CN102096470A - 基于加速度感应的虚拟空气键盘 - Google Patents
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Abstract
基于加速度感应的虚拟空气键盘，涉及一种信息输入装置。提供一种不仅可感知、分析和计算操作者手指运动轨迹，确认操作者的按键动作并进一步识别出操作者的输入意图，实现非接触的凭空输入，而且使用方便灵活，按键无声，新颖有趣，可以提高操作者的工作效率和生活品质的基于加速度感应的虚拟空气键盘。设有手套、按键传感模块、中央处理模块、终端通讯模块和电源；按键传感模块设在手套的指尖上；中央处理模块的输入端口接按键传感模块输出端；终端通讯模块的输入端口接中央处理模块输出端口，终端通讯模块输出端与外部终端通讯；电源用于为按键传感模块、中央处理模块和终端通讯模块提供电力及实现电源管理。
Description
技术领域
本发明涉及一种信息输入装置，尤其是涉及一种可以使操作者凭空控制信息输入的基于加速度感应的虚拟空气键盘。
背景技术
现有的与计算机等终端配套的键盘大都沿用原英文打字机平面键盘的布局，各键位呈行错位固定安排在一个平面内。该类键盘在使用时存在以下缺点：
1)由于现有的键盘键位布局固定，对操作者的使用操作方法有严格限制，不够人性化，因此操作者操作时不能改变手部姿态，长时间使用易造成手腕僵化。
2)由于现有的键盘所有键位布局在同一平面，因此导致键盘体积大而不便于携带。
3)由于现有的键盘一般为机械式结构，无法做到输入无声，因此不适合用于需要安静环境的场所。
4)由于现有的键盘需要硬体桌面作为支撑，因此操作者无法在站立、平躺、行走时进行信息输入，而且长时间从事桌面键盘打字工作，易诱发颈椎病、骨关节病等职业病。
为了克服以上缺点，国内外都提出许多改进键盘的新技术。其中，中国专利CN 2546937Y公开一种手套式计算机键盘，该键盘在手指各处安放了36个轻触开关，通过操作者同时按下多个开关来确定操作者想要输入的字符。但是由于该设计大大增加了可输入字符的数目，因此也使操作变得繁琐复杂，且无法做到输入无声。
中国专利CN 201177791Y公开一种手套式微型键盘，该键盘在大拇指套尖设置一微型点键头，在另四指上设置常用键盘布局的按键。虽然操作者可以通过大拇指在手心点键来实现输入，但是该键盘使用时有一定危险性，密集分布的键位也会导致操作不便，也无法在无光时进行正常操作。
中国专利CN 1273649A公开一种用于与数据处理系统交互作用的无指手套，该手套在指间和近指节间关节处放置多种传感器，测量手指的弯曲程度，进一步解析操作者的输入意图。虽然该键盘实现了更好的人机交互，但是它对手指位置有较多要求，在键位识别方面容易造成误判。且该设备需要在具有一定刚性的表面进行敲击，无法实现真正的无声与虚拟非接触式的凭空输入。
中国专利CN 101697097A公开一种手套式软键盘，该键盘在手指的正面和背面上安置了多个按键，只要按键被按下，即可确认按键动作，进而解读操作者的输入意图。每个按键还分为轻按与重按两种状态。虽然可以大大增加可输入字符的数目，也更便于携带，但是该设备键盘操作过程过于繁琐，与常规键盘的击打方式差别也较大，无法实现真正的虚拟凭空输入。
中国专利CN 2616946Y公开一种手套式按键结构，该键盘将所有的按键重新分配，安放在双手背面和正面，同时附加了鼠标功能。虽然操作者使用时双手可相互按压按键，手的姿态可以不停变化，但是这种键盘无法实现无声输入，也不能在无光时进行正常操作。
显然，上述对键盘提出的改进技术或产品还不能完全克服现有键盘的缺点，在操作上也趋于复杂化，不够人性化，同时也降低了生活品质。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有键盘存在的缺点，提供一种不仅可感知、分析和计算操作者手指运动轨迹，确认操作者的按键动作并进一步识别出操作者的输入意图，实现非接触的凭空输入，而且使用方便灵活，按键无声，新颖有趣，可以提高操作者的工作效率和生活品质的基于加速度感应的虚拟空气键盘。
本发明设有手套、按键传感模块、中央处理模块、终端通讯模块和电源；
所述按键传感模块用于感知操作者手指运动所产生的加速度或角速度变化，并将感知结果经过信号调理后输出给中央处理模块，按键传感模块设在手套的指尖上；
