專(zhuān)利名稱(chēng)：力反饋型輸入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力反饋型輸入裝置，特別涉及向操作部反饋對(duì)應(yīng)于該操作部的操作位置的復(fù)原力、及與該操作部的操作速度成比例的阻尼力的阻尼力反饋型輸入裝置的阻尼力適當(dāng)化裝置。
背景技術(shù)：
以往，例如作為適用于線控方式的車(chē)載電器設(shè)備集中控制裝置、轉(zhuǎn)向裝置、變速裝置或制動(dòng)裝置等的輸入裝置，如下的力反饋型輸入裝置已在實(shí)用中，該力反饋型輸入裝置具有由操作者操作的操作部、檢測(cè)該操作部的操作狀態(tài)的檢測(cè)裝置、向上述操作部反饋力的力反饋裝置，以及，基于上述檢測(cè)裝置輸出的檢測(cè)信號(hào)控制上述力反饋裝置的驅(qū)動(dòng)、并向上述操作部反饋對(duì)應(yīng)于其操作狀態(tài)的規(guī)定力的控制裝置，通過(guò)用控制裝置控制力反饋裝置的驅(qū)動(dòng)，向操作部反饋對(duì)應(yīng)于操作部的操作位置的力，例如將操作部碰到壁的感覺(jué)(以下，在本說(shuō)明書(shū)中將該感覺(jué)稱(chēng)為“觸壁感”)反饋給操作部。
此外，作為此種力反饋型輸入裝置，為使操作部的操作感更好，以往還提出了向操作部的操作反饋適度的阻力感的裝置，或一并向操作部反饋與操作部的操作速度成比例的力的裝置(例如，參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。
對(duì)于對(duì)應(yīng)于操作部的操作位置的力，除與操作量無(wú)關(guān)地反饋一定大小的力外，還反饋大小與操作部的操作量成比例的力，這稱(chēng)為“彈性力”。與操作部的操作速度成比例的力，通過(guò)在操作部的操作速度上乘以阻尼系數(shù)來(lái)計(jì)算，稱(chēng)為“阻尼力”。另外，由于對(duì)操作部的操作反饋類(lèi)似于粘性摩擦的阻力感，所以有時(shí)阻尼力也稱(chēng)為“粘性摩擦力”。
圖4是本申請(qǐng)人以前提出的此種力反饋型輸入裝置的結(jié)構(gòu)圖，主要包括操作者操作的操作部1、檢測(cè)操作部1的操作狀態(tài)的檢測(cè)裝置2、向操作部1反饋力的力反饋裝置3、控制力反饋裝置3的驅(qū)動(dòng)并向操作部1反饋對(duì)應(yīng)于其操作狀態(tài)的規(guī)定力的控制裝置4。
控制裝置4包括操作狀態(tài)運(yùn)算部4a，利用從檢測(cè)裝置2輸出的檢測(cè)信號(hào)，算出操作部1的操作量θ及操作速度θdot；復(fù)原力運(yùn)算部4b，計(jì)算對(duì)應(yīng)于操作部1的操作量θ的所需的復(fù)原力Te(θ)；阻尼力運(yùn)算部4c，計(jì)算與操作部1的操作速度θdot成比例的阻尼力cθdot；合成力運(yùn)算部4d，計(jì)算復(fù)原力Te(θ)和阻尼力cθdot的合成力Te(θ)-cθdot。根據(jù)從合成力運(yùn)算部4d輸出的信號(hào)，控制力反饋裝置3的驅(qū)動(dòng)，并反饋操作部1所需的力。
以下，參照?qǐng)D5，以采用編碼器作為上述檢測(cè)裝置2的情況為例，，說(shuō)明如上所述構(gòu)成的現(xiàn)有例的力反饋型輸入裝置的工作。
