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控制器

（映維網(wǎng)Nweon?2022年04月22日）人類主要是通過五種感官來感知世界，而虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)大多是由視覺引導(dǎo)，所以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互有時會出現(xiàn)感知差距。針對這種情況，社區(qū)正在研究一系列旨在提供觸覺反饋的解決方案。日前，美國專利商標(biāo)局公布了一份名為“Haptic controller（觸覺反饋控制器）”的微軟專利申請。

具體來說，專利介紹的觸覺控制器可以包括可旋轉(zhuǎn)地固定到基座的第一和第二絞盤，以及連接在第一和第二絞盤之間的能量存儲機(jī)制。觸覺控制器同時可以包括固定在第一絞盤的用戶接合組件，以及配置成通過控制第一和第二絞盤所經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)摩擦來控制施加到用戶接合組件的旋轉(zhuǎn)力的控制組件。

如圖1所示，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)100可以包括儲能抗阻（Energy-Storing Resistive；ESR）觸覺控制器108。ESR觸覺控制器108可包括基座組件110、接合組件112和/或絞盤組件114。ESR觸覺控制器108可以是手持式設(shè)備，并與頭顯106和/或基站102協(xié)同工作，從而為用戶創(chuàng)建逼真的沉浸式體驗(yàn)。例如，頭顯106可以向用戶展示握持彈性球的畫面，而ESR觸覺控制器108則可以模擬用戶擠壓彈性球的感覺。

ESR觸覺控制器108可直接和/或間接感應(yīng)手指運(yùn)動和/或力，并向手指118施加力，從而模擬操作虛擬對象的感覺。

大多數(shù)直接向肢體施加力的傳統(tǒng)觸覺控制器都屬于機(jī)電主動式，亦即通過施加的電信號主動產(chǎn)生力或扭矩。它們將電能直接轉(zhuǎn)化為所需的力或扭矩，而這需要相當(dāng)大的電力來產(chǎn)生力。另外，主動致動器大多是由小型電機(jī)組成，存在驅(qū)動速度慢、電量需求大、設(shè)備易碎等問題。

相比之下，微軟表示自己構(gòu)思的觸覺控制器可以使用電阻致動器來抗阻外部機(jī)械運(yùn)動（人類輸入）。這種電阻式執(zhí)行器能夠以更大的阻力提供對人體肢體運(yùn)動的觸覺響應(yīng)，同時消耗更少的電力，比傳統(tǒng)的伺服加齒輪箱解決方案運(yùn)行更快，和/或不會因用戶在電阻致動器施加過大的力而受損。另外，傳統(tǒng)的電阻觸覺設(shè)備不能提供任何能量存儲，而微軟構(gòu)思的ESR觸覺控制器可以為用戶運(yùn)動提供電阻制動和來自用戶運(yùn)動的能量存儲。

圖2顯示了ESR觸覺控制器108，其可包括第一和第二絞盤202。第一絞盤202可以用作彈簧絞盤204，第二絞盤202可以用作制動絞盤206。觸覺控制器108同時可以包括底座208、手柄210、絞盤臂212、手指長度調(diào)節(jié)機(jī)制214、指環(huán)216、編碼器齒輪218、彈簧絞盤線纜220、制動絞盤線纜222、制動線接地224、彈簧線接地226、制動執(zhí)行器228、彈簧執(zhí)行器230、編碼器232和/或手帶234等元件。其中，制動執(zhí)行器228和彈簧執(zhí)行器230顯示為扭線作動器235。

ESR觸覺控制器108同時可以包括儲能機(jī)制236、控制組件238和/或通信組件240。能量存儲機(jī)制236可以連接在第一和第二絞盤202之間。嚙合組件112可以包括傳感器242和/或輸出裝置244。

這兩個傳感器都位于指環(huán)216之上，并且可以通信地耦合到控制器238。傳感器可以包括任何加速度計(jì)、陀螺儀、攝像頭、麥克風(fēng)和/或壓力傳感器等。ESR觸覺控制器108同時可以包括其他傳感器，例如六軸傳感器。

微軟描述的配置主要利用第一和第二絞盤來提供與單個手指有關(guān)的手指運(yùn)動阻力，但控制器可以添加額外的絞盤202，從而為額外的手指和/或拇指提供阻力。

圖3顯示了絞盤202、線纜222、制動絞盤接地224和制動執(zhí)行器228之間的關(guān)系。絞盤202可以用作制動絞盤。制動絞盤可以利用纏繞有繩索的絞盤的對數(shù)力關(guān)系。在這種力關(guān)系中，絞盤摩擦力取決于固定的總風(fēng)向角以及固定的繩索和絞盤滾筒之間的相互摩擦系數(shù)。在這種實(shí)施例中，制動絞盤接地224可以提供更高的張力，制動執(zhí)行器228可以提供較低的張力。

