改善された触覚レンダリングを有する触覚インタフェース

本発明は、改善された触覚レンダリングを有する触覚インタフェースに関する。

触覚インタフェースは、ユーザによって操作される回転ボタンの形を取りうる。この場合、インタフェースは、作動ボタンの角度位置とユーザによって加えられた動きに従ってユーザに抵抗を与えるトルクを生成し、これにより、ボタンを回転させたときにユーザによって知覚される触覚パターンを規定することを可能にする。

抵抗トルクは、磁気粘性流体によってボタンに伝達されてもよく、その見掛け粘性は、所定の触覚パターンを規定する磁界を印加することによって変更される。この構成では、触覚感覚はボタンの位置の角度関数であり、特定の触覚パターンの生成が、知覚する触覚品質を低下させる望ましくない作用によって損なわれる。

例えば、インタフェースがストップを再現する場合、ボタンが、触覚ストップとして規定された角度ゾーンに入ったときに大きい抵抗トルクを生成しなければならない。システムはこの構成のとき、この安定状態でロックされる。次に、ユーザは、負荷をかけてボタンを反対方向に回転させ、固着感覚を知覚し、したがって、ユーザが知覚ストップとして規定された角度ゾーンから出るまでにストップから「離れ」なければならない。

特許文献1は、磁気粘性流体を有する触覚インタフェースの例について述べており、このインタフェースの回転シャフト内に、ボタンと磁気粘性流体に接する要素との間の相対運動を導入するばねが提供される。その結果、ユーザが、ストップでボタンを反対方向に動かすとき、ばねによって引き起こされる相対運動によってシャフトが動き、この動きを角度位置センサが検出できる。しかしながら、ばね剛性の選択は複雑であり、実際に、ばねが硬すぎると、ユーザは、角度位置によって検出可能な動きが起こるまで、ばねの剛性に対抗できる大きい負荷を加えなければならない。これと反対に、ばね剛性が低すぎると、ユーザは、ストップ(理論的に無限の剛性)を知覚する代わりにばねの剛性を知覚し、生じるストップ感覚が良質なものでなくなる。

より一般に、ある方向の触覚パターンが逆方向の触覚パターンと異なるときの感覚のシミュレーションは、インタフェースの満足な触覚レンダリングを妨げる固着感覚を生成する可能性がある。

また、触覚パターン(例えば、ストップ)の再現は、ユーザがボタンを放したことが検出されないので、ユーザがボタンを放した場合でも、求められる触覚パターンを生成するために、コイルの電源が見掛け粘度を変化させる磁界を作り出すための連続的な電力消費を必要とするという欠点を伴う。

米国特許公開公報第2006/0280575号

本発明の1つの目的は、第1の運動方向と第1の運動方向とは反対の第2の方向とで触覚パターンが異なる場合、例えばストップを再現する場合に、改善された触覚レンダリングを提供する触覚インタフェースを提供することである。

前述の目的は、ユーザ相互作用要素(以降、ユーザ相互作用要素と呼ぶ)と流体と相互作用する要素((以降、流体相互作用要素と呼ぶ))であって、流体の粘度が制御刺激に応じて変化し、少なくとも回転不可能又は少なくとも平行移動不可能に固定された2つの要素と、可変刺激を生成する手段と、ユーザ相互作用要素の現在位置を測定するセンサと、ユーザ相互作用要素に印加される動きが、ユーザと位置測定センサに知覚可能になる前に、ユーザの意図した動作を検出して、ユーザ相互作用要素にユーザが印加しようとする動きの方向を決定する手段とを備えた触覚インタフェースによって達成される。

本発明によって、ユーザ相互作用要素が動く方向の情報ができるだけ早期に得られ、それに応じて磁界を生成する手段を制御することができる。ユーザ相互作用要素がストップゾーン内にあり、ユーザが求める動きの方向がストップの方向と一致する場合は、磁界が維持されるか再印加される。ユーザが求める動きの方向が、ボタンがストップゾーンから出るような方向である場合、磁界は、低減又は抑制される。

位置センサがユーザの意図を検出するほどは敏感でないことに注意されたい。

本発明は、ユーザの動きを予想することによってインタフェースの制御の空間的及び時間的遅延を減少させ、更には抑制することを可能にする。

磁気粘性流体の場合、本発明によってユーザがインタフェース上で動作を保持するか否かを決定でき、連続磁界を印加する必要がなくなるので、消費電力を削減しうる。電気粘性流体が使用されるときに同じ利点が存在する。

ユーザの意図は、ユーザ相互作用要素に印加される力を、インタフェースの要素の歪みで評価することによって検出される。例えば、回転可能な触覚インタフェースの場合、相互作用要素を接続する回転シャフト上、流体と相互作用する要素上、又はより好ましくは触覚パターンを再現する要素とフレームの両方に接続され歪みが測定される追加部分によって、ねじりトルクを検出できる。歪みは、例えば、触覚インタフェースに印加されるトルクの方向と、印加されたねじりトルクが、ユーザが触覚インタフェースを有効に操作したいと見なされる所定のしきい値を越えた否かを決定するのに適した1つ以上の負荷センサによって検出される。

現在位置センサとユーザの意図を決定する手段からの情報の複合処理によって、動きがないときはユーザの意図した動作の方向、又は動きがあるときは回転速度の符号に依存する触覚パターンを適用可能にする。触覚パターンのそのような管理によって、方向を変更するときにユーザが大きな寄生負荷を知覚することなく、触覚パターンを、ボタンのユーザ相互作用要素の望ましい運動方向と関連付けることが可能である。

