CN1397061A - 用于触觉反馈接口设备的有方向触觉反馈 - Google Patents

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Abstract

在触觉反馈接口设备(200)中提供的有方向触觉反馈。接口设备(200)包括至少两个致动器组件(202，204)，每个包括运动惯性质量(206/210)。以不同的幅值提供给致动器组件(202，204)的单个控制信号提供由用户感知的有方向惯性感觉。较大幅值波形能加到一个致动器(208/212)，提供在外壳中具有大约对应于那个致动器的位置的方向的感觉。在另外实施例中，每个致动器组件包括转动惯性质量，且控制信号具有不同工作周期以提供有方向的感觉。为了功率消耗的效率，控制信号能在不同频率的工作周期中交错或脉动，以减少平均功率需求。

Description

用于触觉反馈接口设备的有方向触觉反馈
发明背景
本发明通常涉及人与计算机接口的接口设备，更具体地涉及使用户向计算机系统提供输入并使计算机向用户提供触觉反馈的计算机接口设备。
用户能与由计算机显示的环境互动，在计算机上完成功能和任务。用于那样互动的通常人—机接口设备包括鼠标、游戏杆、跟踪球、游戏板、驾驶盘、指示笔、输入板、压敏球等，它们与计算机系统连接。通常，计算机响应用户对如游戏杆把手或鼠标那样的具体操纵器的操纵更新环境，并使用显示屏和声频嗽叭向用户提供视频和声频的反馈。计算机借助于向计算机发送位置信号的接口设备的传感器感知用户对操纵设备的操纵。在某些接口设备还向用户提供动觉力反馈或触觉反馈，这里常称为“触觉反馈——haptic feedback”。这些接口设备可以提供被操纵接口设备中的用户操纵器的用户感知的具体感觉。一个或多个马达或其他致计器连接到外壳或操纵器并连接到控制计算机系统。计算机系统通过发送控制信号或命令到各致动器控制各输出力与显示的事件及互动相协调。
许多低价的触觉设备提供基于惯性(inertially-grounded)的触觉反馈，其中力相对于惯性质量发送并由用户感觉，而不是提供动感反馈，其中力相对于物理(地球)地直接输出到运动的操纵器的运动自由度上。例如，许多现在可得到的游戏板控制器包括带偏心质量的旋转马达，它配合在游戏中发生的事件输出力的感觉到控制器的外壳。在某些触觉鼠标设备中，鼠标的针，按键或外壳能按照控制光标与其他图形对象的互动而致动，用户通过接触那个外壳区域而感觉那些。
那样的不贵的触觉控制器的一个问题是它们将不同类型的力的感觉传递给用户的能力有限。更希望有那样设备，它在协调和调节触觉感知的感觉上为开发者提供更大的灵活性。此外，现在可得到的惯性控制器只能在转动质量的一般方向上提供输出脉冲和振动。对用户那样感知的感觉好象它们不在任何特定方向上输出而简单地输出到设备的外壳。然而，在游戏和计算机实现的环境中的许多事件是基于方向的。并将从当前的惯性触觉设备不能提供的触觉感知的方向性得到好处。
发明内容
本发明的目的是在触觉反馈接口设备中提供有方向的触觉反馈。还叙述了用于那样有方向反馈的触觉设备的有创造力的功率—效率特征。
更具体说来，本发明的接口设备为用户提供有方向的触觉反馈，此接口设备与主计算机通讯。该设备包括与用户物理上接触的外壳和至少一个检测用户输入的传感器。至少有两个致动器组件，每个包括运动的惯性质量并放置在外壳中引起在外壳上有方向的惯性感觉。一个控制信号以不同的幅值加到致动器组件中每一个，提供被用户感知的有方向惯性感觉。最好，波形的较大幅值加到致动器组件中特定的一个以提供具有几乎对应于外壳中该特定致动器组件位置的方向的感觉，例如较大的幅值施加到左致动器组件以提供具有左边方向的感觉。
可以包括一个当地处理器，它从计算机接收高级命令并控制致动器组件。高级命令可包括平衡参数，它指出在致动器组件之间如何分配电流以提供沿致动器组件之间的轴有方向惯性感觉的所希望的位置。致动器组件能线性振动所述惯性质量，或转动偏心的转动质量。控制信号能分成两个控制信号，一个与另一个异相，且每个送到一个致动器组件。本发明的方法类似地能输出有方向的惯性感觉。
在本发明的另一方面，接口设备向用户提供有方向的触觉反馈并包括物理上与用户接触的外壳，和至少一个用于检测用户输入的传感器。至少有两个致动器组件，每个包括单向驱动的转动惯性质量。致动器组件定位在外壳中引起在外壳上有方向惯性感觉，其中控制信号在不同工作循环加到每个致动器组件以提供由用户感知的有方向惯性感觉。例如，控制信号命令的幅值能加到致动器组件的左边一个以提供具有左边方向的感觉；类似地能对右边方向提供控制。能使用包含平衡参考的高级命令，指出在致动器组件之间如何分配输出振动幅值。一个控制信号与另一个异相。控制信号也能互相交错，使得控制信号永远不会同时打开。另外，当一个控制信号同时与另一个一样打开时，一个或两个信号是以预定频率和工作循环脉动以减少致动器组件的平均功率需求。本发明的方法类似地允许输出有方向的惯性感觉。
本发明有益地使用低价致动器提供用于触觉反馈设备的有方向触觉反馈感觉。这些感觉允许在此类触觉设备中有各种各样的感觉，使能体验到玩游戏或与用户更多完成的其他类型的计算机应用的互动。功率效率的特征也允许低功率设备的实施例能提供这里揭示的有方向触觉感觉。
在阅读本发明的下列说明和研究若干附图以后本发明的这些和其他优点对业内的熟练人员将变得十分明白。
附图概述
图1是适用于本发明的游戏板触觉反馈系统的立体图；
图2a和2b分别是包括两个提供有方向惯性反馈的致动器的触觉接口设备的一个实施例的顶视平面剖视图及侧向立面视图；
图3是功能概略图，示出用于图2a-2b的两个致动器实施例的本发明的控制方法；
图4是接口设备的概略表示和用户感觉合成的惯性力的可能的大概位置；
图5a和5b分别是包括两个致动器和转动惯性质量的触觉接口设备的另一个实施例的顶视平面剖视图和侧向立面视图；
图6是示出希望的正弦波振动和提供那样振动的控制信号的时间与幅值关系的图；
图7是示出希望的正弦波振动和提供那样振动的控制信号的时间与幅值关系的另一个例子的图；
图8a和8b是示出用于借助两个不同致动器组件转动质量并独立地控制幅值和频率的控制信号的图；
图9a，9b和9c是示出对具有不同频率和/或重叠的控制信号的本发明的功率分配方法的图；
图10a、10b、10c、10d是示出在本发明的控制方法中为提供有方向触觉反馈的控制信号的图，和
图11是一方框图，示出适用于本发明的触觉反馈系统的一个实施例。
较佳实施例的详细描述
图1是适用于本发明的触觉反馈接口系统10的立体图，它能根据用户对设备的操纵提供输入给主计算机，并能根据在主计算机实现的程序中发生的事件提供触觉反馈给系统的用户。系统10作为游戏板系统10的示例性形式示出，包括游戏板接口设备12和主计算机14。
