CN103150028A - 手握式键盘及其输入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手握式键盘，它包括一对适合握在左、右手掌内的手柄，每个手柄上分布有五个或以上按键，其中五个主按键直接对应于五个手指，即当自然握住上述手柄时，五个主按键与五个手指的某个部位自然接触；手柄内部安装有运动检测单元用于检测手的运动，有微处理器以及通信单元和电源单元等；所述按键和运动检测单元连到所述微处理器，微处理器还连接通信单元。通信单元用来将按键和位置信息传输到计算机，也可以从计算机接收有关数据。本发明同时公开了用于上述手握式键盘的按键判别和输入方法。本发明延续了现有键盘使用习惯，支持盲打高速输入，可以在移动中操作，且便携。

Description

手握式键盘及其输入方法

技术领域

一种计算机信息输入设备，特别是一种便携式的手握式键盘，及其输入方法。

背景技术

计算机发展到今天，正在迅速小型化、便携化和移动化，形式多样。平板式计算机、掌上电脑、智能手机这些小到可以装入口袋的终端设备已经具备强大的运算处理能力，但至今没有相适应的小型、高效的信息输入装置出现。虽然各种信息输入设备层出不穷，如触摸屏、手写板、投影键盘、空中鼠标、各种微型键盘，但我们发现没有一种达到传统桌面键盘和鼠标的高效易用。如触摸屏及虚拟键盘，输入速度远远不及普通键盘；投影键盘虽然便携但输入效率极低。究其原因，主要是缺乏手感、没有触觉反馈、不能盲打、无法双手同时操作。

发明内容

本发明提供一种便携的手握式键盘及其输入方法，使用本发明的手握式键盘，使用者可以不改变现有键盘操作习惯而实现类似传统桌面键盘的盲打和双手同时操作，并且可以在移动中进行键盘输入。

本发明的手握式键盘包括一对适合握在左、右手掌内的手柄，每个手柄上分布有五个或以上按键，其中五个主按键直接对应于五个手指，即当自然握住上述手柄时，五个主按键与五个手指的某个部位自然接触；手柄内部安装有运动检测单元用于检测手的运动，有微处理器以及通信单元和电源单元等；所述按键和运动检测单元连到所述微处理器，微处理器还连接通信单元。通信单元用来将按键和位置信息传输到计算机，也可以从计算机接收有关数据。

为了用有限的按键进行全部键盘的按键输入，键盘按键判别的方法如下：1）预设有限个手的位置状态（以下简称手位）的集合，其中包括左右手各一个准备位置作为基准，其它手位由手的位置相对于其准备位置的偏移量来确定；2）预设每个手位下各手指所对应的键盘按键；3）当手静止并保持一定时间，则设定此时的位置为准备位置；4）根据运动检测单元输出的运动信息，计算手相对于其准备位置的偏移量，从而实时判断手所处的手位状态；5）当有手柄按键动作发生时，根据步骤2所预设的当前手位下手指与键盘按键的对应关系，发送相应的键盘按键信息。

上述手位状态对应于传统键盘输入时手的典型位置状态，这些状态数量是有限的，与所相应的键盘类型有关。在实际键盘操作中，有一个基准位置即‘准备位置’，是指左手食指接触‘f’，右手食指接触‘j’的位置。左手的‘准备位置’（以下用L0表示）时，有效的按键是‘a’、‘s’、‘d’、‘f’，分别对应左手的小指、无名指、中指、食指。左手在此手位时，如食指按下则发送‘f’键，如中指按下则发送‘d’键，以此类推。右手‘准备位置’（以下用R0表示）的有效按键是‘j’、‘k’、‘l’、‘；’，分别对应于右手的食指、中指、无名指、小指，即，如食指按下则发送‘j’， 中指按下则发送‘k’，以此类推。当目标按键不是上述按键时，则需要将手或手指移出上述位置，进行击键动作，然后自然归位于‘准备位置’。左手从‘准备位置’向右移动则为‘Lr’手位，这时有效按键只有‘g’，对应于左手的食指动作。即这时如左手食指按下则发送‘g’，其它手指按下无响应。左手左移则对到达‘Ll’手位，这时只有‘CapsLock’有效，对应于左手小指，等等。

