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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Eingabe- und Steuerungsvorrichtung
und insbesondere einen Bediengriff-Kardanring-Tragemechanismus zur
Anwendung in einem Joystick mit Berührungs-Rückkopplung, der verwendet wird,
um Steuersignale zum Steuern von Maschinen, Computerspielen und ähnlichem
zu erzeugen.
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Hintergrund der Erfindung
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Joysticks
(siehe zum Beispiel
US-A-5643087 )
werden üblicherweise
verwendet, um Eingabesteuersignale zum Steuern von Maschinen und
Computer-Anwendungsprogrammen,
wie zum Beispiel Computerspiele, bereitzustellen. Ein typischer
Joystick umfasst einen Bediengriff, der in Bezug auf eine Basis
als Reaktion auf Eingabekräfte, die
von einem Benutzer aufgebracht werden, der den Bediengriff ergreift,
schwenkbar gedreht werden kann. Bewegung des Bediengriffs verändert ein
Ausgangssignal, das üblicherweise
der Winkelverschiebung des Bediengriffs um orthogonale Achsen „X" und „Y" entspricht. Es ist
zu beachten, dass Bewegung des Joystick-Bediengriffs mitunter als seine Bewegung
in der Richtung von Ebenenachsen X und Y anstelle einer Drehung
um diese Achsen beschrieben wird. Das Ausgangssignal von einem Joystick wird üblicherweise
in ein Empfangsgerät
eingegeben, wie zum Beispiel in einen Computer, der das Signal zum
Steuern von Hardware oder eines Computer-Softwareprogramms verarbeitet. In einem
Computer, der zum Beispiel ein Flugzeugsimulator-Softwareprogramm
ausführt,
bewirkt eine Vorwärts-
oder Rückwärtsbewegung
des Joystick-Bediengriffes um die X-Achse, dass ein Ausgangssignal
erzeugt wird, das verwendet wird, um Steuerung der Höhenruder des
Flugzeuges zu simulieren, und das somit die Flügelsteigung oder Längsneigung
des Flugzeuges in der Simulation beeinflusst, während seitliche Bewegung des
Joystick-Bediengriffes um die Y-Achse ein entsprechendes Ausgangssignal
erzeugt, das verwendet wird, um die Querruder des simulierten Flugzeuges
zu steuern, und das somit das Rollen oder die Drehung des simulierten
Flugzeuges um seine Längsachse
beeinflusst.
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Joysticks
sind im Allgemeinen ausgelegt, um entweder als Ein-Aus-Geräte oder
als Proportionalgeräte
zu arbeiten. Kostengünstigere
Joysticks, die als Ein-Aus-Geräte
arbeiten, schalten lediglich den Zustand eines Positionsschalters
um, um eine Anzeige dazu zu geben, ob eine minimale Verschiebung des
Bediengriffes um eine der Achsen des Joysticks eingetreten ist,
wohingegen Proportionalgeräte
Ausgangssignale mit einer Größe bereitstellen,
die sich proportional zu dem Maß der
Verschiebung des Joystick-Bediengriffes
von einem bekannten Punkt, im Allgemeinen ihrem „Mittel-„Punkt, weg verändert. Leistungsfähigere Softwareanwendungen,
wie zum Beispiel Flugsimulatoren, erfordern die Benutzung von Joysticks,
die proportionale Ausgangssignale bereitstellen.
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Zusätzlich zu
der Bereitstellung von Eingabesignalen in einen Computer oder ein
anderes Gerät
im Verhältnis
zu Verschiebung des Bediengriffes um die X- und Y-Achsen stellen einige
Joysticks ein Eingabesignal entsprechend einer dritten Achse bereit,
die üblicherweise
als die „Z”-Achse
bezeichnet wird. Die Z-Achse erstreckt sich im Allgemeinen längs durch
den Joystick-Bediengriff hindurch, und das Ausgangssignal der Z-Achse
zeigt im Allgemeinen eine Drehwinkelverschiebung des Joystick-Bediengriffes
um seine Längsmittelachse
an.
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Zusätzlich zu
der Erzeugung von Steuersignalen als Reaktion auf eine Benutzereingabe
sind einige Joysticks ausgelegt, um Kraft- oder Berührungs-Rückkopplung
an den Benutzer bereitzustellen. Solche Geräte werden oft mit Computerspielen verwendet,
und das Berührungs-Rückkopplungs-Merkmal
bereichert die Benutzererfahrung. Indem zum Beispiel verschiedene
Arten von Rückkopplungskräften bereitgestellt
werden, die auf den Bediengriff aufgebracht werden, kann ein Berührungs-Joystick
dem Benutzer physisches Empfinden eines von dem Benutzer in einem
Spiel gesteuerten Objektes vermitteln, oder Kollision mit einer
Wand, Bewegung durch Schlamm, Fahren über eine holprige Straße u. s.
w. Diese Berührungs-Rückmeldung macht
das Spiel oder die Simulation realistischer und unterhaltsamer.
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Im
Allgemeinen verwenden die meisten Berührungs-Joysticks verschiedene
Kardanring-Mechanismen, die ermöglichen,
dass der Joystick-Bediengriff gleichzeitig um zwei koplanare Achsen
(das heißt
die oben diskutierten X- und Y-Achsen) gedreht werden kann. Ein
Art von in Joysticks verwendeten Kardanring-Mechanismen wird üblicherweise
als „Viertelkardanring"-Mechanismus bezeichnet.
Ein Viertelkardanring des Standes der Technik 10 dieser Art
wird in 1 gezeigt. Ein Viertelkardanring
umfasst üblicherweise
eine Bediengriff-Welle 12, mit der ein Bediengriff (nicht
gezeigt) fest oder drehbar gekoppelt ist. Der Bediengriff ist über ein
Stützpfannenlager 15 schwenkbar
mit einem X-Achsen-Kardanringarm 14 gekoppelt und ist über ein
Stützpfannenlager 17 schwenkbar
mit einem Y-Achsen-Kardanringarm 16 gekoppelt. Die Stützpfannenlager
sind in einem Winkel von 90 Grad ausgerichtet. Ein freiliegend angeordnetes
Ende 18 des X-Achsen-Kardanringarmes 14 ist schwenkbar
an einem Basisteil montiert, wie zum Beispiel an einem Gehäuse oder
Rahmen (nicht gezeigt), mittels einer Lagerung 19 mit einer
Mittellinie 20, die auf die „X"-Achse ausgerichtet ist, während das
freiliegend angeordnete Ende 22 des Y-Achsen-Kardanringarmes 16 über eine ähnliche
Lagerung 23 mit einer Mittellinie 24, die auf
die Y-Achse ausgerichtet ist, schwenkbar an einem Basisteil montiert
ist. Wenn sich die Bediengriff-Welle 12 in ihrer normalen „Mittel"-Stellung befindet (das heißt in der
in der Figur gezeigten Position), ist eine Mittellinie 25 einer
Stützlagerpfanne 17 im
Wesentlichen koaxial zu der Mittellinie 20 ausgerichtet,
während eine
Mittellinie 26 des Stützpfannenlagers 15 im
Wesentlichen koaxial zu der Mittellinie 24 ausgerichtet ist.
Weiterhin sind alle Mittellinien koplanar, wenn sich die Bediengriff-Welle
in dieser Anordnung befindet.
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Bei
den meisten Berührungs-Rückkopplungs-Geräten des
Standes der Technik ist ein separater Servomotor für eine jede
Achse wirkend über verschiedene
Mechanismen so mit dem Joystick-Bediengriff gekoppelt, dass eine
gewünschte
Kraft und/oder Geschwindigkeit auf den Joystick-Bediengriff mit
einer Größe aufgebracht
werden kann, die von dem Drehmoment und/oder von der Geschwindigkeit
der Motorantriebswelle abhängig
ist. In einer Viertel-Kardanring-Konfiguration ist ein jeder Servomotor üblicherweise über ein
Getriebe, wie zum Beispiel einen Getriebezug, so mit dem jeweiligen
Kardanringarm gekoppelt, dass die von dem Joystick-Bediengriff erzeugte
Kraft erhöht
wird und die Geschwindigkeit reduziert wird. Eine solche Konfiguration
wird in 1 gezeigt. Wie darin veranschaulicht wird,
ist der X-Achsen-Kardanringarm 14 über einen Getriebezug 29,
der ein Ritzel 30, einen Kombinationsgetriebeantrieb 32 und
ein Antriebszahnrad 34 beinhaltet, mit einem Servomotor 38 wirkend
gekoppelt. Das Antriebszahnrad 34 ist auf einer Antriebswelle 36 montiert,
die fest mit dem X-Achsen-Kardanringarm 14 gekoppelt
ist. Analog dazu ist der Y-Achsen-Kardanringarm 16 über einen
Getriebezug 39, der ein Ritzel 40, einen Kombinationsgetriebeantrieb 42 und
ein Antriebszahnrad 44, das auf einer Antriebswelle 46 montiert
ist, die fest mit dem Y-Achsen-Kardanringarm 16 gekoppelt
ist, wirkend mit einem Servomotor 38 gekoppelt ist.