游戏板设备12是手持控制器的形式，并具有当前可用于视频游戏操纵台系统的许多游戏板类似的形状和大小。接口设备10的外壳15的形状适合于两手在抓握的凸块16a和16b处抓住设备。在所述的实施例中，用户用他或她的手指选取在设备12上的各种控制。在另一些实施例中，接口设备可采取广泛的形式，包括放置在桌面或其他表面的设备，直立拱廊形游戏机，膝顶设备其它或穿戴在人身上的、手持式或用户单手使用的设备等。
在设备12上能包括一块方向板18，允许用户给主计算机14提供方向输入。在具大多数普通的实施中，方向板18大致形如十字头或具有四个延伸物或从中心点以90％为间隔伸出的方向位置，其中用户能按压一个延伸物20以提供方向输入信号给主计算机作为对应的方向。
在设备12中包括一个或多个指状游戏杆，它凸出在外壳15的表面由用户在一个或多个自由度上操纵。例如，用户能抓住设备的每个把手部分16a和16b，并使用一个姆指或于指在两个自由度(在某些实施例为3个或多个自由度)操纵游戏杆26。此动作转换成提供给主计算机14的输入信号，并能取与方向板18提供的信号不同的信号。在某些实施例中，对游戏杆能够提供另外的线性或旋转自由度。在其它实施例中，替代游戏杆或除此以外提供一个球，其中球的一个或多个部分能伸出外壳15的左，右，顶和/或底边，使得用户能在两个转动自由度中适当位置转动此球，并类似于游戏杆进行操作。
除了按键24，游戏杆26和方向板18以外或替代它们可以在手握外壳15容易达到的范围内放置其他控制板。例如，一个或多个触发键能放在外壳的下方并能由用户的手指按压。在设备12的各种位置上也能提供其他控制，如在游戏中用于气阀控制的拨盘或滑动器，四路或八路的编码开关、旋钮，跟踪球，滚轮或球等。这些控制中任一个也能与如能触知的反馈那样的触觉反馈一起提供。
此外，如在下面详细描述，当用户操作设备时与用户接触的外壳本身最好提供触觉反馈。外壳的可动部分也能提供触觉反馈。因此，外壳能提供触觉反馈和方向板18(或其他控制)能提供分开的触觉反馈。每个与触觉反馈一起提供的其他按键或其他控制也能从其他控制单独地提供触觉反馈。
接口设备12通过若干种通讯介质的任何一种的总线32连结到主计算机14。例如，能使用串行接口总线，并行接口总线或无线通讯链路(无线电，红外等)。具体的实现可以包括通用串口总线(Universal Serial Bus——USB)，IEEE1394(火线——Firewire)，RS-232，或其他标准。在某些实施例中，设备的致动器的电源能通过在总线32或其他通道上发送的功率供应或补充，或在设备12上提供电源供应/储存设备。
接口设备12包括向主计算机14报告控制信号并处理从主计算机14来的命令信号所必需的线路。例如，传感器(及有关线路)能用于感测并报告设备控制的操纵到主计算机。设备最好还包括从主计算机接收命令信号并按照命令信号使用一个或多个设备致动器输出触觉感觉的电路。游戏板12最好包括致动器组件，它运转，以在游戏板12的外壳上产生力。此操作在下面参考图2详细描述。
主计算机14最好是视频游戏控制台，个人计算机，工作站或通常包括一个或多个主微处理器的其它计算或电子设备，能使用各种象家用视频游戏系统之一，如从Nintendo，Sega，或Sony可得到的系统，电视“机顶盒”或“网络计算机”等。另外能使用如IBM兼容个人计算机或Macintosh个人计算机，或如SUN或Silicon Graphics的工作站。或者，主计算机14和设备12能包括在拱廊形游戏机，便携式或手持式计算机，车载式计算机，或其他设备的单个外壳中，主计算机14最好执行主应用程序，用户经外围和接口设备12与该程序交互。例如，主机应用程序可以是视频或计算机游戏，医学仿真，科学分析程序，操作系统，图形用户界面，绘图/CAD程序，或其他应用程序。这里，计算机14可认为提供一个“图形环境”，可以是图形用户界面，游戏，仿真或其他可视环境。计算机显示“图形对象”或“计算机对象”，它们不是物理对象，而是数据和/或过程的逻辑软件单元的集合，如业内熟练人员所知，它们作为映象被计算机14在显示设备34上显示。与触觉反馈设备软件接口的合适的软件驱动器可从San Jose，California的Immersion Corporation得到。
显示设备34可包括在主计算机14中并能是一个标准的显示屏(LCD，CRT，平面板，等)，3-D护目镜，投影显示设备(如投影仪或车辆中的头罩(heads-up)显示)，或任何其他可视输出设备。通常，主机应用提供在显示设备34显示的映象和/或如听觉信号的其他反馈。例如，显示屏34能从GUI和/或应用程序显示图形对象。
在另外的实施例中，以这里叙述的本发明可以使用许多其他接口和控制设备。例如，鼠标，跟踪球，游戏杆把手，驾驶盘，旋钮，触笔，把手，接触板，或其他设备能得益于这里描述的惯性触觉感觉。此外，其他类型的手持设备十分适用于这里描述的发明，如手持式远程控制设备或蜂窝电话或手持式电子设备或计算机能与这里描述的触觉反馈部件一起使用。例如，这里描述的感觉垂直地从设备表面输出或在游戏杆把手，跟踪球，触笔，抓手，轮子，或其他设备上的操纵对象上输出，或在希望的方向或扫动中输出。
在操作中，由用户操纵接口设备12的控制，它指示计算机如何更新所实施的应用程序。包括在设备12的外壳15中的电子接口能将设备12连接到计算机14。主计算机14从接口设备接收输入并响应此输入更新应用程序。例如，一个游戏提供图形环境，其中用户使用方向板18，游戏杆26和/或按键24控制一个或多个图形对象或实体。主计算机能提供力反馈命令和/或数据到设备12，产生设备要输出的触觉反馈。
图2a和2b分别是包括使用本发明的一个实施例的两个致动器于有方向惯性反馈的设备12的实施例100的顶视剖面图和侧向立面视图。示出的实施例可以与任何惯性接口设备一起用，但最好地适用于被用户用两个手抓住设备外壳的不同部分的手持式设备。为了示例性目的，本实例描述为游戏板。游戏板外壳101包容了游戏板触觉接口设备12，用户操纵它向主计算机系统提供输入。用户通常借助一个手抓住各手柄16并使用手指操纵外壳101中心部位上的输入设备而操作该设备。
外壳101最好包括两个谐波驱动的致动器组件102和104。这些致动器组件能以各种方法的任一个来实现。大多数合适的致动器组件提供能谐波振动的惯性质量，还在惯性质量上包括中心弹簧力，使能有效的和高度可控制的惯性感觉。在一个实施例中，能使用这里参考图2-8描述的致动器组件。在其他实施例中，致动器组件102和104能是谐波驱动致动器组件，它提供连接到析缝(flexure)的转动马达(或其他致动器)，后者使惯性质量能近于线性地振荡，从而提供触觉反馈。惯性质量可以是马达本身。类似这里描述的致动器，致动器可用如正弦波那样的周期控制信号和谐地控制。惯性质量能以任何方向振荡；例如，在一个方向上下振荡，如箭头106所示。在另外实施例中，能使用如音圈(移动线圈)致动器那样的其他类型致动器。在又一个实施例中，能使用转动惯性质量，如下面所述那样在转动马达的轴上提供的偏心质量。
