CN1244857C - 一种新型可用于电脑输入的多自由度信号输入装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可用于电脑输入的多自由度信号输入装置。包括有：a)可在某一平面内平移的移动体(34)；b)一个可与移动体集成的输入元件A；c)检测移动体的位移信号作为定位控制信号的检测元件B；d)输入端与检测元件连接、输出端与电脑连接的信号处理装置46；e)移动体不受其它外力时将移动体从位移后的位置返回到原点位置的复位元件C。本发明还可包括有可绕某一点转动的转动体D及检测转动体转动的检测元件F，本发明可以提供多达六个自由度的输入信号，而且只需用手指便可完成全部操作。其尺寸小，符合人体工程学原理，易于操控，可提供手掌支撑和手感反馈，长期操作不易疲劳；可以在不切换手指的情况下同时进行“指向”和“点击”的操作。

Description

一种新型可用于电脑输入的多自由度信号输入装置

1、技术领域：

本发明是一种可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，特别是一种用手指操作的多自由度信号速控电脑输入装置，属于电脑输入装置的创新技术。

2、背景技术：

定位设备是现代图形用户界面电脑系统中广泛采用的输入设备。定位设备将操作员的输入动作转换成电子控制信号。操作员的输入动作可以有多种形式，例如移动的距离，力量的大小，或者作用时间的长短等等。定位设备的输出信号可以分成两大类：“定位信号”和“非定位信号”，其对应于通常鼠标操作的“指向”和“点击”。定位信号(“指向”)用来控制受控目标(如光标或者机器人)的位置，非定位信号(“点击”)则用来选择或者改变受控目标的属性。

常见的定位设备有鼠标器和指点杆(指针杆)。图1显示了一个常见的用鼠标器作为定位设备的计算机系统。定位信号由移动鼠标器22产生。该信号用来控制屏幕14上的光标16的位置。与此同时，非定位信号由点击按钮24产生。该信号可用于选择屏幕上的图标或菜单中的选项。

图1中小写x，y，z轴表示的坐标系18叫做“输入空间”。大写X，Y，Z轴表示的坐标系20叫做“输出空间”。图中，定位设备(鼠标器22)操作于输入空间之中。而受控目标(光标16)则是在输出空间(屏幕14)移动。从某种意义上讲，鼠标器是光标在另一空间的行为代理，就是说鼠标器在输入空间18的移动对应地被反映到光标在输出空间20的移动中。当用二维显示设备(如一般的屏幕)来表现三维目标的移动时，目标沿Z轴的移动一般可以用放大或缩小目标在Z轴的投影来表现。

对受控目标而言，共有六个自由度可以由定位设备输入的信号来控制。其中三个自由度是目标沿X，Y，Z轴的平移，另外三个自由度是目标沿X，Y，Z轴的旋转。每一个自由度需要定位设备提供一路控制信号，而这些控制信号的强弱则反映了操作者输入的强度。举例来说，输入的强度可以是鼠标器移动的距离或者是手压在操纵杆上的压力。

就定位控制信号对某一自由度的控制方式而言，定位设备又可分为“位控”和“速控”两种。位控定位设备用信号的强弱来控制目标在该自由度的位移，而速控定位设备用信号的强弱来控制目标在该自由度的速度。无论是位控定位设备还是速控定位设备，输入输出的转换可以是线性的，也可以是非线性的。常见的位控定位设备有鼠标器。鼠标器必须在平坦的桌面上操作，因而不适于与便携电脑集成。另外，当移动光标通过较长屏幕距离时，有时不得不反复地滑动鼠标，这样容易造成手的疲劳。

常见的速控定位设备有指点杆。和鼠标器相比，指点杆底部安装在固定的基础上，占的地方比较小，可以装在便携电脑上。移动光标通过较长距离时，指点杆控制光标在某一方向的移动速度而不是距离，不需要反复地滑动。但是，指点杆操作起来也有缺点。指点杆的操作部份是一个小棍，由于小棍的顶端一般很小，由手指来操作时，手指不易控制它。同时，当手指操作小棍时，手掌没有支撑，容易造成疲劳。再有小棍的顶端很小，不可能加装按钮。为了产生非定位信号，按钮必须安装在别的地方。这样意味着手指必须在按钮和小棍之间来回切换才能完成定位信号和非定位信号的输入。

