專利名稱：運(yùn)動狀態(tài)探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及傳感器，更具體地說是一種尤其適用于計算器指點(diǎn)式輸入系統(tǒng)，用于獲取設(shè)備的位移狀態(tài)信號的運(yùn)動狀態(tài)探測裝置。
背景技術(shù)：
作為計算機(jī)指點(diǎn)式輸入設(shè)備，目前已有的器械包括機(jī)械式鼠標(biāo)是以鼠標(biāo)外殼作為主動部件，內(nèi)嵌較大密度的實心球作為被動部件，鼠標(biāo)外殼在人的操作下運(yùn)動時，實心球因與桌面摩擦而滾動，實心球的滾動帶動鼠標(biāo)內(nèi)部垂直放置的一對轉(zhuǎn)軸，另設(shè)傳感器探測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，從而獲得鼠標(biāo)在二維平面上的運(yùn)動狀態(tài)。這種技術(shù)的產(chǎn)品價格低，但由于采用開放式結(jié)構(gòu)，常常導(dǎo)致桌面污垢粘附在球體及轉(zhuǎn)軸上，使運(yùn)動受阻，影響正常使用；同時，這種結(jié)構(gòu)形式的鼠標(biāo)需要在平整表面上使用，并且必須工作在有重力的環(huán)境中。
光學(xué)鼠標(biāo)在鼠標(biāo)內(nèi)部有發(fā)光部件和圖像采集部件，通過對鼠標(biāo)下方桌面的圖像分析可以獲取鼠標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)，從而實現(xiàn)二維坐標(biāo)的定位。這種結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品性能受制于圖像分析器以及桌面的表面特性。圖像分析器件成本較高，如果桌面的表面特性較為光滑，即有鏡面特征，或者顏色與鼠標(biāo)發(fā)光二極管的顏色接近，將導(dǎo)致定位錯誤；同時，這種鼠標(biāo)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求在輔助平面的平整表面進(jìn)行使用。
軌跡球在整體結(jié)構(gòu)上嵌入一個可以自由拔動的小球，小球表面繪有特征圖像(如網(wǎng)格)，整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部有發(fā)光部件和圖像采集部件，通過對小球表面圖像的分析可以獲取小球滾動的狀態(tài)，從而實現(xiàn)二維坐標(biāo)的定位。這種設(shè)備缺點(diǎn)是使用手指拔動軌跡小球，手指的重復(fù)運(yùn)動會導(dǎo)致疲勞；同時，不能夠?qū)崿F(xiàn)較為快速的移動，因而使用范圍有所限制，其開放式結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生污垢所帶來的困擾。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種具備高度靈活性、移動操作無需依賴于輔助平面、結(jié)構(gòu)簡單成本低、適用范圍廣泛的運(yùn)動狀態(tài)探測裝置。
本實用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本實用新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有一個主動部件；有一個被動部件；有至少一只壓力傳感器，所述壓力傳感器設(shè)置在主動部件與被動部件之間，三者之間以彈性預(yù)緊力相互抵壓，對于某一方向運(yùn)動狀態(tài)的探測，對應(yīng)設(shè)置的壓力傳感器以所受到的該單方向上的、來自于主動部件與被動部件的正壓力信號為檢測輸出。
本實用新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于以所述主動部件為殼體，配套設(shè)置的被動部件為放置在殼體中的一個物件，或是以所述被動部件為殼體，配套設(shè)置的主動部件為放置在殼體中的一個物件，壓力傳感器的設(shè)置為如下結(jié)構(gòu)形式的任意一種用于獲得X軸向一維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器為兩只，兩只壓力傳感器沿X軸對稱設(shè)置在所述物件的兩端；或用于獲得X軸向一維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器為一只，一只壓力傳感