EP0836735B1

Method and apparatus for providing passive fluid force feedback

Abstract

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EP0836735B1, drawing sheet 1
Sheet 1 of 18

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Expired 7 June 2016, 10.3 years ago.

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47 claims: 47 independent, 0 dependent

  1. 1
    An apparatus for interfacing the motion of a physical object (18) with a host computer, said host computer (16) updating a graphical environment in response to user manipulation of said object (18) and commanding said apparatus to generate force feedback sensations in coordination with events within said graphical environment, said apparatus comprising:a sensor (14) for detecting movement of said object (18) along a degree of freedom, said sensor (14) being operative to develop a sensor signal for said host computer (16) representing said detected motions;anda passive damper (12) comprising a recipient (24) flexibly coupled to said object (18) for transmitting a passive drag to said object (18) along said degree of freedom to resist a movement of said object (18), wherein said passive drag results from flow of a fluid through an orifice (34) in said recipient (24) and wherein said passive drag is varied in magnitude by adjusting a rate of passive flow of said fluid through said orifice (34) in response to a dampening signal provided by said host computer (16),    such that said sensor (14) and said passive damper (12) provide an electromechanical interface between said object (18) and said host computer (16). Appareil pour faire l'interface entre le mouvement d'un objet physique (18) et un ordinateur hôte, ledit ordinateur hôte (16) mettant à jour un environnement graphique en réponse à la manipulation dudit objet (18) par l'utilisateur et commandant ledit appareil afin de générer des sensations de retour de force en coordination avec des événements dans ledit environnement graphique, ledit appareil comprenant : un capteur (14) destiné à détecter le mouvement dudit objet (18) selon un degré de liberté, ledit capteur (14) pouvant développer un signal de capteur destiné audit ordinateur hôte (16), représentant lesdits mouvements détectés ;etun amortisseur passif (12) comprenant un récepteur (24) couplé de manière flexible audit objet (18) afin de transmettre une résistance passive audit objet (18) selon ledit degré de liberté, de façon à résister à un mouvement dudit objet (18),    dans lequel ladite résistance passive résulte de l'écoulement d'un fluide dans un orifice (34) situé dans ledit récepteur (24), et dans lequel ladite résistance passive est variée en termes de magnitude en ajustant un débit de l'écoulement passif dudit fluide dans ledit orifice (34) en réponse à un signal d'amortissement fourni par ledit ordinateur hôte (16),    de telle sorte que ledit capteur (14) et ledit amortisseur passif (12) assurent une interface électromécanique entre ledit objet (18) et ledit ordinateur hôte (16). Vorrichtung zum Miteinander-Verbinden der Bewegung eines körperlichen Objekts (18) mit einem Host-Computer, wobei der Host-Computer (16) eine grafische Umgebung als Antwort auf Benutzermanipulation des Objekts (18) aktualisiert und die Vorrichtung anweist, Kraftrückkopplungs-Wahrnehmungen in Verbindung mit Ereignissen innerhalb der grafischen Umgebung zu erzeugen, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Sensor (14) zum Ermitteln der Bewegung des Objekts (18) längs eines Freiheitsgrads, wobei der Sensor (14) betriebsfähig ist, ein Sensorsignal für den Host-Computer (16) zu entwickeln, welches die ermittelten Bewegungen darstellt;undeinen passiven Dämpfer (12), der einen Rezipienten (24) aufweist, der flexibel mit dem Objekt (18) gekoppelt ist, um eine passive Widerstandskraft zum Objekt (18) längs des Freiheitsgrads zu übertragen, um einer Verschiebung des Objekts (18) zu widerstehen, wobei die passive Widerstandskraft von einem Fluss eines Fluids durch eine Öffnung (34) im Rezipienten (24) resultiert und wobei die passive Widerstandskraft bezüglich der Größe durch Einstellen einer Rate von passivem Fluss des Fluids durch die Öffnung (34) als Antwort auf ein Dämpfungssignal variiert wird, welches durch den Host-Computer (16) bereitgestellt wird,    derart, dass der Sensor (14) und der passive Dämpfer (12) eine elektro-mechanisehe Schnittstelle zwischen dem Objekt (18) und dem Host-Computer (16) bereitstellen.
  2. 2
    An apparatus as recited in claim 1 wherein said damper (12) includes a cylinder (24) and a piston (26) operative to move within said cylinder (24). Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit amortisseur (12) comprend un cylindre (24) et un piston (26) pouvant se déplacer dans ledit cylindre (24). Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Dämpfer (12) einen Zylinder (24) und einen Kolben (26), der sich innerhalb des Zylinders (24) bewegen kann, aufweist.
  3. 3
    An apparatus as recited in claim 2 wherein said piston (124) is coupled to said object (18) by a piston rod (126), said piston rod (126) including two ends, each end including a ball joint (134, 136). Appareil selon la revendication 2, dans lequel ledit piston (124) est couplé audit objet (18) par une tige de piston (126), ladite tige de piston (126) comprenant deux extrémités, chaque extrémité comprenant un joint à rotule (134, 136). Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Kolben (124) mit dem Objekt (18) über eine Kolbenstange (126) gekoppelt ist, wobei die Kolbenstange (126) zwei Enden aufweist, wobei jedes Ende ein Kugelgelenk (134, 136) aufweist.
