[0001] 本申请是2018年10月26日提交的、名称为“用于对空指令提供触觉反馈的控制器的多轴常平架安装座”的发明专利申请201880083427.9的分案申请。

[0002] 本公开涉及具有触觉反馈的用户输入器件，其由操作员手动移位以产生控制输入。

[0003] 输入器件或控制器(例如操纵杆、控制杆、驾驶杆和脚踏板)通过正在操控或控制真实或虚拟目标的运动和操作的人来感测一个或多控制构件的运动以产生该目标的控制输入。这些类型的控制器已用于控制诸如目标的控制俯仰、横摆和侧倾之类的参数输入，以及诸如三维(3D)空间中的平移(例如x、y和z轴运动)、速度、加速度之类的导航参数，和/或各种其他指令参数。可以控制的目标的示例包括飞机、潜水器、交通工具、航天器、工业起重机、机器人手术器械、虚拟环境(例如计算机游戏或虚拟或增强现实环境)中的控制目标和/或如本领域的一个或多个普通技术人员已知的各种其他控制目标。

[0004] 通过引用整体并入本申请的美国专利申请第13/797,184和15/071,624号描述了控制系统的多个实施例，该控制系统可被配置为允许用户使用一只手，来利用可以用一只手操纵的控件同时独立地产生多于三个，最多达六个自由度(6‑DoF)的控制输入。本申请中描述的单手操控式控制器的各个方面，单独地和/或与这些方面中的其他方面组合起来，可以更好地使无论处于运动状态还是静止状态的用户(例如计算机增强或虚拟现实游戏玩家、飞行员、徒步旅行者、滑雪者、安全/SAR人员、战斗人员等)能够通过使得在限制交叉耦合(意外运动)的同时产生控制输入，来控制物理和/或虚拟三维空间中的物体或目标。具有这些功能的控制器可用于允许控制器将平移与在需要整个空间中的精确运动的计算机辅助设计、无人机飞行、各种类型的计算机游戏、虚拟与增强现实以及其他虚拟和物理任务的控制要求中的姿态调整脱钩。

[0005] 例如，在操作无人机时，应该始终知道控制无人机沿x、y和z轴以及横摆(围绕z轴线旋转)的控制器的零输入位置。其他飞行规制，例如虚拟与增强现实、计算机游戏和外科机器人，可能需要同时具有多达六个独立自由度的控制输入：沿x、y和z轴平移，以及俯仰、横摆和侧倾(围绕三个轴线旋转)。分别知道控制构件或控制器的每个自由度的“零输入”的位置，并同时知道通过物理或虚拟空间运动基准点(POR)的控制器的“零输入”的位置，将允许进行更直观的控制。然而，对于无人机飞行以及虚拟与增强现实系统，问题在于需要在飞行员或移位或校准控制器以产生对目标的控制输入人员实际上正在在物理上同时运动的同时，保持对基准点的精确控制。

[0006] 下面描述用于可手动移位的控制构件或用于控制器的输入端的常平支撑架的各种实施例的代表性示例，其公开了某些可单独使用、彼此组合使用或其他组合形式地使用以解决这些问题的功能。这些功能在提供其他问题的解决方案时也可能有用。

[0007] 在一个实施例中，常平支撑架允许控制构件围绕两个或多个相交轴线枢转，同时还允许精确测量控制构件围绕每个轴的角位移。在替代实施例中，常平支撑架可以集成一个或多个锁定器，用作选择性地防止控制构件沿一个或多个自由度(临时或永久地)移位，同时为了适应常平支撑架用于其他应用的目的而继续允许沿一个或多个自由度的移位。

[0008] 在另一实施例中，常平支撑架通过力、触感或触觉反馈来通知正在手动操纵制构件的用户控制构件何时处于至少一个自由度中的零指令或空位置(没有针对目标的控制输入的位置)。

[0009] 在又一个实施例中，安装座还可以任选地使控制构件能够通过居中机构围绕第三轴线旋转，该第三轴线与其他两个轴线相互正交，该居中机构将关于第三自由度的空位置或空指令通知用户。在一个示例中，使用机械止动件限定关于一个或多个控制器的多个自由度中的每个自由度的中心或“零”输入，并且当控制器构件离开中心或“零输入”位置时，使用户感觉到力的轻微增加。当重新进入控制器构件沿运动自由度之一的行程范围的中心时，随着“零输入”恢复而感觉到力的轻微改变。用户的手可以同时且独立地对正在被操控的每个自由度感觉这些止动力。其他示例可以用磁体替代一个或多个止动件。

[0010] 可选地，可以将第二控制构件安装在第一控制构件上，并使第二控制构件可以相对于第一控制构件沿笛卡尔坐标系的x、y和z轴线中的一个或多个以一个、两个或三个自由度运动，以产生多达三个附加自由度的控制信号，还有对一个、两个或三个自由度中的空指令的触觉反馈。将第二控制构件放置在能够用抓握第一控制构件的同一只手的拇指或另一只手指移位的位置上，就可以构造这样一种控制器，该控制器在结构上能够以4、5或6个自由度进行移位(或者这样一种控制器，其结构上能够根据应用要求而以6个自由度进行移位，但一个或多个自由度可锁定或不被编程来产生控制输入)并且同时独立为每个自由度产生控制输入，同时在第一构件从任意给定自由度中的零输入位置离开时，保持用户接收触觉反馈的能力。

[0011] 下面结合附图描述其他方面、优点、特征和实施例。

[0012] 为了促进对下面要求保护的本发明的原理的理解，现在将参考附图中所示的实施例或示例。应该理解，通过描述具体实施例和示例，除了权利要求书中规定的文字术语之外，不打算限制本发明的范围。在利用所要求保护的主题的同时，对所描述的实施例和示例的改变和进一步修改是可能的，因此被认为是在所要求保护的本发明的范围内。

