动系统(来控制诸如灯、车库门、锁、电器等装置)，电话，摄影机，用来遥控模型车、玩具的控制装置，等等。
虽然本发明的装置在这里称为“滚轮”，且滚动条目和其它线性数据结构是其计划目标之一，但是也可以用轮来实施除滚动之外的其它控制功能，例如移动一个指示光标，调节音量、平衡、设置或其它值，等等。
在专利Nos.6,128,006和6,154,201以及共同待决的申请Nos.09/783,936和09/637,513中，描述了其中大多可以用于本发明的轮、旋钮和其它装置的设备特性、控制模式、控制器电子技术及触觉作用的多个不同实施例，所有的这些专利和申请都作为参考结合于此。
图1a和1b显示针对本发明的触觉式滚轮的两个方向盘构造的原型。图1a中的方向盘100可以处于机车如汽车、船等中，触觉式滚轮102可以安置于方向盘一侧旁，靠近使用者手握方向盘100的位置。这让使用者能够容易地把手指从自然的握盘位置移到轮上。图1b中的方向盘110包括两个位于方向盘相对两侧上的触觉式轮112和114。它允许使用者使用感觉更为舒适的特定滚轮，或者允许使用者同时用两个滚轮来同时控制两种功能。图1a-1c所示范例中的滚轮装置的大小为30mm×40mm×50mm。
如图1a和1b中所示的方向盘上的滚轮的方向可以在不同的实施例中进行变化。触觉式滚轮的旋转轴可以平行于使用者握方向盘时拇指所在的长轴，让使用者能够从一侧到另一侧来移动触觉式轮。此构造示于图1c中。这种方向使使用者的拇指保持伸展而很容易地感觉到触觉作用。在其它实施例中，触觉式轮的旋转轴可以垂直于拇指所在的长轴来放置，从而使使用者通过弯曲拇指来上下移动触觉式轮。垂直方向可以给使用者提供对触觉式轮的更大的控制，但是，由于拇指伸展时与回缩时相比要省劲，因此会产生一些力而感觉不匀称。
因为滚轮是安置于旋转的机车方向盘上，所以滚轮会出现在使用者的多个不同方向内。例如，当使用者在高速公路上行驶时与车轮倾斜或颠倒停放汽车时相比，滚轮会处于不同的方向。因为使用者主要是在路上直驶时使用此装置，所以该装置的放置和方向应该是对于这种使用模式来说最佳的。但是，在设计系统时应该紧记其它的使用模式(例如停放)，而图1c中所示的方向充分地针对了这些其它模式。
参照图2a-2e来描述触觉式滚轮的一个优选实施例。图2a和2b显示组装好的滚轮装置，而图2c和2d显示一个分解图。图2e是编码装置的示图。此实施例提供了一个小数量、低成本和高度传真的触觉作用。
使用者接触滚轮120。轮120优选地具有一个摩擦外表面来充分地接合使用者的皮肤从而使用者可以感受到触觉作用。轮120优选地是一个直流电机122(或其它类型的致动器)，它经由一个放大电机最大驱动力的齿轮传动装置连接于轮120。齿轮传动装置包括一个内齿轮124和一个小齿轮126。内齿轮124包含设置于轮120内部的轮齿，它与小齿轮126的轮齿配合。轮120和内齿轮124经由刚性连接于轮120旋转中心的轮轴128相对于小齿轮126安置。
触觉反馈的理想动力传动率是2.5至4。较小的传动比会导致该系统固有地不稳定，而后必须内置一些摩擦方式来增加阻尼以保持稳定性。较大的传动比会使电机的惯性干扰触觉感受。在其它实施例中，去掉了内齿轮124和小齿轮126，而用消除齿隙的摩擦部件来代替齿轮，例如可以提供一个摩擦环来替换内齿轮124而用一个如橡胶制成的摩擦轮来替换小齿轮126。
如图2d和2e中所示，滚轮120的旋转位置优选地通过光学编码器来感测。光学编码盘130在两个传动比之间有效地旋转。编码器传动装置132经由一个盘绕于传动皮带轮133与编码器滑轮135之间的O形带环134连接于小齿轮126，该O形带环在内齿轮124与小齿轮126之间所提供的比率之外又提供了一个另外的传动比。这就允许使用一个较低成本的编码发射器/探测器136和光学编码盘130，例如可以通过传动比的运用来使低的感测分辨率得到增加。编码盘130包含有几个槽(或标记)，通过它们来引导发射器/探测器136所发射的波束，从而发射器/探测器136的探测器能够探测槽的运动并由此探测轮的位置。编码器传动装置132不须具有更昂贵的编码技术而可以直接连接于内部齿轮/小齿轮传动装置，例如直接连接于小齿轮126。发射器/探测器136经由连接器137与控制系统相联络。也可以利用其它类型的连接及通信方式。
