CN111527469A - 动态平衡式多自由度手持控制器 - Google Patents

Abstract

控制器能够通过在限制交叉耦合(意外动作)的同时产生控制输入，来使用一只手控制物理和/或虚拟三维空间中的对象或目标。该控制器包括：第一控制构件，其被配置为抓握在用户的一只手中；第二控制构件，其被布置在第一构件的顶端上或附近，能够独立于第一控制构件的运动而以至少一个自由度运动；以及第三控制构件，其定位在第一构件上，以便于通过用户的一只手的一根或多根手指移位，并与第二构件联接以与第二控制构件的运动相反地运动。

Description

动态平衡式多自由度手持控制器

技术领域

本公开总体上涉及控制系统，并且更具体地涉及一种控制器，该控制器使用户能够使用单手操作的控制器为多达六个独立自由度发送指令信号，从而基本上限制交叉耦合。

背景技术

传统地，利用多个分立式控制器来允许用户控制具有三个以上自由度的控制目标。此外，控制具有六个自由度的控制目标的任何常规控制系统都需要多个分立式控制器。例如，可以提供一组独立控制器或输入器件(例如操纵杆、控制杆、控制杆、脚踏板和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的其他独立控制器)，来从用户那里接收关于控制目标(例如飞机、潜水器、航天器、虚拟环境中的控制目标和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他控制目标)的各种不同的旋转参数(例如俯仰、横摆和侧倾)。类似地，可以提供一组独立控制器来控制其他导航参数，例如三维(3D)空间中的平移(例如x、y和z轴运动)、速度、加速度和/或各种其他指令参数。

分别于2013年3月12日和2016年3月16日提交的美国专利申请第13/797,184和15/071,624号(均通过引用整体并入本申请)描述了允许用户使用单个控制器同时独立地以多达六个自由度(6-DoF)控制一控制目标的控制系统的若干实施例。在一个实施例中，一体化手持控制器可以包括：第一控制构件，其用于接收旋转输入(例如俯仰、横摆和侧倾)；以及第二控制构件，其从第一控制构件延伸，用于接收来自用户的平移输入(例如沿X、Y和Z轴线的位移)。用户可以使用一只手定位一体化手持控制器上的第一控制构件和第二控制构件来以多达六个自由度(6-DoF)控制该控制目标。

发明内容

之前已知的无人机、虚拟现实、增强现实、计算机和游戏输入器件不直观，需要大量的初期和熟练培训，并且需要用两只手进行操作。而且通常也不能运动。

下述单手操控式控制器的各个方面单独地和/或与这些方面中的其他方面相结合地提供了几项改进，这些改进可以更好地使无论处于运动状态还是静止状态的用户(例如计算机增强或虚拟现实游戏玩家、飞行员、徒步旅行者、滑雪者、安全/SAR人员、战斗人员等)能够通过使得在限制交叉耦合(意外动作)的同时产生控制输入，来控制物理和/或虚拟三维空间中的对象或目标。具有这些功能的控制器可以用于允许控制器将平移与在需要整个空间中的精确运动的计算机辅助设计、无人机飞行、各种类型的计算机游戏、虚拟与增强现实以及其他虚拟和物理任务的控制要求中的姿态调整脱钩。

根据本公开的一个方面，一种手持控制器包括第一、第二和第三控制构件。第一控制构件能够以至少两个自由度运动并且作为响应而产生第一组独立控制输入。可以使用一个或多个传感器来针对每个自由度感测第一构件的运动或位移并产生控制输入，每个传感器都能够检测并在需要时测量一个或多个位移自由度中的位移。第一控制构件被配置成通过用户将其放在手掌中并用其至少几根手指至少部分地围紧第一构件的主体而被抓握在用户的一只手中以握住它。第二控制构件布置在第一构件的顶端上或附近，当握住第一构件时，手的拇指或食指可能就放在其附近。在一个实施例中，它可以以至少一个自由度运动，而在其他实施例中，其可以独立于第一控制构件的运动而以两个或三个自由度运动。响应于其独立的运动，第二控制构件的运动产生第二组控制输入，针对第二控制构件在其中移位的每个自由度占有一个控制输入。第二组的控制输入独立于第一组的控制输入。

带有第二构件的控制器对于独立控制输入而利用手指进行的扩展操作，特别是当第二构件被拇指向上拉或向下推时，可能会导致疲劳。第三控制构件位于第一构件上以便由用户一只手的一根或多根手指移位并且与第二构件联接以在第二控制构件的一个运动自由度中(例如在用户拇指向上拉以移位第二控制构件的自由度中)与第二控制构件的运动相反地运动。第三控制构件被安装在第一构件上的一个位置，以使得用户手上的一根或多根没有被用来使第二控制构件移位的手指，能够挤压第三构件并引起其移位。第三构件联接到第二构件，以使第二构件在用户用一根或多根手指挤压或拉动第三构件时移位。如果需要的话，向下推第二控制构件也可以从控制器向外推第三控制构件，从而允许用户的拇指或食指被用户的其他手指动态地平衡。

在本公开的一个单独方面，具有至少第一和第二控制构件(以及可选的第三控制构件)的手持控制器可以与作为旋转轴线(尤其是横摆)的参考的手腕或前臂支撑物联接，该手持控制器被配置成由用户的一只手抓握。横摆很难使用手持控制器中的惯性测量单元(IMU)来测量。例如，虽然手持控制器中的IMU可能能够以足够的精度和灵敏度感测和测量第一构件的俯仰和侧倾(绕X和Y轴线的旋转)，但是与第一控制构件的横摆对应的IMU关于围绕Z轴线的旋转的输出可能噪声很大。在一个实施例中，传感器测量由于用户弯曲其手腕以旋转控制器来指示横摆而引起的第一控制构件与用户手腕或前臂之间的联动件的位移。

如下述几个代表性实施例所示，单手持控制器安装在手腕上，并记录与相对于手腕限定的正中位置的位移，从而允许精确地在多达六个运动自由度(6-DoF)下进行飞行、游戏或增强现实运动控制。被动机械、振动触觉或主动机械反馈可能会通知用户它们与这6-Dof各自零点的位移。通过这种单手控制，可以像具有直观(非故意认知)输入的战斗机飞行员一样在空中运动。

根据本公开的另一方面，与控制器接合的前臂支撑物可以与食指环结合使用以松开或抓紧虚拟世界中的对象。

下述手持控制器的不同代表性实施例的另一方面涉及一种双手持控制器，其即使在例如步行、滑雪、跑步、驾驶之类的运动时，也可提供由非惯用手稳定的一致的已知坐标系。可以将手持控制器的一个可选实施例插入基座的表面，以使非飞行手在飞行时可以稳定基座。

借助于手持控制器在物理或虚拟空间中运动参考点(POR)提出了一个问题，即需要洞悉所控制的每个自由度中的位移，以便“零输入”位置对于每个自由度都是同时独立知道的。例如，对于无人机，需要始终知道x、y和z轴以及横摆的零输入位置。其他飞行体制，例如虚拟现实和增强现实、计算机游戏和外科手术机器人，可能同时需要多达六个独立的自由度(沿x、y和z轴运动，以及俯仰、横摆和侧倾)。此外，特别是对于无人机飞行以及虚拟与增强现实系统而言，在保持对参考点的精确控制的同时具有运动性的能力是值得期待的。

在一代表性实施例中，具有安装到基座上的操纵杆形式的第一控制构件通过居中机构产生力来用触觉通知用户零指令，以允许在其连接到基座的情况下的俯仰、横摆和侧倾输入。位于操纵杆顶部上的第二控制构件，在用拇指或另一手指沿X、Y和Z轴相对于第一控制构件移位的位置上，产生多达3个附加自由度中的控制信号，还有零指令的触觉反馈。例如，磁性或机械止动件可以用于为一个或多个控制器的多个自由度中的每个限定中心或“零”输入，并在控制器构件偏离中心或“零输入”位置时使用户感到力的轻微增加。当沿着运动自由度之一重新进入控制器构件的行程范围的中心时，由于恢复了“零输入”，所以感觉到力的轻微变化。对于每个正在操控的自由度，可以同时独立地在用户手中感觉到这些止动件力。

下面结合附图描述另外的方面、优点、特征和实施例。本申请引用的所有专利、专利申请、文章、其他出版物、文件等均出于所有目的而通过引用整体并入本申请。如果在任何所并入的出版物、文件等与本申请之间的术语的限定或用法出现任何不一致或冲突，以本申请的限定或用法为准。

附图说明

为了促进对下面要求保护的本发明的原理的理解，现在将参考附图中所示的实施例或示例。应该理解，通过描述具体实施例和示例，除了权利要求书中规定的文字术语之外，不打算限制本发明的范围。在利用所要求保护的主题的同时，对所描述的实施例和示例的改变和进一步修改是可能的，因此被认为是在所要求保护的本发明的范围内。

图1是控制系统的一个实施例的示意图。

图2是图示用于控制一控制目标的方法的一个实施例的流程图。

图3A是图示用户用一只手使用图2A至图2G中所示的控制器的实施例的侧视图。

图3B是图3A所示的实施例的横截面图。

图3C是图3A所示的实施例的前视图。

图4A是图示根据图2的方法执行运动的物理或虚拟交通工具控制目标的实施例的侧视图。

图4B是图示根据图2的方法执行运动的图4A的物理或虚拟交通工具控制目标的实施例的顶视图。

图4C是图示根据图2的方法执行运动的图4A的物理或虚拟交通工具控制目标的实施例的前视图。

图4D是图示根据图2的方法执行运动的工具控制目标的实施例的透视图。

图5是图示用于控制一控制目标的方法的一个实施例的流程图。

图6是图示用于配置控制器的方法的一个实施例的流程图。

图7是单手持控制器的第一代表性实施例的侧视图。

图8A是部分组装的单手持控制器的第二代表性实施例的透视图，其中用于第二控制构件的枢转平台处于第一位置。

图8B是部分组装的单手持控制器的第二代表性实施例的透视图，其中用于第二控制构件的枢转平台处于第二位置。

图8C是处于与图8A和8B所示的组装状态不同的组装状态的单手持控制器的第二代表性实施例的透视图，其中去掉了形成第一控制构件的壳体的一半。

图9图示了具有呈拇指环形式的辅助控制构件的控制器的第三代表性实施例的透视图。

图10图示了具有龙门架型辅助控制构件的控制器的第四代表性实施例的透视图。

图11图示了具有轨迹球型辅助控制构件的控制器的第五代表性实施例的透视图。

图12是具有安装在基座上的控制器的可运动双手控制系统的透视图。

图13是安装到具有输入按钮的基座上的控制器的透视图。

图14是安装到有线基座上的单手持控制器的透视图。

图15是安装到与用户前臂连接的支架的单手持控制器的另一代表性示例和实施例的透视图。

图16是与用户佩戴的前臂附件连接的手持控制器的又一代表性示例和实施例的透视图。

图17是与安装在用户前臂上的袖带联接的手柄控制器的代表性示例的透视图。

图18是与安装在图17所示的用户前臂上的袖带联接的手柄控制器的代表性示例的侧视图。

图19A是在前臂附件与手持控制器之间具有双常平架联动件的控制系统的代表性示例的俯视图。

图19B是图19A的控制系统的侧视图。

图19C是图19A的控制系统的透视图。

图19D是在前臂附件与手持控制器之间具有双常平架联动件的控制系统的第二代表性示例的透视图。

图20A是在前臂附件与手持控制器之间具有双常平架联动件的控制系统的另一代表性示例的侧视图。

图20B是图20A的控制系统的另一侧视图。

图21A-21F图示了根据一个实施例的控制器。

图22A-22F图示了根据一个实施例的控制器。

图23是手持控制器的侧视图。

图24A-24B示意性地图示了手持控制器的另一实施例的两个版本。

图25A和25B图示了手持控制器的另一实施例的两个位置。

图26是控制器的另一实施例的示意图。

图27是用于将手持控制器可释放地连接到基座的连接器的示意图。

图28示意性地图示了常平架。

图29是图28的横截面。

具体实施方式

在以下附图和描述中，附图不一定按比例绘制。本发明的某些特征可能按比例夸大示出或以示意形式示出。为了使关注点清楚和简洁起见，可能未示出常规或之前描述过的组成部分的细节或根本不示出。

本公开的控制器可以以几种形式实施，同时仍然提供以下提到的至少一个优点。下述许多特定示例均具有多种优点。在理解本公开被认为是本发明原理的示例并且不旨在将本发明限制于本申请所图示和描述的前提下，详细描述并在附图中图示了特定实施例。应当完全认识到，以下讨论的实施例的不同教导可以单独地或以任何适当的组合来采用以产生期望的结果。通过阅读以下对本发明的说明性实施例的描述并参考附属于说明书的附图，本领域技术人员将容易明白上述各种特征以及下面更详细描述的其他特征和特性。

本公开描述了一种控制系统的几个实施例，该控制系统允许用户使用单个控制器以高达六个自由度(6-DoF)来控制一控制目标或参考点(POR)。在一个实施例中，一体化手持控制器可以包括：第一控制构件，其用于接收来自用户的第一组的一个、两个或三个输入；以及第二控制构件，其从第一控制构件延伸，可以接收来自用户的第二组的一个、两个或三个附加输入。用户输入是由用户以最多三个自由度运动每个控制构件产生的。这些控制器将用户输入映射到用于控制一目标控制系统的预选输出。用户可以使用单手将一体化手持控制器上的第一控制构件和第二控制构件重新定位，来以最多六个自由度控制该控制目标。

更具体地，在下述控制系统的一些实施例中，用户能够使用单个控制器来以6-DoF控制一控制目标。在一个实施例中，一体化手持控制器可以包括：第一控制构件，其用于接收旋转输入(例如俯仰、横摆和侧倾)；以及第二控制构件，其从第一控制构件延伸并且用于接收平移输入(例如沿x，y和z轴线的运动)。作为替代，用户可以根据要求或正在执行的操作的需要，将这些控制系统输入编程为不同的坐标系。如下面进一步详细描述的那样，用户可以使用一只手将一体化手持控制器上的第一控制构件和第二控制构件重新定位来以6-DoF控制该控制目标。

下述实施例是与现有技术的手持控制器相比具有一个或多个附加特征的改进型单手持控制器的示例。这些附加特征和增强包括：改进型Z轴弹力和自动居中/归零能力，用于由用户拇指在握住控制器的第一构件时所控制的第二构件；在第一构件顶部上的较大龙门架，用于沿X和Y轴运动第二构件；用于第二控制构件的可更换或可调整大小的拇指环；可流动使用的前臂或腕部稳定器(电位计、霍尔效应传感器或光学编码器，用于沿X、Y和Z轴平移，例如用于无人机应用以及与虚拟/增强现实集成)；基于鼠标的实现，用于改进型CAD对象操作；以及以上任意两个或多个特征的组合。

