人机界面系统的制作方法

专利名称：人机界面系统的制作方法
技术领域：
以下说明涉及电子装置的人机界面和输入系统，尤其是手持电子装置，例如手机、个人数字助理(“PDA”)、个人袖珍计算机、智能电话、手持游戏装置、条形码读取器、遥控装置，以及其它带有小键盘(keypad)或一个或多个输入元件的类似输入装置。
电子装置已变得越来越复杂，而且体积越来越小，部分原因是由于处理能力价格的下降和消费者对更小型装置需求的同时增长。尽管如此，这些装置常常在功能和效用方面受到限制，这是由于用户与这些装置进行连接以进行数据输入(例如文本、数字和功能输入)的能力和/或装置控制能力变得越来越困难，因为在装置表面用来放置输入元件的可用空间持续地减少，该输入元件是用于数据输入和/或装置控制的。
用于手持电子装置的各种人机界面和输入系统及技术已经被开发用于数据输入和装置控制，它们包括与弦齿输入技术(chordalinput techniques)、模态输入技术和/或智能键组合使用的微型键盘和小键盘；以及与屏上键盘和小键盘软件或手写识别软件组合使用的触摸屏。
与弦齿、模态、及智能键技术一起使用的键盘或小键盘 微型键盘和小键盘与它们的标准全尺寸形式类似，也就是说，键盘通常具备数字、字符、及功能输入元件的全集或基本全集，而与键盘相比，小键盘通常具备数字、字符或功能输入元件的精简集。这些微型输入装置通常被设计得适合手持电子装置的一个表面上的可用空间，或被设计成小巧而易于运输的外插器件。这样，随着手持电子装置变得更小，输入元件的体积通常也已减小，以使得所需数目的输入元件安装在电子装置的一个表面上。
对于数据输入和装置控制，微型键盘和小键盘通常需要两种输入技术其中之一，即用一个或多个拇指或手指按压所需输入元件，或用输入笔来“啄”所需输入元件(当输入元件尺寸较小时通常这样做)。已经开发并实施了多种技术，例如弦齿输入技术、模态输入技术和智能键，以改进使用微型键盘和小键盘的效率和效果。
·弦齿输入技术 弦齿输入技术通常基于这样的原则字符、符号、文字、短语或概念可以用输入元件的精简集来表示。因此，只需借助于按下输入元件的精简组合，就可以增强功能，并且实现更快捷更精确的数据输入。弦齿输入技术可以用在键盘或小键盘配置上，或具备一个以上输入元件的任何装置上，并且通常会导致比传统键盘或小键盘更少的输入元件或更多的功能。用双手操作弦齿输入技术的电子装置的例子是法庭书记官或速记员的打字机。授予Levy的美国专利第5,973,612号中描述了一种用小键盘来减少动作数量，从而实现大量功能的弦齿输入技术，该专利的名称是“紧致键盘输入装置(Compact Keyed InputDevice)”，其以参考的方式并入本文。
·模态输入技术 模态输入技术是基于这样的概念可以通过按压键盘或小键盘上的特殊输入元件(或元件组合)来实现电子装置的功能，例如在手机或个人数字助理(PDA)中进行文本信息的传送。一旦按下特殊元件，键盘或小键盘上输入元件的全部或部分功能即会改变。模态技术通常用在计算器、手机和个人数字助理中。例如在手机中，常见的是被称为多次敲击(multi-tap)的模态技术，其中小键盘上的各个输入元件与多个符号，例如字符、字母、数字、图标和其它类型的符号相关联，这能够减小为实现所需功能所要求的输入元件数目，例如十二个输入元件的小键盘可以被用来表示英文字母表中的所有字母和十进制数字。用户可以通过用拇指、手指和输入笔敲击特殊元件一次或多次来输入所需字符，从而输入与某个输入元件相关联的符号集内的所需符号。因此，如果用户想发送文本信息，用户可以压下有输入功能的元件，例如模式键，来进入手机发送文本信息的功能，并敲击单个输入元件一次或多次以选择要输入的相关符号。输入特殊符号所需的敲击次数可能取决于所选语言字符集而有所不同。例如，日语小键盘或键盘通常需要最少46个字符的集合以进行文本输入，而英语或美语键盘和小键盘则通常需要最少26个字符的集合以进行文本输入。随着用户执行较多文本功能，这些模态输入技术已获得一定的普及。
·智能键 智能键通常用在小键盘上，且指的是当按下单一一个键或者多个键的组合时，预测用户的下个逻辑动作。一些实施例比其它的更有效，而有一些应用与其它的相比减少了为更好完成功能所需的击键次数。文字预测软件，举例来说，试图根据用户已输入的一个或多个字母及在给定语言中的可能概率来预测用户想要输入的文字和字符。软件正确猜测的概率随着所输入文字的长度或字母或字符的数量而增加。在小键盘上采用智能键的装置中，用户可能顺次地敲击键2、2和8从而产生文字“cat”，并且该装置将会首先显示该文字，因为那通常是最常见的组合；而通过按下相同的键，可以产生文字“bat”，但因为它不是那么常见，该文字不会首先被显示。而且，按下2键两次之后，基于文字预测软件的猜测，便可显示文字“cat”。
智能键还通常用于日语数据的输入，其中用户按照语音来输入字母，这些字母表示日语字符的发音(例如字符Kanji)。基于所输入的字母，预测软件猜测日语字符。为了选择字符，用户可以按下接受按钮，或用滚动功能到达下一个有语音输入的相似集的字符。使用屏上键盘和手写识别软件的触摸屏 利用带有触摸屏的屏上键盘或小键盘软件，可给用户提供用手指或拇指在显示屏大小的键盘或按钮上输入数据的能力，从而能更快地输入数据而不使用输入笔或物理键盘或小键盘附件；使用带有触摸屏的手写识别软件例如Palm操作系统上的Graffiti时，为用户提供了通过直接用输入笔在触摸屏上输入文本的能力。触摸屏通常损耗更多功率，并且比非触摸屏更昂贵。对于通常具有有限功率资源的手持电子装置来说，这种更高的功率消耗可能是个问题。而且，触摸屏通常要求用户使用两只手(例如用一只手来持稳装置，而用另一只手来握住输入笔)，对与单手式的手持电子装置例如手机进行交互并对其进行控制来说，这种要求通常是不希望有的。