动态平衡的多自由度手持控制器制造技术

一种控制器，其包含：第一控制部件，从所述第一控制部件的一部分延伸的第二控制部件，以及与所述第二控制部件的自由度相关联地且相反地移动的第三控制部件。所述第三控制部件被配置成由用户的手的非食指手指中的一个或多个操作。控制器处理器能用于响应于所述第一控制部件的移动而产生旋转移动输出信号，并且响应于所述第二控制部件相对于所述第一控制部件的移动而产生平移移动输出信号。在示例性实施例中，可以使用单手抓握并移动所述第一控制部件，并且可以使用所述单手的拇指移动所述第二控制部件。所述第三控制部件被配置成由所述用户的手的非食指手指中的一个或多个操作，从而允许多个自由度(包含所有六个旋转和平移自由度)的直观的、单手控制，而没有任何无意的交叉耦合输入。

Dynamic Balanced Multi-DOF Handheld Controller

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】动态平衡的多自由度手持控制器本申请要求2016年10月27日提交的第62/413,685号美国临时专利申请的权益，所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文中用于所有目的。
本公开大体上涉及控制系统，且更具体地，涉及一种控制器，所述控制器使用户能够使用可用单手操作的控制器发送基本上限制交叉耦合的多达六个独立自由度的命令信号。
技术介绍
传统上，利用多个离散控制器，允许用户控制具有多于三个自由度的控制目标。此外，多个离散控制器对于控制具有六个自由度的控制目标的任何传统控制系统都已成为必需。例如，可以提供一组独立的控制器或输入装置(例如，操纵杆、控制杆、变距杆、脚踏板，和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的其它独立控制器)，从用户接收针对控制目标(例如，飞行器、潜水式车辆、航天器、虚拟环境中的控制目标，和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它控制目标)的各种不同的旋转参数(例如，俯仰、偏航和滚动)。类似地，可以提供一组独立控制器来控制其它导航参数，例如三维(3D)空间中的平移(例如，x轴、y轴和z轴移动)、速度、加速度和/或各种其它命令参数。分别于2013年3月12日和2016年3月16日提交的第13/797,184号和第15/071,624号美国专利申请描述了允许用户使用单个控制器同时且独立地在多达六个自由度(6-DOF)中控制控制目标的控制系统的若干实施例，所述美国专利申请均以全文引用的方式并入本文中。在一个实施例中，一种统一手持控制器可以包含：第一控制部件，用于接收旋转输入(例如，俯仰、偏航和滚动)；以及第二控制部件，其从第一控制部件延伸并且用于接收平移输入(例如，沿x轴、y轴和z轴的移动)。统一手持控制器上的第一控制部件和第二控制部件可以由用户使用单手来重新定位以在6-DOF中控制控制目标。对精确和直观控制至关重要的是了解何时以特定自由度发出命令以及何时不发出命令。每个独立控制器为用户提供触觉反馈，使得用户了解何时同时且独立地在多达六个运动自由度中进行输入。
技术实现思路
先前已知的无人机、虚拟现实、增强现实、计算机和游戏输入装置不是直观的，需要大量的初始训练和熟练训练，并且用双手操作。它们通常还是不移动的。下文描述的单手操控的控制器的各个方面可以允许计算机增强或虚拟现实游戏玩家或其它运动中的用户(例如徒步旅行者、滑雪者、安全/SAR人员、战士等)通过在所有轴上同时实现多达6-DoF运动但也限制交叉耦合(非预期运动)来控制物理和/或虚拟三维空间中的资产。根据本公开的一个方面，一种手持控制器包含第一、第二和第三控制部件。所述第一控制部件可以以三个自由度运动，并且作为响应，提供第一集合的三个独立控制输入。可以感测第一部件的移动，并且通过例如惯性运动单元、电位计万向节或其组合生成控制输入。第一控制部件被配置成由用户的单手抓握，通过用户将其放在手掌中并用至少几根手指至少部分地环绕第一部件的主体来握住第一控制部件。第二控制部件设置在第一部件的顶端上，靠近抓握第一部件时手的拇指可能搁置的位置，并且可以独立于第一控制部件的移动而以三个独立自由度移动。响应于其独立自由度，第二控制部件提供第二集合的三个独立控制输入。第二集合的控制输入独立于第一集合的控制输入，并且第二控制部件被配置成由抓握第一控制部件的用户的手的拇指操纵。具有第二部件的控制器通过拇指进行独立控制输入的扩展操作可能导致拇指疲劳。第三控制部件定位成由用户单手的除了食指之外的一个或多个手指操纵，并且与第二部件耦合，以与第二控制部件在第二控制部件的自由度之一中的移动相反地移动。例如桨形件的第三控制部件安装在第一部件上，位于用户的手上第三、第四和第五手指(或这些手指的子集)挤压或旋转第三部件的位置。