CN102375586B - 识别指向与力度的操纵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种识别指向与力度的操纵系统，包括：操纵板及安装于操纵板一侧的多个压力传感单元，压力传感单元包括支撑操纵板的弹性元件及与弹性元件相配合的压力传感器，压力传感器设有感压膜，弹性元件的内部设有作用于感压膜的流体，操纵板在外界压力的作用下迫使弹性元件发生变形进而使流体的压强发生变化；压力传感器的感压膜感知上述压强的变化，以识别作用在操纵板上的外界压力。压力传感器包括压力传感器芯片及位于压力传感器芯片外围的封装结构，感压膜设于压力传感器芯片上；弹性元件固定于封装结构上，封装结构设有穿孔，并且弹性元件内部的流体通过穿孔直接作用在感压膜上。本发明通过弹性元件的变形及流体压强的变化，实现对外界压力的侦测，可靠性高且成本低。

Description

识别指向与力度的操纵系统
【技术领域】
本发明涉及一种识别指向与力度的操纵系统，适用于人机操作界面，例如通过将人手的某种位置和力的信息输入机器，从而实现控制机器的目的。
【背景技术】
人机操作界面对多媒体应用的发展有重要的作用，直接影响用户的操作体验。早期的人机界面只有键盘，键盘对基于命令行和文本界面的应用尚能适应，但对于图形操作非常不便。1980年代鼠标在Mac上的应用大大促进了图形操作界面的发展，直到今天鼠标和windows操作系统的配置占据了广大的多媒体应用市场。鼠标的问题在于体积较大，不适合在较小的移动终端上使用(如手机，PDA和笔记本电脑等)；另外，操作鼠标时手离开键盘较远并需要一个可供移动空间。1990年后，Ted Selker发明的基于陶瓷压阻效应的指点杆(Tranckpoint)在IBMThinkpad系列笔记本电脑上得到了广泛的应用(其改进型号可参美国专利5,867,808)；1994年后，George E.Gerpheide发明的电容式触摸板(touchpad)在Apple PowerBook系列笔记本电脑上率先获得了应用(其改进型号可参美国专利6,222,528)。以上两项发明推进了笔记本多媒体人机操作界面的发展。
进入移动多媒体时代，手持终端对人机界面输入系统的体积提出了更高的要求，日本三箭公司发明了基于电容触摸原理的3D力传感器(国际申请：PCT／JP2005／019943)，该产品在Nokia手机上获得了广泛的应用。另外，Veganov提出基于MEMS应变传感器的操纵杆系统(请参美国专利公开号：US2009／0237275A1)。
然而，随着技术的发展，人机操作界面的主要趋势是小型化、低成本及提供良好的交互方式和用户体验，以适应增长迅速的消费电子和移动终端应用。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于压力传感器且通过感知流体压强的变化来识别指向与力度的操纵系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种识别指向与力度的操纵系统，包括：操纵板及安装于操纵板一侧的多个压力传感单元，所述压力传感单元包括支撑操纵板的弹性元件及与弹性元件相配合的压力传感器，所述压力传感器设有感压膜，所述弹性元件的内部设有作用于感压膜的流体，所述操纵板在外界压力的作用下迫使弹性元件发生变形进而使流体的压强发生变化；所述压力传感器的感压膜感知上述压强的变化，以识别作用在操纵板上的外界压力；其中，所述压力传感器包括压力传感器芯片及位于压力传感器芯片外围的封装结构，所述感压膜设于压力传感器芯片上；所述弹性元件固定于封装结构上，所述封装结构设有穿孔，并且弹性元件内部的流体通过穿孔直接作用在感压膜上。
作为本发明的进一步改进，所述压力传感器位于弹性元件的内部。
作为本发明的进一步改进，所述压力传感单元位于操纵板的下侧，所述弹性元件设有支撑操纵板的外表面。
