主動反饋用戶界面系統及用於其的常平架組件的製作方法

2023-05-26 00:28:21

專利名稱：主動反饋用戶界面系統及用於其的常平架組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及用戶界面系統，更具體的，涉及主動用戶界面系統和用於主動用戶界面系統的常平架組件。
背景技術：
用於將人的動作轉換成機器動作的人-機界面在無數個行業中被採用。例如，某些飛機飛行控制系統包括採用一個或多個控制杆形式的人-機界面。該飛行控制系統，響應於駕駛員提供給控制杆的輸入力，控制不同的飛機飛行控制面的運動。無論具體的最終用途系統如何，人-機界面優選地包括某些類型的觸覺反饋機構，其通過界面給予界面使用者以反饋。該觸覺反饋機構可以是被動的、主動的或二者兼有。該界面還通常包括一個或多個裝置，例如常平架組件，以便精確的將角位移轉化為旋轉運動。在許多情況下，用於將角位置轉化為旋轉運動的裝置相對而言是比較複雜，比較大，比較重和比較昂貴的。因此，需要一種將角位移轉化為旋轉運動的裝置，其相對而言比較簡單，比較小，比較輕，比較便宜。本發明的目的在於至少滿足這種需求。

發明內容
在一個實施例中，主動反饋用戶界面系統包括多個馬達，第一輸入機構，第二輸入機構，用戶界面驅動機構和惰輪機構。每個馬達設計成當被施加能量時提供繞第一旋轉軸線的馬達扭矩。第一輸入機構設計成繞第一軸線旋轉。第一輸入機構被連接以接收從多個馬達中的第一馬達提供的馬達扭矩，並設計成基於其的接收量來提供第一輸出扭矩。第二輸入機構與第一輸入機構間隔開安裝，並設計成繞第一旋轉軸線旋轉。第二輸入機構被連接以接收從多個馬達中的第二馬達提供的馬達扭矩，並設計成基於其的接收量來提供第二輸出扭矩。用戶界面驅動機構設計成繞第二旋轉軸線旋轉，第二旋轉軸線與第一旋轉軸線共面而相互垂直。用戶界面驅動機構被連接以接收分別來自第一輸入機構和第二輸入機構的第一輸出扭矩和第二輸出扭矩。惰輪機構與驅動機構間隔開安裝，設計成伴隨用戶界面驅動機構繞第二旋轉軸線旋轉。第一輸入機構和第二輸入機構以及驅動機構設計成執行N I的減速比，其中N大於I。在另一個實施例中，用於至少繞翻滾軸線和俯仰軸線可控的交通工具的主動常平架組件，其包括第一馬達，第二馬達，第一輸入機構，第二輸入機構，用戶界面驅動機構和惰輪機構。第一馬達設計成當被施加能量時提供繞翻滾軸線的第一馬達扭矩，而第二馬達設計成當被施加能量時提供繞翻滾軸線的第二馬達扭矩，第一馬達和第二馬達是相同的馬達。第一輸入機構設計成繞翻滾軸線旋轉。第一輸入機構被連接以接收第一馬達扭矩，並設計成基於其的接收量來提供第一輸出扭矩。第二輸入機構與第一輸入機構間隔開安裝，設計成繞翻滾軸線旋轉。第二輸入機構被連接以接收第二馬達扭矩，並設計成基於其的接收量來提供第二輸出扭矩。用戶界面驅動機構設計成繞俯仰軸線旋轉，用戶界面驅動機構被連接以接收分別來自第一輸入機構和第二輸入機構的第一輸出扭矩和第二輸出扭矩。惰輪機構與用戶界面驅動機構間隔開安裝，設計成伴隨用戶界面驅動機構繞俯仰軸線旋轉。常平架組件還設計成執行由第一及第二輸入機構到驅動機構的NI的減速比。在另一個實施例中，主動反饋用戶界面系統包括用戶界面，第一馬達，第二馬達和常平架組件。用戶界面適於接收用戶輸入力，並設計成響應於用戶輸入力在旋轉方向上繞翻滾軸線和俯仰軸線中的一個或兩個旋轉，翻滾軸線和俯仰軸線相互垂直。第一馬達設計成選擇性地提供沿翻滾軸線的第一馬達扭矩，第二馬達設計成選擇性地提供沿翻滾軸線的第二馬達扭矩。常平架組件連接用戶界面和第一馬達，第二馬達。常平架組件設計成基於接收到的第一和第二馬達扭矩，將第一和第二馬達扭矩累加，給用戶界面提供與其旋轉方向相反的反饋力。常平架組件包括第一輸入機構，第二輸入機構，用戶界面驅動機構和惰輪機構。第一輸入機構具有第一有效直徑，並設計成繞翻滾軸線轉動。第一輸入機構被連接以接收來自第一馬達的第一馬達扭矩，並設計成基於其的接收量來提供第一輸出扭矩。第二輸入機構與第一輸入機構間隔開安裝。第二輸入機構具有第一有效直徑，設計成繞翻滾軸線旋轉。第二輸入機構被連接以接收來自第二馬達的第二馬達扭矩，並設計成基於其的接收量來提供第二輸出扭矩。用戶界面驅動機構具有第二有效直徑，設計成繞俯仰軸線旋轉。用戶界面驅動機構連接用戶界面並被進一步連接以接收分別來自第一輸入機構和第二輸入機構的第一輸出扭矩和第二輸出扭矩。用戶界面驅動機構設計成，基於接收到的第一輸出扭矩和第二輸出扭矩，為用戶界面提供反饋力。惰輪機構與用戶界面驅動機構間隔開安裝，具有第二有效直徑，設計成跟隨用戶界面驅動機構相對於用戶界面繞翻滾軸線旋轉。第一有效直徑小於第二有效直徑，由此繞俯仰軸線的最大反饋力大於繞翻滾軸線的最大反饋力。進一步的，用戶界面系統和常平架組件的其他理想特徵和特性將通過後面的結合附圖和前述背景技術的詳細說明及權利要求書來得以清晰展現。


