DE69632028T2

DE69632028T2 - Verfahren und vorrichtung zur bereitstellung einer rauscharmen mechanischen eingabe/ausgabe mit grosser bandbreite für computer systeme

Info

Publication number: DE69632028T2
Application number: DE69632028T
Authority: DE
Inventors: B. Louis ROSENBERG
Original assignee: Immersion Corp
Current assignee: Immersion Corp
Priority date: 1995-01-18
Filing date: 1996-01-17
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2016-01-18
Also published as: US6246390B1; CA2210725C; US20020018046A1; US5731804A; AU5167896A; JP4394664B2; CA2210725A1; WO1996022591A1; US20050162383A1; DE69632028D1; US7023423B2; US6154198A; EP0804786A1; US7460104B2; EP0804786A4; JPH10512983A; JP3847782B2; JP2006286016A; EP0804786B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Schnittstellenvorrichtungen zwischen Mensch und Computer, und insbesondere auf Computer-Ein-Ausgabevorrichtungen, die eine Kraftrückkopplung an den Anwender bereitstellen.
Allgemeiner Stand der Technik
Virtuelle-Realität-Rechnersysteme vermitteln Anwendern die Illusion, sie seien Teil einer "virtuellen" Umgebung. Ein Virtuelle-Realität-System enthält typischerweise einen Rechnerprozessor, wie z. B. einen Personalcomputer oder Arbeitsplatzrechner, spezialisierte Virtuelle-Realität-Software und Virtuelle-Realität-Ein-Ausgabevorrichtungen, wie z. B. helmartige Anzeigen, Sensorhandschuhe, dreidimensionale ("3D") Zeiger etc.
Eine weit verbreitete Verwendung für Virtuelle-Realität-Rechnersysteme ist das Training. Auf vielen Gebieten, wie z. B. der Luftfahrt sowie dem Fahrzeug- und Systembetrieb, sind Virtuelle-Realität-Systeme erfolgreich verwendet worden, um einem Anwender zu ermöglichen, aus einer realistischen "virtuellen" Umgebung zu lernen und diese zu erfahren. Der Reiz der Verwendung von Virtuelle-Realität-Rechnersystemen zum Training bezieht sich zum Teil auf die Fähigkeit solcher Systeme, Auszubildenden den Luxus zu ermöglichen, selbstsicher in einer äußerst realistischen Umgebung tätig zu sein und ohne Konsequenzen für die "reale Welt" Fehler zu machen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Flug- oder Fahrschüler unter Verwendung eines Virtuelle-Realität-Simulators lernen, ein Fahrzeug ohne Angst vor Unfällen zu steuern, die in der realen Welt Verletzung, Tod und/oder Vermögensschaden verursachen würden. In ähnlicher Weise können Bedienpersonen von komplexen Systemen, z. B. Atomkraftwerken und Waffensystemen, eine große Vielfalt von Übungsszenarien sicher üben, die Leben oder Besitztum in Gefahr bringen würden, wenn sie in der Realität durchgeführt würden.
Beispielsweise kann es ein Virtuelle-Realität-Rechnersystem einem Arzt in Ausbildung oder anderen Operateur oder Anwender ermöglichen, ein Skalpell oder eine Sonde in einem rechnersimulierten "Körper" zu "manipulieren", und dadurch medizinische Prozeduren an einem virtuellen Patienten durchzuführen. In diesem Fall wird die Ein-Ausgabevorrichtung, die typischerweise ein 3D-Zeiger, ein stiftartiges Gerät (Stylus) oder dergleichen ist, in Vertretung für ein chirurgisches Instrument, wie z. B. ein Skalpell oder eine Sonde, verwendet. Wenn sich das "Skalpell" oder die "Sonde" in einem vorgesehenen Raum oder einer Struktur bewegt, werden Ergebnisse dieser Bewegung in einer Körperabbildung aktualisiert und angezeigt, die auf dem Bildschirm des Computersystems angezeigt wird, so dass die Bedienperson die Erfahrung zur Durchführung einer solchen Prozedur gewinnen kann, ohne an einem lebenden Menschen oder einem Leichnam zu üben.
In anderen Anwendungen ermöglichen Virtuelle-Realität-Rechnersysteme einem Anwender, die Steuerungen komplizierter und teurer Fahrzeuge und Maschinerien zu gebrauchen und zu bedienen. Beispielsweise kann ein Pilot oder Astronaut im Training ein Kampfflugzeug oder Raumfahrzeug mit Betätigungssteuerungen handhaben, wie z. B. ein Steuer-Joystick und andere Schaltflächen, und die Ergebnisse der Steuerung des Flugzeugs an einer Virtuelle-Realität-Simulation des Flugzeugs im Flug betrachten. In wieder anderen Anwendungen kann ein Anwender Gegenstände und Werkzeuge in der realen Welt bedienen, wie z. B. einen Stylus, und die Ergebnisse der Manipulation in einer Virtuelle-Realität-Welt mit einem "virtuellen Stylus" betrachten, der auf einem Bildschirm, in einer 3D-Brille etc. sichtbar ist.
Damit Virtuelle-Realität-Systeme eine realistische (und daher nutzbare) Erfahrung für den Anwender bereitstellen, sollten die sensorische Rückmeldung und der manuelle Eingriff möglichst natürlich sein. Da Virtuelle-Realität-Systeme leistungsfähiger werden und die Anzahl potentieller Anwendungen steigt, besteht ein wachsender Bedarf für besondere Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtungen, die es Anwendern erlauben, die Verbindung mit Rechnersimulationen mit Werkzeugen aufzunehmen, welche die in der virtuellen Simulation dargestellten Aktivitäten realistisch emulieren. Solche Vorgehensweisen, wie laparoskopische Chirurgie, Katheterinsertion und Epiduralanalgesie sollten mit geeigneten Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtungen realistisch simuliert werden, wenn der Arzt richtig ausgebildet werden soll. In ähnlicher Weise sollte ein Anwender eine realistische Anschlussstelle zur Betätigung von Steuerungen oder Gegenständen in einer Virtuelle-Realität-Simulation zur Verfügung haben, um nützliche Erfahrung zu erwerben.
Zwar stellt der Stand der Technik bei der virtuellen Simulation und medizinischen Abbildung eine reiche und realistische visuelle Rückkopplung bereit, doch es besteht ein großer Bedarf an neuartigen Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeugen, die es Anwendern erlauben, natürliche manuelle Eingriffe mit der Rechnersimulation durchzuführen. Bei der medizinischen Simulation besteht ein starker Bedarf dafür, Ärzten eine realistische Technik zur Durchführung der mit medizinischen Verfahrensweisen verbundenen manuellen Aktivitäten zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig einem Rechner die exakte Verfolgung ihrer Handlungen zu ermöglichen. Auch bei anderen Simulationen besteht ein Bedarf dafür, Nutzern der virtuellen Realität genaue und natürliche Anschlussstellen für ihre besonderen Aufgaben zur Verfügung zu stellen.
Neben der Erfassung und Verfolgung der manuellen Tätigkeit eines Anwenders und Füttern des Steuerungsrechners mit dieser Information, um dem Anwender eine visuelle 3D-Darstellung zur Verfügung zu stellen, sollte eine Mensch-Schnittstellentechnik auch eine kraftbezogene oder tastbare ("haptische") Rückkopplung an den Anwender bereitstellen. Das Bedürfnis des Anwenders, realistische tastbare Informationen zu erhalten und eine tastbare Empfindung zu erleben, ist bei vielen Simulationsarten ausgeprägt. Zum Beispiel ist bei medizinisch/chirurgischen Simulationen das "Fühlen" eines Sonden- oder Skalpellsimulators beim Bewegen der Sonde in dem simulierten Körper von Bedeutung. Es wäre wertvoll für einen angehenden Arzt zu lernen, wie ein Instrument sich in einem Körper bewegt, wie viel Kraft abhängig von der durchgeführten Operation erforderlich ist, wie viel Raum zur Handhabung eines Instrumentes in einem Körper verfügbar ist etc. Bei Simulationen von Fahrzeugen oder Ausrüstung kann eine Kraftrückkopplung für Steuerungen, wie z. B. einen Steuerknüppel, notwendig sein, um einem Anwender realistisch nahe zu bringen, wie viel Kraft zur Bewegung des Steuerknüppels beim Lenken in besonderen Situationen erforderlich ist, wie z. B. in einer Hochbeschleunigungsumgebung eines Flugzeugs. In Virtuelle-Welt-Simulationen, wo der Anwender Gegenstände manipulieren kann, ist die Kraftrückkopplung für eine realistische Simulation körperlicher Gegenstände notwendig; wenn ein Anwender beispielsweise mit einem Schreibstift eine Tafel berührt, sollte der Anwender das Auftreffen des Schreibstifts auf der Tafel spüren. Eine nutzbare Mensch-Schnittstelle wirkt nicht nur als Eingabevorrichtung für die Nachführbewegung, sondern auch als Ausgabevorrichtung zur Erzeugung realistischer tastbarer Empfindungen. Deshalb ist bei diesen und anderen Anwendungen ein Schnittstellensystem mit "großer Bandbreite", wobei es sich um eine Schnittstelle handelt, die auf Signale mit schnellen Wechseln und einem breiten Frequenzbereich fehlerfrei anspricht, sowie eine Lieferung dieser Signale genau an ein Steuersystem wünschenswert.
Es gibt sehr viele Vorrichtungen, die im Handel erhältlich sind, um einen Menschen mit einem Rechner für Virtuelle-Realität-Simulationen zu verbinden. Es gibt beispielsweise zweidimensionale Eingabevorrichtungen, wie z. B. Mäuse, Rollkugeln und Digitalisierungstabletts. Zweidimensionale Eingabevorrichtungen neigen jedoch bei der Aufgabe der Verbindung mit dreidimensionalen Virtuelle-Realität-Simulationen zu Schwerfälligkeit und Unzulänglichkeit.
Andere dreidimensionale Schnittstellenvorrichtungen sind verfügbar. Ein dreidimensionales Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeug, das unter dem Warenzeichen Immersion PROBE^TM verkauft wird, wird von der Immersion Human Interface Corporation, Santa Clara, Kalifornien, zum Verkauf angeboten und ermöglicht eine manuelle Steuerung in dreidimensionalen Virtuelle-Realität-Rechnerumgebungen. Ein schreibstiftartiger Stylus gestattet eine gewandte dreidimensionale Handhabung, und die Stellung und Ausrichtung des Stylus werden an einen Host-Computer übertragen. PROBE von Immersion weist sechs Freiheitsgrade auf, die Raumkoordinaten (x, y, z) und Ausrichtung (Verdrehen, Neigen, Gieren) des Stylus an den Host-Computer übermitteln.
Obwohl PROBE von Immersion ein ausgezeichnetes dreidimensionales Schnittstellenwerkzeug ist, kann das Gerät für bestimmte Virtuelle-Realität-Simulationsanwendungen ungeeignet sein. Beispielsweise sind bei einigen der oben erwähnten medizinischen Simulationen drei oder vier Freiheitsgrade eines dreidimensionalen Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeugs ausreichend und oft wünschenswerter als fünf oder sechs Freiheitsgrade, weil dies die Beschränkungen des wirklichen Lebens bei der tatsächlichen medizinischen Verfahrensweise exakter nachahmt. Noch wesentlicher ist, dass PROBE von Immersion keine Kraftrückkopplung an einen Anwender liefert und es einem Anwender nicht ermöglicht, bei Virtuelle-Realität-Simulationen eine umfassende sensorische Dimension zu erfahren.
In typischen Vorrichtungen mit vielen Freiheitsgraden, die Kraftrückkopplung einschließen, gibt es mehrere Nachteile. Da Betätigungselemente, die eine Kraftrückkopplung liefern, dazu neigen, schwerer und größer zu sein als Messfühler, würden sie für eine Beschränkung durch Trägheit sorgen, wenn sie zu einem Gerät, wie z. B. PROBE von Immersion, hinzugefügt würden. Auch die verbundenen Betätigungselemente sind ein Problem. In einer typischen Kraftrückkopplungsvorrichtung ist eine fortlaufende Kette von Bindegliedern und Betätigungselementen realisiert, um mehrfache Freiheitsgrade in einem gewünschten Gegenstand zu verwirklichen, der am Ende der Kette angeordnet ist, d. h. jedes Betätigungselement ist mit dem vorausgehenden Betätigungselement verbunden. Der Anwender, der den Gegenstand handhabt, muss die Trägheit aller nachfolgenden Betätigungselemente und Bindeglieder mittragen, bis auf das erste Betätigungselement in der Kette, das abgestützt ist. Obwohl es möglich ist, alle Betätigungselemente in einer fortlaufenden Kette durch Verwendung einer komplexen Kabelseil- oder Riemenübertragung abzustützen, ist das Endergebnis eine Übertragung mit geringer Steifigkeit, hoher Reibung und hoher Dämpfung, was die Bandbreite des Systems verfälscht und dem Anwender eine unempfindliche und ungenaue Schnittstelle zur Verfügung stellt. Durch Reibung und Nachgiebigkeit bei der Signalübertragung bringen diese Arten von Schnittstellen auch eine tastbare "Störung" an den Anwender ein und beschränken den durch die Betätigungselemente der Vorrichtung beförderten Grad der Empfindlichkeit an den Anwender.
Andere bestehende Vorrichtungen stellen eine Kraftrückkopplung an einen Anwender bereit. Im US-Patent 5,184,319 von J. Kramer ist eine Schnittstelle beschrieben, die Kraft- und Strukturinformationen an einen Anwender eines Computersystems bereitstellt. Die Schnittstelle besteht aus einem Handschuh oder "Exoskelett" und wird über den Extremitäten des Anwenders getragen, wie z. B. Finger, Arme oder Leib. Kräfte können an die Extremitäten des Anwenders angelegt werden, indem durch ein Computersystem gesteuerte Sehnenanordnungen und Betätigungselemente zum Simulieren der Kraft- und Strukturrückkopplung verwendet werden. Das von Kramer beschriebene System ist jedoch nicht leicht auf Simulationsumgebungen wie die oben erwähnten anwendbar, wo auf einen Gegenstand im dreidimensionalen Raum Bezug genommen und eine Kraftrückkopplung an den Gegenstand angelegt wird. Bei Kramer werden die Kräfte mit Bezug auf den Körper des Anwenders an den Anwender angelegt; die absolute Lagebestimmung der Extremitäten des Anwenders ist nicht leicht zu berechnen. Außerdem können die Exoskelettvorrichtungen von Kramer schwerfällig oder sogar gefährlich für den Anwender sein, wenn ausgedehnte Vorrichtungen über den Extremitäten des Anwenders getragen werden. Des Weiteren sind die bei Kramer offenbarten Vorrichtungen komplexe Mechanismen, bei denen viele Betätigungselemente verwendet werden müssen, um eine Kraftrückkopplung an den Anwender bereitzustellen.
In anderen Situationen sind preiswerte und transportable mechanische Schnittstellen mit Kraftrückkopplung wünschenswert. Aktive Betätigungselemente, wie z. B. Motoren, erzeugen Kräfte an einer Schnittstellenvorrichtung und den Anwender, der die Schnittstellenvorrichtung bedient, so dass die Schnittstellenvorrichtung sich unabhängig von dem Anwender bewegen kann. Zwar liefern aktive Betätigungselemente oft eine ganz realistische Kraftrückkopplung, aber sie können auch ziemlich umfangreich sein und typischerweise große Energiequellen zum Betrieb erfordern. Außerdem benötigen aktive Betätigungselemente typischerweise Hochgeschwindigkeitssteuersignale, um effektiv zu arbeiten und Stabilität bereitzustellen. In vielen Situationen sind solche Hochgeschwindigkeitssteuersignale und Hochleistungstreibersignale nicht verfügbar oder zu kostspielig, vor allem auf dem tiefpreisigen Wettbewerbsmarkt von Personalcomputern. Des Weiteren können sich aktive Betätigungselemente zuweilen als unsicher für einen Anwender erweisen, wenn starke, unerwartete Kräfte an einem Benutzer der Schnittstelle erzeugt werden, der diese Kräfte nicht erwartet.
Deshalb ist für bestimmte Anwendungen eine weniger komplexe, kompaktere und weniger teure Alternative zu einem Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeug wünschenswert, die Kraftrückkopplung, geringere Trägheit, größere Bandbreite und weniger Störung aufweist. Ferner wird eine weniger teure Schnittstelle benötigt, die langsamere Kommunikationssignale erfordert und für den Anwender sicherer ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung bereit, wie in Anspruch 1 definiert, die zwei bis sechs Freiheitsgrade und eine äußerst realistische Kraftrückkopplung an einen Benutzer der Vorrichtung bereitstellen kann. Die bevorzugte Vorrichtung schließt einen Kardanmechanismus und ein lineares Achsenelement ein, die drei Freiheitsgrade an einen mit der Vorrichtung verbundenen und von dem Benutzer gehaltenen Gegenstand bereitstellen. Die Struktur der Vorrichtung erlaubt es, Wandler so anzuordnen, dass ihre Trägheitsabgabe an das System sehr gering ist. Außerdem verfügt ein Capstan-Antriebsmechanismus über einen Arbeitsgewinn durch Anlegen einer Kraftrückkopplung an den Benutzer, sanfte Bewegung und Verringerung von Reibung, Nachgiebigkeit und Leergang des Systems. Die vorliegende Erfindung ist besonders gut geeignet für Simulationen medizinischer Verfahren unter Verwendung spezialisierter Werkzeuge und Bewegen eines Gegenstands, wie z. B. ein Stylus oder Joystick, in dreidimensionalen Simulationen. Eine andere Ausführungsform der bevorzugten Vorrichtung schließt ein Wandlersystem mit passiven Betätigungselementen ein, die weniger Leistung und langsamere Steuersignale benötigen als aktive Betätigungselemente. Eine Sollspielgröße, wie z. B. Nachgiebigkeit oder Leergang, ist vorzugsweise in das System eingebracht, um einem Computersystem eine wirksame Steuerung eines mit der Schnittstelle und dem Wandlersystem verbundenen Gegenstands zu ermöglichen.
Eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Verbindung der Bewegung eines Gegenstands mit einem elektrischen System schließt einen Kardanmechanismus ein, der zwei Rotationsfreiheitsgrade um zwei Rotationsachsen an einen Gegenstand bereitstellt. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Kardanmechanismus eine geschlossene Regelsystemverbindung mit fünf Elementen, darunter ein mit einer Bodenfläche verbundenes Bodenelement, einem ersten und einem zweiten Verlängerungselement, von denen jedes mit dem Bodenelement verbunden ist, und ein erstes und ein zweites Mittelelement, wobei das erste Mittelelement mit einem Ende mit dem ersten Verlängerungselement verbunden ist und das zweite Mittelelement mit einem Ende mit dem zweiten Verlängerungselement verbunden ist.
Am Schnittpunkt der zwei Mittelelemente, der sich am Schnittpunkt der zwei Rotationsachsen befindet, ist ein lineares Achsenelement mit dem Kardanmechanismus verbunden. Das lineare Achsenelement ist zur Umsetzung entlang einer dritten Achse geeignet, um einen dritten Freiheitsgrad bereitzustellen. Der Benutzergegenstand ist mit dem linearen Achsenelement verbunden und auf diese Weise entlang der dritten Achse verschiebbar, so dass der Gegenstand entlang allen drei Freiheitsgraden bewegt werden kann. Ferner sind zwischen Elemente des Kardanmechanismus und das lineare Achsenelement Wandler geschaltet, um eine elektromechanische Schnittstelle zwischen dem Gegenstand und dem elektrischen System bereitzustellen.
In einer Ausführungsform kann das lineare Achsenelement um seine Längsachse gedreht werden, um einen vierten Freiheitsgrad bereitzustellen. Vorzugsweise sind vier Wandler vorgesehen, und jeder Wandler ist einem Freiheitsgrad zugeordnet. Die Wandler für die ersten drei Freiheitsgrade schließen Messfühler und Betätigungselemente ein, und der Wandler für den vierten Freiheitsgrad schließt vorzugsweise einen Messfühler ein. Die Messfühler sind vorzugsweise digitale Codiereinrichtungen und die Betätigungselemente sind Korbdeckel-Gleichstrom-Servomotoren. Die Messfühler erfassen die Positionen des Gegenstands entlang den jeweiligen Freiheitsgraden und liefern die Messfühlerinformationen an ein digitales Verarbeitungssystem, wie z. B. einen Computer. Die Betätigungselemente legen unter Ansprechen auf von dem Computer erzeugte elektrische Signale Kräfte entlang den jeweiligen Freiheitsgraden an.
