JPH11514469A - ホストコンピュータを利用して力フィードバックインタフェースを制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ユーザにより操作され、ホストコンピュータシステム（１２）に接続されたインタフェース装置を用いて力フィードバックを制御および提供する装置（１４）を提供する。インタフェース装置に対してローカルなマイクロプロセッサ（２６）が設けられており、このマイクロプロセッサ（２６）は、ユーザによって動かされるユーザオブジェクト、例えばジョイスティック、の位置を記述するセンサデータをセンサから読み取る。マイクロプロセッサは、アクチュエータ（３０）を制御してユーザオブジェクトに力を与える。ホストコンピュータは高水準ホストコマンドをローカルマイクロプロセッサに送出し、マイクロセッサは高水準コマンドに基づいてローカル反射プロセスを独立に実施し、センサデータおよび他のパラメータを用いて力値をアクチュエータに与える。ホストコマンドプロトコルは、多様なタイプのホストコマンドおよび関連コマンドパラメータを有している。比較的小さな一組の高水準ホストコマンドを与えることにより、プロトコルは、ホストコンピュータからローカルマイクロプロセッサに計算の負担をさらにシフトさせる。

Description

【発明の詳細な説明】 ホストコンピュータを利用して力フィードバックインタフェースを 制御する方法および装置 背景技術 本発明は、全般として、人間とコンピュータとの間のインタフェース装置に関 し、特に、ユーザに対して力フィードバックを提供するコンピュータインタフェ ース装置に関する。 コンピュータシステムは、多くの異なる産業分野で、コンピュータ制御シミュ レーションやゲームやその他のアプリケーションプログラムを実施するため広く 用いられている。特に、このようなタイプのゲームやシミュレーションは、家庭 消費者の量販市場では非常に一般的である。コンピュータシステムは、通常、ユ ーザに対して表示画面またはその他の視覚出力装置上に視覚環境を表示する。ユ ーザは、表示された環境と対話して、ゲームを行い、シミュレーションまたは「 仮想現実（バーチャルリアリティ）」環境を体験することができ、あるいは画面 上に描かれた事象または画像に影響を与えることができる。このようなユーザイ ンタラクションは、表示された環境を制御するコンピュータシステムに接続され たジョイスティックや、「ジョイパッド」ボタン制御装置、マウス、トラックボ ール、スタイラスやタブレットなどのヒューマン−コンピュータインターフェー ス装置を用いて実施することができる。コンピュータは、ジョイスティックハン ドルやマウス等の物体（オブジェクト）のユーザによる操作に応じてシミュレー ションやゲームを更新し、表示画面、更に通常はオーデイオスピーカを用いてユ ーザに対するフィードバックを行う。 幾つかのインタフェース装置では、触覚（「ハプティック（haptic）」）フィ ードバックもユーザに与えられる。これは、より一般的には「力フィードバック 」として知られている。このようなタイプのインタフェース装置は、インタフェ ース装置のオブジェクトを操作するユーザに対して肉体的な感覚を与えることが できる。通常は、モータや他のアクチュエータがオブジェクトに結合され、制御 コンピュータシステムに接続される。コンピュータシステムは、アクチュエータ に 制御信号を送ることにより、シミュレーション／ゲームイベントに関係してオブ ジェクトに力を与えることができ、コンピュータシステムは、ユーザがインタフ ェース装置のオブジェクトを握ったり触ったりするときに他の供給フィードバッ クと関連してユーザに肉体的感覚を与えることができる。このようにして、力フ ィードバックインタフェース装置は、ヒューマン−コンピュータインタラクショ ンに対して全く新規な特徴を与えることができる。 従来技術の力フィードバック入出力（Ｉ／Ｏ）装置は、最大の触覚忠実度を与 えることに集中している。すなわち、触覚フィードバックのリアリズムが最適化 されることが望まれていた。これは、力フィードバック装置の殆どが、量販消費 者市場ではなく、極めて産業的な用途の特定のニーズに目標を定めているためで ある。このようなリアリズムを実現するために、小さなサイズと重量、複雑さが 少ないこと、プログラミングの互換性、低いコスト、安全性などといった量販市 場設計の関心事は、従来技術では犠牲にされている。その結果、通常の力フィー ドバックインタフェース装置は、精密部品と高価なアクチュエータを要求する複 雑なロボット機構を含んでいる。 力フィードバックインターフェース装置に対する重要な関心事は、制御コンピ ュータとインタフェース装置との間の通信帯域幅である。現実に近い力フィード バックを与えるために、従来技術の複雑な装置は、通常、制御コンピュータがイ ンタフェース装置への力フィードバック信号を迅速に更新することを可能にする 高速通信エレクトロニクスを用いる。制御コンピュータがより迅速にインタフェ ース装置に対して信号を送受することができる程、所望の力をより正確かつ現実 に近い状態でインターフェースオブジェクトに加えることができる。更に、高い 帯域幅の通信インタフェースを用いると、力フィードバックを、映像画面上の画 像などの他の供給フィードバックと、オブジェクトの移動、活性化ボタンなどの ユーザ入力と、に正確に調和させることができる。例えば、ユーザはシミュレー ションにおいて力フィードバックジョイスティックを握ると共に移動させて車の 画像を制御し、画面上に表示された仮想的な凹凸面の上を運転することができる 。制御コンピュータは、シミュレーションの設計者が意図した程度に現実に近い 凹凸にその表面が感じられるように、十分迅速にジョイスティックのアクチュエ ー タに制御信号を与えるべきである。制御信号が遅すぎるときは、現実に近い凹凸 感を与えることが困難になる。また、制御コンピュータは、供給された力を画面 上の視覚フィードバック、例えば車が最初に凹凸面に当たるときの画面上の動き 、に正確に調和させる高い帯域幅の通信インタフェースを必要とする。この高い 速度は、供給された力を、例えば特定の方向に車をステアリングするためのユー ザからの入力に正確に調和させる場合にも、同様に必要となる。 問題は、従来の力フィードバックインタフェース装置が量販消費者市場に供給 されるときに明らかとなる。殆どのホームコンピュータは、ＲＳ−２３２やＲＳ −４２２インタフェースなどの組込み標準シリアル通信インタフェースを有して おり、これは、力フィードバックインタフェース装置などの周辺装置をホストコ ンピュータに接続するために便利に用いることができる。更に、製造業者は、こ れらのシリアルインタフェースを用いる周辺装置を提供することを好む。これは 、インタフェースカードなどの付加的なハードウェアをこのような周辺装置に取 り付ける必要がないからである。従って、周辺装置の製造コストはかなり減らす ことができる。しかし、これらの標準シリアル通信インタフェースは、通常、他 の通信インタフェースに比べて極めて遅い（すなわち、低い帯域幅を有する）。 このため、制御コンピュータシステムによって、現実に近い正確な力フィードバ ックを、このようなシリアルインタフェースを介して接続された従来のインタフ ェース装置に与えることは困難になる。例えば、Ｊ．Ｋｒａｍｅｒによる米国特 許第５、１８４、３１９号は、ユーザの胴体部分に力を加える力フィードバック 装置を開示している。しかし、このＫｒａｍｅｒの装置は、ホストコンピュータ がアクチュエータを直接制御し、インタフェース装置からセンサデータを直接受 信するという点で従来技術の典型的なものである。このような装置は、現実に近 い力フィードバックを実現する低帯域幅通信インタフェースには適していない。 量販消費者市場における従来の力フィードバックインタフェースを用いた場合 の他の問題は、異なるコンピュータで用いられたり同じコンピュータで異なる時 刻に用いられる処理速度やコンピュータプラットフォームが多岐にわたることで ある。力フィードバックインタフェース装置によりユーザに与えられる力の感覚 は、これらの異なるコンピュータが異なる速度で稼働するので、異なるコンピュ ータプラットフォームやマイクロプロセッサ上のユーザには異なって感じられる 。例えば、１００ＭＨｚコンピュータにより制御される力フィードバックは、こ れらの力が同じものを感じるようになされていても、制御信号を処理する速度が 異なることに起因して、６０ＭＨｚコンピュータにより制御される力フィードバ ックとは全く異なる。更に、一つのマイクロプロセッサの実行処理速度は、所定 時間にわたって変動し、多数のユーザセッションにわたって一致しない力を与え る可能性がある。例えば、マルチタスク動作は、マイクロプロセッサ上で動作す る他のプログラムに依存して力フィードバック制御信号のマイクロプロセッサに よる管理を変化または遅延させることがある。 更に、力フィードバック装置と通信するための標準化された言語または通信プ ロトコルは存在しない。ソフトウェアアプリケーションにおいてインタフェース に力フィードバックを与えることを望むソフトウェアの開発者は、一般に、開発 者自身の特殊なコマンドおよび／または通信プロトコルを設定しなければならず 、また力フィードバック制御命令を低水準で実施しなければならない。これは、 力フィードバックインタフェース向けの特徴を含むソフトウェアアプリケーショ ンの開発において不要な時間と費用を要求する。 従って、力フィードバックインタフェースおよび力フィードバック制御パラダ イム（paradigm）に代わる、より現実に近く費用効果の大きいものが特定の用途 に関して要望されている。 発明の要約 本発明は、ヒューマンコンピュータインタフェース装置を操作するユーザに対 して力フィードバックを制御および提供することに関する。このインタフェース 装置は、制御用ホストコンピュータに接続されており、このインタフェース装置 に対してローカルな個別のマイクロプロセッサを有している。このローカルマイ クロプロセッサは、インタフェース装置に対する力の高速制御を可能にし、これ により、ホストコンピュータとの遅い通信インタフェースを介して与えられた力 のリアリズムと精度を高める。 より詳細に述べると、ユーザにより操作されるインタフェース装置を制御する 本発明のシステムおよび方法は、入力制御信号を受信し、ホスト出力制御信号を 供給するホストコンピュータシステムを含む。ホストコンピュータは、入力制御 信号に応じてシミュレーションやビデオゲームプロセスなどのホストアプリケー ションプロセスを更新する。インタフェース装置に対してローカルでホストコン ピュータから分離したマイクロプロセッサは、ホスト出力制御信号を受信すると 共にプロセッサ出力制御信号を供給する。アクチュエータは、プロセッサ出力制 御信号を受信し、プロセッサ出力制御信号に従ってアクチュエータに結合された ユーザ操作オブジェクトに対する自由度に沿って力を与える。センサは自由度に 沿ったオブジェクトの動きを検出し、このオブジェクトの位置と動きを表す情報 を含む入力制御信号を出力する。好ましくは、センサは、入力制御信号をローカ ルプロセッサに出力し、ローカルプロセッサは、ホストコンピュータに入力制御 信号を出力する。ユーザオブジェクトは、１以上の自由度でユーザが握って動か すものであることが好ましく、ジョイスティック、マウス、模擬医療器具、スタ イラス、または他のオブジェクトのような物品が含まれていてもよい。 あるホスト制御態様では、ホストコンピュータは、入力制御信号中のセンサ情 報を受信し、力の値を決定する。従って、ホスト出力制御信号は、マイクロプロ セッサを介して直接アクチュエータに中継される決定済直接力コマンドである。 第二の「反射（reflex）」態様では、ホストコンピュータは、監視モードでセン サ情報を受信し、力をユーザオブジェクトに印加する必要があるとき又は力を変 更する必要があるときは常に、高水準力コマンドをマイクロプロセッサに出力す る。マイクロプロセッサは、高水準ホストコマンドに従って、センサおよびタイ ミングデータを受信し、選択された反射プロセスに従ってアクチュエータに低水 準力コマンドを出力する。この反射プロセスは、力方程式を用いるステップ、所 定の力値の力プロファイルを記憶装置から読み取るステップ、またはその他のス テップを含んでいてもよく、またこの反射プロセスは、センサデータ、タイミン グデータ、ホストコマンドデータ、または他のデータに依存していてもよい。こ のようにして、プロセッサは、ホストコンピュータがユーザオブジェクトに印加 される力のタイプを変更するまでホストコンピュータとは無関係に力を制御する 「反射」を実施する。 アクチュエータにより与えられる力の大きさは、ホストコンピュータまたはロ ーカルマイクロプロセッサにより決定される。この大きさは、特定の自由度にお けるオブジェクトの位置、速度および／または加速を含むパラメータ、ならびに クロックからのタイミングデータにより決定することができる。このようにして 、この力は、バネの力、制動力、または慣性力などの異なるタイプの力をシミュ レートすることができる。 ホストコンピュータシステムにより更新されたアプリケーションプロセスは、 好ましくは、アプリケーションソフトウェアを含んでいる。このアプリケーショ ンソフトウェアは、シミュレーションソフトウェア、ゲームソフトウェア、科学 ソフトウェアなどであってもよい。ホストコンピュータシステムは、表示画面な どの視覚出力装置上に画像を表示し、画像および視覚事象を、オブジェクトを操 作するユーザから入力された位置と動き、並びにオブジェクトに加えられた力に 同期させることができる。また、ホストコンピュータは、好ましくは音声フィー ドバックのタイミングと大きさを力フィードバックに同期させることができる。 本発明は、多くのコンピュータに含まれる標準シリアルインタフェースを用いて ホストコンピュータシステムをローカルマイクロプロセッサとインタフェースす ることができる。あるいは、パラレルインタフェースを用いたり、ホストコンピ ュータ上の異なるインタフェース、例えばゲームポート、と共にシリアルインタ フェースを用いることもできる。クロックは、アクチュエータにより出力された 力を部分的に決定するためアクセスすることができるホストコンピュータシステ ムまたはローカルプロセッサに結合されることが好ましい。 本発明は更に、ホストコンピュータとローカルマイクロプロセッサとの間の力 コマンドに対するパラダイム（paradigm）を提供する。ホストコンピュータによ り与えられる高水準ホストコマンドは、レート制御および／または位置制御コマ ンドであってもよく、コマンドパラメータ形式の情報を含んでいてもよい。ひと そろいの力に翻訳される比較的小さな一組のコマンドおよびコマンドパラメータ を与えることにより、パラダイムは、演算の負担をホストコンピュータからロー カルマイクロプロセッサに更にシフトさせる。ホストコマンドは、復元力や、振 動力、質感力、障壁力、吸引／反発力の場、制動力、溝力、およびラケット−ボ ール力などの力をユーザオブジェクトに与えるコマンドを含んでいてもよい。通 常のコマンドパラメータは、アクチュエータにより出力された力を制御する大き さパラメータ、持続時間パラメータ、方向パラメータ、スタイルパラメータ、お よびボタンパラメータを含む。これは、ホストコンピュータシステム上で実施さ れる力フィードバックソフトウェアの開発者による効率の良い使用のための高水 準標準力フィードバックコマンドプロトコルを与える。 ローカルマイクロプロセッサの機能も、好適に実現される。コマンドプロセス は、ホストコンピュータからのホストコマンドを受信し、ホストコマンドおよび 任意の包含コマンドパラメータを処理する。力パラメータはホストコマンドおよ びパラメータから導出され、メモリに格納される。好ましくは、全てのホストコ マンドは、適当なホストコマンドが受信されたときに更新される一組の力パラメ ータを伴っている。状態更新プロセスは、ユーザオブジェクトの動きを記述する センサからのセンサデータを読み取り、適切であれば速度、加速度、または他の 時間関連値を計算することもできる。力出力プロセスは、力パラメータおよびセ ンサデータに従って選択された反射プロセスを用いて力値を計算する。ある場合 には、力値は、力パラメータの値およびセンサデータに依存する。力出力プロセ スは、計算した力値をアクチュエータに送出することによりユーザオブジェクト に作用する力を出力する。更に、報告プロセスは、適切な場合には、センサデー タをホストコンピュータシステムに報告する。好ましくは、複数個のホストコマ ンドを同時に有効にすることができ、ここで力値は、このような有効状態のホス トコマンドの各々に対応する反射プロセスから加算される。更に、パラメータセ ットのパラメータページは、異なる力環境を選択できるように都合よくメモリに 格納することができる。 本発明の制御システムおよび方法は、ホストコンピュータから分離されたイン タフェース装置に対してローカルな別個のマイクロプロセッサを含んでいると都 合がよい。このローカルマイクロプロセッサは、ホストコンピュータとは無関係 にセンサ信号および出力力コマンド信号を読み取り、処理し、これによりホスト コンピュータ上における膨大な処理時間を節約することができる。更に、低水準 力フィードバックコマンドを処理するローカルプロセッサを使用することにより 、ホストおよびインタフェース装置間にシリアル通信インタフェースまたは他の 比 較的狭い帯域幅の通信インタフェースを用いる場合に、より現実に近く正確な力 フィードバックをユーザが操作するオブジェクトに与えることができるようにな る。これは、このような低水準力信号は、通信インタフェースを介して送信する 必要はないためである。絶対的なタイミング情報の観点で力フィードバックコマ ンドを生成する場合にクロックを使用すると、異なるホストコンピュータプラッ トフォームにわたって、また同じホストコンピュータ上の異なるセッションにお いて、ユーザが一致した力感覚を体験することができるようになる。種々の力を 指令する特定の高水準ホストコマンドを使用すると、力フィードバックホストア プリケーションを容易に生成できるようになる。これらの改良を加えると、低コ ストの低帯域幅通信インタフェースを介して正確で現実に近い力フィードバック をコンピュータシステムが与えることができるようになり、従ってホームコンピ ュータシステムの量販市場に対して理想的である。 本発明の上記および他の利点は、本発明の以下の詳細な説明を読み、図面を参 照することによって、当業者にとって明らかになる。 図面の簡単な説明 図１は、ホストコンピュータから力フィードバックインタフェース装置を制御 する、本発明に係る制御システムのブロック図である。 図２は、本発明用の能動アクチュエータに制御信号を与えるアクチュエータイ ンタフェースの概略図である。 図３は、本発明用の受動アクチュエータに制御信号を与えるアクチュエータイ ンタフェースの概略図である。 図４は、力フィードバックインタフェース装置を制御する本発明の方法の第一 の実施形態を示す流れ図である。 図５は、力フィードバック装置を制御する本発明の方法の第二の実施形態の流 れ図である。 図６は、インタフェース装置のユーザオブジェクトに２自由度を与える閉ルー プファイブバーリンケージ機構の概略図である。 図７は、図６に示したリンケージ機構の好適な実施形態の斜視図である。 図８は、ユーザオブジェクトに対する機械的インタフェースのスロット付きヨ ークジョイスティックの斜視図である。 図９は、本発明のレート制御コマンドを要約する表である。 図１０ａ〜ｃは、力プロファイルの復元を示す概略図である。 図１１ａ〜ｃは、ばね力プロファイルの復元を示す概略図である。 図１２は、ベクトル力を示す図である。 図１３ａ〜ｂは、振動力プロファイルを示す図である。 図１４は、本発明の位置制御コマンドを要約する表である。 図１５は、溝力プロファイルを示す図である。 図１６は、障壁力プロファイルを示す図である。 図１７ａ〜１７ｉは、本発明のラケットコマンドにより制御されるラケットボ ールインタラクションを示す図である。 図１８は、力フィードバックインタフェース装置を力パラメータを含むホスト コマンドにより制御する本発明のローカルマイクロプロセッサの実施を示すブロ ック図である。 図１９は、図１８のホスト通信バックグラウンドプロセスを示す流れ図である 。 図２０は、図１８のコマンドプロセスを示す流れ図である。 図２１は、図１８の報告プロセスを示す流れ図である。 図２２は、図１８のアクチュエータ制御プロセスおよび力アルゴリズム計算を 示す流れ図である。 図２３は、本発明で用いた力パラメータおよび一連の力コマンドを示す図であ る。 発明を実施する最良の態様 図１は、ホストコンピュータシステムにより制御されるインタフェース装置用 の本発明の一般的な制御システム１０を示すブロック図である。制御システム１ ０は、ホストコンピュータシステム１２とインタフェース装置１４を有する。 ホストコンピュータシステム１２は、好ましくは、ＩＢＭ互換パーソナルコン ピュータやＭａｃｉｎｔｏｓｈパーソナルコンピュータなどのパーソナルコンピ ュータ、またはＳＵＮワークステーションやＳｉｌｉｃｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ワークステーションなどのワークステーションである。例えば、ホストコンピュ ータシステムは、ＩＢＭ ＰＣ ＡＴスタンダードに従うＭＳ−ＤＯＳまたはＷ ｉｎｄｏｗｓ動作システムの下で動作するパーソナルコンピュータである。この 他に、ホストコンピュータ１２は、テレビジョンセットに一般的に接続された種 々のホームビデオゲームシステム、例えばＮｉｎｔｅｎｄｏ、Ｓｅｇａ、Ｓｏｎ ｙから市販されているシステム、の一つであってもよい。他の態様では、ホーム コンピュータシスム１２は、例えばユーザにインタラクティブテレビテレビジョ ン機能を与えるために使用できる「セットトップボックス」であってもよい。 本実施形態では、ホストコンピュータシステム１２は、周辺装置およびインタ フェース装置１４を介して対話するホストアプリケーションプロセスを実施する 。ホストアプリケーションプログラムは、例えば、ビデオゲーム、医療用シミュ レーション、科学解析プログラム、もしくはオペレーティングシステム、または 力フィードバックを利用する他のアプリケーションプログラムである。通常、こ のホストアプリケーションは、以下に述べるように、表示出力装置に表示される 画像を提供し、および／または他のフィードバック、例えば音響信号、を提供す る。 ホストコンピュータシステム１２は、好ましくは、ホストマイクロプロセッサ １６、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１７、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ ）１９、クロック１８、表示画面２０、および音声出力装置２１を有する。ホス トマイクロプロセッサ１６は、Ｉｎｔｅｌ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ、または他の製造 業者から市販されている一連のマイクロプロセッサを有する。マイクロプロセッ サ１６は、単一のマイクロプロセッサチップであってもよく、あるいは複数のプ ライマリプロセッサおよび／またはコプロセッサを含んでいてもよい。好ましく は、マイクロプロセッサは、当業者には周知のように、ＲＡＭ１７およびＲＯＭ １９から命令および他の必要なデータを取り出して格納する。本実施形態では、 ホストコンピュータシステム１２は、インタフェース装置１４からバス２４を介 してセンサデータまたはセンサ信号を受信し、更に他の情報を受信する。マイク ロプロセッサ１６は、マイクロプロセッサ１６とバス２４との間に設けられた標 準Ｉ／Ｏエレクトロニクスを用いてバス２４からデータを受信し、更にＩ／Ｏエ レクトロニクスを用いて他の周辺装置を制御する。ホストコンピュータシステム １２は、更にバス２４を介してインタフェース装置１４に「力コマンド」を出力 して、 インタフェース装置に対する力フィードバックをもたらす。 クロック１８は、マイクイロプロセッサ１６およびコンピュータシステムの他 の構成要素により用いられる電気信号にタイミングを与えるためにホストコンピ ュータシステム１２が使用する標準的なクロック水晶または等価な構成要素であ る。クロック１８は、続いて以下に示すように、本発明の制御プロセスにおいて ホストコンピュータシステム１２によりアクセスされる。 表示画面２０は、適切なディスプレイドライバによりホストマイクロプロセッ サ１６に結合され、ホストコンピュータシステム１２または他のコンピュータシ ステムにより生成される画像を表示するために使用される。表示画面２０は、標 準的な表示画面、またはＣＲＴ、３−Ｄゴーグル、もしくは他の視覚インタフェ ースとすることができる。本実施形態においては、表示画面２０は、シミュレー ション環境またはゲーム環境の画像を表示する。他の実施形態においては、他の 画像が表示される。例えば、仮想バーチャルリアリティシミュレーションやゲー ムにおけるように、一人称的視野からの観点を記述する画像を表示することがで きる。或いは、オブジェクト、背景などの第三者的視野を表す画像を表示するこ ともできる。ホストコンピュータ１２およびインタフェース装置１４のユーザ２ ２は、表示画面２０を見ることにより視覚フィードバックを受けることができる 。 本明細書では、コンピュータ１２は、コンピュータ「オブジェクト」または「 エンティティ」を表示させるものを指す場合がある。これらのコンピュータオブ ジェクトは、物理的なオブジェクトではなく、当業者には周知のように、表示画 面２０上のコンピュータ１２による画像として表示されるデータおよび／または 手順の論理ソフトウェアユニット集合である。例えば、カーソルや第三者的視界 の車は、画面を横切って移動できるプレーヤ制御コンピュータオブジェクトと考 えることができる。航空機の表示された模擬コックピットも「オブジェクト」と 考えることができ、あるいは模擬航空機をコンピュータ制御「エンティティ」と 考えることができる。 スピーカなどの音声出力装置２１は、当業者には周知のように、増幅器、フィ ルタ、および他の回路を介してホストマイクロプロセッサ１６に結合されている ことが好ましい。ホストプロセッサ１６は、スピーカ２１に信号を出力し、ホス トアプリケーションプログラムの実施の間に「音声事象」が生じるときユーザ２ ２に音響出力を与える。また、他の種類の周辺装置は、記憶装置（ハードディス クドライブ、ＣＤ ＲＯＭドライブ、フロッピディスクドライブなど）、プリン タ、その他の入出力装置のようなホストプロセッサ１６に結合されていてもよい 。 インタフェース装置１４は、双方向バス２４によりホストコンピュータシステ ム１２に結合されている。双方向バスは、ホストコンピュータシステム１２とイ ンタフェース装置との間のいずれかの方向に信号を送出する。本明細書では、用 語「バス」は、ホストコンピュータ１２およびマイクロプロセッサ２６間などの インタフェースであって、一つ以上の接続線または他の接続部材を通常含み、以 下に示すように多くの方法で実施することができるインタフェース、を一般的に 指すように意図されている。好適な実施形態においては、バス２４は、シリアル 通信プロトコルに従ってデータを供給するシリアルインタフェースである。ＲＳ ２３２シリアルインタフェースポートなどのホストコンピュータシステム１２の インタフェースポートは、バス２４をホストコンピュータシステム１２に接続す る。他の標準シリアル通信プロトコル、例えばＲＳ−４２２、ユニバーサルシリ アルバス（ＵＳＢ）、ＭＩＤＩ、または当業者に周知の他のプロトコル、をシリ アルインタフェースおよびバス２４で用いることも可能である。 例えば、ＵＳＢ規格は、高度のリアリズムを備える本発明において力フィード バック信号を供給することができる比較的高速のシリアルインタフェースを与え る。ＵＳＢはまた、周辺装置を駆動するより多くの電力のソースとなることもで きる。ＵＳＢにアクセスする各々の装置はホストコンピュータにより独自のＵＳ Ｂアドレスを割り当てられるので、これにより複数の装置が同じバスを共有する ことが可能になる。更に、ＵＳＢ規格は、微分データと共に符号化されるタイミ ングデータを含んでいる。ＵＳＢは、本明細書の全体を通じて説明するように、 本発明に対して有用な特徴を幾つか有している。 本発明の利点は、低帯域幅シリアル通信信号をインタフェース装置１４とのイ ンタフェースに用いることができ、これにより、多くのコンピュータの標準組込 みシリアルインタフェースを直接使用することが可能になることである。この他 に、ホストコンピュータシステム１２のパラレルポートは、パラレルバス２４に 結合することができ、ＳＣＳＩやＰＣパラレルプリンタバスなどの並列プロトコ ルを用いてインタフェース装置と通信を行うことができる。別の実施形態では、 バス２４は、例えば、プラグインカードおよびスロットまたはコンピュータシス テム１２の他のアクセスを用いてホストコンピュータシステム１２のデータバス に直接接続することができる。例えば、ＩＢＭ ＡＴ互換コンピュータでは、イ ンタフェースカードは、ＩＳＡ、ＥＩＳＡ、ＶＥＳＡローカルバス、ＰＣＩ、ま たはコンピュータのマザーボードに差し込まれる他の周知の標準インタフェース カードとして実装することができ、このインタフェースカードは、コンピュータ の主データバスに接続された入力および出力ポートを提供することができる。 他の実施形態においては、ホストコンピュータシステム１２とインタフェース 装置１４の間を連絡する追加バス２５が設けられる。通信信号に対する速度要求 は力フィードバック信号を出力するために比較的高いので、バス２４と共に用い られる単一のシリアルインタフェースは、現実に近い力フィードバックが得られ るほど十分に高い速度で信号をインタフェース装置との間で送受することができ ない。このような実施形態では、バス２４をホストコンピュータ１２の標準シリ アルポートに結合し、追加バス２５をホストコンピュータシステムの第２のポー トに結合することができる。例えば、多くのコンピュータシステムは、シリアル ＲＳ−２３２ポートの他に、ジョイスティックまたは同様のゲームコントローラ をコンピュータに接続するための「ゲーム」ポートを有している。２本のバス２ ４および２５を同時に用いてデータバス帯域幅を増加させることができる。例え ば、マイクロプロセッサ２６は、センサ信号を単方向バス２５とゲームポートを 介してホストコンピュータ１２に送出することができ、一方ホストコンピュータ １２は、力フィードバック信号をシリアルポートから単方向バス２４を介してマ イクロプロセッサ２６に出力することができる。他の実施形態では、データフロ ー構成の他の組み合わせを実施することができる。 インタフェース装置１４は、ローカルマイクロプロセッサ２６、センサ２８、 アクチュエータ３０、ユーザオブジェクト３４、任意選択センサインタフェース ３６、任意選択アクチュエータインタフェース３８、および他の任意選択入力装 置３９を有する。インタフェース装置１４は、バス２４上で標準プロトコルを介 しての通信のために付加的な電子部品を有する。好適な実施形態では、多数のイ ンタフェース装置１４がバス２４（または多数のバス２４）を介して単一のホス トコンピュータシステム１２に結合されており、これにより多数のユーザがホス トアプリケーションプログラム（例えば、マルチプレーヤゲームやシミュレーシ ョンにおけるもの）と同時にインタフェースすることができる。更に、当業者に は周知のように、多数のプレーヤが、ネットワーク化ホストコンピュータ１２を 用いてホストアプリケーションプログラムにおいて多数のインタフェース装置１ ４と対話することができる。 ローカルマイクロプロセッサ２６はバス２４に結合されており、インタフェー ス装置の他の構成要素との迅速な通信が可能になるようにインタフェース装置１ ４のハウジング内に含まれていることが好ましい。プロセッサ２６はインタフェ ース装置１４に対して「ローカル」と考えられる。本明細書では、「ローカル」 は、プロセッサ２６がホストコンピュータシステム１２における任意のプロセッ サから分離されたマイクロプロセッサであることを意味する。好ましくは「ロー カル」は、プロセッサ２６がインタフェース装置１４のセンサＩ／Ｏおよび力フ ィードバックに専用であり、インタフェース装置用のハウジング内やインタフェ ース装置１４に密接に結合されたハウジング内のように、プロセッサ２６がセン サ２８およびアクチュエータ３０に密接に結合されることも意味する。