作为本发明的进一步改进，所述压力传感单元位于操纵板的下侧，所述弹性元件为中空的波纹管，所述压力传感器安装于波纹管内，所述波纹管沿竖直方向延伸且具有不同的直径。
作为本发明的进一步改进，所述流体被密封在弹性元件及压力传感器内。
作为本发明的进一步改进，所述操纵系统包括用以安装弹性元件及压力传感器的支撑板。
作为本发明的进一步改进，所述压力传感器倒装地安装于支撑板上，所述感压膜直接正对着支撑板且感压膜与支撑板之间留有间隙。
作为本发明的进一步改进，所述操纵系统包括固定于支撑板上的限位块，所述限位块包括位于操纵板的上方以限制操纵板向上运动的限位板。
作为本发明的进一步改进，所述操纵板包括架设于弹性元件上的板体部及自板体部延伸的操纵杆，所述限位板位于板体部的上方以限制操纵板向上运动；所述操纵杆突出限位板以供外界压力驱动，使板体部倾斜而迫使弹性元件发生变形。
作为本发明的进一步改进，所述操纵板包括突出板体部且与操纵杆相反设置的延伸杆，所述延伸杆固定在支撑板上。
作为本发明的进一步改进，所述操纵板包括突出板体部且与操纵杆相反设置的延伸杆，所述延伸杆设有头部，所述支撑板设有收容头部的凹槽，并且头部可在凹槽内旋转。
作为本发明的进一步改进，所述头部为球形，且所述头部与凹槽在竖直方向上设有供头部移动的空隙。
作为本发明的进一步改进，所述压力传感器能够识别外界压力的三维指向与力度。
作为本发明的进一步改进，所述流体为气体、胶或者液体。
作为本发明的进一步改进，所述流体为空气。
为解决上述技术问题，本发明还可以采用如下技术方案：一种识别指向与力度的操纵系统，包括操纵板及安装于操纵板一侧的多个压力传感单元，所述压力传感单元包括支撑操纵板的弹性元件及与弹性元件相配合的压力传感器，所述压力传感器设有感压膜，所述弹性元件的内部设有作用于感压膜的流体，所述操纵板在外界压力的作用下迫使弹性元件发生变形进而使流体的压强发生变化；所述压力传感器的感压膜感知上述压强的变化，以识别作用在操纵板上的外界压力；其中，所述操纵系统还包括覆盖在压力传感器上的绝缘胶，所述绝缘胶位于弹性元件的内部，流体位于弹性元件与绝缘胶之间，所述压力传感器的感压膜能够隔着绝缘胶而感知流体压强的变化。
作为本发明的进一步改进，所述流体为空气。
相较于现有技术，本发明通过弹性元件的变形及流体压强的变化实现对外界压力的侦测，是一种不同于现有技术的新型解决方案；另外，通过在弹性元件的内部设置流体，使用者可以获得较好的手感。
【附图说明】
图1是本发明识别指向与力度的操纵系统于第一实施方式的部分立体示意图，其中，若干压力传感单元安装于操纵板的下侧。
图2是图1所示的识别指向与力度的操纵系统的俯视图。
图3是图1所示的压力传感单元及操纵板安装于支撑板及限位块内的剖面示意图，并显示出手指在操纵板上的移动方向。
图4是图1所示的压力传感单元的立体示意图。
图5是图4所示的压力传感单元的剖面示意图。
图6是图5所示的压力传感单元于第一种变化方式的剖面示意图。
图7是图4所示的压力传感单元于第二种变化方式的立体示意图。
图8是图7所示的压力传感单元的剖面示意图。
图9是图4所示的压力传感单元于第三种变化方式的立体示意图。
图10是图9所示的压力传感单元的剖面示意图。
图11是本发明识别指向与力度的操纵系统于第二实施方式的部分立体示意图，其中，若干压力传感单元安装于操纵板的下侧。
图12是图11所示的识别指向与力度的操纵系统的剖面示意图，并显示出操纵板在手指触碰下的两种位置。
图13是图12所示的识别指向与力度的操纵系统的于另一种变化方式的剖面示意图，并显示出操纵板在手指触碰下的两种位置。
图14是本发明识别指向与力度的操纵系统于第三实施方式的部分立体示意图，其中，若干压力传感单元安装于操纵板的下侧。
图15是图14所示的识别指向与力度的操纵系统的俯视图。
图16是图14所示的识别指向与力度的操纵系统的剖面示意图，并显示出操纵板在手指触碰下的两种位置。
【具体实施方式】
第一实施方式：
