专利名称：方位式计算机输入装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机附件，具体涉及计算机输入装置。
传统的移动和操纵光标的计算机输入装置主要是鼠标和轨迹球，还有游戏操纵杆和控制光标移动的电子教鞭等。鼠标是靠鼠标体与工作面的相对移动来控制光标的位置，轨迹球是靠人手拔动轨迹球来控制光标的位置，游戏操纵杆是靠操纵杆倾钭来控制光标的位置，电子教鞭是靠人手押动多向开关来控制光标的位置。但长时间使用这些计算机输入装置，操作者手部甚至肩部都会出现酸痛症状。为了避免这种广泛存在的“鼠标病”，本发明旨在提供一种让人们能够更自由地操作计算机的计算机输入装置。本发明旨在提供一种手持式的计算机输入装置，通过操作者手腕和手臂的转动和倾斜而产生的计算机输入装置的空间方位变化来移动和控制光标的位置，用计算机输入装置上的相当于鼠标上左右键和滚轮功能的操作装置来控制计算机光标和页面的行为。操作者这种手腕和手臂的转动和倾斜，是可在操作者喜好的任何姿势状态下进行，操作者也可不时的变换姿势以解除疲劳。
美国专利(U.S.Pat.No.3,983,474，Kuipers，1976)曾提出通过用相互正交排列的线圈来感测计算机输入装置的空间方位变化，随后美国专利(U.S.Pat.No.5,394,029，Gay，et al.1995)又曾提出通过用相互正交排列的霍耳传感器来感测计算机输入装置的空间方位变化，进而移动和控制虚拟现实中的计算机显示元素。我们也提出了以非正交排列的磁场传感器和倾斜传感器感测计算机输入装置的空间方位变化，来移动计算机显示元素的专利(中国申请号200410104283.0和200420118982.6)。但用对地磁场的感测来确定空间方位的方法，有时会受到周边磁场或铁磁材料的影响。美国专利(U.S.Pat.No.5,440,326，Quinn，Gyration，Inc.1995)也曾提出通过马达驱动的陀螺仪来感测计算机输入装置的空间方位，但陀螺仪能耗高制造复杂并且成本昂贵，也不是合理的解决方案。
瑞士专利(CH669676，DE BRUYNE PIETER，ZELLWEGER USTER AG，1986)曾提出通过用超声波测量空间物体线位移来控制光标，但在不方位面对计算机显示屏移动物体时其敏感度不一样。
本发明的技术思路是通过测量计算机输入装置上两个点的空间位置，得出两点间连线的方向，并使计算机显示屏上光标或其他显示元素随此方向的变化而移动。
本发明的主要技术解决方案是如
图1所示，x-y-z是空间的正交右手笛卡儿坐标系(Cartesian coordinate)，其中x轴与计算机显示屏的横向平行，z轴与显示屏的纵向平行，物体在空间方向以转动方位角Φ和倾斜方位角θ描述。通过分别测量计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的已知位置的多个点的距离，而得出A B两个点在空间的位置A(x1，y1，z1)和B(x2，y2，z2)，进而得到A B两个点间连线方向的方位角(Φ，θ)Φ＝arctg((y2-y1)/(x2-x1))和 θ＝arctg((z2-z1)/((x2-x1)2+(y2-y1)2)1/2)，通过A B两点间连线的转动方位角Φ和倾斜方位角θ的变化来移动计算机显示屏上光标或其他显示元素的位置。
可用方位的转动分量Φ来对应显示元素在显示屏上的横向位置，用方位的倾斜分量θ来对应显示元素在显示屏上的纵向位置。
具体化的一种方案是选择三个相对计算机显示屏静止的已知位置，将x-y-z坐标系的原点选在其中一个点上(0，0，0)，另一个点放在x轴上(u，0，0)，再一个点放在z轴上(0，0，w)。测量出计算机输入装置本体上A(x1，y1，z1)和B(x2，y2，z2)两个点分别距所选的这三个已知位置点的距离为d11、d12、d13和d21、d22、d23，这样x12+y12+z12＝d112(x1-u)2+y12+z12＝d122x12+y12+(zl-w)2＝d132而得出(x1，y1，z1)，x22+y22+z22＝d212(x2-u)2+y22+z22＝d222x22+y22+(z2-w)2＝d232得出(x2，y2，z2)。