具有上述任何一项或多项特征手持控制器及其变型可以用于诸如飞行模拟、计算机辅助设计(CAD)、无人机飞行、固定翼与旋转翼飞行、计算机游戏、虚拟与增强现实导航、空中加油、手术机器人、地面与海洋机器人控制以及许多其他应用之类的应用中，下面将对其中一些应用进行描述。

首先参考图1，用于以6-DoF控制一控制目标的控制系统100包括控制器102，该控制器102联接至信号转换系统104，该信号转换系统104进一步联接至控制目标106。在一个实施例中，控制目标106可以包括末端执行器(例如机器人镊子末端、具有圈套器的机器人手臂末端执行器)、摄像头视场(例如包括摄像头中心视场和缩放)、交通工具速度矢量等。虽然分开图示了控制器102和信号转换系统104，但是本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以组合控制器102和信号转换系统104中的一些或全部。

控制器102包括第一控制构件102a和位于第一控制构件102a上的第二控制构件102b。在一些实施例中，控制器102可以进一步包括也位于第一控制构件102a上的第三控制构件(未示出)。在本说明书中，除非另有说明，否则控制器102旨在代表本申请所述的所有控制器。控制器处理器102c联接到第一控制构件102a和第二控制构件102b中的每个。在一个实施例中，控制器处理器102c可以是中央处理单元、可编程逻辑控制器和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他处理器。控制器处理器102c还联接到旋转模块102d、平移模块102e和发送器102f中的每个。虽然没有任何进一步详细图示或描述，但是其他连接件和联接件可能存在于第一控制构件102a、第二控制构件102b、控制器处理器102c、旋转模块102d、平移模块102e和发送器102f之间，但仍然保持在本公开的范围内。此外，控制器的组件可以与本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的其他组件组合或用其替换，但仍然保持本公开的范围内。

控制系统100中的信号转换系统104包括收发器104a，其可以通过有线连接、无线连接和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的多种其他连接而联接到控制器102中的发送器102f。转换处理器104b联接到收发器104a、控制模块104c和配置参数104d，该配置参数104d可以包括在内存、外存器件和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的其他计算机可读介质上。在一个实施例中，转换处理器104b可以是中央处理单元、可编程逻辑控制器和/或本领域普通技术人员可以知道的各种其他处理器。虽然没有任何进一步详细图示或描述，但是其他连接件和联接件可以存在于收发器104a、转换处理器104b、控制模块104c和配置参数104d之间，但仍然保持在本公开的范围内。此外，信号转换系统104的组件可以与本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的其他组件组合或用其替换，但仍然保持在本公开的范围内。控制模块104c可以通过有线连接、无线连接和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他连接而联接到控制目标106。

在一个实施例中，控制器102被配置为通过第一控制构件102a和/或第二控制构件102b接收来自用户的输入，并基于该输入发送信号。例如，控制器102可以被提供为“操纵杆”，用于在虚拟环境中(例如在视频游戏中、在真实世界的模拟器上、作为远程控制虚拟/真实世界控制系统的一部分和/或如本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他虚拟环境中)进行导航。在另一示例中，控制器102可以被提供为一种控制杆，其用于控制交通工具(例如飞机、潜水器、航天器和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他交通工具)。在另一个示例中，控制器102可以被提供为一种控制杆，其用于控制机器人或其他非交通工具器件(例如外科器件、总成器件和/或本领域的一个普通技术人员已知的各种其他非交通工具器件)。

在下面进一步详细讨论的实施例中，控制器102包括控制杆作为第一控制构件102a，其被配置为由用户重新定位。控制杆的第一控制构件102a的重新定位允许用户使用第一控制构件102a提供包括俯仰输入、横摆输入和侧倾输入的旋转输入，并且引起控制器处理器102c输出包括俯仰运动输出信号、横摆运动输出信号和侧倾运动输出信号的旋转运动输出信号。具体地说，使控制杆的第一控制构件102a前后倾斜可以提供产生俯仰运动输出信号的俯仰输入，使控制杆的第一控制构件102a围绕其纵轴左右旋转可以提供产生横摆运动输出信号的横摆输入，并且使控制杆的第一控制构件102a左右倾斜可以提供产生侧倾运动输出信号的侧倾输入。如下所述，由第一控制构件102a的重新定位产生的运动输出信号可以根据以上讨论重新配置，使得第一控制构件102a与以上讨论的运动类似的运动导致不同的输入和运动输出信号(例如，使控制杆的第一控制构件102a左右倾斜可被配置为提供产生横摆运动输出信号的横摆输入，而使控制杆的第一控制构件102a围绕其纵轴旋转可被配置为提供产生侧倾运动输出信号的侧倾输入)。

可以使用旋转模块102d来检测和/或测量使用控制杆的第一控制构件102a的旋转输入。例如，旋转模块102d可以包括位移检测器，用于检测控制杆的第一控制构件102a从起始位置的位移，作为上述俯仰输入、横摆输入和侧倾输入中的一个或多个。位移检测器可以包括用于检测光束的光电检测器、旋转和/或线性电位计、感应联接线圈(霍尔效应传感器)、物理致动器、陀螺仪、开关、换能器和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他位移检测器。在一些实施例中，旋转模块102d可以包括用于检测控制杆的第一控制构件102a从空间的起始位置的位移的加速度计。例如，加速度计可各自测量控制杆的第一控制构件102a相对于惯性坐标系的适当加速度。

在其他实施例中，可以针对控制杆的第一控制构件102a的三个运动范围(例如前后、左右以及围绕纵轴旋转)中的每个，使用断接开关、换能器和/或直接开关来检测和/或测量使用控制杆的第一控制构件102a的输入。例如，断接开关可以用于针对每个旋转范围检测控制杆的第一控制构件102a何时从空位置初始运动(例如2°)，换能器可针对每个运动范围提供与控制杆的第一控制构件102a的位移成比例的信号，而直接开关可以针对每个运动范围检测控制杆的第一控制构件102a何时从空位置进一步运动(例如12°)。断接开关和直接开关还可允许检测控制杆的第一控制构件102a的加速度。在一个实施例中，可以在控制器102中提供冗余检测器和/或开关以确保控制系统100是容错的。

在下面进一步详细讨论的实施例中，第二控制构件102b从控制杆的第一控制构件102a的顶部远侧部分延伸，并且配置成由用户独立于并且相对于控制杆的第一控制构件102a重新定位。以下所讨论的第二控制构件102b的重新定位允许用户使用第二控制构件102b来提供包括x轴输入、y轴输入和z轴输入的平移输入，并且引起控制处理器102c输出包括x轴运动输出信号、y轴运动输出信号和z轴运动输出信号的平移运动输出信号。例如，使第二控制构件102b前后倾斜可以提供产生x轴运动输出信号的x轴输入，使第二控制构件102b向左右倾斜可以提供产生y轴运动输出信号的y轴输入，而使第二控制构件102b上下运动可以提供产生z轴运动输出信号的z轴输入。如下所述，由第二控制构件102b的重新定位产生的信号可以根据以上讨论的方法重新配置，使得第二控制构件102b与以上讨论的那些运动类似的运动导致不同的输入和运动输出信号(例如，使第二控制构件102b前后倾斜可被配置为提供产生z轴运动输出信号的z轴输入，而使第二控制构件102b向上和向下运动时可被配置为提供产生x轴运动输出信号的x轴输入)。在一个实施例中，第二控制构件102b被配置成在用户用包括拇指的手握住控制杆的第一控制构件102a的同时仅由用户该拇指来重新定位。

可以使用平移模块102e来检测和/或测量使用第二控制构件102b的平移输入。例如，平移模块102e可以包括平移检测器，用于检测第二控制构件102b从起始位置的位移，作为上述x轴输入、y轴输入和z轴输入中的一个或多个。平移检测器可以包括物理致动器、平移加速度计和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的多种其他平移检测器(例如，以上讨论的用于检测和/或测量旋转输入的许多检测器和开关可以改用于检测和/或测量平移输入)。

应当理解，第一控制构件102a不限于旋转输入，第二控制构件102b也不限于平移输入。例如，第一控制构件102a可以对应于平移输入，而第二控制构件102b可以对应于旋转输入。在一些实施例中，与相应的旋转或平移运动相关联的输入可以基于用户偏好。

在一个实施例中，控制器102的控制器处理器102c被配置为产生要由发送器102f发送的控制信号。如上所述，控制器处理器102c可以被配置为基于由旋转模块102d检测和/或测量到的一个或多个旋转输入和/或由平移模块102e检测和/或测量到的一个或多个平移输入来产生控制信号。由控制器处理器102c产生的那些控制信号可以包括限定用于6-DoF(即，俯仰、横摆、侧倾、沿x轴的运动、沿y轴的运动、沿z轴的运动)中的一个或多个的运动输出信号的参数。在几个实施例中，为产生分立控制信号的每个分立的预限定运动(例如，用于提供俯仰输入的第一控制构件102a的运动，用于提供横摆输入的第一控制构件102a的运动，用于提供侧倾输入的第一控制构件102a的运动，用于提供x轴输入的第二控制构件102b的运动，用于提供y轴输入的第二控制构件102b的运动，以及用于提供z轴输入的第二控制构件102b的运动)产生分立的控制信号类型(例如，横摆输出信号、俯仰输出信号、侧倾输出信号、x轴运动输出信号、y轴运动输出信号和z轴运动输出信号)。除了6-DoF控制之外，诸如开/关、微调和其他多功能指令之类的分立功能也可以传递到控制目标。相反，可以在控制器102上接收数据或反馈(例如，诸如LED之类的指示器可以被点亮为绿色以指示控制器102开启)。

在一个实施例中，控制器102的发送器102f被配置为通过有线或无线连接发送控制信号。例如，控制信号可以是射频(“RF”)信号、红外(“IR”)信号、可见光信号和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他控制信号中的一个或多个。在一些实施例中，发送器102f可以是被配置为根据

协议(

是蓝牙特殊利益集团的注册商标，该集团是私有的非营利性贸易协会，总部位于美国华盛顿州柯克兰市)将控制信号作为RF信号发送的

发送器。

在一个实施例中，信号转换系统104的收发器104a被配置为通过有线或无线连接来接收由控制器102的发送器102f发送的控制信号，并将接收到的控制信号提供给信号转换系统104的转换处理器104b。

在一个实施例中，转换处理器104b被配置为处理从控制器102接收到的控制信号。例如，转换处理器104b可以联接到包括指令的计算机可读介质，该指令在由转换处理器104b执行时引起转换处理器104b提供控制程序，该控制程序被配置为将控制信号转换为运动指令，并且使用信号转换系统104的控制模块104c来根据运动指令控制该控制目标106。在一个实施例中，转换处理器104b可以将控制信号转换成用于虚拟三维(“3D”)环境(例如，手术患者、视频游戏、模拟器和/或本领域的普通技术人员可以知道的各种其他虚拟3D环境的虚拟表示)的运动指令。因此，控制目标106可以存在于虚拟空间中，并且可以从控制目标内部的视点向用户提供虚拟环境的视点或虚拟表示(即，控制系统100可以包括显示器，其向用户提供控制目标在虚拟环境中的视点)。在另一个示例中，控制目标106可以是诸如机器人、末端执行器、手术工具、提升系统之类的物理器件和/或各种可转向的机械器件(包括但不限于诸如无人驾驶或遥控驾驶的交通工具(例如“无人机”)；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的交通工具和陆地飞机；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的飞机；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的船只；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的潜水器；以及载人、无人或遥控飞机、火箭、卫星之类的交通工具)。

在一个实施例中，信号转换系统104的控制模块104c被配置为基于从信号转换系统104中的控制程序提供的运动指令来控制该控制目标106的运动。在一些实施例中，如果控制目标106处于虚拟环境中，则控制模块104c可以包括应用编程接口(API)，用于在虚拟环境中运动虚拟表示或视点。API还可以向控制模块104c提供来自虚拟环境的反馈，例如碰撞反馈。在一些实施例中，来自控制目标106的反馈可以允许控制模块104c自动调整控制目标的运动，以例如避免与指定区域(例如，真实或虚拟环境中的对象、真实或虚拟患者的关键部位等)的碰撞。在其他实施例中，如果控制目标106是物理器件，则控制模块104c可以包括一个或多个用于控制物理器件的运动的控制器。例如，信号转换系统104可以安装在交通工具上，并且控制模块104c可以包括用于控制交通工具的各种推进和/或转向机构的各种物理控制器。

在一个实施例中，信号转换系统104包括配置参数104d，其当使用来自控制器102的信号产生运动指令时供转换处理器104b使用。操作参数可包括但不限于增益(即灵敏度)、起始速率(即滞后)、死区(即正中)、极限(即最大角位移)和/或如本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的多种其他操作参数。在一个实施例中，第一控制构件102a和第二控制构件102b的增益可以由用户独立地限定。在该示例中，与控制杆的第一控制构件102a相比，第二控制构件102b可以具有增加的灵敏度，以例如补偿具有小于控制杆的第一控制构件102a的运动范围的第二控制构件102b。类似地，可以独立地限定第一控制构件102a和第二控制构件102b的起始速率，以确定在重新定位第一控制构件102a和第二控制构件102b应该转换为控制目标106的实际运动之前应该经过的时间量(即滞后)。第一控制构件102a和第二控制构件102b的极限和死区也可以通过校准每个的正中和最大位置来独立地限定。

在一个实施例中，操作参数还可限定响应于第一控制构件102a和第二控制构件102b的不同运动而从控制器102发送的信号如何被转换为被发送至控制目标的运动指令。如上所述，第一控制构件102a的特定运动可以产生俯仰、横摆和侧倾旋转运动输出信号，而第二控制构件102b的特定运动可以产生x轴、y轴和z轴平移运动输出信号。在一个实施例中，操作参数可以限定响应于来自第一控制构件102a和第二控制构件102b的运动和所产生的运动输出信号，将哪些运动指令发送到控制目标106。

类似于图7-20B中所示的单手持控制器可以提供多达6个自由度的控制。对于在许多类型的物理和虚拟3-D环境中的应用(例如运动航天器或许多类型的飞机，或某些计算机游戏以及虚拟现实和增强现实环境)，可能需要所有6个自由度。在许多情况下，管理它们的最佳方法是将由第二控制构件的位移产生的x轴、y轴和z轴平移输出信号映射到目标应用程序中的x轴、y轴和z轴运动，并使用由第一控制构件的位移产生的俯仰、侧倾和横摆旋转输出信号提供控制目标应用中的俯仰、侧倾和横摆的旋转控制输出信号。