手写识别软件已经改善了输入笔、手指或拇指输入固有的缓慢和笨拙，但其它的缺陷仍然存在，例如高功率消耗、需要用双手操作、及在已有输入元件时缺少触觉反馈来通知用户。此外，识别软件要求用户进行训练以正确地使用，且即便如此，仍然导致高误差率。游戏控制 对于游戏控制，已经应用了很多上述方案，但在大多数手持电子装置中，用户通常通过使用某种形式的输入元件，例如微型小键盘和/或方向键(“D键”)来控制游戏，微型小键盘和/或方向键通常被放置在装置的正面。在一些手持电子装置例如手机上，因装置的体积，游戏控制自然是用单手或最多两个拇指操作的，而在其它单手电子装置例如个人数字助理和常规游戏主机控制器上，游戏控制通常是双手操作的。与这些装置上的游戏控制相关的输入元件通常是数字式的，即使模拟输入元件已经应用于PC和控制游戏系统的游戏控制器，例如微软的Xbox或索尼公司的Play Station2上。

发明内容
本发明人认识到，手持电子装置的传统人机界面和输入系统使用起来常常相对不灵活、麻烦、效率低，其中一个原因是，因为它们设计时没有利用人手生物力学，尤其是与拇指到手指的相对位置有关的优点和拇指的有益特征(例如其活动范围大、且具有提供强大支撑力的能力)以及手指的有益特征(例如它们的运动控制、空间记忆能力良好并且运动迅速)。
本发明人还认识到，已开发的用以改进数据输入和装置控制效率的输入技术，例如弦齿和模态技术，受到传统输入系统中固有的低效的限制。例如，与弦齿输入技术结合使用的微型键盘和小键盘不仅要求用户记忆无数的输入组合并培养必须的运动技巧以控制数量减少的输入元件，从而提供甚至比典型QWERTY键盘更复杂的功能，而且还不能有效地使用人手的手指和拇指或为其分配工作。此外，与模态输入技术结合使用的微型键盘和小键盘常常限制用户有效地输入数据的能力，这取决于为输入特殊符号需敲击键盘的次数和用户用他的拇指或输入笔敲击输入元件以选择特殊符号的速度有多快。
本发明人还认识到，用户在这类装置中控制游戏的能力是非常有限的。例如，虽然对个人计算机和控制台游戏系统的用户来说已经可以应用模拟游戏控制，但模拟游戏控制一般还不能广泛地应用于手持电子装置，例如手机和个人数字助理。此外，因为传统手持电子装置的游戏控制键通常放置在装置的正面，所以用户的手通常遮住了用户看显示屏的视线。同样，用户已经在期望控制台和PC游戏系统中有用来击打或启动特殊目的游戏控制键的“快速急动”控制键(例如触发器)，但其一般还不能在这种手持电子装置中为用户所用，其部分原因在于传统界面和输入系统的特性，这些系统是为数据输入、而不是为游戏控制优化的。
因此，本发明人开发了灵活而有效的用于手持电子装置(无论是单手的还是双手的)的人机界面和输入系统及技术，其利用了手上固有的相对的拇指和手指的生物工程学，以及已经开发的利用传统输入技术的技巧，以便用及时、有效、舒适、直观的方式完成数据输入、装置控制和游戏控制。因此，除了正常需要对新购买手持电子装置的培训之外，不需要特殊培训。
这里所描述的手持电子装置人机界面和输入系统的实施例可以包括以下特点的各种组合。
手持电子装置的人机界面和输入系统可被配置成在第一表面上包括多个输入元件，所述输入元件可同时受控于用户的拇指或输入笔，或受控于这二者其中之一。至少一个输入元件可用软件来配置，以提供对多个输入功能的接入。例如，一个输入元件可以提供对文本符号5、j、k和l的接入，而另一个输入元件可以提供对文本符号3、d、e和f的接入，就像通常在典型手机小键盘上找到的一样。人机界面和输入系统还包括在第二表面上的一个或多个选择元件，选择元件可以由用户的任意手指进行操纵。选择元件可以与一个或多个输入功能相关联，该一个或多个输入功能可配置在软件中。例如，选择元件可以被配置成与特殊转移位置相对应。因此，当用户操纵被配置成与第三转移位置相对应的选择元件时，则举例来说，能够被特殊输入元件接入的输入功能将是与输入元件相关的第三输入功能。在上述例子中，第三输入功能可以是文本符号“k”，因为输入元件提供对文本符号5、j、k和l的接入。
其中一个选择元件可以是压力传感器板，该压力传感器板能够被配置用于表示多个绘制活动区以及非活动区。这些绘制活动区同样可以在软件中配置以表示一个或多个输入功能。可以给压力传感器板配备变形介质，从而让用户能够在多个绘制活动区或非活动区之间作出触觉区分。
输入元件和/或选择元件也可以与触觉制动器、振动单元和/或力产生单元相关联，它们可以在用户操纵元件时或响应发生在处理器中运行的软件应用程序里的事件时给用户提供触觉反馈。
人机界面和输入系统还可以被配置成包括第一输入组件和第二输入组件。第一输入组件可以包括多个输入或选择元件，这些元件位于电子装置的一个或多个表面上，且被配置成可以通过用户的拇指和输入笔或其中之一，容易而舒适地进行操作。第二输入组件可以包括一个或多个输入或选择元件，这些元件位于电子装置的一个或多个表面上，且被配置成可以通过用户的一个或多个手指，容易而舒适地进行操作。第一输入和第二输入组件可被设置在手持电子装置的一个或多个表面上，以利用拇指和手指相对结构的全部范围。可设置感测电路如输入控制器，以在用户操纵所述元件，并将第一和/或第二输入组件的元件所产生的信号，用适合由运行应用程序软件的处理器所接收的形式加以转换时，接收那些信号，所述控制器能够基于所接收的信号，确定用户提供的输入类型。
第一输入组件可被置于电子装置的正面，而第二输入组件可被置于电子装置的背面，以利用拇指/手指的相对性。经配置，用户可以同时用拇指和输入笔或其中之一来操纵第一输入组件中的输入元件，而用一个或多个手指操纵第二输入组件中的元件。