インタフェースが、ユーザ相互作用要素の現在位置と、ユーザ相互作用要素の動作速度とに従って、流体に印加される可変刺激を調整するのに適した手段を備えることができるときわめて好都合である。ユーザ相互作用要素の動作速度に応じて触覚パターンを適用することによって、ユーザ相互作用要素の動作速度に従って触覚感覚を調整、例えば強調できる。この調整は、パターンの振幅又は形状の変更に関連できる。したがって、触覚パターン値を選択する際に動作速度を考慮することによって、触覚感覚の制御が改善される。例えば、動作速度が高いときに触覚感覚の低下が防止される。

したがって、本発明の内容は、 第1の方向と第2の方向に動くのに適したユーザ相互作用要素と、 流体と相互作用する要素であって、その流体の粘度が、外部刺激により変化し、ユーザ相互作用要素と少なくとも平行移動不可能に又は少なくとも回転不可能に固定された流体と相互作用する要素と、 ユーザ相互作用要素の現在位置を測定する手段と、 その粘度が外部刺激に従って変化する流体と、命令で前記流体内に前記刺激を生成するシステムを含む制動装置であって、流体相互作用要素が前記流体内に配置された制動装置と、 刺激値を変更する命令を前記刺激を生成する前記システムに生成するのに適した制御ユニットと、及び ユーザ相互作用要素にユーザによって印加されるトルクを検出する手段であって、ユーザ相互作用要素が回転可能なものである場合に、トルクの方向とそのトルクが所定の方向で所定の値より大きいか否かを決定するために、制御ユニットが、少なくともユーザ相互作用要素の速度がゼロ又は低速度であることが検出されたときのトルクについて得られた情報に基づいて前記刺激を生成するようにシステムを制御する手段又は、 ユーザ相互作用要素にユーザによって印加される負荷を検出する手段であって、ユーザ相互作用要素が平行移動可能なものである場合に、力の方向とその力が所定の方向で所定の値より大きいか否かを決定するために、制御ユニットが、少なくともユーザ相互作用要素の速度がゼロ又は低速度であることが検出されたときの力について得られた情報に基づいて前記刺激を生成するようにシステムを制御する手段とを備えた触覚インタフェースを包含する。

一実施形態の一例では、ユーザ相互作用要素に対してユーザによって印加されるトルク又は力を検出する手段が少なくとも1つの負荷センサを備え、優先的に(preferentially)予圧(pre-stressed)されて取り付けられている。好ましくは、ユーザ相互作用要素に対してユーザによって印加されるトルク又は力を検出する手段が2つの負荷センサを備え、この2つのセンサは、トルク又は力が第1の方向に印加されたときの負荷を一方の負荷センサが検出し、トルク又は力が第2の方向に印加されたときの負荷を他方の負荷センサが検出するように配置されている。

一実施形態の更に他の例では、ユーザ相互作用要素に対してユーザによって印加されたトルク又は力を検出する手段が、触覚インタフェースの要素のうちの1つへのトルク又は力によって生じた歪みの少なくとも1つのセンサを備える。好ましくは、ユーザ相互作用要素に対してユーザによって印加されたトルク又は力を検出する手段は、触覚インタフェースの要素のうちの1つへのトルク又は力によって生じる歪みの2つのセンサを備え、前記歪みセンサは、トルク又は力が第1の方向に印加されたときの歪みを一方の歪みセンサが検出し、トルク又は力が第2の方向に印加されたときの歪みを他方の歪みセンサが検出するように配置される。

例えば、触覚インタフェースは、ユーザ相互作用要素に対してユーザによって印加されたトルク又は力によって歪むように配置されたプルーフ体(proof body)備え、トルク又は力を検出する手段が前記プルーフ体と接触している。

好ましくは、プルーフ体は歪みがユーザによって知覚可能でないような材料で作成されている。

負荷センサは、プルーフ体と点接触してもよい。

触覚インタフェースは、トルク又は力を検出する手段が取り付けられたフレームを備え、プルーフ体は、ユーザ相互作用要素にトルク又は力が印加されたときに歪むように、一方で制動装置に固定され、他方でフレームに固定される。

負荷センサ又は歪みセンサは、プルーフ体に対して、トルク又は力に対する負荷センサの測定感度が最大になるように配置されると有利である。

実施形態の一例では、ユーザ相互作用要素は、回転可能であり、かつ回転シャフトにその長手軸で固定され、流体と相互作用する要素は回転不可能に固定され、回転トルクが決定される。次に、制動装置は、回転シャフトと同軸の円形断面を有する円筒形ハウジングを備えることができ、プルーフ体は、同軸円形断面を有する円筒形であり、ハウジングのまわりに同軸で配置され、負荷センサ又は歪みセンサが、回転シャフトの回転軸を中心とする円状に配置される。

実施形態の更に他の例では、ユーザ相互作用要素は平行移動可能である。

例えば、流体は磁気粘性流体であり、刺激は磁界である。

本発明の別の内容は、本発明による触覚インタフェースを制御する方法であり、 ユーザ相互作用要素の現在位置を測定する手段によって提供された情報に基づいて、ユーザ相互作用要素の速度を決定するステップと、 ユーザ相互作用要素に印加されたトルク又は力を決定するステップと、 ユーザ相互作用要素の現在位置を決定するステップとを含み、 速度が所定の速度より大きい場合に、回転方向を速度によって提供されるものとし、刺激を生成するシステムが、決定された現在位置と決定された回転方向について記録された触覚パターンを適用するように制御され、 速度が所定の速度より低い場合かつトルク又は力が正しきい値より大きいか負しきい値より小さい場合に、ユーザ相互作用要素の運動方向を決定されたトルク又は力から推測し、刺激を生成するシステムが、この現在位置と推測された運動方向について記録された触覚パターンに従って刺激を印加するように制御される。

