CN1264858A

CN1264858A - 双轴关节式计算机输入装置

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Publication number: CN1264858A
Application number: CN00102787A
Authority: CN
Inventors: 阿伦·韩; 克里斯托弗·G·阿尔维亚尔; 阿迪萨·M·亚当斯; 梅利莎·S·雅各布森; 托马斯·W·布鲁克斯; 丹尼尔·布拉萨; 保罗·霍尔尼斯; 沃尔夫冈·A·马克; 宾·安
Original assignee: Microsoft Corp
Current assignee: Microsoft Corp
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2000-08-30
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: DE10008025A1; FR2793045B1; JP4298880B2; DE10008025B4; TW548573B; FR2793045A1; KR100628816B1; GB2347484B; KR20000076705A; JP2000311054A; JP4585025B2; GB2347484A; GB0004192D0; US6614420B1; CN1191515C; JP2009151820A

Abstract

本发明提供了一个双轴关节式计算机输入装置。设置了位置传感器以提供指示两个手柄部件彼此相对位置的位置信息。

Description

双轴关节式计算机输入装置

本发明涉及一种计算机输入装置。更具体地说，本发明涉及一种可提供双轴关节式运动的双手计算机输入装置。

目前，有很多种不同类型的用户输入装置用于向计算机提供用户输入信息。例如，这样的用户输入装置可包括：点击式装置(通常被称为计算机鼠标)、键盘、游戏杆和跟踪球。所有的这些用户输入装置通常检测活动元件相对于固定基板或壳体部分的运动，并且把指示这些相对运动的输入信号提供给计算机。

另外，目前的这些在个人计算机或游戏控制台上运行的游戏应用程序是第一人称立体应用程序。这种应用程序提供导航和指向性能，目前这些性能可通过鼠标和键盘操纵的组合达到(尽管有些麻烦)。鼠标通常控制观察点(上、下、左、右)，键盘提供位置运动控制(滑向左、滑向右、向前、向后)。鼠标按钮也提供用于战斗游戏的“开火”，键盘提供多种选择(武器选择、开门、放大等)。为了控制这些功能，使用鼠标和键盘是很困难的，并且要求熟练掌握相对非本能的手指运动的组合。

由此可以看出，使用目前的输入装置，在第一人称立体三维虚拟环境下进行准确运动、瞄准、战斗控制是很麻烦的。这种游戏或虚拟环境要求很快的运动，也要求快速改变方向的能力，以便航行通过迷宫似的通道和避开敌人的攻击。最好用可在连续运动范围内提供控制(与离散的按钮按压相反)的输入装置完成瞄准和指向(其相应于通过第一人称立体图上或下、左或右观察)，诸如利用鼠标或游戏杆。最好用诸如由特定的开关结构提供的离散的击键来完成位置运动控制(诸如向前/向后移动、或滑向左/滑向右、或上升)，这种特定的开关结构通常可在游戏杆或键盘的按钮或其它装置中发现。

另外，一些类型的用户输入装置把多于两个的自由度分配给唯一一个输入模式。例如，可沿X轴推动的游戏杆，其Y轴具有两个自由度，而可沿X轴和Y轴推动的游戏杆，也可以绕其纵向轴转动，以提供对计算机的输入，其具有三个自由度。可以发现，这种类型的用户输入装置(对每个输入模式提供多于两个的自由度)可以显示出高度的交叉轴干扰。

交叉轴干扰的特征是，用户尽力启动一个独立的自由度的同时无意识地启动一个自由度。换句话说，在企图进行转动运动(企图绕纵向轴转动游戏杆)的同时很难避免平移运动(游戏杆沿X轴或Y轴运动)。在这些自由度之间的这种干扰是交叉轴干扰。可以相信，趋向于产生交叉轴干扰对任何给定的输入模式二次地增加了每个附加的自由度。

除了鼠标和键盘，在游戏应用程序中也使用其它类型的常规输入装置。这样一种常规的用于游戏应用程序的装置是游戏垫。但是，这种装置不能很好地按要求对第一人称立体游戏进行操纵。在标准方向垫和仅有游戏垫的按钮中，没有方法输入连续的运动。使用具有小的拇指杆(一种用于拇指的游戏杆)游戏垫可以连续输入，但拇指杆不能对本能运动进行定位，用户必须反抗拇指杆的回心力，这种回心力使得很难精确瞄准。拇指杆也使手上的小肌肉群和拇指疲劳。

游戏杆采用手臂和手腕的肌肉不能提供小肌肉群的精细控制电机的性能。普通的游戏杆的结构也具有必须由同一只手启动的连续运动装置(游戏棒)和离散运动装置(帽开关)。这使得很难精确地控制这种运动。另外，游戏棒和帽开关都包含干扰精确瞄准的回心弹力。

另一种输入装置是销售的商品名为Space Orb 360的装置。这种装置提供可由单手操纵的六个自由度。这使得不受到很好的训练或者具有天生的生物力学性能以把一个或两个轴从受到该装置控制的其它轴中独立出来，便极难使用该装置。

相类似，销售的商品名为Cyberman II的装置也提供可由单手操纵的六个自由度。这种这种遇到了与前文中描述的同样的困难。

另一种输入装置是销售的商品名为Wingman Warrior的装置。该装置是一个具有一个仅可以用于转动的自由旋钮的游戏杆。该装置不具有在第一人称立体环境中成功的很多必要的基本元素。

本发明提供了一种双轴关节式计算机输入装置。设置了位置传感器以便提供指示两个部件彼此相对位置的位置信息。

在一个实施例中，部件是手柄，一个手柄表示显示装置上的第一人称立体图。手柄可通过多个动作区彼此相对运动，这些动作区不同地影响显示装置上的显示。在一个实施例中，通过第一动作区的运动导致显示装置上第一人称立体图的绝对运动。通过第二动作区的运动导致第一人称立体图连续运动，而不是以绝对的方式运动。

在另一个实施例中，当用户在区之间过渡时，向用户提供触觉反馈。这种触觉反馈可示意性地是一种反抗运动的变化。

本发明还提供一种具有生物工艺学优点的输入装置。其形状和运动范围可用来减少疲劳。另外，数据结构可把位置信息传送到计算机。使用优选的方法和装置形成和处理数据结构。

图1是计算机系统的方框图，其中利用了本发明的输入装置。

图2是使用本发明的输入装置的计算机的一个实施例的方框图。

图3A-3C示出了根据本发明的一方面检测的绝对位置。

图4A是示出根据本发明的一方面的绝对和速度控制的曲线图。

图4B示出了根据本发明的一方面的绝对区和速度区。

图5是根据本发明的一方面的输入装置的高级功能方框图。

图6示出了由图5所示的输入装置产生的信息包的一个实施例。

图7是说明在产生信息包的过程中图5所示的输入装置的操作的流程图。

图8是说明根据本发明的一方面的信息包的处理的功能方框图。

图9A-9C是说明根据本发明的一方面的信息包的处理的流程图。

图10是本发明的一个实施例的输入装置的分解图。

图11是图10所示的输入装置的一部分的放大图。

图12A-14C示出了根据本发明的一方面的凸轮布置。

图15-17说明了根据本发明的一方面的特定的生物工艺学特征。

图是根据本发明的一方面的系统10的部分方框和部分实物图。系统10包括输入装置14和计算机显示装置15和计算机20。

应当注意，在一个示意性实施例中，装置14可作为任何输入装置(例如游戏杆)，其具有一个手柄或一部分，该部分可相对于其另一部分运动。但是，为了简化的目的，本发明仅对图1中所示的装置14的示意性实施例进行讨论。

根据本发明的一方面，计算机输入装置14分别具有第一和第二手柄部件16和18。部件16和18的尺寸适合用户的手握并可彼此相对运动。在一个示意性实施例中，部件16和18由总体标号为22的接头连接起来。接头22使得部件18可相对于部件16在由箭头24所示的偏转方向上(或者沿X轴的横向)进行关节式运动。接头22也使得部件18在由箭头26所示的方向上在倾斜方向上(或沿Y轴的上下方向)转动。下面将在说明书中更详细描述这种运动和接头22。另外，说明的计算机输入装置14包括可检测部件18相对部件16的位置的位置传感器。

