(57)【要約】【課題】サブアセンブリを含む好適な反力提示型多機能力覚インタフェースを提供すること。【解決手段】これらのサブアセンブリは、多機能ユーザインタフェースと、ユーザインタフェースをホームポジションに設定するためのユーザインタフェース用ドッキングステーションと、温度監視・制御システムと、さまざまな運動学的ケーブル駆動システムとを含む。例えば、反力提示型力覚インタフェースは、少なくとも３つの自由度とユーザインタフェースとを含む。ユーザインタフェースは、先端部と、複数の代替ユーザ接続部に対応可能な該先端部に取り外し可能に結合されたユーザ接続部とを備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的にはマン／マシンインタフェースに関し、より具体的には反力提示型力覚（ｆｏｒｃｅ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  ｈａｐｔｉｃ）インタフェースに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の視覚フィードバックに加え、触覚フィードバックをユーザに提供することによって高度なマン／マシンインタフェースを可能にするために、反力提示型力覚インタフェースおよび関連のコンピュータハードウェアおよびソフトウェアがさまざまなシステムで使われている。これらのシステムは、手術手技のトレーニング、工業デザインおよびモデリング、および個人的な娯楽など、さまざまな分野で普及してきている。
【０００３】
デスクトップ環境用の力覚インタフェースの２つの例が米国特許第５，５８７，９３７号および第６，４１７，６３８号に開示されている。これにより、これらの特許の開示内容全体を本願明細書に引用したものとする。通常、力覚インタフェースはユーザの基準点を規定する。この基準点は、たとえば、ユーザが着用するか、または握るように構成されているシンブルまたはスタイラスなどのユーザ接続要素のボリューム内またはその近くに位置する。ユーザ接続要素と空間または基準大地との間には、力覚インタフェースの所定の作業ボリューム内で接続要素をほぼ無制限に移動できるように構成されている一連の機械的伝達要素、たとえばジンバル、連結装置、フレームなどが配設されている。
【０００４】
伝動要素の構成および向きに基づき、独立した自由度を複数設けうる。インタフェースの特定の用途に応じて、各自由度を動力供給および／または軌道付きにすることも、動力供給も軌道もないフリーな自由度にもしうる。たとえば、１つの自由度に沿ってユーザが入力した力に対して、適切な条件下でインタフェースが抵抗、均衡、または打ち勝てるように、モータまたは他のアクチュエータからその自由度に動力を供給しうる。動力が供給される軸は、システム条件に応じて力が変化する能動的な状態にすることも、一定の抵抗または抗力が加えられているときのような受動的な状態にもしうる。あるいは、またはさらに、エンコーダ、ポテンシオメータ、または他の測定装置を用いて自由度を追跡すれば、追跡した他の自由度との組み合わせによって、作業ボリューム内の基準点の空間位置を大地に対する相対位置として求めることができる。最後に、自由度をフリーにすれば、ユーザはその自由度に沿って可動域の範囲内でほぼ無制限に、無軌道で動けるようになる。このインタフェースを適切なコンピュータハードウェアおよびソフトウェアと組み合わせると、バーチャルリアリティ環境で力覚フィードバックを提供することも、ユーザを遠隔環境または危険な環境などに配置されている実際のマニピュレータにリンクすることも可能である。
【０００５】
適切な動作特性および応答特性を有する反力提示型力覚インタフェースの設計には、重要な課題がいくつか存在する。たとえば、力覚インタフェースは、ユーザの動きが過度に妨げられず、ユーザが接続要素を作業ボリューム内で動かすだけで疲れることのないように、摩擦が小さく、重量の均衡がとれていることが望ましい。また、実際の力覚体験ができるだけ厳密に再現されるように、力覚インタフェースは高い分解能と応答能とを有することが望ましい。さらに、コンパクトなサイズ、低コスト、および各種の入力インタフェースへの対応は、市場受けおよび訴求力の観点から有利な属性である。
【０００６】
しかしながら、反力提示型力覚インタフェースに伴う複雑な技術によって、小型化および低価格化への努力が妨げられてきた。このような装置のアーキテクチャが必要とするユニットサイズは、望ましいユニットサイズを超えるが、モータの配置、重量を均衡化するための措置、および部品のサイズ特性などがその要因と構成されていることが多い。商業原価が高くなる原因は、多くの場合、このようにユニット寸法が大きい点と、このような装置が固有の部品を必要とする点である。技術が複雑であるために、入力インタフェースの互換性が制限され、結果として用途ごとに固有の入力インタフェースを備えたカスタム装置の調達が必要とされている。
【０００７】
現状では、このようなサイズおよびコスト上の制限が、反力提示型力覚インタフェースが適している多くの市場での普及を妨げる不幸な障壁となっている。たとえば、価格が下がれば、消費者がこのようなインタフェースを入手できるようになるので、家庭用パーソナルコンピュータで使用されるであろう。力覚インタフェースを周辺装置として使用すると、視覚と音声とによる標準的な二次元の対話にとどまらず、触覚を組み込んだインタフェースが提供されるので、人間とコンピュータの対話の幅が効果的に広がるであろう。
【０００８】
したがって、広大な消費者市場で受け入れられるように小型で比較的安価な高機能の反力提示型力覚インタフェースに対するニーズが存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の概要）
一局面において、本発明は、少なくとも３つの自由度とユーザインタフェースとを含む反力提示型力覚インタフェースに関する。ユーザインタフェースは、先端部と、先端部に取り外し可能に結合されたユーザ接続部とを含む。先端部は複数の代替ユーザ接続部に対応しうる。
【００１０】
本発明の上記局面のさまざまな実施態様において、ユーザ接続部をスタイラス、ピストルグリップ、ローラボール、マウス、ジョイスティック、および／またはステアリング装置にすることができる。また、ユーザ接続部はジャック・チャック構成によって先端部に結合できるので、荷重閾値を超える荷重が加えられると、ユーザ接続部は先端部から外れる。
【００１１】
一部の実施態様においては、ユーザインタフェースは、第１のユーザ入力部をさらに含み、場合によっては第２のユーザ入力部も含む。さらに他の実施態様においては、第１のユーザ入力部および／または第２のユーザ入力部はユーザによるカスタマイズが可能である。ユーザ入力部をスイッチまたは押しボタンにすることができる。第１のユーザ入力部または第２のユーザ入力部のどちらか一方または両方は、ユーザインタフェースの機能を変更できる。さまざまな実施態様において、ユーザインタフェースは、フォースフィードバック装置、コンピュータマウス、および／またはデジタイザとして機能するように構成されている。
【００１２】
ユーザインタフェースは筐体を含む。一実施態様において、筐体は複数の構成要素から成り、これらの構成要素が互いに噛み合うことによって構造的完全性と構成要素の保持とが固締具なしに実現される。また、反力提示型力覚インタフェースは、ユーザインタフェースの先端部に結合されたヨークアセンブリを含むことができる。一実施態様において、ヨークアセンブリは、先端部から延在する一対の突出部を捕えるように構成されているヒンジ止めの２つの半体（ｈａｌｖｅｓ）を含む。各突出部は軸受けに嵌るように構成されており、少なくとも１つの突出部がヨークアセンブリに対するユーザインタフェースの相対位置を表す信号を出力するためのセンサに嵌るように構成されている。
【００１３】
さらに他の実施態様においては、ユーザインタフェースは、先端部に対するユーザ接続部の相対位置を表す信号を出力するためのセンサを含む。また、ユーザインタフェースはドッキングステーションを含みうる。ドッキングステーションは、前記ユーザインタフェースおよび力覚インタフェースの筐体のどちらか一方に設けられた突出部と、前記ユーザインタフェースおよび前記筐体の他方に形成された嵌合凹部とを含む。さらに、ドッキングステーションは、突出部が凹部に嵌まったことを通知するためのセンサを含みうる。別の局面において、本発明は、少なくとも３つの自由度と、多用途ユーザインタフェースとを含む反力提示型力覚インタフェースに関する。このユーザインタフェースは、第１の機能と第２の機能とをサポートするように構成されている。一実施態様において、ユーザインタフェースは、第３の機能をさらにサポートするように構成されている。本発明のこの局面のさまざまな実施態様においては、第１の機能がフォースフィードバック装置として、第２の機能がコンピュータマウスとして、第３の機能がデジタイザとして存在する。一実施態様においては、ユーザインタフェースは、第１の機能と第２の機能との間で切り替え可能であり、第３の機能は第１の機能および第２の機能とは無関係に有効化される。
【００１４】
別の局面において、本発明は、筐体とユーザインタフェースとを含む反力提示型力覚インタフェースのためのドッキングステーションに関する。ドッキングステーションは、嵌合構造と、この嵌合構造に近接して配設されたスイッチとを含む。一部の実施態様においては、嵌合構造は、筐体に形成された受け口を含み、ユーザインタフェースの少なくとも一部が受け口に挿入されることによってこのスイッチは作動しうる。このスイッチが作動すると、力覚インタフェースはホームポジションに設定される。
【００１５】
さらなる実施態様においては、ドッキングステーションは、ユーザインタフェースをドッキングステーションに保持する保持子を含み、この保持子は、ユーザインタフェースおよびドッキングステーションのどちらか一方に配置されたバネ付き突出部と、この突出部を受け止めるためにユーザインタフェースおよびドッキングステーションの他方に設けられた嵌合凹部とを含むことができる。また、ドッキングステーションは、インジケータを含むことができる。このインジケータを視覚インジケータとし、障害条件および状態の少なくとも一方を通知することができる。
【００１６】
別の局面において、本発明は、少なくとも３つの自由度を含む反力提示型力覚インタフェースに関する。この力覚インタフェースは、第１の回転要素を駆動する第１のアクチュエータを有する直接駆動アセンブリと、第２の回転要素を駆動する第２のアクチュエータを有する同軸伝達駆動アセンブリとを含む。直接駆動アセンブリおよび伝達駆動アセンブリは、第１の回転要素および第２の回転要素の少なくとも一方の両側に配設される。
【００１７】