为了解决上述问题，美国专利号为6,121,954中公开了一种改进的速控指点器，该指点器在指点杆的底端装有一个传感器。该传感器对于杆在z轴的移动产生感应信号，该感应信号可以用来模拟按钮的选择信号，因而该指点器能同时完成定位信号和非定位信号的输入而无需额外加装按钮。然而，由于一个指点杆只能触发一个z轴的传感器，该指点器只能模拟一个按钮。换句话说，该指点器不适用于需要多个按钮输入的系统，也无法区分左键与右键。

美国专利号为6,326,948中公开了另一种有z轴传感器的指点器，该专利建议把由z轴传感器产生的信号来控制目标在Z轴的移动。但其专利中的z轴传感器只能对手指向下压起反应，而不能对手指向上提起反应。这样，操作员只能控制目标往Z轴的一个方向上移动。

美国专利号为6,246,391中公开了另一种速控输入装置。该装置是一个小球通过弹簧挂在一个框架上。操作员在输入空间中转动或移动小球来控制目标在输出空间的运动。该装置的体积相当大，并且需要较大的空间来操作，因而不适合集成于便携电脑中。该装置提到可以在小球上装上按钮，从而让操作员能同时完成定位信号和非定位信号的输入。然而，操作员必须用几个手指捏住球，另几个手指来按按钮，才能让操作员能同时完成定位信号和非定位信号的输入。换句话说，该装置不能用同一手指同时进行定位和按钮的操作，因而不够有效。另一方面，该装置的设计缺乏人体工程学考虑，比如说操作时手一直悬空而没有倚靠，容易造成疲劳。

还有一个美国专利申请号为2002/0,039,093中公开的输入装置，该装置实质上是将一个鼠标器安在指点杆上。与美国专利号为6,246,391中公开的速控输入装置相似，由于缺乏特殊的结构设计，用同一手指同时进行定位和按钮的操作将十分困难。另外，该装置只能控制目标在两个自由度的移动。

综上所述，一般的定位设备只能提供两个自由度的控制信号，也不能方便有效地用手指同时进行“指向”和“点击”的操作。现有的提供多个自由度的控制信号的设备一般很复杂，制作成本很高。其中一些用起来也不很方便。如美国专利号为4,811,608中公开的就是一个复杂的多自由度定位设备。

3、发明内容：

本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种可以提供多达六个自由度的输入信号，而且只需用手指便可完成全部操作的新型可用于电脑输入的多自由度信号输入装置。本发明尺寸小，符合人体工程学原理，易于操控，可提供手掌支撑和手感反馈，长期操作不易疲劳；可以在不切换手指的情况下同时进行“指向”和“点击”的操作。本发明设计巧妙，结构简单，操作方便，制造成本低廉。

本发明的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其结构示意图如附图所示，包括有：

a)可在某一平面内平移的移动体(34)；

b)至少一个与移动体集成的输入元件A；

c)检测移动体的位移信号作为定位控制信号的检测元件B；

d)输入端与检测元件连接、输出端与电脑连接的信号处理装置46；

e)移动体不受其它外力时将移动体从位移后的位置返回到原点位置的复位元件C。

其中移动体(34)置于不动的基体(32)上，复位元件C连接在移动体(34)与基体(32)之间，检测元件B位于移动体(34)与基体(32)之间，信号处理装置(46)的输入端分别与输入元件A和检测元件B连接，输出端通过输出电缆(36)与电脑信号处理单元连接。

上述输入元件A可为按钮、滚轮、压敏元件、触控板、微型轨迹球或微型指点杆；上述复位元件C可为复位弹簧(48)、也可为弹性杆、橡皮筋、弹性充填料，或是磁性材料；上述检测元件B包括有压敏传感器(38)和橡皮边(44)，或检测元件B为触控板。

上述输入元件A是按钮(52)，且按钮(52)的上方有可供手指同时移动移动体和操作开关按钮的操控机构。

上述操控机构可为防滑的橡皮层(76)，也可为按钮盖(26)，按钮(26)的顶端分别设有一个大小可由手指尖嵌入的凹槽(28)。

上述移动体(34)与基体(32)之间设有可减小摩擦力的减摩结构E；移动体(34)做成块状。

上述移动体(34)还可绕某一与其平移平面垂直的轴线转动，上述检测元件B还可包括有检测移动体转动的旋转式变阻器(56)和相应的旋杆(60)，旋杆(60)的下端固定在旋转式变阻器(56)上，上端经孔(58)穿过基体(32)支撑面(66)插入移动体(34)底部、直径比旋杆(60)稍大的小孔(61)中，且旋杆(60)的顶端通过定位销(62)连接到移动体(34)上，信号处理装置(46)的输入端还与变阻器(56)连接。