请参照图1及图3所示，本发明识别指向与力度的操纵系统100包括平板状的支撑板1、安装于支撑板1上的若干压力传感单元2、位于压力传感单元2上的操纵板3、及固定于支撑板1上且用以向上限制操纵板3移动的限位块4。请配合参阅图2、图4及图5，每一个压力传感单元2包括中空半球形的弹性元件21及位于弹性元件21内部的压力传感器22。所述弹性元件21的内部设有流体(在本实施方式中为空气，当然也可以为其它气体、胶或者液体)，所述流体包围压力传感器22。所述压力传感器22包括压力传感器芯片23及位于压力传感器芯片23外围且用以保护压力传感器芯片23的封装结构24。请参图4及图5所示，所述封装结构24为长方体且设有贯穿其顶面的穿孔241。所述压力传感器芯片23设有感压膜231，并且流体能够穿过穿孔241直接作用在感压膜231上。在本实施方式中，所述操纵板3为平板状，所述压力传感单元2位于操纵板3的下侧，且所述弹性元件21设有支撑操纵板3的弧形外表面211(如图5所示)。
请参图3所示，所述限位块4包括垂直固定于支撑板1的竖直部41及自竖直部41顶端横向延伸的限位板42。所述限位板42之间设有用以暴露出操纵板3的空腔43。所述限位板42位于操纵板3的上方以防止操纵板3向上脱离限位块4。在本实施方式中，所述限位块4与支撑板1一体设置，当然在其它实施方式中，限位块4与支撑板1可以分开设置并相互固定在一起。
所述流体被密封在弹性元件21的内部与支撑板1之间。所述弹性元件21由气密弹性物质构成，例如金属或有机物。请参图2及图3所示，在本实施方式中，所述压力传感单元2为4个且按正方形排列，分别标为a，b，c和d，其有效边长为L。当手指按箭头方向施加一定的压力(或被称之为触摸力)Fz时，触摸力Fz的着力点A相对于中心位置O的坐标为(x,y)，则压力传感单元2的受力情况为：Fa+Fb+Fc+Fd=Fz；L(2F-Fa-Fd)／2Fz=x；L(2F-Fa-Fb)／2Fz=y。由此可见，只要知道各个压力传感单元2的受力情况就可以计算获得触摸力Fz的大小和着力点的位置，从而判断手指的触摸力Fz和移动方向。通过判断着力点的位置、力度和移动速度可以实现对触摸力Fz在x-y平面内的位置、移动速度及z方向按压力度的三维矢量控制。在本实施方式中，手指施加的压力被分解为水平力及竖直力，进而使操纵板3发生倾斜及在竖直方向移动一定的距离。
此时，弹性元件21在操纵板3的抵压下发生弹性变形，进而压缩流体并使弹性元件21内部的流体压强发生变化。在本实施方式中，由公式P=nγT／V可以得知，弹性元件21内部的流体体积V的变化会引起流体压强P的变化，其中n为流体的物质的量，γ为流体常数。所述压力传感器22的感压膜231能够感知上述压强的变化。压力传感器22将压强的变化转换为电学信号输出给处理单元，处理单元综合计算各压力传感单元2获取的信号，从而得到手指按压的压力强度和着力点位置的信息。该信息随后被输出到执行单元以获得某种操作和控制功能，从而最终实现对机器进行某种程度的操纵。本发明识别指向与力度的操纵系统100具有类似触摸板的功能，例如通过触摸点位置的移动，控制鼠标的移动；或者通过触摸力度的变化控制鼠标的按压状态。本发明识别指向与力度的操纵系统100能够实现对水平面内手指的指向、力度及竖直方向按压力度的三维矢量控制，进而识别外界压力的三维指向及力度。另外，通过弹性元件21的变形及流体压强的变化，实现对外界压力的侦测，可以让使用者获得较好的手感，且可靠性高、成本低。
请参图2所示，所述压力传感单元2安装于操纵板3的角落且部分延伸超出操纵板3，以实现对操纵板3比较稳定的支撑。
在本发明识别指向与力度的纵系统100的实施方式中，所述操纵板3的作用是将手指的压力传递给压力传感单元2；弹性元件21的作用是将传递到其上的压力转换为压力传感器22所能接收的流体压强。
请参图6所示，压力传感单元2的第一种变化方式，其中，所述弹性元件21被固定于压力传感器22的封装结构24上，作为压力传感器22封装的一部分。所述流体密封于弹性元件21与压力传感器22内。弹性元件21内部的流体通过穿孔241直接作用在感压膜231上，进而使感压膜231能够感知流体压强的变化，同样可以实现本发明的目的。