In der bevorzugten Ausführungsform ist für jeden Freiheitsgrad des Kardanmechanismus ein Capstan-Antriebsmechanismus zwischen ein Betätigungselement und den Kardanmechanismus geschaltet. Der Capstan-Antriebsmechanismus überträgt die vom Wandler generierte Kraft zum Kardanmechanismus und überträgt alle vom Anwender auf dem Kardanmechanismus generierten Kräfte zum Wandler. Außerdem wird zwischen dem linearen Achsenelement und einem Wandler vorzugsweise ein Capstan-Antriebsmechanismus verwendet, um Kraft entlang dem dritten Freiheitsgrad zu übertragen. Die Capstan-Antriebsmechanismen schließen jeweils vorzugsweise einen rotierenden Spillwindenbogen ein, der drehbar mit dem Kardanmechanismus verbunden ist, wobei der Spillwindenbogen durch ein Kabelseil mit einer Seilscheibe verbunden ist und der Wandler mit der Seilscheibe verbunden ist.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Schwebekardanmechanismus mit dem linearen Achsenelement verbunden, um einen fünften und einen sechsten Freiheitsgrad an einen mit dem Schwebekardanmechanismus verbundenen Gegenstand bereitzustellen. Die Wandler des fünften und sechsten Freiheitsgrads sind mit dem Schwebekardanmechanismus verbunden, um die Position des Gegenstands entlang dem fünften und sechsten Freiheitsgrad zu erfassen. In einer Ausführungsform wird der Halter oder Griff eines medizinischen Instrumentes, wie z. B. ein Laparoskop, als Gegenstand in der Simulation eines medizinischen Verfahrens verwendet. In anderen Ausführungsformen wird ein Stylus oder ein Joystick als der Gegenstand verwendet.
Eine andere Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet passive Betätigungselemente. Die Vorrichtung schließt einen Messfühler ein, der vorzugsweise mit dem Gegenstand verbunden ist und die Bewegung eines Gegenstands entlang einem Freiheitsgrad erfasst. Der Messfühler weist eine Abtastungsauflösung und vorzugsweise eine Spielgröße auf, die geringer ist als die Abtastungsauflösung, die zwischen dem Messfühler und dem Gegenstand besteht. Noch bevorzugter besteht zwischen dem Messfühler und dem Gegenstand eine Spielgröße, die eine Größenordnung kleiner ist als die Abtastungsauflösung, oder eine vernachlässigbare Spielgröße.
Die Vorrichtung schließt auch eine Betätigungselementanordnung ein, die ein mit dem Gegenstand verbundenes Betätigungselement einschließt, um entlang dem Freiheitsgrad eine Kraft zu dem Gegenstand zu übertragen. Das Betätigungselement ist vorzugsweise ein elektromechanisches passives Widerstandselement, wie z. B. eine Magnetpulverbremse. Die Betätigungselementanordnung schließt ferner einen Spielmechanismus ein, der mit dem Betätigungselement verbunden ist, um eine gewünschte Spielgröße zwischen dem Betätigungselement und dem Gegenstand entlang dem Freiheitsgrad bereitzustellen. Die Sollspielgröße ist größer als die Abtastungsauflösung des Messfühlers, so dass der Messfühler das Spiel erfassen kann. Zu diesem gewünschten Spiel können Torsionsbiegung (Nachgiebigkeit) oder Drehleergang gehören. Wenn das Spiel als Drehleergang vorgesehen ist, ist das Betätigungselement vorzugsweise mit einer Kupplung verbunden, die eine kleinere Kehlbohrung aufweist als eine Keilwelle, die von der Kehlbohrung aufgenommen wird. Das Betätigungselement und der Messfühler stellen eine elektromechanische Schnittstelle zwischen dem Gegenstand und dem elektrischen System bereit.
Andere Ausführungsformen der Vorrichtung schließen einen Kardanmechanismus ein, der einen ersten Drehfreiheitsgrad an einen Gegenstand bereitstellt, der um eine Rotationsachse mit dem Kardanmechanismus in Eingriff ist. Der Kardanmechanismus schließt vorzugsweise eine geschlossene Regelsystemverbindung mit fünf Elementen ein. Ein Messfühler mit einer Abtastungsauflösung ist starr mit dem Kardanmechanismus verbunden, um Positionen des Gegenstands entlang dem ersten Freiheitsgrad abzutasten. Ein Bremsmechanismus ist mit dem Kardanmechanismus verbunden, um einen Rücktrieb entlang dem ersten Freiheitsgrad zu erzeugen und stellt eine Sollspielgröße zwischen dem Betätigungselement und dem Gegenstand entlang dem Freiheitsgrad bereit. Die Sollspielgröße ist gleich wie oder größer als die Abtastungsauflösung des Messfühlers. Das Betätigungselement und der Messfühler stellen eine elektromechanische Schnittstelle zwischen dem Gegenstand und einem elektrischen System bereit.
Die Vorrichtung enthält ferner eine Messfühler- und Bremsvorrichtung zur Erfassung und Bereitstellung einer Kraftrückkopplung entlang einem zweiten Freiheitsgrad, der durch den Kardanmechanismus bereitgestellt wird. Der Bremsmechanismus schließt ein Betätigungselement und eine Kupplung ein, um die gewünschte Spielgröße bereitzustellen. Zwischen das Betätigungselement und den Kardanmechanismus ist ein Capstan-Antriebsmechanismus geschaltet. Der Capstan-Antriebsmechanismus überträgt die durch das Betätigungselement generierte Kraft zum Kardanmechanismus und überträgt von einem Benutzer an den Kardanmechanismus angelegte Kräfte zum Messfühler. Am Schnittpunkt der zwei Rotationsachsen kann auch ein lineares Achsenelement mit dem Kardanmechanismus verbunden sein. Der Gegenstand ist mit dem linearen Achsenelement verbunden, und das lineare Achsenelement und der Gegenstand können entlang einer dritten Achse in einem dritten Freiheitsgrad umgesetzt werden. Wandler können ebenfalls enthalten sein, um Positionen des Gegenstands zu erfassen und/oder einen Rücktrieb entlang dem dritten, vierten, fünften und sechsten Freiheitsgrad zu erzeugen. Der Gegenstand kann ein chirurgisches Instrument, Stylus, Joystick oder ähnlicher Artikel sein. Ein Verfahren zur Verbindung der Bewegung eines Gegenstands mit einem elektrischen System schließt ähnliche Schritte ein wie bei den oben beschriebenen Elementen.
Noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt ein Digitalrechnersystem zum Empfang eines Eingabesteuersignals und Bereitstellung eines Ausgabesteuersignals ein, das einen Prozess unter Ansprechen auf das Eingabesteuersignal aktualisiert. Ein passives Betätigungselement zum Empfang des Ausgabesteuersignals liefert eine Widerstandskraft entlang einem Freiheitsgrad zu einem mit dem passiven Betätigungselement verbundenen Gegenstand. Der Gegenstand wird vorzugsweise von dem Benutzer gegriffen und bewegt. Die Widerstandskraft basiert auf Informationen in dem Ausgabesteuersignal und widersteht einer Kraft, die von dem Benutzer entlang dem Freiheitsgrad an den Gegenstand angelegt wird. Ein Messfühler erfasst die Bewegung des Gegenstands und gibt das Eingabesteuersignal, das Informationen zur Darstellung der Position und Bewegung des Gegenstands enthält, an das digitale Rechnersystem aus. Vorzugsweise aktualisiert der Digitalrechner einen Simulationsvorgang unter Ansprechen auf das Eingabesteuersignal und zeigt dem Anwender eine Simulation auf einem Anzeigeschirm. Ein Spielmechanismus stellt vorzugsweise eine gewünschte Spielgröße zwischen dem Betätigungselement und dem Gegenstand bereit, wobei die Sollspielgröße größer ist als eine Abtastungsauflösung des Messfühlers. Eine bitserielle Schnittstelle kann das Ausgabesteuersignal von dem Computersystem ausgeben und das Eingabesteuersignal an das Computersystem empfangen. Ein Digital-Analog-Wandler kann das Ausgabesteuersignal empfangen, das Ausgabesteuersignal in ein analoges Steuersignal umwandeln und das analoge Steuersignal an das passive Betätigungselement ausgeben. Schließlich kann ein Mikroprozessor das Ausgabesteuersignal von der bitseriellen Schnittstelle an den Digital-Analog-Wandler bereitstellen und das Eingabesteuersignal von dem Messfühler empfangen.
Der Kardanmechanismus der vorliegenden Erfindung stellt eine Struktur bereit, die es erlaubt, mit zwei Freiheitsgraden verbundene Wandler auseinander zu koppeln und stattdessen mit einer Bodenfläche zu verbinden. Dies ermöglicht, dass das Gewicht der Wandler eine vernachlässigbare Trägheit an das System abgibt, wodurch ein Bewegungssystem mit geringer Reibung und großer Bandbreite bereitgestellt wird. Die Hinzufügung eines nahe am Drehpunkt des Kardanmechanismus angeordneten linearen Achsenelementes und Wandlers erlaubt die Hinzufügung eines dritten Freiheitsgrads mit minimaler Trägheit. Die vorliegende Erfindung schließt auch zwischen die Wandler und beweglichen Komponenten der Vorrichtung geschaltete Capstan-Antriebsmechanismen ein. Der Capstan-Antrieb sorgt für Arbeitsgewinn und ermöglicht es gleichzeitig, eine sanfte Bewegung zu erreichen sowie vernachlässigbare Reibung und Leergang an das System bereitzustellen. Diese Vorteile ermöglichen einem Computersystem eine umfassendere und realistischere Kontrolle über von einem Benutzer der Vorrichtung verspürte Kraftrückkopplungsempfindungen.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem passiven Betätigungselement erfordert weniger Leistung und langsamere Steuersignale als Ausführungsformen mit aktiven Betätigungselementen. Zwischen einem Betätigungselement und einem angeschlossenen Benutzergegenstand ist eine Sollspielgröße vorgesehen, wie z. B. Leergang oder Nachgiebigkeit, so dass ein Steuerungsrechner die Richtung bestimmen kann, in der ein Anwender den Gegenstand bewegt, selbst wenn die passiven Betätigungselemente den Gegenstand ortsfest halten. Außerdem kann der Anwender das Spiel in dem System vorzugsweise nicht fühlen. Das Wandlersystem kann an einer Vielfalt von mechanischen Schnittstellen verwendet werden, die ein bis sechs Freiheitsgrade bereitstellen und kann auch mit Capstan-Antriebsmechanismen verwendet werden, so dass das gewünschte Spiel im Wesentlichen das einzige in das Schnittstellensystem eingebrachte Spiel ist. Diese Verbesserungen erlauben einem Computersystem eine umfassendere und genauere Steuerung über eine preiswerte passive Schnittstelle, die eine realistische Kraftrückkopplung bereitstellt.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann beim Lesen der folgenden Beschreibung der Erfindung und Studium der einzelnen Figuren der Zeichnung erkennbar werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Virtuelle-Realität-Systems, bei dem eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Verbinden eines Laparoskopinstrumentengriffs mit einem Computersystem verwendet wird;
2 ist ein schematisches Diagramm einer mechanischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Bereitstellung eines mechanischen Ein- und Ausgangs für ein Computersystem;
3 ist eine perspektivische Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform der mechanischen Vorrichtung gemäß 2;
4 ist eine perspektivische Rückansicht der Ausführungsform der mechanischen Vorrichtung gemäß 3;
5 ist eine perspektivische Detailansicht eines Capstan-Antriebsmechanismus, der in der vorliegenden Erfindung für zwei Bewegungsgrade verwendet wird;
5a ist eine Seitenaufrissansicht des in 5 gezeigten Capstan-Antriebsmechanismus;
5b ist eine detaillierte Seitenansicht einer Seilscheibe mit Kabelseil des Capstan-Antriebsmechanismus gemäß 5;
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Capstan-Achsenantriebsmechanismus für ein lineares Achsenelement der in 3 gezeigten mechanischen Vorrichtung;
6a ist eine Querschnitt-Draufsicht einer in dem Capstan-Antriebsmechanismus gemäß 6 verwendeten Seilscheibe mit linearem Achsenelement;
6b ist eine Querschnitt-Seitenansicht des in 6 gezeigten linearen Achsenelementes mit Wandler;
7 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 2 und weist ein Stylus-Objekt für den Benutzer auf;
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 2 und weist ein Joystick-Objekt für den Benutzer auf;
9 ist ein Blockdiagramm eines Computers und der Schnittstelle zwischen dem Computer und der mechanischen Vorrichtung gemäß 2;
10 ist ein schematisches Diagramm einer geeigneten Schaltung für eine Digital-Analog-Steuereinheit der Schnittstelle gemäß 9;
11 ist ein schematisches Diagramm einer geeigneten Leistungsverstärkungsschaltung zur Leistungsversorgung der Betätigungselemente der vorliegenden Erfindung, wie in 9 gezeigt;
12a ist ein schematisches Diagramm eines Wandlersystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
12b ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des Wandlersystems gemäß 12a;
13 ist ein schematisches Diagramm des Wandlersystems gemäß 12a, das Leergang zwischen einem Betätigungselement und einem Gegenstand vorsieht;
14a ist eine Seitenschnittansicht der Aktuatorwelle und Kupplung des Wandlersystems gemäß 13;
14b ist eine Seitenschnittansicht der Aktuatorwelle und Kupplung gemäß 14a;
15 ist eine detaillierte Ansicht der versplinteten Abschnitte der Aktuatorwelle und Kupplung gemäß 14a;
16 ist ein schematisches Diagramm des Wandlersystems gemäß 12a mit einer biegsamen Kupplung;
17 ist ein schematisches Diagramm der Wandlersysteme gemäß 12a und 12b in Verbindung mit der mechanischen Vorrichtung gemäß 2;
18 ist eine perspektivische Ansicht der Wandlersysteme gemäß 12a und 12b in Verbindung mit der mechanischen Vorrichtung gemäß 8;
19 ist eine perspektivische Ansicht einer geschlitzten Jochmechanikvorrichtung in Verwendung mit dem Wandlersystem gemäß 12a;
20 ist ein Blockdiagramm, das eine Schnittstelle für eine mechanische Vorrichtung mit dem Wandlersystem gemäß 12a zeigt;
21 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung eines Betätigungselementes des Wandlersystems gemäß 12a in der Simulation einer Fluidumgebung darstellt; und
22 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung eines Betätigungselementes des Wandlersystems gemäß 12a darstellt, wenn dieses in einer virtuellen Umgebung auf ein Hindernis trifft.
Beste Arten zur Ausführung der Erfindung
In 1 schließt ein Virtuelle-Realität-System 10, das zur Simulierung einer medizinischen Verfahrensweise verwendet wird, eine Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung 12, eine elektronische Schnittstelle 14 und einen Computer 16 ein. Das dargestellte Virtuelle-Realität-System 10 ist auf eine Virtuelle-Realität-Simulation eines laparoskopischen Chirurgiebetriebs gerichtet. Die Software der Simulation ist nicht Teil dieser Erfindung und wird daher nicht im Einzelnen diskutiert. Solche Software ist jedoch im Handel erhältlich, wie beispielsweise Teleos^TM von der Firma High Techsplanations, Rockville, Maryland. Geeignete Software-Treiber, die solche Simulationssoftware mit Rechner-Ein-Ausgabe-(I/O)-Vorrichtungen verbinden, sind von der Immersion Human Interface Corporation, Santa Clara, Kalifornien, erhältlich.
Der Haltegriff 26 eines in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendeten laparoskopischen Werkzeugs 18 wird von einer Bedienperson gehandhabt, und als Reaktion auf solche Manipulationen werden Virtuelle-Realität-Abbildungen auf einem Bildschirm 20 des digitalen Verarbeitungssystems angezeigt. Das digitale Verarbeitungssystem ist vorzugsweise ein Personalcomputer oder Arbeitsplatzrechner, wie z. B. ein IBM-PC AT oder Macintosh Personalcomputer oder ein SUN oder Silicon Graphics Arbeitsplatzrechner. Ganz allgemein ist das digitale Verarbeitungssystem ein Personalcomputer, der unter dem Betriebssystem MS-DOS in Übereinstimmung mit einem IBM-PC-AT-Standard arbeitet.
Die Mensch/Schnittstellenvorrichtung 12, wie sie hierin dargestellt ist, wird zur Simulierung einer laparoskopischen medizinischen Verfahrensweise verwendet. Neben dem Halter eines laparoskopischen Standardwerkzeugs 18 kann die Mensch/Schnittstellenvorrichtung 12 eine Trennwand 22 und einen laparoskopischen Standardtrokar 24 (oder ein Faksimile eines Trokars) einschließen. Die Trennwand 22 wird dazu verwendet, einen Teil der Haut darzustellen, die den Körper eines Patienten einhüllt. Der Trokar 24 wird in den Körper des virtuellen Patienten eingesetzt, um einen Zugangs- und Entfernungspunkt für das laparoskopische Instrument 18 am Körper des Patienten bereitzustellen und das Hantieren mit dem laparoskopischen Instrument zu gestatten. Laparoskopische Instrumente und Trokare 24 sind von Lieferanten wie z. B. U.S. Surgical, Connecticut, im Handel erhältlich. In anderen Ausführungsformen können die Trennwand 22 und der Trokar 24 bei der Vorrichtung 12 weggelassen sein. Vorzugsweise ist das laparoskopische Instrument 18 modifiziert; in der bevorzugten Ausführungsform ist die Welle durch ein lineares Achsenelement der vorliegenden Erfindung ersetzt, wie nachstehend beschrieben. In anderen Ausführungsformen kann das Ende der Welle des Werkzeugs (wie z. B. irgendwelche Schnittkanten) entfernt sein. Das Ende des laparoskopischen Instrumentes 18 wird für die Virtuelle-Realität-Simulation nicht benötigt und entfernt, um einen möglichen Personen- oder Sachschaden zu verhindern. Eine Vorrichtung 25 zur Verbindung des mechanischen Eingangs und Ausgangs ist innerhalb des "Körpers" des Patienten als strichlierte Durchsicht gezeigt.
Das laparoskopische Instrument 18 schließt einen Halter oder "Griff"-Teil 26 und einen Wellenteil 28 ein. Der Wellenteil ist ein langgestreckter mechanischer Gegenstand und insbesondere ein langgestreckter zylindrischer Gegenstand, der nachstehend in größerer Einzelheit beschrieben wird. In einer Ausführungsform befasst sich die vorliegende Erfindung mit der Verfolgung der Bewegung des Wellenteils 28 im dreidimensionalen Raum, wobei die Bewegung so eingeschränkt ist, dass der Wellenteil 28 nur drei oder vier freie Bewegungsgrade aufweist. Dies ist insofern eine gute Simulation der realen Verwendung eines laparoskopischen Instrumentes 18, als es sofort nach Einsetzen in einen Trokar 24 und durch die Kardanvorrichtung 25 hindurch auf etwa vier Freiheitsgrade begrenzt wird. Insbesondere ist die Welle 28 an irgendeiner Stelle entlang ihrer Länge so eingeschränkt, dass sie sich mit vier Freiheitsgraden im Körper des Patienten bewegen kann.
Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf das laparoskopische Instrument 18 diskutiert wird, wird erkannt werden, dass eine große Anzahl von anderen Arten von Objekten mit dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Tatsächlich kann die vorliegende Erfindung mit jedem mechanischen Gegenstand verwendet werden, wo die Bereitstellung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle mit drei bis sechs Freiheitsgraden wünschenswert ist. Solche Gegenstände können u. a. endoskopische oder andere ähnliche, in medizinischen Prozeduren verwendete chirurgische Instrumente, Katheter, Injektionskanülen, Drähte, faseroptische Bündel, stiftartige Geräte, Joysticks, Schraubenzieher, Sammelabläufe etc. sein. Einige dieser anderen Gegenstände werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben.
Die elektronische Schnittstelle 14 ist ein Bestandteil der Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung 12 und schließt die Vorrichtung 12 an den Computer 16 an. Insbesondere wird die Schnittstelle 14 in bevorzugten Ausführungsformen dazu verwendet, die verschiedenen in der Vorrichtung 12 enthaltenen Betätigungselemente und Messfühler (welche Betätigungselemente und Messfühler nachstehend im Einzelnen beschrieben sind) an den Computer 16 anzuschließen. Eine geeignete Schnittstelle 14 ist mit Bezug auf 9 detailliert beschrieben.
Die elektronische Schnittstelle 14 ist durch ein Kabel 30 mit der mechanischen Vorrichtung 25 der Vorrichtung 12 verbunden und durch ein Kabel 32 mit dem Computer 16 verbunden. In anderen Ausführungsformen kann ein Signal zu und von der Schnittstelle 14 und dem Computer 16 durch Funkübertragung und Empfang gesendet werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 14 lediglich als Eingabevorrichtung für den Computer 16. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 14 lediglich als Ausgabevorrichtung für den Computer 16. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 14 als Ein-Ausgabe-(I/O)-Vorrichtung für den Computer 16.
In 2 ist ein schematisches Diagramm der mechanischen Vorrichtung 25 zur Bereitstellung des mechanischen Eingangs und Ausgangs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 25 schließt einen Kardanmechanismus 38 und ein lineares Achsenelement 40 ein. Mit dem linearen Achsenelement 40 ist vorzugsweise ein Benutzergegenstand 44 verbunden.
