触觉变速装置 【技术领域】
本发明总体上涉及触觉反馈装置，尤其是和机械装置相结合使用的触觉反馈接口装置，其允许按需操纵该接口装置。
背景技术
除了机械控制机构以外，利用电控机构控制车辆有多种不同方式。通常称为“线传转向”，“线传驱动”，或者“线传控制”。除了使用者利用设备直接执行机械操作以外，这些控制形式可使使用者控制电机和/或液压或气动控制系统执行机械操作。举例来说，在汽车的标准机械转向机构中，使用者移动转向轮，从而可机械地转动连杆、齿轮和其他机械零件，以基于转向轮的动作转动前轮。上述线传驱动(drive-by-wire)系统中，使用者转动转向轮(或者移动其他类型的操作装置)，控制一或多个电机、液压致动器等结构，从而基于转向轮动作，转动前轮。在转向轮动作和轮动作之间没有实际机械连接(除了助力转向)。处理器(微处理器等)可用以感应使用者的动作，并将其和电机控制相关联，从而获得相应的转向。线传控制(control-by-wire)相比传统机械控制具有多个优点，这包括：由于没有机械伤及使用者，所以安全；使用者操纵控制装置所需的力更小；控制装置的运动形式和控制方法相比机械更加灵活；比机械更轻；由于控制处理器可将简易的使用者动作转换为电机执行所需机械动作的复杂控制，所以使用者执行控制任务所需技能更少；起动优势(在利用线传转向时，可很容易将转向轮置于车辆的任意侧)；利用控制方法，例如优化转向算法。
相关线传控制的实施例就是“线传变速(shift-by-wire)”，具有驱动传动机构的汽车或者其他车辆经由传动齿轮而变速，利用电子控制而不是直接机械控制。因此，为替代使用者移动变速杆设定的预定机械位置而机械地改变齿轮，使用者可操纵电子控制装置来进行，电子系统可改变实际的传动齿轮。举例来说，使用者可以向前移动小的手杆，来增加齿轮传动比(例如从第一齿轮到第二齿轮)，或者向后移动上述手杆，来减小齿轮传动比(例如从第五齿轮到第四齿轮)。在车辆中可使用不同的电子控制，以便于使用者变速杠杆，按钮，握钮和开关等部件。
现有线传变速系统的一个问题就是它们仍然受限于使用者所操纵物理控制地特定实施。也就是即使需要，使用者也不可能改变为不同的变速模式。而且线传变速控制不会向使用者提供任何机械系统控制的指示，因此会导致系统迟钝或者精度降低。由于变速完全是靠感觉来进行，所以这种机械指示在变速过程中是非常重要的。
【发明内容】
为了克服已有线传变速系统中的问题，本发明这里公开了一种线传变速系统的触觉感应装置。该触觉感应装置允许控制中的大范围的程序控制方案和图案图案，并在齿轮换档和其他操作中向使用者提供更加有效的控制。
尤其是，在一个实施例中，一种车辆的触觉变速装置包括使用者以至少一个自由度可物理接触并操纵的变速杆。至少一个传感器检测上述变速杆的位置，表示上述位置的位置数据由传感器导出。处理器接收上述位置数据，并基于变速杆的位置，输出改变车辆换档齿轮的数据。而且至少一个电子控制致动器在变速杆上输出力。
在一些实施例中，上述变速杆可在一个图案内移动，并被锁定远离上述图案之外的区域。上述变速杆可由上述致动器输出的止挡力而被锁定远离上述图案之外的区域。上述致动器可以是在变速杆上输出主动力的主动致动器，或者是在变速杆上提供阻力的被动致动器；或者是用于变速杆不同自由度的被动和主动致动器的组合。例如，上述主动致动器部分可以在变速杆上输出触觉效应，而被动致动器部分可提供力将上述变速杆锁定，防止其偏出预定图案之外。可利用机械开关来锁定上述变速杆，至少防止其偏出几个外部区域。上述机械开关可提供至少两种不同的图案，即手动换档图案和自动换档图案。还可使用可变机械开关，以为上述变速杆提供手动和自动模式中的所有方向中的机械止挡部。
在另一发明中，一种车辆触觉变速装置包括使用者可在两个自由度物理接触并操纵的变速杆。至少一个传感器检测上述变速杆的位置，由传感器导出的位置数据可基于变速杆的位置，改变车辆的换档齿轮。至少一个电子控制致动器在变速杆上输出一个力。一个模式选择器使得使用者可选择一个变速模式，其中变速杆的至少两个变速模式具有不同的变速图案。上述变速杆可通过致动器输出的止挡力被锁定，防止进入上述变速图案边界之外的区域。上述变速模式包括自动模式，手动模式和/或按序模式。主动和/或被动致动器以及机械开关可用在不同的实施例中，并且在变速杆上可输出不同形式的触觉效应。
在另一发明中，车辆变速齿轮换档的方法包括设置使用者以至少一个自由度可物理接触并移动的变速杆。由传感器检测上述变速杆的位置，并导出位置数据。输出基于变速杆位置而改变车辆换档齿轮的数据，并利用电子控制致动器在变速杆输出一个力。上述变速杆可在一个图案内移动，通过上述致动器输出的止挡力被锁定，防止进入上述变速图案边界之外的区域。可以利用主动和/或被动致动器以及机械开关，并在变速杆上也可输出不同形式的触觉效应。
在另一发明中，一种车辆的触觉变速装置包括使用者可在两个自由度物理接触并操纵的变速杆，至少一个传感器检测上述变速杆的位置，其中基于变速杆的位置，改变车辆的换档齿轮。至少一个电子控制致动器在变速杆上输出一个力。模式选择器让使用者选择一个上述触觉变速装置的变速模式，其中变速杆的变速模式可提供不同的物理特性。这些不同的物理特性包括在至少两种不同模式下，不同范围的变速杆运动。在一些实施例中，上述不同的物理特性包括在至少两种不同模式下输出的不同力反馈。