手的位置偏移包括姿态角度变化和位置平移，因此所述运动检测单元可以是由微机电（MEMS）加速度传感器、陀螺仪、磁场传感器，或一种以上上述传感器组合构成。

为了配合操作，可以通过软件将键盘图像显示出来，在键盘显示中，可以显示手位状态，特别是显示当前有效键盘按键信息，从而使用人可以实时了解手位状态和有效按键集合，更加准确地进行输入，避免错误动作。

有益效果：

1. 由于采用握在手心，手指甚至指根操作的方式，本发明的装置体积小，重量轻，便携。

2. 两手柄相互独立，可同时操作，提高了输入效率。

3. 引入触觉或听觉反馈后，可实现盲打操作。

4. 引入适当的运动检测单元，仅需手的微小运动或旋转即可实现手位检测以及按键操作，不需要手臂动作，因此肌肉群运动量小，适合大量输入工作。

5. 本发明的手握式键盘不但可以在桌面使用，也可以在站立、行走中使用。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的手握式键盘的左手手柄结构示意图。右手手柄结构与此镜像对称。

图2是本发明第一个实施例中的微处理器进行手位计算的固件程序流程图。

图3是本发明第一个实施例中，左手不同手位下食指、中指、无名指、小指与键盘按键的对应关系的表格。

图4是本发明第一个实施例中，右手不同手位下食指、中指、无名指、小指与键盘按键的对应关系的表格。

图5是本发明第四个实施例中，左手手柄表面振动器的分布示意图。

图中：手柄外壳1，拇指对应的主按键2，食指对应的主按键3，中指对应的主按键4，无名指对应的主按键5，小指对应的主按键6，运动检测单元7，微处理器电路8，通信单元9，电源10，辅助按键11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

图1给出了本发明的手握式键盘的左手手柄结构示意图，而右手手柄是与其对称的，没有画出。手柄外壳1是由轻质有机材料制成的壳体结构，其大小和形状使之可以较自然地握在手中，而按键的位置是这样的：当正常握于手掌内，大拇指的指肚自然落在主按键2，食指、中指、无名指、小指的根节（第三节，即指根）自然接触主按键3、4、5、6，大拇指从自然位置小幅移动后可以接触并按下辅助按键11。微处理器电路8是一个普通的单片机电路，它连接运动检测单元7并对移动距离进行计算。微处理器电路8同时连接所有按键2~6，及11，并根据手的位置和状态及按键动作，输出相应的按键数据，通过通信单元9发送到主机，这里的主机指普通PC、笔记本电脑、移动智能终端设备等接收键盘数据的终端设备。电源10用于向所有手柄内的电路供电。

本实施例的运动检测单元7采用 InvenSense, Inc.公司的MPU-6050，它包含了一个三轴陀螺仪（3-axis gyroscope）和一个三轴加速度计（3-axis accelerometer），本实施例利用了其三轴陀螺仪。单片机采用通常的8位单片机。在单片机的固件中实现手位的计算，其中核心的功能是手位的实时计算。

判断手是否处于基准位置并设定基准位置参数是进行手位计算的基础。在实际操作中，当手准备进行键盘输入时，需要先将双手放置于准备位置上，此后从此位置出发到达需要的位置进行键盘敲击，而敲击后也要迅速回到准备位置，因此手在其他位置都是短暂和动态的，只有在准备位置才会有一定时间的静止。判断静止的方法有多种，例如可以将运动检测单元的输出加速度数据接近不变、角速度接近不变，并保持一定时间作为判据。因为当手静止时，加速度不变（包含重力加速度成分），角速度也不变，而在运动中，虽然也可能出现加速度接近不变、角速度也不变的瞬间，但由于物理尺度限制，以及手在运动中难以保持匀速，这种稳定状态是不可能长时间保持的。如果进一步引入磁场强度的输出，可以更可靠地判断静止状态。

图2是本实施例中微处理器进行手位计算的固件程序流程图。在程序初始化后，手位处于不确定状态，直到检测到手处于静止状态并保持了Ts时间。这时判定手位处于‘准备位置’，对有关基准位置参数（各轴的角度）进行初始化，以作为基准。此后循环进行位置偏移（角度偏移）计算、手位状态更新，并监测上述手位处于准备状态的条件是否再次满足，如满足，则再次进行基准位置参数初始化，以防止长期误差累积。本实施例的Ts设置为2秒。实际上，在MPU-6050芯片中已经提供了静止检测（zero-motion detection）功能，可以加以利用。

