CN103019415B - 一种检测物体相对于表面移动的方法及设备 - Google Patents

Abstract

提出一种检测物体相对于表面移动的方法及使用该方法的设备，依据对一个载体内部的一个活动物件的位置检测，来检测载体在它的操作面上移动所产生的移动。活动物件在载体内有限空间能不断移动、复位，把将载体在平台上的长距离移动的分化为多段短距离移动，间接测量多个短距离的方式来实现对长距离的测量，从而达到检测载体在一平面上移动的目的。

Description

一种检测物体相对于表面移动的方法及设备

技术领域

本发明涉及位置移动检测领域，特别是用于电子产品人机控制方面技术。

背景技术：

计算机技术高度普及的今天，屏幕指针定位技术已发展出多种类型，触摸屏技术、触摸板技术、指点杆技术、加速度定位技术，手势识别技术等等，各有各的使用场合；但在桌面上使用电脑时，传统光学鼠标使用上的方便性及高效性优势是其它人机输入设备所不能替代的。鼠标这种操作使用方式的设备依然扮演着控制电子电脑设备的重要角色，在这类操作方式的设备上能提出更好的技术方案，将是非常具有价值的。

在此提出的位置检测技术，它和机械或光学鼠标一样都能在任意平面平台上进行光标定位，但在某些方面具有更大的进步性；例如可以把鼠标做得更加薄，如把鼠标整体厚度控制在3mm以内、甚至可做到更低的2mm厚度，这是传统鼠标技术所难以实现的。具有相当薄厚度的鼠标有很多特点，例如是便携性，能更好配合往轻薄化方面发展个人电脑设备，例如超薄型手提电脑。其次，具有足够薄的鼠标的使用舒适程度上也更具优势，由于足够的薄，使其放置于台面上操作时类似于把信用卡放于台面的移动的情形，可以将手指方便自然地放于其上面，移动时只需手指动作，能把手掌手臂运动量减到最低，比手掌中握住个物体的传统鼠标使用方式来说这更加灵活方便。另外，在此提出的位置检测技术能能适应性质不同的表面，因为此技术是属于接触式移动识别技术，和机械鼠标一样都需要接触参考操作台面(光电鼠标是非接触式光学检测技术)，并且其接触部分可以设计成一个微小光凸出位，有很好的介质表面适应性。

薄型化方面：光学鼠标原理上是ic芯片上的传感器不断地对操作台面摄取图像，光学鼠标在技术原理上需要光学光路，由物距、像距、光学镜头以及传感器ic构成这类技术的主要组成部分。传感器ic是可以设计的很薄的，障碍光学鼠标薄型化方面发展的只要在于物距、像距的存在以及镜头厚度。上述的这些因素导致光学鼠标很难进一步进行超薄型化设计。有一些其它技术专利也在薄型化方面进行研究，例如专利申请号为99106420.8的专利，通过圆柱体和操作面的接触旋转来进行定位，这和机械鼠标技术非常相似，机械鼠标是球体的旋转，此专利的是柱体的旋转；

平台适应性方面，对于有一定程度纹理的不同的操作界面，光学鼠标都能有很好的识别性，但当操作台面是光洁的、反光性的、透明的时候，光学鼠标将出现识别上的困难，例如光亮的表面、玻璃台面。对于一般办公或家庭使用来说，出于使用和美观需要，台面有一定光洁度是正常情形，采用玻璃做台面情形也非常多，这时光学鼠标需要配备鼠标垫才能取得较好的操作效果，这给使用上带来麻烦。虽然有激光鼠标甚至蓝光鼠标声称可以解决上述问题，但真正使用效果并不令人满意；例如对于干净的玻璃表面，激光鼠标是无能为力的，只有玻璃表面有明显的杂质肌理(例如有明显指印或灰尘)激光鼠标才能正常工作，实际情况是大多数人都依然依靠鼠标垫来匹配使用鼠标。

