專利名稱：一種新型可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，特別是一種用手指操作的多自由度信號速控電腦輸入裝置，屬于電腦輸入裝置的創(chuàng)新技術。
背景技術：
定位設備是現(xiàn)代圖形用戶界面電腦系統(tǒng)中廣泛采用的輸入設備。定位設備將操作員的輸入動作轉(zhuǎn)換成電子控制信號。操作員的輸入動作可以有多種形式，例如移動的距離，力量的大小，或者作用時間的長短等等。定位設備的輸出信號可以分成兩大類“定位信號”和“非定位信號”，其對應于通常鼠標操作的“指向”和“點擊”。定位信號(“指向”)用來控制受控目標(如光標或者機器人)的位置，非定位信號(“點擊”)則用來選擇或者改變受控目標的屬性。
常見的定位設備有鼠標器和指點桿(指針桿)。圖1顯示了一個常見的用鼠標器作為定位設備的計算機系統(tǒng)。定位信號由移動鼠標器22產(chǎn)生。該信號用來控制屏幕14上的光標16的位置。與此同時，非定位信號由點擊按鈕24產(chǎn)生。該信號可用于選擇屏幕上的圖標或菜單中的選項。
圖1中小寫x，y，z軸表示的坐標系18叫做“輸入空間”。大寫X，Y，Z軸表示的坐標系20叫做“輸出空間”。圖中，定位設備(鼠標器22)操作于輸入空間之中。而受控目標(光標16)則是在輸出空間(屏幕14)移動。從某種意義上講，鼠標器是光標在另一空間的行為代理，就是說鼠標器在輸入空間18的移動對應地被反映到光標在輸出空間20的移動中。當用二維顯示設備(如一般的屏幕)來表現(xiàn)三維目標的移動時，目標沿Z軸的移動一般可以用放大或縮小目標在Z軸的投影來表現(xiàn)。
對受控目標而言，共有六個自由度可以由定位設備輸入的信號來控制。其中三個自由度是目標沿X，Y，Z軸的平移，另外三個自由度是目標沿X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)。每一個自由度需要定位設備提供一路控制信號，而這些控制信號的強弱則反映了操作者輸入的強度。舉例來說，輸入的強度可以是鼠標器移動的距離或者是手壓在操縱桿上的壓力。
就定位控制信號對某一自由度的控制方式而言，定位設備又可分為“位控”和“速控”兩種。位控定位設備用信號的強弱來控制目標在該自由度的位移，而速控定位設備用信號的強弱來控制目標在該自由度的速度。無論是位控定位設備還是速控定位設備，輸入輸出的轉(zhuǎn)換可以是線性的，也可以是非線性的。常見的位控定位設備有鼠標器。鼠標器必須在平坦的桌面上操作，因而不適于與便攜電腦集成。另外，當移動光標通過較長屏幕距離時，有時不得不反復地滑動鼠標，這樣容易造成手的疲勞。
常見的速控定位設備有指點桿。和鼠標器相比，指點桿底部安裝在固定的基礎上，占的地方比較小，可以裝在便攜電腦上。移動光標通過較長距離時，指點桿控制光標在某一方向的移動速度而不是距離，不需要反復地滑動。但是，指點桿操作起來也有缺點。指點桿的操作部份是一個小棍，由于小棍的頂端一般很小，由手指來操作時，手指不易控制它。同時，當手指操作小棍時，手掌沒有支撐，容易造成疲勞。再有小棍的頂端很小，不可能加裝按鈕。為了產(chǎn)生非定位信號，按鈕必須安裝在別的地方。這樣意味著手指必須在按鈕和小棍之間來回切換才能完成定位信號和非定位信號的輸入。
為了解決上述問題，美國專利號為6,121,954中公開了一種改進的速控指點器，該指點器在指點桿的底端裝有一個傳感器。該傳感器對于桿在z軸的移動產(chǎn)生感應信號，該感應信號可以用來模擬按鈕的選擇信號，因而該指點器能同時完成定位信號和非定位信號的輸入而無需額外加裝按鈕。然而，由于一個指點桿只能觸發(fā)一個z軸的傳感器，該指點器只能模擬一個按鈕。換句話說，該指點器不適用于需要多個按鈕輸入的系統(tǒng)，也無法區(qū)分左鍵與右鍵。
美國專利號為6,326,948中公開了另一種有z軸傳感器的指點器，該專利建議把由z軸傳感器產(chǎn)生的信號來控制目標在Z軸的移動。但其專利中的z軸傳感器只能對手指向下壓起反應，而不能對手指向上提起反應。這樣，操作員只能控制目標往Z軸的一個方向上移動。
美國專利號為6,246,391中公開了另一種速控輸入裝置。該裝置是一個小球通過彈簧掛在一個框架上。操作員在輸入空間中轉(zhuǎn)動或移動小球來控制目標在輸出空間的運動。該裝置的體積相當大，并且需要較大的空間來操作，因而不適合集成于便攜電腦中。該裝置提到可以在小球上裝上按鈕，從而讓操作員能同時完成定位信號和非定位信號的輸入。然而，操作員必須用幾個手指捏住球，另幾個手指來按按鈕，才能讓操作員能同時完成定位信號和非定位信號的輸入。換句話說，該裝置不能用同一手指同時進行定位和按鈕的操作，因而不夠有效。另一方面，該裝置的設計缺乏人體工程學考慮，比如說操作時手一直懸空而沒有倚靠，容易造成疲勞。
