專利名稱：用于為可移動且任意定位的設(shè)備供電的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于為可移動且任意定位的機電設(shè)備供電和/或控制系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
各種機電設(shè)備與用于為設(shè)備供電的方法一起得到了發(fā)展。例如，已經(jīng)開發(fā)了在蓄電池電源下工作的無線電控制的汽車。隨著無線電控制的汽車不斷工作，蓄電池會被耗盡，為了能持續(xù)工作，必須對蓄電池進行再充電。在一種典型情況中，在汽車保持不工作的情況下在固定的地方將蓄電池取下進行再充電。
其它的玩具，如軌道汽車和電動火車，包括有持續(xù)電源，該持續(xù)電源是從汽車或火車與這些玩具運行的軌道之間的接觸中得到的。為了使這些玩具能正確地運行，火車或軌道汽車必須保持與軌道正確對準。在出現(xiàn)沒有對準的情況時，電源就會中斷，導(dǎo)致運行停止。典型地，這些汽車和火車的移動局限于在預(yù)定的路徑上來回移動，這樣，就限制了通過使用這種設(shè)備的可能的娛樂性。
還存在將電力傳遞到機電設(shè)備的其它方案。例如，在碰碰車中，通過在頭頂上高高支起的桿，以及與大電源的接觸來提供系統(tǒng)電源。當電力傳到碰碰車運行的地面上時實現(xiàn)了電力的傳遞。這種方案需要將碰碰車夾在不同的電力等級之間。這種夾在中間的設(shè)置限制任何機電設(shè)備的可用性和/或可操作性。
因此，在本領(lǐng)域中需要克服前述的一個或多個局限性以及其它的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于為可移動的并且/或者任意定位的機電設(shè)備供電的各種電接觸系統(tǒng)或表面，并提供了用于制造、使用和控制這種接觸系統(tǒng)和機電設(shè)備的方法。接觸系統(tǒng)的例子包括表面，該表面具有一組處于第一電壓電平的襯墊和另一組處于第二電壓電平的襯墊。這種接觸系統(tǒng)例如可以被用來將電力傳遞到設(shè)置在其上的機電設(shè)備。在一個特定的例子中，該機電設(shè)備可以包括電源存儲元件和兩個或多個聯(lián)接器。當聯(lián)接器其中一個聯(lián)接器接觸處于第一電壓電平的襯墊，且聯(lián)接器另一個聯(lián)接器接觸處于第二電壓電平的襯墊時，形成電路，在該電路中在第一電壓電平和第二電壓電平之間的差的結(jié)果被施加到電源存儲元件。電路的形成導(dǎo)致電源存儲元件進行充電，從而可以從電源存儲元件中得到電力來操作機電設(shè)備。
這種接觸系統(tǒng)可以被用于許多目的，如自動化系統(tǒng)、顯示器系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)等。一個例子可以是完整的游戲系統(tǒng)，在某些情況下，該游戲系統(tǒng)可以結(jié)合視頻娛樂(arcade)游戲的復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性、多樣性和/或可編程序性與實際的機電游戲設(shè)備的吸引力，作為游戲的主題。在這種系統(tǒng)的一個實施例中，基于中央控制器的結(jié)構(gòu)允許獨立的機電游戲設(shè)備智能地工作，并參與像視頻游戲的游戲場景。中央游戲控制器與獨立的機電游戲設(shè)備的位置通信，并監(jiān)控其位置，并且，中央控制器通過閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)指揮并操縱獨立的機電游戲設(shè)備的動作。在某些情況下，中央控制器還監(jiān)控獨立的機電游戲設(shè)備的臨界狀態(tài)、傳感輸入和標識。這種中央控制器可以利用分級的功能塊進行操作，以實現(xiàn)同游戲控制器的界面，因此實際的機電游戲設(shè)備可以用和在成熟的視頻游戲技術(shù)中操縱虛擬角色一樣的方式來操縱。
根據(jù)本發(fā)明的接觸系統(tǒng)尤其可適合于克服前面所描述的一個或多個局限性。例如，本文中公開的一個或多個接觸系統(tǒng)可以提供一種裝置，從而電力被持續(xù)傳遞、或幾乎持續(xù)傳遞到放置在接觸系統(tǒng)上的機電設(shè)備。因此，當電池被充電時，不會導(dǎo)致機電設(shè)備不工作。作為另一個例子，可以這樣實現(xiàn)各種接觸系統(tǒng)，使得持續(xù)的或幾乎持續(xù)的電力從接觸系統(tǒng)傳遞到在接觸系統(tǒng)表面上在不同地方隨意移動或按控制的方向移動的機電設(shè)備上。此外，可以這樣設(shè)計各種接觸系統(tǒng)，使得從單個的表面上進行電力的傳遞，這樣便于在機電設(shè)備跨過接觸系統(tǒng)時從機電設(shè)備的上方觀察該機電設(shè)備。
本發(fā)明特定的實施例提供了包括兩組或多組襯墊的游戲表面。通過絕緣區(qū)，每組襯墊都與其它組襯墊電隔離。這種隔離使得一組襯墊處于與另一組襯墊不同的電壓電平上。所包括的電源聯(lián)接器具有電連接到一組襯墊上的一個導(dǎo)線，以及電連接到另一組襯墊上的另一個導(dǎo)線。這些導(dǎo)線可以連接到電源，使得連接到一個導(dǎo)線的該組襯墊處于第一電壓電平，而連接到另一個導(dǎo)線的該組襯墊處于第二電壓電平。
襯墊可以以適合于產(chǎn)生所希望的接觸可能性的頻率、尺寸和/或形狀分布在游戲表面上。這種接觸可能性表示在游戲表面上隨意移動的機電設(shè)備會接收到來自于游戲表面的電力的時間的百分比。在一個特定的實施例中，采用重復(fù)的矩形襯墊形狀來實現(xiàn)大于80％的接觸可能性。
在某些情況下，跨過絕緣區(qū)從一組襯墊到另一組襯墊的距離大于與放置在游戲表面上的機電設(shè)備有關(guān)的接收觸點或聯(lián)接器的尺寸。這種接收觸點例如可以是帶腿的機電設(shè)備的腳、帶輪的機電設(shè)備的刷子、柔性腿/刷子設(shè)備的刷子等。在其它原因中，該距離可以限制在處于不同電壓電平的襯墊之間出現(xiàn)短路的可能性。
游戲表面可以包括變壓器，該變壓器提供電力輸出給游戲表面。該電力輸出可以被用來得到出現(xiàn)在各組襯墊上的不同的電壓電平。在一種特定情況下，得到不同的電壓電平包括提供一種電極的電力輸出給一組襯墊，并提供另一種電極的電力輸出給另一組襯墊。在各種情況下，不同的電力輸出是在提供給各組襯墊之前進行限制的電流和/或電壓。在某些情況下，電力輸出是直流輸出，例如，其中一種電極的電力輸出是正5伏電源，而另一種電極的電力輸出是地。在其它的情況下，電力輸出是8伏的交流。因此，提供給各組襯墊的電壓電平交流。在交流輸出導(dǎo)致襯墊和與在游戲表面上使用的機電設(shè)備有關(guān)的接收觸點之間的電弧被減小時，這可以作為一個優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明可以有多種表面結(jié)構(gòu)。例如，包括有多個第一襯墊、多個第二襯墊和絕緣區(qū)的游戲表面的上部分可以被形成為連續(xù)的、二維的表面；連續(xù)的、三維的表面；或不連續(xù)的、三維的表面。在本文的詳細描述中提供了這些表面結(jié)構(gòu)中每一種的例子。
本發(fā)明的其它實施例提供了使用上面描述的各種游戲表面的游戲系統(tǒng)。該游戲系統(tǒng)包括電源，該電源提供電力，以使各組襯墊處于不同的電壓電平。該系統(tǒng)進一步包括一個或多個機電設(shè)備。每個機電設(shè)備都包括移動元件、電源存儲元件和多個聯(lián)接器。該多個聯(lián)接器接觸游戲表面，并形成電路，該電路包括電源存儲元件、來自于一組襯墊的襯墊之間的第一導(dǎo)電觸點以及，另一個聯(lián)接器和來自于另一組襯墊的襯墊之間的第二導(dǎo)電觸點。電路的形成導(dǎo)致電源存儲元件進行充電。
電源存儲元件可以包括，但并不局限于，一個或多個電容器和/或一個或多個可充電的電池組。此外，移動元件可以是，但并不局限于，腿、柔性刷子、輪子等。與機電設(shè)備有關(guān)的聯(lián)接器或電觸點例如可以是刷子或其它類型的電觸點。
本發(fā)明的其它實施例提供了用于制造接觸系統(tǒng)的方法。該方法包括提供基本上不導(dǎo)電的基底。導(dǎo)電材料被形成在基本上不導(dǎo)電的基底上，并在導(dǎo)電材料中限定出各組襯墊，同時在各組襯墊之間限定出絕緣層。在某些情況下，在限定出襯墊和絕緣區(qū)之前在基本上不導(dǎo)電的基底上形成導(dǎo)電材料，而在其它情況下，在基本上不導(dǎo)電的基底上形成導(dǎo)電材料之前或與此同時限定出襯墊和絕緣區(qū)。
該綜述僅提供了本發(fā)明某些實施例的概要。從接下來的詳細描述、所附的權(quán)利要求和附圖中本發(fā)明的許多其它的目的、特征、優(yōu)點和其它實施例會變得更完整清楚。


通過參考在本說明書的剩余部分中描述的附圖可以進一步理解本發(fā)明的各種實施例。在附圖中，在所有圖中使用相同的附圖標記來表示相同的部件。在某些例子中，由小寫字母組成的下標與附圖標記一起表示多個相同部件中的一個。當參考沒有指定下標的附圖標記時，其是要指所有的這種多個相同的部件。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的一些接觸系統(tǒng)；圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的電源陣列圖案的特寫頂視圖；圖3是圖1的接觸系統(tǒng)的特寫側(cè)視圖，其包括置于接觸系統(tǒng)上面的帶腿的和帶刷子的機電設(shè)備；圖4說明了根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的包括電力存儲元件的示例性機電設(shè)備的典型設(shè)計圖案；圖5是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的電力存儲元件的示意圖；圖6是無源機電設(shè)備的頂視圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的示例性連接設(shè)計圖案；圖7-10示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的游戲系統(tǒng)以及其各種特征；和圖11-26說明了根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的游戲系統(tǒng)控制器。
具體實施例方式
圖2a中示出了三個可移動的、電力供電的機電設(shè)備的例子24、84、94，它們都設(shè)置在電接觸系統(tǒng)部分200上，根據(jù)本發(fā)明，該電接觸系統(tǒng)部分200供電給這些機電設(shè)備24、84、94。為了概述本發(fā)明的原理，首先參考機電設(shè)備24，其采用能走的機械小蟲的形式，例如，但并不局限于，在未審的美國專利申請No.10/613,915中所描述的形式，該機械小蟲通過它的腿26支撐在接觸系統(tǒng)部分200的幾個襯墊部分45的表面上。襯墊部分45經(jīng)由導(dǎo)線78、79連接到電源20，機電設(shè)備24通過它的腿26從襯墊部分45上獲得其電力以進行操作，例如，在接觸系統(tǒng)部分200上到處活動。如通過與機電設(shè)備24接近的襯墊部分45上的負(-)和正(+)符號所表示的，襯墊部分45a處于由“-”所表示的一種電壓電平，而襯墊部分45b處于由“+”所表示的另一種電壓電平。在至少一個腿26與具有一種電壓電平“-”的襯墊部分45a接觸，且至少另一個腿26與具有另一種電壓電平“+”的另一個襯墊部分45b接觸的任意時刻，電流都可以流到機電設(shè)備24，以對存儲設(shè)備44(圖3a)進行充電，和/或為機電設(shè)備24中的電機48(圖3a)供電。因此，機電設(shè)備24可以到處活動到接觸系統(tǒng)部分200的不同地方，并始終能從這些不同地方的各種襯墊45上得到用于其操作的電力。
如在圖3a中最清楚看到的，每個腿26都有電觸點或“腳”34，它們與襯墊部分45的表面進行電接觸。因此，當腿26將機電設(shè)備24支撐在襯墊部分45的表面上時，腳34提供了機電設(shè)備24與接觸系統(tǒng)部分200的電源陣列21的電氣連接。導(dǎo)電部件65從腳34起在腿26中延伸，其可以由絕緣材料27覆蓋，以防止與圖3a中未示出的其它機電設(shè)備的腿發(fā)生短路，該導(dǎo)電部件65把電路延伸到機電設(shè)備10的身體部分26，其內(nèi)設(shè)置有整流器電路62、存儲設(shè)備44和電機48。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的，根據(jù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)標準，導(dǎo)電部件65可以是腿26的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，或者僅僅是電線或其它導(dǎo)線。任何適當?shù)碾娋€或?qū)Ь€66都可以將腿26內(nèi)的導(dǎo)電部件65連接到整流器電路62，這將在圖5中更詳細地示出。實際上，下面將更詳細描述的整流器電路62將具有正確極性的電力傳送到存儲設(shè)備44和/或電機48(圖3a)，而不用考慮恰好在任何特定的時刻，特定的腳34是否正好與處于“-”電壓電平的襯墊部分45a接觸，還是與處于“+”電壓電平的襯墊部分45b接觸。因此，無論什么時候至少一個腳34，例如圖3a中的腳34c接觸處于“-”電壓電平的襯墊部分45a，并且至少另一個腳34，例如圖3a中的腳34f接觸處于“+”電壓電平的襯墊45b，電流都可以通過腿26的導(dǎo)電部件65、導(dǎo)線66和整流器電路62而流到存儲設(shè)備44和/或電機48，以供電并操作機電設(shè)備24。