本発明の上記局面のさまざまな実施態様において、直接駆動アセンブリおよび伝達駆動アセンブリはそれぞれ、回転要素または他の種類の駆動要素を含み、それぞれの回転要素は向かい合わせに同軸構成で配設される。反力提示型力覚インタフェースは、第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータの少なくとも一方の一端に配設された反射型エンコーダ、および／または第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータの少なくとも一方のシャフトに配設されたネジ山付きキャプスタンをさらに含むことができる。
【００１８】
一実施態様において、反力提示型力覚インタフェースは、電気部品を収容するための基部を含む。基部は、力覚インタフェースの使用中に生じる力を少なくとも部分的に、一般には全面的に相殺するために、バラストを含むことができる。一実施態様において、バラストは複数の板を含むことができる。さらに、反力提示型力覚インタフェースは、ＩＥＥＥ１３９４準拠の電気インタフェースを含むことができる。一部の実施態様において、反力提示型力覚インタフェースは外部の非構造筐体（ｎｏｎ−ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｈｏｕｓｉｎｇ）を含む。この筐体は、回転要素の回転軸を通るシャフト上に向かい合って取り付けられる２つの半体を含むことができる。さまざまな実施態様において、反力提示型力覚インタフェースは、少なくとも１つの片持ち回転要素の釣り合いを平衡錘を使わずに保つためのバネを含む。バネは、回転要素の回転軸の周囲に設けられるトーションバネでもよい。
【００１９】
別の局面において、本発明は、少なくとも３つの自由度と、温度センサを必要としない内部温度監視システムとを含む反力提示型力覚インタフェースに関する。一実施態様において、温度監視システムは、これらの自由度の少なくとも１つに動力を供給するアクチュエータに引き込まれた電流の大きさと時間長とを測定するための回路を含む。さらに、このシステムは、測定された大きさおよび時間長に基づき、インタフェース内部の温度を計算する。一実施態様においては、計算された温度が温度閾値を超える場合、このシステムはインタフェースの少なくとも一部分を無効にする。
【００２０】
別の局面において、本発明は、反力提示型力覚インタフェースの内部温度を監視する方法に関する。この方法は、インタフェース内部のアクチュエータに引き込まれた電流の大きさを測定するステップと、電流が引き込まれた時間の長さを測定するステップと、大きさと時間長の測定値に基づき温度を計算するステップとを含む。一実施態様において、本方法は、計算された温度が温度閾値を超える場合、インタフェースの少なくとも一部分を無効にするステップをさらに含む。
【００２１】
上記および他の目的、ならびに本願明細書に開示された本発明の利点および特徴は、以下の説明、添付図面、および特許請求の範囲を参照することによって明らかになるであろう。さらに、本願明細書に記載のさまざまな実施態様の特徴は相互に排他的ではなく、さまざまな組み合わせおよび順序で存在しうることを理解されたい。
（項目１）
少なくとも３つの自由度とユーザインタフェースとを含む反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースが、
先端部と、
複数の代替ユーザ接続部に対応可能な前記先端部に取り外し可能に結合されたユーザ接続部とを備える、力覚インタフェース。
（項目２）
項目１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザ接続部が、スタイラスと、ピストルグリップと、ローラボールと、マウスと、ジョイスティックと、ステアリング装置とから構成される群から選択される、力覚インタフェース。
（項目３）
項目１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザ接続部がジャック・チャック構成によって先端部に結合される、力覚インタフェース。
（項目４）
項目１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、荷重閾値より大きい荷重が加わると、前記ユーザ接続部が前記先端部から切り離される、力覚インタフェース。
（項目５）
項目１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースが第１のユーザ入力部をさらに備える、力覚インタフェース。
（項目６）
項目５に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースが、第２のユーザ入力部をさらに備える、力覚インタフェース。
（項目７）
項目６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第１のユーザ入力部および前記第２のユーザ入力部の少なくとも一方がユーザによるカスタマイズが可能である、力覚インタフェース。
（項目８）
項目６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第１のユーザ入力部および前記第２のユーザ入力部の少なくとも一方がスイッチを備える、力覚インタフェース。
（項目９）
項目６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第１のユーザ入力部および前記第２のユーザ入力部の少なくとも一方が前記ユーザインタフェースの機能を変更する、力覚インタフェース。
（項目１０）
項目９に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースがフォースフィードバック装置およびコンピュータマウスとして機能するように構成されている、力覚インタフェース。
（項目１１）
項目１０に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースがデジタイザとして機能するように構成されている、力覚インタフェース。
（項目１２）
項目１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースが筐体を備え、前記筐体が固締具を必要とせずに相互に噛み合う複数の構成要素を含む、力覚インタフェース。
（項目１３）
項目１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記先端部に結合されたヨークアセンブリをさらに含む、力覚インタフェース。
（項目１４）
項目１３に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ヨークアセンブリが前記先端部から延在する一対の突出部を捕えるように構成されている２つのヒンジ止め半体を備える、力覚インタフェース。
（項目１５）
項目１４に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、各突出部が軸受けに嵌るように構成されており、前記突出部の少なくとも１つが前記ヨークアセンブリに対するユーザインタフェースの相対位置を表す信号を出力するためのセンサに嵌るように構成されている、力覚インタフェース。
（項目１６）
項目１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースが前記先端部に対する前記ユーザ接続部の相対位置を表す信号を出力するためのセンサを含む、力覚インタフェース。
（項目１７）
項目１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースがドッキングステーションを備える、力覚インタフェース。
（項目１８）
項目１７に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ドッキングステーションが、前記ユーザインタフェースおよび前記力覚インタフェースの筐体の一方に設けられた突出部と、前記ユーザインタフェースおよび前記筐体の他方に形成された嵌合凹部とを備える、力覚インタフェース。
（項目１９）
項目１８に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ドッキングステーションが、前記突出部が前記凹部に嵌まったことを通知するためのセンサをさらに備える、力覚インタフェース。
（項目２０）
反力提示型力覚インタフェースであって、
少なくとも３つの自由度と、
第１の機能と第２の機能とをサポートするように構成されている多用途ユーザインタフェースと、
を備える、力覚インタフェース。
（項目２１）
項目２０に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースが第３の機能をさらにサポートするように構成されている、力覚インタフェース。
（項目２２）
項目２０に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第１の機能がフォースフィードバック装置を備える、力覚インタフェース。
（項目２３）
項目２０に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第２の機能がコンピュータマウスを備える、力覚インタフェース。
（項目２４）
項目２１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第３の機能がデジタイザを備える、力覚インタフェース。
（項目２５）
項目２０に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記ユーザインタフェースが前記第１の機能と前記第２の機能との間で切り替え可能な、力覚インタフェース。
（項目２６）
項目２１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第３の機能が前記第１の機能および前記第２の機能とは独立に有効化される、力覚インタフェース。
（項目２７）
筐体とユーザインタフェースとを含む反力提示型力覚インタフェースのためのドッキングステーションであって、
嵌合構造と、
前記嵌合構造に近接して配設されたスイッチと、
を備える、ドッキングステーション。
（項目２８）
項目２７に記載のドッキングステーションであって、前記嵌合構造が前記筐体に形成された受け口を備える、ドッキングステーション。
（項目２９）
項目２８に記載のドッキングステーションであって、前記ユーザインタフェースの少なくとも一部を前記受け口に挿入することによって、前記スイッチを作動できる、ドッキングステーション。
（項目３０）
項目２９に記載のドッキングステーションであって、前記スイッチが作動されると、前記力覚インタフェースがホームポジションに設定される、ドッキングステーション。
