CN103765352A - 球形三维控制器 - Google Patents

Abstract

一种三维控制装置包括外盒，所述外盒包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；以及三维（3D）控制器包括第一帽致动器，所述第一帽致动器包括第一圆形控制表面，所述第一圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第一表面之外；第二帽致动器，所述第二帽致动器包括第二圆形控制表面，所述第二圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第一表面之外，所述第一圆形控制表面与所述第二圆形控制表面对齐；检测所述第一帽致动器上的力的第一传感器；以及检测所述第二帽致动器上的力的第二帽传感器。

Description

球形三维控制器

相关申请

本申请与2011年9月9日提交的序列号为第61/532,821、名为“Spherical Control Device”的美国临时专利申请相关，并要求其优先权，本文通过引用将其包含在内。

技术领域

本发明的实施例大体上涉及电子设备的领域，并且更特别地，涉及用于球形三维控制器的方法和装置。

背景技术

包括台式计算机以及膝上型和笔记本计算机的计算设备越来越多地被用于不限于二维（2D）操作而是使用三维（3D）空间的应用。

采用多种可能形式的3D形象化和交互、经由各种机制来使用相对深度的人类感知（包括立体、遮蔽、线性透视）、以及在远处改变光学属性呈现了个人计算中的新兴前沿。由于处理能力的提高、改进的显示技术、和更尖端的软件工具，现在真三维的电影、模拟、CAD（计算机辅助设计）、和游戏是伸手可及的。

计算设备用户因以下概念而变得越来越舒适：在被计算界面所体现的虚拟世界内工作。因而，用户期待其在虚拟世界内的交互的容易、精度、和深度密切近似物理世界。

然而，诸如膝上型计算机和其他类似系统之类的计算系统通常不向用户供给提供3D输入的有效手段。常规选项可以包括多轴外围输入设备，但是此类设备是笨拙的，并且不适于支持尖端3D应用。

附图说明

在附图的图中，通过示例的方式并且不以限制的方式来图示本发明的实施例，在所述附图中相似的附图标记指代类似的元素。

图1是用于计算装置或系统的3D控制器的实施例的图示；

图2是具有滚动力（rolling force）检测的3D控制器的实施例的图示；

图3是装置或系统的外盒（casing）中的一组3D控制器的实施例的图示；

图4是用于3D控制器的帽致动器（cap actuator）的实施例的图示；

图5是在膝上型计算机中安装的3D控制器的实施例的图示；

图6是3D控制器的实施例的视图的图示；

图7是图示用于计算系统的三维控制的过程的实施例的流程图；以及

图8图示了包括3D控制的计算设备或系统的实施例。

具体实施方式

本发明的实施例大体上针对球形三维控制器。

如本文所使用的：

“计算装置或系统”意指提供处理操作的电子装置或系统，包括个人计算机、膝上型或上网本计算机、平板计算机、视频游戏控制台、智能电话、个人数字设备、手持计算机、或其他类似的设备。

“外盒”意指装置的外部的盒或盖。

在一些实施例中，球形三维控制器（在本文中可以被称为3D控制器、或控制器）被提供用于计算装置和系统的3D命令控制。在一些实施例中，一个或多个3D控制器可以被包括在计算系统中（诸如，在诸如膝上型或笔记本计算机之类的装置的外盒的表面中或上的控制装置）、或被集成在计算机监视器中，或者其可以是诸如独立控制设备之类的单独的单元。

在一些实施例中，球形3D控制器（可以被称为UniBall控制器）可以被用来以紧凑形式提供精确且准确的（包括3D输入的）输入，其中此类外形规格特别适于膝上型计算机外盒或其他类似的控制位置内的集成。在一些实施例中，将控制器的大小良好地匹配于由用户的手的指尖的应用而进行的操作，所述控制器的大小可以与弹珠或类似大小的对象相类似。在操作中，可以例如在拇指和食指之间提供对控制器的操纵，以允许对于用户的触觉上简单且熟悉的经历。在一些实施例中，控制器是力感测输入设备，并且因而在不依赖于重复性运动（诸如对于触摸板用户而言熟悉的“擦”过表面）的情况下，针对控制器的连续输入是可能的。因而，与常规输入控制器相比，这些因素可以提供更舒适且更不使人疲劳的界面。

在一些实施例中，控制器包括在本文中可以被称为帽或帽致动器的两个相对的致动器，诸如第一帽致动器和第二帽致动器。在一些实施例中，帽致动器包括圆形控制表面。在一些实施例中，帽致动器被装载在外盒的第一侧和第二侧上或部分处于其内，其中每个圆形帽致动器进一步包括底座，其中所述底座可以是圆底座。在一个示例中，第一侧可以是膝上型计算机显示器外盒的正面，并且第二侧可以是膝上型计算机显示器外盒的背面，但是实施例并不限于此类实现。在一些实施例中，可以将帽致动器的圆形控制表面至少部分地成形为球形帽，其中球形帽表示由截面所分开的球体的部分。还可以将球形帽数学地描述为球形穹面。在一些实施例中，控制器的第一帽致动器和第二帽致动器可以具有一定大小和位置以表示单个球体的相对的球形帽，因而当其被安置在外盒中时，如控制器的用户所感知的，形成了虚拟球体（或球）。在一些实施例中，虚拟球体的部分被包含在控制器外盒内，并且不需要具有球形形状。

