(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変入力信号を受けて可変出力信号を与えるためのコンピューターシステムであって、前記可変入力信号を処理してそれに応じて前記可変出力信号を導出する対話型プログラムを遂行するように構成されたコンピューターシステムと、
前記対話型プログラムを制御しかつ応答するために、操作者により操作される触覚インターフェースステアリングホイール機器と、
前記触覚インターフェースステアリングホイール機器（１８）と接続され、磁界の強さに応じて変化するせん断速度を有する磁気的可制御媒体を含み、前記可変出力信号に基づいて前記磁気的可制御媒体のせん断速度を変化させることにより得られる可変抵抗力を、操作される前記触覚インターフェースステアリングホイール機器へ与える磁気的可制御装置と、
を備え、
前記磁気的可制御装置は、
前記触覚インターフェースステアリングホイール機器と連結され、前記触覚インターフェースステアリングホイール機器の回転軸線に対して直交する方向に延びる第１の面を有する第１の部材（４２）と、
前記第１の部材の第１の面と対向する第２の面を有する第２の部材（３６）と、
前記第１の部材及び第２の部材の間に設けられ、可変強さ磁場を与えるために前記可変出力信号によって付勢可能な磁場発生装置と、を有し、
前記磁気的可制御媒体は、前記第１の面と第２の面の間に介在し、
前記第１の部材、前記第２の部材及び前記磁気的可制御媒体が前記磁場発生装置の発生する磁束の磁気回路を形成している、
触覚インターフェースシステム。
【請求項２】
前記触覚インターフェースステアリングホイール機器の前記複数の位置内の検出された位置を識別するセンサを更に備え、前記センサは前記可変入力信号を前記検出された位置に基づいて与える請求項１に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項３】
前記磁気的可制御装置は、少なくとも前記第２の部材と連絡し、作動エネルギを与えるモータを備え、前記磁気的可制御媒体は、可変抵抗力を前記第１の部材と前記第２の部材の間の前記可変強さ磁場に応答して与え、前記触覚インターフェースステアリングホイール機器に加えられる前記力フィードバックを制御する請求項２に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項４】
前記第１の部材と前記第２の部材の間に配置された吸収性要素を更に備え、前記吸収性要素は、前記磁気的可制御媒体を保持する請求項３に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項５】
前記吸収性要素は、ある圧縮量だけ静止状態から圧縮される請求項４に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項６】
前記圧縮量は、前記静止状態の約３０％〜７０％の範囲にある請求項５に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項７】
前記圧縮は、少なくとも一つのバネ部材によってなされる請求項５に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項８】
前記少なくとも一つのばね部材は、複数のコイルばねから成る請求項７に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項９】
前記吸収性要素は、連続気泡の発泡材料である請求項４に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１０】
前記吸収性要素は、ポリウレタン材料である請求項９に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１１】
前記吸収性要素は、前記磁気的可制御媒体を保持する開放空間を有するマトリクス構造として形成されている請求項４に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１２】
前記磁場発生装置は、コイルである請求項１１に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１３】
前記コイルは、多くの巻数及びゲージを有する電線から成り、前記巻数及び前記ゲージは、前記可変強さ磁場の所望の範囲に応じて決定される請求項１２に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１４】
前記出力信号は、電圧及び電流から成り、ここで前記巻数及び前記ゲージは、前記電圧及び前記電流の所望の範囲に応じて決定され、そして、前記電圧及び前記電流は、前記可変強さ磁場の所望の範囲に応じて決定される請求項１３に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１５】
前記抵抗力は、前記触覚インターフェースステアリングホイール機器に前記第２の部材を通じて伝達される請求項３に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１６】
前記第２の部材は、前記第１の部材に対して移動するように構成されている請求項１５に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１７】
前記第２の部材は、前記第１の部材に対して回転移動するように構成される請求項１５に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１８】
前記対話型プログラムは、ビデオゲームである請求項１に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項１９】
前記コンピューターシステムは、前記対話型プログラムを遂行する処理装置を有するホストコンピュータを更に備える請求項２に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項２０】
前記コンピューターシステムは、マイクロプロセッサ及びファームウェアを有する制御装置を更に備え、前記制御装置は、前記センサから受けられる前記可変入力信号を修正して修正された可変入力信号を前記ホストコンピュータに与え、さらに前記制御装置は、前記可変出力信号を修正して修正された出力信号を前記磁気的可制御装置に与える請求項１９に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項２１】
前記制御装置及び前記磁気的可制御装置と連絡する増幅器装置を更に備え、前記増幅器装置は、前記修正された出力信号を受けて増幅された出力信号を前記磁気的可制御装置に与える請求項２０に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項２２】
前記対話型プログラムの前記コンピューターシステムによる処理から生ずる映像を表示するビデオ・ディスプレーを更に備える請求項１に記載の触覚インターフェースシステム。
【請求項２３】
可変入力信号を受けてフィードバック力に対応する可変出力信号を与え、前記可変入力信号を処理してそれに応答して前記可変出力信号を導出する対話型プログラムを遂行するように構成されたコンピューターシステムと、
作動エネルギを与えるモータと、
前記対話型プログラムを制御し、かつ、応答するために操作者により操作可能に構成され、前記フィードバック力を受ける触覚インターフェースステアリングホイール機器と、
前記触覚インターフェースステアリングホイール機器に接続され、磁界の強さに応じて変化するせん断速度を有する磁気的可制御媒体を備え、
前記可変出力信号に基づいて前記磁気的可制御媒体のせん断速度を変化させ、得られる可変抵抗を介して前記作動エネルギを可変、能動フィードバック力に変換して前記触覚インターフェースステアリングホイール機器へ与える磁気的可制御装置と、を備え、
前記磁気的可制御装置は、
前記触覚インターフェースステアリングホイール機器と連結された、前記触覚インターフェースステアリングホイール機器の回転軸線に対して直交する方向に延びる第１の面を有する第１の部材と、
前記第１の部材の第１の面と対向する第２の面を有し、前記モータから作動エネルギを与えられる第２の部材と、
前記第１の部材及び第２の部材の間に設けられ、可変強さ磁場を与えるために前記可変出力信号によって付勢可能な磁場発生装置と、を有し、
前記磁気的可制御媒体は、前記第１の面と第２の面の間に介在し、
前記第１の部材、前記第２の部材及び前記磁気的可制御媒体は、前記磁場発生装置の発生する磁束の磁気回路を形成している、
触覚インターフェースシステム。
【請求項２４】
可変入力信号を受けて回転力のレベルに対応する可変出力信号を与え、前記可変入力信号を処理してそれに応じた前記可変出力信号を導出する対話型プログラムを遂行するように構成されたコンピューターシステムと、