  4. 4
    An apparatus as recited in any of claims 2 and 3 wherein an electrorheological fluid (39') and a plurality of electrodes (47) are provided in said cylinder (24") such that said adjusting said passive flow of said fluid is accomplished by applying a voltage to said electrodes (47) to control a viscosity of said electrorheological fluid (39') and thereby regulate said flow of said fluid (39'). Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel un fluide électrorhéologique (39') et une pluralité d'électrodes (47) sont prévus dans ledit cylindre (24") de telle sorte que ledit ajustement dudit écoulement passif dudit fluide soit effectué en appliquant une tension auxdites électrodes (47) afin de contrôler une viscosité dudit fluide électrorhéologique (39') et, ainsi, de réguler ledit écoulement dudit fluide (39'). Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein elektro-rheologisches Fluid (39') und mehrere Elektroden (47) im Zylinder (24") vorgesehen sind, so dass das Einstellen des passiven Flusses des Fluids durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden (47) erreicht wird, um eine Viskosität des elektro-rheologischen Fluids (39') zu steuern und um dadurch den Fluss des Fluids (39') zu regeln.
  5. 5
    An apparatus as recited in any of claims 2 and 3 wherein said damper (12) further includes a valve (22) for regulating said flow of said fluid (38) through said cylinder (24), said valve (22) being controlled to transmit a variable drag to said movement of said object (18). Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel ledit amortisseur (12) comprend en outre une valve (22) destinée à réguler ledit écoulement dudit fluide (38) dans ledit cylindre (24), ladite valve (22) étant commandée afin de transmettre une résistance variable audit mouvement dudit objet (18). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Dämpfer (12) außerdem ein Ventil (22) aufweist, um den Fluss des Fluids (38) durch den Zylinder (24) zu regeln, wobei das Ventil (22) gesteuert ist, um eine variable Widerstandskraft für die Verschiebung des Objekts (18) zu übertragen.
  6. 6
    An apparatus as recited in any of claims 2, 3 and 5 wherein said damper (12) further comprises a plurality of valves (22a, 22b, 22c), wherein said plurality of valves (22a, 22b, 22c) are controlled in combination to transmit said variable drag to said movement of said object (18). Appareil selon l'une quelconque des revendications 2, 3 et 5, dans lequel ledit amortisseur (12) comprend en outre une pluralité de valves (22a, 22b, 22c), dans lequel ladite pluralité de valves (22a, 22b, 22c) est commandée en combinaison afin de transmettre ladite résistance variable audit mouvement dudit objet (18), Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 und 5, wobei der Dampfer (12) außerdem mehrere Ventile (22a, 22b, 22c) aufweist;wobei die mehreren Ventile (22a, 22b, 22c) in Kombination gesteuert werden, um die variable Widerstandskraft auf die Verschiebung des Objektes (18) zu übertragen.
  7. 7
    An apparatus as recited in claim 5 wherein said valve (22) provides only two amounts of drag to said object, said two amounts being no drag to allow substantially free movement of said object (18) along said degree of freedom, and a maximum drag to allow substantially no movement of said object (18) along said degree of freedom, wherein control over providing said two amounts of drag results only from said adjustment of said rate of passive flow. Appareil selon la revendication 5, dans lequel ladite valve (22) ne fournit que deux quantités de résistance audit objet, lesdites deux quantités étant une résistance nulle permettant un mouvement sensiblement libre dudit objet (18) selon ledit degré de liberté, et une résistance maximale ne permettant quasiment aucun mouvement dudit objet (18) selon ledit degré de liberté, dans lequel la commande de la fourniture desdites deux quantités de résistance résulte uniquement dudit ajustement dudit débit d'écoulement passif. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ventil (22) lediglich zwei Widerstandskraftwerte für das Objekt bereitstellt, wobei die beiden Werte keine Widerstandskraft sind, um im Wesentlichen freie Bewegung des Objekts (18) längs des Freiheitsgrads zuzulassen, und eine maximale Widerstandskraft, um im Wesentlichen keine Verschiebung des Objekts (18) längs des Freiheitsgrads zuzulassen, wobei Steuerung über Bereitstellung der beiden Widerstandskraftwerte lediglich von der Einstellung der passiven Flussrate resultiert.
  8. 8
    An apparatus as recited in claim 5 wherein said damper (12) includes a solenoid (280), and wherein said solenoid (280) is electrically coupled to said digital computing apparatus (252) and is activated by said host computer (16) to control said valve (22). Appareil selon la revendication 5, dans lequel ledit amortisseur (12) comprend un solénoïde (280), et dans lequel ledit solénoïde (280) est électriquement couplé audit appareil de calcul numérique (252) et est activé par ledit ordinateur hôte (16) afin de commander ladite valve (22). Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Dämpfer (12) ein Solenoid (280) aufweist, und wobei das Solenoid (280) elektrisch mit der digitalen Berechnugsvorrichtung (252) gekoppelt ist und durch den Host-Computer (16) aktiviert wird, um das Ventil (22) zu steuern.
  9. 9
    An apparatus as recited in any of the preceding claims wherein said fluid is air. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide est de l'air. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid Luft ist.
  10. 10
    An apparatus as recited in any of the preceding claims wherein said sensor (110) has a sensing resolution, and wherein said apparatus further includes a play mechanism (114) coupled between said damper (116) and said object (18) for providing a desired amount of play between said damper (116) and said object (18) along said degree of freedom, wherein said desired amount of play is equal to or greater than said sensing resolution. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit capteur (110) possède une résolution de détection, et dans lequel ledit appareil comprend en outre un mécanisme de jeu (114) couplé entre ledit amortisseur (116) et ledit objet (18) afin de fournir une quantité souhaitée de jeu entre ledit amortisseur (116) et ledit objet (18) selon ledit degré de liberté, dans lequel ladite quantité souhaitée de jeu est égale ou supérieure à ladite résolution de détection. Vorrichtung nach einem.der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (110) eine Abtastauflösung aufweist, und wobei die Vorrichtung außerdem einen Spielmechanismus (114) aufweist, der zwischen dem Dämpfer (116) und dem Objekt (18) gekoppelt ist, um ein gewünschtes Maß an Spiel zwischen dem Dämpfer (116) und dem Objekt (18) längs des Freiheitsgrads bereitzustellen, wobei das gewünschte Maß an Spiel gleich oder größer ist als die Abtastauflösung.