[0013] 图1是用于将手持控制器附接至基座并从基座拆卸下来的连接器的示意图。

[0014] 图2A示意性地示出了用于能够以至少两个自由度移位的控制构件的常平支撑架。

[0015] 图2B是沿截面线2B‑2B截取的图2A的横截面。

[0016] 图3A是常平支撑架的另一个实施例的正视图。

[0017] 图3B是图3A的常平架的分解俯视图。

[0018] 图3C是沿截面线3C‑3C截取的图3A的横截面。

[0019] 图3D是沿着截面线3D‑3D截取的图3B的分解图的横截面。

[0020] 图3E是图3A的常平支撑架的分解透视图。

[0021] 图3F是沿截面线3F‑3F截取的图3A的截面。

[0022] 图3G是沿截面线3G‑3G截取的图3A的截面。

[0023] 图3H是图3A的常平支撑架的前侧透视图。

[0024] 图3I是图3A的常平支撑架的侧视图。

[0025] 图3J是图3A的常平架的后侧透视图。

[0026] 图3K是图3A的常平支撑架的顶视图。

[0027] 图4A是具有安装到图3A‑3K的常平支撑架上的控制构件的控制器的示意图的俯视图。

[0028] 图4B是图4A的控制器的侧视图。

[0029] 图5A是具有居中或力反馈机构的图3A‑3K所示的下常平支撑架的透视图。

[0030] 图5B是图5A的常平支撑架的侧视图。

[0031] 图5C是安装在外壳或基座内的图5A和图5B所示的整个下常平支撑架的简化局部截面。为了清楚起见，简化或省略了未截取的下常平架部分和某些结构特征。

[0032] 图5D是下常平架部分处于第二位置的图5C的局部横截面。

[0033] 图6A是不具有基座的手持控制器的另一实施例的侧视图，该手持控制器具有第一、第二和第三控制构件，其中第二和第三控制构件处于其位移或偏移范围的一端。

[0034] 图6B是与图6A相同的视图，但第二控制构件处于其位移范围的另一端。

[0035] 在附图和以下描述中，附图不一定按比例绘制。本发明的某些特征可能以示意图的形式示出。为了使感兴趣部分清楚和简洁，可能未在图中示出常规或之前描述过的组成部分或其细节。本申请引用的所有专利、专利申请、文章、其他出版物、文件等均出于所有目的而通过引用全文并入本申请。在任何所并入的出版物、文件等与本申请之间的术语的定义或用法上存在任何不一致或冲突的情况下，以本申请中的那些定义或用法为准。

[0036] 本公开描述了具有控制构件的控制器的几个实施例，用户运动该控制构件以一只手来控制控制目标或基准点(POR)。这些实施例中的每个都是具有控制构件的控制器的代表性的非限制性示例，该控制构件由常平支撑架支撑并且通过操作员或用户的手以一个、两个或三个自由度枢转或旋转来为每个自由度产生控制输入。常平支撑架还用作传感器，以检测和测量与控制构件的空位置的位移。优选地，传感器产生一组信号，每个信号针对每个运动自由度，而与其他运动自由度中的运动无关。然后，将这些信号中的每个用于产生控制输入，该控制输入被传输到目标控制系统。控制器将传感器信号映射到预定的控制输入。在一个实施例中，可以改变或编程该映射，使得可以将来自控制器正在操控的任何自由度的信号映射到目标的任何控制输入。

[0037] 控制器的一些示例具有安装在基座上的控制构件，该基座可以安装在平台上，用手抓握或由用户穿戴。该基座用作用于测量控制器的第一控制构件的位移的坐标系。在一些实施例中，该基座还可以容纳用于对接用于测量位移的传感器的信号调节电路、用于运行诸如本申请所述的软件编程过程的处理器、电池或其他电源、用于其他硬件的接口以及可选用于无线通信的发射器和接收器。

[0038] 控制器的非限制性代表性示例是运动式双手持控制器系统。即使在进行诸如步行、滑雪、跑步、驾驶之类的运动时，双手持控制器也提供一致的已知坐标系(由用户的另一只手稳定)。对于某些类型的应用，例如检查、安全和摄影无人机任务，可以将手持控制器安装到三脚架或其他物理结构上，或者安装在可以由用户的另一只手抓握或以其他方式稳定的平台上。该平台可以包括辅助控件，并且如果需要，可以包括显示单元。在一个示例中，控制器具有拥有3个DOF运动的第一控制构件和拥有安装到其上的附加的3个DOF运动的第二控制构件，该控制器的所有6个自由度(DOF)输入可以通过平台起反作用。通过这种布置，控制系统的该示例促进像具有直观(非故意的认知)输入的战斗机飞行员一样进行空中运动。

[0039] 预期与本申请公开的常平支撑架的实施例和示例一起使用的控制构件可具有用于控制构件的居中机构，该居中机构在一个实施例中用于至少一个自由度，在另一实施例中用于至少两个自由度，而在又一个实施例中用于至少三个自由度，以给用户一种“零”或空指令的感觉。当控制构件沿自由度之一运动时，常平支撑架的一个实施例对控制构件产生触觉反馈，例如机械力(例如通过弹簧或止动件产生的)、摇动或其他类型的触觉信号，以使其返回到零输入位置(零位置)。

