专利名称：单手转动式多功能计算机键盘装置的制作方法
1、所属技术领域及主要特点本发明涉及一种属于计算机外部设备的多功能计算机键盘装置(以下简称“键盘装置”)，以及由其相关硬件和软件组成的计算机键盘系统(以下简称“键盘系统”)(1)。发明的特点在于键盘系统可实现同一键位输入多项字符，其转换由手掌转动键盘来完成；通过专用程序，可在操作界面上显示键盘的当前字符来指示操作，可以由用户自定义字符，可使键盘系统的字符容量扩大；键盘装置体形小巧，操作方便快捷；利用键盘可单手握持、能转动和特有的按键设计，可以增加鼠标功能。键盘装置供单手使用，本说明书以左手键盘装置为说明对象。在一般使用场合推荐使用左手键盘装置，右手进行其他工作。根据不同需要，实际产品也可以制造右手键盘装置或双键盘装置供双手单独或同时使用，其设计原理和专利要求不变。
2、技术背景目前绝大多数计算机所使用的键盘为101K标准键盘及其改进产品。计算机问世以来经过了数次换代，其软硬件技术一直在不断更新。同时相关的外部设备也在随着计算机核心技术的进步而不断更新其设计原理和工作方法，以求充分利用日益丰富的相关技术资源。与多媒体传输、打印、显示和网络连接等设备比较而言，键盘这一计算机必备的输入设备却没有发生大的变化。从早期的IBMPC机的85K的键盘到现在的101K标准键盘，在键盘布局和操作方式方面一直在沿袭基于机械制造技术的英文打字机(2)。在这种形式下的键盘只有击键动作转化为输入信号，人手的其他动作未能加以利用。尽管随着计算机功能的日益强大，键盘功能也进行了相应的扩充，同时也不断有人在进行各种改进，但其基本形式，尤其是操作方式并没有实现根本性变革。目前的101K标准键盘及其改进产品盘面大，需要双手操作，其适宜操作的高度低办公桌，所以需要象打字机一样在专用的台面上以固定姿势操作，同时其盘面布局和击键动作也还在基本沿用打字机的方式。由于其基本形式的局限，使得这种类型的键盘还存在若干不足并难以改进，如按键字符固定，上档字符输入不便，100多个按键只有少数不需要看盘找键；字符容量小，直接输入的符号只有47个，连同Shift键和Caps Lock键切换，能输入的符号也不过94个，导致不少常用符号需使用鼠标在操作界面上查找；无法通过屏幕显示来指示输入，等等。
本发明所涉及的键盘装置其基本外观和结构均不同于公知的标准键盘及其改进形式，这种形式上的改变可以形成一种不同于标准键盘的输入方法，使得计算机键盘输入从功能和操作便捷方面都得到进一步改善成为可能。
3、本发明的目的及实现目的的思路本发明的目的及实现目的的思路是设计一种键盘装置及其配套软件组成的键盘系统，使手掌带动键盘转动成为一种输入信号，在手指击键时用这种信号来进行多种输入字符的转换，即实现同一键位输入多种字符的功能。由于手掌带动键盘转动与手指击键互不干扰，就使得操作更为流畅和便捷。由于同一键位可以输入多种字符，就能大幅度减少键盘的按键数目和键盘体积，直到可以单手操作并可以轻松地带动键盘转动；这一特点加上特殊的按键设计可增设鼠标功能。由于上述设计从根本上改变了键盘的按键布局形式和和一个按键只可直接输入一个字符的输入方式，再进一步利用计算机本身强大的信息处理能力，能够使由键盘输入的字符得到充分扩展；为使这一功能更具实用价值，就需要设置用户对字符自定义的功能，以便满足不同用户的个性需求。此外由于同一键位所代表的字符众多，既难记，也无法在键位上一一标识，所以需要设置当前待输入字符显示功能，即在屏幕上开设键位显示窗口，把当前字符显示在相应键位上起到指示输入的作用，这样利于手眼配合，使操作更容易掌握。
4、发明内容发明的内容由以下的具体实施例及其附图给出。
4.1键盘装置的基本形式与结构对照附图附