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Zusätzlich zu
der Bereitstellung von Eingabekräften
an den Joystick-Bediengriff muss die Position des Joystick-Bediengriffes
bestimmt werden. Diese Funktion wird allgemein durch verschiedene elektromechanische
oder optische Positionssensoren erfüllt, die wirkend mit dem Joystick-Bediengriff gekoppelt
sind. Beispiele solcher Sensoren sind unter anderem Drehpotentiometer
oder Linearpotentiometer, optische Geber und Linearverschiebungs-Spannungswandler
(LDVTs). In dem in 1 gezeigten beispielhaften Viertel-Kardanring-Mechanismus
ist ein X-Achsen-Potentiometer 48 über ein Antriebszahnrad 34 mit
einer Antriebswelle 36 gekoppelt, und ein Y-Achsen-Potentiometer 50 ist über ein
Antriebszahnrad 44 mit einer Antriebswelle 46 gekoppelt.
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Der
Viertel-Kardanring 10 arbeitet wie folgt. Es wird anfangs
davon ausgegangen, dass die Servomotoren nicht angetrieben werden
und frei drehen. Als Reaktion auf eine Benutzer-Eingabekraft auf
den Joystick-Bediengriff 12 in einer Vorwärtsrichtung
F entlang der Y-Achse und senkrecht zu der X-Achse dreht sich die
Bediengriff-Welle 12 um das Stützpfannenlager 17,
wodurch bewirkt wird, dass sich der X-Achsen-Kardanringarm 14 um die Mittelachse 20 (das
heißt
um die X-Achse) in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn dreht.
Da die Vorwärtsrichtung
F entlang der Y-Achse ist (und somit auf die Mittelachse 24 ausgerichtet),
wird kein Moment um die Mittelachse 24 aufgebracht, um
Drehung des Y-Achsen-Kardanringarmes 16 um die Y-Achse
zu bewirken. Wenn sich der X-Achsenarm 14 um die X-Achse dreht,
wird die Antriebswelle 36 gedreht, wodurch bewirkt wird,
dass sich der Rotor des Servomotors 28 durch die Wirkung
des Getriebezuges 29 dreht. Gleichzeitig wird der Betrag
von Drehung, die auf die Antriebswelle 36 aufgebracht wird,
durch das X-Achsen-Potentiometer 48 erfasst. Eine in einer
Rückwärtsrichtung
R aufgebrachte Benutzer-Eingabekraft würde ein im Wesentlichen ähnliches
Ergebnis ergeben, außer
dass die auf die Antriebswelle 36 aufgebrachte Drehung
dann im Uhrzeigersinn wirken würde.
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In
der vorstehenden Beschreibung wurden zur Vereinfachung der Erläuterung
die Benutzer-Eingabekräfte
als jeweils nur um eine Achse aufgebracht werdend beschrieben. In
normalem Betrieb wird der Benutzer den Joystick-Bediengriff mit
Wahrscheinlichkeit gleichzeitig um beide Achsen verschieben. Diese
Art der Bedienhandlung wird von der Viertel-Kardanring-Konfiguration
mühelos
aufgenommen, da Drehung um eine jede Achse vollständig unabhängig von
der Drehung um die andere Achse ist.
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Nun
betrachten wir das Verhalten des Viertel-Kardanringes 10,
wenn die Servomotoren zugeschaltet werden. Im Allgemeinen wird ein
Steuersignal an einen jeden Servomotor 28 und 38 auf
Basis einer erfassten Position des Joystick-Bediengriffes 12 und
entsprechend den Spielkriterien angelegt. Zum Beispiel kann ein „Rumpel"-Effekt auf den Joystick-Bediengriff
aufgebracht werden, indem ein Servomotor oder beide Servomotoren
rasch in Schwingung versetzt werden, um das Gefühl zu simulieren, dass ein
Fahrzeug in dem Spiel über
holpriges Gelände
fährt.
Ein weiterer üblicher
Effekt umfasst das Anlegen eines Widerstandes an den Joystick-Bediengriff
um eine Achse, um die Kraft zu simulieren, die gefühlt wird,
wenn eine Figur in dem Spiel in ein elastisches Medium vorrückt. Unter
diesem Effekt wird ein Steuersignal erzeugt, um das Drehmoment eines
gegebenen Servomotors in Abhängigkeit
von einer Verschiebung des Bediengriffes um die Achse, die dem gegebenen
Servomotor entspricht, zu erhöhen.
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Unter
beiden vorstehend genannten Effekten sowie anderen Effekten wird
eine beachtliche Last auf die Kardanring-Arme, die Lagerung und
die Stützpfannenlager
in einem Viertel-Kardanring-Mechanismus aufgebracht. Zusätzlich kann
die fliegende Anordnung der Kardanring-Arme zu ihrer unerwünschten
Durchbiegung führen.
Im Idealfall wird die Berührungs-Rückkopplungsreaktion,
die ein Benutzer erfahren wird, umso besser sein, je steifer der
Gesamttragmechanismus für
den Bediengriff ist. Um dementsprechend die Viertel-Kardanring-Konfiguration
geeignet zu implementieren, ist es notwendig, Teile mit sehr engen
Toleranzen und entsprechender Steifigkeit zu verwenden. Wenngleich
die Kosten solcher Teile für
bestimmte Anwendungen kostspieligerer Berührungs-Rückkopplungs-Joysticks, wie
sie zum Beispiel in zivilen oder militärischen Flugzeugsimulatoren
verwendet werden, annehmbar sind, sind solche Teile im Allgemeinen
für den
Einsatz auf dem Markt der Personalcomputer-Videospiele zu kostspielig.
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Ein
weiteres Problem, das bei einigen Berührungs-Rückkopplungs-Joysticks auftritt,
betrifft die Schnittstelle zwischen dem Antriebszahnrad und der Antriebswelle
für eine
jede jeweilige Achse. Da die Kostensenkung ein wichtiges Anliegen
bei Produkten, die für
den Gebrauch mit Videospielgeräten
vermarktet werden, ist, werden die meisten Komponenten, einschließlich der
Antriebszahnräder,
von für
diesen Markt bestimmten Joysticks aus Kunststoff hergestellt. Üblicherweise
ist ein jedes Antriebszahnrad treibend unter Verwendung einer Längsnut oder
Keilnut mit einer entsprechenden Antriebswelle gekoppelt, um zu
verhindern, dass das Antriebszahnrad um die Antriebswelle herumwirbelt.
Im Allgemeinen ist die Beanspruchung auf der Längsnut oder den Keilnutzähnen groß, so dass
die Schnittstelle zwischen dem Antriebszahnrad und der Antriebswelle
ein häufiger
Ausfallpunkt ist. Die Häufigkeit
dieser Ausfälle erhöht sich
durch die extrem große
Schwingung, die oft mit Berührungs-Rückkopplungs-Effekten
einhergeht. Dementsprechend ist es wünschenswert, eine Schnittstelle
zum Koppeln eines jeden Antriebszahnrades (oder Antriebselementes
im Fall eines Getriebes, das Riemen oder Kabel verwendet) mit seinem jeweiligen
Kardanringarm bereitzustellen, die weniger anfällig gegenüber Beschädigung oder Ausfall aufgrund
großer
Beanspruchung und Schwingung ist. Weiterhin ist es wünschenswert,
einen Berührungs-Rückkopplungs-Joystick bereitzustellen,
der vorwiegend kostengünstige
Komponenten oder Materialien verwendet und dennoch eine Leistung bringt,
die ebenso gut oder besser als die von kostenintensiveren Geräten ist.