第一和/或第二输入组件的输入元件的输入功能可以根据在电子装置上运行的应用程序而改变。当文本应用程序(例如电子邮件、字处理、或文本信息)在电子装置上运行时，第一或第二输入组件的元件可以与诸如符号这样的数据输入键相关联。当游戏应用程序在电子装置上运行时，第一和/或第二输入组件的输入元件可以与诸如方向控制、动作按钮、扳机按钮这样的游戏控制键相关联。第一和/或第二输入组件的一个或多个输入元件映射到软件应用程序，也就是说，无论所述一个或多个输入元件是否将会像数据输入键一样工作，游戏控制或装置控制均可通过下载或其它编程方式，而被软件应用开发者或用户所定制。此外，为了降低要在多个国家使用的手持电子装置的生产成本，可以在软件中实现特别针对目标国家语言的输入元件集合。
本说明书所描述的系统和技术可以提供一个或多个下列优点。人机界面和输入系统及相关技术提供了高性能游戏控制器的功能，该高性能游戏控制器能够支持需要最苛刻的游戏输入要求，以及用传统标准WQERTY键盘所能获得的数据输入速度和精度，但不需要大占用面积。而且，人机界面和输入系统以及相关技术可增加与给定数目输入元件关联的功能数量，而不增加所需的击键或敲键的次数。而且，允许输入元件尺寸保持与人手的人类工程学一致，而且与传统输入系统相比，并不增加学习如何使用输入系统的时间。
在附图和下面的描述中将提供一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求，其它特征和优点将是显而易见的。


图1是典型手持电子装置的方框图，所述人机界面和输入系统可在该手持电子装置上实施。
图2是所述人机界面和输入系统的实施例的方框图。
图3a和图3b分别示出手持电子装置的前立体图和后立体图，其中第二输入组件包括压力传感器板，其具有多个可配置的活性区。
图3c示出第一输入组件的输入元件示例的分解图； 图3d表明第二输入组件的压力传感器板的多个可配置活性区是如何配置的一个实施例。
图4a和4b分别是手持电子装置的前立体图和后立体图，其中第二输入组件包括三个触摸板。
图5a和图5b分别是手持电子装置的前立体图和后立体图，其中第二输入组件包括三个两位置摇杆。
图6a和图6b分别是手持电子装置的前立体图和后立体图，其中第二输入组件包括D键和两触点传感器。
图7a和图7b示出双手把持的电子装置，其中第二输入组件包括两个旋转拨盘。
图8是在通信系统环境下手持电子装置的方框图，该装置可被用来实施本说明书所述的人机界面和输入系统及技术。
在不同图中，类似的标识符指示类似元件。
具体实施例方式
人手的生物力学 人手包括相对的拇指和四个手指，即可通过与其它四个手指中任何手指相对、配合、或功能性的关系，来使用拇指。与手指相比较，拇指特征可表示为具有较大范围的移动量、较强的持续驱动力和较差的灵活性。拇指的指跟关节具有3维自由度，如侧边到侧边的移动、上下移动、和绕拇指纵轴的旋转；而手指的根部关节具有两维自由度，如侧边到侧边的移动和上下移动。因此，拇指通常被认为比其它任何手指具有较好的移动范围。同样，因为与其它任何手指相比，拇指通常具有较大的动作肌肉，所以它能够提供比手指更大的持续力。而且由于肌肉较大，相对于手指而言，人的拇指可施加的机动控制功能和移动速度可能减小了。因此，人的手指更适合于执行要求精细协调的任务，或要求精确或快速重复动作能力的任务。
手持电子装置硬件一览 图1是方框图，其示出手持电子装置100，如移动电话、PDA、袖珍计算机、或智能电话、或其它类似输入装置，在该装置可实施本说明书所述人机界面和输入系统和相关的输入技术。电子装置100可包括用于传送信息的总线102或其它通信装置，以及处理器104，如ARM、OMAP或其它类似处理器，它们与总线102耦合以便处理信息，如一个或多个序列的一个或多个指令，所述指令可以是嵌入式软件、固件、或软件应用程序，如文本信息应用程序或视频游戏。电子装置100还可包括主存储器106，如随机存取存储器(RAM)或其它动态存储装置，其耦合到总线102以便存储要由处理器104执行的信息和指令。主存储器106也可用于在指令的执行(由处理器104执行)过程中存储临时变量或其它中间信息。电子装置100可进一步包括只读存储器(ROM)108或其它静态存储装置，其耦合到总线102以存储处理器104的静态信息和指令。可提供存储装置110并耦合到总线102，以存储信息和指令。电子装置100也可包括显示器112，如液晶显示器(LCD)，用于向用户显示信息；及人机界面和输入系统114，用于向处理器104传送信息和命令选择。电子装置100也可包括耦合到总线102的通信界面118。通信界面118提供与基站耦合的双向数据通信。例如，通信界面118可以是无线链接、调制解调器，以提供对相应类型电话线或本领域技术人员公知的任何其它通信接口的数据通信连接。作为另一例子，通信接口118可以是局域网(LAN)网卡，用于提供对兼容LAN的数据通信连接。在无线链接实施例中，通信接口118可发送和接收电、电磁或光信号，所述信号携带表示不同类型信息的数字数据流。
人机接口和输入系统一览 图2是方框图，其示出人机界面和输入系统114的主要子系统。输入系统114可包括第一输入组件206、第二输入组件208、及输入控制器216。第一输入组件206和第二输入组件208可包括一个或多个输入或元件。输入或选择元件可以是按键、按钮、压力传感器板、触摸板或其它执行元件，它们与一个或多个传感器相关联，当输入或选择元件被启动时，所述传感器产生一个或多个电信号214。输入控制器216可包括一个或多个处理器，该控制器接收一个或多个电信号214，并在通过总线102传送之后，将它们转换为适于为处理器104所接收并解读的形式。
