CN110799930A - 用于构建电子接口的模块化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开通过组合多个模块来创建用于计算设备的符合人体工程学的输入设备。用户界面模块用于汇聚开关或其它输入传感器或设备的集合，以向操作者提供反馈。然后可以将这些接口模块舒适地安装在身体特定部位的运动范围内的某个位置，并在激活传感器的同时针对人体工程学进行定向。接口模块的集合固定在框架或基座上，以保持相对位置。可以添加适配器以调整连接到这些模块的输入的定向或类型。这些接口模块连接到父模块，该父模块可以将每个接口模块上每个输入传感器的活动转换为一组特定的编程动作并转换为计算设备的输入。

Description

用于构建电子接口的模块化系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月30日提交的题为“Modular System for ConstructingElectronic Interfaces(用于构建电子接口的模块化系统)”的美国临时专利申请62/527,716的优先权和权益，该临时专利申请为了所有目的通过引用整体并入本文。

背景技术

用于计算机、打字机或便携式电子设备的常规键盘通常将基本上所有的输入键放置在单个平面内，并且处于一个连续的矩形形状内。常规键盘的平面可以是平坦的、或者朝向操作者或远离操作者成角度的。

许多符合人体工程学的键盘已将三维曲线引入键盘，以便更好地适应通过弯曲和收缩人的手指(包括手指和拇指)所描述的自然曲线。其它键盘制造商已将键盘分为两个或多个部件，以允许用户选择手的间隔距离和定向。一些将这些方法结合在一起。

一些键盘允许添加脚踏板或远程开关。其它允许拆卸键盘的一部分，或者允许添加和删除鼠标或指针设备。在按下给定键之后，许多键盘允许重新编程对主机的输入。

简单的计算机键盘由单个开关阵列和微控制器构成，该微控制器将开关事件转换为计算设备可以理解的协议。更复杂或分离的键盘可能会添加集成电路(IC)输入/输出(I/O)扩展器，以增加键盘的微控制器可用的输入数量，或减少互连键盘各部分所需的电线数量。

一些键盘构造为允许听觉或触觉反馈，例如当按下某个键时，螺线管或扬声器会发出咔嗒声。

标准计算机键盘可能会导致打字员使用尴尬或非自然的姿势。这些可能导致多种重复性劳损。符合人体工程学的键盘允许打字员摆出更自然的姿势，并可以减少受伤的风险。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性的实施例。在附图中，除非另有说明，否则在各个附图中，相同的参考数字表示相同的部分，其中：

图1A是示出设备的逻辑部件的框图。

图1B示出使用这些部件的处理步骤。

图2是示出本发明的系统部件的框图。

图3是接口模块的侧面透视图。

图4是一组四个示例接口模块。

图5是一组互连的接口模块的透视图。

图6是示出安装选项的接口模块的透视图。

图7是允许将开关以不同角度连接到接口模块的适配器的剖视图。

图8是接口模块的组件的框图。

图9是十键键盘的一个实施例的输入设备布局。

图10是用于容纳多个接口模块的基座的侧面透视图。

图11是图9的键盘布局到图4中的模块的子集的映射。

图12是构建输入系统的开发过程的框图，其中具有对潜在的软件和服务的记录，以促进构建。

具体实施方式

所公开的系统和方法允许构造为操作者定制的复杂的符合人体工程学的输入设备。这些设备由标准化模块创建，每个模块都包含集成电路处理器。一类模块，即“接口模块”，将一组开关或其它操作者输入感应设备连接到处理器。该处理器还连接到用于与其它模块通信的信号承载媒介。接口模块处理器将输入传感设备的活动转换为与其它模块的通信。

第二类模块，即“父模块”，通过共享的通信媒介连接到一个或多个接口模块。父模块上的处理器从接口模块接收输入的传感器活动信息，并基于此活动将信号发送到附接的主机、智能电话或电子计算设备。两种类型的模块都可以包括用于向操作者提供反馈的诸如灯、扬声器或触觉致动器之类的感觉输出设备，并且它们可以由本地处理器基于输入传感器事件来激活。

接口模块固定在框架、底座或基座上，并放置在适当的位置，以使每个模块上的传感器或开关都便于操作者身体特定部位的特定运动范围，并且所有模块的放置均应允许操作者保持舒适的身体位置。

这种可能的放置范围和传感器定位允许构造输入设备以适应各种身体类型和身体状况。

符合人体工学的键盘可以降低健康风险，但售出的大多数键盘都是适配于矩形木板形状且按键位于规则间隔的网格中的常规型号。限制采用符合人体工学的键盘的一些因素包括，由于产量低和组装困难，符合人体工学的键盘为消费者展示了更高的市场价格。最轮廓化和定制的键盘需要手动组装，并且成本要比大众市场替代产品高得多，在某些示例中甚至高出八十倍。

键盘制造商通常只生产几种型号的键盘，这些型号必然以生理平均值为目标，而不是适应极端情况。制造商已经开发出允许三维键盘形状的成型印刷电路板(PCB)，但是这些PCB形状无法为用户定制或在购买后进行调整。

对标准的非人体工学的键盘的常规限制增加这些因素：(1)在通用矩阵键盘中，所有开关均以相同的优先级轮询，在这种情况下，操作者可能希望从特定按键获得更快的响应；(2)当键盘处理器繁忙时，在按键后向用户提供反馈的设备可能会出现延迟或不确定的结果；(3)常规组装的键盘需要拆卸或更换大部分键盘，以便修理或替换输入开关；(4)在传统的基于矩阵的键盘上，必须在工厂中计划可能的开关添加或修改的每个位置。这些键盘不允许操作者删除不需要的开关，也不能添加原始制造商未预见的开关。