（項目３１）
項目２７に記載のドッキングステーションであって、前記ユーザインタフェースを前記ドッキングステーションに保持するための保持子をさらに備える、ドッキングステーション。
（項目３２）
項目３１に記載のドッキングステーションであって、前記保持子が、
前記ユーザインタフェースおよび前記ドッキングステーションの一方に設けられたバネ付き突出部と、
前記ユーザインタフェースおよび前記ドッキングステーションの他方に設けられた、前記突出部を収容するための嵌合凹部とを備える、ドッキングステーション。
（項目３３）
項目２７に記載のドッキングステーションであって、インジケータをさらに備える、ドッキングステーション。
（項目３４）
項目３３に記載のドッキングステーションであって、前記インジケータが視覚インジケータである、ドッキングステーション。
（項目３５）
項目３３に記載のドッキングステーションであって、前記インジケータが障害条件および状態の少なくとも一方を通知する、ドッキングステーション。
（項目３６）
少なくとも３つの自由度を含む反力提示型力覚インタフェースであって、前記力覚インタフェースは、
第１の回転要素を駆動するための第１のアクチュエータを備える直接駆動アセンブリと、
第２の回転要素を駆動するための第２のアクチュエータを備える同軸伝達駆動アセンブリとを備え、
前記直接駆動アセンブリと前記伝達駆動アセンブリとが第１の回転要素および第２の回転要素の少なくとも一方の両側に配設される、力覚インタフェース。
（項目３７）
項目３６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記直接駆動アセンブリおよび前記伝達駆動アセンブリがそれぞれ回転要素を備え、それぞれの回転要素が向かい合わせに同軸構成で配設されている、力覚インタフェース。
（項目３８）
項目３６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第１のアクチュエータおよび前記第２のアクチュエータの少なくとも一方の一端に配設された反射型エンコーダをさらに備える、力覚インタフェース。
（項目３９）
項目３６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記第１のアクチュエータおよび前記第２のアクチュエータの少なくとも一方のシャフトに配設されたネジ山付きキャプスタンをさらに備える、力覚インタフェース。
（項目４０）
項目３６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、電気部品を収容するための基部をさらに備える、力覚インタフェース。
（項目４１）
項目４０に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、力覚インタフェースの使用中に発生する力を少なくとも部分的に相殺するために、前記基部がバラストを備える、力覚インタフェース。
（項目４２）
項目４１に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記バラストが複数の板を含む、力覚インタフェース。
（項目４３）
項目３６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、ＩＥＥＥ１３９４準拠の電気インタフェースをさらに備える、力覚インタフェース。
（項目４４）
項目３６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、外部の非構造筐体をさらに備える、力覚インタフェース。
（項目４５）
項目４４に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記筐体が回転要素の回転軸を通るシャフト上に向かい合わせに取り付けられた２つの半体を備える、力覚インタフェース。
（項目４６）
項目３６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、平衡錘を必要とせずに少なくとも１つの片持ち回転要素を釣り合わせる手段をさらに備える、力覚インタフェース。
（項目４７）
項目４６に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記釣り合わせ手段が前記回転要素の回転軸の周りに配設されたトーションバネを含む、力覚インタフェース。
（項目４８）
少なくとも３つの自由度と、温度センサを必要としない内部温度監視システムとを備える、力覚インタフェース。
（項目４９）
項目４８に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記温度監視システムが、前記自由度のうちの少なくとも１つに動力を供給するアクチュエータに引き込まれた電流の大きさと継続時間とを測定する手段を備える、力覚インタフェース。
（項目５０）
項目４９に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記測定された継続時間と大きさとに基づき、前記システムが前記インタフェース内部の温度を計算する、力覚インタフェース。
（項目５１）
項目５０に記載の反力提示型力覚インタフェースであって、前記計算された温度が温度閾値を超える場合、前記システムが前記インタフェースの少なくとも一部を無効にする、力覚インタフェース。
（項目５２）
反力提示型力覚インタフェースの内部温度を監視する方法であって、
前記インタフェース内のアクチュエータに引き込まれた電流の大きさを測定するステップと、
前記電流が引き込まれた継続時間を測定するステップと、
前記大きさおよび継続時間の測定値に基づき、温度を計算するステップと、
を包含する、方法。
（項目５３）
項目５２に記載の方法であって、前記計算された温度が温度閾値を超えた場合、前記インタフェースの少なくとも一部を無効にするステップをさらに包含する、方法。
【００２２】
以下の図面においては、複数の異なる図面を通じて同じ部品は同様の参照符号で示す。これらの図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、全体として本発明の原理を示すことに重点を置いている。以下の説明においては、以下の図面を参照しながら本発明のさまざまな実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施形態による反力提示型力覚インタフェースの側面の模式的斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの反力提示型力覚インタフェースの背面の模式的斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、外部筐体構成要素を取り外した、図１Ａの反力提示型力覚インタフェースの背面の模式的斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースのユーザインタフェースの一実施形態の模式的斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａのユーザインタフェースのユーザ接続端の模式的部分断面斜視図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａのユーザインタフェースの先端部の模式的部分断面斜視図および分解斜視図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ａのユーザインタフェースの先端部の模式的部分断面斜視図および分解斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースのヨークアームアセンブリの模式的斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａのヨークアームアセンブリのヒンジ止めヨークの模式的斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａのヨークアームアセンブリの一部および先端部の模式的部分断面斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態による力覚インタフェース用のドッキングステーションおよびユーザインタフェースの一実施形態の一部を分解した模式的斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａのドッキングステーションの模式的正面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａのドッキングステーションおよびユーザインタフェースの模式的側面断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による力覚インタフェースで使用される内部駆動システムの一実施形態の背面の模式的斜視図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースの第３の関節に動力を供給する伝達駆動部の一実施形態の模式的斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースの第３の関節を駆動するために用いられる自動ケーブル張力付与装置の概略図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による力覚インタフェースで使用されるアクチュエータアセンブリの一実施形態の模式的側面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースに有用な自動ケーブル張力付与装置の模式図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の一実施形態によるケーブル駆動部で使用されるアクチュエータキャプスタンの模式的側面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースの第１の関節を駆動するために用いられる自動ケーブル張力付与装置の模式的平面図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による力覚インタフェースの第２の関節を駆動するために用いられる自動ケーブル張力付与装置の模式的平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態による力覚インタフェースの第３の関節の伝達駆動要素を駆動するために用いられる自動ケーブル張力付与装置の模式的平面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースの力および内部温度を制御および監視するためのアルゴリズムのフローチャートである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースの力および内部温度を制御および監視するためのアルゴリズムのフローチャートである。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の一実施形態による力覚インタフェースの力および内部温度を制御および監視するためのアルゴリズムのフローチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態による力覚インタフェースに有用なＩＥＥＥ１３９４準拠のインタフェース基板の模式図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態による力覚インタフェースで使用されるリストレストの模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（詳細な説明）