Der Kardanmechanismus 38 sorgt in der beschriebenen Ausführungsform für die Lagerung der Vorrichtung 25 auf einem Untersatz 56 (schematisch gezeigt als Teil von Element 46). Der Kardanmechanismus 38 ist vorzugsweise ein fünfteiliges Gestänge, das aus einem Bodenelement 46, Verlängerungselementen 48a und 48b und Mittelelementen 50a und 50b besteht. Das Bodenelement 46 ist mit einer Basis oder Fläche verbunden, die der Vorrichtung 25 Stabilität verleiht. In 2 ist das Bodenelement 46 als zwei getrennte Elemente gezeigt, die durch den Untersatz 56 kraftschlüssig verbunden sind. Die Elemente des Kardanmechanismus 38 sind durch die Verwendung von Lagern oder Drehzapfen drehbar miteinander verbunden, wobei das Verlängerungselement 48a drehbar mit dem Bodenelement 46 verbunden ist und um eine Achse A rotieren kann, das Mittelelement 50a drehbar mit dem Verlängerungselement 48a verbunden ist und um eine Momentanachse D rotieren kann, das Verlängerungselement 48b drehbar mit dem Bodenelement 46 verbunden ist und um eine Achse B rotieren kann, das Mittelelement 50b drehbar mit dem Verlängerungselement 48b verbunden ist und um eine Momentanachse E rotieren kann und das Mittelelement 50a an einem Zentrierpunkt P am Schnittpunkt der Achsen D und E drehbar mit dem Mittelelement 50b verbunden ist. Die Achsen D und E sind "momentan" in dem Sinne, dass sie nicht an einer Position festgelegt sind wie die Achsen A und B. Die Achsen A und B sind weitgehend beiderseits lotrecht. So, wie es hierin verwendet wird, bedeutet "weitgehend lotrecht", dass zwei Gegenstände oder Achsen genau oder fast lotrecht sind, d. h. die Lotrechte liegt zumindest innerhalb von 5°–10° oder noch besser innerhalb von weniger als 1° Lotrechte. In ähnlicher Weise bedeutet der Ausdruck "weitgehend parallel", dass zwei Gegenstände oder Achsen genau oder fast parallel sind, d. h. die Parallelität liegt zumindest innerhalb von 5–10° und vorzugsweise innerhalb von weniger als 1° Parallelität.
Der Kardanmechanismus 38 ist als fünfgliedrige geschlossene Kette ausgebildet. Jedes Ende eines Elementes ist mit dem Ende eines anderen Elementes verbunden. Die fünfteilige Verbindung ist so angeordnet, dass das Verlängerungselement 48a, das Mittelelement 50a und das Mittelelement 50b in einem ersten Freiheitsgrad um die Achse A gedreht werden können. Die Verbindung ist ferner so angeordnet, dass das Verlängerungselement 48b, das Mittelelement 50b und das Mittelelement 50a in einem zweiten Freiheitsgrad um die Achse B gedreht werden können.
Das lineare Achsenelement 40 ist vorzugsweise ein langgestrecktes, stabartiges Element, das am Kreuzungspunkt P der Achsen A und B mit dem Mittelelement 50a und dem Mittelelement 50b verbunden ist. Wie in 1 gezeigt, kann das lineare Achsenelement 40 als Welle 28 des Benutzergegenstands 44 verwendet werden. In anderen Ausführungsformen ist das lineare Achsenelement 40 mit einem andersartigen Gegenstand verbunden. Das lineare Achsenelement 40 ist so mit dem Kardanmechanismus 38 verbunden, dass es sich aus der durch die Achse A und die Achse B definierten Ebene herauserstreckt. Das lineare Achsenelement 40 kann durch Drehen des Verlängerungselementes 48a, Mittelelementes 50a und Mittelelementes 50b in einem ersten Drehfreiheitsgrad um die Achse A gedreht werden, gezeigt als Pfeillinie 51. Das Element 40 kann ferner durch Drehen des Verlängerungselementes 50b und der zwei Mittelelemente um die Achse B in einem zweiten Drehfreiheitsgrad um die Achse B gedreht werden, gezeigt durch eine Pfeillinie 52. Da es ferner umsetzbar mit den Enden der Mittelelemente 50a und 50b verbunden ist, kann das lineare Achsenelement 40 linear entlang einer Momentanachse C verschoben werden und einen dritten Freiheitsgrad bereitstellen, wie durch Pfeile 53 gezeigt. Die Achse C kann selbstverständlich um eine oder beide Achsen A und B gedreht werden, wenn das Element 40 um diese Achsen gedreht wird.
Vorzugsweise sind mit dem Kardanmechanismus 38 und dem linearen Achsenelement 40 auch Wandler verbunden, wie z. B. Messfühler und Betätigungselemente. Derartige Wandler sind vorzugsweise an den Verbindungspunkten zwischen Elementen der Vorrichtung angeschlossen und stellen einen Ein- und Ausgang für ein elektrisches System bereit, wie z. B. den Computer 16. Wandler, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind im Hinblick auf 2 in größerer Einzelheit beschrieben.
Der Benutzergegenstand 44 ist mit der Vorrichtung 25 verbunden und ist vorzugsweise ein Schnittstellenobjekt, das ein Benutzer greifen oder andersartig im dreidimensionalen (3D-) Raum handhaben kann. Ein bevorzugter Benutzergegenstand 44 ist der Griff 26 eines laparoskopischen Instrumentes 18, wie in 1 gezeigt. Die Welle 28 des Werkzeugs 18 kann als Teil des linearen Achsenelementes 40 ausgeführt sein. Andere Beispiele für Benutzergegenstände sind in nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben. Der Benutzergegenstand 44 kann in allen drei Freiheitsgraden bewegt werden, die durch den Kardanmechanismus 38 und das lineare Achsenelement 40 vorgesehen sind sowie zusätzliche Freiheitsgrade, wie nachstehend beschrieben. Wenn der Benutzergegenstand 44 um die Achse A bewegt wird, verändert die Momentanachse D ihre Position und wenn der Benutzergegenstand 44 um die Achse B bewegt wird, verändert die Momentanachse E ihre Position.
3 und 4 sind perspektivische Ansichten einer besonderen Ausführungsform einer mechanischen Vorrichtung 25' zur Bereitstellung eines mechanischen Ein- und Ausgangs für ein Computersystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt eine Vorderansicht der Vorrichtung 25', und 4 zeigt eine Rückansicht der Vorrichtung. Die Vorrichtung 25' schließt einen Kardanmechanismus 38, ein lineares Achsenelement 40 und Wandler 42 ein. Ein Benutzergegenstand 44, der in dieser Ausführungsform als laparoskopisches Instrument mit einem Griffteil 26 gezeigt ist, ist mit der Vorrichtung 25' verbunden. Die Vorrichtung 25' funktioniert im Wesentlichen genauso wie die mit Bezug auf 2 beschriebene Vorrichtung 25.
Der Kardanmechanismus 38 sorgt für die Lagerung der Vorrichtung 25' auf einem Untersatz 56, wie z. B. einer Tischplatte oder ähnlichen Fläche. Die Elemente und Verbindungsstellen ("Lager") des Kardanmechanismus 38 sind vorzugsweise aus einem leichtgewichtigen, festen, steifen Metall hergestellt, wie z. B. Aluminium, können aber auch aus anderen festen Materialien hergestellt sein, wie z. B. andere Metalle, Kunststoff etc. Der Kardanmechanismus 38 schließt ein Bodenelement 46, Capstan-Antriebsmechanismen 58, Verlängerungselemente 48a und 48b, ein zentrales Antriebselement 50a und ein zentrales Verbindungselement 50b ein. Das Bodenelement 46 schließt ein Basiselement 60 und vertikale Tragelemente 62 ein. Das Basiselement 60 ist mit dem Untersatz 56 verbunden und stellt zwei vertikale Außenflächen 61 bereit, die in einer im Wesentlichen lotrechten Beziehung zueinander stehen. Mit jeder dieser Außenflächen des Basiselementes 60 ist ein vertikales Tragelement 62 so verbunden, dass die vertikalen Elemente 62 in einer ähnlichen weitgehend 90°-Beziehung zueinander stehen.
Mit jedem vertikalen Element 62 ist vorzugsweise ein Capstan-Antriebsmechanismus 58 verbunden. Die Capstan-Antriebsmechanismen 58 sind in dem Kardanmechanismus 38 enthalten, um einen Arbeitsgewinn bereitzustellen, ohne Reibung und Leergang in das System einzubringen. Ein Spillwindenbogen 59 jedes Capstan-Antriebsmechanismus ist drehbar mit einem entsprechenden vertikalen Tragelement 62 verbunden und bildet die Rotationsachsen A und B, die den Achsen A und B entsprechen, wie in 1 gezeigt. Die Capstan-Antriebsmechanismen 58 sind mit Bezug auf 5 in größerer Einzelheit beschrieben.
Das Verlängerungselement 48a ist starr mit dem Spillwindenbogen 59 verbunden und wird beim Drehen des Spillwindenbogens 59 um die Achse A gedreht. Genauso ist das Verlängerungselement 48b starr mit dem anderen Spillwindenbogen 59 verbunden und kann um die Achse B gedreht werden. Beide Verlängerungselemente 48a und 48b sind mit einem Winkel von weitgehend 90° geformt, wobei ein kurzes Ende 49 mit dem Spillwindenbogen 59 verbunden ist. Das zentrale Antriebselement 50a ist drehbar mit einem langen Ende 51 des Verlängerungselementes 48a verbunden und erstreckt sich in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung zu der Achse B. In ähnlicher Weise ist das zentrale Verbindungselement 50b drehbar mit dem langen Ende des Verlängerungselementes 48b verbunden und erstreckt sich in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung zur Achse A (wie in 4 besser zu sehen). Das zentrale Antriebselement 50a und das zentrale Verbindungselement 50b sind am Drehpunkt des Kardanmechanismus drehbar miteinander verbunden, nämlich dem Kreuzungspunkt P der Achsen A und B. Ein Lager 64 kuppelt die zwei Mittelelemente 50a und 50b am Kreuzungsschnittpunkt P zusammen.
Der Kardanmechanismus 38 stellt zwei Freiheitsgrade für einen an dem Rotationszentrierpunkt P angeordneten oder damit verbundenen Gegenstand bereit. Ein an dem Punkt P befindlicher oder damit verbundener Gegenstand kann um die Achse A und B gedreht werden oder eine kombinierte Rotationsbewegung um diese Achsen bekommen.
Das lineare Achsenelement 40 ist ein zylindrisches Element, das vorzugsweise am Kreuzungsschnittpunkt P mit den Mittelelementen 50a und 50b verbunden ist. In alternativen Ausführungsformen kann das lineare Achsenelement 40 ein nichtzylindrisches Element mit einem Querschnitt beispielsweise eines Vierecks oder anderen Polygons sein. Das Element 40 ist durch den Mittelpunkt des Lagers 64 und durch Löcher in den Mittelelementen 50a und 50b hindurch angeordnet. Das lineare Achsenelement kann entlang der Achse C linear umgesetzt werden und einen dritten Freiheitsgrad für den mit dem linearen Achsenelement verbundenen Benutzergegenstand 44 bereitstellen. Das lineare Achsenelement 40 kann vorzugsweise durch einen Wandler 42 unter Verwendung eines Capstan-Antriebsmechanismus ähnlich dem Capstan-Antriebsmechanismus 58 umgesetzt werden. Die fortschreitende Bewegung des linearen Achsenelementes 40 ist mit Bezug auf 6 in größerer Einzelheit beschrieben.
Die Wandler 42 sind vorzugsweise mit dem Kardanmechanismus 38 verbunden, um Ein- und Ausgangssignale zwischen der mechanischen Vorrichtung 25' und dem Computer 16 bereitzustellen. In der beschriebenen Ausführungsform schließen die Wandler 42 zwei Basiswandler 66a und 66b, einen mittigen Wandler 68 und einen Wellenwandler 70 ein. Das Gehäuse des Basiswandlers 66a ist vorzugsweise mit dem vertikalen Tragelement 62 verbunden und schließt vorzugsweise sowohl ein Betätigungselement ein, um den ersten Drehfreiheitsgrad um die Achse A mit Kraft zu versorgen oder andersartig zu beeinflussen, als auch einen Messfühler, um die Position des Gegenstands 44 in dem ersten Freiheitsgrad um die Achse A oder die andersartige Beeinflussung davon zu messen, d. h. der Wandler 66a ist dem ersten Freiheitsgrad "zugeordnet" oder darauf "bezogen". Eine selbst umdrehende Welle des Betätigungselementes 66a ist mit einer Seilscheibe des Capstan-Antriebsmechanismus 58 verbunden, um die Ein- und Ausgabe entlang dem ersten Freiheitsgrad zu übertragen. Der Capstan-Antriebsmechanismus 58 ist mit Bezug auf 5 in größerer Einzelheit beschrieben. Der Basiswandler 66b entspricht in Funktion und Betriebsweise vorzugsweise dem Basiswandler 66a. Der Wandler 66b ist mit dem anderen vertikalen Tragelement 62 verbunden und ist ein Betätigungselement/Messfühler, das/der den zweiten Drehfreiheitsgrad um die Achse B beeinflusst oder davon beeinflusst wird.
Die Basiswandler 66a und 66b sind vorzugsweise zweiseitig wirkende Wandler, die Messfühler und Betätigungselemente einschließen. Die Messfühler sind vorzugsweise relative optische Codeumsetzer, die Signale zum Messen der Winkeldrehung einer Welle des Wandlers bereitstellen. Die elektrischen Ausgaben der Codiereinrichtungen werden über Busse 67a und 67b zur Computerschnittstelle 14 geleitet und sind mit Bezug auf 9 geschildert. Andere Arten von Messfühlern, wie z. B. Potentiometer etc., können ebenfalls verwendet werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung sowohl Absolut- als auch Relativsensoren verwenden kann. Ein Absolutsensor ist einer, bei dein der Winkel des Messfühlers bei der Absolutberechnung bekannt ist, wie z. B. bei einem analogen Potentiometer. Relativsensoren liefern nur relative Winkelinformationen und erfordern daher eine gewisse Form von Kalibrierungsschritt, der eine Bezugsposition für die relative Winkelinformation liefert. Die hierin beschriebenen Messfühler sind in erster Linie Relativsensoren. Folglich gibt es nach der Systemanschaltung einen einbezogenen Kalibrierungsschritt, in dem die Welle des Messfühlers an einer bekannten Position in der Vorrichtung 25' platziert wird und ein Kalibrierungssignal an das System geliefert wird, um die oben erwähnte Bezugsposition bereitzustellen. Alle von den Messfühlern gelieferten Winkel beziehen sich danach auf diese Bezugsposition. Derartige Kalibrierungsverfahren sind dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt und werden daher hierin nicht in großer Einzelheit diskutiert.
Die Wandler 66a und 66b schließen vorzugsweise auch Betätigungselemente ein, die in der beschriebenen Ausführungsform Linearstrom-Steuermotoren sind, wie z. B. Gleichstrom-Servomotoren. Diese Motoren empfangen vorzugsweise Stromsignale zur Steuerung der Richtung und des Drehmoments (Kraftabgabe), das auf einer Welle erzeugt wird; die Steuersignale für den Motor werden von der Computerschnittstelle 14 auf den Steuerbussen 67a und 67b erzeugt und sind mit Bezug auf 9 geschildert. Die Motoren können Bremsen einschließen, die ein Anhalten der Rotation der Welle in einer kurzen Zeitspanne ermöglichen. Ein geeigneter Wandler für die vorliegende Erfindung, der sowohl einen optischen Codeumsetzer als auch einen stromgesteuerten Motor einschließt, ist ein 20W-Korbdeckel-Servomotor, hergestellt von der Firma Maxon, Burlingame, Kalifornien.
In alternativen Ausführungsformen können andere Arten von Motoren verwendet werden, wie z. B. ein mit Impulsbreitenmodulation einer angelegten Spannung gesteuerter Schrittmotor oder Luftdruckmotoren. Die vorliegende Erfindung ist jedoch viel besser für die Verwendung linearstromgesteuerter Motoren geeignet. Dies ist so, weil die Spannungsimpulsbreitenmodulation oder Schrittmotorsteuerung die Verwendung von Schritten oder Impulsen mit sich bringt, die vom Benutzer als "Störung" empfunden werden können. Diese Störung verfälscht die virtuelle Simulation. Die lineare Stromregelung ist sanfter und demnach für die vorliegende Erfindung geeigneter.
In den Wandlern 66a, 66b und 68 können auch passive Betätigungselemente verwendet werden. Neben oder anstelle eines Motors können Magnetpulverbremsen oder Reibungsbremsen verwendet werden, um passiven Widerstand oder Reibung in einem Bewegungsgrad zu erzeugen. Eine alternative bevorzugte Ausführungsform, die nur passive Betätigungselemente einschließt, ist vielleicht nicht so realistisch wie eine Ausführungsform, die Motoren einschließt; die passiven Betätigungselemente sind jedoch typischerweise sicherer für einen Anwender, da der Anwender nicht gegen generierte Kräfte ankämpfen muss.
In anderen Ausführungsformen können alle oder einige der Wandler 42 nur Messfühler einschließen, um eine Vorrichtung ohne Kraftrückkopplung entlang bezeichneten Freiheitsgraden bereitzustellen. In ähnlicher Weise können alle oder einige der Wandler 42 als Betätigungselemente ohne Messfühler realisiert sein, um nur Kraftrückkopplung bereitzustellen.
Der mittige Wandler 68 ist mit dem zentralen Antriebselement 50a verbunden und schließt vorzugsweise ein Betätigungselement zum Bereitstellen von Kraft in dem linearen dritten Freiheitsgrad entlang der Achse C und einen Messfühler zum Messen der Position des Gegenstands 44 entlang dem dritten Freiheitsgrad ein. Die selbst umdrehende Welle des mittigen Wandlers 68 ist mit einer Translationsschnittstelle verbunden, die mit dem zentralen Antriebselement 50a verbunden ist, das mit Bezug auf 6 in größerer Einzelheit beschrieben wird. In der beschriebenen Ausführungsform ist der mittige Wandler 68 eine Kombination aus einem optischen Codeumsetzer und einem Gleichstrom-Servomotor ähnlich den oben beschriebenen Betätigungselementen 66a und 66b.
Die Wandler 66a, 66b und 68 der beschriebenen Ausführungsform sind vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie eine sehr geringe Trägheitsgröße an den Benutzer liefern, der den Gegenstand 44 gebraucht. Der Wandler 66a und der Wandler 66b sind entkoppelt, was bedeutet, dass die Wandler beide direkt mit dem Bodenelement 46 verbunden sind, das mit der Bodenfläche 56 verbunden ist, d. h. die Bodenfläche trägt das Gewicht der Wandler, nicht der den Gegenstand 44 gebrauchende Benutzer. Gewicht und Trägheit der Wandler 66a und 66b sind demnach für einen den Gegenstand 44 gebrauchenden und bewegenden Benutzer weitgehend vernachlässigbar. Dies stellt eine realistischere Anschlussstelle für ein Virtuelle-Realität-System bereit, da der Computer die Wandler so steuern kann, dass sie weitgehend alle vom Benutzer in diesen Bewegungsgraden gespürten Kräfte bereitstellen können. Die Vorrichtung 25' ist ein Kraftrückkopplungssystem mit großer Bandbreite, was bedeutet, dass zur Steuerung der Wandler 42 Hochfrequenzsignale verwendet werden können und diese Hochfrequenzsignale dann mit hoher Präzision, Genauigkeit und Verlässlichkeit an den Benutzergegenstand angelegt werden. Aufgrund der großen Bandbreite fühlt der Benutzer eine sehr geringe Nachgiebigkeit oder "Schwammigkeit" im Umgang mit dem Gegenstand 44. In typischen Anordnungen von Schnittstellen mit vielen Freiheitsgraden des Standes der Technik "reitet" dagegen in einer fortlaufenden Kette von Bindegliedern und Betätigungselementen ein Betätigungselement auf einem anderen Betätigungselement. Diese Anordnung mit geringer Bandbreite bewirkt, dass der Benutzer die Trägheit verbundener Betätigungselemente bei der Handhabung eines Gegenstands fühlt.
Der mittige Wandler 68 ist nahe dem Drehpunkt von zwei Drehfreiheitsgraden angeordnet. Obwohl der Wandler 68 nicht abgestützt ist, gestattet seine Mittellage eine minimale Trägheitsabgabe an die mechanische Vorrichtung 25' entlang der vorgesehenen Freiheitsgrade. Ein den Gegenstand 44 handhabender Benutzer wird demnach minimale innere Auswirkungen des Gewichtes der Wandler 66a, 66b und 68 verspüren.
