CN101983370B - 用于交互式表面的指向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在交互式表面(21)上使用的指向装置(10，50，70，90)。该指向装置(10，50，70，90)包括握持部(11，51，71，91)和可变形部分(12，52，72，92)。该握持部可由用户操纵到不同位置。该可变形部分(12，52，72，92)具有与交互式表面(21)接触的接触表面。该握持部(11，51，71，91)耦接到该可变形部分(12，52，72，92)，以使得对该握持部(11，51，71，91)的操纵致使该接触表面在该交互式表面(21)上的覆盖区(30，60，80，100)的形状对应于握持部(11，51，71，91)相应的不同位置。

Description

用于交互式表面的指向装置
技术领域
本发明涉及一种指向装置，特别地涉及一种用于交互式桌面系统的指向装置。该指向装置包括允许由用户操纵到不同位置的握持部。
本发明还涉及一种包括交互式表面和这种指向装置的交互式系统。
最后，本发明涉及确定这种指向装置的握持部的位置的方法。
背景技术
在交互式桌面系统上的有形物体(tangible object)是向这种系统提供输入的已知装置。举例而言，在来自巴塞罗那Pompeu FabraUniversity，Music Technology Group的Reactable(http://mtg.upf.edu/reactable/)上，使用各种有形物体大小来识别不同的声音发生器/修改器，且这些有形物体的方位用于控制输入参数(例如，对最终结果的贡献量)。通过桌下方的计算机视觉进行跟踪。对于Reactable而言，仅物体的身份、位置和方位是输入参数，这些输入参数可被操纵用于用户与系统进行交互的目的。
来自MIT的SenseTable是这样的实例：其中，在交互式表面上形成输入方法的物体也在这些物体本身上具有第二输入方法。SenseTable的物体在顶部具有拨盘控制器(dial controller)，其中拨盘控制器的状态加之物体的位置被机电地跟踪。还已知其它输入装置，诸如在WO2006/082547A2中所述的输入装置：即，带有可触发的子部件的有形物体(例如，触摸敏感区域)。这些物体与交互式桌面的通信被描述为通过电极接触、电荷(电容触摸屏)、无线RF或IR光来进行。
这些已知的有形物体特别适合于提供有形物体与交互式系统的交互作用。物体本身以及其位置和其方位可用作交互式系统的输入。拨盘控制器或者可触发子部件可提供与物体相关的额外功能。但是，这些有形物体对于提供一般指向装置的功能而言并非很有用。诸如操纵杆，鼠标和轨迹球的指向装置是熟知的。诸如触摸垫、图形输入板或光笔这样的替代指向装置也是已知的。这些指向装置允许用户将空间(例如，连续的和多维的)数据输入到计算机。指向装置例如可用于通过图形用户界面(GUI)来移动光标。这些指向装置也可用于与交互式表面组合，例如，通过将指向装置插入到用于操作交互式显示器的计算机内。这些指向装置可为有线的或无线的，但总是需要某种额外能源来允许与该系统通信。
WO2006/103676A2描述了一种使用交互式表面上的有形物体来提供指向装置的某种功能的一种方式。在WO 2006/103676A2中，提供很大的交互式表面。在交互式表面上的用户或物体可充当指向装置。公开了两种技术。首先，显示器矩形可映射到交互式表面上的相对应区域上。然后将用户在映射区域上的位置与显示器上的位置相对应。这非常类似于图形输入板的使用。其次，用户相对于均衡点的位置可用于指示方向。这种技术非常类似于使用操纵杆。如果操纵杆的顶部移动到其中心位置左边，那么光标将移动到左边。当操纵杆顶部回到其中心位置时，光标停止移动。由于WO2006/103676A2仅使用用户或物体在交互式表面上的位置的操纵来提供特殊数据，其所公开的系统非常适合于例如玩需要快速且精确操纵指向装置的游戏。
US5912662A公开了一种用于计算机的轨迹板导航装置的书写工具。这种书写工具包括用于在轨迹板表面上移动该工具的标准握把，该轨迹板表面电耦接到接触端。该接触端具有充分接触该轨迹板表面的大小，以至于表现为类似于指尖。