在图3中，本实施例预设左手手位有16种，其中L0表示准备位置，Ll表示从L0位置左移的位置，Lr表示从L0位置右移的位置；Ldm（其中m为一位数字）表示自L0向下移m步的手位，这里的m步指距离单位，1步为系统能够可靠分辨的最短偏移。 Ldml（其中m为一位数字）表示自L0下移m步又左移的位置；Ldmr（其中m为一位数字）表示自L0下移m步又右移的位置；同样，Lum（其中m为一位数字）表示自L0向上移m步的手位，Luml表示自L0上移m步又左移的位置；Lumr表示自L0上移m步又右移的位置。所述的距离偏移的设定需根据试验决定，以可分辨和移动最小为原则。其中 Invalid 表示手指对应的主按键在相应的手位下无效。

在图4中，本实施例预设右手手位有18种，其中R0表示右手的准备位置，其它手位的表示规则和含义与上述左手的手位表示相类同。

左手和右手大拇指按键（主按键2）都对应于空格键，以符合传统键盘操作习惯。

辅助按键11可用于进行快速大小写切换，或输入法切换等，可在软件中进行灵活定义。

在实现了手位实时跟踪的基础上，当按键动作发生时，根据图3或图4表格查表，可以将手指按压主按键的动作转化为键盘按键动作，并将信息传输到主机，从而实现键盘输入。电路中可设计按键动作触发微处理器中断，在中断服务程序中进行上述查表和计算，并完成通信工作。

主机中的软件，可以显示一个键盘，其中对应于当前手位的有效按键被高亮显示，从而使用者可以直接目视屏幕，通过双手的动作进行键盘按键输入。

所述通信单元是一个无线数据传输模块，通过它可以与主机进行通信。也可以是一个有线通信接口电路。

电源10可以是电池，也可以是超级电容器。采用超级电容器的优点是重量轻，并且绿色环保。

本实施例参照Lenovo ThinkPad T430i笔记本键盘按键排布设计，但也可以参照其他键盘，只要符合人们的使用习惯，便于记忆，有利于提高效率即可。

作为等价的实现方式，上述传感器数据可以直接传输到主机，上述固件功能在主机软件中实现，这样的优点是降低硬件复杂性，软件设计可以更灵活、强大，缺点是通信负荷较重，对主机依赖大。

本实施例中，以手的原地旋转角度量作为位移量进行手位计算，涉及的肌群少，手的运动量较低，利于长时间大量输入。实际使用中，手腕的上下旋转对应于手在键盘上的上下移动；左手的轴向外旋、内旋对应左手在键盘上的左移、右移；右手的轴向外旋、内旋对应右手在键盘上的右移、左移。有很好的直观性，易于接受。

实施例2：

在实施例1的基础上，综合利用加速度计和陀螺仪和磁场传感器，则可以对更复杂的运动进行跟踪，实现更合理有效的手位计算，从而达到更好的效果。其中磁场传感器采用了Honeywell 公司的HMC5883L弱磁场传感器芯片，可以检测地球磁场的强度和方向，配合陀螺仪可以更完整地检测手的姿态角度，加之加速度计的实用，对平移量也可以跟踪计算。

实施例3：

作为实施例1或2的一种改进，在所述手握式键盘内，可以安装振动反馈部件（振动器），在相邻手位的临界点，使振动器动作，以实现触觉反馈，从而使得盲打输入成为可能。同样原理，也可以引入音频播放，声音特征对应于手位状态，也有利于盲打操作。所述的振动器，可以是转子马达、线性马达或压电陶瓷。

实施例4：

作为实施例3的一种改进，引入一个振动器阵列，安装于手柄表面接触手掌的一侧，每个振动器对应一个手位，其排布位置关系也对应于手位位置关系。当手处于某个手位时，相应的振动器振动，从而根据触觉可以直接感知手位，对提高效率和盲打非常有利。