根据本发明的一个示意性实施例，计算机输入装置14还具有一按钮矩阵28。在一个实施例中，矩阵28包括部件18上的四个按钮和部件16上的三个附加按钮(包括一个换挡键)。此外，计算机输入装置14还具有一个多路开关输入装置30(诸如方向垫或帽开关)，以及一个或多个触发器32。图1还示出，计算机输入装置14的部件16和18还可包括从按钮矩阵28向下延伸的细长手柄部分34和36，它们的尺寸可使用户的手舒服地握住。

计算机输入装置14包括一个控制器，该控制器接收指示各个按钮、触发器和多路开关输入装置以及来自位置传感器的信息，并且产生指示这些信息的信息包。该信息包被提供给计算机20(在图2中将更详细描述其中的一个实施例)。计算机20包含一个应用程序，诸如利用来自输入装置14的信息包中的信息的游戏或其它程序。计算机20启动，以把来自输入装置14的信息包中的信息提供给在计算机20上运行的应用程序，其使用这些信息操纵在显示装置15上显示的物体。在一个示意性实施例中，计算机20是个人计算机，显示装置51可以是任何类型的显示器，诸如阴极射线管(CRT)型监视器(包括电视显示器、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器等等)。在另一个实施例中，计算机20可以是一个专用计算机，诸如由Nintendo(任天堂)、Sega、Sony(索尼)或其它公司生产的很多游戏计算机中的一种，或者是专用模拟或控制计算机。这样的一些计算机可由Sega Dreamcast和Sony Playstation指定销售。

当然，由计算机输入装置14提供给计算机20的信息包可被计算机20(和其上运行的应用程序)使用来控制其它项目，而不是显示装置15。但是，为了清楚起见，本发明主要描述关于显示装置15的控制。

参照图2，用于本发明的典型环境包括一个常规的个人计算机20形式的通用计算装置，其包括处理单元38、系统存储器39、以及把各种包括系统存储器的系统元件连接到处理单元38的系统总线40。系统总线48可以是任何几种类型的总线结构，该总线结构包括存储总线或存储控制器、外围总线和使用任何多种总线体系结构的局域总线。该系统存储器包括只读存储器(ROM)41和随机存取存储器(RAM)42。基本输入/输出系统43(BIOS)存储在ROM41中，其包含诸如在启动时有助于在个人计算机20中的元件之间传送信息的基本路线。个人计算机20还包括用于从硬盘(未示出)中读取或写入硬盘的硬盘驱动器44、用于从可换磁盘46读取或写入其中的磁盘驱动器45和用于从诸如CD ROM或其它光介质的可换光盘48读取或写入其中的光盘驱动器47。硬盘驱动器44、磁盘驱动器45和光盘驱动器47分别通过硬盘驱动器接口49、磁盘驱动器接口50和光盘驱动器接口51连接到系统总线40。驱动器和相关的计算机可读取介质提供计算机可读取结构、数据结构、程序模块和其它用于个人计算机20的数据的非易失性存储。

尽管在此描述的典型环境采用了硬盘、可换磁盘46和可换光盘48，但本领域技术人员可以理解，其它类型的可被计算机存取的存储数据的计算机可读取介质，诸如磁带、瞬时存储卡、数字电视唱盘、伯努里盒式磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等等，也可用在典型的操作环境中。

大量的程序模块可存储在硬盘、磁盘46、光盘48、ROM41、或者RAM42中，其包括操作系统52、一个或多个应用程序53、其它程序模块54和程序数据55。用户可通过诸如键盘56和定点装置57之类的输入装置把命令和信息输入个人计算机20。其它输入装置(未示出)可包括话筒、游戏杆、游戏垫、卫星反射器、扫描仪等等。这些和其它输入装置经常通过接口58被连接到处理单元38上，该接口58与系统总线40相连。该接口58可包括多个不同的接口，诸如声卡、并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB)。监视器15或其它类型的显示装置也通过一个接口连接到系统总线40上，诸如视频适配器59。除了监视器15，个人计算机通常可包括诸如扬声器或打印机(未示出)之类的外围输出设备。

个人计算机20可使用到一个或多个远程计算机(例如远程计算机60)的逻辑连接在网络环境下启动。远程计算机60可以是另一台个人计算机、服务器、路由器、网络PC、等设备或其它网络节点，尽管在图2中仅示出了一个存储器存储装置61，但其通常包括上述的关于个人计算机20的很多或所有元件。图2中描述的逻辑连接包括局域网(LAN)62和广域网(WAN)63。这样的网络环境通常在办公室、大企业计算机网络的企业内部网和因特网中，

当在LAN网络环境下使用时，个人计算机20通过网络接口或适配器64连接到局域网62。当在WAN网络环境下使用时，个人计算机20通常包括调制解调器65或其它用于在比如因特网的广域网63上建立通讯的装置。调制解调器65可以是内置的或外置的，其通过串行端口接口58与系统总线40相连。在网络环境下，关于个人计算机20描述的程序模块或其部分可存储在远程存储器存储装置中。可以理解，所示的网络连接是示例性的，可以使用其它的在计算机之间建立通讯连接的方式。

当计算机20是专用计算机时，具体的体系结构可以与图2中所示的不同。然而，结果不会有很大的不同。所有的这些计算机包含一种用于执行从输入装置14接收信息的计算机软件和/或硬件的机构，并且利用接收的信息修正软件和/或硬件的性能或外部特性。这种变化的结果经常在显示装置上可见。

图3A-3C示出了根据本发明的一方面检测的位置。在图3A中，示出计算机输入装置14相对于显示装置15上的画面100。图3A示出画面100仅仅是可在显示装置15上显示的3D虚拟环境的一部分。使部件18沿X和Y转动轴处于相对于部件16的基本中心位置处，可显示的三维虚拟环境的一部分是第一人称立体图的中心部分，如图3A所示。

然而，图3B示出了计算机输入装置14的俯视图，说明部件18可在箭头24指示的X方向上相对于部件16转动，并且通常围绕着轴102转动。如果装置14被作为一个游戏杆使用，围绕轴102的转动比如可相应于游戏杆横向方式的运动。当部件18在某一预定运动范围内围绕轴102转动时，计算机输入装置14形成信息包，该信息包包括指示部件18围绕轴102相对于部件16的相对位置的信息。该信息可被计算机20(和其上运行的应用程序)用来控制在显示装置15上显示的观察点。

例如，当部件18在一预定运动范围内围绕轴102转动时，观察点可在图3B中箭头104指示的方向上相应的移位。当部件18围绕轴120逆时针方向关节式转动时，观察点可移向图3B中标号100A指示的位置。以此方式，部件18相对于部件16的绝对运动可直接映象为显示的观察点的绝对运动，如图3B所示。当然，在装置14以诸如游戏杆的另一种方式实现时，可完成同样类型的映象。

图3C示出了计算机输入装置14的侧视图。图3C说明，在一个示意性实施例中，计算机输入装置14的部件18不仅围绕轴102(图3B中示出)关节式转动，而且也围绕轴106在箭头26指示的倾斜或Y方向上转动。当装置14为一个游戏杆时，围绕轴106的转动可相应于游戏杆前后(或后前)方式的运动。当部件18在箭头26指示的方向上倾斜时，只要其在预定的运动范围内，在显示装置15上显示的第一人称立体图在箭头108指示的方向上相应的移动。例如，当部件18逆时针方向转动时(参照图3C)，第一人称立体图向上移向图3C中标号100C指示的位置。相类似，当部件18顺时针方向围绕轴106转动时(再次参照图3C)，在显示装置15上显示的第一人称立体图向下移向标号100D指示的位置。于是，只要部件18围绕轴106在预定的运动范围内转动，部件18相对于部件16的绝对运动可映象为在显示装置15上显示的第一人称立体图的绝对运动。在装置14以诸如游戏杆的方式实现时，可完成同样类型的映象。