在一些实施例中，控制器的第一帽致动器和第二帽致动器在可以同时由用户的手的拇指和手指来控制的位置处形成虚拟球体。在一些实施例中，第一帽致动器和第二帽致动器被定位成从第一和第二表面的外部的方向对于用户是可接近的。例如，虚拟球体可以被安装在外盒中或上的位置，其中用户的拇指与食指或其他手指之间可以抓握该虚拟球体。在一个示例中，利用基本上竖直的外盒的控制器可以包括部分处于更靠近（或面向）用户的外盒的第一侧的表面内或上的第一帽致动器，以及部分处于更远离（或背对）用户的外盒的第二侧的表面内或上的第二帽致动器，以使得用户可以利用拇指来操纵第一帽并且可以利用同一只手的食指或其他手指来操纵第二帽。以该方式，用户可以采用与对弹珠大小的悬球的处理相类似的方式来操纵控制器的虚拟球体。在一些实施例中，对控制器的操纵提供六个自由度，所述六个自由度是沿着x、y和z轴的平移以及关于x、y和z轴的旋转。如本文所使用的，y轴通常位于与外盒的表面平行的平面中并且在用户的视野中处于上-下定向；x轴通常位于与外盒的表面平行的平面中并且在用户的视野中处于左-右定向；且z轴通常与外盒的表面垂直并且沿着穿过控制器的每个帽的中心的线来定向。然而，实施例并不限于该特定的轴对齐。在某些实施例中，包括在装置的外盒的表面上安装的帽致动器的控制器可以提供五个自由度，其中不提供或由单独的控制输入来提供绕z轴的旋转。

在一些实施例中，两个帽致动器以及关联的力感测电阻器提供充当多轴控制器的“嵌入式球体”（或球状体）。在一些实施例中，提供了六个自由度：

（1）摇摆：在与外盒的表面平行的平面中向左或向右平移球体（沿x轴）；

（2）起伏：在与外盒的表面平行的平面中向上或向下平移球体（沿y轴）；

（3）推拉：与外盒的表面垂直地向内或向外平移球体（沿z轴）；

（4）倾斜：关于摇摆轴（x轴）旋转球体；

（5）偏航：关于起伏轴（y轴）旋转球体；以及

（6）滚动：关于推拉轴（z轴）旋转球体。

在一些实施例中，邻近诸如力感测电阻器之类的传感器来装载控制器的每个帽致动器，以感测帽致动器上的力。在一些实施例中，力感测电阻器可以包括基于对其表面施加力而改变电阻的导电聚合物。在一些实施例中，力感测电阻器上的力被解释为控制器上的控制输入。在一些实施例中，控制器的帽致动器可以包括响应于由用户所提供的对控制器的控制输入而在力感测电阻器上提供力的突出部。在一些实施例中，圆形控制表面的形状起作用以确保由用户施加到帽致动器的一侧的力导致了该力的一部分被横向施加到帽致动器下方的传感器，因而允许由传感器对此类力的测量。在一些实施例中，电阻测量可以从关于z轴对称布置的四个径向扇区（象限）中获取。当用户使球形帽从轴向对齐的静止位置偏斜时，帽下面的突出部将力施加到象限中的一个或多个。在一些实施例中，对施加到四个象限的相对力的测量允许传感器表征沿三个平移轴和两个旋转轴的用户输入。然而，实施例不限于划分到象限中的传感器，并且可以包括以其他方式提供敏感性来分解施加到帽致动器的力的幅度和方向的传感器。

在一些实施例中，通过附加的感测机制来分解用于绕z轴的旋转（滚动）的输入。在第一个实施例中，附加的感测机制可以包括固定到圆柱形外壳的环编码器（例如，光学编码器），其中半球形帽耦合到所述圆柱形外壳。在第二个实施例中，附加的感测机制可以包括由突出部（在本文中可以被称为“锤子”）所撞击的附加的力感测电阻器，所述突出部从一个或两个帽向外径向延伸。可以将附加的力感测电阻器称为滚动感测电阻器。在一些实施例中，控制器的一个或两个帽上的任一方向（顺时针或逆时针）上的滚动力导致锤子在旋转力感测电阻器上提供力。

在一些实施例中，控制器可以使用控制器的帽致动器来提供附加的控制输入。在一些实施例中，可以通过一起挤压第一帽致动器和第二帽致动器，从而同时在第一帽致动器和第二帽致动器这二者上提供向内的力来提供可替代的命令输入。在一些实施例中，在第一帽致动器上的平均力和第二帽致动器上的平均力二者都处于某一阈值之上的情况下，可以将输入解释为挤压操作。在第一个示例中，对第一和第二帽致动器的挤压可以表示针对应用的开始命令。在第二个示例中，对第一和第二帽致动器的挤压可以表示3D控制操作中的抓握运动。在第三个示例中，挤压操作可以表示视频游戏应用中的点火机制或其他控制。在第四个示例中，挤压操作能够表示“选择”或“键入”输入、或者其他类似的操作。然而，实施例不限于这些特定、可替代的命令示例。

在一些实施例中，系统或装置可以包括多个控制器，诸如用于左手控制输入的第一控制器以及用于右手输入的第二控制器。在一些实施例中，第一和第二控制器可以被包括在常见的控制单元中，诸如例如将第一控制器放在膝上型计算机的外盒的左侧上并且将第二控制器放在膝上型计算机的外盒的右侧上。在一些实施例中，第一和第二控制器可以作为可替代的控制器来操作，或者可以采用相关或协同的方式来操作。在一个示例中，第一控制器可以提供3D控制操作中的左手控制器，并且第二控制器可以提供3D控制操作中的右手控制器。在一些实施例中，每个控制器的帽致动器的位置是可调整的以允许用户以对于该用户而言优选的位置来设置控制器的位置。

在一些实施例中，帽致动器可以由允许用户容易且自然地操纵控制器的任何材料来构成，包括硅橡胶（以及塑料、橡胶、或其他材料）。在一些实施例中，控制器的帽致动器包括提供摩擦并允许由用户的更好控制的纹理（texture）。在一些实施例中，所述纹理是拉伸的六角形阵列，从而为控制器的用户提供像凸起并拉伸的结网的纹理。如以下所描述的，在图4中图示了帽致动器的实施例的纹理。

UniBall控制器的小外形规格和低调也可以被用来提供对于膝上型计算机上的显示外盒的表面中或上（或者其他位置）的审美上令人满意的集成。在一些实施例中，在膝上型计算机外盒的左侧上提供第一控制器并且在膝上型计算机外盒的右侧上提供第二控制器，以允许可选的左手、右手、或双手（同时）操作。来自膝上型计算机中的弹珠大小的触觉型控制器的自由度输入可以被用来提供3D环境或增强的光标控制、web（网络）浏览、和游戏中的对对象的快速、精确、且直观的操纵。

