CN1231829C - 信息输入装置、信息处理装置以及信息输入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可戴在用户身体或手指上的信息输入装置、信息处理装置以及信息输入方法。能够戴在用户身体上的信息处理装置包括：距离检测单元，它能根据用户身体关节的弯曲程度检测用户身体的一个预定部分与另一预定部分之间距离的变化；以及信号处理单元，它能够确定并处理源自距离检测单元测得的距离的信息输入项。

Description

信息输入装置、信息处理装置以及信息输入方法
技术领域
本发明涉及一种可戴在用户身体或手指上的信息输入装置、信息处理装置以及信息处理方法。
背景技术
有助于计算机高效运用的最重要因素之一是计算机与操作者之间的界面。得到最广泛应用的计算机界面装置是QWERTY键盘，该键盘有许多按键，每个按键对应于特定的字符或符号。但是，近来考虑到用户的方便性和便携性，已经开发了一种具有虚拟键盘功能的虚拟键盘来代替QWERTY键盘。
名称为“具有虚拟键盘的计算机系统”的韩国实用新型申请1996-33413使用一种鼠标或触摸垫来选择虚拟键盘上的键，并使其在计算机监视器的一个弹出窗口中显示出来。但是，上述计算机系统的缺点是长时间按键的过程会变得麻烦和劳累。另外，选择按键需要花较长时间。
1996年12月3日公布的名称为“安装在手指上的计算机输入装置”的美国专利5,581,484包括压力传感器和一对加速度传感器。压力传感器和加速度传感器附着在用户的指尖上。如果用户手指向计算机输入装置的预定表面施压，压力传感器就会检测到该压力，同时加速度传感器测量手指加速度。将传感器的信号用于计算手指相对位置。对所测加速度进行两次积分，得到手指的相对位置。利用压力信号来验证加速度信号。但是，上述信息输入装置的缺点在于，由于加速度传感器所引起的误差和重力加速度，在加速度传感器输出的加速度信号中产生误差。
2001年10月16日公布的名称为“与数据处理系统互动的无指手套”的美国专利6,304,840包括一种能检测用户指关节弯曲程度的传感器。如图1所示，用户手指的关节100弯曲的角度θ用于解码为键盘的特定行，每个手指控制一列或多列。利用内收/外展传感器来实现同一手指对键盘各列之间的识别。
上述无指手套具有避免加速度传感器产生误差的效果。但是，无指手套的缺点在于，由于测量用户指关节弯曲程度的传感器必须覆盖用户手指的关节部分，并且与传感器接触的手指区域很宽，因此，戴着这种手套的用户会感到不舒服。另一个缺点是，为了选择信息而重复弯曲和伸展手指的操作会加速手指的关节部分安装的传感器的磨损。
发明内容
本发明提供了一种改善了舒适性和耐久性的信息输入装置、信息处理装置以及信息输入方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种能戴在用户身体上的信息输入装置，该装置包含距离检测单元，它能根据用户身体关节的弯曲程度，检测用户身体的一个预定部分与另一预定部分之间的距离变化；以及信号处理单元，它根据距离检测单元所测的距离确定并处理信息输入项。
根据本发明的另一方面，提供了一种能戴在用户手上的信息输入装置，该装置包括距离检测单元，它利用一个基于手指的弯曲程度产生手指预定部分间距离变化的距离传感器，根据用户手指的弯曲程度，检测用户手指的第一预定部分与第二预定部分之间的距离变化；以及信号处理单元，在该单元内通过距离检测单元测得的距离确定信息输入项。其中，该信号处理单元包括：放大与滤波单元，用于放大和滤波从所述距离传感器接收的电信号；模拟-数字转换器，用于将从该放大与滤波单元输出的模拟信号转换成数字信号；手指位置计算单元，用于从该模拟-数字转换器输出的数字信号中计算手指的相对位置；以及按键位置跟踪单元，用于利用临界值跟踪手指选定的按键的位置。
用户手指的第一预定部分是从指尖数的第三关节，第二预定部分是从指尖数的第一或第二个关节。
另外，信息输入项包括字符、数字和符号。
距离检测单元可以以环形物或手套的形式戴在用户手指上。