请参图7及图8所示，压力传感单元2的第二种变化方式，即在压力传感器22上覆盖绝缘胶26以保护压力传感器芯片23。此时，可以省略图5中所示的封装结构24。所述绝缘胶26位于弹性元件21的内部，所述流体位于弹性元件21与绝缘胶26之间，并且压力传感器芯片23的感压膜231能够隔着绝缘胶26而感知流体压强的变化。
请参图9及图10所示，压力传感单元2的第三种变化方式，其中，所述压力传感器22通过焊接凸点25以倒装的方式安装于支撑板1上。所述感压膜231直接正对着支撑板1且与支撑板1之间留有一定的间隙。所述流体能够沿着箭头方向穿过该间隙而作用在压力传感器芯片23的感压膜231上。
第二实施方式：
请参照图11及图12所示，本发明识别指向与力度的纵系统200与第一实施方式中的识别指向与力度的纵系统100大致相同，两者的区别在于操纵板的结构。所述识别指向与力度的纵系统200的操纵板5包括架设于压力传感单元2上的板体部51、自板体部51向上延伸的操纵杆52及自板体部51向下延伸的延伸杆53。所述限位板42位于板体部51的上方以防止操纵板5向上脱离限位块4。所述操纵杆52自限位块4的空腔43向上突出以供人手推拉。所述延伸杆53固定于支撑板1。所述板体部51及延伸杆53由柔性材料制成，以具备一定的弹性。所述操纵杆52用以实现类似游戏杆的功能，例如用水平面内的推杆力和强度控制鼠标的移动方向和速度；用竖直方向的推杆力控制按键的状态。
请参图11及图12所示，当对操纵杆52施加一定的外力时，该外力被分解为水平力及竖直力，进而使板体部51发生倾斜及在竖直方向移动一定的距离。此时，弹性元件21在板体部51的抵压下发生弹性变形，进而压缩流体并使弹性元件21内部的流体压强发生变化。所述压力传感器22的感压膜231能够感知上述压强的变化。
图13揭示了操纵板5的另一种变化方式，其中，所述延伸杆53设有一个球形的头部531，所述支撑板1设有用以收容头部531的凹槽11。所述头部531可在凹槽11内任意旋转，形成一个万向节。所述头部531与凹槽11在竖直方向上留有空隙，进而使头部531在竖直方向上有一定的按压行程。如图13及图15所示，在本变化方式中，所述压力传感单元2为4个且按正方形排列，分别标为a，b，c和d，其有效边长为L，操纵杆52相对于头部531的有效高度为h。当手指沿箭头方向推动操纵杆52时，请参图15所示，推力F在x方向的分量为Fx、在y方向的分量为Fy、在z方向的分量为Fz。则压力传感单元2的受力情况为：L(Fa+Fd-Fb-Fc)／2h=Fx；L(Fa+Fb-Fc-Fd)／2h=Fy；Fa+Fb+Fc+Fd=Fz。由此可见，只要知道各个压力传感单元2的受力情况后，就可以获得推拉操纵杆52力的大小和指向，从而判断手推拉杆移动方向和力量，以实现对x-y平面内指向、力度及z方向按压力度的三维矢量控制。在本变化方式中，操纵杆52发生形变使板体部51倾斜。倾斜的板体部51压迫弹性元件21，从而改变压力传感单元2内的气压。
第三实施方式：
请参照图14至图16所示，本发明识别指向与力度的纵系统300与第二实施方式中的识别指向与力度的纵系统200大致相同，两者的区别在于操纵板及弹性元件的结构。所述识别指向与力度的纵系统300的操纵板6包括架设于压力传感单元2上的板体部61及自板体部61向上延伸的操纵杆62。所述操纵杆62的作用是将手指的压力传递给压力传感单元2。所述压力传感单元2的弹性元件21为中空的波纹管，所述压力传感器22安装于波纹管内，所述波纹管沿竖直方向延伸且具有不同的直径。所述压力传感器22是以类似图10所示的通过焊接凸点25以倒装的方式安装于支撑板1上。当手指沿箭头方向推动操纵杆62时，操纵杆62带动板体部61并使板体部61发生倾斜。倾斜的板体部61压迫波纹管，从而改变压力传感单元2内的气压。通过对波纹管的管壁厚度的改变及波纹结构的改变，可以方便的调节波纹管弹性系数，实现对外界压力的三维指向及力度的识别(原理同图13及图15，在此不再赘述)。并且，采用波纹管的设计，可以优化波纹管内流体压力的变形模式，从而简化后续压力的解算算法。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (17)

