專利名稱：在顯示器外部定位觸摸力的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及觸屏陰極射線管及類似的顯示器，如用于計(jì)算機(jī)及其它視頻系統(tǒng)等中的，特別涉及用于從配置在顯示器外部并遠(yuǎn)離顯示器的裝置上確定在顯示器上的觸力位置的新穎方法與裝置，這不同于應(yīng)用在顯示器表面本身周圍與/或在其表面上或鄰近表面的力傳感器。
更一般地，本發(fā)明涉及適用于測(cè)定作用在力傳感元件的平面或表面外部的力的新穎的三維的力定位技術(shù)。
雖然本發(fā)明的應(yīng)用較為廣泛，其重要用途之一是在計(jì)算機(jī)或相關(guān)的顯示屏系統(tǒng)的領(lǐng)域中，諸如陰極射線管顯示器(或液晶顯示器、發(fā)光二極管、場(chǎng)致發(fā)光或其它電光顯示器等);從而在下文中本發(fā)明將以這種典型的應(yīng)用作為重要的實(shí)例加以描述。
一臺(tái)現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)通常向其用戶提供這樣一個(gè)顯示屏，在該顯示屏上顯示用戶可作出的各種選擇的說明或圖形表示。在許多情況中，用戶作出響應(yīng)的最快捷、最方便及最直觀方法是用手指實(shí)際觸摸屏幕上顯示所要求的選擇的區(qū)域。
為了容許這樣做，計(jì)算機(jī)必須裝備一種使在該計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序能夠確定這種觸摸事件的出現(xiàn)與位置的一種輸入設(shè)備。為了這一目的，任何一種這類輸入設(shè)備將稱作一個(gè)“觸屏”。
理想的觸屏輸入設(shè)備應(yīng)該是廉價(jià)的、堅(jiān)固的、可靠的與足夠精確的。同樣非常希望一個(gè)單一的型號(hào)能夠在大范圍的不同顯示設(shè)備上工作，并且它是能夠由非專業(yè)用戶容易地在現(xiàn)場(chǎng)安裝在新的或者已有的設(shè)備上的。
然而，諸如下面要描述的那些現(xiàn)存的觸屏是相對(duì)地低產(chǎn)的，從而從它們的市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)上看是十分昂貴的，因此在制造顯示器時(shí)在多數(shù)應(yīng)用中將它結(jié)合在內(nèi)是不可能的。此外，它們要求大量的工作、費(fèi)用及專門制造技術(shù)來進(jìn)行改型。由于每一種型號(hào)是或多或少地專用于一種特定的屏幕的幾何形狀的，因此必須制造大量的不同型號(hào)，而可能的用戶必定會(huì)受到他們的顯示器選擇的限制。從而，為了綜合考慮功能與美觀因素，某些先有技術(shù)的觸屏實(shí)際上是在初始制造時(shí)內(nèi)裝在諸如陰極射線管這樣的顯示設(shè)備中的(雖然由于產(chǎn)量低而昂貴)，而其它的則需要棘手的改裝(也是昂貴的)。再者，這種先有的觸屏是與它們聯(lián)合使用的顯示設(shè)備的設(shè)計(jì)緊密相連的，必須提供大量的不同型號(hào)來適應(yīng)廣泛的應(yīng)用。更有甚者，多數(shù)具有受到相關(guān)聯(lián)的顯示器的幾何形狀、兼容性與組裝約束的緊密制約的內(nèi)在昂貴的傳感器結(jié)構(gòu)，因此傳感器結(jié)構(gòu)通常無法在成本上得到優(yōu)化。
在陰極射線管或類似顯示屏上確定觸摸位置的這些先有技術(shù)涉及圍繞實(shí)際顯示表面或屏幕或者在它們上面分布的某種傳感器的組合。應(yīng)用力感測(cè)來定位一個(gè)力在表面上的作用點(diǎn)的這些已知的方法通常配置三個(gè)以上共面而不共線的傳感器，每一個(gè)傳感器的敏感軸與該平面正交，并且這些傳感器的輸出被用于計(jì)算作用在該同一平面上的接觸力的位置。如在容許接觸表面離開這一平面時(shí)，接觸力的不能予測(cè)的切向分力必定會(huì)在報(bào)告的位置中導(dǎo)致誤差。如果接觸表面遠(yuǎn)離傳感器平面(即嚴(yán)重地不在同一平面內(nèi)時(shí))，則先有技術(shù)的方法是無效的。
具體地說，具有這一性質(zhì)的一個(gè)第一系統(tǒng)適用于設(shè)置有各中啟動(dòng)接觸定位的附件(包括電阻性與電容性傳感技術(shù))的陰極射線管的正面部分，在這一系統(tǒng)中，在顯示屏的面上應(yīng)用了一塊附加的傳感器板。該板帶有一或二層透明的導(dǎo)體圖形，它們產(chǎn)生接觸位置信息并將這些信息傳送給覆蓋板邊緣上的導(dǎo)體。雖然為使所有部件透明作出了努力，但在實(shí)踐中圖象的亮度與清晰度仍有明顯的損失與降低。
這種觸屏傳感器的實(shí)例可在4，198，539;4，293，734;4，353，552;4，371，746;4，806，709;及4，821，029號(hào)美國(guó)專利中見到。
第二種方法涉及表面聲波(SAN)技術(shù)，其中的一塊玻璃覆蓋板帶有由設(shè)置在周邊附近的傳感器與反射器裝置生成、改變方向與感測(cè)的聲能。觸摸該板時(shí)使這一能量從該接觸位置所特有的方式衰減，例如在電圖形雜志(Elecgraphics)1987附頁“表面聲波”中所闡述的。
另一種技術(shù)涉及一種平面力傳感技術(shù)，其中，壓電力傳感器支承一塊玻璃覆蓋板，將其連接在一個(gè)支架上。一條手指觸摸推力線與該傳感器平面的交點(diǎn)出現(xiàn)在與傳感器輸出的一個(gè)特定比值相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)上，從而可以計(jì)算出該點(diǎn)在平面內(nèi)的位置。曲面形的帶熒光物的屏幕表面必定會(huì)偏離該平面，從而產(chǎn)生一種特定形式的視差，用戶希望在一個(gè)特定的點(diǎn)上響應(yīng)而非在另一個(gè)點(diǎn)上響應(yīng)。適用于這種方法的傳感器技術(shù)與信號(hào)處理在諸如4，340，777;4，355，202(及其中所描述的包含3，657，475號(hào)美國(guó)專利及C.Herot等著“用于計(jì)算機(jī)顯示器的矢量信息的單點(diǎn)接觸輸入”，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)雜志，卷12，NO.3，210-216頁，在內(nèi)的先有技術(shù)應(yīng)變儀傳感器);以及4，675，596號(hào)美國(guó)專利中描述。
另一種方法使用平面力傳感技術(shù)，其中，帶有應(yīng)變儀傳感器的鋼梁彈簧構(gòu)成支承陰極射線管的全部重量的力傳感器。這一技術(shù)克服了覆蓋板的圖象降級(jí)，但付出的代價(jià)是需要更大的傳感器變化范圍及舍棄來自擺動(dòng)與振動(dòng)的干擾信號(hào)問題。4，918，262與5，038，142號(hào)美國(guó)專利描述了其性能與上述壓電系統(tǒng)基本上相同的這一系統(tǒng)，其中也引述了早期的壓電與相關(guān)的傳感器。
也曾經(jīng)提出過紅外光技術(shù)，其中，許多從發(fā)射器發(fā)射到檢測(cè)器的獨(dú)立光束限定一個(gè)平面。當(dāng)用戶的手指(或其它具有足夠?qū)挾鹊奶筋^)越過一平面時(shí)，被阻斷的光束本身定位了該“觸摸”。同樣，觸摸動(dòng)作的橫向分量能夠?qū)е乱环N視覺誤差，使得在期望的位置上的響應(yīng)可被一個(gè)非期望的位置上的響應(yīng)所取代。這一技術(shù)中的視覺誤差尤為嚴(yán)重，這是因?yàn)轫憫?yīng)表面不能定位成與熒光物表面相交，也不能成形成與之一致。此外，這種裝置可能需要突出的檔板。這一系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例在名為“卡羅爾(Caroll)觸摸”的文章的12-44頁中描述，在此文中還總結(jié)了上述電阻性-電容性傳感器覆蓋系統(tǒng)、表面聲波系統(tǒng)與壓電系統(tǒng)。
上述每一種方法都具有一個(gè)有效響應(yīng)表面，然而它們都不能與顯示器的工作表面重合，從而導(dǎo)致了普遍的先有視差性能不良。
上述電阻、電容與聲板傳感器具有一塊與觸摸接觸的實(shí)際物理表面相一致而在視覺上位于熒光物表面前方約1/2英寸處的響應(yīng)表面(在陰極射線管的情況中)。因此，除非觸摸直接位于所期望的目標(biāo)點(diǎn)的上方的一個(gè)表面點(diǎn)而不是該目標(biāo)點(diǎn)本身，對(duì)于其眼睛在一定程度上側(cè)對(duì)該顯示器的一位操作員將會(huì)在觸摸系統(tǒng)響應(yīng)中察覺到一個(gè)誤差。