マイクロ プロセッサ２６には、コンピュータホスト１６からのコマンドまたはリクエスト を待機させ、コマンドまたはリクエストを復号し、更にコマンドまたはリクエス トに従って入力および出力信号を処理／制御するソフトウェア命令を与えること ができる。更にプロセッサ２６は、センサ信号を読み取り、それらのセンサ信号 、時間信号、およびホストコマンドに従って選択された反射プロセス（本明細書 では「サブルーチン」または「力感覚プロセス」とも呼ばれる）から適切な力を 計算することにより、ホストコンピュータ１６とは独立に動作する。ローカルマ イクロプロセッサ２６としての使用に適したマイクロプロセッサとしては、例え ばMotorola製のMC68HC711E9やMicrochip製のPIC16C74がある。マイクロプロセッ サ２６は、一つのマイクロプロセッサチップ、または複数のプロセッサチップお よび／またはコプロセッサチップを含んでいてもよい。他の実施形態においては 、 マイクロプロセッサ２６はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップを有してい てもよい。ＲＡＭおよび／またはＲＯＭなどのローカルメモリ２７は、好ましく はインタフェース装置１４内のマイクロプロセッサ２６に結合され、マイクロプ ロセッサ２６に対する命令を格納し、一時データおよび他のデータを格納する。 マイクロプロセッサ２６は、センサ２８から信号を受信し、バス２４を介してホ ストコンピュータ１２により与えられる命令に従ってインタフェース装置１４の アクチュエータ３０に信号を供給する。 更に、ローカルクロック２９は、ホストコンピュータ１２のシステムクロック １８と同様に、タイミングデータを供給するようにマイクロプロセッサ２６に結 合されていてもよい。このタイミングデータは、例えばアクチュエータ３０によ り出力される力（例えば、計算された速度または他の時間依存因子に依存する力 ）を計算するために必要となる場合がある。ＵＳＢ通信インタフェースを用いた 他の実施形態では、マイクロプロセッサ２６に対するタイミングデータをＵＳＢ 信号から取り出すことができる。ＵＳＢは、使用可能なデータストリームによっ て符号化されるクロック信号を有している。この他に、ＵＳＢのIsochronous（ ストリーム）モードは、標準データ転送速度からタイミング信号を引き出すこと ができる。ＵＳＢは、使用可能なSample Clock、Bus Clock、およびService Clo ckも有している。 例えば、ある実施形態では、ホストコンピュータ１２は、バス２４を介して低 水準力コマンドを供給することができる。これらのコマンドは、マイクロプロセ ッサ２６がアクチュエータ３０に直接供給する。この実施形態は、図４を参照し て更に詳細に説明する。異なる実施形態では、ホストコンピュータシステム１２ は、バス２４を介してマイクロプロセッサ２６に高水準監視コマンドを供給する ことができ、マイクロプロセッサ２６は、高水準コマンドに従ってセンサ２８お よびアクチュエータ３０に対する低水準力制御（「反射（reflex）」）ループを 管理する。この実施形態は、図５を参照して更に詳細に説明する。 マイクロプロセッサ２６はまた、好ましくは、較正パラメータを格納する電気 的に消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）または他の記憶装置２７ へのアクセスを有している。この較正パラメータは、同じ製造プロセスから形成 された異なるインタフェース装置の部品の異なる物理的特性、例えば物理的寸法 、のわずかな製造ばらつきを補償することができる。この較正パラメータは、イ ンタフェース装置１４が販売される前に製造業者により決定および格納され、あ るいは任意選択的にインタフェース装置のユーザがこれらのパラメータを決定す ることができる。これらの較正パラメータは、アクチュエータ３０に対する入力 センサ信号および／または出力力値を修正して、多数の製造済インタフェース装 置１４においてオブジェクト３４にほぼ同じ範囲の力を与えるために、プロセッ サ２６により用いられる。較正パラメータの実施例は、当業者には周知である。 マイクロプロセッサ２６はまた、インタフェース装置１４に含まれる他の入力 装置からコマンドを受信し、ホストコンピュータ１２に適当な信号を与えて、入 力情報が受信されていることおよび任意の情報が入力情報に含まれていることを 示すことができる。例えば、インタフェース装置１４上のボタン、スイッチ、ダ イアル、もしくは他の入力制御装置、またはユーザオブジェクト３４は、マイク ロプロセッサ２６に信号を供給することができる。 好適な実施形態では、センサ２８、アクチュエータ３０、およびマイクロプロ セッサ２６、および他の関連する電子部品は、ユーザオブジェクト３４が直接ま たは間接に結合されるインタフェース装置１４用のハウジングに含まれている。 この他に、マイクロプロセッサ２６および／またはインタフェース装置１４の他 の電子部品は、ユーザオブジェクト３４、センサ２８、およびアクチュエータ３ ０から分離されたハウジング内に設置してもよい。更に、オブジェクト３４に所 望の自由度を与えるために、追加の機械構造がインタフェース装置１４内に含ま れていてもよい。このような機構の幾つかの実施形態は、図７〜図１２を参照し て説明する。 センサ２８は、１以上の自由度に沿ってインタフェース装置１４のユーザオブ ジェクト３４の位置、動き、および／または他の特性を検出し、これらの特性を 表す情報を含む信号をマイクロプロセッサ２６に与える。ユーザオブジェクトの 実施例および与えられた自由度内での動きの例は、図７および８を参照して後述 する。通常、センサ２８は、オブジェクト３４を動かすことのできる各自由度に 対して用意される。この他に、単一の複合センサを用いて多自由度における位置 または動きを検出することができる。ここに示した幾つかの実施形態に適したセ ンサの例は、回転軸のまわりのオブジェクトの位置の変化を検出し、位置の変化 を示すデジタル信号を供給するデジタル光学エンコーダである。このエンコーダ は、例えば、回転自由度において二つの位相関連信号を生成することによりシャ フトの回転に応答する。線形光学エンコーダは、直線自由度に沿うオブジェクト ３４の位置の変化を同様に検出し、また直線自由度での直線シャフトの運動に応 じて二つの位相関連信号を生成することができる。相対的または絶対的センサの いずれかを用いることができる。例えば、相対的センサは単に相対的角度情報の みを与えるので、通常、相対的角度情報に対する基準位置を与える、ある形式の 較正ステップを必要とする。本明細書に示すセンサは、主として相対的センサで ある。従って、システムの電源投入の後に、暗示較正ステップ（implied calibr ation step）が存在する。このステップでは、センサシャフトがインタフェース 装置内の既知の位置に配置され、また、較正信号がシステムに供給されて上記の 基準位置が与えられる。これ以降、センサにより与えられる全ての角度は、その 基準位置を基準とするものである。この他に、基準位置を与えることができる既 知のインデックスパルスを相対的センサに供給することもできる。このような較 正方法は当業者には既知のものであり、従って本明細書では更に詳細な説明は行 わない。適切な光学エンコーダは、ワシントン州バンクーバのU.S.Digital製の “Ｓｏｆｔｐｏｔ”である。 センサ２８は、光学センサインタフェース３６に電気信号を供給する。このイ ンタフェースは、マイクロプロセッサ２６および／またはホストコンピュータシ ステム１２により翻訳可能な信号にセンサ信号を変換するために用いることがで きる。例えば、センサインタフェース３６は、センサ２８から二つの位相関連信 号を受信し、二つの信号を、双方向二進カウンタを駆動する他のクロック信号ペ アに変換する。この二進カウンタの出力は符号化されたシャフトの角度位置を表 す二進数としてマイクロプロセッサ２６により受信される。このような回路また は等価な回路は当業者には周知のものであり、例えばカリフォルニアのHewlettP ackard製のQuadrature Chip LS7166は、上記の機能を果たすものである。各々の センサ２８には、自身のインタフェースが設けられていてもよく、或いは一つの センサインタフェースが、複数のセンサからのデータを処理してもよい。例えば 、センサインタフェースは、入力データを供給する各センサ２８に専用の個別処 理チップを有していてもよい。この他に、マイクロプロセッサ２６は、個別セン サインタフェース３６を必要とすること無しにこれらのインタフェース機能を実 現することもできる。位置値信号は、マイクロプロセッサ２６が用いることがで き、また、ホストコンピュータシステム１２に送出される。ホストコンピュータ システム１２は、ホストアプリケーションプログラムを更新し、力制御信号を適 切なものとして送出する。例えば、ユーザがステアリングホイールオブジェクト ３４を動かすと、コンピュータシステム１２は、この動きを示す位置信号および ／または他の信号を受信し、表示されたユーザの視点を、あたかも車両の外を見 て車両の向きを変えているかのように移動させることができる。他のインタフェ ース機構も適当な信号をホストコンピュータシステム１２に供給するために用い ることができる。他の実施形態では、センサ２８からのセンサ信号をホストコン ピュータシステム１２に直接供給して、マイクロプロセッサ２６をバイパスする ことができる。また、センサインタフェース３６は、インタフェースボードまた はカード上におけるように、ホストコンピュータシステム１２内に含まれていて もよい。 この他に、センサ２８の全てまたは幾つかについては、デジタルセンサの代わ りにアナログセンサを用いることができる。例えば、オブジェクトの位置ではな くオブジェクト３４に作用する力を測定するひずみケージを接続することができ る。また、速度センサおよび／または加速度計を用いてオブジェクト３４に加わ る速度および加速度を直接測定することができる。アナログセンサは特定の自由 度のユーザオブジェクトの位置／速度／加速度を表すアナログ信号を供給するこ とができる。アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）は、アナログ信号をデジタル 信号に変換することができ、このデジタル信号は、当業者には周知のように、マ イクロプロセッサ２６および／またはホストコンピュータシステム１２により受 信され、解読される。検出されたオブジェクト３４の動きの分解能は、ＡＤＣの 分解能により制限される。しかしながら、ノイズがアナログセンサからのオブジ ェクト３４の小さな動きをマスクする場合が多く、これにより、本発明の幾つか の実施形態（以下で説明する）にとって重要な遊びが潜在的にマスクされること がある。 他のタイプのインタフェース回路３６も使用することができる。例えば、各々 のセンサに対して個別の処理チップを持つ電子インタフェースを用いることがで きる。このインタフェースは、マウスまたはスタイラスの位置を追跡することを 可能にし、センサおよびアクチュエータを用いてスタイラスに力フィードバック を与える。センサインタフェース３６は、センサ２８からの角度信号の読み取り 値をマイクロプロセッサ２６に送出する前に前処理する角度決定チップを有する 。例えば、データバスにチップイネーブルラインを加えると、角度決定チップの いずれかがマイクロプロセッサと通信できるようになる。角度決定チップのない 構成に最適なのは、追加処理なしで角度を直接示す出力信号を有し、これにより マイクロプロセッサ２６に対して要求する計算量を少なくし、従って前処理があ っても計算量の少ないてすむ絶対センサを有する実施形態である。センサ２８が 、単に角度の変化のみを示し、角度の完全な決定のために追加の処理が必要とな る相対センサのときは、角度決定チップが最も適している。 アクチュエータ３０は、マイクロプロセッサ２６から受信された信号に応じて 、１以上の自由度に沿って一つ以上の方向にインタフェース装置内１４のユーザ オブジェクト３４に力を送る。通常、アクチュエータ３０は、力の送出が望まれ る自由度の各々に対して用意される。アクチュエータ３０は、能動アクチュエー タと受動アクチュエータの二種類からなる。 能動アクチュエータには、線形電流制御モータ、ステッパモータ、空気圧／油 圧能動アクチュエータ、および力を送ってオブジェクトを動かす他の種類のアク チュエータが含まれる。例えば、能動アクチュエータは、回転自由度において軸 のまわりに回転シャフトを駆動させることができ、あるいは直線自由度に沿って 直線シャフトを駆動させることができる。本発明の能動トランスジューサは、好 ましくは双方向であり、これは、これらのトランスジューサが自由度のいずれか の方向に沿って力を選択的に送ることができることを意味している。例えば、Ｄ Ｃサーボモータは、力制御信号を受信して、シャフト上に生成されるトルク（力 出力）と方向を制御することができる。これらのモータは、シャフトの回転が短 い時間帯の間に停止できるようにするブレーキを有していてもよい。印加電圧の パルス幅変調で制御されるステッパモータや、空気圧／油圧アクチュエータ、ト ルカ（torquer；角度範囲が制限されたモータ）、ボイスコイルアクチュエータ など、当業者に周知の他の種類の能動モータを用いることもできる。 アクチュエータ３０については、受動アクチュエータも使用可能である。モー タの代わりに、あるいはモータの他に、磁気粒子ブレーキ、摩擦ブレーキ、また は空気圧／油圧受動アクチュエータを用いることができる。受動アクチュエータ のみを含む他の好適な実施形態は、モータを含むものほどリアルではないが、受 動アクチュエータは、ユーザが生成された力と争う必要がないことから、通常、 ユーザに対してより安全である。受動アクチュエータは、通常、動きの程度に対 して双方向の抵抗を与えることしかできない。インタフェース装置１４に適切な 磁気粒子ブレーキが、カリフォルニア州サンタモニカのForce Limited,Inc.から 市販されている。 他の実施形態では、センサ２８およびアクチュエータ３０の全てまたは幾つか は、センサ／アクチュエータ対トランスジューサとして一体的に含まれていても よい。光学エンコーダおよび電流制御モータの双方を含む本発明に適したトラン スジューサは、Maxon製の２０Ｗバスケット巻サーボモータである。 アクチュエータインタフェース３８は、任意選択的にアクチュエータ３０とマ イクロプロセッサ２６との間に接続可能である。インタフェース３８は、マイク ロプロセッサ２６からの信号を、アクチュエータ３０を駆動するのに適当な信号 に変換する。インタフェース３８は、電力増幅器、スイッチ、デジタル−アナロ グコントローラ（ＤＡＣ）、および他の構成要素を有していてもよい。能動アク チュエータ用のアクチュエータインタフェースの例は、図２を参照して説明する 。受動アクチュエータ用のアクチュエータインタフェースの例は、図３を参照し て説明する。他の実施形態では、インタフェース３８回路は、マイクロプロセッ サ２６内またはアクチュエータ３０内に設けることができる。 他の入力装置３９が任意選択的にインタフェース装置１４に含まれていて、入 力信号をマイクロプロセッサ２６に送出するようになっていてもよい。このよう な入力装置は、ボタン、ダイアル、スイッチ、または他の機構を含むことができ る。例えば、ユーザオブジェクト３４がジョイスティックである実施形態では、 他の入力装置として、例えばジョイスティックハンドルまたはベース上に設けら れ、かつゲームまたはシミュレーションに対するユーザからの入力を補足するた めに用いられる一つ以上のボタンを挙げることができる。このような入力装置の 動作は、当業者には周知である。 電源４０が任意選択的にアクチュエータインタフェース３８および／またはア クチュエータ３０に結合されていて、電力を供給するようになっていてもよい。 能動アクチュエータは、通常、個別の電源が駆動されることを要求する。電源４ ０は、インタフェース装置１４のハウジング内に含まれていてもよく、あるいは 例えば電源コードにより接続された別個の構成要素として設けることができる。 この他に、ＵＳＢまたは類似のプロトコルを用いたときは、インタフェース装 置１４は、ＵＳＢから電力を引き出すことができ、従って電源４０を必要とはし ない。この実施形態は、受動アクチュエータ３０を有する装置１４に最適である 。これは、受動アクチュエータが動作のための電源を殆ど必要としないからであ る。能動アクチュエータは、ＵＳＢから得られるものよりも更に多くの電力を必 要とする傾向があるが、この制限は多くの方法で克服できる。一つの方法は、イ ンタフェース１４がホストコンピュータ１２に対する一つ以上の周辺装置に見え るようにインタフェース１４を構成することである。例えば、ユーザオブジェク ト３４の所与の自由度の各々は、異なる周辺装置として構成することができ、自 身の電力割当分を受け取ることができる。これは、ホスト１２がインタフェース 装置１４により多くのパワーを割り当てることを可能にする。この他に、ＵＳＢ からの電力は、インタフェース装置１４によって貯蔵および調整することができ 、従ってアクチュエータ３０を駆動するために必要なときに使用することができ る。例えば、電力は所定時間にわたって蓄積された後、直ちに散逸され、ユーザ オブジェクト３４に対してジョルト力を与えることができる。例えば、コンデン サ回路がエネルギを蓄積し、十分な電力が蓄積されたときエネルギを散逸させる 。マイクロプロセッサは、力の出力を調整して、蓄積されるべき電力に対して許 容される時間を確保する必要がある。この電力蓄積態様は、インタフェース装置 １４の非ＵＳＢ形態でも使用することができ、これにより、より小さな電源４０ を使 用することができるようになる。 安全性のために、安全スイッチ４１がインタフェース装置に含まれていて、ユ ーザがアクチュエータ３０を無効にして停止することを可能にする機構や、ユー ザがアクチュエータ３０を作動させなければならないようにする機構が設けられ ていることが好ましい。ある種のアクチュエータ、特にモータのような能動アク チュエータは、アクチュエータがユーザオブジェクト３４を強い力で不意に移動 させるときは、ユーザに対して安全性の問題を与える。更に、制御システム１０ に故障が生じると、ユーザはアクチュエータを素早く停止させてけがを避けよう とする。このような選択肢を与えるため、安全スイッチ４１がアクチュエータ３ ０に結合される。好適な実施形態では、ユーザは、アクチュエータ３０を作動さ せるインタフェース装置１４の動作中、安全スイッチ４１を絶えず作動させ、あ るいは閉じていなければならない。任意の時点で、安全スイッチが停止すると（ 開かれると）、電源４０からの電力は、安全スイッチが停止している限りアクチ ュエータ３０に対して遮断される（或いは、アクチュエータが停止状態にされる ）。安全スイッチの好適な実施形態は、例えば、ユーザオブジェクト３４（ジョ イスティックなど）の上、またはインタフェース装置１４を収容するハウジング の都合のよい面上、に配置された光学スイッチである。ユーザが手または指で光 学スイッチをカバーすると、スイッチのセンサは周囲の光の検出を阻止され、ス イッチが閉じる。このため、アクチュエータ３０は、ユーザがスイッチを覆って いる限り機能する。他の実施形態では、他の種類の安全スイッチ４１を設置して もよい。例えば、静電接点スイッチを用いて接触を検出したり、ボタンやトリガ を押したり、異なる種類のセンサスイッチを使用することができる。 ユーザオブジェクト３４は、ユーザが握ったり、或いはユーザが触ったり制御 することの可能な装置または物品であって、インタフェース装置１４に結合され た装置または物品であることが好ましい。「握る」とは、ユーザがオブジェクト のグリップ部分を或る方法で、例えば手により、或いは障害者の場合は口を使っ て、開放自在にユーザの指先と係合させることを意味する。ユーザ２２は、オブ ジェクトを所与の自由度に沿って操作および移動させて、ユーザが表示画面２０ 上で見ているホストアプリケーションプログラムとインタフェースすることがで きる。オブジェクト３４は、ジョイスティック、マウス、トラックボール、スタ イラス、ステアリングホイール、医療機器（ラパロスコープ、カテーテルなど） 、プールキュー、ハンドグリップ、ノブ、ボタン、その他の物品とすることがで きる。 図２は、インタフェース装置１４の能動アクチュエータ３０用のアクチュエー タインタフェース３８の例を示す概略図である。この例では、アクチュエータ３ ０は、直線電流制御サーボモータである。アクチュエータインタフェース３８は 、ＤＡＣ回路４４および電力増幅回路４６を有する。 ＤＡＣ回路４４は、マイクロプロセッサ２６に結合され、好ましくはマイクロ プロセッサ２６から力値を表すデジタル信号を受信する。ＤＡＣ４８は、入力デ ジタル信号を電力増幅回路４６に出力されるアナログ電圧に変換するのに適して いる。適切なＤＡＣ４８は、National Semiconductor製のＤＡＣ１２２０などの 並列ＤＡＣであり、これは外部の一般的なオペアンプ５０と共に動作するように 設計されている。オペアンプ５０は、例えば、その入力において、二進数に比例 する０から−５ボルトの信号を出力する。オペアンプ５２は、出力電圧を対称バ イポーラ範囲に変換する反転加算増幅器である。オペアンプ５２は、オペアンプ ５０の出力を反転し、その出力から２．５ボルトを減算することにより−２．５ Ｖ〜＋２．５Ｖの出力信号を生成する。この出力信号は、増幅回路４６における 電力増幅に適している。例えば、Ｒ１＝２００ｋＷ、Ｒ２＝４００ｋＷである。 勿論、ＤＡＣ回路４４は、デジタル信号を所望のアナログ信号に変換するために 用いることができる多くの可能な回路の一つの例として意図されている。 電力増幅回路４６は、ＤＡＣ回路４４からアナログ低電力制御電圧を受け取り 、アクチュエータ３０を制御する電圧を増幅する。アクチュエータ３０は、高電 力電流制御サーボモータ３０である。入力電圧は、増幅器５４と幾つかの抵抗器 とからなるトランスコンダクタンス段を制御する。このトランスコンダクタンス 段は、モータ３０を駆動する入力電圧に比例する出力電流を生成し、入力電圧源 から微小な電流を引き出す。増幅器５６、抵抗器、およびコンデンサＣを含む第 二の増幅段は、モータ３０の第二端子５７の電圧スイングを増強することにより 付加的な電流容量を与える。電力増幅回路４６に対する値の例は、Ｒ＝１０ｋＷ 、 Ｒ２＝５００Ｗ、Ｒ３＝９．７５ｋＷ、およびＲ４＝１Ｗである。勿論、回路４ ６は、能動アクチュエータ３０を駆動する電圧を増幅するために用いることがで きる多くの可能な回路の一例として意図されている。 図３は、受動アクチュエータと共に使用できるアクチュエータインタフェース ３８′の例を示す概略図である。インタフェース３８′は、アナログ電圧を用い て制御される受動アクチュエータ（ダンパ）、例えば流体制御受動ダンパと共に 使用できる可変ソレノイドや磁気粒子ブレーキ、と共に使用するのに適している 。インタフェース３８′は、ＤＡＣ回路４４、増幅器６０、トランジスタ６２、 および電圧プロテクタ６４を有する。ＤＡＣ回路４４は、マイクロプロセッサ２ ６に結合されており、ユーザオブジェクト３４に印加されるべき抵抗性力値を表 すデジタル信号をコンピュータシステムから受信する。ＤＡＣ回路４４は、この デジタル信号電圧をアナログ電圧に変換する。この電圧は、この後、増幅器６０ に出力される。適切なＤＡＣは、Maxim製のMAX５３０ACNGや、図２を参照して上 記したＤＡＣ回路４４である。増幅器６０は、ＤＡＣ４４からのアナログ電圧を 正の端子で受け取り、この電圧信号をアクチュエータ３０により使用可能な範囲 にスケーリングする。増幅器６０は、演算増幅器などとして実施できる。トラン ジスタ６２は、増幅器６０の出力に結合され、好ましくは、増幅した出力電流を アクチュエータ３０に供給する増幅器として動作する。抵抗器Ｒ１が増幅器６０ とトランジスタ６２との間に結合され、また抵抗器Ｒ２が増幅器６０とグラウン ドとの間に結合される。例えば、抵抗器Ｒ１とＲ２はそれぞれ１８０ｋΩと１２ ０ｋΩの値を持ち、回路中に適切なバイアスを与える。電圧プロテクタ６４はト ランジスタ６２のエミッタに結合され、誘導性負荷を用いたとき電圧スパイクか らの保護を与える。この回路と共に用いられる適切な受動アクチュエータ３０は 、可変ソレノイドまたは磁気粒子ブレーキを有する。インタフェース装置で実施 されるアクチュエータ３０の各々に対して別個のＤＡＣと増幅器が用いられ、マ イクロプロセッサ２６および／またはホストコンピュータシステム１２は各々の 所与の自由度に対して個別に各々のアクチュエータを制御することができる。イ ンタフェース３８′は、コンピュータシステムをアクチュエータにインタフェー スするために用いることができる多くの可能な回路の一例として意図されている 。 他の実施形態では、オン／オフ信号は、例えば流体制御アクチュエータのオン ／オフ弁を駆動するソレノイドに対してしか必要とされない可能性がある。この ような実施形態では、例えばトランジスタが、そのベース端子においてマイクロ プロセッサ２６に電気的に結合され、オン／オフアクチュエータ３０におけるソ レノイドの作動を制御する電気スイッチとして動作する。ＴＴＬ論理信号などの 力信号がトランジスタを制御するために送出され、電流がソレノイドを流れてソ レノイドを作動させオブジェクト４３の自由な運動を可能にするか、あるいは電 流が流れないようにしてソレノイドを停止状態にし運動に抵抗を与えるようにす る。 図４は、本発明の力フィードバックインタフェース装置を制御する方法７０の 第１の実施形態を示す流れ図である。方法７０は、「ホスト制御」態様に対する ものである。この態様では、ホストコンピュータシステム１２がマイクロプロセ ッサ２６にダイレクト低水準力コマンドを与え、また、マイクロプロセッサがア クチュエータ３０にこれらの力コマンドを直接与えてアクチュエータにより出力 された力を制御する。 例えば、このホスト制御モードは、ＵＳＢ通信インタフェースを用いた実施形 態に適している。データレートは十分高く、ホストが５００Ｈｚ以上で通信する ことを可能にし、ユーザオブジェクト３４に現実に近い力フィードバックを与え る。ＵＳＢのUSB Isochronous Data Transferモードは、必要な高いデータレー トを与えるのに適している。 プロセスは７２から始まる。ステップ７４において、ホストコンピュータシス テム１およびとインタフェース装置１４は、例えばユーザ作動式電源スイッチに よって電源投入される。ステップ７４の後、プロセス７０は二つの並列（同時） プロセスに分岐する。一方のプロセスはホストコンピュータシステム１２上で実 施され、他方のプロセスはローカルマイクロプロセッサ２６上で実施される。こ れらの二つのプロセスは、ステップ７４から、この同時性を示す異なる方向に分 岐する。 ホストコンピュータシステムプロセスでは、ステップ７６が先ず実施される。 ステップ７６では、アプリケーションプログラムが処理され、更新される。この アプリケーションは、シミュレーション、ビデオゲーム、科学プログラム、また は他のプログラムとすることができる。画像がユーザのために出力表示画面２０ に表示され、音声フィードバックなどの他のフィードバックが与えられるように なっていてもよい。 二つの分岐はステップ７６を出て、ホストコンピュータシステム１２で同時に 実行される二つのプロセスがあることを示している。一つのプロセスでは、ステ ップ７８が実施される。このステップでは、センサデータがローカルマイクロプ ロセッサ２６からホストコンピュータにより受信される。以下に示すように、マ イクロプロセッサプロセスでは、ローカルプロセッサ２６はセンサ２８から信号 を連続的に受信し、生データを処理し、処理したセンサデータをホストコンピュ ータ１２に送出する。あるいは、ローカルプロセッサ２６は、生データを直接ホ ストコンピュータシステム１２に送出する。本明細書で用いる「センサデータ」 は、１以上の自由度でオブジェクト３４の動きを検出するセンサ２８から得られ た位置値、速度値、および／または加速度値を含んでいてもよい。更に、インタ フェース装置１４上のボタンがユーザにより作動させられているということを示 す信号など、他の入力装置３９から受信された他のデータもステップ７８におい てセンサデータとしてホストコンピュータシステム１２により受信される。最後 に、用語「センサデータ」は、以前に記録され、速度を計算するために保存され た位置値などの値の履歴を含んでいてもよい。 センサデータがステップ７８で読み出された後、プロセスはステップ７６に戻 る。ステップ７６では、ホストコンピュータシステム１２は、オブジェクト３４ のユーザによる操作およびステップ７８で受信された他のユーザ入力に応じてア プリケーションプログラムを更新し、力が並列プロセスでオブジェクト３４に加 えられる必要があるかどうかを判断する。ステップ７８は、ローカルプロセッサ ２６からデータを読み取る連続ループで実施される。 ステップ７６からの第二の分岐は、オブジェクト３４を操作するユーザに力フ ィードバックを与える力コマンドを決定するホストコンピュータのプロセスに関 する。これらのコマンドは、本明細書では「低水準」力コマンドとして説明され 、図５の実施形態で説明される「高水準」コマンドまたは監視力コマンドと区別 さ れる。低水準力コマンドは、特定の大きさの力をアクチュエータが出力するよう に指令する。例えば、低水準コマンドは、通常、大きさ力値、例えばアクチュエ ータが所望の大きさ値の力を加えることを命令する等価な信号、を含んでいる。 低水準力コマンドはまた、アクチュエータが選択された方向に力を加えることが できる場合に力の方向を示し、および／またはアクチュエータにより要求される 他の低水準情報を示すことができる。 第二の分岐はステップ８０で始まる。このステップでは、ホストコンピュータ システムが、ユーザオブジェクト３４に加えられた力の変化が要求されているか どうかをチェックする。これは幾種類かの基準により判断される。これらの基準 のうちの最も重要なものは、ステップ７８で読み取られたセンサデータ、タイミ ングデータ、およびステップ７６で更新されたアプリケーションプログラムの実 施または「事象」である。ステップ７８で読み取られたセンサデータは、ユーザ がアプリケーションプログラムと対話している方法をホストコンピュータ１２に 通知する。ホストコンピュータシステム１２は、所定時間にわたって検出された オブジェクト３４の位置から、いつ力をオブジェクトに印加すべきかを決定する 。例えば、ホストコンピュータがビデオゲームアプリケーションを実施している 場合は、ゲーム内でのコンピュータ生成オブジェクトの位置によって、力フィー ドバックの変化が求められているかどうかを判断することができる。ユーザが模 擬レースカーを制御しているときは、ユーザオブジェクトジョイスティックの位 置によって、レースカーが壁の中を移動しているかどうかが判断され、これによ り、衝突力をジョイスティック上に生成すべきかどうかが判断される。更に、ユ ーザオブジェクトの速度および／または加速度は、オブジェクトに対する力の変 化が必要かどうかに影響を与える。ユーザがゲームにおいてテニスラケットを制 御しているときは、特定の自由度のユーザオブジェクトジョイスティックの速度 によって、テニスボールが打たれたどうかが判断され、これにより、適当な力を ジョイスティックに加えるべきかどうかが判断される。更に、インタフェース装 置１４においてボタンまたは他の制御装置をユーザが作動させるなどといった他 の入力は、それらの制御装置が如何にプログラムされてアプリケーションプログ ラムに影響を与えるかに応じて、オブジェクト３４に要求される力を変化させる こと ができる。 力の変化が必要かどうかを判断するための他の基準には、アプリケーションプ ログラム中の事象が含まれる。例えば、ゲームアプリケーションプログラムは、 ユーザオブジェクト３４の位置データとは無関係に、ゲーム中の他のオブジェク トがユーザにより制御されたオブジェクトと衝突しようとしていることを（恐ら くランダムに）判断することができる。従って、力は、衝撃をシミュレートする この衝突事象に依存してユーザオブジェクトに加えられるべきである。力は、こ のような事象とステップ７８で読み取られたセンサデータとの組み合わせに依存 して、ユーザオブジェクト上に要求されるようになっていてもよい。アプリケー ションプログラムにおける他のパラメータは、ホストコンピュータシステム１２ に接続されてアプリケーションプログラムにデータを入力する他の入力装置やユ ーザインタフェース装置などのユーザオブジェクトに対する力の変化が必要かど うかを決定する（他のインタフェース装置は直接接続してもよいし、ネットワー クなどを介して遠隔的に接続してもよい）。 