专利名称：压力反馈混合传动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及计算机外围设备，特别是涉及用于计算机外围设备的机械连接结构，例如用于压力反馈的控制。
当今计算机控制装置的一种发展趋势是在计算机控制装置中包含压力反馈。在计算机控制装置中加入压力反馈为软件设计者改善用户的计算机仿真提供了一种附加的传感输入或接口。例如，压力反馈完全可以用在模拟驾驶中。在真实驾车过程中，使用者或驾驶员对路上的一块冰或转弯时的动力损失最先是通过方向盘感觉到的。当模拟驾车通过粗糙地形时，通过方向盘控制器改变传递给驾驶员的转向阻力的大小或方向盘的振动，可提供给驾驶员以相似的感觉。
然而，压力反馈的质量对能否改进整个模拟的体验起着重要作用。在模拟驾驶时，如果在提供一个逼真的阻力变化时响应延迟或失败，压力反馈就不能使模拟有所改进。压力反馈的质量很大方面取决于用来连接压力反馈的动力源和用户接口(例如方向盘或操纵杆)之间的机械联接的质量。大多数的压力反馈装置需要某种传动装置来获得必须的机械增益，即将一个小动力源，例如直流电动机的力放大成为使用者可感觉的较大的力。最好是在系统频率响应最大时使机械增益增加。理想的情况是这些传动装置可使压力反馈系统的响应迅速、平稳，并不溢出或跳动。遗憾的是，在许多已知的、传动系统仅使用齿轮的反馈系统中，齿轮齿间隙会产生严重的溢出，这会降低频率响应而且会降低压力反馈质量。在频率响应较高的情况下，齿轮齿间隙将导致轮齿之间相互跳动，以致不能将运动真实地传递给用户接口。
为了提高仅使用齿轮的压力反馈系统的质量，高端计算机控制装置在其压力反馈传输装置中使用了缆线传动装置。在一典型缆线系统中，一个两级缆线传动装置使用钢缆缠绕不同尺寸的滑轮来产生需要的传动比，从而达到期望的机械增益并使频率响应损失最小。通过充分消除动力轮和最终驱动轮之间的间隙，从而可以获得这种改进的性能。然而，纯缆线传动装置存在的问题是其两级所需成本，复杂性和强度均较高。缆线传动装置的第一减速级需消耗较多的装配时间并必须使用昂贵的小直径的挠性缆线来抵抗传动所产生的力。每级传动均要使用较长的缆线，因为每根缆线可能要缠绕每个滑轮若干次。
根据以上所述，需要提供一种减少成本、提高可靠性的同时改善系统性能的压力反馈驱动装置或传动装置。改进的压力反馈传动装置最好是可容易地与现有的计算机控制系统相配合。另外，改进的压力反馈传动装置最好可以提供改进的频率响应性能以及超越仅用齿轮的传动装置的性能。
本实用新型提供一种压力反馈混合传动装置，该装置第一传动级采用齿轮传动系统，另一传动级采用缆线传动系统。优选的是，来自马达的第一减速传动是齿轮传动，导向用户接口的第二减速传动是缆线传动。该混合传动装置的优点是降低了成本，易于组装，并具有较高的可靠性，而且与仅用齿轮传动的系统相比提高了频率响应。更好但并不必要的是，用一齿轮系统取代了成本高、最复杂的那一级(即第一级缆线传动)。更具优点的是，本实用新型使用的混合传动装置的成本仅为昂贵的缆线系统的极小部分，但其产生的压力反馈的效果与缆线传动的效果大体相当。
在混合传动中第一级使用齿轮传动提供的频率响应接近缆线传动。最好是传动装置的第一级使用齿轮系统，以使与齿轮齿间隙相关的部分尽可能远离使用者，减小齿间隙对使用者的感觉和系统频率响应产生的影响。这是可以达到的，因为第一减速传动级齿间隙表现为方向盘的一个角度非常小的位移。这一不可预见的优点可使设计者将齿轮系统的低成本和可靠性以及缆线系统的高逼真度结合在一起。在混合传动装置中使用齿轮同样可减少缆线系统的装配时间。
在本实用新型的另一实施例中，第一传动级可采用不同型号的齿轮来减小齿轮系统产生的负面影响，例如系统工作时产生的齿间隙和噪声。齿轮可用聚氨酯等类的材料制成，以降低齿轮噪声。同样采用螺旋齿轮也可用来提高传动装置中齿轮系统的整体工作性能。