一个或多个语境信号222通过总线102被提供给输入控制器216，以响应执行嵌入式软件、固件、或软件应用程序(如文本信息应用程序)的处理器104。语境信号222被输入控制器216所接收，并被用来将第一输入组件206和/或第二输入组件208中的输入或选择元件映射至一个或多个应用程序输入功能和响应。例如，如果处理器104正在执行文本应用程序，那么输入控制器216可将第一输入组件206中的一个或多个输入元件映射至一个或多个符号，如字符、字母、数字、图标、其它类型符号、或不同类型符号的组合，并将第二输入组件208中的一个或多个输入或选择元件映射至转移或索引功能。如果处理器104正在执行游戏应用程序，则输入控制器216可将输入组件206、208的输入或选择元件映射至游戏功能。对于给定的软件应用程序，输入或选择元件映射至特定的输入功能，无论这是由输入控制器216执行或是由处理器104执行的，都可以由应用程序开发者或用户通过下载或通过其它编程方式定制。而且，可对应于语言键组的改变来进行输入或选择元件的映射，语言键组的改变可减小服务多个国家的制造商制造手持电子装置的成本。
输入系统114的可选实施例不必有输入控制器216，特别是在关心成本的时候。在这些情形中，处理器104可承担输入控制器216的功能。因此，处理器104可执行上述映射功能。
人机界面和输入系统及技术实施例 图3a和图3b分别示出手持电子装置302的前立体图和后立体图，人机界面和输入系统的实施例可在该手持电子装置上实施。电子装置302可包括以下六个平面或有特定形状的表面前侧表面312，后侧表面314，左侧表面316，右侧表面318，顶侧表面320，以及底侧表面322。不过在其它实施例中，电子装置302可具有或更多或更少平面和/或有特定形状的表面。在前侧表面312上，显示器330如LCD，与第一输入组件340是彼此邻近地设置的。可选择地，显示器330可位于独立的组件上，如那些PDA和带有旋转式安装显示屏或翻盖式结构的移动电话的显示器上。而且，第一输入组件340可设置在一个以上的表面上。第一输入组件可以是典型的移动电话小键盘，其可包括12个输入元件342，不过也可以设置任意数目的输入元件。用户的一个或两个拇指或输入笔可启动输入元件342。
第二输入组件350被设置在后侧表面314、左侧表面316和右侧表面318上。可选择地，第二输入组件可设置在上述表面其中之一上或上述表面的一个组合上。在此实施例中，第一输入组件340是相对于第二输入组件350设置的，为的是利用拇指和手指的相对性。第二输入组件350包括压力传感器垫354，其具有多个软件可配置的活性区，所述活性区可由用户的一个或多个手指启动。此实施例中的压力传感器垫354可包括执行元件，其例如为弹性体材料，被附着到力敏电阻器阵列、电容垫(capacitive mat)或阵列、或其它类似的压敏器件或栅格上，从而可提供多个输出，此多个输出对应于垫354表面上多个活性区的压力读数。本例中，压力传感器垫354从左侧表面316跨后侧表面314绕到右侧表面318。
可以理解，此实施例和任意其它实施例中的输入元件342、354可以是模拟和/或数字式按钮、按键、摇杆(可以是一个位置或多个位置按钮或模拟操纵杆型按钮)、滑动器、拨盘或触摸板，它们与压力传感器(如力敏电阻器、压电传感器、和电容传感器)、位置传感器(如旋转编码器、线性电位计等)、或其它传感器或其组合结合使用。
图3c是第一输入组件340的输入元件342的分解图，其被映射用于代表一个或多个文本功能。本图中该输入元件被映射从而代表数字7和字母p、q、r和s，如在典型手机小键盘上看到的那样。其它输入元件342可与其它字母、数字和/或图标相关联。例如，一个输入元件可以与数字4和字母g、h和i相关联，其中另一个输入元件可以与数字2和字母a、b和c相关联。
如图3d所示，压力传感器垫354可在软件中加以配置，从而取决于应用程序的不同，与不同的可编程功能相对应地表示一个或多个绘制活性区。在该情形中，倒U形活性区360构成活性区——倒U形活性区360的垂直侧362位于左侧表面316和右侧表面318上，而倒U形活性区360的水平侧364则是沿压力传感器垫354的顶部边缘位于后侧表面314上。在后侧表面314上的倒U形活性区360的下面是5个椭圆形活性区372，分别标记为1到5。位于左侧表面316和右侧表面318这两表面的底部，且伸展到压力传感器垫354的后侧表面314的是矩形活性区374、376、378、380。压力传感器垫354余下的区域可以被配置为非活性区。
在这一实施例中，倒U形活性区360可用于导航——垂直侧362用于y方向移动，而水平侧364用于x方向移动。椭圆形活性区372可被用于在符号，如字符、字母和/或数字、或文本输入间进行转移或索引。矩形活性区374、376、378、380也被可用于在各模式间切换——两个活性区374、376对应于左手用户，而另两个活性区378、380对应于右手用户。在压力传感器垫354的另一个配置中，压力传感器垫354的整个表面可为水平矩形活性区所覆盖，这些矩形活性区插置于小矩形水平非活性区之间，以取得任何所需数目的活性区。压力传感器垫354的其它配置也可根据所需应用程序的要求实现。
绘制的压力传感器垫354的活性区例如可通过对垫354的绘制活性区施加超过预定或用户可调整的阈值压力，由一个或多个用户的手指来启动。类似地，无压力也可被用作启动事件。压力传感器垫354也可包含变形介质，或被安装在变形介质的上方或下方，变形介质例如为电静态(electrorheastatic)流体、形状记忆金属阵列或类似材料，其能够让用户凭触觉区分一个或多个绘制活性区。因此，用户将能够感知一个或多个绘制活性区，就如同它们是物理按钮一样。而且，垫354的绘制活性区结构的计算机图形表示(未示出)可暂时(或在预定时间中)显示在一部分显示器330上，以便以视觉方式辅助用户确定垫354的绘制活性区所处的位置。而且，可映射第一输入组件340的输入元件342，以启动和/或停止显示所述计算机图形表示。
