CN102841700B - 用于3-d游戏的手写笔设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于3-D游戏的手写笔设备。公开了用于自动提供触笔型界面以增强用户与触摸屏设备之间的交互的系统、方法和计算机程序产品。该手写笔与触摸屏设备通信，以报告来自板上传感器的手写笔操作信息，并且接收应用程序指令，其中该应用程序指令定义了板上促发器所施加的反馈力和摩擦力。所施加的反馈力和摩擦力可被单独控制。摩擦力经由滚动接触球夹紧机构提供，以通过控制接触球的相对旋转自由度来模仿接触球与触摸屏显示表面之间不断变化的物理啮合。本发明的实施例能够实现触笔以模仿三维交互，用以进行游戏、物体操纵和雕刻以及非接触式近端型手写笔操作场景。

Description

用于3-D游戏的手写笔设备
关联申请的交叉引用
本申请涉及同时提出且具有共同说明书的其它三项申请：专利名称为“用于触摸屏的手写笔(stylus)型触觉辅助设备和写字板设备(StylusBasedHapticPeripheralforTouchScreenandTabletDevices)”的代理案No.S1162.1101-US1、专利名称为“用于雕刻或模仿物体的触觉设备(HapticDeviceforCarvingandMoldingObjects)”的代理案No.S1162.1101-US3和专利名称为“用于位置检测的触觉设备(HapticDeviceforPositionDetection)”的代理案No.S1162.1101-US4，在此通过引用将其全部内容包含在本说明书中。在此通过引用也将共同转让的、申请日为2010年11月17日的美国专利申请No.12/948,472的全部内容包含在本说明书中。
技术领域
本发明总体上涉及用于计算环境的输入设备，具体涉及用于与触摸屏设备相互作用的手持式手写笔型工具。
背景技术
触摸屏设备变得越来越盛行，目前用在例如蜂窝电话、数码相机、个人数字助理(PDA)和其它手持式计算或游戏设备中。触摸屏用户界面通常将能够描绘视觉输出的显示单元和能够经由触摸来检测用户输入的下层触摸传感单元结合在一起。触摸屏缺乏常规输入设备的几种功能，所以许多触摸屏也包括用于输入数据和/或对用户界面进行导航的手写笔。用于便携式触摸屏的手写笔设备已经具备非常广泛的用户基础。
触觉设备采用了触觉反馈技术，其中触觉反馈技术通过将身体力量感觉传输给用户而利用用户的触摸感。所得到的振动或运动可用来增强用户对计算机所呈现的信息的感知。上述触觉设备例如用在视频游戏控制器(例如，索尼PS3)和复杂的、用于计算机辅助设计系统的3-D编辑工具中。尽管迄今为止，触觉辅助设备并未广泛地用在便携式触摸屏计算设备中。
因此，需要一种触觉手持式手写笔界面工具，来增强用户与其便携式触摸屏计算设备之间的交互。
发明内容
本文公开并要求保护用以与触摸屏显示器进行触觉交互的系统、方法和计算机程序产品。实施例总体上有助于用户更有说服力地仿真显示器上所描绘的物体的操纵。
触笔界面设备的实施例可包括：手写笔，该手写笔能够提供反馈力并且具有能够在适当位置处进行旋转的接触球；通信模块，该通信模块能够实现与计算机的信息传递；以及接触球夹紧机构，该接触球夹紧机构响应地提供与该反馈力独立的可变接触球摩擦力。该设备还可包括至少一个传感器，该至少一个传感器测量包括位置、取向、速度、加速度和旋转的至少一者的操作数据。该传感器可包括陀螺仪、加速计和接触压力传感器的至少一者。
该设备还可包括反馈促发器，该反馈促发器沿纵向或正交方向，或者沿这两个方向的结合体，选择性地提供相对于壳体取向的反馈力。该反馈促发器可将接触板压向接触球，用以传递反馈力。该接触板本身可以是光滑的或有摩擦的。该设备可被倒置用作轨迹球。