図１Ａは、本発明の一実施形態による６自由度の反力提示型力覚インタフェース１０の模式的斜視図である。本発明のさまざまな特徴および機能は、さまざまな構成、さまざまな運動学、および自由度の数がこれより多いかまたは少ないインタフェースで有効に利用することができる。インタフェース１０は、基準大地を規定する基部１２と、６つのジョイントすなわち関節と、６つの構造要素とを含む。ほぼ鉛直な向きの回転軸「Ａ」を有する第１の関節１６を規定するために、第１の動力牽引式回転要素１４が基部１２によって支持されている。第１の軸Ａに対してほぼ直角な向きの回転軸「Ｂ」を有する第２の関節２０（図５）を規定するために、第２の動力牽引式回転要素１８（図５）が第１の動力牽引式回転要素１４に取り付けられている。第２の軸Ｂにほぼ平行な回転軸「Ｃ」を有する第３の関節２６を規定するために、第３の動力牽引式回転要素２２が半径方向略外方に配設された第２の要素１８の片持ち延長部２４（腿の形態）に取り付けられている。第３の軸Ｃにほぼ直角な回転軸「Ｄ」を有する第４の関節３２を規定するために、第４の自由回転要素２８が、半径方向略外方に配設された第３の要素２２の延長部３０（脛の形態）に取り付けられている。第４の軸Ｄにほぼ直角な回転軸「Ｅ」を有する第５の関節３８を規定するために、鼻端の形態の第５の自由回転要素３４が、半径方向略外方に配設された第４の要素２８の延長部３６（ヨークの形態）に取り付けられている。第５の軸Ｅにほぼ直角な回転軸「Ｆ」を有する第６の関節４４を規定するために、ユーザが握るように構成されたスタイラスの形態の第６の自由回転ユーザ接続要素４０が、半径方向略外方に配設された第５の要素３４の延長部４２に取り付けられている。使用時以外は、先端部３４は力覚インタフェース１０の基部１２に位置するドッキングステーション４６の内部に都合よく固定される。略球状の上部筐体５６は、内部構成要素を封入し、これらの構成要素を破損および汚染から保護する。使用する軸が６つより多いか少ないインタフェースも考えられており、本力覚インタフェースのどの実施形態においても、これらの軸のどれでも動力が供給される（すなわちモータアセンブリによって制御される）軸または自由な軸にしうる。
【００２５】
図１Ｂは、図１Ａの反力提示型力覚インタフェース１０の背面の模式的斜視図である。力覚インタフェース１０は、筐体１２内に形成された接続ポートを少なくとも２つ有する。ＲＦ遮蔽、寄生の抑制、およびＲＦデカップリングのために、電気接続部にフェライトビーズ５４を使用する。制御回路と、センサと、アクチュエータと、表示要素とを含む内部構成要素を作動させるために、電力接続部５０は電力をインタフェース１０に供給する。本発明による反力提示型力覚インタフェース１０の一実施形態においては、インタフェース１０はまた、アップル・コンピュータ社（Ａｐｐｌｅ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、Ｉｎｃ．）が販売しているＦＩＲＥＷＩＲＥ（登録商標）ブランドなどのＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）１３９４ポート接続部５２ａ、５２ｂを少なくとも２つ含む。具体的には、インタフェース１０は、ＰＨＹインタフェース接続部（物理インタフェース、ＣＲＣチェック、パススルー動作、および速度交渉を管理）とリンクコントローラ接続部（データの書式化、およびアイソクロナス転送の管理）とを有し、２チャネルインタフェースを作成する。ＩＥＥＥ１３９４接続は、従来の周辺接続方法に勝る多くの利点を提供する。たとえば、ＩＥＥＥ１３９４接続のデータ転送速度は、従来のパラレルまたはシリアル接続よりはるかに速く、より高速なユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）接続より速い。図１Ｂに示すデュアル接続の実施形態では、力覚インタフェース１０を１００、２００、および４００Ｍｂｓのバス速度で動作させることができるので、リアルタイムでの高レベルのデータ転送に有用である。このような速度が可能になるのは、これらの接続では、他の動作に関係なくデータ転送を行える専用のタイムスロットが用意されるからである。また、ＩＥＥＥ１３９４接続は、周辺装置の存在を自動的に認識するので、インストール用ソフトウェアを別途必要としない。
【００２６】
図１Ｃは、外部筐体を取り除いた力覚インタフェース１０の背面の模式的斜視図を示す。この実施形態における基部１２は、基部１２内にほぼ鉛直に配置され、相互にほぼ平行な一対のコンピュータ基板５８ａ、５８ｂなどの制御回路を収容する大きさである。この実施形態においては、電源基板５８ａは力覚インタフェース１０への給電を全般的に制御し、ＩＥＥＥ１３９４インタフェース基板５８ｂは力のフィードバック、検知などの複雑な機能を制御する。さらに基部には、第１の動力牽引式回転要素１４のためのモータアセンブリ４０１と、力覚インタフェース１０の使用中に生じる力を少なくとも部分的に相殺するためのバラスト用の何枚かの鋼板５９とが収容される。インタフェース１０の下面に設けれらたゴム引き足または吸盤足は、平滑面上でのインタフェース１０の安定化と滑動防止とに役立つ。基部１２内の少なくとも１つの止め子は、回転要素１４の過度の回転を防止する。
【００２７】
図２Ａは、力覚インタフェース１０のユーザインタフェース６０を示す。一実施形態においては、ユーザインタフェース６０は、先端部３４と、スタイラス４０などのユーザ接続部とから成る。特定の一実施形態においては、先端部３４およびスタイラス４０の両筐体は、アセンブリおよび構成要素の構成を容易にするために分割構造であるが、先端部３４および／またはスタイラス４０のどちらか一方の筐体を単一部品にすることも考えられている。
【００２８】
図２Ａに示す実施形態においては、スタイラス筐体６２の２つの部片は取り外し可能である。あるいは、スタイラス４０の筐体６２全体を分割して完全に取り外せるようにしてもよい。一実施形態においては、より短時間で組み立てられるように、筐体６２は４つの主部片から成る。筐体６２の取り外し可能な部品は、圧縮リング６４で固定しても、嵌り合うようにしても、または他の接合手段を用いてもよい。スタイラス４０の後方部分は人間工学的に設計され、連結シャフト９０（図２Ｃ）の端にスリーブのように嵌る。この実施形態においては２つのユーザ入力部６６ａ、６６ｂがボタンとして示されているが、スイッチ、トグル、ローラ、または他の装置を使用してもよい。第１の入力部６６ａおよび第２の入力部６６ｂによって、ユーザはスタイラス４０およびインタフェース１０の各種の機能を制御できる。一実施形態においては、第１の入力部６６ａがインタフェース１０のフォースフィードバック機能のオン／オフを切り替える標準的なトグルスイッチとして機能する一方で、第２の入力部６６ｂにはシステムの他の特徴が組み込まれるが、入力部６６ａ、６６ｂのどちらか一方または両方をユーザがカスタマイズできるようにしてもよく、あるいはどちらもユーザがカスタマイズできないようにしてもよい。一実施形態においては、たとえば、第２の入力部６６ｂを押すことによって、ユーザインタフェース６０およびインタフェース１０をフォースフィードバックのないコンピュータマウスと同様に動作させることができる。第２の入力部６６ｂの特徴の他の代案として、一時停止（ＰＡＵＳＥ）またはスリープ（ＳＬＥＥＰ）の制御、フォースフィードバックの切り替え、デジタイザの制御、空間位置のリセット、あるいはユーザが所望する他のオプションまたは特定の用途に必要な他の何れかのオプションが挙げられるが、これだけに限定されるものではない。さらに、力覚インタフェースの２つの異なる機能を切り替えるためにどちらか一方のボタンを使用してもよい。
【００２９】
先端部の筐体６８とスタイラスの筐体６２とは、圧縮リング６４の位置またはその近くで接する。一実施形態においては（図２Ａに示すように）先端部筐体６８は２つの部片に分離可能である。先端部筐体６８を組み立てると、相手方ヨーク３６の軸受け１２０に係合する突出部７０が少なくとも２つ形成される。これらの突出部７０の少なくとも一方の端またはその近くに、ヨーク３６（図３Ｂ）内のポテンシオメータ１３０を駆動するポテンシオメータブレード７２がある。先端部筐体６８の外面には、力覚インタフェース１０の基部１２のドッキングステーション４６の内部にあるバネ付き突出部１５４（図４Ａ）に係合する凹部７４を少なくとも１つ設けることができる。凹部７４は、楕円形、三角形、弓形、またはバネ付き突出部１５４との適正な係合を可能にする他の何れの形状でもよい。成形加工されたポイント７６が先端部３４の先細の端部またはその近くから突出する。入力部６６ａ、６６ｂを使用して力覚インタフェース１０をデジタイザとして用いる場合、一実施形態においては、物理モデルの周囲を正確にたどるため、または描画して付随データをコンピュータメモリに記録するためにポイント７６を使用しうる。この目的のためにプラスチック製筐体６８の先細の端部自体を使用してもよいが、硬化金属製ポイントを使用すればより磨耗しにくい。一代替実施形態においては、ポイント７６をデジタイザとして使用する場合は、手動またはバネ付きスイッチ、光学技術、または当該技術分野で公知の他の何れかの技術を成形ポイント７６に採用しうる。
【００３０】