当然，部件18相对于部件16围绕轴102或106的绝对运动或者映象为在显示装置15上显示的第一人称立体图的绝对运动，或者按比例向上或向下提供在显示装置15上显示的第一人称立体图的绝对运动。例如，部件18围绕轴102或106转动5度相当于在显示装置15上显示的虚拟环境中的第一人称立体图的20度的转动。可使用任何想要的比例系数(包括1∶1)。

如果部件18围绕轴102或106的运动超出预定的运动范围(或者如果游戏杆横向运动或向前或向后的运动超出预定的运动范围)，则这种运动不再映象为在显示装置15上显示的第一人称立体图的绝对运动或绝对位置。取而代之的是，描述的这种运动对应于第一人称立体图的连续运动。例如，如果部件18围绕轴102在箭头24(参照图3B)指示的方向上的关节式转动超出预定的运动范围一定量，那么第一人称立体图将在部件18的运动方向上显现为连续的旋转，直到部件18回到预定的运动范围内。这将在图4A和4B中更详细描述。

图4A说明了在一个示意性实施例中围绕轴102或106的运动范围(以度进行转动)，示出了用户可感觉到的与这种转动相反的力。尽管也可使用更多的或更少的具有不同曲线的区，但示出运动范围被划分为三个不同的范围或动作区110、112和114。当用户在范围110(其在一个示意性实施例中相对于中心的中点转动+30度或-30度，但可使用任何想要的范围，如果愿意的话，范围可相对于中点不对称)，用户在整个区110上可感觉到一种粘性流体运动，带有很轻的持续的运动阻力。但是，也可在区110中提供回心力。只要用户在每个方向上转动部件18超出区110的边界，用户便可遇到不同的运动阻力，诸如增加的力。因此，比如当用户转动部件18超出+30度的运动范围时，并且进入范围112时，在用户继续转动部件18通过运动的整个位置范围(例如到约+40度)时，用户便遇到增加的运动阻力。相类似，当用户转动部件18超出离中点-30度的运动范围时，并且进入区114时，在用户继续通过区114的运动的整个范围转动(例如到约-40度)时，用户便遇到增加的运动阻力。应当注意，任何或所有的区可以设计为也具有一个回心力。此外，在任何或所有的区中也可使用非线性或步进力曲线。在任何区中，力可以先增加后减小。并且，中心区110不必呈现出恒定的力曲线。为了说明所需，在外区中示出了线性的不断增加的力曲线，在中心区示出了恒定的力曲线。

在一个示意性实施例中，图4A中说明的力曲线可使用下面讨论的在图12A-14C中更详细描述的凸轮和凸轮跟随器结构实现。例如，可使用压簧或拉簧、充有流体的减振器、气压或液压系统、气液系统、或者其它的阻力改变装置或偏压部件。

图4B说明了根据本发明的一方面的不同的动作区(比如运动的绝对和速度区)。将结合图4A和图3A-3C描述图4B。图4B是部件18围绕轴106的倾斜运动(或Y轴运动)以及部件18围绕轴102的偏转运动(或X轴运动)的曲线图。尽管也可使用更多的或更少的动作区，但图4B中的曲线被分别分为三个控制带或动作区116、118和120。当装置14是一游戏杆时，动作区被绘制成对着轴，其表示了部件18围绕轴106的倾斜运动(Y轴运动)以及部件18围绕轴102的偏转运动(X轴运动)，这样的动作区分别对应于游戏杆的向前/向后和横向运动。

动作区116是一个中心带，其通常表示部件18相对于部件16的在预定的运动范围内的中点或中心位置。应当注意，中心控制带116可以仅由图4B中的一个点或一小组点表示，或者由一大组点表示。动作区118是一个绝对位置控制带，其对应于围绕轴102和106的预定的运动范围110。动作区120表示速度控制带，其对应于部件18在每个方向上超出预定的运动范围110的运动。

为了简化说明，当控制带以类似的方式表现出部件18围绕每个轴102或106转动特性时，本发明将仅讨论部件18围绕轴102的转动。当用户在区118中围绕轴102相对于部件16运动时，装置14向计算机20指示部件16和18相对位置的信息，并且在本实施例中，其中显示装置15正在显示用于游戏的虚拟环境，计算机20使第一人称立体图以绝对方式在与部件18围绕轴102的转动的相同方向上或左或右移位。因此，如果用户围绕轴102相对于中心带116转动比如+5度，计算机20使第一人称立体图向右移动预定的距离。应当注意，部件18的5度的运动或者相应于第一人称立体图的相同数量的运动，或者相应于不同数量的运动。但是，部件18的绝对运动直接映象为第一人称立体图的绝对运动。

当部件18围绕轴102的运动超出动作区118并进入动作区120中时，部件18的绝对运动不再映象为第一人称立体图的绝对运动。取而代之的是，部件18在区120中的运动在相应于部件18围绕轴102的转动方向的方向上建立了第一人称立体图的连续运动。换句话说，如果用户使部件18围绕轴102在顺时针方向上转动进入区120中，图3B中所示的第一人称立体图将开始旋转到右方。只要用户把部件18保持在区120中的固定位置上，第一人称立体图将以恒定的速度继续旋转到右方。

在一个示意性实施例中，区120被分为多个子控制带。因此，当用户进一步使部件18围绕轴102转动进入区120中，部件18运动通过子控制带，并且第一人称立体图将以高速在每个区中旋转。于是，当部件18运动通过子控制带时，通过区120的速度曲线以步进的方式增加。相类似，在另一个实施例中，区120的速度曲线可由线性增加函数或非线性增加(比如指数或二次)函数或者不是连续增加的、而是先增加后水平或下降的线性或非线性函数。速度曲线的形状也可由用户选择或调整。在这种情况下，用户可以有机会从多种不同的预定曲线中选择或者通过指定一个曲线形状自定义曲线。

可以理解，当用户转动部件18进一步进入区120中时，用户也遇到了该装置中围绕轴转动的增加的阻力，如在图4A中的所示的力曲线中运动范围112所示。于是，凭直觉高速与增加的阻力耦合，以便给用户关于相应于进入速度区中的给定的转动的速度的触觉反馈。当然，应再次指出，其它力曲线(比如陡峭的或更平缓的倾斜、非线性、步进等等)也可用于区中。在这些情况下，触觉反馈(力曲线)可能或不可能被设计成总体符合速度曲线。

当用户开始逆时针方向使部件18围绕轴102转动时，回向动作区118和120之间的边界处，第一人称立体图正在旋转的速度随着在此方向上的速度曲线。于是，在说明的实施例中，第一人称立体图正在旋转的速度下降。从区120回到区118中的过渡可以被多种不同的方式处理。例如，在出去控制带120时，在绝对定位重新开始前，可以让部件18位于中心或中点位置116。在这种情况下，当用户使部件18围绕轴102逆时针转动时，区118和120之间的边界可以运动到与区118和116之间的边界重合。于是，第一人称立体图将继续以减小的速度旋转，直到部件18围绕轴102一直转动到中心区116的边界。然后，区120和118之间的边界在原始位置重新建立(图4B中示出)，如上所述，用户可以在区118中重新开始绝对定位。

在另一说明的实施例中，从区120到区118的过渡可以以一不同的方式处理。在这个实施例中，当用户使部件18逆时针转动并穿过区118的边界时，用户简单地遇到一个死区，在该死区中不能感觉到第一人称立体图的运动，直到用户继续逆时针转动部件18到中心区116中。换句话说，当用户使部件18围绕轴102逆时针转动经过区120的边界进入区118时，第一人称立体图将停止旋转，并且将一点也不运动，即使用户继续向中心区116转动通过区118。一旦用户重新使部件18定中心位于区116中，重新开始正常的定位。

此外，在另一个实施例中，部件18不必定中心在用于控制的区118中以切换。换句话说，部件18一从区120回到区118就重新开始绝对运动控制。并且，发生这种情况的边界可沿运动的范围设定在基本上任何想要的点上。还应当注意，这点可以由用户选择或调整。

图5是用户输入装置14的一个实施例的方框图。图5示出，用户输入装置14包括控制器124、X和Y位置传感器126和128、校准电路130、按钮矩阵开关、触发器开关和相应于多路开关输入装置30的开关(所有这些开关都用标号132表示)、以及区校准电路134。