[0040] 力和位置的传递提供了舒适的动态平衡。通过手持控制器在物理或虚拟空间中运动任何基准点，都将受益于对被控制的每个自由度中位移的不断了解。例如，了解始终沿“x”、“y”和“z”轴线运动的“零输入”在哪里以及无人机的横摆有助于操纵无人机。其他飞行体制，例如虚拟与增强现实、计算机游戏和外科手术机器人，可能同时需要多达六个独立的自由度(x、y、z、俯仰、横摆、侧倾)。当与用于无人机飞行和虚拟现实尤其是增强现实的控制器一起使用时，本申请公开的常平支撑架在保持对基准点(POR)的精确控制的同时允许用户的运动性。

[0041] 现在参考图1，手持控制器100旨在表示具有一个或多控制构件的控制器，该控制构件被用户的手移位以产生用于运动虚拟或真实目标的控制输入。该控制器包括手持控制器，该手持控制器包括至少一控制构件和基座、框架、支撑架或提供坐标系的其他类型的平台(未示出)以及控制构件对其起反作用的物体，以测量控制构件的位移。控制器的该示例包括第一控制构件102、第二控制构件104和第三控制构件106。第一控制构件可以可选地被配置或制造成使用连接器可拆卸地附接到基座或其他器件。在该代表性示例中，手持控制器的底部被插入连接器108中。连接器可以包括用于进行电连接以将信号和电力传输到手持控制器的触点110。该连接器又与支柱112连接，该支柱112由常平架或类似机构枢转地支撑，该常平架或类似机构允许该支柱围绕相交于在枢转点处的原点的两个和(可选)三个相互正交的轴线的旋转或角移位。由操作闩锁以接合手持控制器的基座的按钮114所代表的按钮、止动件或其他保持机构，可用于保持手持控制器，然后将其从连接状态中释放。该特定示例旨在连接到常平支撑架的支柱，以允许用户移位第一控制构件。

[0042] 图2和图3示意性地示出了常平架200的示例，该常平架200可以用于支持诸如第一控制构件之类的控制构件在两个自由度中的同时角位移以及角位移的测量。如果只希望有一个自由度，则可以选择暂时或永久地(这意味着不打算在不拆卸、更换、损坏或更改锁定器的结构构件的情况下将其解锁)锁定常平支撑架围绕两个轴线之一的旋转。锁定器可以在组装时(原始组装或在修理或改装过程中)安装。锁定在物理上可以通过合并干涉围绕一个旋转轴线枢转的结构特征来实现。这样的锁定器的例子包括可以放置或选择性地滑入或滑出干涉位置的销或可以选择性地或永久地枢转进或出干涉位置的闩锁。可替代地，在制造常平架时，可以将允许以自由度之一运动的组件替换为不允许以该自由度运动的组件。在其他实施例中，锁定器可以用提供足够阻力的磁体或电磁体来实现。

[0043] 该常平架可以安装在基座中，该基座具有用于将常平架联接到手持控制器的支柱202，该常平架也可以安装在手持控制器中，该手持控制器具有连接到基座的支柱。常平架
200还可适合于安装在第一控制构件内，以支撑和测量第二控制构件围绕一个或多个旋转轴线的角位移。

[0044] 在一个实施例的该特定示例中，常平架200包括至少两个止动件204，其呈由弹簧205偏置的球的形式。请注意，仅显示了一对止动件。可以看到的那对止动件用于在进入或离开一个旋转轴线的空位置时产生机械力反馈。另一对将被定向成正交于可以看到的那对，并用于产生用于围绕第二旋转轴线旋转的机械力反馈。请注意，每个旋转方向可以使用一个止动件，但一对可提供平衡。此外，在另一可选实施例(其中常平架可以被锁定或被阻止围绕一个轴线旋转以仅允许围绕一个轴线旋转)中，可以省略用于产生用于围绕被锁定或被阻止的轴线旋转的力反馈的止动件。球206安装在承窝208内，使得它可以在承窝内以两个自由度自由旋转。然而，可以使用榫槽布置或类似特征将球与承窝锁定至一个旋转自由度。基座209代表用于安装常平架的结构，手持控制器可对其起反作用。盖210在承窝的球形外表面上延伸，使得支柱可以使盖枢转。延伸部或键212装配在形成于球206中的互补开口内，使得支柱202的角位移也使球旋转。当球沿两个旋转方向旋转到空位置时，所有止动件都与凹槽214接合。两对接合和分离的止动件在两个旋转轴线(例如俯仰和侧倾)的空位置处向用户提供机械触觉反馈。为了检测传感器的旋转，将一个或多个磁体216放置在球
206的底部(当处于空位置时)。这允许具有至少一个霍尔效应传感器220的印刷电路板(PCB)218紧密定位成检测和测量球在最多两个旋转自由度中的角位移，从而产生代表位移的信号。霍尔效应传感器优选地是三维霍尔效应传感器，在这种情况下一个就足够了。这种布置的一个优点是，弹簧和操纵杆的位置较高，使常平架的底部可用于放置霍尔效应传感器。在其他实施例中，其他类型的传感器可以代替霍尔效应传感器和磁体，包括光学编码器、电位计以及用于检测常平架围绕每个轴线旋转的其他类型的传感器或检测器。该常平支撑架可以用于其他控制应用中，而不仅仅是本申请所述的手持控制器。

[0045] 在上述手持控制器的实施例中，当手持控制器安装到基座上时，例如，第一控制构件与球接头或常平架连接，以围绕多达三个轴线旋转移位，从而最多具有三个自由程度。所示实施例中的基座还可以包括信号调节器电路、过程、存储器(用于存储数据和程序指令)和电源以及用于传递由控制器系统产生的控制信号的有线和/或无线接口。