決定されたトルク又は力が所定の値より小さい場合に、刺激は流体に印加されない。

実施形態の1つの有利な例では、ユーザ相互作用要素の現在位置と、ユーザ相互作用要素の動作速度とに従って流体に印加される可変刺激を調整するのに適した手段が提供され、制御ユニットは、少なくとも、 動作速度の標準または平均(norm)が第1の所定の値以下かつゼロではなく、かつユーザ相互作用要素が第1の方向に動かされるときの第1の触覚パターンの値を含む第1のデータベースと、 動作速度の標準が第2の所定の値と少なくとも等しく、かつユーザ相互作用要素が第1の方向に動かされるときの第2の触覚パターンの値を含む第2のデータベースと、 動作速度の標準が第3の所定の値以下であってゼロではなく、かつユーザ相互作用要素が第2の方向に動かされるときの第3の触覚パターンの値を含む第3のデータベースと、 動作速度の標準が少なくとも第4の所定値と等しく、かつユーザ相互作用要素が第1の方向に動かされるときの第4の触覚パターンの値を含む第4のデータベースと、 ユーザ相互作用要素の動作方向、第1及び/又は第2のデータベース、又は第3及び/又は第4のデータベースに従って使用する命令を生成して、生成された命令に基づいて新しい触覚パターンの値を決定するのに適した手段とを備える。

一実施形態の更に他の例では、制御ユニットが、少なくとも、 動作速度の標準が、第1の所定の値以下でありかつユーザ相互作用要素が第1の方向に動かされるときの第1の触覚パターンの値を含む第1のデータベースと、 動作速度の標準が第2の所定の値と少なくとも等しくかつユーザ相互作用要素が第1の方向に動かされるときの第2の触覚パターンの値を含む第2のデータベースと、 動作速度の標準が第3の所定の値以下でありかつ、ユーザ相互作用要素が第2の方向に動かされるときの第3の触覚パターンの値を含む第3のデータベースと、 動作速度の標準が少なくとも第4の所定値と等しくかつユーザ相互作用要素が第1の方向に動かされるときの第4の触覚パターンの値を含む第4のデータベースと、 ユーザ相互作用要素の動作方向、第1及び/又は第2のデータベース、又は第3及び/又は第4のデータベースに従って使用する命令を生成して、生成された命令に基づいて新しい触覚パターンの値を決定するのに適した手段とを備える。

好ましくは、命令を生成する手段が、第1のデータベースの値と第2のデータベースの値の間、又は第3のデータベースの値と第4のデータベースの値の間に、補間(例えば、一次補間)を適用する。

例えば、第2の所定の速度は第1の動作方向の最大動作速度として定義されてもよく、第4の所定の速度は第2の動作方向の最大動作速度として定義されてもよい。

動作速度を決定する手段は、例えば、現在位置を決定する手段によって提供される情報の派生物を計算する。

実施形態の一例では、ユーザ相互作用要素は、回転可能であり、回転シャフトにその長手軸で固定され、流体と相互作用する要素が回転不可能に固定され、角度位置を測定する手段が角度位置センサを備える。

ユーザ相互作用要素の動作速度を考慮する場合、制御手段は、 a)ユーザ相互作用要素の現在位置を決定するステップと、 b)ユーザ相互作用要素の速度を決定するステップと、 c)動作の方向を決定するステップと、 d)決定された動作方向に関して、決定された動作速度の触覚パターンの値を決定するステップと、 e)前記刺激を生成するシステムに命令を生成するステップとを含む。

ステップd)で、第1の所定の値より小さくゼロではない動作速度に関する触覚パターンの第1の値と、少なくとも第2の所定の値に等しい動作速度に対する触覚パターンの第2の値とに基づいて、触覚パターンの値を決定できる。

例えば、ステップd)は、しきい値関数によって決定された動作速度の触覚パターンの前記値を計算するステップであり、決定された動作速度のパターンの値は、第1の所定の値より小さい動作速度の触覚パターンの第1の値、又は少なくとも第2の所定の値と等しい動作速度の触覚パターンの第2の値のいずれかでよい。

好ましくは、前記方法は、ステップd)の前にユーザ相互作用要素に対するユーザの意図する動作を決定するステップを含みうる。ステップd)で、必要に応じてゼロの第1の所定の値以下の動作速度に関する触覚パターンの第1の値と、少なくとも第2の所定の値の動作速度に対する触覚パターンの第2の値とに基づいて、触覚パターンの値を決定できる。

ステップd)は、補間、例えば一次補間によって決定された動作速度の触覚パターンの前記値を計算するステップでよい。

本発明は、以下の説明と添付図面に基づいてより明瞭に理解される。

本発明による触覚インタフェースの例の縦断面図である。

図1のインタフェースの平面A−Aに沿った横断面図である。

図1のインタフェースに使用されるプルーフ体の一実施形態の例の斜視図である。

図1のインタフェースに使用されうるプルーフ体の一実施形態の更に他の例の斜視図である。

触覚インタフェースの更に他の例の側面図である。

図5のインタフェースに使用されるプルーフ体の異なる図である。

図5のインタフェースに使用されるプルーフ体の異なる図である。

図5のインタフェースに使用されるプルーフ体の異なる図である。

本発明による触覚インタフェースの制御アルゴリズムの例を表わす図である。

本発明による触覚インタフェースの制御アルゴリズムの例を表わす図である。

本発明による線形触覚インタフェースの例の拡大図である。

触覚インタフェースの好ましい例の制御アルゴリズムの更に他の例を示す図である。

触覚インタフェースの好ましい例の制御アルゴリズムの更に他の例を示す図である。

ユーザ相互作用要素の動作速度に従って磁気粘性制動装置によって適用される制動レベルのグラフである。

以下の説明では、回転ボタンを有する触覚インタフェースの例を詳細に述べるが、本発明が、カーソル型直線運動を有する触覚インタフェースにも適用可能であることが理解されよう。このインタフェースは、磁気粘性流体(すなわち、その見掛け粘度が印加される磁界によって変化する)を使用するが、電気粘性流体(すなわち、見掛け粘度が印加される電界によって変化する)の使用は、本発明の範囲外ではない。