X和Y传感器126和128可以是旋转电位计。当然，传感器126和128也可以为其它类型的传感器，诸如光或机械式编码器、电容传感器、电磁传感器等等。在传感器126和128为电位计的情况下，传感器126具有一个与部件16相连的电阻部分和一个与部件18相连的游标部分(反之亦然)。因此，当部件18围绕倾斜轴106转动时，体现传感器126的电位计的阻值变化。相类似，传感器128具有一个与部件16相连的电阻部分和一个与部件18相连的游标部分(反之亦然)。因此，当部件18围绕轴102转动时，体现传感器128的电位计的阻值变化。以此方式，传感器126和128提供一个指示部件18相对于部件16的X和Y(偏转和倾斜)位置的信号。

相类似，当装置14是一个游戏杆时，传感器126和128可以是任何常规的检测游戏杆的横向和向前/向后运动的传感器装置。这样一种装置公开在美国专利No.5,694,153中，在此全部引用作为参考。

来自传感器126和128的信号被提供给模数(A/D)转换器136。在说明的实施例中，转换器136和微控制器124是一体的。当然，也可使用其它的分立A/D转换器。A/D转换器136把来自传感器126和128的模拟传感器信号转换为数字信号提供给微控制器124。

为了校准传感器126和128，计算机输入装置14被放置在一个试验装置中，可操纵该试验装置来转动部件18，以便精确地获得部件18相对于部件16的角度。当在精确地获得这些角度时，使用传感器校准电路130可把传感器126和128的输出值设定(诸如微调)到想要的值。在一个实施例中，电路130是一个可以微调传感器126和128的微调电位计的电路。也可使用其它校准电路，或者硬件或者软件。一些实例包括物理重新定向光编码器、对可编程电源进行编程或者在信号转换为数字形式时提供数字偏移。

在一个实施例中，用于按钮矩阵、触发器和帽开关的开关132简单地包括一个开关矩阵，其提供指示它们对微控制器124闭合的信号。因此，当压下矩阵28的按钮或触发器32或与帽开关30相关的按钮中的任何一个时，这些按钮和触发器使开关闭合，该闭合可由微控制器124检测。

区校准电路134用于设定(诸如微调或其它精确的设定)绝对位置区和速度定位区之间的边界(关于在图4B中示出的动作区118和120的描述)。为了生物工艺学或其它原因，也可以使绕X和Y轴的整个运动范围为约+/-40度的最大值。在这种情况下，可这样调整传感器126和128的输出，即使得传感器输出的最大信号相应于部件18围绕适当的轴相对于部件16的最大运动(运行)范围。

相类似，可以精确地校准区118(绝对位置区)和区120(速度位置区)之间的过渡，使得区之间的过渡直接相应于用户的增加力的感觉(如图4A中的力曲线所示)。因此，部件18转动到呈现出感觉的增加的力的边界位置处，然后，传感器126和128的输出值被设定到想要的值。这可以通过把计算机输入装置14放置在试验装置中实现，该试验装置上固定有应变仪或其它应变测量装置，使得该试验装置可鉴别用户输入装置14何时已至绝对位置区和速度位置区之间的过渡。由于使用了传感器校准电路130，区校准电路134可用微调电位计实现，以便把传感器126和128的输出微调到想要的值。当然，也可使用其它的校准(硬件或软件)。例如，在传感器是光编码器的情况下，它们可被重新定向。还可提供数字偏移等等。

微控制器124上也被提供有一个适于耦合到计算机20的输出。在一个实施例中，可根据通用串行总线(USB)协议提供由微控制器124提供的输出。相类似，USB转换器电缆可连接在微控制器124和计算机20之间以适应必要的数据传输。在另一个实施例中，根据游戏端口协议或任何其它想要的协议提供用于微控制器124的输出。

图6说明了由微控制器124准备并传送到计算机20的数据包136。当数据包136串行或并行地传输到计算机20时，在图6中按照5个8位字节信息示出了数据包136的内容。字节沿数据包136的左行标示为字节0-4，位沿数据包136的上列标示为位0-7。

来自传感器126和128的信号由A/D转换器136转换为数字，该数字具有10位的分辨率，并且表示并且18相对于并且16的位置。当然，也可使用8位分辨率或其它想要的分辨率。10位分辨率数据由位X0-X9(对传感器128)和位Y0-Y9(对传感器126)表示。该信息包含在以字节0、位单元0开始和以字节2、位单元3结束的数据包136中。

基于来自A/D转换器136的值，微控制器124可确定用户是否已经把部件18转动进速度控制区120中或者是否部件18仍然在绝对位置区118中。位于字节2、位单元4和5的位ZBX和ZBY分别对应于一个关于部件18是否在绝对或速度定位区中的决定。例如，如果ZBX位设定在0，其对应于部件18在X(或偏转)方向上位于绝对位置区中。如果该位设定在1，其表示部件18已经围绕轴102转动超出预定的运动范围进入速度区。然后，由位X0-X9指示的值表示部件18是否在中点的正侧或负侧上的速度区中。字节2、位单元5的ZBY位对应于部件18以类似的方式在Y方向上(或围绕倾斜轴106)的转动。

不使用字节2中的位单元6和7。

存在于字节3、位单元0-6中的位B0-B6表示对应于按钮矩阵28的中的按钮的开关闭合状态。存在于字节3、位单元7和字节4、位单元0中的信号T0和T1分别表示与触发器32相关的开关的闭合状态。

不使用字节4中的位1、2和3。

在字节4、位单元4-7中，所提供的值表示多路开关装置30的状态。在说明的实施例中，装置30是一个帽开关。因此，在相关的位单元中的位被标示为H0-H3。下面的表说明了由位H0-H3表示的帽开关30的位置。

H3	H2	H1	H0	位置
H3	H2	H1	H0	位置	0	0	0	1	0度
0	0	1	0	45度	0	0	0	1	0度
0	0	1	0	45度	0	0	1	1	90度
0	1	0	0	135度	0	0	1	1	90度
0	1	0	0	135度	0	1	0	1	180度
0	1	1	0	225度	0	1	0	1	180度
0	1	1	0	225度	0	1	1	1	270度
1	0	0	0	315度	0	1	1	1	270度
1	0	0	0	315度	0	0	0	0	不压下帽开关

表1

图7是说明由图5中所示的微控制器124形成数据包136的流程图。控制器124接收和滤波X位置信息。在滤波X和Y位置信息时，在一个实施例中，控制器124完全采样和平滑从传感器接收的数据。该数据被提供给在控制区124中的滤波逻辑电路。该滤波逻辑电路可采用低通滤波技术以去除大的或异常的尖峰信号。一旦数据已经被接收和滤波，它被存储在控制器124(或相关的存储器)中，用于随后产生数据包136。

控制器124还定期查询与按钮、触发器和帽开关相关的开关矩阵，以获得与这些开关相关的数据。这些来自开关132的信号也经受抗抖动和完全采样以改进信号的稳定性。这由方框140表示。

然后，控制器124基于来自传感器126和128的位置信息确定输入装置14是否在相对于X轴的速度区中。这可由方框142表示。如果是这样，控制器124设定位于字节2、位单元4中的数据包136中的ZBX位。这可由方框144表示。

接着，控制器124确定输入装置14是否在相对于Y轴的速度区中。这可由方框146表示。如果是这样，控制器124设定位于字节2、位单元5中的数据包136中的ZBY位。这可由方框144表示。然后，控制器124汇编剩余的数据包136，如方框150所示，并且根据适当的协议把数据包传送到计算机，如方框152所示。

