CN100399248C - 计算机用输入外围设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种计算机使用的输入外围设备，该外围设备包括由操作者手持的活动部分，并且配置适合于产生电气信号的电气传感器，以便响应由操作者输送给活动部分的移动而将信号传送到计算机中，设备的活动部分包括通过关节装置而连接在固定底座(2)上的外壳(4)，关节装置配置为容许外壳(4)相对于底座(2)的所有可能的运动，除去在基本上垂直于底座(2)支承平面方向移动的运动。

Description

计算机用输入外围设备
技术领域
本发明涉及计算机使用的输入外围设备，用于在现场屏幕上操纵虚拟事物，诸如计算机辅助设计(CAD)、计算机图表、视频游戏或医疗图像等现场，并且也可用于操纵实际事物，诸如监视摄像机、机器人或三维测量机等。
发明背景
一种通常计算机用的已知输入外围设备，一般称作鼠标，包括一个外壳，操作者在其上面靠手，并且固定在适合在平坦表面上滑动的底座上。这样的鼠标配合能够产生电气信号的电气传感器，响应鼠标的移动而将信号传送到计算机中，使移动在两个明显不同的方向上区别，这在多数办公应用中已经足够，但是对于使虚拟或实际事物在三维空间中进行操纵还是不够，由于这需要六个自由度的控制。
输入外围设备也是众所周知的，例从在美国专利No.6 333 733中，由固定的底座和通过活动关节连接在底座上的外壳构成，该关节容许外壳相对于底座在位移方面有三个自由度而在旋转方面也有三个自由度。操作者根据需要对于所操纵物件的运动在三维空间中移动外壳，并且可以同时在几个自由度上进行。对于配合从这样输入外围设备上传感器出来信号响应的软件有利地应如此编制程序，使受控制物件的运动能够忠实地复制外壳的运动。
不过，诸自由度之一对应于外壳向垂直于支承平面运动的方向，其中外围设备的底座倚靠在该支承平面移动。该特征阻止手倚靠在外壳上并且要求设置带有腕关节延伸部分的靠手(即手腕处)，这随着时间过去将发生肌肉骨骼失调，又称作腕管综合症。
发明目的
本发明目的是提供一种输入外围设备，它能够在使用中如同普通的鼠标一样提供同样舒适性，而仍容许操纵有效数量的自由度。
发明内容
更精确地说，本发明提供一种计算机用的输入外围设备，该外围设备包括由操作者手持的活动部分，该活动部分配置有适合于产生电气信号的电气传感器，以便响应由操作者输送给活动部分的移动而将信号传送到计算机中，其特征为，活动部分包括通过关节装置而连接在固定底座上的外壳，关节装置配置为容许外壳相对于底座的所有可能的运动，除去在基本上垂直于底座支承平面方向移动的运动。
外壳然后能够操纵五个自由度，即对应于基本上平行于支承底座平面方向移动的两个自由度，和在旋转方向的三个自由度，它们能够对应于所操纵物件的五个相应自由度。
至于未提及的第六自由度，它可以由配置在外围设备上的控制件所控制。
如此，有可能至少控制所操纵物件的五个自由度而继续支持手腕，并且在外壳运动和所操纵物件运动之间保持非常本能的一致性。
附图简要说明
本发明能够根据以下参照附图的描述更好地理解，其中：
图1为本发明第一具体实施例的纵向剖面图；
图2为图1的平面图，其中输入外围设备的外壳按照图1中II-II线部分剖开；
图3为相似于图1的视图，显示构成本发明第二具体实施例的外围设备；和
图4为相似于图1的视图，显示构成本发明第三具体实施例的外围设备。
具体的实施方式
参照图1，本发明的输入外围设备1包括放置在支承平面3、例如为操作者的办公桌上的底座2。
输入外围设备1包括符合生物工程学曲线形状的外壳4，适合于容易地在手中握持。
外壳4通过关节装置连接在底座2上，在此情况中在底座2和外壳4之间延伸连接元件5。连接元件5具有球形顶端6，该顶端容纳在外壳4中的形状互补的球形空穴7中，和底部平面端8，该端压紧在底座2的平面表面9上，而平面9平行于支承平面3。
可以观察到，平面表面9在本例中平行于支承平面3。在一种变型中它能够相对于所述支承平面延伸成为角度。