US2007/0300182A公开了一种图形用户界面系统，其可定位和定向用户界面元件，以在光学敏感的显示表面上被显示。物体(例如，人手指)的位置可基于物体抵靠在该显示表面上的接触点的位置。物体的方位可使用该物体在该表面上所投射的阴影来确定。可在阴影与接触点之间确定一轴线，且该轴线可用作界面元件的方位的参考框架。如果用于实际输入，该界面可固定于其最初位置和方位处，以允许将会被解释的额外移动。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于交互式表面上的指向装置，该指向装置允许快速且精确的操纵但不需要用于与系统通信的额外能源。
根据本发明的第一方面，通过提供用于交互式表面上的指向装置来实现这个目的，该指向装置包括：握持部，其允许由用户操纵到不同位置；以及可变形部分，其具有与交互式表面接触的接触表面，该握持部耦接到可变形部分，以使得将握持部操纵到不同位置之一致使接触表面在交互式表面上的覆盖区(footprint)的形状对应于握持部的相应位置，且其中该接触表面不是旋转对称的。
正如同一般操纵杆，用户将握持部操纵到不同位置以提供方向命令。根据本发明，用户的操纵使接触表面在交互式表面上的覆盖区改变形状。然后，能检测覆盖区的交互式系统从覆盖区形状来推断指向装置的当前位置和用户的方向命令。当握持部处于中性位置(neutralposition)时，覆盖区具有相对应的中性形状。可变形部分耦接到握持部。当可变形部分与交互式表面接触时，改变握持部的位置将导致可变形部分的不同形状和在接触表面上的不同覆盖区。覆盖区形状由于用户所施加的机械力来改变且覆盖区代表握持部的位置。改变的覆盖区形状由交互式表面进行解释以例如在屏幕上沿确定方向且以确定速度来移动光标。根据本发明的指向装置无需能源向交互式系统提供方向命令。不需要有线或无线通信单元来与交互式系统通信。
在附属权利要求中描述了可变形部分的某些优选实施方式。在一实施方式中，可变形部分包括柔性材料。通过将握持部操纵到另一位置，使得柔性材料弯曲且覆盖区形状改变。
在另一优选实施方式中，可变形部分包括至少两个刚性构件，刚性构件包括接触表面的至少一部分且由柔性连接件耦接到握持部。通过操纵该握持部，可相应地改变刚性构件的表面接触点的位置和/或形状。
附图说明
通过下文所述的实施例，本发明的这些和其它方面将会变得显而易见且被阐明。
在附图中：
图1示出根据本发明的指向装置的实施例。
图2示意性地示出根据本发明的系统，
图3示出处于中性位置的图1的指向装置的截面和相对应的覆盖区，
图4示出处于非中性位置的图1的指向装置的截面和相对应的覆盖区，
图5示出根据本发明的指向装置的不同实施例，
图6a和图6b示出处于不同位置的图5的指向装置的截面和覆盖区，
图7示出根据本发明的指向装置的另一不同实施例，
图8a和图8b示出处于不同位置的图7的指向装置的截面和覆盖区，
图9示出使用刚性构件和柔性连接件的根据本发明的指向装置的实施例，以及
图10a和图10b示出处于不同位置的图8的指向装置的截面和覆盖区。
具体实施方式
图1示出根据本发明的指向装置10的实施例。指向装置10包括握持部11以允许被操纵到不同位置。握持部11可具有手的轮廓以改进指向装置10的人机工程学特点。握持部11优选地由相当刚性的材料制成。通常用于诸如操纵杆、轨迹球或计算机鼠标这样的指向装置的塑料可非常适合用作握持部11的材料。指向装置10还包括由柔性材料制成的四个弯曲支腿12。支腿12例如可由可弯曲的软泡沫制成。可弯曲的软泡沫例如可为聚乙烯或聚氨酯。四个弯曲支腿12一起形成指向装置10的可变形部分。四个支腿12附连到握持部11。当指向装置10放置于表面上时，支腿12的部分与该表面接触且由此形成覆盖区。如果用户握持该握持部11且将其推向某方向，柔性支腿12将弯曲且覆盖区的形状将相应地改变。这将参看图2、图3和图4进一步阐明。
