手握式鍵盤及其輸入方法
2023-07-22 03:26:16 1
專利名稱：手握式鍵盤及其輸入方法
技術領域：
一種計算機信息輸入設備，特別是一種可攜式的手握式鍵盤，及其輸入方法。
背景技術：
計算機發展到今天，正在迅速小型化、便攜化和移動化，形式多樣。平板式計算機、掌上電腦、智慧型手機這些小到可以裝入口袋的終端設備已經具備強大的運算處理能力，但至今沒有相適應的小型、高效的信息輸入裝置出現。雖然各種信息輸入設備層出不窮，如觸控螢幕、手寫板、投影鍵盤、空中滑鼠、各種微型鍵盤，但我們發現沒有一種達到傳統桌面鍵盤和滑鼠的高效易用。如觸控螢幕及虛擬鍵盤，輸入速度遠遠不及普通鍵盤；投影鍵盤雖然便攜但輸入效率極低。究其原因，主要是缺乏手感、沒有觸覺反饋、不能盲打、無法雙手同時操作。
發明內容
本發明提供一種便攜的手握式鍵盤及其輸入方法，使用本發明的手握式鍵盤，使用者可以不改變現有鍵盤操作習慣而實現類似傳統桌面鍵盤的盲打和雙手同時操作，並且可以在移動中進行鍵盤輸入。本發明的手握式鍵盤包括一對適合握在左、右手掌內的手柄，每個手柄上分布有五個或以上按鍵，其中五個主按鍵直接對應於五個手指，即當自然握住上述手柄時，五個主按鍵與五個手指的某個部位自然接觸；手柄內部安裝有運動檢測單元用於檢測手的運動，有微處理器以及通信單元和電源單元等；所述按鍵和運動檢測單元連到所述微處理器，微處理器還連接通信單元。通信單元用來將按鍵和位置信息傳輸到計算機，也可以從計算機接收有關數據。為了用有限的按鍵進行全部鍵盤的按鍵輸入，鍵盤按鍵判別的方法如下:1)預設有限個手的位置狀態(以下簡稱手位)的集合，其中包括左右手各一個準備位置作為基準，其它手位由手的位置相對於其準備位置的偏移量來確定；2)預設每個手位下各手指所對應的鍵盤按鍵；3)當手靜止並保持一定時間，則設定此時的位置為準備位置；4)根據運動檢測單元輸出的運動信息，計算手相對於其準備位置的偏移量，從而實時判斷手所處的手位狀態；5)當有手柄按鍵動作發生時，根據步驟2所預設的當前手位下手指與鍵盤按鍵的對應關係，發送相應的鍵盤按鍵信息。上述手位狀態對應於傳統鍵盤輸入時手的典型位置狀態，這些狀態數量是有限的，與所相應的鍵盤類型有關。在實際鍵盤操作中，有一個基準位置即『準備位置』，是指左手食指接觸『f』，右手食指接觸『j』的位置。左手的『準備位置』(以下用LO表示)時，有效的按鍵是『a』、『S』、『d』、『f』，分別對應左手的小指、無名指、中指、食指。左手在此手位時，如食指按下則發送『f』鍵，如中指按下則發送『d』鍵，以此類推。右手『準備位置』(以下用RO表示)的有效按鍵是『j』、『k』、『I』、『 ； 』，分別對應於右手的食指、中指、無名指、小指，即，如食指按下則發送『j』，中指按下則發送『k』，以此類推。當目標按鍵不是上述按鍵時，則需要將手或手指移出上述位置，進行擊鍵動作，然後自然歸位於『準備位置』。左手從『準備位置』向右移動則為『Lr』手位，這時有效按鍵只有『g』，對應於左手的食指動作。即這時如左手食指按下則發送『g』，其它手指按下無響應。左手左移則對到達『LI』手位，這時只有『CapsLock』有效，對應於左手小指，等等。手的位置偏移包括姿態角度變化和位置平移，因此所述運動檢測單元可以是由微機電(MEMS)加速度傳感器、陀螺儀、磁場傳感器，或一種以上上述傳感器組合構成。為了配合操作，可以通過軟體將鍵盤圖像顯示出來，在鍵盤顯示中，可以顯示手位狀態，特別是顯示當前有效鍵盤按鍵信息，從而使用人可以實時了解手位狀態和有效按鍵集合，更加準確地進行輸入，避免錯誤動作。有益效果:
1.由於採用握在手心，手指甚至指根操作的方式，本發明的裝置體積小，重量輕，便攜。2.兩手柄相互獨立，可同時操作，提高了輸入效率。3.引入觸覺或聽覺反饋後，可實現盲打操作。4.引入適當的運動檢測單元，僅需手的微小運動或旋轉即可實現手位檢測以及按鍵操作，不需要手臂動作，因此肌肉群運動量小，適合大量輸入工作。5.本發明的手握式鍵盤不但可以在桌面使用，也可以在站立、行走中使用。