所述中央处理模块用于分析计算按键传感模块输出的手指空间运动信号，识别手指运动轨迹，重构手部姿态并确认操作者的按键动作，再根据按键动作识别操作者的输入意图，将其编码传输给终端通讯模块，中央处理模块的输入端口接按键传感模块输出端；
所述终端通讯模块用于与外部终端的信息交互，将中央处理模块传输的编码解译成对应的键值输入到外部终端，终端通讯模块的输入端口接中央处理模块输出端口，终端通讯模块输出端与外部终端通讯；
电源用于为按键传感模块、中央处理模块和终端通讯模块提供电力及实现电源管理。
所述按键传感模块与中央处理模块之间、中央处理模块与终端通讯模块之间、终端通讯模块与外部终端之间的通讯可采用有线通讯、无线通讯、红外通讯等中的至少一种。
所述中央处理模块可安放在操作者手部，也可以安放在手部以外的地方。
所述按键传感模块设有加速度或角速度传感器和信号调理子模块；所述加速度或角速度传感器用于感知遥控器在空间书写时产生的加速度或角速度变化量；所述信号调理子模块用于对传感器的驱动及其输出信号的滤波降噪、整形、放大等处理。
所述加速度或角速度传感器的输出量可以是模拟信号，也可以是数字信号；所述加速度或角速度传感器可选择至少2个1～3维加速度传感器、至少2个1～3维角速度传感器或至少2个1～3维陀螺仪等。
所述信号调理子模块用于对传感器的驱动及其输出信号的滤波降噪、整形、放大等处理，如果是模拟信号，还需将其转换为中央处理模块可处理的数字信号。
所述加速度或角速度传感器可放置于手指的任意位置。
操作者在空中模拟使用实体键盘的敲击动作时，安装在手指处的运动传感器(加速度传感器、角速度传感器等)可以感知操作者实施敲击动作时手指所产生的加速度或角速度变化，并将信号传输给中央处理模块。中央处理模块分析计算手指运动轨迹，重构手部姿态并确认其按键动作；最后，再根据按键动作识别出操作者的输入意图，将其编码传输给终端通讯模块。终端通讯模块解析编码，将其再次编译成键值，最后通过通讯协议将键值输入终端。
本发明也包含手指对应按键的直观指示，例如，本发明用于QWERTY键盘的虚拟实现，在操作者看得见的部位(如接近各手指根部的手背上或手指上)印有字符及指示灯，以方便缺乏经验的操作者正确地操作设备，快速学习本设备的使用方法。
本发明是可编程的，可以让键盘去适合特定操作者的使用习惯(手指移动角度或速度，手部静态位置)。例如，操作者通过伸展、弯曲、拉伸和平移手指来设置手指的习惯位置或极端位置，中央处理模块的软件可以根据上述位置更好地适应并识别操作者的动作。同样也可以根据操作者输入的习惯自行更改键盘对应的键值。
本发明主要包括可感知、分析和计算操作者手指运动轨迹，确认操作者的按键动作并进一步识别出操作者的输入意图，实现非接触的凭空输入。本发明使用方便灵活，按键无声，新颖有趣，可以提高操作者的工作效率和生活品质。
本发明实现交互输入的方法是：操作者在空中模拟使用实体键盘敲击时的手指动作，即可实现非接触的凭空输入。输入过程中，操作者双手可随意放置或移动，而不影响本设备使用效果。
本发明实现识别操作者手指动作的方式如下：
使用安放在操作者手指处的传感器，感知操作者手指运动所产生的加速度或角速度变化；然后分析计算传感器测量的手指空间运动信号，并识别手指运动轨迹，重构手部姿态并确认操作者的按键动作；从而进一步根据按键动作识别操作者的输入意图。
由此可见，与现有的键盘相比，本发明的突出优点在于：
1)由于从本质上改变键盘输入方式，因此克服了现有键盘操作方式过于死板、不能无声输入和携带不便等缺陷，提供一种替代性输入设备。另外，使人机交互过程更加方便、灵活和人性化。
2)由于对操作者在使用过程中双手的位置和移动没有任何限制，因此可以摆脱现有键盘对双手在空间上的束缚，实现了真正的虚拟非接触式的凭空输入，另外信息输入过程无声。
3)改变现有键盘的外观，使其更加小巧，便于携带。另外，外观有了更多选择，可以设计得更为时尚和个性化。例如，假如操作者想要输入字母Q，左手可以向手背方向挥动小拇指，运动传感器即感知到手指的运动信息(加速度或角速度变化)，并将信号传输给中央处理模块。中央处理模块分析计算各手指的运动轨迹，得出小拇指的运动轨迹符合按键Q的判定。从而发送相应的编码给后续模块，最后在终端介面上显示字母Q。操作者只需在空中模拟使用实体键盘的敲击动作，即可实现交互输入功能。本发明先通过安装在操作者手指上的传感器，感应实施敲击动作时手指所产生的加速度或角速度变化；然后分析计算手指运动轨迹，重构手部姿态并确认其按键动作；最后，再根据按键动作识别出操作者的输入意图，实现非接触的凭空输入。相比于现有的键盘，本发明在体积和重量上更为小巧，便于随身携带。由于只需在空中模拟敲击动作，本发明摆脱了传统键盘对双手在空间上的束缚，在站立、行走的同时亦可实现输入；而且在输入过程中寂静无声，亦可适用于需要安静环境的场所。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成与使用状态示意图。