次に図２Ｂにおいて、筐体６２の一部を取り外したスタイラス４０が示されている。スタイラス４０の内部において、ユーザインタフェース６０の２つの半体の接続要素としてスナップ式接続部８０が使われる。この実施形態においては、Ｏリング８２付きの４枚爪スナップ式円筒チャックが用いられているが、先端部３４の連結シャフト９０のコネクタ９６に適正に接合されるスナップ式接続部であればどのようなものでも使用しうる。Ｏリング８２によって爪が押し縮められた状態で保持されるので、コネクタがそこに捕えられる。スタイラス４０に使用されるスナップ式接続部８０は、少なくともいくつかの目的に役立つ。第１に、スナップ式接続部８０は、さまざまな用途に合わせてさまざまなユーザ接続要素の簡単な交換を可能にする。図に示されているスタイラス４０の代わりに、ピストルグリップ、ボール、マウス、ジョイスティック、スティアリングホイール、または他の接続部を使用しうる。このような構成は、ユーザインタフェース６０が万一損傷した場合でも、ユーザインタフェース６０の容易な修理または交換を可能にする。第２に、スタイラス４０が強引に引っ張られた場合でも、スナップ式接続部８０の解除特性によって力覚インタフェース１０の損傷が防止される。通常、使用中のスタイラス４０に一般に加わる力の最大範囲は、約４分の３ポンドである。使用時の力の約５倍の離脱力によって、力覚インタフェース１０の損傷が防止される。さらに、スナップ式接続部８０の採用によって、追加のネジまたは他の固締具を使わずに、ユーザインタフェース６０の構造の完全性が維持される。圧縮リング６４の位置またはその近くに、連結シャフト９０（図２Ｃ）のガイド９８が嵌まる寸法の溝８４が設けられている。溝８４は、筐体６２の一部の内側に形成することも、筐体６２の２つの分離可能部分が接合される間隙に形成することもできる。
【００３１】
図２Ｃおよび２Ｄにおいて、筐体６８の一部分が取り外されたインタフェース６０の先端部３４が示されている。さらに、図２Ｄには、ユーザインタフェース６０の先端部３４が部分的に分解された状態で示されている。筐体６８の内部において、軸受け座すなわちレスト８６は、少なくとも一組の軸受け８８の位置を規定する。一実施形態においては、連結シャフト９０を複数の軸受け８８で支持することによって、ユーザインタフェース６０内の望ましくない遊びをなくす。連結シャフト９０の過剰回転を防止するために、筐体６８内に配置された第１の止め子９２が連結シャフト９０上の第２の止め子９４に係合する。第１の止め子９２はまた、先端部３４内での軸受け８８の軸方向の移動を防止することによって、連結シャフト９０および先端部３４の損傷を防止しうる。
【００３２】
連結シャフト９０の一部は、先端部筐体６８内に収容される。シャフト９０の末端は円錐形のコネクタ９６になっており、先端部３４とスタイラス４０との間の接合要素として機能する。一実施形態においては、オーディオジャックに似た円錐形のコネクタが使われるが、スタイラス４０内のスナップ式接続部８０に機械的に噛み合うものであれば、ダイヤモンド形、先細の円柱、および他の非円錐形状も使用しうる。連結シャフト９０から半径方向外側に、スタイラス４０の溝８４に嵌る寸法のガイド９８が延在する。連結シャフト９０は、筐体６８内部でのシャフト９０の低摩擦回転を可能にする少なくとも一組の軸受け８８によって支持される。ボール、ニードル、ローラ、または他の種類の軸受けを使用してもよい。ポテンシオメータ保持子１００は、ポテンシオメータ１０４を固定するだけでなく、軸受け８８を固定することによってシャフト９０の非回転運動を防止する。通常、力覚インタフェース１０には、ＣＴＳ社（ＣＴＳ  Ｃｏｒｐ．）製の２５１シリーズと同様、中心に浮動円板を用いる型のポテンシオメータが用いられるが、位置を表す信号を出力する他のセンサを使用してもよい。筐体６８内の位置において、ポテンシオメータのブレード１０２は、連結シャフト９０にその末端またはその近くにおいて接合される。ポテンシオメータ１０４から複数のワイヤ（不図示）が出ており、これらのワイヤは先端部３４、ヨーク３６、脛３０、および腿２４の内部を通って引き回され、力覚インタフェース１０の基部１２内にあるコンピュータ基板に達する。最後に、筐体６８の先細の端部の内部には、デジタイズ用ポイント７６が固定されている。
【００３３】
ユーザがスタイラス４０を握って回転させると、回転力が溝８４を介してガイド９８に導かれる。ガイド９８は連結シャフト９０の一部であるので、シャフトはＦ軸を中心に回転する。連結シャフト９０のこの動きによってポテンシオメータのブレード１０２が回転するので、ポテンシオメータ１０４が駆動される。次に、電子出力信号がワイヤを逆方向に力覚インタフェース１０のコンピュータ基板に導かれる。
【００３４】
図３Ａは、力覚インタフェース１０のヨークアームアセンブリ１１０を示す。一実施形態においては、ヨークアーム１１０は、２つの主要部品、すなわち脛３０とヨーク３６とから成る。脛３０とヨーク３６とは、ヨークアーム１１０の中間点またはその近くで接合される。この接続点において、筐体１１４に一体化された脛バンド１１６は、止め子１２４（図３Ｂ）に係合する止め子（不図示）を含む。脛３０のもう一方の端部（接続点１１６の反対側）は、力覚インタフェース１０の腿２４に回転可能に接続され、ヨーク３６の反対側の端部は、ユーザインタフェース６０の先端部３４に回転可能に接続される。一実施形態においては、アセンブリおよび構成要素の構成を容易にするために、脛３０およびヨーク３６はどちらも分割構造になっている。たとえば、分割設計では、構成部品によって軸受け１２０が常時陽圧で圧締され、使用中に遊びまたは緩みがないように構成部品を設計することができる。バックラッシュを基本的にゼロにすることによって、極めて高いシステム分解能および応答能を達成することができる。
【００３５】
図３Ｂは、ヨークアームアセンブリ１１０のヨーク３６を示す。図に示すように、ヨーク３６の枝部は２つのヒンジピン１１８によって接合されるので、ネジまたは他の固締具を使わずに筐体１１４を容易に組み立てることができる。代替の一実施形態においては、ヒンジピン１１８の代わりに、可撓性のモールド継ぎ手を使用しうる。分割筐体１１４の使用によって、軸受け１２０を常時陽圧で圧締できるので、装置内の遊びおよびバックラッシュがなくなる。この実施形態においては、形持ち連結部の代わりにヨーク３６を使用することによって、他の機械的補強部を使用せずに、ユーザが感じる装置内の緩みおよび遊びをなくしている。ヨーク３６の各枝部は、先端部３４の突出部７０に接合される軸受け１２０を少なくとも１つ収容する。軸受け１２０は、ヨーク３６の各枝部内での突出部７０の低摩擦の回転運動を可能にする。ヨーク３６は、脛バンド１１６の位置またはその近くで、ヨークシャフト１２２に接合される。ヨークシャフト１２２から半径方向外側に延在する第１の止め子１２４は、脛バンド１１６の内周部にある対応する第２の止め子に接触することによってヨークシャフト１２２の過剰回転を防止するように設計されている。ヨークシャフト１２２の末端は、ヨークアームアセンブリ１１０の脛３０の内部に収容されたポテンシオメータ１３６を駆動するブレード１２６に接合される。ヨークシャフト１２２の軸方向の移動を防止するために、溝１２３は保持リングを受け入れる寸法になっている。
【００３６】
次に図３Ｃにおいて、ヨークアームアセンブリ１１０が脛３０およびヨーク３６のそれぞれの筐体１１４、１１２の一部を取り外して示されている。ヨーク３６の少なくとも一方の枝部は、ポテンシオメータ保持子１２８とポテンシオメータ１３０とを収容する。ポテンシオメータ保持子１２８とポテンシオメータ１３０とは、保持子１２８が軸受け１２０とポテンシオメータ１３０との間になるように配置されている。複数のワイヤ（不図示）がポテンシオメータ１３０から出ており、これらのワイヤはヨーク３６、脛３０、および腿２４の内部を通って引き回され、力覚インタフェース１０の基部１２内にあるコンピュータ基板に達する。ヨークシャフト１２２はヨーク３６から脛３０の内部に延在し、少なくとも一組の軸受け１３２によって支持され、筐体１１２の内部でＤ軸を中心に回転する。一実施形態においては、陽圧で圧締された軸受け１２０を複数使用してヨークシャフト１２２を支持することによって、ヨークアームアセンブリ１１０内の望ましくない遊びをなくす。また、保持リング１３３は、ヨークシャフト１２２の軸方向の移動を防止する。ポテンシオメータ保持子１３４は、軸受け１３２を固定することによってヨークシャフト１２２の非回転運動を防止するほか、ポテンシオメータ１３６の移動も防止する。複数のワイヤ（不図示）がポテンシオメータ１３６から出ており、ヨーク３６、脛３０、および腿２４の内部を通って引き回され、力覚インタフェース１０の基部１２内にある主コンピュータ基板に達する。
【００３７】
ユーザがスタイラス４０を操作すると、特定の力が先端部３４に伝達されるので、突出部７０がヨーク３６の軸受け１２０内で回転する。突出部７０のこの動きによって、ポテンシオメータブレード７２がＥ軸を中心に回転するので、ポテンシオメータ１３０が駆動される。次に、電子出力信号がワイヤを逆方向に力覚インタフェース１０のコンピュータ基板に導かれる。同様に、ユーザがスタイラス４０を操作すると、特定の力が先端部３４および突出部７０を経由してヨーク３６に伝達されるので、ヨーク３６が回転する。ヨーク３６はヨークシャフト１２２に接合されているので、シャフト１２２がＤ軸を中心に回転する。ヨークシャフト１２２のこの動きによってポテンシオメータのブレード１２６が回転するので、ポテンシオメータ１３６が駆動される。次に、電子出力信号がワイヤを逆方向に力覚インタフェース１０のコンピュータ基板に導かれる。
【００３８】
図４Ａは、力覚インタフェース１０に使用されるドッキングステーション４６を一部分解した状態で示す。ドッキングステーション４６は、力覚インタフェース１０の基部１２の内部に固定され、インタフェース６０の先端部３４の静止点およびホームポジションとして機能する。ドッキングステーション４６の先細の筒部１５０は、先端部３４を収容するように構成されている。筒部１５０内のバネ付き突出部１５４が先端部３４の凹部７４に嵌ることによって、インタフェース６０がドッキングステーション４６内に保持される。あるいは、磁石または圧縮リングなど、他の種類の保持機構を使用してもよい。また、本発明の他の実施形態では、雄型ドッキングステーション４６を組み込み、ユーザインタフェース６０の先端部３４に雌型接続部を設けてもよい。
【００３９】