[0046] 图3A至图3K示出了用于控制器的控制构件的常平支撑架的另一代表性示例，该常平支撑架可适合于感测该控制构件在一个、两个或(如果需要)三个自由度中的角位移。常平支撑架310将控制构件与平台(诸如将由用户的一只手或用户所穿戴的东西抓握的基座)联接，控制构件对该平台起反作用以产生控制输入。下常平架部分312用于约束附接有控制构件(未示出)的支柱316的运动，使得控制构件和支柱围绕彼此正交的两个旋转轴线324和330中的每个自由枢转。下常平架部分312实际上由两个常平架组成，所述两个常平架被布置为支撑控制构件围绕彼此正交的每个旋转轴线324和330中的每个枢转。

[0047] 常平支撑架310还包括安装在支柱316上的可选旋转支撑架和传感器部分314，其允许控制构件围绕可测量的z轴以第三自由度旋转。支柱316具有中心轴线332，该中心轴线与旋转轴线324和330相交于下部常平架部分的中心。所有三个轴线相互正交。感测支柱316(或其中心轴线332)相对于围绕每个旋转轴线324和330的空位置或中心位置的角位移，并确定角偏转或位移的测量值。

[0048] 在该代表性示例中，下常平架部分312包括保持固定的第一构件320和将沿至少一个轴线在其内部旋转的第二构件318。第一构件318具有球形或椭球形的形状，而第二构件形成具有内表面的空腔，该空腔的形状适合于容纳第一构件。在下面的描述中，第一构件320将被称为“承窝”或“第一构件”，而第二构件312将被称为“球”或“第二构件”。球318被约束成使其围绕一个轴线旋转，但是在替代实施例中，可以允许球318围绕其他轴线旋转。尽管第一构件320的内表面可以形成为支撑球以便在承窝内旋转，但是在该示例中，球320由同轴突起322支撑以便旋转并且其运动也受同轴突起322限制，该同轴突起322被支撑在承窝320的侧面的开口326内。承窝320由两个承窝半部320'和320”形成，以使其易于制造和组装，但是可以以其他方式构造。球318被限制为仅围绕轴线324旋转。实际上，它由一个轴支撑以便围绕轴324旋转，该轴由同轴突起322构成，该同轴突起从球延伸到形成在承窝320中的开口326中。同轴突起322的轴线与旋转轴线324对准并且与球318的中心重合。因此，承窝不像传统的球与承窝一样支撑球的旋转。可以采用用于安装球318以围绕轴线324旋转的其他方式。例如，在一种替代布置中，轴和开口中的至少一个可以颠倒，其中轴形成在承窝上并且开口形成在球中。可替代地，单独的轴可以与两个开口配合，一个在承窝中，一个在球中。在其他布置中，可以在承窝和球上形成配合的销和周向凹槽，销跟随该凹槽以允许围绕至少一个轴线旋转而不围绕另一轴线旋转。在该替代实施例中，承窝将以传统的球与承窝的方式支撑球。

[0049] 支柱316的下部334与形成在球318中的狭槽336配合并被接纳到其中。支柱的下部334被成形为使得狭槽的壁防止其在狭槽内围绕其中心轴线332旋转。此外，狭槽和支柱配置成将支柱支撑在狭槽中，使得其可以在狭槽内围绕旋转轴线330在旋转轴线324和330的交点处的枢转点处枢转，而无需旋转球318。球318用作两个常平架，并且至少在此特定示例中不必是完整的球甚至球形。

[0050] 承窝320具有球形外表面，该球形外表面与盖328的球形内表面互补，从而像球与承窝接头一样支撑盖328的运动，其中承窝320的外表面像球一样起作用，而盖328的内表面形成起承窝作用的杯状凹坑，球形表面的原点或中心位于相互正交的旋转轴线324和330的交点处。盖328从支柱316垂下并且围绕承窝320的外部延伸。当支柱316枢转到或远离针对两个自由度中的每个自由度的空或零指令输入位置时，盖328用于产生触觉反馈。盖与承窝320相互作用以建立或限定支柱围绕旋转轴线324和330中的每个旋转轴线的空位置，并且当支柱沿每个自由度从空位置移走时产生触觉反馈。在该实施例中，用于产生触觉反馈的装置是机械的，并且包括用于每个自由度的至少一个止动件。在该示例中，每个止动件都具有圆形或球形的接合表面，该接合表面向外偏置但一旦抵消了偏置力就可向内移位。所示示例中的每个止动件包括球344和一个或多个偏置弹簧，该偏置弹簧安装在带有唇部的套筒中，该唇部保持球但允许其延伸。盖328将止动件338定位在正确的位置。四个止动件338中的每个都容纳或安装在凹部340中，凹部340形成在盖372的圆形带状部分中。因此，止动件全部位于垂直于中心轴线332的同一平面上，并且围绕中心轴线与该平面的交点以90度间隔均等地间隔开。当支柱316处于空位置时，一对相对止动件338被定位成使得该对中的止动件沿着平行于旋转轴线324的线共线，而另一对相对止动件338沿着平行于旋转轴线
330的线共线。

[0051] 当常平架312处于空位置时，每个止动件338与形成在相对于盖保持静止的承窝320的外表面上的对应浅坑342或其他类型的凹部、凹口、凹坑、凹槽或表面特征对准。该表面特征的形状被设计成允许止动件在其偏置力下延伸，从而干涉盖和承窝的相对运动。当用支柱316施加足够的扭矩来抵消由止动件和浅坑的干涉所产生的力时，抵消偏置力，并且向内推动止动件以允许相对运动。止动件保持推入或缩回，直到与允许其延伸的表面上的凹部或凹坑对准为止。因此，支柱316围绕每个旋转轴线的偏转将至少遇到一些阻力，并且该阻力将被感觉为对用户通过运动控制构件来运动支柱的触觉反馈。类似地，当支柱316围绕旋转轴线324和330中的一个或两个枢转回到空位置时，止动件将延伸到浅坑中。当止动件穿过形成浅坑并延伸到浅坑中的凹部的壁的一侧时，用户会感觉到致动力稍微释放。用户还可能会感觉到止动件击中了浅坑另一侧的浅坑壁，从而增强了用户对它们回到空位置的感觉。阻力下降后再缓慢增加阻力是一种触觉提示，其向用户传达已到达围绕旋转轴线中任一个的空位置而无需查看或查找空位置的感觉，例如通过释放控制构件并使其在弹簧力的作用下返回到空位置。这在许多应用中可能是有利的，特别是在用户处于运动状态的应用中。