下面將更詳細地描述圖2a的接觸系統(tǒng)和其它變形，但是，如圖2a和3a中所示，該接觸系統(tǒng)可以包括基底28，其支撐著電源陣列21的襯墊部分45。襯墊45a、45b處于不同的電壓電平，并由縫隙67分隔開，該縫隙67可以填充有電絕緣材料68，用以在襯墊部分45a、45b之間提供連續(xù)、平滑、非導(dǎo)電的表面69。當然，許多其它的接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以被用來實現(xiàn)本發(fā)明，它們可以具有許多目的，例如，游戲板、玩具、兒童腳踏車、作戰(zhàn)武器顯示器、可移動設(shè)備的監(jiān)控顯示器、自動機械系統(tǒng)及許多其他等目的。許多不同的控制系統(tǒng)和其它的變形也可以用于本發(fā)明，以控制機電設(shè)備24在接觸系統(tǒng)上的不同地方移動，其中的某些例子下面會進行討論。
本發(fā)明還提供了各種接觸系統(tǒng)、游戲控制器、游戲設(shè)備以及用于制造和使用這些系統(tǒng)的方法。接觸系統(tǒng)的例子包括一組襯墊處于第一電壓電平而另一組襯墊處于第二電壓電平的表面。
這種接觸系統(tǒng)可以被用在例如游戲系統(tǒng)中，其包括在接觸系統(tǒng)上操作的一個或多個機電設(shè)備。在圖7中示出了一個這種游戲系統(tǒng)，并且下面將更充分地描述該系統(tǒng)。在圖7的游戲系統(tǒng)中，例如機電設(shè)備24的一個或多個機電設(shè)備被放在接觸系統(tǒng)上，該接觸系統(tǒng)如上所述能夠傳輸電力給這些機電設(shè)備。在一個特定的例子中，機電設(shè)備可以包括電力存儲元件和兩個或多個如在圖3a和4中示出并且在下面將更充分描述的聯(lián)接器。在圖3a和4的情況中，聯(lián)接器包括附連到像小蟲的機電設(shè)備24的腿26上的腳34。這些聯(lián)接器將來自于下面的接觸系統(tǒng)的電力導(dǎo)電到機電設(shè)備24。圖2a中說明了示例性接觸系統(tǒng)200的頂部表面圖案，其包括設(shè)置在其上的像小蟲的機電設(shè)備24，以及圓盤84和汽車形狀的設(shè)備94。接觸系統(tǒng)200的表面包括多組處于不同電壓電平的襯墊，由襯墊上的“+”和“-”符號來表示。像小蟲的機電設(shè)備24的一些腳34與“+”襯墊45b接觸，其它的與“-”襯墊45a接觸。與襯墊45a、45b接觸的這些腳34形成一個電路，在該電路中，“+”襯墊和“-”襯墊之間的電壓差施加在與像小蟲的機電設(shè)備24相關(guān)的電力存儲元件44(圖3a)上。這致使電力存儲元件44進行充電，并且來自于電力存儲元件44的電力可以用來操作像小蟲的機電設(shè)備24。應(yīng)理解的是，前面的討論僅是一個綜述，本發(fā)明包含大量不同的方案、硬件和應(yīng)用，它們中的某些例子會在下面更充分地討論。
此外，應(yīng)理解的是，在前面討論的游戲系統(tǒng)中，機電設(shè)備可以在它們移動到接觸系統(tǒng)上的不同地方時被供電。因此，游戲系統(tǒng)可以實現(xiàn)成結(jié)合視頻娛樂(arcade)游戲的復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性、多樣性和/或可編程序性與實際的機電游戲設(shè)備的吸引力，以作為游戲的主題。在一個實施例中，基于中央控制器的結(jié)構(gòu)允許獨立的機電游戲設(shè)備智能地工作，并參與像視頻游戲的游戲場景。中央游戲控制器與獨立的機電游戲設(shè)備的位置聯(lián)系，并監(jiān)控其位置，并且，中央控制器通過閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)指揮并操縱獨立的機電游戲設(shè)備的動作。在某些情況下，中央控制器還監(jiān)控獨立的機電游戲設(shè)備的臨界狀態(tài)、傳感輸入和標識。這種中央控制器可以利用分級的功能塊進行操作，以提供同游戲控制器的界面，因此實際的機電游戲設(shè)備可以用和在成熟的視頻游戲技術(shù)中操縱虛擬角色一樣的方式來操縱。
各種機電設(shè)備可以用在前面描述的游戲系統(tǒng)中。這些機電設(shè)備可以包括，但并不局限于，可以在自身的電力下移動的有輪的機電設(shè)備94和帶腿的機電設(shè)備24，以及更多的無源設(shè)備，如必須通過接觸系統(tǒng)上的其它機電設(shè)備來移動的圓盤84。例如圓盤84的這些無源設(shè)備可以通過接觸系統(tǒng)200來供電，電力被用來操作無源設(shè)備內(nèi)的位置電路，其可以與中央控制器或接觸系統(tǒng)上的其它設(shè)備聯(lián)系。
參考圖1，其說明了根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的各種接觸系統(tǒng)100a、100b、100c。轉(zhuǎn)到圖1a，接觸系統(tǒng)100a包括電源陣列21，該電源陣列21由多個襯墊45組成，這些襯墊45由基本上導(dǎo)電的材料形成或涂覆有基本上導(dǎo)電的材料(這些襯墊的例子分別標記成45a、45b和45c)。如本文中用到的，基本上導(dǎo)電的材料可以包括任何能夠作為傳導(dǎo)足夠電力來操作接觸系統(tǒng)100上的機電設(shè)備的電導(dǎo)體的材料。因此，基本上導(dǎo)電的材料可以包括，但并不局限于，金屬、金屬氧化物、摻雜的半導(dǎo)體材料等。在某些實施例中，襯墊45鍍有錫或鎳，并被鈍化，以提供經(jīng)久耐用、導(dǎo)電、耐腐蝕的表面。鈍化的鎳相對較硬，并可充分導(dǎo)電以提供很好的性能。作為另一種替換，錫提供非常好的性能。作為性能和成本因素的考慮可以選擇其它的材料。
襯墊45設(shè)置在基本上不導(dǎo)電的基底28上。如本文中用到的，基本上不導(dǎo)電的材料可以包括任何能夠作為電介質(zhì)的材料。因此，基本上不導(dǎo)電的材料包括，但并不局限于，塑料、玻璃、橡膠、不導(dǎo)電的油漆、大氣、紙或紙纖維、陶瓷、未摻雜的半導(dǎo)體材料等。在某些情況下，基底28基本上可以比電源陣列21厚，并可以提供對接觸系統(tǒng)100a的支撐，并且/或者限定出接觸系統(tǒng)100a的表面拓撲。
電源陣列21可以壓或粘到基底28上?；蛘撸娫搓嚵?1可以通過蝕刻、沉積、用導(dǎo)電墨水印刷和/或本領(lǐng)域中公知的電極形成的任何其它方法形成在基底28的頂上。用于將電源陣列21與基底28聯(lián)系起來的方法可以包括機械穩(wěn)定性的考慮和制造的簡便。
通過環(huán)繞襯墊45周邊的邊界縫隙或絕緣區(qū)67限定出襯墊45的表面區(qū)域。如本文中所用到的，絕緣區(qū)可以是相鄰或不相鄰的基本上不導(dǎo)電的材料的任何區(qū)域。因此，絕緣區(qū)67可以包括多個子區(qū)域，它們可以彼此連接、彼此隔離開并且/或者是連接和隔開的組合。作為一個例子，絕緣區(qū)67可以包括多個間隔開的開口，它們形成橫跨接觸系統(tǒng)100a表面的線，并散布在襯墊45之間。這種間隔開的開口可以填充有基本上不導(dǎo)電的材料68(圖3a)，或者它們可以保持開口狀利用大氣作為電介質(zhì)材料填充這些間隔開的開口。如下面進一步討論的，圖2中示出了襯墊45和絕緣區(qū)67的兩個示例性圖案，但是，只要本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解了本發(fā)明的原理，就可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)提出許多其它的圖案。
形成這樣的接觸系統(tǒng)100a，即使得襯墊45和絕緣區(qū)67的上表面限定出連續(xù)、二維的上表面。如本文中所用到的，連續(xù)、二維的表面可以是在二維空間中伸展的任何連續(xù)的表面區(qū)域。
在一個特定的實施例中，利用沖切技術(shù)構(gòu)造電源陣列21。這種方法例如可以包括，對電源陣列21但不對基底28進行沖切。在某些情況下，在將電源陣列21粘到基底28上之前就對電源陣列21進行沖切。在其它的情況下，在將電源陣列21粘到基底28上之后才進行沖切。
如所說明的，在將電源陣列21粘到基底28上之后再進行沖切時，電源陣列21上的導(dǎo)電材料通過圖3a中的彎曲邊緣71、72在沖切的地方彎曲，留下裂隙67以在電源陣列21的相鄰襯墊45之間形成電開路。在某些情況下，如果腳34、刷子或其它觸點的接觸表面寬到足夠跨過縫隙67，則相鄰襯墊45之間的縫隙67可能不夠大到防止由于在電源陣列21上操作機電設(shè)備而產(chǎn)生的短路。為了減小出現(xiàn)短路的可能性，可以在切口上絲印不導(dǎo)電的油漆。油漆可以是條狀的，其寬度足以防止在接觸相鄰襯墊45時出現(xiàn)短路，或者它們可以在襯墊45a、45b的表面上足夠高的，以防止位于條上的機電設(shè)備上的接觸表面和相鄰襯墊接觸。油漆也可以用來填充裂隙，使得該表面是平滑的。此外，油漆可以幫助確保金屬不發(fā)生能導(dǎo)致短路的彎曲和變形。另外，多種油漆顏色可以用來在電源陣列21的表面上標記圖案。
應(yīng)注意的是，接觸系統(tǒng)100a可以包括單個的連續(xù)、二維區(qū)域，其中，如圖1a中所說明的，均勻分布襯墊45。或者，接觸系統(tǒng)100a可以包括的某些區(qū)域要么不包括襯墊45，要么其中的襯墊45不連接到電源20，或者不能傳遞電力。這種實施例在下述情況下是需要的，當在接觸系統(tǒng)100a上放置的機電設(shè)備要切斷電源時，該設(shè)備在沒有襯墊45或者襯墊45不工作的區(qū)域上操作。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的那樣，開關(guān)電路或其它的控制系統(tǒng)(圖中未示出)可以用來轉(zhuǎn)換襯墊45中選定的一個為開和關(guān)，用以改變襯墊的可操作性。這種不可操作的襯墊45可以用于任何所希望的目的，例如，用以改變在作為游戲板的接觸系統(tǒng)上作為游戲塊工作的機電設(shè)備的優(yōu)勢。
接觸系統(tǒng)100a經(jīng)由包括導(dǎo)線77的電源聯(lián)接器25連接到電源20。導(dǎo)線77可以通過本領(lǐng)域公知的任何處理和/或方法電連接到電源陣列21，這些處理和/或方法包括，但并不局限于，焊接或鉚接。在所說明的實施例中，導(dǎo)線77包括第一電壓電平導(dǎo)線78和第二電壓電平導(dǎo)線79。另一個電源聯(lián)接器61將電源20連接到電源插頭63。插頭63用于接收來自電源插座的處于一定電壓電平的交流電(下文中表示成“AC”)。在一個實施例中，來自于電源插座的AC電通過電源20被轉(zhuǎn)換成處于不同的電壓電平的另一個AC電源。在另一個實施例中，來自于電源插座的AC電通過電源20被轉(zhuǎn)換成處于不同的電壓電平的直流電(下文中表示成“DC”)電源，而在又一個實施例中，插頭63用于接收DC電，其被轉(zhuǎn)換成處于不同的電壓電平的DC電。還應(yīng)認識到，在某些情況下，可能不需要電力轉(zhuǎn)換，在這些情況下，電源20可能不包括轉(zhuǎn)換能力。僅作為一個例子，在不轉(zhuǎn)換電力的情況下，電源20可以是電池組。
落在電源陣列21上的任何足夠大的導(dǎo)電物體(例如硬幣)都可以無意地地導(dǎo)致形成短路。因此，在某些情況下，電源20可以包括限流電路，還可以進行熱保護。可復(fù)位的保險絲和串聯(lián)的限流電阻器都可以被用作便宜的保護裝置，但保護并不局限于這種技術(shù)。
根據(jù)本文中提供的內(nèi)容，應(yīng)認識到，電源20可以是任何能夠為接觸系統(tǒng)100a供電和/或轉(zhuǎn)換用于接觸系統(tǒng)100a的電力的單元。在一個實施例中，由電源20提供的電力是DC電力。在另一個實施例中，由電源20提供的電力是AC電力，其包括單相的、兩相的和三相的AC電。電源20可以包括電池組、連接到普通家用AC電源的AC變壓器、連接到普通家用AC電源的AC-DC整流器/轉(zhuǎn)換器等。
從電源20輸出的電力被饋送到接觸系統(tǒng)100a。因此，例如，插頭63可以接收120VAC電，并且電源20將該120V AC電轉(zhuǎn)換成8VAC電，其被提供給接觸系統(tǒng)100a。在一個特定的實施例中，一組襯墊45通過與導(dǎo)線78、79中的一個電連接而處于第一電壓電平，另一組襯墊45通過與導(dǎo)線78、79中的另一個電連接而處于另一個電壓電平。根據(jù)本文中所提供的內(nèi)容，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)認識到，三組或更多組襯墊中的每一組都可以處于不同的電壓電平和/或相位。
如果電源20提供AC電力輸出給接觸系統(tǒng)100a，則與在相同電壓電平下的DC電源相比，對于給定的平均電流，由于電源陣列21的更大的阻性(I2R)損耗而可能損失一定的效率。但是，與阻性限流和可復(fù)位的保險絲組合使用的AC電源可以提供便宜的供電給電源陣列21的裝置。此外，AC激勵有助于滅弧，并會延長在接觸系統(tǒng)100a上操作的機電設(shè)備的間歇接觸的腳和/或刷子的壽命。AC電源的使用還可以減少輻射的電磁噪聲，該電磁噪聲可能會干擾與接觸系統(tǒng)100聯(lián)系的控制系統(tǒng)。