當(dāng)供給電源時(shí)，控制裝置4對(duì)從編碼器(檢測(cè)裝置2)輸出的每固定時(shí)間Δt的信號(hào)脈沖數(shù)n進(jìn)行計(jì)數(shù)(步驟S11)，在操作狀態(tài)運(yùn)算部4a，基于式θ＝θ+n，計(jì)算操作部1的操作量θ，并基于式θdot＝n/Δt，計(jì)算操作部1的操作速度θdot(步驟S12)。然后，在復(fù)原力運(yùn)算部4b，在θ0≤θ≤θ1的情況下，直接采用θ；在θ1＜θ的情況下，代入θ1作為θ，基于式Te＝k(θ-θ0)，計(jì)算應(yīng)反饋操作部1的復(fù)原力Te，并且，在阻尼力運(yùn)算部4c，基于Tc＝c·θdot，計(jì)算應(yīng)反饋操作部1的阻尼力Tc(步驟S13)。此處，k表示彈性系數(shù)，θ0表示操作部1的基準(zhǔn)位置，c表示阻尼系數(shù)。另外，在θ0≤θ≤θ1的范圍內(nèi)，反饋與操作量成比例的所謂的彈性力，在θ1＜θ的范圍內(nèi)，反饋一定的力。該一定的力，在此處為與θ＝θ1時(shí)的彈性力相同的值。然后，在合成力運(yùn)算部4d，基于式Ttotal＝Te-Tc，計(jì)算應(yīng)反饋給操作部1的復(fù)原力Te和阻尼力Tc的合成力Ttotal(步驟S14)。最后，基于由合成力運(yùn)算部4d輸出的合成力Ttotal，驅(qū)動(dòng)力反饋裝置3，向操作部1反饋所需的力(步驟S15)。
該結(jié)構(gòu)的力反饋型輸入裝置，由于不僅向操作部1反饋復(fù)原力Te，而且還反饋?zhàn)枘崃c，因此向操作部1反饋?zhàn)枇Ω?，操作?的操作感良好。另外，在θ0≤θ≤θ1的范圍內(nèi)，與操作量成比例地增大復(fù)原力，即反饋彈性力，為的是防止在θ0地點(diǎn)的振蕩。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1特開(kāi)2003-150261。
但是，以往例的力反饋型輸入裝置中，阻尼力只與操作速度成比例，與復(fù)原力無(wú)關(guān)。因此，當(dāng)在反饋一定的復(fù)原力的位置(例如θ2)把手離開(kāi)時(shí)，在復(fù)原力變化的位置(例如θ1)，存在操作部的復(fù)原速度變化，且給操作者帶來(lái)不適感的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述以往技術(shù)的不完善而提出的，其目的是提供一種力反饋型輸入裝置，即使在復(fù)原力變化的位置，操作部的返回速度也不變化，不給操作者帶來(lái)不適感。
本發(fā)明的力反饋型輸入裝置為解決上述問(wèn)題，具有由操作者操作的操作部、檢測(cè)該操作部的操作狀態(tài)的檢測(cè)裝置、向上述操作部反饋力的力反饋裝置、以及控制裝置，該控制裝置基于由上述檢測(cè)裝置輸出的檢測(cè)信號(hào)，控制上述力反饋裝置的驅(qū)動(dòng)；上述控制裝置具有基于上述操作部的操作位置計(jì)算復(fù)原力的復(fù)原力運(yùn)算部、基于上述操作部的操作速度及阻尼系數(shù)計(jì)算阻尼力的阻尼力運(yùn)算部、基于上述復(fù)原力及上述阻尼力計(jì)算合成力的合成力運(yùn)算部；上述阻尼力運(yùn)算部，基于上述復(fù)原力計(jì)算上述阻尼系數(shù)。上述阻尼力運(yùn)算部，在上述復(fù)原力上乘以比例系數(shù)，來(lái)計(jì)算上述阻尼系數(shù)。
這樣，當(dāng)在阻尼力運(yùn)算部基于復(fù)原力計(jì)算阻尼系數(shù)時(shí)，由于即使在復(fù)原力變化的位置，操作部的返回速度也不變化，因此不會(huì)給操作者帶來(lái)不適感，能夠使操作部的操作感良好。
此外，本發(fā)明在上述結(jié)構(gòu)的力反饋型輸入裝置中，從復(fù)原開(kāi)始位置到規(guī)定位置，上述復(fù)原力逐漸增大。
這樣，如果從復(fù)原開(kāi)始位置到規(guī)定位置，逐漸增大復(fù)原力，則在復(fù)原開(kāi)始地點(diǎn)附近，阻尼力隨復(fù)原力逐漸變化，不會(huì)急劇變化。因此，在復(fù)原開(kāi)始地點(diǎn)附近，不容易對(duì)操作部作用沖擊力，能夠形成良好的操作感觸。