本发明可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于包括有：

a)可在平面内移动的移动体(34)；

b)可转动的转动体D；

c)检测移动体移动、且产生至少两路定位控制信号的检测元件B；

d)检测转动体转动、且产生至少两路定位控制信号的检测元件F；

其中移动体(34)置于不动的基体(32)上，检测元件B位于移动体(34)与基体(32)之间，检测元件F与转动体D连接。

本发明可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于还包括有在移动体不受其它外力时将移动体从位移后的位置返回到原点位置的复位元件C，复位元件C连接在移动体(34)与基体(32)之间。

上述移动体(34)的移动包括在平面内的平移和绕与其平移平面垂直的轴线转动，且检测元件B产生三路定位控制信号。

上述转动体D绕某一点的转动包括绕x，y，z轴的旋转，且检测元件F产生三路定位控制信号。

上述转动体D可集成在移动体(34)上，也可不集成到移动体(34)上。

上述移动体(34)做成块状，转动体D是轨迹球(96)，检测元件B包括压敏传感器(38)和旋转式变阻器(56)和相应的旋杆(60)；或检测元件B是触控板(82)和相应的触点笔，检测元件F包括多个滚动编码器(98)，复位元件C包括弹簧(48)。

本发明与现有电脑输入装置相比，具有以下优点：

1、本发明可以与各类输入元件集成，其中包括，但不限于滚轮，压敏传感器，触控板，微型轨迹球，微型指点杆等等；

2、本发明尺寸小、薄，而且只需用手指便可完成全部操作，特别适合集成到便携式电脑上；

3、本发明可以提供多达六个自由度的输入信号；

4、本发明简捷高效，可以在不切换手指的情况下同时进行“指向”和“点击”的操作；

5、本发明符合人体工程学原理，易于操控，可提供手掌支撑和手感反馈，长期操作不易疲劳；

6、本发明的各部份零件可灵活地搭配，且大部份零件可以在市场上直接获得，因而制造成本低廉；

7、本发明是速控指点设备，只需很小的操作空间。因而它适合被用在空间狭小的环境中。

4、附图说明：

图1为计算机系统与常规鼠标器连接的示意图；

图2为本发明实施例1的透视图；

图3为图2中的2-2剖视图；

图4为图2中的3-3剖视图；

图5为本发明实施例1在一只手操作下的透视图；

图6A～6B为本发明实施例1的移动体在操作下的各个位置的示意图；

图7A～7C为本发明实施例1手指操控结构的局部放大的剖视图；

图8为本发明实施例2的透视图；

图9为图8中的8-8剖视图；

图10为图8中的9-9剖视图；

图11A～11B为本发明实施例2移动体在操作中位置改变后在触控板上产生的感应轨迹示意图；

图12为本发明实施例3移动体集成有一个滚轮和两个按钮的透视图；

图13为本发明实施例4移动体集成有一个微型轨迹球和两个按钮的透视图；

图14A为常规轨迹球采用两个滚动编码器来感应轨迹球在两个旋转自由度的位置变化的示意图；

图14B为本发明实施例4中轨迹球采用三个滚动编码器来感应轨迹球在三个旋转自由度的位置变化的示意图。

5、具体实施方式：

实施例1：

本发明的结构示意图如图2、3、4所示，包括有：

a)可在某一平面内平移的移动体34；

b)至少一个与移动体集成的输入元件A；

c)检测移动体的位移信号作为定位控制信号的检测元件B；

d)输入端与检测元件连接、输出端与电脑连接的信号处理装置46；

e)移动体不受其它外力时将移动体从位移后的位置返回到原点位置的复位元件C。

其中移动体34置于不动的基体32上，复位元件C连接在移动体34与基体32之间，检测元件B位于移动体34与基体32之间，信号处理装置46的输入端分别与输入元件A和检测元件B连接，输出端通过输出电缆36与电脑信号处理单元连接。

