CN1387659A - 输入装置的触摸控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种触摸控制输入方法及装置,用以控制电脑屏幕上的游标移动,或控制设备(如机器或机械手)的目标移动。提供一种使用者可操纵的构件,其具有已知构形的外部接触表面,用以经由与该接触表面的实体接触而感测使用者的动作。在接触表面上的使用者接触会被传递到位于使用者可操纵构件及一支撑件之间的力量感测机构。在接触表面上的使用者接触的移动是得自力量感测机构的讯号输出。接触力量可被用作一种用以同时决定目标移动及反应灵敏度的机构,同时提供肌肉运动知觉的及触觉的回馈给使用者。

Description

输入装置的触摸控制方法及其装置

发明领域：

本发明一般有关一种使用者界面领域，供电子装置(如电脑及机器控制件)之用。更明确言之，本发明有关触摸灵敏使用者界面及方法，用以实现如电脑屏幕上的时标的移动控制，或指引机器或机械手的目标移动。

发明背景：

现今，使用者操纵的装置通常被用来与电子装置连结，以控制在一图示屏幕上的游标或指标器的移动，或直接控制一种如机器或机械手的设备的目标移动。这些装置某些的特征可能是等渗压(isotonic)装置，可将对装置的使用者操纵直接在目标(如游标)上标记。这些等渗压装置的某些实例如电脑鼠标、轨迹球、触摸垫及数位转换器平板(digitizer tablets)。这些装置的其它类的特征可能是同容积的(isometric)，意即它们使使用者施加的力量或力矩的方向及量与游标或目标移动的装置相关。一种同容积装置的实例为操纵杆。

以输入装置(如电脑鼠标)操作的两种基本操作为“指向”及“拖曳”。在指向中，使用者操纵鼠标以使游标移到标的。在拖曳中，使用者使目标移到一目标区。人—电脑交互学习显示：鼠标移动一般的特征是较小的次移动跟在大的主要移动之后。这些移动对应粗定位(gross positioning)，且之后经由使用者操纵鼠标而细定位以使目标或游标对准标的。

移动控制或增益(gain)的灵敏度是距离之间的比率，等渗压装置必须被移动以产生目标(如显示器上的游标)的给定移动。此也已知为在显示器的解析度(像素)及等渗压输入装置的解析度(每英寸几点(dpi))之间的控制—显示比(Control-Display ratio)。

一般而言，高增益装置在初始粗定位中是快速的，但当需要形成小精确移动时则很难控制。低增益装置允许目标的小精确移动且因而容易(及较快)的细定位，但在粗定位则为无效率地缓慢。对一固定增益输入装置而言，于初始粗定位对最终细绸整之间的权衡典型地产生一U形增益成效曲线，其在适当的增益水准上有最好的成效。

对控制灵敏度的需求乃随着应用而变化。对图表使用者界面(GUI)(如微软的视窗)的一般应用而言，游标一般用以选择在中等解析显示器上的中等大小图标(icon)，且此一般适合使用固定增益输入装置。在另一方面，经常在CAD或图表工作中，使用者必须从非常多的、紧密间隔的、均匀的像素宽度标的区(如两条线的相交处)选择一标的。此种细定位于使用有太高增益的装置时会非常困难且对使用者会形成很大的压迫感。因此需要一种低的或适度增益装置以进行精细控制。但是，CAD或图表作业用的显示器解析度经常是较高的，使得以一较低或适度增益输入装置移动游标横过高解析显示器乃需要太多的手动作且令人生厌的。

过去已有几个尝试提供更对使用者友善的装置。Chien的美国专利第4,963,858号揭示一种使用加速运动开关的鼠标以选择预定增益。另一方式是KaPlan的美国专利第5,793,354号所教示的。使用一种分开的增益控制按钮或脚踏板以改变使用电子电路的增益以回应按钮或踏板压下的量。另一方式是Even的加拿大专利第2,203,387号所教示的，其中一种可变的传递元件被插入传统鼠标的旋转球及数值化编码器系统之间，且由一杆启动。但是，使用分开的控制按钮、或踏板或杆，需要使用者在同一时间统合使用不同手足，此方式是笨拙的且很难掌握。

典型的同容积操纵得对应使用者的手所施加的力量且经常被发现理设在膝上型或笔记型电脑的键盘中。游标在操纵杆的倾斜方向中移动，且一般地游标速度是由所施加的力量来决定。对控制能力的增益相同的窘境也发生在操纵杆上。再者，已发现指标时间(Pointing times)会被期望可能较执行相同工作的鼠标慢20％。另一个关心的事项是”感觉”，或是缺乏肌肉运动知觉的回馈，因为在力量施加点上，使用者的手足极少移动。例如，，为了减慢，使用者必须以刚好的正确数量释放操纵杆上的压力。太少，则游标停在接近其目标处。太多，则游标飞过目标。再次地，此需要好的手眼统合，而变得难以掌握，因任何延长时间的使用而令人厌烦，且实际上令人感到挫折。

已有各种尝试想要改善同容积操纵杆的肌肉运动知觉反应。Yasutake的美国专利第5,805,137号描述一种3D输入控制器，且建议在给定方向中游标或目标移动(object movement)速度会回应施加于对应的力量一敏感垫上的力量的大小。但是，没有教示任何有关如何以人机工程方式达成的结构或方法。相反地，该专利教示：移动及力量的决定在触摸垫上是两个分离的操作。由于计算的需求，从力量的施加，游标回应经历了时间延迟。于动作与目标回应之间的时间迟延是令人失去方向知觉的且令人无法接受。