圖1是本發明第一個實施例的手握式鍵盤的左手手柄結構示意圖。右手手柄結構與此鏡像對稱。圖2是本發明第一個實施例中的微處理器進行手位計算的固件程序流程圖。圖3是本發明第一個實施例中，左手不同手位下食指、中指、無名指、小指與鍵盤按鍵的對應關係的表格。圖4是本發明第一個實施例中，右手不同手位下食指、中指、無名指、小指與鍵盤按鍵的對應關係的表格。圖5是本發明第四個實施例中，左手手柄表面振動器的分布示意圖。圖中:手柄外殼I，姆指對應的王按鍵2,食指對應的王按鍵3,中指對應的王按鍵4，無名指對應的主按鍵5，小指對應的主按鍵6，運動檢測單元7，微處理器電路8，通信單元9，電源10，輔助按鍵11。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。實施例1:
圖1給出了本發明的手握式鍵盤的左手手柄結構示意圖，而右手手柄是與其對稱的，沒有畫出。手柄外殼I是由輕質有機材料製成的殼體結構，其大小和形狀使之可以較自然地握在手中，而按鍵的位置是這樣的:當正常握於手掌內，大拇指的指肚自然落在主按鍵2，食指、中指、無名指、小指的根節(第三節，即指根)自然接觸主按鍵3、4、5、6，大拇指從自然位置小幅移動後可以接觸並按下輔助按鍵11。微處理器電路8是一個普通的單片機電路，它連接運動檢測單元7並對移動距離進行計算。微處理器電路8同時連接所有按鍵2飛，及11，並根據手的位置和狀態及按鍵動作，輸出相應的按鍵數據，通過通信單元9發送到主機，這裡的主機指普通PC、筆記本電腦、移動智能終端設備等接收鍵盤數據的終端設備。電源10用於向所有手柄內的電路供電。本實施例的運動檢測單元7採用InvenSense, Inc.公司的MPU-6050,它包含了一個三軸陀螺儀(3-axis gyroscope)和一個三軸加速度計(3-axis accelerometer),本實施例利用了其三軸陀螺儀。單片機採用通常的8位單片機。在單片機的固件中實現手位的計算，其中核心的功能是手位的實時計算。判斷手是否處於基準位置並設定基準位置參數是進行手位計算的基礎。在實際操作中，當手準備進行鍵盤輸入時，需要先將雙手放置於準備位置上，此後從此位置出發到達需要的位置進行鍵盤敲擊，而敲擊後也要迅速回到準備位置，因此手在其他位置都是短暫和動態的，只有在準備位置才會有一定時間的靜止。判斷靜止的方法有多種，例如可以將運動檢測單元的輸出加速度數據接近不變、角速度接近不變，並保持一定時間作為判據。因為當手靜止時，加速度不變(包含重力加速度成分)，角速度也不變，而在運動中，雖然也可能出現加速度接近不變、角速度也不變的瞬間，但由於物理尺度限制，以及手在運動中難以保持勻速，這種穩定狀態是不可能長時間保持的。如果進一步引入磁場強度的輸出，可以更可靠地判斷靜止狀態。圖2是本實施例中微處理器進行手位計算的固件程序流程圖。在程序初始化後，手位處於不確定狀態，直到檢測到手處於靜止狀態並保持了 Ts時間。這時判定手位處於『準備位置』，對有關基準位置參數(各軸的角度)進行初始化，以作為基準。此後循環進行位置偏移(角度偏移)計算、手位狀態更新，並監測上述手位處於準備狀態的條件是否再次滿足，如滿足，則再次進行基準位置參數初始化，以防止長期誤差累積。本實施例的Ts設置為2秒。實際上,在MPU-6050晶片中已經提供了靜止檢測(zero-motion detection)功能,可以加以利用。在圖3中，本實施例預設左手手位有16種，其中LO表示準備位置，LI表示從LO位置左移的位置，Lr表示從LO位置右移的位置；Ldm (其中m為一位數字)表示自LO向下移m步的手位，這裡的m步指距離單位，I步為系統能夠可靠分辨的最短偏移。