触覚応答ユーザインタフェースのための方法および装置
【課題】電子制御可能な触覚応答性を有するアクチュエータを提供する。
【解決手段】柔軟にプログラム可能な電子制御可能触覚応答性を有するユーザインターフェース装置（マウスやトラックボールなど）を実現する方法および装置である。このインタフェース装置は、インタフェース装置が操作されたときに動く複数のホイールからなる少なくとも二つのホイールセットを有している。サーボモータ１１６が、この少なくとも二つのホイールセットの各々に取り付けられている。位置エンコーダ１１８が各サーボモータ１１６に付随しており、位置情報をコントローラ１２０に出力する。
【解決手段】柔軟にプログラム可能な電子制御可能触覚応答性を有するユーザインターフェース装置（マウスやトラックボールなど）を実現する方法および装置である。このインタフェース装置は、インタフェース装置が操作されたときに動く複数のホイールからなる少なくとも二つのホイールセットを有している。サーボモータ１１６が、この少なくとも二つのホイールセットの各々に取り付けられている。位置エンコーダ１１８が各サーボモータ１１６に付随しており、位置情報をコントローラ１２０に出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザインタフェース装置に関し、特に、触覚応答性を提供し、画面上のカーソルを操作する際の触覚応答性を定めるプログラム可能な力−位置プロファイルを有する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
数多くの状況において、人間は、ノブやダイヤルやリニアアクチュエータを有するアクチュエータを介して機械と対話することにより仕事を行っている。数多くの例におけるこのようなヒューマンインタラクションは、アクチュエータの応答性に基づいて調整される。人間のオペレータは、アクチュエータノブやダイヤルやハンドルとの接触を介して知覚される触覚フィードバックに従って対話を行う。
【０００３】
例えば、米国特許第4,937,685号および第4,964,004号に開示されるようなシステムを用いるビデオやフィルムの編集では、エディタは、複数の「コントロールホイール」（例えば、大きなダイヤルやノブ）を有するコンソールでビデオ画像情報を編集する。フィルムやビデオのエディタは、図１に示されるようなオペレータズコンソールから、両手に用意された二組の制御装置を用いて合成システムの操作を制御し、編集工程を制御する。各制御セットは、大きな回転可能コントロールホイール１１２の付近に集合した複数のフィンガースイッチまたは押しボタン１１０を有しており、最小限の手の動きで容易に触覚操作を行うことができるようになっている。エディタは、編集作業中にビジュアルソースマテリアルのフレームを見ながら、少なくとも一つのビデオモニタに集中しているので、オペレータは、視覚フィードバックのためにコントロールホイールを見なければならない代わりに、種々の制御のための感覚を身につけ、触覚フィードバックを介して機能に順応するようになるのが一般的である。従って、より効率の良い合成システムとのヒューマンインタラクションと合成システムに対する感度が得られる。
【０００４】
コントロールホイール１１２は、その回転時に触覚応答性（例えば、回転止めまたはクリック止め）を示す。通常、ホイール１１２の全回転は、編集中のビジュアルソースマテリアルを見る時間の一単位（例えば１秒）に関連付けられている。この時間の間、編集中のソースマテリアルの媒体や種類に応じて、ビジュアルソースマテリアルの対応する数の「フレーム」が見られることになる。ソースマテリアルのフレームの数が回転中におけるホイール１１２の触覚応答性、すなわちクリック止めの数と相関していることが最も望ましい。例えば、フィルム編集は、毎秒２４フレームが提供される標準化ソースマテリアルを含んでいる。従って、ホイール１１２の全回転（これは、ソースマテリアルの１秒を与える）では、ホイールは２４個のクリック止めと応答する。ここで、各クリック止めは、ビジュアルソースマテリアルの１フレームに対応している。
【０００５】
フィルム編集には毎秒２４フレームを有するソースマテリアルが含まれているが、他のビデオ媒体規格は、異なるフレームレートを要求する。フレームレート、すなわち全国テレビジョン方式委員会（ＮＴＳＣ）に従った毎秒のフレーム数は毎秒３０フレームであり、これは米国のテレビジョンビデオ用に発行された規格である。ＰＡＬやＳＥＣＡＭなどの規格は、イギリスやフランスの各々において毎秒２５フレームの標準フレームレートを与える。高品位テレビジョン用の新しい規格は、毎秒３０または６０フレームのフレームレートを指定する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクチュエータの機械式回転止めの性質やビジュアルソースマテリアルに関連する種々のフレームレート規格は、アクチュエータ触覚応答性と種々のビジュアルソースマテリアル規格との間の相関付けを容易にするために多数のアクチュエータが必要になるという問題点を提示する。図１Ａに示されるように、触覚応答性を与える技術上公知のアクチュエータは、通常、機械式回転止め機構を備えている。一定数のクリック止めが、ばね式摩擦機構１１１によって設けられる。この摩擦機構は、スプロケット１１３と相互作用するようになっている。このスプロケットは、所望の１回転あたりのクリック止め数に対応する一定数のはめ歯または回転止めを有している。従って、フィルム編集関係では専用のアクチュエータとして２４個の固定回転止めを有するアクチュエータが必要とされ、ＮＴＳＣビデオ編集システムでは３０個の回転止めのアクチュエータが必要とされ、ＰＡＬやＣＣＡＭビデオ編集関係では２５個の回転止めのアクチュエータが必要とされるなどのようになっている。複数のアクチュエータが必要なことでビジュアルソースマテリアル合成システムの柔軟性が制限されているので、柔軟なシステムの複雑さ、費用およびハードウェア要求が大きく高まっている。
【０００７】
固定機械式回転止めアクチュエータの使用に柔軟性が欠けていることに加えて、残念なことに、このようなアクチュエータは摩耗して、時間の経過とともに触覚応答性が劣化する。他の機械式／ばね式リニアまたはロータリアクチュエータも、同様の欠陥を有している。
【０００８】
同様に、ユーザがパーソナルコンピュータなどの電子装置と対話することを可能にする他の種類のアクチュエータやユーザインタフェース装置も知られている。米国特許第4,868,549号（「’５４９特許」）に開示されるマウスやトラックボールのようなユーザインタフェース装置は、装置が操作され、カーソルが表示画面の所定領域を横切って動くとき、装置の移動に対する抵抗の形で触覚応答性を有している。
【０００９】
’５４９特許では、磁気面や電磁ブレーキと連係する電磁石の形で電磁手段を有するマウスが開示されている。この電磁手段は、「球形ボールピックアップ」の移動に抵抗を与える。ある実施形態では、フィードバックまたは触覚応答性は、マウスの磁気部とマウスをその上で操作しなければならない磁気パッド面との間の滑り摩擦度を制御することにより得られる。残念なことに、このような実施形態では磁気パッド面が必要となるが、パッドとマウスとの間の摩擦力は、予測できない影響を受けることがあり、触覚応答性を損なう可能性がある。
【００１０】
’５４９特許の別の実施形態では、電磁ブレーキが含まれており、このブレーキによって抵抗が球形ボールまたはトラッキング要素に直接与えられる。このブレーキング機構はマウス内に完全に内蔵されており、磁気パッド面の必要性をなくしている。しかしながら、電磁ブレーキは、停止機構を提供するものの、トラッキング要素に継続的なトルクを与えることはできない。すなわち、トラッキング要素が停止されるときにトルクは加えられない。このような機構は、特定の画面表示の特性の関数として触覚応答性を変える（例えば、抵抗を低減する）ために使用することができない。与えられる抵抗は、動きに逆らうものでしかなく、ボールを能動的に駆動して、特定の表示領域での動きを容易にしたり、制限表示領域の境界からカーソルを離れた状態に維持することにより動きを助けることはできない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電子制御可能な触覚応答性を有するアクチュエータを提供する。この触覚応答性は、単一アクチュエータにおけるトルク−位置特性（例えば、その全動作経路に沿った１動作あたりの選択可能な回転止め数）の規定を容易にするように柔軟にプログラムすることができる。ロータリアクチュエータの一例では、本発明は、単一アクチュエータにおけるトルク対角度位置特性（例えば、１回転あたりの回転止め数）の規定を容易にする。
【００１２】
本発明によれば、アクチュエータは、位置エンコーダを有するサーボモータと通信を行う。この位置エンコーダは、位置情報をコントローラに出力する。このコントローラは、トルク−位置関係情報へのアクセス権を有している。コントローラの出力は、トルク−位置関係情報に基づくディジタルトルク信号であり、このディジタルトルク信号は、アナログ電流信号に変換される。このアナログ電流信号は、サーボモータに供給されてサーボモータ内にトルクを生成する。アクチュエータを用いてヒューマンインタラクティングに触覚応答性を提供するこのトルクは、一又は複数の回転止めとして検知される。
【００１３】
更に本発明では、コントローラは、位置情報をエンコーダからカウンタを介して位置カウントとして受信するマイクロプロセッサである。トルク−位置関係情報は、マイクロプロセッサアクセス可能ファームウェア内に、一連の特定位置値に対応する一連の特定トルク値を含むテーブルとして記憶される。ディジタル信号として出力され、ディジタル−アナログ変換器によって変換されるこれらのトルク値は、複数の記憶トルク対位置テーブルに従って修正することができ、これにより、種々のトルクプロファイルの柔軟なプログラミングを容易にすることができる。
【００１４】
本発明の特徴には、トルクプロファイルを記憶および修正するとともに所定の一組のトルクプロファイルのなかから一つを選択してアクチュエータに所望の触覚応答性を提供する能力が含まれる。これらのトルクプロファイルは、電気的消去可能なプログラマブル読出し専用記憶素子内に記憶されていてもよく、マイクロプロセッサと通信を行うコンピュータを介して変更することができる。システムの電源を遮断し、引き続いて電源を投入すると、前に入力されたトルクプロファイルがデフォルトプロファイルとして存在するようになっていてもよい。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、ユーザインタフェース装置（例えば、トラックボールやマウス）がプログラマブル触覚応答性を有するように提供され、実施される。マウスまたはトラックボール態様では、この装置は、複数のホイールからなる少なくとも二つのホイールセットを備えたインタフェース機構を有している。これらのホイールは、球形ボールまたはトラッキング要素がユーザによって操作されるときに動く。これらのホイールは、相互に直交する軸上に並べられており、少なくとも二つのホイールセットの各々は、各ホイールに取り付けられたサーボモータと、各サーボモータに付随する位置エンコーダと、を有している。位置エンコーダからの位置情報は、コントローラによって受信される。このコントローラは、触覚力情報、すなわちトルク−表示位置情報へのアクセス権を有している。
【００１６】
このトルク−表示位置情報は、電子装置の表示画面上の表示エンティティまたはカーソルの位置または座標を、ユーザインタフェース装置に加えられる力またはトルクに対応付け、ユーザインタフェース装置の触覚応答性を、表示エンティティまたはカーソルが操作される表示画面の関数として生じさせる。位置エンコーダから表示エンティティまたはカーソルの位置情報を受信したコントローラは、力−表示位置関係情報に基づくディジタル信号である出力を生成する。この力は、動きを補助するように、または動きに抵抗するように、正または負とすることができる。開示の実施形態では、トルク−表示位置情報に基づくディジタルトルク信号出力がディジタル−アナログ変換器を介してアナログ電流信号に変換される。このアナログ電流信号は、サーボモータに供給されて、サーボモータ内にトルクを生成する。サーボモータ内に生成されたトルクは、ユーザインタフェース装置のトラッキング要素またはボールに移り、ユーザによって触覚応答性として知覚される。この触覚応答性は、画面上のカーソルの位置の関数である。
【００１７】
本発明の特徴には、ユーザによるインタフェース装置の更なる操作に対する抵抗を増減することにより、または装置の動きを助けることにより、触覚上の画面境界、並びにドラッグダウンメニュー上のアイコン配置やボタンバー機能に対応する「壁（wall）」および「谷（trough）」をもたらすという能力が含まれる。カーソルを動かしたときに「隆起（bump）」や他のテクスチャを画面上で実現して、触感上知覚させることができる。隔室の境界は、ハードストップまたは「丘（hill）」によって定めることができる。このハードストップまたは「丘」は、カーソルが転がりながら落ちることで、ユーザに画面を見ることを要求することなく画面領域へのアクセスを制限し、あるいはカーソル位置の指示を与える。種々の画面表示およびユーザアプリケーションに対応するように、種々の触覚応答プロファイルが記憶されていてもよい。身体障害者は、視覚や優れた運動能力を必要とすることなくコンピュータアプリケーションと対話することができる。
【００１８】
本発明の上記および他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と共に検討することによって更に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】合成システム内のビジュアルソースマテリアルを編集するためのオペレータズコンソールの図である。
【図１Ａ】機械式回転止めを有する従来技術に係るアクチュエータの部分切欠図である。
【図２】アクチュエータ内にプログラマブル触覚フィードバックを提供するシステムのブロック図である。
【図３】アクチュエータ内にプログラマブル触覚フィードバックを提供するシステムのブロック図であり、ここで、コントローラは、カウンタ、マイクロプロセッサおよびアクセス可能ファームウェアを備えている。
【図３Ａ】アクチュエータと、複数の機能を制御し、選択された機能に従って複数の触覚応答を与える関連ファンクションキーと、を示す図である。
【図４】アクチュエータ内にプログラマブル触覚フィードバックを提供するシステムのブロック図であり、ここで、このシステムは、モータ動作を検知して対応する動作を関連アクチュエータ内に生成するタコメータを更に含んでいる。
【図５Ａ】運動機器に抵抗を導入する従来技術の機械手段の図である。
【図５Ｂ】運動機器内に実施された本発明に係るトルクコントローラの実施例を示すブロック図である。
【図６】電子制御可能な触覚応答性を有するアクチュエータのジョイスティック例のブロック図である。
【図７】本発明に係るユーザインタフェース装置のトラックボール例の部分切欠斜視図である。
