CN1180434A - 二维和三维应用的光标控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于投影于计算机屏幕上的或“虚拟空间”中的物体的图形图像(例如光标)的远距定位和控制和用于控制物理实物例如机器人的设备;包括一个弹性地安装在板支架(3)上的用作控制元件的可用指或手握位的部件(2)以及使用激光束和可寻址感测器阵列(7)的用于确定控制元件相对于参考面的空间定位的装置;还包括用于将所述位置信息转换为它们指示用的电子信号的装置,所述信号提供给一个物体控制装置。

Description

二维和三维应用的光标控制设备
本发明涉及一种输入设备，拟用于投影于计算机屏幕上显示的二维或三维物体(如光标)或显影设备所建立的“虚拟空间”中的物体的图形图像的远距定位和控制，以及用于物理实物例如机器人的控制。
计算机应用不断增长的最重要原因可能与下列软件的发展有关，这类软件通常可在用户与计算机硬件的简单交互操作中使没有专门计算机训练的外行能够操作系统而不碰到具体困难。除传统的通过健盘的数据输入和程序操作外，用户现在可以通过对计算机屏幕上出现的菜单和图形符号进行选择以输入信息和执行命令。
在现代计算机中，通常使用几种不同输入设备完成选择和执行操作，其中最普遍的是鼠标、轨迹球、接触板和“针式鼠标”。
机电式“祖父辈”鼠标是在Stanford Research Institute开发并在美国专利号3,541,541中公开的。此鼠标使用一对小轮将电位器轴转动以将X和Y方向的移动编码为模拟信号。进一步的发展是用球或球状体代替两个小轮以获得更均匀的轨迹。在通常的“鼠标”系统中，手持式传感器向显示系统提供位置移动信号。传统上，鼠标控制设备内小轮的移动与电位器连接以提供在显示屏上标明X-Y位置的信号(美国专利号3,304,434；3,541,541；3,629,190；3,835,464；3,892,963和3,987,685)。另外一种鼠标系统使用在小轮上的转动球，而它又连接以转动遮断光束的孔隙，从而向显示系统提供位置信号(美国专利号3,892,963；3,541,521和4,464,652)。轨迹球类似于鼠标，但有一个优点，即可装在可携式计算机内。然而与鼠标不同的是，此设备是静止的，而用户则用拇指、手指或手掌转动球。轨迹球的例子在美国专利号5,122,654和5,008,528中都有描述。
虽然这些鼠标和轨迹球已被证明在完成显示功能中十分有用，但它们尚不完全可靠，尤其长期使用中更如此。例如，鼠标的机械活动部分，例如球和小轮，会弄脏并在工作面或垫上打滑而无法提供连续滚动动作，或者换向器弄脏并打滑。因此新的鼠标方案的结构设计目标是减少活动部分的数量，从而消除以上所述机械缺点和提供一个在长期使用中高度可靠的鼠标。向没有活动部分的目标努力的一个方向是用光学检测方法实现鼠标跟踪功能。光学跟踪概念，即对一个图像例如一条轨迹、线、横条或网格的光学检测并非新技术。美国专利号3,496,364；3,524,067；4,114,034和4,180,704公开了使用一个或多个光学检测器的这类跟踪系统例子。然而这些光学跟踪设备中没有一个设备所公开的技术适合于完成光标或物体控制设备中所需功能，也即它们不能提供标明移动方向和数量的多方向跟踪。美国专利号4,409,479公开了一种使用光学感测技术以检测鼠标移动的设备。输出量标明相对于一个直角座标系统的设备移动数量和方向。设备靠在由等距网格线直角地形成平面网格图案上。美国专利号5,288,993描述了光学跟踪的另一种模式，其中光标指示设备包括一个随意地涂上斑纹并用漫射光照耀的球。被照耀区域的图像由光学元件聚焦到光敏阵列上。与光敏阵列相关连的逻辑电路用于确定球在阵列上的移动，并将该移动量转换为送至主机系统的常规光标控制信号。
向不用活动部分的目标努力的另一个方向是用电磁方法检测跟踪功能。欧洲专利申请EP 0,539,599描述一个其外形和操作都与轨迹球相同的设备。该设备包括一个穹形滑块，其底面有一块强磁铁。外壳上具有众多磁电转换元件。在滑块滑动时，由磁电转换元件切割的磁通密度和输出电压一起变化。此变化用于控制指示器位置。当滑块移动超出其限定的滑动区域时，所描述的指示设备还有用于将位置控制变换为速度控制的装置。当从位置控制转移到速度控制时，使用最新的及其前一个位置的信息以找出两个位置之间的向量，而此向量即用于控制光标速度和方向。因此在使用速度控制功能时不可能改变方向。
轨迹球和穹状滑块是用拇指操纵的，但拇指本身不适合于训练用于精确移动。其它系统采用食指控制或包括可用手指握住的控制元件，因而提供较好精确度。美国专利号4,736,191描述的设备包括一个装在基板上的手指垫传动器，可在几个方向内移动。手指垫的位置被感测，例如用可变电阻电位器感测，用于控制计算机屏幕上光标或其它图像的移动。美国专利号4,680,577所描述的多用途光标控制键开关在横向移动时提供光标控制，而在垂直方向内移动时用于输入字符。感测器，例如应变仪或压力感测器连接至键帽上以感测横向移动。PCT/us89/05662描述了差不多相同的键开关，它所包括的键帽可用一个手指在水平面内移动。键帽的位移导致光标在相同方向内的移动，加在键帽上的垂直力激励一个电开关，这对应于鼠标上“按下”按钮。建议了几种不同的传感器用作检测键帽在水平面上的位移(应变仪，光学检则器，电容器，电感器和触点)。