  11. 11
    An apparatus as recited in claim 10 wherein said sensor (110) is rigidly coupled to said object (18), and wherein an amount of play less than said sensing resolution exists between said sensor (110) and said object (18). Appareil selon la revendication 10, dans lequel ledit capteur (110) est couplé de manière rigide audit objet (18), et dans lequel une quantité de jeu inférieure à ladite résolution de détection existe entre ledit capteur (110) et ledit objet (18). Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Sensor (110) fest mit dem Objekt (18) gekoppelt ist, und wobei ein Maß an Spiel, das kleiner ist als die Abtastauflösung, zwischen dem Sensor (110) und dem Objekt (18) existiert.
  12. 12
    An apparatus as recited in any of the preceding claims, further comprising a support mechanism (105, 180) providing a degree of freedom to said object (18) with respect to a grounding surface (24, 186), wherein said object (18) is moveable along said at least one degree of freedom by a user grasping said object (18). Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un mécanisme de support (105, 180) destiné à fournir un degré de liberté audit objet (18) par rapport à une surface du sol (24, 186), dans lequel ledit objet (18) est déplaçable selon ledit au moins un degré de liberté lorsqu'un utilisateur saisit ledit objet (18). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem einen Lagermechanismus (105, 118) aufweist, der einen Freiheitsgrad für das Objekt (18) in Bezug auf eine Bodenfläche (24, 186) bereitstellt, wobei das Objekt (18) längs des zumindest einen Freiheitsgrads durch einen Benutzer, der das Objekt (18) ergreift, bewegbar ist.
  13. 13
    An apparatus as recited in claim 12 wherein said support mechanism (180) includes a gimbal mechanism (182) providing a first revolute degree of freedom to said object (18) engaged with said gimbal mechanism (182) about a first axis of rotation (B), and providing a second degree of freedom to said object about a second axis of rotation (C), and further comprising a second sensor (110b) for sensing positions of said object along said second degree of freedom and a second damper (108b) to create a passive damping resistance along said second degree of freedom by regulating a rate of a passive flow of a second fluid. Appareil selon la revendication 12, dans lequel ledit mécanisme de support (180) comprend un mécanisme de suspension à cardan (1 82) offrant un premier degré de liberté de rotation audit objet (18) engagé avec ledit mécanisme de suspension à cardan (182) autour d'un premier axe de rotation (B), et offrant un second degré de liberté audit objet autour d'un second axe de rotation (C), et comprenant en outre un second capteur (110b) destiné à détecter les positions dudit objet selon ledit second degré de liberté et un second amortisseur (108b) destiné à créer une résistance d'amortissement passive selon ledit second degré de liberté en régulant un débit d'un écoulement passif d'un second fluide. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Lagermechanismus (118) einen Kardan-Mechanismus (182) aufweist, der einen ersten Drehfreiheitsgrad für das Objekt (18), welches mit dem Kardan-Mechanismus (182) in Eingriff steht, um eine erste Drehachse (B) bereitstellt, und eine zweiten Freiheitsgrad für das Objekt um eine zweite Drehachse (C) bereitstellt, und außerdem einen zweiten Sensor (110b) aufweist, um Positionen des Objekts längs des zweiten Freiheitsgrads und des zweiten Dämpfers (108b) abzutasten, um einen passiven Dämpfungswiderstand längs des zweiten Freiheitsgrads zu erzeugen, indem eine Rate eines passiven Flusses eines zweiten Fluids geregelt wird.
  14. 14
    An apparatus as recited in claim 12 wherein said support mechanism includes a first linear member (104a) coupled between said user object (18) and said damper (12a) to provide a first linear degree of freedom to said user object (18), and a second linear member (104b) coupled between said user object (18) and said second damper (12b) to provide a second linear degree of freedom to said user object (18). Appareil selon la revendication 12, dans lequel ledit mécanisme de support comprend un premier élément linéaire (104a) couplé entre ledit objet utilisateur (18) et ledit amortisseur (12a) afin d'offrir un premier degré de liberté linéaire audit objet utilisateur (18), et un second élément linéaire (104b) couplé entre ledit objet utilisateur (18) et ledit second amortisseur (12b) afin d'offrir un second degré de liberté linéaire audit objet utilisateur (18). Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Lagermechanismus ein erstes geradliniges Teil (104a) aufweist, welches zwischen dem Benutzerobjekt (18) und dem Dämpfer (12a) gekoppelt ist, um einen ersten geradlinigen Freiheitsgrad für das Benutzerobjekt (18) bereitzustellen, und ein zweites geradliniges Teil (104b), welches zwischen dem Benutzerobjekt (18) und dem zweiten Dämpfer (12b) gekoppelt ist, um einen zweiten geradlinigen Freiheitsgrad für das Benutzerobjekt (18) bereitzustellen.
  15. 15
    An apparatus as recited in claim 14 wherein said first linear member (104a) is a flexible member that flexes when said object (18) is moved in said second degree of freedom, and wherein said second linear member (104b) is a flexible member that flexes when said user object is moved in said first degree of freedom. Appareil selon la revendication 14, dans lequel ledit premier élément linéaire (104a) est un élément flexible qui fléchit lorsque ledit objet (18) est déplacé selon ledit second degré de liberté, et dans lequel ledit second élément linéaire (104b) est un élément flexible qui fléchit lorsque ledit objet utilisateur est déplacé selon ledit premier degré de liberté. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das erste geradlinige Teil (104a) ein flexibles Teil ist, welches sich biegt, wenn das Objekt (18) im zweiten Freiheitsgrad bewegt wird, und wobei das zweite geradlinige Teil (104b) ein flexibles Teil ist, welches sich bewegt, wenn das Benutzerobjekt im ersten Freiheitsgrad bewegt wird.