在本發(fā)明的一個特定的實施例中，電源陣列21是由設(shè)置在紙纖維板基底28頂部上的多個鍍銅或鍍錫的銅襯墊45形成的。處于一個電壓電平的襯墊組45通過縫隙或絕緣區(qū)67與處于另一個電壓電平的襯墊組分隔開，該縫隙或絕緣區(qū)67是由填充有大氣或絕緣材料的間隔開的開口形成的。接觸系統(tǒng)100a可以基本上是剛性的，或者，可以基本上是柔性的，使得其在處理、運輸和儲存時可以容易地被卷起、折疊和/或進行操作。
轉(zhuǎn)到圖1b，其說明了根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的接觸系統(tǒng)100b。接觸系統(tǒng)100b基本上與前面描述的接觸系統(tǒng)100a相同，只是接觸系統(tǒng)100b的形成是這樣的，即襯墊45(這種襯墊的例子被標記成45d、45e、45f)和絕緣區(qū)67的上表面限定出不連續(xù)的、三維的上表面，其包括表面84、85、86。如本文中所用到的，不連續(xù)的、三維的表面可以是任何包括有兩個或更多個由臺階或其它的不連續(xù)特征所分隔開的表面區(qū)域的表面區(qū)域。從本說明書中，應(yīng)認識到，不連續(xù)的、三維的表面可以包括連續(xù)的、二維的和/或連續(xù)的、三維的表面(下面會進一步說明)的任意組合。
如圖1b中說明的，襯墊45和絕緣區(qū)67中形成表面84的部分通過臺階87與表面85的那些部分分隔開。同樣地，由于通過臺階88分隔開，表面85與表面86也不連續(xù)。僅作為一個例子，在設(shè)置在接觸系統(tǒng)100b上的機電設(shè)備要跨過一個或多個臺階、交錯的拓撲和/或其它障礙時可能會希望是這種接觸系統(tǒng)。
圖1c的接觸系統(tǒng)100c也基本上與前面描述的接觸系統(tǒng)100a相同，只是該接觸系統(tǒng)100c的形成是這樣的，即使得襯墊45(這種襯墊的例子被標記成45g、45h、45i)和絕緣區(qū)67的上表面限定出連續(xù)的、三維的上表面。如本文中所用到的，連續(xù)的、三維的表面可以是任何在多于二維的空間中延伸的連續(xù)的表面區(qū)域。從本說明書中，應(yīng)認識到，連續(xù)的、三維的表面可以包括可被描述成是連續(xù)的、二維區(qū)域的部分。
應(yīng)注意到，接觸系統(tǒng)100c可以包括單個的連續(xù)區(qū)域，其中，襯墊45如圖所示均勻分布。或者，接觸系統(tǒng)100c可以包括要么不包括襯墊45、要么其中的襯墊45不能傳遞電力的區(qū)域。這種實施例在下述情況下是需要的，當在接觸系統(tǒng)100c上放置的機電設(shè)備要切斷電源時，該設(shè)備在沒有襯墊45或者襯墊45不工作的區(qū)域上操作。
接觸系統(tǒng)100可以被形成為包括連續(xù)的、二維的表面區(qū)域、連續(xù)的、三維的表面區(qū)域和/或不連續(xù)的、三維的表面區(qū)域的組合。此外，接觸系統(tǒng)100可以由多個接觸系統(tǒng)部分或塊(圖中未示出)形成，它們裝配在一起以形成一個接觸系統(tǒng)。在例如與包含跨過接觸系統(tǒng)的表面的機電設(shè)備的游戲相關(guān)的隨時間要使用各種不同的拓撲時會希望是這種系統(tǒng)。在某些情況下，這種建立塊的方案可以包括彼此鄰近地放置兩個或多個電源陣列21和/或基底28，用以增加可使用的區(qū)域。每個電源陣列21可以電連接到同一個電源20，或者可以使用其自己獨立的電源20。
接觸系統(tǒng)100可以用于提供一個或多個所希望的特征。例如，接觸系統(tǒng)100可以用于提供一種裝置，從而電力被持續(xù)傳遞、或幾乎持續(xù)傳遞到在接觸系統(tǒng)上操作的機電設(shè)備。在某些情況下，當機電設(shè)備在接觸系統(tǒng)100的表面上在不同的方向上移動時，這種電力傳輸可以持續(xù)地或近乎持續(xù)地進行，因此，使得在接觸系統(tǒng)100上操作的機電設(shè)備好像是它們自己帶有源源不斷的(或者看上去源源不斷的)電源一樣。在特定的情況下，接觸系統(tǒng)100可以被配置成使得在單個的表面上進行電力傳遞，這樣便于在機電設(shè)備接觸系統(tǒng)時從上面觀察該機電設(shè)備。根據(jù)本文中提供的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)認識到可以利用圖1中所示出的一個或多個接觸系統(tǒng)來實現(xiàn)的許多其它的優(yōu)點。
圖2是說明了根據(jù)本發(fā)明的不同實施例的電源陣列21和另一種電源陣列22的圖案的特寫頂部視圖200、201。請看圖2a，視圖200示出了多個基本上為矩形的襯墊45(這些襯墊的例子被標記成45a、45b、45c)，它們重復(fù)出現(xiàn)形成電源陣列21。通過散布的絕緣區(qū)67限定出襯墊45。如通過“+”和“-”符號所表示的，一組97襯墊45處于一種電壓電平(由“+”表示)，另一組98襯墊45處于另一種電壓電平(由“-”表示)。
通過分別與導(dǎo)線78、79中的一個進行連續(xù)的電接觸使襯墊45處于兩種電壓電平。如可以看到的，如通過延續(xù)符號85、86所注明的，電源陣列21的側(cè)邊87和88繼續(xù)延續(xù)。相反，側(cè)邊91和92示出了電源陣列21的終端。如沿側(cè)邊91所示出的，所有的“+”襯墊97通過沿側(cè)邊91延伸的電源陣列21的相對較窄的導(dǎo)電區(qū)域而電連接到導(dǎo)線78。如在側(cè)邊92上所示出的，來自于導(dǎo)線79的“-”偏壓電連接到沿側(cè)邊92延伸的襯墊。圖中沒有示出，沿側(cè)邊92的這些襯墊45也沿側(cè)邊88終止的地方進行電連接。在側(cè)邊88終止處的連接與前面所討論的與側(cè)邊91相關(guān)的內(nèi)容相同。因此，所有的負襯墊都可以彼此連接，并連接到導(dǎo)線79。
為了提供電源陣列21的最大的覆蓋率，并在襯墊45之間提供最小的間隔空間，在圖示的實施例中的襯墊45對稱地且規(guī)則地間隔開。下面針對圖3進一步討論這種最小間隔。通過使襯墊45之間的距離最小，增加了由襯墊形成的表面覆蓋率，以及進行電接觸的可能性。
根據(jù)本文中所提供的內(nèi)容，應(yīng)認識到，襯墊45可以根據(jù)所需要的結(jié)果而由任意形狀形成。這種所需要的結(jié)果可以包括，但并不局限于，使腿26和處于不同電壓電平的襯墊45之間進行接觸的可能性最大、根據(jù)要在表面上進行的游戲分配電力，等等。圖案可以由不規(guī)則的形狀、規(guī)則的形狀和/或它們的任意組合形成。規(guī)則的形狀可以包括，但并不局限于，三角形、矩形、正方形或其它多邊形；圓形；橢圓形；等等。
視圖200還示出了放在由電源陣列21和絕緣區(qū)67限定出的表面上的帶輪的機電設(shè)備94、帶腿的機電設(shè)備24和無源的圓盤設(shè)備84。無源的圓盤設(shè)備包括多個刷子99，用于接收來自于下面的接觸系統(tǒng)的電力。用假想線示出這些刷子99，這是因為它們是位于圓盤94的下面，當然，它們用來與接觸襯墊45進行電連接。而且，盡管在圖2a中由于示圖比例的限制所示出的這些刷子99很大，但實際上它們比縫隙67或覆蓋縫隙67的絕緣材料要窄，用來防止在不同電壓電平的襯墊45之間出現(xiàn)短路，這如上面的解釋。對于帶輪的設(shè)備94的刷子95也是這種情況。帶腿的機電設(shè)備24包括多個導(dǎo)電的腿26(或腿上連接的腳)，用于帶腿的機電設(shè)備24的移動和充電。下面針對圖3a進一步描述帶腿的機電設(shè)備24，此外，在美國專利申請No.10/613,915中也描述了機電設(shè)備24，為此其全文作為參考被包含在本文中。
在某些情況下，帶腿的機電設(shè)備24的腿26通過任何公知的技術(shù)彼此電絕緣，這些公知的技術(shù)例如，不導(dǎo)電的套管、連接銷以及把腿26與其它驅(qū)動部件機械連接的類似部件(圖中未示出)，它們允許在電源陣列21不出現(xiàn)短路的情況下，多個帶腿的機電設(shè)備24的任意的腿26與任意的襯墊45之間進行接觸，而不考慮與腿26接觸的各個襯墊45的電壓極性或相應(yīng)的電壓電平。而且，理想的是用絕緣物27覆蓋腿26除接觸襯墊45的點或表面區(qū)域以外的部分，使得在同一個接觸系統(tǒng)100上操作的同一個機電設(shè)備24的各個腿26之間或者兩個或更多個不同的帶腿機電設(shè)備24的腿26之間的接觸不會使電源陣列21短路。
如所說明的，一個或多個腿26接觸一種電壓電平(由“+”所表示的)，而其它的腿26接觸另一種電壓電平(由“-”所表示的)。但是，請注意，“+”和“-”符號是為了方便才采用的，并且它們可以，但并非必須，表示嚴格意義上的正和負極性。該符號是相對的，其例如可以包括“8伏”和“0伏”等級“8伏”或者“9伏”和“3伏”等級。換句話說，“+”和“-”符號包括任何不同的電壓電平，可以從其獲得電力以操作或充電機電設(shè)備24。圖3a中在示例性的機電設(shè)備24中不同腿26之間的電壓差用來充電與帶腿的機電設(shè)備24相關(guān)的電源存儲設(shè)備44，并且/或者用來操作與帶腿的機電設(shè)備24相關(guān)的電機48。下面針對圖4和5進一步描述該操作。
在示例性的設(shè)置中，帶腿的機電設(shè)備24能夠或者不能夠從襯墊45上獲得電力，這依賴于腿26在電源陣列21表面上的分布。如果任意的兩個腿26接觸著相反的“+”和“-”襯墊45，則電力可以被引導(dǎo)通過這兩個腿26來充電存儲設(shè)備和/或操作該機電設(shè)備24。如果所有的腿26都接觸著處于同一種電壓電平的襯墊45，則不會有電力被傳遞到帶腿的機電設(shè)備24，直到有一個或多個腿26被移動到處于不同的電壓電平的襯墊45為止。但是，電源存儲設(shè)備具有足夠的容量來在這種沒有電力傳遞的短暫周期內(nèi)操作該機電設(shè)備10，直到至少有兩個腿26再一次移動到接觸著相對的“+”和“-”襯墊45的地方為止。
在示例性的機電設(shè)備24中，某些腿26處于舉步模式，如圖3a中的腿26e的腳34e在襯墊45的表面上方抬起，而其它的腿26處于邁步模式，如圖3a中的腿26b、26c和26f的各自的腳34b、34c和34f與襯墊45的表面接觸，用以在襯墊45上支撐并推進設(shè)備24。當然，隨時在任意時刻在襯墊45上都必須有足夠多的腳34來為設(shè)備24提供穩(wěn)定性，使得為設(shè)備24供電的電流可以隨時在任意時刻從襯墊45流過恰巧與襯墊45接觸的任意的腳34。然后，當這些腳中的任意一個，例如腳34f在其舉步模式中在襯墊45的表面上方抬起時，至少一個其它的腳，例如腳34e將完成其舉步模式，并返回到與襯墊45接觸。因此，當在邁步和舉步模式之間循環(huán)時，電流會在任意特定的腿26中間歇性地流動，但無論在何時只要有至少一個腳34正接觸處于一種電壓電平“-”的襯墊45，并且同時至少有另一個腳34正接觸著處于另一種電壓電平“+”的另一個襯墊45，就會有電流流過。而且，如果設(shè)備24以某種方式轉(zhuǎn)到或移到不同的地方，其中在該地方腳34從具有一種電壓電平“-”的襯墊45移到具有不同的電壓電平“+”的襯墊45，都會始終有另一個腳34保持在具有一種電壓電平“-”的襯墊45上，并且/或者設(shè)備24的這種移動會把不同的腿26從具有另一種電壓電平“+”的襯墊45上移到具有一種電壓電平“-”的襯墊45上，使得始終有電流流過。整流器電路62以適當?shù)姆绞揭龑?dǎo)這些電流從所有的腿26中流出，以充電存儲設(shè)備44和/或隔開電機48，而不用考慮究竟是哪個腳34恰巧與處于不同電壓電平“-”或“+”的襯墊45進行電接觸。
帶輪的機電設(shè)備94包括四個輪子93，這四個輪子機械地連接到能夠駕駛并移動帶輪的機電設(shè)備94的電機系統(tǒng)(圖中未示出，但與設(shè)備24的電機44相同)上。此外，帶輪的機電設(shè)備94包括兩個或多個柔性刷子95。如圖3b中所示，柔性刷子95從帶輪的機電設(shè)備94的底部伸出。
如圖2a中所說明的，如果一個或多個刷子95接觸一種電壓電平(由“+”所表示)，而其它的刷子95中至少有一個接觸另一種電壓電平(由“-”表示)，則不同的刷子95之間的電壓差被用來充電與帶輪的機電設(shè)備94相關(guān)的電源存儲設(shè)備，并且/或者操作與帶輪的機電設(shè)備94相關(guān)的電機系統(tǒng)。下面針對圖4和5進一步描述該操作。以與上面針對腿26所描述的基本上相同的方式通過刷子95來提供對帶輪的機電設(shè)備95的電力傳輸。
轉(zhuǎn)到圖2b，視圖201示出了根據(jù)本發(fā)明其它實施例的用于電源陣列22的其他圖案。該圖案包括多個處于交流電壓電平97、98的條形襯墊46(這些襯墊的例子被標記成46a、46b、46c)。從襯墊46到在襯墊上操作的機電設(shè)備的電力傳輸基本上與上面針對電源陣列21所討論的相同。
圖3提供了接觸系統(tǒng)100的特寫側(cè)視圖300、301，該接觸系統(tǒng)100包括放置其上的帶腿和帶刷子的機電設(shè)備24、94。轉(zhuǎn)到圖3a，帶腿的機電設(shè)備24設(shè)置在接觸系統(tǒng)上，腿26與電源陣列21接觸。每個腿26都包括導(dǎo)電腳34。為了避免襯墊45a與襯墊45b短路，絕緣區(qū)68的表面之間的距離73大于導(dǎo)電腳34與接觸系統(tǒng)的表面接觸部分的寬度。