谐波驱动致动器组件102和104最好放在设备允许的最大空间间隔处。例如，在游戏板的实施例中，组件102和104能放置在游戏板的不同的把手16中。这使得方向力的感觉更便于用户体验。致动器组件102和104最好在如致动器尺寸、弹簧刚度、惯性质量、和阻尼(如果提供的话)等有关特性方面也相同。这使得在设备的每一端惯性力大致相同并使得方向的平衡更加有效。其他的实施例能包括致动器组件不同的间隔和/或尺寸。
图3是功能性概略图，示出使用参考图2a-2b描述的二个致动器的实施例100的本发明的控制方法，它提供的有方向触觉反馈能由用户在两个致动器组件之间的位置上空间定位。图3a的时间对电流图130画出一个初始控制波形，它提供由设备的致动器输出的基本振动，并且有所希望的频率，持续时间与幅值。波形是沿着轴正负方向和谐驱动质量的力函数。此波形能用各种参数随意调节。例如，如图3b的曲线134所示，可以施加包络线136提供波形138，它在振动期间在不同点处具有在所需能动范围的调节幅值。在另外的应用中，不需要施加包络线。
当控制波形138输出到致动器组件(或实现控制波形138的信号被输出)，同样的基本波形形状提供给每个致动器组件，但幅值被改变比例，使得命令的电流在两个致动器组件102和104之间分配。为了向用户提供没有方向感的振动或其他惯性力感觉，用同样电流量提供给两个致动器组件，使得从每个致动器输出同样幅值的振动。但如果要具有方向感的惯性感觉，则提供一个致动器比另一个更多的电流，即一个致动器输出比另一个更大幅值的惯性力。曲线图140和142示出从发送到致动器组件102和105的曲线图134的波形导出的控制波形。这些图指出用户感觉“向左”的情况。图340的波形144是命令的100％幅值的70％幅值，并送到在设备左侧的左致动器104。图142的波形146具有命令的幅值的30％(余下的电流量)，并送到设备右侧的致动器102。如果输出右方向，则在设备右侧的致动器102得到较大的电流量(较大的幅值)。作为有方向振动，用于在设备一侧感觉更强烈的振动。
触觉感觉的方向性在如游戏那样的许多应用中有用。例如，如果在游戏中用户的车辆在左边撞入栅栏，左边的致动器能输出更强的振动，指出此碰撞的方向。如果一个游戏者的字府冲印在他的左边，能输出左振动。
根据两个致动器之间的幅值分配，用户在两个致动器组件之间的某个位置感觉输出惯性感觉；一个力越是强，用户感觉到输出的合成力越靠近该致动器组件。例如，图4示出游戏板100的表示，其中示出致动器组件102和104。轴152指示了用户可能感觉到合成惯性力的可能位置。从图3的波形命令，左致动器组件104输出比右致动器组件102(30％)更大的力(70％)，使用户感觉到惯性力在外壳101的位置150附近输出，其位置更靠近左致动器，正比于它的较大的幅值。因为惯性感觉是由同样的基本波形支配的，效果是带着相同的频率同步地输出。幅值的分配能以任何需要的方式改变，以便在沿轴152上的任何点上输出能感知的方向。
以此方式支配方法的一个方法是指定“平衡”参数。例如，主计算机能提供高级命令给设备12上的当地处理器。高级命令能包括如频率、幅值参数，包络上升(attack)和衰退(fade)参数，和平衡参数等参数。例如，平衡参数可以指定为在一个范围内的数。例如，0到90的范围能用来模拟向量力方向，值45说明在致动器组件输出之间精确的平衡，所以在设备的两侧惯性力感觉相等。低于45的值说明较大的力在左边，0值说明100％的支配电流控制左边致动器，而右致动器无输出。值90控制右致动器具有满输出而左致动器无输出。另外，可以规定一个百分数，此数可施加到如左致动器那样的默认致动器；例如，值65指出65％的命令电流幅值应当流向左致动器，而余下35％的命令电流幅值流向右致动器。当地的处理器能按照命令的平衡完成两个输出控制信号的换算，并将适当的换算后的信号提供给每个致动器组件102和104。
另外，主计算机能通过直接发送换算的信号到每个致动器，或通过直接命令当地处理器送出主机发送的控制信号给每个致动器而直接指令平衡特征。
实施例100的重要特征是两个致动器组件最好保持同步，包括相位同步。使用单个波形控制两个致动器，但改变波形的幅值指出对惯性力的方向或偏离平衡的感觉。因此，每个致动器组件的质量同步地振荡，只是一个质量加速得更快并从质量的原点移动更大的距离，引起从那个致动器组件发出更大的力。这就是允许用户更好地感知方向性，因为用空间的布局建立单个感觉。在另外实施例中，致动器能是非同步的，但这趋于对力的感觉提供较小的方向性。
在其他实施例中可以包括附加的致动器。例如，两个致动器可以在左边，两个致动器在右边，以增加幅值振动。或者，附加的致动器能放置在前面，后面，顶部或底部位置以提供对触觉反馈的附加的方向。最好，每个致动器以可得到功率的所需比率接收同一波形以得到方向性。例如，如果以三角形配置提供三个致动器组件，合成惯性力感觉的感知位置能放在所有三个致动器组件之间的某个地方，这样有效地给力的位置增加了第二个维度。通过适当地调节到每个致动器组件的电流幅值能调节此位置。
用实施例100能达到的另外重要的方向效果是惯性力的“摆动-sweep”。那样的摆动使得在致动器组件之间的平衡电流连续地改变，使得在二个致动器的实施例中惯性力的感知位置平缓地从右到左或从左到右(或在实现的另外方向)移动。例如，可用高级摆动命令控制当地处理器，连续地改变平衡参数并在指定的时间间隔由均匀从0到90(使用上述习惯)。借助改变时间间隔可命令较快摆动或较慢摆动。然后，在当地处理器改变每个致动器组件在摆动过程中接收到的支配(命令)电流的百分数时，用户感觉惯性力从设备的左边开始并近似地沿着轴152移向右边，并终止于右致动器。因此，如果游戏中的用户汽车在右侧碰撞，惯性振动能很快地(如1-2秒)从右侧摆到左侧以传递碰撞的方向。在包括三个或更多致动器的一个实施例中，借助分配电流力的位置能在两个维度摆动，使得感知的位置在所有致动器之间的一个希望的路径中移动。
除了(或替代)在左和右致动器组件之间的平衡控制，另外控制特征包括使用在左和右致动器组件之间的相移。例如，在发送到每个致动器的控制波形之间(因此在惯性质量的振荡之间)90度的相移，给用户双频率的印象，并带有交替击打效果(左-右)。这使能以感知的更高频率下得到更高幅值的力感觉，因为与低频相关的惯性质量的大的位移仍然发生，但由用户感觉的合力是较高频率的。而且其共振频率是有用的。例如，如果致动器组件的共振频约为40HZ，在40Hz处发生强的峰值幅值，通过运行二个相差90度致动器组件在80Hz处发生另一个强的峰值。
此外，如5到10度的小相移对用户来说感觉好象主振频率，但每个脉冲感觉略为更强，因为用户有这样的印象，每个力的脉冲延续较长。此外，如10到30度较大的相移给用户“一阵一阵阶跃”的有趣感觉，即在每个振动周期快速的爆发(pop-pop)力。相位在高级命令中作为一个参数发送给设备。
