专利名称：可操作地对具有等长锻炼系统的虚拟现实场景进行控制的方法和设备的制作方法当将生理和心理刺激施加给学生时，学生学习最佳。因素的这个 组合会导致较高水平的激励，其中该激励水平与最佳认知功能相关联。 当(例如认知的、情感的、生理的等等)压力增加时，个体有效发挥作用 的能力降低。这通常被称作最初由Yerkes和Dodson假设的倒U理论。就用于高压活动(例如军事行动等)的训练所发展的仿真而论，利用 这些仿真以减少用户对自动反应的反应。例如，零散步兵(DI)战士应决 定适于特定情形的行动，并使得战士能够反应以执行该行动。但是， 如果战士是在不考虑活动的身体要素的环境中训练，则战士很可能进 行一连串其身体上不能进行的行动(例如在带有重包裹的情况下冲上屋 顶，以及平静地参加狙击手活动等)。通过在训练和仿真中包括身体要 素可避免这种认知失调。但是，就在零散战士类型仿真中包括物理接口而言存在一些问题。 这些问题涉及技术和成本。特别地，与人类身体进行联系是非常有挑 战性的问题。例如，车辆仿真器包括与战士的接口，其被清楚地限定 并且完全是机械的，然而用于零星步兵战士的仿真必须解决战士与包 括楼梯、岩石、门、武器和其它人的一般环境之间的交互。相关技术试图克服该问题，其中接口通常被分类成运动接口和手 接口的两个领域。由于人可以以大量的方式运动(例如向前、先后或斜 向行走、蹲下、单脚跳、爬楼梯、爬行、走过绷索、沿柱子滑下等)， 所以该方法将人当作在平面上移动的车辆来对待。最简单的运动型接口(例如来自犹他州盐湖城的Sarcos Research公司的Uniport)类似脚踏 车或单轮脚踏车，其中踩踏板使得用户能够在虚拟环境中前进或后退， 同时接口包括一些附加机构以进行转向。相反，复杂的运动接口包括大型的全向踏车(例如来自犹他州盐湖 城的Sarcos Research公司的Treadport)。这些踏车安装在可倾斜或沿任 何方向取向的运动平台上。通过使用允许正确地模拟惯性力的范围， 战士被定位在踏车的中心。该系统包括通常呈大屏幕形式(例如CAVE) 的显示器或头戴式显示器。接口的机械复杂性随战士能够沿着其运动的轴线的数量而急剧地 提高。Uniport较便宜，但运转基本如同脚踏车。另一方面，Treadport 能够支持沿X和Y轴并达到三十度倾斜的运动，但非常不实用和不经 济。手接口装置具有更多的市场商机。例如，马萨诸塞州的Woburn 的Sensable Technologies公司提供一种在CAD中使用的接口(称作 phantom)和医学仿真。加利福尼亚州的San Jose的Immersion公司提供 一种用于虚拟原型(virtual prototyping)的接口(称作CyberForce)。这两个系统都能够使用户通过少量空间而移动他们的一部分身体。在仿 真检测到用户与仿真对象相抵触的点处，接口施加表示接触的反向力。
除这些系统的成本与复杂性之外，机器人力型反馈系统(robotic force type feedback system)受限制并且只能够施加系统能够产生的反 向力中的一小部分。由于硬件和/或软件微小的故障会导致施加最大的力，所以限制这些系统的机器马达以防止对用户的伤害。受限制的操 作防止系统施加足够的力来仿真虚拟环境中坚硬的、难以贯穿的表面。 换句话说，虚拟环境内的对象是"柔软的"。
另外，各种接口装置与娱乐仿真、例如视频游戏一起应用。通常， 视频和计算机游戏的操作由处于就座或斜倚位置(例如在沙发、椅子、 地板上等)中的用户进行。因此，使用视频游戏趋向于减少用户进行的 运动量。缺乏足够的锻炼会导致增加超重人群乃至肥胖人群的人口。
在试图克服关于娱乐仿真或视频游戏的前述问题中，相关技术提 供了利用具有虚拟环境的锻炼系统的各种系统。通常，等动力
(isokinetic)和/或等压(isotonic)形式的锻炼包括通过选定的运动范 围在阻力作用下使用户的肌肉运动。等长锻炼包括由用户向对象施加 力，该对象极大地阻挡了由所施加力引起的运动，从而使得在施加力 的过程中用户的肌肉基本上是最小运动或没有运动。等长锻炼的简单 形式的实例包括推压固定表面(例如门框或墙壁)、试图拉开紧紧抓住的 手，或弯曲或折曲足够刚硬的钢条等。
相关技术的计算机控制锻炼系统在公开号为WO 91/11221(Bond 等人)的国际公开中有所描述。计算机控制锻炼系统顺序地并且自动地 实现等动力、等压和等长锻炼，以在计算机与该患者进行交互以实现 期望的治疗的同时允许对其它患者的物理治疗。在一个实施例中，患 者身体的运动，例如患者肢体的提升或扭转转化成显示器上与其它奔 跑者竞赛的奔跑者。如果患者达到或超过锻炼目标，例如施加到锻炼 单元的多个重复或扭矩，则表示患者的奔跑者将与表示目标的其它奔 跑者不分上下或打败他们。
此外，交互式视频锻炼系统(IVES)在1998年6月的第20届RESNA 年会的会议文件、Dang等人的"用于儿科脑损伤恢复的交互式视频锻 炼系统"中公开。该系统为儿科脑损伤患者提供仪表化的视频游戏增强锻炼程序，其中该系统包括等长试验设备、数据处理电路盒、和带
有适合的游戏控制器的SUPER NES系统。等长试验设备包括第一负载 单元(load cell)，其刚性地安装到加紧椅子的两个后腿的金属横杆上。 高拉力的缆索和踝关节带(ankle band)将坐在椅子中的受治疗者的小 腿耦合至第一负载单元。第二负载单元安装在搁在地板上的两块铝板 之间。受治疗者的脚放在抵着脚跟的顶板上，并通过两根皮带固定。 受治疗者膝盖的等长伸展由第一负载单元来测量，而受治疗者的等长 踝关节背屈由第二负载单元来测量。来自任一负载单元的信号被发送 至数据处理盒，在那里数据被处理并与由电位计设定的可变阀值相比 较。当转换器信号超过阀值时，电压被传到适当的游戏控制器，由此 在游戏中执行选定的操作(例如右移、左移、上移、下移等)。结果，受 治疗者只能够通过进行某些等长锻炼来玩游戏。
但是，相关技术的上述锻炼系统具有若干缺点。特别地，锻炼系 统与计算机之间的交互局限于显示器上的简单表示，该表示是基于实
现设定目标的。因此，该锻炼系统不提供完全交互式虚拟现实环境(例 如，控制场景中的角色或对象以及与场景相关的其它特征的多种运动)。 此外，该系统通常不是与各种游戏或其它处理器，以及相关的"非定 制(off the shelf)"游戏或其它应用程序普遍兼容。这限制了可利用该 系统的应用。另外，该系统笨重并包括用于操作的各种部件，从而使 可移植性和在各种场所用于锻炼的使用复杂化。
此外，前述IVES系统需要用于SUPERNES的游戏控制器，以适 于提供可操作的系统。因此，该系统通常不与各种游戏或其它处理器， 以及相关的"非定制"游戏或其它应用程序普遍兼容。这限制了可利 用该系统的应用。此外，该系统包括需要为操作而组装的各种部件， 从而使可移植性和在各种场所用于锻炼的使用复杂化，并阻碍即时(例 如即插即用型)操作。另外，IVES系统局限于等长膝盖和踝关节锻炼， 因此不能在需要用户只运动上半身部分或者与下半身部分组合运动的 多种不同的环境中应用。
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因此，本发明的目的是根据用户的移动或运动来对虚拟现实场景 进行控制。