另一方面，上述壓電的與其它平面力傳感系統(tǒng)并不如實(shí)地報(bào)告表面接觸的一個(gè)實(shí)際位置，而是在一個(gè)“虛擬的響應(yīng)表面”上提供一個(gè)所謂的“指示點(diǎn)”。該指示點(diǎn)位于推力線與力傳感器平面的交點(diǎn)上。對(duì)于所述紅外線系統(tǒng)，這一指示點(diǎn)在手指遮斷紅外線平面處。由于輝光熒光物不在這一平面上，該虛擬表面并不是直觀的或?qū)?yīng)于任何可見的東西的，從而使得這些設(shè)備的視覺誤差特別麻煩。
本發(fā)明的基礎(chǔ)是提供了一種能夠?qū)⒏魇礁鳂拥年帢O射線管或者計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器以及其它視頻系統(tǒng)中的其它屏幕顯示器系統(tǒng)放置在或者接觸在一種通用的萬用力傳感工作臺(tái)上的新穎方法與裝置，該工作臺(tái)的傳感器是在顯示器屏幕的外部的，或者甚至可以是遠(yuǎn)離該顯示器設(shè)備本身的，但仍能對(duì)諸如顯示器屏幕上的手指觸摸這樣的力提供一種新穎的三維力定位技術(shù)，同時(shí)消除先有技術(shù)的上述限制與缺點(diǎn)，包括完全消除視差。
本發(fā)明的優(yōu)于上述其它先有技術(shù)方法的其它突出特性將在下面更全面地指出。
本發(fā)明的一個(gè)主要目的為提供一種沒有先有技術(shù)系統(tǒng)的限制相反地具有下述優(yōu)點(diǎn)的一種新穎與改進(jìn)的觸屏傳感方法與裝置適用于放置在顯示器外部的不引入注意的感測(cè)位置上，最好在顯示器下方或后方，以及普遍地適用于具有許多不同的配置與型號(hào)的各式各樣的顯示器系統(tǒng)。
另一個(gè)目的是提供一種與一臺(tái)計(jì)算機(jī)顯示器聯(lián)合使用的具有定位指向顯示圖象特性的新穎的觸摸定位輸入設(shè)備;并且它除了在顯示器外部的不引人注意的位置以外，還能在現(xiàn)場(chǎng)容易地安裝，只需一種或極少的型號(hào)或尺寸便能適用于所有的顯示器。由于不受顯示器的外部設(shè)計(jì)形狀的限制，這一設(shè)計(jì)成本低廉、經(jīng)久耐用、不易磨損、能對(duì)任何顯示器表面提供無視差的響應(yīng)及不會(huì)降低所顯示的圖象的質(zhì)量。
此外，本發(fā)明的又一個(gè)更廣泛的目的是提供一種全面地定位三維空間中的一個(gè)力的作用線，或者最小力矩線，精確地確定作用在一個(gè)表面上的力的位置，或者一個(gè)力穿過一個(gè)表面的位置的方法。這些表面可以是遠(yuǎn)離傳感器平面的，可以是基本上不是平面形狀的表面，并且不受設(shè)備設(shè)計(jì)的限制，也沒有必要與該設(shè)備在空間中具有特定關(guān)系的。
此外，根據(jù)本發(fā)明，實(shí)施本發(fā)明的一種設(shè)備可以在使用中編程或標(biāo)定成將一個(gè)任何形狀的虛擬響應(yīng)表面投影到任何位置上，而只受某些自然條件的限制。這種限制為要定位的力的作用線只能在一個(gè)單一的點(diǎn)上以正極性與響應(yīng)表面相交(或者更精確地說具有最小力矩值的線便是這樣)，以及帶有要與虛擬投影相配的物理表面的構(gòu)體必須適當(dāng)?shù)伛詈嫌跍y(cè)量設(shè)備或支承在測(cè)量設(shè)備上，其距離與所涉及的力落在該特定的測(cè)量設(shè)備的動(dòng)力學(xué)范圍及靈敏度范圍內(nèi)。
其它的及進(jìn)一步的目的將在下面說明并在所附的權(quán)利要求書中更具體地描述。
概括地說，在本發(fā)明的一個(gè)重要應(yīng)用中，包括一種在一個(gè)顯示器表面裝置上確定觸摸位置的方法，該方法包括將顯示表面裝置接觸在或者以互相接觸的關(guān)系放置在一個(gè)力傳感工作臺(tái)上，該工作臺(tái)具有足夠的自由度與感測(cè)靈敏度能夠?qū)τ|摸該顯示器表面上的一個(gè)點(diǎn)的推力作出響應(yīng)來產(chǎn)生與編碼所產(chǎn)生的推力矢量的坐標(biāo)分量與伴隨的力矩矢的量分量;從該編號(hào)中計(jì)算出在一條最小力矩線上的一個(gè)位置以提供該顯示器表面上的一個(gè)交點(diǎn);以及作為所述觸摸點(diǎn)的一個(gè)估計(jì)值輸出得到的感測(cè)位置。
在本發(fā)明的最佳模式或方式中，使用了一個(gè)六自由度的力工作臺(tái)或板，在該工作臺(tái)上可放置任何監(jiān)視器或其它顯示器設(shè)備，接收線路電力并向主計(jì)算設(shè)備(例如一臺(tái)IBMPC)(個(gè)人計(jì)算機(jī))等)送出一條單一的并行或串行端口電纜。其形式可象一臺(tái)電子浴室稱，但每次讀出六個(gè)數(shù)而不是一個(gè)數(shù)。這些數(shù)編出包含在推力的X、Y和Z坐標(biāo)分量以及力矩的滾動(dòng)(roll)、翻動(dòng)(pitch)與轉(zhuǎn)動(dòng)(Yaw)分量?jī)?nèi)的相同信息。為了方便起見，實(shí)際的數(shù)字是這些量的一種等價(jià)線性變換。
從這樣一個(gè)遠(yuǎn)程傳感器工作臺(tái)上復(fù)原一個(gè)觸摸位置的困難在于這一事實(shí)，即使在準(zhǔn)確地觸摸到屏幕上同一點(diǎn)時(shí)，顯示屏上的觸力方向也會(huì)在各種場(chǎng)合中劇烈地變化。當(dāng)這些傳感器不能被限制在與觸摸相同的有效平面內(nèi)時(shí)(如前所述，這是先有技術(shù)的設(shè)備實(shí)際要求的工作條件)，在屏幕上同一點(diǎn)上的不同觸摸可能產(chǎn)生不同的數(shù)字集合。
本發(fā)明極好地消除了這些問題，這是通過采取兩種重要的考慮來達(dá)到的，對(duì)這兩種考慮的理解與應(yīng)用是本發(fā)明的核心。
首先，接觸點(diǎn)上的力可以作為一個(gè)單純的推力相當(dāng)精確地加以描述。對(duì)于當(dāng)前的目的而言，相對(duì)于這一點(diǎn)的力矩分量是可以忽略不計(jì)的-部分地由于接觸區(qū)是小的，及部分地由于手指并不觸在屏幕上。這種力在這里稱作“簡(jiǎn)單接觸力”，定義“推力線”為通過接觸點(diǎn)延伸推力矢量所得到的點(diǎn)的軌跡。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單接觸力，空間中具有最小(在這一情況中為零)的三維力矩矢量值的點(diǎn)的線是與該力的推力線相重合的。
第二，只要在某一遠(yuǎn)程參照點(diǎn)上測(cè)定該觸摸所引起的推力與力矩便足以重建具有最小力矩的線，從而重建該推力線。(為了簡(jiǎn)化，在下面的討論中，名詞“推力線”有時(shí)用于指逼近它的具有最小力矩的線。本發(fā)明的方法直接論述后者。)雖然關(guān)于這一點(diǎn)的理論與實(shí)踐將在下面充分展開，但首先要對(duì)其所涉及的原理作扼要的說明。
推力(或者更直觀地說，維持靜平衡的反作用推力)是位置的不變量，但力矩則不是。力矩矢量是垂直于包含該推力線與參照點(diǎn)的平面的，并具有等于該推力的大小乘以該推力線到該參照點(diǎn)的最小距離的積的值。由于推力與力矩矢量的方向與大小是通過測(cè)定得到的，總之，我們可以反過來計(jì)算如下(1)找出垂直于包含該推力與力矩矢量的平面的方向(兩者的方向可用相應(yīng)的左手或右手法則確定);(2)在這一方向上求出一個(gè)點(diǎn)，從該點(diǎn)到上述平面的距離等于力矩矢量的值除以推力矢量的值;(3)通過該點(diǎn)作一條平行于推力矢量的直線，以得到推力線，這一推力線只在一個(gè)單一的點(diǎn)上與該顯示器屏幕的表面相交。這一表面的外形或者是已知的，或者是通過啟動(dòng)觸摸點(diǎn)定位的一個(gè)適當(dāng)?shù)臉?biāo)定過程傳送給計(jì)算機(jī)的。
最佳模式的設(shè)計(jì)與構(gòu)造的其它細(xì)節(jié)在下面全面描述。
現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中

圖1是一個(gè)側(cè)視圖，它描繪將本發(fā)明的力傳感工作臺(tái)用作一臺(tái)帶有一個(gè)支承在該工作臺(tái)上的陰極射線管顯示屏的計(jì)算機(jī)或類似的監(jiān)視器的一個(gè)遠(yuǎn)程觸屏系統(tǒng)時(shí)的情景;