现有技术的许多设备的一个具体局限性如下：与数据处理设备本身的能力和精确度相比较，可用的精确控制程度是粗糙的，并且对输入设备的精细移动的检测是一个具体局限。缺少精确度的另一个原因是该设备难于控制，因为它们不符合用户的通常转动技巧和人类肌肉组织的能力。美国专利号4,719,455中描述的设备提供更大精确度并更为符合操作员转动技巧，它由手和手指的移动操作，并包括精细移动控制和粗糙移动控制两者。该装配件包括一个可握住的外壳和一个具备可移动指帽和移动检测器的内部圆盘，该移动检测器使用一个由激光束形成的光栅图案。其它现有技术设备包括一个用作中央控制元件的单个可用手指握住的元件。PCT/JP89/01148使用一个用于输入字母和符号的笔型部件。该部件在一个表面上移动，传达众多预设置的检测位置。预先定义的数条移动路径对应于字母、符号和命令处理。该设备不拟用于光标控制。PCT/CA90/00022中描述了拟用于输入字符的类似设备，它包括众多由带有笔尖的可移动盘激励的开关。美国专利号4,935,728中所描述的设备根据手指可握元件的移动采用两种移动光标的模式，其中一种模式产生与手指可握元件移动成比例的光标移动，及第二种模式所产生的光标移动决定于离显示区域边缘的距离。超过预定速度的移动或处于移动指示区域的外环区域位置内的移动都可使用第二种模式。该设备使用光电子系统于移动检测，其中光束扫过检测部件透明壁中的网格，并产生与二维移动一致的脉冲。EP 0,556,936中描述了类似的光电光标控制器，其中可在两个直角方向内移动而安装的一对板包括诸网格，这些网格产生用于标明两个方向内移动范围的光脉冲。这些板连至手指可握的控制元件。
本作者开发了在PCT/NO94/00113中描述的光标控制设备，其中中央控制元件是一个固定在单块板支架上的手指可握部件，该控制元件上连接着两个单独的信号发生装置。第一个装置包括一个机电式使用滚珠的系统或者一个使用反射网格的光电子系统，该装置连接在板支架上，用于感测X-Y平面中任何方向内的板移动。板移动将会引起一个屏幕光标的协同移动。第二个装置连结在可握部件上，使用压力感测器或光电子感测装置感测所加的支点的或侧向的力。认为此发明具有在理想光标控制设备中所寻求的很多优点。
上面描述的设备主要用于检测和传递二维平面内的移动信息。然而，随着在三维空间信息的图像表示和操纵中计算机用途的增长，人们试图设计用于在三维空间中控制物体的设备。在机器人技术中，在由二维或三维空间所表示的物体的模型化、仿真和动画表示操作中更是如此。美国专利号3,898,445涉及的装置测量一群光束在参考点和靶体间扫描所用时间而确定三维空间中靶体位置。美国专利号4,766,423和4,812,829所公开的显示和控制设备和方法使用操纵杆和节流阀式装置改变光标的方向和速度以在三维空间内控制光标。美国专利号4,835,528所阐述的光标控制系统的鼠标设备在一个二维平面上移动，而该平面上有一块逻辑上定义的区域，该区域内的鼠标移动被该系统解释为三维空间内的移动。美国专利号4,787,051中公开的输入设备使用配备了惰性加速感测器的鼠标，以便操作员输入三维空间位置信息。美国专利号5,181,181所描述的鼠标能感测由三维空间内的移动所引起的运动的六个自由度。该设备包括用于感测沿三个轴方向的线性平行移动的加速度计和用于感测角度转动的角速率感测器。英国专利申请GB2,247,938所描述的控制设备包括一个在底板表面上滑动的圆盘，使用电容检测圆盘位置。该圆盘除输入平行够动信息外也可输入推/拉和转动信息，因此它可用于三维控制。
上述输入设备具有一些局限，缺陷和不足，重要内容如下：
●鼠标在表面上的移动由肌肉控制，而肌肉并未训练过用于非常精确的操纵。因此屏幕光标的相伴移动并不十分精确。虽然对于大多数实用目的，鼠标具有足够的精确度，但它不十分适用于图形描绘和徒手绘图。作为单独实体，鼠标在和可携式计算机(膝上式，笔记本式，小笔记本式和掌上式)连用时在应用中尚具有局限性。此外，在保证将光标精确地定位于图标或符号上时，在发送命令中和在键盘输入操作和鼠标输入操作的切换中要化去不少时间。球和滚轮容易蒙上灰尘，使它们在短期使用后引起光标的不受控的和不稳定的移动。用于控制鼠标的手的移动还会造成损害，尤其经常使用时更易如此。接触垫(指示垫)也会有类似的应力后果。
●轨迹球和类似的拇指操作设备产生不准确的光标移动。然而它不如传统鼠标那样容易蒙上灰尘和磨损，还适合于包含于可携式计算机中。
●基于操纵杆原理的手指或手操作设备(例如“轨迹点”及其它键顶输入设备)用于快速和无限制地移动光标。虽然操作简单、直观，但这类设备不适合于精确操作。
●现有技术设备中所用检测系统不太精确，不符合为在虚拟空间中控制和在机器人技术中使用的现代计算机显示所要求的精度。即使先前描述的基于激光的检测器也没有充分利用此技术所固有的精度潜在优势。
●拟用于多维控制的现有技术设备缺乏直观操纵的能力，并且远不能提供例如三维虚拟空间中满意的物体控制所需精度。
理想的输入设备应该：
●在用于多维操作和用于计算机图形工作时足够精确，