Yoshikaaa等人的美国专利第5,815,139号描述一种触摸启动输入装置，其教示：可使用在力量一敏感触摸垫上所施加的力量来改变目标的移动速度。借由将力量分割成数个水准及使用速度因数的查阅表，简化了使用瞬间力量作为变数(其被计算且有随行的迟延)的复杂性。但是，此装置基本上是在触摸垫的项面上的操纵杆按钮，且没有等渗压装置的直觉的肌肉运动知觉回馈，因为这些操作是分离的，且因此仍然是支离破碎的。

发明概要：

所想要的是简单使用人机工程学装置，其允许经由触摸控制输入方法，依一种适当的速度范围(包括平顺的加速及减速)，于操纵指标器的单一作业中实现游标或目标移动。因此，在一观点中，本发明的输入装置为触摸控制装置，可由使用者的触摸来操纵，允许控制电脑或机器。人的手足能经由力量/力矩和位移/旋转送出及接受资讯。所想要的是使用者触摸控制(其可人机工程学地回应，即以一种更像人类手足般的方式回应)。所想要的是克服单一输入控制模式(如仅以等渗压装置的移动所提供者，或以同容积装置的力量所提供者)的限制。所想要的是一种方法及装置，可平顺地混和两种控制模式(等渗压及等容积)在一起，使其彼此协绸以改良触摸启动输入控制的使用容易性。因此需要一种改良的触摸控制输入方法及装置，其提供具有肌肉运动知觉及触觉回馈，允许使用者轻易及平顺地改变增益，且提供一种机械上简单的设备，其可克服上述习知方法及装置的缺点。

因此，依据本发明的一观点，提供一种使用者输入装置的触摸控制方法，该方法包括下列步骤：

提供一具有已知构形的接触表面，其安装于一支撑件上，且具有一力量感测机构，可操作地连接该接触表面以感测使用者接触该接触表面；

接触该接触表面以使该感测机构产生对应该接触的输出讯号；

使用该输出讯号以提供因使用者接触而施加至该接触表面的切线方向力量的相对量度：及

使用该切线方向力量的相对童度以控制因回应该使用者与该接触表面的接触的目标移动。

依据本发明的另一观点，提供一种人机工程学触摸控制输入装置，该装置包括：

一手动操作构件，具有已知构形的一接触表面；

一支撑件，其内安装有该手动操作构件；及

一力量感测机构，可操作地连接于该手动操作构件，以感测使用者与该接触表面的接触；该感测机构感测在该接触表面不同于法线力量的接触力量，且产生与该接触力量相关的输出讯号，以用于控制目标的移动及用于控制此装置的增益以实现全部回应该使用者接触的移动控制。

图式简单说明：

请参考下列附图，其使以范例方式示出本发明的各种实施例，其中：

图1显示习用等渗压输入装置的操作原理；

图2a显示本发明的控制方法的原理；

图2b显示应用本发明的控制方法的结果；

图2c显示应用习用控制方法的结果；

图3a显示一法线力量及在触摸控制输入装置的接触点上的切线方向力量分量：

图3b显示依据本发明在3D表面上的动作代表的切线方向力量；

图4颢示表现在笛卡尔坐标系统以描述力量量测系统的接触力量分量的点；

图5显示施加在一球形表面以描述力量量测系统的点力量；

图6显示本发明的第一实施例的立体分解图；

图7显示图6的第一实施例沿线7-7的剖面图；

图8显示图6的力量感测器的立体图；

图9a-f为产生于第一实施例的感测器中的弯曲力矩的图；

图10显示使用第一实施例的方法以作2D应用；

图11显示使用第一实施例的方法以作3D应用；

图12显示本发明的第二实施例的剖面图；

图13显示本发明的第三实施例的剖面图；

图14a显示第三实施例的感测器的立体图；

图14b显示第三实施例的一选择感测器的立体图；

图15显示本发明的第四实施例的侧视图；

图16显示使用于本发明的第四实施例的感测元件的立体图；

图17显示第五实施例的分解图；

图18显示第五实施例沿线18-18的剖面图；

图19显示第五实施例的选择构造的剖面图；

图20显示第六实施例的分解图；

图21显示第六实施例沿线21-21的剖面图；

图22显示第五实施例的选择构造的剖面图；

图23显示又一实施例的分解图；及

图24显示图23的实施例沿线24-24的剖面图。

较佳实施例的详细说明：

图1示出传统习知等渗压输入装置如何操作。于图1中，使用者接触或控制表面为30。输入装置变换控制表面30上的移动成为电脑显示器32上的游标或其它目标的移动。迅号经由链结34而传送。如所示，在控制表面30上的使用者所操纵的移动36被变换成电脑显示器32上的对应的目标移动38

如熟悉此技艺者所了解的，当典型固定增益装置在控制表面30上自点A(x₁，y₁)移动距离Δd_输入至点B(x₂，y₂)，在显示器32上的游标或目标会移动距离Δd_目标(＝A’B’)，其是由下述变换函数所定义：

Δd_目标＝GΔd_输入＝(G(x₂-x₁)，G(y₂-y₁))

此处Δd为距离的改变，且G为对应一特定的增益量的常数。

因此，在习用装置中，增益是固定的。使用者不能改变目标移动的速度，除非经由一分开的开关或经由改变软件以指派新的增益值给上述的变换函数。在此观念中，此种习用等渗压装置仅侦测单一的使用者操纵输入变数，其为鼠标被移动距离型式的移动，或是触摸垫的接触位置的改变。一般而言，这些装置未被配备以侦测如图1在点A(x₁，y₁)的任何接触力量F₁，或是在点B(x₂，y₂)的接触力量F₂。本发明的一观点是经由触摸控制输入装置将接触力量用作控制目标移动的元素，如下文将详细说明。

