專利名稱：雙軸關節(jié)式計算機輸入裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種計算機輸入裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及一種可提供雙軸關節(jié)式運動的雙手計算機輸入裝置。
目前，有很多種不同類型的用戶輸入裝置用于向計算機提供用戶輸入信息。例如，這樣的用戶輸入裝置可包括點擊式裝置(通常被稱為計算機鼠標)、鍵盤、游戲桿和跟蹤球。所有的這些用戶輸入裝置通常檢測活動元件相對于固定基板或殼體部分的運動，并且把指示這些相對運動的輸入信號提供給計算機。
另外，目前的這些在個人計算機或游戲控制臺上運行的游戲應用程序是第一人稱立體應用程序。這種應用程序提供導航和指向性能，目前這些性能可通過鼠標和鍵盤操縱的組合達到(盡管有些麻煩)。鼠標通常控制觀察點(上、下、左、右)，鍵盤提供位置運動控制(滑向左、滑向右、向前、向后)。鼠標按鈕也提供用于戰(zhàn)斗游戲的“開火”，鍵盤提供多種選擇(武器選擇、開門、放大等)。為了控制這些功能，使用鼠標和鍵盤是很困難的，并且要求熟練掌握相對非本能的手指運動的組合。
由此可以看出，使用目前的輸入裝置，在第一人稱立體三維虛擬環(huán)境下進行準確運動、瞄準、戰(zhàn)斗控制是很麻煩的。這種游戲或虛擬環(huán)境要求很快的運動，也要求快速改變方向的能力，以便航行通過迷宮似的通道和避開敵人的攻擊。最好用可在連續(xù)運動范圍內(nèi)提供控制(與離散的按鈕按壓相反)的輸入裝置完成瞄準和指向(其相應于通過第一人稱立體圖上或下、左或右觀察)，諸如利用鼠標或游戲桿。最好用諸如由特定的開關結構提供的離散的擊鍵來完成位置運動控制(諸如向前/向后移動、或滑向左/滑向右、或上升)，這種特定的開關結構通?？稍谟螒驐U或鍵盤的按鈕或其它裝置中發(fā)現(xiàn)。
另外，一些類型的用戶輸入裝置把多于兩個的自由度分配給唯一一個輸入模式。例如，可沿X軸推動的游戲桿，其Y軸具有兩個自由度，而可沿X軸和Y軸推動的游戲桿，也可以繞其縱向軸轉動，以提供對計算機的輸入，其具有三個自由度。可以發(fā)現(xiàn)，這種類型的用戶輸入裝置(對每個輸入模式提供多于兩個的自由度)可以顯示出高度的交叉軸干擾。
交叉軸干擾的特征是，用戶盡力啟動一個獨立的自由度的同時無意識地啟動一個自由度。換句話說，在企圖進行轉動運動(企圖繞縱向軸轉動游戲桿)的同時很難避免平移運動(游戲桿沿X軸或Y軸運動)。在這些自由度之間的這種干擾是交叉軸干擾?？梢韵嘈?，趨向于產(chǎn)生交叉軸干擾對任何給定的輸入模式二次地增加了每個附加的自由度。
除了鼠標和鍵盤，在游戲應用程序中也使用其它類型的常規(guī)輸入裝置。這樣一種常規(guī)的用于游戲應用程序的裝置是游戲墊。但是，這種裝置不能很好地按要求對第一人稱立體游戲進行操縱。在標準方向墊和僅有游戲墊的按鈕中，沒有方法輸入連續(xù)的運動。使用具有小的拇指桿(一種用于拇指的游戲桿)游戲墊可以連續(xù)輸入，但拇指桿不能對本能運動進行定位，用戶必須反抗拇指桿的回心力，這種回心力使得很難精確瞄準。拇指桿也使手上的小肌肉群和拇指疲勞。
游戲桿采用手臂和手腕的肌肉不能提供小肌肉群的精細控制電機的性能。普通的游戲桿的結構也具有必須由同一只手啟動的連續(xù)運動裝置(游戲棒)和離散運動裝置(帽開關)。這使得很難精確地控制這種運動。另外，游戲棒和帽開關都包含干擾精確瞄準的回心彈力。
另一種輸入裝置是銷售的商品名為Space Orb 360的裝置。這種裝置提供可由單手操縱的六個自由度。這使得不受到很好的訓練或者具有天生的生物力學性能以把一個或兩個軸從受到該裝置控制的其它軸中獨立出來，便極難使用該裝置。
相類似，銷售的商品名為Cyberman II的裝置也提供可由單手操縱的六個自由度。這種這種遇到了與前文中描述的同樣的困難。
另一種輸入裝置是銷售的商品名為Wingman Warrior的裝置。該裝置是一個具有一個僅可以用于轉動的自由旋鈕的游戲桿。該裝置不具有在第一人稱立體環(huán)境中成功的很多必要的基本元素。
本發(fā)明提供了一種雙軸關節(jié)式計算機輸入裝置。設置了位置傳感器以便提供指示兩個部件彼此相對位置的位置信息。
在一個實施例中，部件是手柄，一個手柄表示顯示裝置上的第一人稱立體圖。手柄可通過多個動作區(qū)彼此相對運動，這些動作區(qū)不同地影響顯示裝置上的顯示。在一個實施例中，通過第一動作區(qū)的運動導致顯示裝置上第一人稱立體圖的絕對運動。通過第二動作區(qū)的運動導致第一人稱立體圖連續(xù)運動，而不是以絕對的方式運動。
在另一個實施例中，當用戶在區(qū)之間過渡時，向用戶提供觸覺反饋。這種觸覺反饋可示意性地是一種反抗運動的變化。
本發(fā)明還提供一種具有生物工藝學優(yōu)點的輸入裝置。其形狀和運動范圍可用來減少疲勞。另外，數(shù)據(jù)結構可把位置信息傳送到計算機。使用優(yōu)選的方法和裝置形成和處理數(shù)據(jù)結構。


圖1是計算機系統(tǒng)的方框圖，其中利用了本發(fā)明的輸入裝置。
圖2是使用本發(fā)明的輸入裝置的計算機的一個實施例的方框圖。
圖3A-3C示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面檢測的絕對位置。
圖4A是示出根據(jù)本發(fā)明的一方面的絕對和速度控制的曲線圖。
圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的絕對區(qū)和速度區(qū)。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一方面的輸入裝置的高級功能方框圖。
圖6示出了由圖5所示的輸入裝置產(chǎn)生的信息包的一個實施例。
圖7是說明在產(chǎn)生信息包的過程中圖5所示的輸入裝置的操作的流程圖。
圖8是說明根據(jù)本發(fā)明的一方面的信息包的處理的功能方框圖。
圖9A-9C是說明根據(jù)本發(fā)明的一方面的信息包的處理的流程圖。
圖10是本發(fā)明的一個實施例的輸入裝置的分解圖。
圖11是圖10所示的輸入裝置的一部分的放大圖。
圖12A-14C示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的凸輪布置。
圖15-17說明了根據(jù)本發(fā)明的一方面的特定的生物工藝學特征。
圖是根據(jù)本發(fā)明的一方面的系統(tǒng)10的部分方框和部分實物圖。系統(tǒng)10包括輸入裝置14和計算機顯示裝置15和計算機20。
應當注意，在一個示意性實施例中，裝置14可作為任何輸入裝置(例如游戲桿)，其具有一個手柄或一部分，該部分可相對于其另一部分運動。但是，為了簡化的目的，本發(fā)明僅對圖1中所示的裝置14的示意性實施例進行討論。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，計算機輸入裝置14分別具有第一和第二手柄部件16和18。部件16和18的尺寸適合用戶的手握并可彼此相對運動。在一個示意性實施例中，部件16和18由總體標號為22的接頭連接起來。接頭22使得部件18可相對于部件16在由箭頭24所示的偏轉方向上(或者沿X軸的橫向)進行關節(jié)式運動。接頭22也使得部件18在由箭頭26所示的方向上在傾斜方向上(或沿Y軸的上下方向)轉動。下面將在說明書中更詳細描述這種運動和接頭22。另外，說明的計算機輸入裝置14包括可檢測部件18相對部件16的位置的位置傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的一個示意性實施例，計算機輸入裝置14還具有一按鈕矩陣28。在一個實施例中，矩陣28包括部件18上的四個按鈕和部件16上的三個附加按鈕(包括一個換擋鍵)。此外，計算機輸入裝置14還具有一個多路開關輸入裝置30(諸如方向墊或帽開關)，以及一個或多個觸發(fā)器32。圖1還示出，計算機輸入裝置14的部件16和18還可包括從按鈕矩陣28向下延伸的細長手柄部分34和36，它們的尺寸可使用戶的手舒服地握住。
計算機輸入裝置14包括一個控制器，該控制器接收指示各個按鈕、觸發(fā)器和多路開關輸入裝置以及來自位置傳感器的信息，并且產(chǎn)生指示這些信息的信息包。該信息包被提供給計算機20(在圖2中將更詳細描述其中的一個實施例)。計算機20包含一個應用程序，諸如利用來自輸入裝置14的信息包中的信息的游戲或其它程序。計算機20啟動，以把來自輸入裝置14的信息包中的信息提供給在計算機20上運行的應用程序，其使用這些信息操縱在顯示裝置15上顯示的物體。在一個示意性實施例中，計算機20是個人計算機，顯示裝置51可以是任何類型的顯示器，諸如陰極射線管(CRT)型監(jiān)視器(包括電視顯示器、液晶顯示器(LCD)、等離子體顯示器等等)。在另一個實施例中，計算機20可以是一個專用計算機，諸如由Nintendo(任天堂)、Sega、Sony(索尼)或其它公司生產(chǎn)的很多游戲計算機中的一種，或者是專用模擬或控制計算機。這樣的一些計算機可由Sega Dreamcast和Sony Playstation指定銷售。