图8是说明在一个为个人计算机的计算机20的一个代表实施例上的数据包136的接收和处理。在其它类似的实施例中，当计算机20是专用计算机时，处理可能稍微不同，但结果是一样的。图8示出了计算机输入装置14、总线水平层153、第一总线驱动器154、重新映射器156、应用程序接口158和应用程序层160，该应用程序层160包括一个或多个应用程序162、164和166。在讨论图8中所示的系统的操作前，应当注意，根据常规的USB协议，这些装置被分类为人界面装置(HID)。此外，功能装置对象(FDO)可获得与数据相关的、指向下一个程序模块或装置的、数据应怎样处理的信息。FDO是主要的把原始数据转换为接收模块或装置所期望看到的东西的转换器。物理装置对象(PDO)是含有数据的对象，并且具有相关的可由接收装置或模块访问以存取数据的方法。滤波装置对象(FiDO)是可审查数据的对象，并且基于特定的设置(诸如在寄存时的设置)，确定应当怎样处理数据以便用接收器可使用的方式放置数据。FDO、PDO和FiDO都是常规的本领域普通技术人员可以很好地理解的对象。

在操作中，如前所述关于图6和图7讨论的，装置14首先汇编数据包136。然后，该数据包通到计算机20上的总线水平层153。总线水平层153是标准的USB层，其用于通过过程堆栈接收数据和把数据往返至第一总线驱动器154。

第一总线驱动器154是一个由HIDCLASS包装包裹的驱动器。在一个实施例中，从输入装置14接收的数据包是一个游戏杆型数据包。也可以使用其它的数据包(比如鼠标、键盘等等)。因此，第一总线驱动器154包含一个把数据包鉴别为游戏杆型数据包的FDO，并且产生一个游戏杆PDO，且手动切断到产生的PDO的信息。然后，游戏杆PDO把堆栈中的信息向上传送到重新映射器156。

重新映射器156是一个程序模块，其中一个实施例被称为GCKERNEL.SYS，其产生由在应用程序层160中的最后的接收程序需要的对象。例如，由于数据包136中的信息作为游戏杆数据包进入计算机20，并且由于很多游戏应用程序要求通过鼠标和/或键盘操作传送观察点信息，重新映射器156确定游戏杆信息是否需要被重新映射进鼠标和/或键盘PDO，用于应用程序层160的下一次使用。

重新映射器156包含可接收来自第一总线驱动器154中的PDO155中的信息的FiDO170。FiDO170总体上由图8的分开部分中示出。FiDO170接收输入端口172处的信息并把该信息传送到一个修正的PDO。然后，FiDO170确定该类型的输入类是否已被指定。这可由方框174和176表示。如果没有进行这种指定，则表示接收应用程序和应用程序层160简单地期望见到作为游戏杆信息的信息，并且该信息直接通过FiDO170通到输出端口178，在该处它被传送(如箭头180所示到应用程序层160)。

但是，在指定方框174中，如果该特别类型的输入类已经指定到鼠标数据包，FiDO170向鼠标曲线滤波器182提供信息，该鼠标曲线滤波器182产生一个具有适当的包含在此的数据的鼠标PDO。这样一个虚拟鼠标PDO由重新映射器156中的184表示。然后，鼠标PDO传送到下述的应用程序接口158。

此外，如果FiDO170确定在应用程序层160中的接收应用程序期望见到根据键盘操作的信息，该信息被提供给把击键指定给压下按钮的宏队列(Macro Queue)186。这用于产生一个虚拟键盘PDO，如由重新映射器156中的标号188所示。然后，该信息被再次提供给输出端口178，在此处，它被传送到应用程序接口158。

在从装置14接收的游戏杆类型数据包实际上被转换为一个虚拟鼠标或虚拟键盘PDO的情况下，它被提供给应用程序接口158。应用程序接口158(一个实施例中也表示为HIDSWVD.SYS)产生一个PDO，该PDO包含以特别的形式用于鼠标或键盘数据的信息，这些信息是应用程序层160所期望的。

因此，重新映射器156的功能是把通过一个管道(比如游戏杆管道)接收的数据分离进其它管道(比如鼠标和/或键盘管道)。这使得重新映射器156可基于应用程序层160中的专门应用程序所期望接收的东西把游戏杆数据伪装成鼠标或键盘数据。

重新映射器156还具有另一种功能。重新映射器156审查数据并确定该数据是否表示部件18在相对于部件16的绝对或速度区中。如果其在绝对区中，重新映射器156简单地把一个差值传送给应用程序(也许通过应用程序接口158)，该差值表示当前位置和最近的先前位置的不同以及偏移最近的先前位置的方向。然后，在应用程序层160中的应用程序可更新显示的观察点(或任何其它在显示装置15上显示的物体)。相类似，如果重新映射器156确定部件18在连续或速度区中，重新映射器156把预定的差值传送到应用程序，并且连续传送该值，只要从指示部件18在速度区中的装置14中接收数据包。当然，如前所述，如果速度区被分成多个子带或子区，变化值可基于当前存在部件18的特别子区而改变。相类似，如果速度曲线具有不同的形状，如上所述，变化值被相应的确定。

图9A-9C进一步说明了重新映射器156的操作。重新映射器156首先接收来自装置14的新的数据包。这可以由方框190表示。然后，重新映射器156审查数据包中的位置信息以确定部件18是否在绝对区或速度区中。这可以由方框192和194表示。应当注意，关于X和Y轴进行同样的审查和确定。但是，为了简化说明，仅参照图9A-9C描述一个轴。

如果部件18不存在于绝对区中，这意味着它在速度区中，并且重新映射器156基于部件18相对于部件16在速度区中的当前位置确定变化值。这可以由方框196表示。然后，该变化值输出到应用程序层160(也许通过应用程序接口158)作为新的位置信息。这可以由方框198表示。应当注意，在确定部件18是否在绝对区或速度区中时，重新映射器156可以实现特定的滞后作用以便避免在绝对区和速度区之间前后跳动，其中部件18的位置靠近两者之间的边界。这可以参照图4A和4B描述。

在方框194中，如果重新映射器156确定部件18在绝对区中，那么重新映射器156确定部件18是否刚离开速度区进入绝对位置区中。如果是这种情况，如参照图4B描述的，重新映射器156可以在部件18实际出去速度动作区之前让用户对部件18定中心。因此，根据本发明的一个实施例，重新映射器156在方框200中确定部件18是否刚好先前在绝对位置区中。如果不是，这表示部件18刚从速度区中重新进入绝对位置区中。在这种情况下，重新映射器156把绝对位置区和速度区之间的边界进一步移进与图4B中所示的中心区的边界重合的绝对位置区中。这可以由方框202表示。于是，重新映射器156继续提供表示部件18在速度区中定位的值，直到部件18定位在标称中心的预定范围内。由于区之间的边界已经被移到中心区116的事实，重新映射器156基于部件18的位置确定将要送到应用程序的变化值。的这可以由方框204表示。然后，该值被作为新的到应用程序层160的位置信息输出。这可以由方框198表示。当然，如上所述，参照图4A和图4B，可以各种不同的方式处理区之间的过渡。这可以由重新映射器156相应的的实现。

当部件18在绝对位置区中时，并且用户没有移动它，由位置传感器提供的实际的位置信息值将由于特定的容差和滤波技术而波动几个位单元。如果这被重新映射器156识别，在显示装置15上显示的第一人称立体图将基于这些微小的无意的位置信息的变化而前后抖动或跳动。因此，可采用一个常规的抖动滤波器，其可忽略位置信息的变化，其中变化的幅度小于阈值水平。

但是，忽略变化将降低分辨率，导致更小的平滑控制。例如，如果用户正在以顺时针方向围绕轴102连续移动部件18，基本上没有必要采用抖动滤波器，因为每个采样值将大于前面的值。因此没有必要降低分辨率。

为此，如果在方框200中，确定部件18在绝对位置区中，并且在前一个采样间隔中位于绝对位置区中，那么重新映射器156确定设定了一个倾斜标志。设定一个倾斜标志是表示部件18围绕相关的轴的运动方向，其中接收了两个或多个连续的数据包，该数据包中包含表示在同样的方向上对两个或多个连续的采样期间部件18的位置已经改变的位置信息。

如果是这样，则表示用户已经在同样的方向上对至少两个采样间隔连续移动部件18。确定是否设定倾斜标志由方框206表示。如果没有设定倾斜标志，这表示用户没有在一个方向上对两个或多个连续的采样间隔连续移动部件18。在这种情况下，重新映射器156调用抖动滤波器(参照图9C更详细描述)。基于抖动滤波器的输出，重新映射器156对应用程序输出新的位置信息，如方框198表示的。

