CN100590578C - 一种人机交互输入装置和输入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人机交互输入装置和输入方法，其中，装置包括：滑片、回弹机构及光学模块；所述滑片具有一原点位置和一偏离区域，用于在一外力作用下在所述偏离区域内移动；所述回弹机构用于在所述外力撤离的条件下，将所述滑片回归所述原点位置；所述光学模块设置在所述滑片下方，通过发出光线并接收所述滑片反射的光线，来确定所述滑片的移动信息，并根据所述移动信息通过模块内含电子部分的计算来确定图形界面上光标的移动速度和移动距离。本发明占用很小的空间就实现了光标的全屏控制，采用的光学引擎成本低廉且稳定性高，可广泛应用于笔记本电脑、遥控器、甚至手机等空间有限的设备。

Description

一种人机交互输入装置和输入方法

技术领域

本发明涉及计算机的输入输出设备，特别是涉及一种新型的人机交互输入装置和输入方法。

背景技术

以笔记本电脑为代表的具有较大屏幕(12”或更大)和较高运算速度的便携式电子设备，均采用的是图形化交互界面(GUI)，而鼠标等自由路径光标控制设备是图形化交互界面最为重要的输入输出控制设备。自由路径光标控制设备目前主要有两种器件：

1)基于电容感应原理的触控板(TouchPad)；

2)基于压力感应原理的指点杆(TrackPoint)；

触控板的工作原理是利用使用者的手指接触到触控板的瞬间产生一个电容效应，因而可由电容值的变化来判断手指的位置。因为要将触控板上表面作为一个电极，所以要求材料比较严格，同时结构也局限的很严，不能兼顾使用手感和界面设计，附加功能也非常有限。

此外，电容式触控板所占体积较大，并且其灵敏度对环境温度、湿度等变化比较敏感，在极端恶劣环境下失效的可能性较大。

而指点杆的工作原理是：由于手指在指点杆上的施力方向和大小不同，通过检测部件下方在X-Y两个方向的应变，从而系统得知操作者欲控制光标运动的方向和速度。

指点杆的优点是占用面积较小，灵敏度高，但其缺点也比较突出，如：部分用户始终不适应此操作方式，容易产生持续变形，高度较高影响便携产品结构设计等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人机交互输入装置和输入方法，解决现有技术不能利用光学模块在较小的移动范围内实现图形界面的光标控制的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种人机交互输入装置，其中，包括：滑片、回弹机构及光学模块；所述滑片具有一原点位置和一偏离区域，用于在一外力作用下在所述偏离区域内移动；所述回弹机构用于在所述外力撤离的条件下，将所述滑片回归所述原点位置；所述光学模块设置在所述滑片下方，通过发出光线并接收所述滑片反射的光线，来确定所述滑片的移动信息，并根据所述移动信息确定图形界面上光标的移动速度和移动距离。

上述的装置，其中，所述偏离区域分为靠近所述原点位置的第一区域和远离所述原点位置的第二区域，所述光学模块根据所述滑片偏离所述原点的方向和位移量来移动所述光标，并且，如果所述滑片停留在所述第二区域内，则所述光学模块按照预先设定的速度持续移动所述光标，直到所述滑片再次移动。

上述的装置，其中，所述预先设定的速度为根据滑片停留时间呈非线性变化的变量。

上述的装置，其中，所述滑片的边缘具有一个导电的第一金属环，所述偏离区域的边界具有一个导电的第二金属环，如果所述第一金属环接触所述第二金属环，则所述光学模块按照预先设定的速度持续移动所述光标，直到所述第一金属环脱离所述第二金属环。

上述的装置，其中，所述预先设定的速度为根据所述第一金属环与所述第二金属环的接触时间呈非线性变化的变量。

上述的装置，其中，所述滑片上具有传感器，所述传感器检测所述外力的大小和接触面积，通过所述传感器实现鼠标的单击和双击功能，并且所述光学模块还根据所述外力大小和接触面积控制所述光标的移动速度。

