DE4211189C2

DE4211189C2 - 3D-Computermaus

Info

Publication number: DE4211189C2
Application number: DE19924211189
Authority: DE
Inventors: Armin Ringwald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2012-04-04
Also published as: DE4211189A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Eingabegerät, mit dem dreidimensionale Koordinaten und Bewegungen in einem Computer eingegeben werden können, um sowohl Translations- als auch Drehbewegungen eines auf einem Bildschirm dargestellten Objektes oder Cursors zu steuern und zu positionieren, wobei das Gerät aus einer X-Y-Maus mit einer gegenüber der Unterseite des Gerätegehäuses vorstehenden Kugel besteht, die rotierbar gelagert ist und durch Bewegungen auf einer ebenen Auflagefläche Richtungssteuerungen in der X- und Y-Achse ermöglicht, mit einem oder mehreren Gleitstücken am Boden des kastenförmigen Gehäuses des Eingabegerätes im Bereich einer Schmalkante sowie mit Gleitstücken im Bereich der gegenüber dem Boden vorstehenden Rollkugel, die gegenüber dem Boden nach unten vorstehen und auf denen das Gerät in seiner Ausgangsstellung zur Darstellung von Bewegungen des auf dem Bildschirm dargestellten Objektes oder Cursors in Richtung der X- und Y-Achse auf einer Unterlage gleitet, mit einer drehbar gelagerten zweiten Rollkugel im oberen Gehäuseteil, die gegenüber der Oberseite des Gerätes vorsteht und mit der Rotationsbewegungen des auf dem Bildschirm dargestellten Objektes oder Cursors um die U- oder die V-Achse darstellbar sind.

Geräte zur Steuerung der Bewegungen in Richtung der X-Achse und der Y-Achse mit einer gegenüber der Unterseite des Eingabegerätes vorstehenden Kugel sind beispielsweise aus der DE-OS-36 03 526, der DE-OS 34 25 932, der DE-OS 34 07 131, der DE-OS 37 05 492, sowie der DE-OS 41 07 085 bekannt.

Es gehört ferner ein Gerät zur Eingabe von dreidimensionalen Koordinaten und Bewegungen in einem Computer zum Stand der Technik, das im Äußeren einer Maus ähnelt, aber im Gegensatz dazu nicht nur in der Ebene bewegt sondern auch hochgehoben und im Raum bewegt werden kann. Dabei werden absolute Raumkoordinaten zum Hauptrechner übertragen. Die Raumkoordinatenbestim mung erfolgt bei diesem aus der DE-OS 38 38 605 bekannten Gerät dadurch, daß ein Ultraschallmeßsystem die Abstände des Eingabegerätes zu mindestens drei festen Bezugspunkten bestimmt und daraus die Raumkoordinaten berech net werden.

Aus der DE-OS 39 21 300 ist es bekannt, ein zweidimensionales Eingabesteuergerät zum Drehen eines in dreidimensionaler Darstellung auf einem computergesteuerten Video-Displaysystem angezeigten Objektes zu verwenden. Dabei ist ein für den Benutzer sichtbarer Referenzkreis vorgesehen und es wird ein dem zweidimensionalen Eingabesteuergerät zugeordneter Zei ger relativ zum Referenzkreis in einem Steuerbewegungsmodus bewegt. Die Bewegung des Zeigers bewirkt innerhalb des Referenzkreises eine Drehung des angezeigten Objekts um beliebige Achsen im dreidimensionalen Raum, wäh rend eine Bewegung des Zeigers auf dem oder außerhalb des Referenzkreises eine Drehung um eine Raumachse erzeugt, die auf den Betrachter gerichtet ist.

Die Steuerung eines Cursors in der X-, Y- und Z-Achse ist aus der EP 0 403 782 A2 bekannt. Dabei ist eine übliche X-Y-Maus mit einer Rollkugel vorgesehen, die zusätzlich mit einer Einrichtung, z. B. einem mit einem Finger betätigbaren Schalter versehen ist, über den die Steuerung eines Cursors in der Z-Achse möglich ist. Der Schalter kann ein auf Druck ansprechender Knopf sein, der auf der Oberfläche der Maus angebracht ist oder er kann in einer von der Oberfläche der Maus ausgehenden Bohrung liegen und auf ein mehr oder weniger starkes Eindringen eines Fingers in die Bohrung ansprechen.