在一些实施例中，3D控制器或一组多个3D控制器可以被用户用来进行以下操作，例如：

（1）自由地控制3D世界中的对象的位置和定向。

（2）为摄像机的二维头（pan tilt head）提供手持控制，包括变焦操作。

（3）为诸如远程直升机或无人驾驶飞行器（UAV）、或者遥控潜水器（ROV）之类的设备提供控制；

（4）提供虚拟的身体和手部遥测，其中第一控制器和第二控制器的两个虚拟球体控制诸如虚拟手或机器手之类的两个末端执行器的等价物，其给予用户手部运动的旋后和内旋、以及向前、向后、向上、向下、向左、向右和组合。在一个特定示例中，当“手”伸向其边界区域的范围时，附接到“手和臂”的“身体”能够移动身体，因而意味着用户具有完整的手臂和身体遥测而不由实质上是外骨骼的传统遥测套装所妨碍。在一些实施例中，其他输入可以提供相关的操作，所述输入包括对帽致动器的挤压以在设备的背上提供可替代的命令和/或按钮。在一些实施例中，其他输入可以被用于抓取、用于激活虚拟或真实工具、或其他相关的动作。因而在一些实施例中，3D控制器可以被用于用户的体验增强实境或者在不绑到遥测套装中的情况下对其手部和核心身体进行遥测控制。

（5）给用户提供对对象进行造型、组装、焊接和解除焊接、以及以其他方式构建和解构的能力。

（6）为用户提供社交功能，诸如摇动虚拟的手。

（7）检查物品，包括按需地转动及重新定位物品。

然而，以上列表包含仅某些示例，并且不描述3D控制器或一组3D控制器的实施例的所有可能用途。

在一些实施例中，3D控制器提供完整的自由度控制——沿x、y、和z轴（摇摆、起伏、推拉）的平移以及关于x、y、和z轴的旋转（倾斜、偏航、滚动）。在其他实施例中，3D控制器可以提供五个自由度，其中在一些实施例中由单独的控制输入来提供关于z轴的旋转。在一些实施例中，输入设备可以集成除自由度控制之外的附加控制。在一些实施例中，控制器提供特别适于3D计算环境中的导航的交互方法和装置。然而，实施例不限于3D环境，并且可以被用于其他类型的计算机环境中，其中其中多个控制是需要或有用的。在操作中，用户可以利用球形3D控制器来容易地控制倾斜和偏航，以在直观轻松的情况下移动穿过虚拟空间。例如，3D控制器能够被用来使渲染视点（摄像机取景孔）“飞”过虚拟世界。控制器还可以被用于对传统的2D光标运动的控制。

图1是用于计算装置或系统的3D控制器的实施例的图示。在一些实施例中，控制器设备包括便携式电子设备的相对面向上的两个球形帽致动器，每个被装载在力感测电阻器上。帽致动器的帽被轴向对齐，其中由帽所定义的截开球体的平面彼此平行。在一些实施例中，截面还与计算装置或系统的外盒的相对表面平行。在一些实施例中，截面相对于彼此偏移以使得由球形帽所定义的两个球体一致，从而形成单个虚拟球体。因而，对于在手指和拇指之间挤捏两个帽的用户而言，所述帽可以显得是位于介入中间的电子设备的厚度中心的单个球体。该概念可以被一般化成能够对其测量所施加的力的弹性机垫（resilient mounting）中的任何球形界面。

图1提供用于不意在按尺寸绘制或示出控制器的所有可能元件的图示的简化图。在图1中，控制器100包括第一帽致动器110和相对的第二帽致动器115，其中第一和第二帽致动器中的每个包括球形帽部分。在一些实施例中，第一帽致动器110处于包围控制器100的外盒的第一表面120上或内，并且第二帽致动器115处于控制器100的外盒的第二表面125上或内。在一些实施例中，第一帽致动器110的球形部分至少部分地突出超过外盒的第一表面120，并且第二帽致动器115的球形部分至少部分地突出超过外盒的第二表面125。图1图示了其中控制致动器110-115和传感器130-135被部分地安装在外壳内的实施例。然而，在一些实施例中，控制致动器和传感器被安装在第一表面120和第二表面125上。在一些实施例中，第一帽致动器110和第二帽致动器115具有一定形状和位置，以便在控制器中限定虚拟球体（或球状体）。在一些实施例中，锤子140包括环绕z轴的并且可以被捕获在两个帽的底座之间的轭或其他部分142。在一些实施例中，帽致动器110-115被装载在集成在外盒的表面内或上的轨道上，从而允许用户将设备的位置调整到所期望的位置。

在一些实施例中，从每个帽致动器的面向内的表面延伸的是在所述帽的轴上对齐的突出部。在一些实施例中，突出部的轴向长度使得当帽被装载在例如便携式电子设备的外部上时，其接触力感测电阻器的表面。因而，每个帽充当力致动器，从而将用户在帽上的力传递到力感测电阻器。优选地，帽和突出部由确保突出部与力感测电阻器之间的可靠接触的顺应材料制成。另外地，半球形帽可以在外表面上具有另外且更小的突出部或凹陷。该突出部或凹陷辅助用户来触觉地定位两个帽的共同的对齐轴（本文中称为z轴）。

在一些实施例中，控制器包括检测第一帽致动器110上的力的第一力传感器（可以被称为S1）130，以及检测第二帽致动器115上的力的第二力传感器（S2）135，其中第一力传感器130和第二力传感器包括力感测电阻器。

在一些实施例中，控制器100包括检测帽致动器110-115中的一个或多个上的滚动力（关于z轴）的元件。在第一个实施例中，帽致动器可以包括固定到圆柱形外壳的环编码器（例如，光学编码器），其中帽被耦合到所述圆柱形外壳。在该实现中，所述帽可以关于对齐轴（z轴）一致地旋转，以提供第六自由度输入。该自由度可以控制例如关于接口中的z轴的滚动输入。