本发明的另一目的是基于用户施加真实的力以进行期望的动作而 与虚拟现实场景进行交互。
本发明的又一目的是根据用户进行的等长锻炼来对虚拟现实场景 进行控制。
本发明的又一目的是利用呈等长锻炼系统形式的普遍兼容的接 口，该等长锻炼系统具有能够执行"非定制"游戏或其它软件程序的 多种计算机系统，其中系统的兼容性使得能够进行即时(例如即插即用 型)操作。
本发明的又一目的是利用呈等长锻炼系统形式的接口以控制虚拟 现实场景，该等长锻炼系统使得用户能够进行上半身部分和/或下半身 部分锻炼。
前述目的可以以单独和/或组合的方式实现，并且除非由所附权利 要求特别要求，否则本发明并不意欲被理解成需要两个或两个以上待 组合的对象。
根据本发明，便于用户与主机计算机系统交互的呈等长锻炼系统
形式的接口包括操纵装置(effector)、耦合至该操纵装置的至少一个 传感器、容纳用户的平台和包括处理器的控制电路。该平台容纳处于 站立位置的用户，并包括连接至该平台的操纵装置。传感器测量由用 户下半身部分施加到操纵装置的至少一个力，其中该施加的力在操纵 装置上产生应变(strain)或使该操纵装置偏转。操纵装置可以呈金属棒的形式，其中用户施加在操纵装置的弹性极限内轻微地并且可测量 地使操纵装置变形的力(例如弯曲、扭曲、拉紧、压缩力等)。处理器接 收并处理与传感器所测量到的施加力的信息相对应的数据，以传送给 主机计算机系统。主机计算机系统处理该信息以更新或响应虚拟现实 场景内的事件(例如虚拟环境、游戏等)。
此外，附加的操纵装置可连接至平台，并包括耦合至该操纵装置 的至少一个传感器和游戏控制器或其它输入装置。传感器测量由用户 上半身部分施加到该附加操纵装置的*至少一个力，其中施加的力在该 操纵装置上产生应变或使该操纵装置偏转。附加的操纵装置可以呈金 属棒的形式，其中用户施加在操纵装置的弹性极限内轻微地并且可测 量地使操纵装置变形的力(例如弯曲、扭曲、拉紧、压縮力等)。处理器 接收和处理与传感器所测量的施加的力的信息相对应的数据，以传送 至主机计算机系统。主机计算机系统如上所述地处理该信息以更新或 响应虚拟现实场景内的事件(例如虚拟环境、游戏等)。因此，可利用用 户的上半身部分和/或下本身运动以与虚拟现实场景进行交互。
本发明具有多个优点。特别地，等长交互(isometric interaction) 颠覆(invert) 了相关技术装置(例如CyberForce和Treadport)所利用的 范例。与该范例(例如允许用户自由运动并施加非真实的力)形成对比， 本发明的等长交互使得用户能够施加真实的力，同时对动作进行限制。 衍生物是相当多的，并且其包括在不需要运动部件，相关的高成本和 机械复杂性的情况下获得期望的效果。此外，反应时间是立即的，因 为不存在某些机构对仿真世界的新状态进行反应所需的延迟。此外， 用户可施加与该用户在真实世界中施加的力相等的力，以使合成的对 象在仿真中移动。由于本发明不采用运动部件，所以等长接口非常简 单、结实和便宜。这与接口的小尺寸一起使该接口非常适于传统训练 环境以及前位部署(forward deployment)中的群体训练。因此，本发 明的系统提供了可与成本大的多的系统相当的身体和认知集成式训练 (integrated physical and cognitive training )。另夕卜，本发明{吏f寻用户进行上半身部分和/或下半身部分等长锻炼以与虚拟环境或游戏进行交 互，从而在玩游戏期间便于锻炼以及消耗增加的卡路里量。
考虑到以下本发明特定实施例的详细描述、尤其当结合附图时， 以上和更进一步的本发明的目的、特征和优点将变得明显，其中在不 同的附图中利用相同的附图标记指示相同的部件。


图1是根据本发明耦合至仿真系统的接口装置的透视图。 图2是图1的接口装置的透视图。
图3A是图1的接口装置的操纵装置杆的侧视图。
图3B是图1的接口装置的底视图。
图4是用于图1的接口装置的控制单元的平面前视图。
图5是用于图1的接口装置的示例性控制电路的示意性框图。
图6是根据本发明的图1的接口装置的可选实施例的透视图。
图7是用于图6的接口装置的示例性控制电路的示意性框图。
图8配置为用于连接到视频游戏系统的图6的接口装置的透视图。
图9是用于图8的接口装置的示例性控制电路的示意性框图。

图1示出根据本发明并耦合至仿真系统的接口装置。最初，根据 本发明的接口装置IO优选地耦合至对来自接口装置的信息进行处理的 装置控制单元200。该控制单元还耦合至仿真系统400，该仿真系统400 根据用户50下半身部分(例如腿等)对接口装置的操纵来提供并更新仿 真或虚拟环境。仿真系统通常包括仿真处理器414(图5)和监视器或其 它显示装置416。例如，用户50可将头戴机用作显示装置416，以提 供虚拟环境。仿真处理器主要包括运行仿真软件的处理装置，以便在 显示装置上提供虚拟现实。仿真系统可由Silicon Graphics或Evan & Sutherland仿真系统实现、或由任何常规的或其它计算机或处理系统(例 如IBM兼容机、微处理机系统、个人计算机、视频模拟系统等)实现。
17仿真通常包括由用户50控制或与用户50进行交互的角色或对象。 例如，用户可根据用户下半身部分对接口装置IO的操纵来控制角色的 运动或动作，以通过显示在显示装置上的虚拟环境而运动。此外，仿 真可基于用户对接口装置的操纵来提供仿真环境的不同视野或区域。 这些不同的区域可包括各种对象(例如敌方人员、陷阱等)。控制单元200 接收和处理来自接口装置的表示用户对该装置的操纵的信号。仿真系 统从控制单元接收经过处理的信号并更新显示装置，以根据用户对接 口装置的操纵来反应角色或对象的视野和/或运动和/或动作。
作为示例，接口装置IO可与军事仿真一起采用，并用作为"第一 人称射手"(FPS)装置，其中接口装置通过用户或战士 50的腿和/或其 它下半身部分而接合(engage)。接口装置跟踪战士 50用他们的腿施 加的力，以确定虚拟环境的往返移动。以这种方式，战士50可基于战 士的腿对接口装置的操纵来操作火器或其它武器75并在虚拟环境内运 动(例如向前、向后、侧向等)。例如，战士 50可利用他们的腿行走或 转动，从而向接口装置IO施加力，该力被测量并被处理从而如以下将 描述地表示虚拟环境内的速度和/或方向。这提供几乎本能的与仿真的 交互。由于用于接口装置的阻力水平可调节，所以战士50能够使所需 力的量适于对任何类型的条件或环境(例如丘陵地形等)进行仿真。
参考图2，接口装置10包括基座20、操纵fe置杆IIO和接合构件 370。接口装置IO优选地安装在支撑平台30上。平台通常为矩形并包 括足以支撑其上的用户50和接口装置10的尺寸。接口装置的基座20 通常连接至平台30的中心位置，用户50以通过用户的腿或其它下半 身部分骑跨着接口装置的方式站立在平台上，从而如以下将描述地操 纵该装置并且与仿真或虚拟环境进行交互。接口装置IO可经由任何常 规或其它固定机构(例如螺栓、夹具等)固定至平台任何合适的位置。