图2示意性地示出根据本发明的系统20。指向装置10放置于交互式系统20的交互式表面21上。交互式系统20能检测到交互式表面21上物体的存在。用于检测物体存在的熟知技术例如从电阻式、电容式或红外(多)触摸屏面板和基于相机的光学成像方案获知。交互式系统20还包括电子电路，处理器22或计算机，以执行与交互式系统20的操作相关的任务。交互式系统20还可包括用户界面元件23使得能在用户与交互式系统20之间进行交互作用。处理器22耦接到交互式表面21和用户界面元件23。
优选地，交互式表面21也充当显示屏。举例而言，交互式系统20可为具有完整PC功能的交互式系统，交互式表面为PC的显示屏。正常PC功能与交互式表面21的触摸屏功能的组合提供了许多新的且有趣的应用。或者，交互式系统可为膝上型PC的触摸板或类似物。根据本发明的指向装置10可为用于这种膝上型计算机的很实用的无绳指向装置。其机能仅依靠机械力且无需任何电源或电通信措施。
图3示出处于中性位置的图1的指向装置10的截面和相对应的覆盖区30。四个弯曲支腿12搁置于交互式表面21上。在支腿12触摸交互式表面21的位置形成覆盖区30，该覆盖区30由交互式系统20检测到。优选地，如在此图中所示，覆盖区30不是旋转对称的。支腿12之一小于其它支腿12且因此导致在交互式表面21处更小的接触区域31。这使得交互式系统20能确定指向装置10的方位且因此允许用户将指向装置10以任何需要的方位置于交互式表面21上。在图3中，较小支腿12的接触区域31限定前方。无论指向装置10在交互式表面21上的方位如何，在较小支腿12的方向中推动握持部11将会得到向前方向命令。尤其是当握持部11包括手的轮廓时，重要的是，所有方向是相对于指向装置10限定而不是相对于交互式表面21限定。而且，如果操纵杆在交互式桌面表面的不同侧使用，重要的是，系统根据用户的位置和透视情况有意图地反应。在如图3所示的中性位置，指向装置10不提供方向命令。
图4示出处于非中性位置的图1的指向装置10的截面和相对应的覆盖区30。此处，握持部11被向后拉。结果，柔性支腿12弯曲并变形。随着指向装置10的可变形部分12变形，接触表面21的覆盖区30相应地改变。前支腿12松开与接触表面21的接触且接触区域31消失。后支腿12的变形导致后支腿12与接触表面21的接触区域33变得大于在图3中性位置的情况。在图4的情况下，通过向后拉握持部11，侧部支腿12的接触区域32大致与在图3的中性位置的情况相同。但是，如果向左或向右推或拉握持部11，这些接触区域32将显著改变或甚至消失。这种指向装置11不仅适合于检测握持部11在向前、向后、向左和向右方向的操纵，而且也适合于检测在这四个方向之间所有方向中的操纵。每个方向导致可由交互式系统20检测到的另一特征覆盖区30。应当指出的是覆盖区30的特征不仅取决于握持部11的操纵方向，而且也取决于操纵范围。在一方向中将该握持部11推或拉得越远，则对覆盖区30形状的影响就越大。此外，如果整个操纵杆被下压到表面上(例如，用于选择物体)，在此情况下，所有四个接触表面均将变形，或者当将操纵杆从表面(短暂地)提起时，系统也可配准。
交互式系统20可使用一种或多种不同办法来确定用户希望给出哪种方向命令。为了确定方向命令，交互式系统20检测覆盖区30的某些特征。系统20可确定覆盖区30的确切形状，计算覆盖区30的总面积和/或确定覆盖区30的不同接触区域31、31、33之间的距离。优选地，这些办法的组合用于实现最佳精确性。
图5示出根据本发明的指向装置50的不同实施例。这个指向装置50还包括握持部51，握持部51可具备手的轮廓。握持部51经由盘54耦接到可变形部分52、53。柔性材料制成的环52附连到盘54的周围。在盘54的中心，圆柱形支承构件53用于在交互式表面21上支承指向装置50。支承构件53可由与环52相同材料制成，但也可采用其它材料。如将在下文中进一步阐明，参看图6a和图6b，重要的是支承构件53是可弯曲的。支承构件53还可包括弹簧，用于给指向装置50提供更自然的弹簧杠杆感觉。当不向握持部51施加力时，这种弹簧将自动地使指向装置50回到中性位置。支承构件53的接触表面可包括某些特殊材料或抽吸绒毛(suction nap)，以防止支承构件在交互式表面21上滑移。