圖2是圖1的工作臺(tái)傳感器的俯視圖，它描繪用于可重復(fù)地將所支承的監(jiān)視器定位在圖1的實(shí)施例的力傳感工作臺(tái)上的一個(gè)簡(jiǎn)單裝置;
圖3是該力傳感工作臺(tái)的主要部件與構(gòu)造的等角透視圖，它是以打開的位置示出的;
圖4與5示出用在該工作臺(tái)中的彈簧的一種設(shè)計(jì);
圖6是工作臺(tái)的一對(duì)適當(dāng)?shù)碾娙菪晕灰苽鞲衅鞯募?xì)節(jié)的剖視圖;
圖7是該系統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)換與計(jì)算電路的簡(jiǎn)化示意電路圖;以及圖8至10提供了本發(fā)明的可定位的那種力的力定位操作的力矢量與力的幾何圖形的圖形描繪，該力是作用在工作臺(tái)傳感器平面以外的。
一個(gè)六自由度力傳感工作臺(tái)32(圖1)被用于提供足以從一個(gè)“簡(jiǎn)單接觸力”計(jì)算出一條“有效推力線”的信息，這一“簡(jiǎn)單接觸力”是當(dāng)支承在工作臺(tái)上的監(jiān)視器顯示屏31(或一般性的其它物體)被另一個(gè)物體(如手指F)所觸摸或接觸時(shí)產(chǎn)生的。該工作臺(tái)還包含適用于準(zhǔn)備(例如在一條簡(jiǎn)單的RS-232串行通信鏈路38上)及向外部設(shè)備發(fā)送所要求的輸出結(jié)果的電子信號(hào)轉(zhuǎn)換與計(jì)算裝置。
力定位工作臺(tái)構(gòu)造圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的一種較佳形式構(gòu)成的遠(yuǎn)程力定位設(shè)備的工作臺(tái)實(shí)施例32，在支承表面33上接觸，實(shí)際上是支托，陰極射線管監(jiān)視器31的底部表面來提供一個(gè)觸屏功能，雖然它是遠(yuǎn)離用戶所觸摸的陰極射線管屏幕本身的。力定位設(shè)備32通過一條交流適配器電纜35接受電力，并通過諸如電纜38將位置信息傳送給一臺(tái)計(jì)算機(jī)(典型地為一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)即PC，未示出)。
由于定位功能的標(biāo)定取決于監(jiān)視器31相對(duì)于工作臺(tái)32的位置，工作臺(tái)設(shè)置有一個(gè)擋塊39(同時(shí)參見圖2)，該擋塊是一個(gè)“L”形條或臺(tái)階，伸出在工作臺(tái)表面上方。監(jiān)視器31向后滑動(dòng)并向右靠在擋塊39上，給定一個(gè)精確而可以快速地重新定位的位置。兩組用虛線表示的圓40與41示出兩種可能的型號(hào)的監(jiān)視器的足位置的兩種可能的形式。
在圖3中示出的工作臺(tái)32分離或者打開成一個(gè)上部板組件50及一個(gè)下部板組件51。當(dāng)將它們閉合在一起并用螺絲53與墊片54(只示出一組)緊固時(shí)，一條凸緣55覆蓋在凸緣56上方，從而使四個(gè)角上的四個(gè)鋼板彈簧52承受上部組件及所有受其支承的物體的總重量。只有在超載情況下凸緣或面對(duì)面的板才互相接觸，從而保護(hù)板簧52及下面要討論的電容器傳感器57(具有上部與下部片57a與57b)不被破壞。上部電容器元件57a面對(duì)并對(duì)準(zhǔn)在下部電容器元件56b中，對(duì)板對(duì)板位移的所有六個(gè)分量作出響應(yīng)以提供線性無關(guān)的測(cè)量值。這些電容性傳感器是示出為設(shè)置在工作臺(tái)板的前邊與兩側(cè)邊的基本上中間的位置上的。六條線58a通過六個(gè)對(duì)拼接頭58b與58c將上部元件連接到印刷電路板60。同樣，59a、59b與59c提供對(duì)下部元件的連接。接線端61供應(yīng)電力，使印刷電路板電子器件(未示出)能夠計(jì)算力位置數(shù)據(jù)，然后通過接線器62將它們輸出。
在圖5中示出放大了的板簧52。它可以用一塊圖4的雙L形平板70彎折成如圖所示的形狀而制成，并在其上設(shè)置有壓配合的螺紋插頭71。
圖6示出剖開的一對(duì)適用與較佳的電容器位移傳感器57的細(xì)節(jié)。這些板可用例如大約19、35平方厘米面積(三平方英寸)的未蝕刻的印刷電路板材料的矩形板構(gòu)成。薄片電容器板72支承在絕緣薄板73上，而后者又用膠粘接在一個(gè)上部托架74及一個(gè)下部托架75上。托架75與74是嵌套的托架，它們扁平地平行于它們分別固定在其上面的工作臺(tái)板50與51。托架的自由端向外張開地彎起(對(duì)于74)以及對(duì)應(yīng)地向內(nèi)攏地彎起(對(duì)于75以安裝一對(duì)電容器板72，與工作臺(tái)構(gòu)成互相匹配的角度(示出為45°)。由右側(cè)電容器板72構(gòu)成的電容器76a(圖6)是對(duì)沿與這兩塊電容器板正交的軸76b的電容器板的相對(duì)位移敏感的;而由左側(cè)電容器板72構(gòu)成的電容器77a則是沿正交軸77b敏感的。這兩條敏感軸本身是成直角的。操作電路說明圖7提供了包含在一個(gè)成功地進(jìn)行操作的工作臺(tái)力傳感設(shè)備32中的電子轉(zhuǎn)換與計(jì)算裝置的簡(jiǎn)化示意圖。微處理器系統(tǒng)80可以是許多不同的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中的一種，諸如帶有相關(guān)部件的Intel型80188，它在物理上包含一到若干個(gè)集成電路，而在邏輯上包括一個(gè)處理單元、讀/寫存儲(chǔ)器、固體程序存儲(chǔ)器、用于存儲(chǔ)標(biāo)定與操作模式數(shù)據(jù)的小型非易失性讀/寫存儲(chǔ)器、一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)輸出電纜38的同步串行I/O能力、一個(gè)用于接收摸擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器81的輸出的數(shù)字輸入能力、以及一個(gè)用于設(shè)置多路復(fù)用器82的輸入選擇的數(shù)字輸出能力。
定時(shí)電路83以128去除一個(gè)20兆赫時(shí)鐘頻率以給出用于傳感器驅(qū)動(dòng)的156千赫5伏方波信號(hào)84，并從65，538去除該時(shí)鐘頻率來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器81使之每3.3毫秒提供一個(gè)十六位轉(zhuǎn)換。
信號(hào)84連接到六個(gè)相同的電容器阻抗測(cè)量電路85中的每一個(gè)上。一個(gè)操作放大器86生成一個(gè)信號(hào)87，該信號(hào)通過傳感器電容器57傳送與流經(jīng)固定電容器88的電荷正好相等與相反的電荷，這樣在其求和結(jié)89上保持虛擬的接地。這樣，便使信號(hào)87的峰至峰幅值與傳感器57的電容器板間隔成線性比率。高電阻(例如22兆歐的電阻器90為輸入漏電提供一條回路，而將信號(hào)87保持在放大器86的工作范圍以內(nèi)。電容器88的值(例如5毫微法拉)是近似地選擇為匹配于在沒有工作臺(tái)負(fù)載條件下傳感器電容器所顯示的值的。一個(gè)同步的幅值檢測(cè)電路91將交流信號(hào)87轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)92，當(dāng)處理器80選擇這一通道用于測(cè)量時(shí)，信號(hào)92通過多路復(fù)用器82進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器81。連接器94引向與85相似的其它電路。在每秒鐘內(nèi)大約可完成五十次通過所有六個(gè)輸入端的一組完整的測(cè)量。
為了達(dá)到予期的精度，力工作臺(tái)32必須能夠以大約1%的相對(duì)精度測(cè)量幾盎司的接觸力。這些微小的力必須在存在著大而無法予測(cè)的靜載荷的條件下測(cè)量即，監(jiān)視器的重量通常在94克到364克以上。因此，有必要找出這樣一種設(shè)計(jì)使寬廣的載荷范圍并不影響經(jīng)濟(jì)性與必要的靈敏度。