可将反射传感器或超声波传感器用作距离检测单元。
在利用反射传感器作为距离检测单元时，优选的是让信号处理单元包括补偿单元，该单元能对表示反射传感器所测距离的信号中的自然光进行补偿。
另外，信号处理单元包括手指位置计算单元，该单元能通过距离检测单元测得的距离计算手指的相对位置；以及位置跟踪单元，它利用临界值来确定算得的手指相对位置与多个信息输入项中的任何项对应。
优选的是可根据用户意图调节该临界值。
信息输入装置进一步包括加速度检测单元，它能检测用于确定所选信息输入项的输入的加速度。
根据本发明的再一方面，信息处理装置包括：信息处理单元；以及能戴在用户手上的信息输入单元，该单元包括距离检测单元和信号处理单元，所述距离检测单元能利用一个基于手指的弯曲程度产生手指预定部分间距离变化的距离传感器根据用户手指的弯曲程度来检测用户手指的第一预定部分和第二预定部分之间的距离变化，所述信号处理单元能确定并处理源自距离检测单元所测距离的信息输入项。其中，该信号处理单元包括：放大与滤波单元，用于放大和滤波从所述距离传感器接收的电信号；模拟-数字转换器，用于将从该放大与滤波单元输出的模拟信号转换成数字信号；手指位置计算单元，用于从该模拟-数字转换器输出的数字信号中计算手指的相对位置；以及按键位置跟踪单元，用于利用临界值跟踪手指选定的按键的位置。
信息处理单元进一步包括映射(mapping)单元和临界值调节单元，所述映射单元把位置跟踪单元确定的信息输入项映射为能输出到输出装置的数值，所述临界值调节单元能使用户通过用户界面设定预期的临界值。
信息处理装置包括计算机、个人数字助理(PDA)和蜂窝式电话。
根据本发明的再一方面，提供了一种信息输入方法，它包括：根据用户手指的弯曲程度检测用户手指的一个预定部分与另一预定部分之间的距离变化；以及利用所测距离确定信息输入项的选择。
附图说明
通过参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，将使本发明的上述目的和优点变得更加显明，其中：
图1是解释依据现有技术利用手指的弯曲程度向计算机输入信息的示意图；
图2是解释依照本发明利用根据手指的弯曲程度而变化的距离向计算机输入信息的示意图；
图3是依照本发明的信息处理装置例子的示意图；
图4a是图3的信息处理装置中包括的信息输入装置例子的示意图；
图4b是戴有图4a的信息输入装置的用户手的背面的示意图；
图4c是戴有图4a的信息输入装置的用户手的手掌的示意图；
图5在依照本发明的信息输入装置中所含传感器例子的示意图；
图6a是安装图5传感器的位置例子的示意图；
图6b是安装图5传感器的位置例子的另一示意图；
图7是图5距离传感器的详细电路图；
图8是根据手指的弯曲程度来表示距离变化的电压曲线图；
图9a是根据本发明的信息处理系统例子的示意图；
图9b是根据本发明的另一信息处理系统例子的示意图；
图10是根据本发明的信息处理系统的示意结构方框图；
图11是根据本发明的信息处理系统的另一示意结构方框图；
图12是用于调节临界值的用户界面的示意图；
图13是根据本发明的信息输入过程例子的流程图；以及
图14是根据本发明的另一信息输入过程例子的流程图。
具体实施方式
图2表示根据手指弯曲程度的距离变化，标号210表示手指的第一关节和第二关节之间的距离，标号220表示手指的第二关节和第三关节之间的距离。距离210和距离220之间的距离d根据手指弯曲程度而改变。如果手指大幅弯曲，也就是说，如果距离210和220之间的角度θ1很小，那么手指的距离210和220之间的距离d1就很短。如果手指小幅弯曲，也就是说，如果距离210和220之间的角度θ3很大，那么距离210和220之间的距离d3就很长。
利用根据手指弯曲程度而发生的距离变化来选择键盘类按键输入装置的按键。也就是说，每个手指都对应于键盘按键排列中的一列，利用根据手指弯曲程度而发生的距离变化从选定列中选择一行。例如，在图2中，利用距离210和220之间的距离d3从特定列中选出第一行，利用距离d2从特定列中选出第二行，利用距离d1从特定列中选出第三行。