图2示出习知技术及本发明的目标移动之间的比较在图2，示出接触或控制表面30具有使用者于点A、B及C的接触移动。如所可知者，接触点被移动了A及B之间的短距离，及B及C之间的长距离。一固定力量F_ab被施加于点A及B之间，且一固定力量F_bc被施加于点B及C之间。

图2c示出依习知技术在电脑显示器32上的目标的使用者操纵输入移动的变换。基本上，因为典型的鼠标仅与变换移动有关，目标移动反映出使用者操纵输入移动，且有一短部份A”B”及一较长的B”C”。

图2b示出依本发明的一观点的想要的目标移动。在本发明中，使用者接触力量被测量且被用以(例如)改变增益，此增益控制自使用者与控制表面接触变换的目标移动程度。在图2b中，可变增益G被设计以直接与所施加的力量F的大小成比例回应。换句话说，G＝G(F)＝KF，此处K为由使输出控制讯号与所施加的力量相关的硬件所提供的变换函数。在此例中，此硬件变换函数K可被视为常数。实际上，硬件变换函数K也可利用其它控制因素而改变以进一步改良人机工程学。因此，在图2b中的屏幕32上的目标D移动是下述关系所给定的：

A’B’＝G(F)AB＝KF_abAB

B’C’＝G(F)BC＝KF_bcBC

因此，依据本发明，小移动AB由较高力量F_ab所修正而产生电脑屏幕32上的目标延A’B’的较大粗定位位移。相对地，较轻力量F_bc允许输入装置的较大移动BC，此较易控制且对游标或目标延B’C’(其相对地较小)的细定位而言更易操纵。因此，图2示出本发明的较佳实施，其中增益，或控制的灵敏度依输入装置的使用者操作而变化。依此方式，更有力的触摸是与较大的粗移动相关，而柔和触摸是与较小的细定位相关。

也可觉查到：接触力量F经常是由使用者以手在控制表面上的移动而施加的。此触摸提供触觉回馈给使用者，其与来自控制表面的移动的肌肉运动知觉回馈一起便于操纵目标。在人一电脑的交互动作名词中，于控制表面的移动轨线的肌肉运动知觉回馈提供回馈控制的第一模式或管道，且对应控制表面的接触力量的触觉接触提供与第一模式无关的回馈控制的第二模式或管道。因此可觉查到：输入的第二模式，即所施加的力量，可经由触摸控制输入装置被用以大大增强控制及操纵目标移动。因此，依据本发明，触摸控制使目标以一种像在自然世界中的自然及直觉方式来反应，其中力量施加于目标上以加速或减速目标D移动且操纵移动轨线。本发明另包含一输入结构以提供一人机工程学直觉输入装置。  此结构于下文中更详细描述。

于实际使用期间，所施加的力量F典型地会沿着使用者操纵的移动36的路径变化。以使用习用的触摸垫为例，需要在监视瞬时所施加的力量F的同时监视位置的瞬时变化(Δd_输入)，以计算且指引对应的目标移动Δd_目标。因此，在控制移动36任何给定的启始位置处的力量F₁可能与两个在增量移动的任何给定结束位置的力量不同。为了能作业，此需要实施某些决定规则型式，以决定那一个力量参数几及F₁及F₂会适用可变的增益函数及经历何种时框(time frame)。此在人机工程学方式中是复杂的、时间集中的、笨拙的且困难实现的。

本发明经由简化最适宜整合成一整体触摸敏感元件的等渗压及等容积控制模式的整合而克服此问题。此显示于图3a及3b，其中手指40显示于一使用者操纵的触摸敏感接触或控制表面30上的移动。表面30为已知如弯曲3D表面的构形，且为了图式仅示出部分球面状。以此方式，一滑动接触的切线方向的力量F_切线与法线力量F_法线(由接触表面的摩擦系数μ决定)呈固定关系，此处F_切线＝μF_法线。因此，接触力量F的切线分量F_切线代表在大小程度及目标运动方向中的触觉感受。以此方式，可觉查到切线方向的力量F_切线总是与瞬时移动Δd_输入的方向一致，如图3b所示。

因此，依据本发明，目标移动Δd_目标可表示成切线方向力量F_切线的函数。经由决定在控制表面的使用者接触的瞬时切线方向力量F_切线，目标移动可被导向遵循接触轨线且目标速度可依所施加及被测量的切线方向力量而变化。接着所施加的力量可由使用者立即及轻易地控制。

用此可觉查到，在已知构形的表面上，使用者接触压力可依本发明在单一人机工程学有效的触摸控制输入装置中提供速度控制及方向控制。在此观念中，“人机工程学有效”意即使用者操纵是直觉的，即愈多的力量施加于控制表面，则电脑屏幕上的目标或游标的对应的移动愈快。因此，在控制表面上的较轻触摸减少电脑屏幕上目标或游标的移动速度。并且，可以具有有力的接触的相当小的使用者移动实现祖定位，而以具有里接触的相当大的移动来实现细定位。现在可察查到，切线方向的力量，当被测量时，可用以即时改变输入装置的回应灵敏度，而为输入装置的使用者接触或触摸的函数。

在自然世界中，回应所施力。力量的目标移动也与目标的质量有关一目标愈重则力。速愈慢。同样地，依本发明，触摸控制输入方法的触觉回馈可经由引入一虚拟质量给目标而进一步改良。将力量转换成输出讯号的硬件转换函数K可以因一指定值而改变，该指定值是依所选目标的特性代表使用者界面中的目标的虚拟质量。之后目标移动回应所施加至控制表面上的接触力量，如同有一质量与该目标相关联一般。因此，对于被指定有一较高虚拟质量的目标而言，则需要较大力量来移动该目标。当有几个目标被操纵时，此交作增益控制对于区别是特别有效的。