以下將結合附圖來對本發明進行說明，其中相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖1是主動人-機界面系統的一個示範實施例的功能塊圖；圖2顯示了可以用來實施圖1中的系統的常平架組件的一個實施例的構造的簡圖；圖3顯示了沿圖2中的線3-3方向的圖2所示的常平架組件；圖4顯示了帶有三個相互垂直的控制軸線的飛機的簡圖；圖5顯示了常平架組件的簡圖，其展示了不同部件的旋轉運動的變化；圖6-13顯示了常平架組件的一個特定實體實施方式的實施例的多個視圖；以及圖14和15顯示了可用於感測用戶界面運動的傳感器的一個實體實施方式的示範實施例。
具體實施例方式以下的詳細說明本質上僅作為示例，而不用作對本發明或本發明的實施或使用的限制。在本文中，術語「示例」意味著「用作例子，示範或者圖示」。因此，任何被稱為「示例」的實施例都並非解釋為較優的，或優於其他實施例。所有描述的實施例都是示例性的實施例，其用來使本領域技術人員能夠製造或利用本發明，而不用來限制由權利要求定義的本發明的範圍。進一步的，本發明的意圖也不受由前面的技術領域，背景技術，發明內容或後續的詳細說明所表達或暗示的理論的限制。鑑於前述，需要指出的是，儘管後面的描述，基於方便起見，是針對於與設計成控制杆形式的用戶界面一起實施的常平架組件，應當明了的是，該系統可以與多種不同構造的用戶界面一起實施，用戶界面包括例如不同構造的踏板，拉杆，支架或其他類似的。還應當理解的是，該常平架組件可以在大量應用中的任一個中使用，例如陀螺儀，這些應用需要兩個自由度。參見附圖1,其中顯示了一個示例性主動人-機界面系統100的功能塊圖。該系統100包括用戶界面102，常平架組件104，多個馬達106 (例如，106-1，106-2)，和馬達控制器108。用戶界面102與常平架組件104相連接，並設計成響應於來自用戶的輸入而移動，從中立位置110沿多個運動方向移動到多個控制位置。該常平架組件104與用戶界面102相連，設計成基於用戶界面102的運動繞兩個相互垂直而共面的旋轉軸線——第一旋轉軸線112，及第二旋轉軸線114而旋轉。因此，如果用戶在向前方向116或向後方向118上移動用戶界面102，常平架組件104將繞第二旋轉軸線114旋轉。類似的，如果用戶在向左方向122或向右方向124上移動用戶界面，常平架組件104將繞第一旋轉軸線112旋轉。可以明了，常平架組件104還設計成允許用戶界面102以複合的前-左方向，複合的前-右方向，複合的後-左方向，複合的後-右方向移動，回到或通過中立位置110。通過多個用戶界面傳感器126 (例如，126-1，126-2)來感測用戶界面102的運動。該用戶界面傳感器126可以連接到用戶界面102，常平架組件106或者同時連接這二者，用戶界面傳感器126設計成提供用戶界面運動信號127。用戶界面傳感器126可以採用多種不同的實施形式，採用多種已知的力傳感器、位置傳感器或這兩者中的任一個。一些合適的力傳感器包括，但不限於，應變計傳感器，壓電傳感器，半導體傳感器或光學傳感器，此處僅列出一小部分，而那些合適的位置傳感器包括，但不限於，絕對受者位置傳感器例如旋轉可變差動傳感器(RVDT)，(位移傳感器)LVDT，電位計或光學傳感器。但，優選的，用戶界面傳感器126實施為採用磁阻(MR)型位置傳感器。不管用戶界面傳感器126的具體數量和類型如何，至少其中一個傳感器126設計成提供代表用戶界面運動沿第一旋轉軸線112 (即前或後方向116，118上)的矢量分量的用戶界面運動信號127，而另一個傳感器126設計成提供代表用戶界面運動沿第二旋轉軸線114(即在左或右方向122，124上)的矢量分量的用戶界面運動信號127。