以下，名词“横向”方向用来表示垂直于平面表面9的方向。
这些部署使下列运动成为可能：
-外壳4的旋转运动，它能够使操作者的手在外壳4上围绕连接元件5顶端6中心所施加力矩的影响下相对于底座2转动；和
-外壳4的移动运动能够通过操作者的手施加在底座平面上的力而相对于底座2移位，在此时连接元件5的底部平面端8的位移在底座2的平面9上滑动。
旋转运动使外壳4在旋转方面有三个自由度，而移动运动使外壳4在位移方面有两个自由度。
应该观察到，操作者的手在外壳4上在横向所施加的力通过连接元件5直接传递到底座2，而并不导致外壳运动。操作者的手这样可以倚靠在外壳4上，从而除解手臂疲劳和避免依靠在手腕区域上。
在外壳4和底座2之间的关节装置使外壳4具有五个自由度，可以有利地用来代表通过本发明输入外围设备所操纵的虚拟或实际物件相应的五个自由度。
至于第六个自由度，具体即为对应于被关节装置所阻止的横向移动运动，它能够通过由外壳4所携带的滚动轮100所控制。在该例子中，滚动轮100为可枢转地安装在外壳4中的不完整扇形件以便在一定的角度范围内枢转。
为测量外壳4相对于底座2的运动，输入外围设备1配置运动传感器，它们未在图中显示以便使附图清晰易懂。
为测量外壳4相对于底座2的运动，输入外围设备1配置有辅助零件，具体为第一滑块10和第二滑块15，它们使位置传感器的放置更加容易。
第一滑块10安装在底座2上，以便在方向14(显示在图2中)上滑动，并在球形端6的中赤道平面(平行于平面表面9)中延伸。为此目的，如在图1中可见，第一滑块具有狭槽11，其中接纳由固定在底座2上的竖壁13所携带的凸榫12，并且在平面表面9的两侧延伸而互相对准。
第二滑块15安装在第一滑块10中以便在方向16上滑动，方向16在上述中赤道平面中延伸，而垂直于方向14。为此目的，第二滑块具有凸榫17(其中一个可以在图2中剖面看到)，它在第一滑块10中凹槽18内滑动。
滑块10和15并不构成对外壳4和底座2之间的关节装置的影响。不过它们可以通过提供底座2和第一滑块10的接触、和第二滑块15和第一滑块10之间的接触来限制外壳4在方向14和16的运动。
连接元件5的球形端6携带的立柱21在包含在上述中赤道平面中的径向方向延伸，其端部接纳在第二滑块15的圆形凹槽20中。结果，第二滑块15连续地在连接元件5的球形端6中心定位并且跟随其运动。
当外壳4运动时，第二滑块15按照外壳4在所述方向16的运动分量的相等量运动，拖拽第一滑块10，使其按照外壳4平行于方向`14的运动分量的相等量运动。
应该观察到，为使外壳不管立柱21的存在而转动，在外壳4中的球形空穴7包括凹槽24(这些凹槽可在图2中剖面看到，其中在所述凹槽和立柱21之间的间隙被夸大显示)，使立柱21穿过外壳4的球形空穴7，容许外壳4围绕包含在上述中赤道平面中的轴线在角度方向运动。应该观察到，在外壳4的运动(具有在横向的运动成分)中，连接元件5与外壳4一起转动。这样在外壳4和连接元件5之间建立的连接相似于在两个具有符合一致轴线的轴之间的恒速连接。
这些部署使其容易将传感器放入位置中以便决定外壳4的各种运动。
这样就有可能将运动传感器放在底座2和第一滑块10之间，从而决定外壳4在方向14上的运动。
也可能在第一滑块10和第二滑块15之间放入运动传感器，如此可决定外壳在方向16的运动。
也可能在第二滑块15和立柱21之一的端部之间放入位置传感器，从而决定外壳4围绕垂直于方向14及16的轴线的旋转运动，即围绕平行于横向的轴线。
最后，可以在第二滑块15和外壳4之间放置两个传感器测量在横向的运动，从而有可能决定外壳4围绕两个在上述中赤道平面中延伸的垂直轴线的旋转运动。
最后，为测量由滚动轮100控制的第六自由度，在其轴上放置一个简单旋转传感器就已经足够应付。
控制运动本身而不是控制其速度是有利的。为此，软件利用从输入外围设备的传感器来的信号进行编程，使所操纵的物件在外壳(或滚动轮)的平衡位置和操作者设定的移动位置之间的差别成正比的速度下运动。