回転力フィードバックの前記レベルを伝達する回転可能な軸と、
固定的に前記軸に取り付けられ、第１の側及び第２の側を有するロータと、
前記回転可能な軸及び前記コンピューターシステムと連絡し、前記回転可能な軸の回転の位置を表わす前記可変入力信号を前記コンピューターシステムに与えるセンサ装置と、
前記ロータの前記第１の側に隣接した第１の回転可能な部材と、
前記ロータの前記第２の側に隣接した第２の回転可能な部材と、
前記第１の回転可能な部材と前記ロータの間に配置され、第１の可変強さ磁場を生成するために前記可変出力信号に応答して付勢可能な第１のコイルと、
前記第２の回転可能な部材と前記ロータの間に配置され、前記可変出力信号に応答して付勢可能な第２のコイルと、
前記第１の回転可能な部材及び前記ロータの間と前記第２の回転可能な部材及び前記ロータの間とに配置され、磁界の強さに応じて変化するせん断速度を有し、前記第１の回転可能な部材及び前記ロータの間と前記第２の回転可能な部材及び前記ロータの間とに可変抵抗力を前記第１及び第２の可変強さ磁場の強さに比例してそれぞれ与える磁気的可制御媒体と、
エネルギを前記第１の回転可能な部材を通して前記ロータに伝達することによって前記軸を第１の方向に回転させ、エネルギを前記第２の回転可能な部材を通して前記ロータに前記第１のコイル及び前記第２のコイルの選択的付勢を通して伝達することによって前記軸を第２の方向に回転させるように構成され、前記回転の力フィードバック・エネルギを前記第１の回転可能な部材及び前記第２の回転可能な部材と連通して与えるモータと、
を備える力フィードバック制御装置。
【請求項２５】
前記回転可能な軸と連絡して前記回転力フィードバックを受ける触覚インターフェースステアリングホイール機器を更に備える請求項２４に記載の力フィードバック制御装置。
【請求項２６】
前記モータは、前記コンピューターシステムと連絡し、前記力フィードバック制御信号に応答する請求項２５に記載の力フィードバック制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、一般的に言えば、力フィードバック感覚を与える触覚インターフェイスシステムに関し、さらに詳しくいえば、抵抗力を与えるために磁気的可制御媒体を使う触覚インターフェイスシステムに関する。
【０００２】
背景
力フィードバックシステムとしても知られている触覚インターフェイスシステムがジョイスティックのようなインターフェイス機器を保持している操作者に、インターフェイス機器によって制御されているものなら何にでも対応する「感じ」感覚を与える。このようなシステムの一般の例は、コンピューターゲームにある。このようなゲームにおいて、ビデオ・ディスプレー上の動作及びジョイスティックまたはかじ取り装置の運動は、操作者の手にジョイスティックまたはかじ取り装置を通して与えられる物理的力でディスプレー上に起こっている事象に対する模擬「感触」を与えるように調整される。例えば、オートレースゲームにおいて、操作者が急カーブのまわりを高速で自動車を操縦するとき、触覚インターフェイスシステムは、ハンドルがカーブの方へ向き難くするためにかじ取輪上に力を与える。この力フィードバックが、ターンしている自動車の遠心力及びタイヤが回されているときタイヤに加えられる摩擦力を模擬する。したがって、インターフェイスシステムが力フィードバックを通して動作または事象と関連する実際の物理的感覚の遠隔模凝を与える。
【０００３】
代表的触覚インターフェイス装置にはフィードバック感覚を与えるためにそのインターフェイス装置に接続された一つ以上のモータがある。代表的なモータには、直流（ＤＣ）ステップモータ及びサーボモータがある。インターフェイス装置がジョイスティックであれば、モータを用いてｘ−方向、ｙ−方向またはジョイスティックが、動かされる可能性のある任意の方向に力を与えるためにそれらの組合わせ方向に力を与える。同様に、インターフェイス装置がハンドルである場合、モータを用いて時計回り又は反時計回りの方向に回転力を与える。したがって、モータがインターフェイス装置の動かされる可能性のある任意の方向に力を与えるために用いられる。
【０００４】
単一のモータを使用しているシステムにおいて、モータは、複数の方向に力を与えるために、インターフェイス装置に歯車列または他の同様のエネルギ伝達装置を介して連結されてもよい。
【０００５】
一つのモータをある装置において使用可能にするために、可逆電動機が二つの異なる方向に力を与えるために普通は利用される。さらに、適当な時に適当な方向に力を与えるために、さまざまな歯車またはエネルギ伝達装置をかみ合わせたりはずしたりする機構が必要である。対照的に、他の代表的な装置は必要な方向に力を与えるために複数のモータを用いる。したがって、現在の装置は、多くの異なる方法を利用して力フィードバック感覚の送出を扱う。
【０００６】
しかし、現在の触覚インターフェイス装置は、多くの理由で不都合なことがある。重要な一つの主要な領域は、このような装置の費用である。代表的な装置の費用に非常に貢献している一つの項目は、サーボモータ付き直流ステッパー及び可逆モータの使用である。これらの種類のモータは、非常に精巧であって、速度または回転数／分（ｒｐｍ）を変えること、異なる速度を維持すること及び回転方向を逆にすることのできる能力を必要とする。これらの特徴は、より大きな機械的及び電気的複雑さを必要とするので、比較的非常に高くつく。
【０００７】
さらに、これらのモータは、触覚インターフェイスシステムを扱い難くならないようにするために、寸法が小さい必要がある。これは、さらに，それらの設計を複雑にして費用を増加させる。また、それらの寸法が比較的小さいために、触覚インターフェイスシステムにおいて普通に必要な精巧なモータは、限られた量のトルクを発生できるだけである。このような機能において、インターフェイス機器の操作者は、モータによって供給されるトルクまたは力フィードバックを容易に克服できる可能性がある。したがって、触覚インターフェイスシステムに小形で精巧なモータを設けることが比較的非常に高価で、不十分な力フィードバックをもたらす可能性がある。また、都合の悪いことに、触覚インターフェイスシステムにおいて使用する代表的なＤＣモータは、装置が必要とする方法で作動するように設計されていない。
【０００８】
力フィードバックを与えるために、代表的な装置は、インターフェイス機器と機械的にモータの出力軸をかみ合わせるように構成された直接駆動モータを使用する。例えば、ＤＣモータの出力軸は、ハンドル軸にかみ合うかまたはジョイスティックの運動を制御するスライドまたはその他の機構に連結してもよい。モータがギアまたはスライドに係合すると、モータは、インターフェイス機器を駆動して力フィードバックを与える。しかし、インターフェイス機器を保持してる操作者は、普通は、力フィードバックに反抗する。操作者によって与えられる反力が、それからモータ出力の方向に逆らって作用し、モータを失速させる傾向がある。この力に対抗することは、モータ内の構成要素をすり減らすおよび／またはネジ山をすり減らす傾向があるだけでなく、失速状態が、モータ内のより高い電流の発生に導きモータの電気的構成要素にひずみを与える。触覚インターフェイス装置の反復性質のために、このような触覚インターフェイスシステムにおいてモータの信頼性及び耐用寿命は、ひどく減らされる。したがって、代表的な触覚インターフェイスシステムにおいて使用するモータは、普通はそれらが動かされる要求の厳しい環境にあまり適していない。それでも、現在の商用の触覚インターフェイスシステムのもう一つの不利な点は、インターフェイス機器に連結されるモータからの高衝突力がインターフェイス機器の操作者に危険なこともあるということである。触覚インターフェイス装置が迅速で大きいい衝突力を必要とするとき、操作者が急激な力に備えていない場合、インターフェイス機器に接続しているモータが操作者を傷つけるかも知れない大きい力に応答できる。これが、所定の力を達成するためにモータの速度を逓増することによって考えられてもよいが、そのときは感覚の現実性は小さくなる。さらに、モータのかみ合い速度を変化させることは、触覚インターフェイス装置を運転するために使われるソフトウェア・プログラムを複雑にし、それによってさらに、費用を増加させる。したがって、現在の触覚インターフェイスシステムで現実的な感じの高い衝突力を作ることは、操作者に危険であるかまたは高価で複雑なシステムプログラミングを必要することがある。若干の従来技術装置は、現在の触覚インターフェイスシステムのいくつかの欠点を克服することを試みたが結果は限られたものであった。電気流動性（ＥＲ）のアクチュエータ（力ディスプレイシステムにおいて利用される）は「ＥＲ流体、ＭＲ懸濁液及びそれらの応用についての国際会議」（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｏｎ  ＥＲ  Ｆｌｕｉｄｓ，  ＭＲ  Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）（１９９７年７月２２−２５日、日本米沢）第５１−５２頁の要約において「ＥＲ液体を用いる新規なアクチュエータとバーチャルリアルティ装置における力表示装置へのそれらの応用」（Ｎｅｗ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  ＥＲ  Ｆｌｕｋｌ  Ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｔｏ  Ｆｏｒｃｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｉｎ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）、という題名でＪ．古庄及びＭ．坂口によって提案されている。ＥＲアクチュエータが電界の印加でそのせん断強さを変える物質であるＥＲ流体の入っている装置を備えている。ＥＲ流体をそれから二つの部材間の抵抗を増やすためのクラッチまたはブレーキとして使うことができる。