由于電容器傳感器57的最小實(shí)際間隙大約是空載開口的20%，因此在45、44千克(100磅)的最大監(jiān)視器重量下，信號(hào)87的幅值可從大約5伏P-P(峰到峰)變化到大約1伏P-P。電路91與92是單位增益的，轉(zhuǎn)換器81的工作輸入范圍大約在1至5伏直流之間。具有適當(dāng)?shù)娜菰S操作極限時(shí)，它提供大約500計(jì)數(shù)/磅的靈敏度。由于均方值(RMS)噪聲大約為一個(gè)計(jì)數(shù)，90克及上的力的變化可根據(jù)其離開基線的單個(gè)轉(zhuǎn)換值差以1%或更高的精確度分辨。由于典型的觸摸力確定是基于若干次測(cè)量的一個(gè)加權(quán)平均值的，實(shí)際的最小力還要小。
一面傾斜的A/D轉(zhuǎn)換器可以是具有已知設(shè)計(jì)的能夠?qū)⒏叻直媛逝c低成本結(jié)合在一起的。所示的轉(zhuǎn)換器81可有16位的分辨率;但是作為這樣極低廉設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)物，它是無處接近16位的絕對(duì)精度所要求的線性度或抗漂移性的。然而，其非線性度是明顯的小于1%的，并且它在最壞情況下的漂移是小于每分鐘一個(gè)計(jì)數(shù)的。由于處理器80中的固件每隔少數(shù)秒或更短的時(shí)間重新計(jì)算一次基線，從而消除了作為一種誤差源的漂移。再者，由于它所關(guān)注的是微小變化的相對(duì)誤差而不是絕對(duì)誤差，這種線性度是完全夠用的。
分析所要求的遠(yuǎn)程三維力定位(手指觸摸)功能是由上面的示例性實(shí)施例以下述方式實(shí)現(xiàn)的。
在一種模式中，說明有效推力線本身(或者更具體地，具有最小力矩的作用線)的數(shù)據(jù)可能是所要求的輸出。
在另一種模式中，可以計(jì)算出該有效推力線與一個(gè)已知表面外形的交點(diǎn)，并輸出該表面內(nèi)的這一點(diǎn)的坐標(biāo)，也許還連同其它檢測(cè)到的特征，諸如力的大小。已知表面外形可以是與所支承的監(jiān)視器或其它物體的實(shí)際物理外表面一致或者只是它的一個(gè)部分，在這一情況下坐標(biāo)所指的是物理接觸的實(shí)際點(diǎn)。
最基本形式的力傳感工作臺(tái)32包括用沿周邊放置的至少三個(gè)彈簧52支承與分隔開的兩塊剛性板50，51。這些彈簧，如上所述，最好是在兩端都牢固地固定的以防止可能通過磨擦引起機(jī)械阻力的一切轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)。它們具有(當(dāng)這樣安裝時(shí))大致上相等的壓縮與剪切彈簧剛性系數(shù);每一個(gè)彈簧及各方向上這些系數(shù)通常在每磅若干個(gè)4分之一英寸的范圍內(nèi)?？偟膹椈蓜傂韵禂?shù)應(yīng)兼顧較軟支承情況下的較高靈敏度及較硬承情況下受支承質(zhì)量共振頻率提高所引起的動(dòng)力學(xué)誤差的較大自由度。
電容位移傳感器57安裝在兩塊板之間，其靈敏性位置與方向選擇為能夠有效地編制剛性運(yùn)動(dòng)的所有六個(gè)自由度。具有從上述構(gòu)造中所得到的較佳的可變幾何形狀的這些傳感器是便宜與靈敏的。在另一個(gè)實(shí)施例中，六個(gè)傳感器中的每一個(gè)包括安裝在兩塊工作臺(tái)板之一上的一個(gè)光學(xué)發(fā)射器-檢測(cè)器對(duì)，每一個(gè)的光束被支承在相對(duì)的板上的一小片分級(jí)透明膜可變地減弱(未示出)。
傳感器的輸出被檢測(cè)、度量并多路傳輸以形成對(duì)圖7的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。如前所述，由于不須要高穩(wěn)定性與完美的線性度，這種轉(zhuǎn)換器可以具有非常低廉的一面傾斜的設(shè)計(jì)而仍能提供所要求的寬廣動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)各種位移敏感數(shù)字化值被送到標(biāo)準(zhǔn)的微處理器系統(tǒng)80，它執(zhí)行應(yīng)用所要求的必要計(jì)算與格式化輸出。在這一觸屏應(yīng)用的情況中，這些操作中也可包含對(duì)其它觸屏設(shè)備的仿真。
這樣，在圖8的顯示屏幕31上觸摸一個(gè)點(diǎn)P將產(chǎn)生機(jī)械地傳遞到遠(yuǎn)程力傳感工作臺(tái)32的一個(gè)推力，該工作臺(tái)通過其六個(gè)自由度與感測(cè)靈敏度將會(huì)感測(cè)與產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所產(chǎn)生的推力矢量(圖9)的X、Y與Z坐標(biāo)分量以及伴隨的力矩矢量的滾動(dòng)、翻動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)分量的編碼信號(hào)。如圖10所示，并在下面要全面說明的，上述微處理器計(jì)算將導(dǎo)出該觸點(diǎn)的遙感到的位置，并在38上將其輸出。
力數(shù)據(jù)的使用原理圖8描繪了放置在力傳感工作臺(tái)32上的顯示器設(shè)備31，圖9與10再次表示同一系統(tǒng)，但為了圖的清楚性，顯示器與工作臺(tái)是用一個(gè)透明的立方體代替的。為了具體化，示出了一個(gè)特定的參照點(diǎn)“R”以及圖9中104所示的一個(gè)特定的坐標(biāo)系統(tǒng)。推力及平移矢量可包含磅或英寸值的X、Y、Z的計(jì)數(shù)，并且力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)矢量可包含磅-英寸或弧度的滾動(dòng)、翻動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)。雖然從圖9中所建議的方法在對(duì)稱軸上定心與對(duì)準(zhǔn)這一坐標(biāo)系可使下面要討論的矩陣的數(shù)值實(shí)例看起來比較簡(jiǎn)單，但這一選擇是任意的。為了簡(jiǎn)化，力與傳感器輸出在討論中將把它們看成是似乎只存在著時(shí)變的分量的，因?yàn)閷⒅T如顯示器重量或傳感器的基線輸出等常量加入進(jìn)去只能沒有必要地弄亂描述但并不改變其結(jié)果。
在圖10中，在其作用點(diǎn)P上畫出了一個(gè)推力矢量THRUST_R作用在P上的“推力線”定義為通過觸點(diǎn)P無限延長(zhǎng)THRUST-P所經(jīng)過的點(diǎn)的軌跡。用戶的手指與顯示器屏幕之間的實(shí)際接觸區(qū)實(shí)際上包含許多靠近P的點(diǎn)，通過這些點(diǎn)在大致上平行于THRUST-P的方向上通過組成合推力的許多無窮小的力。這意味著在P附近并且實(shí)際上在推力線上的任何點(diǎn)附近手指壓力產(chǎn)生的力矩是可以忽略不計(jì)的。由于在其它點(diǎn)上該力的力矩大小與這些點(diǎn)與該推力線之間的距離是成正比的，所以存在著一條嚴(yán)格定義的最小力矩線，對(duì)于一個(gè)稱作“簡(jiǎn)單接觸力”的力，該最小力矩線是實(shí)質(zhì)上與推力線重合的。(注意，將一個(gè)木楔插入一塊板中實(shí)際上是用手而不是用手指去觸，從而接觸力可能不是簡(jiǎn)單的;在孔中用機(jī)械鎖住銷釘可能將一個(gè)基本上無法控制的力矩通過該接觸“點(diǎn)”傳送出去。當(dāng)然，如果銷釘與孔是正方形的，則在推力線與最小力矩線之間是沒有任何關(guān)系的)。
將在下面理解，工作臺(tái)所進(jìn)行的力測(cè)量足以計(jì)算出最小力矩線。然而，從最后一次執(zhí)行用戶標(biāo)定過程以后，還要求顯示器的外表面與力板之間保持固定的關(guān)系。(這一過程實(shí)際上使工作臺(tái)知道屏幕在什么地方)。因此，傳感器數(shù)據(jù)是邏輯上足以在三維空間中以給定的適當(dāng)標(biāo)定數(shù)據(jù)(在該表面上用圖象顯示的任何二維網(wǎng)絡(luò))定位一個(gè)簡(jiǎn)單接觸力的接觸點(diǎn)的。
返回到圖10，參照點(diǎn)R用來在系統(tǒng)上表示該隨時(shí)間變化的力的綜合效應(yīng)的。為了更清楚，用長(zhǎng)方形105使包含推力線102與參照點(diǎn)R的平面成為可見的，其邊平行或垂直于推力線，并用相交面106來表示這一平面通過用來表示顯示器與力工作臺(tái)的立方體的相交面。