  16. 16
    An apparatus as recited in claim 5 wherein said valve (22) is an on-off valve having an open state and a closed state. Appareil selon la revendication 5, dans lequel ladite valve (22) est une valve on/off possédant un état ouvert et un état fermé. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ventil (22) ein Ein-/Ausschalt-Ventil ist, welches einen geöffneten Zustand und einen geschlossen Zustand hat.
  17. 17
    An apparatus as recited in claim 5 wherein said valve (22') is a servo valve having a passage having a variable size, said size of said passage selected by said host computer (16) to determine an amount of damping resistance on said object (18). Appareil selon la revendication 5, dans lequel ladite valve (22') est une électrovanne possédant un passage ayant une taille variable, et ladite taille dudit passage est choisie par ledit ordinateur hôte (16) afin de déterminer une quantité de résistance d'amortissement sur ledit objet (18). Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ventil (22') ein Servoventil ist, welches einen Kanal hat, der eine variable Größe hat, wobei die Größe des Kanals durch den Host-Computer (16) ausgewählt wird, um das Maß an Dämpfungswiderstand in Bezug auf das Objekt (18) zu bestimmen.
  18. 18
    An apparatus as recited in any of the preceding claims, wherein said host computer (16) updates a process in response to said sensor signal, said process including simulation and video game software. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit ordinateur hôte (16) met à jour un processus en réponse audit signal de capteur, ledit processus comprenant un logiciel de simulation et de jeu vidéo. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Host-Computer (16) einen Prozess als Antwort auf das Sensorsignal aktualisiert, wobei der Prozess Simulations- und Videospiel-Software umfasst.
  19. 19
    An apparatus as recited in claim 18 wherein said host computer (16) displays a view of a graphical environment to said user, wherein said user can interact with said video game by manipulating said object (18). Appareil selon la revendication 18, dans lequel ledit ordinateur hôte (16) affiche une vue d'un environnement graphique audit utilisateur, dans lequel ledit utilisateur peut interagir avec ledit jeu vidéo en manipulant ledit objet (18). Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Host-Computer (16) eine Ansicht einer grafischen Umgebung dem Benutzer anzeigt, wobei der Benutzer mit dem Videospiel durch Manipulieren des Objekts (18) interaktiv werden kann.
  20. 20
    An apparatus as recited in any of the preceding claims, further comprising a local microprocessor (251) for receiving an output control signal from said host computer (16) and providing a second output control signal to said passive damper (12,108), said microprocessor (251) receiving a second input control signal from said sensor (14,110) and outputting said input control signal to said host computer (16), wherein said local microprocessor (251) is operative to provide said second output control signal to said passive damper (12,108) in response to said position and motion of said object (18) independently of said output control signal from said host computer (16). Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un microprocesseur local (251) destiné à recevoir un signal de commande de sortie de la part dudit ordinateur hôte (16) et à fournir un second signal de commande de sortie audit amortisseur passif (12, 108), ledit microprocesseur (251) recevant un second signal de commande d'entrée de la part dudit capteur (14, 110) et transmettant ledit signal de commande d'entrée audit ordinateur hôte (16), dans lequel ledit microprocesseur local (251) permet de fournir ledit second signal de commande de sortie audit amortisseur passif (12, 108) en réponse à ladite position et audit mouvement dudit objet (18), indépendamment dudit signal de commande de sortie provenant dudit ordinateur hôte (16). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen lokalen Mikroprozessor (251) aufweist, um ein Ausgabesteuersignal vom Host-Computer (16) zu empfangen und ein zweites Ausgangssteuersignal dem passiven Dämpfer (12, 108) bereitzustellen, wobei der Mikroprozessor (251) ein zweites Eingangssteuersignal vom Sensor (14, 110) empfängt und das Eingangssteuersignal an den Host-Computer (16) ausgibt, wobei der lokale Mikroprozessor (251) das zweite Ausgangssteuersignal dem passiven Dämpfer (12, 109) als Antwort auf die Position und Bewegung des Objekts (18) unabhängig vom Ausgangssteuersignal vom Host-Computer (16) bereitstellen kann.
  21. 21
    An apparatus as recited in any of the preceding claims wherein said host computer (16) controls said resistive force to simulate said object moving into an obstacle, over a textured surface, or through a damping environment. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit ordinateur hôte (16) commande ladite force résistive afin de simuler ledit objet se déplaçant sur un obstacle, sur une surface texturée, ou dans un environnement d'amortissement. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Host-Computer (16) die Widerstandskraft steuert, um das Objekt, welches sich zu einem Hindernis bewegt, über eine Texturfläche oder über eine Dämpfungsumgebung zu simulieren.