为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种人机交互输入方法，其中，包括：

步骤一，设置一滑片，所述滑片具有一原点位置和一偏离区域，在一外力作用下所述滑片在所述偏离区域内移动；

步骤二，在所述滑片下方设置一光学模块，所述光学模块通过发出光线并接收所述滑片反射的光线，来确定所述滑片的移动信息，并根据所述移动信息确定图形界面上光标的移动速度和移动距离；

步骤三，设置一回弹机构，在所述外力撤离的条件下，所述回弹机构将所述滑片回归所述原点位置。

上述的方法，其中，在所述步骤一中，将所述偏离区域分为靠近所述原点位置的第一区域和远离所述原点位置的第二区域；在所述步骤二中，所述光学模块根据所述滑片偏离所述原点的方向和位移量来移动所述光标，如果所述滑片停留在所述第二区域内，则所述光学模块按照预先设定的速度持续移动所述光标，直到所述滑片再次移动。

上述的方法，其中，所述预先设定的速度为根据滑片停留时间呈非线性变化的变量。

上述的方法，其中，在所述步骤二中，所述光学模块还通过检测所述滑片的边缘与所述偏离区域的边界的接触时间，以及施加在所述滑片上的外力大小和接触面积来确定光标的移动速度。

上述的方法，其中，在所述步骤二中，所述光学模块根据所述滑片偏离所述原点的方向和位移量来移动所述光标，如果所述滑片与所述原点之间的距离小于预先设定的长度值，则所述光标按照低倍数放大所述滑片的位移；如果所述滑片与所述原点之间的距离大于预先设定的长度值，则所述光标按照高倍数放大所述滑片的位移。

上述的方法，其中，所述光学模块选择为鼠标的整体光学引擎，并且在所述步骤二中，是通过光学引擎内含的电子部分的计算来实现：根据所述移动信息确定图形界面上光标的移动速度和移动距离。

本发明的优点在于：

1：本发明机构部分为移动距离非常小的自动回弹模组，占用很小的滑动距离，并且因为进行了分区控制，既可以实现光标大范围的快速移动，也可以实现光标小范围的精确移动，因此占用了很小的空间就实现了光标的全屏控制，可广泛应用于笔记本电脑、遥控器、甚至手机等空间有限的设备。

2：本发明使用普通光学或激光鼠标模组(光学引擎)，成本低廉，并且因为光学引擎对环境条件要求较为宽泛，相对于现在笔记本电脑上广泛采用的触控板和指点杆来说，具有较高的稳定性；

3：滑片材料丰富多样，仅需在其背面(非外观面)满足平面度及灰度要求即可，能够给设计人员充分的自由来设计好的界面和好的使用手感，提高用户使用感受；

4：产品扩展功能强，可以根据需要增加不同的附加功能；如：附加触摸控制功能，特殊光效显示等；

5：相对现有笔记本电脑的触控板和指点杆技术来说，因为本发明是采用了完全不同的设计原理，所以具有广阔的应用前景和商业价值。

附图说明

图1为本发明基本原理的框图；

图2为本发明提供的输入装置的结构图；

图3为本发明中偏离区域的分区示意图；

图4为本发明中的预定速度根据停留时间变化的速度曲线图；

图5a、5b、5c为本发明中的偏离区域不分区时采用绝对位置算法的示意图；

图6为本发明提供的采用绝对位置法控制光标的流程图；

图7a、7b、7c为本发明提供的采用边界探测法的输入装置的结构图；

图8为本发明提供的采用边界探测法控制光标的流程图；

图9为本发明提供的采用传感器探测法控制光标的原理框图。

具体实施方式

本发明是一种新型的输入输出设备，此设备是一种靠移动滑片引起图像变化，然后根据图像中某些特征来判断移动方向和速度的光学式鼠标控制设备。

本发明的基本原理如图1所示，本发明由两大部分组成：滑片及其回弹机构100，包括有光学模块的电子控制板200。本发明利用光学模块来识别滑片的移动，从而控制图形界面光标的移动。