Der Wellenwandler 70 schließt vorzugsweise einen Messfühler ein und ist in der beschriebenen Ausführungsform zum Messen eines vierten Freiheitsgrads für den Gegenstand 44 vorgesehen. Der Wellenwandler 70 ist vorzugsweise am Ende des linearen Achsenelementes 40 angeordnet, das dem Gegenstand 44 gegenüberliegt, und misst die Drehstellung des Gegenstands 44 um die Achse C im vierten Freiheitsgrad, wie durch Pfeil 72 angedeutet. Der Wellenwandler 70 ist mit Bezug auf 6 und 6b in größerer Einzelheit beschrieben. Vorzugsweise ist der Wellenwandler 70 unter Verwendung eines optischen Codeumsetzers ähnlich den oben beschriebenen Codiereinrichtungen realisiert. Ein geeigneter Eingabewandler auf dem Markt zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Codeumsetzer, Modell SI, von U.S. Digital, Vancouver, Washington. In der beschriebenen Ausführungsform schließt der Wellenwandler 70 nur einen Messfühler und kein Betätigungselement ein. Dies ist deshalb so, weil für typische medizinische Verfahrensweisen, die eine geplante Anwendung für die in 3 und 4 gezeigte Ausführungsform sind, die Drehkraft-Rückkopplung an einen Benutzer um die Achse C zur Simulation tatsächlicher Betriebsbedingungen typischerweise nicht erforderlich ist. In alternativen Ausführungsformen kann jedoch ähnlich wie bei den Wandlern 66a, 66b und 68 ein Betätigungselement, wie z. B. ein Motor, in dem Wellenwandler 70 enthalten sein.
Der Gegenstand 44 ist in 3 und 4 als Griffteil 26 eines laparoskopischen Instrumentes ähnlich dem in 1 gezeigten Werkzeug gezeigt. Das Wellenteil 28 ist als lineares Achsenelement 40 realisiert. Ein Benutzer kann das laparoskopische Instrument um die Achsen A und B bewegen, und er kann das Werkzeug entlang der Achse C verschieben und das Werkzeug um die Achse C drehen. Die Bewegung in diesen vier Freiheitsgraden wird dann von dem Computersystem 16 erfasst und verfolgt. Kräfte können von dem Computersystem vorzugsweise in den ersten drei Freiheitsgraden angelegt werden, um das Auftreffen des Instrumentes auf einem Körperteil des Patienten zu simulieren, den Widerstand bei der Bewegung durch Gewebe zu erleben etc.
Fakultativ können der Vorrichtung 25' zusätzliche Wandler hinzugefügt werden, um zusätzliche Freiheitsgrade für den Gegenstand 44 bereitzustellen. Beispielsweise kann dem Griff 26 des laparoskopischen Instrumentes 18 ein Wandler hinzugefügt werden, um zu erfassen, wenn der Benutzer die zwei Teile 26a und 26b aufeinander bezogen bewegt, um das Ausfahren des Abschneidmessers des Instrumentes zu simulieren. Ein derartiger Messfühler für ein laparoskopisches Instrument ist in der US-Patentanmeldung 08/275,120, eingereicht am 14. Juli 1994 mit dem Titel "Method and Apparatus for Providing Mechanical I/O for Computer Systems" beschrieben, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen und in ihrer Gesamtheit durch Querverweis hierin aufgenommen ist.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines genauer gezeigten Capstan-Antriebsmechanismus 58. Als Beispiel ist der Antriebsmechanismus 58 verbunden mit dem einseitigen Querträger 48b gezeigt; der andere Capstan-Antrieb 58, der mit dem einseitigen Querträger 48a verbunden ist, ist dem hier vorgestellten Mechanismus weitgehend ähnlich. Der Capstan-Antriebsmechanismus 58 schließt den Spillwindenbogen 59, eine Capstan-Seilscheibe 76 und einen Anschlag 78 ein. Der Spillwindenbogen 59 ist vorzugsweise ein keilförmiges Element mit einem Schenkelteil 82 und einem bogenförmigen Teil 84. Auch andere Gestaltungen des Elementes 59 können verwendet werden. Der Schenkelteil 82 ist am vertikalen Tragelement 62 an der Achse B schwenkbar gelagert (oder Achse A beim gegenüberliegenden Capstan-Antriebsmechanismus). Das Verlängerungselement 48b ist starr mit dem Schenkelteil 82 verbunden, so dass bei Drehen des Spillwindenbogens 59 um die Achse B das Verlängerungselement 48b ebenfalls gedreht wird und die Lage zum Schenkelteil 82 beibehält, wie in 5 gezeigt. Der bogenförmige Teil 84 kuppelt die zwei Enden des Schenkelteils 82 zusammen und ist vorzugsweise als ein um die Achse B zentrierter Bogen ausgebildet. Der bogenförmige Teil 84 ist vorzugsweise so angeordnet, dass seine Unterkante 86 ungefähr 0,030'' über der Seilscheibe 76 liegt.
Ein Kabelseil 80 ist vorzugsweise ein dünnes Metallkabel, das mit dem bogenförmigen Teil 84 des Spillwindenbogens verbunden ist. Andere Arten von haltbaren Kabelseilen, Schnüren, Draht etc. können ebenso verwendet werden. Das Kabelseil 80 ist an einem ersten Ende an dem bogenförmigen Teil 84 nahe einem Ende des Schenkelteils 82 befestigt und straff gegen die Außenfläche 86 des bogenförmigen Teils 84 gezogen. Das Kabelseil 80 ist einige Male um die Seilscheibe 76 gewickelt und dann wieder straff gegen die Außenfläche 86 gezogen. Das zweite Ende des Kabelseils 80 ist fest am anderen Ende des bogenförmigen Teils 84 nahe dem gegenüberliegenden Schenkel des Schenkelteils 82 befestigt. Das Kabelseil überträgt Drehkraft von der Seilscheibe 76 zum Spillwindenbogen 59 und bewirkt, dass sich der Spillwindenbogen 59 um die Achse B dreht, wie nachstehend erläutert. Das Kabelseil überträgt ferner Drehkraft von der Trommel 59 zu der Seilscheibe und dem Wandler 66b. Die Spannung im Kabelseil 80 sollte auf einem derartigen Pegel liegen, dass zwischen dem Spillwindenbogen 59 und der Seilscheibe 76 ein vernachlässigbarer Leergang oder Spiel auftritt. Vorzugsweise kann die Spannung des Kabelseils 80 eingestellt werden, indem mehr (oder weniger) Kabelseillänge durch ein Ende des bogenförmigen Teils 84 gezogen wird. Zum leichten Straffen des Kabelseils 80 können Abschlusskappen 81 an den Enden des bogenförmigen Teils 84 verwendet werden. Jede Abschlusskappe 81 ist vorzugsweise fest mit dem Kabelseil 80 verbunden und schließt einen Drehzapfen und eine Spannschraube ein, die der Abschlusskappe die Bewegung in einer durch Pfeil 83 angedeuteten Richtung erlauben, um das Kabelseil 80 straff zu spannen.
Die Capstan-Seilscheibe 76 ist ein Metallzylinder mit Gewinde, der Drehkraft vom Wandler 66b zum Spillwindenbogen 59 und vom Spillwindenbogen 59 zum Wandler 66b überträgt. Die Seilscheibe 76 ist durch eine Welle 88 (gezeigt in 5a), die durch eine Bohrung des vertikalen Elementes 62 hindurch angeordnet und starr an der Seilscheibe 76 angebracht ist, selbst umdrehend mit dem vertikalen Tragelement 62 verbunden. Der Wandler 66b ist durch die Welle 88 durch das vertikale Tragelement 62 mit der Seilscheibe 76 verbunden. Wenn das Betätigungselement des Wandlers 66b die Welle dreht, wird vom Wandler 66b aus Drehkraft an die Seilscheibe 76 angelegt. Die Seilscheibe überträgt die Drehkraft dann wieder an das Kabelseil 80 und zwingt damit den Spillwindenbogen 59, in einer Richtung um die Achse B zu drehen. Das Verlängerungselement 48b dreht sich mit dem Spillwindenbogen 59 und erzeugt auf diese Weise Kraft entlang dem zweiten Freiheitsgrad für den Gegenstand 44. Es sei angemerkt, dass die Seilscheibe 76, der Spillwindenbogen 59 und das Verlängerungselement 48b sich nur dann tatsächlich drehen, wenn der Benutzer nicht gerade denselben Betrag oder einen größeren Drehkraftbetrag an den Gegenstand 44 in der Gegenrichtung anlegt und so die Rotationsbewegung aufhebt. Auf alle Fälle wird der Benutzer die Drehkraft entlang dem zweiten Freiheitsgrad im Gegenstand 44 als Kraftrückkopplung fühlen.
Der Capstan-Mechanismus 58 sorgt für einen Arbeitsgewinn der Vorrichtung 25', so dass die Kraftabgabe der Betätigungselemente gesteigert werden kann. Das Verhältnis des Durchmessers der Seilscheibe 76 zum Durchmesser des Spillwindenbogens 59 (d. h. der doppelte Abstand von der Achse B zur Unterkante 86 des Spillwindenbogens 59) diktiert die Arbeitsgewinnmenge ähnlich wie bei einem Getriebesystem. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis von Trommel zu Seilscheibe gleich 15 : 1, obwohl in anderen Ausführungsformen auch andere Verhältnisse verwendet werden können.
In ähnlicher Weise dreht sich das Verlängerungselement 48b um die Achse B und dreht auch den Spillwindenbogen 59 um die Achse B, wenn der Benutzer den Gegenstand 44 im zweiten Freiheitsgrad verschiebt. Diese Bewegung bewirkt eine Bewegung des Kabelseils 80, das die Drehkraft auf die Seilscheibe 76 überträgt. Die Seilscheibe 76 dreht sich und lässt dadurch die Welle 88 rotieren, und die Richtung und Größe der Bewegung werden vom Messfühler des Wandlers 66b erfasst. Ein ähnlicher Vorgang findet für den anderen Capstan-Antriebsmechanismus 58 entlang dem ersten Freiheitsgrad statt. Wie oben mit _ Bezug auf die Betätigungselemente beschrieben, liefert der Capstan-Antriebsmechanismus einen Arbeitsgewinn zur Verstärkung der Messfühlerauflösung durch ein Verhältnis von Trommel 59 zu Seilscheibe 76 (in der bevorzugten Ausführungsform 15 : 1).
Der Anschlag 78 ist wenige Millimeter über dem bogenförmigen Teil 84 des Spillwindenbogens 59 starr mit dem vertikalen Tragelement 62 verbunden. Der Anschlag 78 wird verwendet, um den Spillwindenbogen 59 an einer Bewegung über einen bezeichneten Winkelgrenzwert hinaus zu hindern. Auf diese Weise wird die Trommel 59 auf die Bewegung innerhalb eines Bereiches beschränkt, der durch die Bogenlänge zwischen den Enden des Schenkelteils 82 definiert ist. Diese eingeschränkte Bewegung beschränkt dann wieder die Bewegung des Gegenstands 44 in den ersten zwei Freiheitsgraden. In der beschriebenen Ausführungsform ist der Anschlag 78 ein zylindrisches Element, das in eine Gewindebohrung im vertikalen Tragelement 62 eingesetzt ist.
5a ist eine Seitenaufrissansicht des Capstan-Mechanismus 58, wie in 5 gezeigt. Das Kabelseil 80 ist entlang der Unterseite 86 des bogenförmigen Teils 84 des Spillwindenbogens 59 geleitet gezeigt. Das Kabelseil 80 ist vorzugsweise um die Seilscheibe 76 gewickelt, so dass das Kabelseil zwischen Gewindegängen 90 angeordnet ist, d. h. das Kabelseil ist durch die Gewindegänge geführt, wie in 5b in größerer Einzelheit gezeigt. Wenn die Seilscheibe 76 vom Wandler 66b oder durch die Manipulationen des Benutzers gedreht wird, wandert der um die Seilscheibe gewickelte Teil des Kabelseils 80 näher an das vertikale Tragelement 62 heran oder weiter davon weg, abhängig von der Richtung, in der sich die Seilscheibe 76 dreht. Wenn die Seilscheibe 76 beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird (bei Ansicht der Seilscheibe, wie in 5), dann bewegt sich das Kabelseil 80 zu dem vertikalen Tragelement 62 hin, wie durch den Pfeil 92 gezeigt. Der Spillwindenbogen 59 dreht sich ebenfalls im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 94 gezeigt. Die Gewindegänge der Seilscheibe 76 werden hauptsächlich verwendet, um dem Kabelseil 80 einen besseren Griff auf der Seilscheibe 76 zu verleihen. In alternativen Ausführungsformen schließt die Seilscheibe 76 keine Gewindegänge ein, und die hohe Spannung im Kabelseil 80 ermöglicht dem Kabelseil 80 den Widerhalt auf der Seilscheibe 76.
Der Capstan-Antriebsmechanismus 58 wird in der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise verwendet, um für die Übertragung von Kräften und Arbeitsgewinn zwischen den Wandlern 66a und 66b und dem Gegenstand 44 zu sorgen, ohne wesentliche Nachgiebigkeit, Reibung oder Leergang in das System einzubringen. Ein Capstan-Antrieb sorgt für erhöhte Steifigkeit, so dass Kräfte mit vernachlässigbarer Dehnung und Kompression der Bauteile übertragen werden. Die Reibungsstärke wird mit einem Capstan-Antriebsmechanismus ebenfalls verringert, so dass weitgehend "störungslose" tastbare Signale zum Benutzer geliefert werden können. Außerdem ist auch der von einem Capstan-Antrieb beigesteuerte Leergangsbetrag vernachlässigbar. "Leergang" ist die Spielgröße, die zwischen zwei verbundenen rotierenden Gegenständen in einem Zahnrad- oder Seilscheibensystem auftritt. In alternativen Ausführungsformen könnten anstelle des Capstan-Antriebsmechanismus 58 auch zwei Zahnräder, Riemen oder andere Arten von Antriebsmechanismen zur Übertragung von Kräften zwischen dem Wandler 66a und dem Verlängerungselement 48b verwendet werden. Zahnräder und dergleichen bringen jedoch typischerweise einen gewissen Leergang in das System ein. Außerdem könnte ein Benutzer in der Lage sein, das Ineinandergreifen und Knirschen der Verzahnung während der Rotation der Zahnräder bei der Handhabung des Gegenstands 44 zu fühlen; die Rotation in einem Capstan-Antriebsmechanismus ist viel weniger spürbar.
6 ist eine genauer gezeigte perspektivische Ansicht des zentralen Antriebselementes 50a und des linearen Achsenelementes 40. Das zentrale Antriebselement 50a ist in teilweise weggeschnittener Ansicht gezeigt, um das Innere des Elementes 50a freizulegen. Der mittige Wandler 68 ist mit einer Seite des zentralen Antriebselementes 50a verbunden. In der beschriebenen Ausführungsform wird zur Übertragung von Kräften zwischen dem Wandler 68 und dem linearen Achsenelement 40 entlang dem dritten Freiheitsgrad ein Capstan-Antriebsmechanismus verwendet. Eine drehbare Welle 98 des Wandlers 68 erstreckt sich durch eine Bohrung in der Seitenwand des zentralen Antriebselementes 50a und ist mit einer Capstan-Seilscheibe 100 verbunden. Die Seilscheibe 100 ist nachstehend mit Bezug auf 6a in größerer Einzelheit beschrieben.
Das lineare Achsenelement 40 weist vorzugsweise eine Außenhülse 91 und eine Innenwelle 93 auf (nachstehend mit Bezug auf 6b beschrieben). Die Außenhülse 91 ist vorzugsweise ein teilweise zylindrisches Element mit einer entlang seiner Länge vorgesehenen Anflächung 41. Die Anflächung 41 verhindert, dass sich die Hülse 91 in dem oben beschriebenen vierten Freiheitsgrad um die Achse C dreht. Das lineare Achsenelement 40 ist mit einem Kabelseil 99 versehen, das an jedem Ende des Elementes 40 durch Spannkappen 101 gesichert ist. Das Kabelseil 99 verläuft vorzugsweise über eine Mehrheit der Länge der Außenhülse 91 auf der Fläche der Anflächung 41 nach unten und kann straff gespannt werden, beispielsweise durch Lösen einer Schraube 97, Ziehen an einem Ende des Kabelseils 99, bis die gewünschte Spannung erreicht ist, und Anziehen der Schraube 97. Ähnlich wie das Kabelseil des mit Bezug auf 5 beschriebenen Capstan- Mechanismus sollte das Kabelseil 99 eine relativ hohe Spannung aufweisen.
Wie in 6a gezeigt, ist das Kabelseil 99 mehrmals um die Seilscheibe 100 gewickelt, so dass Kräfte zwischen der Seilscheibe 100 und dem linearen Achsenelement 40 übertragen werden können. Die Seilscheibe 100 weist vorzugsweise einen Mittelachsenabschnitt 103 und Endlippenabschnitte 105 auf. Die Außenhülse 91 ist vorzugsweise so angeordnet, dass die Anflächung 41 der Hülse die Lippenabschnitte 105 auf beiden Seiten des Achsenabschnitts 103 berührt oder sehr nahe daran ist. Der Teil des Kabelseils 99 um der Seilscheibe 100 ist um den Mittelachsenabschnitt 103 gewickelt und bewegt sich entlang dem Abschnitt 103 zu der Welle 98 hin und davon weg, wenn die Seilscheibe im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Der Durchmesser des Achsenabschnitts 103 ist kleiner als der Lippenabschnitt 105, wodurch Raum zwischen der Seilscheibe 100 und der Anflächung 41 geschaffen wird, wo das Kabelseil 99 angebracht ist, und so eine freie Bewegung des Kabelseils erlaubt wird. Anders als die Seilscheibe 76 schließt die Seilscheibe 100 vorzugsweise keine Gewindegänge ein, da die Spannung im Kabelseil 99 dem Kabelseil einen festen Widerhalt an der Seilscheibe 100 ermöglicht. In anderen Ausführungsformen kann die Seilscheibe 100 ein Zylinder mit oder ohne Gewinde sein, ähnlich der mit Bezug auf 5 beschriebenen Capstan-Seilscheibe 76.
Unter Verwendung des Capstan-Antriebsmechanismus kann der Wandler 68 das lineare Achsenelement 40 entlang der Achse C verschieben, wenn die Seilscheibe durch das Betätigungselement des Wandlers 68 gedreht wird. Genauso werden die Seilscheibe 100 und die Welle 98 gedreht, wenn das lineare Achsenelement 40 von dem den Gegenstand 44 handhabenden Benutzer entlang der Achse C verschoben wird; diese Drehung wird vom Messfühler des Wandlers 68 erfasst. Der Capstan-Antriebsmechanismus liefert geringe Reibung und eine homogene, stabile Wirkungsweise für eine präzise Bewegung des linearen Achsenelementes 40 und genaue Lagemessung des Elementes 40.
Auch andere Antriebsmechanismen können zum Übertragen von Kräften zu dem linearen Achsenelement und Empfangen von Standortdaten von dem Element 40 entlang der Achse C verwendet werden. Beispielsweise kann ein aus einem gummiähnlichen Material oder anderen Reibungsmaterial hergestelltes Treibrad auf der Welle 98 angeordnet sein und das lineare Achsenelement 40 entlang dem Rand des Rades berühren. Aus der Reibung zwischen dem Rad und dem linearen Achsenelement kann das Rad Kräfte entlang dem Element 40 bewirken. Ein derartiger Treibradmechanismus ist in der oben erwähnten Anmeldung Nr. 08/275,120 sowie der US-Patentanmeldung Nr. 08/344,148 offenbart, die am 23. November 1994 unter dem Titel "Method and Apparatus for Providing Mechanical I/O for Computer Systems Interfaced with Elongated Flexible Objects" eingereicht und auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. In alternativen Ausführungsformen kann das lineare Achsenelement 40 auch eine Einzelwelle anstatt einer zweiteiligen Hülse und Welle sein.
Unter Bezugnahme auf die in 6b gezeigte Querschnitt-Seitenansicht des Elementes 40 und des Wandlers 70 ist die Innenwelle 93 im Innern der hohlen Außenhülse 91 angeordnet und drehbar mit der Hülse 91 verbunden. Ein erstes Ende 107 der Welle 93 erstreckt sich vorzugsweise über die Hülse 91 hinaus und ist mit dem Gegenstand 44 verbunden. Wenn der Gegenstand 44 um die Achse C gedreht wird, wird auch die Welle 93 innerhalb der Hülse 91 im vierten Freiheitsgrad um die Achse C gedreht. Wenn die Hülse 91 verschoben wird, wird die Welle 93 im dritten Freiheitsgrad entlang der Achse C verschoben. Alternativ kann die Innenwelle 93 innerhalb der Außenhülse 91 mit einer Welle des Gegenstands 44 verbunden sein. Beispielsweise kann sich ein kurzer Teil der Welle 28 des laparoskopischen Instrumentes 18, wie in 1 gezeigt, in die Hülse 91 hinein erstrecken und innerhalb der Hülse mit der Welle 93 verbunden sein, oder die Welle 28 kann sich bis zum Wandler 70 hin erstrecken und funktionell als Welle 93 verwendet werden.