【図８】（Ａ）は図１のトラックボール内に実施されたホイールアセンブリの正面図であり、（Ｂ）は図１のトラックボール内に実施されたホイールアセンブリの側面図である。
【図９】モータ／エンコーダアセンブリに取り付けられた図８Ａおよび図８Ｂのホイールアセンブリの平面図である。
【図１０】モータおよびエンコーダを伴い、トラッキング要素に接触する一対のホイールセットの概略図である。
【図１０Ａ】第３軸（ｚ軸）応答性のために配置されたホイールセットの概略図である。
【図１１】パーソナルコンピュータとインタフェースするように構成された本発明に係るユーザインタフェース装置の概略図である。
【図１２】本発明に係るシステムのブロック図である。
【図１３】ユーザインタフェース画面、および画面の諸特性をもたらすように実現される触覚応答性のためのプロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図２を参照すると、コントロールノブ１１４を有するロータリアクチュエータなどのアクチュエータがシャフトを介してサーボモータ１１６に取り付けられている。このアクチュエータがフィルム／ビデオ編集関係で使用するためのものである図示の実施形態では、このサーボモータは、ＰＭＩ１２ＦＶＳモータである。この応用例では、以下で詳細に述べるように、サーボモータをモータ自体として使用するのではなく、トルクコントローラとして使用する。このモータは、その大きな定格毎分回転数で駆動することはなく、この応用例では通常、停動状態または半停動状態で動作する。好適なモータ１１６は、据付エンコーダ１１８を有している。このエンコーダ１１８は、インデックスを有し、１回転あたり３００サイクルを与えるＰＭＩＭ２３３００セグメントモジュラエンコーダである。これは、インデックス同士の間で１２００個の波形エッジを与えることになる。この実施形態では、２、３、５および８で割り切れる数のエッジを与えるようにエンコーダを選択することが重要である。従って、位置情報は、１回転あたり２４、２５および３０箇所（これは、後述するように、毎秒または１回転あたり２４、２５および３０フレームというフィルム／ビデオ編集規格に対応している）という整数個のクリック止めを選択可能な複数のモードで提供するように電子的に分割することができる。
【００２１】
エンコーダ１１８から受信された位置情報は、この情報が位置カウント数を表すようにコントローラ１２０によって処理される。このコントローラ１２０は、受信した位置カウント数を関連トルク値と相関させるトルク−位置関係情報の形で記憶された入力データ１２２にアクセスする。上述のように、エンコーダ出力情報の関数であるこの位置カウント数は、エンコーダ波形によって与えられる位置情報を電子的に分割することにより導出することができる。ここで、この位置情報は、選択した数の位置または位置値に分割することが望まれる。コントローラ１２０によってアクセスされる入力データ１２２は、所望のトルクプロファイルに従って与えられる選択位置値に関連付けられた記憶トルク値を有することになる。コントローラ１２０は、このトルク値をディジタル信号として出力する。このディジタル信号は、ラッチ可能ディジタル−アナログ変換器１２４によってアナログ電圧に変換される。モータに印加される電圧は比例モータ速度を生み出すので、モータ電源１２８と共にパワー増幅器１２６を用いて比例モータ電流を生成することにより、このアナログ電圧はモータトルクに関連付けられる。このトルク関連電流がモータ１１６に供給されると、所望の触覚応答性をコントロールノブ１１４に与える所望のトルクが得られる。
【００２２】
図３に示す実施形態では、コントローラ１２０は、エンコーダ１１８からサーボモータ位置情報を受信するカウンタ１３０を備えている。Motorola 6809などのマイクロプロセッサ１３２は、インデックスに対するサーボモータ位置の指示を与える位置カウント数をカウンタ１３０から受信する。カウンタによって与えられるカウント数は、サーボモータの位置の変化の方向に応じて増減する。マイクロプロセッサは、電気的消去可能なプログラマブル読出し専用記憶素子１３４（ＥＥＰＲＯＭ）にアクセスする。このＥＥＰＲＯＭは、トルク−位置関係情報の一つ以上のテーブルを有するようにプログラムされている。各テーブルは、特定の位置カウント（すなわち、ノブ／サーボモータ位置）に対応するトルク値を指定する特定のトルクプロファイルを定めている。
【００２３】
メインアプリケーションＣＰＵ１３６は、アクチュエータ１１４用の特定のトルクプロファイルを要求および定義するアプリケーションを実行する。このメインアプリケーションＣＰＵは、図３Ａに示されるコントロールホイールおよび関連ファンクションボタンの機能を定義するアプリケーションを実行することもできる。この実施形態では、コントロールホイールが外部ダイヤル１４０を有している。この外部ダイヤルは、アプリケーションに従って、定数個の位置を有する第１の機能（例えば、複数のスイッチセッティングのなかから一つを選択すること）を実行する。このアプリケーションは、同じ外部ダイヤル１４０に第２の機能を割り当て、他の応答性を外部ダイヤルアクチュエータに割り当てるプロファイル（例えば、ｓｈｉｆｔキー１４２が押し下げられたときに、電子的に定義された停止位置を有するレバーコントロール機能を割り当てるプロファイル）を提供することができる。同様に、内部コントロールノブ１４４には、メインアプリケーションＣＰＵ上で実行されるアプリケーションによって第１の機能および対応するトルクプロファイル（例えば、自走非回転止め走査機能）を割り当てることができ、また、第２の（または他の）機能および対応するトルクプロファイル（例えば、上述のように、１回転あたり３０回転止めの編集モード）を割り当てることができる。この第２機能は、例えばａｌｔキー１４６を押し下げることにより起動される。
【００２４】
メインアプリケーションＣＰＵ１３６は、アプリケーションの初期化中、ＲＳ−２３２シリアルポート、または他の通信ポートを介して所望のトルクプロファイルをマイクロプロセッサアクセス可能ＥＥＰＲＯＭにダウンロードする。この所望のトルクプロファイルは、ＥＥＰＲＯＭ内に常駐し、メインアプリケーションの要求に従って適切なアクチュエータ位置に所望のトルクを提供するためにマイクロプロセッサを介して選択することができる。所望のトルクプロファイルは、ユーザがコントロールノブ１４４や外部ダイヤル１４０といったアクチュエータを単独で、あるいは他のコントロール機能（例えばａｌｔキーやｓｈｉｆｔキー）とともに操作することにより、第１または第２機能に従って応答するように選択することができる。アクチュエータ機能の変更、および対応するアクチュエータ応答性（すなわち、トルクプロファイル）の変更は、選択されたキーストローク（例えば、本明細書で述べるｓｈｉｆｔキーやファンクションキー実施例）を介して実行することができる。
【００２５】
ＥＥＰＲＯＭ常駐テーブルは、新たな一組のプロファイルがマイクロプロセッサアクセス可能記憶装置内にプログラム、すなわちダウンロードされるまで変化しない。従って、システムの電源を落とした後、引き続き電源を投入すると、前に選択されたトルクプロファイルが常駐し、対応するアクチュエータ用のデフォルトモードとして利用することができる。
【００２６】
図４に示されるように、本発明に係るアクチュエータの選択可能トルクプロファイルおよび触覚応答性は、第２のアクチュエータ１５０が第１アクチュエータ１１４′に応答し、ほぼ上述のように動作するように実現することができる。ある動作では、共通のトルクプロファイルに従って協同して動作する二つのアクチュエータを有していることが望ましい。このような場合、一つのアクチュエータのサーボモータは、そのトルクコントローラとしての機能に加えて、第２モータを実際に駆動させるために使用することができる。
【００２７】
例えば、フィルムを編集する場合、第１アクチュエータ１１４′を回して合成マテリアルの一端に一つ以上のフレームを追加するとともに、第２アクチュエータ１５０によって制御される合成マテリアルの他端から一つまたは同じ数のフレームを取り除くことが望ましい。このような場合、対応するコントロールノブを正確に同じ量だけ回そうとするよりも、第１アクチュエータ１１４′およびその関連トルクプロファイルに従って第２アクチュエータ１５０を応答させることが最適である。
【００２８】
図３を参照して上述したように実現されるそのトルクプロファイルに従って検知されるＮクリック分だけ第１アクチュエータ１１４′が手動で回されると、エンコーダ１１８′および第１アクチュエータ１１４′に付随するタコメータ１５２は、それぞれ第１アクチュエータ１１４′の方向および速度をマイクロプロセッサ１３２′に知らせる。第１アクチュエータ１１４′の方向と位置は、エンコーダ１１８′からカウンタ１３０′を介して受信される。位置の変化率、すなわち速度は、タコメータ１５２によってアナログ信号として示される。このアナログ信号は、マイクロプロセッサ１３２′によるディジタル処理のためにアナログ−ディジタル変換器１５４によって変換しなければならない。マイクロプロセッサ１３２′は、第１アクチュエータ１１４′から受信したカウントおよび速度プロファイルに従って、ディジタル信号を生成する。このディジタル信号は、第２アクチュエータディジタル−アナログ変換器１５６に供給されてアナログ信号に変換され、第２アクチュエータサーボモータ１５８へのパワーを増加させる。第２アクチュエータサーボモータ１５８へのパワー増加によって、第２モータは、検知された方向に従った方向に、マイクロプロセッサによって指示される動作に従って作動することになる。マイクロプロセッサは、第２アクチュエータエンコーダ１６０を監視して、駆動中の第２アクチュエータ１５０からの相補カウントを読み取るとともに、第２アクチュエータタコメータ１６０を監視して、手動で操作されている第１アクチュエータの速度と比較できる速度を検知する。第２アクチュエータが第１アクチュエータの手動操作に従って動作することをこの比較が示す場合、操作は完了する。
【００２９】
駆動アクチュエータの実施例はアクチュエータの速度を検出するタコメータについて述べているが、位置情報の変化率の一次導関数を求める数学的操作を用いてマイクロプロセッサにより速度を導出することもでき、この場合タコメータは必要なくなる。更に、図４では各サーボモータごとにモータ電源が示されているが、単一の電源を双方のモータに使用してもよい。
【００３０】
本明細書では、フィルム／ビデオ編集状況におけるアクチュエータとの関係で本発明を説明しているが、当業者であれば分かるように、本発明に係る選択的プログラマブル触覚応答性は、触覚応答性のモード選択が望ましい多くの状況に提供することができる。
【００３１】
本明細書では、電子制御可能な触覚応答性を有するアクチュエータが、コントロールホイールの選択可能な１回転あたりの回転止め数またはクリック止め数を提供するものとして説明されているが、他のトルクプロファイル（例えば、ある方向に徐々に増加するトルクや偽ハードストップの点まで増加するトルク）は、サーボモータに供給される適切な電流をもたらすトルクプロファイルを導入することにより本発明に従って達成することができる。
【００３２】
更に、ロータリアクチュエータ応用例の関係でプログラマブル触覚応答性を説明したが、選択可能な触覚応答性は、他の応用例およびアクチュエータ関係（例えば、リニアアクチュエータ関係）でも本発明に従って実施することができる。
【００３３】
次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、当業者であれば上記から分かるように、本発明に係る電子制御可能な触覚応答性は、ノブタイプアクチュエータ以外のアクチュエータでも実施することができ、またビデオやフィルムの編集状況以外の状況でも実施することができる。種々の運動機器は、抵抗を与える機構、例えば図５Ａに示される機構を有している。運動をする人の図５Ｂのハンドル３００、３０２を交互に引っ張るという直線運動が変換されて、巻取りスプール３０４（図５Ａおよび図５Ｂ）に回転運動を与える。公知の運動機器では、機械／ばね機構３０６（図５Ａ）を締めることによって巻取りスプールに抵抗が導入される。このばね機構は、ハンドル３００、３０２に直線運動を与えるために必要な仕事を増やす。本発明に係る上述のシステムは、双方向サーボモータ３０８（図５Ｂ）を導入することにより、このような状況でも実施することができる。この双方向サーボモータは、双方向トルク対位置情報を電流プロファイルの形で受信するようになっており、図５Ａの機械手段３０６によって導入される抵抗と同様の抵抗を与えることになる。トルクコントローラ３１０によって供給される電流は、トルク調整プロファイル３１２の関数である。このトルク調整プロファイルは、選択可能／プログラマブルであり、上述のようにして記憶される。
【００３４】
同様に、図６に示されるように、プログラマブル触覚応答性は、ジョイスティックアクチュエータ４００などのアクチュエータで実施することができる。このような状況では、トルクプロファイルは、トルクコントローラ４０２内のテーブルに、少なくとも二軸でモータを制御するプロファイルを含んだ少なくとも二つのテーブルの形で記憶されている。第１のサーボモータ４０３は、ジョイスティック４０６が固定される球体４０４に取り付けられている。第１モータ４０３は、ジョイスティックが固定される球体４０４に固定され、ジョイスティックが矢印Ａ−Ｂによって示される方向に直線動作するときにジョイスティック４０６の触覚応答性を制御する。ジョイスティックの方向Ａ−Ｂにおける直線運動は、シャフト４０８による回転運動に変換される。このシャフトは、ジョイスティック４０６が制限的に回転する中心軸を形成している。トルクコントローラ４０２は、少なくとも一つのプロファイルテーブルを含んでいる。このテーブルは、第１サーボモータ４０３に供給される電流を決定し、ひいてはジョイスティックが方向Ａ−Ｂに動作されるときのジョイスティック４０６の特定の応答性を決定する。
【００３５】
第２のサーボモータ４１０は、固定フレームまたは固定面４１２に取り付けられており、ジョイスティックが矢印Ｃ−Ｄによって示される方向に動作するときにジョイスティック４０６の応答性を制御する。球体４０４、ジョイスティック４０６および第１モータ４０３からなるアセンブリは、シャフト４１４によって形成された軸を中心として制限された回転を行うことができる。このシャフト４１４は、第１の端部が第２モータ４１０に接続されており、第２の端部が軸受４１６に接続されている。ジョイスティック４０６が方向Ｃ−Ｄに操作されると、球体４０４、およびジョイスティック４０６が取り付けられた第１モータ４０３は、トルクコントローラ４０２に記憶された少なくとも第２のプロファイルテーブルによって決定される応答性を有するように動作する。
【００３６】
運動機器やジョイスティックの実施形態は、それぞれ単一軸および二軸状況での触覚応答性を表しているが、当業者であれば分かるように、３以上の複数の軸における触覚応答性を実現することもできる。
【００３７】