图2为本发明提供的输入装置的结构图，如图2所示，电子控制板是一个完整的光学鼠标模组，包括：光源、图像传感器芯片(sensor)、透镜模块、主控芯片等。滑片及其回弹机构由固定支架、滑片、回位弹簧等组成。

滑片安装在其回弹机构上，在水平外力分量的作用下(如人的手指推力等)，滑片可以在回弹机构规定的圆形范围内自由运动。光源的作用是照亮滑片底表面，在滑片底表面形成反射光，此反射光通过透镜映射到图像传感器内部的感光矩阵，由此可以把滑片底表面一小区域面积转化成一帧各点灰度不同的点阵图像。透镜的作用是聚焦光线，安装时必须保证透镜的焦点位于滑片的中心原点。图像传感器内部有一个感光矩阵和图像处理器，其感光矩阵通过感光窗口采集到滑片底表面的图像信息，图像处理器对不同时间采集来的图像信息进行处理，找出图像中某些特征点的变化，并由此判断出滑片运动的位移量、速度。图像处理器可以根据各点灰度值的均值来判断滑片底表面的颜色灰度；主控芯片的作用是对图像传感器输出的滑片的位移量、速度，以及滑片底表面颜色灰度等信息进行分析处理，通过特有的算法将滑片的运动转化为屏幕上的光标的运动。PCB(印刷电路板)用于安装和固定相关器件并对各器件进行电气连接。

根据主控芯片对图像传感器输出的滑片的位移量、速度、以及滑片底表面颜色灰度等信息进行分析处理的方法的不同，本发明有以下几种不同的实现方法：

1)分区法

回弹机构中滑片的底表面按灰度值不同分为两个区域，透镜组的焦点为区域1的中心点。见图3所示。

通过滑动回弹机构的滑片，使透镜组的焦点在区域1和区域2中移动，sensor根据滑片下表面的粗糙度以某种速率连续拍照，然后根据所拍图像中某些特征位置的变化来计算、记录滑片在X、Y方向上的偏移量ΔX、ΔY。

另外，sensor根据拍摄到的图像的灰度等级来区分滑片在区域1或区域2中移动。

滑片在区域1中移动时，sensor检测到滑片移动，每间隔一段时间拍一帧图像，并计算出相邻两幅图像的在X、Y上的偏移量ΔX、ΔY，存入相关寄存器。MCU(控制部件，本发明中为主控芯片)时刻监控sensor信号的变化，如有变化，则读取ΔX和ΔY的寄存器值，并清空寄存器。随着滑片连续运动，MCU连续读取ΔX、ΔY值，并累加之。得到累加变量sum_ΔX、sum_ΔY。

MCU通过usb或ps2接口以一定速率向PC(个人计算机)主机传递滑片移动信号Tx_ΔX、Tx_ΔY。下面以滑片在X方向的移动为例说明，Y方向等同之。

如果sum_ΔX的绝对值小于某一预定值象素点，如127(127表示主控芯片MCU和PC通讯一次，信息包里所包含的屏幕光标最大移动距离)，则Tx_ΔX＝sum_ΔX，数据一次性传入PC，同时sum_ΔX清零。如果sum_ΔX大于127，则Tx_ΔX＝127；sum_ΔX＝sum_ΔX-127(sensor是不停的收集、保存滑片移动信息，但却是每隔一定时间才和PC通讯一次，每次传输的最大值的绝对值是127，所以才有上述算法)；重复直至sum_ΔX小于127，Tx_ΔX＝sum_ΔX，sum_ΔX清零。如果sum_ΔX小于负127，则Tx_ΔX＝-127；sum_ΔX＝sum_ΔX+127；重复直至sum_ΔX大于负127，Tx_ΔX＝sum_ΔX，sum_ΔX清零。

PC主机根据收到的Tx_ΔX、Tx_ΔY来移动光标在X、Y方向上的变化。

在滑片由区域1进入区域2后，sensor根据所拍到图像的灰度不同，判断进入区域2，传送一个信号给MCU，MCU读取最新的ΔX、ΔY。此ΔX、ΔY不进行累加。此时有两种情况发生：