器沿X軸設(shè)置在所述物件的單端處；或用于獲得X軸向和Y軸向二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有四只，其中兩只壓力傳感器在X軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端，另外兩只壓力傳感器在Y軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端；或用于獲得X軸向和Y軸向二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有兩只，兩只壓力傳感器分別位于X軸向、Y軸向上所述物件的單端處；或用于獲得二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有三只，三只壓力傳感器在所述物件與殼體之間、位于X軸和Y軸所構(gòu)成的二維平面上呈正三角形排布；或用于獲得三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有六只，其中兩只壓力傳感器在X軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端，另外兩只壓力傳感器在Y軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端，再有兩只壓力傳感器在Z軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端；或用于獲得X軸向、Y軸向和Z軸向上三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有三只，三只壓力傳感器分別位于X軸向、Y軸向和Z軸向上所述物件的單端處；或用于獲得X軸向、Y軸向和Z軸向上三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有四只，四只壓力傳感器在所述物件的外表呈正四棱錐分布。
本實用新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還在于可以采用操縱桿結(jié)構(gòu)，被動部件為管套，主動部件為管芯，管芯為桿狀件，管芯底部與管套底座構(gòu)成球結(jié)，管芯頂端即為操縱端。
本實用新型通過獲得某一方向壓力傳感器上壓力變化的量，即可獲得裝置在該方向上的運(yùn)動情況，包括速度大小、方向以及相對于初始工作位置的坐標(biāo)。
與已有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果體現(xiàn)在1、本實用新型具備高度的靈活性，結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，同時也解決了高成本的問題。
2、本實用新型可以設(shè)計為封閉式結(jié)構(gòu)，不會給設(shè)備內(nèi)部帶來污垢。
3、本實用新型不依賴于平面，可懸空操作，極大地提高了其在不同場合中的適用程度，包括，用于鼠標(biāo)器、用于游戲機(jī)控制器、用于工業(yè)控制設(shè)備等，直接獲得相對于其初始狀態(tài)的運(yùn)動情況。
4、本實用新型可以實現(xiàn)在零重力環(huán)境下的正常使用；通過對本實用新型輸出信號進(jìn)行算法優(yōu)化處理可以實現(xiàn)在規(guī)律性震動環(huán)境中使用，如自學(xué)習(xí)地讓病人自由操作鼠標(biāo)，而不會隨病人手的顫動而產(chǎn)生誤差。
5、本實用新型低能耗，可以作為無線控制設(shè)備的理想核心部件。


圖1、圖2為本實用新型作為一維運(yùn)動狀態(tài)探測器不同實施方式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3、圖4、圖5(a)、圖5(b)為本實用新型作為二維運(yùn)動狀態(tài)探測器不同實施方式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6、圖7、圖8為本實用新型作為三維運(yùn)動狀態(tài)探測器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為本實用新型作為操縱球結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10(a)、圖10(b)為本實用新型作為操縱桿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號1主動部件、2被動部件、3壓力傳感器、4操縱端、5探孔。