更にまた、当業者であれば分かるように、トルクの直線力への変換および／または直線力の回転トルクへの変換には種々の機構（例えば、運動機器の例のスプール）が有用であり、また、トルク対位置プロファイルを含む上述のテーブルは、力対直線位置プロファイルを含むようにプログラムしてもよい。
【００３８】
次に、図７〜図９について説明する。本発明によれば、ユーザインタフェース装置を、画面上の表示エンティティ（例えば、カーソル）の位置の関数として触覚応答性を含むように実施することができる。この実施形態では、トラックボール５００が、トラッキング部材またはボール５０４と接触する複数の駆動輪５０２からなるホイールセットを複数含むように実施されている。当業者であれば分かるように、トラッキング部材またはボール５０４の操作が画面上のカーソル（図７〜図９では図示せず）の操作または動きを生じさせる。トラックボールおよび／またはマウス例の構成および製造の詳細については、当業者であれば理解することができるので、重要な構成要素やこれらの相互関係を挙げる以外は本明細書では詳細を説明しない。
【００３９】
この実施形態では、トラッキング部材またはボールが、複数の駆動輪セットからなる相互接続機構によってユーザインタフェース装置内で相互接続されている。複数の駆動輪５０２からなるホイールセットの各々は、図８Ａおよび図８Ｂに最も良く示されているように、ハブ５０６を備えている。このハブ５０６のまわりには、少なくとも一つのフレーム構造５０８が配置されている。フレーム５０８は、複数のフレーム部分を有しており、これらのフレーム部分の各々は、複数の樽形グリップ部材５１０のうちの対応する一つを縦方向に貫通して延びている。グリップ部材５１０の大部分の外側半径が駆動輪５０２の外側半径に等しくなっていると好適である。ボール５０４が操作されて駆動輪５０２を動作させるときの「凹凸」感を防ぐために、二つの駆動輪をボール５０４と滑らかに接触するようにわずかにずらして使用している。各グリップ部材は、そのグリップ部材を貫通して延びてそのグリップ部材を支持するフレーム部分を中心として回転自在となっている。グリップ部材５１０は、ボール５０４とグリップ接触をなすのに適した高分子材料から形成されている。この実施形態では、図８Ａに示されるように、二つのフレーム５０８がハブ５０６のまわりに配置されている。グリップ部材５１０は、各フレーム上のグリップ部材間のすき間を補償するためにずらされ、あるいは交互に配置されており、常に一つのグリップ部材がボール５０４と接触している状態を維持するようになっている。
【００４０】
共通のハブ５０６に取り付けられ、対応するグリップ部材５１０を備えるフレーム５０８の各ペアは、一つのホイールセットを構成している。図９に示されるように、このホイールセットは、駆動／位置決めアセンブリ５１６を形成するようにサーボモータ５１２およびエンコーダ５１４に取り付けることができる。この実施形態では、駆動／位置決めアセンブリサーボモータがモータとして能動的に使用される。このサーボモータは、Pittman型式番号8322（ぺンシルバニア州ハーレーズビルのPittman製）とすることができる。このモータは、オプションとして、エンコーダ要求を満たす集中光学エンコーダとともに売られている。少なくとも一つの駆動／位置決めアセンブリ５１６は、トルクを加え、互いに直行するように配置された軸（例えば、表示画面を横切るカーソル移動に対応するｘ軸、このｘ軸に対して直交するように配置され、画面上におけるカーソルの上下動に対応するｙ軸、ならびにｘ軸およびｙ軸に対して直交するように配置され、三次元配置における画面の内外へのカーソル移動に対応するｚ軸）の対応する一つに沿った位置を検出するように構成されている。一部の例では、後述するように、エンコーダを有しないモータ、または単なる軸受５１８にホイールセットが取り付けられ、サーボモータおよび／またはエンコーダを更に含むことが望ましくない可能性がある場合に相補スレーブアセンブリ５２０を実現するようになっている。この参考サーボモータ（エンコーダを有しない）は、軸受として受動的に使用することができる。
【００４１】
トラックボールやマウスなどの二次元ユーザインタフェース装置を実現するため、トラッキング要素またはボール５０４は、グリップ部材５１０がボールに接触するように配置された少なくとも二つの駆動／位置決めアセンブリ５１６を有するように構成されている。図１０に示されるように、第１の駆動／位置決めアセンブリ５１６は、そのホイールセットのグリップ部材がボールに接触するように配置されており、サーボモータおよびエンコーダを有している。第１の相補スレーブアセンブリ５２０は、第１駆動／位置決めアセンブリ５１６と対向するように配置されており、第１駆動／位置決めアセンブリ５１６の反対側に位置するボール５０４の側面と係合するそのホイールセットのグリップ部材を有している。
【００４２】
第２の駆動／位置決めアセンブリ５１６′は、第１駆動／位置決めアセンブリ５１６に対して直交する軸上に配置されており、サーボモータおよびエンコーダが取り付けられている。第２の相補スレーブアセンブリ５２０′は、第２駆動／位置決めアセンブリ５１６と対向するように配置されており、第２駆動／位置決めアセンブリ５１６′の反対側に位置するボール５０４の側面と係合するそのホイールセットのグリップ部材を有している。図示の二次元例では、相補スレーブアセンブリが、駆動／位置決めアセンブリのモータに追従するモータを含んでいる。このようなスレーブモータは、相補トルクを生成し、駆動／位置決めアセンブリがよりバランスのとれたトルクをボールに加えるのを助ける。本発明によれば、受動的にボールと係合する軸受を有するように構成された駆動／位置決めアセンブリと対向するホイールセットを単に有することで、より安価な装置を実現することができる。
【００４３】
図１０Ａに示されるように、本発明に係る三次元ユーザインタフェース装置を実施する場合、駆動／位置決めアセンブリ５１６″がボール５０４の外周に沿って配置されており、ホイールセットの向きが、ｘ軸アセンブリおよびｙ軸アセンブリのホイールセットの向きに対して直交するように配置されるようになっている（図１０Ａでは、簡単のため、一つのホイールセット５１６だけを図示してｘ軸アセンブリおよびｙ軸アセンブリの向きを例示している）。ｚ軸駆動／位置決めアセンブリ５１６″は、駆動／位置決めアセンブリ５１６″が沿う軸に直交する軸に沿って配置された相補スレーブアセンブリ５２０″を有するように構成されていることが好ましい。二次元例の機能は、説明の簡単のため後述するが、ｚ軸駆動／位置決めアセンブリおよび相補スレーブアセンブリは、三次元的に応答するユーザインタフェース装置内で容易に実施することができる。
【００４４】
次に、図１１および図１２を参照すると、駆動／位置決めアセンブリ５１６および相補スレーブアセンブリ５２０は、電子装置またはコンピュータシステム５２８を含むシステム内のユーザインタフェース装置５００としてボール５０４（図１１および図１２には図示せず）を有するように構成されている。ここで、コンピュータシステム５２８は、画面５３０を備えており、この画面上の画面表示またはグラフィカルユーザインタフェース上には、この技術分野で公知のように、カーソルが配置されている。ユーザインタフェース装置５００が接続されたコンピュータは、オペレーティングシステムを有しており、種々のアプリケーションプログラムを実行することができるので、ユーザインタフェース装置５００を用いてカーソルが操作される種々の画面表示が生じることになる。
【００４５】
ユーザインタフェース装置５００は、少なくとも第１および第２の駆動／位置決めアセンブリ５１６、５１６′を有している。これらの駆動／位置決めアセンブリは、それぞれサーボモータ５３４およびエンコーダ５３６、ならびに第１および第２の付随相補スレーブアセンブリ５２０、５２０′を備えている。これらの相補スレーブアセンブリは、表示上におけるカーソル位置に変換されるｙ軸およびｘ軸ボール移動をそれぞれ検知する。この実施形態では、駆動／位置決めアセンブリ内のサーボモータの各々が、その対応する相補スレーブアセンブリモータと直列に接続されているので、これらのモータペアは、同じ電流を見ることになる。本発明の応用例では、各サーボモータ５３４は、それ自体がモータとして使用されるのではなく、トルクコントローラとして使用される。このモータは、その大きな定格毎分回転数で駆動することはなく、この例では通常、停動状態または半停動状態で動作する。上記のような好適なモータは、据付エンコーダ５３６を有している。当業者であれば分かるように、このエンコーダ５３６は、そのモータおよびモータ応用例に適合している。
【００４６】
この技術分野では公知のように、コンピュータまたは電子装置５２８は、インタフェースボード５３２を収容するように構成されている。このインタフェースボード５３２は、ユーザインタフェース装置５００をコンピュータシステム５２８およびディスプレイ５３０に電子的にインタフェースするのに必要な機構を含んでいる。インタフェースボード５３２は、通常、コンピュータ５２８のＩ／Ｏスロット内に存在するように構成されており、マイクロプロセッサ５３８を有している。このマイクロプロセッサ５３８は、シリアル通信チャネル５４０を介してコンピュータ５２８と通信を行う。図１１に示される実施形態では、インタフェースボード５３２は、各エンコーダ５３６に対応付けられたカウンタ５４２を備えている。各カウンタ５４２は、エンコーダ５３６からサーボモータ位置情報を受信する。マイクロプロセッサ５３８（例えば、Motorola 6809）は、各カウンタ５４２から位置カウントを受信する。この位置カウントは、インデックスに対する各サーボモータの位置の指示を与える。カウンタによって供給されるカウントは、インデックスに対するサーボモータの位置の変化の方向に応じて増減する。サーボモータの位置変化は、ボールおよび画面上のカーソルの位置の変化を表している。
【００４７】
マイクロプロセッサ５３８は、エンコーダを介して示される座標位置、すなわちｘ軸位置およびｙ軸位置の関数として、記憶機構からのトルクプロファイル情報にアクセスする。この記憶機構は、マイクロプロセッサに対して内部にあってもよいし、追加トルクプロファイル記憶装置５４５（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ、ディスク、ＣＤＲＯＭなど）の形で外部にあってもよい。トルクプロファイル情報は、モータによって加えられ、またはモータに対して加えられるトルクまたは力の指示を与える。このトルクは、画面上のカーソルの位置の関数であり、カーソルが操作されている特定の画面表示の関数である。前述の実施形態のように、トルク値（この場合は、各モータまたは軸に関する値）は、記憶機構からディジタル信号として出力される。このディジタル信号は、ラッチ可能ディジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ）５４４によってアナログ電圧に変換される。モータに印加される電圧は結果的に比例モータ速度となるので、このアナログ電圧は、（各モータごとに）パワードライバまたは増幅器５４６を使用して比例モータ電流を生成することにより、モータトルクに対応付けられる。このトルク対応電流がモータ５１６、５１６′、５２０、５２０′に与えられると、ボール５０４に対する所望の触覚応答性を与える所望のトルクが得られる。
【００４８】
コンピュータ５２８は、一又は複数のアプリケーションを実行する。このアプリケーションは、ユーザインタフェース装置５００に対する特定のトルクプロファイルを要求および定義する。コンピュータ上で実行されているアプリケーションの各画面表示は、その特定の画面表示に対応するトルクプロファイル情報を有しており、その画面表示についての対応する特定の触覚応答性をもたらす。処理されているトルクプロファイル情報は、マイクロプロセッサに記憶される。実行中の画面表示に直接必要でない付加的なトルクプロファイル情報は、マイクロプロセッサ５４５に付随する外部記憶装置に記憶することができる。トルクプロファイル情報は、モータ電流またはトルクの関係を、本実施形態において存在する各軸に関する位置パラメータの関数として表す空間アレイを表している。この実施形態では、このアレイは、特定の画面上のカーソルのｘおよびｙ座標位置の関数としてトルク情報を含んでいなければならない。
【００４９】
アプリケーションソフトウェアパッケージやオペレーティングシステムの多数の画面表示の触覚応答性を定める大量のトルクプロファイル情報は、コンピュータ上で実行される特定のアプリケーションに関連付けられたデータベースに記憶される。図１２に示されるように、コンピュータは、通常、オペレーティングステムまたはメインアプリケーション５５０を実行する。このオペレーティングシステムまたはメインアプリケーション５５０は、一部の外部記憶媒体（例えば、ディスクやＣＤＲＯＭ）に記憶されており、アプリケーションコードの実行中にコンピュータの主記憶装置にページングまたは転送される。
【００５０】
トルクプロファイル５５２のデータベースは、オペレーティングシステムのもとで実行されるアプリケーションやアプリケーション５５０とともに実行されるアプリケーションの一部として、アプリケーションの画面表示に基づいてユーザインタフェース装置の触覚応答性を定める。この技術分野では公知のように、アプリケーションまたはオペレーティングシステムは、アプリケーションのアプリケーションプログラムインタフェース（ＡＰＩ）を介してトルクプロファイル情報５５２はアクセスすることができる。それぞれのトルクプロファイルは、エンコーダから受信した位置情報に応じて適切なディジタル信号を生成するためにインタフェースボード５３２上のマイクロプロセッサ５３８が利用できるようにダウンロードまたは作成されているので、これらのトルクプロファイルは、ユーザインタフェース装置５００の触覚応答性をアプリケーション５５０の画面表示またはグラフィカルユーザインタフェースに対応付ける。
【００５１】
ユーザインタフェースデバイスドライバ５５４は、ユーザインタフェース装置５００用のインタフェースボード５３２上のマイクロプロセッサ５３８とホストコンピュータ５２８との間の通信を容易にする。このマイクロプロセッサは、エンコーダから受信された情報およびシリアルチャネル５４０を介してホストコンピュータにより供給されるカーソルの元の位置について知られている情報を処理することにより、カーソル位置の変化のための座標を計算する。このドライバは、カーソルの実際の位置を与えるホストコンピュータとの間でカーソル位置に関する情報を授受する。この実施形態では、ドライバ５５４は、ユーザインタフェース装置５００にとって一般的なものであり、この技術分野で公知のマウスまたはトラックボールＩ／Ｏデバイスドライバから以下の点でわずかに修正が加えられている。すなわち、このドライバ５５４は、アプリケーションソフトウェア５５０およびトルクプロファイル情報５５２に対するインタフェースを介して、適切なトルクプロファイルに関するアプリケーション５５０からの指示に基づいて、この適切なトルクプロファイル情報のマイクロプロセッサへのダウンロードを調整する。
【００５２】