但是，仍然提供的是使用者操纵控制表面，其允许使用者接触力量以此方式测量。熟悉此技艺者会觉查到，任何可用数学呈现的具有已知构形的表面，可用以实现本发明的目的。基本上，一般原理是人需要决定接触力量，且依据接触力量的切线方向的分量实现目标移动控制。但是，本发明的又一观点是指供容易使用及有效构形的控制表面，其可便于计算且因此实现所想要的目标移动控制。

虽然可使用任何可以数学呈现的具有已知构形的表面，由于容易计算，一些表面仍较其它表面较佳。决定接触力量的一般原理将于下文说明。请参阅图4及5。为此实例，使用者操纵本体上的控制表面是以局部球面来显示一拖力。于摩擦表面上的点力量F可沿着x，y及z轴被分解成分量(F_x，F_y，F_z)。经由在外部控制表面上的点接触而施加于使用者操纵本体上的接触力量F会引起在球面中心处的力量和力矩系统：

a₁＝F_x

a₂＝F_y

a₃＝F_z

a₄＝M_x＝y₁F_z-z₁F_y

a₅＝M_y＝y₁F_x-x₁F_z

a₆＝M_z＝x₁F_y-y₁F_x

此处(x₁，y₁，z₁)为自感测系统的原点到力量的作用线，重直于力量的作用线的向量的分量。使用上述方程式，可决定点(x₁，y₁，z₁)。现在可用几何学决定接触的位置。作用线通过点(x₁，y₁，z₁)及球表面。沿着力量线的任意点的坐标会是：

d₁＝x₁+nF_x/F

d₂＝y₁+nF_y/F

d₃＝z₁+nF_z/F此处F为力量的大小程度，a₁ ²+a₂ ²+a₃ ²及n是任意数字。点(x₂，y₂，z₂)位在球表面上，由x²+y²+z²＝R²所界定。如果点(x₁，y₁，z₁)位在球内，x²+y²+z²＜R²，则力量的作用线与球相交于两点。经由将作用线的方程式替换成球的方程式，d₁ ²+d₂ ²+d₃ ²＝R²，发现点(x₂，y₂，z₂)的坐标。解决未知的变数n且代入回方程式，将得到相交的两点。如果力量假设施用于球内，而非在球上扭动，则点之一可以被忽略。其余点会是x₂，y₂，z₂的坐标。

因此，经由侦测作用在已失U构形的控制表面本体上的力量及力矩，可决定经由一点接触而施加的力量的位置、大小及方向。切线方向的力量F_切线可使用几何学转换而得到。

因此，本发明提供一种机械上简单的力量感测装置其能被建构以提供一对应切线方向力量F_切线的输出，其能被用以同时控制回应或增益的速度、移动方向及灵敏度也可觉查到，实际接触力量可以在任何不与表面垂直的平面中被测量，从该表面可得到切线方向的力量F_切线。因此，当下述不同的实施例直接测量一切线方向的力量F_切线时，所有需要的是测量具有一切线方向的分量的力量(即，不同于垂直力量的任何力量)，且分解为切线方向的力量F_切线。

设计以依据上述的触摸控制输入方法来执行的输入装置的第一实施例将参考图6至11加以说明。图6示出第一实施例的分解图。输入设备50一般包括一使用者操纵可移动构件52，一力量转换器或力量转换构件60及一支撑件80。图7示出一到面图，且图8示出力量转换构件60的立体图可移动构件52包括一具有已知构形(意即其可用数学界定)的外部接触表面54。接触表面提供一与使用者手指40图7或尖笔(未示出)的自然接触。为图式的目的，所示的接触表面54为局部球面。使用者操纵构件52包括一自内部延伸的柱56，且柱56的肩部端58固定于力量转换构件60的中心轮毂62。

在此实施例中，力量转换构件60较佳有整体辐轮状，其包括一坚硬的中心轮毂62及连接至少三个(但最好为四个)置于与轮子的中心轴垂直的平面内的辐条66的坚硬的外轮缘64。来自使用者操纵构件52的肩部端58被安装在力量转换构件60的中央轮毂62的中心孔68内。借由紧安装焊接或其它固定手段，其可被机械地固定。任何型式的安装皆可以接受的，只要在接触表面54上的使用者接触力量可被传送到力量转换构件60的辐条66。并且，如图7所示，辐轮的外轮缘具有多数孔78，使力量转换构件60可经由螺丝84、粘胶或其它固定手段固定于一支撑件80上。

辐轮60最好由弹性材料(如金属或聚合物)制成，其尺寸及形状使得辐条66会回应施加于使用者可操纵构件52的接触表面54的力量而挠曲。多数力量感测器或张力计(strain gauges)70较佳安装在靠近中心轮毂62的辐条66的内端部74的辐条表面上。最好，张力计70是成对供应在辐条的所有对置表面上且置于与轮子6o的中央轴垂直的平面中。另一组张力计72安装于靠近中。。轮毂62的辐条66的端部74上，在各例中是成对的，位于被置于与轮子的中心轴延伸平行的平面中的辐条的所有对置表面上。安置张力计的另外较佳位置是在靠近外轮缘64的辐条66的外端那部76上。因此，对较佳为四个辐条的辐轮60的总数为16个张力计而言，每一辐条具有两对或四个张力计。在此实施例的更简化型式中，每个辐条可使用两个张力计。熟悉此技艺者可觉查到，力量感测可以所示的张力计来执行，但许多型式的力量感测器也可以被使用而具有相同效果，如电容性或电阻性力量感测装置，如线规、压电式测量器、薄膜或厚膜力量感测电阻器或任何其它可产生回应张力或力量改变的讯号的机构。