最后，180度的大的相移能使触觉感觉对用户十分有趣，因为当一个致动器的惯性质量向上移动并达到极限，另一个致动器的另一个惯性质量向下移动并达到极限。这能围绕游戏板或其他接口设备的中心加一个力矩，好象有整个游戏板围绕中心点在轴152周围转动的感觉。在一个周期力矩是一个转动方向，在下一周期力矩的方向反转。因而得到交替的力矩。这种感觉比惯性质量同相移动时对用户感知更强烈。在另外的实施例中，控制一个标称化的方波，例如提供一个方向，如正方向的波，使得惯性质量从其原点位置只向一个方向移动。在两个致动器组件之间发出的波形能量是180相差。这能导致顺时钟跳动力矩，其中力矩永不切换方向。另外，如果波形标称化到负的方向，导致逆时钟跳动力矩。
在另外实施例中，从致动器组件102和104来的左—右惯性感觉可以配合如由主计算机输出的立体(左—右)声。例如，在主计算机、电视或其他设备上的游戏或声频—视频显示中飞机飞越用户，其中飞机的声音开始从左嗽叭输出并移动通过右嗽叭输出表示位置的声频效果。与其一致，由左和右的致动器组件输出的力感觉能与声音协同地开始在接口设备的左侧输出并移向右侧输出。力的感觉也能与如拍摄全景的摄像机视景那样显示的视觉映像同步。在某些实施例中，力感觉的幅值能与如声音的音量相关联。主计算机可以命令力的感觉与也由主计算机控制的声频或视频同步。
所有上述触觉效果和这里的变化能与达到所希望的效果的各种方法相结合，因此使用本发明的致动器组件的控制方案可能有各种各样的触觉效果。
图5a和5b分别是包括两个致动器用于本发明另一个实施例有方向惯性反馈的设备12的另一实施例200的顶视剖面图及侧向立面图。游戏板外壳201包括两个致动器组件202和204。在另一个实施例中，致动器组件包括一个能线性谐波振荡的惯性质量；在图5a和5b中描述的本实施例中，致动器组件202和204包括转动惯性质量，其中偏心转动质量(ERM)206连结到右把手16b中组件202内的致动器208的转动轴，而偏心转动质量(ERM)210连结到左把手16a中组件204内的致动器213的转动轴。致动器208被固定地(或依从地)连结到把手16a中的外壳201，而致动器212被固定地(或依从地)连结到把手16b中的外壳201。偏心质量206和210能是楔形，柱形，或其他形状。在转动时，因为偏心惯性质量在其运动范围内运动，其质量引起外壳201振动。
最好谐波驱动致动器组件202和204定位在设备所允许的它们之间最大空间距离处。例如，在游戏板的实施例中，组件202和204能放在游戏板的不同把手16a和16b中。这使得有方向力的感觉能容易地被用户感知。在另一个实施例中，组件202和204能放在外壳的其他区域，虽然最好仍然分开大的空间距离，如在外壳的相反两侧。致动器组件202和204其有关相同特性有：致动器大小，惯性质量，和阻尼(若提供的话)，以允许在设备的每一端惯性力几乎相同地感知，并允许方向感觉有效。在另一个实施例中，能使用具有不同尺寸或其他特性的致动器组件。
用单向ERM马达控制触觉感觉
对图5a-5b描述的惯性转动致动器组件，当惯性质量转动时能对接口设备12的用户输出振动和摇动。在这些方法中，周期触觉效果的频率和幅值能独立地变化，并且显示在如(但不限于)ERM致动器那样的单自由度单向驱动致动器上。
许多标准的游戏板振动触觉设备以固定的幅值和频率转动ERM，两者紧密连结。例如，高频振动必须是高的幅值，而低频振动必须是低的频率。用于在图5a-5b的实施例和在上面参考的应用中描述的方法能独立变化一个自由度(DOF)的单向驱动转动致动器的幅值和频率，即不使用贵重的双向电流驱动器，因为ERM只需要在一个转动方向驱动。因为它使ERM能产生如衰减正弦或叠加波形那样的复杂振动，此技术是重要的。前面的ERM设备具有大致与其速度线性相关的幅值。不使用额外的连接器，线路，或机械零件而只使用这些控制方法(如在设备12的当地微处理器或其他控制器的固件中执行的)的本发明能使用ERM马达以任何振幅在一个频率范围内实现。注意，这里描述的控制方法不仅能应用到转动马达，还可以应用到其他类型的单自由度转动和线性致动器，包括运动磁体马达，螺旋管，音圈致动器等。
在此控制方法中，作为参数或到固件的输入可能提供频率命令，幅值命令和一个函数(即正弦波，方波，三角形波)。这是按照在如PC那样的个人计算中使用的现有的Immersion/Direct X协议，其中振动由幅值，频率和函数类型参数(及希望的其他参数)控制。这些参数的等价物能在其他实施例中提供)。
在图6的图形250中示出一个例子，表示时间与幅值的关系。频率为5Hz且50％幅值的正弦波252被作为由设备输出的所希望的振动示出(这个和所有以后相似的图形捕捉1秒的输入和输出信号)。本控制方法确定，各波形周期在何处开始(或应开始)，然后控制信号254上升到高或“开”的能级用每周期一次的特定期间；在其它时间控制信号254是“关”或低。“开”能级激励马达并引起ERM206或210在其单个转动方向转动。因此，周期控制信号具有的频率根据所需(命令的)频率。借助使用控制信号254每周期一次地脉动致动器，具有指定频率的感觉传递给用户。控制领信号如显示那样在周期开始处，或在周期中不同时间升到高能级。
周期性效果的幅值通过调节控制信号的工作循环，如控制信号254的每个周期的持续时间(“每周期工作时间”)来描绘。控制信号254是开或关，但是控制保持开的每周期的时间量由幅值命令或参数确定。在图6中，需要可能幅值50％的正弦波。按照本发明，所要求的幅值产生控制信号254，它在每250ms中有15ms成为开。作为比较在图7中提供具有相同频率的100％幅值的波形，它显示与图形254相似的图形260。控制信号264在与上述控制信号254同样的时间间隔内成为开，因为频率命令未变。然而，控制信号264二次停留在“开”的状态，时间长到在用户中产生两倍振动幅值的感觉。控制信号“开”的时间越长，致动器经过的加速越长。在我们的情况中，ERM达到更大的角速度，且因为力正比于角速度的平方，在用户手上感知更大的力。最好，质量永不允许停止转动，使得静磨擦只在转动开始处克服一次。如果控制信号保持太长，转动质量将作出多次转动，并最终达到其自然(共振)频率。此时，用户感知系统的自然频率而不是命令的频率。
因此，按照本发明，1)控制信号如何经常“开”直接取决于频率命令，和2)控制信号多长时间保持“开”(控制信号“开”的时间)与幅值命令相关。能以不同方式实现确定控制信号的开的时间。这里提出两种不同的方法。首先，开的时间能作为“周期的百分数”来调节。如果在每周期的固定的百分数时间控制信号成为“开”，当频率增加时，每周期“开”的时间减少。然而控制信号更经常成为“开”。最终结果是不论频率如何，每秒钟控制信号花费同样时间开。此技术提供了一个优点，当频率增加时，同样的功率加到致动器，且在该频率范围内感知的幅值保持相同。
为了控制所需的振动，此“周期百分数”的技术的一个问题是在较低的频率下在许多实施例它不能很好工作。在低频下(如在某些实施例中小于2Hz)，很快要提交太多的功率给致动器。例如，来自1秒周期的所有功率在周期开始处的连续125ms中提交，在此开的时间内，转动致动器作出多次转动而控制信号保持高，所以在此125ms期间的振动(脉动)输出以致动器转动速度的频率，而非命令的频率，被用户所感知。因此，设备的振动输出可能不对应于命令的(低)频率。