该通信模块，优选蓝牙模块，包括控制电路，该控制电路采集操作数据以进行传输，并且接收能够实现响应促发器促发的控制信息。在计算机上执行的驱动器软件为在该计算机上执行的应用程序管理着该操作数据和该控制信息。该设备可通过有线或无线来传递信息。接触球可相对触摸屏显示器的操作表面滚动。
该接触球夹紧机构可包括一组叉臂(prong)，该叉臂将接触球保持在强度可变的夹具中，包括使该接触球彻底停止旋转。该设备的可变构件可放置在圆柱形或圆锥形壳体或把手中，其中接触球和接触球夹紧机构优选位于该锥形的最大端处。该手写笔也可包括常规的用户输入设备，例如包括按钮、旋钮、滚轮和滑动开关。
替换实施例可包括用于在计算机与用户之间提供交互的计算机界面，该计算机界面包括计算机和触笔，其中该触笔与该计算机电气通信，并且向用户提供独立的反馈力和摩擦表面接触力。该发明也可包含用于在计算机与用户之间提供交互的方法，该方法包括在计算机与手写笔之间传递信息，其中该手写笔具有能够在适当位置处进行旋转的接触球；以及该手写笔向用户选择性地提供独立的反馈力和摩擦力。最后，本发明也可包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括机读介质使该计算机在计算机与手写笔之间传递信息，其中当该机读介质由计算机执行时，其可触知地表达非暂存性程序指令，该手写笔具有能够在适当位置处进行旋转的接触球；以及使该手写笔向用户选择性地提供独立的反馈力和摩擦力。
此外，实施例能够实现游戏界面，该游戏界面通过仿真游戏对象或角色来帮助用户与在计算机上执行的游戏程序之间的相互作用。在此情况下，通过例如摩擦力作用下的手写笔压力或手写笔运动来确定用户所施加的作用力。额外的手写笔压力可能会损坏触摸屏显示器，所以当检测到这种可能性时，应给出警告。手写笔的旋转运动可以触发预定的游戏事件。摩擦力的突然改变可表示特定的游戏事件；同样，摩擦力的突然增大可表示游戏角色很疲劳或以受到伤害。
本发明的实施例可通过选择性地添加或去除物体材料来能够实现虚拟或真实物体上的雕刻操作。在此情况下，在计算机上执行的应用程序是雕刻或三维CAD应用程序。摩擦力可向用户提供与物体性能有关的信息，例如，物体的不同区域可以具有属于其自身的摩擦特性。例如，当其遇到操纵工具或雕刻工具时，被嵌入的结块或较硬的物体可通过摩擦力的突然增大来模拟。类似地，诸如间隙之类的柔软或空白区域可通过雕刻工具摩擦力的突然减小来模拟。物体也可具有方向性摩擦性能，这被用来例如模拟木纹或帮助初始雕刻家识别要刮掉的区域以产生期望的物体。克服各种摩擦力和/或施加手写笔接触压力是用户在雕刻时指定作用力水平的途径，这可以控制正被操纵的材料数量。最后，手写笔系统可用作邻近性检测工具，其中该邻近性检测工具确定接触球到其接触表面，通常是到触摸屏显示器的操作表面的距离。
如下文所充分描述的，所公开实施例的装置和处理允许与触摸屏显示器进行自动的触觉交互。鉴于下面的具体描述和附图，相关领域技术人员将会更好地理解和明了所公开装置和方法的其它方面、目的、期望特征和优点，其中各实施例仅通过示例的方式给出。但是，应清楚地理解，附图仅以示例为目的，并不意在对所要求保护的发明的限制进行定义。
附图说明
图1示出了现有技术中的手写笔和手持便携式触摸屏电子设备；
图2示出了示出了根据本发明实施例的手写笔；
图3示出了示出了根据本发明另一实施例的手写笔；以及
图4示出了根据本发明实施例的手写笔操作的流程图。
具体实施方式
现在参考图1，示出了现有技术中的手写笔100和具有触摸屏显示器的手持便携式电子设备102。在此情况下，手写笔并不是触觉设备。该手写笔提供了便于进行抓取的便利手把，和与便携式电子设备的触摸屏显示器进行接触的精确点。其实，它仅仅是用户手指的更精确版本。这样的手写笔在不使用时通常被容纳在便携式电子设备内。