ホスト上で実行されているドライバ５５４は、ホスト５２８上で実行されているアプリケーションに基づいて、関連するトルクプロファイル情報をマイクロプロセッサ５３８に伝える。このドライバは、ホスト５２８の表示画面上におけるカーソルの現在位置に関する情報もマイクロプロセッサに伝える。表示画面上のカーソルの座標情報に応じて、マイクロプロセッサ５３８は、画面上のカーソルの位置に対する適切なトルクに対応するディジタル情報を、その画面表示についての関連トルク−位置プロファイルに従って生成する。各軸に対するＤ／Ａ５４４は、ディジタルトルク情報を受信し、パワードライバ５４６への適切なアナログ信号を生成する。このパワードライバは、電流を生成して正または負のトルクをモータに加え、結果的にボール５０４の妥当な触覚応答性を作り出す。
【００５３】
トラックボールまたはマウスが動かされて表示画面５３０上でカーソルの動きが生じると、各エンコーダ５３６は、マイクロプロセッサ５３８に位置情報を送る。この実施形態における位置情報は、手動操作されるボール５０４と接触する対応ホイールセットの動作に応じてエンコーダが変化する方向とステップ数の指示を含んでいる。マイクロプロセッサ５３８は、大きさおよび方向情報を受信し、関連トルクプロファイル情報の空間配列における位置を追跡して、受信した位置情報に対応する適切なトルクを求める。マイクロプロセッサ５３８は、この位置情報をユーザインタフェースデバイスドライバに伝える。当業者であれば分かるように、このユーザインタフェースデバイスドライバは、コンピュータと通信を行うことによりカーソルの位置の変化を生じさせる。また、マイクロプロセッサ５３８は、上述したようなＤ／Ａおよびパワードライバを介してトルク情報をサーボモータに運び、特定アプリケーションの画面内のカーソル位置とトルク−位置情報とに基づいて適切な触覚応答性を生成する。
【００５４】
本発明に従ってユーザインタフェース装置の触覚応答性を実現するためにマイクロプロセッサがアクセスできるように記憶され作成されたトルク−位置情報を用いることで、種々の触覚応答性を画面上のカーソルの位置の関数として実現することができる。カーソル閉込め領域および制限表示領域の境界は、最大モータトルクを用いて停止を実行することにより実現することができる。応答性の中でも特に触覚上の「丘」や「谷」を実現して、図１３Ａ〜図１３Ｄに示されるようなグラフィカルユーザインタフェースの触覚上の輪郭を定めることができる。この特定の例のアプリケーションでは、グラフィカルユーザインタフェースがヘッダを含んでおり、このヘッダは、コマンド選択バナーが表示画面上に現れるときにそのバナーを示す（図１３Ａおよび図１３Ｂ）。
【００５５】
このコマンド選択バナーは、一つのボタンバーである。ユーザがユーザインタフェース装置を用いてこのボタンバーの上にカーソルを置き、ポイントおよびクリックすると特定の機能が実行されるようになっている。種々のコマンド、すなわち「File」、「Options」、「Window」、「Help」は、本発明による触覚上の境界によって輪郭を描くことができるので、適切な領域内でカーソルを適切に位置決めしコマンドをクリックして起動する作業は容易に実行することができ、また触覚上知覚することができる。優れた運動技能や視覚を持っているいないにかかわらず、ユーザは、本発明に係るユーザインタフェース装置を操作して、画面上におけるカーソルの位置を感じ取る。上記で説明し、図１３Ｃおよび図１３Ｄに示されるように、触覚上の境界は、境界では比較的高い抵抗が知覚され、カーソルが適切に配置されたときには殆どまたは全く抵抗を感じないようにプログラムされている。
【００５６】
カーソルをボタンバーに向かって画面上で垂直に移動させると、ユーザは、非制限領域５６０内で中間的な抵抗を知覚するか、あるいは全く抵抗を知覚しないことになる。トルクの鋭い増加は、ボタンバーの下部境界線５６２にぶつかったように感じられる。カーソルが下部境界線と上部境界線との間の位置、すなわち谷５６４内の位置まで動かされると、何の抵抗も知覚されない。上部境界線５６６に近づくとトルクが増加し、画面の絶対境界にぶつかると、増加したトルクは、知覚可能な停止５６８をもたらす。本発明によれば、ユーザインタフェース装置が境界内の中心の位置にカーソルを押しやる傾向を有するように正または負のトルクを生成することができる。
【００５７】
同様に、図１３Ｄに示されるように、ユーザインタフェース装置を操作してカーソルをボタンバーに沿って水平に動かすと、カーソルを適切な位置に押しやって所望のメニュー選択を起動するように境界が形成される。
【００５８】
丘や谷や壁によって形成される境界に加えて、本発明に係るユーザインタフェース装置の触覚応答性を用いることで、触覚上知覚可能な「テクスチャリング」を実現することができる。カーソルが画面を横切るように動かされるときに凹凸感を実現することができるように、トルクのわずかな増加を、間に少ないトルクしか有しない選択距離でプログラムすることができる。弾性は、逆トルク点までトルクを増加させるという形で、知覚された伸張または弾力をシミュレートするように実現することができる。更にまた、本発明に係るユーザインタフェース装置内のモータのトルク補助能力が能動的な性質を有していれば、動き補助を実現して、手動補助なしに隆起や丘を装置が転がり落ちるようにすることができる（このような応用例は、ユーザが優れた運動能力を有することができない場合に極めて有用である）。
【００５９】
トルクプロファイル情報のＥＥＰＲＯＭ常駐テーブルまたはアレイは、新しい一組のプロファイルがマイクロプロセッサアクセス可能記憶装置内にプログラム、すなわちダウンロードされるまで変化しない。従って、システムの電源を遮断した後、引き続き電源を投入すると、特定のデフォルト状態が望まれて用意されていない限り、前に選択されたトルクプロファイルが常駐し、対応するアクチュエータ用のデフォルトモードとして利用することができる。
【００６０】
上記では単一の画面表示を用いて本発明を説明してきたが、当業者であれば分かるように、トルク位置情報は、次のように構成することもできる。すなわち、現在の画面から新たな画面を呼び出すことによって対応する新たな一組のトルク位置情報が呼び出されるように画面をネストし、更にはその対応プロファイルをネストすることができるような形式でトルク位置情報を構成することができる。
【００６１】
本明細書の実施形態では、カーソル画面位置をユーザインタフェース装置の触覚応答性に対応付けるトルクプロファイル情報テーブルまたはアレイを説明してきたが、特定の位置に対応付けられた値を記憶するかわりに、特定の画面表示の「進行中」にトルク値を計算してもよい。更に、位置および位置の変化に関する情報を与えるユーザインタフェース装置を有する代わりに、本発明に従って処理される位置情報を画面が生成して結果的に触覚応答性を提供するように、特定の画面上における特定のカーソル位置にトルク値を対応付けてもよい。
【００６２】
スレーブモータが直列に接続された実施形態では、スレーブモータは、自身に直列接続されたモータと同じ電流を見ることになる。このようなマスタ／スレーブモータペアでは、これらのモータは、ボールまたはトラッキング要素の回転が滑らかになるように事実上同一のモータとすべきである。しかしながら、本発明に係るシステムの費用を最小限に抑えるためには、スレーブモータを排除して受動軸受を採用することが好ましい場合もある。
【００６３】
上述した本発明の説明は、トラックボールに関するものであるが、本発明に係る触覚応答性は、他の様々なユーザインタフェース装置で実現することができる。このようなユーザインタフェース装置としては、マウス、ジョイスティックや、操作を必要とし位置の関数としての触覚応答性から利益を得る他の装置が挙げられる。更に、本明細書で述べた実施形態では「カーソル」が操作されていたが、この用語は、電子装置のユーザインタフェース内で操作されるものを表すために一般的に使用されており、種々のシンボルやインタフェースまたはディスプレイ常駐エンティティ、例えばカーソル、アイコン、ウィンドウ、メニューなど、を触覚応答性を用いて操作することができる。
【００６４】
本明細書で挙げた本発明の種々の実施形態は、アクチュエータ用のトルクプロファイルを要求および定義するアプリケーションプログラムを実行するメインＣＰＵとトルク−位置の関係を特定するファームウェアを実行する独立６８０９マイクロプロセッサについて述べているが、当業者であれば分かるように、トルク−位置の関係は、マイクロプロセッサがなかったり他の数多くのマイクロコントローラを介さない場合でもアプリケーションＣＰＵ内に実装することができる。更に、トルクプロファイルは、マイクロプロセッサがアクセス可能なＥＥＰＲＯＭ内にあるものと説明したが、トルクプロファイルは、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＰＡＬなど、マイクロプロセッサに常駐する記憶手段やその他の記憶手段に記憶されていてもよく、アクチュエータ内で所望の触覚応答性を実現するために適宜にアクセスすることができる。
【００６５】
本発明の好適な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の形態や詳細の他の種々の変更、追加および省略を、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく行うことが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１１４…コントロールノブ（アクチュエータ）、１１６…サーボモータ、１１８…エンコーダ、１２０…コントローラ、１２２…入力データ、１２４…アナログ変換器、１２６…パワー増幅器、１２８…モータ電源、１３０…カウンタ、１３２…マイクロプロセッサ、１３４…専用記憶素子、１４０…外部ダイヤル、１４４…内部コントロールノブ、１５０…アクチュエータ、１５２…タコメータ、１５４…ディジタル変換器、１５６…アナログ変換器、１５８…アクチュエータサーボモータ、１６０…アクチュエータエンコーダ、３００…ハンドル、３１２…トルク調整プロファイル、４００…ジョイスティックアクチュエータ、４０２…トルクコントローラ、４０３…サーボモータ、４０６…ジョイスティック、５００…ユーザインタフェース装置、５０２…駆動輪、５０４…トラックボール、５０６…ハブ、５０８…フレーム、５１０…グリップ部材、５１２…サーボモータ、５１４…エンコーダ、５１６…ホイールセット、５２０…付随相補スレーブアセンブリ、５２８…コンピュータシステム（電子装置）、５３０…ディスプレイ、５３２…インタフェースボード、５３４…サーボモータ、５３６…エンコーダ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザインタフェース装置に関し、特に、触覚応答性を提供し、画面上のカーソルを操作する際の触覚応答性を定めるプログラム可能な力−位置プロファイルを有する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
数多くの状況において、人間は、ノブやダイヤルやリニアアクチュエータを有するアクチュエータを介して機械と対話することにより仕事を行っている。数多くの例におけるこのようなヒューマンインタラクションは、アクチュエータの応答性に基づいて調整される。人間のオペレータは、アクチュエータノブやダイヤルやハンドルとの接触を介して知覚される触覚フィードバックに従って対話を行う。
【０００３】
例えば、米国特許第4,937,685号および第4,964,004号に開示されるようなシステムを用いるビデオやフィルムの編集では、エディタは、複数の「コントロールホイール」（例えば、大きなダイヤルやノブ）を有するコンソールでビデオ画像情報を編集する。フィルムやビデオのエディタは、図１に示されるようなオペレータズコンソールから、両手に用意された二組の制御装置を用いて合成システムの操作を制御し、編集工程を制御する。各制御セットは、大きな回転可能コントロールホイール１１２の付近に集合した複数のフィンガースイッチまたは押しボタン１１０を有しており、最小限の手の動きで容易に触覚操作を行うことができるようになっている。エディタは、編集作業中にビジュアルソースマテリアルのフレームを見ながら、少なくとも一つのビデオモニタに集中しているので、オペレータは、視覚フィードバックのためにコントロールホイールを見なければならない代わりに、種々の制御のための感覚を身につけ、触覚フィードバックを介して機能に順応するようになるのが一般的である。従って、より効率の良い合成システムとのヒューマンインタラクションと合成システムに対する感度が得られる。
【０００４】
コントロールホイール１１２は、その回転時に触覚応答性（例えば、回転止めまたはクリック止め）を示す。通常、ホイール１１２の全回転は、編集中のビジュアルソースマテリアルを見る時間の一単位（例えば１秒）に関連付けられている。この時間の間、編集中のソースマテリアルの媒体や種類に応じて、ビジュアルソースマテリアルの対応する数の「フレーム」が見られることになる。ソースマテリアルのフレームの数が回転中におけるホイール１１２の触覚応答性、すなわちクリック止めの数と相関していることが最も望ましい。例えば、フィルム編集は、毎秒２４フレームが提供される標準化ソースマテリアルを含んでいる。従って、ホイール１１２の全回転（これは、ソースマテリアルの１秒を与える）では、ホイールは２４個のクリック止めと応答する。ここで、各クリック止めは、ビジュアルソースマテリアルの１フレームに対応している。
【０００５】
フィルム編集には毎秒２４フレームを有するソースマテリアルが含まれているが、他のビデオ媒体規格は、異なるフレームレートを要求する。フレームレート、すなわち全国テレビジョン方式委員会（ＮＴＳＣ）に従った毎秒のフレーム数は毎秒３０フレームであり、これは米国のテレビジョンビデオ用に発行された規格である。ＰＡＬやＳＥＣＡＭなどの規格は、イギリスやフランスの各々において毎秒２５フレームの標準フレームレートを与える。高品位テレビジョン用の新しい規格は、毎秒３０または６０フレームのフレームレートを指定する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アクチュエータの機械式回転止めの性質やビジュアルソースマテリアルに関連する種々のフレームレート規格は、アクチュエータ触覚応答性と種々のビジュアルソースマテリアル規格との間の相関付けを容易にするために多数のアクチュエータが必要になるという問題点を提示する。図１Ａに示されるように、触覚応答性を与える技術上公知のアクチュエータは、通常、機械式回転止め機構を備えている。一定数のクリック止めが、ばね式摩擦機構１１１によって設けられる。この摩擦機構は、スプロケット１１３と相互作用するようになっている。このスプロケットは、所望の１回転あたりのクリック止め数に対応する一定数のはめ歯または回転止めを有している。従って、フィルム編集関係では専用のアクチュエータとして２４個の固定回転止めを有するアクチュエータが必要とされ、ＮＴＳＣビデオ編集システムでは３０個の回転止めのアクチュエータが必要とされ、ＰＡＬやＣＣＡＭビデオ編集関係では２５個の回転止めのアクチュエータが必要とされるなどのようになっている。複数のアクチュエータが必要なことでビジュアルソースマテリアル合成システムの柔軟性が制限されているので、柔軟なシステムの複雑さ、費用およびハードウェア要求が大きく高まっている。