如果没有能力找到和测试稀有的键盘，或者在购买后无法更改键盘的适合度，打字员可能会避免尝试新的键盘设计。

尽管其它人已经创建了符合人体工程学的键盘和其它键控输入设备，但是所公开的模块化系统和方法的各个方面都比较出色，因为它们：(1)可由非专业人员在现场组装、维修和定制；(2)允许更广泛的符合人体工学的配置，适用于更广泛的生理变化；(3)可以轻松扩展以用于除手指和/或拇指尖以外的身体表面，包括手掌、脚或下巴；(4)减少检测和响应开关动作和传感反馈的延迟；(5)允许局限于数字、输入传感器或人体区域的传感反馈；(6)允许将多种类型的输入传感器整合到计算机、电话或其它计算设备的一个输入源中；(7)减少为不同型号的键盘创建新的PCB的需要；(8)可以与多种现有键盘构造和组装技术一起使用，并且可以与现有键盘部件相互操作；(9)可以用低功率、低功能或廉价的集成电路构成；(10)允许优先处理特定的输入传感器。

部件和过程

所公开的方法和系统使用模块的组合来将键盘开关或其它输入传感器上的活动转换到计算设备。在图1a和1b中描述了本发明的逻辑部件和过程。在图1a中，接口模块(1)包含输入传感器，例如开关(2)、处理器(3)以及到用于电子信令的共享媒介(5)的连接。它还可以具有用于向操作者提供反馈的本地设备(4)。至少一个父模块(6)连接到相同的共享信令媒介。父模块包含处理器(7)，可以包含反馈设备(8)，并通过电子信号承载媒介(9)连接到电子计算设备(ECD)，例如计算机或平板电脑(10)。运行中(图1b)，接口模块处理器上的过程检测信号输入(11)，执行本地功能，如反跳动或模数转换(12)，如先前的编程所确定的激活连接到接口模块的任何反馈设备(14)，并与通过共享媒介连接的其它设备通信(16)。此本地处理避免了与父键盘处理器或计算机CPU进行通信所引起的任何延迟，并允许本地反馈响应密切跟踪传感器的活动。

父模块在父模块处理器上执行过程，以与共享通信媒介上的其它设备交换数据(20)，执行本地功能，例如将输入传感器活动映射到要发送到计算设备的按键(22)，激活连接到父模块的反馈设备(24)，并与计算设备通信(26)。

如图2的框图所示，本发明允许使用一个或多个子部件模块(53-57)的组合来创建键盘或其它电子输入设备(62)。诸如计算机、平板电脑或电话CPU(50)之类的电子计算设备(ECD)通过标准输入协议和诸如USB、蓝牙或i2c的关联物理媒介(51)连接到父模块(52)上的处理器。父设备(52)的处理器使用一个或多个共享信号承载媒介(61a)通过使用电子通信协议和相关的物理媒介(例如SPI、i2C、TW、1线，串行数据等)与一个或多个接口模块(53、54)通信。父模块处理器(52)还可通过与一个或多个接口模块(55、56、57)共享信号承载通信媒介的聚合子设备(60)与连接到辅助共享信令媒介(63)的模块进行通信。

在图3的透视图中，接口模块具有填充有专用处理器(114)的印刷电路板(PCB)(108)。处理器通过到共享信号承载媒介(102和104)的连接器连接到父模块和其它接口模块。接口模块处理器电连接(112)到一个或多个输入传感器，例如机械开关、电容性传感器或其它能够记录操作者动作的传感器(100a、100b、100c)。

为了便于构造，接口模块PCB可以模块化，以便可以去除不需要的部件。在一个实施例中，模块可附带穿孔以允许去除一半的PCB。在一个实施例中，例如，在接口模块的原始和拆卸部分之间，PCB的拆卸部分可以通过跳线连接重新电连接。

接口模块可以包含用于触觉、视觉或听觉反馈的输出设备。这些输出设备可以是如开关(100a-c)下方的LED(106)所示的每个输入设备，也可以是如压电扬声器(110)所示的每个模块。

在运行中，操作者通过操作者身体的动作来激活开关或其它类型的输入传感器。操作者的舒适感既受用于激活传感器的身体表面(接触表面)的影响，也受人体为激活传感器而必须描述的路径的影响。

接触表面可以是操作者身体的任何向外表面，其能够沿轴线推动机械接口或激活电子传感器。可能的接触表面包括(但不限于)手掌、脚后跟、手指的顶部、侧面或垫等。身体部位可以在多个轴线上移动(例如在下巴的推力的、开口的以及侧向运动中)，可以为每个独立的轴向运动分配一个或多个模块，每个模块上的传感器都可以在操作者运动范围内的那个点与操作者的适用接触表面舒适地相互作用。接触表面无需接触输入传感器，因为输入传感器可以使用任何可观察到的接触表面活动。这包括可测量的来自接触表面的辐射的发射、吸收或反射，接触表面的声音、热或空气置换的变化，接触表面的湿度、电导率或质地的变化，以及通过接触表面传递的机械力的任何变化。