现在参考图2，示出了根据本发明实施例的手写笔200。在本实施例中，手写笔200包括锥形壳体202，尽管其它实施例可以采用替代形状的壳体，如圆柱形。壳体202被设计为充当在操纵手写笔期间便于用户进行抓取的常见有效的把手。本实施例还包括能够在适当的位置进行旋转的接触球206和接触球夹紧机构，其中该接触球夹紧机构例如包括通过摩擦力促发器(未示出)进行移动的一组叉臂204。可以采用任何类型的促发器；例如，许多电磁促发器是本领域所公知的。注意，在本发明申请中，为了清楚起见，接触球206被示为自壳体202大大突起，但是其总体上可更靠近壳体202和/或部分包含在壳体202的球形凹痕中。
在操作过程中，用户通过手来保持手写笔壳体202，并且将接触球206压向诸如触摸屏显示器的光滑表面之类的表面。在此情况下，通过触摸屏显示器的电路来确定接触球206与触摸屏显示器表面之间的接触点，这与常规手写笔相同。用户可以轻松地在该表面上绕接触球206进行移动；尽管其到壳体202的距离通常并不会发生显著的变化。
但是，接触球夹紧机构可以选择性地将可控夹紧力施加到接触球206以提供触觉特征。摩擦力促发器使例如壳体202与接触球206之间的机构夹紧联动发生变化，以控制接触球运动的相对自由度。换言之，叉臂204可选择性地放松或绷紧接触球上的有效夹紧。叉臂被示为依靠铰链转动；但是也可以采用不依靠铰链转动的叉臂。
制动特征控制着接触球206与手写笔200其它部分之间的摩擦阻力。结果是需要来自用户的附加力以克服叉臂204与接触球206的摩擦。但是，该摩擦通常被用户直观地解释为存在于接触球206与触摸屏表面之间，即使上述表面十分光滑。
该接触球夹紧机构甚至可以使接触球206彻底停止旋转，使得拖曳接触球206横跨显示屏表面所需要的力最大化。因此，接触球206优选由弹性材料制成，便于更有效地进行夹紧和拖曳，尽管这不是所必需的限制。如图所示，可以采用四个叉臂204，尽管任意数量的叉臂也可满足要求；当它们保持接触球206并影响其旋转自由度时，例如，一个撤回环(retractingring)、一对半圆形或弧形撤回叉臂和三个对称配置的叉臂204(未示出)均落在本发明的范围内。
手写笔200也可被倒置充当轨迹球，其中用户直接操纵尽可能大的接触球206，以克服可能产生的上述摩擦力。例如，手写笔200也可包括诸如按钮、旋钮、滚轮和滑动开关(未示出)之类的常规用户输入设备。现在来描述本实施与图3的实施例之间的其它共同构件。
现在参考图3，示出了根据另一实施例的手写笔300。该手写笔的特征在于圆柱形壳体302、接触球306和接触球夹紧机构，其中该接触球夹紧机构包括叉臂304和控制上述构件的摩擦力促发器316。与图2相同，该手写笔优选由蓄电池314提供动力。
在本图中，示出了通信模块308、传感器310和反馈促发器312，但是这些构件也为图2的实施例所共有。通信模块优选是布置在壳体302顶部的蓝牙无线模块(尽管有线通信模块也落在本发明的范围内)，其中该蓝牙无线模块能够与诸如具有触摸屏显示器的便携式电子设备之类的计算机传递信息。该通信模块获取由板上控制电路所采集的手写笔操作数据(下述)并将其传输给计算机。该通信模块也从计算机接收控制信息，其中该控制信息可支配手写笔所提供的触觉反馈类型和定时。例如，该计算机可指示接触球306何时自由旋转、何时不自由旋转，以及其旋转受摩擦促发器316和叉臂304的约束程度。
手写笔操作数据可以描述能够给出报告的手写笔的所有方面，如其位置、取向、速度、加速度、旋转，以及其接触球目前是否触摸到任何东西及受多大外力。操作数据由如图3所示的壳体302内部的传感器310测量(也采用图2中未示出的传感器)，并且由控制电路(未示出)提供给通信模块308。该传感器可以是本领域所公知的任意数量和任意类型的传感器，例如但不限于三维陀螺仪、加速计和接触压力传感器。