用戶界面運動信號127提供給未圖示的飛行控制電腦(FCC)，但是在某些實施例中，這些信號也可以提供給馬達控制器108。將在下文更詳細描述的是，馬達106每個都設置成，基於被施加能量後，選擇性地提供繞著第一旋轉軸線112的馬達扭矩。在被描述的實施例中，多個馬達106包括第一馬達106-1和第二馬達106-2。因此，第一馬達106-1設置成選擇性地提供第一馬達扭矩，而第二馬達106-2設置成選擇性地提供第二馬達扭矩。多個馬達106最好是相同的，並且最好使用多相無刷直流電機實施。同樣地，與每個馬達106相關的電流反饋和交換信號128也可以提供給馬達控制器108。
馬達控制器108，響應於用戶界面運動信號127和電流反饋和交換信號128，選擇性地給馬達106-1,106-2中的一個或兩個施加能量以旋轉。如下面詳細說明的，是否給一個或兩個馬達106-1，106-2施加能量，以及馬達控制器108控制馬達106旋轉的方向，取決於用戶界面102的定向運動。可以認識到，儘管此處公開的馬達控制器108是採用的一個單個功能塊，但它公開的功能也可以通過採用兩個分離的馬達控制器來實現，一個控制器關聯一個馬達106。常平架組件104，除了可以響應於用戶界面102運動而旋轉外，還設計成累加馬達106提供的馬達扭矩，並將驅動扭矩和反饋力提供都提供給用戶界面102。由於提供給用戶界面102的扭矩來自兩個電機106，因此和現有已知的主動反饋用戶界面系統相比，馬達106的尺寸可以小一些。為了實施其功能，常平架組件104設計成雙輸入/單輸出差動機構，其可以實現由差動機構的輸入到差動機構的輸出之間的速度消減。速度消減的目的將在下面進一步進行說明。參見附圖2和3，其中顯示了將進行說明的常平架組件104的優選設計的簡化圖。可以看出，圖中的常平架組件104包括第一輸入機構132，第二輸入機構134，用戶界面驅動機構136和惰輪機構138 (圖3中未顯不)。第一輸入機構132設計成繞第一旋轉軸線112旋轉，其被連接以接收由第一馬達106-1提供的第一馬達扭矩。雖然第一馬達106-1可以採用多種合適的技術中的一種來將第一馬達扭矩提供給第一輸入機構132，在圖示的實施例中，採用的是通過第一軸202和第一馬達輸出機構204來將第一馬達扭矩提供給第一輸入機構132。更具體的，第一軸202與常平架框架206可轉動的連接，其相對於常平架框架206繞第一旋轉軸線112旋轉。第一軸202還不可旋轉地連接到第一輸入機構132和第一馬達輸出機構204。第一馬達輸出機構204，在圖示的實施例中，實施為採用帶驅動滑輪的形式，其將來自第一馬達106-1的馬達扭矩傳遞給第一軸202。第二輸入機構134與第一輸入機構132間隔布置，也設計成繞第一旋轉軸線112旋轉。第二輸入機構134被連接以接收由第二馬達106-2提供的第二馬達扭矩。與第一馬達106-1類似，在圖示的實施例中第二馬達106-2通過第二軸208和第二馬達輸出機構212來將第二馬達扭矩提供給第二輸入機構134。第二軸208與常平架框架206可轉動的連接，其相對於常平架框架206繞第一旋轉軸線112旋轉。第二軸208與第二輸入機構134，第二馬達輸出機構212不可轉動地連接。第二馬達輸出機構212，在圖示的實施例中，同樣實施為採用帶驅動滑輪的形式，其將來自第二馬達106-2的第二馬達扭矩傳遞給第二軸208。不管將第一和第二輸出扭矩提供給第一和第二輸入機構132，134的具體方式是怎樣，第一輸入機構132設計成基於接收到的第一馬達扭矩來提供第一輸出扭矩，第二輸入機構134設計成基於接收到的第二馬達扭矩來提供第二輸出扭矩。第一馬達扭矩和第二輸出扭矩依次提供給用戶界面驅動機構136。用戶界面驅動機構136設計成繞第二旋轉軸線114旋轉並與用戶界面102連接。用戶界面驅動機構136還設計成基於接收到的第一和第二馬達扭矩來提供驅動扭矩和反饋力給用戶界面102。為了實施該功能，用戶界面驅動機構136，至少在圖示的實施例中，與第三軸214非旋轉的連接。第三軸214與常平架框架206可轉動的連接，以相對於常平架框架206繞第二旋轉軸線1114旋轉，第三軸214與用戶界面102不可旋轉地連接。惰輪機構138與用戶界面驅動機構136間隔開布置，其設計成相對於用戶界面102繞第二旋轉軸線114旋轉。