還有一個美國專利申請?zhí)枮?002/0,039,093中公開的輸入裝置，該裝置實質(zhì)上是將一個鼠標器安在指點桿上。與美國專利號為6,246,391中公開的速控輸入裝置相似，由于缺乏特殊的結(jié)構設計，用同一手指同時進行定位和按鈕的操作將十分困難。另外，該裝置只能控制目標在兩個自由度的移動。
綜上所述，一般的定位設備只能提供兩個自由度的控制信號，也不能方便有效地用手指同時進行“指向”和“點擊”的操作?，F(xiàn)有的提供多個自由度的控制信號的設備一般很復雜，制作成本很高。其中一些用起來也不很方便。如美國專利號為4,811,608中公開的就是一個復雜的多自由度定位設備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺點而提供一種可以提供多達六個自由度的輸入信號，而且只需用手指便可完成全部操作的新型可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置。本發(fā)明尺寸小，符合人體工程學原理，易于操控，可提供手掌支撐和手感反饋，長期操作不易疲勞；可以在不切換手指的情況下同時進行“指向”和“點擊”的操作。本發(fā)明設計巧妙，結(jié)構簡單，操作方便，制造成本低廉。
本發(fā)明的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其結(jié)構示意圖如附圖所示，包括有a)可在某一平面內(nèi)平移的移動體(34)；b)至少一個與移動體集成的輸入元件A；c)檢測移動體的位移信號作為定位控制信號的檢測元件B；d)輸入端與檢測元件連接、輸出端與電腦連接的信號處理裝置46；e)移動體不受其它外力時將移動體從位移后的位置返回到原點位置的復位元件C。
本發(fā)明的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，上述a)移動體(34)置于不動的基體(32)上；b)復位元件C連接在移動體(34)與基體(32)之間；c)檢測元件B位于移動體(34)與基體(32)之間；d)信號處理裝置(46)裝在基體(32)的底部，信號處理裝置(46)的輸入端分別與輸入元件A和檢測元件B連接，輸出端通過輸出電纜(36)與電腦信號處理單元連接。
上述輸入元件A可為按鈕、滾輪、壓敏元件、觸控板、微型軌跡球或微型指點桿；上述復位元件C可為復位彈簧(48)、也可為彈性桿、橡皮筋、彈性充填料，或是磁性材料；上述檢測元件B包括有壓敏傳感器(38)和橡皮邊(44)，或檢測元件B為觸控板。
上述輸入元件A是按鈕(52)，且按鈕(52)的上方有可供手指同時移動移動體和操作開關按鈕的操控機構。
上述操控機構可為防滑的橡皮層(76)，也可為按鈕蓋(26)，按鈕蓋(26)的頂端分別設有一個大小可由手指尖嵌入的凹槽(28)。
上述移動體(34)與基體(32)之間設有可減小摩擦力的減摩結(jié)構E；移動體(34)做成塊狀。
上述移動體(34)還可繞某一與其平移平面垂直的軸線轉(zhuǎn)動。
上述檢測元件B還可包括有檢測移動體轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)式變阻器(56)和相應的旋桿(60)，旋桿(60)的下端固定在旋轉(zhuǎn)式變阻器(56)上，上端經(jīng)孔(58)穿過基體(32)支撐面(66)插入移動體(34)底部、直徑比旋桿(60)稍大的小孔(61)中，且旋桿(60)的頂端通過定位銷(62)連接到移動體(34)上，信號處理裝置(46)的輸入端還與變阻器(56)連接。
本發(fā)明的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，包括有a)可在某一平面內(nèi)移動的移動體(34)；b)可繞某一點轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動體D；c)檢測移動體移動的檢測元件B，產(chǎn)生至少兩路定位控制信號；d)檢測轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動的檢測元件F，產(chǎn)生至少兩路定位控制信號；本發(fā)明的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，還包括有在移動體不受其它外力時將移動體從位移后的位置返回到原點位置的復位元件C。
上述移動體(34)的在某一平面內(nèi)的移動包括在該平面內(nèi)平移和繞與其平移平面垂直的某一軸線轉(zhuǎn)動，且檢測元件B產(chǎn)生三路定位控制信號。
上述轉(zhuǎn)動體D的繞某一點的轉(zhuǎn)動包括繞x，y，z軸的旋轉(zhuǎn)，且檢測元件F產(chǎn)生三路定位控制信號。
上述轉(zhuǎn)動體D可集成在移動體(34)上，也可不集成到移動體(34)上。