针对上面所述的现有鼠标技术不足，下面提出一个新的技术方法，依据此技术方法，可以制造出更高效、更轻便的电脑控制工具。

发明内容：

这里提出的位置检测方法的原理概括来说就是：测量一个活动物件在载体上的有限空间内的小距离移动后迅速将其归位到原来的位置，然后再测量，不断重复这个过程；这就把物体在平台上长距离的移动的分化为多段微小距离的移动，间接测量多个微小距离的方式来实现对长距离的测量，从而达到检测目的。这样的处理方式很有优势，因为对一个物体进行小距离高分辨率的测量是非常容易做到(例如各类型光学接近传感器)，并且体积可以做的非常足够的小。另外，由于这里提出的测量技术是和操作平台有直接接触，无需像光学鼠标那样依赖于操作平台表面机理特性。

无需归位检测物体移动有多种技术，申请号为91111024.0提出的“超微型鼠标器及其平移方式的输入装置”就是一种靠手指推动控制键来进行位置检测，当然这种技术只能检测手指非常有限的活动范围；再例如机械鼠标，鼠标内的滚球滚动一段距离后无需对其归为都能再次滚动

在此提出的位置检测方法中的归位的步骤相对对于其它系统来说是一个较为显著的特点，由于活动 物件只能在一个限制的空间内移动，向一个方向移动一个小距离后需要归回原位，归位动作是使它一直保持着某个方向的可移动性。下面详细将此技术进行说明；

本发明包括一些主要功能组成部分；

1.载体(2)及其操作面(1)：载体有一合适外形方便被人手移动操作，载体能在操作面上移动，载体在操作面方向有一个或多个开口(2a)；

2.活动物件(3)：位于载体(1)内能够移动或转动的部件，活动物件上有一外接触部位(3a)通过载体的开口(2a)凸出到载体外面并能和操作面(1)形成接触关系。

3.位置检测器(4)，固定在载体(1)上能对活动物件进行某个方向的位置检测，

4.力驱动器(5)，力驱动器固定在载体(1)上能对活动物件产生作用力，使活动物件能向载体上的某个特定位置移动(2b)，尽量接近或位于此特定位置(2b)上；这个过程在此也可称为活动物件的归位。此特定位置(2b)需满足此条件：

当活动物件位于此特定位置时，在位置检测器(4)的检测方向上活动物件(3)有相对于载体(1)产生相对移动的空间或距离，以保证当载体相对操作面移动时，活动物件也能相对载体产生相对移动，同时这种移动能被位置检测器检测到；可参考附图8的归位示意图。

5.数据处理器(6)，以及电源、以及控制其它的电子设备的无线或有线数据链路等。

活动物件(3)能在载体内部的一个方向(x)的一段范围内前后移动，载体上有一开口(2a)，活动物件的外接触部位(3a)是通过载体的开口(2a)外伸出到载体(2)外面，当把载体放在一个操作面(1)上时，外接触部位(3a)是能够和操作面(1)形成接触关系。

工作时，力驱动器(5)首先将活动物件(3)归位，然后位置检测器(4)检测活动物件(3)的位置状态并用相应的电信号表示，确立一个参考信号值；

当载体(2)相对操作面(1)在(X)方向移动时，活动物件由于外接触部位(3a)和操作面(1)有接触、存在摩擦力，因此它相对于操作面来说是相对静止的而相对于载体来说则是移动或转动的；位置检测器(4)检测活动物件(3)相对于载体(2)的位置状态并用相应的电信号表示，得到一个样本信号；数据处理器(6)根据预先设定的一个或多个预设值对样本信号和参考信号进行处理、计算，当样品信号和参考信号的差异值的绝对值大于预设值，则确定活动物件产生一次有效移动。

确定活动物件产生一次有效移动后，力驱动器(5)产生力推动活动物件，使其归位向载体内的特定位置(2b)；当载体再次移动时，活动物件能再次产生相对移动或转动。这样不断地测量、不断归位活动物件，能取得一系列移动数据，这个数据也是关于载体(2)和操作面(1)之间在(X)方向上的相对移动数据。