【０００７】
固定機械式回転止めアクチュエータの使用に柔軟性が欠けていることに加えて、残念なことに、このようなアクチュエータは摩耗して、時間の経過とともに触覚応答性が劣化する。他の機械式／ばね式リニアまたはロータリアクチュエータも、同様の欠陥を有している。
【０００８】
同様に、ユーザがパーソナルコンピュータなどの電子装置と対話することを可能にする他の種類のアクチュエータやユーザインタフェース装置も知られている。米国特許第4,868,549号（「’５４９特許」）に開示されるマウスやトラックボールのようなユーザインタフェース装置は、装置が操作され、カーソルが表示画面の所定領域を横切って動くとき、装置の移動に対する抵抗の形で触覚応答性を有している。
【０００９】
’５４９特許では、磁気面や電磁ブレーキと連係する電磁石の形で電磁手段を有するマウスが開示されている。この電磁手段は、「球形ボールピックアップ」の移動に抵抗を与える。ある実施形態では、フィードバックまたは触覚応答性は、マウスの磁気部とマウスをその上で操作しなければならない磁気パッド面との間の滑り摩擦度を制御することにより得られる。残念なことに、このような実施形態では磁気パッド面が必要となるが、パッドとマウスとの間の摩擦力は、予測できない影響を受けることがあり、触覚応答性を損なう可能性がある。
【００１０】
’５４９特許の別の実施形態では、電磁ブレーキが含まれており、このブレーキによって抵抗が球形ボールまたはトラッキング要素に直接与えられる。このブレーキング機構はマウス内に完全に内蔵されており、磁気パッド面の必要性をなくしている。しかしながら、電磁ブレーキは、停止機構を提供するものの、トラッキング要素に継続的なトルクを与えることはできない。すなわち、トラッキング要素が停止されるときにトルクは加えられない。このような機構は、特定の画面表示の特性の関数として触覚応答性を変える（例えば、抵抗を低減する）ために使用することができない。与えられる抵抗は、動きに逆らうものでしかなく、ボールを能動的に駆動して、特定の表示領域での動きを容易にしたり、制限表示領域の境界からカーソルを離れた状態に維持することにより動きを助けることはできない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電子制御可能な触覚応答性を有するアクチュエータを提供する。この触覚応答性は、単一アクチュエータにおけるトルク−位置特性（例えば、その全動作経路に沿った１動作あたりの選択可能な回転止め数）の規定を容易にするように柔軟にプログラムすることができる。ロータリアクチュエータの一例では、本発明は、単一アクチュエータにおけるトルク対角度位置特性（例えば、１回転あたりの回転止め数）の規定を容易にする。
【００１２】
本発明によれば、アクチュエータは、位置エンコーダを有するサーボモータと通信を行う。この位置エンコーダは、位置情報をコントローラに出力する。このコントローラは、トルク−位置関係情報へのアクセス権を有している。コントローラの出力は、トルク−位置関係情報に基づくディジタルトルク信号であり、このディジタルトルク信号は、アナログ電流信号に変換される。このアナログ電流信号は、サーボモータに供給されてサーボモータ内にトルクを生成する。アクチュエータを用いてヒューマンインタラクティングに触覚応答性を提供するこのトルクは、一又は複数の回転止めとして検知される。
【００１３】
更に本発明では、コントローラは、位置情報をエンコーダからカウンタを介して位置カウントとして受信するマイクロプロセッサである。トルク−位置関係情報は、マイクロプロセッサアクセス可能ファームウェア内に、一連の特定位置値に対応する一連の特定トルク値を含むテーブルとして記憶される。ディジタル信号として出力され、ディジタル−アナログ変換器によって変換されるこれらのトルク値は、複数の記憶トルク対位置テーブルに従って修正することができ、これにより、種々のトルクプロファイルの柔軟なプログラミングを容易にすることができる。
【００１４】
本発明の特徴には、トルクプロファイルを記憶および修正するとともに所定の一組のトルクプロファイルのなかから一つを選択してアクチュエータに所望の触覚応答性を提供する能力が含まれる。これらのトルクプロファイルは、電気的消去可能なプログラマブル読出し専用記憶素子内に記憶されていてもよく、マイクロプロセッサと通信を行うコンピュータを介して変更することができる。システムの電源を遮断し、引き続いて電源を投入すると、前に入力されたトルクプロファイルがデフォルトプロファイルとして存在するようになっていてもよい。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、ユーザインタフェース装置（例えば、トラックボールやマウス）がプログラマブル触覚応答性を有するように提供され、実施される。マウスまたはトラックボール態様では、この装置は、複数のホイールからなる少なくとも二つのホイールセットを備えたインタフェース機構を有している。これらのホイールは、球形ボールまたはトラッキング要素がユーザによって操作されるときに動く。これらのホイールは、相互に直交する軸上に並べられており、少なくとも二つのホイールセットの各々は、各ホイールに取り付けられたサーボモータと、各サーボモータに付随する位置エンコーダと、を有している。位置エンコーダからの位置情報は、コントローラによって受信される。このコントローラは、触覚力情報、すなわちトルク−表示位置情報へのアクセス権を有している。
【００１６】
このトルク−表示位置情報は、電子装置の表示画面上の表示エンティティまたはカーソルの位置または座標を、ユーザインタフェース装置に加えられる力またはトルクに対応付け、ユーザインタフェース装置の触覚応答性を、表示エンティティまたはカーソルが操作される表示画面の関数として生じさせる。位置エンコーダから表示エンティティまたはカーソルの位置情報を受信したコントローラは、力−表示位置関係情報に基づくディジタル信号である出力を生成する。この力は、動きを補助するように、または動きに抵抗するように、正または負とすることができる。開示の実施形態では、トルク−表示位置情報に基づくディジタルトルク信号出力がディジタル−アナログ変換器を介してアナログ電流信号に変換される。このアナログ電流信号は、サーボモータに供給されて、サーボモータ内にトルクを生成する。サーボモータ内に生成されたトルクは、ユーザインタフェース装置のトラッキング要素またはボールに移り、ユーザによって触覚応答性として知覚される。この触覚応答性は、画面上のカーソルの位置の関数である。
【００１７】
本発明の特徴には、ユーザによるインタフェース装置の更なる操作に対する抵抗を増減することにより、または装置の動きを助けることにより、触覚上の画面境界、並びにドラッグダウンメニュー上のアイコン配置やボタンバー機能に対応する「壁（wall）」および「谷（trough）」をもたらすという能力が含まれる。カーソルを動かしたときに「隆起（bump）」や他のテクスチャを画面上で実現して、触感上知覚させることができる。隔室の境界は、ハードストップまたは「丘（hill）」によって定めることができる。このハードストップまたは「丘」は、カーソルが転がりながら落ちることで、ユーザに画面を見ることを要求することなく画面領域へのアクセスを制限し、あるいはカーソル位置の指示を与える。種々の画面表示およびユーザアプリケーションに対応するように、種々の触覚応答プロファイルが記憶されていてもよい。身体障害者は、視覚や優れた運動能力を必要とすることなくコンピュータアプリケーションと対話することができる。
【００１８】
本発明の上記および他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と共に検討することによって更に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】合成システム内のビジュアルソースマテリアルを編集するためのオペレータズコンソールの図である。
【図１Ａ】機械式回転止めを有する従来技術に係るアクチュエータの部分切欠図である。
【図２】アクチュエータ内にプログラマブル触覚フィードバックを提供するシステムのブロック図である。
【図３】アクチュエータ内にプログラマブル触覚フィードバックを提供するシステムのブロック図であり、ここで、コントローラは、カウンタ、マイクロプロセッサおよびアクセス可能ファームウェアを備えている。
【図３Ａ】アクチュエータと、複数の機能を制御し、選択された機能に従って複数の触覚応答を与える関連ファンクションキーと、を示す図である。
【図４】アクチュエータ内にプログラマブル触覚フィードバックを提供するシステムのブロック図であり、ここで、このシステムは、モータ動作を検知して対応する動作を関連アクチュエータ内に生成するタコメータを更に含んでいる。
【図５Ａ】運動機器に抵抗を導入する従来技術の機械手段の図である。
【図５Ｂ】運動機器内に実施された本発明に係るトルクコントローラの実施例を示すブロック図である。
【図６】電子制御可能な触覚応答性を有するアクチュエータのジョイスティック例のブロック図である。
【図７】本発明に係るユーザインタフェース装置のトラックボール例の部分切欠斜視図である。
【図８】（Ａ）は図１のトラックボール内に実施されたホイールアセンブリの正面図であり、（Ｂ）は図１のトラックボール内に実施されたホイールアセンブリの側面図である。
【図９】モータ／エンコーダアセンブリに取り付けられた図８Ａおよび図８Ｂのホイールアセンブリの平面図である。
【図１０】モータおよびエンコーダを伴い、トラッキング要素に接触する一対のホイールセットの概略図である。
【図１０Ａ】第３軸（ｚ軸）応答性のために配置されたホイールセットの概略図である。
【図１１】パーソナルコンピュータとインタフェースするように構成された本発明に係るユーザインタフェース装置の概略図である。
【図１２】本発明に係るシステムのブロック図である。
【図１３】ユーザインタフェース画面、および画面の諸特性をもたらすように実現される触覚応答性のためのプロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図２を参照すると、コントロールノブ１１４を有するロータリアクチュエータなどのアクチュエータがシャフトを介してサーボモータ１１６に取り付けられている。このアクチュエータがフィルム／ビデオ編集関係で使用するためのものである図示の実施形態では、このサーボモータは、ＰＭＩ１２ＦＶＳモータである。この応用例では、以下で詳細に述べるように、サーボモータをモータ自体として使用するのではなく、トルクコントローラとして使用する。このモータは、その大きな定格毎分回転数で駆動することはなく、この応用例では通常、停動状態または半停動状態で動作する。好適なモータ１１６は、据付エンコーダ１１８を有している。このエンコーダ１１８は、インデックスを有し、１回転あたり３００サイクルを与えるＰＭＩＭ２３３００セグメントモジュラエンコーダである。これは、インデックス同士の間で１２００個の波形エッジを与えることになる。この実施形態では、２、３、５および８で割り切れる数のエッジを与えるようにエンコーダを選択することが重要である。従って、位置情報は、１回転あたり２４、２５および３０箇所（これは、後述するように、毎秒または１回転あたり２４、２５および３０フレームというフィルム／ビデオ編集規格に対応している）という整数個のクリック止めを選択可能な複数のモードで提供するように電子的に分割することができる。
【００２１】
エンコーダ１１８から受信された位置情報は、この情報が位置カウント数を表すようにコントローラ１２０によって処理される。このコントローラ１２０は、受信した位置カウント数を関連トルク値と相関させるトルク−位置関係情報の形で記憶された入力データ１２２にアクセスする。上述のように、エンコーダ出力情報の関数であるこの位置カウント数は、エンコーダ波形によって与えられる位置情報を電子的に分割することにより導出することができる。ここで、この位置情報は、選択した数の位置または位置値に分割することが望まれる。コントローラ１２０によってアクセスされる入力データ１２２は、所望のトルクプロファイルに従って与えられる選択位置値に関連付けられた記憶トルク値を有することになる。コントローラ１２０は、このトルク値をディジタル信号として出力する。このディジタル信号は、ラッチ可能ディジタル−アナログ変換器１２４によってアナログ電圧に変換される。モータに印加される電圧は比例モータ速度を生み出すので、モータ電源１２８と共にパワー増幅器１２６を用いて比例モータ電流を生成することにより、このアナログ電圧はモータトルクに関連付けられる。このトルク関連電流がモータ１１６に供給されると、所望の触覚応答性をコントロールノブ１１４に与える所望のトルクが得られる。
【００２２】
図３に示す実施形態では、コントローラ１２０は、エンコーダ１１８からサーボモータ位置情報を受信するカウンタ１３０を備えている。Motorola 6809などのマイクロプロセッサ１３２は、インデックスに対するサーボモータ位置の指示を与える位置カウント数をカウンタ１３０から受信する。カウンタによって与えられるカウント数は、サーボモータの位置の変化の方向に応じて増減する。マイクロプロセッサは、電気的消去可能なプログラマブル読出し専用記憶素子１３４（ＥＥＰＲＯＭ）にアクセスする。このＥＥＰＲＯＭは、トルク−位置関係情報の一つ以上のテーブルを有するようにプログラムされている。各テーブルは、特定の位置カウント（すなわち、ノブ／サーボモータ位置）に対応するトルク値を指定する特定のトルクプロファイルを定めている。
【００２３】
メインアプリケーションＣＰＵ１３６は、アクチュエータ１１４用の特定のトルクプロファイルを要求および定義するアプリケーションを実行する。このメインアプリケーションＣＰＵは、図３Ａに示されるコントロールホイールおよび関連ファンクションボタンの機能を定義するアプリケーションを実行することもできる。この実施形態では、コントロールホイールが外部ダイヤル１４０を有している。この外部ダイヤルは、アプリケーションに従って、定数個の位置を有する第１の機能（例えば、複数のスイッチセッティングのなかから一つを選択すること）を実行する。このアプリケーションは、同じ外部ダイヤル１４０に第２の機能を割り当て、他の応答性を外部ダイヤルアクチュエータに割り当てるプロファイル（例えば、ｓｈｉｆｔキー１４２が押し下げられたときに、電子的に定義された停止位置を有するレバーコントロール機能を割り当てるプロファイル）を提供することができる。同様に、内部コントロールノブ１４４には、メインアプリケーションＣＰＵ上で実行されるアプリケーションによって第１の機能および対応するトルクプロファイル（例えば、自走非回転止め走査機能）を割り当てることができ、また、第２の（または他の）機能および対応するトルクプロファイル（例えば、上述のように、１回転あたり３０回転止めの編集モード）を割り当てることができる。この第２機能は、例えばａｌｔキー１４６を押し下げることにより起動される。