具體實施方式
關(guān)于一維運(yùn)動狀態(tài)探測器的實施實施例1本實施例為一維方向運(yùn)動狀態(tài)探測。
參見圖2，以主動部件1為殼體，被動部件2為放置在殼體中的一個質(zhì)量為M的物件，用于獲得X軸向一維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器有兩只，兩只壓力傳感器31、32沿X軸對稱設(shè)置在物件的兩端。
被動部件2可以是任意形狀，圖1所示為球體，較好的方式是采用密度較大、性能穩(wěn)定的材料，如不銹鋼、合金等。在殼體、物件與壓力傳感器三者之間，彈性預(yù)緊力使其相互抵壓，其間的抵壓力應(yīng)保證壓力傳感器和物件不脫離、不晃動。
具體實施中，兩只壓力傳感器31、32的工作頻率、性能、大小相同，工作時應(yīng)保持兩個壓力傳感器時鐘周期同步。壓力傳感器31、32可以獨(dú)立放置，可以與殼體固定在一起；也可以與物件固定在一起，對于最后一種形式，在以下的計算公式中的，M要包括壓力傳感器3本身的質(zhì)量。
對于殼體沿X方向上的正方向運(yùn)動，由于物件放置于殼體中又相對于殼體保持獨(dú)立，殼體將通過壓力傳感器對物件施力，因而兩個壓力傳感器，或其中的一個將獲取物件對其壓力的變化。分別計算出一定時間段內(nèi)兩個壓力傳感器力的變化值，并求矢量和。該一定時間段可以是壓力傳感器的一個時鐘周期t，也可以是多個時鐘周期T，但應(yīng)保證t或T盡量小到可以把該時間段內(nèi)各壓力傳感器壓力的變化值作為對物件的恒力。本實施例中，假設(shè)為一個時鐘周期t，系統(tǒng)初始工作時記錄第一個時鐘周期壓力傳感器a、b的壓力作為初始壓力值。計算時，各個力均為矢量，力的變化也是矢量，各矢量的正方向由最初建立的坐標(biāo)系的正方向決定。在此時，x軸上的某一端的壓力傳感器31獲取的壓力值為正；另一端的壓力傳感器32獲取的值即為負(fù)；壓力變化差值和如果為正，則合力方向為x軸正方向；壓力變化差值和如果為負(fù)則合力方向為x軸負(fù)方向。
根據(jù)動量定理Ft＝M(V2-V1)Δft＝M(V2-V1)Δf為坐標(biāo)軸上合力的變化值；V2是此時物件的運(yùn)動速度；V1是上一時間段物件的運(yùn)動速度，系統(tǒng)初始工作時V1＝0。
于是可以得到在這個一維的X軸上，整個裝置此時的運(yùn)動速度大小及方向，其中，正值為X軸正方向，負(fù)值為X軸負(fù)方向。
再根據(jù)fS＝M(V22-V12)/2；S＝M(V22-V12)/2/f(S為當(dāng)前時間段內(nèi)物件在坐標(biāo)軸上運(yùn)動的距離)可以得出物件此時的坐標(biāo)(初始工作時的坐標(biāo)位置為0)X＝S1+S＝S1+M(V22-V12)/2/ΔfS1為上一時間物件的坐標(biāo)，初始工作時S1＝0。
依此可以獲得裝置的運(yùn)動狀況，包括速度大小、方向以及相對于初始工作位置的一維坐標(biāo)。
實施例2參見圖1，本實施例在結(jié)構(gòu)設(shè)置上與實施例1所不同的是，用于獲得X軸向一維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器3僅有一只，一只壓力傳感器3沿X軸設(shè)置在位于物件的單端處。
為保證壓力傳感器、物件與殼體三者之間的彈性預(yù)緊力，可以在其間增加設(shè)置彈性器件。工作時，只需要考慮該單只壓力傳感器上壓力變化的量就可以根據(jù)如上所述原理獲得裝置的運(yùn)動情況，包括速度大小、方向以及相對于初始工作位置的一維坐標(biāo)。
由于本方案是對壓力傳感器所獲得的壓力的變化的矢量和，即合力變化的大小、方向進(jìn)行計算，所以不再考慮重力加速度或者向心加速度，并且裝置可以工作在保持勻速運(yùn)動的環(huán)境中，如勻速行駛的飛機(jī)、火車、汽車等。
關(guān)于二維運(yùn)動狀態(tài)探測器的實施實施例3參見圖3，本實施例在結(jié)構(gòu)設(shè)置上與實施例1所不同的是，用于獲得X軸向和Y軸向二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器3共有四只，其中兩只壓力傳感器31、32在X軸向上對稱設(shè)置于物件的兩端，另外兩只壓力傳感器33、34在Y軸向上對稱設(shè)置于物件的兩端。
具體實施中，按實施例1中的方式分別以X軸向和Y軸向上的兩只壓力傳感器獲得裝置在X軸向上和在Y軸向上的的運(yùn)動情況，進(jìn)而獲得裝置的二維運(yùn)動情況，包括速度大小、方向以及相對于初始工作位置的二維坐標(biāo)。