上述移動體(34)做成塊狀，轉(zhuǎn)動體D是軌跡球(96)，檢測元件B包括壓敏傳感器(38)和旋轉(zhuǎn)式變阻器(56)和相應的旋桿(60)；或檢測元件B是觸控板(82)和相應的觸點筆，檢測元件F包括多個滾動編碼器(98)，復位元件C包括彈簧。
本發(fā)明與現(xiàn)有電腦輸入裝置相比，具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明可以與各類輸入元件集成，其中包括，但不限于滾輪，壓敏傳感器，觸控板，微型軌跡球，微型指點桿等等；2、本發(fā)明尺寸小、薄，而且只需用手指便可完成全部操作，特別適合集成到便攜式電腦上；3、本發(fā)明可以提供多達六個自由度的輸入信號；4、本發(fā)明簡捷高效，可以在不切換手指的情況下同時進行“指向”和“點擊”的操作；5、本發(fā)明符合人體工程學原理，易于操控，可提供手掌支撐和手感反饋，長期操作不易疲勞；6、本發(fā)明的各部份零件可靈活地搭配，且大部份零件可以在市場上直接獲得，因而制造成本低廉；7、本發(fā)明是速控指點設備，只需很小的操作空間。因而它適合被用在空間狹小的環(huán)境中。


圖1為計算機系統(tǒng)與常規(guī)鼠標器連接的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1的透視圖；圖3為圖2中的2-2剖視圖；圖4為圖2中的3-3剖視圖；圖5為本發(fā)明實施例1在一只手操作下的透視圖；圖6A～6B為本發(fā)明實施例1的移動體在操作下的各個位置的示意圖；圖7A～7C為本發(fā)明實施例1手指操控結(jié)構的局部放大的剖視圖8為本發(fā)明實施例2的透視圖；圖9為圖8中的8-8剖視圖；圖10為圖8中的9-9剖視圖；圖11A～11B為本發(fā)明實施例2移動體在操作中位置改變后在觸控板上產(chǎn)生的感應軌跡示意圖；圖12為本發(fā)明實施例3移動體集成有一個滾輪和兩個按鈕的透視圖；圖13為本發(fā)明實施例4移動體集成有一個微型軌跡球和兩個按鈕的透視圖；圖14A為常規(guī)軌跡球采用兩個滾動編碼器來感應軌跡球在兩個旋轉(zhuǎn)自由度的位置變化的示意圖；圖14B為本發(fā)明實施例4中軌跡球采用三個滾動編碼器來感應軌跡球在三個旋轉(zhuǎn)自由度的位置變化的示意圖。
具體實施例方式實施例1本發(fā)明的結(jié)構示意圖如圖2、3、4所示，包括有a)可在某一平面內(nèi)平移的移動體(34)；b)至少一個與移動體集成的輸入元件A；c)檢測移動體的位移信號作為定位控制信號的檢測元件B；d)輸入端與檢測元件連接、輸出端與電腦連接的信號處理裝置46；e)移動體不受其它外力時將移動體從位移后的位置返回到原點位置的復位元件C。
本發(fā)明的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，上述a)移動體(34)置于不動的基體(32)上；b)復位元件C連接在移動體(34)與基體(32)之間；c)檢測元件B位于移動體(34)與基體(32)之間；
d)信號處理裝置(46)裝在基體(32)的底部，信號處理裝置(46)的輸入端分別與輸入元件A和檢測元件B連接，輸出端通過輸出電纜(36)與電腦信號處理單元連接。
上述輸入元件A可為按鈕、滾輪、壓敏元件、觸控板、微型軌跡球或微型指點桿；上述復位元件C可為復位彈簧(48)、也可為彈性桿、橡皮筋、彈性充填料，或是磁性材料。上述檢測元件B包括有壓敏傳感器(38)和橡皮邊(44)，或檢測元件B為觸控板。
本實施例中，上述移動體34做成塊狀，移動體34置于基體32的內(nèi)腔中，移動體34與基體32之間留有間隙30，移動體34可以在間隙30中移動，移動體34的側(cè)面42環(huán)繞著一圈彈性橡皮邊44，檢測元件B包括有檢測移動體平移的若干個壓敏傳感器組38和環(huán)繞在移動體34的側(cè)面42的一圈彈性橡皮邊44，若干個壓敏傳感器38均勻地分布在與橡皮邊44相對的基體32的內(nèi)壁40上，移動體34的上表面開有若干個圓槽68，輸入元件A為設置在圓槽68內(nèi)的按鈕52，按鈕52的頂端分別設有可供手指同時移動移動體和操作開關按鈕的操控機構，若干個復位元件C連接在移動體34與基體32之間，將移動體34和基體32連在一起，信號處理裝置46裝在基體42的底部，信號處理裝置46的輸入端分別與壓敏傳感器38和按鈕52連接，輸出端通過輸出電纜36與電腦信號處理單元連接。本實施例中，上述移動體34做成碟型，基體32做成碗型，碟型移動體34置于碗型基體32的內(nèi)腔中，且移動體34做成扁平塊狀，其寬度可等于或大于其平均高度，且其上表面基本平坦。另外，移動體34的上表面開有兩個圓槽68A、68B，輸入元件A為設置在兩個圓槽68A、68B內(nèi)的兩個按鈕52A、52B，按鈕的頂端分別設有可供手指同時移動移動體和操作開關按鈕的操控機構，如圖2所示。