本发明的第二种方法能避免此在低频下的问题，并因而对许多ERM振动设备提供更合适的输出振动方法。这第二种方法在每周期的固定最大时间量中而不是周期的百分数中设置控制信号为高。因此，在任何频率下100％幅值的开时间是一样的。对小于100％的命令幅值的开时间在比例上低于在100％之下命令幅值的量。这就有效地建立了每周期的最大开时间，禁止了致动器在长时间内成为开，免得在一个连续的开时间内作多次旋转。如果致动器允许作多次旋转(如在某些实施例中大于2或3转)，根据致动器的转动速度而不是命令频率(即，该频率可能低于10Hz)用户将感知更高的频率，所以此方法防止了那样的结果。在某些实施例中，特定的马达在低频下100％幅值的请求等同于引起质量的旋转低于转动数的开时间，这种转动数使得用户在单个周期内感觉多于一个脉动(如2-3转)；此开时间能经验地确定。第二种技术的缺点是当频率增加时，分开的开时间变得靠近了，且致动器最终实际上在长于一个周期内请求保持开。这里，控制信号总是被要求维持，质量连续转动，且频率和幅值不再独立变化。
因为用于将幅度映射成控制信号的开时间的两种技术用于频率范围是不同部分是好的，一个较佳实施例结合或混合此两种技术，避免了每种方法中的缺点。在较佳结合方法中，第二种方法只用于命令的频率低于特定混合阈值频率的情况，而第一种方法能用于高于阈值频率的命令频率。即使在控制信号的幅值也变化时混合也是可能的。首先，混合阈值是根据系统的动态特性选择的；混合频率是开时间为最长时的频率，所以混合频率应该那样选择，使得在那个频率对相应于100％幅度的开时间，每个周期提供一个振动脉动(如小于二个质量旋转)。例如，当使用如上所述的大的马达/质量组合，可使用10Hz作为混合阈值频率。对于高于10Hz的命令频率，使用第一种方法(“周期的百分数”)计算控制信号的开时间，而对于低于10Hz的命令频率，能使用第二种方法(“每周期”固定时间)。在其他实施例中可以使用其他阈值。为了混合两种方法，选择一个标量，使得对两种方法的最大幅度在混合阈值频率处相一致，即两种方法之间的过渡是平稳的。例如，在10Hz处25ms控制信号开时间产生10Hz，100％幅度的振动。如果命令的频率从10Hz下方接近于混合频率，则“周期的百分数”的方法被换算到在10Hz处产生25ms的开时间，且那些使用的标量保持不变，且对于高于10Hz频率被应用于此方法。根据所希望的效果能使用更先进的混合技术，如模仿在混合区域的带通滤波器，或在混合阈值频率的任一边模仿低通/高通滤波器的组合。
一种使得幅值命令独立于频率的不同方法是正比于请求的幅度改变控制信号254的幅值，而不是对此控制信号只有两个能级。这可以单独完成，或结合上述第一和第二方法两者或任一个完成。例如，具有变化幅值的其他类型波形可以作为控制信号(正弦波，三角波等)使用。设置或改变控制信号的幅值的一种有效方法是在对上面提供的控制信号选定的开时间期间提供脉宽调制(PWM)，或在使用其他方法的开时间期间改变控制信号工作循环。然而，PWM需要单独的PWM模块，它增加设备的费用。为了避免PWM方案，上述第一和第二方法能借助位—冲击(bit-banging)实现，其中当地微处理器直接输出控制信号到致动器而不使用PWM模块。位—冲击不允许直接控制控制信号幅度，但去除了对PWM模块的需求，并潜在地减少处理器或接口设备的费用。
上述用于独立改变振动的幅值和频率的技术能同时用于如在图5a-5b的实施例中的多个致动器。下面将描述此控制技术的附加发明的特征。
对功率效率的交错控制信号
上述控制信号用于互相独立地控制输出振动的幅值与频率。此控制方法能用于如致动器组件202和204那样的多个致动器。例如，致动器组件202和204能同时激活，每个使用专用的控制信号。
同时操作多个致动器组件的一个问题是需要大量功率驱动这些致动器。在某些实施例中，可用功率的量较小，限止了使用多个致动器组件。例如，如果接口设备12从主计算机14经如USB那样的通讯通道供电，它提供有限量的功率，且不具有自己专用电源，可用于操作致动器组件的功率的量十分有限。或者，在只具有至主计算机无线链结的接口设备12的情况下，在接口设备中使用有限功率的电池(或其他便携式能量储存设备)驱动致动器。在那样功率有限的许多情况中，当同时使用两个或更多致动器组时输出较小的外加触觉感觉。
本发明的一个方法允许带着有限的可用功率预算同时操作两个致动器组件。图8a和8b是示出如上所述为转动ERM，独立控制幅度和频率的控制信号的图形270和272。图形270示出加到一个致动器组件(如组件202)的控制信号274，而图272示出加到另一个致动器组件(如组件204)的控制信号276。控制信号274和276具有相同的频率和周期T1和T2。在信号高时控制信号274有开时间，当信号低时有关时间，其中工作周期示出约为40％。当控制信号274为开时，所有或大部分可用的功率被用于转动马达而提供高幅值的振动。但是当控制信号274为开时，控制信号276保持关。控制信号276在控制信号274关时成为开而在控制信号274回到开以前变成关。因此，控制信号276与控制信号274有足够的相移，使得这些控制信号永远不会同时开。这就使得所有可用的功率在任何时刻用于单个致动器，而可用的功率不要在两个致动器组件202和204之间分配。
另外，控制信号276能使得在控制信号274之后只有少量延迟。在ERM需要更多的功率从停止(或其他工况)开始转动，但需要较少的功率保持转动的情况这是有用的。例如，对两个ERM的起动电流大于可用的功率预算，对一个ERM需要的起动电流加上对另一个ERM需要的转动电流在可用功率的预算之中，则允许第二个ERM在第一个ERM起动并转动后很短时间内起动。在某些实施例中，越少交错的控制信号，用户感觉振动越明显，因为从每个致动器组件产生的振动更加同步而更少相互排斥。
控制信号274和276能在频率和工作周期(负载周期)上变化(它们开时间宽度相移)以产生如上参考图6和图7所述的变化的振动幅值。在这样变化时，控制信号最好维持在同样的频率和负载周期。这就对用户产生无方向性的振动，如好象整个外壳侧相同的输出。
在上面参考图6和7描述的方法中使用的控制信号最好没有大于50％的工作周期，因为在许多实施例中，这将引起致动器组件在其自然频率下而不是在命令的频率下运作，例如，用户感觉ERM连续转动的频率，而不是命令的频率。因此，此方法能有效地分配功率，在有限功率预算下提供最强可能的振动，因为交错是可能的。因此，此交错方法允许以功率有效的方案独立地控制由两个致动器输出的振动的幅值和频率。
图9a和9b是示出对具有不同频率和/或重叠对控制信号本发明的功率分配方法的图形280和282。图形280示出具有特定频率和周期T1的控制信号284，而图282示出具有特定频率和周期T2的控制信号286。信号的开时间重叠时间间隔A，它通常对每个周期是不同的。在某些环境重叠是不可避免，包括其中需要大于50％的工作周期，或在控制信号具有不同的频率和/或工作周期的情况。例如，可以命令一个致动器组件202输出一个频率的振动，而命令另外致动器组件204输出不同频率的振动，以达到用户感知的特定触觉感觉。