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Kurzfassung der Erfindung
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein Joystick mit den Merkmalen des
Anspruches 1 bereitgestellt, wobei dieser Joystick als Berührungs-Rückkopplungs-Joystick bezeichnet
werden kann und zahlreiche der weiter oben genannten Einschränkungen
und Grenzen des Standes der Technik anspricht. Einige der Merkmale
der Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind folgende: Signale werden von dem Joystick zur
Anwendung bei der Steuerung eines Computer-Softwareprogramms, wie
zum Beispiel eines Computerspiels, als Reaktion auf eine schwenkende
Verschiebung eines Joystick-Bediengriffes
um zwei orthogonale Achsen erzeugt. Der Joystick-Bediengriff ist
mit einer Mehrachsen-Vollkardan-Baugruppe gekoppelt, die mit Elektromotoren verbunden
ist, die eine Berührungs-Rückkopplungskraft
bereitstellen. Die Mehrachsen-Vollkardan-Baugruppe umfasst einen oberen Kardanring
und einen unteren Kardanring, die wirkend mit einem entsprechenden
Motor gekoppelt sind. Die Bewegung des Bediengriffes um eine jede
Achse wird von Positionssensoren erfasst, die Signale erzeugen,
die in einen Computer eingegeben werden, auf dem ein Softwareprogramm
läuft.
Als Reaktion auf die Position des Joystick-Bediengriffes und entsprechend
dem Softwareprogramm wer den Berührungs-Rückkopplungssignale
erzeugt und an den Joystick gesendet und durch eine Motor-Steuereinheit
entschlüsselt. Die
Motor-Steuereinheit erzeugt entsprechende elektrische Ströme, die
die Motoren speisen, um den gewünschten
Berührungs-Rückkopplungs-Effekt zu erzeugen,
der auf den Bediengriff aufgebracht wird, den der Benutzer spürt, wenn
er den Bediengriff ergreift. Vorzugsweise umfasst der Joystick weiterhin eine
dritte Eingabeachse (die „Z"-Achse) und erzeugt Drehung
des Joystick-Bediengriffes
um die Z-Achse ein drittes proportionales Ausgangssignal.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind auf einen Berührungs-Rückkopplungs-Joystick
ausgerichtet, der einen Bediengriff umfasst, der eingerichtet ist,
den Benutzer in die Lage zu versetzen, eine Eingabekraft aufzubringen, die
den Bediengriff schwenkend um die X-, die Y- und/oder die Z-Achse
verschiebt. Der Bediengriff wird von einer Bediengriff-Welle gestützt, die
mit einer Mehrachsen-Vollkardan-Baugruppe
gekoppelt ist, die ermöglicht,
dass die Bediengriff-Welle (und somit der Bediengriff) schwenkend
um die X- und Y-Achse verschoben werden kann. Die Vollkardan-Baugruppe umfasst
einen oberen Kardanring, der eine Öffnung aufweist, durch die
die Bediengriff-Welle hindurchgeht. Gegenüberliegende Enden des oberen
Kardanringes sind so mit einem Rahmen gekoppelt, dass der obere
Kardanring um die Y-Achse drehbar ist und so schwenkbar mit der
Bediengriff-Welle gekoppelt ist, dass Drehung der Bediengriff-Welle
um die X-Achse ermöglicht
wird. Ein unterer Kardanring, der vorzugsweise im Wesentlichen die
gleiche Form wie der obere Kardanring aufweist, ist ebenfalls wirkend
an gegenüberliegenden
Enden so mit dem Rahmen verbunden, dass er um die X-Achse drehbar
ist, und ist schwenkbar so mit der Bediengriff-Welle gekoppelt,
dass er Drehung der Bediengriff-Welle um die Y-Achse ermöglicht.
Der obere und der untere Kardanring sind mit einem jeweiligen Winkelpositionssensor
gekoppelt, wobei ein jeder Winkelpositionssensor vorzugsweise ein
Potentiometer umfasst, das die Verschiebung des Bediengriffes um
die X-Achse beziehungsweise die Y-Achse erfasst. Ausgangssignale,
die die Position des Bediengriffes um die beiden Achsen anzeigen, werden
an einen Computer gesendet, der ein Anwendungsprogramm ausführt. Der
Computer erzeugt Berührungs-Rückkopplungssignale
entsprechend einem gewünschten
Berührungs-Rückkopplungs-Effekt,
der in Abhängigkeit
von der Bediengriff-Position und entsprechend den Anwendungsprogramm-Kriterien
bestimmt wird. Die Berührungs-Rückkopplungs-Signale werden
an eine Bewegungs-Steuereinheit in dem Joystick gesendet, die die
Signale entschlüsselt
und jeweilige elektrische Antriebsströme für die Motoren erzeugt, die
wirkend mit dem oberen und dem unteren Kardanring gekoppelt sind,
das heißt
unter Verwendung eines unterschiedlichen Motors für einen
jeden Kardanring. Wenn sie zugeschaltet werden, erzeugen die Motoren
somit Berührungs-Rückkopplungs-Drehmomente, die
auf den Bediengriff aufgebracht werden, wodurch tendenziell bewirkt
wird, dass sich dieser um die X- und/oder die Y-Achse dreht.
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Vorzugsweise
umfasst die Bediengriff-Welle einen unteren Abschnitt mit einem
ersten Paar von Tragewellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen
entlang einer gemeinsamen Mittelachse erstrecken, die im Allgemeinen
auf die X-Achse ausgerichtet ist. Ein zweites Paar von Tragewellen,
orthogonal zu dem ersten Paar, erstreckt sich ebenfalls in entgegengesetzten
Richtungen von der Bediengriff-Welle entlang einer gemeinsamen Mittelachse,
die im Allgemeinen auf die Y-Achse ausgerichtet ist. Der obere und
der untere Kardanring umfassen jeweils einen jochförmigen Rahmen,
der ein Paar Lager umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten des Rahmens montiert
sind. Die oberen Kardanlager sind eingerichtet, um die Y-Achsen-Tragewellen
drehend zu lagern, und die unteren Kardanlager sind eingerichtet, um
die Y-Achsen-Tragewellen drehend zu lagern.
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Zusätzlich umfasst
die Bediengriff-Welle vorzugsweise einen oberen Teil und einen unteren
Teil. Der obere Teil umfasst ein Auflager, von dem sich die X-Achsen-Tragewellen erstrecken
und in dem eine Aussparung gebildet ist. Die Y-Achsen-Tragewellen erstrecken
sich von dem unteren Teil. Der untere Teil passt in die Aussparung
in dem oberen Teil, wodurch ermöglicht
wird, dass der untere und der obere Teil zusammengekoppelt werden
können.
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Ein
jeder Motor ist über
ein entsprechendes Getriebe wirkend mit einem entsprechenden oberen und
unteren Kardanring gekoppelt. Ein jedes Getriebe umfasst ein Eingabeteil,
das mit einem der Motoren gekoppelt ist, und ein Ausgabeteil, das
mit dem oberen oder dem unteren Kardanring gekoppelt ist. Vorzugsweise
umfasst das Eingabeteil eines jeden Getriebes ein Ritzel, das mit
einem der Motoren gekoppelt ist, und das Ausgabeteil umfasst einen
Zahnbogen, der über
ein Kombinationsgetriebe, das von dem Ritzel angetrieben wird, wirkend
mit dem Ritzel gekoppelt ist. Ein jedes Kombinationsgetriebe umfasst
ein großes
Zahnrad und ein kleines Zahnrad, die auf einer gemein samen Rotationsachse
montiert sind. Das Ritzel greift in das große Zahnrad ein, während das
kleine Zahnrad in den Zahnbogen eingreift.