在利用手指的第一关节和第二个关节描述本发明时，只要关节间的距离能根据手指的弯曲程度而变化，就可以利用手指的任何关节。因此，本领域的技术人员可以理解的是，能够利用第一关节与第三关节之间的距离或第二关节与第三关节之间的距离来选择键盘上的所有按键。
参照图3描述一种信息处理装置。图3的信息处理装置包括具有传感器300的检测单元310、信号处理单元320和计算机330。
表示用户手指的预定部分之间距离的电信号被传送到信号处理单元320。由传感器300检测预定部分之间的距离。信号处理单元320将从传感器300接收的电信号处理为输入计算机按键的信息信号，并将该信息信号发送到计算机330。然后，计算机330将接收的信息信号映射为键盘的按键值，通过输出装置输出该按键值。虽然图3中示出的是计算机，但可以应用任何能处理信息并通过输出装置输出该信息的装置来代替计算机。例如，可以使用PDA(个人数字助理)、蜂窝式电话和便携式终端。
参照图4A到图7描述图3信息处理装置中所包含的检测单元310。
图4A表示用于检测根据手指弯曲程度而产生的距离变化的检测单元310的例子。
将检测单元310戴在用户手指的第一关节和第二关节之间的第一部分。距离传感器300安装在检测单元310上，用以检测图2的上述距离d。在利用用户的手表示距离传感器300的位置时，将距离传感器300安装在内部，即，用户手指第一部分的手掌侧。在按上述方式佩戴距离传感器300的情况下，实际上，检测的是戴在第一部分上的距离传感器与介于第二关节和第三关节关节之间第二部分之间的距离d。
图4B和4C表示将检测单元310戴在用户手指上的例子。图4B表示在用户食指的第一部分上戴有检测单元310的手背。图4C表示在用户食指的第一部分上戴有检测单元310的手掌。为了精确地测量出戴在第一部分上的距离传感器300与第二部分之间的距离，优选的是让距离传感器300位于用户手掌一侧的手指第一部分的中央。
图5是一个距离检测装置例子的结构图，也就是说，图3所示的传感器300。传感器300包括加速度传感器301、距离传感器302和印刷电路板306。加速度传感器301安装在印刷电路板306的上表面上。当用户手指移动时，加速度传感器301检测加速度，并作为例如“轻敲(click)”那样的信息输入的传感器。距离传感器302安装在印刷电路板306的下表面上。当用户手指移动时，距离传感器302测量指关节间的距离变化，并用作信息选择传感器。虽然图5仅示出了加速度传感器301和距离传感器302的结构的例子，但也可以使用其他配置。
例如，虽然加速度传感器301和距离传感器302是按图5所示的那样一体形成的，但也可以象图6A中那样，将加速度传感器301设置在检测单元310上部，将距离传感器302设置在检测单元310下部。另外，如图6B所示，可将加速度传感器301和距离传感器302设置在检测单元310的下部。虽然可以使用任意配置，但优选的是使用图6A的配置来改善加速度传感器301的加速度检测效果。
下面，参照图7描述距离传感器302。
可将能够测量距离的任意传感器用作距离传感器302。例如，可以使用反射传感器或超声波传感器。
图7的反射传感器302包括光发射器件303和光接收器件304。反射传感器302的工作原理是，由于反射传感器302与物体305相互作用产生的光发射信号的变化引起光电接收器中的电信号变化(未示出)。图7中，将物体305称为用户手指。如果光是从发射装置303输出，那么该输出光受到物体305的反射，它们入射到光接收器件304上。在此，传感器302与物体305之间的距离越长，入射到光接收器件304上的辐射量就越少。另外，传感器302与物体305之间的距离越小，入射到光接收器件304上的辐射量就越大。
根据反射传感器的原理，如果用户弯曲手指来选择信息，那么指关节的角度就会根据手指的弯曲程度而改变，于是就改变了传感器与手指间的距离。手指的弯曲程度越大，传感器接收到的辐射量就越大。结果，传感器的信号变得更大。另外，手指的弯曲程度越小，传感器接收的辐射量就越小。结果，传感器的信号变得更小。通过利用这种辐射量的变化，就能测量手指的弯曲程度。