【０００９】
しかし、このようなＥＲアクチュエータの使用は、代表的な触覚インターフェイスシステムに用いるには、例えばコンピューターゲーム用にはひどく都合が悪い。一つの重大な問題は、ＥＲアクチュエータが  ＥＲ流体におけるせん断強さに所望の変化を発生させるために必要な電界を生成するために必要とする高い電圧のあるために大きな安全問題を提起するということである。触覚インターフェイスシステムについては、代表的なＥＲ流体アクチュエータは、約１０００〜５０００のボルトの範囲の電圧を必要とすることがある。逆に装置において使用されるモータは、約５００ミリアンペア（ｍＡ）乃至１．０Ａの電流の範囲にあることを必要とする。したがってＥＲアクチュエータを動かために必要な電圧は、非常に高く、ＥＲアクチュエータを望ましくないものにし、大量の摩損を受ける消費者の装置の場合、おそらく不安全にする。
【００１０】
さらに、ＥＲアクチュエータは、キャビティ内のアクチュエータ内のＥＲ流体を保持するためにひどく費用のかかるシールを必要とする。シールは、頻繁にすり減り、ＥＲアクチュエータに対する信頼性問題及びＥＲ流体の漏れについての心配を生じる。さらに、シールの使用は、普通はきつい公差を有する機械加工部品を必要とし、ＥＲアクチュエータの費用をさらに増やす。また、ＥＲアクチュエータは、きつい公差部品の相対的な位置決めを保証するために費用のかかる軸受を必要とする。同様に、正確な機械加工がＥＲアクチュエータの内部回転構成要素に必要であり、さらに、アクチュエータの費用を増加させる。ＥＲ装置が、比較的大きい量の表面積をＥＲ流体とＥＲ流体が接触する二つの部材との間に必要とするので、きつい公差機械加工が部材の多数の、隣接した面の間に必要とされる。したがって、代表的な触覚インターフェイスシステムによって必要とされる力フィードバックのレベルを与えるのに充分なトルクを発生させるために比較的大きい表面積が必要なことがある。
【００１１】
最後に、適当な力を与える代表的なＥＲアクチュエータは、あまりに大きくて商用の触覚インターフェイスシステムに一体化できない。代表的な触覚インターフェイスシステムにおいて力フィードバックを与えるために利用される機器は、装置に実際に一体化されるためには、小さくて軽量でなければならない。これらの必要条件満たすＥＲアクチュエータが、上記の欠点を有する他に、作るのに非常に高価である。したがって、ＥＲアクチュエータの代表的な触覚インターフェイスシステムにおける利用は、望ましくない。
【００１２】
したがって、上述の従来技術より簡単で、経済的で、信頼できかつよりよく動作する触覚インターフェイスシステムを提供するることが望ましい。
【００１３】
発明の要約
本発明の好適な実施例によれば、触覚インターフェースシステムは、作動エネルギを与えるモータ及び可変量の作動エネルギを可変フィードバック力に都合よく変える関連の磁気的可制御装置を備えている。磁気的可制御装置は、加えられた磁場の強さに比例した可変抵抗力を与える磁気的可制御媒体を備える。このシステムは、対話型プログラムを遂行するのに適応しているコンピューターシステム、対話型プログラムと関連する映像を表示するビデオ・ディスプレー、対話型プログラムを制御し、それに応答する操作者と作動的に接触している触覚インターフェイス機器及び触覚インターフェイス機器の位置を検出して対応する可変入力信号をコンピューターシステムに与えるセンサをさらに備える。モータは、単一方向に一定の速度で回転する直流電動機であるのが好ましい。モータ及び磁気的可制御装置（モータを失速させるのではなく磁気的可制御装置内ですべることを可能にするためにクラッチとして作用する）は、低コストで有効な触覚インターフェースシステムを共同で備える。
【００１４】
コンピューターシステムは、センサからの対話型プログラム及び可変入力信号を処理して操作者に対話型プログラムに対応する現実的な感覚を与えるフィードバック力に対応する可変出力信号を与える。可変出力信号は、フィードバック力に比例する強さを有する磁場を発生するために磁場発生装置（第１および第２の部材に隣接して配置された）を付勢する。磁場は、第１の部材と第２の部材の間の動作領域に配置されている磁気的可制御媒体を横切って加えられる。加えられた磁場は、モータによって結合される第１の部材及び触覚インターフェイス機器と連絡している第２の部材の間の相対的な動きと関連する磁気的可制御媒体の抵抗力を変える。第１および第２の部材は、線形、回転的及び曲線の相対的な動きに合うように構成されてもよい。モータの作動エネルギは、第１の部材を通ってフィードバック力を触覚インターフェイス機器に与えるために磁気的可制御媒体によって与えられる抵抗力に対応する可変量で第２の部材に伝達される。このように、コンピューターシステムからの可変出力信号は、印加磁界強度、したがって、利用できる可変抵抗力を制御する。これによって、モータがほぼ一定の速度で作動するが、一方、フィードバック力の周波数及び強さ磁気的可制御装置の制御を通して管理され、モータに関する応力及び摩耗を最小にする。したがって、本触覚インターフェースシステムは、対話型プログラム操作者に磁気的可制御装置によって発生される現実的な力フィードバック感覚を与える。
【００１５】
好適な実施例において、磁気的可制御装置内の磁気的可制御媒体は、第１の部材と第２の部材の間に配置された吸収性要素によって閉じ込められてる。吸収性要素は静止状態から圧縮されてもよく、好ましくは、圧縮量はその圧縮されていない状況の約、３０％−７０％の範囲内にあるのがよい。吸収性要素は、磁気的可制御媒体を保持する空間を有するマトリクス構造として形成できる。吸収性要素の適切な材料は、なかんずく連続気泡の発泡材料、例えばポリウレタン材料、から成る。
【００１６】
磁気的可制御媒体は、加えられた磁場の強さに応じて変化するせん断強さを有する媒体である。磁気的可制御媒体の１つの好適な種類は、磁気流動性の流体である。上述のように、電磁コイルであるのが好ましい磁場発生装置は、加えられる磁場を与える。コイルは、普通は多くのターン及びあるゲージを有する電線から成る。しかし、電線の巻数及びゲージは、可変強さ磁場の所望の範囲及び可変出力信号の電流及び電圧によって決まる。
【００１７】
本発明の触覚インターフェイス装置は、ビデオゲームのような対話型プログラムを制御してそれに応答する作業者と作動接触している任意の装置であってよい。例えば、適切な触覚インターフェイス機器がかじ取り装置及びジョイスティックから成っていてもよい。
【００１８】
コンピューターシステムは、ホストコンピュータ、制御装置及び増幅器から成っていてもよい。以下に説明するように、制御装置及び増幅器は、代わりに別個の構成要素または触覚インターフェイスユニットの一部分であってもよい。ホストコンピュータは、対話型プログラムを遂行する処理装置から成る。制御装置は、センサから受ける可変入力信号及びホストコンピュータから受ける可変出力信号を修正するために用いられるマイクロプロセッサ及びファームウェアから成る。次に制御装置は、ホストコンピュータに修正可変入力信号を、そして磁気的可制御装置に修正可変出力信号を与える。制御装置によって実行される修正機能は、ホストコンピュータと磁気的可制御装置とセンサとの間の連通を可能にする。増幅器は、ホストコンピュータからの出力信号が磁気的可制御装置を制御するために充分でない状況において、増幅された可変出力信号を与えるために出力信号をさらに修正する。制御装置及び増幅器は、局部的な処理装置として作用して、ホストコンピュータによって処理される必要がないある入力信号（例えば反射状抵抗力を与えるためなどの）のための出力信号を与えることによってホストコンピュータにかかる負担を減らすことができる。