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Vorzugsweise
umfassen der obere Kardanring und der untere Kardanring jeweils
einen jochförmigen
Rahmen mit einem Paar von Mitnehmerzapfen, die sich von einem ersten
Ende erstrecken und eine Welle aufweisen, die sich von einem zweiten Ende
erstreckt, welches dem ersten Ende gegenüberliegend ist. Die Welle eines
jeden jochförmigen Rahmens
ist in einem entsprechenden Lager aufgenommen, das an dem Hauptrahmen
montiert ist. Ein jedes Getriebe umfasst einen Getriebeträger, der
an dem Hauptrahmen montiert ist, der einen der Motoren stützt. Zusätzlich umfasst
ein jeder Getriebeträger
eine Welle, die sich von dem Träger
erstreckt, der auf die X-Achse beziehungsweise die Y-Achse ausgerichtet
ist, um die sich der Zahnbogen dreht. Ein jeder Getriebeträger umfasst
weiterhin ein Paar von Durchgangsschlitzen, durch die sich die Mitnehmerzapfen
eines jeweiligen Kardanringes erstrecken. Die Mitnehmerzapfen werden
in Löchern
aufgenommen, die in dem Zahnbogen so definiert sind, dass der Zahnbogen
fest mit dem Kardanring gekoppelt ist. Ein Traglager wird somit
für jedes
Ende beider Kardanringe bereitgestellt, wodurch ermöglicht wird, dass
sich die Kardanringe drehen.
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Indem
eine Mehrachsen-Vollkardan-Baugruppe in dem Joystick verwendet wird,
werden zahlreiche der üblicherweise
mit Viertelkardan-Mechanismen verbundenen Unzulänglichkeiten vermieden. Indem
weiterhin die Antriebselemente mit den Kardanringen mit Paaren von
Mitnehmerzapfen gekoppelt werden, wird vorzeitiger Ausfall der Antriebsbaugruppe
aufgrund von Verschleiß vermieden.
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Vorzugsweise
ist der Bediengriff so drehbar auf der Bediengriff-Welle montiert,
dass Drehung des Bediengriffes um eine Längsachse der Bediengriff-Welle
entsprechend einer „Z"-Achse ermöglicht wird.
Ein Positionssensor, vorzugsweise ein Potentiometer, erzeugt ein
Signal, das die Winkelposition des Bediengriffes um die Z-Achse
anzeigt, wenn der Bediengriff um diese Achse gedreht wird. Eine
Feder stellt eine Vorspannkraft bereit, die den Bediengriff um die
Z-Achse in eine Mittelstellung zurückführt, wenn der Joystick-Bediengriff
von der Mittelstellung weg gedreht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
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Die
vorstehenden Aspekte und zahlreiche der zugehörigen Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen besser
ersichtlich und verständlich sein.
Kurze Beschreibung der Figuren:
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1 (Stand
der Technik) ist eine isometrische Darstellung eines motorbetriebenen
Viertelkardan-Mechanismus, der in einem herkömmlichen Berührungs-Rückkopplungs-Joystick verwendet
wird.
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2 ist
eine rückseitige
isometrische Darstellung eines Berührungs-Rückkopplungs-Joysticks gemäß vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
eine auseinandergezogene Übersichtszeichnung
eines Berührungs-Rückkopplungs-Joysticks gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
eine auseinandergezogene Übersichtszeichnung
der Komponenten einer Vollkardan-Baugruppe, die von dem Berührungs-Rückkopplungs-Joystick
aus den 2 und 3 verwendet wird.
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5 ist
eine auseinandergezogene Übersichtszeichnung
und zeigt die Komponenten eine Vollkardan-Baugruppe, die verwendet
wird, um Berührungs-Rückkopplungskräfte bereitzustellen,
die auf den Bediengriff des Joysticks der vorliegenden Erfindung
wirken.
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6 ist
eine rückseitige
isometrische Darstellung der Vollkardan-Baugruppe aus 5,
von rechts gesehen, und
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7 ist
eine rückseitige
isometrische Darstellung der Vollkardan-Baugruppe aus 5,
von links gesehen.
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Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles
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Unter
Bezugnahme auf die 2 und 3 versetzt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Joysticks 110 gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Benutzer in die Lage, drei proportionale Eingangssignale
für ein
Computerspiel zu steuern, indem ein Bediengriff 112 entweder
um ein Paar orthogonaler Achsen, mit „X" und „Y" gekennzeichnet, gedreht wird, und/oder
indem der Bediengriff 112 um eine dritte Achse, mit „Z" gekennzeichnet,
die mit einer Längsachse
der Bediengriff-Welle 114 übereinstimmt, gedreht wird.
Der Joystick 110 ist vorzugsweise über ein USB-Kabel 119 mit
einem Anschluss eines universellen seriellen Busses (USB-Anschluss) 118 in
einem Computer 116 verbunden. Der USB-Anschluss stellt
eine Zweiwege-Kommunikationsverbindung für die drei proportionalen Eingangssignale
und verschiedene Steuertasten-Eingangssignale
(wie durch Eingangssignaldaten in einem Block 120 angedeutet)
in Bezug auf ein Computerspiel bereit, das auf einem Computer 116 ausgeführt wird.
Als Reaktion auf die Eingangssignale und entsprechend der Festlegung
durch das Computerspiel werden entsprechende Berührungs-Steuersignale 122 erzeugt und über den
USB-Anschluss an den Joystick 110 gesendet.
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Unter
Bezugnahme auf 3 umfasst der Bediengriff 112 eine
linke Halbschale 123 und eine rechte Halbschale 124,
jeweils mit einer Vielzahl von zylindrischen Lagerflächen 125,
die angepasst sind, um drehend in angrenzende Flächen der Bediengriff-Welle 114 dergestalt
einzugreifen, dass der Bediengriff 112 durch die Bediengriff-Welle
gestützt wird,
jedoch um die Längsachse
der Bediengriff-Welle 114 gedreht werden kann. Diese Längsachse
definiert die Z-Achse.
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Wie
in 5 gezeigt wird, wird ein Z-Achsen-Potentiometer 126 in
dem Bediengriff bereitgestellt und ist dergestalt mit der Bediengriff-Welle 114 gekoppelt,
dass die Eingangswelle des Potentiometers in Bezug auf den Potentiometerkörper gedreht wird,
wenn der Bediengriff um die Z-Achse gedreht wird. Dementsprechend
steuert das Z-Achsen-Potentiometer 126 eine Spannung eines
Signalausgangs von dem Joystick dergestalt, dass die Spannung proportional
zu dem Maß der
Drehung des Bediengriffes um die Z-Achse ist.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 3 wird festgestellt werden,
dass ein unteres Ende der Bediengriff-Welle 114 schwenkbar
mit einer Vollkardan-Baugruppe 127 gekoppelt ist, welche
einen X-Achsen-Motor 128 und einen Y-Achsen-Motor 129 um fasst.
Diese beiden Motoren bringen Berührungs-Rückkopplungsdrehmomente
auf, die auf den Bediengriff wirken, um ihn um die X-Achse beziehungsweise
die Y-Achse zu drehen, als Reaktion auf Berührungs-Steuersignale 122.
Die Vollkardan-Baugruppe ermöglicht,
dass die Bediengriff-Welle 114 um die X-Achse und die Y-Achse
gedreht werden kann, und weitere Details des Vollkardan-Mechanismus
werden unten diskutiert.
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Die
Vollkardan-Baugruppe 116 ist in einem Gehäuse 132 angeordnet,
das über
eine Vielzahl von Befestigungsmitteln 134 mit einer Basis 133 verbunden
ist. Die Basis 133 umfasst ein Paar Motorträger 135 und 136,
die eingerichtet sind, um zu den Unterseiten der entsprechenden
X- und Y-Achsen-Motoren 128 und 129 zu passen
(nach der Montage wird ein Spiel von etwa 1 mm zwischen den Motorträgern und den
Motoren vorhanden sein, um den Kunststoff von den heißen Motoren
fern zu halten. Die Träger
werden übermäßige Bewegung
der Motoren verhindern.) Weiterhin ist eine Stromversorgung/Motorsteuereinheit 137,
die Stromeinspeisung von einer herkömmlichen Wechselspannungssteckdose 138 über ein Netzkabel 140 erhält, ebenfalls
in dem Gehäuse 132 angeordnet.
Die Stromversorgung/Motorsteuereinheit stellt separate pulsbreitenmodulierte
elektrische Antriebsströme
bereit, um selektiv einen jeden der X- und Y-Achsen-Antriebsmotoren 128 und 129 anzusteuern.
Die Vollkardan-Baugruppe 127 umfasst weiterhin ein X-Achsen-Potentiometer 130 und
ein Y-Achsen-Potentiometer 131, die die Größen der Spannung
der Ausgangssignale so steuern, dass sie proportional zu der Verschiebung
der Bediengriff-Welle 114 um die X-Achse beziehungsweise
die Y-Achse sind.