Die Welle 93 ist an ihrem zweiten Ende 109 mit dem Wandler 70 verbunden, der in der bevorzugten Ausführungsform ein optischer Codeumsetzersensor ist. Das Gehäuse 111 des Wandlers 70 ist durch eine Abschlusskappe 115 starr mit der Außenhülse 91 verbunden, und eine Welle 113 des Wandlers 70 ist mit der Innenwelle 93 verbunden, so dass der Wandler 70 die Drehstellung der Welle 93 und des Gegenstands 44 messen kann. In alternativen Ausführungsformen kann auch ein Betätigungselement in dem Wandler 70 enthalten sein, um Rotationskräfte um die Achse C an die Welle 93 bereitzustellen.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der mechanischen Vorrichtung 25'' und des Benutzergegenstands 44 der vorliegenden Erfindung. Die in 7 gezeigte mechanische Vorrichtung 25'' funktioniert im Wesentlichen genauso wie die in 3 und 4 gezeigte Vorrichtung 25'. Der Benutzergegenstand 44 ist jedoch ein Stift 102, den der Benutzer fassen und in sechs Freiheitsgraden bewegen kann. Mit "fassen" ist gemeint, dass Benutzer irgendwie eine lösbare Verbindung mit einem Griffteil des Gegenstands eingehen können, wie z. B. mit der Hand, den Fingerspitzen oder im Fall von Behinderten sogar mit dem Mund. Mit einem Computersystem und einer Schnittstelle, wie z. B. dem Computer 16 und der Schnittstelle 14 gemäß 1 kann der Stift 102 abgefühlt und Kraft in verschiedenen Freiheitsgraden angelegt werden. Der Stift 102 kann in Virtuelle-Realität-Simulationen verwendet werden, in denen der Benutzer den Stift im dreidimensionalen Raum bewegen kann, um auf Gegenstände zu zeigen, Wörter zu schreiben, Zeichnungen oder andere Bilder zu machen etc. Beispielsweise kann ein Benutzer eine virtuelle Umgebung betrachten, die auf einem Computerbildschirm oder in einer 3D-Brille generiert wird. Ein virtueller Stift kann in einer virtuellen Hand des Benutzers präsentiert werden. Das Computersystem verfolgt die Position des Stiftes mit Messfühlern, wenn der Benutzer diesen bewegt. Das Computersystem stellt auch eine Kraftrückkopplung an den Stift bereit, wenn der Benutzer den Stift auf einer virtuellen Arbeitsfläche bewegt, auf einen virtuellen Notizblock schreibt etc. Für den Benutzer scheint es demnach so und fühlt sich so an, als ob der Stift eine reale Fläche berührt.
Der Stift 102 ist vorzugsweise mit einem Schwebekardanmechanismus 104 verbunden, der neben den vier Freiheitsgraden, die von der mit Bezug auf 3 und 4 beschriebenen Vorrichtung 25' bereitgestellt werden, noch zwei Freiheitsgrade bereitstellt. Der Schwebekardanmechanismus 104 schließt ein U-förmiges Element 106 ein, das durch eine Welle 109 drehbar mit einem Achsenelement 108 verbunden ist, so dass sich das U-förmige Element 106 um eine Achse F drehen kann. Das Achsenelement 108 ist starr mit dem linearen Achsenelement 40 verbunden. Außerdem ist das Gehäuse eines Wandlers 110 mit dem U-förmigen Element 106 verbunden und eine Welle des Wandlers 110 mit der Welle 109 verbunden. Die Welle 109 ist innerhalb des Achsenelementes 108 vorzugsweise positionsgesichert, so dass die Welle 109 nicht rotiert, wenn das U-förmige Element 106 gedreht wird. Der Wandler 110 ist vorzugsweise ein Messfühler, wie z. B. ein optischer Codeumsetzer, wie oben mit Bezug auf den Wandler 70 beschrieben, der die Drehbewegung des U-förmigen Elementes 106 um die Achse F in einem fünften Freiheitsgrad misst und elektrische Signale zur Anzeige dieser Bewegung zur Schnittstelle 14 liefert.
Der Stift 102 ist vorzugsweise über eine durch das U-förmige Element verlaufende Welle (nicht gezeigt) drehbar mit dem U-förmigen Element 106 verbunden. Diese Welle ist mit einer Welle eines Wandlers 112 verbunden, dessen Gehäuse mit dem U-förmigen Element 106 verbunden ist, wie gezeigt. Der Wandler 112 ist vorzugsweise ein Messfühler, wie z. B. ein optischer Codeumsetzer, wie oben beschrieben, der die Drehbewegung des Stiftes 102 um die Längsachse G des Stiftes in einem sechsten Freiheitsgrad misst.
In der beschriebenen Ausführungsform gemäß 7 werden sechs Freiheitsgrade des Stiftes 102 abgefühlt. Auf diese Weise kann sowohl die Position (x-, y-, z-Koordinaten) als auch die Ausrichtung (Verdrehen, Neigen, Gieren) des Stiftes vom Computer 16 erfasst werden, um eine äußerst realistische Simulation bereitzustellen. Neben dem Schwebekardanmechanismus 104 können auch andere Mechanismen zur Bereitstellung des fünften und sechsten Freiheitsgrads verwendet werden. Außerdem können in drei Freiheitsgraden Kräfte angelegt werden, damit der Stift 102 eine 3D-Kraftrückkopplung bereitstellt. In alternativen Ausführungsformen können auch Betätigungselemente in den Wandlern 70, 110 und 112 enthalten sein. Jedoch sind in der beschriebenen Ausführungsform vorzugsweise keine Betätigungselemente für den vierten, fünften und sechsten Freiheitsgrad enthalten, da Betätigungselemente typischerweise schwerer sind als Messfühler und bei Anordnung an den Ortspositionen der Wandler 70, 100 und 112 mehr Trägheit in dem System erzeugen würden. Außerdem erlaubt die Kraftrückkopplung für die ausgewählten drei Freiheitsgrade eine Simulation des Auftreffens und Widerstands, was in vielen Virtuelle-Realität-Anwendungen typischerweise ausreichend ist. Eine Kraftrückkopplung im vierten, fünften und sechsten Freiheitsgrad würde auch die Simulation von Drehmomenten am Stift 102 erlauben, was in einer Simulation zweckdienlich sein kann oder nicht.
8 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten alternativen Ausführungsform der mechanischen Vorrichtung 25''' und des Benutzergegenstands 44 der vorliegenden Erfindung. Die in 8 gezeigte mechanische Vorrichtung 25'' funktioniert im Wesentlichen genauso wie die in 3 und 4 gezeigte Vorrichtung 25'. Der Benutzergegenstand 44 ist jedoch ein Steuerknüppel 112, den der Benutzer vorzugsweise in zwei Freiheitsgraden bewegen kann. Der Steuerknüppel 112 kann in beiden Freiheitsgraden durch ein Computersystem und eine Schnittstelle ähnlich dem Computersystem 16 und der Schnittstelle 14 gemäß 1 abgefühlt und Kraft daran angelegt werden. In der beschriebenen Ausführungsform ist der Steuerknüppel 112 mit dem zylindrischen Befestigungselement 64 verbunden, so dass der Benutzer den Steuerknüppel in den zwei Freiheitsgraden bewegen kann, die durch den Kardanmechanismus 38 vorgesehen sind, wie oben beschrieben. Das lineare Achsenelement 40 ist nicht typischerweise in der Ausführungsform gemäß 8 enthalten, da ein Steuerknüppel gewöhnlich nicht entlang einer Achse C verschoben wird. In alternativen Ausführungsformen kann der Steuerknüppel 112 jedoch zur Bereitstellung eines dritten Freiheitsgrads mit dem linearen Achsenelement 40 ähnlich verbunden sein wie der Stift 102, wie in 7 gezeigt. In wieder anderen Ausführungsformen kann das lineare Achsenelement 40 um die Achse C rotieren und der Wandler 70 mit der Vorrichtung 25''' verbunden sein, um einen vierten Freiheitsgrad bereitzustellen. Schließlich kann in anderen Ausführungsformen ein Schwebekardanmechanismus, wie in 7 gezeigt, oder ein andersartiger Mechanismus zu dem Steuerknüppel hinzugefügt sein, um sämtliche sechs Freiheitsgrade zuzulassen.
Der Steuerknüppel 112 kann in Virtuelle-Realität-Simulationen verwendet werden, in denen der Benutzer den Steuerknüppel bewegen kann, um ein Fahrzeug zu bewegen, auf Gegenstände zu zeigen, einen Mechanismus zu steuern etc. Beispielsweise kann ein Benutzer eine auf einem Computerbildschirm oder in einer 3D-Brille generierte virtuelle Umgebung betrachten, in welcher der Steuerknüppel 112 ein Flugzeug steuert. Das Computersystem verfolgt die Stellung des Steuerknüppels bei seiner Bewegung durch den Benutzer mit Messfühlern und aktualisiert die Virtuelle-Realität-Anzeige entsprechend, damit sich das Flugzeug in die angedeutete Richtung bewegt etc. Das Computersystem stellt ferner eine Kraftrückkopplung an den Steuerknüppel bereit, beispielsweise wenn das Flugzeug sich in die Kurve legt oder in einer Kurve beschleunigt oder in anderen Situationen, wo der Benutzer Kräfte am Steuerknüppel erleben kann oder es schwieriger finden mag, das Flugzeug zu steuern.
9 ist eine schematische Ansicht eines Computers 16 und einer in der Schnittstelle 14 verwendeten Schnittstellenschaltung 120 zum Senden und Empfangen von Signalen von der mechanischen Vorrichtung 25. Die Schaltung 120 schließt den Computer 16, die Schnittstellenkarte 120, einen Digital-Analog-Wandler DAC 122, eine Leistungsverstärkerschaltung 124, digitale Messfühler 128 und eine Sensorschnittstelle 130 ein. Gegebenenfalls sind statt oder neben den digitalen Messfühlern 128 analoge Messfühler 132 und ein Analog-Digital-Wandler ADC 134 enthalten. In dieser Ausführungsform kann die Schnittstelle 14 zwischen dem Computer 16 und der mechanischen Vorrichtung 25, wie in 1 gezeigt, als funktionell äquivalent zu den innerhalb der gestrichelten Linie 14 in 9 eingeschlossenen Schnittstellenschaltungen angesehen werden. Auch andere Arten von Schnittstellen 14 können verwendet werden. Eine elektronische Schnittstelle 14 ist beispielsweise in der am 16. Juli 1993 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 08/092,974 mit dem Titel "3-D Mechanical Mouse" beschrieben, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Die darin beschriebene elektronische Schnittstelle wurde für die mechanische 3D-Maus PROBE^TM von Immersion konzipiert und weist sechs Kanäle entsprechend den sechs Freiheitsgraden der PROBE von Immersion auf.
Die Schnittstellenkarte 120 ist vorzugsweise eine Karte, die in einen Schnittstellen-Steckplatz des Computers 16 passen kann. Wenn der Computer 16 beispielsweise ein IBM-AT-kompatibler Rechner ist, kann die Schnittstellenkarte 14 als ISA (Industriestandardarchitektur gemäß amerikanischem Standard) oder andere weithin bekannte Standard-Schnittstellenkarte realisiert sein, die in die Hauptplatine des Rechners eingesteckt wird und mit dem Hauptdatenbus des Computers verbundene Eingangs- und Ausgangsanschlüsse bereitstellt.
Der Digital-Analog-Wandler (DAC) 122 ist mit der Schnittstellenkarte 120 verbunden und empfängt ein digitales Signal vom Computer 16. Der DAC 122 setzt das Digitalsignal in Analogspannungen um, die dann zur Leistungsverstärkerschaltung 124 gesendet werden. Eine zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignete DAC-Schaltung ist mit Bezug auf 10 beschrieben. Die Leistungsverstärkerschaltung 124 empfängt eine schwache analoge Steuerspannung vom DAC 122 und verstärkt die Spannung zur Steuerung von Betätigungselementen 126. Die Leistungsverstärkerschaltung 124 ist mit Bezug auf 11 in größerer Einzelheit beschrieben. Die Betätigungselemente 126 sind vorzugsweise in die Wandler 66a, 66b und 68 aufgenommene Gleichstrom-Servomotoren sowie beliebige zusätzliche Betätigungselemente, wie mit Bezug auf die in 3, 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen beschrieben, um eine Kraftrückkopplung an einen Benutzer bereitzustellen, der den mit der mechanischen Vorrichtung 25 verbundenen Gegenstand 44 handhabt.
Die digitalen Messfühler 128 liefern Signale an den Computer 16, die sich auf die Lage des Benutzergegenstands 44 im dreidimensionalen Raum beziehen. In den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind die Messfühler 128 relative optische Codeumsetzer, die elektrooptische Vorrichtungen sind, die auf die Rotation einer Welle mit der Erzeugung zweier phasenbezogener Signale reagieren. In der beschriebenen Ausführungsform empfängt die Sensorschnittstellenschaltung 130, die vorzugsweise ein einzelner Chip ist, die Signale von den digitalen Messfühlern 128 und wandelt die zwei Signale von jedem Messfühler in ein anderes Paar Taktsignale um, die einen in zwei Richtungen arbeitenden Binärzähler steuern. Die Ausgabe des Binärzählers wird vom Computer 16 als eine Binärzahl empfangen, welche die Winkellage der verschlüsselten Welle darstellt. Solche Schaltungen oder äquivalente Schaltungen sind dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt; beispielsweise erfüllt der Quadratur-Chip von Hewlett Packard, Kalifornien, die oben beschriebenen Funktionen.
Statt der digitalen Messfühler 128 können für alle oder einige der Wandler der vorliegenden Erfindung die analogen Messfühler 132 enthalten sein. Beispielsweise kann zum Messen der Kräfte ein Dehnungsmessfühler mit dem Stift 102 gemäß 7 verbunden sein. Die analogen Messfühler 132 liefern ein analoges Signal, das die Lage des Benutzergegenstands in einem bestimmten Bewegungsgrad repräsentiert. Der Analog-Digital-Wandler (ADC) 134 wandelt das Analogsignal in ein Digitalsignal um, das vom Computer 16 empfangen und interpretiert wird, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt ist.
10 ist eine schematische Ansicht einer DAC-Schaltung 122 gemäß 9, die zur Umwandlung eines Eingangsdigitalsignals in eine analoge Spannung geeignet ist, die an die Leistungsverstärkerschaltung 124 ausgegeben wird. In der beschriebenen Ausführungsform schließt die Schaltung 122 einen parallelen DAC 136 ein, wie z. B. den DAC1220, hergestellt von der Firma National Semiconductor, der zum Betrieb mit einem externen allgemeinen Rechenverstärker 138 konzipiert ist. Der Rechenverstärker 138 gibt beispielsweise ein Signal von 0 bis –5 V proportional zur Binärzahl an seinem Eingang aus. Ein Rechenverstärker 140 ist ein Umkehrsummierverstärker, der die Ausgangsspannung in einen symmetrischen bipolaren Bereich umsetzt. Der Rechenverstärker 140 erzeugt ein Ausgangssignal zwischen –2,5 V und +2,5 V, indem er den Ausgangswert des Rechenverstärkers 138 umwandelt und 2,5 V von diesem Ausgangswert subtrahiert; dieses Ausgangssignal ist zur Leistungsverstärkung in der Verstärkerschaltung 124 geeignet. Als Beispiel beträgt R1 = 200 kΩ und R2 = 400 kΩ. Selbstverständlich ist die Schaltung 122 als ein Beispiel von vielen möglichen Schaltungen gedacht, die zum Umsetzen eines Digitalsignals in ein gewünschtes Analogsignal verwendet werden können.
11 ist eine schematische Ansicht einer Leistungsverstärkerschaltung 124, die zur Verwendung in der in 9 gezeigten Schnittstellenschaltung 14 geeignet ist. Die Leistungsverstärkerschaltung empfängt eine niedrige Steuerspannung von der DAC-Schaltung 122, um einen stromgesteuerten Hochleistungs-Servomotor 146 zu steuern. Die Eingangssteuerspannung steuert eine Gegenwirkleitwert-Stufe, die sich aus einem Verstärker 142 und mehreren Widerständen zusammensetzt. Die Gegenwirkleitwert-Stufe erzeugt einen Ausgangsstrom proportional zur Eingangsspannung, um den Motor 146 anzutreiben und dabei sehr wenig Strom von dem Eingangsspannungslieferanten abzuziehen. Die zweite Verstärkerstufe, die einen Verstärker 144, Widerstände und einen Kondensator C einschließt, liefert zusätzliche Strombelastbarkeit durch Verbessern der Spannungsschwankung des zweiten Anschlusses 147 des Motors 146. Als Beispielswerte für die Schaltung 124 beträgt R = 10 kΩ, R2 = 500 Ω, R3 = 9,75 kΩ und R4 = 1 Ω. Selbstverständlich ist die Schaltung 124 als ein Beispiel von vielen möglichen Schaltungen gedacht, die zum Verstärken von Spannungen zum Antreiben des Motors 146 verwendet werden können.
12a ist ein schematisches Diagramm eines Wandlersystems 200, das zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das Wandlersystem 200 ist ideal geeignet für ein Schnittstellensystem, in dem passive Betätigungselemente anstelle von aktiven Betätigungselementen realisiert sind. Wie in 12a gezeigt, ist das Wandlersystem 200 auf einen Mechanismus mit einem Freiheitsgrad angewendet, wie durch Pfeile 201 gezeigt. Ausführungsformen, bei denen das System 200 auf Systeme mit zusätzlichen Freiheitsgraden angewendet ist, sind anschließend beschrieben. Das Wandlersystem 200 schließt ein Betätigungselement 202, eine Aktuatorwelle 204, eine unstarr angebrachte Kupplung 206, eine Kupplungswelle 208, einen Messfühler 210 und einen Gegenstand 44 ein.
Das Betätigungselement 202 überträgt eine Kraft auf den Gegenstand 44 und ist vorzugsweise abgestützt, wie durch das Zeichen 203 gezeigt. Das Betätigungselement 202 ist starr mit einer Aktuatorwelle 204 verbunden, die sich vom Betätigungselement 202 bis zu der unstarr angebrachten Kupplung 206 erstreckt. Das Betätigungselement 202 stellt Rotationskräfte, gezeigt durch Pfeile 212, an die Aktuatorwelle 204 bereit. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Betätigungselement 202 ein passives Betätigungselement, das eine Widerstands- oder Reibungskraft (d. h. Rücktrieb) in Richtung des Pfeils 212 an die Welle 204 anlegen, aber keine aktive Kraft an die Welle 204 bereitstellen kann (d. h. das Betätigungselement 202 kann die Welle 204 nicht zum Drehen bringen). Daher wird eine externe Drehkraft, wie z. B. eine von einem Benutzer generierte Kraft, an die Welle 204 angelegt, und das passive Betätigungselement 202 liefert Widerstandskräfte an diese externe Drehkraft. Zu bevorzugten passiven Betätigungselementen zählen Drehmagnetbremsen und insbesondere Magnetpulverbremsen, die preiswerte und leistungsstarke Vorrichtungen sind. Geeignete Magnetpulverbremsen können von der Firma Force Limited, Inc., Santa Monica, Kalifornien, erhalten werden.
Passive Betätigungselemente können beim Betrieb einer Schnittstellenvorrichtung in einer simulierten Umgebung eine realistische Kraftrückkopplung zu einem Benutzer bereitstellen. Passive Betätigungselemente legen einen Widerstand an die Bewegung eines von dem Benutzer bedienten Gegenstands 44 an. Auf diese Weise wird ein Benutzer, der eine Schnittstelle mit passiven Betätigungselementen bedient, nur dann Kräfte fühlen, wenn er tatsächlich einen Gegenstand der Schnittstelle bewegt.
Die passiven Betätigungselemente 202 stellen im Vergleich zu aktiven Betätigungselementen mehrere Vorteile bereit. Zur Steuerung passiver Betätigungselemente ist ein wesentlich schwächerer Strom erforderlich als bei aktiven Betätigungselementen. Dies ermöglicht die Steuerung eines passiven Betätigungselementsystems mit einer weniger teuren Leistungsversorgungseinrichtung und gestattet aufgrund der kleineren Leistungsversorgungseinrichtung auch einen kleineren und leichtgewichtigeren Kraftrückkopplungsmechanismus. Außerdem benötigen passive Betätigungselemente wesentlich langsamere Steuersignale zum wirksamen Betrieb in einer Simulationsumgebung als dies aktive Betätigungselemente tun, wie z. B. Motoren. Dies ist von Bedeutung, wenn die Steuereinheit eines Schnittstellen-Schaltwerks ein Computersystem ist, das nur einen langsamen Standard-Ein-Ausgabe-Anschluss einschließt, wie z. B. einen seriellen Anschluss. Serielle Anschlüsse sind bei Personalcomputern recht verbreitet, übertragen aber nicht schnell genug, um eine stabile Echtzeit-Steuerung der meisten aktiven Betätigungselemente durchzuführen. Bei Verwendung einer Steuereinheit mit langsameren Steuersignalen können passive Betätigungselemente eine stabile Kraftrückkopplung zum Benutzer liefern. Ein weiterer Vorteil passiver Betätigungselemente, wie oben erläutert, besteht darin, dass passive Betätigungselemente keine Kräfte an der Schnittstelle und dem Benutzer generieren und daher sicherer für den Benutzer sind.