接口装置10的基座20包括地板22和大致圆柱形的插座(receptacle) 24。地板22通常是矩形的并包括在地板的相对侧边中限 定的通常为U形的凹座25。地板22包括连接至地板底面的支撑物23 以将地板22提升至平台30上方。支撑物呈通常的矩形块形式并沿着 地板22的非凹陷边缘延伸。插座24从地板22大致的中心位置向上延 伸并包括足以在其中容纳操纵装置杆110的尺寸，该操纵装置杆110 处于大致的直立位置以用于如以下将描述地由用户50操纵。 一系列通 常的三角形支撑件26连接至插座24和地板22以支撑该插座。支撑件 彼此成角度地移位大约90度并从插座朝地板22各自的角落延伸。特 别地，每个支撑件26呈直角三角形的形式，且支撑件侧边分别连接至 彼此成垂直关系的插座和地板。连接至地板22的侧边从插座朝相应的 地板角落延伸，同时支撑件的斜边从连接至插座的侧边的上部延伸到 连接至地板22的侧边靠近相应地板角落的端部。大致圆形的凸缘
(collar) 28围绕操纵装置杆110设置并包括稍大于操纵装置杆和插座 直径的尺寸。该凸缘基本上与插座24的上部接合以将插座内的操纵装 置杆110固定在合适的位置。
接合构件370围绕操纵装置杆110的上部设置，以使得用户能够 使接合构件与用户的腿和/或其它下半身部分接合，并施加力以操纵操 纵装置杆从而与仿真或虚拟环境进行交互。接合构件包括多个通常为 矩形的接触构件330、 332、 334和336，所述接触构件被布置成十字形 构造(例如彼此成角度地移位大约90度)并连接至大致的环形圈(an皿al ring) 340，该环形圈具有开放的中心部分，其包括足以容纳操纵装置 杆110的尺寸。接合构件与操纵装置杆成可滑动的关系，并且可经由 圈340沿操纵装置杆定位在任何期望的位置。圈可由任何合适的常规 或其它固定机构(例如O形圈、夹具等)实现或包括任何合适的常规或其 它固定机构。接触构件330、 334被分隔开足够的距离(例如成角度地移 位至少大约90度)，以使得用户的腿和/或其它身体部分能够放置在这 些构件之间。类似地，接触构件332、 336被分隔开足够的距离(例如成 角度地移位至少大约90度)，以使得用户的腿和/或其它身体部分能够 放置在这些构件之间。为了用户的舒适感，接触构件330、 332、 334、336优选地被加上衬垫。
如上所述，操纵装置杆110以大致直立的姿势被容纳在插座24中， 且接合构件370定位于朝向操纵装置杆的上部。操纵装置杆由合适的 刚性材料(例如金属合金)构成，其能够响应于用户施加到该杆的弯曲、 扭曲、拉紧和压縮力的任何组合、在其弹性极限内轻微地偏转。尽管 操纵装置杆通常为圆柱形，但要指出的是操纵装置杆可具有任何合适 的形状(例如弯曲或曲线、V形等)，并具有任何合适的外表面几何形状 (例如曲线、多面等)。f
操纵装置杆110包括至少一个传感器，以测量由用户施加到该杆 的至少一种类型的应变。该传感器最少测量沿前/后(例如Y轴)和左/右 (例如X轴滩线的力。可采用附加传感器以测量上/下的力(例如沿Z轴) 和旋转力(例如围绕Z轴)。优选地，操纵装置杆110包括应变计传感器
(stain gauge sensor) 150、 160(图3A)，它们布置在杆上合适的位置， 优选地布置在靠近插座24的操纵装置杆下部。这些传感器测量由于用 户向接合构件施加推、拉或侧向力所引起的施加到杆的应变变形的量。 仅作为示例，传感器150可测量沿X轴施加到操纵装置杆的力(例如侧 向或左/右的力)，而传感器160可测量沿Y轴施加到操纵装置杆的力(例 如推/拉或向前/向后的力)。
传感器可相对于操纵装置杆以任何合适的方式，例如在前述专利、 专利申请和专利申请公布中所公开的方式来布置，以测量力。例如， 传感器可直接或间接地连接至操纵装置杆的外或内表面以测量施加的 力。优选地，传感器150、 160以与申请号为11/133,449的前述美国专 利申请中公开的方式相类似的方式固定至在操纵装置杆内设置的量具 安装结构(gauge mounting structure)。参考图3A，量具安装结构108 固定在操纵装置杆110的中空内部，并大致延伸操纵装置杆的长度。
操纵装置杆优选地包括至少一个开口端以便于装配期间在操纵装置杆 内插入量具安装结构。该安装结构优选地为细长的中空管，并且其具有的横截面尺寸(例如内部安装结构的外径)小于操纵装置杆的横截面 尺寸(例如操纵装置杆的内径)。因此，在操纵装置杆iio与套入该操纵 装置杆的量具安装结构108之间存在环形间隙111。
量具安装结构优选地由合适的材料构成，其能够响应于由用户施 加到操纵装置杆并如以下将描述地传递到量具安装结构的弯曲、扭曲、 拉紧和压縮力的任何组合，而在其弹性极限内轻微地偏转。与操纵装
置杆相比该材料通常更柔顺(compliant)并为安装结构提供更大的柔 性。具体而言，当相周的力以大致相似的位置和方向施加到操纵装置 杆110和量具安装结构108中的每一个时，在不超过量具安装结构的 弹性极限的情况下，量具安装结构比操纵装置杆更柔软并能够变形至 略微更大的范围或程度(例如具有更大的变形)。在操纵装置杆由钢或其 它合适的金属合金构成的示例性实施例中，量具安装结构优选地由聚 氯乙烯(PVC)或任何其它合适的塑料或聚合材料构成，所述材料比用于 构成操纵装置杆的金属材料更柔顺和柔软。
经由优选地贴近该量具安装结构的纵向端设置的合适的应变传递 材料，量具安装结构被稳固在操纵装置杆的内周表面部分内，并沿该 内周表面部分间接地固定。如以下所述应变传递材料便于将施加到操 纵装置杆的力或应变传递到量具安装结构。配件(fitting) 112(例如PVC 耦合)被固定在与操纵装置杆110的第一端(例如，固定在插座24内的 操纵装置杆端部)相对应的量具安装结构108的第一端处。可选地，配 件112可被固定在与操纵装置杆的第二自由端(例如朝向接合构件370 的操纵装置杆端部)相对应的量具安装结构的第二端处。
配件形成围绕量具安装结构的纵向外周的护套，并且其具有的横 截面尺寸稍小于操纵装置杆的横截面尺寸(例如内径)。另外，配件的外 表面部分与操纵装置杆的内表面部分摩擦地接合，以提供操纵装置杆
与量具安装结构在它们相对应的第一端之间的第一间接接触区域或接 触桥接(contactbridge)。该接触桥接用作为一个应变传递位置，在该位置中施加到操纵装置杆的力或应变被传递到量具安装结构。硬化环
氧树脂(hardened epoxy resin)的第一插头114被固定在环形间隙111 内邻近配件112的位置。该第一树脂插头被固定至操纵装置杆和量具 安装结构的内周表面部分和外周表面部分，且被固定至配件的邻近端 表面，以提供操纵装置杆与量具安装结构之间额外的表面接触区域， 从而便于从操纵装置杆传递应变到量具安装结构。
在环形间隙1H内在操纵装置杆110与量具安装结构108的相应 第二端处设置有硬化环氧树脂的第二插头116。第二插头固定至操纵装 置杆和量具安装结构相应的内周表面部分和外周表面部分，以提供操 纵装置杆与量具安装结构之间的第二间接接触区域或接触桥接。这提 供了另一位置，在该位置中施加到操纵装置杆的力或应变被传递到量 具安装结构。第二插头116大致充满沿着量具安装结构从选定位置到 该结构第二端的环形间隙。泡沫环115设置在环形间隙中并在邻近第 二插头的选定位置处围绕量具安装结构的外周表面部分。提供泡沫环 以便于在操纵装置杆的装配期间形成硬化环氧树脂的第二插头。