一旦讯号自这些仪器的输出而产生，其被馈经A/D转换器而至一微控制器(未示出)，或一具有A/D作用的单一微控制器(未示出)，其计算接触力量F的位置、大小及方向。图9a至9f示出在各辐条中以示意图表现的弯曲力矩。这些弯曲力矩产生在辐条表面上的张力。熟悉此技艺者会了解，接触点的位置及接触力量F可自使用上述的方程式而测量的张力总合反差异而得到。切线方向的力量分量F_切线之后可由几何转换而得。

图10图示本发明的2D应用。如果接触表面54为一个二维表面，其操作是类似的，因为任何被施加力量的切线方向的分量可被用以改变输入转换器的增益。如果接触表面54为3D表面，使用者将移动88对映(map)在自设备的x-y平面投影出的假想平面上。当z’轴及x’-y’平面在接触点与控制表面54相切时(图10)，使用者可感知手指40与接触表面54接触的点上重直接触表面。轴0’x’平行输入装置50的OX轴，且轴O’Y’平行装置的OY轴。对应的目标移动90示意的示于显示器32上(图10)。

本发明也可用以于3D应用中作旋转控制。此示于图11。输入移动88环绕设备的参考框Oxyz(图13)产生一滚动、倾斜及摇动的动作给3D目标92。此结果是3D目标92环绕其对应的参考框0’X’Y’Z’的3D旋转94，如图11于显示器32上的示意显示。

本发明的又一观念是使用一开关或一选择按钮(未示出)以于ZD平移及3D旋转模式之间切换，以对目标的空间移动作整个控制。

第一实施例中的接触表面的已知构形为一般构造，其可造形以适合任意特定应用，或其可被造形以简化所需的数学计算以自张力计讯号得到切线方向的力量F_切线。在较佳实施例中，重直于球表面的力量会通过其中心且在中心周围不会产生任何力矩于本体上。与球表面相切的力量产生环绕中心的力矩，其相等于力量乘以球的半径。在较佳的球形或部分球形实施例中，计算要件是非常易控制的经由建构一种侦测单独作用在部分球形本体上的力矩(即，环绕或相对于其中心)的装置，切线方向的力量可直接由张力计讯号获得，消除了计算步骤且力。强了输入控制设备的回应时间。

现在可觉查到，本发明的最佳模式可供使用已知构形的接触表面，其被支撑在一支撑结构中。与接触表面相关联的是一力量感测机构，其产生一经测量的输出。可觉查到，已发现可方便地提供力量感测机构于支撑结构中，但是此种感测机构可使在任何允许其被操作地与该接触表面相连接以提供此处所说明的想要的输出讯号的位置。经由形成接触表面于部分球形的形状中，输出可被用以直接控制目标或游标移动，且经由利用力量量测以瞬时控制增益，回应灵敏度可由使用者仅经由改变在接触表面上的触摸而直觉地变化。可以使用许多不同的支撑构形，及不同的感测或仪器元件及装置。可是所喜欢的还是提供可回应接触表面上的负载及直接测量使用者接触的力量的切线方向分量的支撑结构。下文中将说明其它实施例。

图12示出本发明的第二实施例的触摸控制输入装置的横剖面图。输入设备100一般包括一使用者操纵可移动构件102，与第一实施例相同的力量转换构件60，及一支撑件112。使用者操纵可移动构件102包括一凸出的球形外部接触表面104。接触表面104提供使用者的手指或尖笔(未示出)摩擦接触。使用者操纵可移动构件102包括一自内部延伸的柱106，及柱106的一斜端110，该锥形端的尖端在球形接触表面104的曲率中心。柱的一阶状部108位于力量转换构件60的中央轮毂62的中央孔68内且经由干涉配合、焊接或其它固紧手段而被固紧，使得在接触表面104上的使用者接触力量可被传送到力量转换构件60的辐条66上力量转换构件60附着于一支撑件112上(该支撑件可包括安装孔116)且可经由螺丝118或其它固紧机构而附着于支撑件上。支撑件112也包括一低于锥形端108的维形区域114，使得使用者操纵可移动构件102可以尖端110作支点绕球形接触表面104的曲率中心而移动。此实施例的优点为：支撑件112支撑构件102而用作过度张力保护器的型式，但仍然允许构件102绕部分球形接触表面104的中心点而移动。

在球形接触表面104上的接触力量的法线分量F_法线不会产生任何影响于张力计，因为其由枢轴108上的反作用所平衡。切线方向的力量F_切线产生绕x，y及z轴(其原点在枢轴点108上)的力矩M_x，M_y及M_z。弯曲力矩及因此在力量转换构件60的辐条66中被侦测的张力是延这些轴的切线方向的力量F_切线的分量的直接测量(图9)。此简化了第一实施例的情形下的计算以获效纫线方向的力量F_切线。在3D旋转控制中，仅管六个张力计对于桥接电路是较好的，但最少三个张力计是足够的。在2D应用中，最少两个张力计是需要的，但较佳是使用四个。这些张力计可以已知方式被相连以形成惠斯顿电桥的一臂。

虽然球形接触表面减少计算，2D应用的力量转换构件的机械构造可被简化以减少制造成本，因仅需要两个方向变数x及y。依本发明的另一实施例而设计的供2D应用的触摸控制输入装置120的选择实施例乃示于图13的横剖面图中。输入装置120为第二实施例100的变化，且一般包括第二实施例100的使用者操纵可移动构件102及支撑件112及自一平面基底形成的平面力量转换器130。

柱106的阶状肩部108附着于基底130的中央孔134内且由力量一安装、焊接或其它固紧机构所固紧，使得在接触表面104上的使用者接触力量可被传送到基底130。基底130固定于支撑件102上，使得柱106的尖端座落在支撑件102的中央的锥形支撑区114中。基底130包括多数安装孔，使得基底130可利用螺丝118或其它固紧机构固定于支撑件102上。使用者操纵可移动机构件102可以绕柱106的尖端110(其也是凸状球形接触表面104的曲率中心)而移动。无论是2D或3D，经测量的力量的大小仍会被用以控制将被触摸的装置的回应灵敏度。