本发明可提供一种触觉变速装置，使触觉感应输出给车辆线传变速系统的使用者。上述触觉变速装置可提供有助于实现止挡变速杆的以及使上述装置增加程控变量的力。例如，可提供几个不同的变速图案，由使用者来选择。而且在变速杆上输出的触觉感应在变速任务中能够有助于使用者，并在上述线传变速系统中，可提供机械指示。
基于本发明的下列叙述和附图的教导，对于本领域技术人员来说，本发明的这些和其他优点将更加清楚。
【附图说明】
图1是车辆中齿轮变速装置的一个实施例的透视图，其中包括有适于用于本发明的变速杆；
图2，3a和3b是实现图1中变速杆机构的一个实施例的透视图；
图4a-4d是适于用在图1-3b中变速杆装置的变速图案的简图；
图5a-5c是本发明允许多变速图案的机械开关的第一实施例的简图；
图6a和6b是本发明允许多变速图案的机械开关的第二实施例的简图；以及
图7是说明适于用于本发明的触觉反馈系统的框图。
【具体实施方式】
图1是车辆中触觉变速装置10实例的透视图。在图1中的变速装置10类似于手动档汽车内的变速杆。例如，该变速装置可设置在汽车前座之间，以使得司机在驾驶过程中能够很容易接近该变速装置。
触觉变速装置10包括具有把手14的变速杆12，使用者可抓握或者在一或多个方向上移动该把手，以控制车辆的变速。变速杆的位置确定车辆是否和传递齿轮啮合，由于该装置集成在上述线传变速系统中，该变速杆并不和车辆的传递机构机械相连，而是和电子接口以及系统相连，它们能够响应于变速杆的位置，读取变速杆的位置，并控制上述传递机构。上述机构和接口实例可参考下列图2和图3所述。
模式选择控制器15可使得使用者选择触觉变速装置10的变速模式。控制器15在图1中为一个按钮，但也可以是任何合适的方式，例如杠杆，开关，显示器16上的显示按钮等等。例如，控制器15可在手动和自动传递模式之间进行选择，和/或在其他变速模式之间进行选择。该装置的其他选项也可以由控制器15或者其他类似的控制器来进行选择，例如操纵特性(变速杆上的阻尼力；变速杆12上输出的其他触觉感应的大小，频率，时间或其他特性等)。在某些实施例中，把手14包括一或多个按钮或其他控制器15，便于使用者选择模式，设置或其他车辆传递特性。例如，可包括一个使用者用以推压的推压按钮，以便于选择变速杆12自动还是手动换挡。控制器15可设置在控制台，转向轮或车辆的其他常用位置上。而且，可设置有一或多个控制器15，作为软件控制或者开关例如显示器16上的按钮。声音控制，例如使用者输入麦克风内的命令声音，由微处理器所处理，也可用以平衡上述控制器15。
优选的，上述触觉变速杆可为多种控制模式中的一种，其中每一种模式都能够提供不同的控制和/或运动选项。而且，特定实施例可为使用者提供特定的操纵选项。例如，在某些实施例或模式中，使用者仅仅可在一个方向或自由度上移动变速杆12，例如在自动换档中的向前或者向后。而其他实施例中可在左右和前后方向上运动，在具有H模式等的手动换档中，在另外的实施例中，对于不同的变速模式，还可以进行非直角或者对角运动。一些变速模式不会改变变速模式本身，但却可以调节其他变速特性，例如变速杆的工作空间(运动量)，或者输出力的大小。下面参考图4，5，6来叙述变速图案和模式的实例。
变速杆12的操纵可由触觉感应而提高，其为变速杆12运动自由度内的输出。某些触觉感应可用以限制变速杆的运动，而其他的触觉感应在杆12的运动过程中，可用以向使用者提供特定的感应。这些感应将在下面详细叙述。
触觉变速装置10的一些实施例中包括显示装置16，例如平板。举例来说，可以利用LCD，等离子体，CRT，或其他形式的显示屏。该显示器可设置在所示的变速杆12附近，或者在司机的视线范围之内，例如仪表盘，仪表板，挡风板上的平视显示器(HUB)等。该显示器可显示有关变速装置10和车辆其他系统或传递机构的状态信息(例如当前选择齿轮)。例如，如果在触觉变速装置上选择多个变速模式，如图1所示，就会显示当前激活的变速模式，其中显示的5速标准手动变速结构。还可以显示其他类似的模式，以便于使用者了解变速杆12移动到哪一位置。在一些实施例中，显示器16包括一个触觉感应表面，使得用户可直接“触觉”到显示器16表面上显示的图像或者选项，从而选择这些图像或者相关模式，设置或者功能。
在其他实施例中，触觉变速装置10可利用不同方式实现。例如，变速杆12设置在车辆转向栏中。可替换的，司机易于接触到的车辆内的仪表盘，地板，或者其他的表面也可以进行不同的控制，用以选档，还可以设置触觉感应。上述变速杆可用以不同的车辆中，从而需要传动齿轮的变速或者类似的功能，这些车辆包括汽车，卡车，军车，工业车辆，或者其他大型车辆，船舶，飞行器，空间运输器或者水下机器等。本发明一些可替代的实施例还在远程控制装置上设置有触觉变速器，用以远程控制车辆和机械。在另一实施例中，本发明中的触觉变速器还可用以车辆控制的计算机仿真，例如利用显示屏描述经过车辆周围的情况。这里，术语“车辆“是指实质上的车辆，而并非虚拟车辆(例如计算机仿真或者视频游戏)。
图2和3是机构30的一个实施例的透视图，该机构用以上述触觉变速装置10，在变速杆12输出应力。在该实施例中，连杆和放大机构将电机上的力传递给上述触觉变速器，以向使用者提供较大应力。
机构30可设置在板32之下(如图2所示)，该板包括开口34，变速杆12穿过该开口(变速杆12上的把手14在图2和3中没有示出)。上述机构30可安装在板32或者另一接地表面上。相对开口34的侧面可以作为变速杆12的硬止挡部，该开口34的尺寸可使变速杆的尺寸空间优化。该实施例中，可使变速杆12移动到两自由度空间的任意地方。而其他的实施例，如下所述，还可以包括在开口34上的机械开关，以限制变速杆的机械运动为所需的模式。