尽管上述应变传递材料包括配件和硬化环氧树脂，但要指出的是 在操纵装置杆与量具安装结构之间形成的环形间隙内可设置便于施加 的力从操纵装置杆传递到量具安装结构的任何合适的连接或桥接材 料。例如，硬化环氧树脂的配件和/或插头能够固定在量具安装结构两 个相对的(例如第一和第二)端部和/或沿着量具安装结构的任何其它位 置，其中配件和/或插头具有合适的尺寸以提供操纵装置杆与量具安装
结构的相对应的内周表面部分和外周表面部分之间的接触或连接桥 接。应变传递材料优选地具有合适的刚性，以便在操纵装置杆与量具 安装结构之间基本上完全地传递力，而应变传递材料最小限度地吸收 力或不吸收力。尽管应变传递材料优选地设置在操纵装置杆与量具安 装结构相对的纵向端部或靠近该端部，但取决于特定的应用，应变传 递材料可沿操纵装置杆的长度设置在任何一个或多个合适的位置。
22传感器150、 160固定在在应变传递材料的位置之间的量具安装结 构108外表面部分上合适的位置。优选地，取决于特定的设计和/或应 用，传感器沿量具安装结构设置在操纵装置杆和/或量具安装结构的变 形很可能最大或最明显的合适的位置。在图3A的实施例中，传感器 150、 160固定在量具安装结构108上与量具安装结构的第二(例如自由) 端(例如朝向接合构件370)相比更靠近量具安装结构的第一(例如固定) 端(例如朝向插座24)。
传感器还沿操纵装置杆和量具安装结构的纵向方向对齐，并在量 具安装结构的外周上成角度地彼此偏移大约90度。特别地，传感器被 对齐以便沿至少两条单独的轴来测量量具安装结构108的弯曲偏转 (bending deflection)(例如，对应于已经通过应变传递材料传递到量具 安装结构的操纵装置杆U0的弯曲偏转)。例如，两条单独的轴可以是 预定义的X轴和预定义的Y轴，其中两条轴定位在相同的平面中并彼 此成角度地偏移大约90度。但是，要指出的是可设置任何合适数量的 (例如一个或多个)传感器并在量具安装结构上适当地对齐，以便基于作 用在操纵装置杆上并从该操纵装置杆传递的类似的力来测量量具安装 结构的压縮、延伸、和扭曲。例如，第三传感器可沿量具安装结构表 面固定在合适的直线排列位置中，以测量相对于操纵装置杆纵向尺寸 的操纵装置杆的其它偏转(例如扭曲、扭矩等)。这些偏转(经由上述应 变传递材料)从操纵装置杆传递到量具安装结构以便被传感器测量。
接口装置IO采用附加传感器，以便如图3B所示地测量由用户50 施加到操纵装置杆110的扭曲或旋转力(例如侧转(yaw))。具体地， 插座24包括开口的底部部分，以使操纵装置杆110能够延伸稍微超出 地板22的底面。地板底面包括如上所述的支撑物23和支撑物21，以 便在平台30与地板22之间为操纵装置杆提供足够的空间。支撑物21 类似于支撑物30并且大致垂直于支撑物23设置在地板底面上，且操 纵装置杆110设置在支撑物21之间。通常的矩形止动杆29连接至操 纵装置杆110的底面并在支撑物23之间延伸。止动杆由合适的刚性材料(例如金属合金)构成，其能够响应于用户施加到该止动杆的弯曲、扭 曲、拉紧和压縮力的任何组合，在其弹性极限内轻微偏转。尽管止动 杆通常是矩形的，但要指出的是止动杆可具有任何合适的形状(例如弯 曲或曲线、V形等)并具有任何合适的外表面几何形状(例如曲线、多面 等)。
邻近各支撑物23设置有一对止动器27，其中每对中的止动器分开 足够的距离以在其间容纳止动杆29的对应端部。止动器阻止止动杆29 的运动，从面使得由用户50施加到操纵装置杆110的扭力在止动杆29 上能够产生可测量的应变变形。特别地，以使操纵装置杆相对于插座 能够旋转的方式将操纵装置杆110设置在插座24内。当用户50向接 合构件370施加旋转力时，操纵装置杆110试图沿对应的方向旋转(例 如侧转)。由于止动杆29连接至操纵装置杆，所以止动杆同样试图沿对 应的方向旋转。但是，止动器27接合止动杆29并阻止止动杆29运动， 从而为用户施加的力提供阻力并使得该力能够在止动杆上产生可测量 的应变变形。该布置基本上通常以固定或不动的方式(例如具有最小的 运动或没有运动)将操纵装置杆连接至基座，并利用等长运动使得用户 可将与真实世界中施加的力相当的力施加到接口装置。
止动杆29包括至少一个传感器，以测量由用户施加到操纵装置杆 的至少一种类型的应变。优选地，止动杆29包括应变计传感器(strain gauge sensor) 165、 175，它们布置在止动杆上合适的位置，优选地布 置在止动杆的靠近一对止动器27的相对纵向侧边上。这些传感器测量 由于用户向操纵装置杆施加扭力所引起的施加到止动杆的应变变形的 量。仅作为示例，传感器165可测量沿第一旋转或扭曲方向(例如顺时 针方向)施加到操纵装置杆的力，而传感器175可测量沿第二旋转或扭 曲方向(例如逆时针方向)施加到操纵装置杆的力。
传感器150、 160、 165、 175经由合适的线路连接到控制器200(图 4)，其中控制器向仿真系统400提供合适的信息。处理由仿真系统接收的信息，以在显示装置416上显示虚拟现实场景(图5)。根据由用户施 加到操纵装置的应变力来更新场景。控制器还可进一步被配置为控制 需要用户施力的水平，以便在虚拟现实场景中实现特定的响应。如以 下将描述地可经由输入装置156由用户向控制单元输入阻力水平。可 选地，或者与用户的输入相结合，可由信号处理器164(图5)基于虚拟 现实场景内的条件，例如风力情况的改变、地形坡度的改变(例如走上 坡路)等等来控制阻力水平。
图4中示出示例性控制单元200。具体地，如上所述，控制单元耦 合至接口装置IO并从应变计传感器150、 160、 165、 175接收信息。 控制单元200包括具有前壁、后壁、侧壁、顶壁和底壁的壳体202，以 共同限定用于容纳下述控制电路210(图5)的壳体内部。壳体前壁呈控 制面板204的形式并包括输入装置156、 157、 158和显示器124、 126。 输入装置156优选地包括一对按钮，以使得用户能够分别增加和减小 用户沿X和Y轴施加的力的增益或灵敏度。输入装置157优选地包括 一对按钮，以使得用户能够分别增加和减小用户施加的扭力的增益或 灵敏度。显示器124、 126邻近对应的输入装置156、 157而设置，以 分别显示轴向和扭转运动的实时信息(例如轴向传感器饱和 (saturationi)、扭曲传感器饱和、增益设定、操作时间、近似的施力 等)。每个显示器优选地由液晶显示器(LCD)实现，但也可由任何常规 的或其它的显示器(例如LED、监视器等等)实现。输入装置158包括按 钮，并通常启动复位(reset)操作。