図1は、本発明による回転触覚インタフェースI1の実施形態の例の縦断面図である。

触覚インタフェースI1は、ユーザによって操作されるように意図され以下で「ボタン」と呼ばれる要素1を備え、このボタンは、軸Xのまわりに回転可能なシャフト2に回転不可能に固定され、またシャフト2の回転に対抗する抵抗負荷生成装置4又は磁気粘性制動装置を備える。

制動装置4は、特性を磁界によって調整できる流体を含み、磁界を生成するシステム6が、ハウジング8内に収容される。流体は、例えば、磁気粘性液体である。ハウジング、流体及び磁界を生成するシステムを含む組立体は、磁気粘性制動装置を構成する。

ハウジング8は、磁気粘性流体を収容する気密チャンバ9を画定する。このチャンバのすべて又は一部が、システム6によって生成された磁界を受ける。ハウジング8は、側壁8.1、下端8.2及び上端8.3を有する。

シャフト2は、上端8.3を横切り、チャンバ9を横切り、下端8.2を横切る。シャフト2の端2.1は、その反対側でボタン1を支持し、ハウジング8の下端に収容され、下端8.2内に取り付けられた軸受11によって回転可能にガイドされる。シール13(例えば、Oリング)が、シャフトと下端及び上端との間の気密を保証する。

ハウジング8は、磁気粘性流体を収容する気密チャンバを画定する。

制動装置4は、また、シャフト2に回転不可能に固定されて気密チャンバ10に収容された要素12を備える。この要素は磁気粘性流体と相互作用するのに適しており、要素12の回転は磁気粘性流体によって見掛け粘度に応じて制動される。

図示の例では、要素12は、底12.3に固定された円形断面を有する2つの同心側壁12.1及び12.2を備え、底12.3はシャフトと回転不可能に固定されている。

あるいは、要素12は、1つの側壁又は3つ以上の同心円側壁を備えていてもよい。あるいは、要素12は、円盤によって構成されてもよい。更に、相互作用要素は、動きに対する抵抗を高めるために、スロット及び/又は突出又は中空部分を備えてもよい。

図示の例では、ハウジング8の下端8.2は、気密チャンバ9の内容積が相互作用要素12の内容積に対応する形状を有するような形状を有し、これにより、必要とされる流体の量を減少できる。図示の例では、ハウジングに固定された円形断面を有する円筒要素13が、2つの側壁12.1,12.2の間に挿入され、このことは、側壁12.1及び12.2が回転されたときの磁気粘性流体のせん断効果に寄与する。

要素12の側壁12.1,12.2は、磁性材料又は非磁性材料で作成されうる。

図示の例では、可変磁界を生成するシステム6が、ハウジングに固定され相互作用要素12の内側に配置されたコイルと、制御ユニットによってボタンの動きと記録済みパターンとに従って制御される電流源(図示せず)を備える。

インタフェースは、図示の例では、ハウジング外に位置しシャフトに部分的に固定された位置センサ14を備える。位置センサ14は、この例では、現在角度位置によって表されるボタンの現在位置を測定することを可能にする。これは、例えば、インクリメンタル光学エンコーダから成りうる。

触覚インタフェースは、また、ハウジング8が配列されたフレーム16を備える。フレーム16は、第1及び第2の端フランジ18,20と、2つのフランジ18,20に固定された側壁22とを備え、回転シャフトが第1のフランジ18を横切る。位置センサ14は、フレームの第1のフランジに取り付けられている。

インタフェースは、また、ユーザの意図した動作を検出する手段を備え、したがって、これらの手段は、ユーザと位置センサによって知覚可能なボタンの動きが印加される前にユーザによって印加されたトルクを検出する。

図示の例では、この手段は、ユーザと負荷センサによって印加されるトルクによって生じる歪みを検出するプルーフ体26を備える。プルーフ体は、図3に単独で示されている。プルーフ体26は、一方の縦方向端26.1によってフレーム16に固定され、他方の縦方向端26.2によって磁気粘性制動装置、すなわち図示の例ではハウジング8に固定される。負荷センサは、ハウジング8に固定される縦方向端26.2で、プルーフ体と接触する。

図1、図2及び図3に示した例では、プルーフ体26は、縦方向端26.2で底28によって閉じられた円形断面を有する筒状形状の本体を有する。環状カラー30が、他の縦方向端26.1に半径方向外方に延在する。

プルーフ体の内径は、機能的間隙だけ大きくされたハウジング8の外径と一致する。プルーフ体の底は、ハウジングと、フレーム16の第2のフランジ20との間に配置される。

プルーフ体は、フランジ18とカラー30を通る少なくとも1本のねじ32によってフレームに固定される。図示の例では、ねじ32は、また、フランジ18を側壁28に接続する。

プルーフ体の底28は、少なくとも1本のねじ34によってハウジング8に固定されている。

プルーフ体26は、また、縦方向端26.2から突出する要素36を備え、その反対側でハウジングと接触する。要素36は、フレームのフランジ20に形成された空所38に収容される。

図示の例では、突出要素36は、長手軸を中心とする角度部分の形状を有する。角度部分36は、2つの面36.1及び36.2によって画定される。空所38は、角度部分36の形状に対応する形状を有し、角度部分36の1つの面36.1,36.2にそれぞれ面する2つの面38.1,38.2によって画定される。負荷センサ40.1は、角度部分の面36.1と接する空所の面38.1に取り付けられ、負荷センサ40.2は、角度部分36の面36.2に接する空所の面38.2に取り付けられる。各負荷センサ40.1,40.2と、プルーフ体26との間に、ポイント型機械接点が提供される。負荷センサ40.1,40.2は、好ましくは(advantageously)予圧(pre-stressed)されて取り付けられている。