在第二个实施例中，使用传感器来分解控制器的滚动输入，所述传感器例如由从帽致动器的一个或两个向外径向延伸的“锤子”所撞击的附加的力感测电阻器。在图1中所提供的图示中，控制器100包括检测围绕穿过致动器的共同轴150（z轴）的第一帽致动器110和第二帽致动器115中的一个或两个的旋转力（滚动力）的一个或多个旋转传感器。在一些实施例中，帽致动器中的一个或两个可以包括延伸部（锤子）140，以将旋转运动转化为一个或多个传感器145上的力，所述一个或多个传感器145可以例如包括检测第一方向（例如，从控制器的第一侧的角度看顺时针围绕z轴）上的旋转力（转矩）的第一传感器（P1）、以及检测第二方向（例如，从控制器的第一侧的角度看逆时针围绕z轴）上的旋转力的第二传感器（P2）。在一些实施例中，锤子140包括环绕z轴的轭部分142，并且被捕获在两个帽致动器的底座之间。图1图示了其中锤子部分被包含在帽致动器110-115的外盒内的实施例。在一些实施例中，其中第一帽致动器110和第一传感器130被安装在第一表面上，并且第二帽致动器115和第二传感器135被安装在第二表面上，第一帽致动器110可以包括第一表面120之外的盖子中的第一锤子或一组锤子，并且第二帽致动器115包括第二表面125之外的盖子中的第二锤子或一组锤子。

在一些实施例中，控制器从以下传感器接收输入：

（a）两个传感器（被称为S1和S2），其报告对施加于与虚拟球体被装载在其上的表面平行的四个平面象限的每个中的力的标量测量，所述虚拟球体由第一和第二球形帽来构成。对于控制器的第一侧（n=1）和第二侧（n=2）中的每个而言，平面象限可以被称为                                                

以相对于控制器的第一侧来指示北（上）象限、南（下）象限、西（左）象限、和东（右）象限。

（b）两个传感器（被称为P1和P2），其报告当虚拟球体关于z轴旋转时，对由一个或多个锤子所提供的力的标量测量。

在一些实施例中，以下等式总结了将传感器读数映射到被控对象的六个自由度运动上，被控对象是处于控制器的命令下的物理或虚拟的对象。具体地，所述等式将传感器输入映射到沿着x、y、和z轴的平移（T）以及关于所述x、y、和z轴的旋转（R）上。对于竖直安装的控制器而言，所述轴通常可以是：沿着侧-至-侧路径与外盒平行地延伸的x轴，沿着上-下路径与外盒平行地延伸的y轴，以及沿着穿过每个球形帽的中心的路径与外盒垂直地延伸的z轴。由以下等式提供的映射被表达为比例关系（由∝运算符来表示）。从一个自由度到另一个，比例常数可以变化，从而允许单独调整用于每个自由度的输入敏感度。

图2是具有滚动力检测的3D控制器的实施例的图示。在一些实施例中，控制器200包括针对每个旋转方向（顺时针和逆时针）与锤子220耦合的相对的帽致动器210。在一些实施例中，锤子220将滚动力转化为传感器上的撞击以测量滚动力。

在其他实施例中，相对的帽致动器可以分别地安装在外盒的相对表面上。在一些实施例中，单独的帽致动器可以包括单独的锤子或一组锤子、以及单独的一个或多个传感器，以将每个帽致动器上的滚动力转化为单独的传感器上的撞击以测量滚动力。

图3是装置或系统的外盒中的一组3D控制器的实施例的图示。如从以上的装置或系统来看，图3的图示是装置或系统中的控制器的简化图示。在一些实施例中，装置或系统300包括具有第一侧310和第二侧315的外盒305，其中例如第一侧310可以是面向用户的一侧并且第二侧315可以是背对用户的一侧。

在一些实施例中，所述外盒包括第一3D控制器320和第二3D控制器325。在图3中所提供的图示中，第一控制器320对于装置或系统300的用户而言将是左控制器，并且第二控制器325对于该用户而言将是右控制器。第一控制器320包括第一组两个对齐的帽致动器，第一帽致动器330至少部分地延伸超过外盒305的第一侧310，并且第二帽致动器335至少部分地延伸超过外盒305的第二侧315。第二控制器325包括一组两个对齐的帽致动器，第三帽致动器340至少部分地延伸超过外盒305的第一侧310，并且第四帽致动器345至少部分地延伸超过外盒305的第二侧315。

在一些实施例中，可以单独地使用第一控制器320和第二控制器325，从而给用户提供以下任一的选择：利用用户的左手来操作第一控制器320的第一帽致动器330和第二帽致动器335、或利用用户的右手来操作第二控制器325的第三帽致动器340和第四帽致动器345、或依赖于例如装置或系统300的能力或在装置或系统300上运行的应用的功能来同时操作第一和第二控制器这二者。

图3图示其中将帽致动器部分地安装在外盒350内的实施例。在一些实施例中，作为代替将帽致动器安装在外盒的表面上。在一些实施例中，对帽致动器进行混合，其中将帽致动器中的一个或多个部分地安装在外盒内并且将帽致动器中的一个或多个安装在外盒350的表面上。

图4是用于3D控制器的帽致动器的实施例的图示。在一些实施例中，帽致动器400包括球形控制表面部分410和圆底座部分420。在一些实施例中，控制表面410包括提供摩擦并允许由用户的更好控制的纹理。在一些实施例中，如图4中的控制表面410中所图示的，纹理是拉伸的六角形阵列。

图5是在膝上型计算机中安装的3D控制器的实施例的图示。在一些实施例中，3D控制器包括提供六个自由度的虚拟球体500。控制器510被图示为包括至少部分地延伸到外盒516的表面之外的两个帽致动器514，将此类帽致动器部分地安装在外盒的表面内或外盒516的表面上，其中每个致动器514将力转化到力感测电阻器512以及到附加的传感器（未示出），以分解六个自由度中的每个。