次に図４Ｂおよび図４Ｃにおいては、ドッキングステーション４６の筒部１５０を下に向けた模式図と、ドッキングステーション４６の模式的側面断面図とがそれぞれ示されている。先細の筒部１５０内に配設された要素は、先端部３４の休止位置として機能するばかりでなく、力覚インタフェース１０の他の機能にも役立つ。筒部１５０の内周に設けられたスイッチ１５２は、先端部３４の存在を検出してインタフェース１０の位置をホームに修正し直す。したがって、ユーザは、インタフェース１０全体の空間位置を、必要に応じて、ゼロ位置またはユーザ指定のホームポジションにリセットしうる。力覚インタフェース１０の他の実施形態においては、ユーザは、インタフェース６０をドッキングしなくても、ユーザインタフェース６０の入力部を手で押すことによってインタフェース１０の空間位置をリセットできる。一実施形態においては、先細の筒部１５０の基部にＬＥＤ１５６が設けられる。ＬＥＤ１５６は、特性がそれぞれ異なるさまざまな色を発光することによって、さまざまな診断機能および／またはエラーを通知しうる。たとえば、プログラムの完了時に先端部３４をドッキングすることをユーザに思い出させるために、ＬＥＤ１５６を点滅させてもよい。力覚インタフェース１０またはスタイラス４０の診断上の問題を通知するために、赤色のストロボ発光を用いてもよい。また、力覚インタフェース１０が正常に機能していることを、たとえば、緑色光の点灯によって通知してもよい。一実施形態においては、ＬＥＤ１５６は青色ネオン管である。状態の通知またはユーザへのプロンプトに光の色および発光パターンのさまざまな組み合わせの何れかを使用できる。ＬＥＤ１５６を先細の筒部１５０の基部に設ける代わりに、筒部１５０自体を透明なプラスチック材料で構成してもよい。この透明筒部１５０に近接して取り付けられたＬＥＤ１５６に電圧を印加すると、筒部１５０全体が発光するので、ユーザにはより見やすくなり、また視覚的により目立つ。
【００４０】
図５は、力覚インタフェース１０の一実施形態の内部駆動システムの後部の模式的斜視図を示す。ほぼ鉛直の向きの軸線Ａを中心とした第１の関節１６を規定するために、基部１２は第１の動力牽引式回転要素１４を支持する。鉛直の向きの第１のアクチュエータ４０１（図１Ｃ）によって、鉛直の向きの第１のネジ山付きキャプスタン４１３が駆動されると、第１のケーブル４５３（図８Ｃ）が操作される。第１のケーブルは、少なくとも２つの点４５５ａ、４５５ｂ（図８Ｃ）において、水平の向きの第１の動力牽引式回転要素１４に固定されているので、第１の要素１４がＡ軸を中心に回転する。第１のモータアセンブリ４０１およびその動作のより詳細な説明については、図７および図８Ｃと付随テキストとを参照されたい。第１の動力牽引式回転要素１４には、第２の動力牽引式回転要素１８と、第３の動力牽引式回転要素２２の回転伝達駆動要素１６４、およびそれぞれの対応するモータアセンブリ５０１、６０１が取り付けられている。
【００４１】
第２の動力牽引式回転要素１８および回転伝達駆動要素１６４の動作は、どちらも第１の動力牽引式回転要素１４の動作と同様である。第２のモータアセンブリ５０１およびその動作のより詳細な説明については、図７および図９と付随テキストとを参照されたい。図７および図１０は、第３のモータアセンブリ６０１およびその動作をより詳細に説明している。
【００４２】
第２の動力牽引式回転要素１８および回転伝達駆動要素１６４およびそれぞれの対応するモータアセンブリ５０１、６０１の向きによって、極めてコンパクトな構成が可能になり、力覚インタフェース１０の外形寸法を小さくできる。図５に示すように、第２のモータアセンブリ５０１と第３のモータアセンブリ６０１とは、水平方向に相互にほぼ平行に、Ａ軸を中心に釣り合いのとれた構成で取り付けられる。この配置によって、Ｂ軸を中心とした回転力が幾何学的中心Ａの両側に伝わるので、荷重がインタフェース１０の両側にほぼ均等にかかる。一実施形態においては、一方の回転要素からのトルクが、もう一方の要素が載っている中心シャフトを通じて伝達される。同様に、第２の回転要素１８および回転伝達駆動要素１６４は、第１の回転要素１４の両端に取り付けられる。この特定の配置によって、大きな筐体でなくても内部構成要素を封入でき、修理時のアクセスが簡単になる。この釣り合いのとれた配置はまた、モータの総慣性を装置内でより均等に分散するので、片持ち配置とは対照的に、力覚インタフェース１０の安定性が向上する。第２および第３のモータアセンブリ５０１、６０１に平行に、Ｂ軸に沿ってほぼ水平方向に取り付けられる単一のアセンブリシャフト１７２によって、第２の回転要素１８および回転伝達駆動要素１６４が固定されるので、組み立てが容易になる。また、アセンブリロッド１７３は、シャフト１７２を貫通して、球状筐体５６をインタフェース１０に固定する。これによって、筐体５６を貫く複数のネジまたは他の固締具が不要になる。
【００４３】
図５に示す力覚インタフェース１０の特定の実施形態はまた、インタフェース１０のＢ軸上に少なくとも１つのトーションバネ１６０を使用する。使用中、腿２４、脛３０、ヨーク３６、先端部３４、およびスタイラス４０の重量は、ユーザの操作の多くを妨げる傾向がある。当然、重力のために、これらの要素の重量はＢ軸を中心とした回転を引き起こす。力覚インタフェース１０を使用するとき、ユーザはこのような回転を遅滞または抵抗として感じる。各延長要素の重量に起因するこれらの力に打ち勝つために、以前の力覚インタフェースは、これらの回転要素にそれぞれ大きな平衡錘を取り付けていた。ただし、これらの大きな錘は、力覚インタフェースのサイズおよび重量を増加させる。本発明の力覚インタフェース１０は、回転要素１８にかかる力を相殺するために、トーションバネ１６０のみを使用し、どのような平衡錘も必要としない。
【００４４】
図６Ａは、力覚インタフェース１０に使用しうる伝達駆動部１６２の一実施形態を示す。回転伝達駆動要素１６４はＢ軸を中心に回転するが、回転伝達駆動要素１６４は、第２の要素１８の半径方向外方に配設された延長部２４上にあって軸Ｃを有する第３の関節２６を規定する。回転伝達駆動要素１６４のキャプスタン６１３の回転に伴い、要素１６４は、第２の軸Ｂに心合わせされている伝達駆動軸１６６を回転させ、回転運動を第２の要素１８の半径方向延長部２４に沿って配設された第１および第２の伝達駆動ロッド１６８ａ、１６８ｂの直線運動に変換する。第１および第２の駆動ロッド１６８ａ、１６８ｂは、第３の回転要素２２の隆起した接地タブ１６５に引っ掛けられた編組鋼ケーブルのループ端に終端する。
【００４５】
したがって、第２の伝達駆動ロッド１６８ｂは、ケーブルのループ端を介して伝達駆動軸１６６および第３の回転要素２２のそれぞれに直接接地される。一方、第１の駆動ロッド１６８ａは、ケーブルのループ端を介して第３の回転要素２２の隆起した接地タブ１６７に直接接地され、クラッチポスト７５７（図６Ｂ）およびバネ７５９を介して単一ケーブルによって伝達駆動軸に間接的に接地される。駆動ロッド１６８ａ、１６８ｂによって、ケーブル長が最短化されるので、伝達駆動部１６２の剛性が向上する。これらのケーブルは接地点においてのみ使用され、第１の駆動ロッド１６８ａのケーブル７５３の一端は、図８Ａに示す自動ケーブル張力付与装置７５１を介して引き回されるので、第３の軸駆動部におけるバックラッシュがほぼなくなる。
【００４６】
図６Ｂにおいて、力覚インタフェース１０の伝達駆動部１６２には、図８Ａに関して後述するケーブル張力付与装置３５１の一実施形態が採用されており、ここではその全体がケーブル張力付与装置７５１として定義されている。円形の伝達駆動軸１６６が示されている。ケーブル７５３（第１の駆動ロッド１６８ａの末端からのケーブル）は、第１の接地位置７５５ａにおいてシャフト１６６に固定され、シャフト１６６を時計回りに囲んでいる。ケーブル７５３はクラッチポスト７５７に巻き付き、その後、バネ７５９に取り付けられて張力が付与される。バネ７５９は、接地点７５５ｂにおいて、シャフト１６６の半径方向延長部１７０に接地される。シャフト１６６の可動域全体にわたって適正な位置および向きでのケーブル７５３の引き回しおよび保持を容易にするために、タブ、スロット、および他の案内用の形状構成をシャフト１６６に設けてもよい。自動ケーブル張力付与装置７５１によって達成される張力によっても、さらなる頑丈さと剛性とが駆動システムに与えられる。
【００４７】
図７は、力覚インタフェース１０の一実施形態で使用される一般的なアクチュエータアセンブリ３０１の模式図を示す。駆動された軸Ａ〜Ｃの位置を追跡するために、各アクチュエータ３０３はその基部にエンコーダ基板３０５を有する。基板３０５の上または内部にエミッタ／ディテクタ光学エンコーダチップ３０７が固定されている。アクチュエータシャフト３１１ａの回転を追跡するために、反射型エンコーダディスク３０９がキャプスタン３１３から遠いアクチュエータ３０３の端から延在するアクチュエータシャフト延長部３１１ｂに取り付けられている。非反射ディスクはディスク３０９の縁にまたがるエミッタ／ディテクタ対を必要とするので、一般的な非反射ディスクの代わりに反射型エンコーダディスク３０９を組み込むことによって、アクチュエータアセンブリ３０１の総体積が減る。
【００４８】
力覚インタフェース１０の一実施形態においては、エミッタ／ディテクタ３０７は、アクチュエータ３０３の端に取り付けられる単一のユニットであり、パルスを反射型エンコーダディスク３０９に導き、反射型エンコーダディスク３０９からのパルスを受信する。アクチュエータ３０３がディスク３０９を回転させるか、またはユーザによる操作装置１０の操作によってディスク３０９が回転すると、エミッタ／ディテクタ３０７はパルスを出力する。このパルスがディスク３０９によって反射されるので、関節の角度方位を判定することができる。力覚インタフェース１０には、このようなアクチュエータアセンブリ３０１が３つ用いられ、駆動される関節１６、２０、２６にそれぞれ対応付けられている。ただし、駆動される軸の数に応じて、使用するアクチュエータアセンブリの数を増やしても減らしてもよい。
【００４９】
アクチュエータアセンブリ３０１には、市場で容易に入手可能な部品が使用される。一実施形態においては、アクチュエータ３０３はＤＣモータである。通常、アジレント・テクノロジー社（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）製の８０００シリーズに似た反射型エンコーダディスクが使用される。キャプスタン３１３および反射型エンコーダディスク３０９をアクチュエータシャフト３１１ａおよび延長部３１１ｂに固定するには、機械的接続、または熱膨張・冷却を使用する圧入接続などさまざまな手段を用いてもよい。ただし、本発明の特定の一実施形態においては、アセンブリ３０１の外形寸法を小さくするために、ヘンケル・コンシューマ・アドヒーシブス社（Ｈｅｎｋｅｌ  Ｃｏｎｓｕｍｅｒ  Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ，Ｉｎｃ．）製のＬｏｃｔｉｔｅ（登録商標）という名前で販売されている接着剤などの強力接着剤を用いてキャプスタン３１３およびディスク３０９を固定する。
【００５０】