下面要討論的合力稱作“TF-PeR”，它包括THRUST-R與TORQUE-R在一起，并且它是作用在圖10中的點(diǎn)R上的，該合力將產(chǎn)生與在P處的觸力所產(chǎn)生的相同的工作臺(tái)上部板的運(yùn)動(dòng)與位移。這是一種已知的結(jié)論，實(shí)際上，對(duì)于任何選定的參照點(diǎn)，總有一個(gè)唯一的這種類型的合力。對(duì)于當(dāng)前的目的，將R設(shè)想為位于力傳感工作臺(tái)內(nèi)的支承系統(tǒng)的對(duì)稱中心上是方便的。(由于這是虛無空間中的一個(gè)點(diǎn)，我們必須把它設(shè)想為連接在上部板的一個(gè)無物質(zhì)的剛性延伸面上的)。
R上的等價(jià)于P上的力可用下列關(guān)系式表示THRUST-R-THRUST-P(1a)TORQUE-R＝TORQUE-P+→P叉乘THRUST-P，(1b)其中“R→P”是從點(diǎn)R到點(diǎn)P的位移矢量，而“叉乘”是指矢量叉乘。由于對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單接觸力TORQUE-P實(shí)際上為零，TORQUE-R垂直于平面105并且其大小等于THRUST-P乘以矢量R→Q的乘積。(Q為R到推力線的垂線107的垂足)?？紤]下面一個(gè)點(diǎn)“T”的位置矢量“R→T”的公式R→T＝Lambda·THRUST-R+(THRUST-R叉乘TORQUE-R)/｜THRUST-R｜∧2(2)其中成對(duì)的垂直線是理解為返回它們之間的矢量的大小的，而符號(hào)“·”、“/”與“∧”則分別表示適當(dāng)形式的乘、除與“冪”，其中“Lambda”表示一個(gè)定標(biāo)器參數(shù)。右邊第二項(xiàng)中的叉積構(gòu)成一個(gè)在R→Q方向上的矢量，其大小為R→Q·THRUST-R·TORQUE-R，從而可以看出整個(gè)第二項(xiàng)是相對(duì)于參照點(diǎn)定位點(diǎn)Q的。由于第一項(xiàng)表示THRUST-R方向上的一個(gè)任意長(zhǎng)度的矢量，THRUST-R的方向也就是THRUSTP的方向，對(duì)于某一Lambda值，T可取為推力線上任何一點(diǎn)，可以看出T的公式生成最小力矩線;但受到TORQUE-P必須為零的限制，它實(shí)際上是與推力線相同的。
從而，只要具有了足以確定出現(xiàn)在某一參照點(diǎn)(諸如R)上的作用在系統(tǒng)上的合力矢量的信息，便可以從這些信息中計(jì)算出接觸點(diǎn)。現(xiàn)在討論這一合力矢量與工作臺(tái)傳感器所測(cè)出的值之間的關(guān)系。
力數(shù)據(jù)的采集作用在系統(tǒng)上的推力與力矩使頂板(上部板)產(chǎn)生一個(gè)位移，該位移可用繞R的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)與一個(gè)平移的合成來表示。具有三個(gè)分量的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量表示為“ROTATION-R”，而具有三個(gè)分量的平移矢量則為“TRANSLATION-R”。并位移矢量“D-‘‘R”也可定義為由平移分量與轉(zhuǎn)動(dòng)分量構(gòu)成的。
在虎克定律的作用范圍內(nèi)，撓曲是用撓曲矩陣“FLEXMAT-R”描述的D-R＝FLEXMAT-R·TF-R-MEASURED(3)其中“TF-R-MEASURED”為相對(duì)于R的所有的力除非基線彈簧力的和?？紤]到下一部分中將要討論的非平衡效應(yīng)，它是與TF-PeR不同的。
考慮位于一個(gè)點(diǎn)“S”上的一個(gè)特定傳感器，它是以一個(gè)靈敏度矢量“SENSITIVITY-S”為特征的。當(dāng)在S處的頂板的剛性廣延范圍在SENSITIVITY-S的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，該傳感器給出一個(gè)最大的正響應(yīng)，該響應(yīng)等于運(yùn)動(dòng)的距離乘以SENSITIVITY-S的大小的積。當(dāng)運(yùn)動(dòng)垂直于這條線時(shí)，則沒有響應(yīng);即Response-S＝SENSITIVITY點(diǎn)乘TRANSLATION-S(4)其中“Response-S”為S上的傳感器上的傳感器數(shù)據(jù)矢量“RESPONSE”的六個(gè)角分量之一。(運(yùn)算符“點(diǎn)乘”是矢量的點(diǎn)乘)。在微小轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的幾何形狀給出TRANSLATION-S＝TRNSLATION-R+ROTATION-R叉乘R→S(5)其誤差大約為以弧度計(jì)算的二分之一轉(zhuǎn)動(dòng)大小乘該結(jié)果的值。由于所關(guān)注的轉(zhuǎn)動(dòng)小于一個(gè)弧度的千分之一，相對(duì)于所要求的精度這一誤差是無足輕重的。上述兩個(gè)關(guān)系式在一起意味著該響應(yīng)是總位移的一個(gè)線性變換，它們的相關(guān)性可概括為一個(gè)6×6的矩陣“SENSMAT-R”RESPONSE＝SENSMAT-R·D-R(6)
如果根據(jù)定義一個(gè)6×6標(biāo)定矩陣“CALMAT-R”是給定為CALMAT-R＝(SENSMAT-R·FLEXMAT-R)的逆矩陣，(7)其結(jié)果為TF-R-MEASURED＝CALMAT-R·RESPONSE(8)要使得CALMAT-R易于處理則要求FLEXMAT-R與SENSMAT-R兩者都是合理地遠(yuǎn)非奇異的。對(duì)于FLEXMAT，這意味著彈簧必須在壓縮與剪切中具有大致相同的柔量。它們還必須分開分布在與能觸摸表面大小相似的距離上，而在扭力的與平移的剛性上取得合理的平衡。至于SENSMAT-R，它意味著傳感器應(yīng)放置在并朝向于能夠作出盡可能獨(dú)立的響應(yīng)的位置與方向上。再者，它們是如何分開分布的決定了轉(zhuǎn)動(dòng)的對(duì)平移的靈敏度的關(guān)系，所要求的平衡是由接觸表面的大小設(shè)定的。
來自慣性效應(yīng)的干擾在這一點(diǎn)上，假定力是足夠緩慢地與平滑地幾乎接近靜平衡地作用的。在實(shí)際中，顯示器與工作臺(tái)的非零柔性意味著在“TF-R-MEASURED”，工作臺(tái)感測(cè)到的實(shí)際力，及TF-R，從P點(diǎn)數(shù)學(xué)地投影的合力之間存在著一種差別。
TF-R-MEASURED＝TF-PeR+TF-R-INERTIAL(9)
“TF-R-INERTIAL”為顯示器與頂板質(zhì)量參照R的反作用力。它由這一質(zhì)量的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的激發(fā)構(gòu)成。它的能譜幾乎完全局限于在一個(gè)略低于最低簡(jiǎn)振頻率的一個(gè)值以上的頻率中。
有可能要求使用標(biāo)準(zhǔn)的線性濾波技術(shù)來消除TF-R-INERTIAL的有害影響。這些技術(shù)包括取所測(cè)得的數(shù)據(jù)的各種時(shí)間加權(quán)平均值。然而，必須首先證明這些平均值在其它方式中是不會(huì)破壞接觸定位的精確性的。
考慮一個(gè)典型的接觸力在時(shí)間上的演化過程。它不只是上升與下降，還不斷地改變方向。由于瞬時(shí)推力線掃出的扇形通常對(duì)它具有某種錐形深擠壓，一個(gè)累加的平均力的推力線不一定接近任何瞬時(shí)值。然而，假定P本身并不移動(dòng)，(在公式1b中R→P為常量)，可以看出在R上的合力分量或者這些分量的任何線性變換的一個(gè)時(shí)間加權(quán)平均值對(duì)應(yīng)于在P上的瞬時(shí)力的一個(gè)類似地時(shí)間加權(quán)的平均值的分量(或者變換后的分量)。但是作用在P上的力的和合成為P上的一個(gè)力，所以從時(shí)間加權(quán)分量中計(jì)算出的推力線(“有效推力線”)必定通過P。
作用在TF-R-MEASURED上的一個(gè)線性濾波器將生成一個(gè)響應(yīng)，該響應(yīng)是濾波的TF-PeR與濾波的TF-R-INERTIAL之和。對(duì)于一個(gè)適當(dāng)?shù)臑V波器，后者接近于零，并且，如上所述，第一項(xiàng)提供計(jì)算正確接觸位置的值，從而產(chǎn)生所要求的結(jié)果。