第一，滑片停止移动留在此处，实现以下算法：Tx_ΔX＝ΔX；Tx_ΔY＝ΔY；MCU通过usb或ps2接口以不同的速率(注：根据滑片停留的时间，速率呈非线性变化，见图4)持续向PC主机传递滑片移动信号Tx_ΔX、Tx_ΔY，直至滑片移动。

第二，滑片继续在区域2中移动，MCU重新读取最新的ΔX、ΔY，按照滑片在区域1移动时的算法执行运算，直至滑片停止在区域2的某处。此时以最后读取的ΔX、ΔY为准，实现以下算法：Tx_ΔX＝ΔX；Tx_ΔY＝ΔY；MCU通过usb或ps2接口以不同的速率(注：根据滑片停留的时间，速率呈非线性变化，见图4)持续向PC主机传递滑片移动信号Tx_ΔX、Tx_ΔY，直至滑片移动。

滑片由区域2进入区域1，sensor根据所拍到图像的灰度不同，判断进入区域1，实现以下算法：Tx_ΔX＝0；Tx_ΔY＝0；sum_ΔX＝0；

sum_ΔY＝0；然后根据滑片的运动重新重复在区域1中运动的算法。

2)无分区法，其中又包括A、B、C三种方法。

A.绝对位置法

滑片复位时，其中心点位于原点，即滑片的中心点与透镜组的焦点重合。R是滑片中心点运动的轨迹面的最大半径，如图5a、5b、5c所示。其中半径为K(K＜R)的区域用于对光标进行低速精确运动控制。其中，这里的R，K的单位是图像传感器能够分辨出来的像素点，即R个像素点，K个像素点。

图6为本发明提供的采用绝对位置法控制光标的流程图，基本的算法如下：

步骤601.开始，滑片的中心点位于原点。

步骤602.主控制器接收到图像传感器输出的当前时刻的位移增量ΔX，ΔY。ΔX，ΔY为方向性变量。

步骤603.主控制器将接收到的位移增量ΔX，ΔY进行累加，记录下滑片中心点当前的位置坐标值，X＝X+ΔX，Y＝Y+ΔY。

步骤604.主控制器对滑片中心点当前的位置坐标值(X＝X+ΔX，Y＝Y+ΔY)与K进行比较，看有没有X-K＞0或Y-K＞0？

步骤605.如果没有X-K＞0或Y-K＞0，主控制器就输出相应的电信号给个人电脑，控制光标以增量方向移动ΔX，ΔY位移量。同时返回到步骤602。

步骤606.如果有X-K＞0或Y-K＞0，主控制器就输出相应的电信号给个人电脑，控制光标以增量方向移动(X-K)ΔX，(Y-K)ΔY位移量。同时返回到步骤602。

以上算法中，当没有X-K＞0或Y-K＞0时，主控制器就输出相应的电信号给个人电脑，控制光标以增量方向移动ΔX、ΔY位移量。然而当有X-K＞0或Y-K＞0时，主控制器就输出相应的电信号给个人电脑，控制光标以增量方向移动(X-K)ΔX，(Y-K)ΔY位移量。目的是当滑片中心点在半径小于K的区域内运动时，控制光标运动的慢一些，以便于对光标进行低速精细的控制；而当滑片中心点在半径大于K的区域运动时，控制光标运动的快一些，并且滑片中心点越靠近其轨迹面的边缘，光标运动的速度越大，以便于对光标进行快速的大范围运动的控制。当然，基于这种方法和效果，也可以采用其它的算法来实现。

B.边界探测法

在滑片的边缘布置一个导电“金属环1”，并通过导线与系统的信号地连接；在PCB板或其他地方固定放置一个导电“金属环2”，“金属环2”与主控制器的一个PIN脚相连，“金属环2”的半径是“金属环1”的半径加上一个R值，R是滑片中心点运动的轨迹面的最大半径(见图7a、7b、7c所示)。当滑片复位时，其中心点与图象传感器的感光窗口的中心点重合，如图7a所示。