[0052] 在该示例中，一组相对的浅坑342形成在承窝320的外部上。另一组形成在同轴突起322的端部上，因为它们延伸穿过承窝并由形成在承窝中的开口支撑，而在承窝中没有形成浅坑。然而，在替代实施例中，可以将承窝320和球318的界面制造成不同，从而允许在承窝上形成与止动件干涉的浅坑或其他表面特征。此外，每个止动件和浅坑(或其他干涉表面特征)的位置可以颠倒。然而，将止动机构定位在盖中可以具有多个优点，包括允许将承窝和球制造得更小、更紧凑并且使组装更容易。尽管在该实施例中为半球形，但是几何形状并不要求盖具有半球形的形式来保持和定位止动件。此外，承窝320的外部不支撑盖，尽管它可以约束盖的运动。盖的内表面不需要连续或什至球形，只要它们不干涉盖的期望运动即可。然而，承窝的外表面应在止动件的运动范围内保持球形，以使止动件不会延伸以干涉盖(和支柱)的运动并产生不必要的作用力。

[0053] 下常平架部分312中的承窝320安装在基座框架350上，该基座框架将与基座或平台连接，控制构件将对该基座或平台起反作用。

[0054] 检测常平架部分312围绕旋转轴线324或旋转轴线330的旋转，可以通过已知方法实现。一个例子是使用霍尔效应传感器。在旋转轴线324和330的交点的下方，将磁体(未示出)固定到支柱316的下部334的端部335，该旋转轴线324和330的交点限定了支柱316和控制构件的枢转点。端部335的角偏转将与附接到其的具有操纵杆的形式的控制构件(例如图4A和图4B的控制构件368)的角偏转相同，并且磁体的行进距离将与其成比例。磁场当支柱在两个自由度中均处于空位置时随着从支柱端部正下方的点运动而发生的变化，可以通过二维或三维霍尔效应传感器(未显示)进行检测，这种传感器在由箭头351的端部在框架350内指示的区域中，安装在球体318下方与中心轴线332成一条直线。霍尔效应传感器将检测磁体的运动并产生指示磁体运动的信号，该信号可用于确定磁体的运动方向和运动量。

[0055] 为了感测控制构件(未示出)围绕中心轴线332的旋转，该控制构件在支柱316的上端联接至旋转传感器314的盖358。该盖相对于支柱316围绕中心轴线332旋转，因此用于测量控制构件(例如图4中的控制构件368)能够在其中运动的第三旋转自由度。盖358能够相对于保持静止的支柱316旋转。支柱316的上端与盖358之间的凹部352容纳居中弹簧354，该居中弹簧354将盖358朝空位置偏置，并且当盖358围绕中心轴线332在任一方向上旋转时，将重新居中力施加到盖。弹簧具有两个支腿354a和354b，每个支腿354a和354b延伸穿过支柱316顶部上的圆形壁357中的开口356中的单独一个。圆形壁359从盖358的底部向下延伸，并与支柱上的圆形壁357配合，以随着旋转使盖在支柱316上居中。壁359还具有与开口356匹配的开口。凸片360从盖358的内部向下在弹簧354的两个支腿354a和354b之间延伸。当盖沿任一方向旋转时，凸片360运动并推压两个支腿中的一个，而另一个支腿则受到其延伸穿过的开口356的内边缘的限制，从而产生过凸片和盖358施加到所联接的控制构件(例如图4的控制构件368)的力。这只是用于产生当用户扭转控制构件时，可以被用户感知的重新居中力的结构的一个示例。其他结构也是可能的。

[0056] 在该实施例中，用作旋转支撑和传感器的旋转支撑部分314还包括止动件338，该止动件338有助于将旋转支撑保持在空位置并且在旋转支撑部分314进入和离开空位置时向用户提供触觉反馈。旋转盖358的安装座中的凹部340将止动件338保持在竖直方向上。在空位置上，止动件338与形成在支柱顶部中的浅坑或其他凹部或干涉表面特征(在图中不可见)接合。向安装盖358施加旋转力迫使止动件338缩回以允许旋转，从而产生用户可以感觉到的触觉事件。在返回到空位置时会发生另一个触觉反馈事件。在该示例中，随着止动件延伸，用户会感觉到进入空位置的阻力下降，然后随着止动件开始与浅坑或凹部的相对侧接合，用户会感到阻力增大，从而向用户确认旋转位于零位置或空位置，而不必看他或她的手或询问指令输入是否为零。

[0057] 安装盖358包括旋钮363或延伸部，该旋钮363或延伸部在与控制构件的底部上的互补部分结合时用作机械联接构件的一部分。它包括狭窄的中间部分或颈部364，控制构件(未示出)的配合底部或基座就可在中间部分或颈部364上滑动并且一旦被闩锁就保持住。闩锁未示出，但是它将延伸穿过开口366。它可以设计有按钮或其他构件(未显示)来允许用户释放它。使用快速释放装置(可由人或简单的工具手动操作)连接控制构件，可允许拆卸控制构件以进行存储，或将其替换成为不同大小的手制造的控制构件。另外，旋钮363在开口361中包括电连接器362，该电连接器使得能够形成电路以在控制器与基座之间传递信号。它还可以为控制构件中的电子器件传输电力。可以使用孔365将挡板或防护罩连接在支柱顶部与其安装在其中的基座或外壳之间或连接到安装到基座的板上。