【００１９】
一つの実施例において、本発明は、フレーム内に取付けた上記のようなモータ及び磁気的可制御装置から成っている触覚インタフェース・ユニットを開示する。触覚インタフェース・ユニットは、上記のように触覚インターフェイス機器、センサ、制御装置及び増幅器を更に備えてもよい。
【００２０】
もう一つの実施例では、触覚インターフェースシステムは、ほぼ上記のように、ホストコンピュータ、触覚インターフェイス機器、センサ及び制御装置を備えている。この実施例は、作動エネルギを与えるためのモータ、第１の回転方向に力フィードバック作動エネルギを与える第１の付勢可能な部分及び第２の回転方向に力フィードバック作動エネルギを与える第２の付勢可能な部分を有する磁気的可制御装置を更に含む。
【００２１】
なおもう一つの実施例において、力フィードバック制御システムは、可変入力信号を受けて可変出力信号を与えるコンピューターシステムを含み、コンピューターシステムは、可変入力信号を処理しそれに応じてあるレベルの回転力フィードバックに対応する可変出力信号を誘導する対話型プログラムを行うように構成される。この実施例も、回転力フィードバックのレベルを伝達する回転可能な軸、及び軸に固定的に取り付けられたロータを含み、ロータは、第１の側及び第２の側を有する。センサ装置は、回転可能な軸及びコンピューターシステムと連絡している。センサ装置は、前記回転可能な軸の回転位置を表わす可変入力信号をコンピューターシステムに与える。
【００２２】
制御装置は、ロータの第１の側に隣接した第１の回転可能な部材及びロータの第２の側に隣接した第２の回転可能な部材を更に含む。第１のコイルが第１の回転可能な部材とロータの間に配置され、第１のコイルは、第１の可変強度磁場を生成するために可変出力信号に応答して付勢可能である。同様に、第２のコイルは、第２の回転可能な部材とロータの間に配置され、第２のコイルは、可変出力信号に応答して第２の可変強度磁場を生成するために付勢可能である。また、磁気的可制御媒体から成る第１の吸収性マトリクスが第１の回転可能な部材とロータの間に配置され、第１の吸収性マトリクスは、第１の回転可能な部材とロータの間に可変抵抗を第１の磁場の強さに比例して与える。同様に、磁気的可制御媒体からまた成っている第２の吸収性マトリクスが第２の回転可能な部材とロータの間に配置され、第２の吸収性マトリクスは、第２の回転可能な部材とロータの間に可変抵抗を第２の磁場の強さに比例して与える。さらに、制御システムは、回転する力フィードバック・エネルギを第１の回転可能な部材及び第２の回転可能な部材と連絡して与えるモータを備え、モータは、第１の回転可能な部材を通してロータにエネルギを伝達することによって軸を第１の方向に回転させるように構成され、モータはまた、第２の回転可能な部材を通してエネルギをロータに第１のコイル及び第２のコイルの選択的付勢を通じて伝達することによって軸を第２の方向に回転させるように適応されている。本実施例において、コンピューターシステムがさらにモータと連絡していてもよい。最後に、制御装置は、回転力フィードバックを受ける回転可能な軸と連絡する触覚インターフェイス機器を更に含んでいてもよい。
【００２３】
発明の詳細な説明
本発明によれば、図１を参照すると、力フィードバック感覚を操作者１２に与える能動触覚インターフェースシステム１０が磁気的可制御媒体を含み、能動力又は能動力フィードバック感覚を与えるハンドルのような触覚インターフェイス機器１８を通して操作者に加えるモータ１６によって駆動される磁気的可制御装置１４を備えている。操作者１２は、コンピューターシステム２０によって遂行される対話型プログラムを制御してそれに応答するためにビデオ・ディスプレー２２上に表示される対応する映像で触覚インターフェイス機器１８を動かす。センサ２４は、触覚インターフェイス機器１８の動きを検出してコンピューターシステム２０に動きを報告する。代わりに又はそれに加えて、センサが加えられたトルクを検出してもよい。コンピューターシステム２０は、ディスプレー２２上に新規な映像を発生させ、磁気的可制御装置１４を能動的に制御することによって対話式に応答して、触覚インターフェイス機器１８の動き及びディスプレー２２上の映像に対応する可変能動フィードバック力与える。コンピューターシステム２０は、磁気的可制御装置１４に所望の能動力フィードバック感覚に対応する信号を送る。この信号は、磁気的可制御装置１４に命令してエネルギをモータ１６から触覚インターフェイス機器１８に移す方法でその抵抗を変化させ、所望の能動力フィードバック感覚を生成する。したがって、触覚インターフェースシステム１０及び特にモータ１６と結合した磁気的可制御装置１４は、操作者１２に現実的な力フィードバック感覚を感じることを可能にする能動、可変フィードバック力を与える単純で、経済的で、高性能な解決案を都合よく与える。
【００２４】
本発明の触覚インターフェースシステム１０は、非常に、費用効果的で、コンパクトでかつ頑丈な能動力フィードバック・システムを与える点において特に有益である。ここで使用しているように、用語「能動」は、触覚インターフェイス機器１８に能動的（積極的に作用する、すなわち有効な仕事を行う）力を独立に与える能力をいう。触覚インターフェイス機器に直接に連結された高価なステッパー及びサーボモータを利用して能動力フィードバックを与える従来技術の触覚インターフェースシステムと対照的に、本発明の触覚インターフェースシステム１０は、簡単で、安価な単方向モータ１６を磁気的可制御装置１４と組合せてうまく利用して能動力フィードバック感覚を与える。磁気的可制御装置１４はクラッチとして作用して、モータ１６を失速させるのではなく、スリップが磁気的可制御装置１４内に起こることができるようにしている。
【００２５】
対照的に、従来技術のシステムがそれらの費用のかかるモータ内で失速が起こることができるようにし、モータ内の電流を上昇させ、それは、モータを高応力にさらしてモータの摩耗を増大する。従来技術のシステムにおけるモータが繰り返しさらされる継続的な摩損は、従来技術のシステムがこのような高価で耐久性のあるモータを必要とする理由を説明している。従来技術のシステムは、能動力フィードバック・システムのきびしい要求をする環境に単に適切でないだけでなく、それらに有効に設計されていない。しかし、磁気的可制御装置１４内のスリップがモータ１６に与えられる失速状態を減らすので、これらの問題は本発明で軽減される。その結果、本発明においてより安価で、より耐久性の少ないモータを利用でき、それによってシステムのコストを下げる。
【００２６】
触覚インターフェイス機器１８及びコンピューターシステム２０の間の継続的なフィードバックを通して、コンピューターシステムは、磁気的可制御装置１４に指示してモータ１６から触覚インターフェイス機器にエネルギを伝達して力を与える可変抵抗にする。さらに対話型プログラムを処理することに基づいて、コンピューターシステム２０は、磁気的可制御装置１４によって与えられる抵抗にディスプレー２２上にある映像及び触覚インターフェイス機器１８の動きと共同して変化するように指示する。当業者が理解するように、コンピューターシステム２０は、多数のゲーム又は対話型プログラムから成っていてもよい事象を処理することができ、以下に挙げられる例は、制限的であるというつもりはない。
【００２７】
例えば、そのコンピューターシステム２０が対話型プログラムを駆動しているレースカーを走らせている場合、及び操作者１２がレース・カーを破壊できない壁からそらすように操縦する方向に触覚インターフェイス機器１８を動かすことを試みる場合、コンピューターシステムは、磁気的可制御装置１４を制御して、壁に衝突すると即座にモータ１６からエネルギを伝達して触覚インターフェイス機器１８に衝撃力を与える。さらに、操作者１２が壁の中に操縦し続ける限り、磁気的可制御装置１４及びモータ１６は、操作者によって触覚インターフェイス機器１８に加えられた力以上の抵抗力を与えて、壁が不動で、破壊できないという感じをシミュレーションする。
【００２８】
同様に、同じ対話型レース・カー駆動プログラム及びカーブのまわりで自動車を駆動している操作者１２の場合、コンピューターシステム２０は、モータ１６からエネルギを伝達する可変量の抵抗を与えるように磁気的可制御装置１４に指示する信号を与えて、操作者１２によって触覚インターフェイス機器１８に加えられた力に対抗する力フィードバックを与える。反力は、例えば、自動車の速度及び牽引力並びにカーブの急な度合いによって変る。その結果、本発明のシステム１０は、操作者１２によって触覚インターフェイス機器１８を通して感じられる抵抗力フィードバック感覚を与え、対話型プログラムに試みられた操作に対する現実的な感じを与える。したがって、本発明のシステムは、触覚インターフェイス機器に能動フィードバック力を与えてディスプレー２２上に表示された事象に対する経験である現実の力をシミュレーションする。