當然，由計算機輸入裝置14提供給計算機20的信息包可被計算機20(和其上運行的應用程序)使用來控制其它項目，而不是顯示裝置15。但是，為了清楚起見，本發(fā)明主要描述關于顯示裝置15的控制。
參照圖2，用于本發(fā)明的典型環(huán)境包括一個常規(guī)的個人計算機20形式的通用計算裝置，其包括處理單元38、系統(tǒng)存儲器39、以及把各種包括系統(tǒng)存儲器的系統(tǒng)元件連接到處理單元38的系統(tǒng)總線40。系統(tǒng)總線48可以是任何幾種類型的總線結構，該總線結構包括存儲總線或存儲控制器、外圍總線和使用任何多種總線體系結構的局域總線。該系統(tǒng)存儲器包括只讀存儲器(ROM)41和隨機存取存儲器(RAM)42?；据斎?輸出系統(tǒng)43(BIOS)存儲在ROM41中，其包含諸如在啟動時有助于在個人計算機20中的元件之間傳送信息的基本路線。個人計算機20還包括用于從硬盤(未示出)中讀取或寫入硬盤的硬盤驅動器44、用于從可換磁盤46讀取或寫入其中的磁盤驅動器45和用于從諸如CD ROM或其它光介質的可換光盤48讀取或寫入其中的光盤驅動器47。硬盤驅動器44、磁盤驅動器45和光盤驅動器47分別通過硬盤驅動器接口49、磁盤驅動器接口50和光盤驅動器接口51連接到系統(tǒng)總線40。驅動器和相關的計算機可讀取介質提供計算機可讀取結構、數(shù)據(jù)結構、程序模塊和其它用于個人計算機20的數(shù)據(jù)的非易失性存儲。
盡管在此描述的典型環(huán)境采用了硬盤、可換磁盤46和可換光盤48，但本領域技術人員可以理解，其它類型的可被計算機存取的存儲數(shù)據(jù)的計算機可讀取介質，諸如磁帶、瞬時存儲卡、數(shù)字電視唱盤、伯努里盒式磁盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)等等，也可用在典型的操作環(huán)境中。
大量的程序模塊可存儲在硬盤、磁盤46、光盤48、ROM41、或者RAM42中，其包括操作系統(tǒng)52、一個或多個應用程序53、其它程序模塊54和程序數(shù)據(jù)55。用戶可通過諸如鍵盤56和定點裝置57之類的輸入裝置把命令和信息輸入個人計算機20。其它輸入裝置(未示出)可包括話筒、游戲桿、游戲墊、衛(wèi)星反射器、掃描儀等等。這些和其它輸入裝置經(jīng)常通過接口58被連接到處理單元38上，該接口58與系統(tǒng)總線40相連。該接口58可包括多個不同的接口，諸如聲卡、并行端口、游戲端口或通用串行總線(USB)。監(jiān)視器15或其它類型的顯示裝置也通過一個接口連接到系統(tǒng)總線40上，諸如視頻適配器59。除了監(jiān)視器15，個人計算機通常可包括諸如揚聲器或打印機(未示出)之類的外圍輸出設備。
個人計算機20可使用到一個或多個遠程計算機(例如遠程計算機60)的邏輯連接在網(wǎng)絡環(huán)境下啟動。遠程計算機60可以是另一臺個人計算機、服務器、路由器、網(wǎng)絡PC、等設備或其它網(wǎng)絡節(jié)點，盡管在圖2中僅示出了一個存儲器存儲裝置61，但其通常包括上述的關于個人計算機20的很多或所有元件。圖2中描述的邏輯連接包括局域網(wǎng)(LAN)62和廣域網(wǎng)(WAN)63。這樣的網(wǎng)絡環(huán)境通常在辦公室、大企業(yè)計算機網(wǎng)絡的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和因特網(wǎng)中，當在LAN網(wǎng)絡環(huán)境下使用時，個人計算機20通過網(wǎng)絡接口或適配器64連接到局域網(wǎng)62。當在WAN網(wǎng)絡環(huán)境下使用時，個人計算機20通常包括調(diào)制解調(diào)器65或其它用于在比如因特網(wǎng)的廣域網(wǎng)63上建立通訊的裝置。調(diào)制解調(diào)器65可以是內(nèi)置的或外置的，其通過串行端口接口58與系統(tǒng)總線40相連。在網(wǎng)絡環(huán)境下，關于個人計算機20描述的程序模塊或其部分可存儲在遠程存儲器存儲裝置中?？梢岳斫?，所示的網(wǎng)絡連接是示例性的，可以使用其它的在計算機之間建立通訊連接的方式。
當計算機20是專用計算機時，具體的體系結構可以與圖2中所示的不同。然而，結果不會有很大的不同。所有的這些計算機包含一種用于執(zhí)行從輸入裝置14接收信息的計算機軟件和/或硬件的機構，并且利用接收的信息修正軟件和/或硬件的性能或外部特性。這種變化的結果經(jīng)常在顯示裝置上可見。
圖3A-3C示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面檢測的位置。在圖3A中，示出計算機輸入裝置14相對于顯示裝置15上的畫面100。圖3A示出畫面100僅僅是可在顯示裝置15上顯示的3D虛擬環(huán)境的一部分。使部件18沿X和Y轉動軸處于相對于部件16的基本中心位置處，可顯示的三維虛擬環(huán)境的一部分是第一人稱立體圖的中心部分，如圖3A所示。
然而，圖3B示出了計算機輸入裝置14的俯視圖，說明部件18可在箭頭24指示的X方向上相對于部件16轉動，并且通常圍繞著軸102轉動。如果裝置14被作為一個游戲桿使用，圍繞軸102的轉動比如可相應于游戲桿橫向方式的運動。當部件18在某一預定運動范圍內(nèi)圍繞軸102轉動時，計算機輸入裝置14形成信息包，該信息包包括指示部件18圍繞軸102相對于部件16的相對位置的信息。該信息可被計算機20(和其上運行的應用程序)用來控制在顯示裝置15上顯示的觀察點。
例如，當部件18在一預定運動范圍內(nèi)圍繞軸102轉動時，觀察點可在圖3B中箭頭104指示的方向上相應的移位。當部件18圍繞軸120逆時針方向關節(jié)式轉動時，觀察點可移向圖3B中標號100A指示的位置。以此方式，部件18相對于部件16的絕對運動可直接映象為顯示的觀察點的絕對運動，如圖3B所示。當然，在裝置14以諸如游戲桿的另一種方式實現(xiàn)時，可完成同樣類型的映象。
圖3C示出了計算機輸入裝置14的側視圖。圖3C說明，在一個示意性實施例中，計算機輸入裝置14的部件18不僅圍繞軸102(圖3B中示出)關節(jié)式轉動，而且也圍繞軸106在箭頭26指示的傾斜或Y方向上轉動。當裝置14為一個游戲桿時，圍繞軸106的轉動可相應于游戲桿前后(或后前)方式的運動。當部件18在箭頭26指示的方向上傾斜時，只要其在預定的運動范圍內(nèi)，在顯示裝置15上顯示的第一人稱立體圖在箭頭108指示的方向上相應的移動。例如，當部件18逆時針方向轉動時(參照圖3C)，第一人稱立體圖向上移向圖3C中標號100C指示的位置。相類似，當部件18順時針方向圍繞軸106轉動時(再次參照圖3C)，在顯示裝置15上顯示的第一人稱立體圖向下移向標號100D指示的位置。于是，只要部件18圍繞軸106在預定的運動范圍內(nèi)轉動，部件18相對于部件16的絕對運動可映象為在顯示裝置15上顯示的第一人稱立體圖的絕對運動。在裝置14以諸如游戲桿的方式實現(xiàn)時，可完成同樣類型的映象。
當然，部件18相對于部件16圍繞軸102或106的絕對運動或者映象為在顯示裝置15上顯示的第一人稱立體圖的絕對運動，或者按比例向上或向下提供在顯示裝置15上顯示的第一人稱立體圖的絕對運動。例如，部件18圍繞軸102或106轉動5度相當于在顯示裝置15上顯示的虛擬環(huán)境中的第一人稱立體圖的20度的轉動?？墒褂萌魏蜗胍谋壤禂?shù)(包括1∶1)。
如果部件18圍繞軸102或106的運動超出預定的運動范圍(或者如果游戲桿橫向運動或向前或向后的運動超出預定的運動范圍)，則這種運動不再映象為在顯示裝置15上顯示的第一人稱立體圖的絕對運動或絕對位置。取而代之的是，描述的這種運動對應于第一人稱立體圖的連續(xù)運動。例如，如果部件18圍繞軸102在箭頭24(參照圖3B)指示的方向上的關節(jié)式轉動超出預定的運動范圍一定量，那么第一人稱立體圖將在部件18的運動方向上顯現(xiàn)為連續(xù)的旋轉，直到部件18回到預定的運動范圍內(nèi)。這將在圖4A和4B中更詳細描述。