Die Kupplung 206 ist mit der Aktuatorwelle 204 verbunden. Das Betätigungselement 202, die Aktuatorwelle 204 und die Kupplung 206 können als "Betätigungselementanordnung" oder, in einem passiven Betätigungssystem, als "Bremsmechanismus" angesehen werden. Die Kupplung 206 ist vorzugsweise nicht starr mit der Aktuatorwelle 204 verbunden und erlaubt daher einen Betrag (Größe) von "Spiel" zwischen der Aktuatorwelle 204 und der Kupplung 206. Der Ausdruck "Spiel", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf den Betrag einer freien Bewegung oder "Lockerheit" zwischen einem Wandler und dem umgesetzten Gegenstand, so dass der Gegenstand z. B. durch extern angelegte Kräfte um einen kurzen Abstand bewegt werden kann, ohne durch Kräfte beeinflusst zu werden, die durch ein Betätigungselement an den Gegenstand angelegt werden. In der bevorzugten Ausführungsform kann der Benutzer den Gegenstand um einen kurzen Abstand verschieben, ohne dem durch ein passives Betätigungselement, wie z. B. eine Bremse, induzierten Rücktrieb entgegenzuwirken. Beispielsweise kann das Betätigungselement 202 eine Widerstands- oder Reibungskraft an die Aktuatorwelle 204 anlegen, so dass die Aktuatorwelle 204 an ihrem Platz gesperrt ist, selbst wenn Kraft an die Welle angelegt wird. Die Kupplung 206 kann jedoch aufgrund des Spiels zwischen der Kupplung 206 und der Welle 204 immer noch um einen zusätzlichen Abstand in jeder Drehrichtung frei gedreht werden. Dieses Spiel ist für Zwecke beabsichtigt, die nachstehend noch beschrieben werden und wird daher als "Soll"-Spielgröße erwähnt. Sobald die Kupplung 206 bis zum Grenzwert des zugestandenen Spiels gedreht ist, zwingt sie entweder die Welle 204, sich mit ihr weiterzudrehen, oder die Kupplung kann nicht in dieser Drehrichtung weitergedreht werden, falls das Betätigungselement 202 die Welle 204 festhält (d. h. sperrt). Die Größe des gewünschten Spiels zwischen dem Betätigungselement 202 und dem Gegenstand 44 hängt in hohem Maße vom Auflösungsvermögen des verwendeten Messfühlers 210 ab und ist nachstehend in größerer Einzelheit beschrieben. Beispiele für Arten von Spiel sind u. a. Drehleergang, wie er z. B. in Getriebesystemen vorkommt, wie in den obigen Ausführungs formen beschrieben, und Nachgiebigkeit oder Torsionsbiegung, die bei biegsamen, umlaufenden und nicht umlaufenden Elementen vorkommen können. Ausführungsformen, die diese Formen von Spiel einschließen, sind nachstehend mit Bezug auf 13 bzw. 16 in größerer Einzelheit beschrieben.
Die Kupplungswelle 208 ist starr mit der Kupplung 206 verbunden und erstreckt sich zum Messfühler 210. Der Messfühler 210 ist vorzugsweise starr mit der Kupplungswelle 208 verbunden, um die Rotationsbewegung der Welle 208 und des Gegenstands 44 um eine Achse H zu erfassen. Der Messfühler 210 liefert vorzugsweise ein elektrisches Signal zur Anzeige der Drehstellung der Welle 208 und ist vorzugsweise abgestützt, wie mit dem Zeichen 211 angedeutet. In der beschriebenen Ausführungsform ist der Messfühler 210 ein digitaler optischer Codeumsetzer, der den in den obigen Ausführungsformen gemäß 1–11 beschriebenen Codiereinrichtungen ähnlich ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Messfühler 210 von dem Gegenstand 44, der Kupplungswelle 208 und der Kupplung 206 getrennt sein. Beispielsweise könnte ein Messfühler mit einem Emitter und einem Detektor für elektromagnetische Energie vom Rest des Wandlersystems 200 abgetrennt und doch in der Lage sein, die Drehstellung des Gegenstands 44 unter Verwendung eines elektromagnetischen Energiestrahls zu erfassen, wie z. B. Infrarotlicht. In ähnlicher Weise könnte ein Magnetsensor die Position des Gegenstands 44 erfassen, obwohl er nicht mit der Welle 208 oder dem Gegenstand 44 verbunden ist. Die Betriebsweise derartiger Messfühler ist dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt.
Der Messfühler 210 besitzt eine Abtastungsauflösung, welche die kleinste Veränderung der Drehstellung der Kupplungswelle 208 ist, die der Messfühler erfassen kann. Beispielsweise kann ein optischer Codeumsetzer der beschriebenen Ausführungsform in der Lage sein, gleich beabstandete "Impulse" (nachstehend beschrieben) pro Umdrehung der Welle 208 in der Größenordnung von ungefähr 3600 zu erfassen, was ungefähr 10 erfassten Impulsen pro Grad der Rotationsbewegung entspricht. Demnach beträgt die Abtastungsauflösung dieses Messfühlers in diesem Beispiel ungefähr 1/10 Grad. Da es erwünscht ist, das Soll-Spiel zwischen dem Betätigungselement 202 und dem Gegenstand 44 zu erfassen (wie nachstehend beschrieben), sollte dieses gewünschte Spiel nicht geringer sein als die Abtastungsauflösung des Messfühlers 210 (z. B. 1/10 Grad). Vorzugsweise wäre das Soll-Spiel zwischen dem Betätigungselement und dem Gegenstand in diesem Beispiel wenigstens 1/5 Grad, weil die Codiereinrichtung dann zwei Bewegungsimpulse erfassen könnte, was eine zuverlässigere Messung ergäbe und eine leichtere Bestimmung der Richtung der Bewegung zuließe.
Der Messfühler 210 sollte ferner möglichst starr mit der Welle 208 verbunden sein, so dass der Messfühler das gewünschte Spiel der Welle 208 und des Gegenstands 44 erfassen kann. Jegliches Spiel zwischen dem Messfühler 210 und dem Gegenstand 44 sollte minimiert sein, so dass dieses Spiel sich nicht nachteilig auf die Messungen des Messfühlers auswirkt. Typischerweise sollte ein Eigenspiel zwischen dem Messfühler 210 und dem Gegenstand 44 geringer sein als die Abtastungsauflösung des Messfühlers und vorzugsweise wenigstens eine Größenordnung kleiner als die Abtastungsauflösung. Demnach sollte das Spiel zwischen dem Messfühler und dem Gegenstand im obigen Beispiel weniger als 1/10 Grad und vorzugsweise weniger als 1/100 Grad ausmachen. Die Verwendung von Stahl oder anderen formhaltenden Materialien für die Welle 208 und andere Bestandteile, die bevorzugt wird, kann das Spiel zwischen dem Messfühler 210 und dem Gegenstand 44 für Zwecke der vorliegenden Erfindung praktisch vernachlässigbar werden lassen. So wie hier darauf Bezug genommen wird, hat ein Messfühler, der "starr" mit einem Element verbunden ist, weniger Spiel als die Abtastungsauflösung des Messfühlers (vorzugsweise ein vernachlässigbarer Betrag). Das Spiel zwischen dem Betätigungselement 202 und dem Gegenstand 44 ist nachstehend in größerer Einzelheit beschrieben. Eine geeignete Codiereinrichtung zur Verwendung mit dem Messfühler 210 ist der "Softpot" von der Firma U.S. Digital, Vancouver, Washington.
Der Gegenstand 44 ist starr mit der Kupplungswelle 208 verbunden. Wie in den vorausgehenden Ausführungsformen beschrieben, kann der Gegenstand 44 viele verschiedene Formen annehmen und kann direkt mit der Kupplungswelle 208 verbunden sein oder durch andere Zwischenelemente mit der Welle 208 verbunden sein. In 12a ist der Gegenstand 44 zwischen der Kupplung 206 und dem Messfühler 210 mit der Welle 208 verbunden. Wenn also der Gegenstand 44 um die Achse H gedreht wird, wird auch die Welle 208 um die Achse H gedreht, und der Messfühler 210 erfasst die Größe und Richtung der Rotation des Gegenstands 44. Alternativ kann der Gegenstand 44 direkt mit der Kupplung 206 verbunden sein. Die Kupplung 206 und/oder Wellen 204 und 208 können als "Spielmechanismus" zur Bereitstellung des gewünschten Spiels zwischen dem Betätigungselement 202 und dem Gegenstand 44 angesehen werden. Bestimmte geeignete Gegenstände 44 sind u. a. ein Joystick, ein medizinisches Instrument (Katheter, Laparoskop etc.), ein Steuerrad (z. B. mit einem Freiheitsgrad), ein Sammelablauf etc.
Wie oben erwähnt, ist das Wandlersystem 200 ideal für mechanische Systeme geeignet, die preiswerte Elemente einschließen, wie z. B. passive Betätigungselemente. Wenn ein Steuerungsrechnersystem, wie z. B. das Computersystem 16, eine genaue Kraftrückkopplung an einen von einem Benutzer gehaltenen und bewegten Gegenstand liefern soll, sollte das Computersystem in der Lage sein, die Richtung zu erfassen, in die der Benutzer den Gegenstand bewegt, selbst wenn die passiven Betätigungselemente mit höchster Kraft an den Gegenstand angelegt werden, um den Gegenstand am Platz zu sperren. Dies kann jedoch schwierig sein, wenn passive Betätigungselemente verwendet werden, weil passive Drehbetätigungselemente der Bewegung in beiden Drehrichtungen um eine Achse eine Widerstandskraft oder Reibung entgegensetzen. Wenn also von einem Betätigungselement ausgehende Kraft die Bewegung eines Gegenstands in eine Richtung verhindert, verhindert sie auch die Bewegung in der Gegenrichtung. Dies ermöglicht dem Computer typischerweise nicht, die Bewegung des Gegenstands in der Gegenrichtung zu erfassen, wenn der Benutzer nicht eine größere Kraft als die Widerstandskraft des Betätigungselementes ausübt und die Kraft des Betätigungselementes überwindet (d. h. stärker ist als das Betätigungselement).
Beispielsweise ist der Gegenstand 44 ein Joystick mit einem Freiheitsgrad, der zur Bewegung eines Bildpositionsanzeigers in die durch den Joystick angedeutete Richtung auf einem Bildschirm verwendet wird. Der Benutzer bewegt den Cursor in eine virtuelle (rechnergenerierte) "Wand" hinein, welche die Bewegung des Cursors in einer Richtung blockiert. Das Steuerungsrechnersystem legt ebenfalls eine Kraftrückkopplung an den Joystick an, indem es passive Magnetpulverbremsen betätigt, um den Benutzer an der Bewegung des Joysticks in Richtung der Wand zu hindern, und so die Oberfläche der Wand simuliert. Wenn der Messfühler 210 starr mit der Aktuatorwelle 204 verbunden ist, tritt ein Problem auf, wenn der Benutzer den Joystick in der Gegenrichtung zur Wand bewegen möchte. Da die Bremsen den Joystick in beiden Richtungen gesperrt haben, kann der Computer nicht erfassen, wenn der Benutzer die Richtung des Joysticks wechselt, es sei denn, der Benutzer überwindet die passiven Bremsen. Auf diese Weise fühlt es sich für den Benutzer so an, als ob der Cursor an der Wand "festsitzt".
Das von der Anmelderin eingebrachte ("erwünschte") Spiel zwischen dem Gegenstand 44 und dem Betätigungselement 202 löst dieses Problem auf wirksame und preiswerte Weise. Das Spiel lässt zu, dass der Joystick oder ein anderer angeschlossener Gegenstand leicht in die Gegenrichtung bewegt werden kann, selbst wenn der Joystick mit maximaler Reibung gebremst wird. Der Messfühler, der ja starr am Joystick angebracht ist, wird durch das Betätigungselement nicht gesperrt und erfasst den Richtungswechsel. Der Messfühler überträgt die Bewegung zum Computer, der die Bremsen deaktiviert, so dass der Joystick frei in der Gegenrichtung bewegt werden kann. Falls der Benutzer den Cursor erneut in die Wand bewegen sollte, würden die Bremsen in ähnlicher Weise betätigt. Ein Verfahren zur Steuerung des Betätigungselementes 202 in einer solchen Virtuelle-Realität-Umgebung ist mit Bezug auf 22 beschrieben.
Mit dem Wandlersystem 200 können auch aktive Betätigungselemente verwendet werden, wie z. B. die in den obigen Ausführungsformen gemäß 3–8 beschriebenen Gleichstrommotoren oder andere Arten von Motoren. Viele aktive Betätigungselemente können jedoch Kraft in einer gewählten Richtung in einem Freiheitsgrad anlegen, so dass das vorsätzlich eingebrachte Spiel bei Verwendung solcher Betätigungselemente nicht notwendig wäre.
In alternativen Ausführungsformen kann anstelle des rotierenden Spiels ein lineares Spiel realisiert sein. Die bevorzugten Ausführungsformen gemäß 12a und 12b (nachstehend beschrieben) führen Spiel zwischen den Rotationsbauteilen ein, wie z. B. einem rotierenden Betätigungselement und Messfühler. Nachgiebigkeit oder Leergang können jedoch auch zwischen sich linear bewegenden (d. h. umsetzbaren) Bestandteilen realisiert sein. Beispielsweise kann ein kleines Raummaß zwischen ineinander greifenden, umsetzbaren Bauteilen vorgesehen sein, um ein Spiel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorzusehen. In einer derartigen Ausführungsform können ein Betätigungselement und Messfühler zum Umformen linearer Bewegung verwendet werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt sind.
Neben der Verwendung von Spiel können in anderen Ausführungsformen auch andere Vorrichtungen oder Mechanismen verwendet werden, um die Bewegungsrichtung des Gegenstands 44 zu erfassen, während passive Betätigungselemente den Gegenstand am Platz halten. Beispielsweise können Kraftmessfühler mit dem Gegenstand verbunden sein, um die vom Benutzer entlang gewünschter Freiheitsgrade an den Gegenstand angelegte Kraft zu messen. Ein Kraftmessfühler kann erfassen, ob ein Benutzer gerade eine Kraft anlegt, beispielsweise auf die virtuelle Wand zu oder von der virtuellen Wand weg, und der Computer kann die passiven Betätigungselemente entsprechend aktivieren oder deaktivieren. Vorsätzlich eingebrachtes Spiel zwischen dem Gegenstand und dem Betätigungselement ist in einer solchen Ausführungsform demnach nicht erforderlich. Solche Kraftmessfühler können jedoch teuer und voluminös sein und so Kosten und Größe des Schnittstellen-Schaltwerks erhöhen.
12b ist ein schematisches Diagramm eines alternativen Wandlersystems 200' ähnlich dem in 12a gezeigten Wandlersystem 200. In dieser Ausführungsform ist der Messfühler 210 zwischen der Kupplung 206 und dem Gegenstand 44 auf der Kupplungswelle 208 angeordnet. Die Welle 208 erstreckt sich durch den Messfühler 210 und kann am Ende der Welle starr mit dem Gegenstand 44 verbunden sein. Das Wandlersystem 200' funktioniert im Wesentlichen genauso wie das in 12a gezeigte Wandlersystem 200.
13 ist eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Wandlersystems 200 für einen Mechanismus, der einen Freiheitsgrad bereitstellt, der einen Drehleergang zur Bereitstellung von Spiel zwischen dem Betätigungselement 202 und der Kupplung 206 verwendet. Eine festgekeilte Aktuatorwelle 214 ist starr mit dem Betätigungselement 202 verbunden und wirkt mit einer festgekeilten Kupplung 216 zusammen. Der Querschnittsdurchmesser der festgekeilten Aktuatorwelle 214 ist vorzugsweise kleiner als eine Bohrung 218 der Kupplung 216, um den gewünschten Leergang bereitzustellen, wie in größerer Einzelheit mit Bezug auf 14a beschrieben. Die Kupplungswelle 208, der Messfühler 210 und der Gegenstand 44 sind den mit Bezug auf 12a beschriebenen Bestandteilen weitgehend ähnlich. In alternativen Ausführungsformen kann ein Leergang zwischen dem Betätigungselement 202 und der Kupplung 206 unter Verwendung verschiedener Bestandteile vorgesehen sein, wie z. B. Zahnräder, Seilscheiben etc.
14a ist eine Seitenschnittansicht der festgekeilten Aktuatorwelle 214 und der Kupplung 216 entlang der Linie 14a-14a gemäß 13. Die Keilwelle 214 erstreckt sich in die Kehlbohrung 218 der Kupplung 216 hinein. In 14a ist um den gesamten Umfang der Welle 214 herum ein Spalt 220 vorgesehen. In alternativen Ausführungsformen kann der Spalt 220 nur zwischen den Seiten des versplinteten Abschnitts 222 der Welle 214 vorgesehen sein, wie mit Bezug auf 15 beschrieben.
14b ist eine Seitenschnittansicht der festgekeilten Aktuatorwelle 214 und der Kupplung 216 entlang der Linie 14b-14b gemäß 14a. Die Keilwelle 214 ist teilweise in die Kupplung 216 hinein verlaufend gezeigt. Wie in 14a gezeigt, ist zwischen der Kupplung 216 und der Welle 214 vorzugsweise ein kleiner Spalt 220 vorgesehen. Wenn die Welle 214 gedreht wird, wird auch die Kupplung 216 gedreht, nachdem der versplintete Abschnitt der Welle 214 mit dem versplinteten Abschnitt der Bohrung 218 in Eingriff geht, wie mit Bezug auf 15 beschrieben. Die Kupplungswelle 208 dreht sich, wenn sich die Kupplung 216 dreht, da sie starr angebracht ist.
15 ist eine detaillierte Ansicht gemäß 14a und zeigt die versplinteten Abschnitte der Welle 214 und der Bohrung 218. Der verlängerte versplintete Abschnitt 222 der Welle 218 ragt in einen Aufnahmesplintabschnitt 224 der Bohrung 218 hinein. In alternativen Ausführungsformen kann ein verlängerter versplinteten Abschnitt der Kupplung 216 in einen Aufnahmesplintabschnitt der Welle 214 hineinragen. Der Spalt 220 hat eine Breite d, die festlegt, wie viel Soll-Leergang (Spiel) zwischen dem Betätigungselement 202 und dem Gegenstand 44 eingebracht wird. (Wegen der Nachgiebigkeit der Wellen etc. kann zusätzlicher unbeabsichtigter Leergang oder anderes inneres Spiel zwischen den Bestandteilen des Systems vorhanden sein). In der beschriebenen Ausführungsform, in der der Messfühler 210 eine Abtastungsauflösung von ungefähr 1/10 Grad aufweist, ist d vorzugsweise ungefähr 1/1000 Zoll. Es sei angemerkt, dass der Abstand d in alternativen Ausführungsformen breit variieren kann. Der gewählte Abstand d ist vorzugsweise so klein gehalten, dass er verhindert, dass der Benutzer beim Umgang mit dem Gegenstand 44 den in dem System vorhandenen Leergang fühlt und ist doch so groß, dass der Messfühler das Spiel erfassen kann (d. h. größer als die Abtastungsauflösung des Messfühlers 210), damit der Messfühler dem Computer die Richtung mitteilen kann, in die der Benutzer den Gegenstand 44 bewegt. Der Abstand d ist also hochgradig von der Abtastungsauflösung des Messfühlers 210 abhängig. Wenn beispielsweise eine Abtastungsauflösung von 1/100 Grad verfügbar ist, kann der Abstand d viel kleiner sein. Der Leergangsbetrag, den ein Benutzer typischerweise fühlen kann, kann von der Größe und Form des Gegenstands 44 abhängen; der oben beschriebene Leergang ist jedoch für die Mehrheit möglicher Gegenstände nicht von einem Benutzer erfassbar. In anderen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, den Benutzer den Leergang oder anderes Spiel in dem System fühlen zu lassen, und demzufolge kann ein größerer Abstand d realisiert sein.
In der bevorzugten Ausführungsform erlaubt der Abstand d eine Rotationsbewegung der Kupplung 216 wenigstens gleich der Abtastungsauflösung des Messfühlers 210 in jeder Richtung und erlaubt demnach einen Gesamtleergang gemäß dem Abstand 2d zwischen Flächen 228 und 232 der Kupplung 216. Alternativ kann ein Gesamtleergang gemäß dem Abstand d zwischen den Flächen 228 und 232 realisiert sein (Hälfte des gezeigten Abstands). In einer derartigen Ausführungsform wäre der Messfühler 210 jedoch nur in der Lage, die Bewegung von einem Grenzwert des Leergangs zum anderen Grenzwert zu erfassen, und die Bewegung der Kupplung 216 von einer Mittelstellung aus (wie in 15 gezeigt) würde beispielsweise nicht erfasst.