然而，对于许多其他应用(例如无人机飞行)，当仅需要4个指令轴时，用户的输入可能会以不同的方式进行拆分，具体取决于手持控制器安装在控制器的固定基座上，由非惯用手稳定，还是与前臂支撑物联接。例如，当使用前臂支撑物支撑手持控制器并提供坐标系时，可能更希望使用第二构件来控制无人机的y轴运动，而使用第一控制构件来控制x轴运动和横摆。由于控制器的单独输入“器件”易于编程，因此用户有能力选择用户想要的输入和轴的任意组合。

在一些实施例中，可以从用户操作的外部计算设备(未示出)接收配置参数104d。例如，外部计算设备可以预先配置有用于与控制器102和/或信号转换系统104对接的软件。在其他实施例中，配置参数104d可以由用户使用包括有控制器102或信号转换系统104的显示屏直接输入。例如，第一控制构件102a和/或第二控制构件102b可以用于导航限定配置参数104d的配置菜单。

现在参考图2和图3A-C，图示了使用一单手持控制器来控制一控制目标的方法400。图3A-C中所示的控制器表示单手持控制器，该单手持控制器具有：第一控制构件，其由用户的手握住，并且可以被移位以产生第一组控制输出；以及第二控制构件，其位于第一控制构件上，由握住第一控制构件的手上的拇指操纵来产生第二组控制输出。除非另外特别说明，否则本申请描述的任何单手持控制器都可以与结合这些附图描述的方法一起使用。与本申请所述的其他方法的情况一样，各种实施例可能不包括以下描述的全部步骤，可能包括其他步骤，并且可能以不同的顺序排列这些步骤。相应地，图2所示的步骤的具体排列不应解释为限制控制一控制目标的运动的范围。

方法400开始于框402，在框402，接收来自用户的输入。如前所述，用户可以用手抓紧第一控制构件，而在第二控制构件上使用拇指。如图3A-C中所示，用户可以用手402a抓紧第一控制构件204，同时将拇指402b延伸通过由第二控制构件208限定的拇指通道。此外，用户可以将手指402c定位在控制按钮206上方。本领域普通技术人员将认识到，虽然图示了具有定位用于拇指致动的第二控制构件208和用于手指致动的控制按钮206的特定实施例，但是包括重新定位第二控制构件208(例如用于通过除拇指以外的手指致动)、重新定位控制按钮206(例如用于由除如图3A-C中所示的手指以外的手指致动)，附加的控制按钮和各种其他特征的其他实施例将落入本公开的范围。

在一个实施例中，在方法400的框402中来自用户的输入可以包括用户使用例如控制器提供的一个或多个旋转输入(即，横摆输入、俯仰输入和侧倾输入)和一个或多个平移输入(即沿x轴、y轴和/或z轴的运动)。用户可以重新定位第一控制构件以提供旋转输入，并且可以重新定位第二控制构件以提供平移输入。控制器是“一体化的”，因为它能够由用户的一支手操作。换句话说，控制器允许用户用一只手同时提供旋转和平移输入而不会有交叉耦合的输入(即，来自手持控制器的输出是“纯”的)。

如上所述，可以使用各种器件(例如用于检测光束的光电检测器、旋转和/或线性电位计、感应联接线圈、物理致动器、陀螺仪、加速度计以及本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他器件)来检测旋转和平移输入。下面讨论第一控制构件和第二控制构件的运动及其在控制目标106上的结果的具体示例，但是如上所述，第一控制构件和第二控制构件的任何运动可以被重新编程或重新设定为满足用户的期望(包括通过基于用户的期望交换坐标系来重新编程坐标系)，因此下面的讨论仅是本公开的一个实施例的示例。

现在主要参考图3A-3C，但是继续参考图2中的方法400和图1中的控制系统100，更详细地呈现控制器200。在一个实施例中，控制器200可以是以上参考图1讨论的控制器102。控制器200包括基座202，该基座包括第一控制构件安装座202a，该第一控制构件安装座202a从基座202延伸并且限定了第一控制构件安装腔202b。可以使用例如孔202c将基座202安装到支撑件上，该孔202c围绕基座202的圆周以间隔开的定向定位，并且可以被配置成接纳诸如螺钉之类的紧固构件。作为替代，可以利用具有引导安装和释放的燕尾配件或本领域已知的其他机械、磁性或其他粘合剂固定机构。第一控制构件204(可以是上面参考图1讨论的第一控制构件102a)通过位于第一控制构件安装腔202b中的基座联接构件204a联接至基座200，如图3B所示。虽然在所示的实施例中，基座联接构件204a与第一控制构件安装座202a之间的联接被图示并描述为球形接头联接件，但是本领域普通技术人员将认识到，基座202与第一控制构件204之间的多种其他联接件将落入本发明的范围内。在一个实施例中，诸如弹簧之类的弹性构件205可以位于第一控制构件安装腔202b中的第一控制构件204与基座202之间，以便提供沿着第一控制构件204的纵轴的向上或向下弹性运动。此外，可以将一弹性构件设置成与来自弹性构件205的基座联接构件204a相对，以限制第一控制构件204的向上运动。在一些实施例中，第一控制构件安装腔202b的入口可以小于基座联接构件204a，使得第一控制构件204被固定到基座202。

第一控制构件204包括从基座联接构件204a延伸的细长第一部分204b。第一控制构件204还包括把手部分204c，该把手部分204c与基座联接构件204a的第一部分204b相对地联接到第一控制构件204的第一部分204b。第一控制构件204的把手部分204c包括顶表面204d，其定位成与第一控制构件204的第一部分204b的把手部分204c相对。在所示的实施例中，把手部分204c的顶表面204d也是第一控制构件204的顶表面。把手部分204c限定第二控制构件安装腔204e，该第二控制构件安装腔204e从顶表面204d延伸到把手部分204c中。控制按钮206位于第一部分204b和把手部分204c的联接处的第一控制构件204上。虽然图示了单个控制按钮206，但是本领域的普通技术人员将认识到，可以在第一控制构件204上的不同位置处提供多个控制按钮，而不脱离本公开的范围。

第二控制构件208可以是上面参考图1讨论的第二控制构件102b，其通过位于第二控制构件安装腔204e中的第一控制构件联接构件208a联接到第一控制构件204，如图3B所示。虽然在所示的实施例中，第一控制构件联接构件208a与第一控制构件204之间的联接件被图示并描述为球形接头联接件，但是本领域的普通技术人员将认识到，第一控制构件204与第二控制构件208之间的多种其他联接件也将落入本公开的范围内。在一个实施例中，诸如弹簧之类的弹性构件209可以位于第二控制构件安装腔204e中的第二控制构件208与第一控制构件204之间，以便沿大致垂直于把手部分204c的顶表面204d的方向提供向上或向下的弹性运动。在一些实施例中，第二控制构件安装腔204e的入口可以小于第一控制构件联接构件208a，使得第二控制构件208固定到第一控制构件204并从第一控制构件204延伸。

第二控制构件208包括从第一控制构件联接构件208a延伸的支撑部分208b。第二控制构件208还包括致动部分208c，该致动部分208c与第一控制构件联接构件208a的支撑部分208b相对地联接至第一控制构件204的支撑部分208b。在图示的实施例中，第二控制构件208的致动部分208c限定了一拇指通道，该拇指通道延伸穿过第二控制构件208的致动部分208c。虽然图示了特定的致动部分208c，但是本领域的普通技术人员将认识到，致动部分208c可以具有不同的结构并且包括多种其他特征，但仍然保持在本公开的范围内。

图3B图示了线缆210，该线缆210从第二控制构件208，穿过控制器200，穿过第一控制构件204(与控制按钮206的连接)，延伸到基座202。虽然为清楚起见而未示出，但是本领域的普通技术人员将认识到，以上参考图1描述的控制器102的一些或全部特征可以包括在控制器200中。例如，旋转模块102d和平移模块102e的特征，例如用于检测第一控制构件204和第二控制构件208的运动的检测器、开关、加速计和/或其他组件，可以位于基座联接构件204a和第一控制构件联接构件208a附近，以便如上所述那样检测和测量第一控制构件204和第二控制构件208的运动。此外，控制器处理器102c和发送器102f可以例如定位在基座202中。在一个实施例中，包括连接器的软线可以联接至线缆210，并且可操作以将控制器200连接至控制系统(例如控制系统100)。在另一个实施例中，如上所述，发送器102f可以允许在控制器200和控制系统之间的无线通信。

如图3A-C中所示，用户可以使用他/她的手402a来沿线A来回运动第一控制构件204(例如，在其与控制器200的基座202的联接件上，通过使第一控制构件204的把手部分204c沿着线A相对于控制器200的第一控制构件204的底部倾斜)，以便向控制器200提供俯仰输入。如图3A至图3C所示，用户可以使用他/她的手402a来在弧线B上绕其纵轴来回旋转第一控制构件204(例如，在其与控制器200的基座202的联接件上，通过在用于控制器200的空间中旋转第一控制构件204的把手部分204c)，以便向控制器200提供横摆输入。如图3A-C中所示，用户可以使用他们的手402a来沿线C左右移位第一控制构件204(例如，在其与控制器200的基座202的联接件上，通过使第一控制构件204的把手部分204c沿着线B相对于控制器300的第一控制构件204的底部倾斜)，以便向控制器200提供侧倾输入。此外，可以使用控制器200的其他特征来提供附加输入。例如，弹性构件205可提供第一控制构件204的正中位置，使得使用第一控制构件204压缩弹性构件205会提供第一输入，并且使用第一控制构件204延伸弹性构件205会提供第二输入。

如图3A-C中所示，用户可以使用拇指402b来沿着线E前后移位第二控制构件208(例如，在其与第一控制构件204的联接件上)，以便向控制器200提供x轴输入。如图3A-C中所示，用户可以使用拇指402b沿线D来回运动第二控制构件208(例如，在其与第一控制构件204的联接件上)，以便向控制器200提供y轴输入。如图3A-C中所示，用户可以使用拇指402b沿线F上下运动第二控制构件208(例如，在其与第一控制构件204的联接件上，在一些实施例中，包括利用弹性构件205的阻力)，以便将z轴输入提供给控制器200。在一个实施例中，弹性构件209可以提供第二控制构件208的正中位置，以便使用第二控制构件208压缩弹性构件209会提供第一z轴输入，用于控制目标106沿第一方向的z轴运动，并且使用第二控制构件208延伸弹性构件209会提供第二z轴输入，用于控制目标106沿与第一方向相反的第二方向的z轴运动。

然后，方法400前进到框404，在框404，基于在框402中接收并在随后发送的用户输入来产生控制信号。如上所述，控制器处理器102c和旋转模块102d可以响应于检测和/或测量到上述旋转输入而产生旋转运动输出信号，并且控制处理器102c和平移模块102e可以响应于检测和/或测量到上述平移输入而产生平移运动输出信号。此外，控制信号可以包括控制构件的绝对偏转或位移、控制构件的偏转或位移的速率、控制构件的偏转或位移的持续时间、控制构件相对于中央死区的差异和/或本领域已知的各种其他控制信号的指示。例如，可以根据

协议来基于旋转输入和/或平移输入而产生控制信号。控制信号一旦产生，就可以根据

协议由RF发送器作为RF信号发送。本领域技术人员将理解，可以根据诸如

协议，无线USB协议之类的各种其他RF协议来产生和发送RF信号。在其他示例中，控制信号可以作为IR信号、可见光信号或作为适合于发送控制信息的某种其他信号来发送。(

是ZigBee联盟的注册商标，ZigBee联盟是总部位于美国加利福尼亚州圣拉蒙市的公司协会。)

然后，方法400前进到框406，在框406，收发器接收由控制器产生和发送的信号。在一个实施例中，信号转换系统104的收发器102接收由控制器102、200产生和发送的控制信号。在控制信号是RF信号的实施例中，收发器104a包括RF传感器，该RF传感器被配置为根据适当的协议(例如，

无线USB等)接收信号。

在其他实施例中，控制信号可以通过有线连接发送。在这种情况下，控制器102的发送器102f和信号转换系统104的收发器104a可以通过诸如通用串行总线(USB)线缆、串行线缆、并行线缆、专用线缆之类的线缆来物理连接。

然后，方法400前进到框408，在框408中，信号转换系统104的转换处理器104b提供的控制程序基于在框406中接收到的控制信号指令运动。在一个实施例中，控制程序可以基于控制信号中的旋转运动输出信号和/或平移运动输出信号，将控制信号转换为运动指令，该运动指令可以包括旋转运动指令和/或平移运动指令。还可以中继其他分立特征，例如开/关、摄像头缩放、共享截图等。例如，运动指令可以指定用于限定控制目标106在一个或多个DoF中的运动的参数。使用以上讨论的示例，如果用户使用他们的手402a沿着线A来回运动第一控制构件204(如图3A-C中所示)，则控制程序可以使用所得到的控制信号来产生包括用于修改控制目标106的俯仰的俯仰运动指令的运动指令。如果用户使用其手402a使第一控制构件204绕其纵轴沿着弧线B来回旋转(如图3A-C中所示)，则控制程序可以使用所得到的控制信号来产生包括用于修改控制目标106的横摆的横摆运动指令的运动指令。如果用户使用他们的手402a沿着线C左右移位第一控制构件204(如图3A-C中所示)，则控制程序可以使用所得到的控制信号来产生包括用于修改控制目标106的侧倾的侧倾运动指令的运动指令。

此外，如果用户使用他们的拇指402b沿着线E前后移位第二控制构件208(如图3A-C中所示)，则控制程序可以使用所得到的控制信号来产生包括用于修改控制目标106沿x轴的位置的x轴运动指令的运动指令。如果用户使用他们的拇指402b沿线E来回运动第二控制构件208(如图3A-C中所示)，则控制程序可以使用所得到的控制信号来产生包括用于修改控制目标106沿y轴的位置的y轴运动指令的运动指令。如果用户使用他们的拇指402b沿线D左右移位第二控制构件208(图3A-C中所示)，则控制程序可以使用所得到的控制信号来产生包括用于修改控制目标106沿z轴的位置的z轴运动指令的运动指令。

然后，方法400前进到框410，在框410，基于运动指令来执行控制目标106的运动。在一个实施例中，可以在方法400的框410处基于运动指令在虚拟环境中运动用户的视点或虚拟表示。在另一个实施例中，可以在方法400的框410处基于运动指令来致动交通工具的末端执行器、推进机构和/或转向机构。