Ldml (其中m為一位數字)表示自LO下移m步又左移的位置；Ldmr (其中m為一位數字)表示自LO下移m步又右移的位置；同樣，Lum (其中m為一位數字)表示自LO向上移m步的手位，Luml表示自LO上移m步又左移的位置；Lumr表示自LO上移m步又右移的位置。所述的距離偏移的設定需根據試驗決定，以可分辨和移動最小為原則。其中Invalid表示手指對應的主按鍵在相應的手位下無效。在圖4中，本實施例預設右手手位有18種，其中RO表示右手的準備位置，其它手位的表示規則和含義與上述左手的手位表示相類同。左手和右手大拇指按鍵(主按鍵2)都對應於空格鍵，以符合傳統鍵盤操作習慣。輔助按鍵11可用於進行快速大小寫切換，或輸入法切換等，可在軟體中進行靈活定義。在實現了手位實時跟蹤的基礎上，當按鍵動作發生時，根據圖3或圖4表格查表，可以將手指按壓主按鍵的動作轉化為鍵盤按鍵動作，並將信息傳輸到主機，從而實現鍵盤輸入。電路中可設計按鍵動作觸發微處理器中斷，在中斷服務程序中進行上述查表和計算，並完成通信工作。主機中的軟體，可以顯示一個鍵盤，其中對應於當前手位的有效按鍵被高亮顯示，從而使用者可以直接目視屏幕，通過雙手的動作進行鍵盤按鍵輸入。所述通信單元是一個無線數據傳輸模塊，通過它可以與主機進行通信。也可以是一個有線通信接口電路。電源10可以是電池，也可以是超級電容器。採用超級電容器的優點是重量輕，並且綠色環保。本實施例參照Lenovo ThinkPad T430i筆記本鍵盤按鍵排布設計,但也可以參照其他鍵盤，只要符合人們的使用習慣，便於記憶，有利於提高效率即可。作為等價的實現方式，上述傳感器數據可以直接傳輸到主機，上述固件功能在主機軟體中實現，這樣的優點是降低硬體複雜性，軟體設計可以更靈活、強大，缺點是通信負荷較重，對主機依賴大。本實施例中，以手的原地旋轉角度量作為位移量進行手位計算，涉及的肌群少，手的運動量較低，利於長時間大量輸入。實際使用中，手腕的上下旋轉對應於手在鍵盤上的上下移動；左手的軸向外旋、內旋對應左手在鍵盤上的左移、右移；右手的軸向外旋、內旋對應右手在鍵盤上的右移、左移。有很好的直觀性，易於接受。實施例2:
在實施例1的基礎上，綜合利用加速度計和陀螺儀和磁場傳感器，則可以對更複雜的運動進行跟蹤，實現更合理有效的手位計算，從而達到更好的效果。其中磁場傳感器採用了Honeywell公司的HMC5883L弱磁場傳感器晶片,可以檢測地球磁場的強度和方向，配合陀螺儀可以更完整地檢測手的姿態角度，加之加速度計的實用，對平移量也可以跟蹤計算。實施例3:
作為實施例1或2的一種改進，在所述手握式鍵盤內，可以安裝振動反饋部件(振動器)，在相鄰手位的臨界點，使振動器動作，以實現觸覺反饋，從而使得盲打輸入成為可能。同樣原理，也可以引入音頻播放，聲音特徵對應於手位狀態，也有利於盲打操作。所述的振動器，可以是轉子馬達、線性馬達或壓電陶瓷。實施例4:
作為實施例3的一種改進，引入一個振動器陣列，安裝於手柄表面接觸手掌的一側，每個振動器對應一個手位，其排布位置關係也對應於手位位置關係。當手處於某個手位時，相應的振動器振動，從而根據觸覺可以直接感知手位，對提高效率和盲打非常有利。圖5中，左手手柄表面安裝的振動器以圓形表示，其中LO表示準備位置的振動器，以此類推，其它各振動器的標識與圖3中相對應。所述的振動器可以是轉子馬達、線性馬達或壓電陶瓷，以壓電陶瓷為最好，因為體積小、響應快。為了減少電源消耗，手位不確定時沒有振動器動作，準備位置相應的振動器在初始化準備位置參數時短暫振動，所有手位相應的振動器在到達其手位時短時間振動。。實施例5:
作為以上實施例的一種改進，可以設定某種按鍵組合，配合運動檢測單元的數據，實現滑鼠操作的模擬。本實施例中，左手主按鍵2、3同時按下時，進入滑鼠模式。在此模式下，右手主按鍵2按下時，手的運動或旋轉被轉化為光標移動，右手主按鍵3 (對應食指)作為滑鼠左鍵，右手主按鍵4 (對應中指)作為滑鼠右鍵，從而可以實現基本滑鼠操作。實施例6:
作為實施例1或2或3的一種改進，為了方便手握，可以在手柄上裝配固定帶，以便將手柄戴在手上，即便鬆開也不會掉落。上述實施例中的預設手位、鍵盤按鍵組合是指導性的範例，實際實現中可以根據應用環境作進一步調整、優化。這種調整、優化顯然屬於等同替換，因此當然在本申請的權利要求書保護範圍之內。
權利要求
1.一種手握式鍵盤，其特徵為，包括一對適合握在左、右手掌內的手柄，每個手柄上分布有五個或以上按鍵，其中五個主按鍵直接對應於五個手指，所述手柄內部安裝有運動檢測單元用於檢測手的運動，還有微處理器以及通信單元和電源單元，所述按鍵和運動檢測單元連接到所述微處理器，所述微處理器還連接所述通信單元用以將按鍵和運動信息傳輸到計算機。
2.根據權利要求1所述的手握式鍵盤，其特徵為，所述運動檢測單元由一個多軸陀螺儀或一個多軸加速度計或一個磁場傳感器構成，也可以是由一種以上上述傳感器組合構成。
3.根據權利要求1或2所述的手握式鍵盤，其特徵為，在所述手柄內設有振動器連接到所述微處理器，所述振動器根據手的位置偏移情況產生振動，用來實現觸覺反饋。
4.根據權利要求1或2所述的手握式鍵盤，其特徵為，引入一個振動器陣列，所述振動器陣列安裝於手柄表面接觸手掌的一側，每個振動器對應一個手位，其排布位置關係也對應於手位位置關係。
5.根據權利要求1或2所述的手握式鍵盤，其特徵為，在所述手柄上裝配有固定帶，用以將手柄戴在手上。
6.一種用於權利要求1至5之一所述手握式鍵盤的輸入方法，其特徵是，包含如下步驟: 步驟一、預設有限個手位狀態的集 合，其中包括左手、右手各一個準備位置作為基準，其它手位由手的位置相對於其準備位置的偏移量來確定； 步驟二、預設每個手位下各手指所對應的鍵盤按鍵； 步驟三、當手靜止並保持一定時間，則設定此時的位置為準備位置； 步驟四、根據運動傳感器運動檢測單元輸出的運動信息，計算手相對於其準備位置的偏移量，從而實時判斷手所處的手位狀態； 步驟五、當有手柄按鍵動作發生時，根據步驟二所預設的當前手位下手指與鍵盤按鍵的對應關係發送相應鍵盤按鍵信息。
7.根據權利要求6所述的輸入方法，其特徵是，引入振動或聲音反饋，他們的驅動與手位變化相關聯。
8.根據權利要求6所述的輸入方法，其特徵是，引入一個振動器陣列，每個振動器對應一個手位，其排布位置關係對應於手位位置關係。
9.根據權利要求8所述的輸入方法，其特徵是，手位不確定時沒有振動器動作，準備位置相應的振動器在初始化準備位置參數時短暫振動，所有手位相應的振動器在到達其手位時短時間振動。
10.根據權利要求6至9之一所述的輸入方法，其特徵是，在主機顯示器上顯示當前有效鍵盤按鍵的圖像信息。
11.根據權利要求6至9之一所述的輸入方法，其特徵是，採用按鍵組合切換到滑鼠模式，利用運動檢測單元的輸出配合按鍵動作實現滑鼠操作。
12.根據權利要求6至9之一所述的按鍵判別和輸入方法，其特徵是，步驟二中所述預設每個手位下各手指所對應的鍵盤按鍵，預定義如下:
全文摘要
本發明公開了一種手握式鍵盤，它包括一對適合握在左、右手掌內的手柄，每個手柄上分布有五個或以上按鍵，其中五個主按鍵直接對應於五個手指，即當自然握住上述手柄時，五個主按鍵與五個手指的某個部位自然接觸；手柄內部安裝有運動檢測單元用於檢測手的運動，有微處理器以及通信單元和電源單元等；所述按鍵和運動檢測單元連到所述微處理器，微處理器還連接通信單元。通信單元用來將按鍵和位置信息傳輸到計算機，也可以從計算機接收有關數據。本發明同時公開了用於上述手握式鍵盤的按鍵判別和輸入方法。本發明延續了現有鍵盤使用習慣，支持盲打高速輸入，可以在移動中操作，且便攜。
文檔編號G06F3/02GK103150028SQ20131004670
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者鮑煒 申請人:鮑煒