圖4A說明了在一個示意性實施例中圍繞軸102或106的運動范圍(以度進行轉動)，示出了用戶可感覺到的與這種轉動相反的力。盡管也可使用更多的或更少的具有不同曲線的區(qū)，但示出運動范圍被劃分為三個不同的范圍或動作區(qū)110、112和114。當用戶在范圍110(其在一個示意性實施例中相對于中心的中點轉動+30度或-30度，但可使用任何想要的范圍，如果愿意的話，范圍可相對于中點不對稱)，用戶在整個區(qū)110上可感覺到一種粘性流體運動，帶有很輕的持續(xù)的運動阻力。但是，也可在區(qū)110中提供回心力。只要用戶在每個方向上轉動部件18超出區(qū)110的邊界，用戶便可遇到不同的運動阻力，諸如增加的力。因此，比如當用戶轉動部件18超出+30度的運動范圍時，并且進入范圍112時，在用戶繼續(xù)轉動部件18通過運動的整個位置范圍(例如到約+40度)時，用戶便遇到增加的運動阻力。相類似，當用戶轉動部件18超出離中點-30度的運動范圍時，并且進入?yún)^(qū)114時，在用戶繼續(xù)通過區(qū)114的運動的整個范圍轉動(例如到約-40度)時，用戶便遇到增加的運動阻力。應當注意，任何或所有的區(qū)可以設計為也具有一個回心力。此外，在任何或所有的區(qū)中也可使用非線性或步進力曲線。在任何區(qū)中，力可以先增加后減小。并且，中心區(qū)110不必呈現(xiàn)出恒定的力曲線。為了說明所需，在外區(qū)中示出了線性的不斷增加的力曲線，在中心區(qū)示出了恒定的力曲線。
在一個示意性實施例中，圖4A中說明的力曲線可使用下面討論的在圖12A-14C中更詳細描述的凸輪和凸輪跟隨器結構實現(xiàn)。例如，可使用壓簧或拉簧、充有流體的減振器、氣壓或液壓系統(tǒng)、氣液系統(tǒng)、或者其它的阻力改變裝置或偏壓部件。
圖4B說明了根據(jù)本發(fā)明的一方面的不同的動作區(qū)(比如運動的絕對和速度區(qū))。將結合圖4A和圖3A-3C描述圖4B。圖4B是部件18圍繞軸106的傾斜運動(或Y軸運動)以及部件18圍繞軸102的偏轉運動(或X軸運動)的曲線圖。盡管也可使用更多的或更少的動作區(qū)，但圖4B中的曲線被分別分為三個控制帶或動作區(qū)116、118和120。當裝置14是一游戲桿時，動作區(qū)被繪制成對著軸，其表示了部件18圍繞軸106的傾斜運動(Y軸運動)以及部件18圍繞軸102的偏轉運動(X軸運動)，這樣的動作區(qū)分別對應于游戲桿的向前/向后和橫向運動。
動作區(qū)116是一個中心帶，其通常表示部件18相對于部件16的在預定的運動范圍內(nèi)的中點或中心位置。應當注意，中心控制帶116可以僅由圖4B中的一個點或一小組點表示，或者由一大組點表示。動作區(qū)118是一個絕對位置控制帶，其對應于圍繞軸102和106的預定的運動范圍110。動作區(qū)120表示速度控制帶，其對應于部件18在每個方向上超出預定的運動范圍110的運動。
為了簡化說明，當控制帶以類似的方式表現(xiàn)出部件18圍繞每個軸102或106轉動特性時，本發(fā)明將僅討論部件18圍繞軸102的轉動。當用戶在區(qū)118中圍繞軸102相對于部件16運動時，裝置14向計算機20指示部件16和18相對位置的信息，并且在本實施例中，其中顯示裝置15正在顯示用于游戲的虛擬環(huán)境，計算機20使第一人稱立體圖以絕對方式在與部件18圍繞軸102的轉動的相同方向上或左或右移位。因此，如果用戶圍繞軸102相對于中心帶116轉動比如+5度，計算機20使第一人稱立體圖向右移動預定的距離。應當注意，部件18的5度的運動或者相應于第一人稱立體圖的相同數(shù)量的運動，或者相應于不同數(shù)量的運動。但是，部件18的絕對運動直接映象為第一人稱立體圖的絕對運動。
當部件18圍繞軸102的運動超出動作區(qū)118并進入動作區(qū)120中時，部件18的絕對運動不再映象為第一人稱立體圖的絕對運動。取而代之的是，部件18在區(qū)120中的運動在相應于部件18圍繞軸102的轉動方向的方向上建立了第一人稱立體圖的連續(xù)運動。換句話說，如果用戶使部件18圍繞軸102在順時針方向上轉動進入?yún)^(qū)120中，圖3B中所示的第一人稱立體圖將開始旋轉到右方。只要用戶把部件18保持在區(qū)120中的固定位置上，第一人稱立體圖將以恒定的速度繼續(xù)旋轉到右方。
在一個示意性實施例中，區(qū)120被分為多個子控制帶。因此，當用戶進一步使部件18圍繞軸102轉動進入?yún)^(qū)120中，部件18運動通過子控制帶，并且第一人稱立體圖將以高速在每個區(qū)中旋轉。于是，當部件18運動通過子控制帶時，通過區(qū)120的速度曲線以步進的方式增加。相類似，在另一個實施例中，區(qū)120的速度曲線可由線性增加函數(shù)或非線性增加(比如指數(shù)或二次)函數(shù)或者不是連續(xù)增加的、而是先增加后水平或下降的線性或非線性函數(shù)。速度曲線的形狀也可由用戶選擇或調(diào)整。在這種情況下，用戶可以有機會從多種不同的預定曲線中選擇或者通過指定一個曲線形狀自定義曲線。
可以理解，當用戶轉動部件18進一步進入?yún)^(qū)120中時，用戶也遇到了該裝置中圍繞軸轉動的增加的阻力，如在圖4A中的所示的力曲線中運動范圍112所示。于是，憑直覺高速與增加的阻力耦合，以便給用戶關于相應于進入速度區(qū)中的給定的轉動的速度的觸覺反饋。當然，應再次指出，其它力曲線(比如陡峭的或更平緩的傾斜、非線性、步進等等)也可用于區(qū)中。在這些情況下，觸覺反饋(力曲線)可能或不可能被設計成總體符合速度曲線。
當用戶開始逆時針方向使部件18圍繞軸102轉動時，回向動作區(qū)118和120之間的邊界處，第一人稱立體圖正在旋轉的速度隨著在此方向上的速度曲線。于是，在說明的實施例中，第一人稱立體圖正在旋轉的速度下降。從區(qū)120回到區(qū)118中的過渡可以被多種不同的方式處理。例如，在出去控制帶120時，在絕對定位重新開始前，可以讓部件18位于中心或中點位置116。在這種情況下，當用戶使部件18圍繞軸102逆時針轉動時，區(qū)118和120之間的邊界可以運動到與區(qū)118和116之間的邊界重合。于是，第一人稱立體圖將繼續(xù)以減小的速度旋轉，直到部件18圍繞軸102一直轉動到中心區(qū)116的邊界。然后，區(qū)120和118之間的邊界在原始位置重新建立(圖4B中示出)，如上所述，用戶可以在區(qū)118中重新開始絕對定位。
在另一說明的實施例中，從區(qū)120到區(qū)118的過渡可以以一不同的方式處理。在這個實施例中，當用戶使部件18逆時針轉動并穿過區(qū)118的邊界時，用戶簡單地遇到一個死區(qū)，在該死區(qū)中不能感覺到第一人稱立體圖的運動，直到用戶繼續(xù)逆時針轉動部件18到中心區(qū)116中。換句話說，當用戶使部件18圍繞軸102逆時針轉動經(jīng)過區(qū)120的邊界進入?yún)^(qū)118時，第一人稱立體圖將停止旋轉，并且將一點也不運動，即使用戶繼續(xù)向中心區(qū)116轉動通過區(qū)118。一旦用戶重新使部件18定中心位于區(qū)116中，重新開始正常的定位。
此外，在另一個實施例中，部件18不必定中心在用于控制的區(qū)118中以切換。換句話說，部件18一從區(qū)120回到區(qū)118就重新開始絕對運動控制。并且，發(fā)生這種情況的邊界可沿運動的范圍設定在基本上任何想要的點上。還應當注意，這點可以由用戶選擇或調(diào)整。
圖5是用戶輸入裝置14的一個實施例的方框圖。圖5示出，用戶輸入裝置14包括控制器124、X和Y位置傳感器126和128、校準電路130、按鈕矩陣開關、觸發(fā)器開關和相應于多路開關輸入裝置30的開關(所有這些開關都用標號132表示)、以及區(qū)校準電路134。
X和Y傳感器126和128可以是旋轉電位計。當然，傳感器126和128也可以為其它類型的傳感器，諸如光或機械式編碼器、電容傳感器、電磁傳感器等等。在傳感器126和128為電位計的情況下，傳感器126具有一個與部件16相連的電阻部分和一個與部件18相連的游標部分(反之亦然)。因此，當部件18圍繞傾斜軸106轉動時，體現(xiàn)傳感器126的電位計的阻值變化。相類似，傳感器128具有一個與部件16相連的電阻部分和一個與部件18相連的游標部分(反之亦然)。因此，當部件18圍繞軸102轉動時，體現(xiàn)傳感器128的電位計的阻值變化。以此方式，傳感器126和128提供一個指示部件18相對于部件16的X和Y(偏轉和傾斜)位置的信號。
相類似，當裝置14是一個游戲桿時，傳感器126和128可以是任何常規(guī)的檢測游戲桿的橫向和向前/向后運動的傳感器裝置。這樣一種裝置公開在美國專利No.5,694,153中，在此全部引用作為參考。
來自傳感器126和128的信號被提供給模數(shù)(A/D)轉換器136。在說明的實施例中，轉換器136和微控制器124是一體的。當然，也可使用其它的分立A/D轉換器。A/D轉換器136把來自傳感器126和128的模擬傳感器信號轉換為數(shù)字信號提供給微控制器124。
為了校準傳感器126和128，計算機輸入裝置14被放置在一個試驗裝置中，可操縱該試驗裝置來轉動部件18，以便精確地獲得部件18相對于部件16的角度。當在精確地獲得這些角度時，使用傳感器校準電路130可把傳感器126和128的輸出值設定(諸如微調(diào))到想要的值。在一個實施例中，電路130是一個可以微調(diào)傳感器126和128的微調(diào)電位計的電路。也可使用其它校準電路，或者硬件或者軟件。一些實例包括物理重新定向光編碼器、對可編程電源進行編程或者在信號轉換為數(shù)字形式時提供數(shù)字偏移。