實施例4參見圖4，本實施例與實施例3所不同的是，用于獲得X軸向和Y軸向二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器僅有兩只，兩只壓力傳感器31、33分別位于X軸向和Y軸向上物件的單端位置處。
為保證壓力傳感器、物件與殼體三者之間的彈性預(yù)緊力，可以在其間增加設(shè)置彈性器件。工作時，只需要考慮該單只壓力傳感器上壓力變化的量就可以根據(jù)如上所述原理獲得裝置的運(yùn)動情況，包括速度大小、方向以及相對于初始工作位置的二維坐標(biāo)。
實施例5參見圖5(a)、圖5(b)，本實施例與實施例5所不同的是，用于獲得二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有三只，三只壓力傳感器311、312、313在物件的外表的同一平面上呈正三角形排布。
通過前述方法，可以獲得x軸、y軸方向上的合力(矢量)，從而分別計算出x軸、y軸方向上合力的變化矢量。
同樣，由于本方案是對壓力傳感器所獲得的壓力的變化的矢量和(即合力變化的大小、方向)進(jìn)行計算，所以不再考慮重力加速度或者向心加速度，并且整個結(jié)構(gòu)可以工作在保持勻速運(yùn)動的環(huán)境中(如勻速行駛的飛機(jī)、火車、汽車等)。
關(guān)于三維運(yùn)動狀態(tài)探測器的實施實施例6參見圖6，本實施例與實施例1所不同的是，用于獲得三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有六只，其中兩只壓力傳感器31、32在X軸向上對稱設(shè)置于物件兩端，另外兩只壓力傳感器在Y軸向上對稱設(shè)置于物件的兩端，再有兩只壓力傳感器在Z軸向上對稱設(shè)置于物件的兩端。
分別通過x軸向、y軸向和z軸向上各壓力傳感器獲得壓力與上一時間的壓力差值，進(jìn)而獲得裝置的運(yùn)動情況，包括速度大小、方向以及相對于初始工作位置的三維坐標(biāo)。
實施例7參見圖7，本實施例與實施例1所不同的是，用于獲得X軸向、Y軸向和Z軸向上三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有三只，三只壓力傳感器31、33、35分別位于X軸向、Y軸向和Z軸向上物件的單端處。
為保證壓力傳感器、物件與殼體三者之間的彈性預(yù)緊力，可以在其間增加設(shè)置彈性器件，圖7中所示的各彈性材料與壓力傳感器在物件的兩端對稱設(shè)置。工作時，只需要考慮該單只壓力傳感器上壓力變化的量就可以根據(jù)如上所述原理獲得裝置的運(yùn)動情況，包括速度大小、方向以及相對于初始工作位置的三維坐標(biāo)。
實施例8參見圖8，本實施例與實施例1所不同的，是用于獲得X軸向、Y軸向和Z軸向上三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有四只，四只壓力傳感器314、315、316、317在物件的外表呈正四棱錐分布。
通過計算各坐標(biāo)軸上壓力傳感器所獲得壓力與上一時間的壓力差值的向量和，從而得到裝置的運(yùn)動情況，包括速度大小、方向以及相對于初始工作位置的三維坐標(biāo)。
實施例9根據(jù)需要，可以將上述實施例1至實施例8各方案中的主動部件和被動部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)互換，即將上述各方案中原來作為主動部件的殼體設(shè)置為被動部件，同時使殼體內(nèi)原來作為被動部件的物件設(shè)置為主動部件，位于其間的壓力傳感器3可以按圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8的任意一種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)置。圖9所示為本結(jié)構(gòu)形式的一維探測器，使用時，通過開設(shè)在殼體上的探孔5直接操縱位于殼體內(nèi)部的主動部件1。
本實施例也可以設(shè)置為圖10(a)、圖10(b)所示的操縱桿結(jié)構(gòu)，采用套管式結(jié)構(gòu)，被動部件2為管套，主動部件1為管芯，管芯為桿狀件，管芯底部與管套底座構(gòu)成球結(jié)，管芯頂端即為操縱端4，壓力傳感器3同樣可以按照一維、二維和三維的任意形式進(jìn)行設(shè)置，圖10(a)、圖10(b)所示是以三只壓力傳感器311、312、313在管芯的外周呈正三角形設(shè)置，實現(xiàn)二維方向上的運(yùn)動狀態(tài)探測。