机构30包括可彼此旋转连接的连杆元件36。在所述实施例中，机构30是一种万向接头机构，能够提供两个变速杆12的旋转自由度。该机构30可将变速杆12连接到一个接地表面或者参考表面上，例如板32或其他表面。
万向接头30最好是一种五元件的闭合平行连杆，包括接地件44，延伸件46a、46b，和中间件48a、48b。接地件44作为底座，和板或其他接地表面刚性连接，从而为机构30提供刚度。接地件44可为90度L型件，以使得延伸件易于与其相连。
万向接头30利用轴承或者转轴可旋转地彼此相连，其中延伸件46a旋转的和接地件相连，可绕轴线A旋转，中间件48a旋转地连接到延伸件46a上，可绕着浮动轴线D旋转，延伸件46b旋转的和接地件44相连，可绕轴线B旋转，中间件48b旋转地连接到延伸件46b上，可绕着浮动轴线E旋转，中间件48a在轴线D和E的交点即中心点P可旋转地连接到中间件48b上，一个轴承(未示出)将这两个中间件48a、48b在上述交点P连在一起。中间件48a可旋转地连接到延伸件46a的一端上，并基本平行于轴线B。类似的，中间件48b可旋转地连接到延伸件46b的一端上，并基本平行于轴线A。轴线D和E为“浮动”的，即它们不是象轴线A和B那样固定在一个位置。轴线A和B基本上互相垂直。
万向接头30为五件(五杆)闭环形式。零件的每一端都和另一元件的端部相连。该五杆连杆使得延伸件46a，中间件48a、48b均可在第一自由度绕轴线A旋转，还可以使得延伸件46b，中间件48a、48b均在第二自由度绕轴线B旋转。这种结构在美国专利No.5,731,804和6,104,382中公开，作为参考结合在这里。
变速杆或者手柄12和万向接头30的中间件48a或48b(示出中间件48b)相连，且从轴线D和E所限定的平面延伸出来。万向接头30为定位在或者靠近中心点P旋转的手柄12提供了两个自由度。该手柄12可绕轴线A和B旋转，或者具有绕这些轴线旋转运动的结合。当手柄16沿着轴线A移动时，浮动轴线D变更其位置，当操纵杆16沿着轴线B移动时，浮动轴线E变更其位置。
在另一实施例中，还可以设置额外的自由度。例如，手柄12可以绕垂直于浮动轴线D和E形成平面的轴线C旋转。该旋转自由度可利用传感器和/或致动器来感应运动，并将力作用在上述自由度上。另外，还可以添加不同的自由度，手柄12可沿着浮动轴线C线性位移。如有需要，也可以检测和执行该自由度。
万向接头30还可以包括放大驱动机构，例如带驱动器，主动轮驱动器，齿轮传动等。在图2和3a-3b所示的实施例中，设置有带驱动器52a、52b。每一带驱动器52都包括鼓54，带56可环绕该鼓旋转。每一鼓都和延伸件46相连，使得鼓绕轴线A旋转(另一鼓绕轴线B旋转)。每一带56还绕主轴58旋转，该主轴和致动器60a、60b的转轴相连。每一致动器60都最好是和板32，接地件44，或其他接地表面相连，在轴上输出一个旋转力，来转动上述主轴58，而上述带56将这个力传递到鼓54上，以向手柄12输出一个力。主轴58到鼓54的速率由致动器输出力所放大。在另一实施例中，致动器60为DC电机。在其他实施例中，该致动器可以是其他形式。例如，声控线圈，线性电机，移动磁铁致动器，被动执行机构(制动器)，气动执行机构等。其中被动致动器即制动器向使用者控制的变速杆施加一个阻力。而不是象主动致动器那样独立于使用者而向变速杆施加一个主动力。
优选地传感器62a、62b和万向接头30相连，在所述实施例中，传感器62a、62b分别和致动器60a、60b的外壳以及转轴相连。传感器62最好是光学编码器，能够提供信号，来测量致动器转轴的角位移，而且还可以在相关致动器的自由度内指示手柄的位置。该编码器的电子输出可输入到一个处理器(例如一个本地处理器或者主处理器)内，下面将参考图7详细叙述。在其他实施例中，上述传感器也可以设置在其他位置上。例如和延伸件、接地件相连等。也可以利用其他形式的传感器，例如电位计，霍尔效应传感器，分析器，或者其他分析或数字传感器。应该注意的是，本发明可利用绝对传感器和相对传感器。
触觉变速图案和模式
利用上述触觉变速装置，可实现多种触觉变速图案，从而使得用户能够选择传递齿轮(或者选择其他形式计算机接口应用)。上述变速图案通常具有使得变速杆12移动的区域和带，通常设置有选项(例如齿轮选项)；变速杆12所不希望设置在的、因而不能移动的容许区域边界之外的“锁定”区域或带。相比单独利用机械机构，利用触觉装置，设定变速图案的好处就是可以利用单一的装置来实现多种变速图案，在某些实施例中，还可以利用致动器改变上述图案，而并不需要移动机械零件。
图4a、4b和4c示出了车辆中齿轮换档的三种不同变速图案，均可由本发明中的触觉变速装置所实现。这些恰恰是多种可能的不同图案的实例。
图4a是5速传动的标准手动变速图案100(H图案)，具有5个前向齿轮，一个反向齿轮，和一个惰轮。在一个标准结构中，第一、第三、第五齿轮设置在前向方向，第二、第四和反向齿轮设置在后向方向上，而上述惰轮设置在中间位置上。轮廓线表示变速杆12可以移动的区域，A、B、C、D区域表示变速杆12不许进入的锁定区域，这里变速杆会遇到障碍(机械的或者触觉的)而被防止进入这些区域。
图4b示出了车辆的通用基本自动换档变速图案102。在一个标准自动换档中，变速杆可按照一定顺序选择利用标准齿轮“停”(P)，“反向”(R)，“中间”(N)，“主动”(D)，“低档”(L)，可在单一的线性范围内实现变速。该变速杆并不能移动到上述线性图案之外的锁定区域内。