图5中示出用于控制单元200的示例性控制电路。具体地，控制 电路210包括传感器150、 160、 165、 175和对应的放大器152、 162、 167、 177、以及信号处理器164。常规的电源(未示出)向每个电路元件 提供合适的电力信号。电路可由电池和/或任何其它合适的电源(例如仿 真系统)提供电力。还可包括电源开关(未示出)以激活电路元件。此夕卜， 电路可包括微调电位计(trim potentiometer) 153，以调节应变计传感 器的定心(centering)和范围。传感器150、 160、 165、 175分别连接到相应的放大器152、 162、 167、 177。传感器的电阻响应于操纵装置和止动杆的压縮与伸展而改 变。放大器152、 162、 167、 177基本上放大传感器信号(例如在与所采 用的仿真系统类型兼容的范围中)。放大后的电压值由各放大器发送至 信号处理器164。信号处理器164可由任何常规或其它的处理器实现， 并通常包括电路，并且/或者将来自放大器的模拟信号转换成用于处理 的数字值。基本上，放大后的传感器值表示由用户施加的力，其中朝 向该范围最大值的值指示较大的施加力。在与转换后的数字值中的比 特数一致的范围(例如对于8比特带符号的是-127至+127、对于16比 特带符号的是-32，767至+32，767，等等)内将放大后的模拟值数字化或 量化，以指示施加的力的大小和/或方向。因此，朝向范围最大值的放 大后的电压值产生朝向量化范围最大值的数字值。
如上所述，信号处理器接收阻力水平并复位经由输入装置156、 157、 158来自用户的控制，并且控制放大器增益参数以根据用户指定 的控制来调节接口装置阻力。特别地，信号处理器调节放大器的增益 控制，以便根据用户输入和/或虚拟现实场景来促成(facilitate) (pl7 liiie32)阻力水平。增益控制参数基本上控制由放大器施加到放大器输 入端(或传感器测量值)的增益量。由于较大的放大值对应于较大的力， 所以增加放大器增益可使得用户能够施加较小的力以获得特定的放大 后的力量值，从而有效地降低接口装置对于用户的阻力。相反地，减 小放大器增益需要用户施加较大的力以获得特定的放大后的力量值， 从而增加接口装置对于用户的阻力。信号处理器还将放大器Auto Null(自动归零)参数调节成零，或修正(tare) (pl8, line7)应变计传 感器。
如上所述，信号处理器还连接到显示器124、 126，以便于某一活 动或其它相关信息的显示。信号处理器接收放大后的传感器值，并确 定显示给用户的各种信息(例如在任何给定时间施加到操纵装置和/或
26止动杆的力的程度、在特定的一段时间由用户所做的功的量、阻力水
平、时间或过去的时间、由用户施加到多个轴(例如X、 Y、 Z和旋转轴)
的力、施加的瞬时力、提升的总重量、燃烧的卡路里(例如，基于所做 功的量和用户体重)、阻力水平设定、操纵装置和/或止动杆移动的程度， 和/或任何其它锻炼或其它相关的信息)。另外，信号处理器根据从输入
装置158接收的复位控制(例如，为了提供用于录入信息的新会话(a new session for logging information))来复位各种参数(.例如阻力、时 间、功等等)。
信号处理器处理收到的信息并将处理后的信息传送到仿真处理器 414，以更新和/或响应于执行的仿真。基本上，信号处理器将收到的信 息处理和安排成合适的数据包，用于传送到仿真系统400的仿真处理 器414。信号处理器可以以任何方式处理原始数字值，以解决各种校准 或在量化范围内适当地调节所述值。信号处理器处理信息或数据包以 更新和/或响应于在显示装置416上显示的执行的仿真。
参考图1至5描述接口装置10的操作。首先，用户将接口装置耦 合至控制单元200(并因此耦合至仿真系统400)。用户可调节接口装置 (例如接合构件的高度等)以容纳用户的身体特征。在仿真系统上选择和 执行仿真，并且用户操纵接口装置10以与仿真进行交互。用户通过以 用户的腿和/或用户的其它下半身部分操纵接合构件370来操作接口装 置。用户施加线性和/或扭曲(或旋转)力以便在操纵装置和/或止动杆上 施加可测量的应变。
应变计传感器150、 160、 165、 175测量由于用户对接合构件的操 纵所引起的操纵装置和/或止动杆上的应变。来自应变计传感器的信号 被传送到控制单元信号处理器以产生用于传送到仿真系统400的数据 包。仿真系统处理该信息或数据包以更新和/或响应于执行的仿真。因 此，由用户施加到操纵装置杆的力在显示装置上所显示的场景中产生 对应的坐标运动或动作。换句话说，用户的运动(例如，类似于行走、转动等)用于向仿真系统表示所期望的用户动作或运动，以根据用户的 运动来更新仿真中的角色或对象的视角和/或运动(例如用户穿过仿真 环境)或其它动作。例如，用户向前倾斜使仿真角色向前运动。此外， 用户可施加侧向力以引起仿真中的侧向运动、施加垂直力以使得仿真 角色蹲下或站立、施加旋转力以使得仿真角色转动。仿真中的运动的 速率来源于用户所施加的力的量(例如较大的运动速率由较大的施加力
的量产生)。
接口装置使得用户能够以与真实世界中施加力相同的顺序来施加 力(例如行走、转动等)，以提供真实的仿真和训练。例如，战士50可 利用接口装置以便在操作武器的同时穿过虚拟区域，从而将身体要素 告知给用于增强型训练的仿真。
图6中示出根据本发明的接口装置的可选实施例。首先，接口装 置15优选地耦合至仿真系统400(图7)，该仿真系统400以与上述方式 类似的方式根据用户50对接口装置15的操纵来提供并更新虚拟环境。 如上所述，仿真系统通常包括仿真处理器414(图7)和监视器或其它显 示装置416。
接口装置15包括基座平台301、接口装置10和控制器组件350。 基座平台大致是矩形的，并包括用于用户的脚的抓取面(gripping surface)(例如橡胶或橡胶类型的材料)。控制器组件350固定或螺栓连 接到基座平台301的前部，而接口装置10固定至基座平台的后部。接 口装置IO大致类似于上述接口装置并包括传感器150、 160、 165、 175， 以测量施加的力。接口装置IO的传感器经由合适的线路连接到控制器 组件350内的控制电路225(图7)，其中控制电路向仿真系统400提供 合适的信息。如以下所述，接口装置10定位在距控制器组件足够的距 离，以使得用户50能够同时操纵接口装置10和控制器组件。接口装 置10的基座20以上述大致相同的方式和布置固定至基座平台301，以 用于将接口装置10固定至平台30。控制器组件350包括框架390、控制器操纵装置610和控制器120。 框架390包括固定或螺栓连接到基座平台301前部的安装构件344。安 装构件包括大致为圆柱形的操纵装置插座345。控制器操纵装置610具 有的尺寸小于操纵装置插座345的尺寸以用于插入该插座内。插座从 基座向上延伸并具有足以容纳控制器操纵装置610的尺寸。控制器操 纵装置大致类似于上述操纵装置杆110，并由合适的刚性材料(例如金 属合金)构成，其能够响应于用户施加到该控制器操纵装置的弯曲、扭 曲、拉紧和压縮力的任何组合，在其弹性极限内轻微偏转。尽管控制 器操纵装置为通常的圆柱形，但要指出的是控制器操纵装置可具有任 何合适的形状(例如弯曲或曲线、V形等)并具有任何合适的外表面几何 形状(例如曲线、多面等)。控制器操纵装置以大致直立的姿势可滑动地 容纳在插座345内，以用于如下所述地被用户操纵。可采用锁定机构 348以根据用户特征(例如高度、到及范围等)来调节控制器操纵装置在 插座345内的位置。 一旦锁定到合适的位置中，控制器操纵装置基本 上以固定或不动的方式(例如具有最小的运动或没有运动)连接至基座 平台，以使得用户能够施加力和进行等长锻炼，以便如以下所述地与 仿真进行交互。