在图5中所提供的图示中，膝上型计算机520可以包括两个3D控制器，其中第一控制器包括延伸到膝上型计算机520的外盒的左侧的正面之外的第一帽致动器530、以及延伸到外盒的背面之外的对齐的第二帽致动器535。进一步地，第二控制器包括延伸到膝上型计算机520的外盒的右侧的正面之外的第三帽致动器540、以及延伸到外盒的背面之外的对齐的第四帽致动器545。还图示了膝上型计算机的3D控制器的帽致动器560的更靠近的图像。

图6是3D控制器的实施例的视图的图示。在该图示中，提供了以下视图：

（a）3D控制器单元605的侧视图，包括力感测电阻器之上的对齐的帽致动器，并且包括碰撞附加传感器的锤子。

（b）3D控制器610的等距剖视图。

（c）3D控制器和盖子615的等距视图。

（d）3D控制器和盖子620的元件的分解图。

（e）3D控制器和附加的控制输入630的侧视图。

（f）3D控制器和附加的控制输入640的前视图。

（g）3D控制器和附加的控制输入650的侧视图。

图7是图示用于计算系统的三维控制的过程的实施例的流程图。在图7中所示出的图示过程中，开始705计算装置或系统的操作，其中计算装置或系统包括一个或多个3D控制器，其中一个或多个控制器可以是如图1-6中所图示的或者如以上所描述的控制器。在该过程中，从第一控制器710接收输入，其中在一些实施例中，第一控制器包括检测第一控制器的第一帽致动器上的力的一个或多个传感器、以及检测第一控制器的第二帽致动器上的力的一个或多个传感器，并且包括检测用于帽致动器的旋转（滚动）力的一个或多个传感器。

在一些实施例中，对于进入帽致动器中的一个或两个的力的分量（横向力）715而言，该输入被解释为沿着x、y、z轴的平移或绕x或y轴的旋转，其中第一帽致动器和第二帽致动器上的平均力并不都处于某一阈值之上725，如下：

沿着x轴的平移（摇摆）与左致动器象限上的力的最小值和右致动器象限上的力的最小值之差成比例740，诸如等式[1]中所表达的。

沿着y轴的平移（起伏）与上致动器象限上的力的最小值和下致动器象限上的力的最小值之差成比例745，诸如等式[2]中所表达的。

沿着z轴的平移（推拉）与跨第一帽致动器下方的第一力感测电阻器的象限的平均力和跨第二帽致动器下方的第二力感测电阻器的象限的平均力之差成比例750，诸如等式[3]中所表达的。

关于x轴的旋转（倾斜）与第一致动器的上象限（在图7中称为Up-S1）和第二致动器的下象限（Down-S2）中的最小值同第一致动器的下象限（Down-S1）和第二致动器的上象限（Up-S2）中的最小值之差成比例755，诸如等式[4]中所表达的。

关于y轴的旋转（偏航）与第一致动器的左象限（在图7中称为Left-S1）和第二致动器的右象限（Right-S2）中的最小值同第一致动器的右象限（Right-S1）和第二致动器的左象限（Left-S2）中的最小值之差成比例760，诸如等式[5]中所表达的。

在一些实施例中，对于关于z轴的旋转力（滚动）715而言，关于z轴的旋转被确定成与第一传感器上的力（P1）和第二传感器上的力（P2）之差成比例720，诸如等式[6]中所表达的。

在一些实施例中，对于进入帽致动器中的一个或两个的力的分量（横向力）715而言，如果第一帽致动器上的平均力和第二帽致动器上的平均力都处于某一阈值725之上从而指示了控制器上的挤压输入，那么可以将该输入解释为可替代命令765，其中用于特定用途或应用的可替代命令可以是例如启动命令、抓握命令、点火命令、或其他可替代的命令。

在一些实施例中，系统可以进一步提供的是：通过控制器上的挤压输入来占用可替代命令将防止同时输入自由度中的任何一个（包括滚动输入765），并且因而允许装置或系统忽视当尝试提供用于可替代命令的挤压输入时所做出的意外输入。

图8图示包括3D控制的计算装置或系统的实施例。计算装置或系统（本文通常称为计算系统）可以包括计算机，包括例如膝上型或上网本计算机或者台式计算机；服务器；游戏控制台或手持游戏装置；手持计算机；平板计算机；智能电话；或其他计算装置或系统。在该图示中，未示出与本描述不密切相关的某些标准且公知的组件。在一些实施例下，计算系统800包括互连或交叉开关（crossbar）802或者用于传输数据的其他通信器件。计算系统800可以包括诸如与互连802耦合的用于处理信息的一个或多个处理器804之类的处理器件。处理器804可以包括一个或多个物理处理器和一个或多个逻辑处理器。为了简单而将互连802图示为单个互连，但其可以表示多个不同的互连或总线，并且到此类互连的组件连接可以变化。图8中所示出的互连802是表示任何一个或多个单独的物理总线、点对点连接的抽象概念，或者都由适当的桥、适配器或控制器来连接。

在一些实施例中，计算系统800进一步包括作为用于存储由处理器804所运行的信息和指令的主存储器812的随机访问存储器（RAM）或者其他动态存储设备或元件，所述信息和指令包括关于来自一个或多个输入设备的输入的信息。RAM存储器包括需要刷新存储器内容的动态随机访问存储器（DRAM），以及不需要刷新内容但处于增加成本的静态随机访问存储器（SRAM）。在一些实施例中，主存储器可以包括对应用（包括用于由计算系统的用户在网络浏览活动中使用的浏览器应用）的活动存储。DRAM存储器可以包括同步动态随机访问存储器（SDRAM）（包括控制信号的时钟信号）、以及扩展数据-输出动态随机访问存储器（EDO DRAM）。在一些实施例中，系统的存储器可以包括某些寄存器或其他专用存储器。

计算系统800还可以包括只读存储器（ROM）816或用于存储用于处理器804的静态信息和指令的其他静态存储设备。计算系统800可以包括用于某些元件的存储的一个或多个非易失性存储器元件818，诸如闪存。

还可以将一个或多个发送器或接收器820耦合到互连802。在一些实施例中，计算系统800可以包括用于接收或传输数据的一个或多个端口822。计算系统800可以进一步包括用于经由无线电信号而接收数据的一个或多个全向或定向天线824。