数据处理器确认活动物件的一次或多次有效移动后产生相关控制信号去控制其它电子设备；依据活动物件有效移动的次数、或者有效移动所对应的预设值可以有不同的控制信号，并且依据第一值与第二值的大小关系确定控制信号的正反方向属性，例如第一值大于第二值时确定为+X方向的移动，第一值小于第二值确定为-X方向的移动，或者相反。

对于上面对参考值，还可以采用另外的处理方式，即设定一个值作为参考值，或者依据多次测量位于归位位置的活动物件的位置值来确定一个参考值，例如平均值；这样系统就不需要在每次取得样本值之前获取一个参考值。

在活动物件归位的过程中，载体相对于操作面移动的信息会丢失，采取足够快的归位速度能把这种丢失的信息减到非常小。并且这些丢失的位移信息能通过计算进行补偿。

附图说明：

附图1是本发明工作原理框图。

附图2是限向活动物件在载体上的移动或转动关系图，(a)部分是转动方式，(b)部分是移动方式。

附图3是载体与全向活动物件之间的关系图，(a)部分是平面图，(b)是图(a)的剖面图。

附图4是力驱动器的磁性元件与电磁线圈相对限向活动物件之间的几种关系示意图。

附图5是位置检测器对活动物件的检测方式示意图，(a)部分是反射式，(b)部分是透射式。

附图6是在载体内安装两个互相垂直的限向活动物件、位置检测器、力驱动器的实例，

附图7是在载体内安装一个全向活动物件、以及多个位置检测器、力驱动器的实例.

附图8是限向活动物件归位示意图：

顺序(a)-(b)-(c)为：活动物件位于载体的特定位置(2b)------载体相对操作面移动同时使活动物件相对载体移动----力驱动器产生一个力(5d)使活动物件归位到特定位置(2b)。

顺序(d)-(e)-(f)为：活动物件位于载体的特定位置(2b)------载体相对操作面移动同时使活动物件相对载体移动-----力驱动器产生二个相对方向的力(5d)使活动物件归位到特定位置(2b)。

标记说明：

1.载体的操作面，2.载体，2a.载体的开口，2b.载体上的特定位置，

3.活动物件，3a.活动物件的外接触部位，3b.活动物件的旋转轴，

4.位置检测器，4a.位置检测器的信号源，4b.位置检测器的信号接收器，

5.力驱动器，5a.力驱动器的磁性部件，5b.力驱动器的电磁线圈，5c.电磁线圈的磁力线中心轴，5d力驱动器向活动物件施加的力，

6.数据处理器，7限向活动物件的平行板阻隔物，8滚珠。

具体实施方式

依据发明内容所描述的，一个位置检测器对活动物件进行一个方向的位置检测，数据处理器能得到一个方向的位移数据以及对其它电子设备输出一个方向的控制数据，这对于实际应用并不足够，例如控制屏幕指针移动最少需要互相垂直的两个方向轴的移动数据，即x轴的正反方向数据及y轴的正反方向数据。要得到载体相对于操作面上各方向的移动数据需，要对活动物件、位置检测器、力发生器等进行进一步调整。

首先，发明内容中所描述的力驱动器(5)对活动物件产生的力只是一个单一方向力(5d)，它能对活动物件在一个方向上的移动执行归位动作，归位后的活动物件能在载体的一个方向上移动，见附图8的(a)-(b)-(c)，位置检测器(4)检测到活动物件(3)在此方向上的位移状态。这种情况下要实现对载体在操作面上的全部移动方向检测则需要三个或三个以上的的具有不同移动方向的活动物件，同时每个活动物件都对应有一个力驱动器及位置检测器，数据处理器能得到三个方向的移动数据；三个方向的移动数据是能够体现载体在操作面上的移动情况的；当然，四个方向会更好，因为四个方向数据即可构成两个互相垂直的方向轴xy的正反方向。