回転軸Ａ〜Ｃを駆動するために、機械的連結装置、歯車、または他の力伝達部品を使用する代わりに、インタフェース１０はキャプスタンと対応するケーブルとを備えた３つの専用アクチュエータ（上記）を使用する。ケーブル駆動装置は、低重量で良好な力伝達特性をもたらすが、特に高精度、高分解能の力覚インタフェースにおいてはバックラッシュが問題となりうる。インタフェース１０に採用されているような機械的な回転伝達部におけるバックラッシュまたは遊びは、回転方向が逆になったときに最も明らかである。バックラッシュを減らす１つの方法は、大地に対するケーブルの一端または両端の相対的位置を調整してケーブルのたるみを減らすことができる手動調整用の形状構成を設けることである。さらに、キャプスタンの回転に伴い、ケーブルとアクチュエータキャプスタンとの間に生じる滑りが最小になるように、ケーブルに予め荷重をかけて張力を付与することができる。ただし、経時的にケーブルが伸び、機構の構成要素が磨耗すると、ケーブルの張力が減るので、滑りを防止するために定期的に調整する必要がある。また、ケーブルの張力は測定し難く、過度の張力をかけると構造要素が変形し、関節の軸受けの早期磨耗が加速される。
【００５１】
図８Ａは、公知のケーブル駆動部の限界の多くを克服し、力覚インタフェース１０の動力付きの軸に有用な自動ケーブル張力付与装置３５１の模式図である。張力付与装置３５１は、ケーブル３５３に自動的に荷重をかけて所定の張力にし、ケーブルの伸びや構成要素の磨耗が発生しても、その張力レベルを長期間にわたって維持する。張力付与装置３５１は、ケーブル３５３を含む。ケーブル３５３の近端および遠端は直接または間接的に、全体が３５５ａ、３５５ｂで示されている大地面に固定されている。このケーブル経路に沿って非回転クラッチポスト３５７が設けられ、これも大地に固定されている。クラッチポスト３５７と大地３５５ｂとの間に、ケーブル経路に沿ってバネ３５９が配設されている。最後に、クラッチポスト３５７と大地３５５ａとの間、バネ３５９の反対側に、ケーブル経路に沿ってアクチュエータキャプスタン３１３が設けられている。図８Ａに示すように、ケーブル３５３は大地３５５ａから延在し、アクチュエータキャプスタン３１３およびクラッチポスト３５７の両方をそれぞれ少なくとも一周し、大地３５５ｂに接続されているバネ３５９に接続されて張力が加えられる。
【００５２】
クラッチポスト３５７などの非回転ポストを使用してケーブルに加わる張力を増幅または倍増することによって、ポスト３５７の下流のケーブル３５３に加わる張力に抵抗することも、この張力を相殺することもできる。当業者には公知のように、この増幅率は、ポストの直径、ポストに巻き付くケーブルの巻き付き角度、およびケーブルとポストとの間の摩擦係数に応じて決まる。したがって、一定のバネ張力においては、巻き付き角度および／または摩擦が大きくなるほど、下流のケーブルのより大きな力を相殺するか、またはこの力に抵抗できる。
【００５３】
静止状態においては、バネ３５９によってケーブル３５３に生じる張力によって、ケーブル３５３は右方に引っ張られるので、ケーブル３５３のたるみまたは緩みがなくなり、ケーブルの張力はバネ定数ｋと、休止状態からのバネ両端の直線変位ｘとのに応じて決まる。動作時においては、上記のようにアクチュエータキャプスタン３１３が時計回りに回転するので、張力がキャプスタン３１３と大地３５５ａとの間の部分のケーブル３５３に加わり、キャプスタン３１３は大地３５５ａに対して左方に移動する。バネ３５９の力がクラッチポスト３５７の周りのケーブル３５３の摩擦抵抗に打ち勝つ場合は、ケーブル３５３がクラッチポスト３５７の周りを滑るので、キャプスタン３１３の右側にあるケーブル３５３の緩みまたはたるみがバネ３５９によって自動的に除かれる。
【００５４】
あるいは、キャプスタン３１３が反時計回りに回転すると、キャプスタン３１３は張力をキャプスタン３１３とクラッチポスト３５７との間のケーブル３５３部分に加える。クラッチポストの効果によって増大したバネの張力がキャプスタン３１３によって生じる張力に勝っている限りは、ケーブル３５３はクラッチポスト３５７に効果的に係止され、ポスト３５７の周囲を滑らない。バネ３５９は、キャプスタンの荷重から効果的に隔離される。したがって、張力付与装置３５１は、キャプスタン３１３が第１の方向に回転するときはたるみを除き、キャプスタン３１３が第２の方向に回転するときは係止することによって、ケーブルの張力を所定の大きさに自動的に自己調整して維持する。
【００５５】
図８Ｂにおいて、力覚インタフェース１０の一実施形態に使用されるアクチュエータのキャプスタン３１３の拡大図が示されている。キャプスタン３１３は一様な円筒体にしてもよいが、一実施形態においては、キャプスタン３１３はその外面に沿って形成された螺旋溝３１５を含む。螺旋溝３１５は、ケーブル３５３を切り裂くか、またはケーブル寿命を短縮しうる鋭い縁のない十分な半径を含んでもよい。ケーブル３５３を螺旋溝３１５に収めて引き回すことによって、キャプスタン３１３上でのケーブル３５３の重なり合いや絡みが防止される。一実施形態においては、キャプスタン３１３上での滑りを防止し、ケーブル３５３を損傷から保護して長寿命を保証するために、ナイロン被覆ケーブル３５３が用いられる。さまざまなケーブル材料を使用でき、たとえば、タングステン、ステンレス鋼、無被覆鋼、または別の形態の被覆鋼などを使用できるが、これだけに限定されるものではない。また、ケーブルをキャプスタンに巻き付ける回数は、キャプスタンおよびケーブルの寸法、予想される荷重、および他の関連の考慮事項に依存する。
【００５６】
次に図８Ｃにおいては、上記のケーブル張力付与装置３５１が力覚インタフェース１０の第１関節１６に採用されており、この図ではその全体がケーブル張力付与装置４５１として定義されている。第１の要素１４の略Ｄ字形状のハブ部分が示されている。ケーブル４５３は、第１の動力牽引式回転要素１４に第１の接地位置４５５ａにおいて固定され、要素１４を反時計回りに囲んでいる。ケーブル４５３は、要素１４の周縁にほぼ接して配設されたアクチュエータキャプスタン４１３に巻き付いてから、クラッチポスト４５７に数回巻き付いている。その後、ケーブル４５３は、バネ４５９に取り付けられて張力が加えられる。バネ４５９は、接地点４５５ｂにおいて要素１４に接地されている。アクチュエータは、インタフェース１０の筐体１２内で固定されているので、アクチュエータがキャプスタン４１３を回転させると、第１の要素１４が第１の軸Ａを中心に回転する。要素１４の可動域全体にわたって適正な位置および向きでのケーブル４５３の引き回しおよび保持を容易にするために、タブ、スロット、および他の案内用の形状構成を要素１４に設けてもよい。
【００５７】
図８Ｃに示すように第１の回転要素１４のハブ部分は、略Ｄ字形状である。あるいは、円形または部分的に円形の要素１４も考えられる。回転要素１４は、Ａ軸にその中心位置を有する軸シャフトに支持される。第１の回転要素１４は、図示のように分割構造としても、必要に応じて一体構造、有孔構造、または他の任意の構造にしてもよい。必要であれば、他の回転要素およびそれぞれの対応するモータの支持面を第１の回転要素１４に固定してもよい。さらに、力覚インタフェース１０の制御線または動力線を収容するために、Ａ軸シャフトを中空にしても、Ａ軸シャフトに溝を含めてもよい。あるいは、この目的のための開口部を第１の回転要素１４に形成してもよい。
【００５８】
次に図９においては、上記のケーブル張力付与装置３５１が力覚インタフェース１０の第２の関節２０に使用され、その全体がケーブル張力付与装置５５１として定義されている。第２の要素１８の略Ｄ字形状のハブ部分が示されている。ケーブル５５３は、第１の接地位置５５５ａにおいて要素１８に固定され、要素１８を反時計回りに囲んでいる。ケーブル５５３は、要素１８の周縁にほぼ接して配設されたアクチュエータキャプスタン５１３に巻き付いてから、クラッチポスト５５７に数回巻き付いている。その後、ケーブル５５３は、回転要素１８の凹部５６１を通して引き回され、接地点５５５ｂにおいて要素１８に接地されているバネ５５９に取り付けられて張力が加えられる。要素１８の可動域全体にわたって適正な位置および向きでのケーブル５５３の引き回しおよび保持を容易にするために、当業者には明らかなように、タブ、スロット、および他の案内用の形状構成を要素１８の外周に設けてもよい。
【００５９】
力覚インタフェース１０の一実施形態においては、少なくとも２つの制御ワイヤ管路５６３ａ、５６３ｂが第２の回転要素１８を貫いている。これらの管路５６３ａ、５６３ｂは、動力線および制御線のための場所を提供するほか、通常、要素１８の回転に伴うワイヤの動きを制限する。回転要素１８は、中心に位置するＢ軸シャフトの周りを回転する。Ｂ軸シャフトは、必要に応じて、平滑面にするか、溝またはタブを含めるか、またはネジ山付きにしてもよい。図９に示すＤ字形状の要素の代わりに、円形の回転要素を採用してもよい。ただし、Ｄ字形状の要素１８を使用すると、力覚インタフェース１０の外面寸法を小さくできる。
【００６０】
同様に、図１０においては、上記のケーブル張力付与装置３５１が力覚インタフェース１０の第３の関節２６の一実施形態に採用されており、その全体がケーブル張力付与装置６５１として定義されている。回転伝達駆動要素１６４の略Ｄ字形状のハブ部分が示されている。ケーブル６５３は、第１の接地位置６５５ａにおいて要素１６４に固定され、要素１６４を反時計回りに囲んでいる。ケーブル６５３は、要素１６４の周縁にほぼ接して配設されたアクチュエータキャプスタン６１３に巻き付いてから、クラッチポスト６５７に数回巻き付いている。その後、ケーブル６５３は、回転伝達駆動要素１６４の凹部６６１を通して引き回され、接地点６５５ｂにおいて要素１６４に接地されているバネ６５９に取り付けられて張力が加えられる。ケーブル６５３の引き回しおよび適正位置への保持と、回転伝達駆動要素１６４の可動域全体にわたる方向付けとを容易にするために、当業者には明らかなように、タブ、スロット、および他の案内形状構成を要素１６４の外周に設けてもよい。
【００６１】
回転伝達駆動要素１６４は、軸Ｂを中心に自由に回転する。回転力は、伝達駆動軸１６６および対応する構成要素によって第３の関節２６に伝達される。伝達駆動軸１６６および対応する構成要素は、図６Ａ〜６Ｂにより詳細に示され、付随テキストに説明されている。図１０に示すＤ字形状の要素の代わりに、円形の回転要素を採用してもよい。ただし、Ｄ字形状の要素１６４を使用すると、力覚インタフェース１０の外面寸法を小さくできる。
【００６２】