上述输入架构，连同前侧表面312上的第一输入组件340和后侧表面314上的第二输入组件350、左侧表面316和右侧表面318，均被配置成利用人手的生物力学，无论用户是惯用左手的或是惯用右手的。这种结构，举例来说，与模态输入技术下仅利用典型小键盘(如在传统文本输入系统中所看到的那样)所需要的拇指敲击或输入笔按压次数相比，能够减少为输入特定符号所需要的拇指敲击次数。而且，这种结构能够以第一输入组件340上较少的输入元件实现全键盘能力，且输入元件之间具有较大间隔，从而与现有手机的典型小键盘相比，提高了输入的容易程度。而且，该结构可具备高性能游戏控制器的全部功能，该游戏控制器可支持要求最苛刻的游戏输入要求。
一种实现全键盘能力并减小拇指敲击次数的方法即是，在软件中将压力传感器垫354的绘制活性区，如椭圆形活性区372，映射到索引或转移功能，从而利用人的手指的能力，即移动迅捷性、空间记忆力和精细动作控制力，并在软件中将第一输入组件340的输入元件342映射到文本功能，从而利用人的拇指的能力，即移动范围和持续致动力。
当文本信息应用程序在电子装置302上运行并显示在显示屏330上时，第一输入组件340和第二输入组件350是一起使用的，以执行文本信息功能。第一输入组件340的每个输入元件342可表示一个或多个文本功能，例如一个输入元件可与十进制数字2和字母a、b和c相关联，同时另一输入元件可与十进制数据7和字母p、q、r和s相关联(如图3c中所示)，如典型键盘中看到的那样。
在这一实施例中，输入元件342被配置成与手机上的典型小键盘相同。对于特定的输入元件342而言，由用户输入的特定的文本功能，是由所按压的是压力传感器垫354的哪一个绘制活性区来确定的。例如，从左到右的每个椭圆形活性区372可被这样映射以表示独立的索引或转移位置索引位置1可被分配给最左边的椭圆形活性区(标记为1)，索引位置2可被分配给相邻的椭圆形活性区372(标记为2)，依此类推，其中索引位置5可被分配给最右边的椭圆形活性区372(标记为5)。因此，为了输入文字“yes”，用户可用任何手指按压代表索引位置4的椭圆形活性区372，并用拇指按压代表字母“y”的特殊输入元件342；然后，用户可用任意手指按压代表索引位置3的椭圆形活性区372，并用拇指按压代表字母“e”的输入元件342；然后，用户可用任何手指按压代表索引位置5的椭圆形活性区372，并用拇指按压代表字母“s”的输入元件342。
除抓持动作外，手指运动和拇指运动的协调对于多数人都是困难的。一般来说，同时完成两个独立类型的动作可能是困难的。然而，这里所描述的人机界面和输入系统却由于系统的灵活性而不需要这些类型的动作。一般来说，比较容易的是同时敲击手指和拇指，或使拇指或手指中的一个与输入元件或绘制活性区保持接触，而同时运动另一个。例如，用户的手指可同时按压椭圆形活性区372，而同时几乎同时，用户的拇指可敲击第一输入组件340中的输入元件342。
而且，用户可用拇指敲击输入元件342，同时按压椭圆形活性区372。按压或触动椭圆形活性区372，同时敲击第一输入组件340中的输入元件342，通常是自然、舒适并且容易做到的。相似地，在食指基本线性地从一个椭圆形活性区372移动到下一个椭圆形活性区，通常是从左到右移动或相反，同时拇指敲击第一输入组件340中的输入元件342的情况下，也同样如此。
另一种实现手指/拇指协调的方式是在手指敲击和拇指敲击之间，允许做不同时的或相继的敲击。例如，在按压和压下椭圆形活性区372之后，在预定时间(例如1秒)内按压输入元件342将会构成如同两个同时被按下的相同动作。这一时间窗口可由用户配置，以方便不同打字熟练度或不同类型的应用程序——对于游戏应用程序而言，时间窗口可以相当短，然而对于文本输入应用程序而言，时间窗口可以长得多。对于不同的绘制活性区，时间窗口也可以基于其在给定应用程序中的预定功能而不同。
另一种实现全键盘能力和减小拇指敲击次数的方法是在软件中映射第二输入组件350的绘制活性区如下使倒U形活性区360的左垂直侧362映射成为转移位置1；使沿水平侧364的任何位置映射成为转移位置2；使上左矩形活性区378映射成为转移位置3；使上右矩形活性区374映射成为转移位置4；使下左矩形活性区380成为转移位置5；并且如果需要的话，映射下右矩形活性区376。第一输入组件340的输入元件342可再次被映射到文本功能。
因此，为了输入字“yes”，用户可用任意手指按下表示转移位置4的上右矩形活性区374，并用拇指按下表示字母“y”的特定输入元件342；然后，用户可用任意手指按下表示索引位置3的上左矩形活性区378，并用拇指按下表示字母“e”的输入元件342；且随后用户可用任意手指按下表示索引位置5的下左矩形活性区380，并用拇指按下表示字母“s”的输入元件342。
一种实现游戏控制器功能的方法是，在软件中给第一输入组件340的输入元件342分配特定游戏功能，以利用拇指的能力，即运动范围和持续致动力；并在软件中将第二输入组件350的压力传感器垫354的绘制活性区映射至模拟控制，以利用人手指的能力，即运动的迅捷性、空间记忆力和精细动作控制力。因此，随着用户的食指或中指从左到右滑动，跨过椭圆形活性区372、倒U形活性区360的水平侧364、和/或矩形活性区370，输入控制器(未示出)便可将该运动解释为“增加”某个参数，如速度、尺寸、位置，等等。可选择地，可对输入控制器编程，以将施加到这些绘制活性区上的不同强度的压力解释为“增加”参数，即，增加的压力可表示增加的速度、尺寸、位置，等等。