图4A、图4B和图4C图示了控制目标410a，例如，其可以是以上参考图1所讨论的控制目标106。如上所述，控制目标410a可以包括用户位于其中的物理交通工具、用户远离该交通工具远程操作该交通工具的远程操作型交通工具、由用户通过提供从虚拟交通工具内到用户的视点而操作的该虚拟交通工具和/或本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的各种其他控制目标。使用上面的示例(图3A-C)，如果用户使用他们的手402a沿着线A来回运动第一控制构件204(如图3A-C中所示)，则从所产生的控制信号导致的该运动指令将引起控制目标410a修改其沿着弧线AA的俯仰，如图4B所示。如果用户使用他们的手402a使第一控制构件204绕其纵轴沿着弧线B来回旋转(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起控制目标410a修改其沿着弧线BB的横摆，如图4B所示。如果用户使用他们的手402a沿着线C左右移位第一控制构件204(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将使控制目标410a修改其沿着弧线CC的侧倾，如图4C所示。

此外，如果用户使用他/她的拇指402b沿着线E前后移位第二控制构件208(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起控制目标410a沿着线EE(即其x轴)运动，如图4B和图4C所示。如果用户使用他/她的拇指402b沿着线D左右移位第二控制构件208(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起控制目标410a沿着线DD(即其y轴)运动，如图4A和图4B所示。如果用户使用他/她的拇指402b沿着线F来回运动第二控制构件208(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起控制目标410a沿着线FF(即其z轴)运动，如图4A和图4C所示。在一些实施例中，控制器102或200上的控制按钮206和/或其他控制按钮可以用于例如致动控制目标410a中的其他系统(例如武器系统)。

图4D图示了控制目标410b，其可以是例如以上参考图1所讨论的控制目标106。如上所述，控制目标410b可以包括根据从控制器102或200发送的信号执行运动的物理器件或其他工具。使用上面的示例(图3A-C)，如果用户使用他们的手402a沿着线A来回运动第一控制构件204(如图3A-C中所示)，则由所产生控制信号导致的运动指令将使控制目标410b沿着弧线AAA围绕接头410d旋转工具构件或末端执行器410c，如图4D中所示。如果用户使用他们的手402a使第一控制构件204绕其纵轴沿着弧线B来回旋转(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起控制目标410b使工具构件或末端执行器410c沿着弧线BBB围绕接头410e旋转，如图4D中所示。如果用户使用他/她的手402a沿着线C左右移位第一控制构件204(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起控制目标410b使工具构件或末端执行器410c沿弧线CCC围绕接头410f旋转，如图4D中所示。

此外，如果用户使用他/她的拇指402b沿线E前后移位第二控制构件208(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起工具构件或末端执行器410c沿线EEE(即其x轴)运动，如图4D中所示。如果用户使用他/她的拇指402b沿着线E来回运动第二控制构件208(如图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起控制目标410b沿着线EEE(即，其通过接头410f的y轴)运动，如图4D中所示。如果用户使用他/她的拇指402b沿线D左右移位第二控制构件208(图3A-C中所示)，则由所产生的控制信号导致的运动指令将引起工具构件或末端执行器410c沿着线DDD(即其z轴)运动，如图4D中所示。在一些实施例中，控制器102或200上的控制按钮206和/或其他控制按钮可以用于例如使用工具构件210c执行动作。此外，本领域的普通技术人员将认识到，图4D中所示的工具构件或末端执行器410c可以用各种工具构件(例如外科手术器械等)代替或补充，而不脱离本公开的范围。如上所述，控制目标410a可以包括位于工具构件或末端执行器410c上或附近的摄像头，以提供视野来允许导航到目标。

现在参考图5，其图示了用于控制一控制目标的方法500。与本申请所述的其他方法的情况一样，各种实施例可能不包括以下描述的全部步骤，可能包括其他步骤，也可能以不同的顺序排列这些步骤。相应地，图5所示的步骤的具体排列不应解释为限制控制一控制目标的运动的范围。

方法500可以在框502处开始，在框502处，从用户那里接收旋转输入。类似于以上所讨论，用户可以通过重新定位控制器200的第一控制构件204来提供旋转输入(图3A-C)。在一些实施例中，旋转输入可以由诸如致动器之类的物理器件手动检测。在其他实施例中，可以由诸如加速度计之类的传感器电检测旋转输入。

方法500可以与框504同时进行，在框504，从用户那里接收平移输入。类似于以上所讨论，用户可以通过重新定位控制器200的第二控制构件208来提供平移输入。旋转输入和平移输入可以由用户使用其一只手同时提供。在一些实施例中，平移输入可以由诸如致动器之类的物理器件手动检测。

在一个实施例中，可以通过用户查看控制目标106在显示屏上的当前位置(图1)来提供旋转和平移输入。例如，用户可能正在查看呈现在患者虚拟表示内的手术器件在显示屏上的当前位置。在该示例中，可以使用显示屏上的当前视图作为坐标系来提供旋转输入和平移输入。

然后，方法500前进到框506，在框506中，基于旋转输入和平移输入产生控制信号，然后将其发送。在手动检测到旋转输入的情况下，可以基于由多个致动器检测到的旋转输入和平移输入来产生控制信号，这些致动器将施加在第一控制构件204和第二控制构件208上的机械力转换为要分别解释为旋转输入和平移输入的电信号(图3A-C)。在电子地检测到旋转输入的情况下，可以基于由加速度计检测到的旋转输入和由致动器检测到的平移输入来产生控制信号。

在一个实施例中，可以根据

协议来基于旋转输入和平移输入产生控制信号。一旦产生了控制信号，就可以由RF发送器根据

协议作为RF信号发送。本领域普通技术人员将理解，可以根据诸如

协议、无线USB协议之类的各种其他RF协议来产生和发送RF信号。在其他示例中，控制信号可以作为IR信号、可见光信号或适合于发送控制信息的某些其他信号来发送。

接下来再次结合图1参考图5，方法500前进到框508，信号转换系统104的收发器104a接收控制信号。在控制信号是RF信号的情况下，收发器104a包括RF传感器，该RF传感器被配置为根据适当的协议(例如，BLUETOOTH、ZIGBEE、无线USB等)来接收信号。在其他实施例中，控制信号可以通过有线连接发送。在这种情况下，发送器102f和收发器104a通过诸如通用串行总线(USB)线缆、串行线缆、并行线缆、专有线缆之类的线缆物理连接。

然后，方法500前进到框510，在框510中，转换处理器104b基于所接收到的控制信号指令6个DoF的运动。具体地说，可以基于控制信号中的旋转和/或平移输入将控制信号转换成运动指令。运动指令可以指定用于限定在虚拟3D环境的一个或多个DoF中用户的视点或虚拟表示的运动的参数。例如，如果用户将第二控制构件重新定位成向上，则所得到的控制信号可以用于产生使手术器件的视点沿z轴在患者身体的3D表示内向上运动的运动指令。在另一示例中，如果第一控制构件向左倾斜并且第二控制构件被向下定位，则所得到的控制信号可以用于产生使手术器件在患者身体的3D表示中沿着z轴线向下运动的同时向左侧倾的运动指令。可以提供旋转和平移输入的任何组合，以在一个或多个DoF中产生具有变化的参数组合的运动指令。

然后，方法500前进到框512，在框512中，基于运动指令在虚拟和/或真实环境中执行比例运动。例如，可以根据运动指令来重新定位手术器件在患者的虚拟表示中的视点，其中该视点对应于固定到手术器件上的摄像头或传感器。在该示例中，还可以根据手术器件在患者身体的虚拟表示中的运动而将手术器件重新定位在患者体内。一体化控制器允许外科医生用一只手在患者体内以6自由度导航手术器件。

现在结合图1参考图6，其图示了用于配置控制器的方法600。与本申请所述的其他方法的情况一样，各种实施例可能不包括以下描述的全部步骤，可能包括其他步骤，并且可能以不同的顺序排列这些步骤。相应地，图6所示的步骤的具体排列不应解释为限制控制一控制目标的运动的范围。

方法600开始于框602，其中控制器102连接到外部计算设备。控制器102可以经由物理连接(例如USB线缆)或任何数量的无线协议(例如

协议)连接。外部计算设备可以预先配置有用于与控制器102对接的软件。

然后，方法600前进到框604，在框604，控制器102从外部计算设备接收配置数据。配置数据可以指定配置参数，例如增益(即灵敏度)、起始速率(即滞后)、死区(即正中)和/或极限(即最大角位移)。配置数据还可将用于控制目标的运动指令分配给第一控制构件和第二控制构件的运动。用户可以使用配置为与控制器102对接的软件来指定配置参数。

然后，方法600前进到框606，在框606中，基于配置数据调整控制器102的操作参数。如上面关于图2和图5所讨论的那样，可以将操作参数存储在存储器中，然后由控制器102使用来远程控制一控制目标。在一些实施例中，方法600可以包括以下能力：设置“微调”、建立平移速率(例如厘米/秒)或重新定向(例如度/秒)或发起“自动顺序”来进行自动驾驶运动(在显示器上或在控制器102本身上。)

在其他实施例中，控制器102可以配备有输入器件，该输入器件允许用户直接配置控制器102的操作参数。例如，控制器102可以包括具有配置菜单的显示屏，该配置菜单可以使用第一控制构件204和/或第二控制构件208进行导航(图3A-C)。

存储在有形存储介质上的计算机可读程序产品可以用于方便任何前述实施例，例如以上讨论的控制程序。例如，本发明的实施例可以存储在计算机可读介质，诸如光盘(例如致密盘(CD)、数字多功能盘(DVD)等)、软盘、磁带、文件、闪存卡或任何其他计算机可读存储器件上。在该示例中，计算机可读程序产品的执行可以引起处理器执行以上关于图2、图5和图6讨论的方法。

在以下单手持控制器的示例中，各个方面允许控制器在计算机辅助设计、无人机飞行、各种类型的计算机游戏、虚拟与增强现实以及需要在空间中精确运动的其他虚拟和物理任务的控制要求中，将各自平移与姿态调整分开，而同时在远离“空指令”或零输入位置时提供触觉反馈。

例如，使用拇指进行独立控制输入的控制器的扩展操作可能会导致“穿梭拇指”疲劳问题。通过添加第三控制构件，例如用于用户手的第三、第四和第五根手指(或其中的一部分)的链接拨片，以在握住第一控制构件的同时挤压或旋转，可以握住第二控制器向上或向上推(沿+z方向)，从而提供对疲劳的缓解。此外，第三控制构件和第二控制构件可以被链接成使得向下推第二控制构件会将拨片或第三控制构件推出。这样，拇指和辅助手指就处于可以快速掌控的握动态平衡中。作为替代，食指可以被链接以提供拇指的平衡。用户通常对其食指具有更精细的运动控制，因此食指的使用可以提供对疲劳的所需缓解，同时还可以更好地控制沿Z轴的位移。

在其他实施例中，单手持控制器可以用作控制系统的一部分，该控制系统具有腕部或前臂支撑物以用作旋转轴线(特别是很难用惯性测量单元(IMU)进行测量的横摆)的参考。例如，虽然手持控制器的第一控制构件的主体内的IMU可以很好地用于俯仰和侧倾，但是横摆可能噪声很大。虽然这可以通过软件修改来改善，但是本申请所述的一些示例性实施例具有与腕部的联动件，从而允许电位计或光学编码器精确地测量所有三个旋转轴线。在前臂支撑物的一些变体中，可以使用食指环实现，该食指环用于松开或抓紧虚拟世界中的对象。

结合图7-20B所呈现的手持控制器示例及其变体可以用于之前部分中所呈现的那些应用中，例如飞行模拟、CAD、无人机飞行等。可选的附加特征可以单独使用，也可以在几种情况下与一个或多个其他功能结合使用，包括：可调节的z弹力和自动居中/归零能力；第二控制构件的操纵杆顶部上的相对较大的x-y龙门架；用于第二控制构件的可更换或可调整大小的拇指环；可流动使用的前臂或手腕稳定器(电位计、霍尔效应传感器或用于X/Y/Z平移的光学编码器，例如用于无人机应用以及与虚拟/增强现实集成)；以及基于鼠标的实现，用于改进型CAD对象操作。

现在参考图7至11，控制器700、900、1000和1100图示具有三个控制构件的单手持控制器的不同代表性实施例，其中三个控制构件之一提供Z轴辅助控制。

通过示例性控制器700、900、1000、1000以及图12-20B中示出和描述的控制器，优选地从用户的拇指接收用于指示沿X、Y和Z轴的运动的平移输入。拇指相对于手的其他部分，被最详细地映射到大脑。这些控制器利用其更大的灵活性，提供沿X，Y和Z轴的输入。由于拇指运动是相对于第一控制构件(在这些示例中，第一控制构件具有操纵杆的形式)的，因此平移可以与目标控制对象的姿态控制脱钩。挤压位于第一控制构件上的第三控制构件会允许用户手上的第二、第三、第四或第五手指中的任何一根或多根通过施加向上的力或向上的运动来支撑用户的拇指。第三控制构件的力和运动通过内部联接件传递或施加到第二控制构件，进而传递或施加到拇指。

这些实施例使用惯性测量单元来测量第一控制构件的位移。然而，作为替代方案，当将控制器安装为可在基座上枢转时(这种情况下，用于感测侧倾、俯仰和横摆的传感器可以位于基座内)，或者当与用户手腕联接以提供坐标系时(在这种情况下，可以将一个或多个用于俯仰、侧倾和横摆的传感器并入到联接件中)，这些控制器可以适合使用外部传感器。这些布置的示例在后面的图中示出。

在下面的描述中，第一控制构件因为它在结构上类似于之前已知类型的操纵杆的一部分(至少被抓握的部分)而通常可以被称为“操纵杆”或“控制杆”，并且在某些方面像可能的其他类型的操纵杆一样起作用，原因是它旨在由人手抓握并移位(平移和/或旋转)或以其他方式运动以指示俯仰、侧倾和横摆或运动。然而，它不应该意味着有在常规操纵杆中可能找到的任何其他结构，并且仅旨在表示可以抓握的细长结构部分。

现在参考图7和图8A、图8B和图8C的实施例，控制器700包括第一控制构件，其可以被称为操纵杆，具有：由把手部分703形成的手枪握把状主体702，该把手部分703可以用手的拇指、第三、第四和第五指中的至少两根或多根抓握；以及位于其被把手部分的上方的顶部705。在第一控制构件内有一个或多个集成式惯性测量单元(IMU)704(仅以虚线示意性表示，因为在此视图中看不到带有主体702的内部结构)，以感测第一控制构件的俯仰、侧倾和横摆控制。该实施例包括用于连接到基座或其他结构的可选快速连接件718。该特定实施例还集成了可选按钮，例如触发器706(定位为由食指操作)和姿势保持按钮708。可以用握住控制器的手上的手指或用户的另一只手进行操作。