可将超声波传感器302用作距离传感器的另一例子。超声波传感器302的原理是，如果超声波传感器向物体发出超声波脉冲，可通过接收物体反射回来的超声波识别物体。传感器与物体之间的距离信息可利用多普勒效应来获得。在本发明中，可将能转换或反射的距离测量超声波传感器用作超声波传感器。
参照图8，利用距离传感器测得的距离来描述选择信息输入项的原理。利用一个预定电压作为表示距离传感器所测距离的信号。也就是说，关节之间的距离根据手指的弯曲程度而改变，电压根据该距离的变化而改变。如果表示用户手指的预定关节上安装的传感器与其他关节之间的距离的电压介于临界电压1(810)和临界电压2(820)之间，就选择键1。另外，如果该电压介于临界电压2(820)与临界电压3(830)之间。就选中键2，如果该电压介于临界电压3(830)与临界电压4(840)之间。就选中键3。将选中的键1、2和3映射为计算机按键输入装置的按键值。
键1、2和3与键盘或小键盘的一列键相对应，利用它们从选定列中选择对应的行。也就是说，每个手指都对应于特定列，利用因每个手指的移动产生的距离变化从特定列中选择出一行。
如图9A所示，在检测单元910、920、930、940和950戴在所有5个手指上的情况下，可选择键盘中的5列。如果将每个手指的弯曲程度分成三步，就能从每一列中选出三行。虽然图9A中将用于接收检测单元910-950测得的距离信号并处理该信号的信号处理单元960安装在用户的手背上，但也可以将它安装在用户手背之外的其他位置。为了方便起见，可将信号处理单元安装在用户手腕上。
如图9B所示，由于蜂窝式电话331的小键盘只有三列，因此可将检测单元910、920和930戴在三个手指上，按键可从这小键盘中选取三列。
参照图10，其描述了根据本发明的信息输入与处理装置的例子。
图10的信息输入与处理装置包括检测单元1000、信号处理单元1010，计算机1020和输出装置1030。
检测单元1000包括：能检测因手指移动产生的加速度的加速度传感器1001，检测基于手指的弯曲程度产生的手指预定部分间距离变化的距离传感器1002。
现在用示意图描述加速度传感器1001处理诸如“轻敲”之类的信息输入的过程。表示因用户手指移动产生的加速度的信号是数字信号，其中所述信号由加速度传感器1001测得，将该数字信号输入信号处理单元1010。信号处理单元1010通过判断该数字信号是否超过预定临界值来判断该信号是否与信息输入对应。通过将上述结果表示成1或0发送到计算机来输入来自加速度传感器的信息。对本发明而言，由于处理信息输入的过程不是主要的，且可按上述方式用简单的信号程序来实现该处理过程，因此将省略对它们的描述。
信号处理单元1010包括：放大与滤波单元1011，它能放大和滤波从距离传感器1002接收的表示距离的电信号；模拟-数字转换器(ADC)1012，它将从放大与滤波单元1011输出的模拟信号转换成数字信号；手指位置计算单元1013，它利用从ADC1012输出的数字信号计算手指的相对位置；以及按键位置跟踪单元1014，虽然手指位置计算单元1013已经输出了手指的相对位置，但跟踪单元还要利用临界值跟踪手指选定的按键的位置。
下面更详细地说明手指位置计算单元1013的操作，例如，如果根据手指弯曲程度的距离变化从值10到值150，那么手指位置计算单元1013就计算出从ADC1012接收的信号存在于值10到值150的区间中的任意点。
从手指位置计算单元1013接收算得的手指相对位置的按键位置跟踪单元1014利用图8所示的临界值，跟踪手指选定的键的位置。将手指的相对位置表示为图8图表中的电压曲线。如图8所示，传感器与手指间的距离越长，电压就越高。传感器与手指间的距离越短，电压就越低。本领域的技术人员可以理解的是，实际上，传感器与手指间的距离越短，电压就越高，也就是说，真实信号越高。但是，图8的结果是在计算位置时为了方便程序编码而通过位移真实信号得到的。