在一個實施例中，用于按鈕矩陣、觸發(fā)器和帽開關的開關132簡單地包括一個開關矩陣，其提供指示它們對微控制器124閉合的信號。因此，當壓下矩陣28的按鈕或觸發(fā)器32或與帽開關30相關的按鈕中的任何一個時，這些按鈕和觸發(fā)器使開關閉合，該閉合可由微控制器124檢測。
區(qū)校準電路134用于設定(諸如微調(diào)或其它精確的設定)絕對位置區(qū)和速度定位區(qū)之間的邊界(關于在圖4B中示出的動作區(qū)118和120的描述)。為了生物工藝學或其它原因，也可以使繞X和Y軸的整個運動范圍為約+/-40度的最大值。在這種情況下，可這樣調(diào)整傳感器126和128的輸出，即使得傳感器輸出的最大信號相應于部件18圍繞適當?shù)妮S相對于部件16的最大運動(運行)范圍。
相類似，可以精確地校準區(qū)118(絕對位置區(qū))和區(qū)120(速度位置區(qū))之間的過渡，使得區(qū)之間的過渡直接相應于用戶的增加力的感覺(如圖4A中的力曲線所示)。因此，部件18轉動到呈現(xiàn)出感覺的增加的力的邊界位置處，然后，傳感器126和128的輸出值被設定到想要的值。這可以通過把計算機輸入裝置14放置在試驗裝置中實現(xiàn)，該試驗裝置上固定有應變儀或其它應變測量裝置，使得該試驗裝置可鑒別用戶輸入裝置14何時已至絕對位置區(qū)和速度位置區(qū)之間的過渡。由于使用了傳感器校準電路130，區(qū)校準電路134可用微調(diào)電位計實現(xiàn)，以便把傳感器126和128的輸出微調(diào)到想要的值。當然，也可使用其它的校準(硬件或軟件)。例如，在傳感器是光編碼器的情況下，它們可被重新定向。還可提供數(shù)字偏移等等。
微控制器124上也被提供有一個適于耦合到計算機20的輸出。在一個實施例中，可根據(jù)通用串行總線(USB)協(xié)議提供由微控制器124提供的輸出。相類似，USB轉換器電纜可連接在微控制器124和計算機20之間以適應必要的數(shù)據(jù)傳輸。在另一個實施例中，根據(jù)游戲端口協(xié)議或任何其它想要的協(xié)議提供用于微控制器124的輸出。
圖6說明了由微控制器124準備并傳送到計算機20的數(shù)據(jù)包136。當數(shù)據(jù)包136串行或并行地傳輸?shù)接嬎銠C20時，在圖6中按照5個8位字節(jié)信息示出了數(shù)據(jù)包136的內(nèi)容。字節(jié)沿數(shù)據(jù)包136的左行標示為字節(jié)0-4，位沿數(shù)據(jù)包136的上列標示為位0-7。
來自傳感器126和128的信號由A/D轉換器136轉換為數(shù)字，該數(shù)字具有10位的分辨率，并且表示并且18相對于并且16的位置。當然，也可使用8位分辨率或其它想要的分辨率。10位分辨率數(shù)據(jù)由位X0-X9(對傳感器128)和位Y0-Y9(對傳感器126)表示。該信息包含在以字節(jié)0、位單元0開始和以字節(jié)2、位單元3結束的數(shù)據(jù)包136中。
基于來自A/D轉換器136的值，微控制器124可確定用戶是否已經(jīng)把部件18轉動進速度控制區(qū)120中或者是否部件18仍然在絕對位置區(qū)118中。位于字節(jié)2、位單元4和5的位ZBX和ZBY分別對應于一個關于部件18是否在絕對或速度定位區(qū)中的決定。例如，如果ZBX位設定在0，其對應于部件18在X(或偏轉)方向上位于絕對位置區(qū)中。如果該位設定在1，其表示部件18已經(jīng)圍繞軸102轉動超出預定的運動范圍進入速度區(qū)。然后，由位X0-X9指示的值表示部件18是否在中點的正側或負側上的速度區(qū)中。字節(jié)2、位單元5的ZBY位對應于部件18以類似的方式在Y方向上(或圍繞傾斜軸106)的轉動。
不使用字節(jié)2中的位單元6和7。
存在于字節(jié)3、位單元0-6中的位B0-B6表示對應于按鈕矩陣28的中的按鈕的開關閉合狀態(tài)。存在于字節(jié)3、位單元7和字節(jié)4、位單元0中的信號T0和T1分別表示與觸發(fā)器32相關的開關的閉合狀態(tài)。
不使用字節(jié)4中的位1、2和3。
在字節(jié)4、位單元4-7中，所提供的值表示多路開關裝置30的狀態(tài)。在說明的實施例中，裝置30是一個帽開關。因此，在相關的位單元中的位被標示為H0-H3。下面的表說明了由位H0-H3表示的帽開關30的位置
表1圖7是說明由圖5中所示的微控制器124形成數(shù)據(jù)包136的流程圖。控制器124接收和濾波X位置信息。在濾波X和Y位置信息時，在一個實施例中，控制器124完全采樣和平滑從傳感器接收的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)被提供給在控制區(qū)124中的濾波邏輯電路。該濾波邏輯電路可采用低通濾波技術以去除大的或異常的尖峰信號。一旦數(shù)據(jù)已經(jīng)被接收和濾波，它被存儲在控制器124(或相關的存儲器)中，用于隨后產(chǎn)生數(shù)據(jù)包136。
控制器124還定期查詢與按鈕、觸發(fā)器和帽開關相關的開關矩陣，以獲得與這些開關相關的數(shù)據(jù)。這些來自開關132的信號也經(jīng)受抗抖動和完全采樣以改進信號的穩(wěn)定性。這由方框140表示。
然后，控制器124基于來自傳感器126和128的位置信息確定輸入裝置14是否在相對于X軸的速度區(qū)中。這可由方框142表示。如果是這樣，控制器124設定位于字節(jié)2、位單元4中的數(shù)據(jù)包136中的ZBX位。這可由方框144表示。
接著，控制器124確定輸入裝置14是否在相對于Y軸的速度區(qū)中。這可由方框146表示。如果是這樣，控制器124設定位于字節(jié)2、位單元5中的數(shù)據(jù)包136中的ZBY位。這可由方框144表示。然后，控制器124匯編剩余的數(shù)據(jù)包136，如方框150所示，并且根據(jù)適當?shù)膮f(xié)議把數(shù)據(jù)包傳送到計算機，如方框152所示。
圖8是說明在一個為個人計算機的計算機20的一個代表實施例上的數(shù)據(jù)包136的接收和處理。在其它類似的實施例中，當計算機20是專用計算機時，處理可能稍微不同，但結果是一樣的。圖8示出了計算機輸入裝置14、總線水平層153、第一總線驅動器154、重新映射器156、應用程序接口158和應用程序層160，該應用程序層160包括一個或多個應用程序162、164和166。在討論圖8中所示的系統(tǒng)的操作前，應當注意，根據(jù)常規(guī)的USB協(xié)議，這些裝置被分類為人界面裝置(HID)。此外，功能裝置對象(FDO)可獲得與數(shù)據(jù)相關的、指向下一個程序模塊或裝置的、數(shù)據(jù)應怎樣處理的信息。FDO是主要的把原始數(shù)據(jù)轉換為接收模塊或裝置所期望看到的東西的轉換器。物理裝置對象(PDO)是含有數(shù)據(jù)的對象，并且具有相關的可由接收裝置或模塊訪問以存取數(shù)據(jù)的方法。濾波裝置對象(FiDO)是可審查數(shù)據(jù)的對象，并且基于特定的設置(諸如在寄存時的設置)，確定應當怎樣處理數(shù)據(jù)以便用接收器可使用的方式放置數(shù)據(jù)。FDO、PDO和FiDO都是常規(guī)的本領域普通技術人員可以很好地理解的對象。
在操作中，如前所述關于圖6和圖7討論的，裝置14首先匯編數(shù)據(jù)包136。然后，該數(shù)據(jù)包通到計算機20上的總線水平層153?？偩€水平層153是標準的USB層，其用于通過過程堆棧接收數(shù)據(jù)和把數(shù)據(jù)往返至第一總線驅動器154。
第一總線驅動器154是一個由HIDCLASS包裝包裹的驅動器。在一個實施例中，從輸入裝置14接收的數(shù)據(jù)包是一個游戲桿型數(shù)據(jù)包。也可以使用其它的數(shù)據(jù)包(比如鼠標、鍵盤等等)。因此，第一總線驅動器154包含一個把數(shù)據(jù)包鑒別為游戲桿型數(shù)據(jù)包的FDO，并且產(chǎn)生一個游戲桿PDO，且手動切斷到產(chǎn)生的PDO的信息。然后，游戲桿PDO把堆棧中的信息向上傳送到重新映射器156。
重新映射器156是一個程序模塊，其中一個實施例被稱為GCKERNEL.SYS，其產(chǎn)生由在應用程序層160中的最后的接收程序需要的對象。例如，由于數(shù)據(jù)包136中的信息作為游戲桿數(shù)據(jù)包進入計算機20，并且由于很多游戲應用程序要求通過鼠標和/或鍵盤操作傳送觀察點信息，重新映射器156確定游戲桿信息是否需要被重新映射進鼠標和/或鍵盤PDO，用于應用程序層160的下一次使用。
重新映射器156包含可接收來自第一總線驅動器154中的PDO155中的信息的FiDO170。FiDO170總體上由圖8的分開部分中示出。FiDO170接收輸入端口172處的信息并把該信息傳送到一個修正的PDO。然后，F(xiàn)iDO170確定該類型的輸入類是否已被指定。這可由方框174和176表示。如果沒有進行這種指定，則表示接收應用程序和應用程序層160簡單地期望見到作為游戲桿信息的信息，并且該信息直接通過FiDO170通到輸出端口178，在該處它被傳送(如箭頭180所示到應用程序層160)。