第二控制构件安装在第一控制构件的顶部上的一个可以由握住第一控制构件的主体702的人的拇指操纵的位置上。第二控制构件包括龙门架装置710，供用户前后、左右移位以产生输入以指示沿y轴和x轴的运动，还供用户上下运动以产生输入以指示沿z轴的运动。在该特定示例中，龙门架装置710安装在平台712上，该平台使龙门架装置上下运动。虽然可以采用上下运动平台(或龙门架710)的不同方式，但是此特定示例将龙门架710放置在铰接平台712的一端。这允许龙门架装置相对于第一控制构件向上运动。向下推龙门架将平台712向下运动，从而指示用于Z轴控制的输入，而在拇指环(未示出)上向上拉则会沿Z轴在相反方向上运动。

在该示例中，该控制器上的Z轴输入装置的一部分还包括第三控制构件714。在该示例中，第三控制构件采用拨片716的形式，当围绕主体702握住第一控制构件时，用户的手指上的第二、第三、第四和/或第五指位于拨片716中，使得在握住控制器时用户可以有选择地挤压拨片716。拨片716和平台712可以用弹簧加载，使得它们处于零位置，以允许z轴输入来指示从零位置向任一方向的运动。第三控制构件用作辅助Z轴控件。第三控制构件与第二控制构件链接或联接。包括第三控制构件(例如手指拨片716)来“平衡”第二控制构件，从而有助于缓解用户的穿梭拇指疲劳，并使用户沿着Z轴(上/下)的输入得到更精细的运动控制，同时还允许龙门架同时沿X轴和Y轴运动。

图8A和8B示出了控制器700，其中去掉了许多组成部分，以更清楚地示出拨片716和平台712的协同运动。在图8A中，该平台处于完全压缩位置，而在图8B中，该平台712处于完全伸展位置，该两个位置之差相当于第二控制构件沿z轴的整个行程。在图8A中，拨片716相对于主体702处于完全伸展位置，而图8B相对于主体702处于完全压缩位置。

如作为控制器700的透视图的图8C所示，去掉了一半主体连同其大部分其他内部构件以揭示机械联动件的一个示例。在该示例中，拨片716围绕枢转点720枢转。与拨片716连接但相对于枢转点720相反的杠杆722可枢转地连接到联动件724。联动件724的另一端连接到杠杆臂726，平台712连接到杠杆臂726。平台712围绕形成轴728的销枢转。虽然未在图中示出，但是可以将弹簧放置在附图标记730所指示的区域中，以将拨片716以及整个联动件偏向零位或正中位置。还可以使用其他弹簧来提供平衡并偏置联动件以将拨片和龙门架置于Z轴的零位置。

转向图9、10和11，控制器900、1000和1100共享组成第一和第三控制构件的相同外部组件。每个都具有形成第一控制构件的主体902，并且大体上具有像操纵杆或手枪握把一样的旨在被抓握并保持在用户手中的形状。每个都与控制器700一样集成拨片904(例如从顶部枢转)，拨片904可以由抓握第一控制构件的用户的一根或多根手指进行操作。每个都还具有可编程按钮905，第二手指环可以代替该可编程按钮905。

类似地，每个都在主体顶部具有第二控制构件。每个的第二控制构件都包括平台906，该平台906上下运动(借助于铰链或其他机构)以提供Z轴输入。然而，第二控制构件的性质各不相同。控制器900使用安装到可以前后左右移位的龙门架906的拇指环908来提供x和y轴输入，同时还能够通过升高和降低拇指来沿z轴在两个方向上移位龙门架。优选地，该拇指环可以使用能够容纳不同尺寸的插入物(未示出)制成不同尺寸。如果需要，可以使用插入物或其他可调节机构使在本公开中的任何控制器上所示的拇指环可调整尺寸。图10的控制器1000使用类似于图7所示的控制构件的控制构件1002。图11的控制器1100使用安装在平台906上的轨迹球1102来进行x和y轴输入。按下轨迹球是z轴输入。拨片904用于在沿z轴在另一方向上提供输入。

在每个控制器900、1000、1100以及其余附图中所示的手持控制器中，第二控制构件和第三控制构件通过像图8C中所示联动件一样的设置在第一控制构件的主体内的机械联动件联接。然而，图8C仅仅是这样的联动件的代表，因为根据各个部件和组成部分的特定几何形状而可能使用不同布置和数量的链接。虽然可以使用其他类型的联接器或传动件在图7-20B中示出和描述的任何控制器中的主z轴控件与辅助z轴控件之间传递位移和力，但这些联接器或传动件也可以是其他类型的机械传动件(例如线缆)，以及传递位置和力(可选)的电磁传动件，甚至这些类型的传动件中的任意两种或更多种的组合。然而，机械联动件的优点在于，它用于在两个控制构件之间提供直接联接是相对简单和可靠的并且它立即传递力和位置以提供舒适的动态平衡。

此外，图7-11以及图12-20B中所示的所有控制器优选地具有针对每个自由度的重新居中机构，以使用户感觉到“零”或空指令。当控制构件沿自由度之一运动时，它优选地产生对控制构件的触觉反馈，例如力、摇动或其他触觉信号，以使它们返回到零输入的位置(零位置)。这些机构可以由简单地用弹力起反作用的弹簧组成，它们也可以是感测位移和/或力并产生反作用运动、力、其他类型的振动触觉反馈或它们的组合的主动系统。

虽然在图7-11中未示出，但每个控制器700、900、1000和1100以及其余图中所示的其他控制器至少包括图1中所示的组成部分。例如，其包括：传感器(例如，惯性测量单元、电位计、光学编码器等)，用于感测第一控制构件、第二控制构件和第三控制构件的位移；处理器，用于处理来自传感器的信号；以及发送器，其用于控制器发送输入信号，该输入信号可以是射频的，光学的或有线的(电学的或光学的)。这样的传感器可以呈现惯性测量单元、电位计、光学编码器等的形式。

在结合图1至图20B描述的控制器的任何实施例中，可以通过多种机构中的一种或多种从控制器提供用户反馈。例如，触觉振动可以提供轻微的振动反馈。力反馈可以在部分或全部自由度中提供反馈。环境热量和空气可提供辐射加热并吹送空气。虚拟现实的多传感器集成可以在虚拟世界中产生精确的控制。集成音频可以提供来自诸如无人机或其他目标器件之类的控制目标的声音反馈。控制器还可以提供表面加热和冷却，以通过冷热感给出反馈。用户界面(UI/UX)可以可选地包括集成式触摸屏和可视指示器，例如灯光、闪烁的颜色等。

现在转到图12、13和14，图示了控制器700、900、1000和1100中的任何一个可以连接到的基座结构1200、1300和1400的三个变型。其他任何图中所示的内容也可以进行修改。在附图中，控制器900被用作示例，但是其他控制器可以适合于与任何基座一起使用。基座可以提供以下一个或多个功能：作为用于测量控制器的第一控制构件的位移的坐标系；用于容纳用于对接用于测量位移的传感器的信号调节电路，用于运行诸如上述和其他地方所述的软件编程过程的处理器，用于电池或其他电源，用于其他硬件的接口以及用于无线通信的发送器和接收器。

图12示出了运动双手持控制器系统。即使在进行诸如步行、滑雪、跑步、驾驶之类的运动时，双手持控制器也可提供一致的已知坐标系(由非惯用手稳定)。对于某些类型的应用，例如检查、安全和摄影无人机任务，可以将手持控制器安装在可以由用户的另一只手握住或以其他方式稳定的平台上。该平台可以包括辅助控件，并且如果需要，可以包括显示单元。在一个示例中，全部6-DoF输入都可以通过平台起反作用。利用这种布置，控制系统的该示例便于像具有直观(非故意认知)输入的战斗机飞行员一样在空中运动。

诸如手持控制器900之类的手持控制器被插入(或作为替代，永久地安装)到基座的顶表面中。呈现为例如手枪握把形状的手柄或握把1204设置在基座的相对侧上，以供用户的另一只手在使用手持控制器900的同时抓握。(本领域技术人员还可以设想其他形状和类型的手柄。)这允许用户的另一只手(最有可能是非惯用手)握住或稳定基座。基座可以可选地并入其他用户界面成分1206和1208，例如按键、按钮、拨盘、触摸板、轨迹板、轨迹球等。显示器1210以用户可以观看的位置安装在基座上或并入基座中。可以将来自受控应用的一个或多个视频或图形图像(例如来自无人机或游戏的现场视频)实时显示在显示器上。作为替代，基座可以包括可以在其上放置或安装智能手机或类似器件的安装座。替代或可选特征包括以下特征中的一种或两种或多种的组合。基座可以重新配置来用任何一只手快速断开操纵杆和两个安装点。它的形状可以是非对称的(如图所示)或对称的，并具有足够的空间用于辅助控件。它可以包括一个智能手机附件，其顶表面具有倾斜能力。它可以包括：辅助操纵杆，用以允许对无人机摄像头进行摇摄和俯仰控制；以及电容式或压力式安全开关，其可以在握住操纵杆的用户不参与目标的运动时，阻止或停止目标的运动。它还可能包括用于辅助控件的大显示器安装座和表面区域。在替代实施例中，握把或手柄可以位于很靠近控制器的中线附近，从而减少一些离轴力矩。在其他实施例中，可以通过将基座安装到用户的身体上而不是握住基座来使其稳定。用于基座在用户身体上的安装点的示例包括胸部安装件、带和衣物。

图13是可以运动以提供另一输入的基座的示例，在这种情况下，它是具有附加输入按钮1304和1306的鼠标。在该示例中，提供了用于手持控制器的辅助连接点1308，以适应左撇子用户和右撇子用户。一个示例是用于在计算机屏幕上浏览3D图像，其中常规的鼠标特征将用于在视场中运动光标并操纵下拉菜单，而控制器900将用于以多个运动自由度重新定向和/或运动3-D对象。

图14图示了有线的固定基座的单手持控制器1400的示例。

虽然不是必需的，但是每幅附图都显示了该控制器可以在其底部快速连接到基座的示例实施例。在基座的每个示例中，控制器900连接至操纵杆状的小杠杆(1202、1302和1402)。该杠杆可以用于利用位于基座内的传感器提供俯仰、侧倾和横摆输入，但并非必须如此。它可以替代地(或另外)用于使第一控制构件在零位置处居中并向用户提供反馈。控制器和基座之间的RF或有线连接可以用于传递来自控制器内传感器的信号。

图15示出了类似于控制器900的手持控制器1500的实施例的示例，其除了用作第二控制构件的拇指环1503之外还包括食指环1502。该食指环可以用于控制松开或抓紧物理或虚拟末端执行器，例如手抓紧虚拟世界中的对象。该设计可以按照人体工程学原理非常轻巧地适合于手掌内，并且可以针对虚拟/增强现实或无人机飞行进行优化。例如，增加食指环以松开和抓紧末端执行器可以使虚拟/增强现实应用受益。

此外，图15示意性地图示了放置在用户的前臂1506上的附件1504。附件1504与手持控制器1500之间的联接件1508支撑手持控制器，并允许使用电位计或光学编码器精确地测量当控制器1500连接到枢转点1510时该控制器1500的俯仰、侧倾和横摆的角位移，该枢转点1510即使从基站移除，也与前臂附件1504具有固定关系。手腕或前臂的分度允许这种情况。在一个实施例中，手持控制器不使用IMU代替其他类型的传感器来感测俯仰、侧倾或横摆中的一种或多种。作为替代，系统可以使用两个或多个IMU和数据滤波软件来测量相对位移并指令飞行控制。

借助手持控制器在物理或虚拟空间中运动任何参考点，都需要不断了解每个受控自由度中的位移。换句话说，对于无人机沿x、y和z方向运动以及横摆而言，始终知道“零输入”在什么地方很重要。其他飞行体制(例如虚拟现实和增强现实、计算机游戏和外科手术机器人)可能同时需要多达六个独立的自由度(X、Y、Z、俯仰、横摆、侧倾)。此外，特别是对于无人机飞行和虚拟现实以及增强现实，需要在保持对参考点(POR)的精确控制的同时能够运动的能力。

在一些实施例中，食指环1502可以被配置为约束食指以阻止食指运动。约束食指可以提供稳定性，并且有助于针对X、Y和Z平移运动更好地独立控制拇指环1503。

图15至20B图示了有以下两个部件的控制系统的几个代表性实施例：手持控制器和呈支撑物形式的前臂附件，适合于或配置成用于安装到用户的前臂或手腕上，从而提供一致的已知坐标系(固定在用户的手腕上)，哪怕在用户或用户的手臂正在运动或加速(例如步行、滑雪、跑步或驾驶)时也是如此。

在这些图中所示的示例中，前臂附件可能采用多种形式中的任何一种。例如，它可以包括支撑物、腕带(可以将其缠绕在前臂或手腕上并使用例如维可牢尼龙搭扣固定)、拍手镯或其他符合前臂至少一部分的物品。然而，它也可以包括相对刚性的支撑结构。前臂附件可以被称为支撑物、袖套或“护腕”，因为在结构和/或功能上，它们在某些方面类似于这些物品。然而，使用这些术语不应意味着超出语句功能所示或要求的结构。

手持控制器和前臂附件通过机械联动件、支杆或支撑件连接。在一个实施例中，它是一种被动联动件，而在其他实施例中则不是。在下述示例中使用的一种类型的被动机械联动件是带有居中弹簧和电位计以测量位移的两轴式万向枢转点。作为替代，可以使用可能内置在部分手套中的线缆、双活塞机构(压缩弹簧)、气压缸或被动式加劲肋/板条。在该示例中，联动件向用户施加力，用户可利用该力感测操纵杆上的至少一个或至少两个或所有三个旋转轴线上的零输入。

也可以将小型惯性测量单元(IMU)放置在控制器的主要控制构件和前臂附件内，例如，允许检测前臂和控制器之间的纯差(相对)运动。例如，可以用过采样和随后的数字自适应滤波来管理噪声信号，从而实现在机械噪声环境(在远足、跑步或其他方式运动时)下手相对于手臂的相对运动的测量。然而，在下述能够利用另一种机构测量俯仰、侧倾或横摆中的一个或多个的实施例中，IMU的实现仅需要主控制构件的一个或两个旋转位移。

在替代实施例中，可以使用被动或主动机械反馈来告知用户在给定的实现旋转的轴线上的位移。反馈还可以包括振动触觉和力反馈。

对于无人机飞行，一个实施例在手腕上涉及两个万向自由度，在拇指上涉及两个万向自由度：腕距(X或向前/向后)和横摆(向左/向右枢转)；拇指/Z拨片(向上/向下平移)和拇指Y(向左/右侧平移)。