惰輪機構138也被連接以接收分別來自第一和第二輸入機構132，134的第一和第二輸出扭矩。但是，由於惰輪機構138相對於用戶界面102是可旋轉的，相應的它不會提供任何的驅動扭矩或反饋力給用戶界面。可以從附圖2，3中容易的看出，惰輪機構138與第四軸216不可旋轉的連接，而第四軸216與常平架框架206和用戶界面102都可旋轉的連接。第四軸216從而相對於常平架框架206和用戶界面102繞第二旋轉軸線114旋轉。在進一步說明之前，需要指出的是，可以採用多種技術中的任一種將分別來自第一和第二輸入機構132,134的第一輸出扭矩和第二輸出扭矩傳遞給用戶界面輸出機構136和惰輪機構138。例如，第一和第二輸入機構132，134，用戶界面驅動機構136和惰輪機構138可以設計成嚙合齒輪機構。但在圖示的實施例中，第一輸入機構132，第二輸入機構134，用戶界面驅動機構136和惰輪機構138均設計成其上形成有索槽218的滑輪。繩索222布置在第一輸入機構132，第二輸入機構134，驅動機構136和惰輪機構138的各個索槽218的至少一部分內。可以知道，在某些實施例中，第一輸入機構132，第二輸入機構134，驅動機構136和惰輪機構138中可以都具有兩個索槽，有兩條繩索以一個槽內一條繩索的方式至少部分地布置在兩個索槽的內。後一個實施例可以在一根繩索失效的不操作情況下提供冗餘。從上所述，容易理解的是，第一和第二輸入機構132，134對應著雙輸入/單輸出差動機構的雙輸入，而用戶界面驅動機構136對應著單輸出。上面提及的差動機構的輸入到差動機構的輸出之間的減速是通過使用戶界面驅動機構136的尺寸不同於第一和第二輸入機構132，134的尺寸來實現的。更具體的，用戶界面驅動機構136的有效直徑以及因此惰輪機構138的有效直徑大於第一和第二輸入機構132,134的有效直徑。不管常平架組件104如何設計來具體實現減速，可以理解的是，其可以設計成採用多種由第一和第二輸入機構132，134到用戶界面驅動機構136的減速比(例如，N I的減速比，其中N> I)中的任意一種。因此，當第一和第二馬達106-1，106-2實施為採用相同的馬達時，N I的減速比使得提供給用戶界面102的繞第二旋轉軸線114的最大驅動扭矩N倍於提供給用戶界面102繞第一旋轉軸線112的最大驅動扭矩。換而言之，當用戶界面102沿第一旋轉軸線112方向運動(例如前或後方向116，118)時，提供給用戶界面102的最大反饋力將N倍於當其沿第二旋轉軸線114方向(例如左或右方向122，124)運動時，提供給用戶界面102的反饋力。這樣允許兩個馬達106尺寸設計成滿足繞第一旋轉軸線114旋轉所需的最大驅動扭矩，但仍然能實現繞第一旋轉軸線旋轉所需的更大最大驅動扭矩。除了上述之外，常平架組件104優選的包括多個被動反饋機構來為用戶界面102提供被動的回到中立位反饋。這些被動反饋機構提供馬達106中的一個或更多不能運作或因其它原因不可用時提供馬達106的備用。可以理解的是，被動反饋機構的數量和類型可以有多種，但在圖示的實施例中，其包括第一彈簧224和第二彈簧226。第一彈簧224與常平架組件104相連，設計成為用戶界面102提供第一回復力以用於抵抗用戶界面102繞第一旋轉軸線112的旋轉運動。第二彈簧226也與常平架組件104相連，但設計成為用戶界面102提供第二回復力以用於抵抗用戶界面102繞第二旋轉軸線114的旋轉運動。彈簧的類型可以多樣，但在具體的優選實施例中，第一和第二彈簧224, 226都實施為米用多個片簧。
已經對主動人-機界面系統100，以及包括該系統100的常平架組件104的大體結構進行的說明，以下將進一步說明系統100的運作，更具體的，馬達控制器108如何設計成有選擇地給一個或兩個馬達106施加能量。進行說明時，先假定用戶界面102最初是處於中立位置110。另外還假定用戶界面系統100安裝在運輸工具，例如圖4中所示的飛機402上，其至少繞兩個垂直的軸線一翻滾軸線404和俯仰軸線406是可控的。如通常了解的，飛機402還繞第三根正交的軸線，偏航軸線408是可控的，為完整起見，偏航軸線408也在圖4中顯示了。參見附圖5，其中顯示了用戶界面102和常平架組件104的一部分的簡化圖。具體的，其中顯示了第一和第二輸入機構132，134，用戶界面驅動機構136和惰輪機構138。