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Das
Gehäuse 132 umfasst
eine im Allgemeinen rechteckige Öffnung 142 (mit
abgeschrägten Kanten),
durch die sich ein oberer Abschnitt des Bediengriffes 114 erstreckt.
Ein Ansatz 144 ist entlang des Umfanges der Öffnung 142 ausgebildet
und so geformt, dass eine kugelförmige
Lagerfläche
gebildet wird, die gleitend in die kugelförmige obere Fläche eines
halbkugelförmigen
Halses 146 eingreift, der mit der Bediengriff-Welle 114 gekoppelt
ist. Wenn der Bediengriff 112 um die X-Achse und die Y-Achse
geschwenkt wird, gleitet der halbkugelförmige Hals 146 gegen
den Ansatz 144, wodurch Schmutz gehindert wird, in die
Vollkardan-Baugruppe einzudringen, und wodurch verhindert wird,
dass sich der Benutzer an einem Finger verletzt, der im anderen
Fall durch die Öffnung
eingeführt
werden könnte.
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In
den 2 und 3 wird der Joystick 110 in
einer linken rückseitigen
Vierteldarstellung in Bezug auf den Blickwinkel eines Benutzers
des Joysticks gezeigt. In der Perspektive dieser Figuren entspricht
das Bewegen des Bediengriffes 112 in einer Vorwärtsrichtung „F" einer Drehung des
Bediengriffes entgegen dem Uhrzeigersinn um seine X-Achse (in Bezug
auf die angedeutete Perspektive), während Bewegen des Bediengriffes
in der umgekehrten Richtung „R" (das heißt zu dem
Benutzer hin) einer Drehung des Bediengriffes im Uhrzeigersinn um
die X-Achse (in Bezug auf die angedeutete Perspektive) entspricht.
Analog dazu entspricht Bewegen des Bediengriffes nach rechts (mit „RT" bezeichnet) einer Rechtsdrehung
des Bediengriffes um die Y-Achse, während Bewegen des Bediengriffes
nach links ("1") einer Linksdrehung
um die Y-Achse entspricht. Drehung des Bediengriffes 112 um
die Mittellängsachse der
Bediengriff-Welle 114 entweder nach rechts oder nach links
entspricht der Drehung des Bediengriffes um die Z-Achse.
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Zusätzlich zu
den proportionalen Eingangs-Steuersignalen, die von den Potentiometern 126, 130 und 131 bereitgestellt
werden, versetzt der Joystick 110 einen Benutzer weiterhin
in die Lage, durch Verschiebung des Drosselklappenhebels 148, der
schwenkbar an der Basis 133 montiert ist und der mit einem
Potentiometer (nicht gezeigt) gekoppelt ist, das ein Ausgangssignal
erzeugt, das die Verschiebung des Drosselklappenhebels um die Drosselachse
T andeutet. Weiterhin werden „Ein-AUS"-Steuersignale als Reaktion darauf, dass
ein Benutzer einen beliebigen aus einer Vielzahl von Steuerschaltern/-tasten,
die an einem oberen Abschnitt des Bediengriffes 12 angeordnet
sind, einschließlich
eines Auslöseschalters 150,
eines Achtwege-Ansichtsschalters(POV-Schalter) 152 und
von Steuertasten 154, 156 und 158, betätigt, erzeugt.
Zusätzlich
versetzt der Joystick einen Benutzer in die Lage, selektiv Eingangssignale
zu erzeugen, indem er eine beliebige aus einer Vielzahl von Tasten 160 betätigt, die
an dem Gehäuse 132 angeordnet
sind. Signalverarbeitung und Signalaufbereitung der proportionalen
Potentiometersignale und der von den verschiedenen Tasten oder Bedienelementen
an dem Joystick erzeugten Signale werden durch elektronische Schaltungen
auf einer Leiterplatte 161 durchgeführt, die an der Basis 133 montiert
sind.
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Unter
Bezugnahme auf 4 umfassen die Primärkomponenten
der Vollkardan-Baugruppe 127 eine Bediengriff-Welle 114,
einen oberen Kardanring-Rahmen 162, eine obere Kardanring-Lagerung 164,
eine untere Kardanring-Eingangswelle 166, einen unteren
Kardanring-Rahmen 168 und eine untere Kardanring-Lagerung 170.
Der Bediengriff 114 umfasst einen Schlitz 172,
der angepasst ist, um eine Lasche (nicht gezeigt) in einem Deckel 173 (in 6 gezeigt)
aufzunehmen. Der Deckel 173 ist mit einer Eingangswelle
des Z-Achsen-Potentiometers 126 so gekoppelt, dass die
Eingangswelle in Bezug auf den Körper
des Potentiometers gedreht wird, wenn der Bediengriff 112 in
Bezug auf die Bediengriff-Welle 114 gedreht wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 5 und 6 ist ein
Torsionsfeder-Gehäuse 174,
in dem eine Torsionsfeder 176 angeordnet ist, in einem
mittleren Abschnitt der Bediengriff-Welle 114 ausgebildet.
Die Torsionsfeder 176 umfasst eine Schleife, die die Bediengriff-Welle 114 umgibt,
und ein Paar Mitnehmer 177 (von denen nur einer gezeigt
wird), die so in dem Torsionsfeder-Gehäuse 174 eingenistet
sind, dass sich einer der Mitnehmer 177 durch einen Schlitz 178 erstreckt,
während
sich der andere Mitnehmer 177 durch einen Schlitz 180 (in 4 gezeigt)
erstreckt. Wenn die linke Halbschale 123 und die rechte
Halbschale 124 um die Bediengriff-Welle 114 montiert werden,
greifen die Mitnehmer 177 in jeweilige Seitenwände 182 und 183 ein,
die in dem Torsionsfeder-Gehäuse 174 definiert
sind. Wenn der Bediengriff 112 um die Bediengriff-Welle 114 in
eine der beiden Richtungen weg von einer Mittelposition gedreht wird,
wird das Ende eines der Mitnehmer 177 von einer der angrenzenden
Seitenwände 182 und 183 weg
verschoben, während
der andere Mitnehmer 177 in Kontakt mit seiner angrenzenden
Seitenwand bleibt. Infolgedessen wird ein Drehmoment um die Z-Achse
durch die Torsionsfeder 176 erzeugt, das der Drehung des
Bediengriffes um die Z-Achse, weg von der Mittelposition des Bediengriffes,
entgegengerichtet ist.
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Eine
Vielzahl von Vorsprüngen 184 und
ein Gestell 186 koppeln die Bediengriff-Welle 114 mit dem halbkugelförmigen Hals 146 und
sind in einem unteren Abschnitt der Bediengriff-Welle 114 ausgebildet.
Eine Vielzahl von Schlitzen 189 sind in dem halbkugelförmigen Hals 146 definiert,
um jeweilige Vorsprünge 184 zur
Steuerung der Eingangswelle 114 aufzunehmen, wohingegen
das Gestell 186 die vertikale Position des halbkugelförmigen Halses 146 in Bezug
auf die Bediengriff-Welle steuert.
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Die
Bediengriff-Welle 114 kann sich frei um die X-Achse in
Bezug auf den oberen Kardanring-Rahmen 162 drehen. Ein
Paar Tragewellen 188 und 190 erstrecken sich von
gegenüberliegenden Seiten
eines Auflagers 187, der zu dem Boden der Bediengriff- Welle hin angeordnet
ist, und haben eine gemeinsame Mittelachse, die auf die X-Achse
ausgerichtet ist. Die Tragewellen 188 und 190 werden
von entsprechenden Gleitlagern 191 und 193 aufgenommen,
die integriert in einer Auflagerkonsole 192 beziehungsweise 194 ausgebildet
werden. Die Auflagerkonsolen erstrecken sich von dem oberen Kardanring-Rahmen 162 nach
unten und sind durch entsprechende Befestigungsmittel 196 und 198 mit
dem oberen Kardanring-Rahmen 162 gekoppelt.