【００２９】
図１乃至図４を次に参照すると、触覚インタフェース・ユニット２６の一実施例は、磁気的可制御装置１４、モータ１６、触覚インターフェイス機器１８及びフレーム２８に取付けられたセンサ２４を備える。当業者が理解するように、触覚インタフェース・ユニット２６は、また、コンピューターシステム２０（図４）と触覚インタフェース・ユニット構成要素の間の連通を局部的に制御する処理装置３２を有する制御装置３０を含んでいてもよい。コンピューターシステム２０は、一定速度でモータ１６を駆動すると共に、磁気的可制御装置１４内のセンサ２４及び第１と第２の磁場発生装置３４、３４′と連絡している。図３を明瞭にするために、モータ１６の他方側にある構成要素及びフレーム２８の底板と端板は、取り外されていることに注意されたい。他方側にある構成要素が、図示のものの鏡像であると分かるはずである。モータ１６は結合部材３８を通して第１と第２のディスク形部材３６、３６′を都合よく反対方向に回し、一方  モータ１６はモータ出力軸５０を単一の方向に回す。部材３６、３６′がモータ１６によって互いに逆に回転されるので、コンピューターシステム２０は、磁場発生装置３４、３４′を対話型プログラム及び位置検出器２４からの可変入力信号を処理することに応じて選択的に付勢する。選択的付勢は、連部材３６又は３６′の回転を固定的に中央ロータ４２に取り付けられた駆動軸５０に伝達することになる。モータ１６のエネルギは、ロータ４２、したがって、駆動軸５０に吸収性要素４６又は４６′に入っているそれぞれの磁気的可制御媒体４４若しくは４４′のうちの一方又は両方を横切る磁場を印加することから生ずるロータと部材３６若しくは３６′又は両部材との間の抵抗の変化によって伝達される。本発明のシステム１０は、それにより磁気的可制御装置１４の選択的付勢次第で能動、双方向力を都合よく与える。したがって、触覚インタフェース１８（この場合ハンドル）と作動接触している操作者（図示せず）は、磁気的可制御装置１４を通してモータ１６から伝達されたエネルギから生じる能動力フィードバック感覚を感じる。
【００３０】
磁気的可制御装置１４は、触覚インターフェースシステム１０の費用効果的で、コンパクトかつ頑丈な設計によく寄与する。図３及び４を参照すると、代表的な磁気的可制御装置１４は第１の回転可能な部材３６とロータ４２の間及び第２の回転可能な部材３６′とロータ４２の間の動作領域４８、４８′にそれぞれ配置された第１及び第２の磁気的可制御媒体４４、４４′から成る。ディスク部材３６、３６′は軸５０のまわりに独立に相対回転をするように配置され、一方、ロータ４２は軸に固定されて軸と共に回転する。
【００３１】
軸５０は、回転可能にフレーム２８に好ましくは磁気的可制御装置１４の対向側の２つの位置に固定されるのがよい。ブッシング５２、５２′は、軸５０をそれの比較的摩擦のない回転を許しながら半径方向に支持するようにフレーム２８の両端以内に配置されてもよい。ブッシング５２、５２′に適切な材料は、ナイロン、テフロン（商標）デルリン（商標）及びＭＤＳ充填ナイロン若しくは他のすべての同様な材料、又は軸５０及び磁気的可制御装置１４の重さ及び回転力を変形することなく支えることができ、軸５０とフレーム２８の間に比較的摩擦のない回転を与える軸受のような装置を含む。
【００３２】
同様に、スペーサ５４、５４′は、部材３６、３６′と軸５０の間に部材及び軸の間の摩擦を減らすようにそれぞれ配置されてもよい。摩擦が低いことは、磁場発生装置３４又は３４′のどちらが選択的に付勢されるかに従い軸５０が部材３６又は３６′の方向と反対の方向に回転していることが多いので重要である。軸５０及び部材３６、３６′の間の摩擦をシステム１０の効率及び応答を増やすため及び軸にかかるドラグを減らすためにできればできるだけ小さくすべきである。スペーサ５４、５４′に適切な材料は、ナイロン、テフロン（商標）、デルリン（商標）及びＭＤＳ充填ナイロン若しくは他のすべての同様な材料、又は軸５０と部材３６、３６′の間の摩擦を減らす軸受のような装置を含む。なお、スペーサ５４、５４′は部材３６、３６′とロータ４２の間に配置されて各部材とロータの間に適当な間隔を設定できる。また、スペーサ５４、５４′は部材３６、３６′とロータ４２の間の摩擦を、上記と同じ理由で減らすことを助ける。
【００３３】
磁気的可制御媒体４４、４４′は、それぞれ第１及び第２の磁場発生装置３４、３４′の影響下でそれぞれの隣接した媒体を横切る可変強さの磁場を生成するために選択的に付勢可能である。可変強さ磁場は、コンピューターシステム２０からの可変出力信号４５、４５′に比例し、それは、コンピューターシステムによって計算された所望のフィードバック力と一致する。各々の磁気的可制御媒体４４、４４′は、相対的な動きに対する抵抗の変化を加えられた磁場に比例して与える媒体である。例えば、磁気的可制御媒体４４、４４′は加えられた磁場の大きさに比例して変わるせん断強さ持っていてもよい。換言すれば、媒体の「見掛け粘度」は加えられた磁場の強さと比例して変わり、そして、各それぞれの回転可能な部材３６、３６′とロータ４２の間の相対的な動きに抵抗するための剪断力を与える。磁気的可制御媒体４４、４４′のための適切な媒体は、例えば、共通に譲渡された米国特許番号第５，６８３，６１５号及び第５，７０５，０８５号（本願明細書に参照することによって組み入れられている）に記載されている磁気流動性の流体から成っていてもよい。他の流体（例えば炭化水素油に分散したカルボニル鉄）又は加えられた磁場に応答して性質の変化を示すすべての媒体も使用できる。本発明において使われてもよい他の磁気流動性の流体は、例えばカールソン他の米国特許第５，３８２，３７３号及びワイス他の米国特許第５，５７８，２３８号（参照することによって本明細書に組み入れらている）に開示されている。
【００３４】
第１及び第２の部材３６、３６′は、各々モータ１６によって回転可能でそれらのそれぞれの磁場発生装置３４、３４′に隣接して配置されている。部材３６、３６′はロータ４２の対向側に配置されるのが好ましく、両方の部材はモータ１６によって逆駆動されるのが好ましい。モータ１６は、部材３６、３６′を連続的にかつモータの複雑さ及びコストを減らし、ロータ４２と結合するとすぐに回転部材の運動量を利用するように力フィードバック感覚を与えるように反対方向に回転させる。しかし、当業者には分かるように、さまざまな操作仕様（例えば連続回転対応需型回転及び単方向回転対双方向回転）を有するモータを本発明と共に効果的に利用できる。
【００３５】
ロータ４２と同様に部材３６、３６′は、各々磁束線５６、５６′によって示されるようなそれぞれの媒体４４、４４′を横切る磁場を生成するための極片として作用するために、例えば、ＡＩＳＩ−１０１８の鋼又はＡＩＳＩ−１２Ｌ１４鋼などの磁気的に軟らかい鋼などの透磁性材料を含むのが好ましい。部材３６、３６′は、それらのそれぞれの磁場発生装置３４、３４′の付勢時に選択的に触覚インターフェイス機器１８と連絡できる。このように、選択的付勢の間、触覚インターフェイス機器１８と接触している操作者１２は、選択的に付勢された磁気的可制御媒体４４、４４′によって与えられる変更された抵抗力を感じる。これは、どちらの磁場発生装置３４、３４′が付勢されるかに従って第１の部材３６とロータ４２の間又は第２の部材３６′とロータ４２の間ににエネルギの伝達をもたらす。第１又は第２の部材３６、３６′とロータ４２の相対的な動きに抵抗するかなりの剪断力は、ロータ４２とそれぞれの部材の間の少量の磁気的可制御媒体４４、４４′で得ることができる。したがって、部材３６又は３６′のどちらかとロータ４２の間の剪断動きを含む動きは、本発明の磁気的可制御装置によって可変に制御されることができる。
【００３６】
さらに、磁気的可制御装置１４は、磁気的可制御媒体４４、４４′の媒体そのもののほぼ全量を動作領域４８、４８′にそれぞれ含むのが好ましい。動作領域４８、４８′に媒体４４、４４′を入れるいかなる適当な手段も使うことができる。本発明の好適な実施例によれば、磁気的可制御媒体４４、４４′をそれぞれの動作領域４８、４８′の内に入れる手段は、それぞれ第１の吸収性要素４６と第２の吸収性要素４６′を含む。吸収性要素４６、４６′は、磁気的可制御媒体４４、４４を例えばウィッキング又は毛管作用によって取り上げて保持することができる材料から成る。このような吸収性要素と同じものを含んでいる装置は、「制御可能な媒体装置とそれを利用している装置」という名称のカールソンの米国出願番号第０８／９５９７７５号に記載され、それは、本願明細書において参照して組み入れられている。吸収性要素４６、４６′は、それぞれの磁気的可制御媒体４４、４４′を保持するあき空間を持ったマトリクス構造を有するのが好ましい。磁気的可制御媒体４４、４４′の各媒体そのものが各それぞれの吸収性要素４６、４６′ににある空間内に保持されているが、材料そのものは、吸収性であってもなくてもよい。
【００３７】
