具有缆绳驱动的力反馈和四个接地致动器的接口装置制造方法及图纸

一种在一个模拟系统中通过给用户提供感触的（触觉的）反馈来提供真实感觉的系统。该系统包括一个由用户接合的可接合的练习工具和一个连接着练习工具的机械模拟装置。机械模拟装置包括一个接地部件（４６）、一个转动地连接在接地部件（４７）上的机械连杆（３８）、一个连接着练习工具和机械连杆（３８）的直线轴部件、至少四个连接着接地部件的致动器（６２、６４、６６、７０）、用来感知致动器的移动的传感器（６５、６７、６９）、和至少三条与该至少四个致动器（６５、６４、６６、７０）接触并且连接着机械连杆（３８）的缆绳。接口装置连接着模拟装置，主机电脑（２０）连接着接口装置（１４）用来执行应用程序。应用程序为致动器（６２、６４、６６、７０）提供信号来移动缆绳（１３０），从而移动机械连杆（３８）。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及到人和计算机之间的接口装置，特别是给用户提供力反馈的计算机接口装置。
技术介绍
虚拟现实计算机系统给用户提供他们成为“虚拟”环境中的一部分的幻觉。一个虚拟现实系统典型地包括一个计算机处理器、虚拟现实软件和虚拟现实输入输出设备，例如头戴式显示器，传感手套，三维(“3D”)鼠标等。虚拟现实计算机系统可以用来进行训练。在许多领域，例如航空、交通和系统操作，虚拟现实系统已经成功地应用使得用户从中学习和经历一个现实的“虚拟”环境。使用虚拟现实计算机系统进行训练的吸引力部分地在于这样的系统具有允许训练者在高度真实的环境中放心地操作以享受乐趣而犯错误也不会带来“真实世界”的后果的能力。例如，虚拟现实计算机系统允许实习医生或其他人体操作者或用户在一个计算机模拟的“人体”中操纵解剖刀或探测器，从而为一个虚拟的病人进行医疗操作。在这个实例中，通常使用诸如3D鼠标、触笔等的输入输出设备代表手术器械如解剖刀或探测器。当“解剖刀”或“探测器”在所提供的空间或结构中移动时，这些移动的结果在计算机系统屏幕中显示的人体图像中被更新并显示，这样操作者获得了操作的经验，而这种操作不需要在真实的人体或尸体上实施。在其他的应用中，虚拟现实计算机系统允许用户操作和操纵或控制复杂的和昂贵的交通工具和机器达到训练和/或娱乐的目的。因为虚拟现实系统为用户提供了一个现实的(所以是有效的)经历，所以感觉反馈和人工交互应该尽可能的自然。除了感知和跟踪用户的手动行为并把这些信息反馈给计算机系统以给用户提供一个三维的可视化表现外，人体接口装置还应该给用户提供力或感触的(“触觉的”)反馈。用户得到真实的触觉信息的这种需求在多种模拟和其他的应用中是广泛的。例如，在医疗/外科模拟中，当探测器在模拟的体内移动时，探测器或手术刀模拟器的“感觉”非常重要。对于实习医生来说，没有必要知道仪器在体内如何移动、进行操作时需要多大的力、在体内有多少空间可用于操作仪器等等。一种“高带宽”的接口系统在这些和其他应用中都是大家想要的，它是一个能够精确的反映快速变化的和较宽范围频率的信号并且把这些信号精确的提供给控制系统的接口。几种现有的装置为仪器或可操作的物体提供有多个移动自由度并且包含有触觉反馈。然而，许多这样的装置都局限于为力提供了几个自由度的范畴，并且在特定的应用中比所想的要更不精确和不现实。具有更高真实性和合理价格的装置对于医疗和其他虚拟仿真应用来说都是需要的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种系统，通过提供抵抗力为用户提供一种真实的感觉。本系统包括一个用户接合的可接合的练习工具。一个机械模拟装置连接在这个练习工具上，接口装置连接在模拟装置上。应用程序为机械模拟装置提供信号，在所感知的练习工具位置的基础上为练习工具提供抵抗力。根据本专利技术的一个方面，练习工具被设定为一个练习医疗工具。根据本专利技术的另一个方面，接口装置包括在主机电脑中。根据本专利技术的另一个方面，接口装置与主机电脑是分离的。根据本专利技术的另一个方面，接口装置包含一个位于机械模拟装置中的微处理器。根据本专利技术的另一个方面，系统进一步包括一个位于机械模拟装置和用户之间的挡板。根据本专利技术的另一个方面，练习工具被设定为一个腹腔镜工具并且包括一根套针。根据本专利技术的另一个方面，练习工具被设定为一种导尿管、皮下注射用的针、金属丝、光纤束、触笔、游戏杆、螺丝刀、击球杆和手柄。根据本专利技术的另一个方面，系统包括多个练习工具。