如果电压介于临界值1(810)与临界值2(820)之间，就选中按键1，如果电压介于临界值2(820)与临界值3(830)之间，就选定按键2，如果电压介于临界值3(830)与临界值4(840)之间，就选中按键3。本领域的技术人员可以理解的是，可根据按键输入装置适当修改临界值数量或临界值之间的间隔。将按键位置跟踪单元1014跟踪的按键位置发送到计算机内包括的映射单元1021。从信号处理单元1010发送到计算机1020的信号不仅包括由距离传感器1002测得的手指移动信息，而且包括由加速度传感器1001测得的轻敲信息。
映射单元1021将从按键位置跟踪单元1014接收的按键逻辑位置映射为实际计算机的按键输入装置的物理按键值，将该值发送到输出装置1030。在此，必需将加速度传感器测得的信号看作是信息输入信号。
虽然在制造过程中将临界值1015设置成基本值，由于手的大小和手指尺寸因用户而不同，将临界值设为基本值的措施不见得对所有可能的用户都合适。为了补足该缺陷，在图11中示出了能调节临界值的信息输入装置的结构。
图11中，信号处理单元1110包括放大与滤波单元1111，ADC1122以及手指位置计算单元1113。计算机1120包括按键位置跟踪单元1121，临界值调节单元1124和映射单元1122。图11的配置与图10配置的区别在于，图11的结构还包括临界值调节单元1124，将按键位置跟踪单元1121含在计算机1120中。但是，信息输入和处理装置的改进并不局限于此。例如，可将按键位置跟踪单元1121和临界值调节单元1124包括在信号处理单元1110中。
因为临界值调节单元1124包括图12所示的图解式用户界面1200，用户能调节临界值。
在图解式用户界面1200的左边显示了键盘配置1210，在右边显示了用户用来选择预期输入装置或设定临界值的窗口1220。
在键盘配置1210中，a-b-c与j-k-l通过TH_1来划分，j-k-l与p-q-r通过TH_2来划分，p-q-r和Caps通过TH_3来划分。例如，当用户重设临界值来区分最左边一列按键设置1210的按键时，用户选择最左边一列的按键设置1210，并向窗口1220的“用户按键位置”部分输入预期临界值。然后，用户利用真实的按键输入装置输入该按键。如果预期按键能输到输出装置，那么用户设置的设定临界值就是合适的。否则，如果设定的临界值不合适，用户就必须重新设定临界值。利用上述简易方法，用户能设定出适合用户的手或手指的临界值。
图13表示图10所示信号处理单元的操作流程。
信号处理单元1010从距离传感器1002接收电子模拟信号。放大与滤波单元1011放大并滤波接收到的信号，借以去除噪声(S1310)。通过ADC1012将去掉噪声后的信号从模拟信号转换为数字信号(S1330)。手指位置计算单元1013利用转换后的数字信号计算手指的相对位置(S1340)。接着，按键位置跟踪单元1014利用临界值跟踪按键位置(S1350)。将被跟踪的按键位置输到计算机中(S1360)。
参照图7，距离传感器302的光接收器件304接收由光发射器件303发出并被用户手指反射的光。该情况下，由于光接收器件304不仅接收从光发射器件输出的光，而且还接收自然光，因此光接收器件接到的辐射量与基于用户手指的弯曲程度得到的辐射量不同。图14示出了能补偿该误差的方法。
信号处理单元1010中包括的微处理器(未示出)按规则间隔驱动距离传感器的光发射器件(S1410)。然后，信号处理单元从距离传感器1002的光接收器件接收到电子模拟信号(S1420)。放大与滤波单元1011放大并滤波接到的信号，借以去除噪声(S1430)。将信号发送到ADC1012，并通过ADC1012将该信号由模拟信号转换成数字信号(S1440)。图10中未示出的补偿单元对转换数字信号中的自然光进行补偿，并实施线性化过程(S1450)。进行该补偿的原因在于，在驱动光发射器件时会接收到基于手指弯曲的光和自然光，但在不驱动光发射器件时仅能接收到自然光。接着，手指位置计算单元1013基于补偿过的信号计算手指的相对位置(S1460)。按键位置跟踪单元1014利用临界值跟踪按键位置(S1470)。将被跟踪的按键位置输到计算机中(S1480)。