为了允许按本发明在那样情况下使用有限功率预算，最好控制信号在重叠时间A内在预定的负载周期和频率处关闭和打开。这就允许在两个致动器操作期间减少对每个致动器的平均功率消耗，因而允许有效地使用可用的功率预算。例如，如图9c所示，控制信号284在重叠时间周期A期间在特定的负载周期和较高频率下脉动，这允许在重叠期间控制信号284的功率需要减少。这是有效的PWM型的控制。这使得致动器振动输出幅度减少(这对用户仅仅稍为引人注意)。同时，在重叠周期期间控制信号286也在特定的工作周期和频率下脉动(如图6b中虚线288所示)。因此，可用的功率在两个致动器组件之间分享，引起在可用的功率预算内每个致动器输出减少。在重叠期间所示控制信号的频率在图中被夸大，比能使用的实际频率更低。
控制信号在重叠期间脉动的工作周期和/或频率能根据接口装置12的操作特性确定，如致动器、ERM、放大器的特征等。能选择一工作周期，它将控制信号的功率需求减小到希望的大小，允许两致动器重叠期间工作在功率预算内，例如，控制信号连续保持开时有效重叠幅度能是全幅度的75％。通常不需要安排控制信号使得在重叠期间的脉冲不会同时开。这是因为控制信号的相对高频，即使两个控制信号都为高，也允许在驱动线路中的如电容那样的部件足以充电到维持所希望的功率能级。在其他实施例中，如果可能的话在重叠期间的控制信号能安排成在交替时间开，使得控制信号不同时开。根据带有电容和其他能量存储部件的驱动线路维持所希望的功率能级的能力选择在重叠周期控制信号的频率。
在某些实施例中，在重叠周期控制信号的工作周期能根据两个控制信号的频率或周期T调节。例如，通常控制信号的周期T1和T2越小(频率越高)，操作致动器需要的功率越大。如果两个控制信号之一或两者具有小的周期，则在重叠期间控制信号的工作周期能缩短以消耗较少的功率，即在重叠周期引起更小的有效幅值。在某些实施例中，如果周期T1或T2很长，在开时间的后半部分ERM可以得到力矩并需要较小功率转动，在确定在重叠周期控制信号的工作周期时要考虑此因素。在某些实施例中，对高频控制信号能加长工作周期，使得高频振动不会被另外的致动器的低频振动输出“排斥”。
控制信号能根据致动器组件的各个特性在重叠周期各具有不同的负载周期和/或频率。在某些实施例中，在重叠周期中只有一个控制信号在脉动。
当地处理器(见图11)能控制在重叠期间如何相移控制信号和/或脉动控制信号。例如，在图5a和5b的交替开时间的实施例中，微处理器能鉴控何时送出控制信号并能当另一个控制信号为关时只送出一个控制信号。
上述功率有效控制方法也能用于具有其他类型致动器的其他实施例，能用类似的控制信号或其他具有开时间的信号控制。
使用转动惯性致动器组件的有方向感觉
上述的控制方法能在功率有限的设备中用于互相独立地控制振动输出的幅值和频率。此控制方法也能结合上述输出有方向惯性触觉感觉的方法使用。
图10a、10b、10c和10d分别是图形310、312、314和316，示出在使用参考图5a-5b描述的两个致动器实施例的本发明的控制方法中的控制信号，用于提供有方向的触觉反馈，这里是位于两个致动器之间的某位置用户设置在空间的触觉反馈。图形310和312示出类似于图8a和8b的信号的控制信号318和320，导致如由图6和7的方法所确定的所希望的振动的幅值和频率。如果希望，控制信号能用如持续时间，包络线等其它参数调节。
在确定了希望的参数以后，进一步能修改控制信号以提供下面所述的方向性或“平衡”。在图10c的图形314中，控制信号322在开时间上减少，对第一致动器组件提供较小的平均电流，而在图10d的图形316中，控制信号324在开时间上增加相同的量，使得控制信号322减小以提供较大的平均电流给第二致动器组件。因此，第一致动器组件得到额外的功率量而第二致动器得到较小的功率，少的量就是供给第一致动器额外功率的量。例如，控制信号324具有较大的工作周期，如增加25％，因而提供致动器更多的功率并引起输出更强的振动。控制信号322具有低对应量(25％)的工作周期，引起从那个致动器输出较低幅值的振动，所以全100％的命令的幅值在两个致动器组件之间具有不同的分配。
因此，通过在两个致动器组件202和204之间划分的幅值换算各振动的幅值。为了提供对用户无方向感觉的振动或其他惯性力感觉，两个致动器组件得到相等的功率值(平均电流)，使得从每个致动器输出相同幅度的振动，如图10a-10b所示。然而，如果惯性的感觉是具有感知的方向，则调节控制信号的开时间，即给一个致动器比另一个更多的平均电流，且由一个致动器输出比另一个致动器更大幅值的惯性力。如果控制信号324加到在游戏板设备200左边的致动器组件204，因为左边的振动具有较大的幅值，用户感觉到左方向。如果输出右方向，则在设备右边的致动器202具有较大的平均电流。用户感知在设备一侧较强的振动作为有方向的振动。例如，如果用户在游戏中的车辆在左边撞入栅栏，左边致动器能输出较强的振动，指出这次碰撞的方向。
根据在两个致动器之间命令的幅值的分配，用户感知在两个致动器组件之间的某处输出惯性感觉，其中一个力越强，用户感知合成力输出处越靠近那个致动器。这类似于在上面图4中示出的位置。如上所述，以此方式命令方向的一个方法是指定“平衡”参数，或使主计算机直接命令致动器组件。类似于上述实施例100在实施例200中能采用附加致动器，且可以使用实施例200命令并输出摆动的效果。
图11是方块图，示出一个适于用于本发明的触觉反馈系统的实施例。
最好主计算机系统14包括一个主微处理器400，一个时钟402，一个显示屏206和一个声频输出设备404。主计算机也包括其他众知的部件，如随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，和输入/输出(I/O)电子线路(未示出)。显示屏26显示游戏环境的映像，操作系统应用，模拟等，而如嗽叭那样的声频输出设备404为用户提供声音输出。如存储设备(硬盘驱动器、CD-ROM驱动器、软盘驱动器等)、打印机和其它输入输出设备那样的其他类型的外围设备也能连结到主处理器400。
如鼠标、游戏板等那样的接口设备12通过双向总线20连结到主计算机系统14。双向总线在主计算机系统14和接口设备之间以任一方向发送信号。总线20能是如RS232串口接口那样的串行接口总线，RS-422，通用串行总线(USB)、MIDI、或本专业熟知的其他协议；或者并行总线，或无线链路。某些接口也能向设备12的致动器提供电源(功率)。