●可以在计算机屏幕上或虚拟空间内快速而连续地移动物体或光标，并且可以将物体快速而精确地定位和重定位，
●完全适合于通过图形接口(菜单，图标等)与计算机和程序进行精确而快速的变互操作，
●适合于包含于固定位置计算机和可携式计算机两者中，以使同一技术可用于所有类型的硬件，
●可以完全集成于键盘或计算机壳内。
●允许无限制地移动光标，
●允许快速地执行命令，
●在操作中尽量少地改变握法。
●提供逻辑光标响应，即在二维或三维空间内物体或光标如直观地所希望那样作出响应，
●具有好的工效学特性，
●尽量没有移动部件，
●适合于模块结构，即应该可以装在一起以满足不同需求，以及
●简单，耐用，耐磨并且价廉。
由本作者开发的并在PCT/NO94/00113中描述的上述设备满足许多上述要求，特别因为其主要控制元件，指握手柄根据写或画的动作来操纵，从而利用手、拇指和食指的组合的高精度转动技巧。然而，所述发明的所描述实施例并未全部开发出此设备配置中固有的全部潜在控制模式。这主要由于所用的感测系统不允许更多地开发控制可能性。只有采用完全不同的确定移动和位置的方案才能发挥此潜能优势。
大部分控制设备利用控制元件的移动来生成一个用于标明移动方向和速度的信号。PCT/NO94/00113中描述的与板支架部件相关连的检测系统也是这种情形，该系统生成伴随X和Y方向内板的移动的两串脉冲串。每个方向内生成的脉冲数和生成脉冲的速度反映了控制元件的移动速度和方向。这类脉冲串可以容易地用于光标控制。现有技术中描述的其它移动检测系统一般准确度较差。
这些信号生成系统并不十分适合于供两种以上控制模式使用；因为拟实现多种控制模式的结构将非常复杂，不准确和昂贵。
由本发明者开发的和此处描述的新的设备类别是基于PCT/NO94/00113中所描述的控制元件的类似结构。然而此处描述的新发明有两个很重要的修改：它使用一个完全不同的系统以确定位置和生成控制信号，以及它充分地开发了手柄和板结构中固有的全部可能控制模式，成为例如三维空间中物体控制的理想工具。
本发明使用一个地址读取系统，用于精确地和不含糊地确定设备的控制元件位置，而不是让检测系统根据移动、位置变化或力产生脉冲串或变量模拟信号。为做到这点，该设备使用一个或数个参考面，控制元件位置相对于参考面而确定。此精确确定位置操作的先决条件是参考面配备有电子可寻址元件的阵列，或者这些元件中每个元件携带着随时可供恰当设备读取的位置信息。这可用数种方法做到，下面在本发明不同实施例中将有描述。
技术上最简单因而优选类的实施例使用光检测单元阵列(光二极管阵列，电荷耦合设备，有效像素感测器等)，该阵列安排在参考面的表面上，每个单元的位置都可辨认，例如当被射入激光束击中时即如此。另一类实施例中参考面的表面划分为携带着数字形式的印上的、刻上的或磁性极化的地址信息的像素。此地址用激光束或定向的聚光束或电磁辐射进行读取。为简便起见，今后用术语激光束或光束包括所有所述辐射形式。
参考面表面上的像素地址既用于协同的移动控制，又用于确定作为连续、定向的物体或光标移动基础的向量。
任何时候当控制元件相对于参考面改变位置时，此移动伴随着射向所述参考面的激光束的位置变化。因此，光束击中表面上的新的光敏单元，或者从反射的光束中读取新的像素地址。由于每个光敏单元和每个像素都有它们自己独特的地址，因此这个控制元件空间定位的改变可以精确地加以确定，同时该地址改变随后可用于产生一个被控制物体的位置改变或连续、定向的移动，该物体可为屏幕光标或物理实物。这可由下法实现：由微处理器将地址或向量的改变转换为用于确定物体空间内平移位置的脉冲串，或由设备驱动程序直接解释和转换地址信息。
用于处理与设备控制模式相关连的地址信息和用于物体控制的技术是熟悉技术的人所熟悉的。
使用具体地址信息来确定控制元件的空间位置较其它系统具有一些优点。如果中间位置不重要的话，只需起始地址和最终地址即可确定位置变化。然而，如果轨迹本身是重要的，则通过调整确定地址的频率，可以确定移动途径的细节。地址采样俞频繁，则设备操作的灵敏度和精度就俞高。因此可根据需要调整地址采样频率，从而调整物体控制的灵敏度和精度。由于这个原因，也可能放慢控制元件的操作速度以提高物体控制的精度，这不同于其信号生成与设备移动相关连的系统。
所描述的地址读取系统既可用于对设备移动作出响应而引起物体协同移动(鼠标操作)又可用于引起一个连续的向量移动(操作杆操作)。后者通过下法完成：控制元件的位置地址用于描述向量，其中“正常”或放松位置决定向量起始点，而任何与此正常位置的偏移决定向量终点。因此两组地址决定了向量的方向和幅值。
该设备也可包含根据与控制元件正常位置的偏移程度以不同方式解释控制元件的位置改变的手段。靠近其可动范围外边界的位置改变可以例如引起物体的更多移动，而在控制元件正常位置附近则起较少移动。
在上述原理中激光束在一个或多个参考面上的击中点用于确定控制元件的空间定位，在技术上该原理基本上可用四种不同方法实现：
第一类：采用具备光检测单元(感测器阵列)的参考面，其中每个单元具有一个具体地址。负责将激光束引向每个参考面的设备部分(拥有激光器，镜子，透镜，聚焦线圈等，此后称为光束导引器)与控制元件相连。控制元件的空间定位改变后会改变光束导引器及与其相关的光束的定位，因此也就改变参考面上光束的击中点。如果不同光束被标识为与一定具体控制元件相关连，则一个参考面即已足够用于确定众多控制元件的位置。为做到这点，可以或者确定相对位置或者采用一个来自不同光束导引器的顺序光发射系统。