上述操控機構可為防滑的橡皮層76，如圖7B所示，也可為按鈕蓋26，按鈕蓋26的頂端分別設有一個大小可由手指尖嵌入的凹槽28。本實施例中，兩個按鈕52A、52B的頂端分別設有兩個按鈕蓋26A、26B，按鈕蓋26A、26B的頂端分別設有一個大小可由手指尖嵌入的凹槽28A、28B，如圖2、3、4所示。
上述凹槽28的斜壁表面72上做出有增加摩擦力的防滑粗糙紋路，或按鈕蓋26由防滑的材料制成。本實施例中，凹槽28的斜壁表面72做出有增加摩擦力的防滑粗糙紋路。
上述移動體34與基體32之間設有可減小摩擦力的減摩結(jié)構E，本實施例中減摩結(jié)構E為滾珠軸承50，其設在移動體34與基體32之間的支撐面66上，本實施例中，移動體34與基體32之間的支撐面66設有兩個滾珠軸承50A、50C，如圖3所示。
本實施例中，復位元件C為連接在移動體34與基體32之間，將移動體34和基體32連在一起的若干個復位彈簧48A～48H，圖4顯示壓敏傳感器38包括有8個，分別為壓敏傳感器38A～38H，多個壓敏傳感器38A～38H均勻地分布在基體32的內(nèi)壁40上，多個復位彈簧48A～48H組成的復位元件通過間隙30將移動體34和基體32連在一起。當移動體34相對基體32平移或旋轉(zhuǎn)時，彈簧48會被相應地拉伸或壓縮，這樣就產(chǎn)生一個將移動體34往回拉的回復力。這種回復力也給下面將要描述的操作中的手指提供感覺反饋。
為能實現(xiàn)對z軸自由度的控制信號輸入，上述移動體(34)還可繞某一與其平移平面垂直的軸線轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)3個自由度的控制信號輸入，與此相對應，上述檢測元件B還包括有檢測移動體轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)式變阻器56和相應的旋桿60，旋轉(zhuǎn)式變阻器56焊在印制線路板46的中間，旋桿60的下端固定在旋轉(zhuǎn)式變阻器56上，上端經(jīng)孔58穿過基體32支撐面66插入移動體34底部、直徑比旋桿60稍大的小孔61中，且旋桿60的頂端通過定位銷62連接到移動體34上，信號處理裝置46的輸入端還與變阻器56連接，輸出端通過輸出電纜36與電腦信號處理單元連接。
圖3顯示變阻器56的電阻可由轉(zhuǎn)動旋桿60來控制，由于小孔61的直徑比旋桿60稍大，因而旋桿60在必要時可以垂直地在小孔61中滑動，加上旋桿60有彈性可以彎曲，使旋桿60不致影響移動體34的水平移動。另外，由于旋桿60頂端的定位銷62將移動體34的轉(zhuǎn)動傳遞到變阻器56，從而達到調(diào)節(jié)電阻的目的。信號處理裝置46負責采集和處理壓敏傳感器38，變阻器56和按鈕52產(chǎn)生的信號。
圖5顯示本實施例在操作過程中的狀態(tài)，操作者的手70自然放松，拇指和無名指為支點按住基體32，食指和中指通過按鈕蓋26水平地推動移動體34。操作者也可以將食指和無名指放在鈕蓋26A、26B上，這時中指可以放在兩個按鈕蓋26A、26B的中間來幫助推動移動體34。
上述移動體34的運動可以是平移也可以是旋轉(zhuǎn)。圖6A顯示移動體34在某一方向平移的情況。由于移動體34的平移，致使橡皮邊44壓迫壓敏傳感器38。從圖中看到，橡皮邊44壓迫傳感器38D較重而產(chǎn)生較強的信號。橡皮邊44對傳感器38C和38E的壓迫則較輕，產(chǎn)生的信號也就較弱。
由于輸入力量的強度和方向通過移動體34的移動反映在傳感器38感應的信號上，通過對各個傳感器單元上產(chǎn)生的信號的測量就可以推算定位信號在x和y軸的強度。下面的公式(1)和公式(2)給出這樣一個推算的例子(1)C1*M.x＝(-1)*(S1)+(-0.7)*(S2+S8)+0*(S3+S7)+0.7*(S4+S6)+1*(S5)(2)C1*M.y＝(-1)*(S7)+(-0.7)*(S6+S8)+0*(S1+S5)+0.7*(S4+S2)+1*(S3)公式中M.x和M.y是定位信號在x和y軸的強度。C1是調(diào)整系數(shù)。S1到S8是各個傳感器單元上產(chǎn)生的有效信號。所謂“有效信號”是說這些信號是由橡皮邊44壓迫傳感器38而產(chǎn)生的。這些信號可以與用力強度相關，也可以與用力時間長短相關。此外，本實施例的位移檢測元件除采用上述的橡皮邊和壓敏傳感器以外，還可以采用類似的相關檢測元件。比如在移動體34的周圍傳感器38可以是電磁傳感器或光傳感器，而在移動體34上置入電磁發(fā)射源或光源。這樣通過傳感器上的感應信號也可檢測移動體的移動。