操作者接触表面的专用模块可用于改善对操作者的反馈。在一个实施例中，对于操作者的食指的尖端的接触表面，接口模块将在操作者的手指沿前后延伸的路径下方对准。由于特定的接触表面(在这种情况下为特定的指尖)一次只能位于一个位置，因此模块PCB上的一个触觉或音频反馈设备足以为该操作者的所有操作在所选范围内提供快速、独特和本地的反馈。每个模块可以编程为具有独特的反馈模式，从而在一个示例中，食指按下开关时播放的听觉声音低于最小的手指按下开关时播放的听觉声音。手指定义为人手上的所有手指，为清楚起见，其包括手指和拇指，并且可以包括手指的部分，例如手指中的一个或多个指骨。脚趾定义为人脚上的所有脚趾或人脚上的指骨的一部分。

为了适应预期操作者的生理范围，一个输入设备可能需要接口模块的多种形状或构造。图4是接口模块的几种可能设计的投影图。每个都有一个处理器(410a-d)和一些可能的开关位置(420、421、422)。在一个实施例中，线性PCB形状(401)可用于所有手指或拇指手指，而径向或楔形PCB(404)将用于任一拇指。开关之间的间距可以变化以适应不同的键帽尺寸，例如字母数字键和Enter键之间的尺寸差异，例如如模块401和402上对象420、421之间的不同间距所示。

对象(403)描绘了最小父模块，其具有到计算设备(412)的连接以及与接口模块(410c)通信的处理器。父处理器可以内置在接口模块中，以便在一个实施例中，单个PCB托管输入传感器、反馈模块、与PC或电子计算设备主机的连接以及与其它模块的信号媒介连接。

图5是为右手使用者布置的六个接口模块(506、514、518、522、524、526)的透视图。每个模块具有本地处理器(516)，并且所有模块通过公共信号承载通信媒介(510)连接，其中媒介(504)的一端可用于连接到父模块。图5示出了如何可以为人体工程学的优点布置模块。对于大多数人而言，中指实质上较长，因此中央模块(522)放置在最低位置。将任一侧的模块(518、524)抬起，以碰到第二手指/食指和第三手指/无名指。假设操作者的无名指短于食指，则相应的模块(524)既向操作者升高又向操作者偏移。某些人发现，将最小/弯曲的手指远离第三手指延伸比将其向前延伸要容易。如图所示，小指的模块(526)旋转并抬起以匹配该组的首选手指路径。

与平面键盘或使用链接将开关连接到键帽的键盘不同，使用接口模块允许以一定角度放置开关，以使力从操作者的身体表面直接通过开关的中心轴线传递。可以放置模块的组合，以允许手指按压具有不同接触表面的开关以获得不同的力角度。如图5所示，模块518定位在食指的传统位置，而键502定位用于向下按压手指。最左侧的模块(514)成角度并抬高，以允许操作者的食指的边缘沿开关轴线偏转键512。最后的模块(506)定位为通过操作者的指甲和指尖向前移动来推动开关，而开关500设置为被操作者的食指按下。其它位置也是可能的，可以在左右、上下或前后轴线上移动每个模块，或者通过围绕这些轴线中的任何一个旋转模块。

图6的透视图示出了如何使用适配器模块(607、604)进一步定制连接到接口模块的开关和其它输入设备。这些模块允许开关(601、602、603)相对于模块PCB(606)以不同的高度和角度放置。这继而允许将输入设备或键帽以遵循人体部位自然描述的弧线的配置放置。输入设备创建者可以从已知的弧线和开关的已知属性开始，并确定最适合弧线的角度和高度。多个适配器可以堆叠或一起使用以获得所需的构象。适配器也可以用于减少开关和到共享信号承载通信媒介(605)的连接之间的干扰。

开关和其它键盘输入传感器通常安装在网格中，这意味着一个开关的任何平移都会导致相邻的开关相交，或者移动的开关可能无法连接至PCB上的预定义安装点。适配器模块允许构建一个新的不相交的三维矩阵，该矩阵又连接回接口模块PCB的二维矩阵。

适配器也可能允许使用与基础PCB不兼容的开关或传感器。如图6所示，适配器模块607用于允许将不同种类的开关设备(601)符合人体工程学地放置在设备(602、603)中使用的其它开关的附近。通过使用适配器，可以在一个接口模块中使用多个品牌或类型的输入传感器。在图6中，对象602和603可以表示机电和/或机械开关，而对象601表示超声波范围检测传感器。适配器604可以简单地调整手指在开关602和603之间移动的曲线。适配器607可以用于多种用途，出于人体工程学的目的调整输入设备601、更改引线的偏移量以匹配本地网格、以及将601的三个连接器物理封装适配到PCB 606上的两个连接器位置。可以将无源、有源和机电部件放置在适配器内，以使601的功率、电学特性或数字信号适应与处理器605兼容的格式。在无法进行这种适配的情况下，可以使用单独的接口模块，该接口模块能够与所需的输入传感器连接。最后，适配器可以使无焊的、可现场更换的开关接口与需要固定或焊接连接的PCB相匹配。

图7示出了用于将输入传感器连接到接口模块的高度和角度适配器的剖视图。创建输入传感器高度和角度适配器(701)的主体，以在顶部表面上接收开关，并向底部的PCB呈现相同的轮廓。在该示例中，顶部(704)上的切去的凹陷与底部上的突起(706)匹配。通过将顶部(708)上的插座连接到底部(702)上的引线延伸部，可以保持并扩展电气连接。

模块放置和每个传感器的高度和角度适配器的组合可用于更好地匹配操作者舒适的运动范围。作为示例，考虑已经切除了食指的一个或多个指骨的操作者。为了克服食指和中指之间的距离，食指接口模块的高度要高于中指所用的接口模块。手指的运动范围的中心向身体偏移，因此接口模块的中心也可能向身体偏移。截肢还减小了通过卷曲和伸展手指所描述的曲线的半径。选择适配器模块在主行下方和上方的行中提升按键，并且可以旋转开关以更好地面向食指的弧线。取决于截肢和需要多少行开关，在某一点上，行的接触表面从用于向下运动的表面变为用于戳或向内弯曲运动的表面。当高度和旋转适配器无法将开关或传感器放置在正确的位置以接收戳或卷曲运动时，可以在该位置添加一个附加的接口模块。