当滑片在手指水平外力作用下进行运动，其中心点运动的轨迹面的半径小于R时，即滑片中心点O2与图象传感器的感光窗口的中心点O的距离小于R，“金属环1”不与“金属环2”接触，主控制器的PIN脚保持高电平，PIN＝1，如图7b所示。

当滑片的中心点运动到轨迹面边缘，即滑片中心点O2与图象传感器的感光窗口的中心点O的距离等于R时，“金属环1”与“金属环2”接触，主控制器的PIN脚由高电平变成低电平，PIN＝0，如图7c所示。

这样就可以把滑片的运动情况分成两种。运动一：滑片中心点在其运动轨迹面内运动，适合于对光标进行低速度精细控制；运动二：滑片中心点在其运动轨迹面的边缘运动，适合于对光标大范围运动的控制。

图8为本发明提供的采用边界探测法控制光标的流程图，如图，基本的算法如下：

步骤801.开始，主控制器接收到图像传感器输出的当前时刻的位移增量ΔX，ΔY。

步骤802.主控制器就输出相应的电信号给个人电脑，控制光标以增量方向移动ΔX，ΔY位移量。

步骤803.主控制器检测滑片中心点是否移动到其轨迹面的边缘(PIN＝0)。如果滑片没有移动到其轨迹面的边缘，则返回到步骤801。

步骤804.如果滑片已经移动到其轨迹面的边缘，主控制器就输出相应的电信号给个人电脑，控制光标以增量方向移动ΔKX，ΔKY位移量，其中K＞0，K可以是常量也可以是变量，其取值根据实际需要进行设定。

步骤805.启动(复位)计数器C。

步骤806.C＝C+1。

步骤807.主控制器就输出相应的电信号给个人电脑，控制光标以增量方向移动ΔCKX，ΔCKY位移量。

步骤808.主控制器检测滑片中心点是否在其轨迹面的边缘(PIN＝0)。如果滑片没有移动到其轨迹面的边缘，则返回到步骤801。

步骤809.如果滑片已经移动到其轨迹面的边缘，主控制器就检测图像传感器据输出当前时刻的位移增量ΔX，ΔY是否发生变化，也就是说从上一时刻到当前时刻，滑片中心点是否又有了新的位移，是则执行步骤810，否则返回步骤806。

步骤810.主控制器就检测图像传感器据输出当前时刻的位移增量ΔX，ΔY已经发生变化，即位移增量变为ΔX＝ΔX1，ΔY＝ΔY1，则主控制器就输出相应的电信号给个人电脑，控制光标以增量方向移动变化后的ΔX1，ΔY1位移量，返回到步骤803。

以上算法中采用了计数器C，也可以采用定时器等，目的主要是当滑片中心点移动到其轨迹面的边缘，主控制器可以实现对光标进行加速运动控制，达到对光标大范围运动的控制的目的。

C.附加传感器探测法

如图9所示，附加传感器探测法是在滑片的表面安装一种传感器(如电容传感器)来感知人的手指在其表面的压力或接触面积大小的变化，然后将这个变化及时发送给主控芯片，主控芯片结合当前的ΔX，ΔY增量，判断出当前的状态，从而实现对光标运动进行控制。

例如：通常，在手指用力大和手指用力小这两种情况下，手指与触摸平面接触的面积是不一样的，手指用力大，手指与触摸平面接触的面积也相应较大，手指用力小手指与触摸面接触的面积也相应较小。因此我们可以在滑片的表面安装一种触摸式电容传感器来感知人的手指在其表面的接触面积大小的变化，然后将这个变化及时发送给主控芯片，主控芯片结合当前的ΔX，ΔY增量，就可以判断出当前的状态，从而实现对光标运动进行控制。基于这种触摸式电容传感器，还可以衍生出在touch pad上常用的单击选定，双击确认等功能。