控制器操纵装置610通常包括至少一个传感器，以如上所述地测 量由用户施加到操纵装置的至少一种类型的应变。传感器至少测量沿 前/后(例如Y轴)和左/右(例如X轴)轴线的力。可采用附加的传感器来 测量上/下的力(例如Z轴)和旋转力(例如围绕Z轴)。优选地，控制器操 纵装置包括传感器185、 195(图7)和如上所述用于图3A的传感器布置 (通常没有图3B的传感器布置)，以测量由于用户向操纵装置施加推、 拉或侧向力而施加到控制器操纵装置的应变变形的量。传感器经由合 适的线路连接到控制器120内的控制电路225，在那里控制器向仿真系 统400提供合适的信息。应变计测量被处理以在仿真系统上显示虚拟 现实场景。如以下将描述地根据用户施加到控制器操纵装置610和操 纵装置杆110的应变力来更新场景。
29控制器120连接或固定到控制器操纵装置上部。作为示例，控制 器可以是可用于常规视频游戏(例如，可从Sony购得的PS2、可从 Microsoft购得的XBOX、可从Nintendo购得的GAMECUBE、被配置 为与例如Microsoft WINDOWS和Apple Mac OS X的个人计算机操作 系统一起使用的视频游戏应用程序等)的类型，例如在专利号为 6,231,444的美国专利中描述的装置，并类似于在前述专利申请和专利 申请公布中公开的控制器。控制器通常包括设置在控制器上部的一系 列按钮123和操纵杆121。控制器通常包括各自的信号源(例如可变电 阻或电位计)，以提供指示操纵杆沿X(例如左/右运动)和Y(例如前/后运 动)轴的运动的信号。例如，操纵杆121(图7)可与信号源125(例如可变 电阻或电位计)相联，以提供指示操纵杆沿X和Y轴的运动的信号。但 是，控制器可包括设置在控制器上任何位置并布置成任何形式的任何 数量的任何类型的输入装置(例如按钮、开关、小键盘、操纵杆等)和信 号源。可利用按钮和操纵杆以输入任何期望的信息(例如输入期望的用 于仿真的用户操作等)。
此外，控制器可包括输入装置256(图7)，以进入和复位阻力控制 以及复位时钟或其它功能。装置256可由任何常规或其它输入装置(例 如按钮、滑块、开关等)实现。控制器下部包括通常为"U"形的手柄 或把手122以用于用户接合。
控制器上部还设置有显示器127，并且该显示器可向用户显示各种 信息(例如在任何给定时间施加到控制器操纵装置和/或操纵装置杆的 力的程度、在特定的一段时间由用户所做的功的量、阻力水平、时间 或过去的时间、施加到多个轴(例如X、 Y、 Z和/或旋转轴)的力、施加 的瞬时力、提升的总重量、燃烧的卡路里(例如基于所做功的量和用户 的体重)、阻力水平设定、控制器操纵装置和/或操纵装置杆移动的程度， 和/或任何其它锻炼或其它相关信息)。显示器优选地由液晶显示器(LCD) 实现，但也可以是任何类型的显示器(例如LED等)。取决于特定的仿真，控制器120可由各种装置实现。例如，控制 器可由如上所述的通用控制器实现，以仿真各种对象(例如武器、医疗 或其它器械等)，或者由呈适用于特定仿真的物品的形式的控制器实现， 例如武器或医疗箱。
图7中示出控制器120内用于接口装置15的示例性控制电路。具 体地，控制电路225包括接口装置10的传感器150、 160、 165、 175 和控制器组件350的传感器185、 195、相对应的放大器152、 162、 .167、 177、 187、 197、锻练处理器154和信号处理器164。常规的电源(未示 出)向每个电路元件提供合适的电力信号。电路可由电池和/或任何其它 合适的电源(例如仿真系统)来提供电力。还可包括电源开关(未示出)以 激活电路元件。此外，电路可包括微调电位计153,以调节应变计传感 器的定心和范围。
传感器150、 160、 165、 175、 185、 195分别连接到相应的放大器 152、 162、 167、 177、 187、 197。传感器的电阻响应于控制器操纵装 置610和操纵装置杆110的压縮和伸展而变化。放大器152、 162、 167、 177、 187、 197主要地放大传感器信号(例如在与采用的控制器类型兼 容的范围内)。放大后的电压值由每个放大器发送到锻炼处理器154。 锻炼处理器可由任何常规或其它处理器实现，并通常包括电路，并且/ 或者将来自放大器的模拟信号转换成用于处理的数字信号。基本上， 放大后的传感器值表示由用户施加的力，其中朝向范围最大值的值指 示较大的施加的力。在与转换后的数字值内的比特数相一致的范围内 (例如对于8比特带符号的是-127至+127、对于16比特带符号的是 -32,767至+32，767等)将放大后的模拟值数字化或量化，以指示施加的 力的大小和/或方向。因此，朝向范围最大值的放大后的电压值产生朝 向量化范围最大值的数字值。
锻炼处理器接收阻力水平并如上所述地复位经由输入装置256来自用户的控制，并控制放大器增益参数以根据用户指定的控制来调节 接口装置阻力。特别地，锻炼处理器调节放大器的增益控制，以便根
据用户输入和/或虚拟现实场景来促成(facilitate)阻力水平。增益控制 参数基本上控制由放大器施加到放大器输入(或传感器测量值)的增益 量。由于较大的放大值对应于较大的力，所以增加放大器增益使得用 户能够施加较小的力来获得特定的放大后的力量值，从而有效地降低 接口装置对于用户的阻力。相反地，减小放大器增益需要用户施加较 大的力来获得特定的放大后的力量值，从而增加接口装置对于用户的 阻力。锻炼处理器还将放大器Auto Null(自动归零)参数调节成零，或 修正(tare)应变计传感器。
锻炼处理器还连接到显示器127，以便于显示锻炼或其它相关信 息。锻炼处理器接收放大后的传感器值，并确定显示给用户的各种信 息(例如在任何给定时间施加到控制器操纵装置和/或操纵装置杆的力 的程度、在特定的一段时间由用户所做的功的量、阻力水平、时间或 过去的时间、施加到多个轴(例如X、 Y、 Z和/或旋转轴)的力、施加的 瞬时力、提升的总重量、燃烧的卡路里(例如基于所做功的量和用户体 重)、阻力水平设定、控制器操纵装置和/或操纵装置杆的移动程度，和 /或任何其它锻炼或其它相关的信息)。另外，锻炼处理器根据从输入装 置256接收的复位控制(例如，为了提供用于录入信息的新会话)来复位 各种参数(例如阻力、时间、功等等)，并向信号处理器164提供传感器
倍息o