ステップ８０において力の変化が現在のところ要求されていないときは、プロ セスはステップ７６に戻ってホストアプリケーションを更新し、ステップ８０に 戻って、力のこのような変化が要求されるまで再度チェックを行う。このような 変化が要求されると、ステップ８２が実施される。このステップでは、ホストコ ンピュータ１２は、インタフェース装置１４のアクチュエータ３０に送出される 適切な低水準力コマンドを決定する。この力コマンドは、選択された力感覚プロ セス、センサデータ、ホストアプリケーション、およびクロック１８に依存する 。 この低水準力コマンドは、選択された力感覚プロセスから部分的に決定するこ とができる。本明細書で用いられる「反射プロセス（reflex process）」または 「力感覚プロセス（force sensation process）」（「サブルーチン」とも呼ば れる）は、ステップ７８で読み出されたセンサデータやクロック１８からのタイ ミングデータ等のような他のパラメータに依存する力コマンドを与える一組の命 令である。本実施形態では、力感覚プロセスは、幾つかの異なるタイプのステッ プおよび／または命令を含む。あるタイプの命令は、ホストコンピュータ１２が センサおよびタイミングデータに基づいて力値を計算またはモデル化するために 使 用できる方程式を含む力アルゴリズムである。数タイプのアルゴリズムを用いる ことができる。例えば、力がオブジェクト３４の位置と線形に（または非線形に ）変化するアルゴリズムを用いて、ばねのような疑似力を与えることができる。 力がオブジェクト３４の速度と共に線形に変化するアルゴリズムを用いて、疑似 制動力または他の力を与えることもできる。力がオブジェクト３４の加速度と共 に線形に（または非線形に）変化するアルゴリズムを用いて、例えば、質量に関 する疑似慣性力を与えたり（線形変化の場合）、疑似重力引張力を与える（非線 形変化の場合）ことができる。このような力を計算するために用いられる数タイ プの疑似力およびアルゴリズムは、スタンフォード大学デザインリサーチセンタ ーのLouis B.Rosenbergによる「仮想剛性面接触の知覚設計（Perceptual Design of a Virtual Rigid surface contact）」（Report number AL/CF-TR-1995-002 9、1993年4月）に示されている。この文献は、参照文献として本明細書に組み込 まれる。 ユーザオブジェクト３４の速度および加速度に依存する力値に対して、速度お よび加速度は多様な方法で与えることができる。ステップ７８でホストコンピュ ータ１２により読み取られたセンサデータは、位置データ、速度データ、および 加速度データを含んでいる。好適な実施形態では、速度および加速度データが予 めマイクロプロセッサ２６により計算され、次にホストコンピュータ１２に与え られる。かくして、ホストコンピュータは、力値を計算するアルゴリズムにおい て直接速度および加速度データを用いることができる。他の実施形態では、ステ ップ７８で読み取られたセンサデータは、位置データを含み、速度または加速度 データは含まず、従ってホストコンピュータ１２は位置データから速度および加 速度を計算する必要がある。これは、過去の位置値を多数記録し、このような位 置値の各々がシステムクロック１８を用いて受信された時間を記録し、このよう なデータから速度および／または加速度を計算することによって実現される。 例えば、減衰定数を乗じたユーザオブジェクトの速度に基づいて力を計算する 運動方程式を用いて、ユーザオブジェクトに対する制動力を計算することができ る。この種の方程式は、流体や同様の材料を通過する１自由度に沿ったオブジェ クト３４の運動をシミュレートすることができる。例えば、液体などの疑似材料 を通過して動くときにオブジェクト３４が遭遇する抵抗の度合を示す減衰定数を 最初に選択することができる。ここで、大きな数ほど大きな抵抗を示す。例えば 、水は、オイルまたはシロップより低い減衰定数を有する。ホストコンピュータ は、ユーザオブジェクト３４の（特定の自由度に沿った）前の位置を呼び戻し、 ユーザオブジェクトの現在の位置を調べ、更に位置の差を計算する。差の符号（ 負または正）から、オブジェクト３４の運動の方向も決定することができる。こ の後、位置の変化量を乗じた減衰定数に等しくなるように力が設定される。この アルゴリズムに基づいてアクチュエータを制御したコマンドが、ユーザオブジェ クトの動きに比例した力を生成して、流体を通過する運動をシミュレートする。 他の媒体における動き、例えば凹凸面や傾斜面の上での動きなどは、力を計算す る異なる方法を用いて同様にシミュレートする事ができる。 力コマンドの決定は、システムクロック１８からアクセスされたタイミングデ ータにより影響を受けると好適である。例えば、上記の制動力の例では、ユーザ オブジェクト３４の速度は、ユーザオブジェクトの位置の差を計算し、減衰定数 を乗じることにより決定される。この計算はデータ点の間に一定の時間間隔を想 定している。すなわち、オブジェクト３４の位置データは、ホストコンピュータ １２によって規則的な所定の時間間隔で受信されると仮定されている。しかし、 このようなことは、異なるコンピュータプラットフォームの異なる処理速度や、 単一ホストマイクロプロセッサ１６での処理変動、例えばマルチタスク、に起因 して、実際に生じることはない。従って、本発明では、ホストコンピュータは、 好ましくはクロック１２にアクセスして、最後の位置データが受信されてからど れだけの時間が実際に経過したかを求める。制動力の例では、ホストコンピュー タは、位置の差を取得することができ、またそれをある時間尺度で除算してタイ ミングの差を考慮することができる。このように、ホストコンピュータは、ユー ザに対する力および力感覚の変調にクロックのタイミングデータを用いることが できる。タイミングデータは、本発明の力感覚プロセスや他のアルゴリズムで用 いることができ、プラットフォームの種類やホストコンピュータ１２で利用可能 な処理時間にかかわらず、反復可能で一貫した力フィードバックを与えることが できる。 力感覚プロセスには、他の命令が含まれていてもよい。例えば、所望の方向に のみ力を与えたり、他の特定の状況でのみ力を与えるような条件が含まれていて もよい。例えば、壁などの仮想の障害をシミュレートするためには、力は一方向 （単方向）にのみ加えられるべきである。多くの受動アクチュエータの場合、双 方向の抵抗力しか加えることができない。単方向の抵抗をシミューレートするた めに、仮想障害力感覚プロセスに条件が含まれていてもよい。仮想障害力感覚プ ロセスにおけるこのような条件の例は、図１２を参照して説明する。また、ホス トコンピュータ１２（または図５の実施形態におけるマイクロプロセッサ２６） が低水準コマンドまたは力値を出してユーザオブジェクト３４に対してゼロ力を 与える（すなわち、全ての力を取り除く）ことを指示する「ヌル」反射プロセス も使用することができる。 他のタイプの力感覚プロセスは、力をモデル化するアルゴリズムを用いないが 、代わりに、予め計算され、またはサンプリングされ、更にメモリまたは他の記 憶装置にデジタル化「力プロファイル」として格納されている力値を用いる。こ れらの力値は、上述したように方程式またはアルゴリズムを用いて予め生成され 、あるいは力をサンプリングしてデジタル化することより与えられる。例えば、 ユーザに特定の力感覚を与えるため、ホストコンピュータ１２は、力感覚プロセ スにより命令を受けて、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードデイスクなどの特定の記憶装置 から連続した力値を取り出すことができる。これらの力値は低レベレコマンドで 直接アクチュエータに送られ、ホストコンピュータ１２を必要とせずに特定の力 を与えることができる。更に、既に格納された力値を他のパラメータに対して出 力することができ、これにより、一組の格納力値から異なるタイプの力および力 感覚を与えることができる。例えば、システムクロック１８を用いると、格納さ れた力値が、所望の力に依存して変化しうる特定の時間間隔に従って順次に出力 されるようにすることができる。或いは、取り出された異なる力値が、ユーザオ ブジェクト３４の現在の位置に応じて出力されるようにすることができる。 ホストコンピュータ１２は、新たに選択された反射プロセスまたは予め選択さ れた反射プロセスに従って、ステップ８２において力コマンドを決定することが できる。例えば、これが２回目以降のステップ８２の反復である場合、ホストア プリケーションプログラムによって決定されたように、パラメータ（オブジェク ト３４の位置など）が許すのであれば、前回の反復におけるものと同じ反射プロ セスを再度実施することができる。 ステップ８２で決定された力コマンドは、他のパラメータをチェックする命令 にも依存する。これらの命令は、上記の反射プロセス内に含まれていてもよいし 、反射プロセス外に含まれていてもよい。このようなパラメータの一つは、実施 されたホストアプリケーションプログラム（あったとして）により与えられる値 である。このアプリケーションプログラムは、特定の力コマンドを出力する必要 があること、あるいはこのアプリケーションプログラムまたは他の命令内で生じ る事象に基づいて反射プロセスを実施する必要があることを判断することができ る。力コマンドまたは力値は、センサデータとは独立にホストアプリケーション プログラムによって与えられる。また、ホストアプリケーションプログラムは、 自身の特定の位置データ、速度データ、および／または加速度データを選択反射 プロセスに与え、ユーザオブジェクト３４の操作には基づかないがアプリケーシ ョンプログラム中の事象をシミュレートするために与えられる力を計算または提 供することができる。このような事象には、ユーザ制御コンピュータ画像が仮想 面または仮想構造に衝撃を与えるときに生じるような衝突事象が含まれる。更に 、ホストコンピュータ１２に接続された他の入力装置は、事象に影響を与え、従 ってユーザオブジェクト３４に加えられる力に影響を与える。例えば、単一のホ ストコンピュータに接続された複数のインタフェース装置１４からのセンサデー タは、ホストアプリケーションプログラムのコンピュータ制御画像／オブジェク トおよび事象に影響を与えることにより、他の接続インタフェース装置で感じら れる力に影響を与えることができる。 また、ステップ８２で決定された力コマンドは、ホストコンピュータ１２への 他の入力、例えばインタフェース装置１４中（またはその外部）のボタンや他の 入力装置の作動、に基づいていてもよい。例えば、特定のアプリケーションプロ グラムは、ユーザがジョイスティックのファイヤボタンを押すときは常にジョイ スティックに力が加わることを要求する。 上記の反射プロセスおよび他のパラメータを用い、ユーザオブジェクト３４を 介してユーザに種々の触覚を与え、多様な触覚事象をシミュレートすることがで きる。例えば、一般的な触覚には、仮想的な減衰（上述したもの）、仮想障害、 仮想質感が含まれる。仮想障害は、シミューレーション、ゲームなどにおける壁 、障害、および他の単方向力をシミュレートするために与えられる。ユーザがコ ンピュータ画像をジョイスティックにより仮想障害に移動させると、ユーザは、 彼または彼女がその方向にジョイスティックを移動させ続けるとき物理的抵抗を 感じる。ユーザがオブジェクトを障害から離れるように動かすと、単方向力が除 去される。このようにして、画面上に表示された仮想障害が物理的性質を持つと いう説得力のある感覚がユーザに与えられる。同様に、仮想質感が用いられ、表 面状態や同様の質感をシミュレートすることができる。例えば、ユーザがジョイ スティックまたは軸に沿う他のユーザオブジェクトを動かすと、ホストコンピュ ータは、迅速な一連のコマンドを送り、反射プロセスのように、１）その軸に沿 って抵抗を加え、２）次に、その軸に沿った抵抗の印加を直ちに停止することを 繰り返す。この頻度はジョイスティックハンドルの移動に基づいており、従って 空間位置との相関を有している。このため、ユーザは、質感という物理的感覚を 感じることができる。この質感は、格子の上でスティックを引きずる感覚と説明 することができる。 次のステップ８４では、ステップ８２において決定された低水準力コマンドが バス２４を介してマイクロプロセッサ２６に出力される。この力コマンドは、通 常、上記のパラメータに従って決定された力値を有する。この力コマンドは、マ イクロプロセッサ２６によって単にアクチュエータ３０に中継される実際の力信 号として出力されてもよいし、あるいはアクチュエータ３０に送出される前にマ イクロプロセッサ２６によって適当な形式に変換されてもよい。更に、低水準力 コマンドは、どのアクチュエータがこの力値を受け取ることになっているかをマ イクロプロセッサ２６に示す情報を含んでいることが好ましい（複数のアクチュ エータがインタフェース装置１４に含まれている場合）。次に、本プロセスはス テップ７６に戻り、ホストアプロケーションプロセスを処理／更新する。このプ ロセスはステップ８０に続き、ステップ８０では、ホストコンピュータは、異な る力コマンドを上記のパラメータにより決定されたものとして出力すべきかどう かをチェックする。もしそうなら、ステップ８４で新しい力コマンドが決定され 、出力される。力の変化が要求されないときは、マイクロプロセッサ２６が前回 の力コマンドをアクチュエータ３０に出力し続けることができるので、ホストコ ンピュータ１２は、他のコマンドを発することはない（この他に、ホストコンピ ュータ１２は、力の変化が要求されてもコマンドを出力し続けるようになってい てもよい）。ステップ８４における後続の力コマンド出力は、ステップ８２のパ ラメータに応じて、同じ反射プロセスまたは異なる反射プロセスに従って決定す ることができる。 更に、ホストコンピュータ１２は、好ましくは、任意の適切な視覚フィードバ ック、聴覚フィードバック、またはホストアプリケーションに関連する他のフィ ードバックを、ユーザオブジェクト３４への力の印加に同期させる。例えば、ビ デオゲームアプリケーションでは、表示画面２０上でユーザと衝突するオブジェ クトなどの視覚事象の立上りまたは開始は、これらの視覚事象に対応し、あるい はこれらの視覚事象を補足するユーザによって感じられる力の立上りまたは開始 に同期される必要がある。視覚事象および力事象の立上りは、互いり約３０ミリ 秒（ｍｓ）以内に生じることが好ましい。この時間の長さは、同時のものとして 事象を知覚する人間の知覚能力の一般的な限界である。視覚事象および力事象が この範囲外で生じるときは、通常、事象間のタイムラグが知覚される。同様に、 ホストアプリケーションにおける聴覚事象の立上りに対応する聴覚信号の出力は 、これらの聴覚事象に対応／補足する出力力の立上りに同期して出力される。再 び、これらの事象の立上りは、互いの約３０ｍｓ以内に生じることが好ましい。 例えば、ホストコンピュータシステム１２は、スピーカ２１からの爆発音を、シ ミュレーションにおけるその爆発からユーザによって感じられる力に時間的にで きるだけ近接して出力することができる。好ましくは、この音の大きさは、ユー ザオブジェクト３４により印加された力の大きさに正比例（反比例とは逆）して いる。例えば、シミュレーションの間、遠い（仮想）距離における爆発の低い音 は、ユーザオブジェクト３４に小さな力を生じさせ、大きな「近い」爆発によっ て大きな音がスピーカから出力され、対応する大きな力がオブジェクト３４に出 力されるようになっていてもよい。 ローカルマイクロプロセッサ２６は、ステップ７４から分岐して上記のホスト コンピュータプロセスと並列にステップ８６から開始するプロセスを実施する。 ステップ８６では、インタフェース装置１４が作動状態にされる。例えば、ホス トコンピュータ１２とインタフェース装置１４との間に信号を送出することで、 インタフェース装置が現在アクティブであることを知らせてもよい。ステップ８ ６から、二つのプロセスが分岐して、ローカルプロセッサ２６上で同時に実行さ れる（マルチタスクする）二つのプロセスが存在することを示す。一つのプロセ スでは、ステップ８８が実施され、プロセッサ２６がセンサ２８から生データ（ センサの読み取り値）を読み取る。このような生データは、好ましくは所与の自 由度に沿ってユーザオブジェクトの位置を記述する位置の値を含んでいる。好適 な実施形態では、センサ２８は相対センサであり、この相対センサは、最後の位 置が読み取られてからの位置の変化を記述する位置値を与える。プロセッサ２６ は指示された基準位置からの相対位置を測定することにより絶対位置を決定する ことができる。他の実施形態では、センサ２８は、オブジェクト３４の生の速度 値および加速度値を与える速度センサおよび加速度計を有していてもよい。ステ ップ８８で読み出された生データは、インタフェース装置１４の作動ボタンや他 の制御装置３９からの入力など、他の入力を有していてもよい。 次のステップ９０では、プロセッサ２６は、適当であれば、受信された生デー タを処理してセンサデータにする。好適な実施形態では、この処理は二つのステ ップを含む。すなわち、生位置データからの速度値および／または加速度値を計 算するステップ（速度および／または加速度が力を計算するのに必要とされると き）と、計算された速度および加速度データを濾波するステップと、を含んでい る。速度値および加速度値は、ステップ８８で受信された生位置データならびに 格納された位置値および時間値から計算される。好ましくは、プロセッサ２６は 、一連の位置値と、位置値が受信された時点に対応する時間値と、を格納する。 プロセッサ２６は、自身のシステムクロックまたはローカルシステムクロック（ 図１には図示せず）を用いてタイミングデータを求める。速度と加速度は、当業 者には周知のように、格納された位置データとタイミングデータを用いて計算さ れる。次に、計算された速度値および／または加速度値を濾波して、データから ノ イズ、例えば速度計算においてオブジェクト３４の位置の急速な変化から生じる ことのある大きなスパイク、を除去することができる。このように、本実施形態 におけるセンサデータは、位置、速度、加速度、およびその他の入力データを含 んでいる。他の実施形態では、プロセッサ２６に電気的に結合されるがプロセッ サ２６から分離した回路が生データを受信し、速度および加速度を決定すること ができる。例えば、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）やディスクリートな論理回路 は、カウンタなどを用いて速度と加速度を決定し、マイクロプロセッサ２６上で の処理時間を節約することができる。 この他に、ステップ９０を省略し、プロセッサ２６が生位置データ（および他 の入力装置３９からの他の入力データ）をホストコンピュータ１２に供給するよ うになっていてもよい。これにより、ホストコンピュータ１２が位置データから 速度および加速度を濾波して計算することが必要となる。このように、プロセッ サ２６がこの処理を実行してホストコンピュータ１２で行われる処理の量を減少 させことが好適である。他の実施形態では、濾波がホストコンピュータ１２で行 われ、速度および加速度計算はプロセッサ２６で行われる。更に、速度および／ または加速度センサを用いて生の速度および加速度データを与える実施形態では 、速度および／または加速度の計算は省略できる。ステップ９０の後、ステップ ９１が実施される。このステップでは、プロセッサ２６は、処理されたセンサデ ータをバス２４を介してホストコンピュータ１２に送出する。次に、プロセスは ステップ８８に戻り、生データを読み取る。ステップ８８、９０および９１はこ のように連続して実施され、現在のセンサデータをホストコンピュータシステム １２に与える。 ステップ８６からの第二の分岐は、アクチュエータ３０を制御して、ホストコ ンピュータ１２により計算された力をオブジェクト３４に与えるプロセッサ２６ に関係する。第二の分岐はステップ９２から開始し、このステップでは、低水準 力コマンドがバス２４を介してホストコンピュータ１２から受信されたか否かを プロセッサ２６がチェックする。受信されていない場合、プロセスはこのような 力コマンドを連続的にチェックする。力コマンドが受信された場合は、ステップ ９４が実施される。このステップでは、プロセッサ２６が低水準プロセッサ力コ マンドを指定されたアクチュエータに出力し、出力力を所望の大きさ、方向など に設定する。この力コマンドは、ホストコンピュータからの受信低水準コマンド と同等であってもよいし、あるいは、プロセッサ２６が任意選択的に力コマンド をアクチュエータ３０により使用可能な適当な形態に変換してもよい（あるいは 、アクチュエータインタフェース３８がこのような変換を行ってもよい）。次に 、プロセスはステップ９２に戻り、ホストコンピュータ１２からの他の力コマン ドをチェックする。 図５は、本発明の力フィードバックインタフェース装置１４を制御する方法１ ００の第２の実施形態を示す流れ図である。方法１００は「反射」形態に対する ものである。この形態では、ホストコンピュータシステム１２は、マイクリプロ セッサ２６に高水準監視力コマンド（「ホストコマンド」）しか与えず、マイク ロプロセッサ２６は、独立した「反射」として低水準力コマンド（力値）をアク チュエータ３０に与えて、アクチュエータによる力出力を制御する。 図５のプロセスは、標準ＲＳ−２３２シリアルインタフェースなどの低速通信 インタフェースに適している。しかしながら、図５の実施形態は、ローカルマイ クロプロセッサがホストプロセッサ１６からの計算負荷を解放するので、ＵＳＢ などの高速通信インタフェースにも適している。更に、この実施形態は、直送コ マンドプロトコルを与えることができる。その例は図９および１４を参照して説 明するが、これにより、ソフトウェア開発者がホストアプリケーションにおいて 容易に力フィードバックを与えることが可能になる。この実施形態では、例えば 、より遅いＵＳＢの「割込みデータ転送」モードを用いることができる。 このプロセスは１０２から始まる。ステップ１０４では、ホストコンピュータ システム１２とインタフェース装置１４が、例えばユーザ作動電源スイッチによ って電源投入される。ステップ１０４の後、プロセス１００は二つの並列プロセ スに分岐する。一方のプロセスはホストコンピュータシステム１２で実施され、 他方のプロセスはローカルマイクロプロセッサ２６で実施される。 ホストコンピュータシステムプロセスでは、ステップ１０６が初めに実施され 、そこでアプリケーションプログラムが処理される。このアプリケーションは、 シミュレーション、ビデオゲーム、科学プログラム、または他のプログラムであ っ てもよい。画像を出力表示画面２０上に表示してもよく、また音声フィードバッ クなどの他のフィードバックを提供してもよい。 二つの分岐がステップ１０６を出て、ホストコンピュータシステム１２上で同 時に走る（マルチタスクなど）二つのプロセスが存在することを示している。一 方のプロセスでは、ステップ１０８が実施される。このステップでは、ユーザオ ブジェクトからのセンサデータがローカルマイクロプロセッサ２６からホストコ ンピュータによって受信される。図４のプロセスのステップ７８と同様に、ホス トコンピュータシステム１２は、生データ（例えば位置データであり、速度また は加速度データは含まない）か処理済センサデータ（位置、速度および／または 加速度データ）のいずれかをマイクロプロセッサ２６から受信する。更に、他の 入力装置３９から受信された任意の他のデータ、例えばインタフェース装置１４ のボタンがユーザによって押されていることを示す信号、も、ステップ１０８に おいてマイクロプロセッサ２６からホストコンピュータシステム１２によって受 信することができる。 図４の前の実施形態とは異なり、ホストコンピュータは、ステップ１０８にお いて受信されたセンサデータから力値を計算することはない。代わりに、ホスト コンピュータ１２は、センサデータを監視して、力のタイプの変更が必要となる 時点を決定する。これは以下で更に詳細に説明される。勿論、ホストコンピュー タ１２は、ホストアプリケーションに対する入力としてセンサデータを用い、こ れに従ってホストアプリケーションを更新することも行う。 ステップ１０８でセンサデータが受信された後、プロセスはステップ１０６に 戻る。このステップでは、ホストコンピュータシステム１２は、オブジェクト３ ４のユーザの操作およびステップ１０８で受信された他のユーザ入力に応じてア プリケーションプログラムを更新することができる。次に、ローカルプロセッサ ２６からセンサデータセットを受信する連続ループにおいてステップ１０８が再 び実施される。ホストコンピュータはセンサデータに基づいて直接アクチュエー タを制御する必要がないので、センサデータははるかに遅い速度で与えることが できる。例えば、ホストコンピュータは、センサデータに応じて表示画面２０上 の画像とホストアプリケーションを更新するので、センサデータは、センサ信号 から低水準力フィードバック信号を現実的に供給するのに必要な約５００〜１０ ００Ｈｚ（またはそれ以上）というはるかに高い速度に比べて、６０〜７０Ｈｚ （通常の表示画面のリフレッシュサイクル）で読み出すことしか必要としない。 また、ホストコンピュータ１２は、図４を参照して上記したものと同様に、視覚 事象、音声事象および力事象に同期していることが好ましい。 ステップ１０６からの第二の分岐は、オブジェクト３４を操作してユーザに力 フィードバックを与える高水準力コマンド（「ホストコマンド」）を決定するホ ストコンピュータのプロセスに関係する。この第二分岐はステップ１１０で開始 する。このステップでは、ホストコンピュータシステムが、ユーザオブジェクト ３４に加えられる力のタイプの変更が必要かどうかをチェックする。力の「タイ プ」は、特定の反射プロセスにより生成された力感覚もしくはプロファイル、ま たはローカルマイクロプロセッサ２６がホストコンピュータとは独立に実現する ことができる力値である。ホストコンピュータ１２は、ステップ１０８において ホストコンピュータにより読み取られたセンサデータに依存し、またステップ１ ０６において更新されたアプリケーションプログラムの事象に依存して、力のタ イプの変更が必要がどうかを判断する。図４を参照して説明したように、センサ データは、オブジェクトの現在の位置、速度、および／または加速度に基づいて オブジェクトに力を加えるべき時点をホストコンピュータに通知する。ユーザに よるオブジェクト３４の操作により、新しいタイプの力が必要となる場合がある 。例えば、ユーザがビデオゲームにおいて仮想の泥のプール内で仮想レースカー を操作している場合、レースカーが泥の中で走行している限りは減衰タイプの力 がオブジェクト３４に印加されるべきである。このように、制動力がオブジェク トに連続的に印加される必要はあるが、力のタイプの変更は必要とされない。レ ースカーが泥のプールから抜けて移動すると、新しいタイプの力（すなわち、こ の場合では制動力の除去）が必要となる。アプリケーションプログラムの事象も 、印加される力のタイプの変更を要求する。例えば、ユーザの車が泥を通って移 動し、他の車がユーザの車に衝突するときは、新しいタイプの力（衝突力）がユ ーザオブジェクトに加えられるべきである。ステップ１０８で読み出されたセン サデータとアプリケーション事象との組み合わせに依存した力がユーザオブジェ ク トに必要とされる場合がある。また、他の入力、例えばインタフェース装置１４ のボタンや他の入力装置３９をユーザが作動させること、により、オブジェクト ３４に対して必要とされる力のタイプを変えることがある。 力のタイプの変更がステップ１１０において現在必要でないときは、プロセス はステップ１０６に戻り、ホストアプリケーションを更新し、更にステップ１１ ０に戻って、このような力のタイプの変更が必要になるまでチェックを行う。こ のような変更が必要になると、ステップ１１２が実施される。このステップでは 、ホストコンピュータ１２が、マイクロプロセッサ２６に送出する適当なホスト コマンドを決定する。ホストコンピュータ１２が利用可能なホストコマンドは、 マイクロプロセッサ２６により実施される関連反射プロセスにそれぞれ対応する 。例えば、制動力、ばね力、重力引力、凹凸表面力、仮想障害力、および他の力 を与えるホストコマンドをホストコンピュータ１２が利用できるようにしてもよ い。これらのホストコマンドは、オブジェクト３４にこの所望の力を印加する特 定のアクチュエータ３０や自由度の指定も含んでいてもよい。これらのホストコ マンドは、特定の反射プロセスにより生成される力を変える他のコマンドパラメ ータ情報を含んでいてもよい。例えば、所望の量の制動力を指示するホストコマ ンドに減衰定数が含まれていてもよい。また、ホストコマンドは、好ましくはプ ロセッサ２６の反射動作を無効にし、低水準力値を有していてもよい。好適なコ マンドプロトコルおよび一組のホストコマンドは、図９および図１４を参照して 詳細に説明される。次のステップ１１４では、ホストコンピュータは、バス２４ を介してマイクロプロセッサ２６にホストコマンドを送出する。次に、このプロ セスはステップ１０６に戻り、ホストアプリケーションを更新し、更にステップ １１０に戻り、力の他の変化が必要かどうかをチェックする。 ローカルマイクロプロセッサ２６は、ステップ１０４から分岐して上記ホスト コンピュータプロセスと並列にステップ１１６から開始するプロセスを実施する 。ステップ１１６では、インタフェース１４が作動状態にされる。例えば、ホス トコンピュータ１２とインタフェース装置１４との間に信号を送ることで、イン タフェース装置が現在アクティブであり、ホストコンピュータ１２により指令を 受けることができる状態になっていることを知らせてもよい。ステップ１１６か ら、 二つのプロセスが分岐して、ローカルプロセッサ２６上で同時に実行される（マ ルチタスクする）二つのプロセスが存在することを示す。一つのプロセスでは、 ステップ１１８が実施され、プロセッサ２６がセンサ２８から生データを読み取 る。図４のステップ８８で述べたように、プロセッサ２６は、センサ２８から位 置データを読み取り、速度または加速度データは読み取らないことが好ましい。 他の実施形態では、センサ２８は、オブジェクト３４の速度値および加速度値を 与える速度センサおよび加速度計を有していてもよい。ステップ１１８で読み出 されたセンサデータは、インタフェース装置１４の作動ボタンや他の制御装置３ ９からの入力など、他の入力を有していてもよい。 次のステップ１２０では、プロセッサ２６は、受信された生データを処理して センサデータにする。図４のステップ９０に示したように、この処理は、濾波さ れた位置データから速度および加速度データを計算するステップと、速度および 加速度データを濾波するステップと、からなる二つのステップを有していること が好ましい。プロセッサ２６は、自身のローカルクロック２１を使用して速度お よび加速度を計算するために必要なタイミングデータを求めることができる。更 に、前の記録値、例えば位置値や速度値、の履歴を用いてセンサデータを計算す ることもできる。速度および／または加速度センサが用いられる実施形態では、 速度および／または加速度の計算は省略される。次のステップ１２１では、プロ セッサ２６が処理済センサデータをホストコンピュータ１２に送出し、また、プ ロセッサ２６の第二の分岐プロセスに示されるように、力を計算するためのデー タを格納する。次に、プロセスはステップ１１８に戻り、生データを読み取る。 こうして、ステップ１１８、１２０および１２１が連続的に実施され、プロセッ サ２６およびホストコンピュータ１２に現在のセンサデータが与えられる。 ステップ１１６からの第二の分岐は、「アクチュエータプロセス」に関する。 このプロセスでは、プロセッサ２６がアクチュエータ３０を制御して、オブジェ クト３４に力を与える。第二の分岐はステップ１２２から開始する。このステッ プでは、プロセッサ２６は、ホストコマンドがバス２４を介してホストコンピュ ータ１２から受信されているかどうかをチェックする。受信されている場合、プ ロセスはステップ１２４に続き、ホストコマンドに伴う反射プロセスが選択され る。このような反射プロセスは、、マイクロプロセッサ２６に対してローカルに 、ＲＡＭやＲＯＭなど（あるいはＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなど）のメモリ２７ 内に格納される。