第二类：采用具备光检测单元的参考面。激光束途径相对于该设备是固定的，但参考面却被连结或另外安排以便当控制元件移动时，相对于入射激光束的参考面位置也会改变。控制元件空间定位的改变随即会改变光束的击中点。此技术方案需要数个参考面，其数量决定于所采用的控制模式数。
第三类：采用具有地址携载像素的参考面。光束导引器连结至控制元件。一定控制元件的空间定位的改变会改变光束导引器及与其相关连的光束(群)的定位，因而也改变自参考面反射的光束点。如果不同的反射光束能标识为与一定控制元件相关连，则一个参考面已足够用于确定众多控制元件及与它们相关连激光束的位置。该设备也包含用于分析光束反射的装置，例如与扫描装置相关连的单个感测器，或者感测器阵列。
第四类：采用具有地址携载像素的参考面。激光束途径相对于该设备是固定的，但参考面却被连结或另外安排以便当控制元件移动时，相对于入射激光束的参考面位置也会改变。此技术方案需要数个参考面，其数量决定于所采用的控制模式数。该设备也包含用于分析光束反射的装置，例如与扫描装置相关连的单个感测器，或者感测器阵列。
本发明用作控制元件的板网结构具有实施了五种控制模式的潜力。这五种模式如下：
1.板支架在X-Y平面的所有方向内移动(鼠标操作)；
2.手柄相对于板支架的支点运动(操纵杆操作)；
3.手柄相对于板支架的横向移动；
4.手柄相对于板支架的垂直移动；
5.手柄相对于板支架的旋转运动。
鼠标和操纵杆只使用所描述控制模式中的一个模式以控制运动和位置，而PCT/NO94/00113则使用两个模式(1和2)。然而，本发明具有潜力可以同时使用全部五个控制模式，因此确能提供在三维空间内对物体充分控制的能力：模式1和4(2和3是可选的)可用于将物体中心定位，2和5用于旋转，及3用于参考框架的滚动和平移。下面给出设备部件和操作的更详细描述。
根据本发明所提供的物体控制设备包括一个安装在板支架顶上的可用指或手握住的部件，手柄和板一起组成设备的中央控制元件。可握部件具有圆柱形状，其直径为3-50mm，高度为5-150mm，最好刻蚀并涂以适当材料以获得最舒服的握感。
板支架的运动限于相当于直径为5-100mm的圆的平面上限制区内；该区域本身可有任意形状，但最好是圆形。当可握部件位于限定区域中心时，板支架限定于其“正常”位置上。可握部件弹性地安装在板支架上，允许两个控制元件同时地相对于设备静止部分而移动，并且同时允许可握部件相对于板支架而移动。挠性垫圈，弹簧，气压设备等能在不受定向力作用时将可握部件带回至相对于板支架的正常的优选位置。它也可包含使用户感受到可握部件达到其正常位置的设施，它包含的设施能在与所述正常位置的偏移度超过阈值之前阻止可握部件引起物体移动。
上述五种控制模式使用如下：
1.板支架相对于设备静止部分的移动用于在X-Y平面内对物体精确定位和控制移动。板支架和物体的移动图案一般是协同的；
2.可握部件相对于板支架的任何方向内的弯曲用于产生连续移动和控制物体在X-Y平面内的移动速度和方向；或者另一替换方案是用于产生和控制X-Y平面内物体围绕轴的转动。该部件相对于正常位置的弯曲方向和倾角决定物体移动的方向和速度或转动的方向和速度；
3.可握部件相对于板支架在任何方向内的横向移动用于产生连续移动并控制物体在X-Y平面内的移动速度和方向；或另一替换方案是用于滚动目的，从而使参考框架平移。与正常位置的偏移方向和程度决定物体移动的方向和速度或者滚动的方向和速度；
4.可握部件相对于板支架的提起/下压操作用于控制物体在三维座标系统中沿Z轴的移动，同时与正常位置的偏移方向和程度控制着物体沿Z轴在任一方向内的移动速度。提起/压下可握部件的操作也可用于在三个或四个开关位置间进行切换；
5.可握部件相对于板支架的顺时针或逆时针转动用于使物体绕Z轴转动。设备构成以便执行下列两种可能的操作模式中的一种模式：1)在第一种模式中确定一个正常位置，及顺时针或逆时针转动限于一定扇区内；与正常位置的偏移的方向和程度决定物体转动的方向和速度；或者2)在第二种模式中手柄可无限制地转动，而手柄的转动伴随着物体的协同转动。
上述控制模式可根据具体需要按任何组合形式一起使用。虽然可握部件相对于板支架的横向移动最好是推向其可动区域的外边缘，但控制模式可同时也可单独使用。
现参照附图使用例子描述优选实施例，附图中：
图1显示包含在计算机外壳中的控制设备的透视图；
图2显示根据本发明优选实施例的控制设备的垂直剖面；
图3显示包含在计算机键盘内的控制设备；
图4显示包含在膝上计算机内的控制设备；
图5显示指握手柄和激光束导引部件(光束导引器)的垂直剖面；
图6显示一个包含激光器的光束导引器的垂直剖面；
图7显示一个包含激光器和分光器的光束导引器的垂直剖面；
图8显示分光器的详细视图，用于标示光路；
图9显示包括三个光束导引器的控制元件一部分的垂直剖面，用于标示每个导引器的光路；
图10显示参考面的表面，其中圆圈标示光束击中表面的点；
图11显示正常位置中的可握部件，及图12显示将可握部件向上拉后对光路的影响；
图13A-C，14A-C和15A-C阐述操纵指握手柄对光路和光点(光束击中点)的影响；