 在一些实施例中，计算系统800包括一个或多个输入设备824，其中输入设备包括键盘、鼠标、触摸板、语音命令识别、手势识别或用于向计算系统提供输入的其他设备中的一个或多个。在一些实施例中，输入设备824包括一个或多个3D控制器825，包括图1-6中所图示的或者以上所描述的提供虚拟球体的控制器，其包括被布置为至少部分地超出外盒850的表面的第一帽致动器和第二帽致动器。在一些实施例中，计算系统是诸如膝上型计算机或平板计算机之类的单个单元，并且一个或多个3D控制器的帽致动器被安装为部分地处于外盒850的表面内或上并在系统外盒850的任一侧上延伸，诸如图5中所图示的膝上型计算机520的控制器的所图示的前帽致动器530和540以及背帽致动器535和545。在一些实施例中，计算系统800包括多个单独的单元，包括例如单独的控制器单元，并且帽致动器至少部分地延伸到单独的控制器单元的外盒的表面之外。

计算系统800还可以经由互连802而耦合到输出显示器826。在一些实施例中，显示器826可以包括用于向用户显示信息或内容的液晶显示（LCD）或任何其他显示技术。在一些环境中，显示器826可以包括也被用作输入设备的至少部分的触摸屏。在一些环境中，显示器826可以是或可以包括音频设备，诸如用于提供音频信息的扬声器。在一些实施例中，一个或多个3D控制器825可以邻近于输出显示器826，包括例如位于显示器的第一侧的第一控制器以及位于该显示器的相对的第二侧的第二控制器。

计算系统800还可以包括功率设备或系统830，其可以包括电源、电池、太阳能电池、燃料电池、或者用于提供或生成功率的其他系统或设备。可以根据需要将功率设备或系统830所提供的功率分布到计算系统800的元件。

在以上描述中，为了解释的目的，阐述了许多特定细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可以在不具有这些特定细节中的一些的情况下实施本发明。在其他实例中，以框图形式来示出公知的结构和设备。在所图示的组件之间可以存在中间结构。本文所描述或图示的组件可以具有未图示或描述的附加输入或输出。

本发明的各种实施例可以包括各种过程。这些过程可以由硬件组件来执行或者可以被包含在计算机程序或机器可执行指令中，所述计算机程序可以被用来使利用所述指令而编程的通用或专用处理器或者逻辑电路执行所述过程。可替代地，所述过程可以由硬件和软件的组合来执行。

本发明的各种实施例的部分可以被提供为计算机程序产品，其可以包括具有其上所存储的计算机程序指令的计算机可读介质，所述计算机程序指令可以被用来对计算机（或其他电子设备）进行编程以供一个或多个处理器运行，以执行根据本发明的实施例的过程。计算机可读介质可以包括但不限于软盘、光盘、光盘只读存储器（CD-ROM）、以及磁光盘、只读存储器（ROM）、随机访问存储器（RAM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、磁或光卡、闪存、或适于存储电子指令的其他类型的计算机可读介质。此外，本发明还可以被下载为计算机程序产品，其中所述程序可以从远程计算机转移到发出请求的计算机。

所述方法中的许多以其最基本的形式来描述，但是过程能够被添加到所述方法中的任何一个或从其中删除，并且信息能够被添加或从所描述的消息中的任何一个中减去，而不背离本发明的基本范围。对于本领域的技术人员将是明显的是，能够做出许多进一步的修改和适配。提供特定的实施例并不是为了限制本发明而是为了说明它。本发明的实施例的范围不由以上所提供的特定示例而是仅由以下权利要求来确定。

如果说元件“A”耦合到元件“B”或与元件“B”耦合，那么A可以直接耦合到元件B或者例如通过元件C而间接耦合。当本说明书或权利要求陈述组件、特征、结构、过程、或特性A“引起”组件、特征、结构、过程、或特性B时，其意味着“A”至少是“B”的部分原因，但还可以存在协助引起“B”的至少一个其他组件、特征、结构、过程、或特性。如果本说明书指示“可以”、“可能”、或“能够”包括组件、特征、结构、过程、或特性，那么并不是要求包括该特定组件、特征、结构、过程、或特性。如果本说明书或权利要求提及“一”或“一个”元件，那么这并不意味着存在仅一个所描述的元件。

实施例是本发明的实现或示例。本说明书中的对“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、或“其他实施例”的引用意味着结合实施例来描述的特定特征、结构、或特性被包括在至少一些实施例中，但不必是所有实施例。“实施例”、“一个实施例”、或“一些实施例”的各种出现不必都指的是相同的实施例。应理解的是，在本发明的示例性实施例的前面描述中，为了使本公开流畅并帮助理解各个发明方面中的一个或多个的目的，有时将各种特征一起集合在单个实施例、图、或其描述中。然而，不要将该公开方法解释为反映以下意图：所要求保护的发明要求比每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如以下权利要求反映的，发明方面在于少于单个前面所公开的实施例的所有特征。因而，权利要求被特此明确并入本描述中，其中每个权利要求就其本身而言作为本发明的单独实施例。

在一些实施例中，一种装置包括外盒，所述外盒包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；以及3D控制器，包括：第一帽致动器，所述第一帽致动器包括第一圆形控制表面，所述第一圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第一表面之外；第二帽致动器，所述第二帽致动器包括第二圆形控制表面，所述第二圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第二表面之外，所述第一圆形控制表面与所述第二圆形控制表面对齐；检测第一致动器上的力的第一传感器；检测第二致动器上的力的第二传感器；以及检测关于第一致动器和第二致动器中的一个或两个的旋转力的第三传感器。

 在一些实施例中，所述3D控制器进一步包括检测关于第一帽致动器和第二帽致动器中的一个或两个的旋转力的第三传感器。在一些实施例中，第一帽致动器和第二帽致动器中的至少一个包括在第三传感器上提供力的延伸部。在一些实施例中，所述装置的3D控制器提供用于六个自由度的输入。在一些实施例中，第一传感器和第二传感器提供用于所述六个自由度中的五个的输入，其中所述六个自由度中的五个是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于第一轴的旋转是第四自由度，关于第二轴的旋转是第五自由度。在一些实施例中，第三传感器提供用于第六自由度的输入，第六自由度是关于第三轴的旋转。