上述输入元件A可为按钮、滚轮、压敏元件、触控板、微型轨迹球或微型指点杆；上述复位元件C可为复位弹簧48、也可为弹性杆、橡皮筋、弹性充填料，或是磁性材料；上述检测元件B包括有压敏传感器38和橡皮边44，或检测元件B为触控板。

本实施例中，上述移动体34做成块状，移动体34置于基体32的内腔中，移动体34与基体32之间留有间隙30，移动体34可以在间隙30中移动，移动体34的侧面42环绕着一圈弹性橡皮边44，检测元件B包括有检测移动体平移的若干个压敏传感器组38和环绕在移动体34的侧面42的一圈弹性橡皮边44，若干个压敏传感器38均匀地分布在与橡皮边44相对的基体32的内壁40上，移动体34的上表面开有若干个圆槽68，输入元件A为设置在圆槽68内的按钮52，按钮52的顶端分别设有可供手指同时移动移动体和操作开关按钮的操控机构，若干个复位元件C连接在移动体34与基体32之间，将移动体34和基体32连在一起，信号处理装置46装在基体42的底部，信号处理装置46的输入端分别与压敏传感器38和按钮52连接，输出端通过输出电缆36与电脑信号处理单元连接。本实施例中，上述移动体34做成碟型，基体32做成碗型，碟型移动体34置于碗型基体32的内腔中，且移动体34做成扁平块状，其宽度可等于或大于其平均高度，且其上表面基本平坦。另外，移动体34的上表面开有两个圆槽68A、68B，输入元件A为设置在两个圆槽68A、68B内的两个按钮52A、52B，按钮的顶端分别设有可供手指同时移动移动体和操作开关按钮的操控机构，如图2所示。

上述操控机构可为防滑的橡皮层76，如图7B所示，也可为按钮盖26，按钮盖26的顶端分别设有一个大小可由手指尖嵌入的凹槽28。本实施例中，两个按钮52A、52B的顶端分别设有两个按钮盖26A、26B，按钮盖26A、26B的顶端分别设有一个大小可由手指尖嵌入的凹槽28A、28B，如图2、3、4所示。

上述凹槽28的斜壁表面72上做出有增加摩擦力的防滑粗糙纹路，或按钮盖26由防滑的材料制成。本实施例中，凹槽28的斜壁表面72做出有增加摩擦力的防滑粗糙纹路。

上述移动体34与基体32之间设有可减小摩擦力的减摩结构E，本实施例中减摩结构E为滚珠轴承50，其设在移动体34与基体32之间的支撑面66上，本实施例中，移动体34与基体32之间的支撑面66设有两个滚珠轴承50A、50C，如图3所示。

本实施例中，复位元件C为连接在移动体34与基体32之间，将移动体34和基体32连在一起的若干个复位弹簧48A～48H，图4显示压敏传感器38包括有8个，分别为压敏传感器38A～38H，多个压敏传感器38A～38H均匀地分布在基体32的内壁40上，多个复位弹簧48A～48H组成的复位元件通过间隙30将移动体34和基体32连在一起。当移动体34相对基体32平移或旋转时，弹簧48会被相应地拉伸或压缩，这样就产生一个将移动体34往回拉的回复力。这种回复力也给下面将要描述的操作中的手指提供感觉反馈。

为能实现对z轴自由度的控制信号输入，上述移动体(34)还可绕某一与其平移平面垂直的轴线转动，以实现3个自由度的控制信号输入，与此相对应，上述检测元件B还包括有检测移动体转动的旋转式变阻器56和相应的旋杆60，旋转式变阻器56焊在印制线路板46的中间，旋杆60的下端固定在旋转式变阻器56上，上端经孔58穿过基体32支撑面66插入移动体34底部、直径比旋杆60稍大的小孔61中，且旋杆60的顶端通过定位销62连接到移动体34上，信号处理装置46的输入端还与变阻器56连接，输出端通过输出电缆36与电脑信号处理单元连接。

图3显示变阻器56的电阻可由转动旋杆60来控制，由于小孔61的直径比旋杆60稍大，因而旋杆60在必要时可以垂直地在小孔61中滑动，加上旋杆60有弹性可以弯曲，使旋杆60不致影响移动体34的水平移动。另外，由于旋杆60顶端的定位销62将移动体34的转动传递到变阻器56，从而达到调节电阻的目的。信号处理装置46负责采集和处理压敏传感器38，变阻器56和按钮52产生的信号。