图1是键盘装置的透视图，该图给出了键盘装置的外观，其大小与人手相当，具体产品可提供不同型号供用户选择。附图2、3是键盘装置的3个投影图，这3张附图是键盘装置闲置时的状态。按照键盘装置工作时相对操作者的方位，下文所指的前、后、左、右、上、下分别为主视图的右边、左边、正面、后面、上方、下方。如附图所示，键盘装置由键盘(1)、底盘(2)、掌托(3)、2个滚轮(5)组成，各部件的设计特点、相互关系和工作状态如下(1)底盘和2个滚轮装在键盘的下面，键盘装置置于工作平面(桌面)，操作时底盘不动，键盘在底盘和滚轮的承载下，通过手掌带动可在平面上以底盘中心为轴心转动，即底盘为键盘转动的参照物，滚轮则可减小键盘转动阻力。键盘和滚轮的转动均可驱动键盘系统的转换元件或鼠标的移动元件。
(2)掌托位于键盘上方的后半部，在接近后端的部位由内置的转轴(8)和可向下压缩的弹性元件与键盘连接，通过手掌的按压可相对键盘作垂直方向转动。掌托造型设计的一个重要特点是在操作时，手腕位于键盘后端，手掌自然放置其上，掌托上部的曲面与掌心相贴合，此时中指根部恰好被夹在掌托前端的2个指卡(4)之间。键盘装置闲置时，掌托可通过内置机构将其锁定在下限位置，操作时弹起。操作时腕部不移动，这样在手指敲击前端击点时自然伸开，手掌随之将掌托按下，反之则弹起。附图3为手与掌托活动状态的示意图，同时也给出了手掌在键盘上的位置。其中a图为掌托锁定状态，b、c、d、e、f图分别为中指在各个位置击键时的状态。掌托位置的上限为敲击中指后键(16)时的位置，如图4f所示。这样在操作过程中，掌托不离开手掌，手掌左右转动时通过中指带动指卡使键盘随之转动。
(3)键盘上装有一组(14个)按键(9-22)，在实际产品中按键数可能有所增减。按键名称及键位代号见表1。盘面按附图所示的方式布局，其设计特点是用上文所述、也是本说明书所给出的手掌位置操作，每个手指对应2到3个按键，除键9、12、19、22外各手指的对应键均按其伸屈方向布置，因此这些键均可只通过手指的伸屈来找到所需键位。所有键位都无需通过移动手掌和看键盘来寻找。键13、15、17是3个长条形按键，分别由食指、中指和无名指操作，每键有前、中、后三个键位，是键盘装置的高频键，其余每个按键一个键位。因此键盘有20个键位。
表1按键键名、键位代号
(4)在键盘的右侧(3)装有两组指示灯(6、7)，其中6为键区指示灯，7为盘位指示灯，用来指示键盘系统当前所处键区和盘位。
4.2键盘系统的设置和功能本发明所涉及的键盘系统是由具有上述特征的键盘装置和配套电路、程序及操作方法组成的。由于在电路和程序方面相关技术资源非常丰富，所以能达到系统需要的解决方案会有多种选择；同时本发明具有广泛的适用性，实际产品会随所配的计算机或产品档次、使用场合不同而使所需技术条件也有所不同，而这些也将主要反映在电路和程序上。因此，为了在具体实施时在选择相关应用技术上更具灵活性，本专利将不对电路和程序的具体技术方案做出规定，在使本发明所属领域的专业人员能够予以实施的原则下，仅涉及其必要的特征、所表现的功能以及特有的工作方法。下面将按上述原则对键盘系统的功能和操作方法，以及与此相关的键盘装置其他构造和工作情况作进一步说明。
本发明所涉及的输入方法其基本特点在于利用键盘转动产生转换信号，使得键盘从一个位置转动到另一个位置时，在同一键位可输入不同的字符。实现这一输入方法并使之可操作是由键盘系统的一系列设置及其功能形成的。
4.2.1字符位矩阵的设置在键盘系统中需要通过程序建立一个虚拟的键盘，虚拟键盘为一字符位矩阵，这个矩阵既表现为键盘发出的操作信号与输入计算机的内容之间的交换平台，也表现为用户与键盘系统进行交流的平台。矩阵中的每一个点设置为一个可定义输入字符的字符位，它的每一行对应一个键盘上的键位，代表该键位所能输入的字符；它的每一列对应一个“盘位”，代表一种转换状态。矩阵与实际操作关系是转动键盘就是在转换盘位，键盘置于某一盘位，就是矩阵中该盘位的对应列被选而置于当前状态；此时敲击键位，就是该行被选，行与列交点的字符位上定义的字符就被输入。
盘位是由键盘对底盘的相对位置来确定的。在实际操作中，人手由于受腕关节活动能力所限，在击键的同时带动键盘转动的角度是有限的。在手臂不动的情况下，手掌沿水平方向转动的角度约为60°，所以转换盘位的转动要在这个范围内进行。为了盘位转换的操作便于掌握，每个盘位需占用一定的角度。本实例每个盘位占8°，设置了7个盘位，也就是说这7个盘位之间可以直接相互转换。在矩阵中，这7个可以相互直接转换的盘位所对应的7列所组成的子矩阵在本说明书中被称作虚拟键盘的“键区”。可以看出，在实际操作中，除了需要规定转换盘位的操作，即在矩阵中选列外，还需要规定转换键区——即选子矩阵的操作。