發(fā)明效果本發(fā)明的力反饋型輸入裝置，由于在阻尼力運(yùn)算部基于復(fù)原力計(jì)算阻尼系數(shù)，所以即使在復(fù)原力變化的位置，操作部的返回速度也不變化，能夠消除操作者的不適感，能夠使操作感良好。


圖1是實(shí)施方式例的力反饋型輸入裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示實(shí)施方式例的力反饋型輸入裝置中的力反饋裝置的控制步驟的流程圖。
圖3是表示實(shí)施方式例的力反饋型輸入裝置的彈性力、比例系數(shù)和阻尼系數(shù)關(guān)系的曲線圖。
圖4是現(xiàn)有例的力反饋型輸入裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是現(xiàn)有例的力反饋型輸入裝置中的力反饋裝置的控制步驟的流程圖。
圖6是表示現(xiàn)有例的力反饋型輸入裝置的彈性力和阻尼系數(shù)關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
以下，根據(jù)圖1～圖3，說(shuō)明本發(fā)明的力反饋型輸入裝置的最佳實(shí)施方式。圖1是實(shí)施方式例的力反饋型輸入裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖2是表示實(shí)施方式例的力反饋型輸入裝置中的力反饋裝置的控制步驟的流程圖，圖3是表示實(shí)施方式例的力反饋型輸入裝置的彈性力、比例系數(shù)和阻尼系數(shù)關(guān)系的曲線圖。
如圖1所示，本例的力反饋型輸入裝置的基本結(jié)構(gòu)，也與圖4所示的以往的力反饋型輸入裝置相同，主要由操作者操作的操作部1、檢測(cè)操作部1的操作狀態(tài)的檢測(cè)裝置2、向操作部1反饋力的力反饋裝置3、控制力反饋裝置3的驅(qū)動(dòng)并向操作部1反饋對(duì)應(yīng)于其操作狀態(tài)的規(guī)定力的控制裝置4構(gòu)成?？刂蒲b置4具有操作狀態(tài)運(yùn)算部4a、復(fù)原力運(yùn)算部4b、阻尼力運(yùn)算部4c和合成力運(yùn)算部4d。
操作部1是操作者手動(dòng)操作的操作部，可根據(jù)力反饋型輸入裝置的用途，采用例如旋轉(zhuǎn)捏手、搖動(dòng)桿或操縱桿等適當(dāng)?shù)难b置。
檢測(cè)裝置2是將操作部1的操作量及操作方向變換成電量輸出的裝置，采用編碼器或可變電阻器等，但通常采用可輸出雙相信號(hào)脈沖的檢測(cè)裝置。
力反饋裝置3是向操作部1反饋所需力的裝置，采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)、線性電機(jī)或螺線管等。另外，在作為力反饋裝置3而采用線性電機(jī)或螺線管的情況下，在力反饋裝置3和操作部1之間設(shè)置所需的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，用于將力反饋裝置3的直線運(yùn)動(dòng)變換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并傳遞給操作部1。
在控制裝置4，如圖1(a)、(b)、(c)所示，以曲線圖的形式，存儲(chǔ)操作部1的操作量θ和復(fù)原力Te的關(guān)系、操作部1的操作量θ和比例系數(shù)c’的關(guān)系、以及操作部1的操作量θ和阻尼系數(shù)c的關(guān)系。另外，作為復(fù)原力Te，如圖3所示，在θ0≤θ≤θ1的范圍內(nèi)，反饋與操作量成比例的所謂的彈性力，在θ1＜θ的范圍內(nèi)，反饋一定的力。該一定的力，在此處為與θ＝θ1時(shí)的彈性力相同的值。此外，比例系數(shù)c’如圖3(b)所示設(shè)定為一定值，阻尼系數(shù)c如圖3(c)所示設(shè)定為與復(fù)原力Te成比例的值。