在这一实施例中，倒U形活性区360的垂直侧362可经编程以表示游戏中字符控制的y方向(垂直方向)移动，同时U形活性区360的水平侧364可经编程以表示x方向(水平方向)移动。移进或移出视场可由左边和右边的矩形按钮374、376、378、380来控制，从而允许作3-D控制。武器的快速开火可通过第一输入组件340的输入元件342或5个椭圆形活性区372其中之一来实现，其中它们各自表示不同的武器或动作。复杂的移动或模式转移可通过组合第一输入组件340的输入元件342与第二输入组件350的任意绘制活性区来实现。通过这种方式，游戏开发者可基于对特定游戏最佳配置来优化绘制活性区的映射。例如，游戏开发者可为新手用户设定与熟练用户不同的控制配置，如映射不同数目和尺寸的绘制活性区，以便减少变成熟练玩家的学习时间，并使游戏控制对于初次玩家更为容易。
图4a和4b分别示出手持电子装置402的前立体图和后立体图，手持电子装置402类似于图3a和图3b中所示，只不过第二输入组件450包括三个输入或选择元件454、456、458，它们可以是矩形触摸板。每个触摸板454、456、458可转换物体或用户手指在其表面上任何地方的接触位置。而且，每个触摸板454、456、458对应于不同的可编程功能。本例中，触摸板454可被置于后侧表面414上；触摸板456可被置于左侧表面416上；而触摸板458可被置于右侧表面418上。
在手持装置如手机或PDA上，第二输入组件450可包括触摸板，其在后侧表面414上与位于左侧表面416上的另一个触摸板构成对角，这是因为惯用右手的用户的食指通常是这样放置的在后侧表面414上沿对角路径绕到左侧表面416。在该情形中，第二输入组件450可包括触摸板454和触摸板456。用户的手指可沿触摸板带454的长度方向移动，以便选择所需的功能。例如，触摸板454的远左侧部分可映射到索引位置1，触摸板454的远右侧部分可映射到索引位置5，而介于触摸板454的远左侧部分和远右侧部分之间的部分可映射到插入索引位置。可选择地，索引位置1可针对惯用右手的用户映射到触摸板456，且针对惯用左手的用户映射到触摸板458。因此在此实施例中，文本输入类似于参考图3a和图3b所描述的。触摸板454、456、458的活性区的其它配置也是可能的，且可针对特定应用进行调整。
图5a和图5b分别示出手持电子装置502的前立体图和后立体图，手持电子装置502类似于图3a和图3b所示装置，只不过第二输入组件550包括三个输入或选择元件554，它们可由用户的任意手指启动，通常是用户的食指或中指或这两个手指的组合。在此实施例中，输入元件554是传统的两位置摇杆。因此，第二输入组件550能够以相对低的成本提供内置有被动触觉反馈的六个索引位置。
图6a和图6b分别示出手持电子装置602的前立体图和后立体图，手持电子装置602类似于图3a和图3b所示装置，只不过第二输入组件650包括三个输入或选择元件654、656、658。输入元件654可以是D键输入装置，而输入元件656、658可以是数字式或模拟式接触传感器。D键654可被安装在后侧表面614的中心，并在软件中映射从而表示一个或多个索引或转移位置。例如，可这样映射D键654以表示四个索引位置其中每个位置都围绕该表示不同索引位置的D键的方向(例如北、南、东和西)。第五个索引位置可被映射到D键654中心进入装置602之内的垂直运动。可选择地，D键654可被映射用于表示8个索引位置，例如可围绕北、南、东、西、东北、西北、东南和西南方向映射。对于开火武器，接触传感器656、658可被用作模式功能，或由应用程序开发者指定的任何其它功能。
图7a和图7b分别示出双手把持的电子装置702的前立体图和后立体图。第一输入组件740包括多个输入元件742，被置于前侧表面712上。第二输入组件750包括两个输入或选择元件754、756，被置于后侧表面714上。在这个实施例中，两个输入元件754、756是旋转拨盘。可选择地，旋转拨盘754可被设置在左侧表面716上，而旋转拨盘756可被设置在右侧表面718上。在单手把持的电子装置例如手机中，如果设置在后侧表面714上，通常一个旋转拨盘是必需的，如果是设置在左侧表面716和右侧表面718上，则两个旋转拨盘是必需的。旋转拨盘754、756在软件中映射表示一个或多个索引位置。可在软件中将旋转拨盘754、756的旋转映射成表示一个或多个索引位置。旋转拨盘754、756可用致动器实现，以使用户能够在间隔开的索引位置之间进行区分，即可对用户手指提供触觉反馈。
图8是方框图，其示出手持电子装置800，如手机或PDA，根据该装置，可在通信系统中实施这里所描述的人机界面和输入系统及相关的技术。网络链路820通常通过一个或多个网络提供对其它装置的数据通信。例如，网络链路820可通过局域网络822提供对主机824或由因特网服务提供商(ISP)826操作的数据设备的通信。ISP826进而通过现在通常称为“因特网”828的环球分组数据通信网络提供数据通信服务。网络链路820也可直接对ISP826和因特网828提供数据通信。局域网822和因特网828都使用携带数字数据流的电、电磁或光信号。通过不同网络的信号以及网络链路820上的信号(这些信号携带数字数据进出电子装置800)是载波传输信息的示例性形式。
电子装置800可通过一个或多个网络以及网络链路820发送信息并接收数据，包括程序代码，程序代码包括一个或多个序列的一条或多条指令。在因特网的例子中，服务器830可通过因特网828、ISP 826、局域网822和网络链路820为应用程序传输请求代码。在一个方案中，一个这样下载的应用程序可用于要在电子装置800上进行的软件游戏，电子装置800可获得载波形式的应用程序代码。