一種有效的濾波器可具有已知的低通與/或陷波設(shè)計(jì)，最好是在微處理器系統(tǒng)80中數(shù)字地實(shí)現(xiàn)的。這樣的濾波器能有低于0.5至1乘最低簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期的一組延時(shí)，或在0.1秒范圍內(nèi)的延時(shí)。由于這短于典型的觸摸持續(xù)時(shí)間，良好的測(cè)量幅值得以保持(即，觸摸的能譜大部分位于低于TF-R-INERTIAL的頻率中)，并且使合理的響應(yīng)速度得以達(dá)到。特別值得一提的是，這一組延時(shí)大大地短于系統(tǒng)的阻尼時(shí)間一在逼近到達(dá)靜平衡之前被激發(fā)的振動(dòng)可有許多周期。
平板模型在許多情況中，一個(gè)接觸表面可用一個(gè)正確地定位的平面充分地逼近。已知將這一特殊情況應(yīng)用在觸摸應(yīng)用中能得到良好的結(jié)果，只要該表面從該平面的最大偏移不超過大約三倍所需的精度;即，對(duì)于大多數(shù)觸摸，接觸力的切向分量是法向分量的三分之一或更小。雖然將傳感器放置在這一同一平面中的實(shí)際困難有可能提高成本并在許多這樣的應(yīng)用中限制前述先有技術(shù)的可應(yīng)用性，但本發(fā)明的用于計(jì)算一個(gè)電氣模型的方法仍然提供良好的答案，該電氣模型在遙感中得到顯示器表面上的觸點(diǎn)的位置。
將該接觸表面考慮為用一種帶有坐標(biāo)“U”與“V”的二維格網(wǎng)標(biāo)記。這一網(wǎng)格的原點(diǎn)位于三維空間中的點(diǎn)“O”上，我們將它來與二維基矢量EU與EV相關(guān)聯(lián)。如果接觸點(diǎn)“P”是在網(wǎng)格中坐標(biāo)(U，V)處，我們可寫出
R→P＝R→Q+U·RU+V·EV(10)現(xiàn)在可示出，存在著三個(gè)每組六個(gè)數(shù)的組，用六個(gè)分矢量U-CAL、V-CAL及W-CAL表示，使得(在靜態(tài)極限內(nèi))U＝(U-CAL點(diǎn)乘RESPONSE)/(W-CAL點(diǎn)乘RESPONSE)(11a)V＝(V-CAL點(diǎn)乘RESONSE)/(W-CAL點(diǎn)乘RESPONSE)(11b)并且“W-CAL點(diǎn)乘RESPONSE”是與接觸力的法向分量成正比的。為了簡(jiǎn)化，定義US＝U-CAL點(diǎn)乘RESPONSE(12a)VS＝V-CAL點(diǎn)乘RESPONSE(12b)W＝W-CAL點(diǎn)乘RESPONSE(12c)由于“US”、“VS”與“W”最終只是TF-R-MEASURED的線性變換，上述濾波可應(yīng)用于這些導(dǎo)出的數(shù)據(jù)流。這時(shí)等式U＝(濾波后的US)/(濾波后的WS)(13a)V＝(濾波后的VS)/(濾波后的WS)(13b)不需要靜平衡便能緊密地逼近U與V。可監(jiān)視“濾波后的W”來確定接觸的出現(xiàn)，并且當(dāng)“濾波后的W”充分大時(shí)，便可從上式中計(jì)算出U與V的嚴(yán)格定義的值。
現(xiàn)在考慮如何能得到U-CAL、V-CAL及W-CAL的值。將顯示器設(shè)備放置在力傳感工作臺(tái)上它的位置中后，用戶運(yùn)行一個(gè)標(biāo)定過程的軟件。如果需要，這一軟件可在主計(jì)算機(jī)上運(yùn)行而不是在微處理器系統(tǒng)80上運(yùn)行。完成了這一過程之后，標(biāo)定值經(jīng)由通信鏈路38卸載，用于存儲(chǔ)在作為80的一部分的一個(gè)小型非易失性存儲(chǔ)器中，該系統(tǒng)便準(zhǔn)備好可以使用了。
為了方便起見，假定用在顯示屏上的網(wǎng)格在左下角上的坐標(biāo)＜U，V＞＝＜O，O＞，并且在右上角的＜U，V＞＝＜1，1＞。標(biāo)定本身可被執(zhí)行如下順次地使屏幕四角上的四個(gè)點(diǎn)＜O，O＞、＜O，1＞、＜1，O＞及＜1，1＞發(fā)光，并在每一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)指示用戶在每一個(gè)點(diǎn)上按三次?？梢赃M(jìn)一步指示用戶故意用改變方向的側(cè)向力去觸摸，因?yàn)檫@樣做可以更精確地標(biāo)定對(duì)切向分量的響應(yīng)。力的大小與每次觸摸的方向是無關(guān)緊要的;只要求每次觸摸是小心地在所指示的點(diǎn)上進(jìn)行的。
在U＝O作出的六次測(cè)量中的每一次，“U-CAL點(diǎn)乘RESPONSE”也必定是零，因?yàn)椤癢”肯定不會(huì)是無窮大。U-CAL是將這六個(gè)測(cè)量值集中在一起所構(gòu)成的矩陣的零空間中的一個(gè)矢量，它的一個(gè)稱作“U-CAL-A”的純量倍數(shù)能以標(biāo)準(zhǔn)的方法抽取。V-CAL的一個(gè)類似的倍數(shù)“V-CAL-B”也可從V＝O的觸摸中確定。雖然將標(biāo)定矢量的任意倍數(shù)集中在一起便足夠了，但相對(duì)定標(biāo)必須是一致的。定義a＝U-CAl-A/UCAlb＝V-CAL-B/VCAl。
用11b去除11a，然后將兩邊都乘以a/b，我們?cè)冢糹，i＞上的觸摸得到
a/b＝(U-CAL-A點(diǎn)乘RESPONSE/(V-CAL-B點(diǎn)乘RESPONSE)(15)a/b的值便是從這樣一次觸摸中確定的，或者是作為這樣導(dǎo)出的比值的平均值確定的。這時(shí)，V-CAL-A(a/b)·V-CAL-B(16)對(duì)U-1的六個(gè)觸摸中的每一個(gè)使用等式11aZ-CAL-A點(diǎn)乘RESPONSE＝U-CAL-A點(diǎn)乘RESPONSE(17)將從六個(gè)右手邊中計(jì)算出的六個(gè)數(shù)集中在一起，并予先將這一矢量乘以對(duì)應(yīng)的測(cè)量值的逆矩陣，便得出Z-CAL-A而該過程完成。
一個(gè)非平面模型現(xiàn)在簡(jiǎn)要地考慮更廣義的非平面情況中的一種方法。
在工廠中，每一個(gè)工作臺(tái)可在一個(gè)專門設(shè)計(jì)的夾緊裝置中預(yù)標(biāo)定，該夾緊裝置提供一組六個(gè)精確的已知力。這些力是這樣選擇的，使得這些根據(jù)一個(gè)特定的參照點(diǎn)與坐標(biāo)系統(tǒng)表示的(諸如R與104)，這些力的矩陣是可逆的。然后將該測(cè)量值矩陣乘以這一逆矩陣，得出所需要的標(biāo)定矩陣(上述CALMAT-R)，將它存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。
在現(xiàn)場(chǎng)，用戶標(biāo)定過程向用戶提供顯示器中心的一個(gè)點(diǎn)及四邊的四個(gè)中點(diǎn)。在每一個(gè)點(diǎn)上要求兩次在不同方向上的觸摸，并從推力線對(duì)的交點(diǎn)中確定空間中的點(diǎn)位置。由于這些線對(duì)并不精確地相交，所以用垂直于兩條線的線段的中點(diǎn)作為“交點(diǎn)”的代用品。如果該線段太長(zhǎng)，或者一對(duì)中的兩條線太接近于平行，則提示用戶重復(fù)觸摸該點(diǎn)?，F(xiàn)在確定了最符合(在RMS含義中)該五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平面、垂直方向上的圓柱面及球面。比較每一個(gè)的符合質(zhì)量并保存最接近地通過所有這些點(diǎn)的圖形，供以后使用。這里所試驗(yàn)的三類形狀是顯示器表面最常用的幾何形狀)。
在應(yīng)用中，可使用工廠標(biāo)定矩陣按照上述等式2并適當(dāng)?shù)厥褂脗鞲衅鲾?shù)據(jù)的濾波來計(jì)算推力線。從用戶標(biāo)定中得到的信息便可用于計(jì)算三維空間中的表面交點(diǎn)，經(jīng)由38用矩形平面網(wǎng)格的二維坐標(biāo)報(bào)告這一交點(diǎn)的位置，當(dāng)將它垂直投影到該假想的表面上時(shí)，便將五個(gè)測(cè)試點(diǎn)放置在正確的位置上。
再扼要重述一次，在剛才描述的應(yīng)用中，在該實(shí)施例本身中明確地使用了諸如推力線以及R上的合力的分力等實(shí)體，這些都是在分析中提出的。在平面情況的應(yīng)用中，雖然它們是用于開發(fā)實(shí)施例的，但并不需要在該實(shí)施例中出現(xiàn)。從而，可以看出本發(fā)明的范圍內(nèi)的兩種不同的實(shí)施例可能使用在結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)上完全不同的計(jì)算方法中。根據(jù)本發(fā)明，它們具有的共同點(diǎn)為(1)使用了響應(yīng)剛體運(yùn)動(dòng)的所有六個(gè)自由度的力傳感裝置;以及(2)從所述力傳感裝置的輸出中計(jì)算一個(gè)接觸點(diǎn)的位置的計(jì)算裝置;對(duì)于所有受到關(guān)注的潛在接觸點(diǎn)，包括那些從傳感器平面上適當(dāng)?shù)叵?，這種計(jì)算出的位置基本上不含由于存在著該接觸力的一個(gè)無法予測(cè)的切向分力而引起的誤差。