吸収性要素４６、４６′のための特に好適な材料は、スポンジ状の材料、例えば、連続気泡の発泡材料又は部分的に連続気泡の発泡材料である。このような発泡材料を作るのに適当な材料は、ポリウレタン、ゴム、シリコーンゴム、ポリアミド、ネオプレン、アイオナー（Ｉｏｎｅｒ）、メラミン、ポリイミド高温発泡材料及び金属発泡材料を含む。さらに、他の例示的な吸収性要素は、例えばノメックスアラミド繊維、ポリベンジマダゾール繊維、テフロンファイバとゴアテックスファイバ、ガラス繊維ウィッキング、及びウーブン・ブレーキ又はクラッチ・ライニング材料でできているフェルトを含むフェルトを含む。金属メッシュ、ブラシ又は植毛表面材料のようなその他の材料及び構造もまた適当である。
【００３８】
吸収性要素４６、４６′は、また、磁気的可制御装置１４の構成要素間の公差を小さくすることができるようにし、それによって、コストを下げるのに有益である。吸収性要素４６の表面における摩耗の影響を打ち消すため及び頑丈な設計を与えるために、ロータ４２とそれぞれの部材３６、３６′の間で各吸収性要素が圧縮されるのが望ましい。コイルばね５８、５８′は、フレーム２８と部材３６、３６′の間に配置されて圧縮力を吸収性要素４６、４６′に与えることができる。さらに、コイルばね５８、５８′は、ディスク６２、６２′に対して寄りかかっているブッシング５５、５５′の間に配置されてもよい。摩耗ディスク６２、６２′は、回転部材とコイルばね５８、５８′の間の摩擦を減らす。装置１４の構成要素は、ばね５８、５８′、アイドラ７０と結合部材３８によって心出しされる。摩耗ディスク６２、６２′とブッシング５５、５５′の適切な材料は、テフロン（商標）、ナイロン、デルリン（商標）及びＭＤＳ充填ナイロン若しくは他のすべての同様な材料、又は回転部材とカラー及び／又はコイルの間の摩擦を減らす装置（例えば軸受）を含む。吸収性要素４６、４６′は、少しの圧縮もしないで利用されてもよいが、材料は約３０％及び７０％の間で静止状態からそのすえ付けられた状況まで圧縮されるのが好ましい。したがって、それぞれの動作領域４８、４８′に各制御可能な媒体４４、４４′のほぼ全量を含むこと及び吸収性要素４６の摩損を見越すことによって、本発明は、大量の媒体及び従来技術の関連のシール、軸受及び閉じ込め装置を設ける必要を避けており、従って、本発明は、全ての構成要素に以前は必要であったきつい公差を減らす。
【００３９】
吸収性要素４６、４６′は、それらのそれぞれの相対的に可動な部材３６、３６′に固定されてそれがそれぞれの動作領域４８、４８′に配置されたままであることを確実にするのが好ましい。代わりとして、吸収性要素４６、４６′は、ロータ４２のどちらかの側に添付されてもよい。好適な実施例によれば、吸収性要素４６、４６′は部材３６、３６′に例えば感圧型接着剤によってそれぞれ接着される。吸収性要素４６、４６′の１つの好適な材料は、片側に感圧型接着剤を有する連続気泡型ポリウレタンフォームである。あるいは、吸収性要素４６、４６′は、それが適所に部材の構造によって保持されるように形づくることができる、例えば、管形の発泡材料をにスリーブとしての部材のまわりに嵌着してもよい。最後に、吸収性要素４６は動作領域３６を満たす必要がない。
【００４０】
上述のように、モータ１６は、簡単な、直流（ＤＣ）モータからなり、単一の方向において単一の操作速度で回転するのが好ましい。単一方向、単一速度モータは本発明を非常に単純化し、従来技術において必要なモータに対してコストを下げる。適切なモータ１６の例は、ブーヒア（Ｂｕｈｉｅｒ）、ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ）、デイトン（Ｄａｙｔｏｎ）又はキヤノン（Ｃａｎｏｎ）によって製造される小形永久磁石モータを含む。
【００４１】
図３と４を再度参照すると、モータ１６は、フレーム２８のＶ−ブロックに、例えばＣ−クランプ、ブラケット又はフレーム２８の部材の間の保持力の適切な手段によって組立時に取り付けられる。モータ１６は、さらに両方の部材３６、３６′と連絡している出力軸４０を備えている。出力軸４０は、直接に部材３６、３６′とかみ合ってもよいし、又は、好ましくは、出力軸は出力軸と部材を接続する結合部材３８（例えばピニオン、歯車付車又は摩擦車）を備えていてもよい。さらに、係合リング６６、６６′は、エネルギのモータ１６から部材への伝達を改善するために摩擦又は効率を増やすように各部材３６、３６′と軸４０又は結合部材３８の間に配置されてもよい。係合リング６６と６６′のための適切な材料は、エラストマ（例えば天然ゴム、ニトリル又はネオプレン）若しくはその他のすべての適切な材料、又はモータ１６から部材３６、３６′へエネルギを伝達するときに効率を大きくする装置（例えばギア）を含む。
【００４２】
軸４０又は結合部材３８と部材３６、３６′はある比の有効径を有し、ここで「有効径」とは、それらが連結する点における各それぞれの構成要素のモータ１６の回転エネルギーをロータ４２に伝達するのに適当な直径である。この比は、操作者１２に触覚インターフェイス機器１８を介して現実的な力フィードバック感覚を発生させるのに十分なトルクを与える。例えば、触覚インターフェイス機器１８は、１５．２４〜２５．４ｃｍ（６−１０インチ）径のハンドルであり、そのモータ１６は、約１０００−４０００の回転／分（ｒｐｍ）で回転している直流電動機である場合、そして部材３６、３６′と軸４０、又は、結合部材３８の間の有効直径比は、約１０：１と５０：１の間であるのが好ましく、最も好ましくは約１８：１である。
【００４３】
アイドラ装置７０は、好ましくはころ軸受のような軸受装置７２を用いてフレーム２８に取り付けられるのがよい。アイドラ装置７０は、部材３６、３６′の間で、好ましくは磁気的可制御装置１４のモータ１６と反対側に配置される。アイドラ装置７０は、モータ１６を補足してモ−タとの離脱を生じるかその可能性のある部材３６、３６′の間の角の形成を防ぐ回転部材である。モータ１６と同様に、アイドラ装置７０は、両方の部材３６、３６′と連絡している出力軸７４を備える。出力軸７４は、部材３６、３６′にかみ合ってもよく、又は、好ましくは、出力軸は出力軸と部材を接続する結合部材７６（例えばピニオン、歯車付車又は摩擦車）から成る。モータ１６と同様に、結合部材７６は、好ましくは係合リング６６、６６′に接触する。あるいは、モータ１６の位置から１２０度時計まわりと逆時計回りに位置する複数のアイドラは設けてもよい。
【００４４】
図３と４を参照すると、第１及び第２の磁気的場生成装置３４、３４′は、それぞれ保持器８２、８２′（例えばボビン又はスプール）のまわりに巻かれた電導線で形成された第１及び第２のコイル８０、８０′から成る。各コイル８０、８０′を形成する電線のフープ巻線は、電気でコイルを付勢することが磁気的に制御された媒体４４、４４′を横切る誘起磁場（磁束線４４によって表されている）を生成するように巻かれる。誘起磁場は、コイル４８を付勢するために与えられる電流及び巻線の数に比例し、コンピューターシステム２０の出力信号によって制御される。当業者には分かっているように、各コイルを形成する電線は、所望の磁場強度の範囲、所望の電流の範囲、空間制約及び電圧次第で、広範囲の導電性の材料から選ぶことができる。例えば、電線は、銅、アルミニウム、金、銀などの材料からなっていてもよい。同様に、電線のゲージ及び各コイル８０、８０′内の巻線の数は、用途に左右され、当業者が公知の方法によって決定できる。
【００４５】
第１及び第２の磁場発生装置３４、３４′は、それぞれ第１の部材３６と第２の部材３６′と隣接していてもよいが、それぞれ好ましくはロータ４２の対抗する軸方向の面内にそれぞれあるへこみ８６、８６′内に配置されるのがよい。当業者が理解するように、しかし、磁場発生装置３４、３４′は、磁束をそれを通して生成するためにはロータ４２とそれぞれの磁気的可制御媒体の４４、４４′と関連の回転可能な部材３６、３６′に隣接してどこにでも置くことができる。
【００４６】
各それぞれのコイル８０、８０′を構成する電線は、リード線８４、８４′によってコンピューターシステム２０に接続され、コンピューターシステム２０は、（以下にさらに詳細に論じられているように）信号４５、４５′を各コイルを選択的に付勢するために与える。リード線８４、８４′は軸５０を通して送られ、この軸は中空であってコンピューターシステム２０に発生装置３４、３４′のコイル８０、８０′をそれぞれ接続するために軸に付けたねじ付き貫通穴８５のあるのが好ましい。みぞ８３は、電線８４、８４′を受けるためにロータ４０の一つ以上の側において形成されてもよい。電線８４、８４′がロータ４２などの可動部材に取り付けられることがあるので、電線の過剰な引っ張り、曲げ又は回転によって電線を切ることを避けるためにその部材の動きを制限する必要があることがある。あるいは、線形、回転、旋回又は曲線の動きが大きすぎてさえ電線とコンピューターシステム２０の間の接続を可能にする手段を備えてもよい。例えば、スリップリングコネクタ、電線巻取リール及びコイル状に巻かれた電線を用いて信頼できる接続を維持しながら、大量の動きをできるようにしてもよい。しかし、これらの代替物は、一般により高価なので、費用効果的な触覚インターフェースシステムとしても望ましくない。