图16A和16B显示当光束击中两个具有不同像素尺寸的感测器阵列时的外观；
图17阐述使用光束击中点计算用于光标和物体控制的向量和其它关键参数；
图18A-C显示用于计算和评估控制元件的位置和空间定向的光束击中点和关键距离；
图19A-H显示其它可替换的用于确定指握手柄的空间定位的光束图案和光束形状；
图20是根据本发明第二类实施例的控制元件的垂直剖面；
图21是设备的检测器部分的垂直剖面详图；
图22是设备的激光源和光束导引部分的顶视图；
图23是用于显示光路的分光器的详图；
图24显示作为指握手柄的支点运动参考面的板的垂直剖面；
图25是根据本发明第三类实施例的控制设备的垂直剖面；
图26显示通过设备的光束导引部分的光路；
图27是地址携载像素的概念图；
图28阐述一个像素阵列；
图29阐述一个具有线性地址配置的像素；
图30显示一个包含一个连至活塞的微开关的指握手柄的垂直剖面；
图31显示一个包含一个可由手指操作开关的指握手柄的垂直剖面；
图32显示控制设备的实施例的垂直剖面，其中一个手柄用作控制元件；
图33A-G阐述设备操作的不同模式；
下面是不同实施例和设备的不同部件的更详细描述：
图1和2阐述根据本发明优选实施例的控制设备1的主要部件，控制设备1包括一个指握手柄2和一个包含在计算机或设备外壳4内的圆形板支架3。板支架3的可见部分的直径近似地等于指握手柄的可动范围，应在0.5cm和10cm之间，通常在1cm和4cm之间。本发明的其它实施例可使用其它技术方案，其中板支架被部分地或全部隐藏着，及其中可动范围与板的可见部分之间的关系不同于上述关系。
控制设备位于键盘(图3)或计算机上(图4)的凹座内，该凹座的斜面让出空间以便用户握住手柄2并将它在任何方向上移动。导引板36(图2)连同凹座4一起提供一条用于接纳板支架3的导引水平移动的槽。
指握手柄通过特定固定系统弹性地安装到板支架上，使手柄可在相对于板的任何方向内移动，该固定系统与挠性垫圈5(图5)一起保证指握手柄在向任何方向偏移后能回到正常位置。其它固定系统可用于获得相同效果。
使用时指握手柄夹于拇指与食指之间，或者可将指尖放于指握手柄顶部。手和指的水平移动会产生板支架的相应移动。
如图2中所示，由两个光束导引部件(光束导引器)81和82所生成和发射的激光束射向参考面7。(应注意：使用光纤时，激光器本身可以就地放在计算机外壳内任何地方)。参考面的表面上包含一个光检测单元阵列，它所提供的输出信号使分析器能确定激光束的准确击中位置。
光束导引器81固定于板支架上，因此光束击中点在参考面上所走路径与板支架本身的移动路径是协同的。
光束导引器82连至指握手柄2，因此相对于板支架具有一个支点和横向运动。由于导引器82通过可滑动活塞连至指握手柄帽，它也可通过操纵所述帽而转动和垂直移动。
在本实施例中使用两个激光束描绘指握手柄的空间定位。这些光束可来源于一个光源而由分光器分光(见图7和8)，或者可替换地采用两个单独激光源。
板支架包含一个用于阻止板转动的移动方向引导部件。在此具体实施例中，该引导部件包括两个位于板支架上的槽35和两个位于板引导部件36内的槽；两对槽的位置互相形成直角，同时两个引导部件34靠在两个槽上。也可采用其它引导原理，熟悉技术的人对此是了解的。
图5是指握手柄2和光束导引器81、82和83的更详细描述。该指握包括一个外帽16，涂以一种类似橡胶的材料23以获得最舒服的握感。指握手柄的内部包括一个固定在帽上的可在缸体17中垂直移动的活塞18。该缸体所具备的唇或突块24用于限制活塞的垂直移动。该帽可在垂直方向内被推和被拉，并由用耐久弹性材料制成的两个挠性环85将其恢复至“正常”位置，该挠性环在变形之后恢复其原有形状，另一替代方案是由弹簧或气动设备将其恢复至“正常”位置。光束导引器82通过较小直径活塞87连至活塞18。活塞87可上下滑动和在球形铰链中心的孔径内转动，因而能将手柄帽的垂直和水平移动传至光束导引部分。球形铰链还允许指握手柄相对于板指架作支点运动，并同时通过一套夹子37将指握手柄牢固地固定在板上。指握手柄还具有一个由耐用的弹性材料制成的挠性垫圈5，它可弯曲一定角度，但在外加力消失后将手柄重新复位至正常位置。指握手柄弯曲时会使由光束导引器82发射的光束改变方向。光束导引器81用于确定板支架的位置。此实施例采用的第三光束导引器83用于检测指握手柄的相对于板支架横向移动。光束导引器直接固定在夹子37上，除非手柄和夹子改变它们相对于板支架的位置，该光束导引器83相对于导引器81将不会移动。由于在板和夹子之间存在着挠性环29，可在横向力消失后使夹子和指握手柄回至正常位置，因而此位置可改变。例如，用一个手指抓住板而用另一个手指将挠性垫圈5推向侧面，即产生横向运动。当板和手柄位于它们的可动范围边缘时，环状挡块84阻止它们进一步向外移动，此时可很好地完成此横向移动，以将垫圈和指握手柄一起在特定方向内进一步向外推。
使用弹性环状挡块84，可强制性地在水平方向内将板支架移动越过其自然可动范围。假如正常、不限制的范围以外的地址代表向量而不是位置，此选项等效于将指握手柄相对于板支架的横向移动用作控制模式。