除了上述摩擦力之外，图2及图3的实施例也可为用户产生反馈力。例如，响应于所接收到的控制信号，反馈促发器312可以选择性地移动手写笔内部的质量。蓄电池314可以是在壳体302内部例如进行纵向移动的质量；其它方向上的运动也落在本发明的范围内。以此方式，应用程序可以通过使触摸屏显示器上所描绘的物体的操纵与手写笔所提供的触觉反馈连接，更好地与用户进行相互作用。
反馈促发器312可将力施加在接触球306上，例如暂时将手写笔300推向触摸屏显示器表面或从触摸屏显示器表面拔出手写笔300。反馈促发器可在产生反馈力的过程中，例如将触摸板(未示出)从壳体302推向接触球。例如，当手写笔点在触摸屏显示器上横跨图形用户界面对象的边缘时，上述碰撞通常被用来向用户提供“高度”的感觉。但是，尤其当接触板不是摩擦力非常小的(即，光滑)表面时，也可通过将接触球306推到叉臂304中，该动作倾向于来约束接触球306的旋转自由度。
为了避免这个问题，本发明的实施例能够选择性地对反馈力和手写笔所施加的摩擦力进行独立地控制。摩擦力可由接触球夹紧机构精确地控制。可以预测和/或测量对将接触球压向叉臂的反馈力所引起的摩擦力的任何作用，并且可以响应地减少预期摩擦力来抵消这些作用。例如，通过在反馈促发器正对接触球施加向下力的过程中减少接触球夹紧机构对接触球的夹紧，来维持预期净摩擦力。类似地，如果反馈促发器撤回接触板使其远离接触球，接触球将具有空间发生轻微地移动而离开叉臂，导致比预期具有更自由的旋转。为了抵消这些，叉臂可朝向接触球移动以更紧地抓住该接触球，直至反馈力消失。
现在参考图4，示出了描述本发明实施例的整个操作流程的流程图400。在步骤S410中，手写笔传感器获取描述手写笔操作参数，如位置、取向、速度等等的操作数据。接着，在步骤420中，控制电路将该操作数据提供给通信模块，用以将其传输到与该手写笔通信的计算机。在步骤430中，在计算机上执行的驱动器软件接收手写笔操作数据，并将其转换成对应用程序有意义的相关描述性界面数据。例如，接触压力和手写笔加速度信息可被转换成接触球所接触的触摸屏显示器位置，和可表示用户意图的特定方式，其中接触球以此方式进行移动。然后，在步骤440中，在计算机上执行的应用程序接收界面数据，并且确定如果由手写笔施加任何触觉力，结果会怎么样。例如，应用程序可决定引发反馈力“碰撞”感觉并且当接触球沿在视觉上被描绘为具有高度的所显示物体的边缘上升以提供接触球已经发生撞击的幻觉并且攀爬到该物体上时，绷紧对接触球的夹紧。
在步骤450中，驱动器软件将这些所期望的力转化成控制数据，其中该控制数据会使各种手写笔促发器产生由应用程序指定的反馈力和摩擦力。在步骤460中，计算机将该控制数据传输给通信模块。在步骤470中，反馈力促发器和摩擦力促发器响应地发生触发，以满足引用程序的要求。在步骤480中，用户会感觉到所施加的力，并且可以响应地改变手写笔的构造。该处理可重复进行，所以本发明的实施例提供了不间断的自动触觉交互，提高了应用程序与用户之间的人机交互。在另一实施例中，经由计算机程序产品提供了用户实现上述方法的可实施的计算机程序指令。
因此，本发明的实施例在实际上使用二维非网纹(non-textured)触摸屏显示器时，提高了犹如处于三维环境中的运动仿真和显示目标的操纵。实施例也可用在现在正被描述的各种特定仿真过程中。
该手写笔对正在运行游戏程序(作为其应用程序)的用户是有益的。游戏通常要求来自用户的输入来控制模拟的人或物体，但是触摸屏显示设备的用户可能不具备相同的输入设备，其中该输入设备可适用于一般的个人计算机或视频游戏机。因此，本发明的实施例可提供一定水平的、先前并不适用于便携式触摸屏设备的输入细节。例如，手写笔可在战斗或体育游戏中提供表示由用户施加到触摸屏显示器的压力的操作数据，以表示期望的作用力水平。额外的压力也可触发触摸屏可能会受到损坏的警告。增大的摩擦力可表示游戏角色变得疲劳或正受到虚拟战争的伤害。类似地，即使手写笔不与显示表面接触，手写笔的旋转运动，包括手写笔绕内部轴的旋转和手写笔绕外部轴的旋转(revolution)，也可触发游戏事件，如使目标转向的角色动作或沿不同虚拟方向的观看。手写笔摩擦力的突然减小可用来指示游戏事件已经发生，如门或容器已经被撬开，或者剑已经刺穿目标。