圖6B顯示當手指順時針轉(zhuǎn)動移動體34的情況。從圖3中已經(jīng)知道，轉(zhuǎn)動移動體34會改變變阻器56的電阻。這樣轉(zhuǎn)動輸入的強度M.z可以從公式(3)算出(3)C2*M.z＝R2-R1公式中R1和R2是在移動體34轉(zhuǎn)動之前和之后的變阻器的阻值。C2是調(diào)整系數(shù)。
信號處理裝置46按照公式(1)，(2)和(3)對壓敏傳感器和變阻器上的信號進行處理，產(chǎn)生三路與M.x，M.y和M.z相關的控制信號。這三路控制信號可以用來控制受控目標在三個自由度上的移動。一般上說，這些控制信號最好用來控制受控目標在X，Y和Z軸移動的速度，因而本發(fā)明屬于速控定位設備。
另外，由于要控制目標在X，Y和Z軸上雙向的移動，控制信號M.x，M.y和M.z必須有正負之分。本發(fā)明利用檢測移動體的順時針和逆時針的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生雙極性信號，從而解決了控制信號M.x，M.y和M.z的正負之分。在本發(fā)明中，手指的向下按動被用來操作按鈕而不是用來產(chǎn)生方向控制信號。
從上面的描述可以看出，本實施例中可同時產(chǎn)生多路定位信號與非定位信號。本實施例中將按鈕集成在移動體上，并以特殊的手指操控結(jié)構讓手指在無需切換的情況下同時進行兩類信號的輸入。
圖7A～7C具體描述了在本實施例中的按鈕集成與手指操控結(jié)構。圖7A展示一個手指74如何操控按鈕蓋26來同時推動移動體34和按下按鈕52。按鈕蓋26的頂部是凹槽28。凹槽28的斜壁表面72使得手指不用太往下按變可以水平用力推動移動體。凹槽28的斜壁表面72上的防滑紋路同樣也起到幫助手指操控移動體34的作用。與此同時，按鈕蓋26還可以在圓槽68中垂直移動，這樣手指就可以向下按觸發(fā)按鈕52。由于按鈕52有預設的觸發(fā)門限，按鈕52不會在手指推動移動體時被錯誤地觸發(fā)。
圖7B展示另一個可以讓手指同時推動移動體34和按動按鈕52的方法。圖中，手指操控的元件是一層防滑的橡皮層76。橡皮層76封住了裝有按鈕52的圓槽68的頂部。當手指輕壓在橡皮層上時，橡皮層會稍微形變，手指和橡皮層之間的摩擦力使手指能水平地推動移動體。橡皮層76和按鈕52之間的空隙78使得在橡皮層會稍微形變時，手不會錯誤地觸發(fā)按鈕52。此外，由于按鈕52有預設的觸發(fā)門限，按鈕52不會被較小的壓力錯誤地觸發(fā)。但當需要時，手指可以較重地按在橡皮層上，通過橡皮層按動按鈕52。
圖7C展示一個結(jié)合上述兩種結(jié)構(按鈕蓋26和橡皮層76)的手指操控結(jié)構。在這一結(jié)構中，橡皮層拉住按鈕蓋，較圖7A的結(jié)構而言，使按鈕52更不容易被錯誤地觸發(fā)。橡皮層也幫助橫向傳力，使水平推動移動體更容易，可靠。
上述三種手指操控結(jié)構中不加修改地采用市場上標準的按鈕。其實，為了讓手指在無需切換的情況下同時進行定位信號與非定位信號的輸入，也可以采用非標準元件。比如說，可以將按鈕蓋做成按鈕的一部分。
從本實施例中可以看到，本發(fā)明完全由手指操作；可以控制目標在三個自由度的移動。本發(fā)明中的特殊的手指操控結(jié)構和集成的按鈕可以讓手指在無需切換的情況下同時進行定位信號與非定位信號的輸入。
實施例2本發(fā)明的結(jié)構示意圖如圖8、9、10、11所示，上述移動體34置于基體32的上方，移動體34的上表面開有若干個圓槽68，輸入元件A為設置在圓槽68內(nèi)的按鈕52，按鈕52的頂端分別設有可供手指同時移動移動體和操作開關按鈕的操控機構，若干個復位元件C連接在移動體34的底部與基體32的頂部之間，將移動體34和基體32連在一起，檢測元件B為設置在移動體34與基體32之間、可在觸點筆或手指的作用下用來檢測移動體34的平移和轉(zhuǎn)動的若干塊觸控板82，信號處理裝置46裝在基體42的底部，信號處理裝置46的輸入端與觸控板82連接，輸出端通過輸出電纜36與電腦信號處理單元連接。
本實施例中，移動體34的結(jié)構與實施例1基本相同，也有一個可以在基體32上滑動的移動體34。不同之處在于本實施例并不采用壓敏傳感器組來檢測移動體的平移，也取消了檢測移動體的轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)式變阻器和相應的旋桿。本實施例采用兩片觸控板82A、82B來檢測移動體34的移動，兩片觸控板同時檢測移動體34的平移和轉(zhuǎn)動。信號處理裝置46可以收集并處理觸控板產(chǎn)生的信號。觸控板屬常規(guī)的定位元件。它的主要特點是在觸點筆或手指的作用下，能通過感受觸點的壓力來給觸點定位。
上述移動體34與基體32的支撐面66之間設有若干個可減小二者相對運動時的摩擦力的滾珠軸承50。滾珠軸承50可以使移動體34在基體32滑動時只有很小的摩擦力。本實施例中，上述移動體34與基體32的支撐面66之間設有四個滾珠軸承50A、50B、50C、50D，其中的兩個滾珠軸承50A、50C分別置于兩片觸控板82A、82B上，起到觸點筆的作用，如圖9、10所示。