Ein Koordinateneingabegerät mit einem zusätzlichen Bedienelement zur Erzeugung von Wegimpulsen auf der Gehäuseoberseite ist bereits aus der Gebrauchsmusterschrift DE 87 04 883 U1 bekannt. Nachteilhaft hierbei ist jedoch, daß die Eingabemöglichkeiten für eine umfassende Steuerung im dreidimensionalen Raum nicht ausreichen.

Ähnlich, wie das Eingabegerät der Gebrauchsmusterschrift DE 87 04 883 U1 ist auch das Eingabegerät der Offenlegungsschrift FR 2 658 931 A1. Auch hier verfügt das Eingabegerät über zwei drehbare Kugeln, welche im Gehäuse des Eingabegerätes auf der Unter-, bzw. auf der Oberseite hervorstehen. Dem Benutzer fehlen auch hier die ausreichenden und ergonomisch sinnvollen Möglichkeiten zur Eingabe der Steuerungsbefehle, um ein dreidimensionales Objekt im dreidimensionalen Raum zu kontrollieren.

Ein weiteres Eingabegerät wird in der europäischen Patentanmeldung EP 0 296 837 A2 beschrieben, welches mittels eines Gleitstücks und einer gegenüber der Unterseite vorstehende Rollkugel in seiner Ausgangsstellung als Computermaus einsetzbar ist. Zum Einlesen von Abbildungen (Scanner-Betrieb) kann es über die Rollkugel nach hinten in eine zweite Betriebsstellung gekippt werden.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein Eingabegerät zu schaffen, mit dem dreidimensionale Koordinaten und Bewegungen in Com puter eingegeben werden können, um ein auf einem Bildschirm dargestelltes Objekt oder einen Cursor in seinen allgemeinen Bewegung zu positionieren und zu steuern, wobei die allgemeine Bewegung sowohl Translationsbewegungen in Richtung der Translationsachse (X, Y, Z) als auch Rotationsbewegungen um wenigstens eine dieser Achsen umfassen soll. Dabei soll das Eingabegerät auf der Grundlage einer X-Y-Maus, mit der die vorstehend erwähnten Bewegungen eines Objektes oder Cursors darstellbar sind, so ausgebildet werden, daß alle Funktionen durchführbar sind, ohne daß es erforderlich ist, die Maus von der Unterlage abzuheben oder andere derartige Manipulationen durchzuführen.

Die Erfindung geht von einem Gerät der eingangs beschriebenen Art aus und weist die folgenden Merkmale auf:

a) Im Bereich der dem/den Gleitstücken gegenüberliegenden Schmalkante sind ein oder mehrere Gleitstücke vorgesehen, die gegenüber dem Boden um ein geringeres Maß vorstehen als die übrigen Gleitstücke, so daß sie in der Aus gangsstellung die Unterlage nicht berühren.
b) Die Gleitstücke verlaufen quer zur Längsachse des Gehäuses.
c) In die hinteren Gleitstücke sind Schalter integriert, die, wenn das Gerät um die mittleren Gleitstücke nach hinten gekippt ist, eine Schaltung aktivieren, die die Rollbewegung der auf der Unterseite des Gehäuses hervorstehenden Kugel derart an die Bewegung des Objektes auf dem Bildschirm koppelt, daß Bewegungen von Objekten auf dem Bildschirm in Richtung der Z-Achse über die Rollbewegung der Kugel darstellbar sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, es zei gen:

Fig. 1: Eine Seitenansicht;

Fig. 2: eine Draufsicht der 3D-Computermaus,

Fig. 3: eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die untere Gehäusehälfte;

Fig. 4: einen Schnitt gemäß der Line A-D der Fig. 3;

Fig. 5. eine schematische Darstellung, die das Funktionsprinzip der Lagerung und opto elektrischen Sensorregistrierung der Kugel für die Bewegung um die U- und V-Achse veranschaulicht;