手写笔对正在被渲染的虚拟目标上执行各种三维操纵的用户也是有益的。例如，人可以利用手写笔来“雕刻”虚拟物体。该应用程序可以是在触摸屏显示器上描绘物体的CAD。接触球在摩擦力作用下的运动可以标识用户施加给雕刻工具的力量，其中该雕刻工具在该工具每次经过期间控制着被去除材料的厚度。类似地，人可以根据用户所施加的摩擦力，通过以一定的速率沉积材料来建立虚拟物体。
此外，当雕刻物体时，可以通过突然改变手写笔接触球穿过这些各向异性的区域所需要的摩擦力，来有效地仿真被嵌入的结块或空隙。例如，被嵌入的结块可以表示摩擦力的突然增大，使得用户希望避免雕刻经过该结块。其可以用来提示雕刻，即去除不希望的材料很容易，而去除所期望的嵌入部分则变得更困难。类似地，摩擦力的突然减小可用来标识间隙已被发现，或层已被移除。同样，木纹可表示为摩擦力的方向依存性。
即使接触球不接触真实的表面或物体，该手写笔也可用作手写笔邻近性检测工具，以帮助模仿物体的三维表面。例如，参见共同转让的、申请日为2010年11月17日的美国专利申请No.12/948,472。可位于例如手写笔或触摸屏显示设备中的手写笔邻近性检测工具会自动确定接触球到显示表面的距离。该数据可被添加到从手写笔接收的操作数据。因此，在接触球不与表面接触的情况下，人可以在虚拟表面或体积上进行位置检测和上述多个手写笔的交互。
如本文所使用的，术语“一”或“一个”应意为一个或多于一个。术语“多个”应意为两个或多于两个。术语“另一个”被定义为第二个或另一个。术语“包括”和/或“具有”是开放式的(例如，包含)。贯穿本文的“一个实施例”、“某些实施例”、“实施例”或类似术语的引用意为结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书任何地方所出现的这些术语并不必都参考相同的实施例。此外，也可在不进行限制的情况下以任何合适的方式将特定特征、结构或特性结合在一个或多个实施例中。本文所使用的术语“或者”应被引申为包含或意为任何一个或任何组合。因此，“A、B或C”意为“下列任何一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。上述定义只有当元素、功能、步骤或行为在某种程度上相互排斥时才出现例外。
贯穿本文的“一个实施例”、“某些实施例”、“实施例”或类似术语意为与该实施例相关联的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，出现在本说明书各个地方的上述措辞并不必涉及相同的实施例。此外，可在不受限的情况下，以适当的方式将这些特定特征、结构或特性组合在一个或多个实施例中。
下面根据计算机编程领域技术人员的经验，参考计算机系统或相同电子系统所执行的操作来描述实施例。这些操作有时被称为由计算机执行。应理解，被象征性表示的操作包括由诸如中央处理单元之类的处理器所处理的、代表数据位的电信号的操纵、系统存储器中诸如存储器位置处的数据位的保持，以及信号的其它处理。数据位被保持在其中的存储器位置是具有与该数据位相对应的特定电、磁、光或有机性能的物理位置。
当在软件中被实施时，实施例的元件基本上是执行必要任务的代码段。非暂时性代码段可被存储在处理器可读取介质或计算机可读取介质中，其中该处理器可读取介质或该计算机可读取介质可包括能够存储或传递信息的任何介质。上述介质的示例包括电路、半导体存储装置、只读存储器(ROM)、闪存或其它非易失性存储器、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路等等。用户输入可包括键盘、鼠标、触摸屏、声音指令输入等等的任何结合体。类似地，用户输入可用来使用户计算设备上正在执行的浏览器应用程序针对诸如网页之类的一个或多个网络资源，其中通过该网络资源可访问计算资源。