图5显示本实施例在操作过程中的状态，操作者的手70自然放松，拇指和无名指为支点按住基体32，食指和中指通过按钮盖26水平地推动移动体34。操作者也可以将食指和无名指放在钮盖26A、26B上，这时中指可以放在两个按钮盖26A、26B的中间来帮助推动移动体34。

上述移动体34的运动可以是平移也可以是旋转。图6A显示移动体34在某一方向平移的情况。由于移动体34的平移，致使橡皮边44压迫压敏传感器38。从图中看到，橡皮边44压迫传感器38D较重而产生较强的信号。橡皮边44对传感器38C和38E的压迫则较轻，产生的信号也就较弱。

由于输入力量的强度和方向通过移动体34的移动反映在传感器38感应的信号上，通过对各个传感器单元上产生的信号的测量就可以推算定位信号在x和y轴的强度。下面的公式(1)和公式(2)给出这样一个推算的例子：

(1)C1*M.x＝(-1)*(S1)+(-0.7)*(S2+S8)+0*(S3+S7)+0.7*(S4+S6)+1*(S5)

(2)C1*M.y＝(-1)*(S7)+(-0.7)*(S6+S8)+0*(S1+S5)+0.7*(S4+S2)+1*(S3)

公式中M.x和M.y是定位信号在x和y轴的强度。C1是调整系数。S1到S8是各个传感器单元上产生的有效信号。所谓“有效信号”是说这些信号是由橡皮边44压迫传感器38而产生的。这些信号可以与用力强度相关，也可以与用力时间长短相关。此外，本实施例的位移检测元件除采用上述的橡皮边和压敏传感器以外，还可以采用类似的相关检测元件。比如在移动体34的周围传感器38可以是电磁传感器或光传感器，而在移动体34上置入电磁发射源或光源。这样通过传感器上的感应信号也可检测移动体的移动。

图6B显示当手指顺时针转动移动体34的情况。从图3中已经知道，转动移动体34会改变变阻器56的电阻。这样转动输入的强度M.z可以从公式(3)算出：(3)C2*M.z＝R2-R1

公式中R1和R2是在移动体34转动之前和之后的变阻器的阻值。C2是调整系数。

信号处理装置46按照公式(1)，(2)和(3)对压敏传感器和变阻器上的信号进行处理，产生三路与M.x，M.y和M.z相关的控制信号。这三路控制信号可以用来控制受控目标在三个自由度上的移动。一般上说，这些控制信号最好用来控制受控目标在X，Y和Z轴移动的速度，因而本发明属于速控定位设备。

另外，由于要控制目标在X，Y和Z轴上双向的移动，控制信号M.x，M.y和M.z必须有正负之分。本发明利用检测移动体的顺时针和逆时针的转动来产生双极性信号，从而解决了控制信号M.x，M.y和M.z的正负之分。在本发明中，手指的向下按动被用来操作按钮而不是用来产生方向控制信号。

从上面的描述可以看出，本实施例中可同时产生多路定位信号与非定位信号。本实施例中将按钮集成在移动体上，并以特殊的手指操控结构让手指在无需切换的情况下同时进行两类信号的输入。

图7A～7C具体描述了在本实施例中的按钮集成与手指操控结构。图7A展示一个手指74如何操控按钮盖26来同时推动移动体34和按下按钮52。按钮盖26的顶部是凹槽28。凹槽28的斜壁表面72使得手指不用太往下按变可以水平用力推动移动体。凹槽28的斜壁表面72上的防滑纹路同样也起到帮助手指操控移动体34的作用。与此同时，按钮盖26还可以在圆槽68中垂直移动，这样手指就可以向下按触发按钮52。由于按钮52有预设的触发门限，按钮52不会在手指推动移动体时被错误地触发。

图7B展示另一个可以让手指同时推动移动体34和按动按钮52的方法。图中，手指操控的元件是一层防滑的橡皮层76。橡皮层76封住了装有按钮52的圆槽68的顶部。当手指轻压在橡皮层上时，橡皮层会稍微形变，手指和橡皮层之间的摩擦力使手指能水平地推动移动体。橡皮层76和按钮52之间的空隙78使得在橡皮层会稍微形变时，手不会错误地触发按钮52。此外，由于按钮52有预设的触发门限，按钮52不会被较小的压力错误地触发。但当需要时，手指可以较重地按在橡皮层上，通过橡皮层按动按钮52。