Fig. 6: einen Teilschnitt im Bereich der Scheibe, die die Drehbewegung um die W-Achse steuert,

Fig. 7: einen Teilschnitt der Betätigungseinrich tung für die Rückführung der auf Fig. 6 dargestellten Scheibe in die Nullposition;

Fig. 8: eine Teilansicht der auf Fig. 7 dargestellten Einrichtung von unten,

Fig. 9: eine schematische Darstellung, die das Funktionsprinzip der Rückführung der Kugel zu Steuerung der Drehbewegungen um die U-Achse und die V-Achse in die Nullposition darstellt;

Fig. 10: die Darstellung eines dreidimensionalen cartesischen Koordinatensystems, sowie die Darstellung der Steuerbarkeit eines Objektes in diesem System;

Fig. 11: eine schematische Darstellung der manu ellen Betätigung der translatorischen Z-Achsensteuerung und

Fig. 12: ein Blockschaltbild der 3D-Maus.

Die in Fig. 1 dargestellte 3D-Computermaus (10) besteht aus einem Gehäuse mit einer oberen Gehäusehälfte (3) und einer unteren Gehäusehälfte (2). Wenn die Maus (10) auf einer Unterlage (1) in eine gewünschte Richtung bewegt wird, führt die gegenüber der Unterseite des Gehäuses vorstehende Kugel (6) auf grund der Reibungskraft, die durch ihr Eigengewicht erzeugt wird, eine Rollbe wegung aus. Gleichzeitig liegt die 3D-Computermaus mit Gleitstücken (7 und 8) auf der Unterlage (1) auf. Die Rotationsbewegung der Kugel (6) wird über zwei orthogonal zueinander angeordnete, beispielsweise elektro-optische Bewe gungssensoren registriert, wobei je ein Sensor einer Richtungsachse zugeord net ist auf diese Weise wird die Rollbewegung der Kugel (6) zu einer Steuerung in einer Ebene XY benutzt, die durch zwei Richtungsachsen X und Y definiert ist. Die Bewegungssensoren erzeugen Signale, die als Steuersignale mittels einer elektronischen Schaltung über das Leitungskabel (11) zu einem nicht dar gestellten Computer übertragen werden, der auf ein auf einem Bildschirm ange zeigtes Objekt in einer definierten XY-Ebene anspricht. In die untere Gehäuse hälfte (2) ist ein weiteres Gleitstück (9) integriert, das flacher ist als die Gleit stücke (7 und 8), so daß es beim Verschieben der Computermaus (10) in der Ausgangsstellung die Unterlage nicht berührt, wobei als Ausgangsstellung die in den Fig. 1 und 11 gezeigte Stellung a verstanden werden soll, bei der die Com putermaus auf vorderen Gleitstücken (8) und den mittleren Gleitstücken (7), die im Bereich der Kugel (6) angeordnet sind, gleitet, während das am hinteren, in Fig. 1 und 11 linken Ende der Maus liegende Gleitstück (9) im Abstand von der Unterlage (1) angeordnet ist und diese nicht berührt. Wenn die Computermaus (10) um die Gleitstücke (7) nach hinten gekippt wird, setzt das Gleitstück (9) auf der Unterlage auf. In dieser, in Fig. 11 (Stellung b) dargestellten Lage kann die Maus, während sie auf den Gleitstücken (7 und 9) gleitet, auf der Unterlage (1) bewegt werden, wobei die Kugel (6) den Kontakt zur Unterlage behält und ihre Rollbewegung über die Bewegungssensoren registriert wird. Durch Aufsetzen des Gleitstückes (9) auf die Unterlage (1) werden die in den Fig. 3, 4 und 11 dargestellten Druckschalter (16a und 16b) betätigt, wodurch mittels einer nicht dargestellten elektronischen Schaltung eine Umschaltung der durch die Bewegungssensoren der Kugel (6) erzeugten Signale auf die Steuerung in Richtung einer Z-Achse bewirkt wird, die orthogonal zur Ebene XY steht. Durch die über das Leitungskabel (11) übertragbaren Bewegungssignale zu einem nicht dargestellten Computer wird ein auf einem Bildschirm angezeigtes Objekt in Richtung der Z-Achse steuerbar.