本例的力反饋型輸入裝置，在控制裝置4中具有的阻尼力運(yùn)算部4c，不是像以往的力反饋型輸入裝置那樣，僅在操作部1的操作速度θdot上乘以阻尼系數(shù)c來(lái)得到阻尼力c·θdot，而是首先在由復(fù)原力運(yùn)算部4b計(jì)算的復(fù)原力Te(θ)上乘以所需的比例系數(shù)c’，來(lái)求出阻尼系數(shù)c[Te(θ)·c’]，在求出的阻尼系數(shù)c上乘以操作部1的操作速度θdot，來(lái)算出復(fù)原力Te(θ)·c’·θdot。這樣，如果在彈性力Te(θ)上乘以所需的比例系數(shù)c’，來(lái)求出阻尼系數(shù)c[Te(θ)·c’]，則如圖3所示，由于能夠?qū)⒆枘嵯禂?shù)c設(shè)定為與復(fù)原力Te(θ)成比例的值，所以在復(fù)原開(kāi)始地點(diǎn)附近，阻尼力隨復(fù)原力逐漸變化，因此，在復(fù)原開(kāi)始地點(diǎn)附近，沖擊力難于作用于操作部，能夠形成良好的操作觸感。此外，由于能夠?qū)⒆枘嵯禂?shù)c設(shè)定為與復(fù)原力Te(θ)成比例的值，所以能夠使操作者把手離開(kāi)時(shí)的操作部1的返回速度與復(fù)原力成反比，由于即使在復(fù)原力變化的位置，操作部的返回速度也不變，因此不會(huì)給操作者帶來(lái)不適感。
另外，比例系數(shù)c’可以設(shè)定為任意的值，但為使操作部1的操作感觸及裝置的使用感更好，在實(shí)用上無(wú)問(wèn)題的范圍內(nèi)，將作用于操作部1的沖擊設(shè)定在盡可能低的值。
下面，基于附2說(shuō)明本實(shí)施方式的力反饋型輸入裝置中的力反饋裝置的控制步驟。
當(dāng)供給電源時(shí)，控制裝置4對(duì)從編碼器(檢測(cè)裝置2)輸出的每一定時(shí)間Δt的信號(hào)脈沖數(shù)n進(jìn)行計(jì)數(shù)(步驟S1)，在操作狀態(tài)運(yùn)算部4a，基于式θ＝θ+n，計(jì)算操作部1的操作量θ，并基于式θdot＝n/Δt，計(jì)算操作部1的操作速度θdot(步驟S2)。然后，在復(fù)原力運(yùn)算部4b，在θ0≤θ≤θ1的情況下，直接采用θ；在θ1＜θ的情況下，在θ中代入θ1，并基于式Te＝k(θ-θ0)，計(jì)算應(yīng)反饋操作部1的復(fù)原力Te，并且，在阻尼力運(yùn)算部4c，基于Tc＝Te(θ)·c’·θdot，計(jì)算應(yīng)反饋操作部1的阻尼力Tc(步驟S3)。另外，在此處，k表示彈性系數(shù)，θ0表示操作部1的基準(zhǔn)位置，c’表示比例系數(shù)。另外，在θ0≤θ≤θ1的范圍內(nèi)，反饋與操作量成比例的所謂的彈性力，在θ1＜θ的范圍內(nèi)，反饋一定的力。該一定的力，在此處為與θ＝θ1時(shí)的彈性力相同的值。然后，在合成力運(yùn)算部4d，基于式Ttotal＝Te-Tc，計(jì)算應(yīng)反饋操作部1的復(fù)原力Te和阻尼力Tc的合成力Ttotal(步驟S4)。最后，基于由合成力運(yùn)算部4d輸出的合成力Ttotal，驅(qū)動(dòng)力反饋裝置3，向操作部1反饋所需的力(步驟S5)。
下面，從力學(xué)的角度考察本實(shí)施方式例的力反饋型輸入裝置的效果。
利用牛頓的運(yùn)動(dòng)方程式，由下式(1)表示作用于操作部1的彈性力。
Te=Jθ··+cθ·+Tf--------------------(1)]]>其中，Te彈性例J慣性矩c阻尼系數(shù)Tf庫(kù)侖摩擦力θ位置由于庫(kù)侖摩擦力Tf，與作用于操作部1的彈性力的加速度成分[式(1)的第1項(xiàng)]及速度成分[式(1)的第2項(xiàng)]相比為非常小的值，所以在實(shí)際中可以忽略不計(jì)，忽略其的牛頓運(yùn)動(dòng)方程式成為下式(2)。