圖3b示出了放置在接觸系統(tǒng)上的帶輪的機電設(shè)備94，其中刷子95朝襯墊45伸出，使得刷子觸點92接觸襯墊45和/或絕緣區(qū)68。為了避免襯墊45a與襯墊45b短路，絕緣區(qū)68的表面之間的距離73大于導(dǎo)電刷子觸點92中與接觸系統(tǒng)的表面接觸部分的寬度。刷子95通過電線或?qū)Ь€66(設(shè)備94中沒有示出，但與設(shè)備24中的相同)連接到整流器電路62(在設(shè)備94中也未示出，但大體與設(shè)備24中的相同)，其對從接觸系統(tǒng)中得到的用于為設(shè)備94供電的電力進行整流。無源設(shè)備84中的刷子99與整流器電路92的相似的連接被用來為設(shè)備84供電。
轉(zhuǎn)到圖4和5，帶腿的機電設(shè)備24的導(dǎo)電腳34通過電線66獨立地電連接到整流器組件62。整流器組件62提供了電壓差輸出64(例如，V+58和V-59之間的差)，如針對圖5的電路圖更充分描述的。來自于各個導(dǎo)電腳34的電線66連接到整流器組件62上各個二極管42之間的點。二極管42的設(shè)置是這樣的，即電壓差64為正，電流從V+58流到V-59。作為一種說明，假設(shè)“+”電壓電平大于“-”電壓電平，電壓差輸出64在以下位置得到，例如，電線66a、66b和66c電連接到各自的腳34，其每個都與處于“-”電壓電平的襯墊45接觸，電線66e和66f電連接到各自的腳34，其每個都與處于“+”電壓電平的襯墊45接觸，電線66d電連接到與任何襯墊45都不接觸的腳34。繼續(xù)示例性的說明，電壓V5和V6是“+”電壓電平，電壓V1、V2和V3是“-”電壓電平；電壓V4懸空。因此，V+58近似為“+”電壓電平減去二極管42i上的電壓降(即，近似與V6減去二極管42k上的電壓降相同，或與V5減去二極管42i上的電壓降相同)。同樣，V-59近似為“-”電壓電平加上二極管42b上的電壓降(即，V1加上二極管42b上的電壓降，V2加上二極管42d上的電壓降，或V3加上二極管42f上的電壓降)。因此，電壓差輸出64是“+”電壓電平減去“-”電壓電平和二極管42i和42b上的電壓降。還可以包括電阻器46以限制電流的流動。當使用電阻器46時，電壓差輸出64要減去電阻器46上的電壓降。下面的等式概括性地表示出電壓差輸出64V電壓差輸出64＝|(V“+”電壓等級-V“-”電壓等級)|-2(V二極管42)-V電阻器46根據(jù)該內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會認識到，腳34(或設(shè)備94的刷子95或者設(shè)備84的刷子99)的任何放置，其中至少一個腳34(或刷子95、99)位于處于“-”電壓電平的襯墊45上，并且至少另一個腳34(或刷子95、99)位于處于“+”電壓電平的襯墊45上，都會導(dǎo)致近似相同的電壓差輸出64。此外，根據(jù)本文中所提供的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會認識到，能夠從兩個或多個觸點中接收處于不同電壓電位的電力，并將該電力轉(zhuǎn)換成單向電流的其它電路也可以用在本發(fā)明中。
應(yīng)認識到，當導(dǎo)電腳34的組合不與具有電位差的至少兩個襯墊45連接時，在標記為V1-V6的所有點上的電位都會不時地同時中斷。為了減少提供給機電設(shè)備的電力的中斷，可以使用電容器44來存儲電荷，用以使得在發(fā)生這些中斷時在輸出端64有連續(xù)的電力供應(yīng)，其中，該電容器44可以被看作是整流器組件62的一部分，或者被看作是與整流器組件62實際隔開的?；趯υ搩?nèi)容的理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會認識到，其它的設(shè)備也可以與電容器44一起使用，或替代電容器44，例如，可再充電的電池。一種這樣的設(shè)備可以是鎳鎘蓄電池。
電力從接觸系統(tǒng)100到帶輪的機電設(shè)備94的傳輸可以基本上與針對圖4和5所討論的相同。具體地，刷子95可以電連接到整流器組件62，如上面所描述的，用于從接觸系統(tǒng)100接收電力，以充電存儲元件并且/或者為電機系統(tǒng)供電。
根據(jù)本發(fā)明的接觸系統(tǒng)可以用于一個或多個獨立的機電設(shè)備。包括選擇電源陣列的圖案的接觸系統(tǒng)的實現(xiàn)可以至少在某種程度上取決于接觸系統(tǒng)所建議的操作使用。例如，因為刷子通常是拖過接觸系統(tǒng)的表面，與跨過表面從離散位置移動到離散的位置的腿相反，所以可能希望有不同的設(shè)計，其中，帶刷子的機電設(shè)備或者用來取代帶腿的機電設(shè)備，或者與帶腿的機電設(shè)備一起使用。包含帶刷子的機電設(shè)備的接觸系統(tǒng)可以經(jīng)常設(shè)計成提供百分之一百的接觸可能性，而由于各種原因，包含帶腿的機電設(shè)備的接觸系統(tǒng)可以經(jīng)常設(shè)計成提供較低的接觸可能性。
下面提供了一些常用的設(shè)計考慮，它們可以用于在接觸系統(tǒng)上操作的帶腿的機電設(shè)備中。這些常用的設(shè)計考慮適合于確保在使用帶腿的機電設(shè)備時有很高的接觸可能性。這些常用的設(shè)計考慮的應(yīng)用導(dǎo)致形成襯墊的棋盤狀布局，這與圖2a所示相同。在常用的設(shè)計考慮之后，調(diào)整襯墊的尺寸，并且調(diào)整的結(jié)果反映在接觸可能性中。
為了使來自于電源20的電流能夠?qū)㈦姾梢龑?dǎo)到帶腿設(shè)備24上的電容器44(或某些其它的電源存儲元件)，至少有兩個腳34必須與電源陣列21上不同電位的兩個襯墊45接觸。當帶腿的機電設(shè)備24移動到接觸系統(tǒng)上的任意位置時，假設(shè)是與接觸系統(tǒng)相關(guān)的任意方位，并且/或者腳34處于移動的隨意狀態(tài)，各種參數(shù)影響這種情況發(fā)生的可能性。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，規(guī)則的襯墊45的圖案提供了可重復(fù)性的接觸可能性，其因此也是可預(yù)測的。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有轉(zhuǎn)動對稱性的所選襯墊45的圖案經(jīng)常引起最佳的電源陣列21。這種轉(zhuǎn)動對稱性在轉(zhuǎn)過某個角度時看上去是相同的。
可以在比帶腿設(shè)備24的腳34的跨度小的尺寸混合具有不同電壓電位的襯墊45，以使在給定的位置和方位上至少兩個腳34遇到具有不同電位的一對襯墊45的機會最大。這決定了每個單個襯墊45的最大尺寸。
具有不同電位的相鄰襯墊45可以通過絕緣縫隙(例如，絕緣區(qū)67的距離73)間隔開，以防止短路。而且，縫隙的最小寬度可以限定為超過接觸接觸系統(tǒng)100表面的腳34的端部的寬度，使得腳34不能在兩個相鄰的襯墊45之間產(chǎn)生短路。襯墊45之間的這些絕緣縫隙消耗掉了接觸系統(tǒng)100表面區(qū)域的一個小的百分比。被縫隙消耗的表面區(qū)域的百分比越大，兩個腳34接觸具有不同電壓電平的襯墊45的可能性就越低。因此，為了增加將電力傳遞到帶腿設(shè)備24的可能性，可以通過將縫隙的寬度保持到依然能夠防止由腳產(chǎn)生短路的最小值，并通過優(yōu)化由縫隙勾勒出的襯墊45的尺寸來使縫隙部分的區(qū)域最小。根據(jù)多種因素，包括腳的數(shù)量、腳之間的最小和最大距離以及襯墊的形狀，可以優(yōu)化襯墊45的尺寸，用以實現(xiàn)當機電設(shè)備24在接觸系統(tǒng)100上移動時隨時在任何時刻都至少有兩個腿26接觸不同電壓電平的襯墊45的最大可能性。
該討論概括為，規(guī)則、對稱的襯墊45的陣列是最優(yōu)的，但也可以使用任何圖案尺寸或形狀。襯墊的尺寸和形狀可以進行優(yōu)化，以使得最大可能地將電力從接觸系統(tǒng)傳遞到機電設(shè)備。襯墊的形狀可以在由縫隙分隔開的圖案中緊緊地配合在一起，該縫隙僅稍稍大于腳34的寬度。此外，較大的襯墊45可以增加它們在接觸系統(tǒng)100整個表面區(qū)域上的比例，但不能太大，否則會減小至少兩個腳34接觸具有不同電壓電平的襯墊45的可能性，該接觸大概是帶腿的機電設(shè)備24的尺寸。
考慮這些常用的設(shè)計規(guī)則并假設(shè)襯墊45僅處于兩種不同的電壓電平之后，可以選擇設(shè)置在交流電壓電平的棋盤圖案上的大概為方形的襯墊。而且，在圖2a中示出了這種襯墊45的圖案。當然，根據(jù)本文中所提供的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會認識到，可以根據(jù)一個或多個功能性的希望結(jié)果或外觀來選擇許多其它的圖案。
方形襯墊45的最優(yōu)的尺寸可以取決于所選定的帶腿機電設(shè)備24的指定細節(jié)。對于這種討論，以唯一的方式用六條腿行走的玩具用作為目標設(shè)備。因此，所得到的尺寸可能對于其它類型的設(shè)備不是最優(yōu)的。不過，同樣的數(shù)字技術(shù)可以應(yīng)用于可能采用的設(shè)備或設(shè)備組。
利用一個或多個考慮了襯墊45的尺寸和布局的計算模塊可以模擬六條腿設(shè)備的操作。下面所討論的示例性模擬數(shù)據(jù)描述了與電源陣列21有關(guān)的六條腿的機電設(shè)備，該電源陣列21包括以棋盤格式布局的方形襯墊45柵格。模擬包括了各個襯墊45之間的縫隙。該模擬針對一組實驗放置，反復(fù)地測試連接是否能建立。對于每種放置，帶腿的機電設(shè)備24在電源陣列21上的定位和方位都是隨意選擇的。所模擬的特定帶腿設(shè)備24具有獨立的兩個每組三條腿26的組。這些腿的組分別被稱作左和右組。各組腿26對于主動齒輪的每次旋轉(zhuǎn)都重復(fù)地在圖案中移動。對于每種試驗放置，左側(cè)主動齒輪和右側(cè)主動齒輪的角度也是隨意選定的，并且是獨立的。
在表1中給出了獨立的機電設(shè)備(在這種情況下是一種玩具)的關(guān)鍵元件的尺寸。


表1指定了指定玩具中腳的定位的尺寸為了計算建立連接的可能性，可以數(shù)值地進行大量的試驗位置。如果在特定的試驗中建立了連接，即，發(fā)現(xiàn)至少有兩個腳34與處于不同電壓電平的各個襯墊45接觸，則賦值1。如果沒有進行連接，則賦值0。對于大量的試驗累計這些結(jié)果的和。通過用試驗數(shù)目對累計值歸一來計算建立連接的可能性。
可以用具有不同尺寸值的襯墊45進行多次模擬。然后可以確定產(chǎn)生最大連接可能性的襯墊45的尺寸。從該過程中，可以發(fā)現(xiàn)，襯墊45之間的縫隙寬度73為0.020英寸、邊長為1.130英寸的方形襯墊45陣列可以使特定的帶腿的機電設(shè)備24(在這種情況下是玩具)在大量隨機布置的累計中建立電路的時間百分比為81％。
由于通過腿26的電力會頻繁地中斷(根據(jù)該累計為19％的時間)，所以整流器陣列在電容器44中存儲電能，使得輸出電壓64保持相對恒定。電阻器46限制了突入電流，如果電容器44恰好在通過電源陣列21重新被連接到電源20上之前放電，則會出現(xiàn)該突入電流。
作為一個例子，考慮用于具有六條腿的獨立機電玩具而設(shè)計的多端口整流器62。假設(shè)該玩具以12英寸/秒的全速得到200mA，電阻器46是4歐姆，電容器44是0.5F。還假設(shè)電源20提供6.4V直流電。在全速時，電阻器46上的壓降為0.8V。如果到電源陣列21的連接斷開，則電容器上的電壓會以0.43伏/秒的速率下降。以另一種方式考慮，在全速時，電壓66在2.35秒內(nèi)會下降1伏。在12英寸/秒時，幾乎有百分之一百的可能性，腳會在不到一秒的時間內(nèi)重新定位以與電源襯墊進行連接，從而將輸出電壓維持在幾乎全電位上。
如果電容器44完全放電，并且變?yōu)檫B接到電源陣列21上，則電阻器46會將突入電流限制到1.25A。當電容器44充電時，突入電流會在1.3秒內(nèi)下降到該值的一半，并在3秒內(nèi)下降到0.25A。
在典型的全速操作中，間歇電力損失的間隙不到一秒鐘，使得整流器組件62的輸出電壓64下降得非常少。當移動的腳34再次連接到電源陣列21上時，突入電流僅稍大于額定的全速電流大約200mA。這種中等的、非感應(yīng)的接觸電流會產(chǎn)生最少的接觸磨損(腳34的磨損)。
有時由于腳34的特定設(shè)置，獨立的機電設(shè)備可能停在電力正好中斷的位置上。如果停留在這種結(jié)構(gòu)中，整流器組件62的輸出電壓64可能下降到接近于零，致使該設(shè)備不工作。如果設(shè)備包含智能的或?qū)Ｓ玫碾娐?，則這種情況就可以避免。該設(shè)備可以用于檢測和電源陣列21的連接。在連接斷開的情況下，帶腿的機電設(shè)備24可以命令腿34重新定位，同時整流器組件62的存儲設(shè)備44的輸出電壓64始終足夠高以操作并移動該設(shè)備24。由于到電源陣列21的連接的性質(zhì)，可能少量的幾次重新定位就會把設(shè)備重新連接到電源陣列21。