模块之间的通讯

接口模块必须将关于附接的输入传感器的活动的信息传达给父模块处理器。此信息可以采用传感器状态数据的形式(描述给定输入传感器的当前位置或值)，也可以采用在接口和父模块之间共享的编码值的形式。传感器状态数据取决于传感器的类型。传统的机电键盘开关会产生二进制输出，例如通-断，例如布尔(Boolean)输出。其它类型的机械行程、距离或方向传感器可能会产生一系列值，这些值与确定的最大值和最小值之间的参考点位置相对应。例如，诸如温度传感器之类的电子传感器可以不具有移动部件，但是仍然可以接收来自操作者的输入，例如通过在热传感器上的呼吸。

在每个安装结构中，所有接口模块都使用一个或多个信号承载通信媒介进行电连接。图8示出了5个接口模块(812、814、816、818和820)，其连接到具有到计算设备(825)的连接的父MCU板(810)。对于编码的通信，接口模块可以配置为将每个输入传感器操作映射到字母、扫描码或类似的标识符，父模块可以直接将其映射到计算设备的本地活动或输出。

接口模块可以配置为唯一地识别输入传感器。首先，可以配置每个接口模块，以便父模块处理器可以唯一地标识它，即，接口模块与其它接口模块是分立的。在图8所示的示例实施例中，每个接口模块都有编程到本地模块处理器中的唯一标识符(标记为id 1、id2、id 9、id 5、id 6)。父级可能还具有该媒介唯一的标识符(标记为idP)。在此示例中，接口模块可以按指定的布置(标记为位置A-E)配备一系列通-断开关。然后可以将这些开关的状态作为一系列的五位传达给父模块，其中最低有效位对应于最低位置(E)，最高有效位对应于最高位置(A)，而中间开关则相应分配增加的位置。该接口模块可以发送指定顺序的一系列传感器状态读数，或者以唯一的标识符作为每个传感器数据的前缀，而不是发送映射到五(5)个开关的五(5)位。对于输入设备中的所有模块，此协议信息可能是标准化的，对于每一类模块或单个接口模块都是唯一的，或者可以使用技术的组合。在每种情况下，必须对父处理器进行编程，以检测每个接口模块并为其应用正确的协议。

在一个实施例中，制造商可以分发具有非重叠ID的模块集合，以及每个模块标识符的人类可读指示符。或者，构造者可以通过对模块处理器进行编程或通过硬件设置(例如跨接器、焊垫或DIP开关)设置地址来修改模块标识符。替代地，父处理器可以基于模块的电或位置特性来计算每个模块的唯一标识符。在一种实现方式中，父模块可以使用这些模块标识符将模块映射到通信协议列表，或者将模块开关标识符的映射映射到模块上的物理位置。

可以在输入设备的多个物理上分离的部件之间扩展同一通信媒介。图8中，对象822a-c用于示出连接模块的共享信令媒介。可以出于机械原因(例如需要在受限空间中连接多个节点)选择用于这些互连的拓扑和媒介。在设计的不同部分或物理部件中可以使用不同的通信媒介。在一种实现方式中，可以在键盘壳体和脚踏板两者内部使用12线总线，并且可以将无线链路用于这些部件之间的连接。在一种实现方式中，功率可以在信号媒介上分配，从而创建电子总线。模块可以连接到多个通信媒介，并且可以根据诸如速度、延迟、类型或流量优先级之类的标准来选择媒介。

在一种实现方式中，通信媒介中的至少一种也可以用于对接口模块进行编程。

标准作业

在日常运行中，操作者将输入设备连接到PC、平板电脑或其它电子计算设备。上电后，输入设备的父模块通过轮询或等待模块的更新，开始与所有接口模块通信。当操作者按下按键或与传感器交互时，相应接口板上的处理器会检测到传感器的变化。处理器可以采取本地动作，例如对事件进行反跳，并且可以改变诸如LED或蜂鸣器之类的本地反馈设备的状态。如果被编程为这样做，则处理器还将数据发送到父处理器，后者又与计算设备进行通信。父处理器还可从计算设备CPU接收更新(例如，更新大写锁定开关状态LED的请求)，并将它们路由到相关的接口模块，可选地包括更新输出设备的状态的指令。父处理器还可以与接口模块处理器进行通信，以访问其处理器上的存储或处理能力、或更新模块反馈设备。父处理器可以配置为改变可以从接口模块恢复数据的顺序，以便优先轮询某些输入传感器。在一种实现中，如果需要，父处理器可以跟踪来自每个模块的事件数据的频率，以便动态地重新确定流量的优先级。

输入设备的构造

为了创建符合人体工程学的输入设备，将输入模块固定到一个或多个安装框架、结构或基座上，以使模块的相对位置保持恒定。可以设计或选择这些结构，以允许设备的构造者或操作者进行进一步的符合人体工程学的调整。在图12所示的一个实施例中，构造软件(1202)帮助构造者设计和获得他们的输入设备。该软件可以源自网站(1200)或任何其它用户访问点。