ボタンにトルクが印加されたとき、ボタンは、流体と相互作用するハウジング8を介したプルーフ体26のねじれ歪みを引き起こし、流体は相互作用要素12と相互作用し、相互作用要素12はシャフト2に接続されている。この歪みは、ボタンの回転方向に応じて負荷センサ40.1,40.2のいずれかによって検出される。

プルーフ体は、例えば、ABSなどのプラスチック材料で作成される。

プルーフ体の材料とその形状は、印加される最小トルクと最大トルク、負荷センサの感度、及び求められる検出しきい値に従って決定されうる。更に、プルーフ体の歪みは、ユーザが知覚可能でないようなものである。例えば、数マイクロメートルのプルーフ体の歪みは、ユーザが知覚可能でないと考えられうる。

あるいは、負荷が、ハウジング8上又は回転シャフト上で直接測定されてもよく、この場合はトルクセンサが使用される。しかしながら、トルクセンサは、力センサと比べて高コストでかなり大きいサイズを有する。更に、トルクセンサは、正確で較正されたトルク値を提供するが、この情報は、本発明の範囲内で有効ではない。

負荷センサは、例えば、ホイートストンブリッジの形で組み立てられたピエゾ抵抗素子を使用して実現され、ピエゾ抵抗素子は、1ニュートン当たり数十mV程度の感度を、最大負荷での動きを数十マイクロメートルに制限するのに十分な高い剛性で可能にする。あるいは、負荷センサは、例えばプルーフ体に直接適用されてその歪みを検出する歪みゲージによって構成された1つ以上の歪みセンサによって置き換えられてもよい。

図4に、プルーフ体126の更に他の例を示す。その概略形状は、プルーフ体26の形状と同一であるが、プルーフ体126の側壁に縦方向スロット127が設けられている。好ましくは、スロット127は、規則的な角度で分散される。プルーフ体は、この実施形態では、歪みに対してより大きい能力を示す。例えば、プルーフ体は、アルミニウム合金で作成される。

長手軸に対して傾けられかつ/又は直線以外の形状(例えば湾曲形状)を有するスロットは、本発明の範囲外ではない。更に、スロットは、必ずしも同じサイズでなくてもよい。

好ましくは、軸方向ねじれ歪みがある状態でプルーフ体の歪みを増幅し同時に本発明の範囲内にない他の歪み(例えば、ユーザによってボタンに寄生的に加えられた半径方向歪み)に対するプルーフ体の歪みを減少させる手段を設けてもよい。これにより、検出の感度が改善され、外乱又は誤検出をなくしうる。

図1から図4のプルーフ体の例では、できるだけ大きい径でセンサを配置することによって測定装置の感度が高められている。

図示の例では、好ましくは、突出要素の壁36.1及び36.2は、互いに対して90度で配置されている。負荷センサ40.1及び40.2の点接点と関連したこの位置決めによって、プルーフ体の変形歪みを細分化し、フレーム16の平面内にある2つの直交構成要素に沿って負荷に対する感度に優先順位を与えることが可能である。その結果、例えば、フレーム16の平面に対して垂直に印加される寄生負荷の感度が大幅に低下される。更に、センサ40.1及び40.2によって測定される直交力の成分の計算又はアルゴリズム処理(例えば、センサが優先的に(preferentially)負荷が予め与えられた(load pre-stress)場合に、2つのセンサの共通測定成分によって重み付けされた2つのセンサ間の測定差に基づく計算など)によって、フレーム16の平面と平行に印加された寄生負荷に対する感度を、ある程度低下できる。

次に装置の動作例について述べる。

ユーザは、ボタンをその軸のまわりに第1の回転方向に回転させ、ストップとして規定された角度位置にさせる。磁界が磁気粘性流体に印加され、その結果、その見掛け粘度の変化が、ボタンにおける第1の回転方向のストップをシミュレートする流体と相互作用するための要素にトルクを生成する。

ユーザが、ボタン上で負荷を第1の回転方向に維持する場合、プルーフ体26が、ハウジングを介してねじりトルクを受け、ハウジングは流体と相互作用し、流体がシャフト2に接続された相互作用要素12と相互作用する。

この歪みは、第1の回転方向の下流に配置された力センサによって測定される。どの力センサが作動したかを知ることによって、ユーザがボタンを回転しようとする方向を決定できる。優先的には(preferentially)、予圧状態で組み立てられた2つの力センサからの測定値を組み合わせて、ユーザがボタンを回転しようとしている方向を決定できる。最小トルクの検出によって、ユーザが実際にボタンを旋回させようとしていることを確認できる。ユーザがボタンをストップで保持しようとしていることが推測されると、磁界が維持され、磁気粘性流体が相互作用要素12の動きの負荷に対抗する。

ユーザが、ボタンを第1の方向と反対の第2の方向に旋回しようとする場合、第1の回転方向に対して上流に配置された負荷センサが作動する。優先的には、予圧状態で組み立てられた2つの力センサからの測定値を組み合わせて、ユーザがボタンを回転させようとしている新しい方向を決定できる。このことからユーザの意図が推測され、この意図は、最小トルクの検出によって確認される。この場合、磁界が相殺され、流体の見掛け粘度が大幅に低下し、これにより、相互作用要素が、固着作用を受けることなく第2の方向に回転できる。したがって、本発明によってフリーホイールの動作を再現できる。

図5及び図6A〜図6Cに、本発明によるインタフェースI2の一実施形態の更に他の例を示す。インタフェースI2は、フレーム216と、制動装置204と、ホイールの形状を有するプルーフ体226と、ユーザ201と相互作用するための要素(ユーザ相互作用要素)を備える。流体と相互作用する要素(流体相互作用要素)は図示されていない。