这种方位角(Φ，θ)与光标或其他显示元素在计算机显示屏上的位置的对应关系可以是一一对应的绝对式，也可以是变化量对应变化量的相对式绝对式是当操作者持握计算机输入装置的手腕和手臂的转动和倾斜时，计算机输入装置上A B两点间的连线随之发生转动和倾斜等方向变化，用计算机输入装置内的相关电路使光标或其他显示元素在计算机显示屏上的位置随A B两点间连线的方位角(Φ，θ)的变化而相应移动，让计算机输入装置上A B两点间连线的一组当前方位角(Φt，θt)对应于光标或其他显示元素在计算机显示屏上的一个确定当前位置。并可用计算机输入装置上的相当于鼠标的左右键和滚轮功能的操作装置可控制计算机光标和页面的行为。
相对式是在计算机输入装置上设置一个控制开关K，计算机输入装置以操作者每次触动开关K时，A B两点间连线的方位角作为初始方位值(Φ0，θ0)，此时计算机显示屏上光标或其他显示元素的位置为位置初始值；以开关K还处于被触动的状态下，A B两点间连线的方位角作为当前方位值(Φt，θt)。用计算机输入装置内的相关电路使光标或其他显示元素随A B两点间连线的方位变化量(ΔΦ＝Φt-Φ0，Δθ＝θt-θ0)，从初始位置移动到当前位置。控制开关K恢复到被触动前的状态后，计算机输入装置的相关电路停止工作，计算机显示屏上光标或其他显示元素不随A B两点间连线的方位变化而移动。当操作者再次触动开关时，计算机输入装置重新以此时A B两点间连线的方位角作为初始方位值(Φ0，θ0)。用计算机输入装置上的相当于鼠标的左右键和滚轮功能的操作装置可控制计算机光标和页面的行为。
所述的测量计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的多个点的距离的测量方法，可以是用超声波测距，也可以是用激光或其他频率的电磁波测距。
所述的计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的多个点的距离的测量，可以是同时对A和B两个点以不同频率或不同编码的超声波或电磁波进行测距，也可以是分时轮流对A和B两个点进行测距。测距的超声波或电磁波可以是脉冲式的，也可以是连续的，也可以是调频的。
所述的相对计算机显示屏静止的多个点可以是两个点，也可以是三个或更多个点。最合理的就是采用三个点。
可以将超声波或电磁波的发生器安装在A点和B点，接收器安装在相对计算机显示屏静止的多个点上。也可以将超声波或电磁波的发生器安装在相对计算机显示屏静止的多个点上，接收器安装在A点和B点。也可以将超声波或电磁波的发生器和接收器都安装在相对计算机显示屏静止的多个点上，反射器安装在A点和B点。也可以将超声波或电磁波的发生器和接收器都安装在A点和B点，反射器安装在相对计算机显示屏静止的多个点上。
控制开关K可以是拔动式的，也可以是触压式的、人体感应式的、光电式的等。
本发明的实施例之一如图2所示一种绝对式的计算机输入装置。计算机输入装置由分别安装在A处和B处的两个超声波发生器2.1和2.2、感应式控制开关K2.3、相关电路2.4、计算机输入装置本体2.5以及相当于鼠标的左键2.5.1右键2.5.2和滚轮2.5.3等组成。计算机输入装置的接受器2.6内O、P、Q点上安装有三个相互有确定位置关系的超声波感测传感器2.7.1、2.7.2和2.7.3，以及相关电路2.8，接受器2.6与计算机相联接并与显示屏相对静止。当使用者想要调整计算机显示屏上光标的位置时，使用者用手触及开关K2.3，相关电路2.4使安装在A处和B处的两个超声波发生器2.1和2.2同时分别发出不同频率的超声波，同时相关电路2.4发出无线电信号使接受器2.6的O、P、Q点上的超声波感测传感器2.7.1、2.7.2和2.7.3启动感测A处和B处发出的超声波，测得O点P点和Q点分别距A处和B处的距离。通过测得的O点P点和Q点分别距A处和B处的距离，得出的AB两点在x-y-z坐标系中的位置A(x1，y1，z1)和B(x2，y2，z2)，进而得到A B两点间连线的方位角(Φ，θ)，接受器2.6内相关电路2.8将得出的A B两点间连线的方位角(Φ，θ)传输给计算机，相应将光标移动到显示屏上以Φ值来确定的横向位置和以θ值来确定的纵向位置。光标到达使用者期望的位置后，使用者可用计算机输入装置上的相当于鼠标的左键2.5.1右键2.5.2和滚轮2.5.3功能的操作装置控制计算机光标和页面的行为。计算机输入装置本体2.5与接受器2.6之间的信号传输，以及接受器2.6与计算机之间的信号传输，可以是有线的，也可以是无线的。