Das Gehäuse enthält ferner eine zweite Rollkugel (5) die gegenüber der oberen Gehäusehälfte (3) nach außen vorsteht. Die Kugel ist in der unteren Gehäuse hälfte (2), wie sich aus Fig. 4 ergibt, rotierbar gelagert, so daß sie von einem Benutzer von außen in allen Richtungen gedreht werden kann. Die zweite Rollkugel (5) kontaktiert durch ihr Eigengewicht zwei in einem Gehäuse (21) gelagerte Abtriebswellen (23 und 25) und eine in dem Gehäuse (21) gelagerte Stützwelle (26), so daß sie, wie sich aus den Fig. 3 und 4 ergibt, an drei Punkten gehalten ist. Die Abtriebswellen (23 und 25) sind mit Rotationsdetektoreinrichtungen gekoppelt; aufgrund der Reibungskraft, die durch das Eigengewicht der zweiten Rollkugel (5) erzeugt wird, werden rotierende Bewegungen der zweiten Rollkugel (5) durch die Rotationsdetektoreinrichtungen registriert, wobei je eine Abtriebswelle für eine Drehbewegungsregistrierung einer definierten Richtungsachse vorgesehen ist. Die orthogonal zueinander angeordneten Abtriebswellen (23 und 25) registrieren demzufolge Drehbewegungen der zweite Rollkugel (5) um eine definierte U-Achse sowie um eine orthogonal zur U-Achse stehende V-Achse. Als Rotationsdetektoreinrichtungen können beispielsweise elektro-optische Bewegungssensoren benutzt werden, die weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert werden.

Wie sich ferner aus den Fig. 1, 2 und 4 ergibt, enthält die 3D-Computermaus ein Scheibenelement (4), das konzentrisch um die zweiten Rollkugel (5) angeordnet und in der oberen Gehäusehälfte (3) drehbar gelagert ist. Auch das Scheibenelement (4) ragt über die Oberfläche der oberen Gehäusehälfte (3) hinaus. Die Fig. 4 und 6 zeigen, daß das Scheibenelement (4) durch eine ringförmige Nut (42), die in der oberen Gehäusehälfte (3) angebracht ist und in einer ringförmigen Halterung (41) gehalten und geführt wird. Mit (43) sind nietenähnliche Elemente bezeichnet, mit der die Halterung (41) an der Gehäusehälfte (3) befestigt ist. Die Scheibe (4) enthält eine konzentrisch angeordnete Reflektionscodierscheibe (44), die in einer Ausnehmung der unteren Fläche der Scheibe (4) angebracht ist. Die Reflektionscodierscheibe (44) dient als Strahlumlenkvorrichtung einer Reflektionsstrahlschranke, deren Fotoelemente (14a und 14b) (Fig. 3) so ange ordnet sind, daß ein von der Reflektonscodierscheibe reflektierter Lichtstrahl die Fotoelemente (14a und 14b) beaufschlagt. Eine Drehbewegung des Schei benelementes (4) wird somit durch die Codierscheibe (44) und die Fotoelemente (14a und 14b) mittels einer Reflektionsstrahlschranke registriert. Die Registrierung der Drehwinkelausschläge des Scheibenelementes (4) wird zur Steuerung von Drehbewegungen um eine definierte W-Achse benutzt. Durch eine nicht dargestellte elektronische Schaltung werden somit die über die Reflektionsstrahlschranke erzeugten Signale über das Leitungskabel (11) auf einen nicht dargestellten Computer übertragen, so daß die Rotationsbewegungen eines auf einem Bildschirm dargestellten Objekts um die definierte W-Achse durch Verdrehen des Scheibenelementes (4) gesteuert werden können.