[0058] 可以通过许多已知方法来检测旋转支撑部分314的旋转并将其转换为可用信号，其示例是使用磁体和霍尔效应传感器。其他示例包括光学编码器、电位计和类似的旋转传感器。在该示例中，霍尔效应传感器和支撑电路板367被放置在凹部352内。霍尔效应传感器检测由放置在盖358内的磁体(未示出)产生的磁场随着盖相对于支柱旋转的变化。

[0059] 现在仅参考图4A和图4B，传感器310被示出为安装至基座370，其中控制构件368安装至旋转支撑部分314，并且下常平架部分312与基座370联接。图4A图示了正在从空位置(以实线指示)向左和向右扭转(以虚线指示)的控制构件。图4B图示了正在从空位置(用实线指示)前后枢转的控制构件。传感器310可以被颠倒，使得其被安装在控制构件内，而旋转传感器部分314与基座或其他平台联接。

[0060] 现在仅参考图5A‑5D，仅示出了下常平架部分312、支柱316和上部314的圆形壁357，用于图示作为重新居中机构的一个示例的实施例的目的，该重新居中机构在从下常平架的空位置偏移期间向用户提供力反馈。图5A和5B是侧视图和透视图。图5C是图5A和图5B所示的整个常平支撑架的简化局部截面，该常平支撑架安装在由上壁500a和底壁500b组成的外壳或基座(图5A和5B中未示出)内。下常平架部分312、支柱316和上旋转支撑部分的圆形壁部分357没有被横截。此外，为了清楚起见，简化或省略了某些结构特征。

[0061] 重新居中机构包括轭架502，该轭架502用开口504围绕支柱316，该开口大到足够允许支柱以两个自由度自由地枢转。该轭架被限制为仅允许沿着与下常平架部分312的旋转轴线正交的轴线506运动。当下常平架在两个旋转轴线上都处于空位置时，通过弹簧510(在该示例中为压缩螺旋弹簧)将轭架偏置到其最低点偏移，如图5A和5B所示。在该“空”位置上，轭架的底表面与随支柱316枢转的下常平架部分312的水平延伸结构特征的顶表面相邻(并且可以搁置在其上或抵靠在其上)。在示例中，当支柱316(和下常平架部分)枢转时，支撑止动件338并且是支柱316的一部分的盘状壳体372推抵轭架，从而导致轭架抵消弹簧510向下偏置力而向上移位。壳体372具有圆形外周，当常平架枢转时，该圆形外周在单个点处与轭架的平坦底表面512接触。

[0062] 弹簧510的一端被外壳的结构特征卡住，其中常平架通过轭架安装在其另一端中。因此，该弹簧在轭架向上移位时被压缩。弹簧力与轭架的位移直接相关，随着位移的增加，产生的力更大。支柱316围绕两个旋转轴线中的任何一个的偏转或旋转角度越大，轭架的位移就越大，因此用户抓握或推抵与支柱连接的控制器而感测或感受到的力就越大。例如，当用户释放附接到支柱的控制构件(未示出)时，力反馈也将支柱偏置到空位置并使其重新居中。

[0063] 在该示例中，弹簧被上壁500a卡住。然而，当常平架枢转时相对于常平支撑架的框架保持在固定位置的任何其他结构特征都可以用于压缩弹簧。此外，如果沿着轴线506调节结构构件的位置，则可以通过运动结构构件的位置来调节力的大小。可替代地，该力的大小可以通过使得弹簧下端相对于轭架的位置可调节(例如通过调节轭架的尺寸或相对于轭架运动弹簧的位置的结构构件在轭架上的位置)而变成可调节。

[0064] 在替代实施例中，在下常平架部分上具有外部圆形圆周的套环或其他盘形结构，例如附接到支柱316或盖328或由其形成的套环，可以用于迫使轭架移位。

[0065] 为了限制轭架沿轴线506平移的运动，轭架在支柱508上滑动。该示例中有四根支柱，但可以更少或更多。尽管在该示例中轭架为正方形以容纳支柱，但是轭架也可以制造成其他形状。支柱还可以用于将常平支撑架310安装并定位在它将对其起反作用的外壳或其他平台内。也可以使用其他手段来限制轭架的运动。例如，轭架可具有圆柱形外表面，该圆柱形外表面在形成于封闭件内的套筒状或其他结构特征内滑动，该套筒状特征或其他结构特征具有互补的圆柱形内表面。

[0066] 该特定实施例的一个优点在于，通过限制轭架沿一个轴线平移的运动并确保弹簧仅沿着其轴线压缩，可以产生一致且可预测的力以施加到下常平架，该力是相对线性的(尽管不一定是一阶线性的)并是与轭架的位移相对成正比的。此外，整个力均匀地施加在轭架周围，使得所施加的力在下常平架的套环或其他水平延伸部件与轭架接触的地方不会改变。