尽管本发明仅描述了可戴在用户手上的信息输入装置，但也可将信息输入装置安装在用户手之外的任何部分，只要该部分能够弯曲并能通过其弯曲程度检测距离就可以。
虽然参照本发明的优选实施例示出并描述了本发明，但本领域的普通技术人员可以理解的是，在不脱离本发明所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以作出各种形式和细节的变化。

Claims (17)

1.一种能戴在用户手上的信息输入装置，它包括：
距离检测单元，其利用一个基于手指的弯曲程度产生手指预定部分间距离变化的距离传感器，根据用户手指的弯曲程度检测用户手指的一个预定部分与另一预定部分之间距离的变化，
信号处理单元，它对距离检测单元测得的距离变化进行处理，用以确定对信息输入项的选择，该信号处理单元包括：
放大与滤波单元，用于放大和滤波从所述距离传感器接收的电信号；
模拟-数字转换器，用于将从该放大与滤波单元输出的模拟信号转换成数字信号；
手指位置计算单元，用于从该模拟-数字转换器输出的数字信号中计算手指的相对位置；以及
按键位置跟踪单元，用于利用临界值跟踪手指选定的按键的位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中用户手指的预定部分是介于指尖与第三关节之间的部分，另一预定部分是介于指尖与第一关节或第二关节之间的部分。
3.根据权利要求1所述的装置，其中信息输入项包括字符、数字和符号。
4.根据权利要求1所述的装置，其中可将距离检测单元以环形物的形式戴在用户手指上。
5.根据权利要求1所述的装置，其中可将距离检测单元以手套的形式戴在用户手指上。
6.根据权利要求1所述的装置，其中距离检测单元是反射传感器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中信号处理单元包括补偿单元，它能对表示反射传感器测得距离的信号中的自然光进行补偿。
8.根据权利要求1所述的装置，其中距离检测单元是超声波传感器。
9.根据权利要求1所述的装置，其中临界值可根据用户意图调节。
10.根据权利要求1所述的装置，其还包括加速度检测单元，它能检测用于确定所选信息输入项的输入的加速度。
11.一种信息处理装置，它包括：
信息处理单元；以及
信息输入单元，它能戴在用户的手上，该单元包括：
距离检测单元，它利用一个基于手指的弯曲程度产生手指预定部分间距离变化的距离传感器，根据用户手指的弯曲程度检测用户手指的一个预定部分与另一预定部分之间距离的变化；以及
信号处理单元，它对距离检测单元测得的距离变化进行处理，用以确定对信息输入项的选择，该信号处理单元包括：
放大与滤波单元，用于放大和滤波从所述距离传感器接收的电信号；
模拟-数字转换器，用于将从该放大与滤波单元输出的模拟信号转换成数字信号；
手指位置计算单元，用于从该模拟-数字转换器输出的数字信号中计算手指的相对位置；以及
按键位置跟踪单元，用于利用临界值跟踪手指选定的按键的位置。
12.根据权利要求11所述的装置，其中用户手指的预定部分是介于指尖与第三关节之间的部分，另一预定部分是介于指尖与第一关节或第二关节之间的部分。
13.根据权利要求11所述的装置，其中可将距离检测单元以环形物的形式戴在用户手指上。
14.根据权利要求11所述的装置，其中可将距离检测单元以手套的形式戴在用户手指上。
15.根据权利要求11所述的装置，其中信息处理单元还包括映射单元，它能将位置跟踪单元确定的信息输入项映射成能输到输出装置中的数值。
16.根据权利要求11所述的装置，其中信息处理单元还包括能通过用户界面调节临界值的临界值调节单元。
17.根据权利要求11所述的装置，其中信息处理单元是计算机、个人数字助理与蜂窝式电话之一。
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