 在一些实施例中，第一轴和第二轴与外盒的第一表面和第二表面平行，并且第三轴与外盒的第一表面和第二表面垂直并穿过第一帽致动器和第二帽致动器的中心。

 在一些实施例中，其中所述装置的第一帽致动器上的力和第二帽致动器上的力都处于某一阈值之上的情况生成针对第六自由度的可替代命令。

 在一些实施例中，所述装置的第一圆形控制表面和第二圆形控制表面被成形为球形帽。在一些实施例中，第一圆形控制表面和第二圆形控制表面形成虚拟球体的部分。

 在一些实施例中，第一传感器和第二传感器是力感测电阻器，并且在一些实施例中其中第一致动器和第二致动器包括突出部以在第一传感器和第二传感器上提供力。在一些实施例中，第一帽致动器和第二致动器中的至少一个包括延伸部以在第三传感器上提供力。在一些实施例中，第一帽致动器部分处于外盒内或处于第一表面上，并且其中第二帽致动器部分处于外盒内或处于第二表面上。

 在一些实施例中，一种装置包括外盒，所述外盒包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；以及三维（3D）控制器包括：部分位于所述第一表面内或上的第一致动器，所述第一致动器位于对于用户的手而言可接近的位置；部分位于所述第二表面内或上的第二致动器，所述第二致动器位于对于所述用户的手而言可接近的位置；检测所述第一致动器上的力的第一传感器；以及检测所述第二致动器上的力的第二传感器。在一些实施例中，所述3D控制器提供用于六个自由度的输入，其中所述六个自由度是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于第一轴的旋转是第四自由度，关于第二轴的旋转是第五自由度，关于第三轴的旋转是第六自由度。

 在一些实施例中，一种方法包括：检测控制装置的第一致动器和所述控制装置的第二致动器中的一个或多个上的力，其中检测所述力包括检测以下中的一个或多个：用于所述第一致动器的第一传感器的多个扇区中的一个或多个上的力，用于所述第二致动器的第二传感器的多个扇区中的一个或多个上的力，以及关于所述第一致动器和所述第二致动器中的一个或两个的旋转力；以及将所述力解释为多个输入之一。

 在一些实施例中，用于所述方法的多个输入包括六个自由度。在一些实施例中，六个自由度是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于第一轴的旋转是第四自由度，关于第二轴的旋转是第五自由度，关于第三轴的旋转是第六自由度。在一些实施例中，第一致动器的扇区上的力和第二致动器的扇区上的力提供用于第一、第二、第三、第四、和第五自由度的输入，并且在一些实施例中关于第一致动器和第二致动器中的一个或两个的旋转力提供用于第六自由度的输入。

 在一些实施例中，用于所述方法的多个输入包括可替代输入，进一步包括在第一致动器上的力和第二致动器上的力二者都处于某一阈值之上的情况下，将所述力解释为所述可替代输入。

 在一些实施例中，一种系统包括：解释命令的处理器；保持包括来自一个或多个输入设备的数据的数据的动态随机访问存储器（DRAM）；包括第一表面和第二表面的外盒；以及三维（3D）控制器。所述3D控制器包括：第一帽致动器，所述第一帽致动器包括第一圆形控制表面，所述第一圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第一表面之外；第二帽致动器，所述第二帽致动器包括第二圆形控制表面，所述第二圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第二表面之外，所述第一圆形控制表面与所述第二圆形控制表面对齐；检测所述第一帽致动器上的力的第一传感器；以及检测所述第二帽致动器上的力的第二传感器。

 在一些实施例中，所述系统的3D控制器进一步包括检测关于第一致动器和第二致动器中的一个或两个的旋转力的第三传感器。

 在一些实施例中，所述系统是膝上型计算机，并且其中所述外盒包括支持显示器的显示器外盒。在一些实施例中，所述系统进一步包括第二3D控制器，其中所述3D控制器被安装在所述显示器外盒的第一侧中，并且所述第二3D控制器被安装在所述显示器外盒的相对的第二侧中。

 在一些实施例中，所述系统的外盒的第一表面是面向操作所述系统的用户的表面，并且其中第二表面是背对操作所述系统的用户的表面。

 在一些实施例中，其中所述系统的3D控制器提供用于六个自由度的输入，其中所述六个自由度是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于第一轴的旋转是第四自由度，关于第二轴的旋转是第五自由度，关于第三轴的旋转是第六自由度。

 在一些实施例中，一种具有其上所存储的表示指令序列的数据的计算机可读存储介质，当所述指令被处理器运行时，其使所述处理器执行包括以下操作的操作：检测控制装置的第一致动器和所述控制装置的第二致动器中的一个或多个上的力，其中检测所述力包括检测以下中的一个或多个：第一致动器的第一传感器的多个扇区中的一个或多个上的力，用于第二致动器的第二传感器的多个扇区中的一个或多个上的力，以及关于所述第一致动器和所述第二致动器中的一个或两个的旋转力；以及将所述力解释为多个输入之一。

 在一些实施例中，所述多个输入包括六个自由度。在一些实施例中，所述六个自由度是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于第一轴的旋转是第四自由度，关于第二轴的旋转是第五自由度，关于第三轴的旋转是第六自由度。

Claims (30)

1.一种装置包括：

外盒，所述外盒包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；以及

三维（3D）控制器包括：

第一帽致动器，所述第一帽致动器包括第一圆形控制表面，所述第一圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第一表面之外；

第二帽致动器，所述第二帽致动器包括第二圆形控制表面，所述第二圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第二表面之外，所述第一圆形控制表面与所述第二圆形控制表面对齐；