信号处理器164处理传感器和控制器输入装置信息，并将该信息 传送到仿真处理器414以更新和/或响应于执行的仿真。基本上，信号 处理器将收到的信息处理和安排成合适的数据包，以用于传送到仿真 系统400的仿真处理器414。信号处理器可以任何方式处理原始的数字 值，以解决各种校准，或在量化范围内适当地调节所述值。仿真处理 器处理该信息或数据包以更新和/或响应于在显示装置416上显示的执 行的仿真。参考图6至7描述接口装置15相对于仿真的操作。首先，用户利 用合适的导线或电缆将接口装置耦合至仿真系统400。用户可调节接口 装置(例如控制器高度、接合构件等)以便容纳用户的身体特征。接口装 置设置在合适的表面(例如地板等)上，在那里用户通常站立在基座平台 301上，且用户的腿跨骑着接合构件370。选择仿真并在仿真系统上执 行仿真，并且用户进行锻炼活动以与仿真进行交互。用户操作接口装 置，且用户的腿由基座平台301所支撑并跨骑着接合构件370，用户的 手放置在控制器手柄122上。用户抓紧控制器手柄并向控制器和/或接 合构件施加力，以相应地在控制器操纵装置和/或操纵装置杆上施加应 变，从而在仿真中产生对应的(例如，由仿真处理器显示的场景中的角 色或对象的)运动。例如，用户向前倾斜并操纵接合构件使角色向前运 动。此外，用户可在接合构件上施加侧向力以引起仿真中的侧向运动、 在接合构件上施加垂直力以使得角色蹲下或站立、在接合构件上施加 旋转力以使得角色转动。可利用控制器来对用于仿真的特定对象，例 如武器进行仿真。在该情况下，用户还可向控制器施加力，以控制仿 真中的观察点和手的位置(例如在武器上的)。向控制器施加的XY平面 中的力可控制出射点(eye-point)和/或武器方向，而沿竖轴向控制器 施加的力可控制仿真中对象的提升和承载。向控制器施加的扭力可用 于操纵出射点和/或武器，并且还可用于其它仿真任务。仿真中运动的 速率来源于用户施加的力的量(例如，较大的施加力的量产生较大的运
动速率)。另外，取决于特定的仿真，用户可操纵用于附加动作的操纵 杆121和/或其它控制器输入装置。
来自应变计传感器150、 160、 165、 175、 185、 195和控制器输入 装置(例如操纵杆121、按钮123等)的信号被传送至信号处理器164以 产生用于传送至仿真系统400的数据包。仿真系统处理该信息或数据 包以更新和/或响应于执行的仿真。因此，用户向控制器操纵装置和操 纵装置杆施加的力引起在仿真系统所显示的场景中的相对应的坐标运 动或动作。换句话说，用户活动用于向仿真系统指示期望的用户动作
33或运动，以更新仿真内的场景和/或角色或对象的运动或动作。这使得 用户在仿真期间能够以与用户在真实世界中施加力相同的顺序来施加 力，从而将身体要素告知给用于增强型训练的仿真。
接口装置15还可用作游戏控制器，该游戏控制器可与包括PS2、 XBOX和GAMECUBE系统的很多种的视频游戏或其它系统一起操作， 以及与如图8所示的各种个人计算机或其它计算机(例如具有Microsoft WINDOWS和Apple Mac OS X操作系统的个人计算机)一起操作。接口 装置在该情况下用作锻炼装置，该锻炼装置需要用户进4亍用于用户上 半身部分和/或下半身部分的等长锻炼，以与视频游戏进行交互。
特别地，锻炼装置15优选地耦合至呈游戏系统形式的仿真系统 400，并用作为游戏控制器，以使得用户能够进行等长锻炼从而控制游 戏场景。游戏系统通常包括呈游戏处理器形式的仿真处理器414(图9) 和监视器或显示器416。游戏处理器包括存储驱动器和/或单元，以接 纳包含有用于各种游戏的软件的计算机可读介质(例如CD、 DVD等)， 还包括处理装置，以执行该软件，从而在监视器上提供游戏。游戏系 统可由任何常规或其它的处理或游戏系统(例如微处理器系统、个人计 算机、视频游戏系统等)实现。例如，游戏系统可由常规的视频游戏实 现，例如可从Sony购得的PS2、可从Microsoft购得的XBOX或可从 Nintendo购得的GAMECUBE。
游戏通常包括经由对接口装置的操纵而受用户控制的角色或对 象。例如，用户可控制角色或交通工具(例如汽车、飞机、船等)的运动 和动作，以在显示在监视器上的虚拟环境中运动。接口装置包括多个 输入装置(例如操纵杆、按钮等)，以使得用户能够与游戏进行交互。游 戏系统从接口装置接收信号并更新显示器，以便如下所述地根据用户 对接口装置15的操纵来反映角色或对象的运动和/或动作。
接口装置15包括便于控制器120与多个(例如两个或更多个)视频游戏系统之间的连接与通信的电缆系统220。特别地，电缆系统220位 于控制器手柄122上方的位置，并连接到控制器120的后表面(例如与 包括操纵杆121、按钮123和显示器127的控制器表面相对的控制器表 面)并从该后表面延伸出来。电缆系统220大致类似于在前述美国专利 申请公布No.2006/0223634(Feldman等人)中描述的电缆系统，并且包括 经由访问面板或门(access panel or door)(未示出)延伸到控制器120 中的柔性中空体224，以容纳和保持与控制器内的信号处理器164(图 9)相连的导线。可选地，电缆可在任何其它合适的位置和/或以任何其 它合适的方式与控制器相连接。许多分离且独立延伸的导线被套在电 缆体224内并延伸电缆体224的长度。导线被配置为用于如下所述地 提供控制器120的信号处理器164与特定的视频游戏系统之间的电接 触或连接。
电缆体224从控制器120延伸出一选定的距离，并与通常为矩形 的壳体226连接。许多柔性中空的电缆227、 230、 240、 250从壳体226 延伸出来。电缆体224内的导线在壳体226内延伸，以用于将信号传 送至导线组，该导线组被引导进输出电缆227、 230、 240、 250中相应 的一根电缆中，并通过该根电缆。因此，壳体226用作为汇合位置 (junction location)，以用于在电缆体224内的导线与输出电缆的相应 导线组之间传输信号，其中每个输出电缆包括被配置为用于连接到相 应游戏系统的游戏控制器端口的导线组。
每根输出电缆227、 230、 240、 250终止在相应的连接插头中。连 接插头分别被配置为与相应的视频游戏系统的对应游戏控制器端口相 连接。连接插头与游戏控制器端口以凹凸配合(male-female mating) 关系连接。特别地，每个连接插头包括具有相关金属插针的凸形部件 和/或被配置为用于插入相应控制器端口的对应凹形部件的其它接触结 构。这些连接建立了与连接插头相关联的导线组和以合适的方式与视 频游戏系统的游戏处理器相连的对应导线之间的电接触。仅作为示例， 连接插头251被配置为与GAMECUBE系统的游戏控制器端口连接，连接插头241被配置为与XBOX系统的游戏控制器端口连接，连接插 头231被配置为与PS2系统的游戏控制器端口连接，而连接插头228 被配置为与任何合适的游戏系统或个人计算机或其它计算机的通用串 行总线(USB)端口连接(例如，以便于控制基于Microsoft WINDOWS或 Apple Mac OS X的游戏或其它应用程序)。但是，电缆系统不局限于该 示例性构造，而是可包括任何合适数量(例如两个或更多)的任何合适类 型和构造的连接插头，以便于与任何类型的视频游戏或其它系统连接。
电缆系统220具有合适的长度(例如8英尺或更长)，以便于相对容 易地连接在接口装置15与视频游戏系统400之间。在锻炼系统距视频 游戏系统有相当大的距离(例如大于8英尺)的情形中，接口装置可采用 延伸电缆装置300。电缆装置300基本类似于在前述美国专利申请公布 No.2006/0223634(Feldman等人)中公开的电缆装置，并耦合至电缆系统 220以便使电缆系统与视频游戏系统连接。特别地，延伸电缆装置300 包括柔性中空电缆302，该电缆302延伸合适的长度(例如8英尺或更 长)并包括位于该电缆第一端的第一壳体316和位于该电缆第二端的第 二壳体328。电缆302在构造和设计上基本类似于电缆系统220的电缆 224，其中相同或大致类似的导线延伸通过该电缆。此外，电缆302可 包括用于传输两个或多个导线组的公共或共享信号的一根或多根导 线。