在上面所述中，把力驱动器(5)对活动物件(3)产生的力用两个相反方向的力来取代，它能对活动物件在相反的两个方向上的移动执行归位动作，见附图8的(d)-(e)-(f)，归位后的活动物件就可以在载体的(+X)或(-X)两个方向移动，位置检测器也就能检测到活动物件在方向(+X)或(-X)上位移状态。此时一个活动物件就能实现某方向的正反两个方向的检测。这种情况下要实现对载体(2)在操作面(1)上全部的移动方向的检测，载体上需要两个或两个以上的移动方向各不相同的活动物件(3)，同时每个活动物件都对应有一个力驱动器(5)及位置检测器(4)。当活动物件为两个时，使它们之间的移动方向互相垂直，即可构成两个互相垂直的方向轴xy的正反方向，(见附图6)。

上面技术实施方案活动物件相对载体的移动是具备方向性的，对于没限制移动方向的活动物件，原理也基本一样，但此时力驱动器(5)必须能产生三个或三个以上的不同方向的力，也可以说是由三个或三个以上的不同方向的力驱动器(5)共同作用于同一个活动物件(3)，这样进行归位动作时才能把活动物件(3)定位在载体(2)的某个特定位置(2b)上，这就能能使活动物件在载体的不同的方向上有移动空间；同时配备三个或三个以上的检测方向互不相同的位置检测器检测这个活动物件，数据处理器分析这些位置检测器数据确定活动物件的相关移动值及方向。(附图7)是配备4个力发生器同时作用于一个活动物件、以及配备两个检测方向互相垂直的位置检测器(4)同时检测一个活动物件(3)的示意图。

根据上面所描述，为了实现使活动物件只在载体内部的某一个方向的一段范围内前后移动，活动 物件放置在载体内需要合适的结构方式，可以采用限向移动方式或旋转方式；限向移动方式是指通过在活动物件的两个平行线位置或最小三个不同的点位置上增加阻隔物(8)，使活动物件只能在一个方向上前后移动，该阻隔物是指固定在载体上的平行板或圆柱或其它形状物体，并且这些阻隔物与活动物件之间可以采用滚珠(9)来接触连接，以减低活动物件与载体之间的接触摩擦力。旋转方式是指活动物件能够围绕载体上的一个轴点(7)(或一个部位在一定角度内自由转动，这个轴点是指一转动轴的轴心或这个部位是指连接活动物件与载体的具有柔软度的物体。当采用旋转方式时，活动物件上的外接触部位(3a)必须在这里所述的轴心或柔软物体以外的位置，这样外接触部位接触到操作面时就能围绕这个轴心或柔软物体转动。

实际应用中平移方式或旋转方式都要求能做到把活动物件相对载体的移动或旋转摩擦力减到最小，这样外接触部位(3a)和操作面(1)的接触摩擦力只需很小就能使活动物件(3)相对载体(1)产生位移变化，同样，力驱动器(5)对活动物件(3)只需很小驱动力就能使其产生归位动作。在实际应用中，活动物件靠自身的重力作用使外接触部位和操作面形成的接触摩擦力有时并不足够，这时可以向活动部件施加一垂直于操作面的力，增加活动物件的外接触部位和操作面之间的力，达到增加它们之间的摩擦力的目的，同时也使活动物件的外接触部位能和操作面之间形成弹性接触的关系，实现和操作面的完全接触。这可以由载体上的一弹性部件通过滚珠接触活动部件的方式向活动物件施加一垂直于操作面的力，或弹性部件与活动物件互相固定，载体上的一平面通过滚珠接触弹性部件的方式向活动物件施加一垂直于操作面的力；采用滚珠形式的接触，是为使活动物件在载体上的移动或转动具有尽量小的接触摩擦力。下面对力驱动器及位置检测器做进一步的说明