图6a和图6b示出处于不同位置的图5的指向装置50的截面和覆盖区60。如在覆盖区60中可看出的那样，支承构件53并非完全旋转对称，以使得系统20能检测指向装置50的方位。在图6a中，指向装置50处于中性位置。指向装置50搁置于支承构件53上。环52的高度使得环52并不触摸交互式表面21。因此，覆盖区60仅由支承构件53的接触表面形成。
在图6b中，已经将握持部51推往(或拉往)某方向。柔性支承构件53沿与推动该握持部51的方向相同的方向弯曲。因此，环52触摸交互式表面21。只要环52一触摸交互式表面21，环52就被压缩。当进一步远离中性位置推动该握持部51时，环52将被进一步压缩，且环52在表面21上的接触区域62将变得更大。因此，覆盖区60的面积是自中性位置的距离的量度。穿过支承构件的接触区域61和环的接触区域62的中心的直线63限定了被用户所推动的该握持部51的推动方向。
图7示出根据本发明的指向装置70的另一不同实施例。类似于图5所示实施例所包括的那样，此实施例可包括握持部71和盘74。图7的指向装置70的可变形部分包括柔性材料制成的半球形穹顶72。可提供抽吸绒毛73或提供用于滑移的其它装置。
图8a和图8b示出处于不同位置的图7的指向装置70的截面和覆盖区80。在所有位置，覆盖区80包括单个接触区域81。接触区域81的形状、位置、方位和面积表征握持部71的位置。当然，抽吸绒毛73可具有非旋转对称形状，如已在图6中示出的情形。覆盖区80的总面积表征距中性位置的距离。通过分析覆盖区81的形状来获得推或拉握持部17的方向83(在箭头83两侧具有相同的面积)。
图9示出根据本发明的指向装置90的实施例，其使用刚性构件92和柔性连接件95。此实施例无需柔性、软材料以用于可变形部分。此处，可变形部分包括若干刚性构件92，刚性构件92可相对于彼此移动，这是因为它们经由柔性连接件95(诸如铰链)来耦接。指向装置90包括握持部91，握持部91可能具有手的轮廓。握持部91耦接到支承构件93以在交互式表面21上支承指向装置90。握持部91与支承构件93之间的耦接使得握持部91可被操纵到不同方向和位置。举例而言，握持部91与支承构件93之间的耦接由球窝接头(balljoint)和弹簧94的组合提供。在此指向装置中的弹簧94可使得每当用户不向握持部91施加任何力时握持部91就返回到中性位置。
图10a和图10b示出处于不同位置的图9的指向装置的截面和覆盖区100。在图10a的中性位置，所有四个刚性构件在距支承构件93中心相同距离处与交互式表面21接触。如可在覆盖区100中所看出的那样，支承构件93的接触区域101使得能确定指向装置90相对于交互式表面21的方位。当拉或推握持部91(图10b)时，支承构件93保持在交互式表面21上的相同位置处，且刚性构件92在表面上滑动以占据新位置。通过分析刚性构件92的接触区域102-105的位置，可确定握持部的位置。例如，连接相对的接触区域102、104与103、105的线的交点表征握持部91的位置。或者，可使用到支承构件的中心的距离。应当指出的是，当推或拉该握持部时，在刚性构件92与交互式表面21之间的接触区域也可改变。
如图9中的指向装置也可具备多于四个或少于四个的刚性构件92。具有一个刚性构件92的指向装置可用于检测一维方向命令。对于2D检测，需要至少两个刚性构件92。
应当指出的是，上述实施例说明本发明而非限制本发明，且在不偏离所附权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员将能设计许多替代实施例。在权利要求书中，不应认为置于括号中的任何附图标记限制权利要求。使用动词“包括”和其结合并不排除权利要求中所陈述的要素或措施之外的其它要素或措施的存在。在元件之前的冠词“一”并不排除多个这样的元件的存在。本发明可利用包括若干不同元件的硬件和利用合适地编程的计算机来实施。在列举若干装置的设备中，若干个这些装置可由同一个条目下的硬件来实施。在相互不同的附属权利要求中陈述确定措施的简单事实并不表示不能使用这些措施的组合以取得益处。