在任一上述实施例中，可实现主动和/或被动触摸反馈。为提供被动触摸反馈，第一和/或第二输入组件的输入元件可与触觉致动器结合，触觉致动器例如为圆顶盖(dome cap)或圆顶弹簧(domespring)，因此用户能够通过其手指或拇指来触觉感知输入元件的启动和/或停止。在多个实施例中的一个实施例中，触觉致动器可设置在执行元件与输入元件的传感器元件之间。为了提供主动触觉反馈，可将一个或多个振动单元或力产生单元安装在手持电子装置上，并使其启动以提供敲击或索引水平或其它信息给用户。所述振动单元可以是马达轴带有偏心质量的电机、螺线管、可变磁阻装置、扬声器或任何其它能够提供触觉反馈的振动器。力产生单元可以是非振动模式的螺线管、马达、非振动执行元件或任何其它能够产生力的执行元件。振动单元和/或力产生单元可提供给每个输入元件。在此情形下，振动单元和/或力产生单元可被安装在输入元件之下，从而当振动单元和/或力产生单元被启动时，振动单元和/或力产生单元即可取决于所要传输的信息，将电子装置的表面推出至不同的高度或位置。因此，在将压力传感器板或触摸板用作输入元件的实施例中，可配置台阶状阵列以指示触摸板或压力传感器板上更高和较高高度的索引位置。振动单元和/或力产生单元也可被用来提供触觉反馈，以指示瞬间取得的目标，如游戏应用程序中的目标锁定。触觉反馈也可通过执行元件例如螺线管来实现，其以电子方式改变输入元件的刚度或推动用户的手或手指，从而指示软件应用程序中的感兴趣事件。
这里所述的计算方面可在模拟或数字电路、或在计算机硬件、固件、软件或它们的组合中实现。其中这些系统和技术的适当方案能够以计算机程序产品来实施，所述计算机程序产品可切实地嵌入计算机可读存储装置中，从而由编程处理器来执行；且方法步骤可由这样的可编程处理器执行该可编程处理器执行指令程序，从而通过对输入数据操作和产生输出来执行功能。
上述系统和技术利用了拇指和手指生物力学，也就是说，其利用了相对功能，即手指的精细动作控制力和拇指的较大移动范围和较强驱动力。通过协调使用手指和拇指，敲击次数和实现给定功能所需的时间得以减少，而精度得到提高，且人手固有的自然程序取代了其它系统所要求的训练。
已经描述了多个实施例。其它实施例可包括不同的或额外的特征。例如，可实现第一和第二输入组件的一个或多个输入元件的其它配置。而且，本说明书所述的手持电子装置可具有六个以上或以下的平面或特定形状表面。而且，第一输入组件和第二输入组件的输入元件的数目并不局限于上面实施例中所描述的输入元件的数目。
而且，第一输入组件和第二输入组件的一个或多个输入元件可以是本领域技术人员公知的任何输入或选择类型，如按键、按钮、触摸板、其它类型板、摇杆、滑块、拨盘、接触传感器或与任何传感器相关联的其它执行元件。每个与执行元件相关联的传感器可包括数字式瞬间通/断开关或模拟式传感器，如压力传感器(例如力敏传感器、压力膜传感器或电容传感器)，或位置传感器(例如旋转或线性电位计或编码器)，或本领域公知的其它模拟式传感器，或加速计或陀螺仪。第一和第二输入组件可包括这些不同类型的输入或选择元件的组合，第一和第二输入组件可被安装在图中所示的结构中或嵌入在装置中，从而允许通过整个装置的移动进行控制。
而且，提供数据输入、装置控制或游戏控制的方法可以按不同顺序执行，而仍然取得所期望的结果。因此，其它实施例也在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种手持电子装置，包括第一表面，其具有多个输入元件，所述输入元件被配置成通过由人类用户拇指或输入笔中的一者或两者进行的多个输入元件的操纵，接收来自人类用户的输入，其中至少一个所述输入元件进一步被配置成提供对一个以上输入功能的选择性接入；和第二表面，其具有一个或多个选择元件，所述选择元件被配置成由一个或多个人类用户手指操纵，其中一个选择元件的操纵引起一个或多个输入元件的输入功能改变。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二表面被设置用于优化人类用户相对的拇指和手指的生物力学效果。
3.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所述选择元件是压力传感器板，其可配置成表示多个绘制活性区，其中一个绘制活性区的操纵引起一个或多个输入元件的输入功能改变。
4.根据权利要求3所述的装置，进一步包括变形介质，其被相对于所述压力传感器板配置，以使人类用户能以触觉在多个绘制活性区进行区分。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括处理器，其中所述处理器接收由所述输入元件和所述选择元件在被人类用户操纵时发生的信号。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括输入控制器，其中所述输入控制器接收由所述输入元件和所述选择元件在被人类用户操纵时发生的信号，并将所述信号转换成适于被处理器解释的形式。
7.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所述选择元件是旋转拨盘。
8.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所述选择元件是D键。
9.根据权利要求1所述的电子装置，进一步包括至少一个触觉致动器，其中所述致动器与所述输入元件或选择元件中至少其一相关联，以在人类用户操纵与所述触觉致动器相关联的元件时，提供触觉反馈给人类用户。
10.根据权利要求1所述的电子装置，进一步包括一个或多个振动或力产生单元，至少一个所述振动或力产生单元能够针对人类用户对所述输入元件或所述选择元件至少其中之一的操纵，提供触觉反馈。
11.根据权利要求10所述的装置，其中至少一个所述振动单元提供触觉反馈，以响应处理器上运行的软件应用程序中所发生的事件。