对于本发明的触觉变速装置，在不同变速模式下，在单一装置内均可实现手动和自动换档图案。使用者可以选择哪一模式是当前主动的，从而进行该换档模式。举例来说，使用者可以选择单独的控制器，例如按钮，开关或者杠杆，来改变变速图案。一旦选择该图案，使用者就可以在新图案允许的范围内移动上述变速杆12。一种表示图4a中手动换档的变速图案内自动换档图案的方法就是在手动换档模式的一个垂直通道之内，提供线性自动换档。例如，如图4a所示，在手动换档模式的中间垂直通道之内设置自动换档模式(其中在图4a中3-N-4齿轮)。在其他实施例中，上述自动换档模式可以设置在其他的垂直通道之一内，或者从手动模式，即从手动模式的侧面离开。
图4c是使用者可选择的另一触觉变速装置10的变速模式的实例，这个实例是一个“后续”换档。类似于上述自动换档，只设置有单一的线性通道。上述变速杆12可由使用者移动到“+”区域以将换档提高一个齿轮，该变速杆也可以移动回到“-”区域，以将换档降低一个齿轮。在一些实施例中，在选择额外的选项之前，使用者必须将变速杆移动到中间位置，再移动到所需的选择。正负号区域之间的中间区域可为中间齿轮或者选项。一些实施例可向变速杆提供弹簧恢复力，从而自动地将变速杆恢复到中间位置。这种弹簧恢复力可由机械弹簧来完成，和/或作为由致动器60输出的弹簧力。
在其他实施例中也可以利用其他形式的图案。例如，手动换档模式可将齿轮从中间点，或者从水平或者对角通道发散。使用者可选的变速图案还可以包括其他的变速图案。
举例来说，图4d描述了用于本发明触觉变速器的另一可能的变速模式，其中设置有对角通道。在该变速实例中，自动齿轮107设置在类似于其他自动模式的线性模式内。相对下齿轮“L”108，使用者可以选择其他两个下齿轮110。在该实例中，变速杆12可从上述L齿轮108移动到对角通道109，从而选择上述下齿轮110。变速模式的其他实施例，可包括不同形式的对角通道。该对角通道可利用主动力和/或被动力和/或机械开关来实施，类似于下述的这些实施例。
除了变速图案模式以外，在本发明的触觉变速装置内还可实施其他方式。例如，一种模式可为使用者的变速杆提供较大的空间，将变速杆12移动更大的距离。使用者选择的不同模式也可以为这些使用者的变速杆提供较小的空间，使变速杆移动较短距离，就能“推动”变速杆。在变速杆到达机械止挡部之前，利用致动器产生阻力来实现上述较小空间。
还可以实现其他模式。例如在另一模式产生不同的系列力感应输出时，一种模式可产生一系列特定的力感应输出。在一个实施例中，一种模式仅仅在变速杆运动碰到止挡部例如图案边界时才产生力感应，而另一模式在变速杆没有碰到止挡部时，却可以产生止挡部感应，以及其他形式的力感应，例如棘爪，坡形等。使用者可以设定为其自身定制的特定力感应。另外，还可以提供范围控制，以调节所有变速杆上力感应输出的增益。
触觉变速器实施方式
触觉变速装置10可能有不同的实施方式。一些是利用所有触觉功能实现，而其他实施方式是利用触觉和机械零件的混合来实现。
全主动实施方式
这种方式提供一种全触觉实施方式，变速杆12上的力和止挡部由致动器60所产生。这种方式的实例如图2，3a和3b示出，变速杆具有完全2自由度的工作空间，变速图案内的止挡部由致动器输出力所产生。这些机构、致动器、力换档和致动器都最好是标以刻度，以使得阻力可以产生“硬”止挡部和边界，感觉上象防止变速杆运动的机械止挡部。上述致动器可输出力，当变速杆12处于禁止水平或者垂直位移的区域时，作为高硬度弹簧。当变速杆12移进和移出齿轮或者移到之间时，例如在图4a-c所示的分隔线上时，可以输出高保真度的坡形或者棘爪感应。坡形感应是一种随距离增大的力，直到达到力的“峰值”或者“端点”(例如两段之间的中点)为止，在这些点，上述力变换方向，将变速杆推向下一个选项，当变速杆继续向下一个选项运动时，力逐渐减小。这种情况将在未审申请09/783,936中详细叙述，该申请作为参考结合在这里。如下所述，在选项之间或者在止挡部上还可以设置其他的力感应，例如棘爪，弹簧，颠簸，阻尼，震动，组织等。
在设置有自动，按序或其他类似的线性变速图案中，例如在“锁定”弹簧模式，X轴(左右)致动器可以总是输出一个高弹簧力，为水平运动设置止挡。这种力可防止变速杆12在中间通道左右方向的任何运动。在变速杆在任意选项之间移动时，Y轴(前后)致动器可输出力效应，例如坡形效应。
上述全主动实施方式的一个好处就是可以设置无限多不同的变速图案，由使用者选择，上述变速图案包括变速杆的对角运动和X轴、Y轴运动。而不利的就是需要有防止使用者将变速杆移到锁定带内的高阻力，从而需要较大且成本较高的致动器，换档机构和其他元件。
利用开关的全主动实施方式
这种实施方式类似于上述全主动实施方式，不同的是在变速杆12的工作空间内增加了机械开关。例如，上述开关可设置在板32的开口34之上。该开关可简单地提供一个在该实施图案精确范围内的开口，使得额外的图案在该开关之内。例如可以使用手动换档图案，形状如图4a所示，当然也可以使用图4b和4c中的自动和按序变速图案。
通过在区域边界设定机械止挡部，上述机械开关可防止变速杆12移到上述锁定区域(即A、B、C、D)。由于使用者不可能克服上述机械止挡部，所以这比上述触觉实施方式更有效，不需要致动器输出，从而可使用更小的致动器，用以其他触觉感应。当变速杆在齿轮选项之间或者移出中间位置时，可使用致动器60在变速杆12上输出力感应，例如坡形感应，棘爪感应等。如有必要，致动器60可输出X轴阻力，在自动，按序和其他单一垂直通道模式，以防止变速杆移出在用的Y轴通道而移入另一手动换档Y通道。因此，上述开关就为上述全主动变速装置增添了大量优点。不包括上述开关，就需要在触觉变速器内嵌入其他的非通用变速模式，例如对角通路以选择齿轮的图案。