但是，在指定方框174中，如果該特別類型的輸入類已經(jīng)指定到鼠標數(shù)據(jù)包，F(xiàn)iDO170向鼠標曲線濾波器182提供信息，該鼠標曲線濾波器182產(chǎn)生一個具有適當?shù)陌诖说臄?shù)據(jù)的鼠標PDO。這樣一個虛擬鼠標PDO由重新映射器156中的184表示。然后，鼠標PDO傳送到下述的應用程序接口158。
此外，如果FiDO170確定在應用程序層160中的接收應用程序期望見到根據(jù)鍵盤操作的信息，該信息被提供給把擊鍵指定給壓下按鈕的宏隊列(Macro Queue)186。這用于產(chǎn)生一個虛擬鍵盤PDO，如由重新映射器156中的標號188所示。然后，該信息被再次提供給輸出端口178，在此處，它被傳送到應用程序接口158。
在從裝置14接收的游戲桿類型數(shù)據(jù)包實際上被轉換為一個虛擬鼠標或虛擬鍵盤PDO的情況下，它被提供給應用程序接口158。應用程序接口158(一個實施例中也表示為HIDSWVD.SYS)產(chǎn)生一個PDO，該PDO包含以特別的形式用于鼠標或鍵盤數(shù)據(jù)的信息，這些信息是應用程序層160所期望的。
因此，重新映射器156的功能是把通過一個管道(比如游戲桿管道)接收的數(shù)據(jù)分離進其它管道(比如鼠標和/或鍵盤管道)。這使得重新映射器156可基于應用程序層160中的專門應用程序所期望接收的東西把游戲桿數(shù)據(jù)偽裝成鼠標或鍵盤數(shù)據(jù)。
重新映射器156還具有另一種功能。重新映射器156審查數(shù)據(jù)并確定該數(shù)據(jù)是否表示部件18在相對于部件16的絕對或速度區(qū)中。如果其在絕對區(qū)中，重新映射器156簡單地把一個差值傳送給應用程序(也許通過應用程序接口158)，該差值表示當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，在應用程序層160中的應用程序可更新顯示的觀察點(或任何其它在顯示裝置15上顯示的物體)。相類似，如果重新映射器156確定部件18在連續(xù)或速度區(qū)中，重新映射器156把預定的差值傳送到應用程序，并且連續(xù)傳送該值，只要從指示部件18在速度區(qū)中的裝置14中接收數(shù)據(jù)包。當然，如前所述，如果速度區(qū)被分成多個子帶或子區(qū)，變化值可基于當前存在部件18的特別子區(qū)而改變。相類似，如果速度曲線具有不同的形狀，如上所述，變化值被相應的確定。
圖9A-9C進一步說明了重新映射器156的操作。重新映射器156首先接收來自裝置14的新的數(shù)據(jù)包。這可以由方框190表示。然后，重新映射器156審查數(shù)據(jù)包中的位置信息以確定部件18是否在絕對區(qū)或速度區(qū)中。這可以由方框192和194表示。應當注意，關于X和Y軸進行同樣的審查和確定。但是，為了簡化說明，僅參照圖9A-9C描述一個軸。
如果部件18不存在于絕對區(qū)中，這意味著它在速度區(qū)中，并且重新映射器156基于部件18相對于部件16在速度區(qū)中的當前位置確定變化值。這可以由方框196表示。然后，該變化值輸出到應用程序層160(也許通過應用程序接口158)作為新的位置信息。這可以由方框198表示。應當注意，在確定部件18是否在絕對區(qū)或速度區(qū)中時，重新映射器156可以實現(xiàn)特定的滯后作用以便避免在絕對區(qū)和速度區(qū)之間前后跳動，其中部件18的位置靠近兩者之間的邊界。這可以參照圖4A和4B描述。
在方框194中，如果重新映射器156確定部件18在絕對區(qū)中，那么重新映射器156確定部件18是否剛離開速度區(qū)進入絕對位置區(qū)中。如果是這種情況，如參照圖4B描述的，重新映射器156可以在部件18實際出去速度動作區(qū)之前讓用戶對部件18定中心。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，重新映射器156在方框200中確定部件18是否剛好先前在絕對位置區(qū)中。如果不是，這表示部件18剛從速度區(qū)中重新進入絕對位置區(qū)中。在這種情況下，重新映射器156把絕對位置區(qū)和速度區(qū)之間的邊界進一步移進與圖4B中所示的中心區(qū)的邊界重合的絕對位置區(qū)中。這可以由方框202表示。于是，重新映射器156繼續(xù)提供表示部件18在速度區(qū)中定位的值，直到部件18定位在標稱中心的預定范圍內(nèi)。由于區(qū)之間的邊界已經(jīng)被移到中心區(qū)116的事實，重新映射器156基于部件18的位置確定將要送到應用程序的變化值。的這可以由方框204表示。然后，該值被作為新的到應用程序層160的位置信息輸出。這可以由方框198表示。當然，如上所述，參照圖4A和圖4B，可以各種不同的方式處理區(qū)之間的過渡。這可以由重新映射器156相應的的實現(xiàn)。
當部件18在絕對位置區(qū)中時，并且用戶沒有移動它，由位置傳感器提供的實際的位置信息值將由于特定的容差和濾波技術而波動幾個位單元。如果這被重新映射器156識別，在顯示裝置15上顯示的第一人稱立體圖將基于這些微小的無意的位置信息的變化而前后抖動或跳動。因此，可采用一個常規(guī)的抖動濾波器，其可忽略位置信息的變化，其中變化的幅度小于閾值水平。
但是，忽略變化將降低分辨率，導致更小的平滑控制。例如，如果用戶正在以順時針方向圍繞軸102連續(xù)移動部件18，基本上沒有必要采用抖動濾波器，因為每個采樣值將大于前面的值。因此沒有必要降低分辨率。
為此，如果在方框200中，確定部件18在絕對位置區(qū)中，并且在前一個采樣間隔中位于絕對位置區(qū)中，那么重新映射器156確定設定了一個傾斜標志。設定一個傾斜標志是表示部件18圍繞相關的軸的運動方向，其中接收了兩個或多個連續(xù)的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包中包含表示在同樣的方向上對兩個或多個連續(xù)的采樣期間部件18的位置已經(jīng)改變的位置信息。
如果是這樣，則表示用戶已經(jīng)在同樣的方向上對至少兩個采樣間隔連續(xù)移動部件18。確定是否設定傾斜標志由方框206表示。如果沒有設定傾斜標志，這表示用戶沒有在一個方向上對兩個或多個連續(xù)的采樣間隔連續(xù)移動部件18。在這種情況下，重新映射器156調(diào)用抖動濾波器(參照圖9C更詳細描述)?；诙秳訛V波器的輸出，重新映射器156對應用程序輸出新的位置信息，如方框198表示的。
如果在方框206中，設定了傾斜標志，那么重新映射器156確定部件18的位置變化是否與先前的傾斜方向相同。如果不同，這表示用戶已經(jīng)切換了運動方向。在這種情況下，可以再次調(diào)用抖動濾波器，如方框208所示。確定位置變化是否與先前的傾斜方向相同由方框210表示。
如果在方框210中，確定部件18的位置變化與先前的傾斜方向相同。這表示用戶已經(jīng)簡單地在同樣的方向上連續(xù)移動部件18，沒有必要調(diào)用抖動濾波器，降低分辨率。因此，在這種情況下，重新映射器156簡單地輸出新的位置信息到應用程序層160，如方框198所示。
一旦把新的位置信息提供給應用程序，應用程序基于來自XY位置域和剩余的數(shù)據(jù)(諸如對按鈕矩陣中的任何開關的按壓等等)更新畫面。這可以由方框212表示。
圖9C更好地說明了抖動濾波器的調(diào)用。當調(diào)用抖動濾波器時，重新映射器156確定離先前位置的位置變化是否大于閾值水平。這可以由方框214表示。如果是這樣，這相應于位置的合理的變化，重新映射器156把新的位置信息提供給應用程序層160。這可以由方框198表示。但是，如果在方框214中，確定離先前位置的位置變化沒有超出閾值，那么重新映射器156簡單地忽略位置變化。這可以由方框260表示。
圖10是計算機輸入裝置14的一個實施例的分解圖，更好地說明了其多個機械特征。圖10以與正常位置相顛倒的位置示出了計算機輸入裝置14。圖10說明，輸入裝置14具有一個下殼體220和一個在裝配時連接在一起的上殼體222。上殼體222具有多個空腔224，用于接收拇指接觸部分226，該拇指接觸部分226用于按鈕矩陣28的按鈕。拇指接觸部分226依次與相應的的柱塞228摩擦嚙合，柱塞228在壓下時靠近位于相關的印刷電路板230上的開關觸點。
手指嚙合觸發(fā)器32可轉動地安裝在支柱232上，支柱232固定在上殼體部分222上。觸發(fā)器32具有延伸的柱塞234，當觸發(fā)器232被壓下時，柱塞234與安裝在印刷電路板230上的相應的開關236嚙合。
另外，帽開關30通過上殼體22中的一個孔安裝在凸肩238上。當以各種角度壓下帽開關30時(如上面的表1中描述的)，凸肩238靠近安裝在印刷電路板240上的一套或多套開關觸點(在圖10示出的實施例中，開關安裝在與顯示的印刷電路板相對的一側上)。