图6和7阐述两个光束导引器，它们所包含的激光器、聚焦线圈和反光器的不同组合用于根据当前需要获得光束的所需聚光、散光、定向和分光。(所阐述的激光器90，聚焦线圈88，反光器89和分光器94并不一定必须按实际比例画出，而只是用于标明一定设备部件中它们用途的符号)。透镜、聚焦线圈、镜子和其它改变光束部件也可以彼此替换，在实际插述中对此将不具体标明。这类修改和具体要求是熟悉技术的人所知道的。
图6中阐述的光束导引器包含一个激光器90和一个用于使激光束变窄并将激光束导引通过反射镜89射向参考面的聚焦线圈88。图7中该线圈将光束导向一个具有半穿透性、半镀银表面的分光器94。此结构产生图8中所示两条分散的光束。
使用上述两个不同光束导引器的结果示于图9中。光束导引器81和83将单个光束以垂直角度射向感测器阵列104，而导引器82产生两条光束，其中一条光束沿中心轴A射向参考面7而另一条光束偏离该中心轴。图10中显示当来自三个导引器的光束击中具有其单独光检测单元99的感测器阵列104时光点的最终图案。光点95来源于连至板的导引器，光点98来自连至手柄/夹子的导引器，及光点96和97来源于连至手柄/活塞的导引器。
来自导引器82的两条光束击中参考面的击中点之间的距离决定于光束导引器与参考面之间的距离。此效果用于确定指握手柄相对于参考面的垂直位置，如图11和12中所阐述的。此处在拉回手柄以后，击中点96和97之间的距离d1增加为d2，促使活塞87将光束导引器自感测器阵列104移开。
图13、14和15中阐述了不同控制模式的用途，其中图13A-C显示将指握手柄2在P方向内提起和弯曲的效果。图13B显示对光束的影响，与垂直上提的情况比较，在弯曲的情况下B与C之间的距离略为增大些。此效果是由三角运算得出的，是由控制设备的相关的分析器/处理器或设备驱动程序所完成的位置计算的一部分。
图14A-C阐述指握手柄逆时针转动α角(约30度)的效果，而手柄则保持正常位置。
图15A-C阐述使用三种不同控制模式的指握手柄的组合操纵。手柄弯向P，逆时针转动α角，并在T方向内被横向推动。
图16A和16B阐述相对于光束击中点95的尺寸而言，光检测单元99的尺寸将影响确定位置的精确度，假设单个单元的亮度与一个阈值比较后给出1或0的结果。
图17总结与不同控制模式相关的地址信息如何用于控制光标或物体移动。一般而言，P地址用于确定X-Y平面中的物体位置；即标明板支架位置变化的地址偏移将会产生类似的物体位置变化。板移动和物体移动是协同的。
C地址描绘指握手柄的倾角和弯曲方向。倾角决定了向量VC的幅值，其尺寸等于OC线的长度，但指向O的相反方向，OC线还确定指握手柄的弯曲方向β，等于＜POC-180°。VC和β的幅值是用于控制物体运动的速度和方向的关键参数：或围绕一个轴或在X-Y平面内的横方向内的运动应注意到：如G离开其正常位置，则C也会同样地移动，因此必须在所有计算中相应地校正C地址。
B地址与C一起描绘指握手柄的转动和提升。转动由α角确定，它等于PO线与CB线之间夹角。指握手柄偏离其“中间”(正常)位置的偏移由R描绘，它等于BC距离。使用三角计算可为每个倾角和手柄转动确定对应于手柄中间位置的正常R值，于是任何偏离此正常值的数值标明并代表-Z或+Z方向内偏移的量。α参数正常时用于控制物体围绕Z轴转动的速度和方向，但也能可选地用于确定同一物体的转动位置，并以协同方式控制转动。R参数用于控制沿Z轴移动的速度和方向。
G地址标明手柄及其相关的夹子相对于板支架的横向移动。VG向量的幅值和方向由“正常”地址(相对于P而确定)和偏移地址所确定。VG参数用于控制X-Y平面内的连续移动，或者可用于滚动目的，其方向和速度由VG的方向和大小所确定。
参考面每部分内的相邻地址正常时是等距的，因此不论控制元件位置如何都引起均匀响应。然而使用位置地址能带来额外好处，例如对靠近控制元件的可动范围边界的地址赋予不同值和功能。例如，边界地址可用于确定向量(作为连续的定向移动的基础)，而这些边界内地址所具有的值和功能将对控制元件移动作出响应而引起物体的协同移动。用这种方式改变地址用途，有可能进一步扩展设备的控制潜力。
依靠上述计算方法，设备所包含的设施或所使用的软件用于根据单独光检测器的输出量确定用于描述由激光束击中参考面后形成的形状或图案的几何参数，例如面积、几何中心位置、轴长、半径、焦点、与平面原点的距离，旋转角，击中点的角度和方向等。
同一公共原理也适用于其它实施例，但可能需要几个参考面，而每种控制模式可使用不同数量用于标定位置的激光束。
图18A-C阐述不同控制模式的使用对来自三个导引器81、82和83的光束所形成光点图案的影响。图18A显示一个“正常”情况，其中板3处于由其相关连的光束击中点P所决定的X-Y平面中的任意位置。其它击中点C、B和G的位置由它们的绝对地址和它们相对于参考地址P的位置两者所描述。在此阐述中，它们的相对位置由P/C(X)，P/G(X)和R描述。当指握手柄处于其“正常”位置时，击中点C与参考面和手柄/导引器中心轴A的交叉点O重合。
图18B中可握部件被抬起，B和C之间直径R增大，与此同时该部件弯向4点30分(时钟位置)，将光束往相反方向引向10点30分。根据所检测的光束击中地址P、B、C和G，可用分析器容易地计算参数P/C(X)、P/C(Y)和R，还有用于描述手柄的倾角和准确的弯曲方向的OC向量那样的推算出的信息，还有可根据R、OC和三角关系算出的手柄垂直偏移(Z轴位置)。G相对于P的距离和位置并未改变，因此没有出现手柄相对于板支架的横向移动。