【００２４】
メインアプリケーションＣＰＵ１３６は、アプリケーションの初期化中、ＲＳ−２３２シリアルポート、または他の通信ポートを介して所望のトルクプロファイルをマイクロプロセッサアクセス可能ＥＥＰＲＯＭにダウンロードする。この所望のトルクプロファイルは、ＥＥＰＲＯＭ内に常駐し、メインアプリケーションの要求に従って適切なアクチュエータ位置に所望のトルクを提供するためにマイクロプロセッサを介して選択することができる。所望のトルクプロファイルは、ユーザがコントロールノブ１４４や外部ダイヤル１４０といったアクチュエータを単独で、あるいは他のコントロール機能（例えばａｌｔキーやｓｈｉｆｔキー）とともに操作することにより、第１または第２機能に従って応答するように選択することができる。アクチュエータ機能の変更、および対応するアクチュエータ応答性（すなわち、トルクプロファイル）の変更は、選択されたキーストローク（例えば、本明細書で述べるｓｈｉｆｔキーやファンクションキー実施例）を介して実行することができる。
【００２５】
ＥＥＰＲＯＭ常駐テーブルは、新たな一組のプロファイルがマイクロプロセッサアクセス可能記憶装置内にプログラム、すなわちダウンロードされるまで変化しない。従って、システムの電源を落とした後、引き続き電源を投入すると、前に選択されたトルクプロファイルが常駐し、対応するアクチュエータ用のデフォルトモードとして利用することができる。
【００２６】
図４に示されるように、本発明に係るアクチュエータの選択可能トルクプロファイルおよび触覚応答性は、第２のアクチュエータ１５０が第１アクチュエータ１１４′に応答し、ほぼ上述のように動作するように実現することができる。ある動作では、共通のトルクプロファイルに従って協同して動作する二つのアクチュエータを有していることが望ましい。このような場合、一つのアクチュエータのサーボモータは、そのトルクコントローラとしての機能に加えて、第２モータを実際に駆動させるために使用することができる。
【００２７】
例えば、フィルムを編集する場合、第１アクチュエータ１１４′を回して合成マテリアルの一端に一つ以上のフレームを追加するとともに、第２アクチュエータ１５０によって制御される合成マテリアルの他端から一つまたは同じ数のフレームを取り除くことが望ましい。このような場合、対応するコントロールノブを正確に同じ量だけ回そうとするよりも、第１アクチュエータ１１４′およびその関連トルクプロファイルに従って第２アクチュエータ１５０を応答させることが最適である。
【００２８】
図３を参照して上述したように実現されるそのトルクプロファイルに従って検知されるＮクリック分だけ第１アクチュエータ１１４′が手動で回されると、エンコーダ１１８′および第１アクチュエータ１１４′に付随するタコメータ１５２は、それぞれ第１アクチュエータ１１４′の方向および速度をマイクロプロセッサ１３２′に知らせる。第１アクチュエータ１１４′の方向と位置は、エンコーダ１１８′からカウンタ１３０′を介して受信される。位置の変化率、すなわち速度は、タコメータ１５２によってアナログ信号として示される。このアナログ信号は、マイクロプロセッサ１３２′によるディジタル処理のためにアナログ−ディジタル変換器１５４によって変換しなければならない。マイクロプロセッサ１３２′は、第１アクチュエータ１１４′から受信したカウントおよび速度プロファイルに従って、ディジタル信号を生成する。このディジタル信号は、第２アクチュエータディジタル−アナログ変換器１５６に供給されてアナログ信号に変換され、第２アクチュエータサーボモータ１５８へのパワーを増加させる。第２アクチュエータサーボモータ１５８へのパワー増加によって、第２モータは、検知された方向に従った方向に、マイクロプロセッサによって指示される動作に従って作動することになる。マイクロプロセッサは、第２アクチュエータエンコーダ１６０を監視して、駆動中の第２アクチュエータ１５０からの相補カウントを読み取るとともに、第２アクチュエータタコメータ１６０を監視して、手動で操作されている第１アクチュエータの速度と比較できる速度を検知する。第２アクチュエータが第１アクチュエータの手動操作に従って動作することをこの比較が示す場合、操作は完了する。
【００２９】
駆動アクチュエータの実施例はアクチュエータの速度を検出するタコメータについて述べているが、位置情報の変化率の一次導関数を求める数学的操作を用いてマイクロプロセッサにより速度を導出することもでき、この場合タコメータは必要なくなる。更に、図４では各サーボモータごとにモータ電源が示されているが、単一の電源を双方のモータに使用してもよい。
【００３０】
本明細書では、フィルム／ビデオ編集状況におけるアクチュエータとの関係で本発明を説明しているが、当業者であれば分かるように、本発明に係る選択的プログラマブル触覚応答性は、触覚応答性のモード選択が望ましい多くの状況に提供することができる。
【００３１】
本明細書では、電子制御可能な触覚応答性を有するアクチュエータが、コントロールホイールの選択可能な１回転あたりの回転止め数またはクリック止め数を提供するものとして説明されているが、他のトルクプロファイル（例えば、ある方向に徐々に増加するトルクや偽ハードストップの点まで増加するトルク）は、サーボモータに供給される適切な電流をもたらすトルクプロファイルを導入することにより本発明に従って達成することができる。
【００３２】
更に、ロータリアクチュエータ応用例の関係でプログラマブル触覚応答性を説明したが、選択可能な触覚応答性は、他の応用例およびアクチュエータ関係（例えば、リニアアクチュエータ関係）でも本発明に従って実施することができる。
【００３３】
次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、当業者であれば上記から分かるように、本発明に係る電子制御可能な触覚応答性は、ノブタイプアクチュエータ以外のアクチュエータでも実施することができ、またビデオやフィルムの編集状況以外の状況でも実施することができる。種々の運動機器は、抵抗を与える機構、例えば図５Ａに示される機構を有している。運動をする人の図５Ｂのハンドル３００、３０２を交互に引っ張るという直線運動が変換されて、巻取りスプール３０４（図５Ａおよび図５Ｂ）に回転運動を与える。公知の運動機器では、機械／ばね機構３０６（図５Ａ）を締めることによって巻取りスプールに抵抗が導入される。このばね機構は、ハンドル３００、３０２に直線運動を与えるために必要な仕事を増やす。本発明に係る上述のシステムは、双方向サーボモータ３０８（図５Ｂ）を導入することにより、このような状況でも実施することができる。この双方向サーボモータは、双方向トルク対位置情報を電流プロファイルの形で受信するようになっており、図５Ａの機械手段３０６によって導入される抵抗と同様の抵抗を与えることになる。トルクコントローラ３１０によって供給される電流は、トルク調整プロファイル３１２の関数である。このトルク調整プロファイルは、選択可能／プログラマブルであり、上述のようにして記憶される。
【００３４】
同様に、図６に示されるように、プログラマブル触覚応答性は、ジョイスティックアクチュエータ４００などのアクチュエータで実施することができる。このような状況では、トルクプロファイルは、トルクコントローラ４０２内のテーブルに、少なくとも二軸でモータを制御するプロファイルを含んだ少なくとも二つのテーブルの形で記憶されている。第１のサーボモータ４０３は、ジョイスティック４０６が固定される球体４０４に取り付けられている。第１モータ４０３は、ジョイスティックが固定される球体４０４に固定され、ジョイスティックが矢印Ａ−Ｂによって示される方向に直線動作するときにジョイスティック４０６の触覚応答性を制御する。ジョイスティックの方向Ａ−Ｂにおける直線運動は、シャフト４０８による回転運動に変換される。このシャフトは、ジョイスティック４０６が制限的に回転する中心軸を形成している。トルクコントローラ４０２は、少なくとも一つのプロファイルテーブルを含んでいる。このテーブルは、第１サーボモータ４０３に供給される電流を決定し、ひいてはジョイスティックが方向Ａ−Ｂに動作されるときのジョイスティック４０６の特定の応答性を決定する。
【００３５】
第２のサーボモータ４１０は、固定フレームまたは固定面４１２に取り付けられており、ジョイスティックが矢印Ｃ−Ｄによって示される方向に動作するときにジョイスティック４０６の応答性を制御する。球体４０４、ジョイスティック４０６および第１モータ４０３からなるアセンブリは、シャフト４１４によって形成された軸を中心として制限された回転を行うことができる。このシャフト４１４は、第１の端部が第２モータ４１０に接続されており、第２の端部が軸受４１６に接続されている。ジョイスティック４０６が方向Ｃ−Ｄに操作されると、球体４０４、およびジョイスティック４０６が取り付けられた第１モータ４０３は、トルクコントローラ４０２に記憶された少なくとも第２のプロファイルテーブルによって決定される応答性を有するように動作する。
【００３６】
運動機器やジョイスティックの実施形態は、それぞれ単一軸および二軸状況での触覚応答性を表しているが、当業者であれば分かるように、３以上の複数の軸における触覚応答性を実現することもできる。
【００３７】
更にまた、当業者であれば分かるように、トルクの直線力への変換および／または直線力の回転トルクへの変換には種々の機構（例えば、運動機器の例のスプール）が有用であり、また、トルク対位置プロファイルを含む上述のテーブルは、力対直線位置プロファイルを含むようにプログラムしてもよい。
【００３８】
次に、図７〜図９について説明する。本発明によれば、ユーザインタフェース装置を、画面上の表示エンティティ（例えば、カーソル）の位置の関数として触覚応答性を含むように実施することができる。この実施形態では、トラックボール５００が、トラッキング部材またはボール５０４と接触する複数の駆動輪５０２からなるホイールセットを複数含むように実施されている。当業者であれば分かるように、トラッキング部材またはボール５０４の操作が画面上のカーソル（図７〜図９では図示せず）の操作または動きを生じさせる。トラックボールおよび／またはマウス例の構成および製造の詳細については、当業者であれば理解することができるので、重要な構成要素やこれらの相互関係を挙げる以外は本明細書では詳細を説明しない。
【００３９】
この実施形態では、トラッキング部材またはボールが、複数の駆動輪セットからなる相互接続機構によってユーザインタフェース装置内で相互接続されている。複数の駆動輪５０２からなるホイールセットの各々は、図８Ａおよび図８Ｂに最も良く示されているように、ハブ５０６を備えている。このハブ５０６のまわりには、少なくとも一つのフレーム構造５０８が配置されている。フレーム５０８は、複数のフレーム部分を有しており、これらのフレーム部分の各々は、複数の樽形グリップ部材５１０のうちの対応する一つを縦方向に貫通して延びている。グリップ部材５１０の大部分の外側半径が駆動輪５０２の外側半径に等しくなっていると好適である。ボール５０４が操作されて駆動輪５０２を動作させるときの「凹凸」感を防ぐために、二つの駆動輪をボール５０４と滑らかに接触するようにわずかにずらして使用している。各グリップ部材は、そのグリップ部材を貫通して延びてそのグリップ部材を支持するフレーム部分を中心として回転自在となっている。グリップ部材５１０は、ボール５０４とグリップ接触をなすのに適した高分子材料から形成されている。この実施形態では、図８Ａに示されるように、二つのフレーム５０８がハブ５０６のまわりに配置されている。グリップ部材５１０は、各フレーム上のグリップ部材間のすき間を補償するためにずらされ、あるいは交互に配置されており、常に一つのグリップ部材がボール５０４と接触している状態を維持するようになっている。
【００４０】
共通のハブ５０６に取り付けられ、対応するグリップ部材５１０を備えるフレーム５０８の各ペアは、一つのホイールセットを構成している。図９に示されるように、このホイールセットは、駆動／位置決めアセンブリ５１６を形成するようにサーボモータ５１２およびエンコーダ５１４に取り付けることができる。この実施形態では、駆動／位置決めアセンブリサーボモータがモータとして能動的に使用される。このサーボモータは、Pittman型式番号8322（ぺンシルバニア州ハーレーズビルのPittman製）とすることができる。このモータは、オプションとして、エンコーダ要求を満たす集中光学エンコーダとともに売られている。少なくとも一つの駆動／位置決めアセンブリ５１６は、トルクを加え、互いに直行するように配置された軸（例えば、表示画面を横切るカーソル移動に対応するｘ軸、このｘ軸に対して直交するように配置され、画面上におけるカーソルの上下動に対応するｙ軸、ならびにｘ軸およびｙ軸に対して直交するように配置され、三次元配置における画面の内外へのカーソル移動に対応するｚ軸）の対応する一つに沿った位置を検出するように構成されている。一部の例では、後述するように、エンコーダを有しないモータ、または単なる軸受５１８にホイールセットが取り付けられ、サーボモータおよび／またはエンコーダを更に含むことが望ましくない可能性がある場合に相補スレーブアセンブリ５２０を実現するようになっている。この参考サーボモータ（エンコーダを有しない）は、軸受として受動的に使用することができる。
【００４１】
トラックボールやマウスなどの二次元ユーザインタフェース装置を実現するため、トラッキング要素またはボール５０４は、グリップ部材５１０がボールに接触するように配置された少なくとも二つの駆動／位置決めアセンブリ５１６を有するように構成されている。図１０に示されるように、第１の駆動／位置決めアセンブリ５１６は、そのホイールセットのグリップ部材がボールに接触するように配置されており、サーボモータおよびエンコーダを有している。第１の相補スレーブアセンブリ５２０は、第１駆動／位置決めアセンブリ５１６と対向するように配置されており、第１駆動／位置決めアセンブリ５１６の反対側に位置するボール５０４の側面と係合するそのホイールセットのグリップ部材を有している。
【００４２】
第２の駆動／位置決めアセンブリ５１６′は、第１駆動／位置決めアセンブリ５１６に対して直交する軸上に配置されており、サーボモータおよびエンコーダが取り付けられている。第２の相補スレーブアセンブリ５２０′は、第２駆動／位置決めアセンブリ５１６と対向するように配置されており、第２駆動／位置決めアセンブリ５１６′の反対側に位置するボール５０４の側面と係合するそのホイールセットのグリップ部材を有している。図示の二次元例では、相補スレーブアセンブリが、駆動／位置決めアセンブリのモータに追従するモータを含んでいる。このようなスレーブモータは、相補トルクを生成し、駆動／位置決めアセンブリがよりバランスのとれたトルクをボールに加えるのを助ける。本発明によれば、受動的にボールと係合する軸受を有するように構成された駆動／位置決めアセンブリと対向するホイールセットを単に有することで、より安価な装置を実現することができる。