上述復位元件C可為復位彈簧、也可為彈性桿、橡皮筋、彈性充填料，或是磁性材料。本實施例中，復位元件C為連接在移動體34的底部與基體32的頂部之間、將移動體34和基體32連在一起的兩個復位彈簧80A、80B，如圖9所示。從圖9中還可以看到，兩個復位彈簧80A、80B的一端分別置于基體32所設的小孔84A、84B中，另一端支撐在移動體34上，彈簧80A、80B將移動體34的底部與基體32的頂部連接起來。
圖10顯示滾珠軸承50的四個滾珠50A、50B、50C、50D均勻分布在移動體34下。圖中顯示，在沒有外力的情況下，移動體34處于一個中性的位置。這時兩個觸點滾珠50A、50C基本位于各自觸控板的中間位置。
圖11A顯示移動體34在外力下產(chǎn)生一個位移。圖中，觸點滾珠50A和50C也從位置A′和B′移到位置A和B。這種位置移動被各觸控板記錄下來。
如在圖11A中的兩個放大圖所示，第一個觸控板82A記錄下觸點滾珠50A的位移A′A。第二個觸控板82B則記錄下觸點滾珠50C的位移B′B。通過這兩個位移可以推算出在x-y平面上定位信號的強度。公式(4)和公式(5)給出這樣一個推算的例子(4)C3*M.x＝A′A.x+B′B.x(5)C3*M.y＝A′A.y+B′B.y公式中M.x和M.y是沿x軸和y軸產(chǎn)生的定位信號的強度。A′A.x和B′B.x是位移AA′和BB′在x軸的投影(分量)；A′A.y和B′B.y是位移AA′和BB′在y軸的投影。C3是調(diào)整系數(shù)。
圖11B顯示移動體34順時針轉(zhuǎn)動的情形。在圖中，觸點滾珠50A從位置A′移動到位置A；觸點滾珠50C從位置B′移動到位置B。經(jīng)公式(6)可以推算由移動體轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的定位信號的強度M.z(6)C4*M.z＝R公式中R是位移AA′和BB′間的夾角。C4是調(diào)整系數(shù)。
觸控板一直以來被用作常規(guī)的位控指點裝置。本發(fā)明創(chuàng)新地將觸控板用在速控指點裝置中。就是說，觸控板被用來檢測移動體的相對于某一固定原點的移動，移動的距離決定了產(chǎn)生的控制信號的強度。作為速控指點裝置，控制信號的強度被用來控制目標在輸出空間的速度。
此外，在本實施例中，也可只用一片觸控板就可以實現(xiàn)對兩個觸點滾珠的檢測。
另外，在本實施例中，除了上述的觸點滾珠加觸控板的方法以外，也可以用光源在光敏元件上掃描來檢測移動體的位移。其它的位移檢測技術，像模式識別，電磁偶合等等，都可以用在本實施例中。
本實施例的使用方式與實施例1相同。
實施例3
本發(fā)明的結(jié)構示意圖如圖12所示，上述按鈕52的旁側(cè)、移動體34上還集成有滾輪94，滾輪94滾動產(chǎn)生的信號可以用來卷動文件窗內(nèi)的文件。滾輪94與一般的滾輪鼠標(如微軟的IntelliMouse)上的滾輪相似。使用時，食指和無名指操作按鈕蓋26，中指則滾動滾輪。滾輪滾動產(chǎn)生的信號可以用來卷動文件窗內(nèi)的文件。
實施例4本發(fā)明的結(jié)構示意圖如圖13所示，其創(chuàng)新地將移動體和軌跡球產(chǎn)生的多路定位信號分別控制目標在各個自由度的運動，本發(fā)明包括有a)可在某一平面內(nèi)移動的移動體(34)；b)可繞某一點轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動體D；c)檢測移動體移動的檢測元件B，產(chǎn)生至少兩路定位控制信號；d)檢測轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動的檢測元件F，產(chǎn)生至少兩路定位控制信號；本發(fā)明的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，還包括有在移動體不受其它外力時將移動體從位移后的位置返回到原點位置的復位元件C。
上述移動體(34)在某一平面內(nèi)的移動包括在該平面內(nèi)平移和繞與其平移平面垂直的某一軸線轉(zhuǎn)動，且檢測元件B產(chǎn)生三路定位控制信號。
上述轉(zhuǎn)動體D的繞某一點的轉(zhuǎn)動包括繞x，y，z軸的旋轉(zhuǎn)，且檢測元件F產(chǎn)生三路定位控制信號。
上述轉(zhuǎn)動體D可集成在移動體(34)上，也可不集成到移動體(34)上。本實施例中，為方便使用，轉(zhuǎn)動體D集成在移動體(34)上。本實施例中，轉(zhuǎn)動體D是軌跡球(96)。