首先是上面过程中所述的力驱动器，是指一电磁力发生装置，这是通用技术，能通过众多的形式来实现，原理上都是通过施加一定电流的电磁线圈产生的磁场对磁性元件产生作用力的方式来实现，我们的目的就是把这种作用力转换为载体和活动物件之间的作用力，使它们之间能相对移动。例如把线圈固定在活动物件(或载体)上，把磁性元件固定在载体(或活动物件)上，线圈对于磁性元件之间的力就转为活动物件与载体之间的力。

构成力驱动器的电磁线圈和磁性元件是通过一定的放置方式来把载体和活动物件联系起来，这种放置方式根据电磁线圈的受力方式，有多种构成方式，如附图4所示。对于有限定方向的活动物件来说，磁性元件和电磁线圈之间的作用力可以是单向的一个力，也可以是相对的两个力。附图4所示中的S、N表示磁体的磁极。

附图4的(a)所示为电磁线圈的磁力线中心轴与活动物件的自由移动方向平行时，磁性元件放置在电磁线圈磁力线中心轴单侧，它们之间有一个单一方向的力。附图4的(b)所示为电磁线圈的磁力线中心轴与活动物件的自由移动方向平行，磁性元件放置在电磁线圈磁力线中心轴两侧，它们之间有两个相对方向的力，在两个力的作用下，电池线圈向两个力的合力点移动。附图4的(c)所示为电磁线圈磁力线中心轴与活动物件自由移动方向垂直，磁性元件放置在电磁线圈磁力线中心轴两侧。它们之间有两个相对方向的力，在两个力的作用下，电池线圈向两个力的交点移动，附图4的(d)所示为磁性元件从电磁线圈磁力线中心轴穿过，依据磁性元件的构成方式和电磁线圈的电流方向可构成单向或双向的力。

对于没有限定自由移动方向的活动物件来说，可以配置多个上述的力驱动器，使这些力驱动器都作用于同一个活动物件，并且这些力发器相互之间需要存在一个非零的角度，使活动物件能移动向载体的某个确定位置(如附图7所示)。

这里所述的磁性元件是指：单个SN磁极的磁铁、或包含有多个SN磁极的磁铁组、或导磁物体，又或者是它们之间的组合。

力驱动器也可是用其它原理方式来实现，例如静电力，又或是电致伸缩物质产生的力。

其次是上面过程中所述的位置检测器(4)，也有很多种已知的通用技术，例如各种类型的接近式位移传感器，光栅或容栅式位置传感器；其中接近式又分为光接近式、磁接近式、电容接近式、超声波接近式、等等；光栅位置传感器又分透射式和反射式，光接近式也分透射式和反射式，电容式也有很多技术种类。这种能检测物体位置的技术的种类繁多，但原理上都是通过对某种信号的改变来获得相关数据 的。并且这些技术都是应用普遍的，在这里不对其原理一一解析。

在此，我们把这种位置检测器放置在载体内，用来检测活动物件，活动物件相对载体的位置变化能改变位置检测器的检测信号，得到活动物件相对载体位置变化的相关信号；

根据采用的技术种类，位置检测器在载体内的放置方式也不完全一样；例如对于声、光接近式来说，如附图5所示，检测元件通常都固定在载体上，位置检测器的信号发生器产生的声、光等信号会被活动物件本身所反射或透射，位置检测器的信号接收端会收到这些透射或反射或改变的信号，当活动物件移动时则这些信号都会跟随改变，从而得到一个关于活动物件相对于载体的移动的相关信号。附图5的(a)部分是反射式示意图(b)部分是透射式示意图。对于磁接近式，可把一磁性元件与活动物件相固定，信号接收部分可采用磁敏元件并与载体固定。对于光栅或容栅式来说，通常都把部分或全部光栅板或容栅电极和活动物件相固定，其它部分则与载体相固定。信号检测器的不同部分分别与载体和活动物件相联系，就检测到关于载体与活动物件相对位置的相关信号。