In der beschriebenen Ausführungsform werden digitale Codiereinrichtungsmessfühler 210 verwendet, bei denen die Rotationsbewegung unter Verwendung einer Anzahl von Unterteilungen auf einem Rad erfasst wird, die an feststehenden Messfühlern vorbeigedreht werden, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt ist. Jede Unterteilung bewirkt einen "Impuls", und die Impulse werden gezählt, um den Betrag (die Größe) der Bewegung zu bestimmen. Der Abstand d kann genauso groß wie oder größer als die Abtastungsauflösung der Codiereinrichtung sein, so dass Größe und Richtung der Bewegung innerhalb des Spaltes 220 erfasst werden können. Alternativ kann das Auflösungsvermögen des Messfühlers ausreichend groß gehalten sein (d. h. in einer digitalen Codiereinrichtung sollte der Abstand zwischen den Unterteilungen ausreichend klein sein), um eine Bewegung innerhalb des Spaltes 220 zu erfassen. Beispielsweise sollte es möglich sein, zwei oder mehr Impulse innerhalb des Abstands d zu erfassen, um die Bewegungsrichtung des Gegenstands 44 und der Kupplung 216 unter Verwendung einer digitalen Codiereinrichtung oder dergleichen zu bestimmen.
Wenn die Kupplung 216 erstmals aus der in 15 gezeigten Stellung in eine mit dem Pfeil 226 angedeutete Richtung weggedreht wird (gegen den Uhrzeigersinn in 14a), wenn der Benutzer den Gegenstand 44 bewegt, läuft die Kupplung frei um. Die Kupplung 216 kann nicht weitergedreht werden, wenn die Innenseite 228 des versplinteten Abschnitts 224 an einer Fläche 230 des versplinteten Abschnitts 222 angreift. Danach bewirkt dann eine externe Kraft (wie z. B. vom Benutzer) in derselben Richtung entweder, dass sowohl die Kupplung 216 als auch die Welle 214 in derselben Richtung umlaufen, oder die externe Kraft wird verhindert, falls das Betätigungselement 202 die Welle 214 mit hoher Widerstandskraft am Platz verriegelt, um eine Rotationsbewegung der Welle 214 zu verhindern.
Falls der Benutzer den Gegenstand 44 plötzlich in die entgegengesetzte Drehrichtung bewegt, wenn die Fläche 228 bereits mit der Fläche 230 in Eingriff ist, kann die Kupplung 216 wieder frei innerhalb des Spaltes 220 gedreht werden, bis die Fläche 232 der Bohrung 218 an einer Fläche 234 der Welle 214 angreift, und dann werden sowohl die Welle als auch die Kupplung gedreht (oder es wird keine Rotation zugelassen, wie oben beschrieben). Gerade die Größe und Richtung der Bewegung zwischen dem Eingriff der Flächen der versplinteten Abschnitte 222 und 224 können ja vom Messfühler 210 erfasst werden, weil der Messfühler 210 starr mit der Kupplung 216 verbunden ist. Da der Messfühler 210 die Richtung, in die sich die Kupplung 216 (und damit der Gegenstand 44) bewegt, zum Steuerungsrechner übertragen kann, kann der Computer das Betätigungselement 202 entsprechend ab- oder anschalten. Selbst wenn der Gegenstand 44 vom Betätigungselement 202 am Platz gehalten wird, wie wenn er sich in eine virtuelle "Wand" hineinbewegt, kann der Computer die Leergangbewegung des Gegenstands 44 erfassen, falls der Benutzer die Richtung des Gegenstands wechselt, und kann die Bremsen dementsprechend lösen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Computer 16 das passive Betätigungselement vorzugsweise deaktivieren (freigeben) sollte, bevor die Fläche 232 an der Fläche 234 angreift, so dass der Benutzer keinerlei Widerstand gegen die Bewegung in der Gegenrichtung spürt.
16 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des Wandlersystems 200, in dem das gewünschte Spiel zwischen dem Betätigungselement 202 und dem Gegenstand 44 anstelle des in 13 gezeigten Keilwellensystems mit Leergang durch eine elastische (d. h. federnde) Kupplung vorgesehen ist. Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt ist, kann eine elastische Kupplung viele mögliche Formen annehmen. Die elastische Kupplung gestattet der Kupplungswelle 208, sich unabhängig von der Aktuatorwelle 204 um eine kleine Distanz zu drehen und zwingt dann die Aktuatorwelle 204, sich in derselben Richtung zu drehen wie die Kupplungswelle 208, wie mit Bezug auf 13–15 beschrieben. In 16 sind das Betätigungselement 202, die Kupplungswelle 208, der Messfühler 210 und der Gegenstand 44 gleichartig wie die äquivalenten Bauteile, wie oben mit Bezug auf 12a erörtert. Eine elastische Kupplung 236 weist zwei Enden 219 und Längsteile 221 auf, die eine Torsionsbiegung zwischen den Enden 219 bereitstellen. Die elastische Kupplung 236 erlaubt demnach eine gewisse Torsionsbiegung (Spiel) um die Achse H zwischen der Kupplungswelle 208 und einer Aktuatorwelle 215. Wenn die Aktuatorwelle 215 durch das Betätigungselement 202 am Platz gesperrt ist, die Kupplungswelle 208 gedreht wird und die Kupplung 236 in einer Drehrichtung bis zu ihrem Grenzwert gebogen ist, wird die Welle 208 daran gehindert, sich in derselben Richtung zu drehen und der Benutzer wird daran gehindert, den Gegenstand 44 weiter in dieser Richtung zu drehen. Falls eine plötzliche Drehbewegung des Gegenstands 44 und der Kupplungswelle 208 in der Gegenrichtung veranlasst würde, würde sich die Kupplung 236 frei in dieser Richtung biegen, und diese Bewegung würde vom Messfühler 210 erfasst, was dem Computer erlauben würde, die durch das Betätigungselement 202 angelegte Widerstandskraft entsprechend zu ändern. Wenn die Kupplung 236 ihr maximales Biegungsvermögen in der anderen Richtung erreichen würde, würde der Mechanismus ähnlich agieren, und der Benutzer würde Kräfte (falls vorhanden) vom Betätigungselement 202 fühlen. Nachgiebigkeit oder Elastizität können auch mit Federelementen und dergleichen vorgesehen sein.
Ähnlich dem in 13–15 beschriebenen Leergangsystem ist die Größe des durch die elastische Kupplung 236 zwischen dem Betätigungselement 202 und dem Gegenstand 44 vorgesehenen Spiels gleich wie oder größer als die Abtastungsauflösung des Messfühlers 210. Eine typische elastische Kupplung weist eine gewisse Eigensteifigkeit auf, so dass eine Kraft angelegt werden muss, um die Steifigkeit zu überwinden. Vorzugsweise weist die elastische Kupplung 236 eine geringe Steifigkeit auf und biegt sich mit geringem Kraftaufwand in Bezug auf die maximale Widerstandsleistung durch das passive Betätigungselement 202. Die elastische Kupplung 236 weist vorzugsweise auch eine geringe Biegegröße auf, um ein Sollspiel mit niedrigem Wert bereitzustellen; wie oben sollte das Sollspiel bei Verwendung der elastischen Kupplung 236 die minimale Spielgröße sein, die der Messfühler 210 zuverlässig erfassen kann.
17 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer mechanischen Vorrichtung 240 unter Verwendung des Wandlersystems 200. Ähnlich der Vorrichtung 25, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, schließt die Vorrichtung 200 einen Kardanmechanismus 38 und ein lineares Achsenelement 40 ein. Ein Benutzergegenstand 44 ist vorzugsweise mit dem linearen Achsenelement 40 verbunden. Der Kardanmechanismus 38 stellt zwei Drehfreiheitsgrade bereit, wie durch Pfeile 242 und 244 gezeigt. Das lineare Achsenelement 40 stellt einen dritten linearen Freiheitsgrad bereit, wie durch Pfeile gezeigt. Diese Bauteile funktionieren, wie mit Bezug auf 2 beschrieben. Mit jedem Verlängerungselement 48a und 48b ist ein Wandlersystem 238 (äquivalent zum Wandlersystem 200) bzw. 239 (äquivalent zum Wandlersystem 200') verbunden. Es sei darauf hingewiesen, dass die zwei unterschiedlichen Ausführungsformen des Wandlersystems 200 und 200' zu illustrativen Zwecken auf einer mechanischen Vorrichtung 240 gezeigt sind. Typischerweise wird für beide Bodenelemente 48a und 48b nur eine Ausführungsform des Systems 200 oder 200' verwendet.
Das Wandlersystem 238 ist dem in 12a gezeigten System ähnlich, worin der Gegenstand 44 zwischen der Kupplung 206 und dem Messfühler 210 angeordnet ist. Das Wandlersystem 238 schließt ein Betätigungselement 202a ein, das abgestützt und mit einer Kupplung 206a verbunden ist (der Boden 56 ist schematisch mit dem Bodenelement 46 verbunden gezeigt, ähnlich wie in 2). Die Kupplung 206a ist mit dem Verlängerungselement 48a verbunden, das sich am Ende an den Gegenstand 44 anschließt und einen Drehfreiheitsgrad um die Achse A bereitstellt. Ein Messfühler 210a ist an der ersten Biegung 237 in dem Verlängerungselement starr mit dem Verlängerungselement 48a verbunden. Der Messfühler 210a ist ferner abgestützt, indem er entweder mit dem Bodenelement 46 oder separat mit dem Boden 56 verbunden ist. Auf diese Weise erfasst der Messfühler 210a jegliche Rotationsbewegung des Verlängerungselementes 48a und des Gegenstands 44 um die Achse A. Die Kupplung 206a stellt jedoch eine Sollspielgröße zwischen dem Betätigungselement 202a und dem Verlängerungselement 48a bereit, wie oben beschrieben. Alternativ kann der Messfühler 210a an anderen Stellen oder Biegungen im Element 48a oder sogar am Mittelelement 50b starr mit dem Verlängerungselement 48a verbunden sein, solange die Drehbewegung des Gegenstands 44 um die Achse A erfasst wird.
Ein Wandlersystem 239 ist dem in 12b gezeigten Wandlersystem ähnlich, in dem der Messfühler 210 zwischen der Kupplung 206 und dem Gegenstand 44 angeordnet ist. Ein Betätigungselement 202b ist abgestützt und unstarr mit einer Kupplung 206b verbunden (d. h. mit dem gewünschten Spiel verbunden, wie oben beschrieben). Die Kupplung 206b ist dann wieder starr mit einem Messfühler 210b verbunden, der separat abgestützt und starr mit dem Bodenelement 46 verbunden ist (wobei die Kupplung 206b ungestützt bleibt). Das Verlängerungselement 48b ist durch eine durch den Messfühler 210b verlaufende Welle ebenfalls starr mit der Kupplung 206b verbunden (nicht gezeigt). Auf diese Weise erfasst der Messfühler 210b jegliche Rotationsbewegung des Verlängerungselementes 48b und des Gegenstands 44 um die Achse B. Die Kupplung 206b stellt aus den oben beschriebenen Gründen eine Sollspielgröße zwischen dem Betätigungselement 202b und dem Verlängerungselement 48b bereit.
Auf diese Weise kann unter Verwendung der Betätigungselemente 202a und 202b Rotationswiderstand oder Impedanz an eines oder beide der Verlängerungselemente 48a und 48b und den Gegenstand 44 angelegt werden. Wenn Betätigungselemente die Bewegung des Gegenstands 44 sperren, ermöglichen die Kupplungen 206a und 206b dem Computer 16 die Erfassung der Bewegung des Gegenstands 44 entweder um die Achse A oder B. Ein ähnliches Wandlersystem wie das System 238 oder 239 kann auch für das lineare Achsenelement 40 vorgesehen sein, um eine Bewegung im dritten Freiheitsgrad entlang der Achse C zu erfassen und eine Kraftrückkopplung daran bereitzustellen. Ein derartiges System kann ähnlich realisiert sein wie die in 6 gezeigten Wandler und wie nachstehend beschrieben.
18 ist eine Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform der in 17 gezeigten mechanischen Vorrichtung 240. Die Vorrichtung 240 ist ähnlich wie die Ausführungsform der in 8 oben gezeigten Vorrichtung 25''', in welcher der Gegenstand 44 als ein in zwei Freiheitsgraden um die Achsen A und B beweglicher Steuerknüppel 112 realisiert ist. Zu Illustrationszwecken ist die Vorrichtung 240 mit zwei Ausführungsformen des Wandlersystems 200 und 200' gezeigt. Das System 239 ist ähnlich gezeigt wie in 17 und schließt das Betätigungselement 202b, die Kupplung 206b und den Messfühler 210b ein, wobei die entsprechenden Wellen zur Verbindung dieser Bestandteile nicht gezeigt sind. Das Betätigungselement 202b ist beispielsweise durch ein Tragelement 241 abgestützt. Die vom Messfühler 210b ausgehende Kupplungswelle 208 ist vorzugsweise mit der Capstan-Seilscheibe 76 des Capstan-Antriebsmechanismus 58 verbunden. Wenn der Gegenstand 44 um die Achse A bewegt wird, wird auch das Verlängerungselement 48b bewegt, wodurch eine Drehung des Capstan-Elementes 59 (das starr am Element 48b angebracht ist) bewirkt wird. Diese Bewegung bringt die Seilscheibe 76 zum Rotieren und überträgt damit die Bewegung zum Wandlersystem 239. Wie oben mit Bezug auf 5 beschrieben, ermöglicht der Capstan-Mechanismus die Bewegung des Gegenstands 44 ohne wesentlichen Leergang. Dies ermöglicht, dass der eingebrachte, gesteuerte Leergang der Kupplung 206 der einzige Leergang in dem System ist. Wie vorstehend beschrieben, stellt der Capstan-Antriebsmechanismus außerdem eine mechanische Übertragung für die Bewegung des Gegenstands 44 bereit. Demzufolge kann der Messfühler 210b eine Drehbewegung mit einer höheren Auflösung erfassen, und das Betätigungselement 202b kann größere Kräfte an den Gegenstand 44 bereitstellen. Dies kann zweckdienlich sein, wenn beispielsweise ein Benutzer die vom Betätigungselement 202b abgegebenen Widerstandskräfte übertreffen kann; der Capstan-Mechanismus 58 ermöglicht einem Betätigungselement die Abgabe größerer Kräfte, die für den Benutzer schwieriger zu überwinden sind. Zur Bereitstellung eines derartigen Arbeitsgewinns kann auch eine andere Art Getriebesystem verwendet werden, wie z. B. ein Seilscheibensystem. Das Wandlersystem 239 oder 238 kann auch direkt mit dem Bodenelement 46 und dem Verlängerungselement 48a oder 48b verbunden sein, wie in 17 gezeigt. Beispielsweise kann das Wandlersystem 239 direkt mit dem vertikalen Träger 62 und dem Capstan-Element 59 auf der Achse A verbunden sein. In einer derartigen Anordnung ließen sich jedoch die beschriebenen Vorteile des Capstan-Antriebsmechanismus nicht erlangen.
Das Wandlersystem 238 ist ähnlich wie in 17 mit dem anderen Verlängerungselement 48a verbunden gezeigt. In dieser Gestaltung sind das Betätigungselement 202a und die Kupplung 206a auf einer Seite des vertikalen Tragelementes 62 angeordnet. Die Kupplungswelle 208 erstreckt sich vorzugsweise durch das vertikale Tragelement 62 und die Seilscheibe 76 hindurch und ist mit dem Messfühler 210a verbunden, der abgestützt ist. Das Wandlersystem 238 erreicht die Vorteile des Capstan-Antriebsmechanismus, wie oben beschrieben. Alternativ kann der Messfühler 210b mit dem Capstan-Element und dem vertikalen Träger 62 an der Achse B verbunden sein; der Messfühler würde jedoch an dieser Stelle keine mechanische Übertragung vom Capstan-Antriebsmechanismus 58 erreichen. Das Betätigungselement 202a und der Messfühler 210b sind vorzugsweise abgestützt, beispielsweise durch Tragelemente 243.
Die Wandlersysteme 238 und 239 können auch mit anderen Vorrichtungen verwendet werden, wie in den Ausführungsformen gemäß 3 und 7 gezeigt. Beispielsweise können ein dritter linearer Freiheitsgrad und ein vierter Rotationsfreiheitsgrad hinzugefügt werden, wie in 3 gezeigt. Die Wandlersysteme 238 oder 239 können verwendet werden, um eine Bewegung im dritten und vierten Freiheitsgrad zu erfassen und eine Kraftrückkopplung daran bereitzustellen. Auf ähnliche Weise kann das Wandlersystem 238 oder 239 auf den fünften und sechsten Freiheitsgrad angewendet werden, wie mit Bezug auf 7 gezeigt und beschrieben.
19 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Schnittstellenvorrichtung 250, die zur Verwendung mit dem Wandlersystem 200 geeignet ist. Der Mechanismus 250 schließt eine geschlitzte Jochanordnung zur Verwendung mit Steuerknüppel-Steuereinheiten ein, die dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt ist. Die Vorrichtung 250 schließt ein geschlitztes Joch 252a, ein geschlitztes Joch 252b, Messfühler 254a und 254b, Lager 255a und 255b, Betätigungselemente 256a und 256b, Kupplungen 258a und 258b und einen Joystick 44 ein. Das geschlitzte Joch 252a ist starr mit einer Welle 259a verbunden, die sich an einem Ende des Jochs durch den Messfühler 254a hindurch erstreckt und starr damit verbunden ist. Ähnlich ist das geschlitzte Joch 252a am anderen Ende des Jochs mit einer Welle 259c und dem Lager 255a verbunden. Das geschlitzte Joch 252a ist um eine Achse L drehbar, und diese Bewegung wird vom Messfühler 254a erfasst. Die Kupplung 258a ist starr mit der Welle 259a verbunden und ist mit dem Betätigungselement 256a verbunden, so dass eine gewünschte Spielgröße zwischen dem Betätigungselement 256a und der Welle 259a zugestanden wird. Diese Anordnung gestattet das Spiel zwischen dem Gegenstand 44 und dem Betätigungselement, wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben. Das Betätigungselement 256a ist vorzugsweise ein passives Betätigungselement, wie z. B. Magnetpulverbremsen. In alternativen Ausführungsformen können das Betätigungselement 256a und die Kupplung 258a stattdessen nach dem Lager 255a mit der Welle 259c verbunden sein. In wieder anderen Ausführungsformen kann das Lager 255a als noch ein Messfühler wie der Messfühler 254a realisiert sein.
In ähnlicher Weise ist das geschlitzte Joch 252b an einem Ende starr mit einer Welle 259b und dem Messfühler 254b und am anderen Ende mit einer Welle 259d und dem Lager 255b verbunden. Das Joch 252b kann um eine Achse M gedreht werden, und diese Bewegung kann vom Messfühler 254b erfasst werden. Eine Kupplung 258b ist starr mit der Welle 259b verbunden, und ein Betätigungselement 256b ist mit der Kupplung 258b verbunden, so dass ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Betätigungselement 256a eine gewünschte Spielgröße zwischen der Welle 259b und dem Betätigungselement 256b zugestanden wird.
Der Gegenstand 44 ist ein Steuerknüppel 112, der an einem Ende 262 schwenkbar an der Bodenfläche 56 gelagert ist, so dass das andere Ende 264 sich typischerweise in vier 90°-Richtungen über der Fläche 56 (und zusätzliche Richtungen in anderen Ausführungsformen) bewegen kann. Der Steuerknüppel 112 erstreckt sich durch Schlitze 266 und 268 im Joch 252a bzw. 252b. Wenn demzufolge der Steuerknüppel 112 in einer beliebigen Richtung bewegt wird, folgen die Joche 252a und 252b dem Steuerknüppel und drehen sich um die Achsen L und M. Die Messfühler 254a–d erfassen diese Drehbewegung und können so die Bewegung des Steuerknüppels 112 verfolgen. Die Hinzufügung der Betätigungselemente 256a und 256b lässt den Benutzer die Kraftrückkopplung beim Umgang mit dem Joystick 44 erleben. Die Kupplungen 258a und 258b stellen eine Spielgröße bereit, wie oben beschrieben, um es einem Steuerungssystem zu ermöglichen, einen Richtungswechsel des Steuerknüppels 112 zu erfassen, selbst wenn der Steuerknüppel 112 durch die Betätigungselemente 256a und 256b am Platz gehalten ist. Es sei angemerkt, dass die geschlitzte Jochanordnung typischerweise ein gewisses inneres Spiel (wie z. B. Nachgiebigkeit oder Leergang) in das mechanische System einbringt. Auf Wunsch können die Kupplungen 259a und 259b zur Bereitstellung einer zusätzlichen Spielgröße hinzugefügt werden. In ähnlicher Weise können andere Schnittstellenvorrichtungen verwendet werden, die typischerweise eine Größe des inneren Spiels bereitstellen, so dass das innere Spiel vom Messfühler 210 gemessen wird und keine Kupplung 206 erforderlich ist. Anstelle des Steuerknüppels 112 können auch andere Arten von Gegenständen 44 verwendet werden, oder es können zusätzliche Gegenstände mit dem Steuerknüppel 112 verbunden sein.