如图14所示，力量转换构件130是由薄弹性板所制成，且其有一大致呈圆形或盘状的形状。基底130可由金属板、陶瓷、硅晶体或树脂材料制成。基底130可形成凹口以提供如图14a所示的挠性的十字臂140或是如图146所示的平盘状。多数(较佳为四个)张力计138或力量感测器被置于基底130的一例上。呈平面基底状的力量转换构件130会使置放薄膜或厚膜张力计于其表面上变得更容易。张力计138侦测使用者操纵可移动构件102的动作。此作业类似第二较佳实施例的作业，其中接触的切线方向的力量F_切线可由张力计直接测得。

熟悉此技艺者会了解：平面力量、感测基底的构形并非受限于十字形或盘板形，其可有各种不同的修正或改变而不会脱离本发明的范畴，只要输出讯号被产生是与施加于触摸控制输入装置的力量有关即可。

图15示出依本发明的另一实施例而供2D应用的另一触摸控制输入装置150。输入装置150一般包括一使用者操纵可移动构件152，一力量转换构件160其一般形状为柱状力量杆，其一端164被支撑于一支撑件170的中央部分中)。四个张力计166被固定于柱本体162的四个侧面上，靠近固定端164。在支撑件170上的力量杆160的立体图乃示于图16。

使用者操纵可移动构件152一般包括一凸状球形外部接触表面154。此接触表面提供与使用者手指或尖笔(未示出)的摩擦接触。一中空往156自内部延伸至柱本体160内，使得凸状球形外部接触表面154与柱状力量杆160的固定端164一致。因此，支撑件170及力量杆160的柱状本体能绕接触表面154的曲率中心挠曲而回应施加于使用者操纵可移动构件的力量。

在操作中，在凸状球形外部接触表面154上的法线力量F_法线的作用线通过该中心(其也是力量杆160的固定端)且因此产生在张力计166上可忽略的影响。以此方式，来自张力计166的输出讯号直接与切线方向的力量F_切线成比例。

张力计或力量感测器可以为传统的电阻式或电容式张力计、薄膜或厚膜力量感测电阻或类似者。柱状本体160的横截面可以是矩形或圆形的。圆形横剖面在所有方向中均匀地回应，然而矩形横剖面可在输出讯号中呈现某些不均匀性以回应因于不同方向中的弯曲特性的变化而产生来自不同方向的力量。但是，经由补偿弯曲力量传送构件自使用者空间轴线的定向，可将此影响减为最小。

借由使用柱状本体加上支撑件类型的力量转换器(如CTS公司的系列IO5厚膜指示装置)可以获得足够的结果。

依本发明的触摸控制输入装置的另一实施例显示于图17至19。图17示出输入装置180的分解图，图18示出输入装置180的横剖面图。输入装置180一般包括一使用者操纵可移动构件182、一支撑件198及一力量转换构件，如第一实施例。

使用者操纵可移动构件182一般包括一凸状球形外部接触表面184及一内部表面186，该内部表面186为球形状且与球状外部接触表面184同心。支撑件198一般包括一支承体200。使用者操纵可移动构件182的内部表面186支承在支承体200所提供的支承表面202。支承表面202为球形的且具有与内部表面186相同的半径，使得使用者操纵可移动构件182可以绕外部接触表面184的曲率中心移动。

图8的力量转换构件60的外轮缘64他在朝向使用者操纵可移动构件的周边188处。使用者操纵可移动构件182可提供多数安装孔190于周边188以固定力量转换构件60，使得在接触表面184的使用者接触力量可被传送到力量转换构件60的辐条66。固紧机构可以如所示的螺丝192，或是其它机械手段，如铆钉结合，焊接或以粘剂结合。力量转换构件60的中央轮毂62被安装于支撑件198的支承体200上的中央柱部分204。使用者操纵可移动构件因此受拘束而绕接触表面184的曲率中心而移动。以此方式，接触压力的法线力量F_法线不会诱发任何张力于挠曲力量感测构件。在力量转换构件60的辐条66中被侦测的弯曲力矩家直接与沿着x，y及z轴的切线方向的力量F_切线有关。

于可移动构件的内表面与支撑表面之间的摩擦可引入一界限阻挡(thresholdbarrier)给感测任何切线方向力量。更明确言之，力量感测机构所侦测的力量是小于表面间的摩擦力的切线方向的力量。在某些情况下，小的界限阻挡对触摸一敏感输入设备是有利的。此提供了基于机械性的阻尼效应以抑制住何可能因(例如)手发抖而引起的扰乱。事实上，颁给Rutledge等人的美国专利第5,764,319号，其中一静带区(dead band zone)被慎重地引入等容积操纵杆控制器的软件转换作用中以提给一软件界限阻挡移动。在此实施例中，小摩擦界限(friction threshold)的引入是一种机械上的解决方式，其有消除因软件计算而引起迟延的好处。

但是，为了限制或消除此界限，可使用两元件之间的摩擦修正。聚四气乙烯(PTFE)，如DuPont制造的Tef lon为一合适的低摩擦材料。因摩擦而引起的界限阻力可借由施加PTFE材料的涂层于支承表面(即，使用者操纵可移动构件182的内部球形表面186及球形支承支撑表面202)而被减为最小。或者，使用者操纵可移动构件182及支承体200可以由PTFE修正的材料制成。