【００４３】
図１０Ａに示されるように、本発明に係る三次元ユーザインタフェース装置を実施する場合、駆動／位置決めアセンブリ５１６″がボール５０４の外周に沿って配置されており、ホイールセットの向きが、ｘ軸アセンブリおよびｙ軸アセンブリのホイールセットの向きに対して直交するように配置されるようになっている（図１０Ａでは、簡単のため、一つのホイールセット５１６だけを図示してｘ軸アセンブリおよびｙ軸アセンブリの向きを例示している）。ｚ軸駆動／位置決めアセンブリ５１６″は、駆動／位置決めアセンブリ５１６″が沿う軸に直交する軸に沿って配置された相補スレーブアセンブリ５２０″を有するように構成されていることが好ましい。二次元例の機能は、説明の簡単のため後述するが、ｚ軸駆動／位置決めアセンブリおよび相補スレーブアセンブリは、三次元的に応答するユーザインタフェース装置内で容易に実施することができる。
【００４４】
次に、図１１および図１２を参照すると、駆動／位置決めアセンブリ５１６および相補スレーブアセンブリ５２０は、電子装置またはコンピュータシステム５２８を含むシステム内のユーザインタフェース装置５００としてボール５０４（図１１および図１２には図示せず）を有するように構成されている。ここで、コンピュータシステム５２８は、画面５３０を備えており、この画面上の画面表示またはグラフィカルユーザインタフェース上には、この技術分野で公知のように、カーソルが配置されている。ユーザインタフェース装置５００が接続されたコンピュータは、オペレーティングシステムを有しており、種々のアプリケーションプログラムを実行することができるので、ユーザインタフェース装置５００を用いてカーソルが操作される種々の画面表示が生じることになる。
【００４５】
ユーザインタフェース装置５００は、少なくとも第１および第２の駆動／位置決めアセンブリ５１６、５１６′を有している。これらの駆動／位置決めアセンブリは、それぞれサーボモータ５３４およびエンコーダ５３６、ならびに第１および第２の付随相補スレーブアセンブリ５２０、５２０′を備えている。これらの相補スレーブアセンブリは、表示上におけるカーソル位置に変換されるｙ軸およびｘ軸ボール移動をそれぞれ検知する。この実施形態では、駆動／位置決めアセンブリ内のサーボモータの各々が、その対応する相補スレーブアセンブリモータと直列に接続されているので、これらのモータペアは、同じ電流を見ることになる。本発明の応用例では、各サーボモータ５３４は、それ自体がモータとして使用されるのではなく、トルクコントローラとして使用される。このモータは、その大きな定格毎分回転数で駆動することはなく、この例では通常、停動状態または半停動状態で動作する。上記のような好適なモータは、据付エンコーダ５３６を有している。当業者であれば分かるように、このエンコーダ５３６は、そのモータおよびモータ応用例に適合している。
【００４６】
この技術分野では公知のように、コンピュータまたは電子装置５２８は、インタフェースボード５３２を収容するように構成されている。このインタフェースボード５３２は、ユーザインタフェース装置５００をコンピュータシステム５２８およびディスプレイ５３０に電子的にインタフェースするのに必要な機構を含んでいる。インタフェースボード５３２は、通常、コンピュータ５２８のＩ／Ｏスロット内に存在するように構成されており、マイクロプロセッサ５３８を有している。このマイクロプロセッサ５３８は、シリアル通信チャネル５４０を介してコンピュータ５２８と通信を行う。図１１に示される実施形態では、インタフェースボード５３２は、各エンコーダ５３６に対応付けられたカウンタ５４２を備えている。各カウンタ５４２は、エンコーダ５３６からサーボモータ位置情報を受信する。マイクロプロセッサ５３８（例えば、Motorola 6809）は、各カウンタ５４２から位置カウントを受信する。この位置カウントは、インデックスに対する各サーボモータの位置の指示を与える。カウンタによって供給されるカウントは、インデックスに対するサーボモータの位置の変化の方向に応じて増減する。サーボモータの位置変化は、ボールおよび画面上のカーソルの位置の変化を表している。
【００４７】
マイクロプロセッサ５３８は、エンコーダを介して示される座標位置、すなわちｘ軸位置およびｙ軸位置の関数として、記憶機構からのトルクプロファイル情報にアクセスする。この記憶機構は、マイクロプロセッサに対して内部にあってもよいし、追加トルクプロファイル記憶装置５４５（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ、ディスク、ＣＤＲＯＭなど）の形で外部にあってもよい。トルクプロファイル情報は、モータによって加えられ、またはモータに対して加えられるトルクまたは力の指示を与える。このトルクは、画面上のカーソルの位置の関数であり、カーソルが操作されている特定の画面表示の関数である。前述の実施形態のように、トルク値（この場合は、各モータまたは軸に関する値）は、記憶機構からディジタル信号として出力される。このディジタル信号は、ラッチ可能ディジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ）５４４によってアナログ電圧に変換される。モータに印加される電圧は結果的に比例モータ速度となるので、このアナログ電圧は、（各モータごとに）パワードライバまたは増幅器５４６を使用して比例モータ電流を生成することにより、モータトルクに対応付けられる。このトルク対応電流がモータ５１６、５１６′、５２０、５２０′に与えられると、ボール５０４に対する所望の触覚応答性を与える所望のトルクが得られる。
【００４８】
コンピュータ５２８は、一又は複数のアプリケーションを実行する。このアプリケーションは、ユーザインタフェース装置５００に対する特定のトルクプロファイルを要求および定義する。コンピュータ上で実行されているアプリケーションの各画面表示は、その特定の画面表示に対応するトルクプロファイル情報を有しており、その画面表示についての対応する特定の触覚応答性をもたらす。処理されているトルクプロファイル情報は、マイクロプロセッサに記憶される。実行中の画面表示に直接必要でない付加的なトルクプロファイル情報は、マイクロプロセッサ５４５に付随する外部記憶装置に記憶することができる。トルクプロファイル情報は、モータ電流またはトルクの関係を、本実施形態において存在する各軸に関する位置パラメータの関数として表す空間アレイを表している。この実施形態では、このアレイは、特定の画面上のカーソルのｘおよびｙ座標位置の関数としてトルク情報を含んでいなければならない。
【００４９】
アプリケーションソフトウェアパッケージやオペレーティングシステムの多数の画面表示の触覚応答性を定める大量のトルクプロファイル情報は、コンピュータ上で実行される特定のアプリケーションに関連付けられたデータベースに記憶される。図１２に示されるように、コンピュータは、通常、オペレーティングステムまたはメインアプリケーション５５０を実行する。このオペレーティングシステムまたはメインアプリケーション５５０は、一部の外部記憶媒体（例えば、ディスクやＣＤＲＯＭ）に記憶されており、アプリケーションコードの実行中にコンピュータの主記憶装置にページングまたは転送される。
【００５０】
トルクプロファイル５５２のデータベースは、オペレーティングシステムのもとで実行されるアプリケーションやアプリケーション５５０とともに実行されるアプリケーションの一部として、アプリケーションの画面表示に基づいてユーザインタフェース装置の触覚応答性を定める。この技術分野では公知のように、アプリケーションまたはオペレーティングシステムは、アプリケーションのアプリケーションプログラムインタフェース（ＡＰＩ）を介してトルクプロファイル情報５５２はアクセスすることができる。それぞれのトルクプロファイルは、エンコーダから受信した位置情報に応じて適切なディジタル信号を生成するためにインタフェースボード５３２上のマイクロプロセッサ５３８が利用できるようにダウンロードまたは作成されているので、これらのトルクプロファイルは、ユーザインタフェース装置５００の触覚応答性をアプリケーション５５０の画面表示またはグラフィカルユーザインタフェースに対応付ける。
【００５１】
ユーザインタフェースデバイスドライバ５５４は、ユーザインタフェース装置５００用のインタフェースボード５３２上のマイクロプロセッサ５３８とホストコンピュータ５２８との間の通信を容易にする。このマイクロプロセッサは、エンコーダから受信された情報およびシリアルチャネル５４０を介してホストコンピュータにより供給されるカーソルの元の位置について知られている情報を処理することにより、カーソル位置の変化のための座標を計算する。このドライバは、カーソルの実際の位置を与えるホストコンピュータとの間でカーソル位置に関する情報を授受する。この実施形態では、ドライバ５５４は、ユーザインタフェース装置５００にとって一般的なものであり、この技術分野で公知のマウスまたはトラックボールＩ／Ｏデバイスドライバから以下の点でわずかに修正が加えられている。すなわち、このドライバ５５４は、アプリケーションソフトウェア５５０およびトルクプロファイル情報５５２に対するインタフェースを介して、適切なトルクプロファイルに関するアプリケーション５５０からの指示に基づいて、この適切なトルクプロファイル情報のマイクロプロセッサへのダウンロードを調整する。
【００５２】
ホスト上で実行されているドライバ５５４は、ホスト５２８上で実行されているアプリケーションに基づいて、関連するトルクプロファイル情報をマイクロプロセッサ５３８に伝える。このドライバは、ホスト５２８の表示画面上におけるカーソルの現在位置に関する情報もマイクロプロセッサに伝える。表示画面上のカーソルの座標情報に応じて、マイクロプロセッサ５３８は、画面上のカーソルの位置に対する適切なトルクに対応するディジタル情報を、その画面表示についての関連トルク−位置プロファイルに従って生成する。各軸に対するＤ／Ａ５４４は、ディジタルトルク情報を受信し、パワードライバ５４６への適切なアナログ信号を生成する。このパワードライバは、電流を生成して正または負のトルクをモータに加え、結果的にボール５０４の妥当な触覚応答性を作り出す。
【００５３】
トラックボールまたはマウスが動かされて表示画面５３０上でカーソルの動きが生じると、各エンコーダ５３６は、マイクロプロセッサ５３８に位置情報を送る。この実施形態における位置情報は、手動操作されるボール５０４と接触する対応ホイールセットの動作に応じてエンコーダが変化する方向とステップ数の指示を含んでいる。マイクロプロセッサ５３８は、大きさおよび方向情報を受信し、関連トルクプロファイル情報の空間配列における位置を追跡して、受信した位置情報に対応する適切なトルクを求める。マイクロプロセッサ５３８は、この位置情報をユーザインタフェースデバイスドライバに伝える。当業者であれば分かるように、このユーザインタフェースデバイスドライバは、コンピュータと通信を行うことによりカーソルの位置の変化を生じさせる。また、マイクロプロセッサ５３８は、上述したようなＤ／Ａおよびパワードライバを介してトルク情報をサーボモータに運び、特定アプリケーションの画面内のカーソル位置とトルク−位置情報とに基づいて適切な触覚応答性を生成する。
【００５４】
本発明に従ってユーザインタフェース装置の触覚応答性を実現するためにマイクロプロセッサがアクセスできるように記憶され作成されたトルク−位置情報を用いることで、種々の触覚応答性を画面上のカーソルの位置の関数として実現することができる。カーソル閉込め領域および制限表示領域の境界は、最大モータトルクを用いて停止を実行することにより実現することができる。応答性の中でも特に触覚上の「丘」や「谷」を実現して、図１３Ａ〜図１３Ｄに示されるようなグラフィカルユーザインタフェースの触覚上の輪郭を定めることができる。この特定の例のアプリケーションでは、グラフィカルユーザインタフェースがヘッダを含んでおり、このヘッダは、コマンド選択バナーが表示画面上に現れるときにそのバナーを示す（図１３Ａおよび図１３Ｂ）。
【００５５】
このコマンド選択バナーは、一つのボタンバーである。ユーザがユーザインタフェース装置を用いてこのボタンバーの上にカーソルを置き、ポイントおよびクリックすると特定の機能が実行されるようになっている。種々のコマンド、すなわち「File」、「Options」、「Window」、「Help」は、本発明による触覚上の境界によって輪郭を描くことができるので、適切な領域内でカーソルを適切に位置決めしコマンドをクリックして起動する作業は容易に実行することができ、また触覚上知覚することができる。優れた運動技能や視覚を持っているいないにかかわらず、ユーザは、本発明に係るユーザインタフェース装置を操作して、画面上におけるカーソルの位置を感じ取る。上記で説明し、図１３Ｃおよび図１３Ｄに示されるように、触覚上の境界は、境界では比較的高い抵抗が知覚され、カーソルが適切に配置されたときには殆どまたは全く抵抗を感じないようにプログラムされている。
【００５６】
カーソルをボタンバーに向かって画面上で垂直に移動させると、ユーザは、非制限領域５６０内で中間的な抵抗を知覚するか、あるいは全く抵抗を知覚しないことになる。トルクの鋭い増加は、ボタンバーの下部境界線５６２にぶつかったように感じられる。カーソルが下部境界線と上部境界線との間の位置、すなわち谷５６４内の位置まで動かされると、何の抵抗も知覚されない。上部境界線５６６に近づくとトルクが増加し、画面の絶対境界にぶつかると、増加したトルクは、知覚可能な停止５６８をもたらす。本発明によれば、ユーザインタフェース装置が境界内の中心の位置にカーソルを押しやる傾向を有するように正または負のトルクを生成することができる。
【００５７】
同様に、図１３Ｄに示されるように、ユーザインタフェース装置を操作してカーソルをボタンバーに沿って水平に動かすと、カーソルを適切な位置に押しやって所望のメニュー選択を起動するように境界が形成される。
【００５８】
丘や谷や壁によって形成される境界に加えて、本発明に係るユーザインタフェース装置の触覚応答性を用いることで、触覚上知覚可能な「テクスチャリング」を実現することができる。カーソルが画面を横切るように動かされるときに凹凸感を実現することができるように、トルクのわずかな増加を、間に少ないトルクしか有しない選択距離でプログラムすることができる。弾性は、逆トルク点までトルクを増加させるという形で、知覚された伸張または弾力をシミュレートするように実現することができる。更にまた、本発明に係るユーザインタフェース装置内のモータのトルク補助能力が能動的な性質を有していれば、動き補助を実現して、手動補助なしに隆起や丘を装置が転がり落ちるようにすることができる（このような応用例は、ユーザが優れた運動能力を有することができない場合に極めて有用である）。
【００５９】
トルクプロファイル情報のＥＥＰＲＯＭ常駐テーブルまたはアレイは、新しい一組のプロファイルがマイクロプロセッサアクセス可能記憶装置内にプログラム、すなわちダウンロードされるまで変化しない。従って、システムの電源を遮断した後、引き続き電源を投入すると、特定のデフォルト状態が望まれて用意されていない限り、前に選択されたトルクプロファイルが常駐し、対応するアクチュエータ用のデフォルトモードとして利用することができる。