构造者可以从操作者的人体工程学要求开始，朝着人体工程学的布局工作。在这种情况下，他们可以在某些示例中使用自动化服务或专业人员(1228)来获得对设备操作者的一组人体工程学测量或要求(1204)。所捕获的测量值可以包括但不限于：操作者的手腕的期望内旋；输入设备所需的前后倾斜度；操作者的手和前臂所需的倾斜度；操作者双手之间的期望间距；操作者的前臂之间所需的间距；操作者肢体之间所需的相对距离，例如左膝盖顶部激活的开关和左中指操作的开关之间的距离；操作者的指尖围绕中指所需的旋转。操作者的指尖围绕中指的旋转可以描述为通过连接操作者的肩膀所描述的直线与通过连接一只手上食指的远端指骨和最小的手指所描述的直线之间的角度。在一种实现方式中，用于输入传感器的相对放置的设计考虑了将按键分配给操作者的特定接触表面(例如手指垫)、输入传感器之间的接触表面的舒适路径、以及每个键的期望定向，以使操作者获得最舒适和符合人体工程学的有利接近。

继续该示例，构造者为该输入设备选择基本封套或“胚料”和定制技术(1206)。例如，构造者可以根据需要或期望，由将键盘分成两个由木材或另一种材料或材料的组合铣削出来的板状部分的想法开始。选择胚料和定制技术的组合以满足主要的人体工程学目标，并允许以后进行修改。构造者可以连接到服务以设计新的胚料(1230)，或提供现有表单的目录(1232)。

在我们的示例中，操作者可以从确定的零件目录(1234)(如果提供的话)中选择用于设备的输入传感器和反馈设备(1208)。该零件选择限制了布局和构造的可能类型，尽管在替代示例中，零件选择中未包含任何约束。

此时，构造者为输入设备中使用的开关、输入传感器和反馈设备的放置、数量和定向选择布局(1210)、机械设计。它们也可以从常见的输入设备布局开始，例如“增强型”101键

PC/AT键盘布局，ANSI-INCITS 154-1988键盘布局，或电话键盘的4x3矩阵。这些经常被修改为新设计，例如在美国销售的

笔记本电脑上发现的“60％”精简ANSI键盘。设备布局不必限于连续的形状或单个平面。对于一个实施例，构造者可以设想一组5个单元，每只脚一个、每只手一个、头部一个。每个都有一组传感器、反馈设备和适合身体那部分位置的设备。在使用软件来促进构造的示例中，用户可以从现有的布局目录中进行选择(1236)。

参照图9，对象900示出了示例设计，其代表公共的10键数据输入键盘。布局设计可以由商业因素(例如可用的键帽大小)确定，也可以由美学、经济、空间或拓扑约束、人体工程学理论、总体测量结果或特定个体的测量结果确定。例如，如果建造者的主要人体工程学目标是创建符合人手平均形状的仿形键盘，则操作者可以选择对胚料的铣槽，如图10所示。这示出了用于安装接口模块的一个组件的透视图。该示例中，铣削(1000)具有不同高度的四个形状(1002、1004、1006、1008)，以将接口模块阵列保持在操作者期望的相对高度、间隔、旋转等中。

在图10的示例中，操作者可以进一步定制按键的前后位置，还可以通过替换铣削部分来修改上/下轴线。相反，通过将整个单元用树脂浇铸而将所有接口板固定在静态位置的实施例将防止操作者以后进行任何调整。铸造对于脚踏板的实现而言可能是理想的选择，在此之后，可以通过调整形状底部的螺旋千斤顶进行人体工程学调整。

每种构造技术都会对接口模块的放置方式产生限制。例如，平行于平坦表面的粘合模块禁止模块围绕前后轴线旋转。因此，一个输入设备可能会使用多种构造技术。在图10的示例中，构造者可以选择一种铸型来设置默认的高度和倾斜度，并机械连接铣削的T型槽以实现前后可调性。

在一个实施例(图12)中，构造者可以使用软件来使用起始基座(1238)的目录从起始基座(1238)的目录中选择预制坯料和构造方法(1212)，以解决特定的机械问题，例如在上面的示例中设置默认高度的铸件形状。接下来，构造者可能从可用模块形状(图4)的目录(1239)中选择接口模块(1214)，以便模块的组合提供输入传感器和所需键盘布局的对齐。图11示出了与图9的期望布局匹配的接口模块的逻辑分组。在该示例中，三个五位置的接口模块(1102、1104、1106)与两个两位置的模块(1110、1112)组合以获得所需的逻辑布局。

如果构造者通过安排现有的接口模块开始，则可以简化在布局和模块之间的映射开发。在一个实施例中，借助于计算机软件来完成该计算，该计算机软件提供了一种计算机辅助设计工具，以从库中拾取模块、传感器和反馈设备并将它们放置在期望的位置。该软件验证每个传感器和反馈设备的位置是否符合所选基本封套和构造技术的设计要求。在验证设计之后，该软件可以允许构造者订购所需零件。

在一个实施例中，构造者可以使用软件来选择输入和反馈设备及其位置以创建期望的输入设备布局。然后，他们可以使用该软件来挑选从可用接口模块形状的目录中得出的接口模块形状，(例如图4)，并将它们放置在布局设计的各个部分上。该软件验证每个传感器和反馈设备的位置可接受地靠近所期望的位置，设备布局可以与构造者进行交互以解决冲突(1216)、或将构造者连接到设计和构造服务(1240)或社交媒介论坛(1242)。该软件还可以提供确定为与通用布局匹配的模块组合的目录。