图18C阐述更为复杂的情况，其中利用了五种控制模式中的四种，因而产生光点位置的组合变化。除板支架在X-Y平面内占有由P所决定的任意位置外，指握手柄顺时针旋转30度并弯向10点30分(时钟位置)，这由B和C的位置所决定。与此同时手柄在相对于板支架的4点30分方向内横向移动，如G位置所标明。全部参数可以根据所检测的光点地址计算出，明确地确定控制元件的空间定位。
也可使用其它光束形状和图案以确定指握手柄的空间定向而不用双分量光束。图19A-H显示其中一些例子，图19A阐述光束(或一组光束)应该自光束导引器在一个方向内发散出去(或另一方案是聚集起来)。这可通过透镜、分光器、屏幕和孔径(如图所示的93和100)的恰当组合而达到。除图19B中所标示的圆形图案之外(这不适于测量位于正常位置中的手柄的旋转角度)，所有图案都可在先前描述的控制模式中用于确定位置。
图20至24阐述本发明第二类实施例，其中参考面连至控制元件，同时光路是固定的。因此，控制元件定位的变化与参考面的位置变化因而与光束击中点的位置变化相关连。此组设备需要使用数个参考面，因此其结构较以上所描述的那类实施例更为复杂。主要差别与用于将参考面定位的光束导引系统和设施有关。五种控制模式的操作与如上描述的操作完全相同。在参考面表面上可寻址的光敏单元阵列的使用与以前描述的感测器阵列完全相同。此类实施例也可使用光纤将光束自激光源引向参考面，在很多情况下这是优选的。为阐述本发明可使用其它光束导引装置，在下面的描述中将反射镜和透镜用作光束导引装置。
图20是设备的截面图，显示指握手柄2，一个激光器11，一个分光器12，一个光束导引器13，一个信号分析器/处理器15，和一个参考面7。显示了用于将板移动限制在一个平面内并同时阻止板转动的导轨(3，4，34，35和36)。参考面7固定在设备外壳6上，用于确定控制元件相对于外壳的横向位置。
图21是光束导引器的详细剖面图，也显示球铰链25与参考面9之间的连结，包括一个位于面9上部凹穴内的带弹簧的柱塞。图24是参考面的详细视图。图21还阐述，光束导引器拥有反光镜(43，44，45和46)，用于将激光束引向不同参考面。该图还标明用于将激光束引向手柄参考面的光纤38被固定位置，但同时可在固定夹子中的孔径内垂直移动。
图22中显示光束导引器13的水平剖面，其中11代表激光源，12是分光器，50是导引器外壳，43-46是镜子，8和9是圆形参考面位置的标示，及15是分析器/处理器。
图23显示分光器的细节，它包含全反射和半镀银镜子，产生四条单独而平行的光束。
图25阐述本发明第三类实施例的视图一部分。此实施例所用参考面具有地址携载像素，要求设施能分析反射的光束。技术上此实施例与图20-24中描述的实施例相似，不同之处是此设备包含一个反光镜42和一个能够分析像素地址中反射/非反射区域的光脉冲或图案的光感测器或感测器阵列14。图26阐述射向参考面和自参考面反射的光束的光路。
由于光脉冲的分析处理较图案更简单些。该设备最好包含一个扫描设施连同一个定时设备，该扫描设施可使激光束扫描参考面的规定区域。参考面的顺序扫描进一步限制分析器用于一个单个光感测器。熟悉技术的人对其它类似或等效的解决方法是熟悉的。
图27给出一个地址携载像素66的例子，其中X和Y座标以二进制形式表达，由非反射区70所隔开。该像素还有一条空白反射边界69，用于将它与相邻像素隔开。其地址由一系列反射子单元67和非反射子单元组成。此处相当地理想化的图案是用激光雕刻，磁性极化或将非反射材料淀积在反射面上的方法制做的。图28阐述一个像素阵列66、反射子单元可具有为1的值，及非反射子单元的值为0；或者另一个可选方案可采用决定于子单元的宽度、间距及其组合的其它值。
图29阐述“一维”地址图案的使用，通过位于数字化地址左侧的反射的和非反射的细条的具体组合以标识X和Y座标。可使用一维激光扫描器72来读取此地址。
图30和31阐述两个不同开关选项的用途，其中图31中开关功能与帽的压下或提起有关，这是通过手柄活塞与微开关21的连接而实现的；而在图32中通过在任何垂直位置上压下单独按钮74即完成开关功能。
图32阐述所描述的发明可用作手可握设备的基础。
图33A-G阐述设备操作的不同模式。图33A显示在其正常位置上的设备。计算机显示器77显示一个位于三维座标系统79中的六角锥体78。对于所选锥体，指握手柄在X方向内的横向移动(XY)使锥体向右移动，如图33B所示。图33C阐述旋转(R)的效果，将锥体围绕Z轴转动。如图33D中所示，在正的Z方向内提起指握手柄，即将锥体向上移动。如图33E中所示，在一点钟方向内的支点运动(P)会引起锥体的类似的翻转，而随后在三点钟方向内的翻转运动将使锥体作类似翻转。最后，指握手柄相对于板支架的横向移动(L)将引起滚动运动，将座标系统(和其它未选物体一起)向屏幕左方平移。

Claims (14)