應當指出的是，為了方便圖示和僅作說明的目的，圖中顯示的用戶界面驅動機構136和惰輪機構138具有和第一和第二輸入機構132,134相同或非常接近的直徑。結合前面的背景，並參考附圖5，如果飛機402上的駕駛員希望實施低頭動作，駕駛員將在向前或下俯方向502上移動用戶界面102。為了給用戶界面102提供正確的驅動力矩和反饋，馬達控制器108，響應於提供至其的用戶界面運動信號，將同時給第一和第二馬達106-1，106-2施加能量以在相反的方向上旋轉。具體的，第一馬達106-1將被施加能量以在第一方向504上繞第一旋轉軸線轉動，而第二馬達106-2將被施加能量以在第二方向506上繞第一旋轉軸線旋轉。這樣相應的會導致用戶界面驅動機構136在第三方向508上繞第二旋轉軸線114轉動。容易理解的是，如果駕駛員希望實施抬頭動作，駕駛員將在向後或上仰方向512上移動用戶界面102。為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，馬達控制器108，響應於提供至其的用戶界面運動信號，也將同時給第一和第二馬達106-1，106-2施加能量以在相反的方向上旋轉。但是，第一馬達106-1將被施加能量以在第二方向506上繞第一旋轉軸線112轉動,而第二馬達106-2將被施加能量以在第一方向504上繞第一旋轉軸線112旋轉。結果，用戶界面驅動機構136將在第四方向514上繞第二旋轉軸線114轉動。現在，如果駕駛員希望實施向右翻滾動作，駕駛員將在向右方向或右翻滾方向516上移動用戶界面102。為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，馬達控制器108，響應於提供至其的用戶界面運動信號，將同時給第一和第二馬達106-1，106-2施加能量以在相同的方向上旋轉。具體的，第一馬達106-1和第二馬達106-2將被施加能量以在第二方向506上繞第一旋轉軸線112轉動。因此，用戶界面驅動機構136將不會繞第二旋轉軸線114轉動。容易理解的是，如果駕駛員希望實施向左翻滾動作，駕駛員將在向左方向或左翻滾方向518上移動用戶界面102。為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，馬達控制器108，響應於提供至其的用戶界面運動信號，也將同時給第一和第二馬達106-1，106-2施加能量以在相同的方向上旋轉。但是，第一馬達106-1和第二馬達106-2將被施加能量以在第一方向504上繞第一旋轉軸線112轉動。再一次的，用戶界面驅動機構136因此將不會繞第二旋轉軸線114轉動。上面的操作是用戶界面102的所謂「軸上動作」。也即，用戶界面102的操作是沿著第一旋轉軸線112或者第二旋轉軸線114的。對於用戶界面102既沿旋轉軸線112，又沿旋轉軸線114的操作，其被稱「跨軸動作」，馬達控制器108設計成有選擇的只給馬達106的其中一個施加能量以旋轉，或有選擇地給兩個馬達106施加能量以同時以不同的旋轉速度在相同或不同方向上旋轉。究竟激活一個還是兩個都被施加能量以旋轉，以及旋轉的方向，取決於用戶界面102的具體的跨軸動作的矢量運動。例如，如果駕駛員希望實施下俯/右翻滾動作，駕駛員將在前-右方向或下俯/右翻滾方向522上移動用戶界面102。如果下俯/右翻滾運動包含了相等的在俯仰軸和翻滾軸上的矢量分量，那麼馬達控制器108，為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，將只給第二馬達106-2施加能量以旋轉。具體的，第二馬達106-2將被施加能量以在第二方向506上繞第一旋轉軸線112轉動。而這相應的將導致用戶界面驅動機構136在第三方向508上繞第二旋轉軸線114轉動。但是，如果下俯/右翻滾運動包含的在仰軸和翻滾軸上的矢量分量不相等，那麼馬達控制器108，為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，將給兩個馬達106施加能量以旋轉，但是二者是在相反的方向上以不同的速度旋轉。具體的，第二馬達106-2將被施加能量以在第二方向506上轉動而第一馬達106-1將被施加能量以在第一方向504上轉動；但是第二馬達106-2被施加能量得到的旋轉速度將大於第一馬達106-1的旋轉速度。