ホイールは、ハブ228と、外側リング232と、ハブ228を外側リング232に接続するスポーク230を備える。

この例では、ハブ228は、例えばハブ228を軸方向に横切るねじによってインタフェースのハウジングに固定され、外側リング232は、例えば外側リングを軸方向に横切るねじによってフレームに固定されている。

2つの負荷センサ240.1,240.2は、スポーク230上に乗せられ、プルーフ体226がある回転方向に作動されたときにセンサのうちの1つだけが作動するようにスポークに対して配置される。負荷センサは、フレーム216上に取り付けられ、スポーク230の1つの面に載せられている。あるいは、負荷センサは、予圧状態で組み立てられていてもよく、前述のように、プルーフ体上に配置され(例えば、ねじりトルクが作用したスポークの)歪みを検出する伸長ゲージによって置き換えられてもよい。より一般には、負荷センサは、歪みセンサと置き換えられうる。

この装置の動作は、前述の図1の装置の動作と類似している。

好ましくは、回転手段や平行移動ガイド手段などの機械的ストレスをプルーフ体に印加する手段を追加でき、これにより、予圧状態で組み立てることによって力センサの数を減らすことができる。

これらの力センサ又は歪みセンサから得られたデータが、電子システムによって処理されて、ユーザによってインタフェースに印加されるトルクが、所定のしきい値を超えるか否かが決定される。また、トルク符号が決定され、これにより、ユーザがボタンを動かそうとしている方向を決定可能である。

前述のように、ねじりトルクの実際値の情報は必要なく、ねじれの方向の情報は十分である。したがって、センサが、インタフェースに働く最小トルクをその回転がない状態で検出するのに十分な感度を有する限り、線形、動的、分解能型仕様などとは別に、少なくとも負荷又は歪みの二値化しきい値又は単調関数を検出するのに適した低コストセンサが使用可能になる。また、センサは、最大負荷を劣化なしに保持できるようなものである。

図9は、本発明による線形触覚インタフェースの概略表現例の分解図である。

装置は、軸Xに沿った軸方向運動に適したシャフト502が取り付けられたハウジング508を備える。シャフト502は、ユーザ(図示せず)と相互作用する要素を、その長手方向端の少なくとも一方の高さで支持するように意図されている。可変磁界506を生成する手段が、ハウジング内に配置される。ハウジングは、磁気粘性流体を収容しシャフト502が横切る気密チャンバを規定する。シール513が、チャンバのシャフトの気密摺動を保証する。

また、インタフェースは、シャフト502の現在の長手方向位置を測定するのに適した位置センサ(図示せず)を備える。

インタフェースは、ユーザの意図する動作を検出する手段を備えている。これらの手段が、ユーザと位置センサによって知覚可能なシャフトの動きが印加される前にユーザによってシャフトに印加される平行移動力(translation force)を検出する。これらの手段はプルーフ体(図示せず)を備え、その歪みは、1つ以上の力又は歪みセンサによって測定される。プルーフ体は、一方がハウジングとフレーム(図示せず)上に取り付けられる。ユーザがシャフトを第1の平行移動方向に動かそうとする場合、プルーフ体はハウジングを介して剪断力を受け、流体と相互作用し、相互作用要素と相互作用し、シャフト502に接続される。

ここで、ボタンを操作するときにユーザによって知覚される感覚が記録されたパターンと一致し、改善された触覚レンダリングを提供するように、触覚インタフェースを操作するためのアルゴリズムについて述べる。そのようなアルゴリズムは、連続かつ周期的に適用される。

触覚パターンは、以下のデータに依存する印加される制動負荷によって定義される。 ボタンの現在角度位置、 現在回転方向すなわちボタンをある方向又は別の方向に回転させるユーザの意図する動作、 ボタンの現在回転速度。

この場合、我々は、特に、ボタンの回転速度が、ゼロか、又は少なくともボタンの動きを知覚できないと考えられる値よりも小さい事例に焦点を当てる。

制御電子回路は、角度位置センサの情報と負荷センサの情報を一緒に使用して、制動装置4によって生成される抵抗トルクを決定する。

図7に示されたアルゴリズムは、ボタンが回転される回転方向を決定するために適用される。

使用される変数は、以下のとおりである。

SPEED変数は、ボタンの移動速度である。

TORSION変数は、ねじりトルクの評価である。トルクの正確な値の知識は不要である。この評価は、図1〜図4の実施形態の例でプルーフ体によって作動される力センサによって提供される情報に基づいて得られる。ねじりトルクの評価は、ねじりトルクが、ねじりトルクが印加される方向を示すしきい値より大きいか小さいかを決定できる。

DIRECTION変数は、ボタンの動作方向であり、+1か、−1か、ゼロである。

第1のステップ300で、ボタンの運動速度が、例えば角度センサによって提供される情報の派生物の近似によって計算され、その情報は、決定された時間周波数Teでサンプリングされ、SPEED変数が得られる。

速度は、所定の実際値より小さいときにゼロであると見なされ、従って、周波数Teでサンプリングされた角度センサによって提供された情報の派生物の近似がゼロ値に戻る。

次のステップ302で、ユーザによって印加されたねじりモーメントの評価関数が、負荷センサによって提供される情報に基づいて計算される。この関数はTORSION変数である。

次のステップ304で、SPEED変数がゼロか否かが確認され、ゼロの場合、速度の符号がDIRECTION変数に割り当てられる(ステップ306)。

SPEED変数がゼロの場合は、TORSION変数が使用される。

次のステップ308で、TORSION変数がいわゆる「正しきい値」しきい値より大きいか否かが確認され、大きい場合は値+1がDIRECTION変数に割り当てられる(ステップ310)。

その他の場合は、次のステップ312で、TORSION変数がいわゆる「負しきい値」しきい値より小さいか否かが確認され、小さい場合は値−1がDIRECTION変数に割り当てられる(ステップ314)。