作为替代，前臂的侧滚位移可以通过身体感测桡骨在套有护腕的尺骨之上的运动来测量，该护腕至少延伸到前臂的一半以上。无人机飞行不需要包括测量前臂的侧倾的全部6自由度的控制，但增强现实应用可能需要这样做。可以基于据飞行测试和个人喜好，根据用户喜好交换上述的横摆和Y平移输入。

在操纵杆顶部使用“龙门架”以横向测量预期位移的同时，保留拇指环/“Z拨片”。测量前臂侧倾的其他方法可能包括对前臂肌电势的EMG检测，带有压力传感器(该传感器根据旋转来获取前臂的不同轮廓)的保形前臂包裹物，以及有差别的IMU或IMU与摄像头系统的组合(手腕对照肘部)，显示旋转。后面的解决方案可能需要振动触觉或力反馈，以告知用户侧倾的零位置。

可以将以下一个或多个特征并入本申请所述的任何实施例中：可对于任何一只手重新配置；两侧均带有按钮的对称形状；腕带的快速穿脱或操纵杆的断开；在腕带上具有倾斜功能的智能手机附件；位于操纵杆底部用以实现无人机摄像头的(摇摄)/倾斜的辅助操纵杆；能够像圆珠笔一样从操纵杆的底部缩回和伸出的辅助操纵杆；用以进行控制器失效保护的电容式或压力触发式安全开关；模块化操纵杆，其可以被拆卸并放置在桌面基座上，或者独立操作或在其他类型的特定功能基座(例如上述基座)上操作。

在本申请所述的各种实施例中，允许控制构件枢转以指示位移的机构(例如常平架)可以可选地包括用于使控制构件和传感器(例如电位计和霍尔效应传感器)居中的扭簧，用于测量角位移。优选地，例如可以使将操纵杆连接到常平架的联接器或联动件可调节或自适应，以适应不同个头的用户的不同尺寸的操纵杆。

通用智能电话保持器还可以包括附接到安装到前臂附件或支撑物上的支架的保持器。

下图中的手持控制器包括六个自由度的单手控制器件，其中第一控制构件为操纵杆(或类似操纵杆的器件)形式，而用于用户拇指的第二控制构件(无论是环、龙门架、轨迹球、触摸板还是其他输入装置)的Z轴行程由其他第三控制构件增加，该第三控制构件配置为由同一只手的一根或多根手指使用，并且与第二控制构件结合起来相对于该第二控制构件运动。

在例如无人机飞行或虚拟/增强现实的应用中有用的其他特征可以包括前臂支撑物，以允许使用例如运动式电位计、霍尔效应或光学编码器感测俯仰、侧倾和横摆。摇摄/倾斜控件也可以集成到像智能器件(智能手机、平板电脑)保持器一样的控制器中。手持控制器附接到的基本结构还可以包括用于用户另一只手或非惯用手的第二手柄，以允许运动电位计或光学编码器感测。

横摆精度的替代解决方案可以包括以下一项或多项：感应磁场腕带；有差别的IMU；用以减少与横摆相关的噪声的IMU的软件滤波；反作用轮(高精度陀螺仪)；以及利用电位计或光学编码器平衡横摆的惯性件(高精度横摆陀螺仪)。IMU数据的软件滤波可以包括动态归零。

来自控制器的控制信号可以用附加输入来进一步增强。例如，可以使用安装在头部或身体上的“连接传感器”。这可以使用栅格型红外输入或其他基于光学的变型，例如RF定向或全向轨迹。连接传感器可以是头戴式的(例如用于交互式虚拟现实应用)，也可以是腕式的。“点”轨迹可以用于更一般的身体位置输入。点轨迹的类型可以是例如磁性的或摄影测量的。

现在参考图16，控制器1600与前面段落中描述的其他手持控制器基本类似。在该示例中，它连接到前臂附件1602，该前臂附件1602包括视频显示器1604以及按钮形式的附加用户输入件1606和其他类型的用户输入件。控制器1600与前臂附件1604之间的连接件1608是一个相对较硬的联动件，其保持控制器1600与前臂附件1604的相对位置，并提供一个枢转点，可以使用安装在连接件1608末端的内部传感器或外部传感器测量围绕该枢转点的俯仰、横摆和侧倾。

现在参考图17和18，其图示了用作前臂附件的袖带1700的替代实施例。在该示例中，示意性地表示了手持控制器1702。它代表了本申请已描述的任何手持控制器。本申请所述的任何手持控制器都可以适用于该示例。在该示例中，控制器与俯仰传感器1706连接，该俯仰传感器1706位于控制器下方并且通过机械联动件或支杆1708附接到袖带1700，该机械联动件或支杆1708是可调节的，如长度调节器1710所示。机械联动件1708的末端使用球形轴承1712附接到前臂附件以允许不同的角度。像长度调节器1710一样，一旦用户将控制器的位置调节到他们满意的程度，它将被拧紧。

该示例考虑了至少对于俯仰和横摆测量而不将IMU用于控制器中。而是将横摆、侧倾和俯仰传感器并入到手持控制器1702的底部，或者前臂附件与控制器之间的机械连接件或支撑件的基座1703中。在一个示例中，这样的传感器可以采取具有一个或多个检测器(例如电位计或霍尔效应传感器)的常平架以及用以提供从零位置的反馈的弹簧(例如扭力弹簧)的形式。在该示例中，横摆传感器1714并入控制器1702的底部中，但它也可以并入联动件或支杆1708的放置俯仰传感器1706的底部中。可以将不可见的侧倾传感器放置在放置了俯仰传感器的联动件1708的基座中，或者放置在控制器1702的底部或基座中。

现在参考图19A、19B、19C和19D，它们图示了控制系统1900的一个实施例，该控制系统在前臂附件1904与手持控制器1906之间具有双常平架联动件1902的特定示例(仅图19D)。双常平架联动件1902附接彼此成90度放置的常平架1908和1910以分别测量俯仰和横摆。手持控制器连接到用作杠杆臂的手持控制器安装座1912，并连接到横摆常平架1910。前臂附件包括袖套或支撑物1914(可以将条带连接至该袖套或支撑物以将其附接到臂上)，并且被支撑在杠杆臂1916上，该杠杆臂1916连接到俯仰常平架1908的一侧。注意，在图19C中，所示的手持控制器安装座1912是图19A和19B所示的手持控制器安装座的变型，区别在于它是可调节的。电话保持器1918可以被安装或附接到臂附件1904，使得用户可以看到它。在此示例中，手机保持器是可调节的，以便它可以保持不同类型和尺寸的手机。

现在转到图20A和20B，其图示了类似于图19A-19D的控制系统的另一示例。在该示例中，控制系统使用分别测量俯仰和横摆的俯仰常平架2002和横摆常平架2004，其以与图19A-19D所示的方式类似地与支架2006连接。俯仰常平架2002安装到呈支撑物2008的形式的前臂附件上，该支撑物2008放置在当握住和旋转控制器2010时腕关节枢转的位置附近。支撑物由条带2012固定。如在前面的实施例中那样，支撑物用作稳定器。控制器2010安装在长度可调的杠杆臂2014上。在该示例中，控制器2010与前述实施例中的其他手持控制器一样，具有：主体2016，该主体2016形成用户可抓紧的第一控制构件，该第一控制构件用于输入旋转位移(其中两个旋转位移由常平架测量)；在主体2016顶部的第二控制构件，其呈拇指环2018的形式，用于X、Y、Z输入。在主体底部附近的前部上有一根操纵杆2022，例如，该操纵杆可用作摄像头摇摄和倾斜的输入件或用于操纵工具。

现在参考图21A-21F，其呈现了双手持控制器系统2100的说明性实施例，该双手持控制器系统2100可操作来由用户的手以多达6个DoF进行操纵。控制器系统2100可操作为可运动的并且由用户不抓握第一控制构件2106的手(例如用户非惯用手)握住。然而，控制器系统2100可以借助于保护带、扣带或其他这样的方法定位在静态表面上或保持抵靠或安装在用户身上。控制器系统2100包括基座结构2102和单手持控制器2104。控制器系统2100以与上述控制器(诸如至少控制器700、900、1000、1100以及下文所述的控制器)类似的方式起作用和操作。控制器2104除了第一控制构件2106之外还包括第二控制构件2108。控制器2104可以进一步包括与本申请所述的其他第三控制构件类似的第三控制构件(未示出)。第一控制构件2106附接至基座或与基座联接，以通过用户抓握第一控制构件并推动第一控制构件而允许相对于基座在多达三个独立的旋转自由度上旋转移位。单独与第三控制构件结合的第二控制构件2108可以沿Z轴移位。

控制器系统2100还包括安装座2110，可以在其上放置或安装智能电话或类似器件以与被控制目标进行通信或运行用于与控制器系统交互的应用程序，例如以改变参数。例如，电话可以与基座进行无线通信，但它也可以通过有线方式连接到基座。安装座2110包括支架，该支架的第一端连接到基座2102，而该支架的第二端用于安装智能电话。安装座2110可具有在手持控制器2104的最上部上方延伸的最上部。手持控制器2104朝向基座结构2102的前部倾斜，而安装座2110朝向基座结构2102的后部倾斜。在其他实施例中，安装座2110横向延伸超过基座结构2102的背面。在一个实施例中，安装座是可调节的，以允许定位智能手机。

现在参考图22A-22F，其图示了控制器系统2200的一个说明性实施例，该控制器系统类似于控制器系统2100，具有单手持控制器，该单手持控制器允许输入4至6个自由度，同时允许用户的另一只手握住基座2202。因此，控制器系统2200可以在运动环境中使用，并且可以由用户抓握第一控制构件的手之外的另一只手来握住。控制器系统2200的基座2202的形状像平板电脑。然而，与本申请所述的其他控制系统不同，在该其他控制系统中，手持控制器的一端联接在其下端以围绕枢转点旋转移位，该实施例中的第一控制构件通过在其中点附近的枢转点2202(例如球形接头、常平架或其他器件)联接至基座，以允许通过使其围绕穿过枢转点的最多三个正交轴枢转或旋转来实现多达三个自由度的旋转移位。

控制器2200的功能类似于之前公开的控制器和本申请描述的其他控制器。控制器2204包括：第一控制构件2206，该第一控制构件2206可旋转地以多达三个自由度(作为替代，在其他实施方式中，如果需要的话，少于三个自由度)移位；以及第二控制构件2208，该第二控制构件2208可根据实施例的不同而以一到三个自由度进行移位。虽然未示出，但是控制器2204还可包括与上面和下述其他第三控制构件类似的第三控制构件。控制器系统2200还包括位于基座结构2202的顶表面上的基座2210，以便智能电话或类似器件可以被放置或安装于基座2210上。

手持控制器2204被示出为处于收起位置，其中手持控制器2204定向在平行于基座结构2202的位置。为了便于操作，手持控制器2204绕枢转点2212旋转到操作位置(未示出)。在一个实施例中，一旦旋转到期望的空操作位置，用户就可以设置优选的空位置，该位置也可以预先设置并存储。虽然可以使用其他传感器或开关，但是用于检测第一控件的旋转位移的传感器可以感测收起位置的运动。

现在参考图23，可以将如上和以下所述的单手持控制器设计成具有第三控制构件，该第三控制构件具有可以由不同大小的手来控制的布置和大小。控制器2300包括第一控制构件2302、第二控制构件2304和第三控制构件2306，它们中的每个可以像上述其他控制器那样操作或起作用。第一手2310小于第二手2312。第一高度2314代表不同大小的手的食指的非限制性的近似高度范围。第二高度2316代表不同大小的手的第3、4和5手指的非限制性的近似高度范围。在替代实施例中，控制构件2306可以放置在第一控制器的较高位置处的把手部分上，从而可以被不同手型的用户的食指按压。

现在参考图24A-24B，其示出了适用于例如无人机飞行的四自由度手持控制器的示意图。示出了两个版本，即2400A和2400B。它未被示出为连接至基座，但其将如上所示那样与基座连接或与前臂支撑物一起使用。每个版本都是类似的。每个版本都具有第一控制构件2402，该第一控制构件旨在与用户的手抓握，该第一控制构件与基座2404连接。每个版本都具有安装在第一控制构件上的第二控制构件2406，以通过用户的拇指或食指移位，虽然在图示中第二控制构件为拇指环的形式。在其他实施例中，拇指环可以用另一种类型的控制构件代替。它们之间的差异是第三控制构件(在图24A中用2408A表示，而图24B中用2408B表示)在第一控制构件上的位置。第三控制构件2408A定位在较低位置，以通过用户的第三、第四和/或第五手指进行操作。第三控制构件2408B位于较高的位置，以由用户抓握第一控制构件的食指按压或移位。与本申请所述的手持控制器的其他示例不同，示例2400A和2400B中的第二控制构件2404都仅以一个自由度沿着通常沿着第一控制构件的中心轴线定向的轴线运动。第三控制构件2406通过联动件2410联接至第二控制构件，以使用户能够动态地平衡第二控制构件和第三控制构件。在一个控制构件上施加力会导致在另一个控制构件上施加力。传感器用于感测第二控制构件和第三控制构件的移位方向。在该示例中，在第一控制构件内的电路板2412上安装有一个或多个霍尔效应传感器2414，用于感测由联动件2410或第二控制构件和第三控制构件中的一个或另一个(或两者)上的一个或多个磁体或其他元件(未示出)产生的磁场的变化。

图25A和25B图示了手持控制器2500上的这种动态平衡。省略了基座，但是它将与如上所述的基座或前臂基座一样与一基座或前臂基座联接，用于感测旋转位移。像图24A和24B中的控制器以及上述的几种其他手持控制器一样，该控制器包括三个控制构件：第一控制构件2502、第二控制构件2502和第三控制构件2506。用户的手2508在第一构件的特别形成或适合于抓握的部位中抓握第一控制构件。用户的拇指2510用于沿Z轴使第二控制构件2504移位。在该示例中，拇指环用于允许用户的拇指向上拉动第二控制构件。然而，不是必须使用拇指环。第三控制构件靠下部安装在把手部分上，并且足够大到使用户第三、第四或第五手指2514中的任何一根或多根向内朝着第一控制构件按压。作为替代，它能够已经被安装得足够高以允许用户的食指2512按压它。在图25A中，第二控制构件向上延伸，而第三控制构件被按压。用户可以通过按压第三控制构件，向上拉第二控制构件或两者结合，来引起这种位移。在图25B中，第二控制构件朝向第一控制构件被按压，从而使第三控制构件从第一控制构件向外推。与单独使用拇指相比，通过用一根或多根手指挤压而向后推第三控制构件的能力会允许用户更容易控制位移。