Te=Jθ··+cθ·--------------------(2)]]>如果在操作部1的初速度為0的條件下求解式(2)，則得出下式(3)。
θ·=Tec(1-e-cJt)--------------------(3)]]>在時(shí)間t為無(wú)限大時(shí)，上述式(3)由下式(4)表示。
θ·=Tec--------------------(4)]]>式(4)是向操作部1反饋?zhàn)枘崃r(shí)的效果，能夠?qū)⒉僮鞑?的返回速度緩和到復(fù)原力Te的阻尼系數(shù)c分之一。
在本發(fā)明中，如下列的式(5)所示，根據(jù)比例系數(shù)c’和復(fù)原力Te的積計(jì)算阻尼系數(shù)c。因此，如果在式(6)中代入式(5)，則可知操作部1的返回速度成為與復(fù)原力Te無(wú)關(guān)的常數(shù)，操作部1以1/c’表示的一定速度移動(dòng)。
c＝c′Te---------------------(5)θ·=Tec′Te=1c′--------------------(6)]]>
權(quán)利要求
1.一種力反饋型輸入裝置，具有由操作者操作的操作部、檢測(cè)該操作部的操作狀態(tài)的檢測(cè)裝置、向上述操作部反饋力的力反饋裝置、以及控制裝置，該控制裝置基于由上述檢測(cè)裝置輸出的檢測(cè)信號(hào)，控制上述力反饋裝置的驅(qū)動(dòng)；上述控制裝置具有基于上述操作部的操作位置計(jì)算復(fù)原力的復(fù)原力運(yùn)算部、基于上述操作部的操作速度及阻尼系數(shù)計(jì)算阻尼力的阻尼力運(yùn)算部、基于上述復(fù)原力及上述阻尼力計(jì)算合成力的合成力運(yùn)算部；其特征在于，上述阻尼力運(yùn)算部，基于上述復(fù)原力計(jì)算上述阻尼系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1記載的力反饋型輸入裝置，其特征在于，上述阻尼力運(yùn)算部，在上述復(fù)原力上乘以比例系數(shù)，計(jì)算上述阻尼系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1記載的力反饋型輸入裝置，其特征在于，由復(fù)原開(kāi)始位置到規(guī)定位置，上述復(fù)原力逐漸增大。
全文摘要
提供一種力反饋型輸入裝置，即使復(fù)原力在中途變化時(shí)，也能夠使操作者把手離開(kāi)時(shí)的操作部的返回速度不變。力反饋型輸入裝置，由操作者操作的操作部(1)、檢測(cè)操作部的操作狀態(tài)的檢測(cè)裝置(2)、向操作部反饋力的力反饋裝置(3)、控制力反饋裝置的驅(qū)動(dòng)并向操作部反饋適應(yīng)其操作狀態(tài)的規(guī)定的力的控制裝置(4)構(gòu)成。在控制裝置(4)具有操作狀態(tài)運(yùn)算部(4a)、復(fù)原力運(yùn)算部(4b)、阻尼力運(yùn)算部(4c)和合成力運(yùn)算部(4d。)阻尼力運(yùn)算部(4c)，通過(guò)在用復(fù)原力運(yùn)算部4b計(jì)算的復(fù)原力Te(θ)上乘以所需的比例系數(shù)c′，求出阻尼系數(shù)c[Te(θ)·c′]，在求出的阻尼系數(shù)c上乘以操作部(1)的操作速度θdot，計(jì)算出阻尼力Te(θ)·c′·θdot。
文檔編號(hào)G05G5/00GK1609745SQ200410087720
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月23日
發(fā)明者早坂哲 申請(qǐng)人:阿爾卑斯電氣株式會(huì)社