Claims (13)

1.一种用于交互式表面(21)上的指向装置(10，50，70，90)，所述指向装置(10，50，70，90)包括：
握持部(11，51，71，91)，其允许被用户操纵到不同位置；以及
可变形部分(12，52，72，92)，其具有接触表面以与所述交互式表面(21)接触，
所述握持部(11，51，71，91)耦接到所述可变形部分(12，52，72，92)，以使得将所述握持部(11，51，71，91)操纵到不同位置之一致使接触表面在所述交互式表面(21)上的覆盖区(30，60，80，100)的形状对应于所述握持部(11，51，71，91)的相应位置，
其特征在于：所述接触表面不是旋转对称的，并且所述接触表面的至少一部分包括用于防止所述接触表面在所述交互式表面(21)上滑移的附连装置。
2.如权利要求1所述的指向装置(10，50，70)，其中所述可变形部分(12，52，72，92)包括柔性材料。
3.如权利要求2所述的指向装置(10)，其中所述可变形部分(12)包括柔性材料制成的至少三个弯曲支腿(12)，每个支腿(12)的一端附连到所述握持部(11)，每个支腿(12)的另一端包括所述接触表面的一部分。
4.如权利要求2所述的指向装置(50)，其还包括搁置于所述交互式表面(21)上的支承元件(53)，且其中所述可变形部分(52)包括柔性材料制成的环，所述支承元件(53)位于所述环内，且所述环布置成：
-当所述指向装置(50)处于中性位置时，所述接触表面刚好在所述交互式表面(21)上方，
-当所述指向装置(50)处于非中性位置时，所述接触表面部分地接触所述交互式表面(21)。
5.如权利要求2所述的指向装置(10，50，70)，其中所述材料是可弯曲的泡沫。
6.如权利要求1所述的指向装置(90)，其中所述可变形部分(92)包括至少一个刚性构件(92)，所述刚性构件(92)包括所述接触表面的至少一部分且由柔性连接件(95)耦接到所述握持部(91)。
7.如权利要求1所述的指向装置(10，50，70，90)，其中所述附连装置是橡胶条带。
8.如权利要求1所述的指向装置(10，50，70，90)，其中所述附连装置是抽吸绒毛。
9.一种交互式系统(20)，其包括如权利要求1至8中任一项所述的指向装置(10，50，70，90)和交互式表面(21)，所述交互式系统(20)包括特征确定装置(22)和位置确定装置(22)，特征确定装置(22)用于确定所述指向装置(10，50，70，90)的所述可变形部分(12，52，72，92)的接触表面在所述交互式表面(21)上的覆盖区(30，60，80，100)的特征，位置确定装置(22)用于基于所述覆盖区(30，6080，100)的特征来确定所述握持部(11，51，71，91)的位置。
10.如权利要求9所述的交互式系统(20)，其中用于确定所述覆盖区(30，6080，100)的特征的所述特征确定装置(22)被布置成确定所述覆盖区(30，60，80，100)的各单独部分之间的距离。
11.如权利要求9所述的交互式系统(20)，其中用于确定所述覆盖区(30，6080，100)的特征的所述特征确定装置(22)被布置成确定所述覆盖区(30，60，80，100)的面积。
12.如权利要求9所述的交互式系统(20)，其中用于确定所述覆盖区(30，6080，100)的特征的所述特征确定装置(22)被布置成确定所述覆盖区(30，60，80，100)的形状。
13.一种用于确定如权利要求1至8中任一项所述的指向装置(10，50，70，90)的握持部(11，51，71，91)的位置的方法，所述方法包括：
确定所述指向装置(10，50，70，90)的可变形部分(12，52，72，92)的接触表面在所述交互式表面(21)上的覆盖区(30，60，80，100)的特征，
基于所述覆盖区(30，6080，100)的特征来确定所述握持部(11，51，71，91)的位置。
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