图7C展示一个结合上述两种结构(按钮盖26和橡皮层76)的手指操控结构。在这一结构中，橡皮层拉住按钮盖，较图7A的结构而言，使按钮52更不容易被错误地触发。橡皮层也帮助横向传力，使水平推动移动体更容易，可靠。

上述三种手指操控结构中不加修改地采用市场上标准的按钮。其实，为了让手指在无需切换的情况下同时进行定位信号与非定位信号的输入，也可以采用非标准元件。比如说，可以将按钮盖做成按钮的一部分。

从本实施例中可以看到，本发明完全由手指操作；可以控制目标在三个自由度的移动。本发明中的特殊的手指操控结构和集成的按钮可以让手指在无需切换的情况下同时进行定位信号与非定位信号的输入。

实施例2：

本发明的结构示意图如图8、9、10、11所示，上述移动体34置于基体32的上方，移动体34的上表面开有若干个圆槽68，输入元件A为设置在圆槽68内的按钮52，按钮52的顶端分别设有可供手指同时移动移动体和操作开关按钮的操控机构，若干个复位元件C连接在移动体34的底部与基体32的顶部之间，将移动体34和基体32连在一起，检测元件B为设置在移动体34与基体32之间、可在触点笔或手指的作用下用来检测移动体34的平移和转动的若干块触控板82，信号处理装置46装在基体42的底部，信号处理装置46的输入端与触控板82连接，输出端通过输出电缆36与电脑信号处理单元连接。

本实施例中，移动体34的结构与实施例1基本相同，也有一个可以在基体32上滑动的移动体34。不同之处在于本实施例并不采用压敏传感器组来检测移动体的平移，也取消了检测移动体的转动的旋转式变阻器和相应的旋杆。本实施例采用两片触控板82A、82B来检测移动体34的移动，两片触控板同时检测移动体34的平移和转动。信号处理装置46可以收集并处理触控板产生的信号。触控板属常规的定位元件。它的主要特点是在触点笔或手指的作用下，能通过感受触点的压力来给触点定位。

上述移动体34与基体32的支撑面66之间设有若干个可减小二者相对运动时的摩擦力的滚珠轴承50。滚珠轴承50可以使移动体34在基体32滑动时只有很小的摩擦力。本实施例中，上述移动体34与基体32的支撑面66之间设有四个滚珠轴承50A、50B、50C、50D，其中的两个滚珠轴承50A、50C分别置于两片触控板82A、82B上，起到触点笔的作用，如图9、10所示。

上述复位元件C可为复位弹簧、也可为弹性杆、橡皮筋、弹性充填料，或是磁性材料。本实施例中，复位元件C为连接在移动体34的底部与基体32的顶部之间、将移动体34和基体32连在一起的两个复位弹簧80A、80B，如图9所示。从图9中还可以看到，两个复位弹簧80A、80B的一端分别置于基体32所设的小孔84A、84B中，另一端支撑在移动体34上，弹簧80A、80B将移动体34的底部与基体32的顶部连接起来。

图10显示滚珠轴承50的四个滚珠50A、50B、50C、50D均匀分布在移动体34下。图中显示，在没有外力的情况下，移动体34处于一个中性的位置。这时两个触点滚珠50A、50C基本位于各自触控板的中间位置。

图11A显示移动体34在外力下产生一个位移。图中，触点滚珠50A和50C也从位置A′和B′移到位置A和B。这种位置移动被各触控板记录下来。

如在图11A中的两个放大图所示，第一个触控板82A记录下触点滚珠50A的位移A′A。第二个触控板82B则记录下触点滚珠50C的位移B′B。通过这两个位移可以推算出在x-y平面上定位信号的强度。公式(4)和公式(5)给出这样一个推算的例子

(4)C3*M.x＝A′A.x+B′B.x

(5)C3*M.y＝A′A.y+B′B.y

公式中M.x和M.y是沿x轴和y轴产生的定位信号的强度。A′A.x和B′B.x是位移AA′和BB′在x轴的投影(分量)；A′A.y和B′B.y是位移AA′和BB′在y轴的投影。C3是调整系数。

图11B显示移动体34顺时针转动的情形。在图中，触点滚珠50A从位置A′移动到位置A；触点滚珠50C从位置B′移动到位置B。经公式(6)可以推算由移动体转动产生的定位信号的强度M.z：