本發(fā)明所提出的平面處的傳感器所提供的信息真正是在理論上足以在前述切向力分量中消除誤差的。雖然所提供的是用于執(zhí)行所要求的計(jì)算的各階段的特定實(shí)際技術(shù)，然而，存在著許多可以執(zhí)行這些計(jì)算的方法，而且在諸如傳感器的位置與朝向、傳感器的種類、支承的類型等方面存在著許多變化。
概述與先有技術(shù)的區(qū)別總而言之，至少在三個(gè)方面，作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的方法學(xué)與上面描述的以及其它的先有技術(shù)不同，并且它們是構(gòu)成本發(fā)明所取得的新穎結(jié)果的主要原因。
第一，本發(fā)明使用了響應(yīng)作用力與力矩的所有六個(gè)自由度的力傳感裝置。反之，先有技術(shù)方法故意回避它們不響應(yīng)切向分力的問題。
第二、本發(fā)明能夠取得離開傳感器平面的力位置，盡管存在著這些切向分力。
第三、本發(fā)明從所關(guān)注的表面內(nèi)的所有點(diǎn)中計(jì)算出具有最小的三維力矩矢量值的點(diǎn)，然后將這一點(diǎn)作為所關(guān)注的表面與一個(gè)接觸力的推力線的交點(diǎn)的一種估計(jì)值輸出。
對(duì)于這一表面的所有配置，這一點(diǎn)都是與先有的感測(cè)或計(jì)算方法不同的，下面進(jìn)一步說明以上各特征清楚地使本發(fā)明區(qū)別于上述先有技術(shù)及可以借助它們得出的結(jié)果。
另一方面，以前說明的先有技術(shù)方法報(bào)告的是傳感器的平面中的這樣一個(gè)位置，在這一位置上一個(gè)確定的二維力矩矢量的值為零。這一矢量可以看作是在該點(diǎn)上的真正的三維力矩矢量在傳感器平面上各空間點(diǎn)上的投影。本發(fā)明的方法不但在允許所關(guān)注的表面可以是曲面形的以及真正地遠(yuǎn)離傳感器平面方面遠(yuǎn)比先有技術(shù)廣義，并且還在概念上與數(shù)值上在將先有技術(shù)應(yīng)用于包含這些傳感器的一個(gè)扁平平面上時(shí)與它們不同。
為了弄清楚這一點(diǎn)，考慮以下情況支承一塊在其四角上帶有根據(jù)先有技術(shù)工作的傳感器的板。將這一整個(gè)裝置放置在本發(fā)明的一個(gè)設(shè)備上，使得在該板上的接觸位置可以同時(shí)被兩種方法讀出。與該表面成45°角(或者任何不是完全垂直的角度)在板上擰入一個(gè)螺絲。再以45°角將螺絲P壓在螺絲釘頭上，但不要扭轉(zhuǎn)。在這一點(diǎn)上，兩種方法都將報(bào)告正確的接觸位置。
在該接觸點(diǎn)上，二維與二維力矩矢量?jī)啥紴榱恪ＨS力矩矢量場(chǎng)可看成是以推力線為中心的等長(zhǎng)箭頭的圓柱面，各柱面的箭頭長(zhǎng)度與柱面的半徑成正比例增加。獨(dú)立的箭頭位于垂直于該推力線的位置上，并以一種環(huán)狀方式繞著該推力線互相跟隨著。
現(xiàn)在，當(dāng)將螺絲刀向右扭轉(zhuǎn)時(shí)，在接觸點(diǎn)上便出現(xiàn)一個(gè)非零的力矩矢量，它是平行于推力線指向該板中的。這一分量是表現(xiàn)為均勻地加在整個(gè)場(chǎng)中的，加長(zhǎng)各處的箭頭并將它們?cè)谝欢ǔ潭壬蠌澢酵屏Ψ较蛏系狞c(diǎn)上(現(xiàn)在它們表現(xiàn)為在右手螺旋線中一個(gè)跟隨著一個(gè))。
由于最小值仍在沿推力線的方向上，在那里只存在平行的分量，只有本發(fā)明的方法繼續(xù)報(bào)告正確的接觸點(diǎn)。接觸點(diǎn)上的平行分量的二維投影不能為零，由于它是相對(duì)于表面法線傾斜的(對(duì)于一切實(shí)際的力，它至少在一定程度上總是這樣的)。然而，偏離了推力線，力矩場(chǎng)的螺旋狀傾斜會(huì)使某一特定矢量的二維投影在一個(gè)附加的點(diǎn)上消失。
設(shè)想板是水平的而螺絲刀則是向戶用傾斜的，具有一條通過接觸點(diǎn)畫在板上的線，與該推力線成直角向右延伸。在這一條線上任取一點(diǎn)，例如距離螺絲刀2英寸的一個(gè)點(diǎn)。用1磅力壓在螺絲上，而用螺絲刀作用一個(gè)二磅英寸的順時(shí)針方向上的力矩。由推力引起的力矩分量具有2磅英寸的值并從對(duì)向用戶成45度的傾斜角指向板中。由扭轉(zhuǎn)引起的力矩分量的值也是2磅英寸但從離開用戶成45度的傾斜角指向板中。它們的合力矩值為2.818磅英寸，垂直于該板。因此，它在表面上的投影為零值;這便是先有技術(shù)方法作為接觸位置報(bào)告的附加的點(diǎn)的位置。
注意，前面描述的標(biāo)定方法并不一定定義一個(gè)與顯示器設(shè)置的外表面重合的關(guān)注的表面。當(dāng)用戶“通過”屏幕的發(fā)光點(diǎn)從兩個(gè)以上的不同方向上觸摸時(shí)，用戶很可能正在觸摸該表面上物理上不同的點(diǎn)。從而，在使用具有厚的玻璃熒光屏的陰極射線管監(jiān)視器時(shí)，所關(guān)注的表面是位于熒光物質(zhì)所在處的;這一表面可以通過標(biāo)定過程的作用在應(yīng)用中蘊(yùn)含地定義，從而容許設(shè)備投影一個(gè)匹配的虛擬響應(yīng)表面。推力線與這一響應(yīng)表面的交點(diǎn)是通過在該虛擬響應(yīng)表面內(nèi)找出具有最小的三維力矩矢量的點(diǎn)來緊密地逼近的。
本發(fā)明的方法與先有技術(shù)的區(qū)別在于在本發(fā)明的方法所報(bào)告的表面內(nèi)的相交位置上，三維力矩矢量為最小值(即具有最小長(zhǎng)度)。無疑這可作為對(duì)本發(fā)明的獨(dú)一無二的計(jì)算要求的一種說明。
熟悉本技術(shù)的人員還可作出進(jìn)一步的修改，例如根據(jù)要求選用具有相似功能的其它種類的彈簧與傳感器;以及將外部力傳感工作臺(tái)放置在其它位置上，這些位置可以接觸或接近或觸及監(jiān)視器或其它裝置，這些裝置帶有要在其上定位觸摸或其它接觸事件的表面，其中包括為了更普遍的應(yīng)用，將其放置在所支持的裝置內(nèi)部或后方。所有這些工作臺(tái)或物體支持或者支撐具有任何形狀的一個(gè)關(guān)注的表面，在這里籠統(tǒng)地稱作“顯示器裝置”的一個(gè)“顯示器表面部分”或者類似的名詞。再者，可以想象更廣義的“關(guān)注的表面”?？紤]這樣一樣情況，當(dāng)一位顧客壓在并指向一臺(tái)售貨機(jī)內(nèi)部遠(yuǎn)處的所要的物體時(shí)作用在該機(jī)器的玻璃窗口上的力。各物體的表面便是一個(gè)“關(guān)注的表面”，它潛在地與最小力矩線相交。例如，一位醫(yī)學(xué)院學(xué)生可能指點(diǎn)一個(gè)不透明的人體模型的軀干內(nèi)部的看不見的器管;模型可能是相當(dāng)空的，但還是可以找出對(duì)應(yīng)于如果模型是真的人體時(shí)應(yīng)該在那里的器管的關(guān)注的表面的數(shù)學(xué)描述。熟悉本技術(shù)的人員將會(huì)容易地看出在整體計(jì)算裝置中是怎樣充分地描述這些表面的，以及本發(fā)明的方法是如何應(yīng)用于這些或其它特定情況中的。從而“關(guān)注的表面”以及對(duì)應(yīng)的所要求的“虛擬響應(yīng)表面”是由應(yīng)用與用戶的意圖所定義的，而并不局限于本發(fā)明所描述的模式的特定說明。同時(shí)還應(yīng)理解上而所述的這一點(diǎn)，本發(fā)明對(duì)于陰極射線管以外的其它類型的電光顯示器表面也是有用的，其中包括，但不限于，LCD與LED顯示器。這些與其它指出的修改是被認(rèn)為是落在所附的權(quán)利要求書中所定義的本發(fā)明的精神與范圍中的。
權(quán)利要求