Die in Fig. 2 dargestellte Draufsicht zeigt, daß die obere Gehäusehälfte (3) außer der zweiten Rollkugel (5) und dem Scheibenelement (4) Druckschalter (12a, 12b und 12c) enthält, die den in Fig. 3 dargestellten Schaltelementen (15a, 15b und 15c) zugeordnet sind. Diese werden als Menüwahlschalter zur Selektion von Menüprogrammfunktionen gemäß ausgeführter Muster von Computermäusen benutzt. Die Schaltelemente (15a, 15b und 15c) sind auf einer Grundplatte (13) am vorderen Ende des Gehäuses angeordnet, während die Schaltelemente (16a und 16b), die in das Gleitstück (9) integriert sind, am gegenüberliegenden Ende sitzen. Die Antriebswellen (19 und 20), sowie die Stützwelle (24), durch die die Kugel (6), wie Fig. 3 zeigt, an drei Punkten gehalten wird, sind in einem Gehäuse (17) gelagert, das ebenfalls auf der Grundplatte befestigt ist. Auch das Gehäuse (21), in dem die Abtriebswellen (23 und 25), sowie die Stützwelle (26) gelagert sind, die die zweite Rollkugel (5) an drei Punkten halten, ist auf der Grundplatte (13) angebracht.

Das Funktionsprinzip der Lagerung der optoelektrischen Sensorregistrierung der Kugelbewegung ist in Fig. 5 in vergrößerter Darstellung veranschaulicht. Die zweite Rollkugel (5) liegt durch ihr Eigengewicht an drei Punkten auf und zwar an den Wellenverdickungen (34 und 37) sowie der Wellenverdickung (31) der Stützwelle. Die Abtriebswelle (23) ist an den Punkten (32 und 33) z. B. durch Rollenlager im Gehäuse (21) drehbar gelagert. An der Frontseite befindet sich die Codierscheibe (39), deren Winkelverdrehungen über elektro-optische Sen sorteile (29a, 29b und 30a, 30b) registriert werden.

Zur Rückführung des Scheibenelementes (4) sieht das Ausführungsbeispiel die auf den Fig. 7 und 8 dargestellte Anordnung vor, bei der an dem in das Innere des Gerätes hineinragenden Kranz (55) eine kreisförmige Aussparung (56) der art ausgefräßt ist, daß mittig ein Stift (38) gebildet wird. An dem Boden der unte ren Gehäusehälfte (2) ist ein durch Rippen gegen Knicken gesicherter Stift (49) befestigt, der gegenüber dem Kranz (55) radial so angeordnet ist, daß die Ver längerungen der Längsachsen der Stifte (38 und 49) bei einer definierten Stel lung des Scheibenelementes (4) zusammenfallen. In dieser Nullposition des Scheibenelementes (4) kann ein Ring (47), der auf das obere Ende des Stiftes (49) aufgesetzt und am oberen Gerätegehäuse (3) befestigt ist, axial von der in Fig. 7 dargestellten, mit b bezeichneten Position in eine Position a verschoben werden, in der der Ring (47) auf den Stift (38) aufgeschoben ist. Der Stift (49) und der Stift (38) haben praktisch den gleichen Durchmesser, wobei sich als zweckmäßig erwiesen hat, den Stift (38) am Ende konisch zu erweitern, so daß beim Verschieben des Ringes von der Position b in die Position a eine Reibungskraft überwunden werden muß, die unbeabsichtigte Verschiebungen des Ringes (47) in die Position b bei Erschütterungen des Gerätes zu verhindern.