(6)C4*M.z＝R

公式中R是位移AA′和BB′间的夹角。C4是调整系数。

触控板一直以来被用作常规的位控指点装置。本发明创新地将触控板用在速控指点装置中。就是说，触控板被用来检测移动体的相对于某一固定原点的移动，移动的距离决定了产生的控制信号的强度。作为速控指点装置，控制信号的强度被用来控制目标在输出空间的速度。

此外，在本实施例中，也可只用一片触控板就可以实现对两个触点滚珠的检测。

另外，在本实施例中，除了上述的触点滚珠加触控板的方法以外，也可以用光源在光敏元件上扫描来检测移动体的位移。其它的位移检测技术，像模式识别，电磁偶合等等，都可以用在本实施例中。

本实施例的使用方式与实施例1相同。

实施例3：

本发明的结构示意图如图12所示，上述按钮52的旁侧、移动体34上还集成有滚轮94，滚轮94滚动产生的信号可以用来卷动文件窗内的文件。滚轮94与一般的滚轮鼠标(如微软的IntelliMouse)上的滚轮相似。使用时，食指和无名指操作按钮盖26，中指则滚动滚轮。滚轮滚动产生的信号可以用来卷动文件窗内的文件。

实施例4：

本发明的结构示意图如图13所示，其创新地将移动体和轨迹球产生的多路定位信号分别控制目标在各个自由度的运动，本发明包括有：

a)可在平面内移动的移动体34；

b)可转动的转动体D；

c)检测移动体移动的检测元件B，产生至少两路定位控制信号；

d)检测转动体转动的检测元件F，产生至少两路定位控制信号；

本发明的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，还包括有在移动体不受其它外力时将移动体从位移后的位置返回到原点位置的复位元件C。

上述移动体(34)在某一平面内的移动包括在该平面内平移和绕与其平移平面垂直的某一轴线转动，且检测元件B产生三路定位控制信号。

上述转动体D的绕某一点的转动包括绕x，y，z轴的旋转，且检测元件F产生三路定位控制信号。

上述转动体D可集成在移动体34上，也可不集成到移动体34上。本实施例中，为方便使用，转动体D集成在移动体34上。本实施例中，转动体D是轨迹球96。

本实施例中，上述移动体34做成块状，其宽度可等于或大于其平均高度，且其上表面基本平坦，检测元件B可包括压敏传感器38和旋转式变阻器56和相应的旋杆60；或检测元件B是触控板82和相应的触点笔，复位元件C为弹簧，其结构与实施例1、2相同。

上述检测元件F包括多个滚动编码器98，轨迹球的工作原理和使用方法是人们所熟知。如图14A所示，常规的轨迹球含有两个滚动编码器98A、98B，每个编码器将轨迹球96沿某一方向的转动转换成一路定位控制信号。常规的轨迹球因而只能产生两路控制信号。如图14B所示，本发明中引入第三个滚动编码器98C来检测轨迹球(96)绕z轴的旋转，这样，轨迹球的滚动就产生第三路控制信号。使用时，食指和无名指操作按钮盖26，中指则滚动轨迹球。

与实施例1、2一样，本实施例通过操纵移动体可以产生三路控制目标沿X，Y，Z轴的平移的信号。另外，轨迹球被用以产生三路定位信号，轨迹球产生的三路定位信号则可以用来控制目标沿X，Y，Z轴的旋转。从而实现了一种创新的六自由度输入方法。

另外，本实施例将轨迹球96的转动影射到目标的转动十分贴切自然。比起常规轨迹球将其转动影射到目标的平移，本实施例更易学习和掌握。其它的用于轨迹球的检测技术如光学的图像识别的方法也可以在本实施例采用。

另外，如在通常只需要两个自由度控制信号的情况下，上述实施例1中的旋转式变阻器和相应的旋杆可以不要，实施例2中只需要一片触控板和一个触点滚珠。简化后的结构不能实现对z轴的输入，但因为元件减少，整个装置的复杂程度和生产成本都降低了。另外也可采用市场上现有的方位检测元件，如指点杆，来替换实施例1中的压敏传感器或实施例2中的触控板来产生方位信号。这种结构虽只能作两个自由度控制信号的输入，但比常规的指点设备仍然优越很多。和普通的指点杆相比，本发明移动体的顶部宽而平坦，易于被手指控制和操作，并能有效地支撑手指。本发明的移动体与按钮集成在一起，因而没有必要在别处另外加装按钮。和鼠标器相比，本发明只需要很小的操作空间。且由于本发明属速控指点设备，在移动光标通过较长距离时，不需要象鼠标和其它位控指点设备一样反复地滑动。