  22. 22
    A method for interfacing motion of a plysical object (18) with a host computer (16), said host computer (16) updating a graphical environment in response to user manipulation of said object (18) and commanding said apparatus to generate force feedback sensations in coordination with events within said graphical environment, the method comprising:providing an object (18) having a degree of freedom with respect to a ground surface, said object (18) being grasped by a user;sensing positions of said object (18) along said degree of freedom with respect to said ground surface using a sensor (14) and producing electrical sensor signals therefrom, said electrical sensor signals being received by said host computer (16);andcreating a passive damping resistance to movement of said object (18) along said degree of freedom using a passive damper (12) comprising a recipient (24) flexibly coupled to said object (18), said passive damping resistance being created by the passive flow of a fluid through an orifice (34) in said recipient (24) caused by said user's manipulation of said object (18), wherein said passive damping resistance is changed by adjusting an amount of said passive flow of said fluid through said orifice (34) in response to signals received from said host computer (16). Procédé permettant de faire l'interface entre le mouvement d'un objet physique (18) et un ordinateur hôte (16), ledit ordinateur hôte (16) mettant à jour un environnement graphique en réponse à la manipulation dudit objet (18) par un utilisateur, et commandant ledit appareil afin de générer des sensations de retour de force en coordination avec des événements dans ledit environnement graphique, le procédé comprenant : le fait de prévoir un objet (18) possédant un degré de liberté par rapport à une surface du sol, ledit objet (18) étant saisi par un utilisateur ;la détection des positions dudit objet (18) selon ledit degré de liberté par rapport à ladite surface du sol, à l'aide d'un capteur (14), et la production de signaux électriques de capteur à partir de celles-ci, lesdits signaux électriques de capteur étant reçus par ledit ordinateur hôte (16) ;etla création d'une résistance d'amortissement passive au mouvement dudit objet (18) selon ledit degré de liberté, à l'aide d'un amortisseur passif (12), comprenant un récepteur (24) couplé de manière flexible audit objet (18), ladite résistance d'amortissement passive étant créée par l'écoulement passif d'un fluide par un orifice (34) situé dans ledit récepteur (24), provoqué par la manipulation dudit objet (18) par ledit utilisateur, dans lequel ladite résistance d'amortissement passive est modifiée en ajustant une quantité dudit écoulement passif dudit fluide dans ledit orifice (34) en réponse aux signaux reçus de la part dudit ordinateur hôte (16). Verfahren zum Miteinander-Verbinden von Bewegung eines körperlichen Objekts (18) mit einem Host-Computer (16), wobei der Host-Computer (16) eine grafische Umgebung als Antwort auf Benutzermanipulation des Objekts (18) aktualisiert und die Vorrichtung anweist, Kraftrückführungs-Wahrnehmungen in Koordination mit Ereignissen innerhalb der grafischen Umgebung zu erzeugen, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Objekts (18), welches einen Freiheitsgrad in Bezug auf eine Grundfläche hat, wobei das Objekt (18) durch einen Benutzer ergriffen wird;Abtasten von Positionen des Objekts (18) längs des Freiheitsgrads in Bezug auf die Grundfläche unter Verwendung eines Sensors (18) und Erzeugen von elektrischen Sensorsignalen davon, wobei die elektrischen Sensorsignale durch den Host-Computer (16) empfangen werden;undBilden eines passiven Dämpfungswiderstands in Bezug auf Bewegung des Objekts (18) längs des Freiheitsgrads unter Verwendung eines passiven Dämpfers (12), der einen Rezipienten (24) aufweist, der mit dem Objekt (18) flexibel gekoppelt ist, wobei der passive Dämpfungswiderstand durch den passiven Fluss eines Fluids durch eine Öffnung (34) im Rezipienten (24) gebildet wird, welcher durch Handhabung des Benutzers des Objekts (18) verursacht wird, wodurch der passive Dämpfungswiderstand durch Einstellen des Maßes des passiven Flusses des Fluids durch die Öffnung (34) als Antwort auf Signale eingestellt wird, welche vom Kost-Computer (16) empfangen werden.
  23. 23
    A method as recited in claim 22 wherein said degree of freedom is a rotary degree of freedom. Procédé selon la revendication 22, dans lequel ledit degré de liberté est un degré de liberté de rotation. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Freiheitsgrad ein Drehfreiheitsgrad ist.
  24. 24
    A method as recited in claim 22 wherein said degree of freedom is a linear degree of freedom. Procédé selon la revendication 22, dans lequel ledit degré de liberté est un degré de liberté linéaire. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Freiheitsgrad ein geradliniger Freiheitsgrad ist.
  25. 25
    A method as recited in any of claims 22-24 wherein said step of creating a resistance to movement of said object includes coupling said passive damper (12) to said object to provide said resistance, said passive damper (12) including said orifice (34) and a piston assembly (20) and a valve (22) to regulate said flow of said fluid. Procédé selon l'une quelconque des revendications 22 à 24, dans lequel ladite étape de création d'une résistance au mouvement dudit objet comprend le couplage dudit amortisseur passif (12) audit objet pour fournir ladite résistance, ledit amortisseur passif (12) comprenant ledit orifice (34) et un ensemble de piston (20), et une valve (22) destinée à réguler ledit écoulement dudit fluide. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-24, wobei der Schritt zum Bilden eines Widerstands für die Bewegung des Objekts das Koppeln des passiven Dämpfers (12) mit dem Objekt umfasst, um den Widerstand bereitzustellen, wobei der passive Dämpfer (12) die Öffnung (34) und eine Kolbenbaugruppe (20) aufweist, und ein Ventil (22), um den Fluss des Fluids zu regeln.
  26. 26
    A method as recited in claim 25 wherein said fluid is air, and wherein said piston assembly (20) and said valve (22) comprise an open loop system for circulating air supplied externally to said piston assembly (20) and said valve (22), wherein said passive damping resistance is only created by said passive flow of said air. Procédé selon la revendication 25, dans lequel ledit fluide est de l'air, et dans lequel ledit ensemble de piston (20) et ladite valve (22) comprennent un système en boucle ouverte destiné à faire circuler de l'air fourni de manière externe audit ensemble de piston (20) et à ladite valve (22), dans lequel ladite résistance d'amortissement passive est créée uniquement par ledit écoulement passif dudit air. Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Fluid Luft ist, und wobei die Kolbenbaugruppe (20) und das Ventil (22) ein System mit offener Schleife aufweisen, um Luft, die extern zur Kolbenbaugruppe (20) und zum Ventil (22) geliefert wird, umzuwälzen, wobei der passive Dämpfungswiderstand nur durch den passiven Fluss der Luft erzeugt wird.