检测所述第一帽致动器上的力的第一传感器；以及

检测所述第二帽致动器上的力的第二传感器；以及。

2.如权利要求1所述的装置，所述3D控制器进一步包括检测关于所述第一帽致动器和所述第二帽致动器中的一个或两个的旋转力的第三传感器。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述第一帽致动器和所述第二帽致动器中的至少一个包括在所述第三传感器上提供力的延伸部。

4.如权利要求2所述的装置，其中所述3D控制器提供用于六个自由度的输入。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述第一传感器和所述第二传感器提供用于所述六个自由度中的五个的输入，并且其中所述六个自由度中的五个是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于所述第一轴的旋转是第四自由度，以及关于所述第二轴的旋转是第五自由度。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述第三传感器提供用于第六自由度的输入，所述第六自由度是关于所述第三轴的旋转。

7.如权利要求5所述的装置，其中所述第一轴和所述第二轴与所述外盒的第一表面和第二表面平行，并且其中所述第三轴与所述外盒的第一表面和第二表面垂直并穿过所述第一帽致动器和所述第二帽致动器的中心。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述第一帽致动器上的力和所述第二帽致动器上的力二者都处于某一阈值之上的情况生成可替代命令。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述第一圆形控制表面和所述第二圆形控制表面被成形为球形帽，所述第一圆形控制表面和所述第二圆形控制表面形成虚拟球体的部分。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述第一传感器和所述第二传感器是力感测电阻器。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述第一帽致动器和所述第二帽致动器包括突出部以在所述第一传感器和所述第二传感器上提供力。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述第一帽致动器部分处于所述外盒内或处于所述第一表面上，并且其中所述第二帽致动器部分处于所述外盒内或处于所述第二表面上。

13.一种装置包括：

外盒，所述外盒包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；以及

三维（3D）控制器包括：

部分位于所述第一表面内或上的第一致动器，所述第一致动器位于对于用户的手而言可接近的位置；

部分位于所述第二表面内或上的第二致动器，所述第二致动器位于对于所述用户的手而言可接近的位置；

检测所述第一致动器上的力的第一传感器；以及

检测所述第二致动器上的力的第二传感器。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述3D控制器提供用于六个自由度的输入。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述六个自由度是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于所述第一轴的旋转是第四自由度，关于所述第二轴的旋转是第五自由度，关于所述第三轴的旋转是第六自由度。

16.一种方法包括：

检测控制装置的第一致动器和所述控制装置的第二致动器中的一个或多个上的力，其中检测所述力包括检测以下中的一个或多个：

用于所述第一致动器的第一传感器的多个扇区中的一个或多个上的力，

用于所述第二致动器的第二传感器的多个扇区中的一个或多个上的力，以及

关于所述第一致动器和所述第二致动器中的一个或两个的旋转力；以及

将所述力解释为多个输入之一。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述多个输入包括六个自由度。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述六个自由度是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于所述第一轴的旋转是第四自由度，关于所述第二轴的旋转是第五自由度，关于所述第三轴的旋转是第六自由度。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一致动器的扇区上的力和所述第二致动器的扇区上的力提供用于所述第一、第二、第三、第四、和第五自由度的输入。

20.如权利要求18所述的方法，其中关于所述第一致动器和所述第二致动器中的一个或两个的旋转力提供用于所述第六自由度的输入。

21.如权利要求17所述的方法，其中所述多个输入包括可替代输入，进一步包括在所述第一致动器上的力和所述第二致动器上的力二者都处于某一阈值之上的情况下，将所述力解释为所述可替代输入。

22.一种系统包括：

解释命令的处理器；

保持包括来自一个或多个输入设备的数据的数据的同步动态随机访问存储器（SDRAM）；

包括第一表面和第二表面的外盒；以及

三维（3D）控制器包括：

第一帽致动器，所述第一帽致动器包括第一圆形控制表面，所述第一圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第一表面之外；

第二帽致动器，所述第二帽致动器包括第二圆形控制表面，所述第二圆形控制表面的至少部分延伸到所述外盒的第二表面之外，所述第一圆形控制表面与所述第二圆形控制表面对齐；

检测所述第一帽致动器上的力的第一传感器；以及

检测所述第二帽致动器上的力的第二传感器。

23.如权利要求22所述的系统，所述3D控制器进一步包括检测关于所述第一帽致动器和所述第二帽致动器中的一个或两个的旋转力的第三传感器。

24.如权利要求22所述的系统，其中所述系统是膝上型计算机，并且其中所述外盒包括支持显示器的显示器外盒。

25.如权利要求24所述的系统，进一步包括第二3D控制器，并且其中所述3D控制器被安装在所述显示器外盒的第一侧中，并且所述第二3D控制器被安装在所述显示器外盒的相对的第二侧中。

26.如权利要求22所述的系统，其中所述第一表面是面向操作所述系统的用户的表面，并且其中所述第二表面是背对操作所述系统的用户的表面。

27.如权利要求22所述的系统，其中所述3D控制器提供用于六个自由度的输入，并且其中所述六个自由度是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于所述第一轴的旋转是第四自由度，关于所述第二轴的旋转是第五自由度，关于所述第三轴的旋转是第六自由度。

28.一种具有其上所存储的表示指令序列的数据的计算机可读存储介质，所述指令在被处理器运行时使所述处理器执行包括以下操作的操作：

检测控制装置的第一致动器和所述控制装置的第二致动器中的一个或多个上的力，其中检测所述力包括检测以下中的一个或多个：

用于所述第一致动器的第一传感器的多个扇区中的一个或多个上的力，

用于所述第二致动器的第二传感器的多个扇区中的一个或多个上的力，以及

关于所述第一致动器和所述第二致动器中的一个或两个的旋转力；以及

将所述力解释为多个输入之一。

29.如权利要求28所述的介质，其中所述多个输入包括六个自由度。

30.如权利要求29所述的介质，其中所述六个自由度是：关于第一轴的平移是第一自由度，关于第二轴的平移是第二自由度，关于第三轴的平移是第三自由度，关于所述第一轴的旋转是第四自由度，关于所述第二轴的旋转是第五自由度，关于所述第三轴的旋转是第六自由度。

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