用于减小具有位移量化的触觉装置的边界周期振荡的方法制造方法及图纸

用于减少触觉装置的边界周期振荡的系统和方法。施加于该装置上的净力（Ｆ＋ｄＦ）是在主触觉循环（２６）中计算出的第一力（Ｆ）和在阻尼循环（１１８）中所计算出的第二力（ｄＦ）的组合，该第二力抵消了振荡或使其减到最少。在一种算法中，根据与操纵装置（３４）对壁位置的穿越有关的动量误差确定第二力，并且，在检测到穿越后立即施加第二力。在另一算法中，计算出周期性改变的第二力（ｄＦ），该第二力具有相对于振荡着的操纵装置的相位的相位偏移。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的涉及具有触觉反馈的控制装置，并特别涉及用于减少在这种装置中在位移量化下发生的边界周期振荡的系统和方法。
技术介绍
包括触觉和刺激感觉的触觉反馈已用于可由用户操纵的控制装置，例如按钮、游戏杆、游戏控制器等等。具有触觉反馈的控制装置响应用户对这些控制器的操纵而提供了各种力和/或触觉。这些感觉能够包括控制装置壳体的振动和/或施加在按钮、游戏杆或其它可由用户操纵的控制器(总称为操纵装置)上的振动或其它力，以阻止或加速操纵装置的运动。触觉反馈能够增加模拟的真实感或增强用户控制对象的能力。通常，通过在该装置中包括一个或多个能向操纵装置的壳体上施加力的致动器而产生在控制装置中的触觉反馈感觉。这些致动器能够被处理器控制，该处理器或者位于该装置本身内、或者位于该装置与之通信的远程主机中。在一些这种装置中，该处理器具有触觉参数，以用于计算要施加到该装置上的力并将这些力转化为致动器信号，并且，操纵装置具有一个或多个位置编码器，位置编码器周期性地将更新后的位置数据报告给处理器。这些位置数据能够用于确定将要施加的力。通常，处理器在伺服循环中运行。在各伺服周期中，处理器对编码器所提供的位置数据进行采样，用位置数据和触觉参数来计算要施加的力，并产生相应的控制信号。致动器接收信号并连续地施力，直到下次更新。伺服频率通常为1kHz。一种常见的触觉效果是对与墙壁的接触进行模拟，其可以用于表示运动范围的边界(例如，音量控制旋钮)、模拟对象(例如视频游戏中的模拟车辆)在运动过程中与墙壁的撞击、或者各种其它条件下的情况。例如，在具有一个自由度的系统中，如果坐标x表示操纵装置位置，那么一个壁就可以位于点x＝x0处。通常，壁的硬度不是无限的；壁被模拟为一个符合胡克定律的弹簧。因此，对于一个在x＝x0处的壁，对于某个弹性系数K，操纵装置上的力的特征能够被描述为对于x≤x0有F＝0，而对于x＞x0有F＝K(x-x0)。较大的弹性系数K对应于较硬的壁并且通常正是人们所需要的，但是，虚拟壁的硬度受到多种因素的限制，例如致动器产生较大力的能力。对于具有多于一个自由度的系统，也能够用类似的原理模拟平坦或非平坦壁。由于操纵装置的位置是以离散的时间采样，所以通常直到用户已将操纵装置移动过壁位置一些距离(即，进入墙壁)时才施加壁力(wallforce)。一旦施力，壁力就要将操纵装置推回壁位置。这个壁力与用户对其的偏压力相对，将操纵装置推向并穿越墙壁位置。这能够导致绕壁位置的振荡(被称为“边界周期振荡”，因为振荡特性很大程度上独立于初始条件)，同时，旋钮在一个较短距离上来回移动。视振荡的频率和振幅而定，这种振荡可以被用户察觉为操纵装置的不良触觉振动和/或听得见的噪音。通常使用的大多数位置传感器都是量化的，即编码器报告操纵装置的位置为多个离散值(“计数”)，而操纵装置的实际位置通常处于两个相邻计数之间的某处，这一事实能够使这种效果恶化。已经提出了用于在壁接触中减少边界周期振荡的多种技术。一种选择是使用具有较高分辨率的位置编码器(即，计数之间的较短距离)。然而编码器的成本随着分辨率的增加而增加，这使得这种选择在那些成本是一个重要考虑的应用中是不实用的。另一选择是使用功能更强的处理器，该处理器能够在增高的伺服频率下运行，但这一选择并不总是可行的。在一些应用中，处理器的选择受到成本、工业先决条件或其它考虑的限制，这使得简单地选择一种功能更强的处理器是困难的。即使当较快的处理器是一个选择时，增加采样频率也能够导致边界周期振荡的频率增加到一个范围，在该范围内，某给定振幅的振荡更易于被用户察觉到，从而使该问题更加严重。