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird erkennbar sein, dass
der obere Kardanring-Rahmen 162 als Joch ausgebildet ist,
das eine Öffnung 201 umfasst, durch
die ein oberer Abschnitt der Bediengriff-Welle 114 hindurchgeht,
wenn die Komponenten montiert werden. Vorzugsweise umfasst der obere
Kardanring-Rahmen 162 eine Vielzahl von Hohlräumen 202, die
durch Rippen 203 getrennt sind, um sein Gewicht und seine
Kosten zu reduzieren. Eine Tragewelle 204, die sich in
einem Gleitlager dreht, das in einer Lagerung 164 integral
ausgebildet ist, erstreckt sich von einem Ende des oberen Kardanring-Rahmens 162,
während
sich ein Paar Mitnehmerzapfen 206 und 208 von
einer Konsole 210 erstrecken, die von einem gegenüberliegenden
Ende des Kardanring-Rahmens abhängt.
Jeder Mitnehmerzapfen 206 und 208 umfasst eine
Vielzahl von Versteifungen 212 und einen zylindrischen
Abschnitt 214, in dem ein Gewindeloch festgelegt ist (dieses
Loch wird erst bei der Montage mit einem Gewinde versehen. Die Schraube
ist eine Gewindeschneidschraube und wird bei der Montage ein Gewinde
schneiden.). Zusätzlich erstreckt
sich die Versteifung 218 über die Konsole 210,
um der Konsole und den Mitnehmerzapfen 206, 208 strukturelle
Steifigkeit zu verleihen.
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Die
untere Kardan-Eingangswelle 166 umfasst einen zylindrischen
oberen Abschnitt 222, der bei der Montage so mit der Bediengriff-Welle 114 zusammengepasst
wird, dass Schwenkbewegung der Bediengriff-Welle eine entsprechende
Bewegung der unteren Kardan-Eingangswelle 166 bewirkt.
Es ist zu beachten, dass sowohl die Bediengriff-Welle 114 als auch
die untere Kardan-Eingangswelle 166 hohl sind, um zu ermöglichen,
dass Zuleitungsdrähte
von dem Z-Achsen-Potentiometer 126, dem Auslöseschalter 150,
dem Ansichtsschalter (POV-Schalter) 152 und den Tasten 154, 156 und 158 hindurchgehen und
zu der Leiterplatte 161 geführt werden können. Die
untere Kardan-Eingangswelle 166 umfasst weiterhin ein Paar
Wellen 224 und 226, die sich von gegenüberliegenden
Seiten eines unteren Abschnittes derselben erstrecken und eine gemeinsame
Mittelachse aufweisen, die auf die Y-Achse ausgerichtet ist, die üblicher weise
in jeweiligen Lagerkonsolen 228 und 230 schwenkbar
gelagert sind. Diese Lagerkonsolen sind in dem unteren Kardanring-Rahmen 168 unter
Verwendung von Befestigungsmitteln 232 und 234 angebracht.
Es wird darauf verwiesen, dass der obere und der untere Kardanring-Rahmen 162 und 168 vorzugsweise
von identischer Form sind, so dass die Kardanring-Rahmen austauschbar
verwendet werden können.
(Damit der obere und der untere Kardanring-Rahmen von identischer
Form sind, müssen
die Potentiometer 131 und 130 wegen der D-Welle 247 und 246 unterschiedlich
montiert werden. Um Kippen des Werkstückes in der Montagelinie zu
minimieren, wurden die Potentiometer 131 und 130 so
ausgelegt, dass sie auf die gleiche Art und Weise montiert werden,
das heißt
die Flachseiten auf der W-Welle zeigen nach oben, wie in 4 gezeigt wird.
Dazu wurden die D-Löcher
in dem oberen Kardanring und dem unteren Kardanring nach entgegengesetzten
Richtungen ausgerichtet. Daher sind sie in der aktuellen Ausführung nicht
austauschbar.). Dementsprechend ist der untere Kardanring-Rahmen 168 jochförmig und
an gegenüberliegenden
Enden mit einer Tragewelle 228 und einer Konsole 240 verbunden,
von der sich ein Paar Mitnehmerzapfen 242 und 244 erstrecken.
Die Tragewelle 238 ist drehbar in der unteren Kardanring-Lagerung 170 gelagert
und umfasst eine Erhöhung 245,
die einen perspektivisch verkürzten
Zylinder zur Aufnahme eines ähnlichen abgeflachten
Abschnittes einer Eingangswelle 246 des X-Achsen-Potentiometers 130 umfasst,
um die Eingangswelle des Potentiometers mit dem unteren Kardanring-Rahmen 168 zu
koppeln. (Wenngleich dies nicht gezeigt wird, ist eine ähnliche
Erhöhung
in der Tragewelle 204 ausgebildet, um die Eingangswelle 247 des
Y-Achsen-Potentiometers 131 aufzunehmen, um so die Potentiometer-Eingangswelle mit dem
oberen Kardanring-Rahmen 196 zu koppeln.). Die Mitnehmerzapfen 242 und 244 sind
von identischer Form wie die oben diskutierten Mitnehmerzapfen 206 und 208 und
umfassen einen zylindrischen Abschnitt 248 und ein Gewindeloch 250.
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Die
Wirkung der Vollkardan-Baugruppe 127 als Reaktion auf eine
Schwenkverschiebung der Bediengriff-Welle 114 durch einen
Benutzer wird nunmehr beschrieben werden, ohne dabei Kräfte zu berücksichtigen,
die durch die Motoren 128 und 129 und ihre entsprechenden
Getriebekomponenten aufgebracht werden. In Bezug auf eine Verschiebung der
Bediengriff-Wellenbewegung 114 in einer Vorwärtsrichtung
F drehen sich die Tragewellen 188 und 190 innerhalb
jeweiliger Lagerträger 192 und 194.
Infolgedessen wird keine Bewegung um die Y-Achse aufgebracht, da
die Drehbewegung aus schließlich um
die X-Achse vorliegt, die koplanar mit der Y-Achse ist und somit
kein Moment um die Y-Achse aufbringt. Aufgrund der Kopplung zwischen
der Bediengriff-Welle 114 und
der unteren Kardan-Eingangswelle 166 wird ein Moment auf
den unteren Kardanring-Rahmen 168 aufgebracht, das bewirkt,
dass sich die Tragewelle 238 mit der Lagerung 170 dreht,
wodurch bewirkt wird, dass sich der untere Kardanring-Rahmen 168 um
die X-Achse dreht. Gleichzeitig wird die Eingangswelle 246 des
X-Achsen-Potentiometers 130 dementsprechend
gedreht, wodurch ermöglicht
wird, das Ausmaß von
Drehung des Bediengriffes um die X-Achse durch Verwendung einer
geeigneten elektronischen Schaltung zur Signalverarbeitung und Signalaufbereitung,
die auf der Leiterplatte 161 bereitgestellt wird, zu erfassen.
Details der für
diese Signalverarbeitung und Signalaufbereitung erforderlichen Schaltung
sind dem Durchschnittsfachmann bekannt und dementsprechend werden weitere
Details an dieser Stelle nicht angeführt. Schwenkverschiebung der
Bediengriff-Welle 114 in einer umgekehrten Richtung R führt zu einer ähnlichen
Drehung um die X-Achse, dieses Mal jedoch als Drehung in einer entgegengesetzten
Richtung.
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Eine
Schwenkverschiebung der Bediengriff-Welle 114 in einer
linken Richtung L und in einer rechten Richtung RT bewirkt ähnliche
Drehung um die Y-Achse, ohne Drehung um die X-Achse. Zum Beispiel
bewirkt Schwenkverschiebung der Bediengriff-Welle 114i einer linken Richtung
L, dass ein Moment auf den oberen Kardanring-Rahmen 162 aufgebracht wird,
was eine Drehung der Tragewelle 204 innerhalb der Lagerung 164 um
die Y-Achse rechts herum bewirkt. Gleichzeitig wird bewirkt, dass
sich die Tragewellen 224 und 226 der unteren Kardan-Eingangswelle 166 in
ihren jeweiligen Lagerkonsolen 228 und 230 um
die Y-Achse drehen. Da die Y-Achse koplanar mit der X-Achse ist,
bringt diese Drehung des Bediengriffes um die Y-Achse kein Moment
um die X-Achse auf. Eine Schwenkverschiebung der Bediengriff-Welle 114 in
die rechte Richtung RT erzeugt einen ähnlichen Effekt, außer dass
es sich hierbei um Linksdrehung um die Y-Achse handelt.