在另一个实施例中，构造者使用布局软件创建所需的输入设备布局，然后使用自动化软件搜索与构造者设计匹配的模块集合。解决的标准可能包括：价格、可用性、连接到所有传感器和反馈位置的能力、布线互连以及在模块之间布线所需的空间、易于组装、电气方面的考虑因素(例如功率和射频干扰(RFI))、结构问题(例如灵活性或刚度)等。如果无法匹配，则软件可能会建议进行更改。该软件还可以建议额外的PCB形状或适配器模块，以允许构造者的设计进行组装，并且可以将构造者与在线商店或市场相连，以购买这些额外的模块。

在另一个实施例中，软件可以从操作者的面相模型或期望的开关位置的三维模型开始。然后，该软件可以寻求接口模块的最小总数，使得：(1)所有开关或传感器均分配给接口模块；(2)每个PCB分配的输入和输出数量在该PCB提供的范围内；(3)任何两个开关之间的前后和左右间距均应可接受地接近设备设计中指定的间距；(4)接口模块的任何部分不相交；(5)所有模块均可使用所选的基本框架进行安装。

在设计过程中，设计者或软件考虑以下约束：

1.为了使不同高度的输入或反馈设备共享一个模块，其上下间距必须基本相同，或者必须在可以将输入或反馈设备连接至PCB的适配器或连接器的范围内。

2.为了使不同旋转的输入或反馈设备共享一个模块，旋转必须在传感器导线、或传感器与接口模块PCB之间的适配器可以容纳的范围内。

3.当使用传感反馈设备，并且希望共享给定操作者接触表面的反馈时，由相同操作者接触表面激活的所有开关应使用相同的模块。

如果对于给定的模块集不可能实现期望的布置，则软件可以建议不同的零件或调整适配器，并且可以允许构造者从在线市场购买这些适配器(1220)。该软件还可以为模块建议新的PCB形状，以允许组装构造者的设计(1218)，并将构造者连接到用于创建新模块的服务(1244)。

然后，构造者会定制输入设备的基座封套，更改框架、基座或结构，以便可以将接口板保持在必要的定向和相对位置。在一个实施例中，软件作为计算机软件的输出或从在线市场向构造者提供蓝图、计算机辅助设计、定制步骤或3D打印文件。

在一个实施例中，该软件可以允许操作者从在线商店购买接口模块(1246)。订购过程的一部分可能包括为每个模块选择唯一的ID，以使ID与所需的组装模式匹配。例如，在4列设计中的接口将具有在工厂或零售商处编程的ID 1至ID 4，并标有便于组装的标签。此步骤简化了物理布局到逻辑的映射，特别是如果将来自设备构造软件的信息传递到用于创建此映射的软件的情况下。

在组装(1222)期间，构造者将所有接口模块电连接到与父模块处理器或子聚合器模块共享的一个或多个通信媒介(图8，822)。构造者可以选择由服务为其构造设备(1248)。

在组装之前或之后，构造者以保持在模块本地的任何期望行为对每个接口模块进行编程(1224)。这可能包括传感反馈的模式(例如音符、音调或照明模式)、或复杂的局部行为，例如取决于按键定时或局部按键组合的动作。可以通过使用本地硬件设置(例如DIP开关、焊垫或跳线)在预编程的行为之间进行选择，通过修改电子存储(例如闪存)或设备上的其它电子配置设置，或通过重新编程模块处理器，来实例化此编程。在一个实施例中，该编程是根据创作者设计软件的配置设置在工厂或零售商处完成的。基于本地或基于网络的软件可以利用输入设备配置的公共目录(1250)。

在操作之前，构造者或操作者对父设备进行编程，以将代表每个接口模块上每个传感器的一个或多个输入传感器状态的数据映射到一个或多个所需动作。使用图9的设计目标和图8的结构作为示例，对象812是具有id1的接口模块。在该示例中，当父模块接收到信息，即位置B、模块1处的开关已被按下时，将其映射为向计算设备发送击键“7”的动作。

在一种实现方式中，构造者使用计算机程序将每个已安装模块的唯一ID与虚拟显示在设备布局软件中的模块相关联。这些值也可以作为购买过程中的一部分被预先填充。该软件可以连接到父处理器，并通过验证每个模块位置的过程指导构造者。然后，该软件与构造者一起使用，以将每个物理设备映射到特定接口板上的逻辑位置。在该示例中，图8中的最右上侧的开关中的物理开关映射到接口板5(id5)、输入位置A。

一旦完成了物理模块到逻辑位置的映射，计算机程序允许操作者或构造者将特定的动作与每个开关按下或传感器活动相关联。可能的动作可能包括向主机发送按键或人机接口设备(HID)事件，运行父MCU本地的任务(例如在Microsoft或Apple计算机所用的期望的键盘映射之间进行切换)或修改设备设置。为了满足图9的设计，在图8中，位置A、id5的逻辑开关将映射事件“发送击键”到主机CPU。

在这种设计中，基于标准微控制器的键盘可用的任何按键定制技术都是可以实现的，包括功能键和例如QWERTY和Dvorak等布局之间的动态重映射。在图9的工作示例中，左上方的Mode键(模式1、位置A)可能会更改数字的所有键盘映射，以使有效布局与电话键盘的布局匹配，而不是与PC键盘中使用的布局匹配，或者它可能会更改用于设备的所有触觉反馈信号。

构造者还可指定用于修改接口模块上一个或多个反馈设备状态的动作。反馈动作可能会覆盖、修改或遵从编程到接口模块中的反馈模式。在一个实施例中，按下映射到Capslock的键可能导致设备上的所有反馈LED变为红色，但当前按下的开关根据这些接口模块的默认编程将变为白色。完成编程后，即可使用该设备(1226)。