而且，对于给定的编码器分辨率，存在这样一个点，在超过该点后，增加采样频率对于边界周期振荡只有很小的影响。在这些基于硬件的选择以外，也提出了各种控制算法，以减少边界周期振荡。例如，理论上，通过在当前采样时间之前一个半伺服周期对系统行为进行模拟，能够计算出所期望的力。在实践中，在振荡过程中，对位置的认识受到编码器分辨率的限制，并且由于振荡的操纵装置的方向和速度对于用于测量其速度的现有系统来说改变得太过迅速，因而无法提供可靠的速度测量。因此，这些控制算法通常难于实现。所希望的是，以一种减少了边界周期振荡的方式计算用于具有位移量化的触觉操纵装置的力，而不需要增加采样频率或者一个设计的其它约束。
技术实现思路
根据本专利技术的实施例，能够通过施加一个净力而减少触觉装置的边界周期振荡，该净力包括在主触觉循环中用传统方法计算出的第一力以及为了消除振荡或使振荡降到最小而计算出的第二力。第二力可以是例如在检测到操纵装置已穿过壁位置后立即施加的脉冲力，或者是具有相对于(振荡着的)操纵装置位置的适当相位偏移的周期性变化的力。在一个实施例中，使用阻尼电路计算第二力，该阻尼电路以高于主触觉循环的更新率运行于阻尼循环中。下列详细说明和附图将提供对于本专利技术的特性和优点的更好理解。附图说明图1是根据本专利技术的第一实施例的具有触觉控制装置的系统的简化方块图；图2是示出了根据本专利技术的一个实施例的用于产生致动器控制信号的过程的流程图；图3是根据本专利技术的第二实施例的具有触觉控制装置的系统的简化方块图；图4是根据本专利技术的第三实施例的具有触觉控制装置的系统的简化方块图；图5是示出了根据本专利技术的一个实施例的用于计算第二力的过程的流程图；图6是根据本专利技术的一个实施例的将操纵位置和触觉反馈力表示为时间的函数的图；图7A-B是分别地将传统系统中的和根据本专利技术的一个实施例的系统中的操纵装置位置模拟表示为时间的函数的图； 图8是示出了根据本专利技术的一个可选实施例的用于计算第二力的过程的流程图；图9是根据本专利技术的一个可选实施例的将操纵位置和触觉反馈力表示为时间的函数的图。具体实施例方式根据本专利技术的实施例，通过将可以使用传统技术计算出的第一力和根据阻尼算法所计算出的第二(例如，阻尼)力相组合而确定将要施加于操纵装置上的触觉力。第二力可以是例如在操纵装置刚刚穿过壁位置时就施加的冲击力；或者是周期性变化的力，该力具有相对于操纵位置的适当相位偏移。在一个实施例中，能够用阻尼电路计算出第二力，该电路工作在阻尼回路中，具有比主触觉回路更高的更新率。图1是根据本专利技术的用于具有触觉反馈接口装置14的接口系统10的结构的第一实施例的简化方块图。触觉装置14与主计算机系统12相通信。主计算机系统12包括主处理器16、显示装置20和音频输出装置21。这些部件可以采用传统设计。触觉装置14包括操作装置34，它可以是用户22可以掌握和操作的任何类型的对象，例如旋钮、滑动件、杠杆、游戏杆、台球杆、方向盘、或其他对象。设置有一个或多个传感器28(例如，位置编码器)以监控操纵装置34的位置并通过传感器接口36将当前位置报告给其它部件，例如本地处理器26，该处理器可以是例如微处理器或其它类型的处理器。一个或多个致动器30在操纵装置34上产生能够被用户22察觉到的力。可以使用具有传统设计的致动器30，例如使用直流电刷电动机等，电动机的扭矩(以及因而所产生的力)取决于施加在电动机上的电流脉冲。通常，致动器30由致动器界面38控制并由电源40供电。也可以设置有安全开关41，以在必要时使致动器30无效。致动器30、致动器界面38、电源40和安全开本文档来自技高网...

【技术保护点】
在一种具有操纵装置的触觉装置中，在规律的采样时刻确定操纵装置的位置，一种用于减少该操纵装置的边界周期振荡的方法，包括：在以第一伺服频率运行的第一伺服循环中，根据操纵装置在当前采样时刻的位置来确定第一力；在以第二伺服频率运行的 第二伺服循环中：检测操纵装置的振荡；并确定相应于该振荡的第二力；组合第一力和第二力；并将组合后的力施加到操纵装置上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗J哈塞，
申请(专利权)人：伊梅森公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]