在一些实施例中，也可不需要开关，使得变速杆在整个范围或者特定范围内自由运动。例如，在一些实施例中，可利用变速杆在上述线传变速实施方式中将车辆变速。线传变速实施例(例如利用变速杆或者转向轮)可使用上述触觉感应和本发明这里公开的其他特性。
该实施方式的一些实施例中，可包括利用机械开关的机械壁以及设置在机械壁内的触觉壁。例如，图4a中的点划线106表示在机械开关内的触觉壁，而机械开关由实线108所表示。触觉壁距离机械壁的距离可由设计者来确定，最好是有足够的空间来实施较大的触觉弹簧排斥力。该触觉壁可作为上述致动器60输出的刚性弹簧，来防止变速杆移入允许区域边界后的区域。该触觉壁可向变速杆提供较小的弹簧力，以缓和和开关的机械止挡部相碰时的冲击。另外，利用上述触觉壁可减小和上述机构的摩擦力，延长上述机构的寿命和可靠性。
图5a，5b，5c说明了具有开关的全主动实施方式的实施例，其中使用了可变机械开关，可手动和自动变速图案具有全封闭的机械止挡部。图5a中，可变开关110处于手动图案位置，而开关110的第一部分112设置在靠近开关110的第二部分114的位置上，以提供中间的X轴(水平)通道116。变速杆12可在该通道116内移动，从而如同标准手动换档中一样，接近上述图案的齿轮变速位置。
在图5b中，滑动或者移动可变开关110，来设置具有仅仅单垂直通道的自动换档图案。第一部分112，第二部分114，或者第一部分112和第二部分114，都如箭头118所示朝向变速杆12移动，关闭上述中间X轴通道116，使得变速杆12仅仅在垂直通道120内移动。在该通道120内利用选项之间设置的坡形或者其他感应，实现上述自动模式选项。
图5e示出了开关110的部分112和114彼此之间的关系。当处于自动换档模式时，一个部分112可折叠另一部分114，来关闭水平通道116。部分112和/或部分114可由电机，螺线管或其他致动器(未示出)移动，或者在一些实施例中由使用者手动完成。
图5a-c中可变开关实施例的一个优点就是由于上述开关可移动设置比触觉止挡部更硬的机械止挡部，所以在自动模式中不需要由致动器输出的阻力，来防止变速杆的水平运动。这就使得装置10中的致动器可以更小，输出更小的力，由于致动器的触觉反馈仅用以仿真弹簧，坡形，棘爪和类似的感应，所以除了为变速杆运动提供高阻力以外，还可提高变速杆的选项处理。在一些实施例中，可不用X致动器，但在其他实施例中，也可使用X致动器在合适的图案中设置水平中间弹簧。
图6a和6b说明了用于全主动实施例的可变开关的另一实施例，类似于图5a-c中实施例。开关130类似地设置有机械止挡部，以自动和手动模式防止变速杆12的所有运动。在开关130中，在手动变速图案中设置有单一的开关部132。靠近开关部132的中心突出部136设置有两个开关凸头134，该凸头可按照箭头138所示的方向移动或者滑动。当凸头134朝向齿轮位置1，3，5向前滑动时，它们可闭合中间水平通道140，在装置处于自动模式时，防止变速杆12移出垂直通道141。当凸头134缩回时，在朝向齿轮位置2，4和R的方向上，中间的水平通道140被打开，使得在手动换档模式内，变速杆12移入其他的垂直通道内。如有必要，也可以独立移动上述凸头，产生额外的变速图案。在图5a-c中的实施例中，开关130可在两个模式中使用更硬的机械止挡部，而不需要致动器输出阻力防止变速杆运动。这就使得成本更低，致动器更小和/或换档更加简单。在选择换档模式时，可由相关的致动器，例如电机(未示出)移动开关凸头134，或者由使用者手动移动。
还可以使用其他的可变机械开关实施方式。例如，在自动或按序模式下，可使用线性移动开关，在图4中变速图案内锁定手动齿轮108的对角通道，还可用以在手动模式下锁定自动齿轮。在另一实施例中，还可使用以旋转方式移动的开关。例如，可环绕中间的变速杆，径向设置有多个板，绕变速杆轴线旋转的变换或者滑动其中一个或者多个板，来打开各个板之间的一或多个通道。这就使得经过变速杆的水平、垂直或对角的通道，可选择齿轮的特定变速图案和模式。
主动Y轴和被动X轴的实施方式
在触觉变速装置10的这种实施方式中，在X轴输出力的主动致动器(例如DC电机)可由被动致动器来替换，例如制动器和机械弹簧。由于变速杆12的X轴运动被完全锁定(在自动或者按序模式)，或者受限于中间水平通道(在手动换档内的中间地带)内的中间弹簧的线性运动，在某些实施例中，并不需要全主动的致动器。在手动换档模式下(在或者靠近图4a中标号“N”)，即X轴锁定在任意齿轮位置时，只要没有处于中间位置，即可锁定制动器或者其他的被动致动器。当变速杆移回手动图案的水平通道内时(在自动或者按序模式中制动器保持锁定)，可打开该制动器。在该实施例，在Y轴致动器也可是完全主动的，例如DC电机，当其移动时，在变速杆12上产生力感应，限定使用者的变速感觉，例如产生坡形，阻尼和弹簧感应等。当变速杆12在手动换档图案垂直通道之间的水平通道内移动时，该主动Y轴致动器还可用以防止使用者将变速杆移入锁定区域(图4a中的A、B、C、D带)。