1.一種在顯示器裝置上的一個(gè)顯示器表面部分上確定觸摸位置的方法，包括將該顯示器裝置接觸在設(shè)置在遠(yuǎn)離該顯示器表面部分的位置上的一個(gè)力傳感工作臺(tái)上，該工作臺(tái)綜合地具有足夠的自由度與感測(cè)靈敏度能夠?qū)τ|摸該顯示器表面部分的一個(gè)點(diǎn)的推力作出響應(yīng)來感測(cè)所產(chǎn)生的推力矢量的坐標(biāo)分量以及相伴隨的力矩矢量的分量；從感測(cè)到的力計(jì)算出該顯示器表面部分上的一個(gè)位置，相對(duì)于這一位置，該測(cè)出的力基本上具有最小的力矩；以及作為所述觸摸點(diǎn)的一個(gè)估值，輸出所得到的遙測(cè)到的位置。
2.如權(quán)利要求1中所提出的一種方法，其中該力的感測(cè)是響應(yīng)該顯示器裝置的剛性運(yùn)動(dòng)的六個(gè)角自由度的，其中包括所得到的推力矢量在X、Y與Z軸上的坐標(biāo)分量，以及由所述觸摸導(dǎo)致的伴隨力矩矢量的滾動(dòng)、翻動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)分量。
3.如權(quán)利要求2中所提出的一種方法，其中所述感測(cè)是通過在構(gòu)成該工作臺(tái)的一對(duì)分開的平行板之間的彈簧的支承作用以及將該顯示裝置接觸在遠(yuǎn)離其顯示器表面部分的一個(gè)區(qū)域上來實(shí)行的。
4.一種在一個(gè)裝置所攜帶的一個(gè)表面上確定觸摸位置的方法，包括將裝置在遠(yuǎn)離所述表面的一個(gè)區(qū)域上接觸在一個(gè)力傳感裝置上，該力傳感裝置綜合地具有足夠的自由度與感測(cè)靈敏度，響應(yīng)觸摸該表面的一個(gè)點(diǎn)的推力，來感測(cè)得到的推力矢量的坐標(biāo)分量以及伴隨的力矩矢量的分量;從感測(cè)到的力中計(jì)算一條最小力矩線上的一個(gè)位置以提供該表面的一個(gè)交點(diǎn);以及將該得到的遙感位置作為所述觸摸點(diǎn)的一個(gè)估計(jì)值輸出。
5.如權(quán)利要求4中所提出的一種方法，其中所述計(jì)算包括從該感測(cè)到的力中建立一個(gè)電氣模型，該模型在一個(gè)參照點(diǎn)上包含垂直于包含該推力與力矩矢量的一個(gè)方向，沿所述方向延伸一個(gè)等于該力矩矢量除以該推力矢量的值的一個(gè)距離到達(dá)一個(gè)最接近該參照點(diǎn)的一條推力線上的一個(gè)位置;以及通過所述點(diǎn)延伸該推力矢量以提供該顯示器表面的一個(gè)交點(diǎn)。
6.一種在顯示器裝置的一個(gè)顯示器表面上確定觸摸位置的方法，包括將該顯示器裝置接觸在一個(gè)力感測(cè)工作臺(tái)上，該工作臺(tái)是設(shè)置在遠(yuǎn)離該顯示器表面部分本身的位置上的并且能夠?qū)挠|摸該顯示器裝置的所述顯示器表面部分所產(chǎn)生的力與力矩矢量的所有六個(gè)剛性運(yùn)動(dòng)自由度作出響應(yīng);在工作臺(tái)上感測(cè)由這種對(duì)該顯示器表面部分的觸摸所產(chǎn)生的力;從所感測(cè)到的力中計(jì)算出該顯示器表面部分上的一個(gè)位置，相對(duì)于該位置，等價(jià)于該感測(cè)到的力的力基本上具有最小的力矩值;以及作為該觸摸點(diǎn)的一個(gè)估計(jì)值輸出所得出的遙感到的位置。
7.權(quán)利要求6中所提出的一種方法，其中所述計(jì)算包括從該顯示器表面內(nèi)的所有點(diǎn)中計(jì)算出所述力矩矢量在三個(gè)維度上具有最小值的點(diǎn)。
8.一種在一個(gè)裝置的一個(gè)表面上確定觸摸位置的方法，包括將該裝置接觸在力傳感裝置上，該力傳感裝置是設(shè)置在遠(yuǎn)離該表面本身的位置上的并且能夠?qū)τ捎|摸所述表面產(chǎn)生的力與力矩矢量的所有六個(gè)剛性運(yùn)動(dòng)自由度作出響應(yīng);在所述力傳感裝置上感測(cè)由對(duì)該表面的觸摸所產(chǎn)生的力;從所感測(cè)到的力中計(jì)算出所述表面上的一個(gè)位置，相對(duì)于該位置，等價(jià)于感測(cè)到的力的力具有在本上最小的力矩值;以及作為該觸摸點(diǎn)的一個(gè)估計(jì)值輸出所得到的遙感到的位置。
9.權(quán)利要求8中所提出的一種方法，其中所述裝置包括一個(gè)計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，并且所述觸摸是用一位用戶的一只手、一根觸針或其它工具實(shí)行的。
10.權(quán)利要求8中所提出的一種方法，其中該計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備包含一個(gè)計(jì)算機(jī)顯示器設(shè)備。
11.權(quán)利要求8中所提出的一種方法，其中所述表面是實(shí)際上與一個(gè)可見的顯示表面重合的一個(gè)虛擬響應(yīng)表面。
12.權(quán)利要求11中所提出的一種方法，其中該虛擬響應(yīng)表面是實(shí)際上與覆蓋所述可見顯示表面的一個(gè)外部物理表面重合的。
13.一種觸屏感測(cè)裝置，用于一臺(tái)裝有一個(gè)顯示屏幕的監(jiān)視器，該感測(cè)裝置具有將該監(jiān)視器接觸在其一個(gè)遠(yuǎn)離該顯示屏幕的區(qū)域上的力傳感工作臺(tái)裝置;該工作臺(tái)裝置設(shè)置有足夠數(shù)目與自由度的傳感器裝置，這些傳感器裝置響應(yīng)觸摸該顯示屏幕時(shí)所產(chǎn)生的推力，感測(cè)對(duì)應(yīng)于得到的該推力矢量的坐標(biāo)分量及伴隨的力矩矢量的分量的測(cè)量值;用于從所述感測(cè)到的力中計(jì)算出在該顯示屏幕上的一個(gè)位置的裝置，相對(duì)于該位置，該測(cè)量得的力具有基本上最小的力矩值;以及用于作為所述觸摸點(diǎn)的一個(gè)估計(jì)值輸出所得到的遙測(cè)位置的裝置。
14.如權(quán)利要求13中所提出的裝置，其中該傳感器裝置提供六個(gè)自由度，感測(cè)該推力矢量的X、Y與Z坐標(biāo)分量及該伴隨力矩矢量的滾動(dòng)、翻動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)分量的線性無關(guān)組合。
15.如權(quán)利要求14中所提出的裝置，其中該監(jiān)視器倚靠在該工作臺(tái)裝置上。
16.如權(quán)利要求15中所提出的裝置，其中該工作臺(tái)裝置包括一對(duì)用彈簧連接的分開的平行板。
17.如權(quán)利要求13中所提出的裝置，其中該計(jì)算裝置包括一個(gè)微處理器，該微處理器設(shè)置有一個(gè)用于人編碼中建立一個(gè)電氣模型的裝置，該模型在一個(gè)參照點(diǎn)上包括一個(gè)垂直于包含該推力與力矩矢量的平面的方向用于沿所述方向延伸一段等于該力矩矢量的值除以該推力矢量的值的距離到達(dá)最接近于該參照點(diǎn)的一條推力線上的一個(gè)位置，并用于通過所述點(diǎn)延伸該推力矢量以提供該顯示器表面的一個(gè)交點(diǎn)的裝置。
18.如權(quán)利要求15中所提出的裝置，其中設(shè)置了用于在該工作臺(tái)裝置上保證精確與可重復(fù)地定位該監(jiān)視器的裝置。
19.如權(quán)利要求17中所提出的裝置，其中該力傳感工作臺(tái)裝置裝設(shè)有多個(gè)分布的傳感器，這些傳感器的位置與方向的靈敏度足以以對(duì)應(yīng)的傳感器輸出響應(yīng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的所有六個(gè)自由度。
20.如權(quán)利要求19中所提出的裝置，其中設(shè)置了分別用于檢測(cè)、定標(biāo)與多路傳輸所述傳感器輸出以及通過一個(gè)斜率型A/D轉(zhuǎn)換器將它傳送給所述處理器的裝置。
全文摘要
在一個(gè)顯示器外部定位觸摸力的方法和裝置，包括一個(gè)支承或在外部接觸顯示屏幕監(jiān)示器裝置的力傳感工作臺(tái)，并響應(yīng)于由觸摸該顯示器屏幕的一個(gè)點(diǎn)的推力所產(chǎn)生的力，來感測(cè)與計(jì)算觸摸點(diǎn)的位置。采用能對(duì)觸摸力與力矩的所有六個(gè)自由度作出響應(yīng)的力傳感裝置，能夠定位離開傳感器平面的力并且不考慮切向力分量。
文檔編號(hào)G08C21/00GK1096387SQ93106780
公開日1994年12月14日 申請(qǐng)日期1993年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月8日
發(fā)明者杰瑞B(yǎng)·羅伯茨 申請(qǐng)人:維薩芝公司