為了實施下俯/左翻滾動作，駕駛員將在前-左方向或下俯/左翻滾方向524上移動用戶界面102。如果下俯/左翻滾運動包含了相等的在俯仰軸和翻滾軸上的矢量分量，那麼馬達控制器108，為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，將只給第一馬達106-1施加能量以旋轉。具體的，第一馬達106-1將被施加能量以在第一方向504上繞第一旋轉軸線112轉動，而這相應的將導致用戶界面驅動機構136在第三方向508上繞第二旋轉軸線114轉動。但是，如果下俯/左翻滾運動包含的在仰軸和翻滾軸上的矢量分量不相等，那麼馬達控制器108，為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，將給兩個馬達106施加能量以在第一方向504上旋轉，但是二者是以不同的速度旋轉。具體的，第一馬達106-1被施加能量得到的旋轉速度將大於第二馬達106-2的旋轉速度。為了實施上仰/右翻滾動作，駕駛員將在後-右方向或上仰/右翻滾方向526上移動用戶界面102。如果上仰/右翻滾運動包含了相等的在俯仰軸和翻滾軸上的矢量分量，那麼馬達控制器108，為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，將只給第一馬達106-1施加能量以在第二方向506上繞第一旋轉軸線112旋轉。而這將導致用戶界面驅動機構136在第四方向514上繞第二旋轉軸線114轉動。但是，如果上仰/右翻滾運動包含的在仰軸和翻滾軸上的矢量分量不相等，那麼馬達控制器108，為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，將給兩個馬達106施加能量以旋轉,但是二者是在相反的方向上以不同的速度旋轉。具體的，第一馬達106-1將被施加能量以在第二方向506上轉動而第二馬達106-2將被施加能量在第一方向504上轉動；但是第一馬達106-1被施加能量得到的旋轉速度將大於第二馬達106-2的旋轉速度。容易理解的是，對於上仰/左翻滾動作，駕駛員將在後-左方向或上仰/左翻滾方向528上移動用戶界面102。如果上仰/左翻滾運動包含了相等的在俯仰軸和翻滾軸上的矢量分量，那麼馬達控制器108，為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，將只給第二馬達106-2施加能量以在第一方向504上繞第一旋轉軸線112旋轉。而這將導致用戶界面驅動機構136在第四方向514上繞第二旋轉軸線114轉動。但是，如果上仰/左翻滾運動包含的在仰軸和翻滾軸上的矢量分量不相等，那麼馬達控制器108，為了給用戶界面102提供正確的驅動扭矩和反饋，將給兩個馬達106施加能量以在第一方向504上旋轉，但是二者是以不同的速度旋轉。具體的，第二馬達106-2被施加能量得到的旋轉速度將大於第一馬達106-1的旋轉速度。上面描述的主動用戶界面系統100可以採用多種構造中的任意一種來實體實施。處於完整的考慮，圖6-13中顯示了不帶馬達控制器108和相互間電連接的主動用戶界面系統100的一個具體的實體實施例，並將進行簡要的說明。在此之前，應當指出的是，附圖6-13中的相同附圖標記指代附圖1-5中的相同部件。而且，對於之前已經描述過的部件將不再進行詳細的說明。首先參見附圖6和7，常平架組件104和馬達106優選的安裝在殼體組件602內，用戶界面延伸通過殼體組件602並與把手604相連。此外，常平架組件104可旋轉的安裝在底座框架702上，而馬達106不可旋轉地安裝在底座框架702上。更具體的，如附圖8所清晰展示的，第一和第二軸202，208優選的通過浸碳塑料襯墊802可旋轉地安裝在常平架框架206和底座框架702上。此外，如圖9，10所示，第三軸214可旋轉的安裝在常平架框架206上，第四軸216可旋轉的安裝在常平架框架206上以及安裝到用戶界面102上，同樣優選的是藉助於浸碳塑料襯墊802來安裝。參見附圖11，其中顯示了第一馬達輸出機構204的構造，以及第一彈簧224和第二彈簧226。雖然未能像第一馬達輸出機構204 —樣在附圖11中清晰的展示出來，但應明了的是，第二馬達輸出機構212和第一馬達輸出機構204基本相同。