图2为本发明实施例的使用输入方式示意图。
具体实施方式
以下将结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明设有手套、按键传感模块、中央处理模块、终端通讯模块和电源。
所述按键传感模块设在手套的指尖上，所述中央处理模块的输入端口接按键传感模块输出端，所述终端通讯模块的输入端口接中央处理模块输出端口，终端通讯模块输出端与外部终端通讯；电源用于为按键传感模块、中央处理模块和终端通讯模块提供电力及实现电源管理。所述按键传感模块与中央处理模块之间、中央处理模块与终端通讯模块之间、终端通讯模块与外部终端之间的通讯可采用有线通讯、无线通讯、红外通讯等中的至少一种。所述中央处理模块可安放在操作者手部，也可以安放在手部以外的地方。
以下给出具体实施例：
参见图1，设备包含一个手套A(正常输入时需要使用一副手套)，手套A的每个指尖装有一个美新MXC6202加速度传感器，通过导线连接到芯片89C4051，芯片89C4051与芯片89S52之间串行通讯传输编码，芯片89S52通过芯片USBD12使用USB协议与PC通讯。手套A戴在操作者手上，以便感知操作者的手部运动轨迹。
本实施例中的传感器可以测量静态对地倾角，也可测量运动加速度。加速度传感器被安装在柔性基底上，以便于建立传感器与手套之间的稳固连接，基底塞在手套的手指的背面的套子中，可以拆卸。
图2所示为本实施例可能使用的输入方式之一。1、2、3、4分别对应用户左手食指的4种状态。状态1：食指向手心方向微倾；状态2：食指竖直下按；状态3：食指向手心挥动；状态4：食指向手背挥动。状态1定义为起始状态，代表用户没有按键动作。状态2、3、4各自定义为用户进行不同的按键动作。如用户想要输入“R”键，应左手食指向手背方向挥动，即状态4，就可向外部终端输入“R”。
此输入方式只与用户手指相关，用户使用此输入方式可实现自由的非接触式的凭空输入。本设备的输入方式并不局限于上面所述，可使用其他的输入方式，用户亦可自行定义自己的个性输入方式。
Claims (6)
1.基于加速度感应的虚拟空气键盘，其特征在于设有手套、按键传感模块、中央处理模块、终端通讯模块和电源；
所述按键传感模块用于感知操作者手指运动所产生的加速度或角速度变化，并将感知结果经过信号调理后输出给中央处理模块，按键传感模块设在手套的指尖上；
所述中央处理模块用于分析计算按键传感模块输出的手指空间运动信号，识别手指运动轨迹，重构手部姿态并确认操作者的按键动作，再根据按键动作识别操作者的输入意图，将其编码传输给终端通讯模块，中央处理模块的输入端口接按键传感模块输出端；
所述终端通讯模块用于与外部终端的信息交互，将中央处理模块传输的编码解译成对应的键值输入到外部终端，终端通讯模块的输入端口接中央处理模块输出端口，终端通讯模块输出端与外部终端通讯；
电源用于为按键传感模块、中央处理模块和终端通讯模块提供电力及实现电源管理。
2.如权利要求1所述的基于加速度感应的虚拟空气键盘，其特征在于所述按键传感模块与中央处理模块之间、中央处理模块与终端通讯模块之间、终端通讯模块与外部终端之间的通讯采用有线通讯、无线通讯、红外通讯中的至少一种。
3.如权利要求1所述的基于加速度感应的虚拟空气键盘，其特征在于所述中央处理模块安放在操作者手部，或在手部以外的地方。
4.如权利要求1所述的基于加速度感应的虚拟空气键盘，其特征在于所述按键传感模块设有加速度或角速度传感器和信号调理子模块；所述加速度或角速度传感器用于感知遥控器在空间书写时产生的加速度或角速度变化量；所述信号调理子模块用于对传感器的驱动及其输出信号的滤波降噪、整形、放大处理。
5.如权利要求1所述的基于加速度感应的虚拟空气键盘，其特征在于所述加速度或角速度传感器的输出量是模拟信号或数字信号。
6.如权利要求1或5所述的基于加速度感应的虚拟空气键盘，其特征在于所述加速度或角速度传感器为至少2个1～3维加速度传感器、至少2个1～3维角速度传感器或至少2个1～3维陀螺仪。
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