その他の場合、すなわち、速度がゼロで、ねじりトルクが負しきい値より大きくかつ正しきい値より小さい場合は、次のステップ316で、DIRECTION変数がゼロの値をとる。システムは、ボタンにトルクが印加されないことと見なし、例えば、そのことから、ユーザがボタンを放したことを推測できる。

このアルゴリズムによって、ボタンの運動速度がゼロの場合に、ユーザが、ボタンを動かそうとしている方向を、ボタンの大きい運動なしに決定できる。

実際には、力センサ又は歪みセンサだけから提供される情報によって、ねじりトルクが印加される方向を、ボタンの大きい動きなしに決定し、それによりユーザがボタンを動かそうとしている方向を決定し、それに従って可変磁界を生成するシステムを制御できる。

あるいは、相互作用要素の回転速度は、特に回転速度を測定するセンサを使用して測定されうる。このセンサは、例えば、操作シャフトに取り付けられうる。これは、例えば、周波数が回転速度に依存する出力信号を生成する1つ以上の光センサ、1つ以上のホール効果センサ、1つ以上の誘導センサから成ることが可能である。周波数を電圧に変換する手段が提供される。次に、この電圧を制御電子回路によって測定して回転速度を決定できる。「周波数対電圧」変換機能をハウジングに直接内蔵する速度センサが使用できることに注意されたい。

ダイナモ原理の使用に基づくセンサも使用できる。このセンサは、回転速度に依存するアナログ量、一般に電圧を出力する。次に、この電圧を制御電子回路によって測定して回転速度を決定できる。

図8に示された第2のアルゴリズムで、システムは次に、触覚パターンのどの値を適用するかを決定する。

ボタンのそれぞれの動作方向に関して、以下の触覚パターンが事前決定される。 ボタンの正動作方向に定義されたパターンM1、 ボタンの負動作方向に定義されたパターンM2。

次に、ボタンに適用される1組の制動パターン値によってパターンが定義される。各パターン値は、ボタンの指定角度位置と関連付けられている。

そのようなパターンは、データベースに記録されている。

最初のステップ400で、ボタンの現在位置が、現在位置センサによって提供された測定値に基づいて決定される。

次に、DIRECTION変数の値が+1の場合、パターンM1のデータベースB1で、ボタンの現在位置と関連したパターンの値V1を調べる(ステップ402)。

その他の場合、パターンM2のデータベースB2で、ボタンの現在位置と関連したパターンの値V2を調べる(ステップ404)。

パターンM1とM2が同一でもよいことに注意されたい。

次に、制御電子回路が、磁界を生成するシステムに、パターンM1又はパターンM2のパターン値に対応する磁界を印加する命令を生成する。

ユーザが、ボタンを正方向に回転させて、ストップとして規定されたゾーンに入ったとすると、システムは、ストップを再現するパターンを既知の方式で適用する。

ユーザは、ボタンを正方向に動かすことができず、システムはこの位置でゼロ速度を検出する。

ねじりトルクに基づいて、ユーザがボタンを回転させようとする方向(DIRECTION変数)を決定する第1のアルゴリズムを適用する。

ボタンの動作方向のこの情報に基づいて、システムは、第2のアルゴリズムを適用し、適用されるパターンを決定し、これに基づいて、磁界を生成するシステムを制御する。

方向が正の場合は、ストップパターンが維持されなければならず、ストップをシミュレートするのに十分な磁界の印加が維持される。

方向が負の場合は、負方向に対応するパターンが再現され、例えば、磁界が減少又は相殺される。ユーザが知覚できないようにボタンを動かす前に磁界が変更されるので、ユーザは、固着感覚を知覚しない。

本発明は、また、ボタンの所定の現在位置でパターンM1及びM2を異ならせ、ユーザが回転方向を変化させる場合にこの固着感覚を除去する効果を有する。回転方向を変化させるとき、検出速度はゼロであり、第1と第2のアルゴリズムは、同じように適用される。

再現されるパターンの値を連続的に決定し、このパターン値に達するために流体の見掛け粘度を連続的に適応させるために、アルゴリズムが連続的に実行されることに注意されたい。

本発明は、また、ユーザがボタンを放し、感覚をシミュレートする磁界を印加しなくてもよくなったことの検出を可能にし、これは、DIRECTION変数=0のときに検出される。この場合、コイルの電力消費を遮断できる。

本発明は、更に、必要とされないときに磁界の生成を中断することによって装置の電力消費を削減するか、等しい消費電力で、きわめて強い磁界を短時間印加して強いストップをシミュレートすることができ、この場合、コイルのサイズは小さいことが好ましい。

更に、本発明は、ボタンへのトルクの再印加を検出することによってユーザがボタンを再度保持したことを検出することを可能にし、またユーザがボタンを動かそうとする方向を検出し、それにより磁界を生成するシステムを制御して、ユーザが知覚できるほどボタンを動かしたときに、ユーザが触覚感覚を遅延なしに知覚することを可能にする。

装置の反応時間の長さは、数ミリ秒程度である。

カーソル型直線運動を有するボタンの場合は、平行移動力が決定される。他の場合、アルゴリズムは、回転ボタンについて述べたものと同一である。

力センサ又は歪みセンサによって得られた情報は、システムによって他の目的に使用されてもよい。例えば、その情報を使用して、ユーザが自発的にボタンにストップを通過させようとするか否かを決定してもよい。次に、ボタンは、この「間違い」を示す情報を監視システムに報告してもよい。

本発明によって、固着感覚を大幅に低減するか、固着感覚をなくしてインタフェースの応答を改善することによって、きわめて満足な触覚レンダリングを提供する触覚インタフェースが作成される。更に、この触覚インタフェースは、電力消費を低減できる。