此外，滚轮由使用者推动的这一性质允许执行另外的指令。例如，可以推动滚轮来选择已经通过转动轮来滚读的菜单中的特定条目。在普通的滚轮应用(如鼠标)中致动方式并不重要，而在触觉应用中致动方式是非常重要的，因为如果设计得不正确，那么阻片和弹簧的使用就会导致致动失去作用。线性推动选择方法对于这类装置是一个优选解决方案，尽管可以使用其它的选择方法。
因此，滚轮装置139包括轮120和驱动器/传动装置/传感器部分。装置139经由推动选择轴导杆140和推动选择轴142连接于底座138。该装置借助于如螺钉、铆钉等连接于导杆140。这使整个装置139可以沿轴142进行线性移动。两个选择运动导杆144设置于底座138内来引导滚轮装置139只沿着选择轴142的轴线移动。装置139被搁在触觉式开关146上，从而当使用者压下该装置(通过对轮120施压)时，触觉式开关146就会闭合。触觉式开关与控制系统相连通。因此，当使用者滚动轮时就可以进行选择，通过压下滚动装置来接通触觉式开关，由此让使用者移动通过计算机可视菜单、可听菜单、非可视菜单或其结合体。
图3是触觉式滚轮的另一实施例150的透视图。底座152为具有旋转轴156的致动器154如直流电机的基底。皮带传动装置包含皮带156，其一端卷绕于轴158而另一端卷绕于滑轮160。滚轮162刚性连接于滑轮160并围绕相同的旋转轴旋转。在其它实施例中可以把滚轮162做得比滑轮160更大以便于使用者接近；或者，滚轮162可以更远离滑轮160来沿轴安置。数字编码传感器包括编码盘164和用来感测致动器转轴和滚轮162位置的发射器/探测器166。在其它实施例中，也可以把皮带156作为滚轮的接触表面，即，当旋转滚轮时使用者接触皮带156，并且在这一实施例中滚轮可以是滑轮160。
图4a是滚轮的直接驱动实施例170的透视图。致动器172如一个直流电机以底座174作为基底。滚轮176直接连接于致动器172的轴。由于没有传动装置，所以此实施例是于此公布的滚轮装置实施例中成本最低的一个。图4b是另一直接驱动机构175的分解图，包括底座176，滚轮177，致动器178和编码盘179。此实施例具有较低的摩擦和更大的简易性，但是所输出的转矩较少。
图5a是滚轮的另一实施例180(一个摩擦/剪切力驱动实施例)的透视图而图5b是其分解图。外壳182支持着滚轮184和致动器186，在这里致动器的轴与滚轮184的旋转轴偏置。滚轮184通过连接于致动器转轴187的小齿轮188从其外周来驱动。可以把滚轮184的表面做成具弹性或摩擦的，来更容易地啮合小齿轮188。编码盘190可以连接于致动器转轴，例如滚轮离开致动器的另一侧上，从而发射器/探测器191可以感测滚轮的位置。由于致动器转轴的旋转轴线距离滚轮的旋转轴线更远，所以只要致动器转轴符合于滚轮轴，就可以使用较大的致动器。此实施例提供了高转矩输出、可缩放的机械设计，并且由于摩擦传动使感测分辨率增加，所以允许使用更小的电机。其缺点包括高度摩擦和比直接驱动构造更大的复杂性。
图6是本发明的离轴驱动的滚轮的另一实施例200的透视图。此实施例提供了一个带有不同于致动器转轴轴线的滚轮旋转轴的直接驱动构造。致动器204以底座202作为基底。滚轮206可旋转地连接于底座202并且与不平行于致动器转轴旋转轴线的旋转轴成一条直线。弹性联轴节208将致动器转轴同滚轮206连接在一起，以使致动器能够驱动滚轮。在此构造中，可以把一个较大电机容易地安置在可用空间内。