このようにマイクロプロセッサは、この反射プロセスからの制 動力がオブジェクト３４に加えられるべきことを高水準コマンドが示したときに 、減衰反射プロセスを選択することができる。使用可能な反射プロセスは、図４ を参照して上述したものと同様のものであることが好ましく、アルゴリズム、格 納された力プロファイルや値、条件などを含んでいてもよい。一部の実施形態で は、センサデータを読み取るステップ１１８、１２０、および１２１がマイクロ プロセッサ用の反射プロセスに組み込まれていて、反射プロセスが選択されると センサデータがの読み出しだけが行われるようになっていてもよい。また、ホス トコマンドは、幾つかの場合には、単にアクチュエータ３０に送出されるべき力 値を与える低水準力コマンドであってもよく（例えば図４の実施形態）、この場 合、反射プロセスを選択する必要はない。 反射プロセスがステップ１２４で選択された後、或いは新しいホストコマンド がステップ１２２で受信されていない場合は、ステップ１２６が実施される。こ のステップでは、プロセッサ２６は、プロセッサ低水準力コマンド（すなわち、 力値）を決定する。この力値は、反射プロセスおよび反射プロセスにより要求さ れる他の任意のデータ、ならびに関連ホストコマンドに含まれるコマンドパラメ ータから導出される。上記のように、必要なデータには、センサデータおよび／ またはローカルクロック２９からのタイミングデータが含まれていてもよい。こ のように、ステップ１２２で新しい高水準コマンドが受信されなかったときは、 マイクロプロセッサ２６は、ステップ１２６で前に使用していた同じ反射プロセ スに従って力コマンドを決定する。更に、ホストコマンドは力コマンドを決定す るのに必要な他のコマンドパラメータ情報を含んでいてもよい。例えば、ホスト コマンドは、自由度に沿った力の方向を示してもよい。 ステップ１２８では、プロセッサ２６は、決定したプロセッサ力コマンドをア クチュエータ３０に出力し、この出力力を所望のレベルに設定する。力コマンド を送出する前に、プロセッサ２６は、力コマンドを、アクチュエータ３０により 使用可能な適切な形態に任意選択的に変換することができ、あるいはアクチュエ ータインタフェース３８がこのような変換を行うことができる。次に、プロセス はステップ１２２に戻り、他のホストコマンドがホストコンピュータ１２から受 信されているかをチェックする。 このようにして、マイクロプロセッサ２６のアクチュエータプロセスは（ステ ップ１１８、１２０、１２２、１２４、１２６、および１２８）は、選択された 反射プロセスおよび他のパラメータに従って、オブジェクト３４に作用する力を ホストコンピュータ１２とは独立に提供するように動作する。反射プロセスは、 マイクロプロセッサ２６により読み取られた最近のセンサデータに基づいてプロ セッサ力コマンドを決定する方法を決める。反射プロセスは、ユーザオブジェク ト３４の位置および他のパラメータに応じて力を印加する方法を示すので、プロ セッサは、低水準力コマンドを発行し、ホストコンピュータを解放してホストア プリケーションを処理し、新しいタイプの力を出力する必要がある時点のみを決 定することができる。これにより、ホストコンピュータ１２とインタフェース装 置１４との間の通信速度が改善される。 更に、ホストコンピュータ１２は、マイクロプロセッサ２６の反射動作を無効 にし、図４を参照して上述したように、計算された値や他の力値を直接与える能 力を有している。例えば、ホストコマンドは、アクチュエータ３０に送出すべき 力値を単に示すことができる。このオーバライドモードは、反射プロセスとして も実施できる。例えば、マイクロプロセッサ２６は、ホストコンピュータ１２か ら受信された低水準力コマンドのアクチュエータ３０への中継をマイクロプロセ ッサに命令する反射プロセスを選択することができる。 図６は、２以上の回転自由度をオブジェクト３４に与えるジンバル機構１４０ に結合されたユーザオブジェクト３４の例の概略図である。ジンバル機構１４０ は、インタフェース装置１４に結合されていてもよく、あるいはインタフェース 装置１４の他の構成要素から個別にセンサ２８およびアクチュエータ３０がジン バル機構１４０取り付けられていてもよい。 ジンバル機構１４０は、接地面１４２によって支持することができる。この面 は、例えばインタフェース装置１４のハウジングの表面（部材１４４の一部とし て概略図示）とすることができる。ジンバル機構１４０は、接地部材１４４、延 長部材１４６ａおよび１４６ｂ、ならびに中心部材１４８ａおよひ１４８ｂを含 む５部材リンケージである。接地部材１４４は、機構１４０に対して安定性を与 える面またはベースに結合される。ジンバル機構１４０の部材は、軸受またはピ ボットを用いて回転自在に相互に結合されている。ここで、延長部材１４６は、 回転自在に接地部材１４４に結合されていて軸線Ａのまわりを回転することがで き、中心部材１４８ａは、回転自在に延長部材１４６ａに結合されていて浮動軸 線Ｄのまわりを回転することができ、延長部材１４６ｂは、回転自在に接地部材 １４４に結合されていて軸線Ｂのまわりを回転することができ、中心部材１４８ ｂは、延長部材１４６ｂに結合されていて浮動軸線Ｅのまわりを回転することが でき、中心部材１４８ａは、軸線ＤとＥとが交わる中心点Ｐで回転自在に中心部 材１４８ｂに結合されている。軸線ＤとＥは、これらが軸線ＡやＢのように一つ の位置に固定されないという意味で「浮動」である。軸線ＡおよびＢは、実質的 に互いに直交している。 ジンバル機構１４０は、５個の部材の閉じた鎖として形成されている。一つの 部材の各々の端部は、他の部材の端部に結合されている。５部材リンケージは、 延長部材１４６ａ、中心部材１４８ａ、およひ中心部材１４８ｂが第１の自由度 において軸線Ａのまわりを回転できるように配置されている。また、このリンケ ージは、延長部材１４６ｂ、中心部材１４８ｂ、および中心部材１４８ａが第２ の自由度において軸線Ｂのまわりを回転できるように配置されている。 ユーザオブジェクト３４は、直線状軸部材１５０に結合させることができる物 理的物体であり、或いは直線状軸部材１５０をオブジェクト３４の一部として考 えることができる。直線状部材１５０は、軸線ＤとＥの交差点Ｐにおいて中心部 材１４８ａおよび中心部材１４８ｂに結合される。直線状軸部材１５０は、軸線 Ｄおよび軸線Ｅによって定められる面から延出するようにジンバル機構１４０に 結合される。直線状軸部材１５０は、矢印線１５１として示したように、第１の 回転自由度において延長部材１４６ａ、中心部材１４８ａ、および中心部材１４ ８ｂを回転させることにより軸線Ａ（とＥ）のまわりを回転することができる。 部材１５０はまた、矢印線１５２により示されるように、第２の回転自由度にお いて延長部材５０ｂおよび二つの中心部材を軸線Ｂを中心として回転させること により、軸線Ｂ（とＤ）のまわりを回転することができる。他の実施形態では、 直線状軸部材は、中心部材１４８ａおよび１４８ｂの端部に並進自在に結合され 、これにより浮動軸線Ｃに沿って直線的に動かすことができ、矢印１５３により 示されるような第３の自由度を与える。勿論、軸線Ｃは、部材１５０がこれらの 軸線のまわりを回転するのに伴って、軸線ＡおよびＢの一方または双方のまわり を回転することができる。更に、幾つかの実施形態における直線状部材１５０は 、矢印１５５により示されるように、軸線Ｃのまわりを回転して追加の自由度を 与えることができる。プロセッサ２６／ホストコンピュータ１２がオブジェクト ３４の位置／運動を読み取り、上記の自由度で力を印加できるようにするために 、これらの追加自由度もセンサおよびアクチュエータを与えることができる。 センサ２８およびアクチュエータ３０は、装置の部材間のリンク点でジンバル 機構１４０に結合させることができ、上述のようにして入力および出力を与える 。例えば、センサおよびアクチュエータを延長部材１４６ａおよび１４６ｂに結 合させることができる。 ユーザオブジェクト３４は、機構１４０に結合される。ユーザオブジェクト４ ４は、ジンバル機構１４０と直線状軸部材１５０により与えられる両自由度（ま たは、３または４の全自由度）で動かすことができる。オブジェクト３４が軸線 Ａのまわりを移動するのに伴って、浮動軸線がその位置を変え、オブジェクト３ ４が軸線Ｂのまわりを移動するのに伴って、浮動軸線Ｅがその位置を変える。 図７は、ジンバル機構１４０およびインタフェース装置１４の他の構成要素を 含み、機械的入力および出力をホストコンピュータシステム１２に与える装置１ ６０の特定の実施形態の斜視図である。装置１６０は、ジンバル機構１４０、セ ンサ１４１およびアクチュエータ１４３を有している。ユーザオブジェクト３４ は、この実施形態ではグリップ部１６２を有するジョイスティックとして示され ており、中心部材１４８ａに結合されている。装置１６０は、図６を参照して説 明したジンバル機構１４０とほぼ同じ方式で動作する。 ジンバル機構１４０は、テーブル面や同様の面などの接地面１４２上に装置１ ６０を支持する。ジンバル機構１４０の部材および継手（「軸受」）は、好まし くはアルミニウムなどの軽量、剛性な金属で形成されるが、他の金属、プラステ イックなどの他の剛性材料から形成されていてもよい。ジンバル機構１４０は、 研磨部材１４４、キャプスタン駆動機構１６４、延長部材１４６ａおよび１４６ ｂ、中心駆動部材１４８ａ、および中心リンク部材１４８ｂを有する。研磨部材 １４４は、ベース部材１６６と垂直支持部材１６８を有する。ベース部材１６６ は、接地面１４２に結合されている。垂直支持部材１６８は、垂直部材１６８が 互いに対してほぼ９０度をなすようにベース部材１６６の外面の各々に結合され る。 キャプスタン駆動機構１６４は、各垂直部材１６８に結合されていることが好 ましい。キャプスタン駆動機構１６４は、摩擦やバックラッシをシステムに導入 することなく機械的な利点を与えるために、ジンバル機構１４０内に含まれてい る。 延長部材１４６ａは、キャプスタンドラム１７０にしっかりと結合され、キャ プスタンドラム１７０の回転に従って軸Ａのまわりを回転する。同様に、延長部 材１４６ｂは、別のキャプスタンドラム１７０にしっかりと結合され、軸Ｂのま わりを回転できるようになっている。中心駆動部材１４８ａは、延長部材１４６ ａに回転自在に結合され、中心リンク部材１４８ｂは、延長部材１４６ｂの端部 に回転自在に結合されている。中心駆動部材１４８ａおよび中心連結部材１４８ ｂは、軸線Ａと軸線Ｂの交差点Ｐである、ジンバル機構の回転の中心において相 互に回転自在に結合されている。軸受１７２は、２つの中心部材１４８ａおよび １４８ｂを交差点Ｐで連結させる。 ジンバル機構１４０は、回転の中心点Ｐ、またはその付近に配置されたオブジ ェクト３４に２自由度を与える。点Ｐに位置するオブジェクトまたは点Ｐに結合 されたオブジェクトは、軸線ＡおよびＢのまわりを回転することができ、あるい はこれらの軸のまわりの回転運動の組合せを有することができる。他の実施形態 では、オブジェクト３４を、他の自由度、例えば軸線Ｃに沿った線形自由度や軸 線Ｃのまわりの回転自由度、で回転させたり変換することができる。 装置１６０とマイクロプロセッサ２６との間に入力信号および出力信号を提供 するため、センサ１４１およびアクチュエータ１４３は、ジンバル機構１４０に 結合されていることが好ましい。ここで説明する実施形態では、センサ１４１と アクチュエータ１４３とが、接地トランスジューサ１７４と同じハウジング内で 結合される。トランスジューサ１７４ａおよび１７４ｂは、光学エンコーダセン サ１４１およびアクティブ直流サーボモータ１４３を備えた双方向トランスジュ ーサであることが好ましい。受動アクチュエータも使用することができる。各接 地トランスジューサ１７４ａのハウジングは、垂直支持部材１６８に連結されて いることが好ましい。また、このハウジングは、力を付与するか、さもなければ 軸線Ａのまわりの第１回転自由度に影響を与えるアクチュエータ１４３と、オブ ジェクト３４の位置を測定するか、さもなければ軸線Ａのまわりの第１自由度に よって影響を受けるセンサ１４１の双方を含んでいることが好ましい。アクチュ エータの回転軸１７４ａは、キャプスタン駆動機構１６４の滑車に連結され、第 １自由度に沿って入出力を伝達する。接地トランスジューサ１７４ｂは、機能お よび動作が接地トランスジューサ１７４ａと一致していることが好ましい。トラ ンスジューサ１７４ｂは、他の垂直支持部材１６８に結合され、軸線Ｂのまわり の第２回転自由度に影響を与えるアクチュエータか、軸線Ｂのまわりの第２回転 自由度より影響を受けるセンサとなる。 ここで説明する実施形態のトランスジューサ１７４ａおよびトランスジューサ １７４ｂは、ユーザが取り扱うオブジェクト３４に非常に低い量の慣性を与える のに都合が良いように配置される。トランスジューサ１７４ａおよびトランスジ ューサ１７４ｂは減結合され、これにより、これらのトランスジューサは両方と も、接地面１４２に結合された接地部材１４４に直接結合される。すなわち、こ の接地面は、ユーザが取り扱うオブジェクト３４ではなく、トランスジューサの 重量を支えている。トランスジューサ１７４ａおよびトランスジューサ１７４ｂ の重量と慣性は、ユーザが取り扱って動かすオブジェクト３４にとっては実質上 無視することができる。これにより、より現実に近いインタフェースが仮想現実 システムに提供される。これは、コンピュータがトランスジューサを制御するこ とで、これらの動きの程度内でユーザが感じる力の実質的にすべてを与えること ができるからである。装置１６０は高帯域幅力フィードバックシステムであり、 これにより、トランスジューサ１７４の制御のために高周波信号を使用すること ができ、これらの高周波信号が、高い精度、確度、信頼性でユーザオブジェクト に与えられるようになる。高い帯域幅のために、ユーザは、オブジェクト３４を 扱うときにコンプライアンスまたは「ムッシネス（mushiness）」をほとんど感 じることがない。対照的に、典型的な従来の技術による多自由度インタフェース 装置では、あるアクチュエータが、リンクおよびアクチュエータのシリアルチェ ーンにおいて別のアクチュエータの上に「乗る」。この低帯域幅装置を使用する と、ユーザは、オブジェクトを操作するときに、結合されたアクチュエータの慣 性を感じることになる。 オブジェクト３４は、図３では、ユーザが握るためのグリップ部分１２６を備 えるジョイスティックとして示されている。ユーザは、ジョイスティックを軸線 Ａおよび軸線Ｂのまわりで動かすことができる。このような二つの自由度での動 きは、プロセッサ２６およびホストコンピュータシステム１２により検出される 。さまざまな触覚をシミュレートするためには、これらの二つ自由度で力を加え ることができるようになっていることが好ましい。前述のように、他のオブジェ クト３４をジンバル機構１４０に任意選択的に結合することもできる。例えば、 医療処置をシミュレーションするために、腹腔鏡ツールやカテーテルなどの医療 機器を使用することができる。 図８は、インタフェース装置１４と共に使用することができるオブジェクト３ ４および支持機構１８０の異なる実施形態の斜視図である。機構１８０は、当業 者に周知のジョイスティックコントローラと共に使用するためのスロット付きヨ ーク構成を含んでいる。機構１８０は、スロット付きヨーク１８２ａ、スロット 付きヨーク１８２ｂ、センサ１８４ａおよび１８４ｂ、軸受１８６ａおよび１８ ６ｂ、アクチュエータ１８８ａおよび１８８ｂ、ならびにジョイスティック３４ を有している。スロット付きヨーク１８２ａは、ヨークの一方の端部がこのヨー クを貫通して延びるシャフト１８９ａにしっかりと結合されるとともに、センサ １８４ａにしっかりと結合されている。スロット付きヨーク１８２ａは、ヨーク の他方の端部がシャフト１８９ｃにしっかりと結合されるとともに、軸受１８６ ａにしっかりと結合されている。スロット付きヨーク１８２ａは軸Ｌのまわりを 回転することができ、この動きはセンサ１８４ａによって検出される。アクチュ エータ１８８ａは、能動または受動アクチュエータとすることができる。他の実 施形態では、軸受１８６ａは、センサ１８４ａのような別のセンサとして実現さ れる。 同様に、スロット付きヨーク１８２ｂは、一方の端部がシャフト１８９ｂおよ びセンサ１８４ｂにしっかりと結合され、他方の端部がシャフト１８９ｄおよび 軸受１８６ｂにしっかりと結合されている。ヨーク１８２ｂは、軸線Ｍのまわり を回転することができ、この動きはセンサ１８４ｂにより検出することができる 。 オブジェクト３４は、一方の端部１９２が接地面１９０に軸着されており、他 方の端部１９４が、２自由度内で面１９０の上を通常４つの９０度方向（および 他の実施形態では更に別の方向）に動くことができるようになっている。ジョイ スティック３４は、ヨーク１８２ａおよび１８２ｂ内のスロット１９６および１ ９８をそれぞれ貫通して延びている。このため、ジョイスティック３４が任意の 方向で動かされるのに従って、ヨーク１８２ａおよび１８２ｂはジョイスティッ クに追従し、軸線Ｌおよび軸線Ｍのまわりを回転する。センサ１８４ａ〜ｄはこ の回転を検出するので、ジョイスティック３４の動きを追跡することができる。 アクチュエータ１８８ａおよび１８８ｂを使用することにより、ユーザは、ジョ イスティック３４を扱うときに力フィードバックを体験できるようになる。この 他に、他の種類のオブジェクト３４をジョイスティックの代わりに使用したり、 追加オブジェクトをジョイスティックに結合させることも可能である。さらに別 の実施形態では、追加自由度をジョイスティック３４に与えてもよい。例えば、 ジョイスティックには、矢印１９３によって示されるように、軸線Ｋのまわりで の回転自由度を与えることができる。このような追加自由度のためのセンサおよ び／またはアクチュエータが含まれていてもよい。 他の実施形態では、追加の力をジョイスティック３４に与えるために、アクチ ュエータをシャフト１８９ｃおよび１８９ｄに結合させてもよい。アクチュエー タ１８８ａおよびシャフト１８９ｃに結合されたアクチュエータは、マイクロプ ロセッサ２６またはホストコンピュータ１２により同時に制御することができ、 ベール１８２ａに力をかけたり、ベイル１８２ａから力を解放することができる 。同様に、アクチュエータ１８８ｂおよびシャフト１８９ｄに結合されたアクチ ュエータも、同時に制御することができる。 インタフェース機器やトランスジューサの他の実施形態をインタフェース装置 １４内で用いて、ユーザオブジェクト３４に機械的な入力／出力を与えることも できる。例えば、１〜３（または４以上の）の線形自由度をユーザオブジェクト ３４に与えるインタフェース機器を使用することができる。さらに、異なるリフ レクトプロセスを実施するために、所定量の「遊び」を有する受動アクチュエー タを設けることもできる。 図９は、図５の実施形態で使用することができる多数の好適なホストコマンド を示す図表３００である。図５の実施形態では、ホストコンピュータ１２が、ロ ーカルマイクロプロセッサ２６に高水準ホストコマンドを送る。このマイクロプ ロセッサは、ホストコマンドに従って、ローカルリフレクトプロセスまたはリフ レクトプロセスを実施する。前述したように、バス２４での低い通信速度（図１ ）によって、性能、具体的には力フィードバックの正確さやリアリズム、が妨げ られる場合がある。ローカルマイクロプロセッサは、ホストコンピュータとは関 係なくホストコマンドに基づいてリフレクトプロセスを実施できるため、バス２ ４を介して伝達する必要のある信号が減少する。好ましくは、ホストプロセッサ １６からローカルプロセッサ２６へのホストコマンドの転送のために、通信言語 、すなわち力フィードバックプロトコルを標準化する必要がある。理想的には、 図５を参照して説明したように、このフォーマットが、図５のステップ１１４の ように、高水準監督コマンド（ホストコマンド）のローカルプロセッサ２６への 効率的な伝送を可能にする。ひとそろいの力に変換される比較的小さな一組のコ マンドおよびコマンドパラメータを与えることによって、このフォーマットは、 計算の負担をホストコンピュータからローカルマイクロプロセッサ２６に更に移 行させる。さらに、ホストコンピュータ１２用の力フィードバックアプリケーシ ョンソフトウェアのプログラマや開発者には、高水準で標準的、効率的な力フィ ードバックコマンドプロトコルが与えられる。 ある実施形態では、ホストコマンドは、アクチュエータ３０を制御するために 、マイクロプロセッサ２６によって実現される多様な力モデルに対して総称的な コマンドパラメータを含むことが許されている。例えば、力の大きさおよび力の 方向は、二つの総称コマンドパラメータである。力の持続期間、すなわち力モデ ル 適用時間は、別の総称コマンドパラメータである。ボタンなどの他の入力装置３ ９に対してコマンドパラメータを更に定義することが有利である場合もある。ボ タンは、作動状態にされると、様々な力や力モデルをトリガすることができる。 好適な実施形態には、力フィードバックインタフェース装置１４用の動作の二 つの主要なモードまたは「制御パラダイム」が含まれる。すなわち、レート制御 および位置制御が含まれている。これらのモードは、コマンドパラメータによっ てパラメータ化されるホストコマンド用の分類体系を暗黙に定義している。ユー ザがアプリケーションと対話している間のレート制御と位置制御との差は、一般 に、ユーザにとってわずかなものであるが、力フィードバック情報を表すときに は差が大きくなる可能性がある。ある種の力フィードバックエンティティは両方 の制御モードで実現することができるが、力フィードバックコマンドを２つのセ ットに分類することがプログラマ間の混乱を回避するために役立つ場合がある。 これらのコマンドの一部は、レート制御コマンドまたは位置制御コマンドのどち らかとして使用することができる。 本発明に係る好適な力フィードバックコマンドを以下に説明する。レート制御 力フィードバックコマンドをまず最初に説明し、その後に位置制御コマンドを説 明する。もちろん、それ以外の力フィードバックコマンドも、以下のサンプル力 フィードバックコマンドに加えて、または以下のサンプル力フィードバックコマ ンドの代わりに、構築することが可能である。 レート制御とは、１以上の与えられた自由度に沿ったユーザオブジェクト３４ の変位が、制御下のコンピュータシミュレートエンティティ、例えば、飛行機、 レーシングカー、または他のシミュレート「プレーヤ」もしくはプレーヤ制御制 御グラフィカルオブジェクト、の動きに抽象的にマップされるユーザオブジェク トマッピングを指す。オブジェクトの動きとシミュレートコンピュータエンティ ティの指令された動きとの間に直接的で物理的なマッピングが存在しないため、 レート制御は、力フィードバックをより直感的でないものにする抽象作用である 。それにもかかわらず、多くの興味深い力フィードバック感覚をレート制御パラ ダイム内で実現することができる。対照的に、位置制御は、ジョイスティックハ ンドルまたはユーザが操作可能な他のオブジェクトの変位がシミュレートコンピ ュ ータエンティティの変位を直接示すことにより、ジョイスティックの変位とコン ピュータの変位との間に基本的な関係が存在するようなユーザオブジェクトマッ ピングを指す。このように、大部分のレート制御パラダイムは、ユーザオブジェ クト（ジョイスティック）を指定された位置に安定に保持できる一方で、制御下 のシミュレートエンティティは指令された所与の速度で動くのに対し、位置制御 パラダイムは、ユーザオブジェクトが動いている場合に制御下のエンティティが 動くことしか許さないという点で、両者は根本的に異なる。位置制御ホストコマ ンドは、図１４を参照して以下で詳細に説明するが、レート制御コマンドは、図 ９を参照して現在説明されている。 例えば、一般的な形式のレート制御は、速度導出抽象化である。この抽象化で は、ジョイスティックハンドルのようなユーザオブジェクトの変位が、シミュレ ーション環境において、シミュレートコンピュータエンティティ、例えば表示画 面２０に表示される乗り物やその他のグラフィカルオブジェクト、の速度を表す 。ジョイスティックハンドルの元の位置からの移動が大きいほど、操縦される乗 り物またはプレーヤ制御グラフィカルオブジェクトの速度も速くなる。このよう なパラダイムは、宇宙船やレーシングカーの速度がジョイスティックの変位によ り表されるコンピュータゲームでは極めて一般的である。大部分のレート制御パ ラダイムと同様に、速度制御は、ジョイスティックを指定された位置に安定して 保持する一方で、制御下のエンティティが指令された所与の速度で動くことを可 能にする。コンピュータゲームで使用される一般的な他のレート制御パラダイム は、加速制御である。加速制御されたパラダイムは、当業者に「スラスト」制御 と呼ばれる。速度制御は制御下のエンティティの速度を指示するが、スラスト制 御は速度の変化率を指示する。スラスト制御下では、ジョイスティックを静止さ せ、ゼロ変位で中心に配置することができるが、指令を受けるコンピュータエン ティティはそれでも動くことができる。 力フィードバック機構では、レート制御力フィードバックコマンドは、力フィ ードバックインタフェース装置１４を介してシミュレート環境により制御される 乗り物または他のシミュレートエンティティに作用する力にほぼ一致する。この ような力は、乗り物中心力と呼ばれる。例えば、スラスト制御パラダイムでは、 ユーザのシミュレートスピードボートが濃厚な泥の中に進入する場合があるが、 ユーザは直接的に泥を感じることはないだろう。しかしながら、ユーザは、スピ ードボートのエンジンがボートの動きに抵抗する力に逆らって最大限に稼働して いることは感じるであろう。これらの対抗力は、インタフェース装置１４を介し てユーザに伝えられる。シミュレート環境における他のシミュレート特性やオブ ジェクトは、プレーヤ制御シミュレートエンティティに影響を与えて、ユーザに 出力される力に影響を及ぼす場合がある。 本明細書では、レート制御コマンドは「条件（condition）」および「オーバ レイ（overlay）」に分けられる。但し、他の実施形態では、他の分類が使用さ れる場合がある。条件は、シミュレート剛性、シミュレート制動、シミュレート 慣性、シミュレート力が減少するデッドバンド、および物理モデルの機能を決め る方向の制約を含むユーザオブジェクトについての基本的な物理モデルまたはバ ックグラウンド感覚を設定する。条件力を効率良く重ね合わせるために、複数の 条件を単一のコマンド中で指定することができる。対照的に、オーバレイは、バ ックグラウンドでの条件に加えて付与される力である。条件力に加えて任意の数 のオーバレイを提供できることが好ましい。一つの条件は、一つの条件コマンド または複数の条件コマンドによって指定することができる。 以下では、図表３００に示されるような数タイプの力３０２について説明する 。これらの力は、ホストコマンドに基づいてマイクロプロセッサ２６により実現 することができる。これらの力には、復元力（restoring force）、ばね復元（r estoring spring）、ベクトル力（vector force）、振動（vibration)、緩慢粘 着（sluggish stick）、ウォッブル（wobble）、不安定（unstable）、ボタン反 射ジョルト（button reflex jolt）、およびラチェット力（ratchet force）が 含まれる。復元力、ばね復元力、緩慢粘着力、および不安定力は、条件力と考え られる。ベクトル力、振動、ウォッブル、ボタン反射ジョルト、およびラチェッ ト力は、オーバレイ力と考えられる。 図表３００に示される力３０２は、ホストコンピュータ１２によってマイクロ プロセッサ２６に与えられるホストコマンドを用いて実現することができる。図 表３００に示されるホストコマンドおよびその構文の例３０４が、各種の力３０ ２に対して示されている。ここで説明する実施形態では、ホストコマンド３０４ が、コマンド部分３０６および複数のコマンドパラメータ３０８を含んでいるこ とが好ましい。コマンド３０４は、ホストコンピュータ１２がプロセッサ２６に 実現するように指示する力のタイプを示す。このコマンド部分は、プロセッサ２ ６がメモリ２７から検索して実施することの可能な対応反射プロセスを有してい てもよい。このプロセスについては、以下に詳細に説明する。コマンド部分３０ ６は、他の実施形態では、事実上任意の形式で指定することができる。図表３０ ０では、コマンドは、コマンドが実現する力のタイプをプログラマまたはソフト ウェア開発者が容易に認識できるように、通常、英語に近い高水準形式で与えら れる。 コマンドパラメータ３０４は、ホストコンピュータ１２によって与えられ、コ マンド部分３０４により示される力のタイプをカスタマイズおよび／または修正 する値またはインジケータである。これらのコマンドの多くは、大きさ、持続時 間、または方向コマンドパラメータを使用する。頻繁に力の方向を修正するスタ イルパラメータを含むコマンドもある。以下に詳細に説明されるように、他の特 殊なコマンドパラメータは、特定の力に与えられる。 以下の好適なレート制御実施形態では、コマンドパラメータの大部分が同じ方 法で異なる力を制御する。大きさパラメータ（magnitude parameter）は、アク チュエータ３０により出力可能な最大の力に対応する最大の大きさのパーセンテ ージである。持続時間パラメータ（duration parameter）は、通常、特定の力モ デルを印加するための時間間隔に一致する。しかしながら、これは、力モデルの 印加時間を無限に伸ばすために、０や−１のような所定値に設定されることがあ る。このため、力モデルは、ホストコンピュータ１２が新しいホストコマンドに 新しい力を与えるか、クリアコマンドを送るまで、有効なままとなる。スタイル パラメータ（style parameter）は、力モデルを印加する方向および／または力 モデルを印加する自由度を選択することができる。例えば、有効な方向は、通常 、一般的なジョイスティックの２本の軸線のうちの１本、またはこの２本の組み 合わせとして指定される１本の対角線を含んでいる。言うまでもなく、スタイル パラメータは、任意の自由度または自由度の組み合わせに沿って力の印加を指定 するこ とができる。この他に、別個の力コマンドが各自由度または力コマンドに使用さ れる場合もある。スタイルパラメータは、以下に説明されるように、指令された 特定の力モデルに応じて変化することができる。 図９には列挙されていないが、ここに記載される全てのタイプの力３０２は、 追加のパラメータを有していたり、列挙されたパラメータに他の特性を組み込ん でもよい。「デッドバンド（deadband）」パラメータは、力が小さいかあるいは ゼロとなる領域のサイズを指定できる。力がある自由度に沿って双方向なのか単 方向なのかを示すパラメータが含まれていてもよい。単方向の力は、正または負 の向きのいずれを持つことができる。いくつかのホストコマンドでは、デッドバ ンドおよび双方向／単方向パラメータが、スタイルパラメータに含まれていても よい。 サブクラス３１０は、力３０２のタイプの分類を示している。力３０２は、前 述のように、条件またはオーバレイのどちらかとして示される。オーバレイコマ ンドの前に、条件コマンドを以下で説明する。 図１０ａ〜ｃは、復元力に関して力対変位のプロファイルを示すグラフである 。図１０ａのグラフ３１２における力は双方向であり、この場合、垂直軸の右側 の力は、ある自由度に沿ってある方向に印可され、垂直軸の左側の力は、その自 由度に沿って反対方向で印加される。図１０ｂのグラフ３１４に示される力は、 単方向である。好ましくは、力が単方向であるか双方向であるかは、例えば図８ の図表３００に示されるコマンド３０６のスタイルパラメータ３０８（および、 単方向の場合、特定の方向を示すための正または負の向き）で指定される。さら に、復元力が印加される所望の自由度も、スタイルパラメータで指定されるのが 好ましい。例えば、“Ｘ”パラメータは“Ｘ”自由度を示すが、“ＸＹ”パラメ ータは、ＸおよびＹ自由度の双方に沿った復元力（例えば、斜め復元力）を示す ことができる。 ユーザオブジェクト３４に印加される復元力３４は、ある自由度に沿ってユー ザオブジェクトの原点位置Ｏ（つまり「中立位置」）に向かって常に後ろを向い ている。例えば、図７および図８に示されるように、ジョイスティックの原点位 置が、ジョイスティックの中心位置となる場合がある。大きさコマンドパラメー タによって指定される復元力の大きさは、ユーザオブジェクトの自由度に沿った 範囲３１６では、いずれの方向でもほぼ一定のままとなる。最大の力の大きさＦ は、ジョルトや振動を復元感覚の上にオーバレイできるように（以下に説明）、 選択された自由度での最大可能出力力の約７５％に制限されていることが好まし い。