接頭(或鉸鏈部分)22包括第一凸輪組件242和第二凸輪組件244，兩者都將參照圖12A-14C更詳細描述)。凸輪組件242允許部件18圍繞軸106轉動，同時凸輪組件244允許部件18圍繞軸106偏轉。輸入裝置14還包括穿過凸輪組件244伸進凸輪組件242中的空心軸246。配線248延伸穿過軸246的空心部分，并且把來自部件18上的印刷電路板230上的各種開關和按鈕的信號帶回到部件16上的印刷電路板230上，用作進一步的處理。
軸套252用于把軸246連接到電位計260。軸套252包含一個延伸舌片部分254。舌片部分254的尺寸可以使其緊緊地固定在空心軸246的開口上部中，以便在開口上部中與空心軸246的內(nèi)表面摩擦嚙合。軸套252還具有一個相對端256，其包括一個開口，該開口的尺寸可接收電位計260的旋轉游標258，電位計260安裝在包含于部件16中的電路板230上。當軸套252裝配在軸246上時，當部件18圍繞軸106轉動時，它隨著軸246轉動。由于軸套252中的開口256與電位計260的游標258摩擦嚙合，游標258也隨著軸246轉動。這提供了一個指示部件18圍繞軸106運動的電位計信號。
圖11是圖10中示出的計算機輸入裝置14的一部分的放大圖。與圖10中相同的零件具有相同的標號。圖11示出，第二軸266與部件18相連并通過凸輪組件242向上(在圖11示出的圖中)延伸。軸266向上延伸通過軸246的開口部分，其定義為軸102，部件18圍繞該軸102在偏轉或X軸方向上轉動。盡管被凸輪組件242擋住，與圖10中對于軸246描述的，一個電位計裝置被設置用于軸266，使得指示部件18在X方向上的位置的電信號也提供給電路板230(通過配線248)。
圖11還示出，用于部件18的殼體限定了一個開口270。開口270足夠大，以便在殼體268和環(huán)狀軸套272之間提供一個微小的間隙。環(huán)狀軸套272剛性連接到軸246，并且隨著轉動。在一個實施例中，環(huán)狀軸套272和和軸246彼此模制成一體。環(huán)狀軸套272仍保持在原地，而部件18圍繞其外周轉動。由于環(huán)狀軸套272向內(nèi)延伸進殼體18中，即使部件18通過其整個運動范圍圍繞軸102轉動，軸套272仍然基本上封閉開口272，使得部件18的殼體268的內(nèi)部不露出。
圖11還示出，凸輪組件244包括一個罩子274，罩子274外周的尺寸剛好大于凸輪276的內(nèi)周。凸輪隨動件278靠近最近的凸輪276設置，并且可隨著軸246轉動。一個壓簧280(圖12A中示出)設置在罩子274的內(nèi)壁和凸輪276的相對表面之間。
圖12A-14C更好地示出了凸輪組件242和244。由于這些圖中示出的凸輪組件可相當于凸輪組件242或244的任何一個，為了簡化起見，此處僅討論凸輪組件244。此外，凸輪和凸輪隨動件的定向可與示出的相反。
圖12A是凸輪276、凸輪隨動件278和壓簧280的分解圖，去除了罩子274。圖12A示出，凸輪276具有多個設置在基本上平的表面上的凸輪表面282，圖12A中示出了相對的兩個。相類似，凸輪276包括一個凸肩284，該凸肩284的尺寸剛好大于壓簧280的外周。因此，壓簧280在由凸肩284限定的凹陷內(nèi)抵住凸輪276。
凸輪隨動件278包括多個凸起286，這些凸起286從基本上平的凸輪隨動表面288上凸出。凸輪隨動件278繞軸設置以隨著軸246轉動。
圖12B示出了凸輪組件244的裝配圖，去除了罩子274。圖12B示出了處于中點位置上的凸輪組件244，其中凸起286存在于凸輪表面282之間。在圖4A中，中點位置對應于部件18處于動作區(qū)110中。
圖12C是通過中點位置處的凸輪組件244的一部分剖開的側視剖面圖。圖12C更好地示出，在中點位置處，壓簧280在凸輪276和凸輪隨動件278上施加力，使得凸輪隨動件278上的凸起286和凸輪276上的凸輪表面282基本上平滑地抵住，表面相對。因此，當軸246轉動時，用戶感覺到基本上恒定的力，這種力是由于凸起286和凸輪表面282在壓簧280施加的力作用下沿相對表面滑動產(chǎn)生的。在一個實施例中，凸輪276和凸輪隨動件278是由銷售的商品名為Delrin(迭爾林)的乙縮醛材料制成的。當兩片彼此滑動時，該材料提供一種具有輕微的運動阻力的粘性流體觸感。當然，也可使用其它的材料提供想要的觸感。
圖13A-13C示出了處于比如相對于圖12A-12C所示的中點位置轉動大約30度的位置中的凸輪組件244。于是，圖13A-13C說明了部件18一直通過圖4A中所示的區(qū)110時的凸輪組件244，并且正開始進入一個區(qū)112或114。如圖13C所示，凸輪表面282和凸起286在壓簧280的力作用下直接彼此抵住。因此，當用戶轉動部件18從絕對位置區(qū)進入速度區(qū)中時，用戶感覺到明顯的轉動阻力增加，這是因為凸輪表面282和凸起286在該點處彼此嚙合。
圖14A-14C示出了處于比如從圖12A-12C所示的中點位置轉動大約40度的位置中的凸輪組件244。因此，這相當于比如圖4B中所示的區(qū)112的一個邊端。如圖14C中所示，凸輪表面282已經(jīng)和凸輪隨動件278上的凸起286嚙合，并且被彼此相向推動，使得凸輪276從凸輪隨動件278上移位。當然，凸輪隨動件278固定在圖14C所示的視圖的豎直方向上。因此，凸輪276被強迫向上移動，由此壓簧280也向上移動。彈簧280被壓縮的越狠，彈簧280呈現(xiàn)的阻力越大。因此，當凸輪隨動件278已經(jīng)轉動到其整個運動范圍時(比如大約離開中點+40度)，彈簧280施加最大程度的力，于是用戶在該點處感覺到最大的阻力。
圖15-17說明了輸入裝置14的特定生物工藝學特征。圖15A示出，部件16和18都分別具有通常的長度軸290和292。為了獲得更符合生物工藝學的中性姿勢，部件16和18的長度軸具有輕微的前束角。例如，軸246定義為通常由圖15A中的標號294表示的軸。軸290和292以與垂直于軸294的線成的角296前束。前束角296的范圍大約為10-15度，并且最好為12度。因此，輸入裝置14的形狀和前束角給了用戶的手腕一個中性的最初手腕姿勢。平均起來，對裝置14的最初手腕姿勢是約14度伸展和8度的尺骨偏差。這些值在手腕的中性姿勢范圍內(nèi)。中性手腕彎曲/伸展是在大約0度到20度的伸展范圍內(nèi)，而中性手腕偏差是在大約0度到20度的的尺骨偏差范圍內(nèi)。
圖15B示出了多個間隔，以容納拇指寬度在5個百分點至95個百分點中的北美男性的拇指寬度。拇指啟動控制器(諸如帽開關30和按鈕矩陣28中的按鈕)的間隔被設計成可避免無意識的啟動。因此，在按鈕矩陣28中的按鈕的中心間隔300在大約18毫米-28毫米的范圍內(nèi)，還可以為大約21毫米。另外，在按鈕矩陣28中的按鈕的中心間隔302大約超過13毫米，還可以為大約14.6毫米。
另外，接頭(或鉸鏈機構)22包括一個表面304，當不啟動矩陣28中的按鈕時，其上放著用戶右手的拇指。表面304的中心區(qū)也相應于圍繞軸102轉動部件18的轉動位置。部件18上的四按鈕矩陣28的中心和轉動軸102之間的距離306在大約7毫米-47毫米的范圍內(nèi)，距離306進一步在25-30毫米的范圍內(nèi)，也可以為27毫米。
從轉動軸102到四按鈕矩陣28的中心之間的距離308被設計成可容納通常的拇指擺動的運動范圍內(nèi)。距離308在大約30-40毫米的范圍內(nèi)，也可以為大約34.6毫米。
方向墊30也具有一個尺寸，其可容納拇指寬度在5個百分點至95個百分點中的男性的拇指寬度，并且被設計成可避免無意識的啟動。因此，帽開關30具有一個長度310，其在20-30毫米的范圍內(nèi)，也可以是大約28.4毫米。另外，帽開關30具有一個寬度312，其在18-28毫米的范圍內(nèi)，也可以是大約22.5毫米。
圖16A是從前下側見到的輸入裝置14的透視圖。圖16A示出，部件16和18的手握處具有一個低的紋理結構的手指嚙合部分314和316，以增加抓握摩擦力。紋理結構可以是任何摩擦力增加表面，諸如低硬度材料，其中形成有脊，或者粗糙的紋理結構塑料。
圖16B是圖16A中的剖面線16B-16B剖開的剖面圖。圖16B示出，部件16的手柄部分的邊緣是圓形的并成形為凸弧形，其結構適用戶的手的手掌部分的凹弧形。相類似，手柄部分的總直徑被設計成可容納在5個百分點至95個百分點中的北美男性的手掌尺寸。因此，直徑320在大約43毫米-53毫米的范圍內(nèi)，可以為大約50毫米。相類似，部件16和18的手柄部分的圍長(或外周)在大約120-145毫米的范圍內(nèi)，可以為大約133毫米。
圖17是沿圖15A中所示的軸292剖開的部件18的橫剖面圖。部件18的手柄部分的長度322被設計成可容納在5個百分點至95個百分點中的北美男性的手掌寬度。因此，長度322大約超過86毫米，也可以大約超過105毫米，進一步可以大約超過131毫米。圖17還示出，具體的部件16和18有點象手槍握把，其手柄部分從支撐按鈕矩陣28和帽開關30的墊區(qū)域向后下方延伸。