在每个控制器系统2100、2200和2400以及手持控制器2500和2600，以及本申请所述的几个其他控制器的实施例中，手持控制器的第一控制构件以多达三个自由度(或作为替代，在其他实施例中，如果需要的话，以少于三个自由度)可旋转地移位。类似地，手持控制器的第二控制构件可适合于使用平移运动(例如相对于第一控制构件沿Z轴上下运动，以及沿着X和Y轴左右以及前后运动)和/或绕枢转点用于指示位移的旋转运动，以一个、两个或多达三个自由度进行移位。以及)。除非另有说明，否则每个控制系统都可以在替代实施例中进行调整，以允许其第一控制构件和第二控制构件中的每个具有不同的位移自由度。在一个实施例中，如果使用第三控制构件，则可以使用第三控制构件来动态地平衡第二控制构件沿着Z轴的位移，该Z轴通常与第一控制构件的中心轴对准。然而，在替代实施例中，第三控制构件的位移可以被用作另一控制输入并且不被链接到第二控制构件。

图26是类似于图25A和25B所示的控制器2500的手持控制器2600的示意图。它包括第一控制构件2602、第二控制构件2604和第三控制构件2608，它们类似于上面结合其他手持控制器那样操作。然而，像控制器2500一样，第一控制构件包括延伸部2610(在该示例中，其与第一控制构件形成为一个整体，但是它也可以是附接的单独构件)，在其上具有指示从目标(例如空中无人机)发送的信息的显示器。它可以显示的信息示例包括行进方向、高度和其他位置或定向信息。

现在参考图27，在以上给出的控制器系统的各种示例中，每个手持控制器都与基座、框架、支撑物或其他元件连接，第一控制构件对其起反作用以引起围绕最多三个旋转轴线(因而以三个自由度)移位，这也为测量此位移提供了坐标系。在大多数这些示例性实施例中，可以可选地将具有第一控制构件2702、第二控制构件2704和第三控制构件2706的手柄控制器(例如代表控制器2700)配置为或使得可拆卸地使用连接器附接到基座或其他器件。在该代表示例中，手持控制器的底部被插入连接器2708。连接器可以包括用于进行电连接以将信号和电力传输到手持控制器的触点2710。该连接器又与支柱2712连接，该支柱2712是使用例如摇杆、球、常平架或其他机构来感测该支柱在至少一个自由度且最多三个相互正交(交点在枢转点处)的轴上的旋转或角位移的枢轴。由按钮2714(其操作用于接合手持控制器的基座的止动件)表示的按钮、止动件或其他保持机构可以用于保持手持控制器，然后将其从连接状态中断开。该特定示例旨在连接至球形接头或常平架的支柱，以允许用户移位第一控制构件。

图28和29示意性地图示了常平架2800的示例，该常平架2800可以与传感器一起使用，以允许控制构件，特别是第一控制构件，以两个自由度进行移位，同时测量位移。该常平架可以安装在基座中，该基座具有用于将其与手持控制器联接的支柱2802，该常平架也可以安装在手持控制器中，而该手持控制器连接至基座。该常平架还可以适合于与用于测量第二控制构件的位移的传感器一起使用。

在该特定示例实施例中，常平架2800包括两个球形的止动件2804，该两个止动件2804例如通过弹簧2805抵靠球2806向内偏置。请注意，仅显示了一对止动件。另一对将正交于可以看到的那一对。请注意，单个止动件可以用于每个旋转方向，但一对可保持平衡。球2806被安装在承窝2808内，使得它可以在承窝内以两个自由度自由旋转(虽然可以使用它将球锁定到一个旋转自由度)。基座2809代表用于安装常平架的结构，手持控制器可以对其起反作用。盖2810在承窝的球形外表面上延伸，使得支柱可以使盖枢转。延伸部或键2812装配在形成于球2806中的互补开口内，使得柱2802的角位移也使球旋转。当球沿两个旋转方向旋转到空位置时，所有止动件都与凹槽2814接合。两对接合和分离的止动件在两个旋转轴线(例如俯仰和侧倾)的空位置处向用户提供触觉反馈。为了检测传感器的旋转，将一个或多个磁体2816放置在球2806的底部(当处于空位置时)。这允许具有至少一个霍尔效应传感器2820的PCB 2818紧密定位成检测和测量球在最多两个旋转自由度中的角位移，从而产生代表位移的信号。这种布置的一个优点是弹簧和操纵杆的高度较高，使常平架的底部可以用于放置霍尔效应传感器。在其他实施例中，其他类型的传感器可以代替霍尔效应传感器和磁体。该常平架安装座可以用于其他应用，而不仅仅是本申请所述的手持控制器。

在上述手持控制器的实施例中，当将手持控制器安装到基座上时，第一控制构件例如与球形接头或常平架连接以便于绕多达三个轴旋转移位，因此最多三个自由度。所示实施例中的基座还可以包括信号条件电路、过程、存储器(用于存储数据和程序指令)和电源，以及有线和/或无线接口，用于传递控制系统产生的控制信号。图1是此类组件的非限制性示例。

因此，已经描述了包括控制器的系统和方法，该控制器允许用户使用一只手以六个独立的自由度提供旋转和平移指令。该系统和方法可以用于多种控制场景中。虽然下面讨论了许多控制场景，但是这些示例并不意味着是限制性的，本领域的普通技术人员将认识到，许多其他控制场景也可能受益于能够使用一只手提供旋转和平移运动，哪怕需要少于所有六个自由度的所有控制输出。

在一个实施例中，以上讨论的控制系统和方法可以用于多种医学应用中。虽然下面讨论了许多医学应用，但是这些示例并不意味着是限制性的，本领域的普通技术人员将认识到，许多其他医学应用也可能受益于能够用一只手提供旋转和平移运动。此外，在这样的实施例中，除了使用上述第一和第二控制构件提供的旋转和平移运动之外，控制按钮还可以配置用于完成以下任务，例如末端执行器抓取、活检、缝合、放射线照相、摄影和/或本领域普通技术人员可以知道的多种其他医学任务。

例如，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于执行腹腔镜手术的控制系统和/或用于执行腹腔镜手术的方法。常规的腹腔镜手术使用需要外科医生的双手来操作的控制系统执行的。使用以上讨论的控制系统和/或方法在执行腹腔镜手术时提供多种益处，包括在可能没有到达末端执行器的直且刚性的路径的情况下对一件或多件外科手术器械的精细灵巧操作。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于执行微创或自然孔外科手术的控制系统和/或用于执行微创或自然孔外科手术的方法。常规的微创或自然孔口手术使用需要外科医生的双手来操作的控制系统执行的。使用以上讨论的控制系统和/或方法，在执行微创或自然孔口外科手术时提供多种益处，包括在可能没有到达末端执行器的直且刚性的路径的情况下对一件或多件外科手术器械的精细灵巧操作。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于执行产前子宫内手术的控制系统和/或用于执行产前手术的方法。常规的产前手术是使用要求外科医生的双手在非常狭窄的范围内操作的控制系统执行的。使用以上讨论的控制系统和/或方法在执行产前手术时提供多种益处，包括在可能没有到达末端执行器的直且刚性的路径的情况下对一件或多件外科手术器械的精细灵巧操作。

对于任何上述外科手术示例，上述控制系统和方法可以提供用于执行显微外科手术的非常稳定的控制系统和/或用于执行显微外科手术的方法。使用以上讨论的控制系统和/或方法在执行显微外科手术时提供多种益处，包括高精度摄像头和末端执行器指向。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于执行介入放射治疗的控制系统和/或用于执行介入放射治疗的方法。常规的介入放射治疗使用需要外科医生的双手来操作的控制系统来执行。使用以上讨论的控制系统和/或方法在执行介入放射治疗时提供多种益处，包括用于介入放射治疗的高精度导航。在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于执行介入性心脏病治疗的控制系统和/或用于执行介入性心脏病治疗的方法。常规的介入性心脏病治疗使用需要介入医师的双手来操作的控制系统执行。使用以上讨论的控制系统和/或方法在执行介入性心脏病治疗时提供多种益处，包括使用一只手高精度地导航通过血管树。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供包括汉森/达芬奇(Hansen/Da Vinci)机器人控制的控制系统和/或用于执行汉森/达芬奇机器人控制的方法。常规的汉森/达芬奇机器人控制使用需要外科医生的双手来操作的控制系统来执行。使用以上讨论的控制系统和/或方法在执行汉森/达芬奇机器人控制时提供多种益处，包括流畅的连续平移和重新定向，而无需拖曳末端执行器以获得更长的运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于执行3D或4D图像引导的控制系统和/或用于执行3D或4D图像引导的方法。使用需要外科医生的双手来操作的控制系统来执行常规的3D或4D图像引导。使用以上讨论的控制系统和/或方法在执行3D或4D图像引导时提供多种益处，包括流畅的连续平移和重新定向，而无需拖曳末端执行器以获得更长的运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于执行内窥镜检查的控制系统和/或用于执行内窥镜检查的方法。常规的内窥镜检查使用需要双手操作的控制系统执行。使用以上讨论的控制系统和/或方法在执行内窥镜检查时提供多种益处，包括流畅的连续平移和重新定向，而无需拖曳末端执行器以获得更长的运动。这也适用于结肠镜检查、膀胱镜检查、支气管镜检查和其他柔性检查范围。

在一个实施例中，以上讨论的控制系统和方法可以用于多种国防或军事应用中。虽然下面讨论了许多国防或军事应用，但这些示例并不意味着限制，本领域的普通技术人员将认识到，许多其他国防或军事应用也可以受益于能够使用一只手提供旋转和平移运动。

例如，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于无人机系统的控制系统和/或用于控制无人机系统的方法。常规的无人机系统使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制无人机系统时提供多种益处，包括在空域内的直观的单手精确非交叉耦合运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于无人潜水系统的控制系统和/或用于控制无人潜水系统的方法。常规的无人潜水系统使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制无人潜水系统时提供多种益处，包括在潜水空间内的直观的单手精确非交叉耦合运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于武器瞄准系统的控制系统和/或用于控制武器瞄准系统的方法。常规的武器瞄准系统使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制武器瞄准系统时提供多种益处，包括精确直观的单手瞄准。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于反简易爆炸装置(IED)系统的控制系统和/或用于控制反IED系统的方法。常规的反IED系统使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制反IED系统时提供多种益处，包括精确直观的单手指向或瞄准。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于重型机械化交通工具的控制系统和/或用于控制重型机械化交通工具的方法。常规的重型机械化交通工具使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制重型机械化交通工具时提供多种益处，包括精确直观的单手瞄准。

在另一个示例中，上述控制系统和方法可以提供用于有人驾驶飞机(例如旋翼飞机)的控制系统和/或用于控制有人驾驶飞机的方法。常规的有人驾驶飞机使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制有人驾驶飞机时提供多种益处，包括有人驾驶飞机在空域内的精确直观的单手非交叉耦合运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于航天器交会对接的控制系统和/或用于控制航天器交会对接的方法。常规的航天器交会对接使用需要操作员的双手才能操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制航天器交会对接时提供多种益处，包括在空间内进行交会和/或对接的精确直观的单手非交叉耦合运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于空中加油的控制系统(例如动臂控制)和/或用于控制空中加油的方法。常规的空中加油使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制空中加油时提供多种益处，包括在空域内进行精确直观的单手非交叉耦合运动来加油。

在另一示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于在虚拟环境(例如作战和模拟战争)中导航的控制系统和/或用于在虚拟环境中控制导航的方法。常规的虚拟环境中的导航使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制虚拟环境中的导航时提供多种益处，包括虚拟环境内的精确直观的单手非交叉耦合运动。

在一个实施例中，以上讨论的控制系统和方法可以用于各种各样的工业应用中。虽然下面讨论了许多工业应用，但是这些示例并不意味着是限制性的，本领域的普通技术人员将认识到，许多其他工业应用也可以受益于能够用一只手提供旋转和平移运动。

例如，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于石油勘探系统(例如钻头、3D可视化工具等)的控制系统和/或用于控制石油勘探系统的方法。常规的石油勘探系统使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制石油勘探系统时提供多种益处，包括地层内的精确直观的单手非交叉耦合运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于桥式起重机的控制系统和/或用于控制桥式起重机的方法。常规的桥式起重机使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制经常限制单轴运动的桥式起重机时通过加快过程和提高精度而提供益处。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于樱桃采摘机或其他运动式工业升降机的控制系统和/或用于控制樱桃采摘机或其他运动式工业升降机的方法。常规的樱桃采摘机或其他运动式工业升降机通常使用需要操作员的双手来操作并且通常仅允许一次在一个方向上平移(即x、y和/或z运动)的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制樱桃采摘机或其他运动式工业升降机时提供多种益处，包括经由单手持控制器进行的同时多轴运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于消防系统(例如水炮、梯车等)的控制系统和/或用于控制消防系统的方法。常规的消防系统通常使用需要操作员双手来操作并且通常不允许多轴重新定向和平移的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制消防系统时提供多种益处，包括经由单手持控制器进行的同时多轴运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于核材料处理(例如手套箱、堆芯中的燃料棒等)的控制系统和/或用于控制核材料处理的方法。常规的核材料处理系统使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制核材料处理时提供多种益处，包括对敏感材料的非常精确流畅的单手多轴操作。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于钢铁制造和其他高温过程的控制系统和/或用于控制钢铁制造和其他高温过程的方法。常规的钢铁制造和其他高温过程使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制钢铁制造和其他高温过程时提供许多益处，包括对敏感材料的非常精确流畅的单手多轴操作。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于爆炸物处理(例如在采矿应用中)的控制系统和/或用于控制爆炸物处理的方法。常规的爆炸物处理使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制爆炸物处理时提供多种益处，包括对敏感材料的非常精确流畅的单手多轴操作。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于废物管理系统的控制系统和/或用于控制废物管理系统的方法。常规的废物管理系统使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制废物管理系统时提供多种益处，包括使用敏感材料进行的非常精确流畅的单手多轴操作。

在一个实施例中，以上讨论的控制系统和方法可以用于各种各样的消费者应用中。虽然下面讨论了许多消费者应用，但是这些示例并不意味着是限制性的，本领域的普通技术人员将认识到，许多其他消费者应用也可以受益于能够用单手提供旋转和平移运动。

例如，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于消费类电子器件(例如，Nintendo

(美国的任天堂公司，美国华盛顿州雷德蒙德)、Nintendo

Microsoft

(微软公司，美国华盛顿州雷德蒙德)、索尼

(索尼计算机娱乐有限公司，日本东京)和本领域的一个或多个普通技术人员可以知道的其他视频控制台)的控制系统和/或用于控制消费类电子器件的方法。常规的消费类电子器件使用需要操作员双手操作的控制系统(例如手持控制器和键盘、放在一个控制器上的双手、