尽管已经结合具体示例和各种实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应容易理解，在不脱离下文所要求保护的本发明的实质和范围的情况下，在此所描述的本发明的许多修改例和改编例是可行的。因此，应清楚地理解，本申请仅通过示例的方式给出，并不作为对下面所要求保护的本发明的范围的限制。本说明书意在覆盖本发明的各种替代物、用途和改编例，通常覆盖本发明的原理，并且包括对本发明的变更，这均包括在本发明所属技术领域的公知常识范围之内。

Claims (11)

1.一种触笔界面设备，其包括：
手写笔，所述手写笔能够提供反馈力，并且具有能够在适当位置处进行旋转的表面接触球；
通信模块，所述通信模块能够实现与计算机的信息传递；以及
接触球夹紧机构，所述接触球夹紧机构响应地提供与所述反馈力独立的可变接触球摩擦力，
其中所述设备能够实现游戏界面；
其中所述接触球夹紧机构包括一组叉臂，所述叉臂将所述接触球保持在强度可变的夹具中；以及
其中当所述手写笔不与表面接触时的旋转运动生成到所述游戏界面的信号以触发游戏事件。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括传感器，所述传感器测量包括位置、取向、速度、加速度和旋转中的至少一者的操作数据。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括反馈促发器，所述反馈促发器沿纵向和正交方向中的至少一者选择性地产生相对于壳体定向的所述反馈力。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述通信模块还包括控制电路，所述控制电路采集所述操作数据便于进行传输，并且接收能够实现响应促发器促发的控制信息。
5.根据权利要求1所述的设备，其中手写笔压力表示游戏作用力水平。
6.根据权利要求1所述的设备，其中额外的手写笔压力触发损坏警告。
7.根据权利要求1所述的设备，其中增大的摩擦力向游戏角色表示疲劳和受伤中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的设备，其中摩擦力的突然改变标识游戏事件的发生。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括：
反馈促发器，所述反馈促发器产生所述反馈力；以及
制动板，当摩擦力和纵向反馈力相关联时，所述反馈促发器将所述制动板压向所述接触球。
10.一种用于在计算机与用户之间提供交互的计算机界面系统，所述计算机界面系统包括：
计算机；以及
触笔，具有能够在适当位置处进行旋转的表面接触球,所述触笔与所述计算机通信，并且为用户提供独立的反馈力和摩擦表面接触力，实现游戏界面；其中所述触笔包括接触球夹紧机构,所述接触球夹紧机构包括一组叉臂，所述叉臂将所述接触球保持在强度可变的夹具中；以及
其中当所述触笔不与表面接触时的旋转运动生成到所述游戏界面的信号以触发游戏事件。
11.一种用于在计算机与用户之间提供交互的方法，所述方法包括：
在计算机与手写笔之间传递信息，其中所述手写笔具有能够在适当位置处进行旋转的表面接触球；以及
利用所述手写笔为用户选择性地提供独立的反馈力和摩擦力，实现游戏界面；
其中所述手写笔包括接触球夹紧机构，所述接触球夹紧机构包括一组叉臂，所述叉臂将所述接触球保持在强度可变的夹具中；以及
其中当所述手写笔不与表面接触时的旋转运动生成到所述游戏界面的信号以触发游戏事件。
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