设备12能包括一个当地微处理器410。当地微处理器410可选地包括在设备12的外壳中，使能有效地与鼠标的其他部件通讯。处理器410认为对设备12是当地的，此处“当地”意味着处理器410是与主计算机系统14中任何处理器分开的微处理器。“当地”也最好看作处理器410专门用于设备12的触觉反馈和传感器I/O。微处理器410能具有软件指令，以便等待从主计算机14来的命令或请求，解码该命令或请求，并按照该命令和请求处理/控制输入和输出信号。此外，处理器410能通过读出传感器信号并根据那些传感器信号，时间信号和按照主机命令选择的存储或中继的指令计算适当的力，而独立于主计算机14地操作，微处理器410能包括一个微处理器芯片，多个处理器和/或协处理器芯片，和/或数字信号处理(DSP)能力。
微处理器410能从传感器412接收信号并按照由主计算14通过总线20提供的指令提供信号给致动器组件54。例如，在当地控制实施例中，主计算机14经过总线20提供高级监管命令给微处理器410，微处理器410解码命令并按照此高级命令独立于主计算机14地管理到传感器和致动器的低级力控制环。在US专利5,734,373中更详细地描述此操作。在主控制环路中，从主计算机输出力命令给微处理器410，并命令微处理器输出力或具有特定特征的力的感觉。当地微处理器410将如描述鼠标在一个或多个规定自由度上的位置的定位数据那样的数据报告给主计算机。数据也能描述按键24，方向板20等状态。主计算机使用这些数据更新执行的程序。在当地控制环路中，致动器信号从微处理器410提供给致动器组件434，而传感器信号从传感器412和其他输入设备418提供给微处理器410。这里，术语“触觉(haptic)感觉”或“触动(tactile)感觉”认为是由提供感觉给用户的致动器组件输出的单个力或一系列力。微处理器410能处理输入的传感器信号，根据存储的指令确定合适的输出致动器信号。微处理器能使用传感器信号于当地确定输出到用户对象的力，并将从传感器信号导出的定位数据报告给主计算机。
在又一个实施例中，另一更简单的硬件能在当地提供给设备12，给出相似于微处理器410的功能。例如，能使用包括固定逻辑的硬件状态机，提供信号给致动器组件434并从传感器412接收传感器信号，并按预定的顺序，算法，或过程输出触觉信号。在硬件中实现具有所需功能的逻辑的技术为本专业熟练人员所熟知。
在不同的主控制实施例中，主计算机14能经过总线20提供低级力命令，通过微处理器410或其他(如更简单的)线路直接发送给致动器组件434。因此，主计算机14直接控制和处理来往于设备12的所有信号。
在一个简单的主控制实施例中，从主机到设备的信号能够是单个位，它指示是否要以预定的频率和幅值脉动致动器。在较复杂的实施例中，从主机来的信号能包括幅值，给出所需脉冲的强度，和/或方向，给出对脉冲的幅值和感觉，在更复杂的实施例中，能使用当地处理器，从主机接收简单的命令，指示出所希望的力加到时间上，然后微处理器根据该一个命令将其输出。在又一个复杂施例中，带有触觉感觉参数的高级命令被送到设备中的当地处理器，然后它独立于主机的干预施加全部感觉。这些方法的组合能使用于单个设备12。
如RAM和/或ROM那样的当地存储器422最好与鼠标12中的微处理器410连结，存储对微处理器410的指令并存储暂时的和其他数据。例如，如能由微处理器输出的一系列储存的力值或根据用户对象的当前位置输出的力值的查找表那样的力变化形状能存入存储器422。此外，当地时钟424能连结到微处理器410，类似主计算机12的系统时钟提供定时数据；定时数据如对计算致动器组件434力的输出是需要的(如力取决于计算的速度或其他与时间有关的因素)。在使用USB通讯接口的实施例中，微处理器410的定时数据能交替地从USB信号取出。
传感器412感知设备和/或一个或多个操纵器或控制器的位置或运动，并将包括表示位置或运动的信息提供给微处理器410(或主机14)。能适用于检测操纵的传感器，包括数字光编码器，光传感系统，线性光编码器，电位计，光传感器，速度传感器，加速度传感器，应变仪，以及其他类型能使用的传感器，相对的或绝对的传感器。能使用光传感器接口414将传感器信号转换成能由微处理器410和或主计算机系统14解释的信号，正如本专业熟练人员所熟知的。
如上所述，响应从微处理器410和/或主计算机14接收的信号，致动器组件434将力发送到设备12的外壳。例如，致动器组件434能借助运动惯性质量产生惯性力。也能使用其他类型的致动器，如驱动贴着外壳的构件产生触觉感觉的致动器。
致动器接口416能可选地连结在致动器组件434和微处理器410之间，将从微处理器410来的信号转换成适合于驱动致动器组件434的信号。接口416能包括功率放大器、转换器、数模控制器(DAC)，模数控制器(ADC)和其他部件。其他输入设备418也包括在设备12中，并当用户操纵时将输入信号送到微处理器410或主机14。那样的输入设备包括按键24，方向板20等并能包括另外的按键，拨盘，开关，滚轮，或其他控制器或机构。
电源420能可选地包括在设备12之中，连接到致动器接口416和/或致动器组件434以提供电源给致动器，或作为分开的部件提供。另外，功率能从与设备12分开的电源取出，或通过总线20接收。而且，接收的功率可由设备12存储和调节，因而在需要驱动致动器组件434时使用，或以辅助方式使用。某些实施例在设备中使用电源储存设备以保证能施加峰值力(如在美国专利No.5,929,607中所述)。另外，此技术能在无线设备中使用，其中使用电池电源驱动触觉致动器。能可选地包括安全开关432，使用户能为了安全的原因关闭致动器组件。
虽然本发明已借助若干较佳实施例作了描述，可以看到，在阅读本专利说明并研究附图以后对本专业熟练人员来说，变种，重新配置和等价的内容是明白无误的。例如，可使用触觉反馈设备的许多不同的实施例输出这里描述的触觉感觉，包括游戏杆，驾驶轮，游戏板，和远程控制器。此外，为了描述清楚的目的使用某些术语，这不是限定本发明。

Claims (39)

1.一种为用户提供有方向触觉反馈的接口设备，其特征在于，所述接口设备与主计算机通讯，该设备包括：
物理上与用户接触的外壳；
至少一个用于检测所述用户来的用户输入的传感器；和
至少两个连结到所述外壳的致动器组件，所述致动器组件的每一个包括运动惯性质量，其中所述致动器组件定位于所述外壳中，引起在所述外壳上有方向的惯性感觉，其中对每个所述致动器组件以不同的幅值提供单个控制信号，给出由所述用户感知的所述有方向惯性感觉。
2.如权利要求1的接口设备，其特征在于，所述波形的较大幅值加到所述致动器组件的特定的一个，提供在所述外壳中大致对应于所述特定致动器组件的位置的有方向的感觉。
3.如权利要求2的接口设备，其特征在于，较大幅值的所述波形加到所述致动器组件的左边一个，提供具有左方向的感觉，其中较大幅值的所述波形加到所述致动器组件的右边一个。产生具有右方向的感觉。
4.如权利要求1的接口设备，其特征在于，还包括当地处理器，它从所述计算机接收高级命令并按所述高级命令控制所述致动器组件。
5.如权利要求4的接口设备，其特征在于所述高级命令包括平衡参数，所述平衡参数指出在所述的致动器组件之间如何分配输出电流，提供沿所述致动器组件之间的轴的所述有方向惯性感觉的希望的位置。