Der Ring (47) ist mit einem Federelement (48) versehen, das am oberen Gerätegehäuse (3) befestigt ist. Wenn der auf dem Stift (38) sitzende Ring (47) zusammen mit dem Scheibenelement (4) bewegt wird, zieht die Feder den Ring und damit die Scheibe wieder in die Nullstellung zurück, in der die beiden Stifte (38 und 49) zueinander ausgerichtet sind. Die axiale Verschiebung des Ringes (47) von der Position a in die Position b und umgekehrt wird mittels eines Stiftes durchgeführt, der durch eine Bohrung (45) des Scheibenelementes bzw. eine Bohrung (46) des Gehäusebodens eingeführt wird, so daß er auf die Oberseite bzw. die Unterseite des Ringes (47) auftrifft und den Ring (47) entsprechend verschiebt, um ein Überdehnen der Feder (47) zu verhindern besteht die Möglichkeit, an der Halterung (41) an bestimmten Stellen nockenartige Erhöhungen anzubringen, gegen die der Ring (47) anschlägt.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der anstelle der zweiten Rollkugel (5) eine mit (50) bezeichnete Rollkugel benutzt wird, die manuell austauschbar ist. Die Rollkugel (50) ist mit einer stabartigen Verlängerung (54) versehen, die gleichzeitig zur besseren Führung dient und in Verlängerung der Schwerpunktshochachse liegt. In der gleichen Achsrichtung ist in der unteren Hälfte der Rollkugel (50) ein Stabmagnet (51) angeordnet, der in Wechselwirkung zu einem zweiten Magneten (53) steht, der im Inneren des Gehäuses in Verlängerung der Schwerpunktshochachse der Rollkugel (50) angebracht ist. Das Volumen der unteren Halbkugel (52) ist mit einem Material mit höherer Dichte, z. B. Blei ausgegossen. Ersetzt man die zweite Rollkugel (5) (Fig. 4) durch die Rollkugel (50), so wirken nach deren Auslenkungen einerseits mechanische Rückstellkräfte, infolge der asym metrischen Anordnung des schwereren Materials und zum anderen magneti sche Rückstellkräfte durch die Anziehungskraft der Magneten (51 und 53). Wird die Rollkugel (50) nach einer Auslenkung losgelassen, so wird sie selbsttätig in eine sogenannte Nullpositon zurückgeführt, die Magnetkraft unterdrückt ferner ein Nachschwingen der Rollkugel (50). Die Größe der Auslenkung der Rollkugel (50) ist durch einen Anschlag der stabartigen Verlängerung (54) an das obere Gerätegehäuse (3) begrenzt.

Die allgemeine Bewegung eines Objektes in einem dreidimensionalen Raum gliedert sich in drei Freiheitsgrade der Translation und drei Freiheitsgrade der Rotation. Um die Objektbewegung in diesem Raum verifizierbar zu machen, müssen die Raumachsen durch ein geeignetes Koordinatensystem dargestellt werden. Fig. 10 zeigt das zur Raumdefinition zugrunde gelegte Koordinaten system mit den Achsenbezeichnungen X, Y und Z. Es ist ein räumliches cartesi sches Koordinatensystem, wobei die Drehung der positiven X-Achse nach der positiven Y-Achse unter gleichzeitiger Verschiebung in positiver Z-Richtung eine Rechtsschraubung darstellt. Die X-Achse ist nach rechts positiv orientiert; die Z-Achse ist nach oben positiv orientiert. Die positive Richtung der Y-Achse weist "in den Bildschirm hinein", so daß auf dem Bildschirm eines Computers ein fikti ver Raum dargestellt wird. Die drei Achsen haben einen gemeinsamen Ursprung, der den Nullpunkt des Koordinatensystems darstellt.

Anhand dieses Koordinatensystems lassen sich translatorische Bewegungen eines auf einem Bildschirm dargestellten Objektes durch die Koordinatenanga ben der jeweiligen Achsen bzw. deren Änderungen verifizieren.

Die 3D-Computermaus stellt die Möglichkeit bereit, durch manuell zu betäti gende Bedienungselemente die Bewegung eines angezeigten Objektes in be zug auf die Richtungen der einzelnen Achsen getrennt zu steuern.

Die Objektbewegung in Richtung der X-Achse und in Richtung der Y-Achse wird hierbei analog der Bedienung einer konventionellen Computermaus in der oben beschriebenen Weise durch Verschieben der Maus auf einer ebenen Unterlage gesteuert.

Die Steuerung der Objektbewegung in Richtung der Z-Achse ist durch eine elektronische Umschaltung der Bewegungsregistrierung der Rollkugel (6) reali siert. Hierzu sind an der Unterseite des Gerätes die Schalter (16a und 16b) angebracht, die durch Kippen der 3D-Computermaus aktiviert werden, wie es anhand der Fig. 11 und 12 erläutert wurde.