根据本专利技术的另一个方面，机械模拟装置包括一个接地部件、一个连接在接地部件上的机械连杆、一个连接着练习工具和机械连杆的直线轴部件、至少一个连接在接地部件上的致动器、和一个与至少一个致动器接合并与机械连杆连接的缆绳。根据本专利技术的另一个方面，系统包括至少四个致动器。根据本专利技术的另一个方面，致动器含有直流电动机。根据本专利技术的另一个方面，系统包括至少三个缆绳与至少四个致动器以各种形式接合。根据本专利技术的另一个方面，至少提供了一个传感器以感知致动器和/或机械连杆的运动。本专利技术也提供了一种方法，通过提供抵抗力为用户提供真实的感觉。该方法包括提供一个连接在含有机械连杆的机械模拟装置上的可接合的练习工具、至少一个致动器、至少一个与该至少一个致动器接合并与机械连杆连接的缆绳、和一个传感器。该方法进一步包括由用户接合工具和由用户向练习工具施加力。工具的位置利用传感器感知。感知的位置提供给包括有应用程序的主机电脑，信号从主机电脑中提供给至少一个致动器来移动至少一条缆绳，从而移动机械连杆。信号是基于感知的位置和应用程序的。本专利技术的其他特征和优点通过阅读和理解下文的优选的和可仿效的实施例的描述以及参考附图将得以理解，其中图中相同的标号代表相同的部件。附图说明图1是本专利技术的一个示意图，用于医疗模拟的目的；图2A和2B是根据本专利技术的医疗模拟装置的透视图；图2C和2D是底座结构和机械模拟装置的连杆机构部分的正视图；图2E是根据本专利技术的机械模拟装置的后视图；图2F是根据本专利技术的机械模拟装置的顶视图；图2G是根据本专利技术的机械模拟装置的关闭顶部表面的视图；图3A是根据本专利技术的机械模拟装置的机械连杆的透视图；图3B是机械连杆的顶视图；图3C是机械连杆的侧视图；图3D是机械连杆的前视图；图3E是机械连杆的底视图；图4A和4B是机械连杆的透视图；图5A-5D是机械连杆的侧视截面图；图6A和6B分别是机械连杆的底视图和透视底视图；图7A-7C是机械连杆的另外的截面透视图；图8A和8B分别是机械连杆的截面透视图和前视图。具体实施例方式图1示例了本专利技术用于医疗模拟目的的一个例子。一个虚拟现实系统10用来模拟医疗过程，它包括人机接口装置12、一个电子接口14、和一个主机电脑16。示例的虚拟现实系统10指的是腹腔的手术过程的虚拟现实模拟。与本专利技术结合使用的腹腔检查工具18的把手26由操作者操作，虚拟现实图像根据这些操作显示在数字处理系统的显示装置20中。例如，当工具18被用户移动时，工具或部分工具的图形化表示可以在装置20中显示的图形化的环境中作相应的移动。显示装置20可以是标准的显示屏幕或CRT显示器、3D眼镜、或任何其他可视化的接口。数字处理系统通常是主机电脑16。主机电脑可以是个人电脑或工作站或其他电脑装置或处理器，例如通常连接在电视机上的家庭视频游戏系统，如任天堂、世嘉或索尼的系统；一个“机顶盒”，它可以用来给用户提供交互的电视功能；店铺游戏机；手持式计算工具等等。作为下面描述的优选实施例，也可以提供多个工具18，每个都可以由用户操作。主机电脑16执行主机应用程序，通过它用户可以与外设和接口装置14交互。例如，主机应用程序可以是视频游戏、医疗模拟、科学分析程序、或甚至一个操作系统或其他用来力反馈的应用程序。典型地，主机应用程序为显示输出装置提供显示的图像和/或其他反馈，如听觉信号，如下文所述。图1的医疗模拟实例包括一个主机医疗模拟应用程序。适合于这些应用的软件可以从加利福尼亚的ImmersionCorporation of San Jose得到。另外，显示屏幕20可以显示游戏应用程序或其他程序的图像。这里示例的人/接口装置12的例子用来模拟腹腔医疗过程。除了标准腹腔检查工具18的把手外，人/接口装置12可以包括一个挡板22和一个标准的腹腔检查套针本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过提供抵抗力为用户提供真实感觉的系统，该系统包括：一个用户接合的可接合的练习工具；含有连接着练习工具的机械连杆的机械模拟装置；一个连接着模拟装置的接口装置；一个连接着接口装置的主机电脑，用来执行应用程序 ，应用程序为致动器提供移动机械连杆的信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：佩德罗格雷戈里奥，尼尔T奥列恩，戴维W贝雷，史蒂文P瓦萨洛，
申请(专利权)人：伊梅森公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]