從位于四按鈕矩陣28的中心到部件18的手柄部分的末端之間的距離324在大約90-100毫米的范圍內(nèi)，可以為大約97.5毫米。
觸發(fā)器32的位置被設計成這樣，即當手和手指在部件18的手柄部分上的手槍握把結構時，可由食指的指尖啟動它。從位于部件18上的四按鈕矩陣28的中心到觸發(fā)器32的前表面之間的距離326可容納在5個百分點至95個百分點范圍中的北美男性的手指長度。當手握在手槍握把上時，這可以通過使目標總體的小端到達觸發(fā)器32的表面實現(xiàn)。因此，距離326小于大約45毫米，可以小于大約35毫米，進一步可以小于33.5毫米。
另外，裝置14的重量足夠小，使得該裝置可被用戶使用很長時間而不會疲勞。因此，在一個實施例中，裝置14的重量在大約225-345克的范圍內(nèi)。裝置14的重量也可以為大約284克。
因此，本發(fā)明提供了一個對計算機的用戶輸入裝置，其具有兩個可彼此相對轉動并關節(jié)式連接的部件，并且提供指示該運動的信號。本發(fā)明說明了兩個或多個運動范圍之間的運動，其可以被檢測并被用來改變顯示的物體的動作特性。相類似，該裝置被設計成其元件的尺寸和形狀符合生物工藝學特征。
盡管參照最佳實施例描述了本發(fā)明，但本領域技術人員將認識到可在形式和細節(jié)上進行變化，這些變化都不脫離本發(fā)明的宗旨和范圍。
權利要求
1.一種計算機輸入裝置，其特征在于，它包括第一手柄；與第一手柄活動連接的第二手柄；可操作地連接到第一和第二手柄的傳感器，其被設計成可提供指示第一和第二手柄彼此相對位置的位置信號；以及與傳感器相連的控制器，其被設計成可提供指示基于該位置信號的位置的計算機輸入。
2.按照權利要求1所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一手柄相對于該第二手柄運動通過一個包括多個區(qū)的第一運動范圍，并且還包括一個與第一手柄或第二手柄中的至少一個相連的第一連接部分，當?shù)谝皇直鷱亩鄠€區(qū)的第一個區(qū)過渡到多個區(qū)的第二個區(qū)時，該第一連接部分可提供觸覺反饋。
3.按照權利要求2所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一連接部分包括第一阻力機構，其被設計成當?shù)谝皇直\動通過第一區(qū)時可提供第一運動阻力。
4.按照權利要求3所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一連接部分包括第二阻力機構，其被設計成當?shù)谝皇直\動通過第二區(qū)時可提供第二運動阻力。
5.按照權利要求4所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一阻力是一種基本上恒定的阻力。
6.按照權利要求5所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第二阻力是一種變化的阻力，其隨著第一手柄運動通過第二區(qū)而變化。
7.按照權利要求3所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一阻力機構被設計成可提供粘性運動阻力。
8.按照權利要求4所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一手柄可相對于該第二手柄圍繞轉動的第一軸線轉動通過第一運動范圍，該第一區(qū)位于通常位于第一運動范圍的中心的區(qū)中。
9.按照權利要求8所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一連接部分包括第三阻力機構，其被設計成當?shù)谝皇直\動通過多個區(qū)的第三區(qū)時可提供第三增加的運動阻力。
10.按照權利要求9所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第三阻力機構被設計成可提供作為變化阻力的第三阻力，其隨著第一手柄運動通過第三區(qū)而變化。
11.按照權利要求9所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一區(qū)位于沿第一運動范圍的第二和第三區(qū)之間。
12.按照權利要求8所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一手柄相對于該第二手柄圍繞轉動的第二軸線轉動通過一個包括多個區(qū)的第二運動范圍，并且還包括一個與第一手柄和第二手柄中的至少一個相連的第二連接部分，當?shù)谝皇直鷱牡诙\動范圍中的多個區(qū)的第一個區(qū)過渡到多個區(qū)的第二個區(qū)時，該第二連接部分可提供觸覺反饋。
13.按照權利要求12所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第二連接部分包括第一阻力機構，其被設計成當?shù)谝皇直\動通過第二運動范圍中的第一區(qū)時可提供第一運動阻力。
14.按照權利要求13所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第二連接部分包括第二阻力機構，其被設計成當?shù)谝皇直\動通過第二運動范圍中的第二區(qū)時可提供第二運動阻力。
15.按照權利要求14所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一阻力是一種基本上恒定的粘性運動阻力。
16.按照權利要求14所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第二阻力是一種變化的阻力，其隨著第一手柄運動通過第二運動范圍中的第二區(qū)而變化。
17.按照權利要求14所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一手柄可相對于該第二手柄圍繞第一軸線轉動通過第二運動范圍，該第一區(qū)位于通常位于第二運動范圍的中心的區(qū)中。
18.按照權利要求17所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第二連接部分包括第三阻力機構，其被設計成當?shù)谝皇直\動通過第二運動范圍中的多個區(qū)的第三區(qū)時可提供一種變化的運動阻力。
19.按照權利要求18所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一區(qū)位于沿第二運動范圍的第二和第三區(qū)之間。
20.按照權利要求12所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一連接部分包括與該第一手柄和該第二手柄中的一個剛性相連的第一軸，該第一軸可轉動地連接到該第一手柄和該第二手柄中的另一個，該第一軸定義轉動的第一軸線。
21.按照權利要求20所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第二連接部分包括與該第一手柄和該第二手柄中的一個剛性相連的第二軸，該第二軸可轉動地連接到該第一手柄和該第二手柄中的另一個，該第二軸定義轉動的第二軸線。
22.按照權利要求21所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一連接部分包括連接在該第一軸和該第二手柄之間的包括一個凸輪和一個凸輪隨動件的一個第一凸輪組件，其中當?shù)谝皇直鷱牡谝贿\動范圍中的第一區(qū)過渡到第二區(qū)時，該凸輪隨動件與凸輪上的凸輪表面嚙合。
23.按照權利要求22所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第二連接部分包括連接在該第一和第二手柄之間的包括一個凸輪和一個凸輪隨動件的一個第二凸輪組件，其中當?shù)谝皇直鷱牡诙\動范圍中的第一區(qū)過渡到第二區(qū)時，該凸輪隨動件與凸輪上的凸輪表面嚙合。
24.按照權利要求20所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一和第二手柄各包括多個操作者啟動輸入裝置，各提供一個指示其啟動的啟動信號。
25.按照權利要求24所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一軸包括一個空腔，其中在第一和第二手柄中的一個上的操作者啟動輸入裝置通過配線被選擇性地連接到該第一和第二手柄中的另一個上的電路上，該配線通過該空腔在第一軸上延伸。
26.按照權利要求12所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該傳感器包括第一傳感器，其可檢測第一手柄在第一運動范圍中相對于第二手柄的位置，并且提供指示該位置的第一位置信號；以及第二傳感器，其可檢測第一手柄在第二運動范圍中相對于第二手柄的位置，并且提供指示該位置的第二位置信號。