图7是显示可以用于本发明的致动器、传感器传动装置、选择开关电机、传感器和动力传动装置分类的几个不同实施的图表，其中的一些已在上面进行了很详细的描述。一种分类中的任何实施例都可以用于另一分类中的任何实施例。关于致动器，可以使用标准直流电机210，双相直流电机212，双轴直流电机214，扩充直流电机216或磁转致动器218。也可以使用其它未示出的致动器类型。
关于传感器传动装置，在实施例220中滚轮缘可以带动编码盘转轴进行旋转。或者，如实施例222中所示，可以用一个传动带将编码盘连接于滚轮，或者将一个滑轮连接于滚轮或致动器转轴。如实施例224中所示可以使用一个连接于编码盘的内齿轮和小齿轮。如方框226中所示，可以使用一个粗分辨率而低成本的较大编码盘，或者可以使用具有较高分辨率和成本的较小盘。或者，如实施例228中所示，可以使用一个齿轮传感器传动装置，其中滚轮连接于齿轮，且编码器轮连接于啮合齿轮的小齿轮。
可以执行不同的选择开关运动。实施例230和232提供了一个围绕如所示的旋转轴线进行旋转或枢转的滚轮；例如，可以把一个底座连接于支持滚轮的枢转部分。实施例234提供了一个传动滚轮，而实施例236包含有一个接地的四杆联动装置，能够使滚轮近似旋转地移动。实施例238在滚轮内部提供了许多开关，从而使用者可以在其圆周上的任一点按压滚轮，最靠近接触点的开关就会感觉到压力、接触或滚轮的相应运动。
可以使用不同类型的传感器，包括如实施例240中所示的由编码盘和发射器/探测器组成的光学编码器。如实施例242所示的模拟电位计，实施例244中的电容传感器(如结合于此作为参考的共同待决的申请书no.09/248,177中所述)，具有如实施例246中所示图样的反射式发射器/探测器和编码条，以及如实施例248所示的图样或在编码器轮自身和发射器及探测器上提供来感觉运动的其它可检测表面。
关于动力传动装置，如实施例250中所示，可以使用一个摩擦轮(小齿轮)和滚轮的摩擦内表面。或者，如以上所述及实施例252中所示，可以使用一个内齿轮和小齿轮。也可以应用直接驱动实施例254，或者皮带传动实施例256。还示出了离轴实施例258。在上文中对这些实施例已进行了详细描述。一般地，当动力传动装置产生较大转矩时，它们也会带来更大的摩擦、惯性和齿轮隙，所有这些都潜在地降低了使用者的感受。在设计利用动力传动装置的系统时必须紧记这些交互影响。
从几个首选实施例方面已对本发明作了描述，对其所做的变更、修改和置换都落入了本发明的范围内。还应该注意上述实施例可以以不同的方式结合到特定的实际应用中。另外，为了叙述得更加清楚使用了某些术语，而并不限于本发明。
权利要求
1.一种由使用者对系统的至少一种功能进行控制的控制轮，该控制轮包括用来接合使用者的可移动接合轮；连接于接合轮来响应接合轮的移动提供动力给接合轮的致动器；用来感测接合轮移动的传感装置；以及连接于传感装置来接收接合轮的定位与移动信息，并连接于致动器来控制施加给接合轮的动力的控制系统，该控制系统还可对系统的至少一种功能予以控制。
2.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，接合轮经由一个齿轮传动装置连接于致动器，该齿轮传动装置包括接合轮内的内齿轮和经由一个转轴连接于致动器的小齿轮，该内齿轮啮合于小齿轮。
3.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，接合轮经由连接于致动器转轴的传送带与致动器相连接。
4.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，接合轮经由与连接于致动器转轴的传送带相连的滑轮连接于致动器。
5.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，接合轮直接连接于致动器的转轴。