  27. 27
    A method as recited in claim 25 wherein said piston assembly () and said valve (22) comprise a closed loop system for circulating a substantially fixed amount of said fluid (38) within said piston assembly (20) and said valve (22). Procédé selon la revendication 25, dans lequel ledit ensemble de piston (20) et ladite valve (22) comprennent un système en boucle fermée destiné à faire circuler une quantité sensiblement fixe dudit fluide (38) dans ledit ensemble de piston (20) et ladite valve (22). Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Kolbenbaugruppe (20) und das Ventil (22) ein System mit geschlossener Schleife aufweisen, um eine im Wesentlichen eine feste Menge des Fluids (38) innerhalb der Kolbenbaugruppe (20) und den Ventils (22) umzuwälzen.
  28. 28
    A method as recited in any of claims 22-24 wherein said step of creating a resistance to movement of said object includes coupling a passive damper (12") to said object to provide said resistance, wherein said damper (12") includes a cylinder (24") and a piston (26'), wherein an electrorheological fluid (39') and a plurality of electrodes (47) are provided in said cylinder (24") such that said adjusting said passive flow of said fluid (39') is accomplished by applying a voltage of said electrodes (47) to control a viscosity of said electrorheological fluid (39') and thereby regulate said flow of said fluid (39"). Procédé selon l'une quelconque des revendications 22 à 24, dans lequel ladite étape de création d'une résistance au mouvement dudit objet comprend le couplage d'un amortisseur passif (12") audit objet afin de fournir ladite résistance, dans lequel ledit amortisseur (12") comprend un cylindre (24") et un piston (26'), dans lequel un fluide électrorhéologique (39') et une pluralité d'électrodes (47) sont prévus dans ledit cylindre (24") de telle sorte que ledit ajustement dudit écoulement passif dudit fluide (39') soit effectué en appliquant une tension sur lesdites électrodes (47) afin de contrôler une viscosité dudit fluide électrorhéologique (39'), et, ainsi, de réguler ledit écoulement dudit fluide (39"). Verfahren nach einem der Ansprüche 22-24, wobei der Schritt zum Bilden eines Widerstands in Bezug auf Verschiebung des Objekts das Koppeln eines passiven Dämpfers (12") mit dem Objekt umfasst, um den Widerstand bereitzustellen, wobei der Dämpfer (12") einen Zylinder (24") und einen Kolben (26') aufweist, wobei ein elektro-rheologisches Fluid (39') und mehrere Elektroden (47) im Zylinder (24") vorgesehen sind;so dass das Einstellen des passiven Flusses des Fluids (39') durch Anlegen einer Spannung der Elektroden (47) erreicht wird, um eine Viskosität des elektro-rheologischen Fluids (39') zu steuern und dadurch den Fluss des Fluids (39") zu regeln.
  29. 29
    An apparatus as recited in claim 1 further comprising:a support mechanism (140) which supports said user object (18) while allowing a degree of freedom of motion of said object (18) with respect to a grounding surface (123), said passive damper (108) including a grounded portion (122) and a non-grounded portion (120), wherein said grounded portion (122) of said damper (108) remains stationary with respect to said grounding surface (123), and wherein said resistance to motion is varied by said damper (108) in response to commands from said host computer (16);anda coupling mechanism (114, 144) provided between said damper (108) and said user object (18), said coupling mechanism (114, 144) allowing play between said user object (18) and said non-grounded portion (120) of said damper (108);andsaid sensor system (110) being grounded wherein a portion of said sensor system remains stationary with respect to said grounding surface, and wherein a different portion of said sensor system is coupled to said user object and moves with respect to said grounding surface when said user object (18) moves along said degree of freedom, wherein no substantial play is allowed between said user object (18) and said portion of said grounded sensor system coupled to said user object (18), said motion of said coupled sensor portion resulting in signals representing a position of said user object (18) along said degree of freedom. Appareil selon la revendication 1, comprenant en outre : un mécanisme de support (140) qui supporte ledit objet utilisateur (18) tout en permettant un degré de liberté de mouvement dudit objet (18) par rapport à une surface du sol (123), ledit amortisseur passif (108) comprenant une partie liée au sol (122) et une partie non liée au sol (120), dans lequel ladite partie liée au sol (122) dudit amortisseur (108) reste stationnaire par rapport à ladite surface du sol (123), et dans lequel ledit amortisseur (108) fait varier ladite résistance au mouvement en réponse aux commandes provenant dudit ordinateur hôte (16) ;etun mécanisme de couplage (114, 144) prévu entre ledit amortisseur (108) et ledit objet utilisateur (18), ledit mécanisme de couplage (114, 144) permettant un jeu entre ledit objet utilisateur (18) et ladite partie non liée au sol (120) dudit amortisseur (108) ;et    ledit système de capteur (110) étant lié au sol, dans lequel une partie dudit système de capteur reste stationnaire par rapport à ladite surface du sol, et dans lequel une partie différente dudit système de capteur est couplée audit objet utilisateur et se déplace par rapport à ladite surface du sol lorsque ledit objet utilisateur (18) se déplace selon ledit degré de liberté, dans lequel aucun jeu substantiel n'est permis entre ledit objet utilisateur (18) et ladite partie dudit système de capteur liée au sol couplée audit objet utilisateur (18), ledit mouvement de ladite partie de capteur couplée entraînant des signaux représentant une position dudit objet utilisateur (18) selon ledit degré de liberté. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche außerdem aufweist: einen Lagermechanismus (140), der das Benutzerobjekt (18) lagert, wobei ein Bewegungs-Freiheitsgrad des Objekts (18) in Bezug auf eine Bodenfläche (123) zugelassen wird, wobei der passive Dämpfer (108) einen Bodenbereich (122) und einen Nicht-Bodenbereich (120) aufweist, wobei der Bodenbereich (122) des Dämpfers (108) stationär in Bezug auf die Bodenfläche (123) bleibt, und wobei der Widerstand in Bezug auf Bewegung durch den Dämpfer (108) als Antwort auf Befehle vom Host-Computer (16) variiert wird;undeinen Koppelmechanismus (114, 144), der zwischen dem Dämpfer (108) und dem Benutzerobjekt (18) vorgesehen ist, wobei der Koppelmechanismus (114, 144) Spiel zwischen dem Benutzerobjekt (18) und dem Nicht-Bodenbereich (120) des Dampfers (108) zulässt;und    wobei das Sensorsystem (110) gestützt wird, wobei ein Bereich des Sensorsystems stationär in Bezug auf die Bodenfläche bleibt, und wobei ein anderer Bereich des Sensorsystems mit dem Benutzerobjekt gekoppelt ist und sich in Bezug auf die Bodenfläche bewegt, wenn sich das Benutzerobjekt (18) längs des Freiheitsgrads bewegt, wobei im Wesentlichen kein Spiel zwischen dem Benutzerobjekt (18) und dem Bereich des gestützten Sensorsystems, das mit dem Benutzerobjekt 818) gekoppelt ist, zugelassen wird, wobei die Bewegung des gekoppelten Sensorbereichs Signale zur Folge hat, welche eine Position des Benutzerobjekts (18) längs des Freiheitsgrads zeigen.