替代实施例

输入传感器的活动与发送到计算设备的事件之间的映射可以单独存储在父级处理器上，也可以仅存储在接口模块内，或者可以将存储和处理结合在两种类型的模块上。

当接口模块将在接口模块上预先计算的信息发送给父级或聚合模块时，为模块或传感器位置传输唯一标识符可能是可选的。例如，模块1上的位置A可能会使字母“A”发送到父设备。收到后，父模块会将其转换为将字母“A”发送到计算设备所需的相应USB或Bluetooth HID事件。如果哪个输入导致发送字母“A”无关紧要，则源开关和模块的标识是可选的。使接口模块计算输出避免了父模块需要知道模块上输入传感器的物理定向、模块的类型或类别、或存储输入传感器到计算设备的输出的映射的需求。可以将预计算的编码策略与寻址的通信结合使用，从而在一个实施例中，模块标识符用于更新编程和反馈设备，但是击键信息是从接口模块发送的，而没有源信息。

可以使用适合与主机通信的输入传感器、反馈设备、本地处理器和父处理器的任意组合来构建接口模块。接口模块之间可能的连接媒介包括圆线、无线电链路、带状电缆、光学连接和柔性电路。接口模块和连接媒介都可以构造在相同的柔性电路上，从而可以从线轴上切下一定长度的接口模块。

接口模块可以编程为专门用于操作者的输入或输出，而不是本地硬件。这些高度或角度调整可以内置在模块的印刷电路板中，而不是使用可分离的角度、高度或传感器类型的适配器，以使PCB描述的是三维形状，而不是传统的平面。接口模块可以由柔性或可变形的材料制成，以便可以弯曲模块以更好地匹配特定的运动范围。

高度、角度或类型的适配器可能包括内部电路，以允许一种类型的传感器或输出设备显示为到接口模块PCB的不同类型的传感器或输出。在一个实施例中，适配器将改变激光测距仪的输出以显示为本地处理器的通/断开关。适配器可以由穿孔的或可烧蚀的材料制成，使得用户可以通过去除材料而不是堆叠适配器来创建新形状。

许多传统的机械键盘是通过将开关插入开关板中来组装的：坚固的板开有孔，孔与模压到开关主体中的夹子或螺纹配合。每个开关的电线都可以穿过开关板到达下面的PCB。接口模块PCB与此技术兼容。可以将开关插入、拧紧或以其它方式固定到穿孔板上，然后使用焊料或无焊料连接器将电线连接到下面的接口模块PCB。

接口模块PCB也可以不带开关板使用，从而可以将模块直接固定到结构上。潜在的构造技术包括将模块附接到以下位置的安装点：(1)空心键盘外壳的内表面或外表面；(2)实心形状，其被铣销、挤压或以其它方式制造以将模块保持在所需定向；(3)骨架框架的接头、活节或轴，其借助夹具、螺钉或其它紧固件(如用于化学工作台结构和舞台照明装置的)；(4)可以堆叠、插或紧固在一起以形成所需的三维形状的一组平面切开的形状；(5)具有标记或预制安装点的基于平面的框架，其可以与包含匹配的外部或内部安装点的一组规则形状结合使用，从而可以通过在每个形状和基础平面上附加规则形状来构造任意配置(机械师/焊接台和互锁积木常见的)；(6)一系列可调螺钉、千斤顶或齿轮上的节点，这些节点允许改变模块安装点的高度和角度；(7)可以通过拉伸或折叠而改变的纺织品或无纺布结构，其具有缝合、机织、胶合或着墨的连接；(8)可以通过铣削或其它萃取加工改变的形状；以及(9)可以通过例如CNC焊接或3d打印之类的增材加工改变的形状。

设置每个模块标识符的其它方法包括：使用预先编程到模块处理器、连接总线的电气属性、父模块和接口模块之间的数字信号路径的属性、模块之间的专用或有线连接、由动态选举协议选择的标识符、在每个模块处理器上执行的计算中的唯一系统标识符。

Claims (30)

1.用于电子计算设备的输入设备，包括：

一个或多个电子信号承载通信媒介；

一个或多个输入传感器；

两个或更多个接口模块，每个接口模块包括：

接口模块处理电路，其电连接到一个或多个通信媒介以及一个或多个输入传感器，所述处理电路配置为：

唯一标识连接到接口模块的一个或多个输入传感器，和

从一个或多个连接的输入传感器中的每个获取传感器状态数据，和

为每个输入传感器生成唯一标识的传感器状态数据，并从中获取传感器状态数据；和

将唯一标识的传感器状态数据传递给连接到一个或多个通信媒介的其它设备；以及

具有父模块处理器的至少一个父模块，该父模块处理器配置为聚集来自接口模块的输入传感器状态数据，并将基于传感器状态数据的输入事件发送到电子计算设备。

2.根据权利要求1所述的输入设备，其中，一个或多个所述接口模块的结构布置基于由操作者的肢体、手指、四肢或其它接触表面在所述肢体、手指、四肢或接触表面的运动总范围内的两点之间移动时将遵循的路径描述的形状。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，两个或多个所述输入传感器的子集在物理上彼此相邻，但是相对于操作者而言在位置或定向上是不同的，并且至少一个接口模块用于连接到与操作者共享相似的定向或位置关系的相邻输入传感器的每个子集。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，连续放置多个输入传感器，其中具有一种类型的输入传感器的子集A和不同类型的输入传感器的子集B，并且一个或多个接口模块用于连接子集A或子集B中相同的传感器。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，一个或多个接口模块中的接口模块处理器配置为向所连接的通信媒介上的设备唯一地标识接口模块。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，一个或多个接口模块的电子电路配置为向所连接的通信媒介上的设备唯一地标识接口模块。