当第三部件移动从而将拇指向上移动时，第三部件耦合到第二部件以沿Z轴向上推动第二部件。拇指不太会疲劳。必要时，向下推动第二控制部件也可以从控制器向外推动第三控制部件，从而允许拇指和其它手指处于动态平衡。具有这些特征的控制器可以用于允许控制器在计算机辅助设计、无人机飞行、各种类型的计算机游戏、虚拟和增强现实以及其它需要精确空间移动的虚拟和物理任务的控制要求中将平移与姿态调整分离。在本公开的另一方面，一种被配置成由用户单手抓握的至少具有第一和第二控制部件(以及可选地，第三控制部件)的手持控制器可以与手腕或前臂支架耦合，所述支架用作旋转轴线的参考，尤其是偏航。使用手持式控制器内的惯性测量单元(IMU)难以测量偏航。例如，虽然手持控制器中的IMU可能能够以足够的精度和灵敏度感测和测量第一部件的俯仰和滚动(围绕X轴和Y轴的旋转)，但是已经发现IMU关于围绕与第一控制部件的偏航相对应的Z轴旋转的输出可能是嘈杂的。第一控制部件与用户的手腕或前臂以及电位计、光学编码器或用于测量旋转的其它类型的传感器之间的连接可以用于感测偏航。根据下文描述的几个代表性实施例的一个方面，单手控制器安装在手腕上并且记录偏离相对于手腕定义的中性位置的位移，从而允许在多达六个运动自由度(6-DoF)中精确地进行飞行、游戏或增强现实运动控制。被动机械、振动触觉或主动机械反馈可以告知用户他们在这些6-DoF中的每一个中偏离零的位移。使用这种单手控制，有可能在具有直觉(非有意的认知)输入的情况下像战斗机飞行员一样穿梭于空气中。根据本公开的另一方面，一种与控制器耦合的前臂支架可以与食指环组合使用以打开或关闭虚拟世界中的对象的抓握。下文描述的手持控制器的代表性实施例中的不同代表性实施例的另一方面涉及一种双手控制器，其提供即使在移动(例如，步行、滑雪、跑步、驾驶)时由非惯用手稳定的一致的已知参考系。手持控制器可以插入底座的表面，允许在飞行时非操纵飞行的手稳定底座。通过手持控制器将参考点(POR)移动通过物理或虚拟空间提出了如下问题：需要深入了解受控制的每个自由度中的位移，以便“零输入”的位置对于每个自由度都是已知的。例如，对于无人机，x轴、y轴和z轴以及偏航的零输入位置需要始终为人所知。其它飞行方案，例如虚拟和增强现实、计算机游戏和手术机器人可能同时需要多达六个独立自由度(沿x轴、y轴和z轴移动，以及俯仰、偏航和滚动)。此外，特别是对于无人机飞行以及虚拟和增强现实系统，期望能够在保持对参考点的精确控制的同时进行移动。在这些代表性实施例中的一个中，安装到底座的操纵杆形式的第一控制部件允许在其连接到底座处的俯仰、偏航和滚动输入，其定心机构生成力以通知用户零。处于可以用拇指(或可能是另一个手指)操作的位置的位于操纵杆之上的第二控制部件沿x轴和y轴移位或移动，以生成针对x轴和y轴移动的控制输出，并且可向上或向下移位以接收针对z轴移动的输入。各种方面、优点、特征和实施例被包含在其示例性示例的以下描述中，所述描述应结合附图进行。本文引用的所有专利、专利申请、文章、其它出版物、文档和内容为了所有目的通过引用整体并入本文中。如果任何并入的出版物、文件或内容与本申请之间的术语的定义或使用存在任何不一致或冲突，则以本申请的那些为准。附图说明为了促进对所要求保护的本专利技术原理的理解，现在将参考在附图中示出的实施例或实例。应理解，通过描述特定实施例和示例，除了权利要求中阐述的明确术语之外，不旨在限制本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制器，其包括：第一控制部件，其能以三个自由度移动并且响应于此提供第一集合的三个独立控制输入，其中所述第一控制部件被配置成由用户的单手抓握；第二控制部件，其从所述第一控制部件延伸，能独立于所述第一控制部件以三个独立自由度移动，并且响应于此提供第二集合的三个独立的控制输入，其中所述第二集合的控制输入独立于所述第一集合的控制输入，其中所述第二控制部件被配置成由所述用户单手的拇指操纵；以及第三控制部件，其被配置成由除了所述用户单手的食指之外的一个或多个手指操纵，其中所述第三控制部件能与所述第二控制部件的自由度之一相关联地且相反地移动，从而提供所述第二集合的控制输入中相应的一个。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.27 US 62/413,6851.一种控制器，其包括：第一控制部件，其能以三个自由度移动并且响应于此提供第一集合的三个独立控制输入，其中所述第一控制部件被配置成由用户的单手抓握；第二控制部件，其从所述第一控制部件延伸，能独立于所述第一控制部件以三个独立自由度移动，并且响应于...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·E·帕拉津斯基，N·M·迪克南，
申请(专利权)人：流体技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US