为限定外壳的角度位置，输入外围设备1配置有螺旋弹簧22，延伸在底座2的立柱13和第二滑块15之间。弹簧22只以拉力工作，并且对第二滑块施加返回力，迫使其如图2所示趋向中心位置，其中弹簧22均施加同样的力量并且基本上互相在同一条直线上延伸。
第二滑块15的返回也导致第一滑块10返回，并且还有连接元件5，以及最后为外壳4。应该观察到，弹簧22所施加的返回力只涉及到所述各零件的移动运动，而根本不涉及外壳4或连接元件5的旋转运动。
为完成返回动作，螺旋弹簧23(在图1中显示)延伸在第二滑块15和外壳4之间，其端部各自夹持在该两零件中。外壳4围绕平行于横向的轴线的旋转对于弹簧23施加扭转，而围绕垂直于横向的轴线的旋转对弹簧施加不对称的压缩。在两种情况中，弹簧23施加趋向于使外壳回到角平衡位置的返回力。一旦由立柱21实施的恒速连接和连接元件5及外壳4之间的凹槽24已经确立，外壳14的返回也促使连接元件5向图2所示位置返回。
如此弹簧22和23限定了外壳4的唯一平衡位置，不论其如何运动均将返回该位置。
最后，滚动轮100本身通过简单的弹簧叶片(未示)，返回到其角度运动范围的中间平衡位置，
在一种变型中，可能设置扭力弹簧。
外壳4和滚动轮100的平衡位置用来测量所述平衡位置和操作者设置外壳或滚动轮的位置之间的差别。
应该观察到，第一滑块10和第二滑块15从不直接承受由操作者的手施加的力量。具体地说，不承受任何直接从外壳4通过连接元件5传递到底座2的横向力量。滑块10和15只承受在平行于底座2的平面表面9中的驱动力，和来自返回弹簧22及23的力。它们因此只经受很小的力。
在图3中显示的第二具体实施例中，连接元件5’仍具有球形的第一端6’，该端与其在外壳4’中形状互补的空穴7’合作，使手的重量依靠在外壳4’上而直接传递到底座2’上。不过，上述实施例中的立柱和凹槽被凹槽30所代替，后者具有第一端携带的曲线形侧面，并且与外壳4`携带的相容凹槽31合作。凹槽30、31在外壳4’和支承元件5’之间围绕一个轴线提供旋转连接，而容许外壳在包含于中赤道平面中的方向运动。为使第二滑块15’连续地把中心定在支承元件5’中，第二滑块15’包括一个与外壳4’的互补球形承受表面33合作的球形空穴32，该球形空穴和互补的承受表面具有与球形端6’相同的中心。
在图4所示的第三具体实施例中，连接元件5”具有类似凹弧滑轮的收腰形状，并且采用各向异性的弹性体材料制成，该材料能够在围绕圆形对称轴线Z的扭力下，和在围绕所述对称轴线的弯曲力矩下弹性变形。在此情况中，连接元件5”如此设置，使滑轮形状的圆形对称轴线Z在横向延伸。
连接元件5”具有嵌入在外壳4”中的第一端6”和嵌入在第二滑块15”的底板40中的第二端8”，该底板自由地压紧在底座2”的平面表面9”上。支承元件5”这样就不再与平面表面9”直接接触，但保持通过底板40压紧，如此提供一种连接方式，使连接元件在平面表面9”上滑动，而使支承元件的第二端可滑动地接纳在底座2”中，其方式相似于以上的实施例。外壳4”如此可以在平行于平面表面9”的两个方向上运动。
此外，连接元件5”的弹性容许外壳4”沿平行于平面表面9”的轴线方向运动，和容许外壳4”围绕横向方向旋转，从而在外壳4”和球形底座2”之间提供活动关节，相似于以上的例子。
总之，连接元件5”在底座2”和外壳4”之间提供关节装置，它容许有五个自由度，而仍保持手依靠在外壳4”上，其中该力量通过连接元件5”和第二滑块15”的底板40传递到底座2”上。
在这方面，应该观察到，连接元件在方向Z上呈现高度刚性，远较其在弯曲和扭转方面的刚性为大。
应该观察到，第二滑块15”仍可滑动地装在第一滑块10”上，使第一滑块10”阻止第二滑块15”围绕横向方向转动，从而防止连接元件的第二端8”转动。这样的部署使其有可能，在纯粹通过压紧连接元件5”端部而获得外壳4”运动的返回之外，组织外壳围绕横向方向的旋转返回。