1.一种识别指向与力度的操纵系统，包括：操纵板及安装于操纵板一侧的多个压力传感单元，所述压力传感单元包括支撑操纵板的弹性元件及与弹性元件相配合的压力传感器，所述压力传感器设有感压膜，其特征在于：所述弹性元件的内部设有作用于感压膜的流体，所述操纵板在外界压力的作用下迫使弹性元件发生变形进而使流体的压强发生变化；所述压力传感器的感压膜感知上述压强的变化，以识别作用在操纵板上的外界压力；其中，所述压力传感器包括压力传感器芯片及位于压力传感器芯片外围的封装结构，所述感压膜设于压力传感器芯片上；所述弹性元件固定于封装结构上，所述封装结构设有穿孔，并且弹性元件内部的流体通过穿孔直接作用在感压膜上。
2.如权利要求1所述的操纵系统，其特征在于：所述压力传感器位于弹性元件的内部。
3.如权利要求1所述的操纵系统，其特征在于：所述压力传感单元位于操纵板的下侧，所述弹性元件设有支撑操纵板的外表面。
4.如权利要求1所述的操纵系统，其特征在于：所述压力传感单元位于操纵板的下侧，所述弹性元件为中空的波纹管，所述压力传感器安装于波纹管内，所述波纹管沿竖直方向延伸且具有不同的直径。
5.如权利要求1所述的操纵系统，其特征在于：所述流体被密封在弹性元件及压力传感器内。
6.如权利要求1所述的操纵系统，其特征在于：所述操纵系统包括用以安装弹性元件及压力传感器的支撑板。
7.如权利要求6所述的操纵系统，其特征在于：所述压力传感器安装于支撑板上，所述感压膜朝向支撑板且与支撑板之间留有间隙。
8.如权利要求6所述的操纵系统，其特征在于：所述操纵系统包括固定于支撑板上的限位块，所述限位块包括位于操纵板的上方以限制操纵板向上运动的限位板。
9.如权利要求8所述的操纵系统，其特征在于：所述操纵板包括架设于弹性元件上的板体部及自板体部延伸的操纵杆，所述限位板位于板体部的上方以限制操纵板向上运动；所述操纵杆突出限位板以供外界压力驱动，使板体部倾斜而迫使弹性元件发生变形。
10.如权利要求9所述的操纵系统，其特征在于：所述操纵板包括突出板体部且与操纵杆相反设置的延伸杆，所述延伸杆固定在支撑板上。
11.如权利要求9所述的操纵系统，其特征在于：所述操纵板包括突出板体部且与操纵杆相反设置的延伸杆，所述延伸杆设有头部，所述支撑板设有收容头部的凹槽，并且头部可在凹槽内旋转。
12.如权利要求11所述的操纵系统，其特征在于：所述头部为球形，且所述头部与凹槽在竖直方向上设有供头部移动的空隙。
13.如权利要求1所述的操纵系统，其特征在于：所述压力传感器能够识别外界压力的三维指向与力度。
14.如权利要求1至13项中任意一项所述的操纵系统，其特征在于：所述流体为气体、胶或者液体。
15.如权利要求14所述的操纵系统，其特征在于：所述流体为空气。
16.一种识别指向与力度的操纵系统，包括操纵板及安装于操纵板一侧的多个压力传感单元，所述压力传感单元包括支撑操纵板的弹性元件及与弹性元件相配合的压力传感器，所述压力传感器设有感压膜，其特征在于：所述弹性元件的内部设有作用于感压膜的流体，所述操纵板在外界压力的作用下迫使弹性元件发生变形进而使流体的压强发生变化；所述压力传感器的感压膜感知上述压强的变化，以识别作用在操纵板上的外界压力；其中，所述操纵系统还包括覆盖在压力传感器上的绝缘胶，所述绝缘胶位于弹性元件的内部，流体位于弹性元件与绝缘胶之间，所述压力传感器的感压膜能够隔着绝缘胶而感知流体压强的变化。
17.如权利要求16所述的操纵系统，其特征在于：所述流体为空气。
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