在上面的例子中所選定的參數(shù)與智能的重新定位結(jié)合使系統(tǒng)能夠非常實用并穩(wěn)定的將電力傳遞到設(shè)備。應(yīng)注意，盡管六條腿的設(shè)備24被用作示例性的機電設(shè)備，但是，可以穩(wěn)定地支撐設(shè)備24的任意數(shù)量或任意組合形式的腿、輪子、滑板或其它部件也都可以用來實現(xiàn)本發(fā)明。帶刷子的設(shè)備94在從電源陣列21上獲取電力的方式與帶腿的設(shè)備24非常相近。而且，連接到多端口整流器組件62的觸點92的數(shù)量不必一定是6個。由于刷子95是專用的，并且可以很自由地將它們設(shè)置在任意固定的圖案上，所以可以找到一種設(shè)置方式來維持近似100％(或其它任何所希望的百分比)的電力傳遞可能性。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，用來設(shè)計和/或優(yōu)化這類接觸系統(tǒng)的用于模擬與接觸系統(tǒng)有關(guān)的移動的其它方案也都是可能的。在美國臨時專利申請No.60/432,072中提到了一些這類方案和結(jié)果，其作為參考已事先被包含在本文中。
轉(zhuǎn)到圖6，其說明了觸點在無源設(shè)備如圓盤84上的分布。如圖6的例子所示，5個觸點99從圓盤84的底部伸出，用以接觸位于下面的接觸系統(tǒng)，例如，上面所描述的接觸系統(tǒng)。觸點99相互之間間隔開適當距離的這種分布可以確保具有100％的機會從位于下面的接觸系統(tǒng)中接收電力，其中該接觸系統(tǒng)具有襯墊45，襯墊45具有與圓盤84有關(guān)的適當?shù)某叽绾托螤睿|點99的這種分布在無源設(shè)備不能靠自身在接觸系統(tǒng)上重新定位來獲取電力的情況下可能是很重要的。這種無源設(shè)備可以使用接收到的電力來將定位信息發(fā)射到與接觸系統(tǒng)聯(lián)系的游戲控制器上。
此外，這種游戲控制器可以包括兩個或多個觸點，它們被設(shè)置成與接觸系統(tǒng)相聯(lián)系。這樣，游戲控制器可以從接觸系統(tǒng)獲得操作電力。在一個特定的實施例中，游戲控制器吸附在接觸系統(tǒng)的一側(cè)，與游戲控制器有關(guān)的觸點設(shè)置成與接觸系統(tǒng)表面上的襯墊相聯(lián)系。
此外，根據(jù)本發(fā)明不同的實施例可以實現(xiàn)一個或多個控制系統(tǒng)和/或游戲系統(tǒng)。作為一個例子，游戲系統(tǒng)可以實現(xiàn)為結(jié)合視頻娛樂游戲的復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性、多樣性和/或可編程序性與實際的機電游戲設(shè)備的吸引力，以作為游戲的主題。?；谥醒肟刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)可以允許獨立的機電游戲設(shè)備智能地工作，并參與像視頻游戲的游戲場景。中央游戲控制器可以與獨立的機電游戲設(shè)備的位置聯(lián)系，并監(jiān)控其位置。游戲控制器通過閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)指揮并操縱獨立的機電游戲設(shè)備的動作。在某些情況下，中央控制器可以監(jiān)控獨立的機電游戲設(shè)備的臨界狀態(tài)、傳感輸入和標識。對獨立的游戲設(shè)備的控制和監(jiān)控可以是分級的功能塊，以提供同游戲控制器的界面，因此實際的機電游戲設(shè)備可以和在成熟的視頻游戲技術(shù)中操縱虛擬角色一樣的方式來操縱。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的游戲系統(tǒng)1000。用戶輸入設(shè)備1021a、1021b連接到中央控制器1029。這種用戶輸入1021可以是，但并不局限于，操縱桿、鍵盤、游戲襯墊等。中央控制器1029可以經(jīng)由從天線1027發(fā)射的射頻信道將命令通信到設(shè)置在游戲系統(tǒng)1000的接觸系統(tǒng)100上的一個或多個機電設(shè)備1025。中央控制器1029利用兩個或多個接收機1026A、1026B接收來自于機電游戲設(shè)備1025的聲音信號。這種接收機1026可以是如麥克風(fēng)的聲音接收機、如天線的電接收機等。利用聲納技術(shù)、三角測量、干涉測量和/或其它的如本領(lǐng)域中公知的接收和/或定位技術(shù)可以通過中央控制器1029感應(yīng)機電游戲設(shè)備1025的定位。
在典型的游戲場景中，某些機電游戲設(shè)備1025處于用戶的控制下，而剩余的機電游戲設(shè)備1025處于通過中央控制器1029可訪問的游戲算法的控制下。在處于用戶控制下的那些機電游戲設(shè)備1025中，通過中央控制器1029、格式化和廣播得到的移動和其它的控制輸入，使得適當?shù)臋C電游戲設(shè)備1025解碼并唯一地響應(yīng)那些用戶輸入。
通過如圖8中所示的閉環(huán)定位反饋系統(tǒng)1100來操縱處于通過中央控制器1029可訪問的的游戲算法控制下的其余的機電游戲設(shè)備1025。這樣，處于游戲算法控制下的機電游戲設(shè)備1025可以被移動到特定的位置或一串位置，以形成包括速度變動的軌跡。
參考圖8，在加法器1130中，所期望的定位1110(即，通過游戲算法產(chǎn)生的定位)與機電游戲設(shè)備1025的定位測量1120進行比較，以形成定位誤差信號。利用軟件環(huán)補償器，中央控制器1029可訪問的算法將定位誤差信號轉(zhuǎn)換成移動命令(即，所期望的定位被用來產(chǎn)生移動命令，其用于將特定的機電游戲設(shè)備1025移動到所期望的位置)。軟件環(huán)補償器1140考慮整個控制環(huán)的動態(tài)，使得機電游戲設(shè)備1025用最少的尋找時間集中到所希望的定位。格式化并發(fā)射移動命令1150，使得受控的機電游戲設(shè)備1025響應(yīng)該增加的移動命令。在很短的時間內(nèi)，可以通過機電游戲設(shè)備1025發(fā)射另一個定位信號，使得機電游戲設(shè)備1025最終的定位可以被測量。重復(fù)上面的過程，以維持最小的定位誤差信號。
如上面提到的，對于包含有機電元件的像視頻游戲的實際游戲，中央控制器1029必須至少知道每個機電游戲設(shè)備1025的定位，并具有將命令發(fā)送給它們的能力。但是，為了提高游戲能力，本發(fā)明包括超出該最小要求的改進。
在游戲關(guān)場景可以用到的技巧的數(shù)量可以與中央控制器1029可以得到的關(guān)于機電游戲設(shè)備1025的信息量有關(guān)。例如，如果除了位置以外，還可以知道機電游戲設(shè)備1025的方位，則該游戲可以包括適合于該方位的響應(yīng)。例如，只要中央控制器1029可以估算出預(yù)定的指向，就可以通過一個機電游戲設(shè)備(在游戲的范圍內(nèi))用有意義的方式射出虛擬的激光。
特定機電游戲設(shè)備1025的方位可以從對其位置的連續(xù)測量和有關(guān)發(fā)送給它的運動命令的信息中得到。僅了解位置是不夠的，這是因為，機電游戲設(shè)備1025能夠在不改變其位置的情況下改變其方位，即，機電游戲設(shè)備1025可以具有原位旋轉(zhuǎn)的能力。通過從用戶輸入1021和通過單個的發(fā)射信道從與中央控制器1029有聯(lián)系的中央處理器中傳遞的所有的命令來解決該問題。
圖9是中央控制器1029的發(fā)射部分的方框圖。中央控制器1029包括中央處理器(CPU)1031、緩沖器1037、數(shù)據(jù)多路復(fù)用器和格式器1036、發(fā)射機1033和連接到發(fā)射機1033的天線1027。CPU 1031連接到緩沖器1037，緩沖器1037進一步連接到數(shù)據(jù)多路復(fù)用器和格式器1036以及發(fā)射機1033。
工作中，用戶輸入在數(shù)據(jù)多路復(fù)用器和格式器1036中被接收，并被傳送到緩沖器1037。CPU1031對保持在緩沖器1037中的用戶輸入進行操作。因此，CPU 1031可以修改用戶輸入，并可以在產(chǎn)生移動命令時采用用戶輸入。得到的移動命令通過緩沖器1037傳送到發(fā)射機1033，并通過發(fā)射機1033發(fā)射到機電游戲設(shè)備1025。這樣，CPU 1031可以監(jiān)控用戶輸入，可以監(jiān)控并操縱發(fā)送到機電游戲設(shè)備1025的命令，并可以在軟件控制下將各種命令發(fā)送到機電游戲設(shè)備1025。
圖10是流程圖1200，其說明了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的迭代的方法的一次操作。開始后，在步驟1，中央控制器從用戶輸入設(shè)備1021得到用戶輸入。例如，用戶輸入可以包括通過操縱桿、按鈕、輪子或其它用戶輸入設(shè)備發(fā)射并從它們得到的用戶移動命令?？梢詮倪B接到中央控制器1029或與中央控制器1029通信的多個用戶輸入設(shè)備1021中得到用戶輸入(參見圖7)。
在步驟2，中央控制器1029獲得并更新用于每個機電游戲設(shè)備1025的當前的位置和狀態(tài)。在一個實施例中，位置和狀態(tài)可以在反饋和控制環(huán)的每次迭代中進行測量，或者可以在位置報告命令可被發(fā)送到任何機電游戲設(shè)備1025時進行測量。在一個實施例中，中央控制器1029在每次迭代時都確定并更新多個機電游戲設(shè)備的位置。
在一個實施例中，中央控制器1029發(fā)出射頻(RF)位置報告命令。該位置報告命令促使一個或多個機電游戲設(shè)備1025進行響應(yīng)，并從該響應(yīng)中可以得到位置。在一個實施例中，該位置報告命令被廣播到所有的機電游戲設(shè)備1025，但只尋址其中的一個。相應(yīng)地，被尋址的機電游戲設(shè)備1025產(chǎn)生聲音信號(如，線性調(diào)頻脈沖)，中央控制器1029通過接收機1026A、1026B接收該聲音信號。中央控制器1029使用接收到的聲音信號(和位置計算算法)來執(zhí)行測距和三角測量操作，用以確定位置?；蛘?，不止一個機電游戲設(shè)備1025可以接收并響應(yīng)該位置報告命令。
在步驟3，中央控制器1029利用游戲算法，在計算機的控制下確定用于每個機電游戲設(shè)備1025的下一個所希望的位置。游戲算法利用來自于用戶輸入設(shè)備1021的用戶輸入以及當前的游戲設(shè)備的位置、方位、時間和狀態(tài)來作為輸入。
在步驟4，在一個實施例中，實現(xiàn)了圖8的閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置伺服算法在計算機的控制下計算要被發(fā)射到機電游戲設(shè)備1025的增加的移動命令。從步驟3所希望的位置中減去步驟2位置的測量結(jié)果，以產(chǎn)生誤差信號。軟件環(huán)補償器處理該誤差信號，以產(chǎn)生初始的增加的移動命令，當，并如果通過機電游戲設(shè)備1025來執(zhí)行時，該增加的移動命令會有助于使步驟3中指定的位置和步驟2中測量得到的位置之間的差值最小。增加的移動命令存儲在緩沖器1037中，用于隨后的發(fā)射(參見圖9)。
在步驟5，在一個實施例中，游戲算法確定是否應(yīng)修改任何移動命令?？梢酝ㄟ^游戲算法修改移動命令，以使得以特定的方式引導(dǎo)游戲的進行。例如，特定游戲者的游戲設(shè)備1025可以表現(xiàn)為停止或死機一定時間，或者可以在游戲過程中修改用戶的輸入。因此，用戶輸入可以不直接發(fā)送到機電游戲設(shè)備1025，而是可以根據(jù)游戲進行修改、延遲、阻止等。應(yīng)理解的是，中央控制器1029可以以任何方式修改用戶輸入。此外，CPU 1031可以在計算機的控制下修改在步驟4中產(chǎn)生的給機電游戲設(shè)備1025的移動命令。作為一個例子，如果機電游戲設(shè)備由于位置伺服環(huán)的過沖而跨出游戲區(qū)域的邊界，或者在可接受的距離內(nèi)已達到靜態(tài)位置時，可以凍結(jié)移動。
在步驟6，中央控制器1029將移動命令(或一組移動命令)發(fā)射到對應(yīng)的機電游戲設(shè)備或多個設(shè)備1025。該發(fā)射可以是無線發(fā)射，并可以包括RF發(fā)射、紅外線(IR)發(fā)射、超聲波發(fā)射等。
在一個實施例中，移動命令被廣播到所有的機電游戲設(shè)備1025。在另一個實施例中，移動命令可以只針對指定的機電游戲設(shè)備1025，如通過碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或其它任何方法。同樣，任何其它的信息也可以發(fā)射到機電游戲設(shè)備1025，如初始化信息、初始化命令、總體系統(tǒng)命令等。
在一個實施例中，用戶輸入被看作是所希望的輸入，并可以在發(fā)送到機電游戲設(shè)備1025之前通過中央控制器1029截取和修改。作為一個例子，游戲規(guī)則可以要求機電游戲設(shè)備1025在一定時間靜止不動。在該時間內(nèi)，中央控制器1029忽略用戶輸入，并迫使用于該特定的機電游戲設(shè)備1025的初始電機命令為零。同樣，用戶控制的機電游戲設(shè)備1025可以反應(yīng)緩慢地或不穩(wěn)定地工作，或者模擬重要的要素。
本發(fā)明的新的特征是，通過設(shè)計給出的機電游戲設(shè)備1025智能很小。預(yù)定的命令是簡單的，如控制設(shè)備中各種電機的速度。隨著時間的推移，中央控制器中的控制算法可能被改進。此外，可能會實現(xiàn)新的特征和能力，以反映出新的游戲需要。只響應(yīng)簡單命令的機電游戲設(shè)備1025會保持可兼容性，并隨著發(fā)展進步反映所增加的能力。