オブジェクトは原点位置Ｏに向かって移動するので、印可される力は、ユー ザオブジェクトが原点位置のまわりの局所領域Ｒ内に移動するまでは一定である 。ユーザオブジェクトが局所領域Ｒにある場合、印可される力はゼロまたは小さ な値に急速に低下する。このように、復元力プロファイルは、オブジェクトが範 囲３１６内にあるときにユーザオブジェクトを原点位置に押し戻す一定の「復元 感覚」を与える。その後、復元力は、オブジェクトが原点位置に近づき、原点位 置に到達するに従って減少または消滅する。復元力の方向は、ローカルマイクロ プロセッサ２６によって自動的に制御することができる。 図１０ｃでは、印可される力が原点位置のまわりの拡大された領域３１８内で ほぼゼロである点を除いて、復元力が図１０ａの力と同様に示されている。領域 ３１８は「デッドバンド」として知られており、力が印加される前に原点のまわ りの短い距離だけオブジェクト３４を動かす自由をユーザが持つことができるよ うにする。印加される復元力のためのデッドバンド３１８の指定は、例えば、別 個のデッドバンドコマンドパラメータとして含まれる値、あるいは復元力ホスト コマンドのスタイルパラメータ３０８の一部として含まれる値とすることができ る。 復元力感覚は、レート制御パラダイムで、シミュレート車両をコントロールす る間に壁やその他の障害物に衝突する状況に極めて好適に当てはめることができ る。復元力は、動き方向の速度を指令することに対する抵抗を示している。ユー ザオブジェクトが原点位置に戻されると、ユーザは動き方向の速度を指令しなく なるため、この力は低下する。逆方向に障害物がない場合には、復元力は単方向 となる。 図１１ａ〜１１ｃは、ばね復元力についての力対変位のプロファイルを示すグ ラフである。図１０ａ〜１０ｃの復元力によって与えられるように一定の大きさ をその正または負の変位にわたって維持するのではなく、ばね復元力は、ユーザ オブジェクトの変位の感知可能な部分にわたって線形に変化し、オブジェクト３ ４の原点位置Ｏからの距離に比例する。ユーザオブジェクトに加えられるばね復 元力は、ある自由度に沿って中立位置に向かって常に後ろを向いている。図１１ ａ〜１１ｃでは、ばね復元力は、オブジェクト３４の原点位置Ｏからの最大変位 においてその最大値に達する。図１１ａのグラフ３２０は双方向のケースを示し 、図１１ｂのグラフ３２２は単方向のケースを示している。デッドバンドパラメ ータにより指定されるデッドバンドは、図１１ｃのグラフ３２４に示されるよう に、原点位置のまわりに与えられる。 ばね復元力に関するパラメータは、例えば、前述の復元力に関するパラメータ とほぼ同様であってもよい。あるいは、ばね復元力は、大きさパラメータの代わ りに、オブジェクト３４の所望の「剛性」を記述するばね定数パラメータ（spri ng coefficient parameter）を有していてもよい。ばね定数パラメータは、ユー ザオブジェクトに作用する力を計算するための周知の方程式で使用することがで きる。この定数パラメータか大きさパラメータのいずれかを使用することができ る。 緩慢力は、ユーザオブジェクト３４に対する制動力であって、ユーザによって 動かされるときのユーザオブジェクトの速度に比例する大きさを有する力を生じ させる。このタイプの制動力の例は、図４のステップ８２を参照して前述した。 緩慢力の「粘度」の度合いは、ホストコマンドにコマンドパラメータとして含ま れる粘性減衰定数によって指定できる。緩慢粘着力は直接速度に依存するため、 定数コマンドパラメータ（coefficient command parameter）は最大減衰定数の パーセンテージで表すことができ、前述のホストコマンドの大きさパラメータに 代わる。緩慢ホストコマンドのスタイルコマンドパラメータは、単方向または双 方向の表示だけではなく、緩慢力を加えるための指定自由度を含む場合がある。 緩慢粘着力は、例えば、ユーザオブジェクトの動きに不完全に反応する非常に重 い乗り物の制御をシミュレートするためのレート制御アプリケーションに特に適 している。 不安定力は、倒立振り子スタイルの不安定性を生じさせる。この他に、不安定 力は、負のばね定数（不安定または発散性のばね）を有するばねにモデル化され る。力は、オブジェクトの原点位置から離れる方向でユーザオブジェクトに印加 され、ユーザオブジェクトが原点位置からさらに遠く離れていくのに従って増加 する。これにより、ユーザがオブジェクトを原点位置に運ぶことを困難にする力 が生じる。不安定ホストコマンドのコマンドパラメータは、前述の復元力に類似 したパラメータを含んでいてもよい。例えば、最大の「不安定性」度のパーセン テージを示すコマンドパラメータを与えることができる。ここで、不安定性は、 最大出力力によって定義することができる。この力は、別の乗り物関連の感覚と して使用することが可能であり、例えば、シミュレート乗り物誘導制御装置が損 傷を受ける場合に、ばね復元力の代わりに用いられることがある。通常、不安定 性によって、コンピュータゲームは非常にプレーが難しくなる。 他の実施形態では、条件力の特性を制御するための多数のパラメータとともに ただ１つのホストコマンドを使用することで、前述の条件力を指令することがで きる。例えば、以下のようなホストコマンド COND_-X(K+,K-,DB,B+,B-,N_-Offset,Sat+,Sat-,m) を、ホストコンピュータ１２からマイクロプロセッサ２６に送ることができる。 このコマンドは、ユーザオブジェクトのモデルの特定の物理的なパラメータを一 つの自由度内で指定する。Ｋパラメータは、ある自由度に沿った二つの方向にお けるユーザオブジェクトの変位の比例剛性を示す。ＤＢパラメータは、最大許容 デッドバンド距離のパーセンテージでデッドバンド範囲を示す。Ｂパラメータは 、ある自由度に沿った二つの方向おけるユーザオブジェクトの速度に対する速度 比例制動を示す。Ｎ＿Ｏｆｆｓｅｔパラメータは、（Ｋパラメータにより定義さ れる）ばねのモデル化中立位置からのオフセットとして指定することができる。 Ｓａｔパラメータは、例えば、最大可能力のパーセンテージで表される、ユーザ オブジェクトの変位の最大（飽和）許容力値を示す。ｍパラメータは、例えばユ ーザオブジェクトの重力または慣性力を計算するための物理モデルで利用するこ とができるユーザオブジェクトのシミュレート質量を示す。上記の条件コマンド は、ユーザオブジェクト３４の所与の自由度の各々に対して使用することができ る。 例えば、ＣＯＮＤ＿Ｘは、ｘ軸のまわりの自由度における条件力を提供すること ができる。このコマンドは、復元力、ばね復元力、緩慢力、および不安定力を、 さまざまなコマンドパラメータを調整することにより実現することができる。 条件コマンドは、条件力に加えて又は条件力に「かぶせて」オーバレイコマン ドが適用される間に、バックグラウンドで提供することができる。例えば、緩慢 な制動力をユーザオブジェクトに対するバッグラウンド力として提供し、「ジョ ルト」オーバレイ力を緩慢力にかぶせて指令して、数秒間にわたってユーザオブ ジェクトに素早く断続的な動きを与えることができる。言うまでもなく、オーバ レイ力は、他の力が印加されていないときに独占的に印加することも可能である し、望む場合には、オーバレイ力が、過去に指令された他の力を取り消すことも できる。図９に示される例のオーバレイ力については、後述する。 図１２は、ベクトル力モデルを示すグラフ３２６である。ベクトル力はオーバ レイコマンドであるため、前述の条件力に加えて印加することができる。これは 、方向コマンドパラメータ（direction command parameter）によって指定され る指定方向でジョイスティックに印加される一般的な力である。方向コマンドパ ラメータは、例えば、２自由度インタフェース機器のＸＹ平面内の角度として与 えることができる。条件力コマンドの多くに関しては、ベクトル力の大きさは、 大きさの最大値のパーセンテージで指定できる。図１２は、２自由度を持つユー ザオブジェクトのＸＹ平面内の例示方向におけるベクトル力の２次元表現を示し ている。 図１３ａ〜１３ｂは、振動力に関する力対時間のプロファイルを示すグラフで ある。図１３ａは、双方向の振動力を示すグラフ３２８であるが、図１３ｂは単 方向の振動力を示すグラフ３３０である。図９に示される振動コマンドは、大き さ、周波数（frequency）、スタイル、方向、および持続時間コマンドパラメー タを受け入れる。周波数パラメータは、最大周波数のパーセンテージとして実現 でき、ある期間の時間間隔Ｔｐに反比例している。方向コマンドパラメータは、 図１２を参照して前述したように、角度として実現することができる。スタイル パラメータは、振動力が単方向であるのか、双方向であるのかを示すことができ る。さらに、デューティーサイクルパラメータは、他の実施形態で提供すること がで き、振動力が印加される期間のパーセンテージを示す。また、コマンドパラメー タは、振動波形の「形状」またはプロファイルを時間軸で指定するために含まれ ていてもよく、この場合、所定の数の形状のなかから一つを選択することができ る。例えば、この力は、正弦波力、鋸歯形力、方形波形力などとして指定するこ とかできる。 ウォッブル力パラダイムは、ホストコンピュータ１２によって指令することが できる別のオーバレイ力である。この力は、ランダムな（あるいは、ユーザにと ってランダムに見える）オフバランス力感覚をユーザオブジェクト上に生じさせ る。例えば、この力は、損傷を受けた乗り物のふらついた操縦をシミュレートで きる。大きさ、持続時間、およびスタイルコマンドパラメータは、前述のホスト コマンドのパラメータと同様のものとすることができる。また、スタイルパラメ ータが、様々なタイプを含む所定のリストからウォッブル力のタイプを指定する こともできる。ウォッブル力は、さまざまな方法を用いて実現できる。例えば、 事前にプログラムされメモリに格納された「力プロファイル」は、ランダムに見 える力感覚を生じさせるように実現することができる。あるいは、正弦波または 他の関数に基づいて、あるいはランダムな結果に基づいて力を計算するために、 方程式を使用することができる。 ジョルト力は、通常、ユーザオブジェクト上に出力される短く大きな力であり 、例えば、ユーザにコンピュータ環境内のイベントやシミュレートオブジェクト を知らせるために使用することができる。ジョルト力は、有効なあらゆる条件力 に加えて感じることができるオーバレイ力として使用することができる。典型的 なパラメータは、ジョルト力の大きさ、ジョルトの持続時間、およびジョルトが 加えられる方向または自由度（これは、角度または特定の自由度として指定する ことができる）を含んでいる。大きさコマンドパラメータは、（前述の）任意の 他の条件力またはオーバレイ力の大きさに加えて、衝撃力の大きさを指定するこ とが好ましい。つまり、この大きさは、定常状態の力を「超えた」差分大きさで ある。したがって、アクチュエータ３０によって出力される実際の大きさは、衝 撃力の大きさより大きくなることがある。 ボタン力は、実際の力ではないが、入力装置３９がユーザにより作動されると きに、他の力をトリガするためのコマンドとして使用されることがある。例えば 、多くのゲーム状況では、ホストコンピュータ１２で押されたボタンを処理した 後にホストコマンドから力を生成するより、インタフェース機器１４上のボタン または他の入力装置３９を押すことに対する直接的な反応として力をトリガする 方が有利な場合がある。ボタンを押すことによりトリガされる他の力は、ボタン コマンドのコマンドパラメータとして指定できる。この他に、各種の力に対して 特殊なボタンコマンドを与えることができる。 例えば、ボタンコマンドと共に使用する共通の力は、ジョルト力である。指定 されたボタンが押されるたびにジョルト力が生じるように、ＢＵＴＴＯＮ＿ＪＯ ＬＴなどの特定のコマンドを与えることができる。このコマンドには、ボタンコ マンドパラメータおよびジョルトコマンドパラメータ（jolt command parameter ）が含まれる。この他に、ＪＯＬＴコマンドパラメータを有するボタンコマンド を実現することもできる。ボタンジョルトコマンドがマイクロプロセッサによっ て受信されると、マイクロプロセッサは、ボタンバックグラウンドプロセスを終 了するように指令されるまでバックグラウンドプロセスとしてボタンチェックを 実行することができる。このため、マイクロプロセッサ２６が、ユーザがボタン を押したことをセンサデータから判断すると、出力される既存の力にジョルト力 を重ねることができる。 ボタンコマンドは、その他の入力装置３９が作動状態にされているときに力を 出力するようにマイクロプロセッサ２６をセットアップする。ボタンコマンドは （ボタンが押されたときに出力される所望の力に固有の任意のコマンドパラメー タに加えて）、例えば、ボタンパラメータやオートファイア頻度パラメータを含 む多くのコマンドパラメータを受け入れることができる。ボタンパラメータ（bu tton parameter）は、ユーザが作動させたことをマイクロプロセッサ２６がチェ ックする特定のボタンであって所望の力を与える特定のボタンを選択する。例え ば、ジョイスティックが複数のボタンを備える場合があり、ソフトウェア開発者 は、それらのボタンのなかのある特定のボタンが押されたときにだけ力を与える ことを希望する場合がある。持続時間パラメータは、ボタンが押された後どのく らいの時間にわたってジョルトが持続するのかを決定することができる。「オー トファイア」頻度パラメータ（autofire frequency parameter）は、ユーザがボ タンを押し続ける場合に力を繰り返す頻度を指定する。例えば、ユーザがある特 定のボタンを押し続ける場合、マイクロプロセッサは、ユーザが最初にボタンを 押してから所定の時間間隔が経過すると、自動的にジョルト力を反復することが できる。オートファイアパラメータは、オプションとして、特定のボタンに対し てオートファイア機能が使用されているかどうか、および反復力が印加される前 の希望の時間間隔、を指定することもできる。 図９の図表に示されていない他のレート制御コマンドも実現することができる 。例えば、アクチュエータ３０が受動アクチュエータである場合、ラチェットコ マンドおよび適切なコマンドパラメータを送ることにより、「ラチェット」力を 与えることができる。このコマンドは、例えば、ユーザが操縦する乗り物を所与 の自由度に引っ張る障害物をシミュレートすることができる。このため、ユーザ がジョイスティックをある方向で動かすときには力が印加され、それからユーザ が反対方向にジョイスティックを動かすときには力が印加されず、ジョイスティ ックが最初の方向で動かされるときには再度、力が印加される。これは、ラチェ ット力など、任意の引戻し点における障害力をシミュレートする。このようなコ マンドのスタイルパラメータは、固定された障害物またはラチェットスタイルの 障害物を表すことができる。 以上で、レート制御コマンドおよび力モデルの説明を終わりにする。 図１４は、図５の実施形態で使用できる多くの好ましい位置制御ホストコマン ドを示す図表３３２である。ここで、「位置制御」とは、ジョイスティックハン ドルまたは他のユーザオブジェクトの変位がコンピュータシミュレートエンティ ティまたはオブジェクトの変位を直接表すようなユーザオブジェクトのマッピン グを指す。マッピングは、任意の縮尺率を有していたり、非線形であってもよい が、ユーザオブジェクト変位とコンピュータオブジェクトまたはコンピュータエ ンティティの変位との間の基本的な関係は存在しなければならない。位置制御マ ッピングの下では、コンピュータ制御エンティティは、ユーザオブジェクトが動 いていなければ動かない。つまり、静的なユーザオブジェクトが、静的なコマン ドをホストコンピュータ１２からマイクロプロセッサ２６に指示する。 位置制御は、従来のコンピュータには一般的なマッピングではないが、医療処 置シミュレーションまたはグラフィカルユーザインタフェースのような他のアプ リケーションでは使用されることがある。位置制御は、抽象的な制御パラダイム というよりはむしろ直接的で物理的なマッピングであるため、力フィードバック インタラクションの直感的かつ効果的な比喩である。言い換えれば、ユーザオブ ジェクトは、コンピュータ内で制御されているエンティティと同じ物理的な操作 を経験するため、位置制御を使用すると、物理的なコンピュータシミュレーショ ンを現実的な力フィードバック感覚作用として直接的に反映させることが可能に なるのである。コンピュータ環境での位置制御の例としては、ピンポンゲームで のラケットの制御や、ウィンドウデスクトップ環境でのカーソルの制御を挙げる ことができる。 レート制御の乗り物中心の力とは対照的に、位置制御力フィードバックは、ユ ーザによって直接的に知覚される力にほぼ対応する。これが「ユーザ中心」の力 である。例えば、表示画面２０に表示され、ユーザによって直接制御されるラケ ットが、シミュレートされた濃厚な泥を通って動く場合がある。力フィードバッ クインタフェース装置１４を介して、ユーザは、粘性溶液を通過する動きに結び ついた変化する力を知覚するだろう。現実の物理的な状況に対応して、力はジョ イスティック（および表示されたラケット）の動きの速度およびラケット面の向 きに応じて変化する。 以下では、図表３３２に示される数タイプの位置制御力３３４を説明する。こ れらの力は、ホストコマンドに基づいてマイクロプロセッサ２６により実現する ことができる。これらの力には、ベクトル（vector）、溝（groove）、ディボッ ト（divot）、質感（texture）、障壁（barrier）、フィールド（field）、ラケ ット（paddle）、およびボタン反射ジョルト（button reflex jolt）が含まれる 。これらの力に対応するホストコマンドの例３３６の多くは、レート制御パラダ イムに関して説明されたように、大きさパラメータおよびスタイルパラメータを 使用する。レート制御コマンドでの場合と同様に、同じ名称のコマンドパラメー タは、一般的に異なるホストコマンドに対して同じプロパティを持つ。ただし、 位置制御力の持続時間は通常ユーザオブジェクトの現在位置に応じて適用される た め、持続時間パラメータは、通常、レート制御コマンドの場合ほどには位置制御 コマンドには使用されない。したがって、一般的には、位置制御力モデルは、ホ ストコンピュータ１２が新しいホスト力コマンドまたはクリアコマンドを発行す るまで有効のままである。他の実施形態では、持続時間パラメータを使用しても よい。 ここで説明する位置制御コマンド用の好ましいパラメータ決定は、図１４にま とめられている。以下に列挙される全ての力は、デッドバンドパラメータのよう な補助的なコマンドパラメータを含むことができ、あるいは図１４に列挙される パラメータに他のプロパティを組み込むことができる。図９に示されるホストコ マンドと同様に、ホストコマンド３３６は、コマンド部分３３８および多数のコ マンドパラメータ３４０を含むことが好ましい。コマンド３３６は、ホストコン ピュータ１２がプロセッサ２６に実現するように指示する力のタイプを示す。こ のコマンド部分は、プロセッサ２６がメモリ２７から検索して実施することがで きる対応リフレクトプロセスを含んでいてもよい。コマンド部分３３８は、他の 実施形態では、事実上任意の形式で指定できる。 ベクトル力とは、大きさと方向を有する一般的な力である。ベクトル力の極表 示については、図１２を参照されたい。ほとんどの位置制御感覚は、ベクトル力 コマンドおよび適切な命令およびプログラミング構造を使用して、プログラマ／ 開発者によって生成される。ホスト１２またはマイクロプロセッサ２６は、時間 ではなくユーザオブジェクトの動きに基づいて力を終了または修正できるため、 通常、持続時間パラメータは必要でない。 図１５は、本発明の溝力に関する力対変位の関係を示すグラフ３４２である。 溝力は、傾斜３４４によって示されるように、所与の自由度に沿った線形戻り止 め感覚を与える。ユーザオブジェクトは、「溝」の中の粘着力を維持するための 自由度に沿った復元力が存在する「溝」に捕らえられているように感じられる。 この復元力溝は、ホストコマンドが受信されたときのユーザオブジェクトの現在 位置に位置する中心溝位置Ｃを中心としている。この他に、中心溝位置の位置は 、１以上の自由度に沿ったコマンドパラメータから指定できる。したがって、ユ ーザがユーザオブジェクトを溝の外に動かそうとすると、抵抗力が印加される。 大きさ（剛性）パラメータは、印加される力または抵抗の量を指定する。オプ ションとして、ユーザオブジェクトが距離Ｓで示される所与のスナップアウト距 離だけ溝から逸れると溝力が止まる溝反射プロセス内では、「スナップアウト」 機能を実現することができる。このため、マイクロプロセッサ２６は、スナップ 距離大きさを有する溝コマンドを受信する。マイクロプロセッサは、このスナッ プ距離外に移動するユーザオブジェクトを検出すると、溝力を止める。このスナ ップアウト機能は、力を止めるためにクリアコマンドを送るホストコンピュータ １２によっても同様に好適に実現することができる。また、ユーザオブジェクト がデッドバンドコマンドパラメータで指定される中心溝位置Ｃ近くで自由に動く ことができるようにするために、デッドバンドＤＢを設定することもできる。ス タイルコマンドパラメータは、１以上の自由度に沿った溝の向き（例えば、水平 、垂直、斜め）を示す。例えば、水平溝および垂直溝は、ウィンドウ内のスクロ ールバーに力を与える場合に有用である。グラフィカルユーザインタフェースで カーソルを動かすユーザは、カーソルおよびユーザオブジェクトをスクロールバ ーの中心に向かって動かす溝力を感じることができる。デッドバンドは、ユーザ に、スクロールバー領域内でカーソルを動かすための空間を与える。スナップア ウト距離は、カーソルがスクロールバー領域の外に移動した場合にカーソル／ユ ーザオブジェクトを力から解放するために使用することができる。 ディボットは、本質的には、２以上の自由度で復元力を与える二つ（または三 つ以上）の直交溝である。これは、所与の自由度に沿って点戻り止めの感覚を与 える。例えば、ディボットが２自由度で与えられる場合、ユーザオブジェクトは 円形の窪みの中に捕えられたように感じられる。ユーザオブジェクトは、ユーザ オブジェクトを保持するために双方の軸線に沿った復元力が存在する点に捕捉さ れている。溝力のスナップアウト機能は、ディボットに関しても実現することが できる。さらに、溝のデッドバンド機能もディボットコマンドに提供することが できる。 質感力は、図４を参照して前述したように、表面の特性をシミュレートする。 質感とは、例えば棒を格子上で動かすときに感じられる力をシミュレートする（ 振動、時間変化力とは反対の）空間変化力である。その他のタイプの質感もシ ミュレートすることができる。ユーザオブジェクトは、質感力を感じるように動 かされなければならない。つまり、格子の各「こぶ」は、その自由度において特 定の位置を持つ。質感力は、ホストコマンドおよびコマンドパラメータを用いて プログラマ／開発者によって指定される複数の特性を備えている。これらのコマ ンドパラメータには、大きさ、グリット、およびスタイルが含まれることが好ま しい。大きさは、格子の「こぶ」ごとにユーザオブジェクトに印加される力の量 を指定する。グリットとは、基本的には、格子のこぶの各々の間の間隔である。 スタイルコマンドパラメータは、質感の向きを指定することができる。例えば、 スタイルは、水平格子、垂直格子、または斜行格子（またはこれらの格子の重ね 合わせ）を指定することができる。さらに、スタイルパラメータは、質感がある 自由度に沿って双方向または単方向のどちらで感じられるのかを指定することが できる。この他に、質感力の「こぶ」の位置を制御するために補助的なコマンド パラメータを与えることもできる。例えば、こぶ間の距離がある距離にわたって 指数的に変化、あるいは指定された公式に従って変化するようにこぶ感の距離を 指示する情報が含まれていてもよい。この他に、質感間隔はランダムに変化して もよい。他の実施形態では、コマンドパラメータは、マイクロプロセッサ２６が メモリから取り出すことができる複数の使用可能な標準質感パターンのなかの一 つを指定することができる。 障壁力は、指令が出されると、ユーザオブジェクト空間内の任意の場所に配置 される壁または他の障害物をシミュレートする。この障壁力については、図４を 参照して上述した。ホストコマンドは、障壁の硬さ（印加される力の大きさ）、 自由度に沿った障壁の位置（location）、および障壁のスナップ距離（snap dis tance）または厚さを指定することができる。希望する場合には、水平障壁と垂 直障壁を別個のホストコマンドとして提供することができる。図１６のグラフ３ ４６に示されるように、障壁力だけが有限の厚さを持っている。力は、ユーザオ ブジェクトが（Ｂ点を通り過ぎて）障壁に近づいてくるに従って、急激に大きく なる。スナップ貫通距離は、障壁がユーザによって感じられる領域のサイズを限 定する。ユーザオブジェクトが障壁の中に入り込んでから、障壁の厚さを通り抜 けると、障壁力は止められる。障壁力は、マイクロプロセッサがユーザオブジェ ク ト３４に最大の力を提供する硬い障害物として、または（大きさコマンドパラメ ータによって指定されるように）より小さな力の大きさが印加されるこぶや比較 的柔らかい障壁として動作してもよい。障壁は、取り除かれるか、新しい位置に 移動されない限り、長い時間にわたって残っていてもよい。また、自由度に沿っ て連続して複数の障壁を設けることもできる。 この他に、障壁力は、２つのコマンドパラメータ、すなわち硬さおよび位置、 のみを有するホストコマンドを送ることによって与えることもできる。硬さパラ メータは、抵抗力の高さまたは傾斜を指定できる。図１６のグラフ３４８に示さ れるように、ユーザオブジェクトは、距離軸に沿って左から右に移動できる。ユ ーザオブジェクトは、Ｂ点で障壁に衝突すると抵抗力を感じる。ユーザオブジェ クトがＳ点（スナップ距離）に移動すると、ユーザオブジェクトに対して力が反 対方向に印加される（負の大きさの力）。この力は、ユーザオブジェクトが同じ 方向で移動するのに伴って減少する。これは、ユーザオブジェクトがこぶの上に 移動するまで力が抵抗的であり、なおかつオブジェクトがこぶの他方の側面を降 りていくに従って力が補助力になるようなこぶや丘をシミュレートする。 力場（force field）タイプの力は、特定の位置を基準としてユーザオブジェ クトを引き寄せ、あるいは跳ね返す。この力は、フィールドの大きさや力場の印 加の基準となる特定のフィールド原点位置（origin position）などのコマンド パラメータによって定義することができる。引力場または斥力場を示すために、 向き（sense）パラメータが含まれていてもよい。例えば、力場は、フィールド 原点位置とユーザによって制御されるカーソルやグラフィックオブジェクトとの 間の重力をシミュレートするための引力場となることがある。フィールド原点位 置は重力質量または電荷と考えることができるが、引力は、特定の位置からの変 位の逆２乗に依存する必要はない。例えば、力は変位の逆数に依存していてもよ い。また、引力場は、ユーザオブジェクトがフィールド原点位置に移動されると 、その位置にユーザオブジェクトを維持しようと努める。斥力場は、特定のフィ ールド原点位置からユーザオブジェクトを押し出すという点を除いて、同様に動 作する。さらに、フィールド原点位置のまわりの特定の距離範囲に対する力場の 効果を制限するために、追加のコマンドパラメータとして範囲を指定してもよい 。 図１７ａ〜１７ｉは、「ボール」コンピュータオブジェクトまたは同様のオブ ジェクト３５２と相互作用する「ラケット（paddle）」コンピュータオブジェク ト３５０の図である。これらのコンピュータオブジェクトは、ホストコンピュー タ１６によって表示画面２０上に表示することができる。ボールとラケットとの 間の力の相互作用は、後述のように、ホストコマンドを使用してソフトウェア開 発者によって制御することができる。ここで説明する例では、ラケットオブジェ クト３５０は、ラケットオブジェクト３５０の動きがユーザオブジェクト３４の 動きに直接マッピングされるように、位置制御パラダイムによってプレーヤによ り制御される。他の実施形態では、ボールオブジェクト３５２または両オブジェ クトがプレーヤによって制御されていてもよい。 図１７ａ〜１７ｈは、ボールオブジェクト３５２がラケットオブジェクトと衝 突するときに、ラケットオブジェクト３５０が移動するボールオブジェクト３５ ２とどのように相互作用するのかを示している。図１７ａでは、まず、ボール３ ５２がラケット３５０と衝突する。最初の力は、適切な方向でユーザオブジェク ト３４に印加されることが好ましい。図１７ｂおよび図１７ｃでは、ボール３５ ２が、コンプライアンスのあるラケットまたは「スリング」に入り込んでいる。 ボールのシミュレート速度、ラケットのシミュレートコンプライアンス、および シミュレート重力の強度／方向に適したユーザオブジェクト３４を介してボール ３５２のシミュレート質量がユーザによって感じられることが好ましい。これら のパラメータは、適切なパラメータを有するホストコマンドを使用して設定でき るようになっていることが好ましい。例えば、以下のホストコマンドを使用する ことができる。 PADDLE(B_-mass,B_-vel_-x,B_-vel_-y,Gravity,Sense,Compliance_-X,Compliance_-Y) ここで、コマンドパラメータＢ＿ｍａｓｓはボールのシミュレート質量を示し、 Ｂ＿ｖｅｌ＿ｘとＢ＿ｖｅｌ＿ｙはボールの速度であり、ｇｒａｖｉｔｙは重力 の強さであり、ｓｅｎｓｅは重力の方向であり、Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ＿ＸとＣ ｏｍｐｌｉａｎｃｅ＿Ｙはラケットオブジェクト３４のシミュレートコンプライ アンスまたは剛性である。コンピュータ環境やオブジェクトの相互作用の他の物 理的な側面を制御するために、他のパラメータが含まれていてもよい。 図１７ｄでは、ボールは、ラケット３４の最大たわみ点に到達し、同じ方向に 動くことはできなくなっている。図１７ｅ〜図１７ｇに示されるように、ボール は、ラケットのコンプライアンスのために反対方向に押される。さらに、ユーザ がユーザオブジェクト３４に力を加えて、ボールを特定の方向に向かせ、ボール の動きをさらに加速させることが好ましい。これにより、ユーザは、精密な制御 度を得ることができ、希望の方向にボールを向かわせる上で重要な技能を利用す ることが可能になる。このように、力フィードバックラケットは、ピンポンタイ プや他の同様のビデオゲームの優れた構成要素である。さらに、ラケット３５０ は、オプションとして、図１７ｈに示されるように反対方向にたわむこともでき る。 ボール３５２とラケット３５０との間で相互作用する力の概略モデルは、図１ ７ｉに示されている。ばね定数Ｋによって示されるばね力は、ラケットの弾力性 を示すために自由度ＸおよびＹの双方に与えられる。ここで、ｇは重力の方向で ある。さらに、ボールがラケット３５０と接触すると、ボール３５２の速度を落 とすように、減衰定数Ｂによって示される制動力が与えられる。ばね力および制 動力は、１自由度で印加することもできる。 ラケット制御アルゴリズムとは、ボールがラケットを圧縮し、その後ラケット から離れる間の相互作用力をマイクロプロセッサ２６が計算する動的アルゴリズ ムである。ラケットコマンドは、ボールがラケットに接触すると、ホストコンピ ュータ１２により送られる。ラケットコマンドは、ホストが相互作用期間中に表 示画面２０上に表示されるグラフィックスを更新できるように、ホストコンピュ ータにボール位置を報告する。現在の好適な実施形態では、更新は、ホストに対 して約６０ｈＺで行いさえすればよい。これは、大部分のディスプレイ２０がそ の速度でしか表示を行えないからである。しかし、相互作用に現実に近い「感覚 」を与えるためには、力は約５００Ｈｚまたはそれ以上で計算され、出力される 必要がある。したがって、ローカルマイクロプロセッサは、迅速に力を計算する 一方で、ときおりラケットのセンサ読取り値をより低い速度でホストに報告する こ とができる。他のタイプのビデオゲームまたはシミュレーション相互作用も、高 水準ホストコマンドで同様に指令することができる。以上で、位置制御パラダイ ムの説明を終わりにする。 さらに、ホストコンピュータがクリアコマンドを使用できるようになっている と好適である。