使用被动致动器例如制动器的一个好处就是相比相等尺寸的主动致动器，它们具有明显的高夹紧力，从而可向使用者提供较大的阻力，并不需要较大的力。这就使得变速模式的锁定区域更易于实现，成本更低，尺寸更小。制动器的缺点在于当它们为主动而产生阻力时，将约束两个方向上的自由度，导致对运动的检测远离止挡部，而更加复杂。一种方式就是利用美国专利No.5,767,839所述的被动致动器来感应运动，该专利作为参考结合在这里。
利用开关的主动Y轴和被动X轴实施方式
这种实施方式类似于上述的实施方式，其中利用主动致动器输出力感应，用于变速杆的Y轴的运动，被动致动器例如制动器用于X轴运动。这种实施方式可增添有机械开关，类似于上述开关实施例中的任何一种。当变速杆处于中间通道，移进锁定区域时，Y轴致动器在变速杆上不需要有开关输出阻力。因此，由于仅仅输出力感应来提高变速杆的运动和选择，例如坡形，棘爪，阻尼和弹簧等感应，所以上述Y轴致动器可以制造得很小。
主动/被动Y轴和被动X轴的实施方式
这种实施方式可利用Y轴致动器的主动致动器和被动致动器之间的结合。上述主动致动器部分例如电机，可用以主动触觉效应，例如坡形，棘爪和弹簧。上述被动致动器部分例如制动器，可用以提供阻力，以防止移出齿轮位置之间的中间带。上述X轴致动器是一种被动致动器，最好具有弹簧中心，使得变速杆总是能够被偏压回到上述中间位置(在图4a中图案的中间)，在图4a的标准手动换档图案中，由于没有机械开关，所以只要在Y轴移动的变速杆移出上述中间位置，上述X轴被动致动器就将其锁定，将其保持在垂直通道范围内。类似的，上述只要在X轴移动的变速杆移出上述三个变速栏之一(在手动模式)，上述Y轴被动致动器就将其锁定，防止Y向运动到上述锁定区域内。最好是，当变速杆移进或者移出上述中间水平通道，上述致动器还可以设置极快的响应。
一些实施例中，可使用被动致动器在变速杆上输出被动触觉效应，例如阻尼，制动器震荡，被动棘爪等。在一些实施例中，还可以添加机械开关，以满足该实施例的刚度和等数时间条件。
主动致动器和被动致动器之间的结合，也可以由不同的方式实现。例如，如果机构具有两个自由度，主动致动器可和单自由度的连杆相连，提供主动力，而被动机构可和另一自由度的连杆相连，从而提供该自由度的被动力。如果主动力和被动力都需要特定的自由度，则主动和被动致动器都和合适的连杆相连。例如，主动致动器可和活动连杆的一侧刚性相连，而被动致动器则和该连杆的另一侧相连，被动致动器可由小柔度和小间隙的零件连接，以使制动器被锁定时，可合理设置，能够感应动作。可进而向这些致动器中的一个或两个赋能，从而提供该自由度的力。
主动/被动Y轴和主动/被动X轴的实施方式
在该实施例中，主动致动器和被动致动器之间相结合用以在X轴和Y轴上输出力。上述主动致动器部分例如电机，可用以主动触觉效应，例如坡形，棘爪和弹簧效应。上述被动致动器部分例如制动器，可用以防止变速杆移出所需图案。当上述装置处于自动或者按序模式(其他类似模式)时，上述X轴致动器可利用上述制动器防止X轴运动。上述主动电机提供弹簧对中。
如果该实施例没有使用机械开关，只要在Y轴移动的变速杆在变速图案的一个垂直通道内(没有在中间的水平通道内)，上述X轴制动器就将其锁定，因而可防止在该通道内的X轴运动。而且只要在X轴移动的变速杆移出一个垂直变速通道(在手动模式)，上述Y轴制动器就会将其锁定。类似于上述实施例，还可使用一个机械开关来提供更大的硬度和阻力。
全被动实施方式
对于变速杆的X轴和Y轴的运动，该实施方式仅仅作用于被动致动器，例如制动器。该制动器可用于变速杆，防止变速杆移出所选择的变速图案之外。还可使用机械弹簧，在变速杆上提供弹簧对中力，使其可被偏压朝向中央的中间位置N。当处于自动，按序或者类似的单通道模式时，X轴制动器可防止使用者将变速杆移出中间通道。当处于手动模式时，Y轴制动器可防止使用者将变速杆从中间的水平通道移到锁定区域(例如A、B、C、D区域)内。在手动模式下，当变速杆移动到齿轮位置时，制动器可以锁定变速杆，以防止弹簧偏压上述杆。上述制动器还可以产生触觉感应，例如棘爪，阻尼等感应，以仿真落到齿轮位置的变速杆，通知使用者当前的选项。在所需的自动模式和其他的模式中，还可以由制动器将一个光敏电阻应用到变速杆上，以抵消机械弹簧施加的弹簧力。可替换的，在自动模式中，上述制动器锁定每一齿轮，使用者可压下变速杆上的按钮或者其他控制器以释放上述制动器，使得变速杆移动另一齿轮位置。在一些实施例中，在变速杆从一个齿轮移动到另一个齿轮时，可基于变速杆的位置信息，可释放制动器(在利用美国专利No.5,767,839中所述的小量间隙锁定制动器时，感应上述运动)。
应该注意的是，上述触觉变速装置的功能还可以用于仿真车辆。例如，向电子装置输入导向信号或者数据的操纵杆装置，计算机，或者视频游戏装置都可以包括这里所述的模式和触觉反馈。例如，在计算机仿真中，具有这些变速图案的操纵杆可用以仿真控制杆或者变速杆，来模拟仿真车辆中的仿真齿轮。司机的视图范围由上述计算机系统的显示装置上的显示图象所仿真。其他的接口装置，例如具有横向导引运动的转钮，鼠标或滚球，或者其他可动操纵器，也都可以用于这里所述的运动图案和模式。
图7是说明适用于本发明触觉变速器装置的机电系统200的框图。包括多个类似元件的触觉反馈系统在美国专利No.5,734,373中已经详细叙述，该专利作为参考结合在这里。
在一个实施例中，受控装置包括具有本地处理器202，本地时钟204，本地存储器206，传感器接口208和致动器接口210的电子部分。