【００４７】
図１を参照すると、磁気的可制御装置１４は、触覚インタフェース・ユニット２６を構成するように触覚インターフェイス機器１８及びセンサ２４と一体化されるのが好ましい。触覚インタフェース・ユニット２６は、以下にさらに詳細に論じるように、さらに制御装置５４及び／又は信号の増幅装置５６を備えてもよい。触覚インタフェース・ユニット２６は上述の構成要素を取付けるフレーム２８更に備えていてもよい。フレーム２８は、さらに内部構成要素を外部要素から保護するためにハウジング又はシェルを備えていてもよい。
【００４８】
適切な触覚インターフェイス機器１８がハンドル、ジョイスティック、かじ取りわく、座席、モータ二輪車フレーム、噴射スキー・フレーム、滑降競技スキー板フレーム、又は足踏み板及び操作者２２と操作可能な接触をしているその他の任意の装置からなっていてもよい。図３を参照すると、触覚インターフェイス機器１８（図４）は、軸５０に例えば圧力ばめ、接着又は例えばクランプ又は止めねじのような機械的手段に固定される。このように、装置１８（この場合ハンドル）と作動接触している操作者１２はまた軸５０を回転させる。同様に、軸５０は、また、回転  部材３６又は３６′の軸５０に固定されているロータ４２との選択的係合を介してモータ１６によって回転される。したがって、触覚インターフェイス機器１８は、エネルギをモータ１６から操作者１２へ伝達して能動力フィードバック感覚を与える。
【００４９】
センサ２４が触覚インターフェイス機器１８（図４）と連絡して触覚インターフェイス機器が動かされてもよい複数の位置のどれか中の検出された位置を識別する。センサ２４は、検出された位置に基づいて可変入力信号９２をコンピューターシステム２０に与える。触覚インターフェイス機器１８が連続して動いていることがあるので、センサ２０は、コンピューターシステム２０が対話型プログラムに現実的な感じを与えるために触覚インターフェイス機器の更新された検出位置をコンピューターシステム２０に迅速に与えなければならない。理想的には、センサ２４は、検出された位置の動き、したがって触覚インターフェイス機器１８の検出された位置の動きに応じて変化する電流、抵抗、電圧又はデジタルパルスなどの連続信号を与える。連続信号をコンピューターシステム２０に与えることによって、センサ２４は触覚インターフェイス機器１８の位置にある事実上瞬間的なフィードバックをコンピューターシステム２０に与える。適当なセンサは、クラロスタット（Ｃｌａｒｏｓｔａｔ）１０Ｋオーム電位差計のような電位差計、例えばクラロスタット・シリーズ６０００光学式回転エンコーダなどの光学エンコーダ、又はあらゆる種類のレオスタットもしくは可変抵抗器をからなっていてもよい。
【００５０】
図４を参照すると、例えば、電位差計のようなセンサ２４は、触覚インターフェイス機器１８（ハンドル）に固定的に連結された軸５０上に取り付けられて、ハンドルの回転を検出して報告し、信号９２をコンピューターシステム２０に与えることができる。また、複数のセンサ２４が、触覚インターフェイス機器１８の複雑な動きを検出するために必要になることがある。例えば、触覚インターフェイス機器１８がジョイスティックである場合、１つのセンサ２４はｘ方向の動きを決定するためにジョイスティックの一つの構成要素に接続でき、一方、もう一つのセンサ２４はｙ方向の動きを決定するためにジョイスティックのもう一つの構成要素に接続できる。この例では、ｘ方向センサ及びｙ方向センサは、各々コンピューターシステム２０に検出されたジョイスチックの位置に対応する可変入力信号を送ることができる。
【００５１】
図１を参照すると、コンピューターシステム２０は、ホストコンピュータ９４を備えてもよく、触覚インターフェイス機器１８と連通するために必要な他の構成要素の中で制御装置３４及び増幅装置９０を更に含んでいてもよい。ホストコンピュータ９４は、普通は、例えば、電気信号を送受する入出力９６、対話型プログラムを表わす電気信号をそれぞれ処理し記憶する処理装置６２及び記憶装置６４を備えている。適当なホストコンピュータ９４は、例えば、コンパック、ＩＢＭゲートウェイなどのパソコン又は実行可能なプログラムを遂行するのに適応した他の適当なコンピュータである。入出力９６は、複数の直列及び並列の連通ポート（例えばＲＳ−２３２型ポート及びユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）のような高速双方向性通信チャンネル）を備えてもよい。処理装置９８は、インテルのペンティアム（Ｐｅｎｔｉｕｍ）マイクロプロセッサを備えてもよい。記憶装置１００は、他の周知の型の記憶装置と同様に、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及びリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を備えていてもよい。当業者が認めるように、特定の用途に依って、本発明と一緒に利用できる広範囲のパーソナルコンピュータ又は他のコンピュータ、入出力、処理装置及び記憶装置がある。
【００５２】
ホストコンピューター９４は、センサ２４からの可変入力信号を受け、可変出力信号を磁気的可制御装置１４に与える。上述のように、継続的なフィードバックループが、コンピューターシステム２０と触覚インターフェイス機器１８との間、したがって、ホストコンピュータ９４と磁気的可制御装置１４とセンサ２４との間にある。ホストコンピュータ９４によって処理されている対話型プログラムは、対話型プログラムへの入力としてセンサ２４からの可変入力信号を使用する。この入力に基づいて、ホストコンピュータ９４はさらに対話型プログラムを処理して、磁気的可制御装置２４に送る可変出力信号を決定する。
【００５３】
例えば、ホストコンピュータ９４内の対話型プログラムはセンサ２４からの入力信号を処理し、ホストコンピュータ９４は、現実の感覚をシミュレーションするために操作者１２がディスプレー２２上に見ているものを操作者が触覚インターフェイス機器２６を通して感じているものと調整するために磁気的可制御装置２４から要求された半能動抵抗力を決定する。ホストコンピュータ９４は、表示されているイメージを更新するためにディスプレー２２へ信号１１４を送り、同時に磁気的可制御装置１４に出力信号を送る。磁気的可制御装置１４に送られた出力信号は、例えば操作者１２が感じたいと望んでいる抵抗力に比例した値を有する電流であってもよい。したがって、操作者１２は、モータ１６からのエネルギを触覚インターフェイス機器に伝えてそれにより力のフィードバック感覚を与える磁気的可制御装置１４によって加えられた能動力を感じる。
【００５４】
図４を参照すると、電気信号機は、電線８４又は８４′を通して伝達されて磁場発生装置３４又は３４′を選択的に付勢できる。部材３６又は３６′の間の抵抗力とロータ４２は、磁気的可制御媒体４４又は４４′全体に生成される磁場によって変えられてもよい。部材３６又は３６′とロータ４２の間の抵抗力は磁気的可制御媒体４４又は４４′を横切って生成される磁場によって変えられることができる。その結果、モータ１６から部材３６又は３６′、ロータ４２及び軸５０を介して機器１８へ伝達されるエネルギの変化は、操作者１２によって感じられる。
【００５５】
一般に、コンピューターシステム２０がセンサ２４からの可変入力信号９２を受けて磁気的可制御装置１４に可変出力信号を発生するが、多くの異なる構成要素が信号処理に関係していることがある。図１を参照すると、例えば、ホストコンピュータ９４は、加えられるべき所望の抵抗力に比例する電流から成る出力信号１０２を触覚インターフェイス機器１８に送ることができる。出力信号１０２は、追加の処理のために制御装置３０によって受けられてもよい。制御装置３０は、低電力制御信号１０２を受けてそれを処理して磁気的可制御装置１４を駆動するための比例した電流に変換する。制御装置３０は、入出力１０４、電気信号を処理する処理装置３２、電気信号を記憶する記憶装置１０６、及び／又は電気信号を記憶して処理するファームウェア１０８を有するマイクロコンピュータ又はマイクロ制御装置であってもよく、ここで、電気信号は、局部対話型プログラム又は装置１０を備えた他の装置からの入力を表わしている。入出力１０４、処理装置３２及び記憶装置１０６は、事実上ホストコンピュータ９４に対して上記したものと同様であってもよいが、制御装置３０の能力は、コストを下げるためにもっと制限されてもよい。制御装置３０は、ホストコンピュータ９４からの出力信号１０２を処理して修正出力信号１０２′を与える。
【００５６】