きわめて好都合な例では、運動方向に加えて、ユーザの意図した動作の検出をボタンの動作速度の値の計算と関連付けて、磁界を生成するシステムに命令を生成可能である。

この場合、以下の4つのパターンが定義される。 ボタンの正と見なされる動作方向と低回転速度に定義されたパターンMPL、 ボタンの正の動作方向と高回転速度に定義されたパターンMPR、 ボタンの負と見なされる動作方向と低回転速度に定義されたパターンMNL、 ボタンの負の動作方向と高回転速度に定義されたパターンMNR。

低速度は、その値が所定のしきい値以下であるがゼロでない速度である。

高速度は、ボタンを操作できる最大速度と見なされる。正方向の高速度は、負方向の高速度と等しくても異なってもよい。

動作速度は、好ましくは位置センサによって提供される情報に基づいて近似され、これにより、小型システムを提供できる。しかしながら、回転速度を決定するために、位置センサとは異なる他の装置が使用されうる。

図10で、考慮するパターン値を選択するための第1のアルゴリズムが示される。

最初のステップ600で、ボタンの位置、動作速度(SPEED変数)、及び動作方向(DIRECTION変数)が、現在位置センサによって提供される情報に基づいて決定される。DIRECTION変数は、値+1(正と見なされる運動方向)、値−1(負と見なされる運動方向)、又は速度がゼロのときに値0をとりうる。

DIRECTION変数が+1の場合、 低速度正パターンデータベースBPLで、パターン値VPLを調べ(ステップ602)、 高速度正パターンデータベースBPRで、パターン値VPRを調べる(ステップ604)。

ステップ602及び604は、同時でもよく順次でもよい。

あるいは、DIRECTION変数が−1又は0の場合、 低速度負パターンデータベースBNLで、パターン値VNLを調べ(ステップ606)、 高速度負パターンデータベースBNRで、パターン値VNRを調べる(ステップ608)。

第1のアルゴリズムプロセスの終わりに、VPLとVPR、又はVNLとVNRの2つのパターン値が得られる。

図11で、磁界を生成するシステムに適用され、比例すると考えられる制動負荷又は現在強度を決定するのに適した第2のアルゴリズムの有利な例が見られる。

最初のステップ700で、DIRECTION変数がゼロか否かが確認され、ゼロの場合、この例では、制御ユニットがボタンに負荷を印加しない命令を制動装置に生成し、この場合、磁界が流体に印加されない。アルゴリズムが完了した。あるいは、印加された最後の磁界を維持するように決定されてもよい。このステップは、ステップ702の前に行われてもよい。

DIRECTION変数が0とは異なる場合(すなわち、+1又は−1の場合)、次のステップ702で、次の係数ALPHAが計算される。

(abs(SPEED)−V_MIN)/(V_MAX−V_MIN). ここで、abs(SPEED)はSPEED変数の絶対値であり、 V_MAXは最大動作速度の設定値であり、この値は例えば、ユーザがインタフェースで迅速で大雑把な動きをしようとするときに、ボタンを通常通りに作動させる通常最大回転速度に設定される。 V_MINは最小動作速度の設定値であり、この値は例えば、ユーザがインタフェースでゆっくりと高精度な動きをしようとするときに、ボタンを通常通りに作動させる通常最小回転速度に設定される。 V_MAXは、パターンMPR及びMNRが修正なしに確立される高速度に対応する。 V_MINは、パターンMPL及びMNLが修正なしに確立される低速度に対応する。

次のステップ704で、係数ALPHAは異常な計算結果を防ぐために0〜1に限定されると有利であり、実際には、例外的にボタンは設定された最大速度を超える速度で作動されることがある。すなわち、動作速度を機械的に制限するものがないので、値ALPHAの計算で結果が1を超えることが起こりうる。同様に、例外的に、ボタンが設定された最低速度より遅い速度で作動され、すなわち、V_MINにゼロと異なる値を選択できるので、値ALPHAの計算で結果がゼロより小さくなることが起こりえる。

次のステップ706で、CURRENT_PATTERN変数が、第1のアルゴリズムによって選択されたパターン値に基づいて一次補間を使用して計算される。

CURRENT_PATTERN=(1−ALPHA)* VPL + ALPHA* VPR(動作方向が正の場合)、または、 CURRENT_PATTERN=(1−ALPHA)* VNL + ALPHA* VNR(動作方向が負の場合)

次のステップ708で、CURRENT_PATTERN変数が、制動装置に適用される。

図11のアルゴリズムで、CURRENT_PATTERNが、一次補間に基づいて計算される。図12で、正方向の動作の場合に動作速度に応じたこのパターンの表現が見られる。

他の補間(例えば、二次補間)を使用することもできる。

また、しきい値以下の速度で1の値をとり、しきい値を超える速度で別の値をとる、しきい値関数CURRENT_PATTERNを使用することが想定されうる。

図11のアルゴリズムでは、制動負荷は、VPR>VPL(又は、他の動作方向ではそれぞれVNR>VNL)を選択する場合に、動作速度によって強調される。

一方、制動負荷が減少し動作速度が増大すること、又はCURRENT PATTERNと速度の関係が単調ではないことを想定できる。

前述のアルゴリズムは、線形触覚インタフェースに完全に適用でき、その場合、位置センサは、縦方向位置を決定するが角度位置を決定しない。

本発明による触覚インタフェースは、特に自動車の用途に適し、例えば自動車ドライバを支援する搭載型触覚インタフェースを構成する。この触覚インタフェースは、GPS(全地球測位システム)、ラジオ、空調などの様々な車両機器又はアクセサリとの相互作用でユーザを支援できる。

1 ボタン 6 磁界生成システム 12 相互作用要素 14 現在位置測定手段 26,126,226 プルーフ体 40.1,40.2,240.1,240.2 負荷センサ