本发明的实施例之二仍如图2所示装置结构同实施例之一，只是从实施例之一的绝对式变为一种相对式的计算机输入装置。计算机输入装置由分别安装在A处和B处的两个超声波发生器2.1和2.2、感应式控制开关K2.3、相关电路2.4、计算机输入装置本体2.5以及相当于鼠标的左键2.5.1右键2.5.2和滚轮2.5.3等组成。计算机输入装置的接受器2.6内O、P、Q点上安装有三个相互有确定位置关系的超声波感测传感器2.7.1、2.7.2和2.7.3，以及相关电路2.8，接受器2.6与计算机相联接并与显示屏相对静止。当使用者想要调整计算机显示屏上光标的位置时，使用者用手触及开关K2.3，相关电路2.4使安装在A处和B处的两个超声波发生器2.1和2.2分时轮流顺序不断发出相同频率的超声波，同时相关电路2.4发出无线电信号使接受器2.6的O、P、Q点上的超声波感测传感器2.7.1、2.7.2和2.7.3启动感测A处和B处发出的超声波，测得O点P点和Q点分别距A处和B处的距离。通过测得的O点P点和Q点分别距A处和B处的初始距离，得出的AB两点在x-y-z坐标系中的初始位置A(x10，y10，z10)和B(x20，y20，z20)，进而得到A B两点间连线的初始方位角(Φ0，θ0)；使用者通过手腕和手臂的转动和倾斜使得计算机输入装置的空间方位变化，通过测得的O点P点和Q点分别距A处和B处的当前距离，得出的AB两点在x-y-z坐标系中的当前位置A(x1t，y1t，z1t)和B(x2t，y2t，z2t)，进而得到A B两点间连线的当前方位角(Φt，θt)，用接受器2.6内的相关电路2.8对计算机输入装置AB两点间连线的方位变化量(ΔΦ＝Φt-Φ0，Δθ＝θt-θ0)进行处理并输出给计算机，使光标在显示屏上的横向位置移动以ΔΦ值来确定的距离，使光标在显示屏上的纵向位置移动以Δθ值来确定的距离。使用者连续转动和倾斜手腕和手臂，直至计算机显示屏上光标到达使用者期望的位置，这时使用者的手离开开关K2.3，A处和B处的两个超声波发生器2.1和2.2停止发出超声波，光标停留在使用者期望的位置，使用者可用计算机输入装置上的相当于鼠标的左键2.5.1右键2.5.2和滚轮2.5.3功能的操作装置控制计算机光标和页面的行为。当操作者再次触动开关时，计算机输入装置重新以此时A B两点间连线此时的方位角作为初始方位值(Φ0，θ0)。计算机输入装置本体2.5与接受器2.6之间的信号传输，以及接受器2.6与计算机之间的信号传输，可以是有线的，也可以是无线的。
所述之计算机光标可以是箭头形的、十字形的、斑块形的、人手形的、漏斗形的，也可是其他形状的。
所述之计算机输入装置也可用于移动和控制计算机显示屏上非光标的其他显示元素，甚至整个显示画面。
所述之计算机输入装置后端可带有光学手写笔之输入端口，以方便手写输入；也可带有用于手写板的触压头，以方便手写板的使用。
所述之计算机输入装置可以是由人手持握，也可以是附着在人体的头、胸、手臂等其他部位。
所述之计算机输入装置也可用于电视、数字电视、游戏机、PDA、移动电话等其他电器的控制。
所述之计算机输入装置也可以作为机器或机器人的计算机输入装置。
上述两个实施例并不代表所有可能的实施方案，其它的变形方案也应是本发明的保护范围。
图1是在空间和计算机输入装置上定义的一些方向和坐标。
图2是一种用空间方位绝对定位光标的计算机输入装置的示意图。
图3是一种用空间方位变化相对移动光标的计算机输入装置的示意图。
权利要求