【００６０】
上記では単一の画面表示を用いて本発明を説明してきたが、当業者であれば分かるように、トルク位置情報は、次のように構成することもできる。すなわち、現在の画面から新たな画面を呼び出すことによって対応する新たな一組のトルク位置情報が呼び出されるように画面をネストし、更にはその対応プロファイルをネストすることができるような形式でトルク位置情報を構成することができる。
【００６１】
本明細書の実施形態では、カーソル画面位置をユーザインタフェース装置の触覚応答性に対応付けるトルクプロファイル情報テーブルまたはアレイを説明してきたが、特定の位置に対応付けられた値を記憶するかわりに、特定の画面表示の「進行中」にトルク値を計算してもよい。更に、位置および位置の変化に関する情報を与えるユーザインタフェース装置を有する代わりに、本発明に従って処理される位置情報を画面が生成して結果的に触覚応答性を提供するように、特定の画面上における特定のカーソル位置にトルク値を対応付けてもよい。
【００６２】
スレーブモータが直列に接続された実施形態では、スレーブモータは、自身に直列接続されたモータと同じ電流を見ることになる。このようなマスタ／スレーブモータペアでは、これらのモータは、ボールまたはトラッキング要素の回転が滑らかになるように事実上同一のモータとすべきである。しかしながら、本発明に係るシステムの費用を最小限に抑えるためには、スレーブモータを排除して受動軸受を採用することが好ましい場合もある。
【００６３】
上述した本発明の説明は、トラックボールに関するものであるが、本発明に係る触覚応答性は、他の様々なユーザインタフェース装置で実現することができる。このようなユーザインタフェース装置としては、マウス、ジョイスティックや、操作を必要とし位置の関数としての触覚応答性から利益を得る他の装置が挙げられる。更に、本明細書で述べた実施形態では「カーソル」が操作されていたが、この用語は、電子装置のユーザインタフェース内で操作されるものを表すために一般的に使用されており、種々のシンボルやインタフェースまたはディスプレイ常駐エンティティ、例えばカーソル、アイコン、ウィンドウ、メニューなど、を触覚応答性を用いて操作することができる。
【００６４】
本明細書で挙げた本発明の種々の実施形態は、アクチュエータ用のトルクプロファイルを要求および定義するアプリケーションプログラムを実行するメインＣＰＵとトルク−位置の関係を特定するファームウェアを実行する独立６８０９マイクロプロセッサについて述べているが、当業者であれば分かるように、トルク−位置の関係は、マイクロプロセッサがなかったり他の数多くのマイクロコントローラを介さない場合でもアプリケーションＣＰＵ内に実装することができる。更に、トルクプロファイルは、マイクロプロセッサがアクセス可能なＥＥＰＲＯＭ内にあるものと説明したが、トルクプロファイルは、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＰＡＬなど、マイクロプロセッサに常駐する記憶手段やその他の記憶手段に記憶されていてもよく、アクチュエータ内で所望の触覚応答性を実現するために適宜にアクセスすることができる。
【００６５】
本発明の好適な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の形態や詳細の他の種々の変更、追加および省略を、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく行うことが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１１４…コントロールノブ（アクチュエータ）、１１６…サーボモータ、１１８…エンコーダ、１２０…コントローラ、１２２…入力データ、１２４…アナログ変換器、１２６…パワー増幅器、１２８…モータ電源、１３０…カウンタ、１３２…マイクロプロセッサ、１３４…専用記憶素子、１４０…外部ダイヤル、１４４…内部コントロールノブ、１５０…アクチュエータ、１５２…タコメータ、１５４…ディジタル変換器、１５６…アナログ変換器、１５８…アクチュエータサーボモータ、１６０…アクチュエータエンコーダ、３００…ハンドル、３１２…トルク調整プロファイル、４００…ジョイスティックアクチュエータ、４０２…トルクコントローラ、４０３…サーボモータ、４０６…ジョイスティック、５００…ユーザインタフェース装置、５０２…駆動輪、５０４…トラックボール、５０６…ハブ、５０８…フレーム、５１０…グリップ部材、５１２…サーボモータ、５１４…エンコーダ、５１６…ホイールセット、５２０…付随相補スレーブアセンブリ、５２８…コンピュータシステム（電子装置）、５３０…ディスプレイ、５３２…インタフェースボード、５３４…サーボモータ、５３６…エンコーダ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザインタフェース機器と通信状態にあるホストコンピュータ、および複数のトルクプロファイルを有するデータベースを含むシステムであって、前記トルクプロファイルのそれぞれがトルク−位置情報を含み、前記ホストコンピュータが、
ユーザインタフェース機器との通信を容易にするためのユーザインタフェース機器ドライバを実行し、
前記ホストコンピュータにより実行されるアプリケーションに基づきトルクプロファイルを選択し、
前記ユーザインタフェース機器ドライバを使用して、前記トルクプロファイルを記憶し前記記憶されたトルクプロファイルに基づきトルクを出力するように構成されるデータ記憶構成要素内に前記トルクプロファイルを記憶するように構成される前記ユーザインタフェース機器に、前記選択されたトルクプロファイルをダウンロードする
ように構成されるシステム。
【請求項２】
前記ホストコンピュータが前記アプリケーションの画面表示に基づき前記トルクプロファイルを選択するようにさらに構成され、前記アプリケーションが複数の画面表示を含み、前記複数の画面表示の少なくとも一部が、異なるトルクプロファイルに関連付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アプリケーションが新しい画面表示を表示するとき、前記ホストコンピュータが新しいトルクプロファイルを選択し前記ユーザインタフェース機器にダウンロードするようにさらに構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
トルクプロファイルを提供する方法であって、
ユーザインタフェース機器との通信を容易にするためのユーザインタフェース機器ドライバを実行するステップと、
ホストコンピュータにより実行されるアプリケーションに基づきトルクプロファイルを選択するステップと、
前記トルクプロファイルを記憶し前記記憶されたトルクプロファイルに基づきトルクを出力するように構成されるデータ記憶構成要素内に前記トルクプロファイルを記憶するように構成される前記ユーザインタフェース機器に前記選択されたトルクプロファイルをダウンロードするステップと
を含む方法。
【請求項５】
前記トルクプロファイルを選択するステップが前記アプリケーションの画面表示に基づいており、前記アプリケーションが複数の画面表示を含み、前記複数の画面表示の少なくとも一部が、異なるトルクプロファイルと関連付けられる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記アプリケーションが新しい画面表示を表示するとき、新しいトルクプロファイルを選択し前記ユーザインタフェース機器にダウンロードするステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
プロセッサにより実行されるプログラムコードを含むコンピュータ読み出し可能媒体であって、前記プログラムコードが、
ユーザインタフェース機器との通信を容易にするためのユーザインタフェース機器ドライバを実行するためのプログラムコードと、
ホストコンピュータにより実行されるアプリケーションに基づきトルクプロファイルを選択するためのプログラムコードと、
前記トルクプロファイルを記憶し前記記憶されたトルクプロファイルに基づきトルクを出力するように構成されるデータ記憶構成要素内に前記トルクプロファイルを記憶するように構成される前記ユーザインタフェース機器に前記選択されたトルクプロファイルをダウンロードするためのプログラムコードと
を含むコンピュータ読み出し可能媒体。
【請求項８】
前記トルクプロファイルを選択することが前記アプリケーションの画面表示に基づいており、前記アプリケーションが複数の画面表示を含み、前記複数の画面表示の少なくとも一部が、異なるトルクプロファイルと関連付けられる、請求項7に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
【請求項９】
前記アプリケーションが新しい画面表示を表示するとき、新しいトルクプロファイルを選択し前記ユーザインタフェース機器にダウンロードするためのプログラムコードをさらに含む、請求項８に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
【請求項１】
ユーザインタフェース機器と通信状態にあるホストコンピュータ、および複数のトルクプロファイルを有するデータベースを含むシステムであって、前記トルクプロファイルのそれぞれがトルク−位置情報を含み、前記ホストコンピュータが、
ユーザインタフェース機器との通信を容易にするためのユーザインタフェース機器ドライバを実行し、
前記ホストコンピュータにより実行されるアプリケーションに基づきトルクプロファイルを選択し、
前記ユーザインタフェース機器ドライバを使用して、前記トルクプロファイルを記憶し前記記憶されたトルクプロファイルに基づきトルクを出力するように構成されるデータ記憶構成要素内に前記トルクプロファイルを記憶するように構成される前記ユーザインタフェース機器に、前記選択されたトルクプロファイルをダウンロードする
ように構成されるシステム。
【請求項２】
前記ホストコンピュータが前記アプリケーションの画面表示に基づき前記トルクプロファイルを選択するようにさらに構成され、前記アプリケーションが複数の画面表示を含み、前記複数の画面表示の少なくとも一部が、異なるトルクプロファイルに関連付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アプリケーションが新しい画面表示を表示するとき、前記ホストコンピュータが新しいトルクプロファイルを選択し前記ユーザインタフェース機器にダウンロードするようにさらに構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
トルクプロファイルを提供する方法であって、
ユーザインタフェース機器との通信を容易にするためのユーザインタフェース機器ドライバを実行するステップと、
ホストコンピュータにより実行されるアプリケーションに基づきトルクプロファイルを選択するステップと、
前記トルクプロファイルを記憶し前記記憶されたトルクプロファイルに基づきトルクを出力するように構成されるデータ記憶構成要素内に前記トルクプロファイルを記憶するように構成される前記ユーザインタフェース機器に前記選択されたトルクプロファイルをダウンロードするステップと
を含む方法。
【請求項５】
前記トルクプロファイルを選択するステップが前記アプリケーションの画面表示に基づいており、前記アプリケーションが複数の画面表示を含み、前記複数の画面表示の少なくとも一部が、異なるトルクプロファイルと関連付けられる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記アプリケーションが新しい画面表示を表示するとき、新しいトルクプロファイルを選択し前記ユーザインタフェース機器にダウンロードするステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
プロセッサにより実行されるプログラムコードを含むコンピュータ読み出し可能媒体であって、前記プログラムコードが、
ユーザインタフェース機器との通信を容易にするためのユーザインタフェース機器ドライバを実行するためのプログラムコードと、
ホストコンピュータにより実行されるアプリケーションに基づきトルクプロファイルを選択するためのプログラムコードと、
前記トルクプロファイルを記憶し前記記憶されたトルクプロファイルに基づきトルクを出力するように構成されるデータ記憶構成要素内に前記トルクプロファイルを記憶するように構成される前記ユーザインタフェース機器に前記選択されたトルクプロファイルをダウンロードするためのプログラムコードと
を含むコンピュータ読み出し可能媒体。
【請求項８】
前記トルクプロファイルを選択することが前記アプリケーションの画面表示に基づいており、前記アプリケーションが複数の画面表示を含み、前記複数の画面表示の少なくとも一部が、異なるトルクプロファイルと関連付けられる、請求項7に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
【請求項９】
前記アプリケーションが新しい画面表示を表示するとき、新しいトルクプロファイルを選択し前記ユーザインタフェース機器にダウンロードするためのプログラムコードをさらに含む、請求項８に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
【図１】
【図１Ａ】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１０Ａ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１Ａ】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１０Ａ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２１６１１６（Ｐ２０１１−２１６１１６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７０４７（Ｐ２０１１−１５７０４７）
【出願日】平成２３年７月１５日（２０１１．７．１５）
【分割の表示】特願２００９−２９３１２７（Ｐ２００９−２９３１２７）の分割
【原出願日】平成８年１２月１９日（１９９６．１２．１９）
【出願人】（３９９０４７１４９）イマージョン コーポレイション (57)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１５日（２０１１．７．１５）
【分割の表示】特願２００９−２９３１２７（Ｐ２００９−２９３１２７）の分割
【原出願日】平成８年１２月１９日（１９９６．１２．１９）
【出願人】（３９９０４７１４９）イマージョン コーポレイション (57)
【Ｆターム（参考）】
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