本地处理器202相对上述触觉变速器装置是“本地”的，其中这里的“本地”是指处理器202和其他处理器相比为一个单独的处理器，而且还指处理器202是专用于变速杆的触觉反馈和/或传感器I/O。该处理器202可从传感器或者传感器接口中读取传感器信号，并确定车辆的齿轮是否已由变速杆12所选择，随后向控制系统或者其他处理器提供合适的数据，从而机械地转换车辆齿轮。例如，对于线传变速领域的技术人员来说众所周知的是，上述控制系统控制其他致动器，来移动合适的机械零件转换齿轮。可替换的，处理器202可简单地将位置数据向控制系统传递，该控制系统根据该数据确定合适的车辆齿轮，并控制转换到该齿轮。在另一实施例中，处理器202可在车辆中控制上述换档过程。
在一些实施例中，处理器202还可以根据传感器信号，时间信号，和根据主机命令选择的力处理来计算合适的力，并将合适的控制信号输出到上述致动器上，从而在变速杆上输出触觉感应。在另一实施例中，其他处理器也可以确定和控制力。处理器202可为微处理器(一个微处理器芯片，多重处理器，联合处理器，数字信号处理器(DSP)等)。或者，上述处理器202可以是固定数字逻辑器，ASIC，指令器或其他形式的处理器。
本地时钟204和上述处理器202相连，提供时钟数据。本地存储器206，例如RAM和/或ROM最好是和处理器202相连，用于存储指令，暂存和其他数据，校正参数，补偿传感器偏差的调节和/或装置的状态。在一些实施例中，可设置显示器16，与本地处理器202相连。可替换的，不同的处理器和其他控制器控制向显示器16的输出。
传感器接口208可有选择地将传感器214提供的传感器信号转换为处理器202能够翻译的信号。例如，传感器接口208可从编码器等数字传感器214中接收信号，并将该信号转换为数字二进制序数。还可以使用一个模数转换器(ADC)。可替换的，处理器202可执行这些接口功能。致动器接口210可有选择地被连接在致动器216和处理器202之间，以将处理器202的信号转换为适合于驱动上述致动器的信号。致动器接口210包括功率放大器，开关模数转换器(ADC)，和其他元件。在另一实施例中，致动器接口210回路可设置在处理器202内或者在致动器内。各种形式的电源(在汽车中包括车载电池或者交流发电机)212可和上述致动器和/或致动器接口210相连，为致动器提供电源。
上述系统的机械部分包括一些或者所有可使变速杆12运动的元件，在上面已经叙述了一些。传感器214在一或多个自由度感应变速杆12的位置，动作，和/或其他特性，并向处理器202(或其他处理器)提供信号，这些信号包括代表这些特性的信息。可沿着变速杆12移动的每一自由度设置传感器214，或者设置一个合成传感器，用于多重自由度。合适的传感器包括图3b中的传感器62，光编码器，分析传感器例如电位计，霍耳效应磁力传感器，光学传感器例如横向效应光影二极管，速度计，加速计等。而且可以使用绝对或者相对传感器。
致动器216可在一或多个方向向变速杆12传递力，通常在响应于处理器202或其他电子逻辑器或装置输出信号的旋转自由度上，即其为“电子控制”。上述致动器216产生电子调制力，这就意味着处理器202或其他电子装置来控制这些力的应用。每一自由度都可以设置致动器216。致动器216可以是主动致动器，例如线性电流控制电机，步进电机，气动/液压主动致动器，扭矩机(具有限定角度范围的电机)，磁流变制动器，声控线圈致动器等。还可以使用被动致动器，包括磁粒制动器，摩擦制动器，或者气动/液压被动致动器，可在运动范围内产生阻尼力或者摩擦。利用主动和被动致动器的实施例上面已经详细叙述过。
机构218可用以将变速杆12的运动转换为可由传感器214读取的形式，并将致动器216的力传递到变速杆12。该机械装置218的一些实例在上面已经叙述过。而且，驱动机构例如带驱动器，齿轮传动，或者主动轮驱动都可用以为致动器216输出的力提供机械驱动，或者改进感应转数。
还可以包括其他的输入装置220，将输入信号发送到处理器202中。这种输入装置可包括按钮或其他控制器，用于将从面板的输入供给到上述受控装置。而且，也可以包括刻度盘，开关，声控识别硬件(例如具有由处理器202执行软件的麦克风)，或者其他输入机构，将输入提供到处理器202或者致动器216上。在靠近变速杆12或者其上还可包括刹车开关，可产生力，以便于在使用者没有接触到变速杆时停止输出，防止变速杆自行移动，例如使用者的手或手指(食指，拇指等)是否接触到变速杆，可由光学的，电阻的，感应的，力/压力，或其他传感器检测出来，使用者在变速杆上的压力也可以利用已知的传感器检测出来，还可以检测出使用者的手在变速杆上的重量，利用应变仪等可测量出变速杆上的力。
在一些实施例中，还可以包括一或多个其他处理器224，和上述处理器202向联通。处理器202和224最好是由双向总线226连在一起。还可以包括额外的电子元件，经由总线226上的标准协议进行联通。这些元件可以包括在上述装置内或者与其相连的装置内。总线226可以是任意一种不同的联通总线。例如，在处理器224和202之间可以设置双向串行或者并行总线，无线连接，网络建构(例如CATV总线)，或者单向总线。