1.方位式计算机输入装置，其特征在于通过分别测量计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的已知位置的多个点的距离，而得出A和B两个点的空间位置，进而得到AB两个点间连线方向的方位角(Φ，θ)，并以此方向的变化来相应移动和控制计算机显示元素的位置。
2.根据权利要求1所述的计算机输入装置，其特征在于显示元素在计算机显示屏上的位置与AB两点间连线的方位角(Φ，θ)的对应关系是一一对应的绝对式的，计算机输入装置上AB两点间连线的一组当前方位角(Φt，θt)对应于显示元素在计算机显示屏上的一个确定当前位置。
3.根据权利要求1所述的计算机输入装置，其特征在于显示元素在计算机显示屏上的位置与AB两点间连线的方位角(Φ，θ)的对应关系是变化量对应变化量的相对式的，显示元素随AB两点间连线的方位变化量(ΔΦ＝Φt-Φ0，Δθ＝θt-θ0)从初始位置移动到当前位置。
4.根据权利要求1所述的计算机输入装置，其特征在于计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的多个点的距离是用超声波进行测量。
5.根据权利要求1所述的计算机输入装置，其特征在于计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的多个点的距离是用激光或其他频率的电磁波进行测量。
6.根据权利要求4或5所述的测量计算机输入装置本体上两个点距相对计算机显示屏静止的多个点的距离的信号，其特征在于测量计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的多个点距离的信号频率是不同的。
7.根据权利要求4或5所述的测量计算机输入装置本体上两个点距相对计算机显示屏静止的多个点的距离的信号，其特征在于测量计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的多个点距离的信号编码是不同的。
8.根据权利要求4或5所述的测量计算机输入装置本体上两个点距相对计算机显示屏静止的多个点的距离的信号，其特征在于测量计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的多个点距离的信号是分时轮流对A和B两个点进行测距。
9.根据权利要求1所述的计算机输入装置，其特征在于计算机输入装置本体上设置一个控制开关K，当开关K被触动时，计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的已知位置的多个点距离的测量工作被启动，当开关K恢复被触动前的状态后，计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的已知位置的多个点距离的测量工作被关闭。
10.根据权利要求3所述的计算机输入装置，其特征在于计算机输入装置本体上设置一个控制开关K，当开关K被触动时，得到的AB两个点间连线方向的方位值(Φ0，θ0)为初始方位值，而开关K还处于被触动的状态下，得到的AB两个点间连线方向的方位值(Φt，θt)为当前方位值，当开关K恢复被触动前的状态后再次被触动时，计算机输入装置重新以此时A B两点间连线方向作为初始方位值(Φ0，θ0)。
全文摘要
本发明涉及一种计算机附件，具体涉及计算机输入装置。操作者持握计算机输入装置的手腕和手臂的转动和倾斜，使得计算机输入装置本体上的A和B两点间连线的方向发生变化。通过分别测量计算机输入装置本体上A和B两个点距相对计算机显示屏静止的已知位置的多个点的距离，而得出AB两个点在空间的位置，进而得到AB两个点间连线方向的方位角(Φ，θ)，通过转动方位角Φ和倾斜方位角θ的变化来移动计算机显示屏上显示元素的位置，其方案见附图。当这个被移动和控制计算机显示屏上显示元素是光标时，用计算机输入装置上的相当于鼠标上左右键和滾轮功能的操作装置来控制计算机光标和页面的行为。
文档编号G06F3/033GK1673945SQ20051000927
公开日2005年9月28日 申请日期2005年2月2日 优先权日2005年2月2日
发明者陈其良, 陈梅英 申请人:陈其良, 陈梅英