In einem cartesischen Koordinatensystem sind Linien, längs denen sich nur eine Koordinate ändert, Geraden, die parallel in einer Koordinatenachse verlaufen. Somit lassen sich zu einem auf einem Bildschirm dargestellten Objekt Kör perachsen definieren, die achsenparallel zum Koordinatensystem der Translationsbewegung sind. Der Ursprung dieser Körperachsen kann z. B. im Mittelpunkt des angezeigten Objektes gewählt werden. Die Steuerung der rotatorischen Bewegung bezieht sich auf diese Körperachsen U, V und W.

Die 3D-Computermaus stellt somit, zusätzlich zur Steuerung der Translati onsbewegung, die Möglichkeit bereit, die Rotationsbewegung um die Kör perachsen U, V und W entkoppelt voneinander zu steuern. Somit läßt sich mit der Erfindung ein Bildschirmobjekt in insgesamt sechs Freiheitsgraden manipu lieren, wie es in Fig. 10 unten schematisch dargestellt ist.

Zur Steuerung der Drehbewegung um die U-Achse und um die V-Achse besitzt die 3D-Computermaus eine über die Oberseite des Gerätegehäuses hinausra gende zweite Rollkugel (5), die rotierbar gelagert ist und durch ihr Eigengewicht den Kontakt zu zwei Sensorelementen, die der Steuerung der U-Achse bzw. V-Achse zugeordnet sind, herstellt. Wird die zweite Rollkugel (5) manuell verdreht, so werden die über die Sensoren registrierten elektronischen Signale zur Steuerung der Rotationsbewegungen eines Bildschirmobjektes um die U- Achse und die V-Achse verwertet.

Zur Steuerung der Drehbewegung um die W-Achse wird ein im Gerätegehäuse drehbar gelagertes Scheibenelement (4) benutzt. Wird das Scheibenelement manuell verdreht so werden die über z. B. elektro-optische Sensoren registrier ten Signale zur Steuerung der Rotationsbewegung eines Bildschirmobjektes um die W-Achse verwertet.

In Fig. 12 ist auf einem Blockschaltbild der Signalfluß und die Signalverarbeitung der mittels der Bewegungssensoren der Bedienungselemente erzeugten elektri schen Impulse dargestellt, wobei die Signalflußrichtung von links nach rechts aufgezeigt ist.

Die Steuerung der X-Achse und der Y-Achse wird über die Bewegungsregistrie rung der Rollkugel (6) verwirklicht. Die Steuerung der Objektbewegung in Rich tung der Z-Achse ist durch die Umschaltung der Bewegungsregistrierung der Rollkugel (6) mittels an der Unterseite des Gerätegehäuses angebrachter Schalter (16a, 16b) realisiert. Die Druckschalter (16a und 16b) bilden eine logische ODER-Schaltung, wobei im Ruhezustand die Y-Achsenrichtung geschaltet ist; im aktiven Zustand ist der Druckschalter (16a oder 16b) oder der Schalter (16a) gleichzeitig mit dem Schalter (16b) geschaltet, so daß die Z-Achsensteuerung vom Y-Sensor der Rollkugel (6) übernommen wird.

Die Rotationsbewegung um die U-Achse und die V-Achse wird über die Bewe gungsregistrierung der zweiten Rollkugel (5) gesteuert. Für die Steuerung der Rotationsbewegung um die W-Achse ist das Scheibenelement (4) zu benutzen.

Durch die Bewegungsregistrierung der zu betätigenden Bedienungselemente werden elektrische Impulse erzeugt. Die erzeugten elektrischen Impulse werden zu einem Mikrocomputer übertragen, um mittels einer nicht dargestellten elek tronischen Schaltung Steuersignale über eine serielle Schnittstelle (z. B. RS 232) zu einem Personal-Computer zu übertragen, der ein auf einem Bildschirm angezeigtes Objekt anspricht.

Die Signalverarbeitung des Mikrocomputers und die Signalübertragung zum Personal-Computer erfolgen mit zum Stand der Technik gehörenden Mitteln.