12.一种手持电子装置，其包括第一表面，其具有多个输入元件，所述输入元件被配置成通过由人类用户拇指或输入笔中一者或两者进行的多个输入元件的操纵，接收来自人类用户的输入，其中至少一个所述输入元件进一步被配置成提供对一个以上文本符号的选择性接入；和第二表面，其具有一个或多个输入元件，所述输入元件具有一个或多个可选择活性区，所述可选择活性区被配置成可由一个或多个人类用户手指操纵，其中一个活性区的操纵引起一个或多个输入元件的文本符号改变。
13.根据权利要求12所述的装置，进一步包括控制器，其中所述控制器接收由人类用户对所述输入元件或活性区操纵所产生的信号。
14.根据权利要求13所述的装置，进一步包括圆顶盖，其位于至少一个输入元件上，并能够在与该圆顶盖相关联的所述输入元件被操纵时提供触觉反馈给人类用户。
15.根据权利要求13所述的电子装置，进一步包括一个或多个振动单元，其能够提供触觉反馈。
16.根据权利要求13所述的电子装置，进一步包括一个或多个力产生单元，其能够提供触觉反馈。
17.一种配置人机界面和输入系统以便与手持电子装置一起使用的方法，该方法包括在第一表面上设置多个输入元件，所述输入元件被配置成通过由人类用户拇指或输入笔中的一者或两者进行的多个输入元件的操纵，接收来自人类用户的输入，其中至少一个所述输入元件进一步被配置成提供对一个以上输入功能的选择接入；和在第二表面上设置一个或多个选择元件，所述选择元件被配置成由一个或多个人类用户手指操纵，其中一个选择元件的操纵引起一个或多个输入元件的输入功能的改变。
18.根据权利要求17的方法，其中每个输入元件是被标记的，以表明可由该输入元件选择性接入的每个输入功能。
19.根据权利要求17的方法，进一步包括将控制器至连接所述输入元件和选择元件，其中该控制器能够接收由人类用户对一个或多个所述输入元件或选择元件进行操纵所产生的信号。
20.根据权利要求19的方法，其中至少一个所述选择元件具有多个活性区，所述活性区可由所述控制器配置，以形成多个绘制活性区。
21.根据权利要求20的方法，进一步包括相对于一个所述选择元件设置变形介质，该选择元件具有多个活性区，以使人类用户能以触觉在多个绘制活性区之间进行区分。
22.根据权利要求17的方法，其中所述第一和第二表面被设置成用于优化人类用户相对的拇指和手指的生物力学效果。
23.根据权利要求17的方法，进一步包括用至少一个输入元件或选择元件来定位触觉致动器，以在人类用户操纵时提供触觉反馈。
24.一种用于在具有第一表面和第二表面的手持电子装置上输入数据的方法；该第一表面具有多个输入元件，所述输入元件被配置成通过由人类用户拇指或输入笔中的一者或两者进行的多个输入元件的操纵，接收来自人类用户的输入，其中至少一个所述输入元件进一步被配置成提供对数据输入模式中的多个符号的选择性接入，其中所述多个符号各自与一个唯一的索引位置识别符相关联；且所述第二表面具有一个或多个选择元件，所述选择元件被配置成由一个或多个人类用户手指来操纵，其中每个选择元件对应于其中一个唯一的索引位置识别符，所述方法包括确定所要输入的所需符号的索引位置识别符；用任何手指按下选择元件，该选择元件对应于该所需符号的索引位置识别符；和按下所述输入元件，该输入元件被配置成用任意拇指或输入笔提供对所需符号的选择性接入。
25.根据权利要求24所述的方法，其中每个输入元件是被标记的，以指示可由该输入元件选择性接入的每个符号，以及每个符号可被选择性接入的位置顺序。
26.根据权利要求24所述的方法，其中确定所要输入的所需字符的索引位置识别符包括定位输入元件，该输入元件被配置成提供所需符号的选择性接入；和从左到右计算在所定位的输入元件上的被标记所需符号之前符号的数目，其中所需符号的索引位置识别符是在所需符号之前的符号的数目加1。
27.根据权利要求24所述的方法，其中至少一个所述输入元件或选择元件被进一步配置以提供对多个模式的选择性接入，至少一个所述模式是数据输入模式，所述方法进一步包括启用该数据输入模式。
28.一种用于使人类用户在手持电子装置上用界面和输入系统输入数据的方法，该界面和输入系统包括以拇指操纵的组件中的多个输入元件，其中至少一个输入元件被映射到一个以上的文本功能；以及以手指操纵的输入组件中的一个或多个选择元件，其中每个选择元件被映射到一个唯一的转移位置；所述方法包括用人类手指按压所需的选择元件，以选择所需的转移位置；和用人类拇指按压拇指启动的输入组件的所需输入元件，以输入所需的文本字符。
29.一种手持电子装置，包括第一输入组件，其设置在所述电子装置的表面上，其中所述第一输入组件包括多个输入元件，所述输入元件被配置成是由人类用户拇指启动的；第二输入组件，其设置在与所述第一输入组件不同的表面上，用于优化人类用户相对的拇指和手指的生物力学效果，其中所述第二输入组件包括一个或多个输入元件，所述输入元件被配置成是由一个或多个人类用户手指操纵的，其中至少一个输入元件是可配置的感测表面，以提供多个绘制活性区；和存储器，其包括所述可配置的感测表面对多个绘制活性区的映射。
全文摘要
一种人机界面，其通过在一表面上包括一个或多个可软件配置的由用户的拇指或输入笔操纵的输入元件，在另一表面上包括一个或多个可软件配置的由用户手指操纵的选择元件，而被配置优化用户相对的拇指和手指的生物力学效果。选择元件可以是压力传感器板，其可配置成表示映射到一个或多个输入功能的绘制活动区。可设置变形介质，从而使用户能以触觉在绘制活动区之间作出区分。可通过触觉制动器、振动单元或力产生单元为用户提供触觉反馈。输入数据可以包括将每个选择元件映射到转换功能，将每个输入元件映射到文字操作功能，并用选择元件在与输入元件相关联的文本功能之间进行转换以输入所需文本功能。
文档编号G06F1/16GK1875335SQ200480032422
公开日2006年12月6日 申请日期2004年10月29日 优先权日2003年10月31日
发明者B·马尔库斯, D·W·李 申请人:泽图有限公司