本发明的手指操控结构可以让手指同时进行“指向”和“点击”。由于介入操作的手指较少，故本发明的尺寸可以很小。

此外，本发明除了可以将各类输入元件集成到移动体上，输入元件更可以集成到基体上。比如在图5中，在拇指和无名指下可以各放置一个按钮(未示出)。在本发明中，按按钮的手指同时可以推动移动体，这样其它的手指就可以空出来进行别的操作了。

Claims (12)

1.一种新型的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于包括有：

a)可在某一平面内平移的移动体(34)；

b)至少一个与移动体集成的输入元件A；

c)检测移动体的位移信号作为定位控制信号的检测元件B；

d)输入端与检测元件连接、输出端与电脑连接的信号处理装置46；

e)移动体不受其它外力时将移动体从位移后的位置返回到原点位置的复位元件C；

其中移动体(34)置于不动的基体(32)上，复位元件C连接在移动体(34)与基体(32)之间，检测元件B位于移动体(34)与基体(32)之间，信号处理装置(46)的输入端分别与输入元件A和检测元件B连接，输出端通过输出电缆(36)与电脑信号处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于上述输入元件A可为按钮、滚轮、压敏元件、触控板、微型轨迹球或微型指点杆；上述复位元件C可为复位弹簧(48)、也可为弹性杆、橡皮筋、弹性充填料，或是磁性材料；上述检测元件B包括有压敏传感器(38)和橡皮边(44)，或检测元件B为触控板。

3.根据权利要求2所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于上述输入元件A是按钮(52)，且按钮(52)的上方有可供手指同时移动移动体和操作开关按钮的操控机构。

4.根据权利要求3所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于上述操控机构可为防滑的橡皮层(76)，也可为按钮盖(26)，按钮(26)的顶端分别设有一个大小可由手指尖嵌入的凹槽(28)。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于上述移动体(34)与基体(32)之间设有可减小摩擦力的减摩结构E；移动体(34)做成块状。

6.根据权利要求5所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于上述移动体(34)还可绕某一与其平移平面垂直的轴线转动，上述检测元件B还可包括有检测移动体转动的旋转式变阻器(56)和相应的旋杆(60)，旋杆(60)的下端固定在旋转式变阻器(56)上，上端经孔(58)穿过基体(32)支撑面(66)插入移动体(34)底部、直径比旋杆(60)稍大的小孔(61)中，且旋杆(60)的顶端通过定位销(62)连接到移动体(34)上，信号处理装置(46)的输入端还与变阻器(56)连接。

7.一种新型的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于包括有：

a)可在平面内移动的移动体(34)；

b)可转动的转动体D；

c)检测移动体移动、且产生至少两路定位控制信号的检测元件B；

d)检测转动体转动、且产生至少两路定位控制信号的检测元件F；

其中移动体(34)置于不动的基体(32)上，检测元件B位于移动体(34)与基体(32)之间，检测元件F与转动体D连接。

8.根据权利要求7所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于还包括有在移动体不受其它外力时将移动体从位移后的位置返回到原点位置的复位元件C，复位元件C连接在移动体(34)与基体(32)之间。

9.根据权利要求8所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于上述移动体(34)的移动包括在平面内的平移和绕与其平移平面垂直的轴线转动，且检测元件B产生三路定位控制信号。

10.根据权利要求7或8或9所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于上述转动体D绕某一点的转动包括绕x，y，z轴的旋转，且检测元件F产生三路定位控制信号。

11.根据权利要求10所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于上述转动体D可集成在移动体(34)上，也可不集成到移动体(34)上。

12.根据权利要求11所述的可用于电脑输入的多自由度信号输入装置，其特征在于移动体(34)做成块状，转动体D是轨迹球(96)，检测元件B包括压敏传感器(38)和旋转式变阻器(56)和相应的旋杆(60)；或检测元件B是触控板(82)和相应的触点笔，检测元件F包括多个滚动编码器(98)，复位元件C包括弹簧(48)。

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