由上可知，本发明是一种新型的光学式光标控制设备，其核心器件是采用普通光学或激光鼠标模组(光学引擎)，开发对应的算法及驱动程序；其机构部分为移动距离非常小的自动回弹模组，能够提供良好的操作手感。本发明有以下几大优点：

1：使用普通光学或激光鼠标模组(光学引擎)，成本低廉；

2：滑动距离很小，即可实现全屏控制光标；

3：部件体积小，既可用于笔记本电脑也可用于电子产品的遥控器；

4：滑片材料丰富多样，仅需在其背面(非外观面)满足平面度及灰度要求即可，能够给设计人员充分的自由来设计好的界面和好的使用手感，提高用户使用感受；

5：由于采用的是光学引擎，因此对环境条件要求较为宽泛，集成度和稳定性较高；

6：产品扩展功能强，可以根据需要增加不同的附加功能；如：附加触摸控制功能，特殊光效显示等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种人机交互输入装置，其特征在于，包括：滑片、回弹机构及光学模块；

所述滑片具有一原点位置和一偏离区域，用于在一外力作用下在所述偏离区域内移动；

所述回弹机构用于在所述外力撤离的条件下，将所述滑片回归所述原点位置；

所述光学模块设置在所述滑片下方，通过发出光线并接收所述滑片反射的光线，来确定所述滑片的移动信息，并根据所述移动信息确定图形界面上光标的移动速度和移动距离。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏离区域分为靠近所述原点位置的第一区域和远离所述原点位置的第二区域，所述光学模块根据所述滑片偏离所述原点的方向和位移量来移动所述光标，并且，如果所述滑片停留在所述第二区域内，则所述光学模块按照预先设定的速度持续移动所述光标，直到所述滑片再次移动。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述预先设定的速度为根据滑片停留时间呈非线性变化的变量。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑片的边缘具有一个导电的第一金属环，所述偏离区域的边界具有一个导电的第二金属环，如果所述第一金属环接触所述第二金属环，则所述光学模块按照预先设定的速度持续移动所述光标，直到所述第一金属环脱离所述第二金属环。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述预先设定的速度为根据所述第一金属环与所述第二金属环的接触时间呈非线性变化的变量。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑片上具有传感器，所述传感器检测所述外力的大小和接触面积，通过所述传感器实现鼠标的单击和双击功能，并且所述光学模块还根据所述外力大小和接触面积控制所述光标的移动速度。

7.一种人机交互输入方法，其特征在于，包括：

步骤一，设置一滑片，所述滑片具有一原点位置和一偏离区域，在一外力作用下所述滑片在所述偏离区域内移动；

步骤二，在所述滑片下方设置一光学模块，所述光学模块通过发出光线并接收所述滑片反射的光线，来确定所述滑片的移动信息，并根据所述移动信息确定图形界面上光标的移动速度和移动距离；

步骤三，设置一回弹机构，在所述外力撤离的条件下，所述回弹机构将所述滑片回归所述原点位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，将所述偏离区域分为靠近所述原点位置的第一区域和远离所述原点位置的第二区域；在所述步骤二中，所述光学模块根据所述滑片偏离所述原点的方向和位移量来移动所述光标，如果所述滑片停留在所述第二区域内，则所述光学模块按照预先设定的速度持续移动所述光标，直到所述滑片再次移动。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预先设定的速度为根据滑片停留时间呈非线性变化的变量。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述光学模块还通过检测所述滑片的边缘与所述偏离区域的边界的接触时间，以及施加在所述滑片上的外力大小和接触面积来确定光标的移动速度。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述光学模块根据所述滑片偏离所述原点的方向和位移量来移动所述光标，如果所述滑片与所述原点之间的距离小于预先设定的长度值，则所述光标按照低倍数放大所述滑片的位移；如果所述滑片与所述原点之间的距离大于预先设定的长度值，则所述光标按照高倍数放大所述滑片的位移。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光学模块选择为鼠标的整体光学引擎，并且在所述步骤二中，是通过光学引擎内含的电子部分的计算来实现：根据所述移动信息确定图形界面上光标的移动速度和移动距离。

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