本實施例中，上述移動體34做成塊狀，其寬度可等于或大于其平均高度，且其上表面基本平坦，檢測元件B可包括壓敏傳感器(38)和旋轉(zhuǎn)式變阻器(56)和相應的旋桿(60)；或檢測元件B是觸控板(82)和相應的觸點筆，復位元件C為彈簧，其結(jié)構與實施例1、2相同。
上述檢測元件F包括多個滾動編碼器(98)，軌跡球的工作原理和使用方法是人們所熟知。如圖14A所示，常規(guī)的軌跡球含有兩個滾動編碼器98A、98B，每個編碼器將軌跡球96沿某一方向的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成一路定位控制信號。常規(guī)的軌跡球因而只能產(chǎn)生兩路控制信號。如圖14B所示，本發(fā)明中引入第三個滾動編碼器98C來檢測軌跡球(96)繞z軸的旋轉(zhuǎn)，這樣，軌跡球的滾動就產(chǎn)生第三路控制信號。使用時，食指和無名指操作按鈕蓋26，中指則滾動軌跡球。
與實施例1、2一樣，本實施例通過操縱移動體可以產(chǎn)生三路控制目標沿X，Y，Z軸的平移的信號。另外，軌跡球被用以產(chǎn)生三路定位信號，軌跡球產(chǎn)生的三路定位信號則可以用來控制目標沿X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)了一種創(chuàng)新的六自由度輸入方法。
另外，本實施例將軌跡球96的轉(zhuǎn)動影射到目標的轉(zhuǎn)動十分貼切自然。比起常規(guī)軌跡球?qū)⑵滢D(zhuǎn)動影射到目標的平移，本實施例更易學習和掌握。其它的用于軌跡球的檢測技術如光學的圖像識別的方法也可以在本實施例采用。
另外，如在通常只需要兩個自由度控制信號的情況下，上述實施例1中的旋轉(zhuǎn)式變阻器和相應的旋桿可以不要，實施例2中只需要一片觸控板和一個觸點滾珠。簡化后的結(jié)構不能實現(xiàn)對z軸的輸入，但因為元件減少，整個裝置的復雜程度和生產(chǎn)成本都降低了。另外也可采用市場上現(xiàn)有的方位檢測元件，如指點桿，來替換實施例1中的壓敏傳感器或?qū)嵤├?中的觸控板來產(chǎn)生方位信號。這種結(jié)構雖只能作兩個自由度控制信號的輸入，但比常規(guī)的指點設備仍然優(yōu)越很多。和普通的指點桿相比，本發(fā)明移動體的頂部寬而平坦，易于被手指控制和操作，并能有效地支撐手指。本發(fā)明的移動體與按鈕集成在一起，因而沒有必要在別處另外加裝按鈕。和鼠標器相比，本發(fā)明只需要很小的操作空間。且由于本發(fā)明屬速控指點設備，在移動光標通過較長距離時，不需要象鼠標和其它位控指點設備一樣反復地滑動。
本發(fā)明的手指操控結(jié)構可以讓手指同時進行“指向”和“點擊”。由于介入操作的手指較少，故本發(fā)明的尺寸可以很小。
此外，本發(fā)明除了可以將各類輸入元件集成到移動體上，輸入元件更可以集成到基體上。比如在圖5中，在拇指和無名指下可以各放置一個按鈕(未示出)。在本發(fā)明中，按按鈕的手指同時可以推動移動體，這樣其它的手指就可以空出來進行別的操作了。
權利要求
1.一種新型的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于包括有a)可在某一平面內(nèi)平移的移動體(34)；b)至少一個與移動體集成的輸入元件A；c)檢測移動體的位移信號作為定位控制信號的檢測元件B；d)輸入端與檢測元件連接、輸出端與電腦連接的信號處理裝置46；e)移動體不受其它外力時將移動體從位移后的位置返回到原點位置的復位元件C。
2.根據(jù)權利要求1所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于a)移動體(34)置于不動的基體(32)上；b)復位元件C連接在移動體(34)與基體(32)之間；c)檢測元件B位于移動體(34)與基體(32)之間；d)信號處理裝置(46)裝在基體(32)的底部，信號處理裝置(46)的輸入端分別與輸入元件A和檢測元件B連接，輸出端通過輸出電纜(36)與電腦信號處理單元連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述輸入元件A可為按鈕、滾輪、壓敏元件、觸控板、微型軌跡球或微型指點桿；上述復位元件C可為復位彈簧(48)、也可為彈性桿、橡皮筋、彈性充填料，或是磁性材料；上述檢測元件B包括有壓敏傳感器(38)和橡皮邊(44)，或檢測元件B為觸控板。
4.根據(jù)權利要求1所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述輸入元件A是按鈕(52)，且按鈕(52)的上方有可供手指同時移動移動體和操作開關按鈕的操控機構。
5.根據(jù)權利要求4所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述操控機構可為防滑的橡皮層(76)，也可為按鈕蓋(26)，按鈕(26)的頂端分別設有一個大小可由手指尖嵌入的凹槽(28)。