圖4顯示了ESR觸覺控制器的制動絞盤方面和力方程。與大多數(shù)絞盤系統(tǒng)不同，在ESR觸覺控制器實(shí)現(xiàn)中，絞盤由用戶的手指旋轉(zhuǎn)。制動執(zhí)行器228可在線纜施加低張力，線纜的高張力側(cè)通過制動絞盤接地224固定至ESR觸覺控制器108。

圖5顯示了絞盤組件114的分解圖。儲能機(jī)制236位于彈簧絞盤204和制動絞盤206之間。在所述示例中，儲能機(jī)制236表現(xiàn)為彈簧502，例如扭轉(zhuǎn)彈簧。彈簧502的一端連接到彈簧絞盤204，彈簧502的另一端連接到制動絞盤206。

彈簧絞盤204和制動絞盤206沿平行于z基準(zhǔn)軸的公共旋轉(zhuǎn)軸垂直堆疊。另外，彈簧絞盤204和制動絞盤206具有相同的直徑。彈簧絞盤204和制動絞盤206在垂直方向高度拉長，并在其中形成凹槽508。凹槽508的直徑大約等于線纜220和222的直徑。

線纜220可以纏繞在從彈簧絞盤接地226到彈簧執(zhí)行器230的凹槽508周圍。類似地，線纜222可以纏繞在從制動絞盤接地224到制動執(zhí)行器228的凹槽508周圍。凹槽508減少和/或消除繩索纏繞在其頂部的可能性，以防絞盤無法操作。

彈簧絞盤204或制動絞盤206中的任何一個相對于彈簧絞盤204和制動絞盤206中的另一個的旋轉(zhuǎn)都可以在彈簧502上施加力。所述力可以存儲在彈簧502中，然后釋放。例如，用戶可在絞盤臂212施加力以旋轉(zhuǎn)絞盤臂，例如夾緊或擠壓運(yùn)動。

制動執(zhí)行器可以設(shè)置制動絞盤的旋轉(zhuǎn)阻力。絞盤臂212可以固定在制動絞盤206。旋轉(zhuǎn)絞盤臂212可以在彈簧絞盤204保持靜止或由彈簧執(zhí)行器的張力控制旋轉(zhuǎn)較少的情況下旋轉(zhuǎn)制動絞盤206。這可以在彈簧502施加力，并導(dǎo)致來自用戶的能量存儲在彈簧中。所述存儲的能量可在絞盤臂212產(chǎn)生相反的旋轉(zhuǎn)力，以模擬擠壓彈性物體，例如泡沫球。

圖8顯示了彈簧致動器230的細(xì)節(jié)，其表現(xiàn)為扭線致動器235?？刂平M件238電耦合到馬達(dá)802。馬達(dá)802的輸出軸804連接到扭繩機(jī)制808的近端806。扭弦機(jī)制可以用作旋轉(zhuǎn)固定但滑動的臂。線纜220連接到彈簧圈810。彈簧環(huán)810在線纜和扭繩機(jī)制808的遠(yuǎn)端812之間延伸。

線纜814可以從扭線機(jī)制808的近端806延伸，繞遠(yuǎn)端812循環(huán)并返回近端806。在纏繞狀態(tài)下，可以通過在同一方向上進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)輸出軸，或通過在相反方向上旋轉(zhuǎn)輸出軸，輕松調(diào)整線纜220上的張力。

微軟指出，扭線致動器（TSA）235可以提供將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，以及其后驅(qū)動能力。另外，由于其能量轉(zhuǎn)換效率加上低慣性負(fù)載和無芯電機(jī)設(shè)計(jì)，其響應(yīng)和延遲可能比其他價格合理的選項(xiàng)快得多。TSA產(chǎn)生的噪點(diǎn)往往比帶齒輪的執(zhí)行機(jī)制的噪點(diǎn)小，而且扭轉(zhuǎn)彈簧致動器可提供相對快速的響應(yīng)時間，以避免用戶可檢測到的滯后。同時，絞盤組件不依賴于來自控制器的高張力，因此可以利用TSA的有利方面，同時最小化任何潛在的不利方面。

相關(guān)專利：Microsoft Patent | Haptic controller

名為“Haptic controller（觸覺反饋控制器）”的微軟專利申請最初在2021年12月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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