該實施例的一個特征是機電游戲設(shè)備1025將信息反饋回中央控制器1029的能力。該信息可以包含，但并不局限于，傳感輸入、狀態(tài)信息和ID號。傳感輸入可以反映來自于接近度檢測器的輸入，或探針觸發(fā)的開關(guān)閉合。狀態(tài)信息可以包含這類信息，如電源狀態(tài)、剩余存儲量或可能的與游戲有關(guān)的參數(shù)如剩余的秒數(shù)等。也可以發(fā)射表示機電游戲設(shè)備1025的類型和其唯一的特征的標識號。
該實施例的另一個特征是，可以通過不可耗盡的電源來為機電游戲設(shè)備1025供電。具有遠程機電游戲設(shè)備1025的像視頻游戲的游戲每次可吸引游戲者的注意達幾個小時。但是，由于機電游戲設(shè)備1025耗電，所以不希望它們使用可消耗的電源如一次電池來工作。為此，本發(fā)明的實施例包括提供無窮的電力給機電游戲設(shè)備1025的裝置。在該實施例中所采用的方法通過機電游戲設(shè)備1025上的腿或刷子與游戲表面22上的通電的電極陣列進行直接的電接觸。
在該系統(tǒng)的一個實施例中，用于位置感應(yīng)和通信的聲音脈沖是可聽到的，可以進行測量以防止其造成干擾。在一個實施例中，脈沖之間的周期是隨機的。此外，在一個實施例中，用像小蟲的外形來形成機電游戲設(shè)備1025，所以會很自然地與可聽到的隨機的滴答聲適應(yīng)。應(yīng)理解的是，可以用多種形狀形成機電游戲設(shè)備1025，并且機電游戲設(shè)備可以像動物、人、視頻游戲角色或物體、汽車或其它車輛等。
在該實施例中，可以使用動態(tài)尋址系統(tǒng)，從而可以在不使用開關(guān)的情況下動態(tài)地對機電游戲設(shè)備1025賦予唯一的地址。這樣，任意組機電游戲設(shè)備1025都可以組合運行，而不用手動進行重新配置。
在單個的機電游戲設(shè)備1025是從關(guān)狀態(tài)開始加電時，動態(tài)尋址很簡單。在這種情況下，機電游戲設(shè)備1025用預(yù)定的默認地址進行初始化。中央控制器1029將識別出響應(yīng)該地址的設(shè)備1025，并為該設(shè)備1025賦予新的地址。
但是，在多于一個的機電游戲設(shè)備1025同時加電的情況下就會出現(xiàn)困難。在這種情況下，響應(yīng)該默認地址的所有設(shè)備都會被同時重新賦予同樣的新地址。可能需要的是一種區(qū)分響應(yīng)同一默認地址的機電游戲設(shè)備1025的方法。
可以通過結(jié)合位置傳感和隨機的響應(yīng)統(tǒng)計來解決該問題。設(shè)計上來講，機電游戲設(shè)備1025用隨機統(tǒng)計來響應(yīng)默認地址。具體而言，當被請求發(fā)射位置信號時，具有默認地址的機電游戲設(shè)備1025只在有些時候才會響應(yīng)。
在這種方法中，中央控制器1029根據(jù)其測量位置集中處理響應(yīng)默認地址的特定機電游戲設(shè)備1025，直到為其賦予新的地址為止。對于特定機電游戲設(shè)備1025可以在其指定的位置上隨機發(fā)射的每個位置信號，中央控制器都發(fā)射應(yīng)答。一定時間之后，只有在該位置的特定的機電游戲設(shè)備1025才能夠區(qū)分其是正被集中處理的那個設(shè)備。使用默認地址但在其它位置的其它機電游戲設(shè)備1025由于它們隨機的發(fā)射未被地回應(yīng)，因此它們不會把自己做為被集中處理的那個設(shè)備。此時，可以將唯一的地址賦予正集中處理的那個機電游戲設(shè)備1025。然后，轉(zhuǎn)而集中處理具有該默認地址但處于另一個特定位置的下一個機電游戲設(shè)備。
在系統(tǒng)中使用動態(tài)賦址要解決的另一個問題可能是，用戶輸入設(shè)備1021必須正確地與它要控制的期望的機電游戲設(shè)備1025進行聯(lián)系。在該實施例中，可以通過稱為“催眠”的方法來實現(xiàn)該聯(lián)系。
游戲者通過使輸入設(shè)備1021緊挨著所希望的機電游戲設(shè)備1025并按下“催眠”鍵來對所希望的機電游戲設(shè)備1025進行“催眠”。在這種模式下，輸入設(shè)備1021檢測機電游戲設(shè)備1025發(fā)射的位置信號。這為系統(tǒng)給出足夠的信息來確定所希望的機電游戲設(shè)備1025的地址。根據(jù)前面的這點，中央控制器1029會將命令從該特定的輸入設(shè)備1021引導(dǎo)到完成該聯(lián)系的指定的機電游戲設(shè)備1025。
前面提到的動態(tài)尋址和“催眠”法可以用在實施例中。但是，也可以使用其它的技術(shù)。例如，手動尋址系統(tǒng)會使用多位置開關(guān)來在機電游戲設(shè)備1025和輸入設(shè)備1021上設(shè)置地址。設(shè)置成特定地址的輸入設(shè)備1021會與手動設(shè)置成同樣地址的機電游戲設(shè)備1025聯(lián)系，并進行控制。
在一個特定的實施例中，接收機1026是麥克風(fēng)2026，并且通過超聲波通信信號來執(zhí)行控制。此外，機電設(shè)備1025可以是靠它們自己的電源移動的設(shè)備，并且/或者可以是只響應(yīng)于施加的外力移動的無源設(shè)備。針對這種討論，這種機電設(shè)備通常稱為遠程設(shè)備，從中央控制器1029到遠程設(shè)備1025的通信，以及遠程設(shè)備1025的位置傳感都通過本發(fā)明的方法來完成。本發(fā)明獨特的特征是，這三個功能彼此相互呼應(yīng)地實現(xiàn)。換句話說，特定實施例的不同要素同時提供了多種功能。盡管這并不是本發(fā)明必須的要求，但它可以實現(xiàn)更經(jīng)濟的解決方案。
圖11大致示出了系統(tǒng)各元件之間的聯(lián)系。中央控制器1029提供單個的射頻發(fā)射機35(參見圖12)，其同時發(fā)射(即，廣播)到一個或多個其它的遠程設(shè)備1025。每個遠程設(shè)備1025都可以預(yù)先賦予一個唯一的地址。在一個實施例中，使用采用了直接尋址和時隙尋址的協(xié)議，使得來自于中央控制器1029的消息可以唯一地發(fā)送到指定的遠程設(shè)備1025。
中央控制器1029可以發(fā)射命令使指定的遠程設(shè)備1025發(fā)射時間同步的聲音脈沖。中央控制器1029用兩個麥克風(fēng)2026a和26b來接收該聲音脈沖。測量脈沖到達每個麥克風(fēng)2026a、2026b的時間，并通過中央控制器1029使用該時間來確定遠程設(shè)備1025的位置。此外，在一個實施例中，聲音脈沖攜帶著一位從遠程設(shè)備1025到中央控制器1029的信息。
圖12是中央控制器1029的特定實施例的方框圖2100，該中央控制器1029包括智能控制器2031、數(shù)據(jù)編碼器2033、RF發(fā)射機2035、兩個麥克風(fēng)2026a和2026b和位置/數(shù)據(jù)檢測器2037。智能控制器2031產(chǎn)生要發(fā)送到遠程設(shè)備的命令。在一個實施例中，智能控制器2031以一組子程序的形式存在中央處理器(CPU)中。CPU中剩余的計算電力執(zhí)行圖12中其它方框的多種功能。
數(shù)據(jù)編碼器2033從CPU接收預(yù)定的消息字節(jié)，并將預(yù)定的消息字節(jié)轉(zhuǎn)換成曼徹斯特脈碼調(diào)制(PCM)串行數(shù)據(jù)流。如下面所描述的，曼徹斯特編碼與本發(fā)明與特定的數(shù)據(jù)序列組合允許在接收機中進行有效的時鐘恢復(fù)，這如所采用的聲音測距技術(shù)所使用的一樣。數(shù)據(jù)編碼器2033可以通過鍵控RF發(fā)射機2035來調(diào)制帶有100％AM調(diào)制的射頻(RF)載波。這有時也被稱作開關(guān)鍵控(OOK)。
圖13示出了由中央控制器1029發(fā)射的串行數(shù)據(jù)流和形成的RF載波信號。在串行數(shù)據(jù)流2014中的數(shù)字值“1”調(diào)制RF載波2012為全開，而在串行數(shù)據(jù)流2014中的數(shù)字值“0”調(diào)制RF載波2012為全關(guān)。再次參考圖12，位置/數(shù)據(jù)檢測器2037處理從兩個麥克風(fēng)2026a和2026b中接收到的信號，并將結(jié)果發(fā)送到智能控制器2031。
現(xiàn)在將描述在一個實施例中中央控制器1029使用的與遠程設(shè)備通信的數(shù)據(jù)格式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以提出其它的可接受的格式。該描述并非要把本發(fā)明限定到特定的格式。相反僅用于描述一種實施例，并幫助說明本發(fā)明的方法。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例在檢測到的曼徹斯特數(shù)據(jù)流的每個字節(jié)中使用的位格式2400。該信息可以用串行字節(jié)序列的形式來發(fā)射，每個串行字節(jié)序列包括六位。這些位定義如下

D0、D1、D2和D3表示構(gòu)成要發(fā)送的信息的16種可能的4位二進制數(shù)。P是用于誤差檢測的校驗位，S是起始位，其始終被設(shè)定為數(shù)字值“1”。12字節(jié)的序列構(gòu)成數(shù)據(jù)幀。
圖15示出包括有12字節(jié)的單個數(shù)據(jù)幀2500的格式。一幀的各個字節(jié)定義如下字節(jié)0)線性調(diào)頻脈沖地址2510字節(jié)1)線性調(diào)頻脈沖請求2515字節(jié)2)命令2520字節(jié)3)同步2525字節(jié)4)用于設(shè)備0或8的數(shù)據(jù)2530字節(jié)5)用于設(shè)備1或9的數(shù)據(jù)2535字節(jié)6)用于設(shè)備2或10的數(shù)據(jù)2540字節(jié)7)用于設(shè)備3或11的數(shù)據(jù)2545字節(jié)8)用于設(shè)備4或12的數(shù)據(jù)2550字節(jié)9)用于設(shè)備5或13的數(shù)據(jù)2555字節(jié)10)用于設(shè)備6或14的數(shù)據(jù)2560字節(jié)11)用于設(shè)備7或15的數(shù)據(jù)2565這些字節(jié)和它們包括的這些幀被沒有間隙地反復(fù)發(fā)送，使得位轉(zhuǎn)移與穩(wěn)定時鐘同步形成。同樣，以穩(wěn)定且可預(yù)測的速率形成每個幀的開始。每一位的持續(xù)時間為352微秒，每個字節(jié)的持續(xù)時間為2.112毫秒，每個幀的持續(xù)時間為25.344毫秒。數(shù)據(jù)流可預(yù)測且穩(wěn)定的特性使得遠程設(shè)備1025能夠以+/-5us的精確度重新產(chǎn)生本地幀同步信號。在到達時間測量中+/-5us的不確定性會在距離測量中引入大約1/16th英寸的不確定性。
圖15中示出的幀戳記(frame epoch)2580定義了了發(fā)射聲音信號的適當時刻。由于幀的構(gòu)成字節(jié)與穩(wěn)定的時鐘是同步的，結(jié)果幀戳記以恒定速率出現(xiàn)。對于基站，幀戳記被看作測量延遲到達時間的零時間參考點。
每個遠程設(shè)備接收數(shù)據(jù)流，并與字節(jié)分界和幀分界同步。軟件計數(shù)器參照每個幀的開始逐步追蹤字節(jié)數(shù)。
圖16是遠程設(shè)備1025的方框圖，該遠程設(shè)備1025包括RF接收機/檢測器2041、時鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)譯碼器2043、智能控制器2045、音頻調(diào)制器2047和音頻轉(zhuǎn)換器2049。RF接收機41檢測調(diào)制的RF載波12(參見圖13)，用以重新產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)流2014的本地副本。在一個實施例中，RF接收機41是單個的晶體管超再生接收機/檢測器，后面連接交流(AC)放大器。由于曼徹斯特串行數(shù)據(jù)流2012不包含DC成分，因此可以使用AC連接的放大器。但是，應(yīng)理解的是，也可以使用其它類型的RF接收機。
曼徹斯特時鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)譯碼器2043獲得發(fā)射的數(shù)據(jù)以及基站的時鐘和幀同步的本地副本。
接收到的數(shù)據(jù)提供給主板上的智能控制器2045，該智能控制器2045解釋由中央控制器1029發(fā)送的命令。當被命令這樣做時，智能控制器2045通過產(chǎn)生表示標志或空間的兩個預(yù)定串行碼中的一個來啟動聲音響應(yīng)。音頻調(diào)制器2047使用選定的串行碼雙相調(diào)制載波信號。載波信號(和串行碼)與中央控制器1029的主時鐘同步。
音頻轉(zhuǎn)換器將雙相調(diào)制的載波信號轉(zhuǎn)換成音頻信號，該音頻信號沿遠程設(shè)備1025滯留的二維表面在所有的方向上用基本上相等的強度輻射(參見圖7)。