“双节棍式”z手持I/O器件等)进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制消费类电子器件时提供许多益处，包括能够经由直观的单手持控制器以高流畅性、精度和速度在虚拟空间中进行精确导航。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于3D计算机导航的控制系统和/或用于控制3D计算机导航的方法。常规的3D计算机导航使用要么需要操作员的双手来操作要么不允许流畅的多轴运动的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制3D计算机导航时提供许多益处，包括非常精确流畅的单手多轴操作。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于无线电控制式交通工具的控制系统和/或用于控制无线电控制式交通工具的方法。常规的无线电遥控交通工具使用需要操作员的双手来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制无线电控制式交通工具时提供多种益处，包括在无线电控制式交通工具的空域内的直观单手的精确非交叉耦合运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于3D计算机辅助绘图(CAD)图像操纵的控制系统和/或用于控制3D CAD图像操纵的方法。常规的3D CAD图像操纵使用要么需要操作员的双手来操作要么不允许在3D空间的流畅多轴运动的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制3D CAD图像操纵时提供多种益处，包括在3D空间内的直观单手的精确非交叉耦合运动。

在另一个示例中，以上讨论的控制系统和方法可以提供用于通用航空的控制系统和/或用于控制通用航空的方法。常规的通用航空使用需要操作员的双手和双脚来操作的控制系统进行控制。使用以上讨论的控制系统和/或方法在控制通用航空时提供多种益处，包括通用航空的空域内的直观单手的精确非交叉耦合运动。

应该理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述内容进行各种变化。虽然已经图示和描述了特定的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神或教导的情况下进行修改。所描述的实施例仅是示例性的而不是限制性的。许多变型和修改是可能的，并且落入本发明的范围内。此外，示例性实施例的一个或多个组成部分可以省略，与一个或多个其他示例性实施例的一个或多个组成部分完全或部分地组合或替代。

因此，保护范围不限于所描述的实施例，而是仅由所附权利要求书限制，其范围应包括权利要求书的主题的所有等同形式。

Claims (45)

1.一种用于产生至少四个自由度的控制输入的控制器，包括：

第一控制构件，其被成形为由用户的手抓握，该第一控制构件适合于由用户相对于预定的坐标系以至少两个自由度进行移位；

第一传感器，其用于测量所述第一控制构件在至少两个自由度中的每个自由度中的位移；

第二控制构件，其安装在所述第一控制构件上，用于相对于所述第一控制构件以两个或更多个自由度进行移位，所述第二控制构件位于所述第一控制构件上的一位置上，以允许其通过在用户手上的拇指或食指在抓握所述第一控制构件的同时在所述第二控制构件的两个或多个自由度的至少一个自由度中移位；

第二传感器，其用于测量所述第二控制构件相对于所述第一控制构件在其两个或多个自由度中的每个自由度中的位移；以及

第三控制构件，其安装在所述第一控制构件上，用于在用户手指正抓握所述第一控制构件的同时，通过用户手上未用于所述第二控制构件的移位的任何一根或多根手指而移位，所述第三控制构件与所述第二控制构件联接，用于在被按压时使所述第二控制构件移位。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第三控制构件包括形成在把手上的拨片。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的控制器，其中所述第二控制构件包括龙门架。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的控制器，其中所述第二控制构件包括球，其被安装成在所述控制器上由用户的拇指或食指旋转，并且其中所述第二传感器还测量所述球围绕延伸穿过球心的两个轴线的旋转。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制器，其中用于测量位移的所述第一传感器和所述第二传感器中的每个均包括一个或多个检测器，其用于测量角位移或线性位移。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的控制器，其中所述第一控制构件与常平架联接，并且其中用于测量位移的所述第一传感器包括一个或多个霍尔效应检测器，所述霍尔效应检测器布置成用于测量所述常平架围绕至少两个轴线的角位移。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制器，其中用于测量位移的所述第一传感器和所述第二传感器中的每个均包括一个或多个检测器，每个检测器选自基本上由惯性测量单元、加速度计、光学编码器、陀螺仪、光电探测器、旋转电位计、线性电位计、电感联接线圈、物理致动器、陀螺仪、开关、称重传感器、机电传感器和换能器组成的组。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的控制器，其中用于测量所述第一控制构件的位移的所述第一传感器测量所述第一控制构件绕三个旋转轴线中的每个旋转轴线的位移。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的控制器，其中所述第二控制构件在所述至少两个自由度的每个中平移，并且用于测量所述第二控制构件的位移的所述第二传感器测量所述第二控制构件沿着至少两个平移轴线中的每个平移轴线的位移。

10.根据权利要求9所述的控制器，其中所述第二传感器测量所述第二控制构件沿着相对于所述第一控制构件的三个平移轴线的平移。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的控制器，其中所述第二控制构件被放置在所述第一控制构件的顶部上，以便于通过拇指进行操作。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的控制器，其中所述控制器还包括食指环，所述食指环安装在所述第一控制构件上以提供稳定性。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的控制器，其中所述第一构件联接至一基座，用于相对于所述基座进行角位移。

14.根据权利要求13所述的控制器，还包括连接器，其用于将所述第一控制构件可拆卸地联接到所述基座，所述连接器包括电子连接器，用于在所述第一控制构件和所述基座之间发送电信号。

15.根据权利要求13所述的控制器，还包括常平架，其安装在所述基座内以连接至所述第一控制构件，并且其中用于测量所述第一控制构件的位移的所述第一传感器通过所述第一控制构件来测量所述常平架的角旋转。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的控制器，其中所述第一控制构件成形为操纵杆状。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的控制器，其中所述第一控制构件具有细长形状，所述细长形状的一部分适合于被用户的手抓握，并且其中所述第三控制构件位于把手上，以便于被一根或多根用户手指按压。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的控制器，其中

所述第一传感器测量所述第一控制构件的位移，并且独立于所述第一控制构件的所述至少两个自由度中的每个自由度而产生指示所述第一控制构件的每个自由度的位移的信号；

所述第二传感器测量所述第二控制构件的位移，并产生指示在所述第二控制构件的所述至少两个自由度的每个自由度中所述第二控制构件中的每个的位移的信号。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的控制器，其中所述第二控制构件包括拇指环。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的控制器，其中所述控制器控制具有至少四个运动自由度的目标，并且还包括处理器，其用于从所述第一传感器和所述第二传感器接收指示所述第一传感器和所述第二传感器的位移量的信号并产生用于发送到目标的控制输入，该控制输入对应于目标运动的所述至少四个运动自由度中的每个自由度。

21.一种能够以至少四个自由度进行移位的控制器，其用于产生控制输入以控制具有至少四个自由度的目标，该控制器包括：

第一控制构件，其成形为由用户的手抓握，并能相对于已知坐标系以所述四个自由度中的至少两个自由度进行移位；

第二控制构件，其安装在所述第一控制构件上的一位置上，以用于通过用户手上的手指在抓握所述第一控制构件的同时相对于所述第一控制构件以所述四个自由度中的一个或多个自由度进行移位，其中所述手指是用户的拇指或食指，并且所述第二控制构件在所述一个或多个自由度中的一个自由度中的移位需要手指的弯曲和伸展；

第三控制构件，其安装在所述第一控制构件上，以便于在用户的手正抓握所述第一控制构件的同时，通过用户手上未用于移位所述第二控制构件的一根或多根手指而进行移位，所述第三控制构件与所述第二控制构件联接，用于以所述一个或多个自由度中的所述一个自由度移位所述第二控制构件；

传感器，其用于独立于所述至少四个自由度中的其他自由度来测量所述第一控制构件和所述第二控制构件在所述至少四个自由度中的每个自由度中的位移量；以及

至少一个处理器，其用于从传感器接收所述第一控制构件和所述第二控制构件在所述至少四个自由度中的每个自由度中的所测量到的位移量的指示，并且至少产生用于目标的控制输入，每个控制输入对应于所述至少四个自由度中的一个自由度。

22.根据权利要求21所述的控制器，其中所述第二控制构件能够通过用户手指在所述至少四个自由度中的两个或更多个自由度中移位。

23.根据权利要求21或22所述的控制器，其中所述第一控制构件的所述两个或更多个自由度包括所述第一控制构件围绕至少两个旋转轴线的旋转位移，并且每个所述第二控制构件的所述一个或更多个自由度都包括所述第二控制构件相对于坐标系的平移运动，该坐标系相对于所述第一控制构件是固定的。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的控制器，其中所述第一控制构件包括操纵杆，所述第二控制构件被安装在所述操纵杆的上端上。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的控制器，还包括从所述第一控制构件的顶端延伸的视觉显示器。

26.一种控制器，包括：

第一控制构件，其能够以三个自由度运动并且响应于此而提供第一组的三个独立控制输入，其中所述第一控制构件具有细长形状，以便于由用户的单手抓握；

第二控制构件，其从所述第一控制构件的把手部分延伸，能够以至少两个独立的自由度运动，并响应于此而提供第二组的至少两个独立的控制输入，其中第二组的两个独立的控制输入中的一个对应于所述第二控制构件沿第一平移轴线的平移运动，其中第二组的控制输入独立于第一组的控制输入；以及

食指环，其用于固定用户的食指相对于所述第一控制构件和所述第二控制构件的位置。

27.一种控制器，包括：

第一控制构件，其具有细长形状，用于抓握在用户的手内，所述第一控制构件能够以三个独立的旋转自由度运动，并且具有传感器，该传感器用于响应于此而产生一组三个独立的旋转控制输入；

第二控制构件，其安装在所述第一控制构件上，以便于通过在抓握所述第一控制构件时用户的手的拇指或食指而以至少两个独立的平移自由度运动，并具有传感器，该传感器用于响应于此而产生第二组的至少两个独立的平移控制输入，其中所述第二组的控制输入独立于所述第一组的控制输入；和

第三控制构件，其安装在所述第一控制构件的把手部分上，以便于通过用户的一根或多根手指在放置在把手部分上时以独立的平移自由度运动，并且具有传感器，该传感器用于响应于此而产生独立的平移控制输入，其中所述控制输入独立于所述第一组和所述第二组的控制输入。

28.根据权利要求31所述的控制器，其中所述第一控制构件包括操纵杆，而所述第三控制构件包括位于所述操纵杆上的拨片。

29.一种控制系统，包括：

控制器，其被成形为由用户的手抓紧，该控制器能通过用户以三个旋转自由度运动，并且作为响应而产生与所述三个旋转自由度中的每个相对应的三个旋转控制输入；以及

框架，被配置成可拆卸地安装在用户的手臂上，该框架与控制器相连，用于测量控制器通过用户在所述三个旋转自由度中的位移。

30.根据权利要求33所述的控制系统，还包括可调节联动件，其用于将所述控制器联接至所述框架，所述可调节联动件具有相对于所述框架保持在固定位置的单个枢转点，所述控制器联接至该单个枢转点以进行旋转移位。

31.根据权利要求33或34所述的控制系统，其中所述框架通过具有两个或更多个旋转输入件的联动件与所述控制器联接，其中旋转轴线延伸穿过用户的手腕，用于感测控制器通过用户相对于前臂的运动。

32.根据权利要求33至35中任一项所述的控制系统，其中所述框架被配置为可拆卸地安装在用户的前臂上。

33.一种控制器，其包括：

第一控制构件，其被配置为由用户的手抓握；

第一传感器，其用于测量所述第一控制构件围绕三个旋转轴线中的至少两个旋转轴线中的每个旋转轴线的位移，并响应于此提供第一组独立信号，对所述至少两个旋转轴线中的每个旋转轴线都提供一个独立信号，其代表所测量到的位移；

第二控制构件，其安装在所述第一控制构件上的一位置上，以便于通过在抓握所述第一控制构件的同时用户手上的拇指或食指沿着相对于所述第一控制构件固定的三个平移轴线中的至少一个平移轴线进行移位；以及

第二传感器，其用于独立于所述第一控制构件的运动来测量所述第二控制构件沿所述至少一个轴线的位移，并为所述至少一个轴线的中每个轴线产生代表所测量到的位移的独立控制信号，并且

其中第一构件通过可释放连接器联接到基座，以便于相对于基座旋转移位。

34.根据权利要求37所述的控制器，其中所述连接器包括用于发送电信号的连接件。

35.根据权利要求37或38所述的控制器，还包括常平架，其安装在所述基座内，用于连接至所述第一控制构件，并且其中所述第一传感器测量所述常平架的角旋转。

36.根据权利要求37至39中任一项所述的控制器，其中所述连接器包括电连接件，其用于在所述第一连接器和所述基座之间传递电信号。

37.根据权利要求37至40中任一项所述的控制器，其中所述基座被配置成由用户的未抓握所述第一控制构件的手来保持。

38.根据权利要求37至40中任一项所述的控制器，其中所述基座能安装到人身上。

39.根据权利要求37至40中任一项所述的控制器，其中所述基座包括计算机鼠标。

40.根据权利要求37至43中任一项所述的控制器，其中所述基座还包括用于智能电话的安装座。

41.一种控制器，包括：

第一控制构件，其被配置为由用户的手来抓握；

第一传感器，其用于测量所述第一控制构件围绕三个旋转轴线中的至少两个旋转轴线中的每个旋转轴线的旋转位移，并响应于此提供第一组独立信号，为所述至少两个旋转轴线中的每个旋转轴线提供一个独立信号，其代表所测量到的位移；

第二控制构件，其安装在所述第一控制构件上的一位置上，以便于通过在抓握所述第一控制构件的同时用户手上的拇指或食指沿着相对于所述第一控制构件固定的三个平移轴线中的至少一个平移轴线移位；

第二传感器，其用于独立于所述第一控制构件的运动来测量所述第二控制构件沿所述至少一个轴线的位移，并为所述至少一个轴线中的每个轴线产生代表所测量到的位移的独立控制信号；以及

重新居中机构，其与所述第一控制构件和所述第二控制构件中的一个联接，用于响应于所述控制构件的移位而对用户产生空位置的触觉反馈。

42.根据权利要求45所述的控制器，其中所述触觉反馈包括力、摇动或其他触觉信号中的一种或多种。

43.根据权利要求45或46所述的控制器，其中所述重新居中机构迫使所述控制构件回到空位置。

44.根据权利要求44至47中任一项所述的控制器，其中所述重新居中机构包括用于感测位移和/或力并产生反作用运动、力、其他类型的振动触觉反馈的装置。

45.一种控制器，包括：

控制构件，被配置为由用户的手抓握；

传感器，其用于测量第一控制构件围绕三个旋转轴线中的至少两个旋转轴线中的每个旋转轴线的旋转位移，并响应于此提供第一组独立信号，为所述至少两个旋转轴线中的每个旋转轴线提供一个独立信号，其代表所测量到的位移；

常平架，其与该控制构件联接，该常平架包括安装在承窝中的球、止动件和形成在该球上的凹槽。

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