6.如权利要求5的接口设备，其特征在于，所述高级命令包括用于指定所述惯性感觉的频率与幅值的频率和幅值参数，所述频率和幅值是互相独立的。
7.如权利要求5的接口设备，其特征在于，所述高级命令包括至少一个用于指定所述惯性感觉上的包络的包络参数，所述的包络修改所述惯性感觉的幅值。
8.如权利要求1的接口设备，其特征在于，每个所述致动器组件线性地振荡所述惯性质量。
9.如权利要求8的接口设备，其特征在于，所述控制信号是谐波的，并在两个方向上驱动所述惯性质量。
10.如权利要求1的接口设备，其特征在于，所述控制信号分成两个控制信号，一个所述控制信号与另一控制信号异相，每个控制信号送到所述致动器组件的一个。
11.如权利要求1的接口设备，其特征在于，每个所述的致动器组件转动所述的惯性质量。
12.如权利要求11的接口设备，其特征在于，所述的惯性质量只在一个转动方向转动。
13.如权利要求12的接口设备，其特征在于，由每个所述致动器组件产生的每个分别的惯性感觉的幅值和频率能互相独立的调节。
14.如权利要求1的接口设备，其特征在于，所述外壳包括两个把手，其中每个所述致动器组件在一个所述把手之中。
15.一种为用户提供有方向触觉反馈的接口设备，其特征在于，所述接口设备按计算机的显示提供所述触觉反馈，该设备包括：
物理上与所述用户接触的外壳；
至少一个用于检测所述用户来的用户输入的传感器；和
至少两个连结到所述外壳的致动器组件，每个所述致动器组件包括单方向驱动的转动惯性质量，其中所述致动器组件位于所述外壳中引起在所述外壳的有方向惯性感觉，其中控制信号在不同的工作周期加到每个所述致动器组件，给出由所述用户感知的有方向惯性感觉。
16.如权利要求14的接口设备，其特征在于，所述控制信号的命令的幅值加到所述致动器组件的左边一个，提供具有左方向的感觉，而所述控制信号的命令的幅值加到所述致动器组件的右边一个，提供具有右方向的感觉。
17.如权利要求15的接口设备，其特征在于，还包括一个当地处理器，它从所述计算机接收高级命令并按所述高级命令控制所述致动器组件。
18.如权利要求17的接口设备，其特征在于，所述高级命令包括平衡参数，所述平衡参数指出在所述致动器组件之间如何分配输出振动幅值，以给出沿所述致动器组件之间的轴的所述有方向惯性感觉的所希望的位置。
19.如权利要求18的接口设备，其特征在于，所述高级命令包括用于指定所述惯性感觉的频率与幅值的频率和幅值参数，所述的频率和幅值是互相独立的。
20.如权利要求18的接口设备，其特征在于，所述高级命令包括至少一个用于指定所述惯性感觉上的包络的包络参数，所述包络修改所述惯性感觉的幅值。
21.如权利要求15的接口设备，其特征在于，一个所述控制信号与另一个控制信号异相，每个控制信号送到一个所述致动器组件。
22.如权利要求15的接口设备，其特征在于，一个所述控制信号与另一个控制信号异相。
23.如权利要求22的接口设备，其特征在于，一个所述控制信号与所述另一个信号交错，使得所述的控制信号永不会同时开。
24.如权利要求15的接口设备，其特征在于，当一个所述控制信号在与另一个控制信号同时开时，至少一个所述控制信号在预定的频率和工作周期脉动以减少至少一个所述致动器组件的平均功率需求。
25.一种为操纵接口设备的用户提供有方向触觉反馈的方法，所述接口设备与主计算机通讯，该方法包括：
根据所述接口设备的所述操纵检测从所述用户来的输入；和
在与所述用户物理接触的所述接口设备的外壳上输出有方向的惯性感觉，其中所述有方向的惯性感觉由至少两个致动器组件引起，每个所述的致动器组件驱动惯性质量，其中所述致动器组件放置在所述外壳中，引起有方向的惯性感觉，且其中单个控制信号以不同的幅值提供给每个所述致动器组件，以提供由用户感知所述有方向惯性感觉。
26.如权利要求25的方法，其特征在于，所述波形的较大幅值加到所述致动器组件的特定的一个，提供具有约对应所述外壳中所述特定致动器组件位置的方向的有方向感觉。
27.如权利要求26的方法，其特征在于，较大幅值的所述波形加到所述致动器组件的左边一个，提供具有左方向的感觉，而较大幅值的所述波形加到所述致动器组件的右边一个，提供具有右方向的感觉。
28.如权利要求26的方法，其特征在于，还包括当地处理器，它从所述计算机接收高级命令并按所述高级命令控制所述致动器组件，其中所述高级命令包括衡参数，所述平衡参数指出在所述的致动器组件之间如何分配输出电流，以给出沿所述致动器组件之间的轴的所述有方向的惯性感觉的希望位置。
29.如权利要求28的方法，其特征在于，所述的高级命令包括用于指定所述惯性感觉的频率和幅值的频率和幅值参数，所述频率和幅值是相互独立的。
30.如权利要求25的接口设备，其特征在于，每个所述致动器组件线性地振荡所述惯性质量，其中所述的控制信号是谐波的并在两个方向驱动所述惯性质量。
31.如权利要求25的接口设备，其特征在于，所述控制信号分成两个控制信号，一个所述控制信号与另一控制信号异相，每个控制信号送到所述致动器组件的一个。
32.如权利要求25的接口设备，其特征在于，每个所述的致动器组件转动所述的惯性质量。
33.一种为操纵接口设备的用户提供有方向的触觉反馈的方法，所述接口设备与主计算机通讯，该方法包括：
根据所述接口设备的所述操纵检测从所述用户来的输入；和
在与所述用户物理接触的所述接口设备的外壳上输出有方向的惯性感觉，其中所述有方向的惯性感觉由至少两个致动器组件引起，每个所述致动器组件单向转动惯性质量，其中所述致动器组件放置在所述外壳中，引起有方向惯性感觉，且其中控制信号在不同的工作周期提供给每个所述的致动器组件，以提供由用户感知的所述有方向惯性感觉。
34.如权利要求33的方法，其特征在于，所述控制信号的命令幅值加到所述致动器组件左边一个，提供具有左方向的感觉，而所述控制信号的命令幅值加到所述致动器组件的右边一个，提供具有右方向的感觉。
35.如权利要求33的方法，其特征在于，从所述主计算机接收的高级命令控制所述致动器组件，并包括平衡参数，所述平衡参数指出在所述致动器组件之间如何分配输出振动幅值，以提供沿所述致动器组件之间的轴的所述有方向惯性感觉的希望位置。
36.如权利要求35的方法，其特征在于，所述的高级命令包括用于指定所述惯性感觉的频率与幅值的频率和幅值参数，所述频率和幅值是互相独立的。
37.如权利要求33的方法，其特征在于，一个所述的控制信号与所述另一个控制信号异相。
38.如权利要求37的方法，其特征在于，一个所述控制信号与所述另一个控制信号交错，使得所述控制信号永不在同一时间开。
39.如权利要求33的方法，其特征在于，一个所述控制信号与另一个控制信号同时开，至少一个控制信号在预定频率和工作周期内脉动，以减少至少一个所述致动器组件的平均功率需求。
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