Claims

1. Eingabegerät, mit dem dreidimensionale Koordinaten und Bewegun gen in einem Computer eingegeben werden können, um sowohl Translations- als auch Drehbewegungen eines auf einem Bildschirm dargestellten Objektes oder Cursors zu steuern und zu positionieren, wobei das Gerät aus einer X-Y-Maus mit einer gegenüber der Unterseite des Gerätegehäuses vorstehenden Kugel besteht, die rotierbar gelagert ist und durch Bewegungen auf einer ebenen Auflagefläche Richtungssteuerungen in der X- und Y-Achse ermöglicht, mit einem oder mehreren Gleitstücken (8) am Boden des kastenförmigen Gehäuses (2, 3) des Eingabegerätes (10) im Bereich einer Schmalkante sowie mit Gleitstücken (7) im Bereich der gegenüber dem Boden vorstehenden Rollkugel (6), die gegenüber dem Boden nach unten vorstehen und auf denen das Gerät in seiner Ausgangsstellung zur Darstellung von Bewegungen des auf dem Bildschirm dargestellten Objektes oder Cursors in Richtung der X- und Y-Achse auf einer Unterlage (1) gleitet, mit einer drehbar gelagerten zweiten Rollkugel (5, 50) im oberen Gehäuseteil (3), die gegenüber der Oberseite des Gerätes vorsteht und mit der Rotationsbewegungen des auf dem Bildschirm dargestellten Objektes oder Cursors um die U- oder die V- Achse darstellbar sind, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) Im Bereich der dem/den Gleitstücken (8) gegenüberliegenden Schmalkante sind ein oder mehrere Gleitstücke (9) vorgesehen, die gegenüber dem Boden um ein geringeres Maß vorstehen als die übrigen Gleitstücke (7, 8), so daß sie in der Aus gangsstellung die Unterlage (1) nicht berühren.
b) Die Gleitstücke (7, 8, 9) verlaufen quer zur Längsachse des Gehäuses.
c) In die hinteren Gleitstücke (9) sind Schalter (16a, 16b) integriert, die, wenn das Gerät um die mittleren Gleitstücke (7) nach hinten gekippt ist, eine Schaltung aktivieren, die die Rollbewegung der auf der Unterseite des Gehäuses (2, 3) hervorstehenden Kugel (6) derart an die Bewegung des Objektes auf dem Bildschirm koppelt, daß Bewegungen von Objekten auf dem Bildschirm in Richtung der Z-Achse über die Rollbewegung der Kugel (6) darstellbar sind.

2. Eingabegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rollkugel (5, 50) aus nicht homogenem Material besteht, wobei die untere Hälfte (52) der zweiten Rollkugel (5, 50) aus einem Material besteht, das eine höhere Dichte hat als das Material, aus dem die obere Kugelhälfte besteht.

3. Eingabegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rollkugel (5, 50) mit einer stabartigen Verlängerung (54) versehen ist, die sich in Richtung der Hochachse erstreckt.

4. Eingabegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die untere Kugelhälfte (52) der zweiten Rollkugel (5, 50) ein sich in Richtung der Hochachse erstreckender Magnet (51) integriert ist, und daß unterhalb des Magneten (51) im Inneren des Gehäuses ein weiterer Magnet (53) angeordnet ist, dessen Polarität der des Magneten (51) entgegengerichtet ist.

5. Eingabegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch um die zweite Rollkugel (5, 50), die gegenüber der Oberseite des Gehäuses vorsteht, ein ebenfalls über die Oberseite hinausragendes drehbar gelagertes Scheibenelement (4) angeordnet ist, das zur Darstellung von Rotationsbewegungen um die W-Achse dient und ebenso wie die zweite Rollkugel (5, 50) von der Oberseite des Gehäuses her betätigbar ist.

6. Eingabegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Scheibenelement (4) ein am Gehäuseoberteil (3) befestigtes Federelement (48) angebracht ist, das beim Verdrehen des Scheibenelementes (4) eine Rückstellkraft ausübt und das Scheibenelement (4) in die Ausgangsstellung zurückholt.