さらに、制御装置３０は、装置１０内の構成要素から直接に受ける信号又は信号の部分を局部的に処理してもよい。例えば、制御装置３０はセンサ２４から可変入力信号９２を受けて、入力信号をホストコンピュータ９４に修正可変入力信号９２′として通す前に局部的に処理されてもよい部分に対する信号を検索する。また、制御装置３０は、入力信号９２をホストコンピュータ９４によって容易に理解されか又は処理されるフォーマットにするために修正入力信号９２′を与えることができる。さらに、制御装置３０は、例えば触覚インターフェイス機器１８にあるボタン又は引金１１１からの信号などの触覚インターフェイス機器からの入力信号１１２を自由選択的に受けることができる。入力信号１１２は、例えば、反射形応答（例えば銃の点火）を必要とする  信号であってもよい。非常によくあるこれらの形式の信号の処理をホストコンピュータ９４に負わせるのではなく、制御装置３０は、処理能力を備えていてもよい。入力信号１１２は、制御装置３０によって完全に処理され、それによってホストコンピュータ９４にかかる処理負担を都合よく減らすことができる。したがって、制御装置３０の使用は、対話型プログラムを遂行することにおいてホストコンピュータ９４によって実行されている力フィードバックの計算と並列に力フィードバックの計算を実行することによって装置１０の効率を大きくする。同様に、制御装置３０は、出力信号１０２の全て又は一部から成る簡潔なハイレベル指令を受けて局所的に制御装置３０内で処理できる。これらのハイレベル指令は、制御装置３０によって局所的に容易に処理できる簡単な半能動可変抵抗力感覚を表すことがでえきる。したがって、実際には、制御装置３０は、装置１０の総合効率を最大にするために平行処理能力をホストコンピュータ９４に与える。
【００５７】
制御装置３０によって与えられる修正可変出力信号１０２′は磁気的可制御装置１４によって受けられる前に、それ以上の処理を必要とすることがある。修正出力信号１０２′は、たとえば増幅出力信号１０２″を与えるように修正出力信号１０２′のレベルを増大させるために増幅装置９０によって受けられてもよい。修正出力信号１０２′は、所望の抵抗力を与えるために所望の強さの磁場を生成するようにコイル８０を適切に付勢するのに十分でない低い電流の可変信号であってもよい。この問題を解決するために、増幅装置９０は修正出力信号１０２′の強さすなわち電流量をコイル８０を適切に付勢するのに十分なレベルに比例して大きくする。したがって、増幅装置９０によって、都合よくより低い強さの信号を装置１０内で処理でき、磁気的可制御装置１４を適切に付勢するのに必要なレベルに信号を増大させる前に、必要な構成要素の強さ及びパワーを小さくすることによってコストの節約をする。
【００５８】
上述のように、制御装置３０及び増幅装置９０は、コンピューターシステム２０又は触覚インタフェース・ユニットの一部分であってもよいし、又は、それらは装置１０内の別個の構成要素であってもよい。当業者は、上記したさまざまな構成要素が装置の運転可能性に影響を及ぼすことなく多数の方法で組合されてもよいことを理解するであろう。同様に、いくつかの構成要素（例えば制御装置３０の増幅装置９０）は、それらの機能が他のシステム構成要素（例えばホストコンピュータ９４）によって適切に実行される得る場合、必要でないことがある。したがって、装置１０の上記の構成の変化は、本発明によって予測されている。
【００５９】
触覚インターフェースシステム２０は、２つの密接に結合された対話型機能、すなわち感覚的入力機能及び力出力機能を備えている。感覚の入力機能は触覚インターフェイス機器の操作者の手動の操作を追跡し、それらの操作を表わす感覚的データをホストコンピュータへ送る。力出力機能は、物理的フィードバックを操作者にホストコンピータからの指令に応答して与える。これらの２つの機能は、感覚的入力機能が力出力機能に、またその逆に応答して一般に変化するという点で絡み合っている。換言すれば、触覚インターフェイス機器の操作者の操作は、加えられた抵抗力又は力フィードバックによって影響を受け、加えられる抵抗力は、操作者の操作次第である。したがって、触覚インターフェースシステム２０は、非常に複雑で連続な相互作用を含む。
【００６０】
動作時には、ホストコンピュータ９４は対話型プログラム（例えばゲーム）をディスプレー２２によって受けられるビデオ信号１１４を発生させるために処理装置５０を用いて遂行する。ビデオ信号１１４は、ゲーム内で起こっている事象に対応する映像をディスプレー２２上に発生させるために用いられる電気信号である。操作者１２は、触覚インターフェイス機器１８（例えばハンドル又はジョイスティック）を見た事象で動かすことによって事象に応答する。センサ２４は、車又はジョイスティックの位置を表している追跡情報を含む可変入力信号９２を制御装置３０に送る。制御装置３０は、情報を局部的に処理すること及び情報又は情報の修正された形をホストコンピュータ９４へ修正された可変入力信号９２′として進めることによって情報に応答できる。局部的に情報を処理するときでさえ、制御装置３０は、最近の入力と対応するように事象の生成された映像を更新するために修正可変入力信号９２′をホストコンピュータ９４及び／又はディスプレー２２に与えることができる。
【００６１】
ホストコンピュータ９４は、制御装置３０から修正可変入力信号９２′を受け、対話型ゲームを遂行している処理装置９８にその情報を入力する。ホストコンピュータ９４は、修正入力信号９２′の処理に基づいて、ディスプレー２２上に発生した事象の映像を更新し、可変出力信号１０２をハンドル又はジョイスティックを動かしているときに操作者１２によって感じられる抵抗力に比例して与える。可変出力信号１０２は、制御装置３０によって修正され、増幅された可変出力信号１０２″として磁気的可制御装置１４に達する前に増幅装置９０によって増幅されてもよい。増幅された可変出力信号１０２」は事象を調整するようにホストコンピュータ９４によって計算される抵抗力を始動する。増幅された可変出力信号１０２」は、それによって、磁気的可制御装置１４内のコイル８０又は８０′を選択的に付勢して磁場を生成する。磁場は作業領域４８又は４８′を横切って加えられ、吸収性要素４６又は４６′内に含まれている磁気的可制御媒体４４又は４４′のせん断強さに影響を及ぼす。媒体４４又は４４′のせん断強さへの影響は、第１の部材３６又は第２の部材３６′と触覚インターフェイス機器１８に軸４０を介して接続されているロータ４２の間に能動抵抗力をつくる。その結果、操作者１２は、触覚インターフェイス機器１８を通して抵抗力を感じる。したがって、触覚インターフェースシステム１０は、例えば、がたがた揺れるブラスト、堅いか軟らかい表面、粘性液、増加重力、可撓性ばね、耳障りな振動、格子組織、重い塊、突風及び数学的に表されコンピューターシステム２０によって計算できるその他のすべての物理的な現象などの感じをシミュレーションするために、触覚インターフェイス機器１８を介して能動力フィードバック感覚をもたらす力を操作者１２に与える。
【００６２】
触覚インターフェースシステム１０を触覚インタフェース・ユニットの特定の実施例と上述の磁気的可制御装置に関して説明したが、本願明細書において開示された磁気的可制御触覚インターフェースシステムの教示を利用する多くの他の変化形及び構成を採用できる。各々が上述の構成要素の異なる構成を必要とすることのある多くの触覚インターフェイス機器１８がある。例えば、特定の触覚インターフェイス機器は、線形力、回転力及び部分的回転力又は曲線的力を必要とすることがある。この開示に記載された教示をこのような要求条件を達成するのに適応できる。同様に、磁気的可制御装置１４の他実施例を同様結果を与えるために利用してもよい。例えば、単向回転エネルギー、線形エネルギー及び部分回転エネルギー又は曲線形エネルギを伝達する磁気的可制御装置を必要必要とすることがある。また、本願明細書において開示された原理は、そのような要求条件を達成するのに適応できる。
【００６３】
本発明をこれらの好適な実施例に関して説明したが、その他の実施例が同じ結果を達成することができる。本発明の変化態様及び変更態様は当業者にとって明らかであり、以下の請求項は目的とする全てのそのような変更態様及び等価物を包含するように考えられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触覚インターフェースシステムの概略図である。
【図２】本発明の触覚インタフェース・ユニットの一実施例の透視図である。
【図３】図２の触覚インタフェース・ユニットの分解斜視図で、明瞭にするために若干の構成要素を省略してある。
【図４】図２と３にある触覚インタフェース・ユニットの横断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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