如果在方框206中，设定了倾斜标志，那么重新映射器156确定部件18的位置变化是否与先前的倾斜方向相同。如果不同，这表示用户已经切换了运动方向。在这种情况下，可以再次调用抖动滤波器，如方框208所示。确定位置变化是否与先前的倾斜方向相同由方框210表示。

如果在方框210中，确定部件18的位置变化与先前的倾斜方向相同。这表示用户已经简单地在同样的方向上连续移动部件18，没有必要调用抖动滤波器，降低分辨率。因此，在这种情况下，重新映射器156简单地输出新的位置信息到应用程序层160，如方框198所示。

一旦把新的位置信息提供给应用程序，应用程序基于来自XY位置域和剩余的数据(诸如对按钮矩阵中的任何开关的按压等等)更新画面。这可以由方框212表示。

图9C更好地说明了抖动滤波器的调用。当调用抖动滤波器时，重新映射器156确定离先前位置的位置变化是否大于阈值水平。这可以由方框214表示。如果是这样，这相应于位置的合理的变化，重新映射器156把新的位置信息提供给应用程序层160。这可以由方框198表示。但是，如果在方框214中，确定离先前位置的位置变化没有超出阈值，那么重新映射器156简单地忽略位置变化。这可以由方框260表示。

图10是计算机输入装置14的一个实施例的分解图，更好地说明了其多个机械特征。图10以与正常位置相颠倒的位置示出了计算机输入装置14。图10说明，输入装置14具有一个下壳体220和一个在装配时连接在一起的上壳体222。上壳体222具有多个空腔224，用于接收拇指接触部分226，该拇指接触部分226用于按钮矩阵28的按钮。拇指接触部分226依次与相应的的柱塞228摩擦啮合，柱塞228在压下时靠近位于相关的印刷电路板230上的开关触点。

手指啮合触发器32可转动地安装在支柱232上，支柱232固定在上壳体部分222上。触发器32具有延伸的柱塞234，当触发器232被压下时，柱塞234与安装在印刷电路板230上的相应的开关236啮合。

另外，帽开关30通过上壳体22中的一个孔安装在凸肩238上。当以各种角度压下帽开关30时(如上面的表1中描述的)，凸肩238靠近安装在印刷电路板240上的一套或多套开关触点(在图10示出的实施例中，开关安装在与显示的印刷电路板相对的一侧上)。

接头(或铰链部分)22包括第一凸轮组件242和第二凸轮组件244，两者都将参照图12A-14C更详细描述)。凸轮组件242允许部件18围绕轴106转动，同时凸轮组件244允许部件18围绕轴106偏转。输入装置14还包括穿过凸轮组件244伸进凸轮组件242中的空心轴246。配线248延伸穿过轴246的空心部分，并且把来自部件18上的印刷电路板230上的各种开关和按钮的信号带回到部件16上的印刷电路板230上，用作进一步的处理。

轴套252用于把轴246连接到电位计260。轴套252包含一个延伸舌片部分254。舌片部分254的尺寸可以使其紧紧地固定在空心轴246的开口上部中，以便在开口上部中与空心轴246的内表面摩擦啮合。轴套252还具有一个相对端256，其包括一个开口，该开口的尺寸可接收电位计260的旋转游标258，电位计260安装在包含于部件16中的电路板230上。当轴套252装配在轴246上时，当部件18围绕轴106转动时，它随着轴246转动。由于轴套252中的开口256与电位计260的游标258摩擦啮合，游标258也随着轴246转动。这提供了一个指示部件18围绕轴106运动的电位计信号。

图11是图10中示出的计算机输入装置14的一部分的放大图。与图10中相同的零件具有相同的标号。图11示出，第二轴266与部件18相连并通过凸轮组件242向上(在图11示出的图中)延伸。轴266向上延伸通过轴246的开口部分，其定义为轴102，部件18围绕该轴102在偏转或X轴方向上转动。尽管被凸轮组件242挡住，与图10中对于轴246描述的，一个电位计装置被设置用于轴266，使得指示部件18在X方向上的位置的电信号也提供给电路板230(通过配线248)。

图11还示出，用于部件18的壳体限定了一个开口270。开口270足够大，以便在壳体268和环状轴套272之间提供一个微小的间隙。环状轴套272刚性连接到轴246，并且随着转动。在一个实施例中，环状轴套272和和轴246彼此模制成一体。环状轴套272仍保持在原地，而部件18围绕其外周转动。由于环状轴套272向内延伸进壳体18中，即使部件18通过其整个运动范围围绕轴102转动，轴套272仍然基本上封闭开口272，使得部件18的壳体268的内部不露出。

图11还示出，凸轮组件244包括一个罩子274，罩子274外周的尺寸刚好大于凸轮276的内周。凸轮随动件278靠近最近的凸轮276设置，并且可随着轴246转动。一个压簧280(图12A中示出)设置在罩子274的内壁和凸轮276的相对表面之间。

图12A-14C更好地示出了凸轮组件242和244。由于这些图中示出的凸轮组件可相当于凸轮组件242或244的任何一个，为了简化起见，此处仅讨论凸轮组件244。此外，凸轮和凸轮随动件的定向可与示出的相反。

图12A是凸轮276、凸轮随动件278和压簧280的分解图，去除了罩子274。图12A示出，凸轮276具有多个设置在基本上平的表面上的凸轮表面282，图12A中示出了相对的两个。相类似，凸轮276包括一个凸肩284，该凸肩284的尺寸刚好大于压簧280的外周。因此，压簧280在由凸肩284限定的凹陷内抵住凸轮276。

凸轮随动件278包括多个凸起286，这些凸起286从基本上平的凸轮随动表面288上凸出。凸轮随动件278绕轴设置以随着轴246转动。

图12B示出了凸轮组件244的装配图，去除了罩子274。图12B示出了处于中点位置上的凸轮组件244，其中凸起286存在于凸轮表面282之间。在图4A中，中点位置对应于部件18处于动作区110中。

图12C是通过中点位置处的凸轮组件244的一部分剖开的侧视剖面图。图12C更好地示出，在中点位置处，压簧280在凸轮276和凸轮随动件278上施加力，使得凸轮随动件278上的凸起286和凸轮276上的凸轮表面282基本上平滑地抵住，表面相对。因此，当轴246转动时，用户感觉到基本上恒定的力，这种力是由于凸起286和凸轮表面282在压簧280施加的力作用下沿相对表面滑动产生的。在一个实施例中，凸轮276和凸轮随动件278是由销售的商品名为Delrin(迭尔林)的乙缩醛材料制成的。当两片彼此滑动时，该材料提供一种具有轻微的运动阻力的粘性流体触感。当然，也可使用其它的材料提供想要的触感。

图13A-13C示出了处于比如相对于图12A-12C所示的中点位置转动大约30度的位置中的凸轮组件244。于是，图13A-13C说明了部件18一直通过图4A中所示的区110时的凸轮组件244，并且正开始进入一个区112或114。如图13C所示，凸轮表面282和凸起286在压簧280的力作用下直接彼此抵住。因此，当用户转动部件18从绝对位置区进入速度区中时，用户感觉到明显的转动阻力增加，这是因为凸轮表面282和凸起286在该点处彼此啮合。

图14A-14C示出了处于比如从图12A-12C所示的中点位置转动大约40度的位置中的凸轮组件244。因此，这相当于比如图4B中所示的区112的一个边端。如图14C中所示，凸轮表面282已经和凸轮随动件278上的凸起286啮合，并且被彼此相向推动，使得凸轮276从凸轮随动件278上移位。当然，凸轮随动件278固定在图14C所示的视图的竖直方向上。因此，凸轮276被强迫向上移动，由此压簧280也向上移动。弹簧280被压缩的越狠，弹簧280呈现的阻力越大。因此，当凸轮随动件278已经转动到其整个运动范围时(比如大约离开中点+40度)，弹簧280施加最大程度的力，于是用户在该点处感觉到最大的阻力。