第一輸入機構132,第二輸入機構134，用戶界面驅動機構136和惰輪機構138的構造以及繩索222和繩索222在其上的纏繞的方式都在附圖12中得以顯示。圖13中顯示了用戶界面運動傳感器126-1，126-2安裝到常平架組件104上的方式。出於完整的目的，圖14，15中顯示了用戶界面運動傳感器126的特定優選實施方式。顯示的用戶界面運動傳感器126包括磁部分1402和傳感器部分1404。磁部分1402包括磁鐵安裝結構1406，其上安裝有一個或多個磁鐵1408。傳感器部分1404包括傳感器安裝結構1412，其上安裝有多個MR傳感器1414。磁部分1402和傳感器部分1404相鄰但相互間隔開安裝。MR傳感器1414感測一個或多個磁鐵1408的相對運動。本文中公開的主動用戶界面系統100相對而言比較簡單，小巧，輕質，便宜。其實現了 N I的減速比從而使得供給用戶界面102的繞第二旋轉軸線114的最大驅動扭矩N倍於提供給用戶界面102繞第一旋轉軸線112的最大驅動扭矩。這樣使得可以使用相同的馬達106，允許兩個馬達106尺寸設計成滿足繞第一旋轉軸線114旋轉所需的最大驅動扭矩，但仍然能獲得更大的繞第一旋轉軸線旋轉所需的最大驅動扭矩。術語「示例」在本文中僅理解為「用作例子，示範或者圖示」。任何被稱為「示例」的實施例都並非解釋為較優的，或優於其他實施例。此外，在本文中，相關詞例如第一和第二以及其他類似的用語都只用作將實體或動作與其他實體或動作區分開之用，而不意味著要求或暗示在實體或動作之間存在任何實質的相對關係或順序。數字順序例如「第一」「第二」「第三」等僅用作從多個個體中將不同的單個的個體簡單的區分開，除非有權利要求具體的說明，否則均不表示有任何的順序和序列。此外，取決於上下文，在描述不同元件之間的相對關係時的術語例如「連接」或「相連」並不暗示著在這些元件之間一定存在直接的物理連接。例如，兩個元件可以物理的，電子的，邏輯上的或者以其他任何方式，通過一個或多個附加元件相互連接起來。儘管在前面對本發明的詳細說明中出現了不止一個的示例實施例，應當明了的是，還存在大量的變形。應當明了，示例實施例或示例實施例們僅僅是示例，其不用作以任何方式來限制本發明的設置，應用和範圍。相反，前面的這些詳細說明將為本領域技術人員實施本發明的示例實施例提供便利。應當知曉，在不脫離有附帶的權利要求限定的範圍之下，可以對示例實施例中描述的元件布置和功能進行多種變化。
權利要求
1.一種主動反饋用戶界面系統(100)，其包括 多個馬達(106)，每個馬達(106)構造成當被施加能量時提供繞第一旋轉軸線(112)的馬達扭矩； 第一輸入機構(132),其構造成繞第一軸線(112)旋轉，第一輸入機構(132)被連接以接收來自多個馬達(106)中的第一馬達提供的馬達扭矩，並構造成基於接收量來提供第一輸出扭矩， 第二輸入機構(134)，其與第一輸入機構(132)間隔開安裝，構造成繞第一旋轉軸線(112)旋轉，第二輸入機構(134)被連接以接收來自多個馬達(106)中的第二馬達提供的馬達扭矩，並構造成基於接收量來提供第二輸出扭矩； 用戶界面驅動機構(136)，其構造成繞第二旋轉軸線(114)旋轉，第二旋轉軸線(114)與第一旋轉軸線(112)共面而相互垂直，用戶界面驅動機構(136)被連接以接收分別來自第一輸入機構(132)和第二輸入機構(134)的第一輸出扭矩和第二輸出扭矩；以及 惰輪機構(138)，其與用戶界面驅動機構(136)間隔開安裝，構造成伴隨用戶界面驅動機構(136)繞第二旋轉軸線(114)旋轉， 其中，第一輸入機構(132)和第二輸入機構(134)以及用戶界面驅動機構(136)構造成實施N:1的減速比，其中N大於I。
2.根據權利要求1所述的系統(100)，其特徵在於，第一和第二輸入機構(132和134)具有第一直徑，用戶界面驅動機構(136)和惰輪機構(138)各具有第二直徑；而第二直徑是第一直徑的N倍大。
3.根據權利要求1所述的系統(100)，還包括馬達控制器(108)，其連接到、並構造成有選擇地施加能量給多個馬達(106)中一個或多個。