采用不同的信号检测器，从活动物件上检测的信号也有所不同，主要有模拟信号或数字信号；其输出到数据处理器上的信号也有模拟或数字之分；

例如对于接近式，信号检测器从活动物件上检测的通常某个强度的光、声、磁等信号，并用相应的电压或电流强度信号来表示。但对于光栅式或容栅式来说，信号检测器从活动物件上检测的通常是几个光或电荷信号的组合信号，即数字信号(有绝对值式和相对值式)，用不同的数字信号表示活动物件相对于载体的不同位置状态。

因此数据处理器从位置检测器所收到的信号也存在两种可能的类型，一种是模拟信号，一种是数字信号，对于模拟信号需要使用相关模数转换功能电路把模拟信号转换为数字信号再进行计算处理。

构成上面技术的主要部件：活动物件、力驱动器、信号检测器都能采用微型化手段来实现；例如活动物件采用薄片材料来构成，活动物件与载体之间采用轴连接使相互之间有尽量小(最好为0)的摩擦力F1，薄片式的活动物件上的一个凸出的外接触部位与载体的操作面存在一接触摩擦力F2；当F1足够小时，只需很小的F2就能克服F1，使载体相对操作面移动时，活动物件的外接触部位也能相对于载体产生移动或转动。力驱动器对活动物件的力为F3，F2较小因而只需较小的F3就能驱使活动物件移动。这里的力F1、F2、F3都很小使得力驱动器微型化成为现实，使用微型驱动线圈、微型磁铁构成的电磁力产生机构就能非常好地工作。另外，信号检测部分可采用已市场普及0603(1.6×0.8mm)或0402(1×0.5mm)尺寸光发射/接收二极管，这些元件是足够微小的。通过这里所述的各个关键技术部位微型化设计，能设计出一个足够薄的位置检测设备，例如一个仅仅2mm到3mm厚度的、类似信用卡式的超薄型鼠标。

Claims (5)

1.一种检测物体相对于表面移动的方法，其特征在于，主要包括：产生力的力驱动器装置、被力驱动器驱动的活动物件装置、能检测活动物件位移的位置检测器装置、相关的数据处理器、以及能承载上述装置的载体；所述方法包括下述步骤：

(a)力驱动器对活动物件产生力，使活动物件能向载体内的一个特定位置移动或转动，靠近或位于该特定位置，所述的特定位置符合此条件：活动物件位于此位置时，在位置检测器的检测方向上，活动物件相对于载体有能够移动或转动的空间或距离；

(b)力驱动器停止向活动物件产生力；

(c)位置检测器检测活动物件，获取活动物件位置相关的参考值，或设定一个参考值；

(d)位置检测器检测活动物件，获取活动物件位置相关的样品值；

(e)数据处理器处理、计算参考值与样品值的差值，并根据一个或多个预设值与差值进行比较、计算；以及

(i)如果参考值与样品值的差值的绝对值小于预设值，再重复(d)至(e)，直到所述差值的绝对值大于或等于预设值；

(ii)如果参考值与样品值的差值的绝对值大于或等于预设值，则确认为活动物件的一次有效移动，再重复(a)、(b)、(c)、(d)、(e)，或再重复(a)、(b)、(d)、(e)；

步骤(b)也可放在步骤(c)的后面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(c)、(d)、(e)的过程中，位置检测器不断重复检测活动物件相对载体的位置变化，数据处理器依据该位置变化产生相应的控制信号去控制其它电子设备。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从步骤(b)或步骤(c)到步骤(d)之间存在一个时间，该时间可以根据需要设定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于活动物件上有外触点能通过载体上的开口伸出到载体外面。

5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，在载体内安装有两个或两个以上可转动的或能在限定一个方向上前后移动的活动物件，并使这些活动物件的转动或移动方向互相垂直或各不相同；同时对应于每个活动物件，分别配置一个位置检测器和一个力驱动器；对应于每个活动物件的外触点，在载体上有相应的开口；数据处理器依据多个不同检测方向的位置检测器的检测数据产生多个方向的对其它电子设备的控制数据。