每个壳体316、 328在构造和设计上基本类似于电缆系统220的壳 体226。每个壳体用作为汇合位置，以在电缆302内的导线与多个导线 组中的每个导线组之间以类似于如上所述用于壳体226的方式来传输 信号。特别地，许多柔性中空电缆304、 306、 308、 310从壳体316延 伸出来。壳体设置在电缆302与这些电缆之间以便于连接。每根电缆 304、 306、 308、 310将在其中的相应导线耦合至壳体316并终止在相 应的连接插头305、 307、 309、 311处。壳体在导线组与电缆302中合 适的导线之间传输信号，其中电缆302的一根或多根导线可传送与游 戏系统公共的信号，以减少电缆所使用的导线的数量。连接插头305、307、309、311与电缆系统220对应的连接插头227、 231、 241、 251互补(原文似乎有误，从上下文来看似乎应为 complementary),并被配置为连接到电缆系统220对应的连接插头227、 231、 241、 251。另外，设置在延伸电缆装置300的连接插头内的导线 组包括与设置在电缆系统220对应的连接插头内的导线组相同或基本 类似的导线。电缆系统和延伸装置的连接插头以凹凸配合关系彼此连 接，其中电缆系统220的各连接插头的凸形部件插入延伸电缆装置300 对应的连接插头的凹形部件。这实现了插头的金属元件(例如插针和相 应的接纳插座和/或其它金属互补(问题同上)接触结构)之间的电接触， 该电接触进一步促成在电缆系统和延伸电缆装置内延伸的导线组的相 应对之间的电连接。但是，也能够提供连接插头之间的任何其它合适 的连接，以便于导线组的相应对之间的电接触。
许多柔性中空电缆320、 322、 324、 326从壳体328延伸出来。壳 体设置在电缆302与这些电缆之间以便于连接。每根电缆320、 322、 324、 326将在其中的相应导线耦合至壳体328并终止在相应的连接插 头321、 323、 325、 327处。壳体在导线组与电缆302中合适的导线之 间传输信号，其中电缆302的一根或多根导线可传送与游戏系统公共 的信号，以如上所述地减少电缆302所使用的导线的数量。连接插头 321、 323、 325、 327在构造和设计上与电缆系统220对应的连接插头 227、 231、 241、 251相同。因此，延伸电缆装置的各连接插头321、 323、 325、 327包括具有相关金属插针的凸形部件和/或被配置为插入 相应控制器端口的对应凹形部件的其它接触结构，以建立连接插头相 关联的导线组和与连接插头相连的视频游戏系统的对应导线之间的电 接触。
被引导至延伸电缆装置的各连接插头321、 323、 325、 327的导线
组还与电缆系统220的对应连接插头的导线组相同或基本类似。因此， 延伸电缆装置300保持通过电缆系统220导线组到各连接插头的映射，
37以便于各导线组延伸合适的距离以提供控制器120与视频游戏系统400 之间的通信。另外，要指出的是延伸电缆装置300也能够与任何视频 游戏系统和对应的游戏控制器一起使用，所述视频游戏系统和对应的 游戏控制器包括与设置在延伸电缆装置上的任何连接插头组相对应的 连接部件。这使得延伸电缆装置能够用作为用于各种不同连接插头/端 口设计的通用延伸电缆，所述各种不同的连接插头/端口设计用于不同 的视频游戏系统和游戏控制器。
图9中示出了用于接口装置15的示例J4控制电路，其使得能够选 择性地将功能分配给输入装置。具体地，控制电路275包括传感器150、 160、 165、 175、 185、 195和对应的放大器152、 162、 167、 177、 187、 197、锻炼处理器154、切换装置或矩阵258 (switching device or matrix) 和信号处理器164。常规的电源(未示出)向每个电路元件提供合适的电 力信号。电路可由电池和/或任何其它合适的电源(例如游戏系统)提供 电力。还可包括电源开关(未示出)以激活电路元件。此外，电路可包括 微调电位计153，以调节应变计传感器的定心和范围。切换装置或矩阵 258如下所述地将游戏功能分配给控制器输入装置、控制器操纵装置 610和操纵装置杆110。
传感器150、 160、 165、 175、 185、 195分别连接到相应的放大器 152、 162、 167、 177、 187、 197。传感器的电阻响应于控制器操纵装 置610和操纵装置杆110的压缩与伸展而改变。放大器152、 162、 167、 177、 187、 197主要地(例如在与所采用的控制器类型兼容的范围中)放 大传感器信号。放大后的电压值由各放大器发送至锻炼处理器154与 切换装置258。锻炼处理器154可由任何常规或其它的处理器实现，并 通常包括电路，并且/或者将来自放大器的模拟信号转换成用于处理的 数字值。基本上，放大后的传感器值表示由用户施加的力，其中朝向 该范围最大值的值指示较大的施加的力。在与转换后的数字值内的比 特数相一致的范围(例如对于8比特带符号的是-127至+127、对于16 比特带符号的是-32,767至+32,767等)内将放大后的模拟值数字化或量化，以指示施加的力的大小和/或方向。因此，朝向范围最大值的放大 后的电压值产生朝向量化范围最大值的数字值。
锻炼处理器接收阻力水平并如上所述地复位经由输入装置256来 自用户的控制，并控制放大器增益参数以根据用户指定的控制来调节 接口装置阻力。特别地，锻炼处理器调节放大器的增益控制，以便根 据用户输入和/或视频游戏场景来促成(facilitate)阻力水平。增益控制 参数基本上控制由放大器施加到放大器输入端(或传感器测量值)的增 益量。由于较大的放大后的值对应于较太的力，所以增加放大器增益 使得用户能够施加较小的力来获得特定的放大后的力量值，从而有效 地降低接口装置对于用户的阻力。相反地，减小放大器增益需要用户 施加较大的力来获得特定的放大后的力量值，从而增加接口装置对于 用户的阻力。锻炼处理器还将放大器Auto Null参数调节成零，或修正 (tare)应变计传感器。
锻炼处理器还连接到显示器127，以便于显示某一锻炼或其它相关 信息。信号处理器接收放大后的传感器值，并确定显示给用户的各种 信息(例如在任何给定时间施加到特定操纵装置的力的程度、在特定的 一段时间由用户所做的功的量、阻力水平、时间或过去的时间、由用 户施加到多个轴(例如X、 Y、 Z和旋转轴)的力、施加的瞬时力、提升 的总重量、燃烧的卡路里(例如基于所做功的量和用户体重)、阻力水平 设定、控制器操纵装置和/或操纵装置杆移动的程度，和/或任何其它锻 炼或其它相关的信息)。另外，锻炼处理器根据从输入装置256接收的 复位控制(例如，为了提供用于录入信息的新会话)来复位各种参数(例 如阻力、时间、功等等)。
控制电路275可使用切换装置258，以如下所述地使用户能