图15-17说明了输入装置14的特定生物工艺学特征。图15A示出，部件16和18都分别具有通常的长度轴290和292。为了获得更符合生物工艺学的中性姿势，部件16和18的长度轴具有轻微的前束角。例如，轴246定义为通常由图15A中的标号294表示的轴。轴290和292以与垂直于轴294的线成的角296前束。前束角296的范围大约为10-15度，并且最好为12度。因此，输入装置14的形状和前束角给了用户的手腕一个中性的最初手腕姿势。平均起来，对装置14的最初手腕姿势是约14度伸展和8度的尺骨偏差。这些值在手腕的中性姿势范围内。中性手腕弯曲/伸展是在大约0度到20度的伸展范围内，而中性手腕偏差是在大约0度到20度的的尺骨偏差范围内。

图15B示出了多个间隔，以容纳拇指宽度在5个百分点至95个百分点中的北美男性的拇指宽度。拇指启动控制器(诸如帽开关30和按钮矩阵28中的按钮)的间隔被设计成可避免无意识的启动。因此，在按钮矩阵28中的按钮的中心间隔300在大约18毫米-28毫米的范围内，还可以为大约21毫米。另外，在按钮矩阵28中的按钮的中心间隔302大约超过13毫米，还可以为大约14.6毫米。

另外，接头(或铰链机构)22包括一个表面304，当不启动矩阵28中的按钮时，其上放着用户右手的拇指。表面304的中心区也相应于围绕轴102转动部件18的转动位置。部件18上的四按钮矩阵28的中心和转动轴102之间的距离306在大约7毫米-47毫米的范围内，距离306进一步在25-30毫米的范围内，也可以为27毫米。

从转动轴102到四按钮矩阵28的中心之间的距离308被设计成可容纳通常的拇指摆动的运动范围内。距离308在大约30-40毫米的范围内，也可以为大约34.6毫米。

方向垫30也具有一个尺寸，其可容纳拇指宽度在5个百分点至95个百分点中的男性的拇指宽度，并且被设计成可避免无意识的启动。因此，帽开关30具有一个长度310，其在20-30毫米的范围内，也可以是大约28.4毫米。另外，帽开关30具有一个宽度312，其在18-28毫米的范围内，也可以是大约22.5毫米。

图16A是从前下侧见到的输入装置14的透视图。图16A示出，部件16和18的手握处具有一个低的纹理结构的手指啮合部分314和316，以增加抓握摩擦力。纹理结构可以是任何摩擦力增加表面，诸如低硬度材料，其中形成有脊，或者粗糙的纹理结构塑料。

图16B是图16A中的剖面线16B-16B剖开的剖面图。图16B示出，部件16的手柄部分的边缘是圆形的并成形为凸弧形，其结构适用户的手的手掌部分的凹弧形。相类似，手柄部分的总直径被设计成可容纳在5个百分点至95个百分点中的北美男性的手掌尺寸。因此，直径320在大约43毫米-53毫米的范围内，可以为大约50毫米。相类似，部件16和18的手柄部分的围长(或外周)在大约120-145毫米的范围内，可以为大约133毫米。

图17是沿图15A中所示的轴292剖开的部件18的横剖面图。部件18的手柄部分的长度322被设计成可容纳在5个百分点至95个百分点中的北美男性的手掌宽度。因此，长度322大约超过86毫米，也可以大约超过105毫米，进一步可以大约超过131毫米。图17还示出，具体的部件16和18有点象手枪握把，其手柄部分从支撑按钮矩阵28和帽开关30的垫区域向后下方延伸。

从位于四按钮矩阵28的中心到部件18的手柄部分的末端之间的距离324在大约90-100毫米的范围内，可以为大约97.5毫米。

触发器32的位置被设计成这样，即当手和手指在部件18的手柄部分上的手枪握把结构时，可由食指的指尖启动它。从位于部件18上的四按钮矩阵28的中心到触发器32的前表面之间的距离326可容纳在5个百分点至95个百分点范围中的北美男性的手指长度。当手握在手枪握把上时，这可以通过使目标总体的小端到达触发器32的表面实现。因此，距离326小于大约45毫米，可以小于大约35毫米，进一步可以小于33.5毫米。

另外，装置14的重量足够小，使得该装置可被用户使用很长时间而不会疲劳。因此，在一个实施例中，装置14的重量在大约225-345克的范围内。装置14的重量也可以为大约284克。

因此，本发明提供了一个对计算机的用户输入装置，其具有两个可彼此相对转动并关节式连接的部件，并且提供指示该运动的信号。本发明说明了两个或多个运动范围之间的运动，其可以被检测并被用来改变显示的物体的动作特性。相类似，该装置被设计成其元件的尺寸和形状符合生物工艺学特征。

尽管参照最佳实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到可在形式和细节上进行变化，这些变化都不脱离本发明的宗旨和范围。

Claims

1、一种计算机输入装置，其特征在于，它包括：

第一手柄；

与第一手柄活动连接的第二手柄；

可操作地连接到第一和第二手柄的传感器，其被设计成可提供指示第一和第二手柄彼此相对位置的位置信号；以及

与传感器相连的控制器，其被设计成可提供指示基于该位置信号的位置的计算机输入。

2、按照权利要求1所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一手柄相对于该第二手柄运动通过一个包括多个区的第一运动范围，并且还包括：一个与第一手柄或第二手柄中的至少一个相连的第一连接部分，当第一手柄从多个区的第一个区过渡到多个区的第二个区时，该第一连接部分可提供触觉反馈。

3、按照权利要求2所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一连接部分包括：第一阻力机构，其被设计成当第一手柄运动通过第一区时可提供第一运动阻力。

4、按照权利要求3所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一连接部分包括：第二阻力机构，其被设计成当第一手柄运动通过第二区时可提供第二运动阻力。

5、按照权利要求4所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一阻力是一种基本上恒定的阻力。

6、按照权利要求5所述的计算机输入装置，其特征在于，该第二阻力是一种变化的阻力，其随着第一手柄运动通过第二区而变化。

7、按照权利要求3所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一阻力机构被设计成可提供粘性运动阻力。

8、按照权利要求4所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一手柄可相对于该第二手柄围绕转动的第一轴线转动通过第一运动范围，该第一区位于通常位于第一运动范围的中心的区中。

9、按照权利要求8所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一连接部分包括：第三阻力机构，其被设计成当第一手柄运动通过多个区的第三区时可提供第三增加的运动阻力。

10、按照权利要求9所述的计算机输入装置，其特征在于，该第三阻力机构被设计成可提供作为变化阻力的第三阻力，其随着第一手柄运动通过第三区而变化。

11、按照权利要求9所述的计算机输入装置，其特征在于，第一区位于沿第一运动范围的第二和第三区之间。

12、按照权利要求8所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一手柄相对于该第二手柄围绕转动的第二轴线转动通过一个包括多个区的第二运动范围，并且还包括：一个与第一手柄和第二手柄中的至少一个相连的第二连接部分，当第一手柄从第二运动范围中的多个区的第一个区过渡到多个区的第二个区时，该第二连接部分可提供触觉反馈。

13、按照权利要求12所述的计算机输入装置，其特征在于，该第二连接部分包括：第一阻力机构，其被设计成当第一手柄运动通过第二运动范围中的第一区时可提供第一运动阻力。

14、按照权利要求13所述的计算机输入装置，其特征在于，该第二连接部分包括：第二阻力机构，其被设计成当第一手柄运动通过第二运动范围中的第二区时可提供第二运动阻力。

15、按照权利要求14所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一阻力是一种基本上恒定的粘性运动阻力。

16、按照权利要求14所述的计算机输入装置，其特征在于，该第二阻力是一种变化的阻力，其随着第一手柄运动通过第二运动范围中的第二区而变化。

17、按照权利要求14所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一手柄可相对于该第二手柄围绕第一轴线转动通过第二运动范围，该第一区位于通常位于第二运动范围的中心的区中。

18、按照权利要求17所述的计算机输入装置，其特征在于，该第二连接部分包括：第三阻力机构，其被设计成当第一手柄运动通过第二运动范围中的多个区的第三区时可提供一种变化的运动阻力。