其他处理器224可以是单一的微处理器(或者其他形式的处理器，如上述的处理器202)，在不同的装置和系统中，和上述受控装置操作或作用。例如如上所述，该处理器224可控制车辆的实际换向齿轮。在一些实施例中，在一个车辆的单独控制系统中可以设置另一个处理器224，该处理器224可控制车内的温度系统，或者控制机械元件(车镜，车座，换档杆点或位置等)或者中央显示器的位置，该显示器可从不同系统显示信息。或者，对于多种包括有受控触觉变速器装置和处理器202的系统，其他处理器224可以是主处理器或集中控制器。上述两个(或者更多)处理器202和224可交换所需的信息，以便于控制各种系统，从而向使用者输出通知。例如，如果处理器224确定或者发现车辆发生错误，处理器224将该信息通信到上述本地处理器202内，随后在显示器16或其他显示器(和/或在变速杆上的触觉感应)上输出特定的指示器，以警告使用者。或者，如果变速杆12在不同的变速或者控制模式，则另一处理器224可控制一些或者所有不同模式。
在其他的实施例中，处理器224可以是主处理器，例如通过将主命令发送到本地处理器，命令上述本地处理器202输出力感应。该主处理器可以是单处理器或者可设置在计算机内，例如个人计算机，工作站，视频游戏控制台，便携式电脑或者其他计算机或者显示装置，顶置盒等。上述主处理器可包括随机存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，输入/输出(I/O)回路，和其他本领域技术人员熟知的计算机零件。利用变速杆12和/或其他控制器和外设，该主处理器可执行一个和使用者交互的主应用程序。在一些实施例中，上述主应用程序可向上述本地处理器20和变速杆12输出力反馈命令程序。在主处理器实施例或者其他类似实施例中，还可以利用软件指令，使得处理器202等待主处理器的命令和请求，并根据上述命令和请求，操作/控制输入和输出信号。
例如，在力反馈实施例中，主处理器224可经由总线26提供低电平力命令，本地处理器202直接将这些命令传递到上述致动器内。在不同的力反馈本地控制实施例中，主处理器224经由总线226向处理器202提供高电平监督命令，处理器202管理低电平力控制回路，根据上述高电平命令，传递给传感器和致动器，这和上述主处理器224无关。在本地控制实施例中，处理器202可独立地处理传感器信号，通过跟踪可存储在本地存储器206内的“力处理“指令，来确定合适的输出致动器信号，而且还包括计算指令，公式，力大小(力构形)，和/或其他数据。上述力处理可命令变速杆12上的明显力感应，例如阻尼，弹簧，止挡部，棘爪，震动，组织，摇晃等。这些本地处理器在力反馈应用的实例在美国专利US5,734,373中进行了详细描述。
在另一实施例中，上述接口装置内没有包括本地处理器202，而处理器24控制和处理所有触觉变速装置10元件的信号。或者，硬线数字逻辑器可执行上述变速装置的输入/输出功能。
力感应
下面叙述适合于这里描述的触觉变速器装置的一些力感应。
在变速杆12上输出的力效应包括弹簧，阻尼器，组织，震动，棘爪，震荡或脉冲，惯性，摩擦，障碍物(止挡部)，或者动态力效应。多个这种力效应已经在其他申请中进行了叙述，例如No.09/783,936和美国专利No.5,734,373；6,147,674；6,154,201；6,128,006，这些都整体作为参考结合在这里。上述力感应可整体利用变速杆12的控制功能来实施。一些感应(例如弹簧)仅可利用主动致动器输出。
基本的力感应就是在变速杆12预定或者规定空间位置输出的力棘爪，用于通知使用者变速杆已经移动到和/或指示变速杆的特定位置。上述力棘爪可以是简单地在命令方向以震荡或摇荡力输出，来指示棘爪的位置或标示变速杆的特定位置。或者上述棘爪可包括将上述变速杆吸引到特定位置和/或防止变速杆远离该位置运动的力。还可以设置力反馈“扣接“棘爪，用一个较小的力将按钮偏压到上述棘爪位置，在其刚刚偏出上述位置时。这些棘爪形式在美国专利No.6,154,201和5,734,373中已经叙述过。
另一种由变速杆12输出的力感应就是弹簧力。该弹簧力可在任一方向上为变速杆的运动设置阻力，以在变速杆和地面之间仿真一个物理弹簧。例如在使用者放手变速杆之后，可用以将变速杆弹回其停靠或者中心位置。还可以在变速杆12上设置阻尼力感应，以基于变速杆的速度，减缓变速杆的运动。还可以利用小幅弹簧，用于棘爪或者其他元件。
在一些实施例中还可以使用“坡形“力效应。这种坡形力效应作为增大的阻力，直到到达该坡形的“峰值”。在离开该峰值点后，该力效应有助于使用者离开上述峰值。例如这种力效应可用于变速杆的齿轮选项之间。这种坡形力效应的一些实例在未审申请No.09/783,936中进行了叙述。
止挡力效应是限定使用者已经达到临界的变速杆的运动，可部分或者全部地物理锁定上述变速杆，防止其移动到上述止挡部“之后“的位置上。实现止挡效应的一种方式就是设置一个具有较大幅度或者较大“刚度”的弹簧。现有技术中的弹簧通常是利用关系式F＝kx，其中阻力输出和上述按钮移动上述弹簧的距离线性成比例。可以使用线性的，指数的，或者其他形式的止挡力；一些止挡力效应在2001年2月14日申请的美国未审申请No.09/783,936已经有所叙述。其他形式的止挡力效应业已实施。
还可以输出其他力反馈通知使用者变速杆行程的端点。例如，可以输出一个比正常棘爪幅度更大的震荡力，来通知使用者已经达到或者将要达到的数值范围或其他范围端点。
也可以将任一种的这些力反馈相结合，来提供同时的多重力效应。
尽管本发明由几个优选实施例进行了叙述，但在本发明的范围内，还可以进行替换，修改和排列组合。应该注意的是，上述的实施例能够以不同的方式结合在特定的实施方式和实施例中。而且这里的术语仅仅是用于解释的目的，而并非是限制本发明。可以理解随后的权利要求在不偏离本发明的精神和范围内，也可以进行替换，修改和排列组合。