6.根據(jù)權利要求1或2或3或4或5所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述移動體(34)與基體(32)之間設有可減小摩擦力的減摩結(jié)構E；移動體(34)做成塊狀。
7.根據(jù)權利要求6所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述移動體(34)還可繞某一與其平移平面垂直的軸線轉(zhuǎn)動。
8.根據(jù)權利要求7所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述檢測元件B還可包括有檢測移動體轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)式變阻器(56)和相應的旋桿(60)，旋桿(60)的下端固定在旋轉(zhuǎn)式變阻器(56)上，上端經(jīng)孔(58)穿過基體(32)支撐面(66)插入移動體(34)底部、直徑比旋桿(60)稍大的小孔(61)中，且旋桿(60)的頂端通過定位銷(62)連接到移動體(34)上，信號處理裝置(46)的輸入端還與變阻器(56)連接。
9.一種新型的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于包括有a)可在某一平面內(nèi)移動的移動體(34)；b)可繞某一點轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動體D；c)檢測移動體移動的檢測元件B，產(chǎn)生至少兩路定位控制信號；d)檢測轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動的檢測元件F，產(chǎn)生至少兩路定位控制信號；
10.根據(jù)權利要求9所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于還包括有在移動體不受其它外力時將移動體從位移后的位置返回到原點位置的復位元件C。
11.根據(jù)權利要求9所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述移動體(34)的在某一平面內(nèi)的移動包括在該平面內(nèi)平移和繞與其平移平面垂直的某一軸線轉(zhuǎn)動，且檢測元件B產(chǎn)生三路定位控制信號。
12.根據(jù)權利要求9或10或11所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述轉(zhuǎn)動體D繞某一點的轉(zhuǎn)動包括繞x，y，z軸的旋轉(zhuǎn)，且檢測元件F產(chǎn)生三路定位控制信號。
13.根據(jù)權利要求12所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于上述轉(zhuǎn)動體D可集成在移動體(34)上，也可不集成到移動體(34)上。
14.根據(jù)權利要求13所述的可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置，其特征在于移動體(34)做成塊狀，轉(zhuǎn)動體D是軌跡球(96)，檢測元件B包括壓敏傳感器(38)和旋轉(zhuǎn)式變阻器(56)和相應的旋桿(60)；或檢測元件B是觸控板(82)和相應的觸點筆，檢測元件F包括多個滾動編碼器(98)，復位元件C包括彈簧(48)。
全文摘要
本發(fā)明是一種可用于電腦輸入的多自由度信號輸入裝置。包括有a)可在某一平面內(nèi)平移的移動體(34)；b)一個可與移動體集成的輸入元件A；c)檢測移動體的位移信號作為定位控制信號的檢測元件B；d)輸入端與檢測元件連接、輸出端與電腦連接的信號處理裝置46；e)移動體不受其它外力時將移動體從位移后的位置返回到原點位置的復位元件C。本發(fā)明還可包括有可繞某一點轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動體D及檢測轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動的檢測元件F，本發(fā)明可以提供多達六個自由度的輸入信號，而且只需用手指便可完成全部操作。其尺寸小，符合人體工程學原理，易于操控，可提供手掌支撐和手感反饋，長期操作不易疲勞；可以在不切換手指的情況下同時進行“指向”和“點擊”的操作。
文檔編號G06F3/033GK1477490SQ0312356
公開日2004年2月25日 申請日期2003年5月13日 優(yōu)先權日2002年5月14日
發(fā)明者陳長城 申請人:陳長城