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Es
ist zu beachten, dass eine Verschiebung des Bediengriffes 114 sowohl
um die X-Achse als auch um die Y-Achse bei Spielhandlungen üblich ist und
lediglich eine Kombination der oben beschriebenen Bewegungen erzeugt,
die durch die Vollkardan-Baugruppe
mühelos
unterstützt
wird. Weiterhin ist die Konfiguration der Vollkardan-Baugruppe dergestalt,
dass eine maximale Verschiebung des Bediengriffes sowohl um die
X-Achse als auch um die Y-Achse gleichzeitig auftreten kann, und
so, dass eine maximale Verschiebung um entweder die X-Achse oder
die Y-Achse aufrechterhalten werden kann, während der Bediengriff 112 durch
den vollen Bewegungsbereich der anderen Achse bewegt wird.
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Wie
weiter oben diskutiert wurde, stellt die Vollkardan-Baugruppe 127 Berührungs-Rückkopplungskräfte als
Reaktion auf Joystick-Bediengriff-Eingaben und Spielkriterien bereit.
Um diese Funktion zu erfüllen,
ist es notwendig, dass man in der Lage ist, Berührungs-Rückkopplungs-Drehmomente aufzubringen,
die auf den Bediengriff 112 um die X-Achse und die Y-Achse
wirken. Diese Funktion wird durch den oben für eine jede Achse beschriebenen Motor
und Getriebezug erzielt. Die Motoren sind wie folgt mit dem Rahmen
der Vollkardan-Baugruppe gekoppelt.
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Unter
Bezugnahme auf die 5 bis 7 ist die
Vollkardan-Baugruppe an einem Rahmen 252 montiert, der
wiederum an der Basis 133 mit einer Vielzahl von Gewinde-Befestigungsmitteln
(nicht gezeigt) befestigt ist. Der Rahmen 252 umfasst eine Vielzahl
von runden Vorsprüngen 254,
an denen Lagerungen 164 und 170 jeweils durch
Verwendung von entsprechenden Paaren von Befestigungsmitteln 256 befestigt
sind. Der Rahmen 252 umfasst weiterhin vier verlängerte Vorsprünge 258,
die an den Ecken des Rahmens 252 angeordnet sind und die angepasst
sind, um jeweilige Laschen (nicht gezeigt) aufzunehmen, die von
dem Gehäuse 132 abhängen.
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Der
untere und der obere Kardanring-Rahmen 162 und 168 sind
mit einem jeweiligen Motor und Getriebe gekoppelt, die eine Rückkopplungskraft auf
den Bediengriff 112 um die Kardanachse als Reaktion auf
Berührungs-Rückkopplungs-Steuersignale
ausüben.
Der Y-Achsen-Motor 129 ist an einem Getriebeträger 260 mittels
eines Paares von Befestigungsmitteln 262 angebracht. Der
Getriebeträger 260 umfasst
eine Vielzahl von Justierlöchern 264,
die gegenüberliegend
entsprechend den Gewinde-Passstiften 266 angeordnet sind,
die in einem Rahmen 252 so ausgebildet sind, dass der Getriebeträger 260 durch
eine Vielzahl von Befestigungsmitteln 268 an dem Rahmen 252 gesichert
werden kann. Die Getriebekomponenten umfassen ein Ritzel 270,
ein Kombinationsgetriebe 272 und einen Zahnbogen 274.
Das Ritzel 270 ist auf einer Welle 276 montiert,
die mit dem Rotor des Y-Achsen-Motors 129 gekoppelt ist. Das
Kombinationsgetriebe 272 ist drehbar auf einer Tragewelle 278 montiert
und erstreckt sich von dem Ge triebeträger 260 nach außen. Analog
dazu ist der Zahnbogen 274 drehbar auf einer Tragewelle 280 montiert,
die sich von dem Getriebeträger 260 nach außen erstreckt.
Der Getriebeträger 260 umfasst weiterhin
ein Paar von bogenförmigen
Schlitzen 282, durch die sich die Mitnehmerzapfen 206 und 208 frei bewegen,
wenn sich der Bediengriff des Joysticks dreht, und ein Paar Laschen 283,
die das Ausmaß der
Drehung des Zahnbogens 274 in einer jeden Richtung begrenzen.
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Der
Zahnbogen 274 umfasst ein Paar von Justierlöchern 284,
die zylindrische Abschnitte 214 der Mitnehmerzapfen 206 und 208 aufnehmen.
Bei der Montage wird der Zahnbogen 274 mit einem Paar Befestigungsmittel 286,
die in Gewindelöcher 216 in den
Mitnehmerzapfen 206 und 208 eingreifen, an dem
oberen Kardanring-Rahmen 162 gesichert. Versteifungen 212 bilden
eine Stützfläche, und
der Zahnbogen 274 wird bei Montage zwischen dieser Stützfläche und
den Köpfen
der Befestigungsmittel 286 angeordnet, so dass eine starre
Kopplung zwischen dem oberen Kardanring-Rahmen 164 und
dem Zahnbogen 274 besteht. Infolgedessen wird der obere Kardanring-Rahmen 162 mit
einem Kardanring-Lagerträger
an jedem seiner gegenüberliegenden
Enden versehen, von denen eines die Lagerfläche ist, auf der der Zahnbogen
montiert wird. Zusätzlich, wenn
der Bediengriff 114 durch einen gegebenen Winkel um die
Y-Achse verschoben wird, wird der Zahnbogen 274 veranlasst,
sich um einen gleichen Winkel zu drehen.
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Das
Kombinationsgetriebe 272 umfasst ein großes Zahnrad 286 und
ein kleines Zahnrad 288, die eine gemeinsame Achse aufweisen.
Das kleine Zahnrad 288 erstreckt sich von der zentralen
Nabe des Kombinationsgetriebes und das große Zahnrad ist der Abschnitt
des Kombinationsgetriebes mit dem größeren Durchmesser. Das Kombinationsgetriebe 272 ist
durch eine Sicherungsringhalterung 290 der Tragewelle 278 gesichert
und wird durch gleitenden Eingriff in eine Riefe 292, die
in der Peripherie des Zahnbogens 274 ausgebildet wird,
an Vorwärtsbewegung
zu dem Getriebeträger 260 hin
gehindert. Wenn es durch den Y-Achsen-Motor 129 angetrieben
wird, greift das Ritzel 270 in das große Zahnrad 286 ein, wodurch
bewirkt wird, dass sich das Kombinationsgetriebe dreht. Die Zahnradzähne (nicht
speziell gezeigt) des kleinen Zahnrades 288 greifen in
die Vielzahl von Zahnradzähnen 294 des
Zahnbogens 274 ein, wodurch bewirkt wird, dass sich der
Zahnbogen 274 dreht, wodurch ein Drehmoment um die Y-Achse erzeugt wird,
das zu Berührungs-Rückkopplungskraft auf
den Bediengriff 112 um die Y-Achse in der Richtung der
Drehung des Zahnbogens führt.
Bewegung des Bediengriffes durch den Benutzer um die Y-Achse erzeugt
eine entsprechende Bewegung des Zahnbogens, die durch das Kombinationsgetriebe
zurück auf
das Ritzel übertragen
wird, wodurch bewirkt wird, dass sich der Rotor des Y-Achsen-Motors
auf entsprechende Weise dreht. Es ist zu beachten, dass in einigen
Fällen
der gewünschte
Berührungs-Rückkopplungs-Effekt erfordert,
dass ein Drehmoment auf den Bediengriff aufgebracht wird, das keine
oder geringe Drehung des Zahnbogens bewirkt, wie es der Fall wäre, wenn
der gewünschte
Effekt darin bestünde,
zu simulieren, dass ein von einem Benutzer gesteuertes Objekt (in
einem Spiel) an eine Wand anstößt (in einem
Spiel).
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Das
Ausmaß der
Drehung des Rotors des Y-Achsen-Motors 129, die bewirkt
wird, in dem der Benutzer den Bediengriff bewegt, ist gleich dem
Ausmaß der
Drehung des Zahnbogens, multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis des
Getriebes, das etwa 18,3 beträgt.