图5中，左手手柄表面安装的振动器以圆形表示，其中L0表示准备位置的振动器，以此类推，其它各振动器的标识与图3中相对应。

所述的振动器可以是转子马达、线性马达或压电陶瓷，以压电陶瓷为最好，因为体积小、响应快。为了减少电源消耗，手位不确定时没有振动器动作，准备位置相应的振动器在初始化准备位置参数时短暂振动，所有手位相应的振动器在到达其手位时短时间振动。。

实施例5：

作为以上实施例的一种改进，可以设定某种按键组合，配合运动检测单元的数据，实现鼠标操作的模拟。本实施例中，左手主按键2、3同时按下时，进入鼠标模式。在此模式下，右手主按键2按下时，手的运动或旋转被转化为光标移动，右手主按键3（对应食指）作为鼠标左键，右手主按键4（对应中指）作为鼠标右键，从而可以实现基本鼠标操作。

实施例6：

作为实施例1或2或3的一种改进，为了方便手握，可以在手柄上装配固定带，以便将手柄戴在手上，即便松开也不会掉落。

上述实施例中的预设手位、键盘按键组合是指导性的范例，实际实现中可以根据应用环境作进一步调整、优化。这种调整、优化显然属于等同替换，因此当然在本申请的权利要求书保护范围之内。

Claims (12)

1.一种手握式键盘，其特征为，包括一对适合握在左、右手掌内的手柄，每个手柄上分布有五个或以上按键，其中五个主按键直接对应于五个手指，所述手柄内部安装有运动检测单元用于检测手的运动，还有微处理器以及通信单元和电源单元，所述按键和运动检测单元连接到所述微处理器，所述微处理器还连接所述通信单元用以将按键和运动信息传输到计算机。

2.根据权利要求1所述的手握式键盘，其特征为，所述运动检测单元由一个多轴陀螺仪或一个多轴加速度计或一个磁场传感器构成，也可以是由一种以上上述传感器组合构成。

3.根据权利要求1或2所述的手握式键盘，其特征为，在所述手柄内设有振动器连接到所述微处理器，所述振动器根据手的位置偏移情况产生振动，用来实现触觉反馈。

4.根据权利要求1或2所述的手握式键盘，其特征为，引入一个振动器阵列，所述振动器阵列安装于手柄表面接触手掌的一侧，每个振动器对应一个手位，其排布位置关系也对应于手位位置关系。

5.根据权利要求1或2所述的手握式键盘，其特征为，在所述手柄上装配有固定带，用以将手柄戴在手上。

6.一种用于权利要求1至5之一所述手握式键盘的输入方法，其特征是，包含如下步骤：

步骤一、预设有限个手位状态的集合，其中包括左手、右手各一个准备位置作为基准，其它手位由手的位置相对于其准备位置的偏移量来确定；

步骤二、预设每个手位下各手指所对应的键盘按键；

步骤三、当手静止并保持一定时间，则设定此时的位置为准备位置；

步骤四、根据运动传感器运动检测单元输出的运动信息，计算手相对于其准备位置的偏移量，从而实时判断手所处的手位状态；

步骤五、当有手柄按键动作发生时，根据步骤二所预设的当前手位下手指与键盘按键的对应关系发送相应键盘按键信息。

7.根据权利要求6所述的输入方法，其特征是，引入振动或声音反馈，他们的驱动与手位变化相关联。

8.根据权利要求6所述的输入方法，其特征是，引入一个振动器阵列，每个振动器对应一个手位，其排布位置关系对应于手位位置关系。

9.根据权利要求8所述的输入方法，其特征是，手位不确定时没有振动器动作，准备位置相应的振动器在初始化准备位置参数时短暂振动，所有手位相应的振动器在到达其手位时短时间振动。

10.根据权利要求6至9之一所述的输入方法，其特征是，在主机显示器上显示当前有效键盘按键的图像信息。

11.根据权利要求6至9之一所述的输入方法，其特征是，采用按键组合切换到鼠标模式，利用运动检测单元的输出配合按键动作实现鼠标操作。

12.根据权利要求6至9之一所述的按键判别和输入方法，其特征是，步骤二中所述预设每个手位下各手指所对应的键盘按键，预定义如下：

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