7.根据权利要求2所述的设备，其中，每个接口模块的结构布置还选择为允许与相邻模块互连。

8.根据权利要求3所述的符合人体工程学的输入设备，其中，每个接口模块的结构布置还选择为允许与相邻模块互连。

9.根据权利要求4所述的设备，其中，每个接口模块的结构布置还选择为允许与相邻模块互连。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，一个或多个输入传感器包括配置为产生二进制输出的输入传感器、和配置为产生具有一定范围的值的输入传感器。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述接口模块处理器配置为将来自配置为产生二进制输出的输入传感器、和配置为产生具有一定范围的值的输出的输入传感器的输出，转换为由至少一个父模块接收的输出，至少一个父模块配置为将转换后的输出表示为开关输入事件。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，两个或更多个接口模块中的至少一个应用于操作者的每个接触表面，所述操作者的每个接触表面用于操作者输入。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，操作者的接触表面包括以下中的一个或多个：

操作者的手的一个或多个手指的表面，其不在手指的末端远端上；

操作者的脚的一个或多个表面，其不是脚掌；或者

操作者的表面，其不是操作者手上的手指或脚上的足趾。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，对于用于操作者输入的操作者的至少一半接触表面中的每一个，采用一个或多个分立的接口模块。

15.根据权利要求1所述的设备，其中，对于用于操作者输入的多于操作者的接触表面的40％的接触表面，采用一个或多个分立的接口模块。

16.一种通过组装模块化部件为电子计算设备构建输入设备的方法，所述方法包括：

选择一个或多个接触表面，所述接触表面是可以定位和移动以暂时激活输入传感器的操作者身体的表面；

选择两个或更多个模块化“接口”组件，其中所述模块具有确定的结构，包括用于连接到输入传感器的最少数量的元件、用于连接到一个或多个通信媒介的元件、以及处理器，所述处理器配置为获取来自所连接的输入传感器的状态信息并通过一种或多种所连接的通信媒介发送数据；

将选定的接口模块以确定的放置关系固定，以使选定的接触表面符合人体工程学地激活连接到选定的模块的输入传感器；

将每个接口模块连接到至少一个通信媒介，以使每个选定的接口模块与至少一个其它模块共享通信媒介，

将先前连接到至少一个接口模块的至少一个通信媒介连接到模块，所述模块具有用于连接至电子计算设备的输入的元件，以及能够聚合来自一个或多个接口模块的传感器状态数据，以及能够向所连接的电子计算设备的输入发送数据的处理器元件。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，至少一个部件模块具有位置和连接器，所述连接器配置为稍后添加元件，所述元件用于连接至电子通信设备的输入。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，至少一个部件模块具有位置和连接器，所述连接器配置为用于稍后添加处理器元件。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，选择和定位至少一个部件模块，以允许稍后通过共享通信媒介添加附加的模块。

20.用于电子计算设备的输入设备，包括：

一个或多个电子信号承载通信媒介；

一个或多个输入传感器；

三个或更多个接口模块，每个接口模块包括：

电子存储部件，以及

接口模块处理电路，其电连接到一个或多个通信媒介以及一个或多个输入传感器，所述处理电路配置为：

从一个或多个所连接的输入传感器中的每个获取传感器状态数据，以及

当用于一个或多个识别的输入传感器的传感器状态数据与确定的模式匹配时，将传感器状态数据的模式映射到从模块的电子存储部件检索的确定的输出，并将确定的输出传送到连接到一个或多个通信媒介的其它设备；

至少一个父模块具有父模块处理器，所述父模块处理器配置为聚合来自接口模块的输出，并基于确定的接口模块的输出向电子计算设备发送输入事件。

21.根据权利要求20所述的符合人机工程学的输入装置，其中，一个或多个所述接口模块的结构布置基于由操作者的肢体、手指、四肢或其它接触表面在所述肢体、手指、四肢或接触表面的运动总范围内的两点之间移动时将遵循的路径描述的形状。

22.根据权利要求20所述的设备，其中，两个或更多个所述输入传感器的子集在物理上彼此相邻，但是在位置或定向上不同，并且至少一个接口模块用于连接到共享相似的定向或位置关系的相邻输入传感器的每个子集。

23.根据权利要求20所述的设备，其中，连续放置多个输入传感器，其中具有一种类型的输入传感器的子集A和不同类型的输入传感器的子集B，并且一个或多个接口模块用于连接子集A或子集B中相同的传感器。

24.根据权利要求20所述的设备，其中，每个接口模块的结构布置还选择为允许与相邻模块互连。

25.根据权利要求20所述的设备，其中，每个接口模块的结构布置还选择为允许与相邻模块互连。

26.根据权利要求25所述的设备，其中，每个接口模块的结构布置还选择为允许与相邻模块互连。

27.根据权利要求20所述的设备，其中，一个或多个输入传感器中的每一个配置为生成通-断、二进制输出。

28.根据权利要求20所述的设备，其中，采用三个或更多个接口模块中的至少一个以用于操作者的每个接触表面，所述操作者的每个接触表面用于操作者输入。

29.根据权利要求20所述的设备，其中，对于用于操作者输入的操作者的至少40％的接触表面的每一个，采用一个或多个分立的接口模块。

30.根据权利要求20所述的设备，其中，一个或多个输入传感器包括配置为生成具有一定范围的值的输出的输入传感器。

Images