當廣播線性調(diào)頻脈沖請求字節(jié)時，每個遠程設(shè)備1025對照自己的賦值地址檢查該值。如果匹配，則設(shè)定一標記，使得在下一個幀戳記中通過該遠程設(shè)備1025產(chǎn)生音頻脈沖。每個遠程設(shè)備1025都被賦予其自己唯一的地址，如從0到15的值。每個遠程設(shè)備1025以逐幀的方式接收并譯碼所有由中央控制器1029發(fā)送的信息。
圖17是位置/數(shù)據(jù)檢測器2037的方框圖2700，該位置/數(shù)據(jù)檢測器2037包括三角測量算法38和兩個相同的音頻接收機信道，每個都包括麥克風(fēng)2026、標志濾波器2032、空間濾波器2034、峰值檢測器2036和相位求精功能2030。每個麥克風(fēng)2026a和2026b都連接到兩個相同的接收機信道中的一個上。對于每個信道，來自于麥克風(fēng)的信號(1026A或1026B)通過標志濾波器2032和空間濾波器2034被同時過濾。標志濾波器2032對于標志信號的響應(yīng)很強，對于空間信號的響應(yīng)很弱。同樣，空間濾波器2034對于空間信號的響應(yīng)很強，而對于標志信號的響應(yīng)很弱。
峰值檢測器2036確定在給定信道上的來自于標志2032和空間2034濾波器的信號中最大的那一個。這確定了從遠程設(shè)備1025返回的數(shù)據(jù)的一位。此外，峰值檢測器2036存儲檢測到峰值的時刻。發(fā)射的時刻和峰值出現(xiàn)時刻之間的差值通過正比例關(guān)系確定了聲音轉(zhuǎn)換器2049和給定的麥克風(fēng)2026a或1026B之間的距離。
圖18是說明了得到遠程設(shè)備位置的一組步驟的流程圖2800。中央控制器1029通過將字節(jié)0，即線性調(diào)頻脈沖地址設(shè)定到要測量的指定遠程設(shè)備的地址中而開始了該組步驟。遠程設(shè)備1025檢測該情況，并等待要在字節(jié)1中發(fā)送的信息。然后，中央控制器1029發(fā)送字節(jié)1，即線性調(diào)頻脈沖請求，用以指定查詢遠程設(shè)備1025要用單個一位數(shù)據(jù)響應(yīng)的一列預(yù)定詢問中的一個。接收到線性調(diào)頻脈沖請求后，遠程設(shè)備1025確定對該特定的預(yù)定詢問的適當響應(yīng)。在下一個幀戳記中，即在字節(jié)3和4之間的分界處(參見圖15)，遠程設(shè)備1025啟動音頻信號的發(fā)射。
在幀戳記后的各個時刻，音頻信號將到達兩個或多個麥克風(fēng)2026a和2026b，這些麥克風(fēng)位于預(yù)定的幾何結(jié)構(gòu)中。該流程圖說明了使用兩個麥克風(fēng)的系統(tǒng)，但該原理可以被擴展到超過兩個麥克風(fēng)，用以增加明確的空間尺寸量，或提高測量的精確度或可靠性，或者兩者同時滿足。如所示的，在圖18的兩個平行的列中處理來自每個麥克風(fēng)的信號。
對于每個麥克風(fēng)，信號都由標志和空間濾波器接收并同時處理。濾波器的輸出值與峰值進行比較。對于濾波器中之一的峰值大于最近的峰值的每一次采樣，都會表明出現(xiàn)了新的峰值。在每次出現(xiàn)峰值時存儲標志和空間濾波器的輸出值。在下一個幀戳記時，最近的峰值被表明成為發(fā)射的峰值。
標志和空間濾波器的值(在該間隔存儲的最大峰值)通過直接比較確定了響應(yīng)線性調(diào)頻脈沖請求詢問的一位。與峰值相關(guān)的時間確定了信號到達的經(jīng)過時間，因此，確定了從遠程設(shè)備經(jīng)過的距離。最后，峰值時信號的相位被用來對該麥克風(fēng)的距離測量求精。該組測量到的到每個麥克風(fēng)的距離和對麥克風(fēng)幾何結(jié)構(gòu)的信息用來計算遠程設(shè)備1025的位置。
調(diào)制該音頻載波的標志和空間碼屬于一類特定的碼。被稱作巴克脈沖壓縮碼(Barker pulse-compression code)的一組n位的碼具有獨特的特性，當由巴克脈沖壓縮碼匹配的濾波器(本文中也稱作巴克濾波器(Barker filter))接收到時，輸出在某個時間峰值很大，而在其它的所有時間內(nèi)都接近為零。圖19示出了7位的巴克碼2900，圖20示出了與其響應(yīng)的巴克濾波器的輸出3000。本文中，有時該碼的每一位被稱作片。如果7位碼的長度是T秒，則主峰值的半電壓寬度為T/7秒——因此證明了“脈沖壓縮”這個名字是適合的。這類碼的性能對于雷達技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是公知的?？梢杂密浖⑦m當匹配的濾波器實現(xiàn)為有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，其對一串接收到的信號的數(shù)字化采樣值進行操作。
在實際的系統(tǒng)中，圖20中理想的響應(yīng)實際上是不能實現(xiàn)的，這是因為，有限的系統(tǒng)帶寬和幅值以及在聲音轉(zhuǎn)換器中的相位非線性。通常，，這些問題使峰與圖20中所示的相比更圓。在有噪聲時，很難精確地檢測到圓形峰值，如經(jīng)常在實際的系統(tǒng)中所遇到的。為了最好地利用便宜的現(xiàn)有音頻轉(zhuǎn)換器，碼被用來對處于頻帶中央的音頻載波進行調(diào)制，其可以通過這些轉(zhuǎn)換器而精確地復(fù)制。該調(diào)制處理在載波頻率附近集中了該信號的大部分能量。
一種檢測方法使用基帶解調(diào)器，其后連接濾波器?？紤]到固有的系統(tǒng)帶寬限制，從巴克濾波器形成的信號看上去像圖21中所示的。所示的這種圓形峰值為峰值檢測器帶來困難，這是因為，由于噪聲而產(chǎn)生的波動可使相鄰的值超過所希望的峰值。峰值檢測中的誤差直接轉(zhuǎn)換成距離測量中的誤差。
在這種應(yīng)用中，關(guān)于信號的其它信息是已知的，其被用來提高面對該問題時的性能。聲音載波和巴克碼調(diào)制之間的相位關(guān)系是固定的，這與雷達或聲納回波的類似組成不同。為此，接收到的相位的測量可以用來校正峰值檢測中的小誤差。
測量的距離d可以表示成波長λ的整數(shù)n倍加上小數(shù)部分α，其中，0≤α＜1，結(jié)果為d＝λ(n+α)。小數(shù)部分α是直接從接收到的信號相位φ中得到的，α＝φ/2π。峰值檢測器必須足夠精確地確定出距離d，以確定適當?shù)恼麛?shù)n。然后，相位φ可以對距離d的測量求精。
只要峰值檢測中相應(yīng)于相位的誤差小于±π，該方法就可以工作。如果不是這樣，則不能確保峰值檢測的精度高到確定出適當?shù)恼麛?shù)n。當在巴克調(diào)制的每個片中音頻載波的周期數(shù)減少時，峰值檢測更能夠滿足該要求。在特定的實施例中，巴克調(diào)制的每個片的持續(xù)時間為兩個音頻載波周期。因此，整個的7位巴克調(diào)制碼的持續(xù)時間為14個音頻載波周期。所產(chǎn)生的這個信號如圖22的示意圖3200所示。需要具有相對較低的Q值的轉(zhuǎn)換器來精確地復(fù)制這種信號。(Q是中心頻率與帶寬的比)。
對于該波形，并利用最標準的檢測方法(如上面提到的)，峰值檢測必須被精確到對應(yīng)于半個音頻載波周期的時間。最好的情況下，即在沒有系統(tǒng)帶寬限制的情況下，峰值的斜率使得其幅值在此時比峰值小25％。這意味著，幅值為峰值的25％的噪聲可以產(chǎn)生導(dǎo)致不能正確選擇n的誤差。
另一種方法進一步利用了聲音載波和巴克碼調(diào)制之間的相位關(guān)系是固定的這一事實。在特定的實施例中，通過與聲音載波和巴克碼調(diào)制的相位之間的已知的特定關(guān)系相匹配的濾波器來直接檢測該信號。該濾波器不是巴克濾波器，但具有與其相似的特性。本文中，該濾波器將被稱作調(diào)制匹配濾波器。
圖23包括示意圖3300，其示出了調(diào)制匹配濾波器對圖22的波形的響應(yīng)。使用調(diào)制匹配濾波器相比于上面提到的顯而易見的方法提供了兩個很重要的優(yōu)點。它的計算更有效，并且其峰值更明顯。該尖峰有利于進行非?？煽康姆逯禉z測。該方法顯著地減小了在各種各樣的不利環(huán)境下造成的峰值檢測誤差。
如可以在圖23中看到的，被過濾的響應(yīng)具有多個峰值，但所希望的峰值的幅值是最接近的不希望的峰值的兩倍。該差別有效地提供了在存在噪聲時對錯誤的峰值檢測的更高程度的抗擾性。就幅值而言，其對噪聲的抗擾性是更標準的檢測方法的兩倍。就功率而言，其是更標準檢測方法抗擾性的四倍。該方法和更標準的方法之間的對比在限制了帶寬的實際系統(tǒng)中變得更明顯。
主要由各種轉(zhuǎn)換器引起的頻率相關(guān)的幅值和相位失真會引起很難預(yù)測和控制的各種偏離理想響應(yīng)的變化。為此，在接收機中包括了相對的帶通濾波器。該濾波器相比于轉(zhuǎn)換器更窄帶，因此，其效果決定了響應(yīng)。
該濾波器可以用作同時提供多種功能。首先，它的帶寬可以被選擇得比轉(zhuǎn)換器還要窄，用以來決定響應(yīng)。其次，它可以提供與采樣的系統(tǒng)結(jié)合使用的圖形保真功能。第三，可以選擇它的群延遲，使得通過調(diào)制匹配濾波器對其輸出進行很好的解調(diào)。這第三個更細微的要求轉(zhuǎn)換成多個半周期的群延遲的選擇。在特定的實施例中，使用Q為1.8的濾波器，該濾波器影響著前面提到的三個問題的最好的組合。1.8的Q值提供了1/2周期的群延遲。由于上面的選擇，可以足夠好地確定峰值，以確保適當?shù)剡x擇n。信號的相位可以被用來進一步對位置測量求精，其是利用調(diào)制匹配濾波器技術(shù)得到的。
在特定的實施例中，音頻載波為5680Hz，其在水平面上的波長為2.3英寸。脈沖持續(xù)時間為3.8ms。數(shù)字化采樣速率是每秒鐘22727個采樣值。一次采樣的峰值檢測誤差對應(yīng)于90度的音頻載波，所以n可以用+/-1個采樣值的峰值檢測誤差來確定。實際上，利用中等的發(fā)射容量，對于小于10ft的距離，峰值檢測誤差只有在很嚴重的噪聲條件下才會出現(xiàn)。因此，峰值檢測精確度足以確定n。信號的相位可以被用來對測量求精，使其精確度近似為+/-0.1英寸。在這個特定的實施例中，為了從遠程設(shè)備發(fā)射一個信息位到基站，可以使用兩個不同的巴克碼。這里有四種可能的7位巴克碼(a)-+--+++(b)+-++---(c)+++--+-(d)---++-+在一個實施例中，使用上面的碼a)和c)。所有的四種碼通過其各自的巴克濾波器給出如圖20所示的響應(yīng)。碼(a)的濾波器對于碼(c)輸入給出很差的響應(yīng)，反之亦然。圖24的示意圖3400中示出了響應(yīng)于碼(c)輸入的碼(a)的巴克調(diào)制匹配濾波器的輸出。相對較低的輸出信號使得兩個濾波器的輸出可直接比較，以確定發(fā)射哪個碼。
圖25的示意圖3500中示出了三角測量幾何圖。測量遠程設(shè)備1025發(fā)射到麥克風(fēng)2026a、2026b的信號的傳播時間ta3510、tb3520。然后利用下式計算該距離la＝ctalb＝ctb其中c＝聲音的速度利用下式計算遠程設(shè)備的坐標x=la2-lb24d]]>并且y=lb2-(d-x)2]]>如公式所示出，y不能是負的，其反映出這種兩個麥克風(fēng)的幾何圖不可能唯一地區(qū)分出y＜0的位置。
或者，可以使用干涉測量技術(shù)來取代三角測量。在該方法中，在尺寸小于波長的圖案中設(shè)置了多個麥克風(fēng)。已知的結(jié)構(gòu)和接收到的信號之間的相位關(guān)系用來確定發(fā)射機的方位。到達的時間確定了范圍。范圍和方位足以唯一地指定出二維中的位置。
在一個實施例中，三個等間距放置的麥克風(fēng)構(gòu)成二維表面平面上的等邊三角形。因此，麥克風(fēng)之間的間距是波長的150度。麥克風(fēng)間隔得越近，下面的近似方位就變得越精確。但是，更近的間隔也導(dǎo)致對噪聲和測量中出現(xiàn)的相位誤差更敏感。很寬的麥克風(fēng)放置方式減小了下面給出的近似方位的精確度，但也減小了對噪聲的敏感度，以及在測量中出現(xiàn)的相位誤差。可以選擇150度的元件間隔，用以在這兩個相對立的考慮因素之間找到適當?shù)恼壑渣c。
干涉測量技術(shù)的方法如下所述峰值檢測算法確定到一個麥克風(fēng)的到達時間。此時，存儲從所有這三個麥克風(fēng)中接收到的信號的值。這些值用來計算表示接收到的信號的方位的單位向量。單位向量乘以到達時間所確定的范圍以確定發(fā)射機的坐標。
將在峰值檢測時來自于三個麥克風(fēng)的信號的存儲的復(fù)數(shù)值定義為A、B和C，通過近似公式給出方位向量VVx≈13(cqai-ciaq-bqci+bicq)]]>并且Vy≈13(2aqbi-2aibq-bqci+bicq-cqai+ciaq)]]>其中按慣例選擇A＝ai+jaq，并且j是 然后，單位方位向量U為Ux=Vx|V‾|,]]>并且，Uy=Vy|V‾|]]>最后，通過用范圍R乘以單位方位向量U以計算位置PP＝UR上面的等式并不是精確的，而是出于簡單考慮得出的，以容易地適用于低成本、低性能的微處理器。
圖26的示意圖3600中的曲線示出了用度數(shù)表示的單位向量U關(guān)于用度數(shù)表示的實際入射角的函數(shù)的偏差。在半徑為10英尺的范圍內(nèi)對應(yīng)于2.5英寸誤差的最大方位誤差為1.4度。該誤差是對稱的，如果需要的話可以將其消除。但是，注意，它說明了位置失真。在只有相對位置是重要的，且只在兩個設(shè)備彼此間相對靠近的應(yīng)用中，該失真的影響就變得不重要了。換句話說，當兩個設(shè)備彼此間非常接近時，該近似值對它們的間隔或相對方位的計算都只有非常小的影響。