4.根據權利要求3所述的系統(100)，還包括用戶界面(102)，其連接用戶界面驅動機構(136)，用戶界面(102)適於接收用戶輸入力，並構造成響應於用戶輸入力在旋轉方向(502)上繞第一旋轉軸線(112)和第二旋轉軸線(114)中的一個或兩個旋轉，其中，所述多個馬達(106)是相同的，控制器還構造成選擇性的施加能量給多個馬達(106)以便 當用戶界面(102)僅繞第一旋轉軸線(112)轉動時，多個馬達(106)同時在相同方向(502)上轉動；以及 當用戶界面(102)僅繞第二旋轉軸線(114)轉動時，多個馬達(106)同時在相反方向上轉動。
5.根據權利要求4所述的系統(100)，其特徵在於，所述控制器還構造成，當用戶界面(102)同時繞第一和第二旋轉軸線(112)旋轉時，選擇性地施加能量給 多個馬達(106)中的僅一個以旋轉； 多個馬達(106)中的全部兩個以沿相反的方向旋轉；或者 多個馬達(106)中的全部兩個以沿相同的方向(502)旋轉。
6.根據權利要求1所述的系統(100)，其特徵在於 第一輸入機構(132)，第二輸入機構(134)，驅動機構(136)和惰輪機構(138)均構造成其上具有繩索槽(218)的滑輪；以及 系統(100)還包括繩索(222)，其布置在第一輸入機構(132)，第二輸入機構(134)，驅動機構(136)和惰輪機構(138)的各個繩索槽(218)的至少一部分內。
7.根據權利要求1所述的系統(100)，還包括 第一彈簧(224)，其與常平架組件(104)相連，構造成為用戶界面(102)提供第一回復力以用於抵抗用戶界面(102)繞第一旋轉軸線(112)的旋轉運動；以及 第二彈簧(226)，其與常平架組件(104)相連，構造成為用戶界面(102)提供第二回復力以用於抵抗用戶界面(102)繞第二旋轉軸線(114)的旋轉運動。
8.根據權利要求1所述的系統(100)，還包括 第一位置傳感器(126)，其與常平架組件(104)相連，構造成感測用戶界面(102)繞第一旋轉軸線(112)的旋轉運動；以及 第二位置傳感器(126)，其與常平架組件(104)相連，構造成感測用戶界面(102)繞第二旋轉軸線(114)的旋轉運動。
9.根據權利要求1所述的系統(100)，其特徵在於，所述常平架組件(104)還包括 常平架框架(206)； 第一軸(202)，其與常平架框架(206)旋轉相連，並構造成相對於其繞第一旋轉軸線(112)轉動，第一軸(202)與第一輸入機構(132)非轉動的相連，並被進一步連接以接收來自馬達(106)中的第一馬達的馬達扭矩； 第二軸(208)，其與常平架框架(206)旋轉相連，並構造成相對於其可繞第一旋轉軸線(112)轉動，第二軸(208)與第二輸入機構(134)非轉動的相連，並被進一步連接以接收來自馬達(106)中的第二馬達的馬達扭矩； 第三軸(214)，其與常平架框架(206)旋轉相連，並構造成相對於其可繞第二旋轉軸線(114)轉動，第三軸(214)與驅動機構(136)及用戶界面(102)非轉動的相連；和 第四軸(216)，其與常平架框架(206)及用戶界面(102)旋轉相連，並構造成相對於其可繞第二旋轉軸線(114)轉動，第四軸(216)與惰輪機構(138)非轉動的相連。
10.根據權利要求10所述的系統(100)，還包括 第一馬達輸出機構(204)，其連接在馬達(106)中的第一馬達和第一軸(202)之間，第一馬達輸出機構(204)構造成將來自馬達(106)中的第一馬達的馬達扭矩傳遞給第一軸(202);和 第二馬達輸出機構(212)，其連接在馬達(106)中的第二馬達和第二軸(208)之間，第二馬達輸出機構(212)構造成將來自馬達(106)中的第二馬達的馬達扭矩傳遞給第二軸(208)。
全文摘要
本發明涉及主動反饋用戶界面系統及用於其的常平架組件。一種主動用戶界面系統，其包括構造成雙輸入/單輸出差動機構的常平架組件。該差動機構實施從差動機構的輸入到差動機構的輸出之間的減速。減速將使得提供給用戶界面的繞一條旋轉軸線的最大驅動扭矩N倍於提供給用戶界面繞另一條垂直的旋轉軸線的最大驅動扭矩。
文檔編號G05G9/047GK103034282SQ20121047622
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月21日 優先權日2011年9月22日
發明者C·漢龍, D·克裡斯滕森 申請人:霍尼韋爾國際公司