このコマンドは、特定の自由度を指定するパラメータを含むこと ができ、指定された自由度における全ての力をホストコンピュータが削除できる ようにする。これにより、プログラマが力を重畳することを望まない場合には、 他の力が印加される前に力を除去できるようになる。 また、構成ホストコマンドが与えられていてもよい。このコマンドは、インタ フェース装置１４を最初にセットアップして、特定の通信パラメータを受信し、 どの入力および出力が特定のアプリケーションに使用されるのかを指定すること ができる。例えば、ホストコンピュータは、ローカルマイクロプロセッサ２６に 命令を与えて特定の情報をホストコンピュータに報告させるとともに、情報を報 告する頻度を指示することができる。例えば、ホストコンピュータ１２は、マイ クロプロセッサ２６に命令を与えて、特定の自由度からの位置値、インタフェー ス装置１４の特定のボタンからのボタン状態を報告させるとともに、ホストコン ピュータに発生するエラーをどの程度まで報告するのかを指示することができる 。製造時にインタフェース装置１４に記憶された情報、例えばシリアル番号、型 式番号、スタイル情報、較正パラメータおよび較正情報、センサデータの分解能 、力制御の分解能、所与の自由度に沿った動きの範囲、を受信するために、ホス トコンピュータ１２によってインタフェース装置１４に「リクエスト情報」コマ ンドを送ることもできる。この情報は、ホストコンピュータがローカルプロセッ サ２６に出力するコマンドを特定のタイプのインタフェース装置１４に対して調 整およびカスタマイズできるようにするために、ホストコンピュータにとって必 要となる場合がある。ＵＳＢ通信インタフェースが使用される場合、ベンダ識別 、装置クラス、電力管理情報など、そのインタフェースに必要なその他の情報が 、リクエストコマンドに応じてホストに提供される。 さらに述べると、前述の力を重ね合わせることも可能である。ホストコンピユ ータは、過去のホストコマンドが依然として有効な間に新規のホストコマンドを 送ることができる。これにより、ユーザオブジェクトに印加される力を、異なる 制御コマンドに基づいて組み合わせることができる。マイクロプロセッサ２６ま たはホストコンピュータは、相反する効果をもたらす一定のコマンド（例えば、 復元力とばね復元力）が重ね合わされることを防ぐことができる。例えば、最新 の送出済ホストコマンドは、過去のコマンドを、それらの過去のコマンドが新規 コマンドと対立する場合に無視することができる。あるいは、対立するコマンド に優先順位を割り当てて、最高の優先順位を有するコマンドが他の対立するコマ ンドにオーバライドするようにしてもよい。 前述の高水準コマンドおよびコマンドパラメータは、本発明の力を実現するた めの例にすぎない。例えば、別個に説明されたコマンドパラメータを、異なる部 分を持つ一つのパラメータにまとめることができる。また、複数のレート制御条 件力を提供する条件コマンドの例で述べたように、本明細書に示される個々のコ マンドをさまざまな方法で組み合わせたり、分離したりすることができる。 標準ジョイスティックのような１または２の直交自由度または球自由度を持つ 一般的なインタフェース装置に加えて、他のインタフェース装置が３または４以 上の自由度を備えていてもよい。第３の自由度がスティック自体に沿った軸のま わりである場合、当業者はそれを「スピン」または「ねじり」と呼ぶ。ユーザオ ブジェクトの各自由度は、自身に専用の高水準ホストコマンドを持つことができ る。高水準ホストコマンドを各自由度に独立して関連づけることにより、考えら れる多くの位置制御、レート制御およびその他の抽象マッピングの組み合わせを 、インタフェース装置で実現することができる。 例えば、２自由度を有する一般的なジョイスティックの場合、コンピュータゲ ームは、ジョイスティックが宇宙船の飛行の制御できるようにすることができる 。ジョイスティックハンドルの前後の動きは、宇宙船の加速を指示するスラスト 制御を実施する。ジョイスティックの左右の動きは、宇宙船の軌道の角速度を指 示するスラスト制御を実施する。この特定のスラスト方向パラダイムは、現在の ゲームでは特に人気があるが、多くのばらつきがある。例えば、フライトシミュ レータでは、ジョイスティックの前後の動きが飛行機のピッチを制御し、左右の 動きが飛行機のロールを制御する場合がある。ドライビングゲームでは、スティ ッ クの前後の動きが車の加速に対するレート制御マッピングであり、左右の動きが 道路の幅方向における車の位置に対する位置制御マッピングである場合がある。 また、複数の制御パラダイムを単一の自由度に混合することもできる。例えば 、ジョイスティックが、ある自由度での原点からの小さな偏差に対する位置制御 と同じ自由度での原点からの大きな偏差に対するレート制御とを備える場合があ る。このような混合制御パラダイムを、ローカル位置／グローバルレート制御パ ラダイムと呼ぶことがある。 図１８は、ホストコマンドおよびコマンドパラメータを処理してユーザオブジ ェクト３４に力を出力する本発明の機能マイクロプロセッサ２６のインプリメン テーション３８０の例を示すブロック図である。インプリメンテーション３８０ は、メモリ２７に格納された命令を使用するマイクロプロセッサ２６上に設けら れることが好ましい。マイクロプロセッサ上で操作を実行するプログラム命令の 使用は、当業者にとっては周知であり、「コンピュータ読取り可能媒体」に記憶 することができる。本明細書では、このような媒体には、一例として、ＲＡＭや ＲＯＭなどのメモリ２７、磁気ディスク、磁気テープ、ＣＤ ＲＯＭのような光 学読取り可能媒体、ＰＣＭＣＩＡカードのような半導体メモリなどが含まれてい る。各々のケースで、媒体は、小型ディスク、ディスケット、カセットなどの携 帯物の形を取ることもあれば、ハードディスクドライブのような比較的大きい、 あるいは動かすことのできない物品の形を取ることもある。種々のサブプロセス ３８２、３８４、３８６、３８７、および３８８は、力フィードバックインタフ ェース装置１４の応答性を最適化するためにマイクロプロセッサ２６上で並列で 実行することが好ましい。これらのプロセスも、本明細書では「プロセッサ」と 呼ぶ。好適な実施形態では、さまざまなパラメータおよびデータが、インプリメ ンテーション３８０のサブプロセスによって共用される。 インプリメンテーション３８０の以下の説明において、パラメータセットまた はパラメータページは、力の計算および印加の速度を高めるために記憶されてい てもよい。本明細書では、パラメータセットは、パラメータページと同義である と考えられる。コマンドが受信されるとすぐにホストコマンドおよびコマンドパ ラメータ（および／または他のパラメータ）を読み取り、記憶し、適用するので はなく、力環境を定義するコマンドおよびパラメータの全部または一部を記憶し 、メモリ２７に記憶されたパラメータページに分類することができる。この力環 境は、パラメータページから迅速に読み取られる特定の力を記述することができ る。適切な力環境がホストコンピュータによって必要とされる場合、マイクロプ ロセッサは、メモリからパラメータページを検索することができる。この後、映 像表示システムにおけるページスワッピングと同様に、インプリメンテーション ３８０は、現在の力環境に対してアクティブページを使用し、構築中のコマンド ／パラメータセットに対して「隠し」ページを使用することができる。さらに、 予め設定または定義された力環境を検索することもできる。これらの環境は、イ ンタフェース装置１４に与えられる標準化された力環境であるか、あるいはホス トコンピュータからインタフェース装置１４にロードできる環境である。好まし い実施形態では、記憶されるパラメータページは、力パラメータおよび報告パラ メータを含むことになる。これらのパラメータは、ホストコマンドおよびコマン ドパラメータから引き出される内部マイクロプロセッサパラメータである。これ らのパラメータについては、後述する。 ホスト通信・バックグラウンドプロセス３８２は、マイクロプロセッサ２６と ホストコンピュータ１２との間の通信を維持する。ホスト通信・バックグラウン ドプロセス３８２は、高水準ホストコマンドおよびコマンドパラメータをホスト １２から受信し、このデータをコマンドプロセス３８４に送る。プロセス３８２ は、後述される報告プロセス３８７からもセンサデータを受信する。プロセス３ ８２は、プロセス３８７から受信した情報をホスト１２に中継する。本質的に、 プロセス３８２は、マイクロプロセッサ２６とホストコンピュータ１２との間の 通信「交換機」として動作する。プロセス３８２（またはプロセス３８４）は、 マイクロプロセッサ２６上の入力バッファを管理する。この入力バッファは、ホ ストコンピュータ１２からの入コマンドおよびデータをバッファするために使用 される。この入力バッファは、高い通信速度を有するＵＳＢインタフェースやそ の他のインタフェースを含む実施形態で特に有用である。 コマンドプロセス３８４は、ホスト通信・バックグラウンドプロセス３８２を 介して伝送されたホスト１２からの入力高水準ホストコマンドおよびコマンドパ ラメータを処理する。この入力コマンドに基づいて、コマンドプロセス３８４は 、報告パラメータおよび力フィードバック制御パラメータを処理する。このよう なタイプのパラメータは、マイクロプロセッサ２６の内部パラメータであり、ホ ストにより送られる高水準ホストコマンド内に含まれるコマンドパラメータ３０ ８と区別されなければならない。内部パラメータは、コマンドパラメータから引 き出され、一部の例では、後述するようにコマンドパラメータと同一である場合 がある。 報告パラメータは、ホストコンピュータ１２に報告するデータおよび報告の速 度をマイクロプロセッサ２６に対して指定する内部パラメータである。報告パラ メータは、例えば、特定の自由度に関してユーザオブジェクト３４の位置または 速度を報告すべきかどうかや、通信速度や、エラーを報告する方法を指定する。 報告パラメータは、ホストコンピュータ１２から受信された構成コマンドから引 き出され、ステータス更新プロセス３８６および報告プロセス３８７に提供され る。これにより、プロセス３８７は、どの情報をホストコンピュータ１２に報告 するのかを、ホスト通信・バックグラウンドプロセス３８２を介して知ることに なる。 力フィードバック制御パラメータ（「力パラメータ」）は、コマンドプロセス ３８４によって提供または更新され、力アルゴリズム計算・アクチュエータ制御 プロセス３８８によって使用される内部パラメータである。この力パラメータは 、受信済ホストコマンドに含まれるコマンドパラメータ３０８から引き出される 。コマンドプロセス３８４は、他のプロセス３８８および３８６が最も最近の力 パラメータにアクセスできるように、コマンドパラメータを調べ、内部力パラメ ータを更新する。このプロセス３８４により実現される力パラメータの提供／更 新のプロセスは、図１９を参照し後述する。 ステータス更新プロセス３８６は、コマンドプロセス３８４から報告パラメー タを受信する。受信されたパラメータに基づいて、プロセス３８６は、センサ２ ８およびクロック２９を読み取り、センサ読取り履歴およびタイミング履歴を記 憶する。プロセス３８６は、センサ位置データ、センサデータ履歴、タイミング データ、またはこのデータの組み合わせから導出される値、例えば速度値や加速 値、を計算することもできる。本明細書では、用語「センサデータ」は、センサ から直接受信されるデータ（センサ読取り値）および／またはセンサ読取り値か ら導出される値を指しており、センサデータの履歴も含んでいる。「タイミング データ」または「時間データ」は、ある期間を表す特定の値を指しており、タイ ミングデータの履歴も含んでいる。報告プロセス３８７は、プロセス３８６によ り提供され記憶されたデータを定期的に読み取る（あるいは、プロセス３８６が プロセス３８７に直接データを送出してもよい）。センサデータおよびタイミン グデータは、アルゴリズム計算・アクチュエータ制御プロセス３８８にも「送出 」される。本明細書中の用語「送出される（送られる）」または「受信される」 は、別のプロセスが最終的に受信するデータを供給する一つのプロセスを指して いる。プロセス間でデータを送受するための実際のインプリメンテーションは、 異なる環境では変化することがある。例えば、送出プロセスが算出データをメモ リに記憶し、受信プロセスが独自の速度でメモリからデータを取り出してもよい 。 報告プロセス３８７は、ステータス更新プロセス３８６からセンサデータを受 信し、適切な時点に、あるいはホスト１２からバックグラウンドプロセス３８２ を介してリクエストを受信した時点で、このデータをホストコンピュータ１２に 報告する。この報告パラメータは、コマンドプロセス３８４によりプロセス３８ ７に送られる。さらに、一般的なステータスおよびエラー情報が、力計算プロセ ス３８８から報告プロセス３８７に送られる。報告プロセス３８７により実施さ れるプロセスは、図２１を参照してさらに詳細に説明する。他の実施形態では、 報告プロセス３８７は、例えば（「ストリーム」モードで）ホストにデータを通 例の速度で報告する場合には、バックグラウンドプロセス３８２とマージされる ようになっていてもよい。 力アルゴリズム計算・アクチュエータ制御プロセス３８８は、コマンドプロセ ス３８４およびステータス更新プロセス３８６からの力パラメータおよびセンサ データを使用して、ユーザオブジェクト３４に印加される力を計算する。力パラ メータは、詳細に上述したように、さまざまな力モデルを特徴付けるコマンドパ ラメータから導出される。プロセス３８８は、有効な全ての力モデルの影響を組 み合わせることにより、アクチュエータ３０に印加される合成力を計算する。 図１８中のインプリメンテーション３８０内のプロセス３８２、３８４、３８ ６、３８７、および３８８は、マルチタスク環境を使用することなどによって、 マイクロプロセッサ２６上で並列に実行されることが好ましい。これらの全ての プロセスを順次に実行するのでは、ユーザオブジェクト３４のユーザ操作に対す る力フィードバック応答が極めて遅くなってしまう。 図１８に示されるインプリメンテーション３８０は、マイクロプロセッサ２６ のさまざまなサブプロセスを理論的な区分に分割する方法の一例に過ぎない。他 の実施形態では、他のさまざまなインプリメンテーションを設けて、ここで説明 したマイクロプロセッサ２６の機能の一部または全部を結合させたり、分離させ ることができる。 図１９は、図１８のコマンドプロセス３８２を詳細に示す流れ図である。この プロセスは、３９０から開始する。最初に、ホストコンピュータは、ステップ３ ９１でインタフェース装置１４との通信リンクを確立する。これは、インタフェ ース装置が受信を待っている所定の信号または情報を送ることによって達成でき る。この後、インタフェース装置は、コマンドを受信する準備が完了しているこ とを示す応答信号を送ることができる。ＵＳＢ通信インタフェースが使用されて いる場合には、コマンドプロセス３８２は、ＵＳＢアドレスをホストから要求す ることが好ましい。このＵＳＢアドレスは、この後、プロセッサ３８２が受信し て記憶する。この後データパケットがいつホストから送られても、コマンドプロ セッサ３８４は、データパケットのアドレスをチェックし、そのアドレスを記憶 されたアドレスと比較して、そのパケットがマイクロプロセッサ２６用であるか どうかを判断することができる。 さらに、ＵＳＢが実装されている場合、コマンドプロセッサ３８４は、ＵＳＢ 通信プロトコル内でデータをチェックすることができ、報告プロセッサ３８７は 、このプロトコル内でデータを送出することができる。このプロトコルは、当業 者にとっては周知であるように、トークンパケットを含んでいる。トークンパケ ットの後にはデータパケットが続き、データパケットの後にはハンドシェークパ ケットが続く。ホストコマンドは、データパケット内で暗号化することができる 。 次のステップ３９２では、特定のインタフェース装置に適した適切な力フィー ドバックコマンドがホストコンピュータによって与えられるように、ホストコン ピュータ１２が、インタフェース装置１４の特徴を必要とする場合がある。これ らの特徴としては、例えば、シリアル番号、型式番号、スタイル、ユーザオブジ ェクトの所与の自由度の数、較正パラメータ、およびインタフェース装置の報告 速度を挙げることができる。ホストコンピュータ１２からのこのような情報を求 めるリクエスト、例えば「リクエスト情報」コマンド、を受信すると、マイクロ プロセッサ２６は、ステップ３９２でホストコンピュータ１２に情報を送る。ホ ストコンピュータは、通常、電源投入時または力フィードバックの実施開始時に しか、これらの特徴を要求しない。 次のステップ３９４では、マイクロプロセッサ２６は、ホストコンピュータ１ ２から構成コマンドを受信し、適切な報告パラメータを設定する。前述のように 、この報告パラメータは、センサ読取り値、センサ読取り値から計算された値、 および／またはセンサ「履歴」（つまり、以前に記録または計算された多数のセ ンサ値）を含むセンサデータやクロック時間値のような情報が、ステータス更新 プロセス３８６からホストコンピュータ１２に送られるかどうかを判断すること ができる。このセンサデータには、センサエラーデータ、どのボタンがインタフ ェース装置上で押されたのかを記述するデータの履歴、ユーザオブジェクトの位 置、速度、および／または加速度、どの自由度からのデータがホストコンピュー タに報告されるのか、データは照会モードまたはストリームモードのどちらでホ ストコンピュータに報告されるのか、が含まれていてもよい。このような構成の 選択肢により、プログラマは、ホストコンピュータがローカルマイクロプロセッ サからどのデータを受信するのかを設定できるようになる。例えば、アプリケー ションが、二つの所与の自由度のうちの一つだけでユーザオブジェクト位置デー タを必要とする場合には、マイクロプロセッサが未使用の自由度の情報をホスト コンピュータに送るのは処理時間の無駄である。プログラマはホストコンピュー タに必要なデータだけを送るように、構成コマンドを用いて報告パラメータを設 定することができる。 次のステップ３９６では、プロセスは、ホストコマンドが受信されたかどうか をチェックする。受信されていない場合、ステップ３９６は、ホストコマンドが 受信されるまで連続的にループする。この後、ステップ３９８が実施される。こ のステップでは、受信されたコマンドが構成コマンドであるかどうかをプロセス が判断する。構成コマンドは、前述のように、報告パラメータを設定する。コマ ンドが構成コマンドである場合は、ステップ４００で、適切な報告パラメータが 設定し、および／または報告パラメータをリセットして、インタフェース装置の 動作中に新しい構成を与える。受信コマンドが構成コマンドではないとステップ ３９８で判断された場合は、ステップ３９８は、インタフェース装置１４の力フ ィードバック機能を制御する力コマンドを検出する。力コマンドには、上記のホ ストコマンド（例えば、図９や図１４に示されるホストコマンド）が含まれる。 これらのホストコマンドは、内部力パラメータに影響を与えるコマンドパラメー タを提供する。 ステップ４０２では、力コマンドおよびコマンドパラメータが、力パラメータ 、例えば力コマンドにより指定される特定の力パラダイムまたはモデルの実現に 関連する力パラメータ、を設定する。プロセス３８８は、メモリ内のこのような 力パラメータにアクセスし、図２２を参照して説明するようにアクチュエータ３ ０を用いて力を印加する。一例を挙げると、力コマンドおよび力パラメータは、 インタフェース装置１４上の特定のボタンを指定し、ジョルト力モデルを指定さ れたボタンの各々に割り当てる。この後、ユーザが指定されたボタンを押すと、 押されたボタンに割り当てられたジョルトが、現在メモリ内にあるあらゆる力パ ラメータを用いて起動される。力パラメータの例は、図２３を参照して後述する 。力パラメータを設定した後、ステップ４０２では、別のホストコマンドの受信 を待つために、制御がステップ３９６に戻る。 さらに、好ましい実施形態では、プロセス３８４は、ホストコンピュータ１２ からの「心拍」信号を所定の時間間隔の後に定期的にチェック／受信している。 この信号は、ホストコンピュータが依然としてインタフェース装置１４に接続さ れていること、およびホストが「ＯＫ」ステータスであること、を示すための安 全性チェックとなる。心拍信号が時間間隔内に受信されない場合、インタフェー ス装置１４は停止状態になって、ホストからの初期化コマンドを待機することが できる。この「心拍」信号は、通常信号またはホストコマンドであってもよいし 、 他の信号が時間間隔内に送られない場合にホストコンピュータが送ることができ る心拍信号として特に使用される信号であってもよい。信号がステップ３９６で 受信された後、信号が特定の記憶場所で受信された時間をプロセス３８４が記憶 するようになっていると好適である。プロセス３８８は、この時間を調べること で、時間間隔を超えたかどうかを判断することができる（これについては、後述 する）。 図２０は、図１８のステータス更新プロセス３８６を説明する流れ図である。 このプロセスは、ステップ４１０から開始する。ステップ４１２では、プロセス ３８６は、コマンドプロセス３８４によって設定された報告パラメータおよび力 パラメータを調べる。プロセス３８６は、コマンドプロセス３８４によって更新 されたメモリ１７内の報告パラメータおよび状態パラメータを調べる。報告パラ メータと力パラメータの両方から、ステップ４１４は、どのセンサが読み取られ るのかを決定する。力パラメータは、力を計算するためにプロセス３８８に必要 なのはどのセンサデータであるかを判断する。例えば、力パラメータが、ｙ軸の まわりではなくｘ軸のまわりで力を計算する必要があると判断する場合は、ｙ軸 センサからのセンサデータは力の計算には必要ない。報告パラメータは、どのセ ンサデータをホストコンピュータに報告するのかを決定した。したがって、報告 パラメータは、ｙ軸センサデータをホストコンピュータに送る必要がないことも 指定することができる。これは、ホストコンピュータがその特定データを無視し ているからである。このように、ｙ軸データは力を計算するために使用されず、 ホスト１２によっても必要とされないため、マイクロプロセッサ２６は、ステッ プ４１４で、ｙ軸センサを読み取らないことを決定する。 ステップ４１６は、速度および／または加速度を常に計算するのかどうかを決 定する。このステップの結果は、実現される実施形態に依存する。一部の実施形 態では、速度／加速度データが力を計算するために必要なのかどうかや、速度／ 加速度データをホスト１２に送る必要があるかどうかにかかわらず速度データお よび／または加速度データを常に計算するようになっていると、ステップがより 単純になり、あまり処理時間を必要としなくなる場合がある。他の実施形態では 、速度データ／加速データは、このようなデータが力値の計算に必要な場合や、 ホ スト１２がこれらの値を必要とする場合にだけ計算してもよい。さらに別の実施 形態では、特定のアプリケーションや他の判断要素に応じて、モード（「常に計 算」または「必要なときだけ計算」）を設定してもよい。 速度および加速度を常に計算する実施形態では、ステップ４１８が実施される 。このステップでは、センサ読取り値およびタイミングデータを用いて速度値お よび／または加速度値が計算される。例えば、記録された位置値および関連する 時間間隔の履歴を用いて速度を計算することができる。次に、プロセスはステッ プ４２２に続く。このような実施形態を用いない場合は、ステップ４２０が、速 度値および／または加速度値を適切な場合に計算する。プロセス３８６は、ステ ップ４１４と同様に、力パラメータおよび報告パラメータを調べて、速度値およ び／または加速度値を計算する必要があるかどうかを判断することができる。 ステップ４１８または４２０の後、ステップ４２２が実行される。このステッ プでは、センサ２８、クロック２９から読み出され、ステップ４１８または４２ ０で計算されたセンサデータおよびタイミングデータを、プロセス３８６がメモ リ２７内に格納する。このセンサデータおよびタイミングデータは、他の入力装 置３９に関するデータを含んでいてもよい。このようなデータとしては、例えば 、ボタンが押されたかどうかに関するもの（センサデータの場合）や、ボタン反 復またはボタン保持（「オートファイア」）機能が適切なときに作動できるよう に、インタフェース装置１４上のボタンがどのくらいの時間押されていたのかに 関するもの（タイミングデータの場合）を挙げることができる。上記のように、 複数のプロセスが並列に実行（マルチタスキンダ）されているため、プロセス３ ８６は、マイクロプロセッサ２６の処理時間を共用していることが好ましい。こ の場合、プロセス３８６は、マイクロプロセッサ２６が利用可能になるまでステ ップ４２４で待機するか、あるいは故意に別の待機プロセスがマイクロプロセッ サ２６を使用できるようにしなければならないことがある。さらに、この待機ス テップは、一致した時刻またはより遅い時刻に出力データをメモリ２７に書き込 んで、力計算プロセス３８８にメモリから出力データを読み取る上でより大きな 柔軟性を与えるようにしなければならない場合がある。 図２１は、データをホストコンピュータに報告する図１８の報告プロセス３８ ７を説明する流れ図である。このプロセスは、ステップ４３０から始まる。ステ ップ４３２は、報告を照会モードで行うのか、あるいはストリームモードで行う のかを、コマンドプロセス３８４によって設定された報告パラメータによって指 定されるように決定する。この説明では、照会モードは、ホストコンピュータか らの情報を求めるリクエストに基づいた非同期報告方法を使用し、ストリームモ ードは、所定の時間間隔に基づいた同期報告方法を使用する。 照会報告モードでは、ステップ４３４が、報告を求めるリクエストがホストコ ンピュータ１２から受信されたかどうかを判断する。リクエストは、報告プロセ ス３８７が直接受信してもよいし、あるいは、リクエストをコマンドプロセス３ ８４を介して報告プロセス３８７に中継してもよい。リクエストが受信されると 、ステップ４３６は、図２０のステップ４２２で記憶されるセンサデータおよび タイミングデータ、ならびにプロセス３８８からのエラー情報および力値をホス トに報告（すなわち送出）する。送出されるデータは、構成コマンドにより指定 される報告パラメータおよびホストから受信されるリクエストに依存する。例え ば、ホスト１２が特定の情報を要求することができる実施形態もある。その場合 、プロセスは、ステップ４３２に戻り、照会モードまたはストリームモードが使 用されているかどうかを判断する。このように、ここで説明する実施形態では、 データ転送中の任意の時点でモードを切り替えることができる。他の実施形態で は、一つの特定の報告モードが唯一の利用可能な選択枝である場合もある。この 他に、両方のモードを使用することもできるが、インタフェース装置１４の動作 の開始時に一つモードが一度選択されてしまうと、そのモードを切り替えること はできない。 ストリーム報告モードでは、ステップ４３８は、報告期間が満了したかどうか を判断する。標準報告期間は、インタフェース装置およびホストコンピュータ１ ２が最初にセットアップされるときに設定されるのが好ましい。期間が満了する と、ステップ４４０は、報告パラメータに従って、図２０のステップ４２２で記 憶されたデータを報告する。期間が満了していない場合は、プロセスはステップ ４３２に戻って、再び報告モードを決定する。 図２２は、図１８の力アルゴリズム計算・アクチュエータ制御プロセス３８８ を説明する流れ図である。このプロセスは、ステップ４５０から始まる。各自由 度における全ての力は、ステップ４５０の前の電源投入時、またはホストコンピ ュータ１２からのクリアコマンドの受信時にゼロに初期化される。この後、プロ セス３８８は、ステップ４５０で開始し、ステップ４５２に進む。ステップ４５ ２では、力を印加しなければならない軸、すなわち自由度が選択される。本明細 書では、「軸」は、インタフェース装置１４によって与えられる自由度と同義で ある。２本の軸が印可される力を必要としている場合、ステップ４５２では、現 在の反復で力が印加されなかった軸が選択されることが好ましい。例えば、力が ｘ軸およびｙ軸のまわりで必要とされる場合であって、ループの前回の反復では ｘ軸の力が計算されて印加された場合は、ｙ軸が選択されることが好ましい。さ らに、選択された軸における合計力は、ステップ４５２でゼロに初期化される。 ステップ４５６は、力パラメータに従って選択された次の反射プロセスに応じ て選択された軸における力を計算する。このステップには、適切な反射プロセス の選択、必要なセンサデータ、タイミングデータ、および他のデータの検索、な らびに選択された反射プロセスおよび検索されたデータを使用した力値の計算が 含まれていることが好ましい。反射プロセスは、力パラメータを調べることによ って選択される。力パラメータの現在の値は、現在有効なホストコマンドを反映 する。複数のホストコマンド（反射プロセス）が同時に有効となる場合があるの で、力を計算するために実行すべき反射プロセスの一つを決定するために、プロ セス３８８によって力パラメータが調べられる。このように、プロセス３８８は 、力パラメータを調べることにより、ホストコンピュータによってどのコマンド が送られたのかを判定し、どの反射プロセスをそれらのコマンドに従って実行す べきかを決定することができる。図５を参照して前述したように、反射プロセス には、プロセスステップや、方程式や、力プロファイルや、センサデータ、タイ ミングデータ、コマンドパラメータ、入力装置３９からの他の入力データ、およ び／または他の関連情報から力を計算する命令のその他の組み合わせ、が含まれ ていてもよい。コマンドパラメータは、力パラメータ値に反映されている。した がって、プロセス３８８は、必要なセンサデータ、タイミングデータ、力パラメ ータ、および／または力値を計算するために選択された反射プロセスによって必 要 とされる他のデータを検索する。 ステップ４５８では、プロセス３８８は、ステップ４５６で計算された力値を ステップ４５２で初期化された軸に対する合計力に加算する。他の実施形態では 、プロセス３８８が、合計力値またはステップ４５８で計算される合計力の一部 を制限することがある。例えば、プロセス３８８が、どの力値が条件力であり、 どの力値がオーバレイ力であるかの軌跡を維持している場合、プロセス３８８は 、条件力の総合計を、最大アクチュエータ力出力の所定のパーセンテージ、例え ば最大出力の７０％、に制限することができる。これにより、使用可能な力範囲 の一部を、条件力の上に加えられることがあるオーバレイ力、例えばボタンジョ ルトや振動、に使用できるようになる。オーバレイ力を全ての条件力の合計の上 に加えることができるように、この制限は、有効な全ての条件力が計算された後 に実行されることが好ましい。他の実施形態では、他の力を制限してもよい。 次のステップ４６０では、プロセス３８８が、現在選択されている軸に関して 別の反射プロセスを実行する必要があるかどうかを判断する。別の反射プロセス を実行する必要があるのは、力がまだ計算されず合計力に加算されていない追加 ホストコマンドが有効な場合である。この場合、プロセスはステップ４５６に戻 り、力パラメータをチェックし、別の反射プロセスを実行して力を計算し、その 力を合計力に加算する。ステップ４６０で、選択された軸に関してそれ以上実行 しなければならない反射プロセスがない場合は、合計力は、選択された軸上で有 効な全ての力を表す。この後、選択された軸に関する合計力は、ステップ４６２ でメモリ２７に格納される。 ステップ４６４では、プロセス３８８が、別の軸（自由度）について合計力値 を計算する必要があるかどうかを判断する。必要な場合は、他の軸に関して合計 力が計算および記憶されるまで、ステップ４５２、４５６、４５８、４６０およ び４６２が他の軸に関して繰り返される。 ステップ４６４が、力を計算する必要のある軸（自由度）がないと判断すると 、ステップ４６６は、各軸の合計力を制限することができる。上記で計算された 軸の合計力は、インタフェース装置のハードウェア仕様、例えばアクチュエータ 力出力、を上回ることがあるため、ステップ４６６は、合計力をハードウェアの 設 計範囲内になるように設定する。ステップ４６６は、前記で計算された合計力が 、エラーフラグによって示されるように、ユーザにとって安全でない可能性があ る場合に、その合計力を修正することもできる。例えば、好ましい実施形態では 、以下のステップ４６８〜４７２で説明されるように、安全条件が違反されると エラーフラグがセットされるようになっていてもよい。