[发明专利]具有缆绳驱动的力反馈和四个接地致动器的接口装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请主张2001年7月16日提交的题目为“具有缆绳驱动的力反馈和四个接地致动器的接口装置”序号为No.60/305,957的美国临时专利申请的权益，该临时专利申请的内容为了各种目的作为整体在此引用。

关于在联邦赞助的研究或开发下所做的发明的权利的申明

没有。

有关在光盘附录中提交的“序列表”、表格或计算机程序的引用

没有。

技术领域

本发明通常涉及到人和计算机之间的接口装置，特别是给用户提供力反馈的计算机接口装置。

背景技术

虚拟现实计算机系统给用户提供他们成为“虚拟”环境中的一部分的幻觉。一个虚拟现实系统典型地包括一个计算机处理器、虚拟现实软件和虚拟现实输入输出设备，例如头戴式显示器，传感手套，三维(“3D”)鼠标等。

虚拟现实计算机系统可以用来进行训练。在许多领域，例如航空、交通和系统操作，虚拟现实系统已经成功地应用使得用户从中学习和经历一个现实的“虚拟”环境。使用虚拟现实计算机系统进行训练的吸引力部分地在于这样的系统具有允许训练者在高度真实的环境中放心地操作以享受乐趣而犯错误也不会带来“真实世界”的后果的能力。例如，虚拟现实计算机系统允许实习医生或其他人体操作者或用户在一个计算机模拟的“人体”中操纵解剖刀或探测器，从而为一个虚拟的病人进行医疗操作。在这个实例中，通常使用诸如3D鼠标、触笔等的输入输出设备代表手术器械如解剖刀或探测器。当“解剖刀”或“探测器”在所提供的空间或结构中移动时，这些移动的结果在计算机系统屏幕中显示的人体图像中被更新并显示，这样操作者获得了操作的经验，而这种操作不需要在真实的人体或尸体上实施。在其他的应用中，虚拟现实计算机系统允许用户操作和操纵或控制复杂的和昂贵的交通工具和机器达到训练和/或娱乐的目的。

因为虚拟现实系统为用户提供了一个现实的(所以是有效的)经历，所以感觉反馈和人工交互应该尽可能的自然。除了感知和跟踪用户的手动行为并把这些信息反馈给计算机系统以给用户提供一个三维的可视化表现外，人体接口装置还应该给用户提供力或感触的(“触觉的”)反馈。用户得到真实的触觉信息的这种需求在多种模拟和其他的应用中是广泛的。例如，在医疗/外科模拟中，当探测器在模拟的体内移动时，探测器或手术刀模拟器的“感觉”非常重要。对于实习医生来说，没有必要知道仪器在体内如何移动、进行操作时需要多大的力、在体内有多少空间可用于操作仪器等等。一种“高带宽”的接口系统在这些和其他应用中都是大家想要的，它是一个能够精确的反映快速变化的和较宽范围频率的信号并且把这些信号精确的提供给控制系统的接口。

几种现有的装置为仪器或可操作的物体提供有多个移动自由度并且包含有触觉反馈。然而，许多这样的装置都局限于为力提供了几个自由度的范畴，并且在特定的应用中比所想的要更不精确和不现实。具有更高真实性和合理价格的装置对于医疗和其他虚拟仿真应用来说都是需要的。

发明内容

本发明提供了一种系统，通过提供抵抗力为用户提供一种真实的感觉。本系统包括一个用户接合的可接合的练习工具。一个机械模拟装置连接在这个练习工具上，接口装置连接在模拟装置上。应用程序为机械模拟装置提供信号，在所感知的练习工具位置的基础上为练习工具提供抵抗力。

根据本发明的一个方面，练习工具被设定为一个练习医疗工具。

根据本发明的另一个方面，接口装置包括在主机电脑中。

根据本发明的另一个方面，接口装置与主机电脑是分离的。

根据本发明的另一个方面，接口装置包含一个位于机械模拟装置中的微处理器。

根据本发明的另一个方面，系统进一步包括一个位于机械模拟装置和用户之间的挡板。

根据本发明的另一个方面，练习工具被设定为一个腹腔镜工具并且包括一根套针。

根据本发明的另一个方面，练习工具被设定为一种导尿管、皮下注射用的针、金属丝、光纤束、触笔、游戏杆、螺丝刀、击球杆和手柄。

根据本发明的另一个方面，系统包括多个练习工具。

根据本发明的另一个方面，机械模拟装置包括一个接地部件、一个连接在接地部件上的机械连杆、一个连接着练习工具和机械连杆的直线轴部件、至少一个连接在接地部件上的致动器、和一个与至少一个致动器接合并与机械连杆连接的缆绳。

根据本发明的另一个方面，系统包括至少四个致动器。

根据本发明的另一个方面，致动器含有直流电动机。