力覚インタフェース１０の使用中、３つの動力牽引式回転要素１４、１８、および２２は、「動力が供給される状態」にも、「フリーな状態」にもしうる。動力が供給されると、アクチュエータが付勢され、それぞれの回転要素の回転を制御できるようになるので、用途に応じて、インタフェースユーザの動きに抵抗するか、またはインタフェースユーザに動きを強制するようにそれぞれの回転要素を制御する。この動力が供給される設定は、手術手技のシミュレート時、コンピュータゲーム実行中のフィードバック時など、力をフィードバックする状況において有用である。フリーな状態の設定では、アクチュエータが付勢されないので、回転要素はインタフェースユーザの力に従う。このような設定は、図面またはオブジェクトをコンピュータプログラムに直接デジタイズする際、ユーザインタフェースをパーソナルコンピュータマウスとして使用する際、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）画像を作図する際などに有用である。何れか具体的な用途に合わせて、３つの回転要素のうちの任意の数の回転要素を動力供給モードまたはフリーモードのどちらかにしてもよく、あるいは特定の条件が満たされたときに、この２つのモード間を切り替えてもよい。
【００６３】
力覚インタフェースの可動部分の好適な特性は、軽量、低コスト、高剛性、および高強度である。これらの理由により、射出成形された４０％炭素繊維入りのナイロンまたは同様の組成物を第２の要素１８、第２の要素の延長部２４、第３の要素２２、第３の要素の延長部３０、第５の要素３４、および第６の要素４０などの構造要素に選択しうる。他のガラスおよび炭素繊維入りの射出成形プラスチックも使用してもよい。さらに、一実施形態においては、ユーザが握っているスタイラス４０が滑らないように、スタイラス筐体６２の握り部分の外面に滑り止めの被膜または塗膜が施される。あるいは、必要に応じて、外面を物理的にざらつかせるか、こぶを付けてもよい。一実施形態においては、力覚インタフェース１０と一緒に、図１３に示すようなリストレスト７００を使用してもよい。このようなリストレスト７００の一例は、米国特許第６，４１７，６３８号に開示されている。すべての内部構成要素をプラスチック、金属、またはこのような材料の何れかの組み合わせから製作してもよい。力覚インタフェース１０の基部１２および球状筐体５６の場合も、望ましい特性として、低コスト、高強度、および高剛性が挙げられる。ただし、基部構造は内部電子素子のヒートシンクとして使用されることもあるので、基部構造は熱伝導性を有することが望ましい。
【００６４】
図１１Ａは、力覚インタフェース１０が発生する力を測定および制御するためのインタフェースコントローラの一実施形態において使用されるアルゴリズム８００を示す。最初に、アクチュエータおよび／またはポテンシオメータからの信号によって、メモリに記憶されている力の読み取り値が更新される（８０２）。次に、新しい力が計算され（８０４）、この計算された力に対応する電流がアクチュエータの１つに送られ（８０６）、対応する要素が回転されるか、またはこのような回転が抑えられる。次に、アルゴリズム８００は、アクチュエータおよび／またはポテンシオメータからの（ユーザ操作による）応答信号８０８を待機し、この信号に応じて、記憶されている力の読み取り値を更新する（８０２）。インタフェースユーザがコンピュータアプリケーションプログラムと対話できるように、このアルゴリズムはプログラム全体にわたって実行され続け、電気信号の変換および追跡が行われる。
【００６５】
家電製品の場合は、過熱およびユーザの外傷を防止するため、また装置の内部構成要素の損傷を防止するために、温度感知装置が必要である。通常、この要件を満たすために、熱電対を用いて内部のモータおよび他の部品の温度が測定される。ただし、本発明による力覚インタフェース１０の一実施形態では、内部温度を直接読み取る熱電対などのセンサはなく、コンピュータアルゴリズムを用いて装置内の温度を監視する。このような温度計算アルゴリズム８１０（上記の制御アルゴリズム８００のサブルーチン）のフローチャートを図１１Ｂに示す。通常、アルゴリズム８１０は、時間とアクチュエータの電流使用量とに基づき、温度を推定する。回転要素に対する力（要素を回転させるため、またはこのような回転を妨げるための力）を発生させる電流がアクチュエータに送られると（８０６）、アルゴリズム８１０は、モータに供給された電流と、総供給時間長とを測定する。次に、アルゴリズム８１０は、アクチュエータに電流が供給された時間長に基づき、アクチュエータ内部の推定温度を計算することによって、その熱モデルを更新する（８１２）。
【００６６】
更新後の内部温度が約８０℃未満であると（８１４）、力が回転要素に加えられる（８１６）。ただし、内部温度が約８０℃を超えると（８１８）、力が無効にされ（８２０）、アクチュエータへの電流の供給を終了する。後者の条件下においては、温度エラーアルゴリズム８３０（下記）で使用される温度データがキャッシュされ（８２２）、温度エラーメッセージがユーザに送られる（８２４）。このエラーは、対応するコンピュータプログラム内の表記形態でコンピュータ画面に表示してもよく、および／または力覚インタフェースのドッキングステーションのＬＥＤを視覚的に変化させることによってシステムエラーを通知する。何れか所与の用途に応じて、または内部装置構成要素の損傷を防止するために、必要に応じて温度限界を調節することができる。たとえば、アクチュエータまたは他の内部構成要素が損傷する前にインタフェース１０をシャットダウンするために、温度閾値を４９℃に設定することができる。
【００６７】
温度エラーアルゴリズム８３０のフローチャートを図１１Ｃに示す。記憶されている力が制御アルゴリズム８００で更新されると（８０２）、そのサブルーチンの温度エラーアルゴリズム８３０が、予想される温度エラーの結果を判定する。温度エラーが発生しなかったと判定されると（８３２）、ステップ８３４および８３６が迂回される。ただし、エラーが発生したと温度計算アルゴリズム８１０が判定すると（８２４）、温度エラーアルゴリズム８３０が、温度計算アルゴリズム８１０の温度をキャッシュするステップ（８２２）で記憶した温度データをキャッシュから読み出す（８３４）。次に、アルゴリズム８３０は、過剰温度によるインタフェース構成要素の熱崩壊を計算する（８３６）。崩壊に関する情報、および崩壊が将来のインタフェース性能にどのように影響するかに関する情報が記憶され（８３８）、以降の運動学的計算で考慮される（８４０）。温度エラーはインタフェース性能に影響するので、正確な力の再現体験をユーザに与え続けるために、インタフェース１０は必要に応じて補正することができる。
【００６８】
次に図１２において、力覚インタフェース１０の一実施形態のＩＥＥＥ１３９４準拠のインタフェース基板５８ｂの模式図が示されている。基板５８ｂは、各種の電気機械インタフェース９００機能およびデジタル９０２機能を制御する。基板５８ｂには、力覚インタフェースの電源９０６から給電される。基板５８ｂの電気機械インタフェース機能９００は、究極的には力覚インタフェース１０のさまざまな構成要素９０４（上に詳述）の機能を制御する。具体的には、電流ドライバ９１０は、３つのアクチュエータの機能を制御する。電流ドライバ９０４は、永久磁石式ＤＣサーボモータに対する３つのチャネルから成る。ドライバ９０４は、チャネルあたり最大連続出力１４．４ワット、プラス／マイナス１８ボルトｍＡで動作する。３つのチャネルに対する最大出力は２５ワットである。ドライバ９０４はまた、帯域幅１ｋＨｚにおいて１２ビットの分解能を有する。エンコーダカウンタ９１２は、３つのチャネルから成る。カウンタ９１２は、最大５００ｋＨｚのパルス速度および１６ビットの分解能でパルスを受信できる。アナログポテンシオメータの入力部９１４もまた３つのチャネルを有し、一般には５キロオームのポテンシオメータからの０〜５ボルトの信号を認識する。入力部もまた、１０ビットの分解能と、３ｄＢカットオフの１ｋＨｚのフィルタリングとを有する。デジタル入力／出力部９１６は、４つの出力チャネルと、８つの入力チャネルとから成る。デジタル入力／出力部は、何れのＬＥＤの駆動にも十分な電流のデバウンス型ＴＴＬ入力およびＴＴＬ出力で動作する。
【００６９】
基板５８ｂの各デジタル機能９０２は、各種の電気機械インタフェース機能９００とやり取りするほか、ＩＥＥＥ１３９４接続９２６を介してプログラムのホストコンピュータ９０８とやり取りする。ローカルフィードバック・保安論理機能部９１８はいくつかの機能を実行する。これらの機能には、モータの逆起電力および摩擦を相殺するための速度に基づく正のフィードバック、速度閾値シャットダウン、閾値を超えた場合の電流シャットダウン、および特定の時間内に更新されなかった場合のウォッチドッグシャットダウンが含まれるがこれだけに限定されるものではない。また、３２ビット読み出し専用連番インタフェース９２０は、ホストコンピュータに対して力覚インタフェース１０を特定する。デジタル機能９０２はまた、３２ビット読み書き両用の揮発性レジスタ９２２および不揮発性レジスタ９２４を含む。また、インタフェースの電子部品として、８０３１マイクロプロセッサ、ＦＬＡＳＨメモリ、プログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ）およびＰＬＤベースのデルタシグマＡ／Ｄコンバータ、および四層プリント回路カードを含んでもよい。
【００７０】
マイクロプロセッサは、ホストコンピュータと交渉し、システムの初期化および動作中のアイソクロナスデータ転送を管理し、ＰＬＤ構成の読み込み、ＦＬＡＳＨメモリの読み出し／書き込み動作を管理する（８０３１プログラム、ＰＬＤ構成、およびシステム定数の遠隔更新を可能にするため）。ＰＬＤは、３つの１６ビット直角位相エンコーダインタフェース、エンコーダ速度検出、電源障害および過電流保安論理、モータイネーブル監視、８０３１メモリを補完するための５１２バイトスタックＲＡＭバンク、ＩＥＥＥ１３９４接続リンクコントローラのアイソクロナスデータムーバポートへのＦＩＦＯインタフェース、３つの９ビット高精度デルタシグマポテンシオメータＡ／Ｄコンバータのための制御、モータ電流を設定するための３つの１０ビットＰＷＭ発生器、三角波周波数発生器、および電源同期周波数発生器を実装する。電源基板５８ａ（図１Ｃ）は、電源、保安回路、３つのＰＷＮ増幅器、ＰＷＭによるＤ／Ａコンバータ、および二層の印刷回路カードを含む。
【００７１】
本願明細書においては本発明の例示的および好適な実施形態と考えられるものについて説明してきたが、当業者には本発明に対する他の変更も本願明細書の教示内容から明らかになるであろう。本願明細書に開示されている特定の製作方法および形状寸法は本質的に例示的なものであり、限定的なものと考えられてはならない。したがって、本発明の精神および範囲に含まれるようなすべての変更が添付請求項において保証されることが望まれる。よって、特許証によって保証されることが望まれる内容は、以下の特許請求の範囲において定義および識別される発明である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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