これにより、出力値はゼ ロになる。好ましい実施形態では、プロセス３８８は、このような安全条件の後 に、滑らかに増大する力をユーザオブジェクト３４に加える。これは、安全条件 の前のレベルで力出力に突然ジャンプすると、ユーザにとって危険な場合がある ためである。ステップ４６６では、プロセス３８８は、エラータイミング情報を 調べることにより、どのくらい前にエラーフラグがセットされたのかチェックす ることができ、増大する力の滑らかなランプ関数に従って合計力を求めることが できる。 次のステップ４６８は、ステップ４６６の結果として生じる各軸での合計力に 安全条件を適用する。安全条件は、例えば、図１に示されるような安全スイッチ ４１が作動するときや、ホストコンピュータ１２によって特定のコマンドが送ら れたときに違反されることがある。安全条件が違反されると、アクチュエータ３ ０に加わる力は、ステップ４７０でゼロに送られる。この後、ステップ４７２で 違反を示すエラーフラグがセットされ、エラーが発生した時点に関するタイミン グ情報が書き込まれる。この後、プロセス３８８は、図２０のステップ４２４と 同様に、マイクロプロセッサ２６が再び処理を行うための準備が完了するまで、 ステップ４７４で待機する。 さらなる安全機能として、プロセス３８８は、メモリ２７を調べ、ホストの「 心拍」信号が要求された時間間隔内で受信されたかどうかを判断することが好ま しい。最後の信号が許容される時間間隔の外で受信されたとプロセス３８８が判 断した場合、プロセス３８８は、ホストが切断されたかエラーを起こしたと想定 する。したがって、適切な初期化コマンドがホストから受信されるまで、アクチ ュエータ３０への全ての電力は、安全対策として遮断される。 安全条件がステップ４６８で違反されない場合、各軸に関する合計力が適切な アクチュエータ３０に信号で知らされ、対応する力がユーザオブジェクト３４の それらの軸に印可される。さらに、プロセス３８８は、あらゆるエラー情報およ び力値を報告プロセス３８７に送ることができる（エラー情報は、安全条件に関 係なくプロセス３８７に送られる）。この報告プロセスは、上述のように、ホス トにこれらのデータを送るかどうかを判断する。プロセス３８８は、この情報を メモリに書き込むことが好ましい。報告プロセス３８７は、このメモリからその 情報を取り出すことができる。その後、プロセス３８８は、マイクロプロセッサ ２６が準備完了になるまでステップ４７４で待機する。ステップ４７４の後、プ ロセスはステップ４５２に戻り、力の計算および印加の新しい反復のなかで別の 軸を選択する。 次に、インプリメンテーション３８０の応用例を図２３を参照して説明する。 この例では、ＳＬＵＧＧＩＳＨホストコマンドを送るホストコンピュータ１２に よって、緩慢力（sluggish force）がユーザオブジェクト３４に加えられる。こ の後、ＳＰＲＩＮＧホストコマンドを使用するばね復元力が指令される。緩慢力 モデルおよびばね復元力モデルの双方は、レート制御パラダイムのところで前述 しており、図９にも列挙されている。 図２３の力パラメータ４８０および４８２は、ＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドおよ びＳＰＲＩＮＧコマンドの力パラメータを記憶するために使用されたメモリ２７ 中の記憶場所を表す。マイクロプロセッサ２６により実現される各コマンドにつ いての力パラメータを記憶するために一組の記憶場所が同じように割り当てられ ることが好ましい。ホストコンピュータ１２により送られる各ホストコマンド４ ８４から生じる力パラメータが示されている。緩慢力パラメータの記憶場所は、 正負のＸおよびＹ方向の速度成分に対する減衰定数（Ｂ）によりラベル付けされ ている。同様に、ばねテーブルの記憶場所は、正負のＸおよびＹ軸のばね定数（ Ｋ）およびＸおよびＹ軸のデッドバンドサイズによりラベル付けされている。 ３個のホストコマンド４８４が、図２３に順次に示されている。すなわち、 SLUGGISH(50,X bi) SLUGGISH(90,X(+)uni) SPRING(65,X bi,85) である。 ２個のＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドパラメータ３０８は、減衰定数およびスタイ ルである。この定数は、最大減衰定数のパーセンテージであり、５０％および９ ０％となっている。第１のＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドのスタイルコマンドパラメ ータは、Ｘ軸上の双方向（bi-directional）の力を示す。第２のＳＬＵＧＧＩＳ Ｈコマンドのスタイルパラメータは、Ｘ軸の正の方向におけるＸ軸上の単方向（ uni-directional）の力を示す。 ３個のＳＰＲＴＮＧ力フィードバックパラメータは、ばね定数、スタイル、お よびデッドバンドである。ばね定数パラメータは、最大ばね定数の６５％を示し ている。スタイルパラメータは、力がＸ軸上で双方向であることを示す。デッド バンドは、最大デッドバンドサイズの８５％である。 図９に示されるように、コマンドが有効である時間の長さを設定するために、 持続時間コマンドパラメータがホストコマンド４８４の各々に含まれていてもよ い。ただし、この例では、コマンドが無限の持続時間を有するものと仮定されて いるため、持続時間コマンドパラメータは示されていない。コマンドは、例えば 、ホストからのクリアコマンドにより取り消すことができる。この他に、図示の ように、コマンドは、同じタイプの別のコマンドによって取消または変更するこ とができる。 要求されたインタフェース装置情報が図１９のステップ３９２でホスト１２に 送られると、ホスト通信・バックグラウンドプロセス３８２が、ステップ３９４ またはステップ３９８のどちらかで構成コマンドを受信する。これらの構成コマ ンドにより適切な報告パラメータが設定される。これらの報告パラメータは、例 えば、各許容自由度、他の入力装置３９、位置／速度、照会／ストリームモード などに応じたフラグとして、上記の装置からホストにデータを報告（および、適 切な場合にはモードを選択）するかどうかを示すように実現されていてもよい。 最大の効率を得るため、報告パラメータは、Ｘ軸に関してしかフラグがセットさ れない。これは、Ｙ軸データが必要ないためである。ただし、Ｙ軸センサデータ は、他の理由でホストコンピュータによって必要とされることがあるため、Ｙ軸 センサデータは、依然としてフラグがセットされて、ホストに報告される場合が ある。 この後、力パラメータ４８０および４８２は、図２３に示されるように、ＳＬ ＵＧＧＩＳＨおよびＳＰＲＩＮＧホストコマンドならびにこれらが含むコマンド パラメータに基づいて、図１９のステップ４０２で設定される。コマンドＳＬＵ ＧＧＩＳＨ（５０，Ｘｂｉ）によりステップ４０２は、ｘ軸定数Ｂ_x（＋）およ びＢ_x（−）に対応する力パラメータ記憶場所４８６に「５０」を書き込む。最 初の緩慢コマンドが電源投入後インタフェース装置１４によって受信される最初 のコマンドであると想定されるため、他の全ての力パラメータの残りの記憶場所 は全てゼロである。 他のプロセス３８６および３８８は、力パラメータ４８０および４８２（なら びに、他の反射プロセスに対する他の力パラメータ）を調べ、図２０および図２ ２に示されるように実施される。このように、状態更新プロセス３８６は、図２ ０のステップ４１４でどのセンサが読み取られるのかを判断すると、力パラメー タ４８０および４８２を調べ、どのコマンドが有効であるのかを判断する。ばね 復元力の復元力パラメータ４８２のすべてがゼロであるため、ばね復元コマンド は有効ではない（プロセス３８６および３８８は、力パラメータのサブセットを 見てコマンドが有効であるかどうかを判断することしか実際には必要でない）。 しかしながら、力パラメータ４８０は、二つの値（“５０”）を含むため有効で ある。したがって、ｘ軸センサしか読み取る必要がない（ここでは、報告パラメ ータによって示されるように、ホストはｙ軸情報を必要としていないと想定して いる）。ステップ４２０（実施されている場合）では、プロセス３８６が、セン サ読取り値（および／またはセンサ読取り値の履歴）およびタイミングデータを 計算する。これは、緩慢コマンドが、力を計算するために速度値を必要とするか らである（この例では、加速度は関係ない）。 プロセス３８８は、図２２のステップ４５６で力パラメータ４８０および４８ ２をチェックする。Ｘ軸は、ステップ４５２で選択する唯一の関連軸である。力 パラメータ４８２はすべてゼロであるため、プロセス３８８は、ばね復元反射プ ロセスを実行しないことを知っている。力パラメータ４８０が非ゼロ値を含んで いるため、緩慢反射プロセスは、実行される必要がある。ある例では、反射プロ セスは、等式Ｆ＝ＢＶを含んでいる。ここで、Ｂは、記憶場所４８６ａおよび４ ８６ｂに記憶された定数であり、Ｖは、状態更新プロセス３８６により計算され る速度である。Ｆは、軸を中心としてアクチュエータ３０により出力される合計 力である。全ての使用可能なホストコマンドが力パラメータを有していることが 好ましい。プロセス３８６および３８８は、この力パラメータを同じようにチェ ックして、どのコマンドが有効であるかを判断する。 図２３に戻ると、第２コマンドＳＬＵＧＧＩＳＨ（９０，Ｘ＋ ＵＮＩ）は、 第１の緩慢コマンドの後にホストコンピュータ１２によって送られる。この第２ ＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドは正のｘ軸において単方向であるため、Ｂ_x（＋）力 パラメータ用の第１記憶場所４８６ａだけが、以前の値に上書きされた新しい定 数「９０」を有する。ばね復元力パラメータは、ＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドによ って変更されない。第１ＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドを取り消す一つの方法は、全 てのコマンドパラメータをゼロにする第２ＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドを送ること である。 ステータス更新プロセス３８６は、第１ＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドに対する場 合と同様に、第２ＳＬＵＧＧＩＳＨコマンドに対しても動作する。力アルゴリズ ム計算・アクチュエータ制御プロセス３８８も、図２２のステップ４５６で選択 された緩慢反射プロセスが（５０という定数に基づいた）負のｘ方向ではなく（ ９０という定数に基づいた）正のｘ方向における速度に関して異なる緩慢力を計 算するという点を除いて、同様に動作する。プロセス３８８は、ステータス更新 プロセス３８６からのセンサ情報を使用して、ユーザがどの方向にユーザオブジ ェクトを動かしているのかを判断し、適切な定数を使用する。 図２３に戻ると、ホスト１２によって送られる第３のコマンドは、ＳＰＲＩＮ ＧコマンドＳＰＲＩＮＧ（６５，Ｘ ＢＩ，８５）である。このため、図１９の ステップ４０２は、Ｋ_x（＋）およびＫ_x（−）に６５を書き込み、ＤＢ_xに８５ を書き込むことによって、ばね復元力パラメータ４８２を変更する。ＳＬＵＧＧ ＩＳ Ｈ力パラメータはＳＰＲＩＮＧコマンドによる影響を受けないため、ＳＬＵＧＧ ＩＳＨ力パラメータは、以前の値とともに有効のままでいる。プロセス３８８は 、緩慢反射プロセスを実行し、力を計算してから、ばね復元反射プロセスを実行 し、力を計算する。ばね復元反射プロセスは、例えば、等式Ｆ＝ｋｘにより実施 することができる。ここで、ｋは、ばね定数であり、ｘは、原点位置を基準とす るユーザオブジェクトの位置である。緩慢反射プロセスおよびばね反射プロセス からの二つの力は、ステップ４５８で加算されて一つになる。したがって、緩慢 力モデルおよび復元力モデルは、図２３のＳＰＲＩＮＧコマンドの後に、ユーザ オブジェクト３４上で重ね合わされる。これにより、ユーザオブジェクト３４上 に粘性の感覚が生じ、同時にユーザオブジェクトの原点位置に向かって力が印加 される。 より一般的に述べると、図２３に示されない他のコマンドシーケンスのために 、任意の数の力モデルを重ね合わせることが可能である。例えば、第１のＳＬＵ ＧＧＩＳＨコマンドのすぐ後にＳＰＲＩＮＧコマンドが続く場合、二つの力を重 ね合わせることができる。 この他に、図２３に示される三つのコマンドが、マイクロプロセッサ２６によ って受信され、ＳＰＲＩＮＧコマンドの後に示される全ての力パラメータがメモ リ内のパラメータページとして記憶され、「力環境」を形成してもよい。この力 環境がユーザオブジェクト３４に適用されることが望まれる場合、力パラメータ および報告パラメータのページがプロセス３８６および３８８によって検索され 、処理される。これは、多数の異なるコマンドを同時に適用することが望まれる ときに有効な場合がある。マイクロプロセッサは、各ホストコマンドが受信され たときにそのコマンドを適用することはないが、力環境に関する全ての所望の力 パラメータを一度にメモリからロードする。 以上、幾つかの好適な実施形態の観点から本発明を説明してきたが、その変更 、変形および置換は、明細書を読み、図面を参照すれば当業者にとって明らかと なる。例えば、多くの種類のアクチュエータおよびセンサを本発明に使用するこ とができる。また、オブジェクト３４に１以上の自由度を与えるために、多くの 種類の機構を含めることができる。さらに、ローカルマイクロプロセッサにホス ト コンピュータを接続するために、種々のインタフェースを使用することができる 。本発明によって、さまざまなタイプの力をユーザオブジェクトに伝達すること ができる。マイクロコンピュータ上で実行される多くの個々のプロセスで多様な タイプの力モデルを実現することができるが、本明細書には、そのなかの一部の みを記載した。さらに、ローカルマイクロプロセッサ上における反射プロセスの 適用は、さまざまな方法で実現することができる。さらにまた、記載を明確にす るために特定の専門用語を使用したが、これらの用語は本発明を限定するもので はない。したがって、請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲内に含まれる 全ての変更、変形および置換を含むように意図されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＣＮ，ＪＰ，Ｋ Ｒ，ＭＸ (72)発明者 レヴィン，マイク，ディー. アメリカ合衆国 カリフォルニア州 サニ ーヴェイル イースト エル カミノ リ アル 870 ナンバー506 【要約の続き】 る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． グラフィック環境をディスプレイするホストコンピュータで使用するイ ンタフェース装置であって、前記ホストコンピュータが、前記インタフェース装 置のユーザ操作に応じて前記グラフィック環境を更新し、かつ前記操作に応じて 前記インタフェース装置を使用し、かつ前記グラフィック環境内の事象と一致す る力フィードバック感覚を指令するものにおいて、 ユーザによって握られるユーザ操作可能なオブジェクトと、 前記ユーザ操作可能なオブジェクトを起点に対して支持すると同時に前 記起点に対する前記ユーザ操作可能なオブジェクトの動きにおいて複数の自由度 を可能にする支持機構と、 前記ユーザ操作可能なオブジェクトに結合され、前記自由度の中の少な くとも１つに沿って前記ユーザ操作可能なオブジェクトの動きに対する力抵抗力 を与えるアクチュエータであって、前記動きに対する力抵抗力が、前記ホストコ ンピュータからのコマンドに応じて、かつ前記グラフィック環境と同等に発生さ れること、 少なくとも前記自由度に沿って前記抵抗力が与えられた前記ユーザ操作 可能なオブジェクトの操作に応答し、かつ対応する位置信号を出力するセンサと 、その状態を示す状態信号を出力するユーザ調整可能なスイッチと、 前記ホストコンピュータから離れ、通信インタフェースによって前記ホ ストコンピュータに結合され、かつ前記アクチュエータ、前記センサおよび前記 ユーザ調整可能なスイッチに結合されたローカルマイクロプロセッサであって、 前記ローカルマイクロプロセッサが、前記グラフィック環境のホスト実行と並列 にローカルプロセスを実行し、前記ローカルプロセスが複数のローカルルーチン の実行を含み、前記ローカルマイクロプロセッサによって実行された前記ローカ ルプロセスが前記ローカルマイクロプロセッサに結合されたローカルメモリに記 憶され、前記ローカルプロセスが、 前記インタフェース装置と前記ホストコンピュータとの間の通信を 可能にし、 前記通信インタフェースを介して前記インタフェース装置に前記ホ ストコンピュータによって送られたコマンドを復号化し、 前記ホストコンピュータから受け取られた少なくとも１つの復号化 されたコマンドに応じて前記アクチュエータを制御し、前記アクチュエータの制 御が前記グラフィック環境の前記並列ホストコンピュータの実行で生じる事象と 同等にされ、それによって、前記グラフィック環境内の関連のディスプレイされ た事象と対応する触感感覚を局部的に形成し、 前記位置信号の指示を前記ホストコンピュータに報告し、前記ホス トコンピュータが前記位置信号の指示に応じて前記グラフィック環境の前記並列 実行を更新し、かつ 前記状態信号の指示を前記ホストコンピュータに報告し、前記ホス トコンピュータが前記スイッチ状態に応じて前記グラフィック環境の前記並列実 行を更新し、 複数のホストコマンドが前記通信インタフェースを介して前記ローカルマイク ロプロセッサによって受け取られ、前記ホストコマンドが、力フィードバックコ マンドプロトコルを使用して前記ローカルマイクロプロセッサに転送され、前記 力フィードバックコマンドプロトコルが、その各々がコマンド識別子を含み、か つその少なくとも１つが少なくとも１つのコマンドパラメータを含んでいる複数 の別個のホストコマンドで構成されること、 前記マイクロプロセッサの一部のメモリに記憶された複数のコマンドとを備え 、前記コマンドルーチンの中の特定のルーチンが前記受け取られたホストコマン ドの中の特定のコマンドに応じて実行され、前記ホストコマンドの中の少なくと も１つが前記ローカルマイクロプロセッサから前記ホストコンピュータにデータ を報告するコマンドルーチンを実行し、前記ホストコマンドの中の少なくとも１ つが受け取られたホストコマンドの前記コマンド識別子および前記コマンドパラ メータに従って選択された複数の力ルーチンの中の１つを実行し、前記力ルーチ ンが前記アクチュエータに前記力ルーチンに従って前記自由度の中の少なくとも １つに沿って前記ユーザオブジェクトの動きに対する抵抗力を生じさせるコマン ドルーチンであり、前記アクチュエータの制御が、ある時間中前記ホストコンピ ュ ータからの他のコマンドとは無関係であり、それによって前記ホストコンピュー タに自由に他のタスクを実行させることを特徴とするインタフェース装置。 ２． 前記ホストコマンドの中の少なくとも１つが、前記自由度の中の少なく とも１つに沿って前記ユーザオブジェクトの動きに対する抵抗力を前記アクチュ エータに取り除かせる力ルーチンを実行する請求項１に記載のインタフェース装 置。 ３． 前記少なくとも１つのコマンドパラメータが前記アクチュエータによっ て出力されるように前記力の大きさを決定する大きさパラメータを含んでいるこ とを特徴とする請求項１に記載のインタフェース装置。 ４． 前記アクチュエータの制御が前記位置信号に従って実行されることを特 徴とする請求項１に記載のインタフェース装置。 ５． 前記少なくとも１つのコマンドパラメータが、前記アクチュエータによ る前記力出力がどのくらい長く有効であるかを決定する持続期間パラメータを含 んでいることを特徴とする請求項４に記載のインタフェース装置。 ６． 前記少なくとも１つのコマンドパラメータが、前記アクチュエータによ る前記力出力の方向および自由度を決定する持続期間パラメータを含んでいるこ とを特徴とする請求項１に記載のインタフェース装置。 ７． 前記少なくとも１つのコマンドパラメータが、前記プロセッサに結合さ れたボタンを示し、かつ前記ボタンが前記ユーザによって押された時に前記アク チュエータによる力出力の大きさ、方向、および持続期間を決定するボタンパラ メータを含んでいることを特徴とする請求項４に記載のインタフェース装置。 ８． 前記ホストコンピュータおよび前記プロセッサが直列インタフェースに よって一緒に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のインタフェース 装置。 ９． 前記直列インタフェースが汎用直列バスインタフェースを含んでいるこ とを特徴とする請求項８に記載のインタフェース装置。 １０． 前記マイクロプロセッサにアクセスでき、前記ローカルプロセスで使用 されるタイミング信号を前記マイクロプロセッサに供給するローカルクロックを さらに含み、前記アクチュエータの制御が前記ローカルクロックから得られたタ イミングデータに従って実行されることを特徴とする請求項１に記載のインタフ ェース装置。 １１． 少なくとも１つのコマンドパラメータが、前記ユーザオブジェクトの動 きの範囲内のデッドバンドを規定し、特定の力ルーチンの実行から得られる力が 、前記ユーザオブジェクトが前記デッドバンド領域内にある場合、ほぼゼロまで 減少されるべきであることを特徴とする請求項１に記載のインタフェース装置。 １２． 少なくとも１つのコマンドパラメータが、特定の力ルーチンに従って前 記アクチュエータによる力出力を変調するために使用される周期信号の周波数を 規定することを特徴とする請求項１０に記載のインタフェース装置。 １３． 特定の力ルーチンを使うべき前記コマンドパラメータの少なくとも１つ が少なくとも１つの自由度を規定することを特徴とする請求項１に記載のインタ フェース装置。 １４． 複数の力ルーチンが前記マイクロプロセッサの多重タスキングを使用す る複数のホストコマンドに応じて同時に実行されることを特徴とする請求項１に 記載のインタフェース装置。 １５． 前記インタフェース装置を作動するために使用される電力の少なくとも 一部が前記汎用直列バスから引き出されることを特徴とする請求項９に記載のイ ンタフェース装置。 １６． 前記アクチュエータを制御するために引き出された全ての電力が前記汎 用直列バスから引き出されることを特徴とする請求項１７に記載のインタフェー ス装置。 １７． 前記大きさパラメータが前記インタフェース装置の最大力の可能出力の パーセントとして示されることを特徴とする請求項３に記載のインタフェース装 置。 １８． ゼロあるいは負である持続期間パラメータが、マイクロプロセッサがそ の後のホストコマンドによって停止することを示すまで不定時間、前記力ルーチ ンを実行すべきであることを示すフラグとして使用されることを特徴とする請求 項５に記載のインタフェース装置。 １９． 所与の力感覚が前記自由度で一方向あるいは両方向に出力されるべきで あるかどうかを規定することを特徴とする請求項１に記載のインタフェース装置 。 ２０． 前記ホストコマンドが、バックグラウンド状態およびオーバーライド効 果を含む少なくとも２つのコマンド群に備えられ、前記状態が前記インタフェー ス装置によって発生された１つの力感覚のクラスに関連し、かつ前記効果が前記 インタフェース装置によって発生された異なる力感覚のクラスに関連しているこ とを特徴とする請求項１に記載のインタフェース装置。 ２１． バックグラウンド状態が、前記ユーザが前記ユーザ操作可能なオブジェ クトを移動させるときのスチフネスおよび制動力出力を含む前記インタフェース 装置の物理的力特性を指示していることを特徴とする請求項２０に記載のインタ フェース装置。 ２２． 前記オーバーライド効果が時変感覚を指示し、前記時変感覚が振動を含 んでいることを特徴とする請求項２１に記載のインタフェース装置。 ２３． 前記力ルーチンがバックグラウンド状態ルーチンおよびオーバーライド 効果ルーチンを含む少なくとも２つの力ルーチンの群に備えられ、前記バックグ ラウンド状態ルーチンが前記位置の信号の関数として前記アクチュエータを制御 し、かつ前記効果ルーチンが時間の関数として前記アクチュエータを制御するこ とを特徴とする請求項１に記載のインタフェース装置。 ２４． 少なくとも１つのコマンドパラメータが、前記ユーザ操作可能なオブジ ェクトが特定の自由度に沿って第１の方向に移動されるときに前記ユーザによっ て触感されたシミュレートされたばね抵抗力のスチフネスを規定し、かつ他のコ マンドパラメータが、前記ユーザ操作可能なオブジェクトが前記特定の自由度に 沿って前記第１の方向と反対の第２の方向に移動されるときに前記ユーザによっ て触感されたシミュレートされたばね抵抗力のスチフネスを規定することを特徴 とする請求項１に記載のインタフェース装置。 ２５． 少なくとも１つのコマンドパラメータが、前記ユーザ操作可能なオブジ ェクトが自由度に沿って正の速度で移動されるときに前記アクチュエータによっ て出力された抗力抵抗力の制動を規定し、かつ他のコマンドパラメータが、前記 ユーザ操作可能なオブジェクトが前記自由度に沿って負の速度で移動されるとき に前記アクチュエータによって出力された抗力抵抗力の制動を規定することを特 徴とする請求項１に記載のインタフェース装置。 ２６． 前記制動パラメータが前記インタフェース装置の最大制動可能出力のパ ーセントとして示されることを特徴とする請求項２５に記載のインタフェース装 置。 ２７． 前記スチフネスパラメータが前記インタフェース装置の最大スチフネス 可能出力のパーセントとして示されることを特徴とする請求項２６に記載のイン タフェース装置。 ２８． ホストコマンドが、正の制動、負の制動、正のスチフネス、および負の スチフネスに対する関連コマンドパラメータを含んでいることを特徴とする請求 項１に記載のインタフェース装置。 ２９． 前記ホストコマンドが、デッドバンド領域を規定する少なくとも１つの 関連コマンドパラメータを含んでいることを特徴とする請求項２８に記載のイン タフェース装置。 ３０． 前記ホストコマンドが、前記ホストコマンドに対する飽和レベルを規定 する少なくとも１つの関連コマンドパラメータを含んでいることを特徴とする請 求項２９に記載のインタフェース装置。 ３１． 前記単一ホストコマンドが、前記ホストコマンドによって規定された起 点位置に対するオフセットを規定する少なくとも１つの関連コマンドパラメータ を含んでいることを特徴とする請求項３０に記載のインタフェース装置。 ３２． 前記アクチュエータが、第１のアクチュエータであり、かつ第２のアク チュエータをさらに備え、前記アクチュエータの各々が、別個の自由度で力を供 給し、かつ前記方向パラメータが前記２つの自由度によって規定された２次元平 面内にある角度を示していることを特徴とする請求項９に記載のインタフェース 装置。 ３３． 前記マイクロプロセッサが、前記角度に基づいて前記２つのアクチュエ ータの中に指令された力を分配することを特徴とする請求項３２に記載のインタ フェース装置。 ３４． 少なくとも１つのコマンドパラメータが前記周期信号の形状を規定する ことを特徴とする請求項１２に記載のインタフェース装置。 ３５． 前記形状が、次の波形のタイプ、すなわち方形波、正弦波および三角波 の中の１つから選択されることを特徴とする請求項３４に記載のインタフェース 装置。 ３６． 前記コマンドプロトコルが前記マイクロプロセッサによって使用される クリアパラメータ対するホストコマンドを含んでいることを特徴とする請求項１ に記載のインタフェース装置。 ３７． 一連のコマンドパラメータが前記マイクロプロセッサに供給され、前記 コマンドパラメータがディジタル化力プロフィールをひとまとめに示し、前記一 連のコマンドパラメータの各値が所与の時間前記アクチュエータに加えられる力 レベルを示していることを特徴とする請求項１に記載のインタフェース装置。 ３８． 前記力プロフィールが、前記マイクロプロセッサの一部の前記メモリに 記憶され、かつ前記スイッチによって供給される前記状態信号に応じて前記マイ クロプロセッサによって前記アクチュエータに加えられることを特徴とする請求 項３７に記載のインタフェース装置。 ３９． ホストコンピュータシステムでユーザによって操作される力フィードバ ックインタフェース装置をインタフェースする方法において、 前記力フィードバックインタフェース装置に含まれるユーザ操作可能な オブジェクトを供給することであって、前記オブジェクトが自由度を有すること 、 前記自由度に沿って前記ユーザ操作可能なオブジェクトをセンサで検出 し、かつそれから電気センサ信号を発生し、 前記位置信号に従って前記ホストコンピュータによって実行されたゲー ムソフトウェアあるいはシミュレーションソフトウェアを更新し、 前記ユーザ操作可能なオブジェクトの一部のマイクロプロセッサを使用 して、前記電気センサ信号を前記ホストコンピュータシステムに供給し、かつホ ストコマンドを前記ホストコンピュータシステムから受け取るように前記ホスト コンピュータシステムと通信することであって、前記ホストコマンドが、指定さ れたボタンからの入力を読み取り、かつ前記ユーザによって作動される前記指定 されたボタンに応じて力を発生するように前記マイクロプロセッサに命令するボ タンパラメータを含むこと、 前記ホストコマンドに従って前記マイクロプロセッサによってルーチン を選択することと、前記ルーチン信号および前記電気センサ信号を使用して前記 マイクロプロセッサからのプロセッサ力コマンドを前記アクチュエータに出力す ることを含む、前記ユーザ操作可能なオブジェクトに結合されたアクチュエータ に制御するように前記マイクロプロセッサおよび前記ホストコマンドを独立して 使用する前記自由度に沿って前記オブジェクトに力を形成することからなること を特徴とするインタフェースする方法。 ４０．前記コマンドパラメータが前記アクチュエータによる前記力出力の大きさ を制御する大きさパラメータであることを特徴とする請求項３９に記載の方法。 ４１．前記コマンドパラメータが前記ユーザ操作可能なオブジェクトに加えられ た前記力の時間持続期間を制御する持続期間パラメータであることを特徴とする 請求項４３に記載の方法。 ４２．前記ホストコマンドが、前記ユーザオブジェクトの起点位置の周りのデッ ドバンド領域のサイズを示すデッドバンドパラメータであるコマンドパラメータ をさらに含み、前記力が前記デッドバンド領域内の前記ユーザオブジェクトに加 えられることを特徴とする請求項４４に記載の方法。 ４３．グラフィック環境をディスプレイし、かつ前記インタフェース装置のユー ザ操作に応じて前記グラフィック環境を更新するホストコンピュータで使用する インタフェース装置であって、前記ホストコンピュータが、前記操作に応じて、 かつ前記グラフィック環境内の事象と一致する力フィードバック感覚を指令する ものにおいて、 ユーザによって握られ、かつ前記ユーザ操作可能なオブジェクトを起点 に対して支持すると同時に前記起点に対する前記ユーザ操作可能なオブジェクト の動きにおいて複数の自由度を可能にする支持機構によって支持されたユーザ操 作可能なオブジェクトと、 前記ユーザ操作可能なオブジェクトに結合され、前記自由度の中の少な くとも１つに沿って前記ユーザ操作可能なオブジェクトに力を与えるアクチュエ ータであって、前記力が、前記ホストコンピュータからのコマンドに応じて、か つ前記グラフィック環境内のディスプレイされたオブジェクトの間の対話と同等 に発生されること、 前記力が与えられる前記自由度に沿って前記ユーザ操作可能なオブジェ クトの操作に応答し、かつ対応する位置信号を供給するセンサと、 その状態を示す状態信号を供給するユーザ調整可能なスイッチと、 前記ホストコンピュータから離れ、通信インタフェースによって前記ホ ストコンピュータに結合され、かつ前記アクチュエータ、前記センサおよび前記 ユーザ調整可能なスイッチに結合された装置マイクロプロセッサであって、前記 ローカルプロセッサが、前記グラフィック環境のホスト実行と並列にローカルプ ロセスを実行し、前記ローカルマイクロプロセッサによって実行された前記ロー カルプロセスが前記ローカルマイクロプロセッサに結合されたローカルメモリに 記憶され、前記ローカルプロセスが、 複数の別個のホストコマンドを含む力フィードバックコマンドプロ トコルを使用して前記インタフェース装置と前記ホストコンピュータとの間の両 方向通信を可能にし、 前記通信インタフェースを介して前記インタフェース装置に前記ホ ストコンピュータによって送られたコマンドを受け取り、 前記ホストコンピュータから受け取られた少なくとも１つの復号化 されたコマンドに応じて前記アクチュエータを制御し、前記アクチュエータの制 御が前記グラフィック環境の前記並列ホストコンピュータの実行で生じる事象と 同等にされ、それによって、前記グラフィック環境内の関連のディスプレイされ た事象と対応する触感感覚を局部的に形成し、 前記位置信号の指示を前記ホストコンピュータに報告し、前記ホス トコンピュータが前記位置信号の指示に応じて前記グラフィック環境の前記並列 実行を更新し、かつ 前記状態信号の指示を前記ホストコンピュータに報告し、前記ホス トコンピュータが前記スイッチ状態に応じて前記グラフィック環境の前記並列実 行を更新すること、 を備えていることを特徴とするインタフェース装置。 ４４． 前記複数の別個のホストコマンドの各々がコマンド識別子を含み、かつ 前記別個のホストコマンドの少なくとも１つが少なくとも１つのコマンドパラメ ータを含んでいることを特徴とする請求項４３に記載の装置。 ４５． 前記ローカルプロセスがボタン反射プロセスを含み、前記装置マイクロ プロセッサが前記状態信号の変化によって示されるような前記ユーザ調整可能な スイッチの前記状態を前記ユーザが手動で変えることに応じて前記アクチュエー タからの前記力出力を制御することを特徴とする請求項４４に記載の装置。 ４６． 前記ボタン反射プロセスによって、前記スイッチの状態が変えられた後 の時間、前記アクチュエータは前記ユーザオブジェクトに力を加え、前記時間が 前記受け取られたホストコマンドの中の少なくとも１つによって指定されること を特徴とする請求項４５に記載の装置。 ４７． 前記力が前記受け取られたホストコマンドの中の少なくとも１つによっ て指定された大きさおよび期間の周期的力であることを特徴とする請求項４６に 記載の装置。 ４８． 前記力が時間とともに変わる大きさを有し、前記力が前記装置マイクロ プロセッサにアクセス可能なメモリに記憶されたディジタル化力プロファイルか ら得られる請求項４６に記載の装置。 ４９． 前記ボタン反射プロセスが前記ボタン反射プロセスに関連されたホスト コマンドに応じて確定され、前記ホストコマンドが、前記インタフェース装置に 結合された複数のボタンの中のどれが前記ボタン反射プロセスに関連した前記力 をトリガするために使用されるべきかを示す少なくとも１つのコマンドパラメー タを含むことを特徴とする請求項４５に記載の装置。 ５０． 前記グラフィック環境がビデオゲームであり、かつ前記スイッチの前記 状態の変化によって、前記ホストコンピュータは、前記ビデオゲーム内の模擬武 器を発射させることを特徴とする請求項４５に記載の装置。 ５１． 前記ボタン反射プロセスによって発生された前記力が前記ビデオゲーム 内の前記武器の発射に関連した反動力感覚を出力するために使用されることを特 徴とする請求項５０に記載の装置。 ５２． 少なくとも１つの付加的ユーザ調整可能なスイッチをさらに備え、前記 マイクロプロセッサがユーザ調整可能な第１のスイッチに応じて第１のプロセス により前記アクチュエータからの力出力を制御し、かつ前記マイクロプロセッサ が前記ユーザ調整可能な第２のスイッチに応じて前記アクチュエータからの力出 力を制御するように前記ローカルプロセスが多重ボタン反射プロセスを含むこと を特徴とする請求項４５に記載の装置。 ５３． 前記スイッチおよび関連マイクロプロセッサの中の各々との間の所定の 関係が前記マイクロプロセッサの一部のメモリに記憶された前記ホストコマンド から得られることを特徴とする請求項５２に記載の装置。 ５４． 前記スイッチが、前記力を出力した後の特定の時間間隔、前記ユーザに よって特定の状態に保持されていることを特徴とする請求項４５に記載の装置。 ５５． 前記時間間隔が、前記ホストコンピュータによって実行されたビデオゲ ーム内の模擬自動武器の発射速度と相関付けることを目的としている自動発射速 度であることを特徴とする請求項５４に記載の装置。 ５６． 前記ローカルプロセスが前記位置の信号からのユーザ可能なオブジェク トの位置座標を計算し、前記位置座標が前記通信インタフェースを介して前記ホ ストコンピュータに報告されることを特徴とする請求項４３に記載の装置。 ５７． 前記ローカルプロセスが、前記ユーザオブジェクトが模擬溝内に置かれ るように前記ローカルマイクロプロセッサによって制御され、前記溝プロセスに よって前記アクチュエータによる前記力出力は、前記ユーザオブジェクトに前記 溝の境界の外側に移動させるユーザ操作に抵抗することを特徴とする請求項４に 記載の装置。 ５８． 前記溝プロセスが前記模擬溝の寸法を指定するコマンドパラメータを含 むホストコマンドと関連していることを特徴とする請求項５７に記載の装置。 ５９． 前記溝プロセスが少なくともスナップアウト距離に対するコマンドパラ メータを含んでいることをホストコマンドと関連し、前記スナップアウトプロセ スが、前記スナップアウト距離を前記ユーザオブジェクトが超える場合、前記溝 プロセスによって、前記アクチュエータによる前記力出力は減少され、それによ って前記ユーザオブジェクトは、前記境界を過ぎてより少ない抵抗で移動でき、 かつ前記模擬溝の外側に移動するための触感感覚を前記ユーザのために形成する ことを特徴とする請求項５７に記載の装置。 ６０． 前記溝プロセスが前記グラフィック環境のホストコンピュータ発生と同 等にされ、前記グラフィック環境が、グラフィック環境と対話するカーソルを含 み、前記グラフィック環境内の前記カーソルの位置が前記ユーザ操作可能なオブ ジェクトの前記ユーザ操作によって制御され、前記ローカル溝プロセスと前記ホ ストグラフィックディスプレイとの間の対等関係が、前記溝プロセスから得られ る前記ユーザ操作可能なオブジェクトの動きの制限はユーザがディスプレイされ たグラフィック領域の外側に前記カーソルを自由に移動させることを防止するよ うなものであることを特徴とする請求項５７に記載の装置。 ６１． 前記ローカルプロセスが、前記アクチュエータが前記ユーザオブジェク トを規定された前記障壁の位置を通り過ぎて移動させる前記ユーザオブジェクト の力の反対方向のユーザの操作を出力するように前記装置マイクロプロセッサに よって制御される障壁プロセスを含むことを特徴とする請求項４４に記載の装置 。 ６２． 前記障壁プロセスが、前記障壁の硬度の大きさおよび前記グラフィック 環境内の前記障壁の位置を指定するコマンドパラメータを含んでいるホストコマ ンドに関連していることを特徴とする請求項６１に記載の装置。 ６３． 前記障壁プロセスが貫通距離を指定するコマンドパラメータを含んでい るホストコマンドに関連し、前記貫通距離が前記障壁の位置を通り過ぎた距離を 示しているので、前記距離を前記ユーザオブジェクトが超える場合、前記障壁プ ロセスが前記アクチュエータによる力出力を減らし、それによって前記ユーザオ ブジェクトがより少ない抵抗で前記障壁を通り過ぎて移動することができ、前記 シミュレートされた障壁を突破する触感感覚を前記ユーザのために形成すること を特徴とする請求項６１に記載の装置。 ６４． 前記障壁プロセスが、前記グラフィック環境のホストコンピュータ発生 と同等にされ、前記グラフィック環境が、グラフィック環境と対話するカーソル を含み、前記グラフィック環境内の前記カーソルの位置が前記ユーザ操作可能な オブジェクトの前記ユーザ操作によって制御され、前記障壁プロセスと前記ホス トグラフィックディスプレイとの間の対等関係が、前記障壁プロセスから得られ る前記ユーザ操作可能なオブジェクトの動きの制限はユーザがディスプレイされ たグラフィック領域の外側に前記カーソルを自由に移動させることを防止するよ うなものであることを特徴とする請求項６１に記載の装置。 ６５． 前記ローカルプロセスが、前記アクチュエータが前記ユーザ操作可能な オブジェクトが空間で移動されるとき空間的に変わる触感感覚を形成するように 前記ローカルマイクロプロセッサによって制御される質感プロセスを含むことを 特徴とする請求項４４に記載の装置。 ６６． 前記質感プロセスが、前記質感の力の大きさおよび前記質感の空間周波 数を指定するコマンドパラメータを含むホストコマンドに関連していることを特 徴とする請求項６５に記載の装置。 ６７． 前記ローカルプロセスが、前記アクチュエータが前記グラフィック環境 に置かれた指定フィールド起点の方への前記ユーザ操作可能なオブジェクトの力 の斥力の動きを出力するように前記ローカルマイクロプロセッサによって制御さ れる斥力場プロセスを含むことを特徴とする請求項４４に記載の装置。 ６８． 前記斥力場プロセスが、前記斥力の大きさの少なくとも１つおよび前記 フィールド起点の位置を指定する少なくとも１つのコマンドパラメータを含むホ ストコマンドと関連していることを特徴とする請求項６７に記載の装置。 ６９． 前記ローカルプロセスが、前記アクチュエータが前記グラフィック環境 に置かれた指定フィールド起点の方への前記ユーザ操作可能なオブジェクトの力 の引力の動きを出力するように前記ローカルマイクロプロセッサによって制御さ れる引力場プロセスを含むことを特徴とする請求項４４に記載の装置。 ７０． 前記引力場プロセスが、前記フィールドの大きさおよびフィールド起点 の位置を指定する少なくとも１つのコマンドパラメータを含むホストコマンドに 関連していることを特徴とする請求項６９に記載の装置。 ７１． 前記ローカルプロセスが、前記アクチュエータが前記ユーザ操作可能な オブジェクトによって制御される位置を有する入射オブジェクトと迎合的なオブ ジェクトと間の衝突の触感をシミュレートするように前記ローカルマイクロプロ セッサによって制御されるオブジェクト衝突プロセスを含むことを特徴とする請 求項４１に記載の装置。 ７２． 前記衝突プロセスが、前記入射オブジェクトの質量の少なくとも１つお よび前記入射オブジェクトの入射速度を示すコマンドパラメータを含むホストコ マンドに関連していることを特徴とする請求項８１に記載の装置。 ７３． 前記衝突プロセスがラケットプロセスであり、前記入射オブジェクトが ボールオブジェクトであり、かつ前記迎合的なオブジェクトが曲げやすいラケッ トオブジェクトであり、前記アクチュエータが、前記入射ボールオブジェクトと 前記ユーザ制御曲げやすいラケットオブジェクトとの間のダイナミック相互作用 の触感をシミュレートするように前記ローカルマイクロプロセッサによって制御 されることを特徴とする請求項７１に記載の装置。 ７４． 前記ラケットプロセスが、前記曲げやすいラケットオブジェクトのコン プライアンスの少なくとも１つおよび前記ボールオブジェクトの質量を示す少な くとも１つのコマンドパラメータを含むホストコマンドに関連することを特徴と する請求項７３に記載の装置。 ７５． 前記衝突プロセスの完了で、前記ローカルプロセスが、前記衝突から得 られる前記入射オブジェクトの速度を示す前記ホストコンピュータに最終値を報 告することを特徴とする請求項７１に記載の装置。 ７６． 前記ローカルメモリが、不揮発性メモリを含み、モデルの少なくとも１ つおよび前記インタフェース装置の機能並びに前記ユーザオブジェクトが移動す ることができる多数の自由度を識別する前記データが前記不揮発性メモリに記憶 されていることを特徴とする請求項４３に記載の装置。 ７７． 前記通信インタフェースが複数の装置によって共有されるバスであり、 かつ前記バスを横切って前記ホストから前記ローカルマイクロプロセッサに送ら れるデータがデータパケットで暗号化することを特徴とする請求項４３に記載の 装置。 ７８． 前記インタフェース装置が、固有な識別子を要求し、かつ前記ホストか らの固有な識別子を受信し、かつ前記ローカルメモリに前記識別子を記憶するの で、データパケットが前記ホストから受け取られる場合、前記ローカルプロセス が、前記パケットが前記識別子を含んでいるかどうかをチェックでき、かつそれ によって前記データパケットが前記装置のために意図され、かつ前記バスを共有 する異なる装置のために意図されないことを確実にすることを特徴とする請求項 ７７に記載の装置。 ７９． 前記装置が、前記ユーザ操作可能なオブジェクトが前記ユーザによって 手動で係合されない場合、前記アクチュエータから使用可能な電力を切断するデ ッドマン安全スイッチをさらに含み、前記安全切断が、ハードウェアで実行され 、かつ前記ローカルマイクロプロセッサによる任意のソフトウェアの実行に左右 されないことを特徴とする請求項４６に記載のインタフェース装置。 ８０． 前記ホストコマンドが、前記マイクロプロセッサに命令し、前記ユーザ オブジェクトの起点位置の方への方向に前記ユーザオブジェクトに復元力を与え るように復元力反射プロセスを選択することを特徴とする請求項４３に記載の力 フィードバックインタフェース装置。 ８１． 前記ユーザオブジェクトが前記ユーザオブジェクトの起点位置近くの領 域の外側に置かれた場合、前記復元力が大きさが一定であり、かつ前記復元力が 前記起点位置の近くの前記領域内でゼロに近いことを特徴とする請求項８０に記 載の力フィードバックインタフェース装置。 ８２． 前記ホストコマンドが、前記マイクロプロセッサに命令し、前記ユーザ オブジェクトに振動力を与えるように振動反射プロセスを選択し、前記ホストコ マンドが前記振動力の周波数および大きさを制御するコマンドパラメータを含ん でいることを特徴とする請求項４３に記載の力フィードバックインタフェース装 置。 ８３． グラフィックシミュレーションをディスプレイするホストコンピュータ で使用するインタフェース装置であって、前記ホストコンピュータが、前記イン タフェース装置のユーザ操作に応じて前記グラフィックシミュレーションを更新 し、かつ前記操作に応じて、かつ前記グラフィックシミュレーション内の事象で 同等の力フィードバック感覚を指令するものにおいて、 ユーザによって握られるユーザ操作可能なオブジェクトと、 前記ユーザ操作可能なオブジェクトを起点に対して支持すると同時に前 記起点に対する前記ユーザ操作可能なオブジェクトの動きで複数の自由度を可能 にする支持機構と、 前記ユーザ操作可能なオブジェクトに結合され、前記起点に対する前記 自由度の少なくとも１つの前記ユーザ操作可能な物理オブジェクトの動きに対す る抵抗力を供給するアクチュエータであって、前記動きに対する抵抗力が、前記 ホストコンピュータからのホストコマンドに応じて、かつディスプレイされたグ ラフィックシミュレーションと同等に発生されること、 前記ホストコンピュータから離れているローカルマイクロプロセッサで あって、前記ローカルマイクロプロセッサが前記グラフィックシミュレーション のホスト実行と並列にローカルプロセスを実行し、前記ローカルプロセスが複数 のローカルルーチンの実行を含むこと、 前記ローカルマイクロプロセッサを前記ホストコンピュータに結合する 通信インタフェースであって、ＰＣゲームポートが前記ホストコンピュータと前 記マイクロプロセッサとの間の前記通信インタフェースの一部として含まれるこ と、 前記装置マイクロプロセッサに結合されるセンサ装置であって、前記セ ンサ装置が、前記装置マイクロプロセッサに、前記抵抗力が与えられる少なくと も前記自由度の前記ユーザ操作可能なオブジェクトの操作に応答し、かつ対応す る位置信号を供給すること、 前記装置マイクロプロセッサに電気的に結合されたセンサ調整可能なス イッチ装置であって、前記スイッチ装置が前記スイッチの状態を示す状態信号を 前記装置マイクロプロセッサに供給すること、を備え、 前記ローカルマイクロプロセッサに結合されたローカルメモリに記憶さ れた前記ローカルプロセスが前記装置マイクロプロセッサによって実行され、前 記ローカルプロセスが、 前記インタフェース装置と前記ホストコンピュータとの間の通信を可能 にし、 前記通信インタフェースを介して前記インタフェース装置に前記ホスト コンピュータによって送られたホストコマンドを受け取り、前記ホストコマンド が力フィードバックコマンドプロトコルを使用して前記ローカルマイクロプロセ ッサに転送され、前記力フィードバックコマンドプロトコルが、その各々がコマ ンド識別子を含み、かつその少なくとも１つのが１つあるいはそれ以上のコマン ドパラメータを含んでいる複数の別個のホストコマンドで構成され、 前記ホストコンピュータから受け取られた前記複合化されたコマンドの 中の少なくとも１つに応じて前記アクチュエータを制御し、前記アクチュエータ の制御が前記グラフィックシミュレーションの並列ホストコンピュータ実行で生 じる事象と同等にされ、 前記位置信号の指示を前記ホストコンピュータに報告し、 前記状態信号の指示を前記ホストコンピュータに報告することを特徴と するインタフェース装置。 ８４． 前記マイクロプロセッサが、前記コマンド識別子および受け取られたホ ストコマンドに関連した前記コマンドパラメータに従って選択された複数の力ル ーチンの中の１つを実行し、前記マイクロプロセッサが、前記アクチュエータを 調整することによって前記力ルーチンに従って力フィードバック感覚を生じ、前 記アクチュエータの前記ローカル調整が、前記受け取られたホストコマンドに応 じて開始され、かつある時間中前記ホストコンピュータからの他の対話とは無関 係に前記マイクロプロセッサによって実行され、それによって前記ホストが自由 に他のタスクを実行させることを特徴とする請求項８３に記載のインタフェース 装置。 ８５． 前記インタフェース通信インタフェースが汎用直列バスインタフェース を含んでいることを特徴とする請求項８３に記載のインタフェース装置。 ８６． 前記インタフェース装置を作動するために使用される電力が前記汎用直 列バスから引き出されることを特徴とする請求項８５に記載のインタフェース装 置。 ８７． 前記コマンドパラメータの少なくとも１つが、前記ユーザ操作可能なオ ブジェクトが前記ユーザ操作可能なオブジェクトの起点位置に対して移動される とき、前記ユーザによって触感される模擬されたばね抵抗力のスチフネスを規定 することを特徴とする請求項８３に記載のインタフェース装置。 ８８． 前記ローカルプロセスがボタン反射プロセスを含み、前記マイクロプロ セッサが前記ユーザ調整可能なスイッチの前記状態を前記ユーザが手動で変える ことに応じて前記アクチュエータの出力の力を制御することを特徴とする請求項 ８３に記載の装置。 ８９． 前記ボタン反射プロセスによって前記アクチュエータがある時間間隔前 記ユーザオブジェクトに力を加える、前記時間間隔が前記ホストコマンドの中の 一つによって指定されることを特徴とする請求項８８に記載の装置。 ９０． 前記ボタン反射プロセスが前記ボタン反射プロセスに関連したホストコ マンドに応じて確定され、前記コマンドが、複数のボタンの中のどれが前記ボタ ン反射プロセスに関連した前記力をトリガするために使用されるべきであるかを 示す少なくとも１つのコマンドパラメータを含むことを特徴とする請求項８９に 記載の装置。 ９１． ユーザによって操作される電気機械インタフェース装置を制御するシス テムにおいて、 入力制御信号を受け取り、かつホスト出力制御信号を供給するホストコ ンピュータシステムであって、前記ホストコンピュータシステムが前記入力制御 信号に応じてディスプレイされたグラフィック環境を更新すること、 前記インタフェース装置の一部であり、かつ前記ホストコンピュータシ ステムから離れ、前記ホスト出力制御信号を前記ホストコンピュータシステムか ら受け取り、力を決定し、前記力を示すプロセッサ出力制御信号を供給するマイ クロプロセッサと、 前記プロセッサ出力制御信号を受け取り、かつ自由度に沿って前記力を 前記アクチュエータに結合されたユーザ操作可能なオブジェクトに前記プロセッ サ出力制御信号に従って供給するアクチュエータであって、前記オブジェクトが 前記ユーザによって握られ、かつ移動され、前記力が前記ホストコンピュータシ ステムによって前記ディスプレイされたグラフィック環境の更新と並列によって 与えられこと、 前記マイクロプロセッサに結合されたクロックであって、前記マイクロ プロセッサが前記クロックにアクセスし、前記アクチュエータによって供給され た前記力を少なくとも一部決定すること、 前記自由度に沿って前記操作可能なオブジェクトの動きを検出し、かつ 前記オブジェクトの位置および動きを示す情報を含む前記入力制御信号を出力す るセンサとを備えていることを特徴とするシステム。 ９２． 前記センサが、前記入力制御信号を前記マイクロプロセッサに出力し、 かつ前記マイクロプロセッサが前記入力制御信号を前記ホストコンピュータに供 給することを特徴とする請求項９１に記載のシステム。 ９３． 前記マイクロプロセッサが、反射プロセスで作動し、前記ホスト出力制 御信号とは無関係に前記オブジェクトの前記位置および動きに応じて前記マイク ロプロセッサ出力の制御信号を前記アクチュエータに供給することを特徴とする 請求項９２に記載のシステム。 ９４． 前記ホスト出力信号が前記ホストコンピュータシステムからの高水準コ マンドであり、かつ前記マイクロプロセッサが、前記反射プロセスを実行するよ うに前記高水準コマンドに従って選択された複数のローカルプロセスの１つを実 行することを特徴とする請求項９３に記載のシステム。 ９５． 前記ホストコンピュータが、前記ホスト出力信号が前記マイクロプロセ ッサによって前記アクチュエータに直接に中継される力コマンドを含むように前 記反射プロセスをオーバーライドできることを特徴とする請求項９４に記載のシ ステム。 ９６． 前記オブジェクトがジョイスティックを含むことを特徴とする請求項９ ２に記載のシステム。 ９７． 前記ホストコンピュータシステムから前記ホスト出力制御信号を出力し 、前記ホストコンピュータシステムへの前記入力制御信号を受け取る直列インタ フェースをさらに備えていることを特徴とする前記９５に記載のシステム。 ９８． 前記ホストコンピュータシステムのゲームポートを通して前記入力信号 を前記ホストコンピュータシステムに供給する付加インタフェースをさらに備え ていることを特徴とする請求項９７に記載のシステム。 ９９． 前記アクチュエータがサーボモータあるいはボイスコイルであることを 特徴とする請求項９２に記載のシステム。 １００．前記ホストコンピュータシステムによって更新された前記プロセスがゲ ームソフトウェアを含み、前記ホストコンピュータシステムが、前記ゲームソフ トウェアによって実行されたビデオゲームの画像を前記ユーザにディスプレイす るディスプレイ装置を含み、前記ユーザが前記オブジェクトを操作することによ って前記ビデオゲームと対話することができることを特徴とする請求項９２に記 載のシステム。 １０１．ユーザによって操作される力フィードバックインタフェース装置を制御 する方法において、 高水準ホストコマンドを、前記力フィードバックインタフェース装置の 一部であり、前記ホストコンピュータシステムから離れるマイクロプロセッサに 出力するステップであって、前記高水準ホストコマンドが前記プロセッサに命令 し、前記マイクロプロセッサに使用可能な複数の力感覚プロセスの中の１つを選 択すること、 前記力フィードバックインタフェース装置に含まれたセンサから前記マ イクロプロセッサに位置信号を入力するステップであって、前記位置信号が、前 記ユーザによって握られた前記インタフェース装置のオブジェクトの位置および 動きを示す情報を含み、前記位置信号が、前記ホストコンピュータシステムとは 無関係に前記力感覚プロセスにより前記マイクロプロセッサによって前記センサ から読み出され、かつ前記マイクロプロセッサから前記ホストコンピュータシス テムに送られること、 前記マイクロプロセッサからアクチュエータにマイクロプロセッサ力コ マンドを出力するステップであって、前記マイクロプロセッサ力が前記ホストコ ンピュータシステムとは無関係に前記力感覚プロセスにより出力されること、 前記アクチュエータからの力を前記ユーザによって握られた前記オブジ ェクトに供給するステップであって、前記力の方向および大きさが前記マイクロ プロセッサの力コマンドによるものであり、かつ前記力感覚プロセスが前記アク チュエータによって供給される前記力の大きさを決定すること、 前記位置信号に従って前記ホストコンピュータシステムによって実行さ れたホストソフトウェアを更新し、かつ可視出力装置に画像をディスプレイし、 かつ前記位置信号に従っておよび前記アクチュエータによる力出力とともに前記 画像を操作するステップと、 適切であるとき、前記マイクロプロセッサによって前記アクチュエータ に直接中継された力コマンドを含む高水準ホストコマンドを前記ホストコンピュ ータシステムによって出力することによってオーバーライドするステップとから なることを特徴とするユーザによって操作される力フィードバックインタフェー ス装置を制御する方法。 １０２．前記オブジェクトへの前記力のタイプの変化が必要であるとき、高水準 ホスト力コマンドが前記ホストコンピュータシステムによって出力され、前記変 化が少なくとも一部前記ホストコンピュータシステムによって実行されるソフト ウェアプロセスに基づいていることを特徴とする請求項１０１に方法。 １０３．前記変化が、さらに前記電気センサ信号および前記マイクロプロセッサ に結合されたクロックによって供給されたタイミング情報に基づいていることを 特徴とする請求項１０２に記載の方法。 １０４．前記力のタイプが、ばね力、制動力および慣性力からなるグループの１ つを含むことを特徴とする請求項１０３に記載の方法。 １０５．オーディオ事象がホストアプリケーションシステムで生じるときオーデ ィオフィードバックを前記ユーザに出力する前記ホストコンピュータシステムの ステップをさらに含み、前記オーディオフィードバックが、前記力が前記事象に 対応するように望まれときに約30ミリ秒の許容範囲内の前記力の前記出力と同期 して出力されることを特徴とする請求項１０１に記載の方法。 １０６．前記オーディオフィードバックの開始が、前記対応する力の開始の約30 ミリ秒内で生じ、かつ前記オーディオフィードバックが前記力の大きさに正比例 する振幅を有することを特徴とする請求項１０５に記載の方法。 １０７．前記ホストコンピュータシステムがホストアプリケーションプログラム の可視事象により可視画像をディスプレイスクリーン上に出力し、前記可視事象 が、前記力が前記可視画像に対応するように望まれるときに約30ミリ秒の許容範 囲内の前記力の前記出力と同期していることを特徴とする請求項１０１に記載の 方法。 １０８．前記オブジェクトが少なくとも２つの自由度で前記ユーザによって移動 することができるジョイスティックを含んでいることを特徴とする請求項１０１ に記載の方法。 １０９．前記ホストコンピュータシステムが直列インタフェースを使用して前記 位置信号を受け取り、かつ前記ホスト力コマンド信号を出力することを特徴とす る請求項１０１に記載の方法。 １１０．前記直列インタフェースが汎用直列バス（ＵＳＢ）インタフェースであ ることを特徴とする請求項１０９に記載の方法。 １１１．前記力の大きさが前記自由度に沿って前記オブジェクトの位置から少な くとも一部決定されることを特徴とする請求項１０１に記載の方法。 １１２．前記力の大きさが前記自由度に沿って移動する前記オブジェクトの位置 および速度から少なくとも一部決定されることを特徴とする請求項１０１に記載 の方法。 １１３．前記力の大きさが前記自由度に沿って前記オブジェクトの加速度から少 なくとも一部決定されることを特徴とする請求項１０１に記載の方法。 １１４．前記力の大きさが前記力コマンドに対するタイミング情報を供給するク ロックから少なくとも一部決定されることを特徴とする請求項１０１に記載の方 法。 １１５．前記力の大きさが前記力フィードバックインタフェース装置に含まれる ボタン入力装置によって供給された入力データから少なくとも一部決定されるこ とを特徴とする請求項１０１に記載の方法。 １１６．メモリ装置に記憶され、製造工程から生じる物理的特性のばらつきを有 する複数の他の力フィードバックインタフェース装置の出力の力で一貫して調整 する校正パラメータを使用するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１ ０９に記載の方法。 １１７．ユーザによって操作され、ホストアプリケーションプログラムを実行す るホストコンピュータシステムと通信する力フィードバックインタフェース装置 であって、前記ホストコンピュータシステムが入力信号に応じて前記ホストアプ リケーションプログラムを更新するものにおいて、 ユーザによって自由度で移動可能であり、かつ前記ユーザによって物理 的に接触されているユーザオブジェクトと、 前記ホストコンピュータシステムからの力コマンドに従って自由度に沿 って力を前記ユーザオブジェクトに加えるアクチュエータであって、前記力コマ ンドが第１の直列インタフェースを介して前記力フィードバックインタフェース 装置によって受け取ること、 前記自由度に沿って前記ユーザオブジェクトの位置を検出し、かつ前記 第１の力インタフェースから離れ、かつ前記ホストコンピュータシステムのゲー ムポートに結合された第２の直列インタフェースを介して前記入力信号を前記ホ ストコンピュータシステムに出力するセンサであって、前記入力信号が前記ユー ザオブジェクトの前記位置を示す情報を含むこと、 を備えていることを特徴とする力フィードバックインタフェース装置。 １１８．前記ホストコンピュータシステムから離れ、前記ホストコンピュータシ ステムから前記力コマンドを受け取ることによって前記第１および第２の直列イ ンタフェースを介して前記ホストコンピュータシステムと通信するマイクロプロ セッサをさらに備え、前記アクチュエータが、前記マイクロプロセッサに結合さ れ、前記マイクロプロセッサからのマイクロプロセッサ力コマンドに従って自由 度に沿って力を前記ユーザオブジェクトに加え、前記マイクロプロセッサ力コマ ンドが前記ホスト力コマンドから得られ、かつ前記センサが前記マイクロプロセ ッサに電気的結合され、かつ前記マイクロプロセッサが前記入力信号を前記ホス トコンピュータシステムに送ることを特徴とする請求項１１７に記載の力フィー ドバックインタフェース装置。 １１９．前記力コマンドが、前記マイクロプロセッサに使用可能である複数の力 サブルーチンの１つを選択するように前記マイクロプロセッサに命令する高水準 コマンドであり、前記サブルーチンの各々が、力コマンドを前記アクチュエータ に出力し、かつ前記ホストコンピュータシステムとは無関係に前記センサから位 置信号を入力するように前記マイクロプロセッサに命令することを特徴とする請 求項１１８に記載の力フィードバックインタフェース装置。 １２０．前記ユーザオブジェクトに結合され、前記自由度を与えるジンバル機構 をさらに備え、前記ジンバル機構が閉ループの５つの部材結合を含んでいること を特徴とする請求項１１８に記載の力フィードバックインタフェース装置。 １２１．オブジェクトの動きとホストコンピュータシステムとをインタフェース させる方法において、 自由度を有するオブジェクトを与えるステップと、 前記自由度に沿って前記オブジェクトの位置をセンサで検出し、そこか ら電気センサ信号を生じるステップと、 前記オブジェクトに結合されたアクチュエータを制御することによって 前記自由度に沿って前記オブジェクトに力を形成し、メモリ装置からの複数の記 憶されたディジタル力値を含む力プロフィールを取り出し、前記オブジェクトに 対応する力を出力するために前記取り出された力値を前記アクチュエータに出力 するステップとからなることを特徴とするオブジェクトの動きとホストコンピュ ータシステムとをインタフェースさせる方法。 １２２．前記オブジェクトに力を形成するステップが、前記ホストコンピュータ システムから離れ、前記ホストコンピュータシステムと通信し、前記電気センサ 信号を前記ホストコンピュータシステムを供給し、ホスト力コマンドを前記ホス トコンピュータシステムから受け取り、力コマンドを前記アクチュエータに出力 するマイクロプロセッサを使用することを含んでいることを特徴とする請求項１ ２１に記載の方法。 １２３．前記マイクロプロセッサが、前記力プロフィールを取り出し、かつ前記 取り出された力値を前記アクチュエータに出力することを特徴とする請求項１２ ２に記載の方法。 １２４．前記ホストコンピュータが前記複数の記憶されたディジタル力値を取り 出し、かつ前記取り出された力値を前記アクチュエータに出力することを特徴と する請求項１２１に記載の方法。 １２５．前記記憶されたディジタル力値がシステムクロックによって供給された タイミング情報に基づいて前記アクチュエータに出力されることを特徴とする請 求項１２１に記載の方法。 １２６．前記記憶されたディジタル力値が前記電気センサ信号に基づいて前記ア クチュエータに出力されることを特徴とする請求項１２１に記載の方法。