  30. 30
    An apparatus as recited in claim 29 wherein said lack of substantial play allows said sensor (110) to accurately track the position of said object (18) along the degree of freedom, regardless of said resistance provided by said damper (108). Appareil selon la revendication 29, dans lequel ladite absence de jeu substantiel permet audit capteur (110) de suivre précisément la position dudit objet (18) selon le degré de liberté, quelle que soit la résistance fournie par ledit amortisseur (108). Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei der Mangel von wesentlichem Spiel es dem Sensor (110) erlaubt, die Position des Objekts (18) längs des Freiheitsgrads exakt aufzuspüren, unabhängig von dem Widerstand, der durch den Dämpfer (108) bereitgestellt wird.
  31. 31
    An apparatus as recited in claims 29 and 30 wherein said damper (108) is a first damper (108), and further comprising a second damper, wherein a second coupling mechanism provided between said first damper (108) and said user object (18) allows play between said user object (108) and said non-grounded portion (120) of said first damper (108). Appareil selon les revendications 29 et 30, dans lequel ledit amortisseur (108) est un premier amortisseur (108), et comprenant en outre un second amortisseur, dans lequel un second mécanisme de couplage prévu entre ledit premier amortisseur (108) et ledit objet utilisateur (18) permet un jeu entre ledit objet utilisateur (18) et ladite partie non liée au sol (120) dudit premier amortisseur (108). Vorrichtung nach Anspruch 29 und 30, wobei der Dämpfer (108) ein erster Dämpfer (108) ist, und welche außerdem einen zweiten Dämpfer aufweist, wobei ein zweiter Kopplungsmechanismus, der zwischen dem ersten Dämpfer (108) und den Benutzerobjekt (18) vorgesehen ist, Spiel zwischen dem Benutzerobjekt (108) und dem nicht-gestützten Bereich (120) des Dämpfers (108) zulässt.
  32. 32
    An apparatus as recited in any of claims 29-31 wherein a magnitude of said play is measurable by said sensor system (110) within a sensing resolution of said sensor system (110). Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 31, dans lequel une magnitude dudit jeu est mesurable par ledit système de capteur (110) avec une résolution de détection dudit système de capteur (110). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-31, wobei eine Größe des Spiels durch das Sensorsystem (110) innerhalb einer Abtastauflösung des Sensorsystems (110) messbar ist.
  33. 33
    An apparatus as recited in any of claims 29-32 wherein said play is rotary backlash. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 32, dans lequel ledit jeu est un jeu mécanique rotatif. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-32, wobei das Spiel Drehflankenspiel ist.
  34. 34
    An apparatus as recited in claim 33 wherein said coupling mechanism (114,144) that allows rotary backlash between said damper (108) and said user object (18) includes gears. Appareil selon la revendication 33, dans lequel ledit mécanisme de couplage (114, 144) qui permet un jeu mécanique rotatif entre ledit amortisseur (108) et ledit objet utilisateur (18) comprend des engrenages. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei der Koppelmechanismus (114, 124), der Drehflankenspiel zwischen dem Dämpfer (105) und dem Benutzerobjekt (18) zulässt, Zahnräder aufweist.
  35. 35
    An apparatus as recited in any of claims 29-32 wherein said play is torsion flex. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 32, dans lequel ledit jeu est une flexion en torsion. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-32, wobei das Spiel Torsions-Biegung ist.
  36. 36
    An apparatus as recited in any of claims 29-35 wherein one of said portions of said sensor system (110) includes an emitter of electromagnetic energy and another of said portions of said sensor system (110) includes a detector of said electromagnetic energy. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 35, dans lequel l'une desdites parties dudit système de capteur (110) comprend un émetteur d'énergie électromagnétique et l'autre desdites parties dudit système de capteur (110) comprend un détecteur de ladite énergie électromagnétique. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-35, wobei einer der Bereiche des Sensorsystems (110) einen elektro-magnetischen Energiestrahler aufweist und ein anderer der Bereiche des Sensorsystems einen Detektor der elektro-magnetischen Energie aufweist.
  37. 37
    An apparatus as recited in any of claims 29-36 wherein said resistance to motion is a force proportional to a velocity of said user object. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 36, dans lequel ladite résistance au mouvement est une force proportionnelle à une vitesse dudit objet utilisateur. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-36, wobei der Widerstand auf die Bewegung eine Kraft proportional zu einer Geschwindigkeit des Benutzerobjekts ist.