權(quán)利要求1.運(yùn)動狀態(tài)探測裝置，其特征在于有一個主動部件(1)；有一個被動部件(2)；有至少一只壓力傳感器(3)，所述壓力傳感器(3)設(shè)置在主動部件(1)與被動部件(2)之間，三者之間以彈性預(yù)緊力相互抵壓，對于某一方向運(yùn)動狀態(tài)的探測，對應(yīng)設(shè)置的壓力傳感器(3)以所受到的該單方向上的、來自于主動部件(1)與被動部件(2)的正壓力信號為檢測輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是以所述主動部件(1)為殼體，配套設(shè)置的被動部件(2)為放置在殼體中的一個物件，或是以所述被動部件(2)為殼體，配套設(shè)置的主動部件(1)為放置在殼體中的一個物件，壓力傳感器(3)的設(shè)置為如下結(jié)構(gòu)形式的任意一種用于獲得X軸向一維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器為兩只，兩只壓力傳感器(31、32)沿X軸對稱設(shè)置在所述物件的兩端；或用于獲得X軸向一維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器為一只，一只壓力傳感器(3)沿X軸設(shè)置在所述物件的單端處；或用于獲得X軸向和Y軸向二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有四只，其中兩只壓力傳感器(31、32)在X軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端，另外兩只壓力傳感器(33、34)在Y軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端；或用于獲得X軸向和Y軸向二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有兩只，兩只壓力傳感器(31、33)分別位于X軸向、Y軸向上所述物件的單端處；或用于獲得二維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有三只，三只壓力傳感器(311、312、313)在所述物件與殼體之間、位于X軸和Y軸所構(gòu)成的二維平面上呈正三角形排布；或用于獲得三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有六只，其中兩只壓力傳感器(31、32)在X軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端，另外兩只壓力傳感器(33、34)在Y軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端，再有兩只壓力傳感器(35、36)在Z軸向上對稱設(shè)置于所述物件的兩端；或用于獲得X軸向、Y軸向和Z軸向上三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有三只，三只壓力傳感器(31、33、35)分別位于X軸向、Y軸向和Z軸向上所述物件的單端處；或用于獲得X軸向、Y軸向和Z軸向上三維運(yùn)動狀態(tài)的壓力傳感器共有四只，四只壓力傳感器(314、315、316、317)在所述物件的外表呈正四棱錐分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是采用操縱桿結(jié)構(gòu)，被動部件(2)為管套，主動部件(1)為管芯，管芯為桿狀件，管芯底部與管套底座構(gòu)成球結(jié)，管芯頂端即為操縱端(4)。
專利摘要運(yùn)動狀態(tài)探測裝置，其特征在于有一個主動部件；有一個被動部件；有至少一只壓力傳感器，所述壓力傳感器設(shè)置在主動部件與被動部件之間，三者之間以彈性預(yù)緊力相互抵壓，對于某一方向運(yùn)動狀態(tài)的探測，對應(yīng)設(shè)置的壓力傳感器以所受到的該單方向上的、來自于主動部件與被動部件的正壓力信號為檢測輸出。本實用新型具備高度靈活性、移動操作無需依賴于輔助平面、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用范圍廣泛。
文檔編號G06F3/033GK2819305SQ20052007451
公開日2006年9月20日 申請日期2005年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月12日
發(fā)明者陳浩強(qiáng) 申請人:陳浩強(qiáng)