对于界限阻力问题的解决方式乃示于图19横剖面图的实施例18O的选择构造。在此选择构造的所有零件皆与上一个实施例180相同，除了在支承体232上有多数小凹处234之外。多数球形滚珠236被放在凹处234中使得可移动构件的球形内表面是由滚珠轴承(图19)所支撑，使得可移动构件受拘束以绕其曲率中心在球形滚珠236上移动。来自滚珠轴承的滚动摩擦通常是两直接接触的球形表面的滑动摩擦的小部分，以实质上消除界限阻力。可了解到：任何其它减少摩擦的方法也可用以在控制下保持界限阻力。

如上述者，在本发明，凸状并非对接触表面的限制此可以另一实施例来显示，该实施例的构造类似第五实施例180，除了具有球形凹状接触表面之外。

触摸控制输入装置的第六实施例240是设计以执行根据上述的输入控制方法，其将配合图20至22加以说明。

图20示出分解的输入装置24O，图21则示出装置240的横剖面图。输入装置240为上一个实施例的变化，且一般包括一使用者操纵可移动构件242，一如第一实施例所描述的力量转换构件60，及一支撑件260。

使用者操纵可移动构件242的构造类似上一个实施例的使用者操纵可移动构件182，且一般包括一凹状球形外部接触表面244及一呈球面状且与该凹状球形外部接触表面244同心的内部表面246。类似地，支撑件260由一在基底210(其已于前面实施例中述及)上的凹状支承体262所构成。该使用者操纵可移动构件242的内部表面246支承于支承体262的支承表面264上。支承表面264为球形凹状且具有与内部表面246相同的半径，使得使用者操纵可移动构件242可绕外部接触表面244的曲率中心移动。

图9的力量转换构件60的外轮缘64是安装在使用者操纵可移动构件242的周边250上。使用者操纵可移动构件242可提供多数安装孔252于周边250以紧固力量转换构件60，使得接触表面244上的使用者接触力量被传送到力量转换构件60的辐条66上。紧固机构可如显示的螺丝192或任何其它如铆钉结合、焊接或以粘着剂结合的机械手段。力量转换构件60的中央轮毂62被置于支撑件260的支承体262上的中央柱部分266。

使用者操纵可移动构件242是如此构形及受拘束以绕其曲率中心移动。熟悉此技艺者会知道，接触压力的法线力量F_法线不会诱发任何张力于可桡曲的力量一敏感构件上。在力量转换构件60的辐条66中所侦测的弯曲力矩为延x，y及z轴的切线方向的力量F_切线的分量的直接量测。

类似上一个实施例，直接接触的支承表面264及内部表面246可以涂上PTFE，或支承体262及使用者操纵可移动构件可以由PTFE修正的材料制成以减少界限阻力。或者可用滚珠轴承来达成如图22的选择构造所示的相同目的。

平面表面也可由简单的数学式来呈现。类似球形接触表面的实施例，可以直接在平面接触表面上侦测切线方向的力量，使得计算步骤得以充分简化以提供即时回应。此示于图23至24所示的本发明的又一实施例280。此实施例的构造类似上一个实施例，其中使用者操纵可移动构件282提供一平面接触表面284以供使用者接触。使用者操纵可移动构件被拘束以经由一支撑件290所提供的水平平面支承表面294而在水平的x-y平面中移动。相同的力量转换构件60被用于此构造中。只有一组张力计72安装于力量转换构件60的辐条66的垂直侧上)会回应水平切线方向的力量(图9)。经由加总个别的张力计讯号可测量力量分量。

此处所揭露的是简单构成的方法及装置，其提供整体及直觉的触摸控制使用者界面以供目标移动及游标控制。虽然本发明是以较佳实施例来说明，其它实施例也可落入本发明申请专利范围所界定的范畴内。这些实施例的一些已于上面讨论过，而其它实施例对于熟悉此技艺者而言亦可了解。例如，可使用许不同构形的力量转换器及不同种类的力量感测器，只要使用者的触摸力量控制目标移动的灵敏度使得较大的力量等于较高的增益，且只要移动的方向及速度是由在触摸控制输入装置的使用者接触的移动所控制即可。

Claims (32)

1.一种输入装置的触摸控制方法，该方法包括下列步骤：

提供一使用者操纵构件，其具有一为已知构形的接触表面，且安装于一支撑件内，并具有一操作上连接于该接触表面的力量感测机构用以感测使用者与该接触表面的接触；

控制该接触表面以使该力量感测机构产生对应使用者接触的输出讯号；

使用该输出讯号以提供对因该使用者接触面被施加于该接触表面上的一切线方向的力量的相关测量：及

使用该切线方向的力量的相关测量以控制回应该使用者与接触表面的接触的目标移动。

2.如权利要求1所述的输入装置的触摸控制方法，其中该使用切线方向的力量的相关测量以控制目标移动的步骤包括：使用该切线方向的力量的方向以决定该目标移动的方向，及使用该切线方向的力量的相关大小以决定该目标的速度和修正一增益以控制该目标移动。

3.如权利要求1所述的输入装置的触摸控制方法，其中该接触接触表面的步骤产生输出讯号，该输出讯号是与在该接触表面的切线方向的力量的大小直接相关。

4.如权利要求1所述的输入装置的触摸控制方法，其中该使用输出讯号的步骤进一步包括：以更多力量接触该接触表面以使该目标移动地更快，及以较少力量接触该接触表面以使该目标移动地慢些。

5.如权利要求2所述的输入装置的触摸控制方法，其中该使用输出讯号的步骤另包括：增加该增益以回应与该接触表面更多的力量接触，借此该使用者接触的相当小的移动产生相当大的目标移动；及减少该增益以回应与该接触表面较小的力量接触，借此该使用者接触的相当大的移动产生相当小的目标移动。