In alternativen Ausführungsformen können Betätigungselemente und Kupplungen mit den Wellen 259c und 259d verbunden sein, um zusätzliche Kraft an den Steuerknüppel 112 bereitzustellen. Das Betätigungselement 256a und ein mit der Welle 259c verbundenes Betätigungselement können gleichzeitig durch einen Computer oder ein anderes elektrisches System gesteuert werden, um Kraft an den Bügel 252a anzulegen oder davon wegzunehmen. In ähnlicher Weise können das Betätigungselement 256b und ein mit der Welle 259d verbundenes Betätigungselement gleichzeitig gesteuert werden.
20 ist ein Blockdiagramm 270 einer elektronischen Schnittstelle, die zur Verwendung mit dem Wandlersystem 200 geeignet ist. Die elektronischen Bauteile im Diagramm 270 werden vorzugsweise mit passiven Betätigungselementen und optischen Codeumsetzersensoren verwendet. Die Schnittstelle des Diagramms 270 kann jedoch auch mit anderen Ausführungsformen der Schnittstellenvorrichtung 25 verwendet werden, wie oben beschrieben.
Der Host-Computer 16 kann ein Computersystem 16 sein, wie oben mit Bezug auf 1 und 9 beschrieben, und implementiert vorzugsweise eine Simulation oder ähnliche virtuelle Umgebung, die ein Benutzer erlebt und als Reaktion darauf den Gegenstand 44 bewegt, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt ist. Der Host-Computer 16 schließt eine Schnittstellenelektronik 272 ein. In der beschriebenen Ausführungsform schließt die Schnittstellenelektronik einen seriellen Anschluss ein, wie z. B. eine RS-232-Schnittstelle, die eine bei den meisten im Handel erhältlichen Computern enthaltene Standard-Schnittstelle ist. Diese Schnittstelle ist anders als die oben mit Bezug auf 9 gezeigte Schnittstellenkarte und Elektronik, was eine schnellere Steuersignalübertragung ermöglicht, und ist demnach zur Steuerung aktiver Betätigungselemente geeigneter als die gerade beschriebene Schnittstellenelektronik.
Zur Steuerung der Ein- und Ausgangssignale, die zu und von der Schnittstelle 272 geliefert werden, kann ein Mikroprozessor 274 verwendet werden. Beispielsweise kann der Mikroprozessor mit Befehlen versehen sein, auf Steuerbefehle oder Abfragen vom Computer-Host 16 zu warten, den Steuerbefehl oder die Abfrage zu entschlüsseln und Ein- und Ausgangssignale gemäß dem Steuerbefehl oder der Abfrage zu verarbeiten. Wenn der Computer 16 einen Steuerbefehl an die Steueraktuatoren sendet, kann der Mikroprozessor 274 Signale an das Betätigungselement ausgeben, die die von dem Betätigungselement anzulegende Kraft darstellen, und kann eine Rückmeldung an den Computer 16 senden, dass diese Ausgabe gesendet wurde. Wenn der Computer 16 eine Messfühlereingangsanforderung sendet, kann der Mikroprozessor 274 Positionsdaten aus den Messfühlern auslesen und diese Daten zum Computer 16 senden. Geeignete Mikroprozessoren zur Verwendung als Mikroprozessor 274 sind u. a. der MC68HC711 E9 von Motorola und der PIC16C74 von Microchip.
Ein Digital/Analog-Wandler (DAC) 276 ist mit dem Mikroprozessor 274 elektrisch verbunden und empfängt digitale Signale zur Darstellung eines Kraftwertes von dem Mikroprozessor. Der DAC 276 wandelt das Digitalsignal in ein Analogsignal um, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt ist. Ein geeigneter DAC ist der MAX530ACNG, hergestellt von der Firma Maxim. Ein Leistungsverstärker 278 empfängt das Analogsignal vom DAC 276 und wandelt das Signal in ein passendes Bremssteuersignal für das Betätigungselement 202 um. Als Leistungsverstärker 278 können z. B. ein LM324 und TIP31 verwendet werden. Das Betätigungselement 202, das vorzugsweise eine Magnetpulverbremse von der Firma Force Limited, Inc. ist, empfängt das Bremssignal und stellt passende Widerstandskräfte bereit, um der vom Benutzer verursachten Bewegung des Gegenstands 44 Widerstand entgegenzusetzen. Vorzugsweise wird für jedes in der Schnittstellenvorrichtung eingesetzte Betätigungselement 202 ein separater DAC und Leistungsverstärker verwendet, so dass der Computer 16 jedes Betätigungselement für jeden vorgesehenen Bewegungsgrad separat steuern kann.
Der Messfühler 210 ist vorzugsweise ein digitaler optischer Codeumsetzer, der arbeitet, wie oben beschrieben; eine geeignete Codiereinrichtung ist beispielsweise der "Softpot" von U.S. Digital, Vancouver, Washington. Der Messfühler erfasst die Position des Gegenstands 44 und liefert ein digitales Positionssignal an eine Decodierelektronik 280, die das Messfühlersignal in ein geeignetes Eingangssignal zur Interpretation durch den Computer 16 umwandelt. Beispielsweise ist der Quadraturdecoder LS7166 zum Decodieren der Quadratursignale vom Messfühler 210 geeignet. Die Positionswertsignale werden vom Computer 16 interpretiert, der die Virtuelle-Realität-Umgebung entsprechend aktualisiert und das Betätigungselement 202 steuert. Auch andere Schnittstellen-Schaltwerke als die Decodierelektronik 280 können zur Lieferung eines entsprechenden Signals an den Mikroprozessor 274 verwendet werden. In alternativen Ausführungsformen kann ein analoger Messfühler 210 zur Lieferung eines Analogsignals an einen Analog/Digital-Wandler (ADC) verwendet werden, der ein digitales Positionssignal an den Computer 16 bereitstellen kann. Die Auflösung der erfassten Bewegung des Gegenstands 44 wäre dann durch das Auflösungsvermögen des ADC begrenzt. Jedoch kann eine Störung zuweilen kleine Bewegungen des Gegenstands 44 von einem analogen Messfühler 210 überdecken, was möglicherweise das Spiel überdeckt, das für die vorliegende Ausführungsform der Erfindung von Bedeutung ist.
21 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung des Steuerprozesses 300 des Betätigungselementes 202 während eines Beispiels einer simulierten Bewegung des Gegenstands 44 entlang einem Freiheitsgrad durch ein Fluid oder einen ähnlichen Stoff hindurch. Der Prozess 300 kann durch den Computer 16 oder den Mikroprozessor 274 in Verbindung mit dem Computer 16 realisiert sein. Der Prozess beginnt bei 310, und in Schritt 312 wird eine Dämpfungskonstante initialisiert. Diese Konstante gibt den Widerstandsgrad an, den ein Gegenstand 44 beim Bewegen durch einen simulierten Stoff erfährt, wobei eine größere Zahl einen größeren Widerstand anzeigt. Beispielsweise hätte Wasser eine niedrigere Dämpfungskonstante als Öl oder Sirup.
In Schritt 314 wird die aktuelle Position des Gegenstands 44 entlang dem untersuchten Freiheitsgrad in einer Variablen X0 gespeichert. In Schritt 316 wird die aktuelle Position des Gegenstands 44 entlang dem untersuchten Freiheitsgrad in einer Variablen X1 gespeichert. Wenn der Prozess 300 erstmals implementiert wird, werden X0 und X1 auf denselben Wert gesetzt. In Schritt 318 wird eine Variable ΔX auf die Differenz zwischen X1 und X0 gesetzt (die 0 ist, wenn der Vorgang zum ersten Mal realisiert wird). Aus dem Vorzeichen (negativ oder positiv) von ΔX kann auch die Richtung der Bewegung des Gegenstands 44 bestimmt werden. Im nächsten Schritt 320 wird eine Variable KRAFT der Dämpfungskonstanten multipliziert mit ΔX gleichgesetzt. Dann wird in Schritt 322 ein den Wert von KRAFT darstellendes Signal an die Bremse (oder ein anderes passives Betätigungselement) gesendet, um den Bremswiderstand an der Sollhöhe festzulegen. In Schritt 324 wird die Variable X0 mit X1 gleichgesetzt, und dann kehrt der Prozess zu Schritt 316 zurück, um eine andere Position des Gegenstands 44 abzulesen und in der Variablen X1 zu speichern. Der Prozess 300 misst also die vom Benutzer manuell gesteuerte Geschwindigkeit des Gegenstands 44 und erzeugt einen Bremswiderstand (KRAFT) proportional zur Bewegung des Benutzers, um die Bewegung durch ein Fluid zu simulieren. Die Bewegung in anderen Medien, wie z. B. auf einer holprigen Fläche, einer schiefen Ebene etc. kann auf ähnliche Weise simuliert werden, indem andere KRAFT-Berechnungsverfahren verwendet werden.
22 ist ein Flussdiagramm 328 zur Darstellung eines bevorzugten Verfahrens zum Gestalten einer "Wand" oder anderen harten Fläche oder eines Hindernisses in einer virtuellen Umgebung bei Verwendung einer mechanischen Schnittstelle, wie z. B. die Schnittstelle 240 oder Schnittstelle 250, mit dem Wandlersystem 200. Bei diesem Verfahren wird angenommen, dass ein Gegenstand 44 in einer virtuellen Umgebung von einem Benutzer festgehalten und bewegt wird. Ein Computersystem 16 erfasst vorzugsweise die Position des Gegenstands und stellt ggf. eine Kraftrückkopplung an den Gegenstand bereit.
Das Verfahren beginnt bei 330, und in einem Schritt 332 wird die Position eines Gegenstands vom Computer 16 und/oder Mikroprozessor 274 erfasst. Die Messfühler 210 stellen die Drehstellungs- und/oder Linearposition des Gegenstands 44 in der erfassten Anzahl von Freiheitsgraden bereit. Der Computer 16 aktualisiert eine Virtuelle-Realität-Umgebung unter Ansprechen auf die Bewegungen des Gegenstands 44 durch den Benutzer. Wenn der Benutzer z. B. einen Steuerrad-Gegenstand 44 bewegt, kann der Computer 16 den Gesichtswinkel des Benutzers so verschieben, als ob er aus einem Fahrzeug herausschauen und das Fahrzeug lenken würde. Es sei darauf hingewiesen, dass der Computer 16/Mikroprozessor 274 in diesem Schritt ebenso eine Kraftrückkopplung an den Benutzer bereitstellen kann, die nicht auf die virtuelle Wand bezogen ist. Beispielsweise kann der Computer veranlassen, dass die Bewegung eines Joysticks eine größere Kraft erfordert, wenn die Bewegung eines Fahrzeugs im Morast, über eine holprige Fläche etc. simuliert wird, wie oben mit Bezug auf 21 beschrieben.
In Schritt 334 wird bestimmt, ob der Gegenstand 44 (oder ein virtueller, rechnergenerierter Gegenstand, der vom Gegenstand 44 gesteuert wird) in eine virtuelle Wand oder ein ähnliches Hindernis hineinbewegt worden ist, die verhindern können, dass der Gegenstand 44 sich in eine oder mehr Richtungen bewegt. Wenn der Gegenstand nicht in ein solches Hindernis bewegt worden ist, wird dieser Schritt wiederholt, und es kann irgendeine andere passende Kraftrückkopplung gemäß der Bewegung des Gegenstands angelegt werden. Wenn der Gegenstand in ein solches Hindernis hineinbewegt worden ist, dann wird Schritt 336 ausgeführt, in dem das passive Betätigungselement, wie z. B. eine Bremse, der Bewegung des Gegenstands 44 entlang dem/den versperrten Freiheitsgraden) eine maximale Impedanz entgegensetzt. Dies fühlt sich für den Benutzer so an, als ob der Gegenstand 44 auf ein Hindernis gestoßen ist und nicht weiter in Richtung der "Wand" oder des Hindernisses bewegt werden kann.
Im nächsten Schritt 338 prüft der Computer 16 auf eine Bewegung in Gegenrichtung zur Wand. Wenn keine Bewegung in dieser Richtung von den Messfühlern 210 erfasst wird, dann wird in Schritt 336 eine fortgesetzte maximale Widerstandskraft an den Gegenstand 44 angelegt; der Benutzer drückt den Gegenstand 44 demnach noch immer an die Wand. Wenn der Computer/Mikroprozessor in Schritt 338 wegen des durch die Kupplung 206 bewirkten Spiels eine Bewegung weg von der Wand erfasst, dann wird Schritt 340 ausgeführt, in dem der Computer/Mikroprozessor die Bremsen löst, bevor der Grenzwert des Spiels in der neuen Richtung erreicht wird (d. h. innerhalb der zulässigen Nachgiebigkeit oder des Leergangs). Der Benutzer kann den Gegenstand 44 demnach frei von der Wand wegbewegen, ohne dass es sich anfühlt, als ob er an der Wand festsitzt. Der Prozess geht dann zu Schritt 332 zurück, in dem der Computer/Mikroprozessor die Position des Gegenstands 44 erfasst.
Während diese Erfindung bezogen auf mehrere bevorzugte Ausführungen beschrieben wurde, wird damit gerechnet, dass Andersartigkeiten, Modifizierungen und Veränderungen davon für den Fachmann beim Lesen der Beschreibung und Studieren der Zeichnungen offenkundig werden. Beispielsweise können die Bindegliedelemente der Vorrichtung 25 eine Reihe von tatsächlichen körperlichen Größen und Formen annehmen und trotzdem die offenbarte Verbindungsstruktur beibehalten. Außerdem können auch andere Kardanmechanismen mit einem linearen Achsenelement 40 vorgesehen sein, um drei Freiheitsgrade bereitzustellen. Genauso können andere Arten von Kardanmechanismen oder andere Mechanismen zur Bereitstellung mehrfacher Freiheitsgrade mit den hierin offenbarten Capstan-Antriebsmechanismen verwendet werden, um Trägheit, Reibung und Leergang in einem System zu reduzieren. Ferner kann eine Vielfalt von Vorrichtungen verwendet werden, um die Position eines Gegenstands in den bereitgestellten Freiheitsgraden zu erfassen und den Gegenstand entlang diesen Freiheitsgraden zu steuern. Außerdem können der in dem Wandlersystem mit einem Sollspiel verwendete Messfühler und das Betätigungselement eine Vielfalt von Formen annehmen. In ähnlicher Weise können auch andere Arten von Kupplungen verwendet werden, um das gewünschte Spiel zwischen dem Gegenstand und dem Betätigungselement bereitzustellen.

Claims

Vorrichtung zur Verbindung der Bewegung eines durch einen Benutzer handhabbaren Gegenstands (44) bezüglich eines Bodenelementes (46) mit einem Host-Computersystem (16), die einen Kardanmechanismus (38) mit einer geschlossenen Regelsystemverbindung von fünf Elementen umfasst, in der jedes der fünf Elemente mit wenigstens zwei anderen Elementen der Verbindung drehbar verbunden ist, wobei die fünf Elemente jeweils zwei Enden einschließen, und wobei jedes der fünf Elemente an jedem der Enden mit einem anderen der fünf Elemente drehbar verbunden ist, und wobei die fünfteilige Verbindung gekennzeichnet ist durch: – erste und zweite Verlängerungselemente (48a, 48b), wobei jedes Verlängerungselement mechanisch starr mit dem Bodenelement (46) verbunden ist; und – erste und zweite Mittelelemente (50a, 50b), wobei das erste Mittelelement (50a) mit einem Ende drehbar mit dem ersten Verlängerungselement (48a) verbunden ist und das zweite Mittelelement (50b) mit einem Ende drehbar mit dem zweiten Verlängerungselement (48b) verbunden ist, wobei die Mittelelemente (50a, 50b) an nicht mit den Verlängerungselementen (48a, 48b) verbundenen Enden miteinander verbunden sind und wenigstens eines der Mittelelemente zur Verbindung mit dem Gegenstand (44) geeignet ist und wobei der Kardanmechanismus (38) dem Gegenstand (44) zwei Rotationsfreiheitsgrade um zwei Rotationsachsen (A, B) bereitstellt, nämlich des ersten Verlängerungselementes und beider Mittelelemente um eine Achse (A) sowie des zweiten Verlängerungselementes und beider Mittelelemente um die andere Achse (B), wobei der Kardanmechanismus (38) zur Verbindung mit dem Gegenstand (44) ungefähr an einem Schnittpunkt (P) der zwei Rotationsachsen (A, B) geeignet ist; und – erste und zweite Freiheitsgradwandler (42), wobei jeder der Wandler (42) zwischen das Bodenelement (46) des Kardanmechanismus (38) und ein anderes Element des Kardanmechanismus (38) geschaltet ist, so dass jeder der Wandler des ersten und zweiten Grades mechanisch starr mit dem Bodenelement (46) verbunden ist, wobei die Wandler (42) jeweils ein Betätigungselement (66a, 66b) zur Übertragung eines Drehmoments auf den Gegenstand (44) um einen der Rotationsfreiheitsgrade einschließen, wodurch die Wandler (42) eine elektromechanische Schnittstelle (14) zwischen dem Gegenstand (44) und dem Host-Computersystem (16) bereitstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand (44) bezüglich des Kardanmechanismus (38) in einem dritten Freiheitsgrad um eine dritte Achse (C) unabhängig drehbar ist, wobei die dritte Achse (C) annähernd durch den Schnittpunkt (P) der zwei Rotationsachsen (A, B) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner ein lineares Achsenelement (40) umfasst, das verschiebbar mit dem Kardanmechanismus (38) verbunden ist und bezüglich des Kardanmechanismus (38) in einem dritten Freiheitsgrad entlang der Linearachse unabhängig verschiebbar ist, wobei der Gegenstand (44) mit dem linearen Achsenelement (40) verbunden und entlang der dritten Achse bezüglich des Kardanmechanismus (38) unabhängig verschiebbar ist, wobei die dritte Achse annähernd durch einen Schnittpunkt (P) der zwei Rotationsachsen (A, B) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner getrennt von dem Host-Computersystem (16) einen Mikroprozessor zur Kommunikation mit dem Host-Computersystem über eine Datenübertragungsschnittstelle (14) umfasst, wobei der Mikroprozessor durch Software-Befehle gesteuert wird, wobei die Wandler (42, 68) jeweils ein Betätigungselement (202) einschließen, das mit einem Bodenelement verbunden und funktionsfähig ist, unter Ansprechen auf von dem Mikroprozessor empfangene Signale eine Kraft entlang einem Freiheitsgrad an den Gegenstand (44) anzulegen, und wobei die Wandler (42, 68) jeweils einen elektrisch mit dem Mikroprozessor verbundenen Messfühler (210) einschließen, wobei der Messfühler (210) Messfühlersignale an den Mikroprozessor ausgibt und die Messfühlersignale eine Darstellung einer Position des Gegenstands (44) in einem Freiheitsgrad enthalten, und wobei der Mikroprozessor die Messfühlersignale an das Host-Computersystem (16) sendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zwei Rotationsachsen bezüglich des Bodenelementes (46) fest sind und das erste Verlängerungselement und das zweite Verlängerungselement um die zwei feststehenden Rotationsachsen drehbar sind, und wobei das erste Mittelelement und das zweite Mittelelement um erste und zweite Momentanachsen drehbar sind, wobei die Momentanachsen bezüglich des Bodens beweglich sind, und wobei die Elemente alle annähernd in einer einzigen Ebene angeordnet sind, die durch die zwei Festachsen definiert wird, wenn der Benutzergegenstand in einer Nullstellung positioniert ist, in der die Momentanachsen mit den Festachsen zusammenfallen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner einen Capstan-Antriebsmechanismus (58) umfasst, der zwischen eines der Betätigungselemente (42, 68) und den Kardanmechanismus (38) geschaltet ist, wobei der Capstan-Antriebsmechanismus einen Spillwindenbogen (59) einschließt, der durch ein biegsames Element mit einer Seilscheibe (76) verbunden ist, wobei das biegsame Element die von dem Wandler (42, 68) generierte Kraft zu dem Kardanmechanismus (38) überträgt und von einem Benutzer angelegte Kräfte von dem Kardanmechanismus (38) zu den Wandlern (42, 68) überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Spillwindenbogen (59) drehbar mit einem Bodenelement (46) des Kardanmechanismus (38) und starr mit einem anderen Element des Kardanmechanismus (38) verbunden ist und wobei das biegsame Element ein Kabelseil (80) ist, die Seilscheibe (76) starr mit dem Wandler (42, 68) verbunden ist und der Wandler (42, 68) funktionsfähig ist, die Seilscheibe (76) zu drehen und dadurch ohne wesentlichen Leergang Kraft zu dem Kardanmechanismus (38) zu übertragen.