6.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，接合轮通过与连接于致动器转轴的小齿轮相接触而连接于致动器。
7.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，接合轮经由一个弹性联轴节连接于致动器。
8.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，致动器由一个直流电机构成。
9.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，传感装置包括一个由光学编码盘与发射器/探测器组成的光学编码器。
10.如权利要求1所述的控制轮，其特征在于，传感装置包括模拟电位计、电容传感器和反射式发射器/探测器及编码条中的一种。
11.如权利要求1所述的控制轮，还包括一个开关转轴，和一个开关导杆，该开关导杆与开关转轴相接合并连接于接合轮，从而通过压下接合轮就能够接通开关。
12.一种由使用者对系统的至少一种功能进行控制的控制轮，该控制轮包括包含推动选择轴的底座；滚轮装置，其包括用来接合使用者的可移动滚轮，该滚轮包括设置于滚轮内部的内齿轮；包括响应滚轮的移动提供动力给滚轮的传动轴的致动器；连接于轴并与内齿轮相啮合的小齿轮；和用来感测滚轮移动的传感装置；与推动选择轴啮合并连接于滚轮装置的推动选择轴导杆；与滚轮装置相接合的触觉式开关；以及连接于传感装置来接收滚轮的定位与移动信息，并连接于致动器来控制施加给滚轮的动力的控制系统，该控制系统依据触觉式开关和滚轮对系统的至少一种功能予以控制。
13.如权利要求12所述的控制轮，其特征在于，致动器由一个直流电机构成。
14.如权利要求12所述的控制轮，其特征在于，传感装置包括一个由光学编码盘与发射器/探测器组成的光学编码器。
15.如权利要求12所述的控制轮，其特征在于，传感装置包括模拟电位计、电容传感器和反射式发射器/探测器及编码条中的一种。
16.一种汽车系统的方向盘系统，该方向盘系统包括由使用者对汽车系统的至少一种功能进行控制的控制轮，该控制轮包括包含推动选择轴的底座；滚轮装置，其包括用来接合使用者的可移动滚轮，该滚轮包括设置于滚轮内部的内齿轮；包括响应滚轮的移动提供动力给滚轮的传动轴的致动器；连接于轴并与内齿轮相啮合的小齿轮；和用来感测滚轮移动的传感装置；与推动选择轴啮合并连接于滚轮装置的推动选择轴导杆；与滚轮装置相接合的触觉式开关；以及连接于传感装置来接收滚轮的定位与移动信息，并连接于致动器来控制施加给滚轮的动力的控制系统，该控制系统依据触觉式开关和滚轮对汽车系统的至少一种功能予以控制。
17.如权利要求16所述的方向盘系统，其特征在于，致动器由一个直流电机构成。
18.如权利要求16所述的方向盘系统，其特征在于，传感装置包括一个由光学编码盘与发射器/探测器组成的光学编码器。
19.如权利要求16所述的方向盘系统，其特征在于，传感装置包括模拟电位计、电容传感器和反射式发射器/探测器及编码条中的一种。
全文摘要
一种由使用者对系统的至少一种功能进行控制的控制轮，包括用来接合使用者的可移动接合轮和连接于接合轮来响应接合轮的移动提供动力或触觉反馈给接合轮的致动器。还提供有用来感测接合轮移动的传感器，以及连接于传感器来接收接合轮的定位与移动信息，并连接于致动器来控制施加给接合轮的动力的控制系统。该控制系统还对系统的至少一种功能予以控制。
文档编号B62D1/04GK1533526SQ02814559
公开日2004年9月29日 申请日期2002年7月31日 优先权日2001年7月31日
发明者格雷戈里·A·斯普林格, 亚历山大·亚绍, 斯蒂芬·P·瓦萨洛, 肯尼斯·M·马丁, 布鲁斯·M·斯凯纳, M 斯凯纳, M 马丁, P 瓦萨洛, 大 亚绍, 格雷戈里 A 斯普林格 申请人:伊梅森公司