  38. 38
    An apparatus as recited in any of claims 29-36 wherein said resistance to motion is a sensation representing the feel of moving through a fluid. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 36, dans lequel ladite résistance au mouvement est une sensation représentant le fait de se déplacer dans un fluide. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-36, wobei der Widerstand in Bezug auf Bewegung eine Wahrnehmung ist, welche das Bewegungsgefühl über ein Fluid darstellt.
  39. 39
    An apparatus as recited in any of claims 29-36 wherein said resistance to motion is a sensation representing the feel of contacting a wall. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 36, dans lequel ladite résistance au mouvement est une sensation représentant le fait de toucher un mur. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-36, wobei der Widerstand in Bezug auf Bewegung eine Wahrnehmung ist, welche das Gefühl zum Berühren einer Wand zeigt.
  40. 40
    An apparatus as recited in any of claims 29-36 wherein said resistance to motion is a sensation representing the feel of moving over a texture. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 36, dans lequel ladite résistance au mouvement est une sensation représentant le fait de se déplacer sur une texture. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-36, wobei der Widerstand in Bezug auf Bewegung eine Wahrnehmung ist, welche das Gefühl zum Bewegen über eine Textur zeigt.
  41. 41
    An apparatus as recited in any of claims 29-40 further including a local microprocessor (251) separate from said host computer (16), said local microprocessor (251) electrically coupled to said damper (108) and to said sensor system (110) such that said local microprocessor (251) is operative to control said damper (108) and read said sensor (110), said local microprocessor (251) coupled to said host computer (16) by a communication interface and executing a local process in parallel with host execution of said graphical simulation. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 40, comprenant en outre un microprocesseur local (251) séparé dudit ordinateur hôte (16), ledit microprocesseur local (251) étant électriquement couplé audit amortisseur (108) et audit système de capteur (110) de telle sorte que ledit microprocesseur local (251) puisse contrôler ledit amortisseur (108) et lire ledit capteur (110), ledit microprocesseur local (251) étant couplé audit ordinateur hôte (16) par une interface de communication et exécutant un processus local en parallèle avec l'exécution de ladite simulation graphique par l'ordinateur hôte. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-40, welche außerdem einen lokalen Mikroprozessor (251) separat vom Host-Computer (16) aufweist, wobei der lokale Mikroprozessor (251) mit dem Dämpfer (108) und dem Sensorsystem (110) elektrisch gekoppelt ist, so dass der lokale Mikroprozessor (251) betriebsfähig ist, den Dämpfer (108) zu steuern und den Sensor (110) abzulesen, wobei der lokale Mikroprozessor (251) mit dem Host-Computer (16) über eine Kommunikationsschnittstelle gekoppelt ist und einen lokalen Prozess parallel zur Host-Ausübung der grafischen Simulation ausführt.
  42. 42
    An apparatus as recited in claim 41 wherein said host computer (16) sends commands to said local microprocessor (251), said commands indicating a magnitude of said damping resistance to be applied by said damper (108). Appareil selon la revendication 41, dans lequel ledit ordinateur hôte (16) envoie des commandes audit microprocesseur local (251), lesdites commandes indiquant une magnitude de ladite résistance d'amortissement devant être appliquée par ledit amortisseur (108). Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei der Host-Computer (16) Befehle zum lokalen Mikroprozessor (251) sendet, wobei die Befehle eine Größe des Dämpfungswiderstands zeigen, der durch den Dämpfer (108) angewandt wird.
  43. 43
    An apparatus as recited in claims 41 wherein said host computer (16) sends commands to said local microprocessor (251), said commands indicating a direction of said damping resistance to be applied by said damper (108). Appareil selon la revendication 41, dans lequel ledit ordinateur hôte (16) envoie des commandes audit microprocesseur local (251), lesdites commandes indiquant une direction de ladite résistance d'amortissement devant être appliquée par ledit amortisseur (108). Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei der Host-Computer (16) Befehle zum lokalen Mikroprozessor (251) sendet, wobei die Befehle eine Richtung des Dämpfungwiderstands, der durch den Dämpfer (108) anzuwenden ist, zeigen.
  44. 44
    An apparatus as recited in any of claims 29-43 wherein said damper (108) is a fluid-controlled damper that adjusts a magnitude of output resistance by adjusting an amount of fluid flow through an orifice (34). Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 43, dans lequel ledit amortisseur (108) est un amortisseur à contrôle par fluide qui ajuste une magnitude de la résistance de sortie en ajustant une quantité d'écoulement de fluide par un orifice (34). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-43, wobei der Dämpfer (108) ein fluid-gesteuerter Dämpfer ist, der eine Größe des Ausgangswiderstandes einstellt, wobei ein Maß an Fluidfluss durch eine Öffnung (34) eingestellt wird.
  45. 45
    An apparatus as recited in any of claims 29-43 wherein said damper (108) is an electromagnetic actuator. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 43, dans lequel ledit amortisseur (108) est un actionneur électromagnétique. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-43, wobei der Dämpfer (108) ein elektro-magnetisches Betätigungsorgan ist.
  46. 46
    An apparatus as recited in any of claims 29-43 wherein said damper (108) includes a fluid that changes its viscous properties in response to an electromagnetic field. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 43, dans lequel ledit amortisseur (108) comprend un fluide qui change ses propriétés visqueuses en réponse à un champ électromagnétique. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-43, wobei der Dämpfer (108) ein Fluid enthält, dessen Viskositäts-Eigenschaften sich als Antwort auf ein elektro-magnetisches Feld ändern.
  47. 47
    An apparatus as recited in any of claims 29-46 wherein said user object (18) is a joystick handle. Appareil selon l'une quelconque des revendications 29 à 46, dans lequel ledit objet utilisateur (18) est un joystick. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29-46, wobei, das Benutzerobjekt (18) ein Joystick-Griff ist.
Independent claims47