Analog dazu ist der Betrag von Drehmoment, das durch den Y-Achsen-Motor 129 erzeugt
wird, gleich dem Übersetzungsverhältnis, multipliziert
mit dem Betrag von Drehmoment, das durch den Rotor des Motors erzeugt
wird. Indem das Drehmoment und/oder die Geschwindigkeit des Y-Achsen-Motors 129 gesteuert
wird oder werden, kann ein gewünschtes
Berührungs-Rückkopplungs-Drehmoment
somit rasch erzeugt werden, so dass ein gewünschter Krafteffekt auf den
Bediengriff 112 aufgebracht wird.
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Ein
Motor und ein Getriebe von im Wesentlichen identischer Form werden
bereitgestellt, um Berührungs-Rückkopplungskräfte um die
X-Achse zu erzeugen. Diese umfassen den X-Achsen-Motor 128, einen
Getriebeträger 300,
ein Ritzel 302, ein Kombinationsgetriebe 304 mit
einem großen
Zahnrad 305 und einem kleinen Zahnrad 306 und
einem Zahnbogen 308. Der Getriebeträger 300, der eine
Vielzahl von Justierlöchern 310 umfasst,
ist durch eine Vielzahl von Befestigungsmitteln 312 an
dem Rahmen 252 gesichert. Der Zahnbogen 308, der
drehbar auf einer Welle 313 montiert ist, die sich von
der Getriebeträger 300 nach
außen
erstreckt, umfasst ein Paar Justierlöcher 314, die angepasst
sind, um zylindrische Abschnitte 248 der Mitnehmerzapfen 242 und 244 aufzunehmen.
Ein Paar Befestigungsmittel 315 werden in Gewindelöcher 250 eingeschraubt,
um den Zahnbogen 308 an den Mitnehmerzapfen 242 und 244 zu
sichern. Zusätzlich
gehen die Mitnehmerzapfen 242 und 244 durch ein
Paar bogenförmige Schlitze 316 durch
den Getriebeträger 300 hindurch, und
der Getriebeträger 300 umfasst
ein Paar Laschen 317 zum Begrenzen der Drehung des Zahnbogens 308 in
einer jeden Richtung. Der X-Achsen-Motor 128 ist mit einem
Paar Gewinde-Befestigungsmittel 319 an dem Getriebeträger 300 angebracht.
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Das
Kombinationsgetriebe 304 ist drehbar an einer Tragewelle 318 angebracht,
die sich von dem Getriebeträger 300 nach
außen
erstreckt, und ist durch eine Sicherungsringhalterung 320 an
der Tragewelle 318 gesichert. Das Ritzel 302,
das in das große
Zahnrad 305 des Kombinationsgetriebes 304 eingreift,
ist auf einer Welle 322 montiert, die mit dem Rotor des
X-Achsen-Motors 128 gekoppelt ist. Wie es bei dem Y-Achsen-Getriebe der
Fall ist, greift der Zahnbogen 308 in das kleine Zahnrad 306 des
Kombinationsgetriebes 304 ein, während das große Zahnrad 305 in
den Zahnbogen 308 eingreift.
-
Auf ähnliche
Weise, wie oben in bezug auf Verschiebung der Bediengriff-Welle
um die Y-Achse beschrieben wurde, bewirkt Verschiebung der Bediengriff-Welle 114 um
die X-Achse, dass sich der untere Kardanring-Rahmen 168 um
die X-Achse dreht, wodurch bewirkt wird, dass sich der Zahnbogen 308 dreht.
Diese Drehung bewirkt, dass sich das Kombinationsgetriebe 304 und
das Ritzel 302 drehen, wodurch Drehung des Rotors des X-Achsen-Motors 128 bewirkt
wird. Wie dies oben der Fall war, ist das Maß der Drehung des Rotors gleich
dem Maß der
Drehung des Zahnbogens 308, multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis des
Getriebes. Die Umkehrung ist ebenfalls wahr. Das heißt, der
Betrag von Drehmoment, das an dem Zahnbogen 308 aufgebracht
wird, indem der X-Achsen-Motor 128 angesteuert wird, ist
gleich dem Betrag von Drehmoment, das an dem Rotor des X-Achsen-Motors 128 erzeugt wird,
multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis des
Getriebes. Infolgedessen kann, indem das Drehmoment und/oder die
Drehzahl des X-Achsen-Motors 128 gesteuert wird oder werden,
eine gewünschte
Berührungs-Rückkopplungskraft
ebenfalls mühelos
aufgebracht werden, um den Bediengriff 112 in Bezug auf
die X-Achse zu steuern.
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Vorzugsweise
werden die meisten Komponenten, die in einem Joystick verwendet
werden, aus Kunststoffen gefertigt, die für Großserien-Spritzgießen der
Teile geeignet sind, welches das bevorzugte Herstellungsverfahren
für diese
Komponenten ist, wenngleich andere Arten von Kunststoff und andere Formgebungsverfahren
alternativ dazu eingesetzt werden können. Insbesondere sind Komponenten, die
für Spritzgießen ideal
geeignet sind, unter anderem der obere und der untere Kardanring-Rahmen 162 und 168,
die Lagerungen 164 und 170, die Getriebeträger 192, 194, 228 und 230,
die Bediengriff-Welle 114, die untere Kardan-Eingangswelle 166,
der halbkugelförmige
Hals 146, das obere Gehäuse 132,
die Basis 133, die linke Halbschale 123 und die
rechte Halbschale 124. Zusätzlich soll ein Kunststoff
mit guten selbstschmierenden Eigenschaften für die Lagerungen und die Lagerträger verwendet
werden, um sicherzustellen, dass diese Teile mit Lagerflächen mit
geringer Reibung (und geringem Verschleiß) versehen werden. Die Getriebeträger 260 und 300 werden
vorzugsweise aus Blech unter Verwendung üblicher Metallformverfahren,
wie zum Beispiel Stanzen, gefertigt. Weiterhin wird darauf verwiesen,
dass möglichst
zahlreiche der vorstehend genannten Komponenten mit identischer
Form entsprechend anderen Komponenten ausgelegt worden sind. Zum
Beispiel sind der obere und der untere Kardanring-Rahmen und die
entsprechenden Lagerträger
und Lagerungen für
die Vollkardan-Baugruppe von identischer Form. Ein besonderer Vorteil
der Vollkardan-Konfiguration der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass eine einzelne Kardanring-Rahmenkomponente für die Anwendung
mit dem oberen oder dem unteren Kardanring geeignet sein kann.
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In
der vorstehenden Beschreibung umfassen die Getriebe für die X-Achse
und die Y-Achse jeweils einen Zahnradsatz mit einem Zahnbogen, einem Kombinationsgetriebe
und Ritzeln. Es wird darauf verwiesen, dass andere Arten von Getrieben
alternativ verwendet werden können,
unter anderem Getriebe, die Antriebszahnriemen und Riemenscheiben, Kabel
und Riemenscheiben oder eine Kombination aus Zahnrädern, Antriebsriemen
und/oder Kabeln verwenden. Zusätzlich
kann ein Vollzahnrad anstelle der Zahnbogen verwendet werden, wenngleich Zahnbogen
in dem oben diskutierten Ausführungsbeispiel
bevorzugt werden, da sie einen großen Zahnradius bereitstellen,
ohne dass sie den Platz eines herkömmlichen kreisförmigen Zahnrades
benötigen,
und leichter sind. Weiterhin können
geeignete Servomotoren, die ein ausreichend großes Drehmoment bei niedrigen
Geschwindigkeiten erzeugen (durch Nutzung von hochfesten Magneten
und/oder Innengetriebeuntersetzung), verwendet werden, um die Notwendigkeit
eines Getriebes zu beseitigen. In diesem Fall wird die Eingangswelle
des Motors mit einem Antriebselement gekoppelt, das von einem Paar Mitnehmerzapfen
angetrieben wird, die sich von einem Ende des Kardanring-Rahmens
erstrecken, um das Antriebselement (und somit den Motor) mit dem oberen
oder dem unteren Kardanring-Rahmen zu koppeln.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsweise
und Abänderungen
derselben beschrieben worden ist, wird der Durchschnittsfachmann
erkennen, dass zahlreiche weitere Abänderungen an der vorliegenden
Erfindung im Rahmen der folgenden Patentansprüche vorgenommen werden können. Dementsprechend
ist nicht beabsichtigt, den Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung
in irgendeiner Weise durch die vorstehende Beschreibung einzuschränken, sondern
dieser soll ausschließlich
durch die folgenden Patentansprüche
bestimmt werden.