参照以下说明及附图，本实用新型的实质和优点将变得更加明了。
图1所示为本实用新型的压力反馈混合传动系统的一个优选图2至3所示为可用于本实用新型的齿轮的透视图。
图4所示为用于本实用新型的压力反馈混合传动装置中的一种操纵杆组件。
本实用新型涉及一种计算机外围设备。更具体地说，本实用新型提供一种混合传动装置，该装置兼具缆线传动装置先进的逼真度和性能，以及齿轮系统的经济性和可靠性。本实用新型可方便地在驱动端使用齿轮，而此处的齿轮齿间隙对整个传动性能的影响最小。从经济的角度考虑，通常理想的是在不显著降低传动的逼真度和频率响应的情况下，尽可能使用齿轮传动来代替缆线传动。例如，在某级传动中，缆线传动装置的成本相当于同级传动中齿轮系统成本的12倍(5美元相对0.40美元)。
现参考图1，对本实用新型的一个混合传动装置10的一个优选实施例进行详细描述。如图1所示，一第一级减速齿轮传动装置20和一第二级减速缆线传动装置30用于放大来自电动机40的旋转力。该电动机是典型的交流或直流电机。电动机40的输出轴具有一个小齿轮42，该小齿轮啮合在一个较大的旋转齿轮44上。该旋转齿轮44具有一个输出轴50，其上形成有一个锭子52，该锭子是第二级减速缆线传动装置30的一部分。旋转齿轮44的这一部分将传动装置中的齿轮部分与缆线部分连接起来。传统的齿轮传动装置在锭子52处具有另外一个齿轮，这样就不能如图所示的那样将压力传递到缆线传动系统上。
在图1所示的实施例中，第二级减速缆线传动装置30使用一缆线54，该缆线可用多种材料制成，例如钢或聚合物。典型情况下缆线54为长条状，并缠绕锭子52和滑轮56若干圈。锭子52和滑轮56的直径差异产生了齿轮减速比，从而增加了传动装置30的输出扭矩。优选的是，滑轮56连接一输出轴60，该输出轴连接到用户接口，在本实施例中用户接口是方向盘W。
在如图1所示混合传动装置10的实施例中，在传动系统中的第一级传动20使用一组标准的齿轮，第二级传动30使用缆线传动，这可以解决许多问题。与仅使用缆线的系统相比提高了可靠性并节约了成本，与使用齿轮的系统相比提高了逼真度。这是可以实现的，因为传动装置的第一级中的齿轮齿间隙仅表现为方向盘的一个非常小的角度位移。在一个实施例中，千分之二英寸的齿间隙使方向盘轮圈产生小于千分之零点五英寸的移动。因此，小齿轮42和旋转齿轮44间的松弛或溢出就从用户接口消除了，以致压力反馈系统感觉到的影响很小。将缆线传动装置30作为第二减速级的终级，系统的频率响应可以达到最大值。
由于传动装置的第二级需要的缆线长度减少了并且仅需部分旋转，因此在第二级中采用缆线传动，其成本和复杂性要小于在第一级中采用缆线传动。第一级传动中的缆线传动装置必须经受住更大的旋转角度，因为它距驱动马达40最近，并且必须执行最初大部分的减速传动。第一级传动使用的缆线同样非常昂贵，这是因为缆线必须沿直径更小的小滑轮反复弯曲或伸直。这需要增加缆线的柔韧性并需要使用高质量的缆线来维持它的使用寿命。第二级传动所使用的缆线成本要低一些，这是由于它们在其使用寿命期间不需要承受那么严重的弯曲和伸直变形。
在图1所示的缆线传动装置30中，引入系统的溢出或间隙非常小，这样即使系统在第一级上游也采用齿轮传动，使用者获得的感觉也会既平稳又灵敏。在传统系统中，第一和第二减速传动中使用的都是齿轮，使用者除了可以明显地感觉到第一级减速传动的齿间距之外还可以感觉到第二级减速传动的齿间距。在没有引入一个中间减速传动装置(无齿间隙)之前，在仅用齿轮的系统中的齿间隙对于使用者是不能完全消除的。如图1所示的传动装置10的典型传动比是42∶1。
当然，为了减小标准旋转齿轮的噪音和齿间隙问题，该系统可以引入多种不同的齿轮。如图2，3所示，系统中还可以采用其它结构的齿轮。图2所示斜齿轮系统100可用来改变系统的旋转轴方向。图3所示螺旋齿轮102可用来改善传动装置中齿轮的性能。螺旋齿轮增加了齿轮齿间接触面积，因而具有一定的优点。螺旋齿轮同样可以减小使用齿轮传动的噪声。齿轮可以使用多种材料制成，例如铝，青铜，钢，或塑料。塑料齿轮同样可以减小齿轮传动系统中的噪声。