也应该观察到，因为连接元件5”的端部8”嵌入在第二滑块15”的底板40中，第二滑块中心永久地保持在连接元件5”的轴线Z上。
本发明不限于以上描述的具体实施例，相反还包括任何落在权利要求所定义发明范围中的变型。
具体地说，虽然滚动轮显示为设置在外壳中，它同样也可以放置在固定的底座上。
虽然输入外围设备显示为具有独立的底座，所述底座可以形成其它结构的整体部分，诸如写字台面或键盘。
虽然用于外壳返回到其平衡位置的返回装置显示为由螺旋弹簧构成，返回装置的变型可以由弹性元件构成，例如延伸在第二滑块和外壳之间的管状元件。
虽然控制第六自由度的零件显示为滚动轮，也可能采用其它控制件，诸如微型操纵杆或者实际上类似控制汽车窗户的按钮。控制件可以如图所示安装在外壳上，或在底座上。只要需要，可以添加其它控制件以便控制附加的自由度(例如用于操纵机器人手臂)，或者用于控制其它功能(例如，选择按钮)。

Claims (12)

1.一种计算机使用的输入外围设备(1)，该外围设备包括由操作者手持的活动部分，该活动部分配置有适合于产生电气信号的电气传感器，以便响应由操作者输送给活动部分的移动而将信号传送到计算机中，其特征为，活动部分包括通过关节装置而连接在固定底座(2)上的外壳(4)，关节装置配置为容许外壳(4)相对于底座(2)的所有可能的运动，除去在垂直于底座(2)支承平面方向移动的运动。
2.按照权利要求1所述的输入外围设备，其特征为，关节装置包括具有第一端(6)和平面第二端(8)的连接元件(5)，第一端与外壳(4)合作提供球形连接，而第二端可滑动地压紧在底座(2)的平面表面(9)上。
3.按照权利要求2所述的输入外围设备，其特征为，连接元件(5)的第一端(6)为球形并且接纳在外壳(4)的互补空穴中。
4.按照权利要求3所述的输入外围设备，其特征为，连接元件(5)的第一端(6)和外壳(4)包括合作装置，容许外壳(4)围绕包含在平行于底座平面表面(9)中的轴线运动，同时联合连接元件(5)和外壳(4)围绕垂直于所述平面的轴线旋转。
5.按照权利要求4所述的输入外围设备，其特征为，合作装置包括在平行于底座平面表面(9)的球形端(6)中赤道平面中延伸的立柱(21)，该立柱(21)延伸通过在外壳(4)球形空穴(7)中的凹槽(24)，使外壳(4)围绕包含在中赤道平面中的轴线旋转地运动。
6.按照权利要求4所述的输入外围设备，其特征为，合作装置包括具有延伸在外壳(4`)和连接元件(5`)第一端(6`)之间的曲线形侧面的凹槽(30、31)。
7.按照权利要求2所述的输入外围设备，其特征为，还包括第一滑块(10)和第二滑块(15)，第一滑块安装成为在底座(2)上沿第一方向(14)滑动，该第一方向在平行于底座(2)的平面表面(9)的一平面中，而第二滑块(15)可滑动地装在第一滑块(10)中，并且沿第二方向(16)滑动，该第二方向也包含在所述平面中并且垂直于第一方向(14)，第二滑块(15)包括使其中心定位在连接元件(5)上的装置(20、24；33、32)。
8.按照权利要求2所述的输入外围设备，其特征为，连接元件包括各向异性弹性件(5”)，首先支承在底座的平面表面上，其次支承在外壳上，适合于在平行于底座(2”)的平面表面(9”)的方向上弹性地弯曲。
9.按照权利要求7所述的输入外围设备，其特征为，还包括返回装置(22、23)，以便使外壳向平衡位置返回。
10.照权利要求9所述的输入外围设备，其特征为，返回装置包括延伸在底座(2)和第二滑块(15)之间的螺旋弹簧(22)。
11.照权利要求9所述的输入外围设备，其特征为，返回装置包括延伸在外壳(4)和第二滑块(15)之间的螺旋弹簧(23)，并且其一端保持在外壳(4)上而另一端保持在第二滑块(15)上。
12.按照权利要求1所述的输入外围设备，其特征为，还包括控制附加自由度的零件(100)。
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