27.按照權利要求26所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該控制器被設計成可基于該第一和第二位置信號向計算機提供一個輸出，該輸出指示第一手柄是否在第一和第二運動范圍中處于第一區(qū)或第二區(qū)。
28.一種計算機輸入裝置，其特征在于，它包括第一手柄；第二手柄；連接在第一和第二手柄之間的接頭，使得第一手柄可相對于第二手柄圍繞轉動的第一軸線在大約40-100度的圍繞第一軸線的運行范圍內(nèi)運動通過一個運動范圍；可操作地連接到第一和第二手柄的傳感器，其被設計成可提供指示第一和第二手柄彼此相對位置的位置信號；以及與傳感器相連的控制器，其被設計成可提供指示基于該位置信號的位置的計算機輸入。
29.按照權利要求28所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該接頭連接在第一和第二手柄之間，使得第一手柄可相對于第二手柄圍繞轉動的第一軸線在大約80度的運行范圍內(nèi)轉動通過一個運動范圍。
30.按照權利要求28所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該接頭連接在第一和第二手柄之間，使得第一手柄可相對于第二手柄圍繞轉動的第二軸線在大約40-100度的圍繞轉動的第二軸線的運行范圍內(nèi)轉動通過一個運動范圍。
31.按照權利要求30所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該接頭連接在第一和第二手柄之間，使得第一手柄可相對于第二手柄圍繞轉動的第二軸線在大約80度的運行范圍內(nèi)轉動通過一個運動范圍。
32.按照權利要求28所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一和第二手柄各限定一個縱向軸線，并且其中各個縱向軸線以與轉動的第一軸線垂直的線成的集束角設置，該集束角在大約8-16度的范圍內(nèi)。
33.按照權利要求28所述的計算機輸入裝置，其特征在于，每個集束角大約為12度。
34.按照權利要求28所述的計算機輸入裝置，其特征在于，還包括第一控制墊區(qū)域，其設置在第一手柄上并包括第一多個啟動器；第二控制墊區(qū)域，其設置在第二手柄上并包括第二多個啟動器；并且其中第一和第二手柄分別從第一和第二控制墊區(qū)域下垂。
35.按照權利要求34所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一和第二手柄分別從第一和第二控制墊區(qū)域下垂超過大約86毫米的長度。
36.按照權利要求35所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一和第二手柄分別從第一和第二控制墊區(qū)域下垂大約131毫米的長度。
37.按照權利要求34所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一多個啟動器的中心通常從轉動的第一軸線向前偏移在7-47毫米范圍內(nèi)的長度。
38.按照權利要求37所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一多個啟動器的中心通常從轉動的第一軸線向前偏移大約27毫米的長度。
39.按照權利要求34所述的計算機輸入裝置，其特征在于，還包括至少一個第一觸發(fā)器，其位于第一手柄的前部，并且與第一多個啟動器的中心隔開小于大約43毫米的距離。
40.按照權利要求39所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一觸發(fā)器位于第一手柄的前部，并且與第一多個啟動器的中心隔開大約33.5毫米的距離。
41.按照權利要求28所述的計算機輸入裝置，其特征在于，每個第一和第二手柄的直徑在大約43-53毫米的范圍內(nèi)。
42.按照權利要求41所述的計算機輸入裝置，其特征在于，每個第一和第二手柄的直徑在大約45毫米的范圍內(nèi)。
43.按照權利要求34所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第二多個啟動器包括一個多路開關啟動器，其在通常平行于第二縱向軸線的方向上的長度在大約20-30毫米的范圍內(nèi)。
44.按照權利要求43所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該多路開關啟動器的長度為大約28.4毫米。
45.按照權利要求43所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該多路開關啟動器的寬度在大約18-28毫米的范圍內(nèi)。
46.按照權利要求45所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該多路開關啟動器的寬度為大約22.5毫米。
47.按照權利要求34所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一手柄包括一個拇指依靠部分，其中第一多個啟動器的中心在通常與拇指運行重合的方向上與該拇指依靠部分的中心區(qū)域隔開大約30-40毫米的范圍。
48.按照權利要求47所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一多個啟動器的中心在通常與拇指運行重合的方向上與該拇指依靠部分的中心區(qū)域隔開大約34.6毫米。
49.按照權利要求28所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一手柄包括一個手指嚙合部分，該手指嚙合部分包括一個摩擦力增大表面。
50.一種計算機輸入裝置，其特征在于，它包括第一部件；一個手柄，其與第一部件活動連接，并且可相對于第一部件運動通過一個包括多個區(qū)的運動范圍；可操作地連接到該第一部件和該手柄的傳感器，其被設計成可提供指示該第一部件和該手柄彼此相對位置的位置信號；一個與該第一部件和該手柄中的至少一個相連的第一連接部分，當該手柄從多個區(qū)的第一個區(qū)過渡到多個區(qū)的第二個區(qū)時，該第一連接部分可提供觸覺反饋；以及與傳感器相連的控制器，其被設計成可提供指示基于該位置信號的位置的計算機輸入。
51.按照權利要求50所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一連接部分包括第一阻力機構，其被設計成當該手柄運動通過第一區(qū)時可提供第一運動阻力。
52.按照權利要求51所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一連接部分包括第二阻力機構，其被設計成當該手柄運動通過第二區(qū)時可提供第二運動阻力。
53.按照權利要求52所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一阻力是一種基本上恒定的阻力。
54.按照權利要求53所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第二阻力是一種變化的阻力，其隨著該手柄運動通過第二區(qū)而變化。
55.按照權利要求50所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一阻力機構被設計成可提供粘性運動阻力。
56.按照權利要求52所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該手柄可相對于該第一部件圍繞轉動的第一軸線轉動通過第一運動范圍，該第一區(qū)位于通常位于第一運動范圍的中心的區(qū)中。
57.按照權利要求56所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第一連接部分包括第三阻力機構，其被設計成當?shù)谝皇直\動通過多個區(qū)的第三區(qū)時可提供第三運動阻力。
58.按照權利要求57所述的計算機輸入裝置，其特征在于，該第三阻力機構被設計成可提供作為變化阻力的第三阻力，其隨著第一手柄運動通過第三區(qū)而變化。
59.按照權利要求57所述的計算機輸入裝置，其特征在于，第一區(qū)位于沿第一運動范圍的第二和第三區(qū)之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了一個雙軸關節(jié)式計算機輸入裝置。設置了位置傳感器以提供指示兩個手柄部件彼此相對位置的位置信息。
文檔編號G06F3/048GK1264858SQ0010278
公開日2000年8月30日 申請日期2000年2月22日 優(yōu)先權日1999年2月22日
發(fā)明者阿倫·韓, 克里斯托弗·G·阿爾維亞爾, 阿迪薩·M·亞當斯, 梅利莎·S·雅各布森, 托馬斯·W·布魯克斯, 丹尼爾·布拉薩, 保羅·霍爾尼斯, 沃爾夫岡·A·馬克, 賓·安 申請人:微軟公司