[0067] 常平支撑架200(图2和图3)或常平支撑架310(图4)可以与许多其他类型的控制器和控制构件一起使用，这些控制器和控制构件可以用围绕至少一个、至少两个或三个轴线枢转的用户手指或手移位。操纵杆是可与任何常平支撑架或其他变体一起使用的控制构件的可抓握型要素的非限制性代表示例。然而，具有其他形式的控制构件可以用于使像图2A‑2B，3A‑3K和5A‑5C所示的常平支撑架或传感器一样的常平传感器偏转。它也可用于感测安装在另一控制构件或基座上的控制构件的位移，该控制构件由手指或拇指操纵，以引起常平架的角度偏转或与常平架联接以引起其角度偏转的一轴或两轴龙门架的平移。此外，除了沿两个自由度运动以使常平架角度偏转之外，控制构件还可以沿常平架的两个轴线之一或沿用以提供第三自由度的第三轴线以第三自由度平移。例如，可以安装二维常平传感器(例如具有或不具有旋转支撑部分314的常平传感器200或常平传感器310)，以使其沿与常平架的两个旋转轴线正交的第三轴线上下平移，其中除了检测和测量常平架的旋转之外，还检测和测量常平架的平移运动。

[0068] 在一个示例性应用中，来自与常平架相关联的用于检测和测量常平架的角偏转的一个或多个检测器或传感器的信号由控制器映射，以产生针对目标的前进/后退或俯仰控制输入和针对目标的向右/向左或侧倾控制输入。然而，在其他应用中，如果需要，可以将偏转映射到不同的控制输入。根据应用，映射的实现的一个示例是编程的微控制器或允许将由控制构件针对其每个自由度的位移所产生的信号中的任何一个映射到针对该目标的一组控制输入中的任何一个的微处理器。编程可以在制造控制器时完成，但也可以允许用户在设置时或动态更改映射。

[0069] 此外，控制器可以具有可以移位以产生附加控制信号的附加控制构件。例如，在这种控制器的一个实施例中，第二控制构件被安装在第一控制构件上，以产生一个或多个附加控制输入，用于控制目标运动的附加自由度。在一个实施例中，第二控制构件被安装在允许其由正在以一到三个自由度移位第一控制构件的用户手上的一根或多根手指移位的位置。这样的一体化单手持控制器可以由用户使用单手来重新定位，从而使得能够以四到六个自由度对目标进行单手控制。第二组的控制输入独立于第一组的控制输入。在一个实施例中，第二控制构件能够以至少一个自由度运动，而在其他实施例中，两个或三个自由度可以独立于第一控制构件而运动。响应于其独立的运动，第二控制构件的运动产生第二组控制输入，第二控制构件在其中移位的每个自由度占有一个控制输入。

[0070] 图6A和6B图示了单手持控制器的示例，该单手持控制器具有安装在第一控制构件上的第二控制构件，该第二控制构件也是动态平衡的。控制器600使用具有四个自由度的两控制构件来产生适合于例如飞行无人机的控制输入。控制器包括三控制构件：第一控制构件602、第二控制构件604和第三控制构件606。第三控制构件通过联动机构联接至第二控制构件，以使用户能够动态地平衡第二控制构件和第三控制构件。通过向一控制构件施加力来向另一控制构件施加力。传感器用于感测第二控制构件的位移方向或第二与第三控制构件之间的联动件。未示出基座，但是第一控制构件将联接到像上述那样的常平型安装座，以测量用以产生控制器将使用来产生控制输入的信号的角位移。

[0071] 带有第二构件的控制器对于独立控制输入而利用手指进行的扩展操作，特别是当第二构件被拇指向上拉或向下推时，可能会导致疲劳。在另一个代表性实施例中，第三控制构件位于第一构件上，并且能够由用户一只手的一根或多根手指移位。它与第二构件联接以在第二控制构件的一个运动自由度中(例如在用户拇指向上拉以移位第二控制构件的自由度中)与第二控制构件的运动相反地运动。第三控制构件例如被安装在第一构件上的一个位置，以使得用户手上的一根或多根没有被用来使第二控制构件移位的手指，能够挤压第三构件并引起其移位。因此，当用户用一根或多根手指挤压或拉动第三构件而使第三构件向内移位时，第三构件使第二构件移位。向下推第二控制构件也从控制器向外推第三控制构件，从而允许用户的拇指或食指被用户的其他手指动态地平衡。

[0072] 用户的手608在第一构件的特别形成或适合于抓握的区域中抓握第一控制构件。用户的拇指610正用于沿Z轴(上/下)移位第二控制构件604。在该示例中，拇指环用于允许用户的拇指向上拉动第二控制构件。然而，不是必须要使用拇指环。在其他实施例中，拇指环可以用另一种类型的控制构件代替。第三控制构件安装在抓握部分的下部，并且大到足够使用户第三、第四或第五根手指614中的任何一根或多根朝第一控制构件向内按压它。可替代地，第三控制构件可以被安装得足够高以允许用户的食指612按压它。

[0073] 在图6A中，第二控制构件向上延伸，而第三控制构件被按压。用户可以通过按压第三控制构件、向上拉第二控制构件或两者结合来引起这种位移。在图6B中，第二控制构件被压向第一控制构件，从而引起第三控制构件从第一控制构件向外推。与单独用拇指相比，用以通过用一根或多根手指挤压而向后推第三控制构件的能力允许用户更容易地控制位移。

[0074] 总而言之，本公开由此预期将如本申请所述的常平传感器与具有至少一控制构件的单手持控制器一起使用，该至少一控制构件作为反作用而产生第一组独立控制输入。可以使用一个或多个传感器针对每个自由度感测第一构件的运动或位移并产生控制输入，每个传感器都能够检测并在需要时测量一个或多个位移自由度中的位移。在一个实施例中，第一控制构件为操纵杆(或类似操纵杆的器件)的形式，并且被配置成通过用户将其放在手掌中并用其至少几根手指至少部分地围紧第一构件的主体而被抓握在用户的一只手中以握住它。

[0075] 第二控制构件可以可选地安装在第一控制构件上的一个位置，以便由用户的拇指、食指或其他手指操纵。第二控制构件可以是环、龙门架、跟踪球、触摸板或可以以一到三个自由度平移、旋转和/或枢转的其他输入器件的形式。可以可选地使它的Z轴行程由其他第三控制构件增加，该第三控制构件配置成由正抓握第一控制构件并且与第二控制构件相结合且与其相对地运动的同一只手的一根或多根手指使用。