图4显示了一连接到在外壳H中的一操纵杆组件120上的压力反馈系统。用户接口组件可以是一个操纵杆组件、方向盘控制装置或任何其它联系使用者的装置。在操纵杆组件中，马达40和混合传动装置10分别沿X轴和Y轴配合旋转。如箭头130和140所示，从马达40获得的压力反馈可沿箭头所示方向移动操纵杆轴150。
典型地，从操纵杆轴150输入的用户信号通过传感器160传送到一个控制单元170，例如一块微芯片，该控制单元可以是用户接口/操纵杆或个人电脑的一部分。控制单元170对通过传感器160输入的来自轴150的用户信号进行翻译、处理，并将适当的反馈信号或指令输出给压力反馈马达40。用户根据来自马达40的反馈进行反应并发送反馈信号给控制单元170。
以上是本实用新型的优选实施例的完整描述，当然还可以应用各种各样的选择、变型以及相同效果的替换。例如，可在计算机工业中的外部设备上适用弹簧组件。某些实施例中，在连接到缆线传动装置之前可以采用一级以上的齿轮传动。在另一选择实施例中，传动系统可在第一级减速传动中使用一缆线传动系统，在第二级减速传动中使用一个齿轮传动系统。这个实施例没有上述实施例那么多优点。如上所述，传动装置可用于多种装置，例如操纵杆、方向盘、以及其它的用户接口。所附权利要求确定的本实用新型要求保护的范围并不局限于上述说明。
权利要求1．一种压力反馈计算机外围设备，其特征在于，包括一用户接口组件；一马达；一与所述马达连接的第一级减速传动装置；一与第一级减速传动装置输出轴相连的第二级减速传动装置，所述第二级减速传动装置与所述用户接口组件相连；所述第一级减速传动装置和第二级减速传动装置之一为一齿轮传动装置，另一个为一缆线传动装置。
2．如权利要求1所述的计算机外围设备，其特征在于，用户接口组件包括一操纵杆。
3．如权利要求1所述的计算机外围设备，其特征在于，用户接口包括方向盘控制装置。
4．如权利要求1所述的计算机外围设备，其特征在于，所述齿轮之一为螺旋齿轮。
5．如权利要求1所述的计算机外围设备，其特征在于，所述齿轮采用聚氨脂材料制成。
6．如权利要求1所述的计算机外围设备，其特征在于，第一级减速传动装置提供至少42∶1的齿轮减速比。
7．如权利要求1所述的计算机外围设备，其特征在于，第一级传动装置具有齿间隙，而第二级传动装置基本上无齿间隙。
8．如权利要求1所述的计算机外围设备，其特征在于所述第一级减速传动装置包括多个齿轮，其中所述齿轮之一与马达相连；所述第二级减速传动装置包括一个缆线传动装置，该装置包括一与所述齿轮之一的输出轴相连的缆线和一与用户接口组件相连的滑轮。
9．如权利要求8所述的计算机外围设备，其特征在于，所述齿轮之一具有一带有一锭子的输出轴，所述缆线传动运转在滑轮和锭子之间。
10．如权利要求8所述的计算机外围设备，其特征在于，该滑轮包括有一圆盘。
11．如权利要求8所述的计算机外围设备，其特征在于，所述缆线缠挠滑轮若干圈。
12．如权利要求1所述的计算机外围设备，其特征在于，所述滑轮之一包括有一圆盘。
专利摘要一种与计算机外围设备一起使用的改进的机械连接结构。该连接结构为一压力反馈混合传动装置，其中，该装置的一个传动级为一齿轮传动系统，另一传动级为一缆线传动系统。优选的是，与马达相连的第一级减速传动为齿轮传动装置，导向用户接口的第二级减速传动为缆线传动装置。该混合传动装置的优点是降低了成本，易于组装，具有较高的可靠性，同时与仅使用齿轮传动的系统相比提高了频率响应。
文档编号G06F9/455GK2447860SQ0023358
公开日2001年9月12日 申请日期2000年5月22日 优先权日2000年5月22日
发明者戴维·麦克维卡, 于明, 唐方 申请人:罗技电子股份有限公司