6.如权利要求1所述的输入装置的触摸控制方法，其中该输出讯号进一步由一指定给该目标的值所修正。

7.如权利要求1所述的输入装置的触摸控制方法，其中该已知构形的接触表面是部份球形的，且该接触接触表面以使该力量感测机构产生对应于使用者接触的输出讯号的步骤进一步包括：定位该感测机构以感测在与该部分球形表面的中心相关的位置上的切线方向的力量。

8.如权利要求1所述的输入装置的触摸控制方法，其中该已知构形的接触表面是部份平面的，且该接触接触表面以使该力量感测机构产生对应于使用者接触的输出讯号的步骤进一步包括：定位该感测机构以感测在一与该平面表面平行的平面上的力量。

9.如权利要求1所述的输入装置的触摸控制方法，其中核力量感测机构为一完整的辐轮型式，且有装有仪器的辐条；且该使用输出讯号的步骤包括：提供三维控制于核目标的移动上。

10.如权利要求1所述的输入装置的触摸控制方法，其中该力量感测机构为一装有仪器的平板型式；且该使用输出讯号的步骤包括：提供二维控制于该目标的移动上。

11.一种控制目标移动的方法，该方法包括：

提供一使用者操纵横件，其具有一为已知构形的接触表面，且安装于一支撑件内，并具有一操作上连接于该接触表面的力量仪测机构用以感测使用者与该接触表面的接触；

定位该感测机构，以于该接触表面被接触时，提供在该接触表面上所产生的切线方向的力量相关的输出讯号；

操纵该接触表面以使该感测机构产生该输出讯号；及

使用该输出讯号以实现对目标的方向移动的控制和对该目标移动回应该使用者接触的灵敏度的控制。

12.一种人机工程学上触摸控制输入装置，该装置包括：

一可手动操纵的使用者界面，其具有一为已知构形的接触表面；

一支撑件，其中安装有该可手动操纵构件；及

一力量感测机构，可操作地与该可手动操纵构件相连以感测使用者与该接触表面的接触；该感测机构感测在该接触表面不同于法线力量的接触力量，且产生与该接触力量有关的输出讯号以用于控制目标移动，及一增益以实现对该目标全部回应该使用者接触的移动控制。

13.如权利要求12的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该接触表面至少为部份球形。

14.如权利要求13的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该部份球形表面为凸状的。

15.如权利要求13的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该部份球形表面为凹状的。

16.如权利要求13的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该力量感测机构感

测在对应该部份球形表面的中心的位置上的力量，其中该力量与被施加于该接触表面上的切线方向的力量相关。

17.如权利要求12的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该接触表面至少部份为平面的。

18.如权利要求12的人机工程学上触模控制输入装置，其中该力量感测机构感测被施加于该接触表面的力量向量，且隔离出与该表面相切的分量以控制该目标移动及该增益。

19.如权利要求18的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该力量感测机构感测与该目标的移动方向有关的切线方向分量的方向，且该感测机构测量该切线方向分量的大小，其与该目标移动的速度及该增益有关，以作移动控制。

20.如权利要求19的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该输出讯号与该目标移动有关，其中该切线方向的量愈大，则该目标移动的速度愈快，而该切线方向的力量愈小，则核目标移动的速度愈慢。

21.如权利要求12的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该输出讯号与该目标移动有关，其以下述方式使得一更有力量的接触增加了增益，借此该使用者接触的相当小的移动产生相当大的目标移动；而一较少力量的接触减少了该增益，借此该使用者接触的相当大的移动产生相当小的目的移动。

22.如权利要求14的人机工程学上触摸控制输入装置，另包括一柱构件，自该部份球形接触表面延伸，与该力量感测机构操作地连结。

23.如权利要求22的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该力量感测机构为完整辐轮型式，其具有设有仪器的辐条以供对该目标移动作三维控制。

24.如权利要求22的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该力量感测机构为一平板型式，以对该目标移动作二维控制。

25.如权利要求22的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该柱构件延伸至一基底且终止于该部分球形接触表面的中心处。

26.如权利要求14的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该力量感测机构是一装有仪器的柱构件，其附着于支撑件的一位置上，其中该位置大致对应该球形表面的曲率中心，且该输出讯号被用以提供对该目标移动的二维控制。

27.如权利要求12的人机工程学上触摸控制输入装置，另包括一支承表面以供该可手动操纵构件之用。

28.如权利要求27的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该接触表面为部份球形，且该支承表面为部份球形，其大小及形状可使的同心地装配于可手动操纵构件中。

29.如权利要求28的人机工程学上触摸控制输入装置，另包括一摩擦减少机构，其位于该支承表面及该可动操纵构件之间。

30.如权利要求29的人机工程学上触摸控制输入装置，其中该摩擦减少机构包括至少局部使用一低摩擦材料在该支承表面及该可手动操纵构件之间的界面上。

31.一种人机工程学上触摸控制输入装置，该装置包括：

一可手动操纵构件，具有一为已知构形的接触表面以供使用者触摸；

一支撑件结构，供该可手动操纵横件之用；

一仪器机构，其操作地与该支撑件相连，以测量使用者与该接触表面接触的接触力量的方向及大小；

其中该仪器机构产生输出讯号以依据使用者与该接触表面的接触的移动而控制目标的移动，且另提供输出讯号，该输出讯号与使用者施力。朴该接触表面的力量大小有关，以控制核目标移动对该使用者接触的回应灵敏度。

32.一种人机工程学上触摸控制输入装置，该装置包括：

一为已知构形的表面，以供使用者接触；

一力量感测机构，可操作地与该表面联结来测量被施加于该表面的力量且产生一与该力量有关的输出讯号，以须畅地改变该装置对该使用者接触的回应灵敏度。

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