[0076] 尽管它在与具有拥有能够控制四个、五个或六个自由度的结构的两个控制构件的单手持控制器一起使用时提供其他优点，但以下所述的常平架型传感器可用于检测和测量角位移并提供对可在一个或多个、两个或多个或三个自由度中移位的任何控制构件(包括第一控制构件和安装在第一控制构件上的第二控制构件中的任何一个或两个)的空位置的触觉反馈。此外，这里描述的常平架型传感器架构可以在用户运动时(例如当控制构件对基座或平台起反作用时，该基座或平台通过用户用不抓握控制构件的手携带它来稳定，或者由用户戴在皮带或背带上)发挥优势。常平架型提供对相对于即使在用户正在运动(例如步行、滑雪、跑步、驾驶)时也由用户稳定的已知坐标系的空位置的反馈。

[0077] 此外，可以通过附加输入来进一步增强来自具有本说明书所公开或建议的常平架型传感器的任何控制器的控制信号。例如，可以使用安装在头部或身体上的“连接传感器”。这可以使用栅格型红外输入或其他基于光学的变型，例如RF定向或全向跟踪器。连接传感器可以是头戴式的(例如用于交互式虚拟现实应用的)，也可以是腕式的。“点”跟踪器可用于更一般的主体位置输入。点跟踪的类型可以是例如磁性的或摄影测量的。

[0078] 具有这些特征中的任何一个或多个的控制器及其变型可用于以下应用，例如飞行模拟、计算机辅助设计(CAD)、无人机飞行、固定翼和旋转翼飞行、计算机游戏、虚拟与增强现实导航、空中加油、外科手术机器人、地面与海洋机器人控制等。

[0079] 基座可以可选地并入其他用户界面元素，例如按键、按钮、拨盘、触摸板、触控板、跟踪球和显示器或者用于固定用作显示器的智能手机、平板电脑或其他器件的支架。来自正在进行控制的应用的视频或图形图像可以实时显示在显示器上，例如可以显示来自无人机或者游戏的现场视频。替代或可选特征包括以下特征中的一种或两种或多种的组合。基座可以是可通过快速断开操纵杆和两个安装点用任何一只手重新配置的。操纵杆可以是模块化的，以使其能够拆卸并放置在其他类型的基座上。基座的形状可以是不对称的，也可以是对称的，并且具有放置辅助控件的空间。它可能包括智能手机附件，其顶部表面上具有角度调节能力。它还可能包括：辅助操纵杆或其他类型的用户界面元素，用以允许对无人机或末端执行器摄像头进行摇摄和俯仰控制；以及电容式或压力式安全开关，其可以在握住操纵杆的用户不参与目标的运动时，阻止或停止目标的运动。它还可能包括用于辅助控件的显示器安装座和表面区域。在替代实施例中，握把或手柄可以位于很靠近控制器的中线附近，从而减少一些离轴线力矩。在其他实施例中，可以通过将基座安装到用户的身体上而不是固定基座来使其稳定。用于基座在用户身体上的安装点的示例包括胸部安装件、带和衣物。

[0080] 可以用于检测和可选地测量位移的传感器的示例包括惯性测量单元、电位计、光学编码器、霍尔效应传感器等。来自传感器的信号由处理器接收，该处理器产生控制输入，该控制输入通过射频、光学或有线(电或光学)信号传输。允许控制构件枢转以指示位移的机构(例如常平架)可以可选地包括用于使控制构件居中的扭簧和用于测量角位移的传感器(例如电位计和霍尔效应传感器)。例如，在一些实施例中，可以将操纵杆连接到常平架的联轴器或联动件制造成可调节或适合于容纳用于不同大小的用户的不同尺寸的操纵杆。

[0081] 触觉反馈和重新居中机构的示例除了上述那些之外，还包括以弹簧力起反作用以提供力反馈的弹簧，以及感测位移和/或力并产生反作用运动或力、触觉反馈或它们的组合的有源系统。可以使用振动提供一个或多个自由度中的细微触觉反馈。替代地或附加地，力反馈可以提供某些或全部自由度中的反馈。虚拟现实的多传感器集成可以在虚拟世界中产生精确的控制。集成音频可以提供来自诸如无人机或其他目标器件之类的控制目标的声音反馈。控制器还可以提供表面加热和冷却，以通过热电系统或其他手段提供反馈以触发热感。用户界面可以可选地包括集成式触摸屏和可视指示器，例如灯光、闪烁的颜色等。

[0082] 除非另有说明，否则每个控制系统可以在替代实施例中进行调整，以允许其第一控制构件和第二控制构件中的每个具有不同的位移自由度。如果使用第三控制构件，则第三控制构件沿Z轴提供第二控制构件的动态平衡位移，该Z轴将沿与第一控制构件的中心轴线相同的大致方向延伸。然而，在替代实施例中，第三控制构件的位移可以被用作另一控制输入并且不被链接到第二控制构件。即使需要量少于用于六个自由度的所有控制输出的数量，许多控制方案也可能受益于能够使用一只手提供旋转和平移运动。

[0083] 除非另有说明，上述实施例是所要求保护的主题的非限制性示例。在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以对实施例进行改变。示例性实施例的一个或多个组成部分可以全部或部分地被省略、与一个或多个其他示例性实施例的一个或多个组成部分组合或由其替代。因此，保护范围不限于所描述的实施例，而是仅由所附权利要求书限制，权利要求书的范围旨在包括所要求保护的主题的等同形式。