為了清楚理解，詳細地描述了本發(fā)明。但是，應(yīng)認識到，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以進行一定的改變和修改。因此，盡管參考特定實施例和其附圖描述了本發(fā)明，但這些實施例和附圖僅是說明性的，而并不是對本發(fā)明的限制。相反，本發(fā)明的范圍完全是由所附的權(quán)利要求來確定的。
權(quán)利要求
1.機電裝置，包括機電設(shè)備，該機電設(shè)備由電力供電，并可以在支撐表面上在任何方向上轉(zhuǎn)動和移動，所述機電設(shè)備具有多個電觸點，該多個電觸點在位置上彼此相互間隔開，用以與支撐表面進行電接觸，所述電觸點電連接到整流器電路，只要至少一個所述電觸點處于第一電壓電平并且至少另一個所述電觸點處于第二電壓電平，該整流器電路就能夠?qū)碜杂谒鲭娪|點的電力進行整流；接觸系統(tǒng)，該接觸系統(tǒng)具有多個襯墊，該多個襯墊包括所述支撐表面的至少一部分，其中，一些所述襯墊處于第一電壓電平，其它的所述襯墊處于第二電壓電平，并且處于第一電壓電平的襯墊與處于第二電壓電平的襯墊交叉散布，其設(shè)置方式是這樣的，即該機電設(shè)備在支撐表面上任何方向上的移動都可以導(dǎo)致至少一個觸點接觸處于第一電壓電平的至少一個襯墊，并且至少另一個觸點接觸處于第二電壓電平的至少一個襯墊。
2.一種用于為機電設(shè)備提供電力的方法，該機電設(shè)備可以移動到并定位在支撐表面上的若干個地方，該方法包括為該支撐表面提供具有多個處于一種電壓電平的襯墊和多個處于另一種電壓電平的襯墊，二者交叉散布；為該機電設(shè)備提供具有多個電觸點，至少兩個電觸點彼此間隔開足夠的距離以將所述觸點中的一個定位成與處于所述一種電壓電平的所述襯墊中的一個電接觸，同時將所述觸點中的另一定位成與處于所述另一種電壓電平的所述襯墊中的另一個電接觸；和對在所述觸點之間流動的電流進行整流以提供用于操作所述機電設(shè)備的電力，而不用考慮究竟是所述觸點中的哪一個定位成與處于所述一種電壓電平的襯墊電接觸，以及究竟是所述觸點中的哪一個定位成與處于所述另一種電壓電平的襯墊電接觸。
3.一種游戲表面，包括多個第一襯墊；多個第二襯墊；電源聯(lián)接器，其中，該電源聯(lián)接器包括電連接到該多個第一襯墊的第一導(dǎo)線和電連接到該多個第二襯墊的第二導(dǎo)線，并且其中該第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線用于分別在第一電壓電平和第二電壓電平被偏置；和絕緣區(qū)，其中，該多個第一襯墊通過絕緣區(qū)與該多個第二襯墊間隔開。
4.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，該多個第一襯墊與該多個第二襯墊間隔開一定距離；并且其中該距離大于與放置在該游戲表面上的機電設(shè)備相關(guān)的接收觸點的尺寸。
5.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，該游戲表面進一步包括變壓器，其中，該變壓器提供基于電力輸入的電力輸出，并且其中第一電壓電平和第二電壓電平是從該電力輸出中導(dǎo)出的。
6.如權(quán)利要求5所述的游戲表面，其中，該電力輸出是交流輸出。
7.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，包括該多個第一襯墊、該多個第二襯墊和該絕緣區(qū)的游戲表面的上部分是連續(xù)的二維表面。
8.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，該多個第一襯墊、該多個第二襯墊和該絕緣區(qū)被設(shè)置成用以形成連續(xù)的三維表面。
9.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，該多個第一襯墊、該多個第二襯墊和該絕緣區(qū)被設(shè)置成用以形成不連續(xù)的三維表面。
10.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，該絕緣區(qū)是不導(dǎo)電的基底的一部分。
11.如權(quán)利要求10所述的游戲表面，其中，該多個第一襯墊設(shè)置在不導(dǎo)電的基底上。
12.如權(quán)利要求10所述的游戲表面，其中，該多個第一襯墊形成在不導(dǎo)電的基底內(nèi)的多個印模內(nèi)。
13.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，該多個第一襯墊、該多個第二襯墊和該絕緣區(qū)設(shè)置在不導(dǎo)電的基底上。
14.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，該多個第一襯墊中的至少一個被偏離地與該多個第一襯墊中的至少另一個分隔開。
15.如權(quán)利要求3所述的游戲表面，其中，該多個第一襯墊形成為多個基本上為多邊形的襯墊。
16.如權(quán)利要求15所述的游戲表面，其中，該基本上為多邊形的襯墊是基本上為矩形的襯墊。
17.一種接觸系統(tǒng)，該接觸系統(tǒng)包括表面，其中該表面包括基本上不導(dǎo)電的基底、多個第一襯墊和多個第二襯墊；其中，該多個第一襯墊和該多個第二襯墊放置在基本上不導(dǎo)電的基底上；并且其中該多個第一襯墊和該多個第二襯墊的上表面是連續(xù)的表面；和電源，其中，該電源電連接到該多個第一襯墊和該多個第二襯墊，并且其中該電源用于在第一電壓電平偏置該多個第一襯墊，并且在第二電壓電平偏置該多個第二襯墊。
18.如權(quán)利要求17所述的接觸系統(tǒng)，其中，該電源是變壓器。
19.如權(quán)利要求17所述的接觸系統(tǒng)，其中，該連續(xù)的表面是從下面組成的一組中選出的連續(xù)二維的；和連續(xù)三維的。
20.一種游戲系統(tǒng)，該游戲系統(tǒng)包括游戲表面，其中，該游戲表面包括放置在基本上不導(dǎo)電的基底上的基本上不導(dǎo)電的絕緣區(qū)、多個第一襯墊和多個第二襯墊；電源，其中，該電源電連接到該多個第一襯墊和該多個第二襯墊，并且其中該電源用于在第一電壓電平偏置該多個第一襯墊，并且在第二電壓電平偏置該多個第二襯墊；機電設(shè)備，其中，該機電設(shè)備包括移動元件、電源存儲元件和多個聯(lián)接器；和其中，該多個聯(lián)接器形成一電路，該電路包括該電源存儲元件、多個聯(lián)接器中的一個和多個第一襯墊中的一個之間的第一導(dǎo)電觸點以及這些聯(lián)接器中的另一個和多個第二襯墊中的一個之間的第二導(dǎo)電觸點。
21.如權(quán)利要求20所述的游戲系統(tǒng)，其中，該電源存儲元件包括從下面組成的一組中選出的設(shè)備電容器和充電電池。
22.如權(quán)利要求20所述的游戲系統(tǒng)，其中，該移動元件是從下面組成的一組中選出的腿、柔性刷子和輪子。
23.如權(quán)利要求20所述的游戲系統(tǒng)，其中，該基本上不導(dǎo)電的基底的至少一部分是由從下面組成的一組中選出的材料形成的塑料、玻璃、橡膠、紙纖維、陶瓷和硅。
24.如權(quán)利要求20所述的游戲系統(tǒng)，其中，該多個第一襯墊和該多個第二襯墊的上表面是連續(xù)的、二維的。
25.一種用于制作接觸系統(tǒng)的方法，該方法包括提供基本上不導(dǎo)電的基底；在基本上不導(dǎo)電的基底上形成導(dǎo)電的材料；在導(dǎo)電的材料內(nèi)限定出多個第一襯墊；在導(dǎo)電的材料內(nèi)限定出多個第二襯墊；和在該多個第一襯墊和該多個第二襯墊之間限定出絕緣區(qū)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，該方法進一步包括將電源聯(lián)接器電連接到多個第一襯墊和多個第二襯墊，其中，該電源用于在第一電壓電平偏置該多個第一襯墊，并且在第二電壓電平偏置該多個第二襯墊。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，在基本上不導(dǎo)電的基底上形成導(dǎo)電的材料包括在導(dǎo)電的材料和基本上不導(dǎo)電的材料之間形成粘合層。
28.一種游戲系統(tǒng)，該游戲系統(tǒng)包括接觸系統(tǒng)；放置在接觸系統(tǒng)上的機電設(shè)備；和控制器系統(tǒng)，其中，該控制器系統(tǒng)包括發(fā)射機，用于將一個或多個命令發(fā)送到該機電設(shè)備；和接收機，用于接收與該機電設(shè)備有關(guān)的位置信息。
29.一種游戲系統(tǒng)，該游戲系統(tǒng)包括多個機電游戲設(shè)備，該多個機電游戲設(shè)備能夠響應(yīng)于移動命令而進行移動，并能夠發(fā)送位置信號；無線接收機，其用以接收來自于該多個機電游戲設(shè)備的位置信號；適合于接收用戶輸入的多個用戶輸入設(shè)備；無線發(fā)射機，其將移動命令發(fā)送到該多個機電游戲設(shè)備；和處理系統(tǒng)，其與無線接收機、多個用戶輸入設(shè)備和無線發(fā)射機通信，該處理系統(tǒng)包括位置計算算法和游戲算法，該處理系統(tǒng)用于接收來自于多個用戶輸入設(shè)備的用戶移動輸入，根據(jù)位置計算算法和根據(jù)自特定的機電游戲設(shè)備接收的一個或多個連續(xù)的位置信號確定一特定的機電游戲設(shè)備的當前的位置、當前的方位以及當前的狀態(tài)，根據(jù)游戲算法得到該特定的機電游戲設(shè)備希望的位置，用希望的位置處理當前的位置、當前的方位和當前的狀態(tài)，從而確定用于該特定的機電游戲設(shè)備的移動命令，并將該移動命令從該游戲控制器發(fā)射到該特定的機電游戲設(shè)備。
30.一種控制游戲系統(tǒng)中的多個機電游戲設(shè)備的方法，該方法包括以下步驟從一個或多個用戶輸入設(shè)備接收用戶移動輸入；從一特定的機電游戲設(shè)備接收一個或多個連續(xù)的位置信號；根據(jù)位置計算算法和根據(jù)一個或多個連續(xù)的位置信號確定該特定的機電游戲設(shè)備的當前的位置、當前的方位以及當前的狀態(tài)；根據(jù)游戲算法得到該特定的機電游戲設(shè)備希望的位置；和用希望的位置處理當前的位置、當前的方位和當前的狀態(tài)，從而確定用于該特定的機電游戲設(shè)備的移動命令；以及將該移動命令發(fā)送到該特定的機電游戲設(shè)備；其中，該特定的機電游戲設(shè)備響應(yīng)于該移動命令而進行移動。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，該特定的機電游戲設(shè)備通過反復(fù)接收該用戶移動輸入和該連續(xù)的位置信號，通過反復(fù)確定該特定的機電游戲設(shè)備的連續(xù)位置、連續(xù)方位和連續(xù)狀態(tài)，并通過反復(fù)確定和發(fā)送連續(xù)的移動命令，而到達希望的位置。
32.一種用于定位多個遠程設(shè)備中的一特定遠程設(shè)備的定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)包括射頻(RF)發(fā)射機和天線；兩個或多個間隔開的麥克風(fēng)；和與RF發(fā)射機和兩個或多個間隔開的麥克風(fēng)通信的處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)用以通過RF發(fā)射機將音頻響應(yīng)命令發(fā)射到該多個遠程設(shè)備，響應(yīng)于該音頻響應(yīng)命令在該兩個或多個間隔開的麥克風(fēng)內(nèi)接收來自于該特定遠程設(shè)備的音頻響應(yīng)信號，并確定該特定遠程設(shè)備的單個位信息和相對于該兩個或多個間隔開的麥克風(fēng)的位置。
33.一種用于定位多個遠程設(shè)備中的特定遠程設(shè)備的定位方法，該方法包括通過RF發(fā)射機將音頻響應(yīng)命令發(fā)射到該多個遠程設(shè)備；響應(yīng)于該音頻響應(yīng)命令在兩個或多個間隔開的麥克風(fēng)內(nèi)接收來自于該特定遠程設(shè)備的音頻響應(yīng)信號；和確定該特定遠程設(shè)備的單個位信息和相對于該兩個或多個間隔開的麥克風(fēng)的位置。
全文摘要
本文中公開了各種接觸系統(tǒng)和用于制造并使用這些接觸系統(tǒng)的方法。接觸系統(tǒng)的例子包括表面，該表面具有一組處于第一電壓電平的襯墊和另一組處于第二電壓電平的襯墊，其例如可以用來將電力傳遞到放置在其上的機電設(shè)備。在一個特定的例子中，機電設(shè)備可以包括電源存儲元件和兩個或多個聯(lián)接器。當聯(lián)接器中的一個接觸處于第一電壓電平的襯墊，而聯(lián)接器中的另一個接觸處于第二電壓電平的襯墊時，形成一個電路，在該電路中在第一電壓電平和第二電壓電平之間的差的結(jié)果被施加到電源存儲元件上。電路的形成導(dǎo)致電源存儲元件進行充電。可以從電源存儲元件中得到電力以操作該機電設(shè)備。
文檔編號A63F9/24GK1913941SQ200480041549
公開日2007年2月14日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月10日
發(fā)明者米奇·蘭德爾 申請人:米奇·蘭德爾