1.一种在二维或三维内将计算机光标和其它虚拟或实际物体定位和控制的设备；该设备包括两块位置控制组件，一块板支架(3)和一个指或手可握部件(2)，后者垂直地固定至板支架上；该板支架(3)依靠可握部件(2)可在X-Y座标平面的各个方向内移动，及该可握部件相对于所述座标平面是垂直地可移动的(沿Z轴)和可转动的(围绕Z轴)；该设备进一步包括位于可握部件(2)内或位于别处的开关装置；该设备进一步包括用于确定板支架(3)的位置和可握部件(2)的空间定向的装置，和用于将位置、定向和开关信息变换为它们指示用的电子信号，所述信号用于控制所述光标或物体的位置、定向、运动方向、速度或其它特性；
其特征在于板支架(2)和可握部件(3)的位置和空间定向由与所述位置控制组件(2，3)连接的光源所发射的离散型光束所决定；其中所述光束击中一个或多个参考面(7，8，9，10)而形成隔开的光点，所述参考面上所述光点的位置根据控制组件(2，3)位置和定向的任何改变而变化；另外光点位置由能够明确地标识它们的相对于参考面的地址或座标的感测装置所检测；其中所述地址或座标用于确定控制组件的位置和空间定向。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于可握部件(2)被弹性地固定在板支架(3)上并能在相对于板支架(3)的任何方向内倾斜，与此同时板支架(3)可在所述座标面中任何方向内移动；以及板支架的位置和可握部件相对于板支架的定向用于同时控制光标或物体。
3.根据权利要求1-2的设备，其特征在于可握部件(2)弹性地固定在板支架(3)上因而可以相对于板支架(3)横向移动，该移动平行于所述座标面；以及其中板支架(3)的位置和可握部件(2)相对于板支架的定向用于同时控制光标或物体。
4.根据权利要求1-2的设备，其特征在于划分X-Y平面内板支架(3)的无阻碍运动的物理边界是弹性的，从而允许将板支架在任何水平方向内强迫地移动越过所述边界；以及其中板支架的位置和可握部件(2)相对于板支架的定向用于同时控制光标或物体。
5.根据权利要求1-4的设备，其特征在于光源是一个激光源。
6.根据权利要求1-5的设备，其特征在于每个参考面的表面上有一个光检测单元阵列，每个单元由一个具体地址标识，因此适合于将光束击中点定位。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于光检测单元阵列包括光二极管阵列，电荷耦合设备或有效像素感测器。
8.根据权利要求1-5的设备，其特征在于每个参考面划分为像素，每个像素包含一个用于将有关其在参考面内位置的信息进行编码的图案；此位置信息可由地址读取装置解释。
9.根据权利要求8的设备，其特征在于每个像素上编码的位置信息包括由光反射区域和非反射区域组成的具体图案，所述两类区域是由激光雕刻、磁性极化，吸光材料的淀积或另外的反光面的其它变化而形成，同时具有点、线矩形、正方形、圆形、扇形或其它形状；其中每个像素上的所述图案将像素地址编码为用于明确地决定参考面内像素位置的二进制码，十进制码，条形码或其它图案码；以及其中所述地址读取装置包括能够解释自参考面反射的所述激光束中包含的地址信息的单个光感测器或感测器阵列。
10.根据权利要求1-7的设备，其特征在于用于确定可握部件(2)的位置和定向的光束(群)击中参考面时在参考面上产生一个或多个圆形、方形或其它几何形状的光点，其中单个光束或光束群在离开光束源的方向内发散或聚焦，以便在任何时候当可握部件的定向位置改变时使参考面上的光束击中图案也变化；该设备还包括用于将由可握部件的空间定向表达的击中图案进行解释的计算装置；
11.根据权利要求1-10的设备，其特征在于：为确定控制组件(2，3)的位置和空间定向，使用单个光束确定板支架(3)和可握部件(2)相对于设备静止部分的位置。
12.根据权利要求1-10的设备，其特征在于：为确定控制组件(2，3)的位置和空间定向，使用一条光束确定板支架(3)相对于设备静止部分的位置，及使用一条或多条光束确定可握部件(2)相对于板支架的定向。
13.根据权利要求1-12的设备，其特征在于用于确定控制组件(2，3)的位置和空间定向的光束是顺序地点亮(发射)的。
14.根据权利要求1-13的设备，其中板支架的位移引起X-Y平面内光标或物体的协同的或相似的位移或运动，而可握部件相对于板支架的位移用于一个或多个控制目的；
其中可握部件相对板支架的垂直位移用于控制三维座标系统内光标或物体沿Z轴的移动；以及
其中可握部件的转动用于将物体围绕Z轴转动；
该设备的特征还在于当与上述控制模式中的一个或多个模式一起使用时：
a)可握部件的弯曲或者引起X-Y平面内光标或物体围绕一个轴的转动，或者作为替换方案在X-Y平面内引起连续的横向移动；相对于板支架的弯曲方向和倾角确定运动的方向和速度；
b)可握部件相对于板支架的横向移动或者板支架越过其无阻碍运动边界的横向强迫位移引起X-Y平面内光标或物体的连续移动；手柄或板偏离它们“正常”位置的横向位移的方向和幅值决定移动的方向和速度；
c)弯曲或者横向位移用于滚动目的；
d)手握部件相对于板支架的垂直位移用于激励一个连至手握部件的开关，其中将手柄自其正常位置提起的操作将中断信号传送或具有类似于鼠标右按钮的效果及按下手柄的操作类似于鼠标左按钮；或作为另一可替换方案，手柄的提起和按下用于Z轴移动和开关用途的组合控制。
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