19、按照权利要求18所述的计算机输入装置，其特征在于，第一区位于沿第二运动范围的第二和第三区之间。

20、按照权利要求12所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一连接部分包括：与该第一手柄和该第二手柄中的一个刚性相连的第一轴，该第一轴可转动地连接到该第一手柄和该第二手柄中的另一个，该第一轴定义转动的第一轴线。

21、按照权利要求20所述的计算机输入装置，其特征在于，该第二连接部分包括：与该第一手柄和该第二手柄中的一个刚性相连的第二轴，该第二轴可转动地连接到该第一手柄和该第二手柄中的另一个，该第二轴定义转动的第二轴线。

22、按照权利要求21所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一连接部分包括：连接在该第一轴和该第二手柄之间的包括一个凸轮和一个凸轮随动件的一个第一凸轮组件，其中当第一手柄从第一运动范围中的第一区过渡到第二区时，该凸轮随动件与凸轮上的凸轮表面啮合。

23、按照权利要求22所述的计算机输入装置，其特征在于，该第二连接部分包括：连接在该第一和第二手柄之间的包括一个凸轮和一个凸轮随动件的一个第二凸轮组件，其中当第一手柄从第二运动范围中的第一区过渡到第二区时，该凸轮随动件与凸轮上的凸轮表面啮合。

24、按照权利要求20所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一和第二手柄各包括多个操作者启动输入装置，各提供一个指示其启动的启动信号。

25、按照权利要求24所述的计算机输入装置，其特征在于，第一轴包括一个空腔，其中在第一和第二手柄中的一个上的操作者启动输入装置通过配线被选择性地连接到该第一和第二手柄中的另一个上的电路上，该配线通过该空腔在第一轴上延伸。

26、按照权利要求12所述的计算机输入装置，其特征在于，该传感器包括：

第一传感器，其可检测第一手柄在第一运动范围中相对于第二手柄的位置，并且提供指示该位置的第一位置信号；以及

第二传感器，其可检测第一手柄在第二运动范围中相对于第二手柄的位置，并且提供指示该位置的第二位置信号。

27、按照权利要求26所述的计算机输入装置，其特征在于，该控制器被设计成可基于该第一和第二位置信号向计算机提供一个输出，该输出指示第一手柄是否在第一和第二运动范围中处于第一区或第二区。

28、一种计算机输入装置，其特征在于，它包括：

第一手柄；

第二手柄；

连接在第一和第二手柄之间的接头，使得第一手柄可相对于第二手柄围绕转动的第一轴线在大约40-100度的围绕第一轴线的运行范围内运动通过一个运动范围；

29、按照权利要求28所述的计算机输入装置，其特征在于，该接头连接在第一和第二手柄之间，使得第一手柄可相对于第二手柄围绕转动的第一轴线在大约80度的运行范围内转动通过一个运动范围。

30、按照权利要求28所述的计算机输入装置，其特征在于，该接头连接在第一和第二手柄之间，使得第一手柄可相对于第二手柄围绕转动的第二轴线在大约40-100度的围绕转动的第二轴线的运行范围内转动通过一个运动范围。

31、按照权利要求30所述的计算机输入装置，其特征在于，该接头连接在第一和第二手柄之间，使得第一手柄可相对于第二手柄围绕转动的第二轴线在大约80度的运行范围内转动通过一个运动范围。

32、按照权利要求28所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一和第二手柄各限定一个纵向轴线，并且其中各个纵向轴线以与转动的第一轴线垂直的线成的集束角设置，该集束角在大约8-16度的范围内。

33、按照权利要求28所述的计算机输入装置，其特征在于，每个集束角大约为12度。

34、按照权利要求28所述的计算机输入装置，其特征在于，还包括：

第一控制垫区域，其设置在第一手柄上并包括第一多个启动器；

第二控制垫区域，其设置在第二手柄上并包括第二多个启动器；并且

其中第一和第二手柄分别从第一和第二控制垫区域下垂。

35、按照权利要求34所述的计算机输入装置，其特征在于，第一和第二手柄分别从第一和第二控制垫区域下垂超过大约86毫米的长度。

36、按照权利要求35所述的计算机输入装置，其特征在于，第一和第二手柄分别从第一和第二控制垫区域下垂大约131毫米的长度。

37、按照权利要求34所述的计算机输入装置，其特征在于，第一多个启动器的中心通常从转动的第一轴线向前偏移在7-47毫米范围内的长度。

38、按照权利要求37所述的计算机输入装置，其特征在于，第一多个启动器的中心通常从转动的第一轴线向前偏移大约27毫米的长度。

39、按照权利要求34所述的计算机输入装置，其特征在于，还包括：至少一个第一触发器，其位于第一手柄的前部，并且与第一多个启动器的中心隔开小于大约43毫米的距离。

40、按照权利要求39所述的计算机输入装置，其特征在于，第一触发器位于第一手柄的前部，并且与第一多个启动器的中心隔开大约33.5毫米的距离。

41、按照权利要求28所述的计算机输入装置，其特征在于，每个第一和第二手柄的直径在大约43-53毫米的范围内。

42、按照权利要求41所述的计算机输入装置，其特征在于，每个第一和第二手柄的直径在大约45毫米的范围内。

43、按照权利要求34所述的计算机输入装置，其特征在于，第二多个启动器包括一个多路开关启动器，其在通常平行于第二纵向轴线的方向上的长度在大约20-30毫米的范围内。

44、按照权利要求43所述的计算机输入装置，其特征在于，该多路开关启动器的长度为大约28.4毫米。

45、按照权利要求43所述的计算机输入装置，其特征在于，该多路开关启动器的宽度在大约18-28毫米的范围内。

46、按照权利要求45所述的计算机输入装置，其特征在于，该多路开关启动器的宽度为大约22.5毫米。

47、按照权利要求34所述的计算机输入装置，其特征在于，第一手柄包括一个拇指依靠部分，其中第一多个启动器的中心在通常与拇指运行重合的方向上与该拇指依靠部分的中心区域隔开大约30-40毫米的范围。

48、按照权利要求47所述的计算机输入装置，其特征在于，第一多个启动器的中心在通常与拇指运行重合的方向上与该拇指依靠部分的中心区域隔开大约34.6毫米。

49、按照权利要求28所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一手柄包括一个手指啮合部分，该手指啮合部分包括一个摩擦力增大表面。

50、一种计算机输入装置，其特征在于，它包括：

第一部件；

一个手柄，其与第一部件活动连接，并且可相对于第一部件运动通过一个包括多个区的运动范围；

可操作地连接到该第一部件和该手柄的传感器，其被设计成可提供指示该第一部件和该手柄彼此相对位置的位置信号；

一个与该第一部件和该手柄中的至少一个相连的第一连接部分，当该手柄从多个区的第一个区过渡到多个区的第二个区时，该第一连接部分可提供触觉反馈；以及

51、按照权利要求50所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一连接部分包括：第一阻力机构，其被设计成当该手柄运动通过第一区时可提供第一运动阻力。

52、按照权利要求51所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一连接部分包括：第二阻力机构，其被设计成当该手柄运动通过第二区时可提供第二运动阻力。

53、按照权利要求52所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一阻力是一种基本上恒定的阻力。

54、按照权利要求53所述的计算机输入装置，其特征在于，该第二阻力是一种变化的阻力，其随着该手柄运动通过第二区而变化。

55、按照权利要求50所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一阻力机构被设计成可提供粘性运动阻力。

56、按照权利要求52所述的计算机输入装置，其特征在于，该手柄可相对于该第一部件围绕转动的第一轴线转动通过第一运动范围，该第一区位于通常位于第一运动范围的中心的区中。

57、按照权利要求56所述的计算机输入装置，其特征在于，该第一连接部分包括：第三阻力机构，其被设计成当第一手柄运动通过多个区的第三区时可提供第三运动阻力。

58、按照权利要求57所述的计算机输入装置，其特征在于，该第三阻力机构被设计成可提供作为变化阻力的第三阻力，其随着第一手柄运动通过第三区而变化。

59、按照权利要求57所述的计算机输入装置，其特征在于，第一区位于沿第一运动范围的第二和第三区之间。