在本实施例中，虚拟键盘有3个键区，每个键区有7个盘位，即字符位矩阵分为3个子矩阵，每个子矩阵为7列、20行(与键盘的20个键位对应)，因此矩阵为20行21列，共有420个字符位，见表2。在实际产品中还可以通过建立子矩阵再增加键区、扩充字符位以进一步扩大键盘系统的容量。每个字符位可以定义一个字符，为了方便操作，同一字符可以在多个字符位上定义。在表2中已定义的为默认字符，是标准键盘可输入的字符，其余空格为待定义的字符位。
4.2.2字符、盘位、键区及其操作功能字符是手指敲击键位所对应的输入内容，一次击键输入一个字符。在本发明中，其内容可以是一般的键盘符号、操控指令，也可以是由用户自定义的其他内容。
键盘每转换一个盘位，键位对应的当前字符被更换一次。最中间的4号盘位为优先盘位，键盘每次启动，键盘系统将自动设置在该盘位，以后向左转动依次为3号盘位、2号盘位、1号盘位，向右依次为5号盘位、6号盘位、7号盘位。附图4为盘位示意图(图中的刻度为假想)，下图为键盘相对位置，上图为该盘位相应键位的当前字符，也是屏幕显示的内容。该图具体表示本实例键盘系统处于键区II的4号盘位(a图)和6号盘位(b图)时的状态。
本实例设置了3个键区，I为自定义区，II为字母符号区，III为功能键区。有两种转换方式，一是设定专用转换键位或字符，一是将盘位超限转动如键盘系统处于键区II，则转动键盘向左超过1号盘位，则进入键区I的1号盘位；向右超过7号盘位，则进入键区III的7号盘位。
键盘系统的盘位转换信号可由键盘与底盘或键盘与滚轮之间的相对运动驱动转换元件给出。两种运动及其所驱动的转换元件都不设死点，即均可自由转动，盘位的起始点由键盘系统启动时的盘位自动设置为最中间的优先盘位来确定，键区则是上次使用的键区。转动幅度超过盘位限则转换为与原键区相邻的另一键区(见上)，更大的幅度为无效操作(4)。在盘位转换功能上有3个特点(1)自动置中如上所述，在本实例中每个键位所的占键盘转动角度为8°，也就是说每个盘位有8°的活动范围，超过这8°就会转换到另一个键位。在实际操作中，每次击键后键盘系统就会把盘位自动置于这个盘位的中点，这就是自动置中。如果要转换盘位，就需要向左或向右转动4°以上，如果要转换的盘位与原盘位相邻，则转动幅度R为4°＜R＜8°；如果中间隔有n个盘位相邻时n＝0)，则有(1+2n)*4°＜R＜(1+n)*8°。
这一功能可以避免因在同一盘位多次击键后造成不需要的自动转换。
(2)超位换区此功能已在“键区”说明中做了详细表述。这里需要补充的是若超位幅度大于8°则直接转换到下一个键区，如1号键区与3号键区之间的直接转换；若无键区可换则为无效操作，如1号键区向左转动或3号键区向右转动。
(3)随时归位由于有自动置中功能的累积误差或经多次超位换区，盘位的实际位置会发生变化，为了能够恢复到合适的位置以便操作，需要有随时归位功能。为此在掌托的锁定位设一归位点，按下掌托盘位自动回复到本键区的优先盘位。
4.2.3掌托的操作功能在本实例中，13、15、17键各有3个键位，这3个键位之间的转换是由置于键盘和掌托之间的转换电路实现的，方法如上文所述，手指在分别击打上、中、下3个键位时相应掌托的位置也不同，因而随之实现了转换。在实际产品中如不设鼠标功能，也可以各分为3个按键。不过由于这9个键位是高频键位，如果分为开在快速击键时易误击在两键中间，反而造成输入两个字符，使用电路转换可以避免这种情况发生。
掌托除了具有键位转换功能外还有一个上文所述的锁定点，在该点上端为归位点，放开后仍弹起，实现盘位的随时归位功能；从归位点加大力度下压，机械锁定机构将其锁定在该位置，键盘系统关闭，如附加鼠标功能则可转换为鼠标器；再次按动则锁定机构脱钩，掌托弹起，键盘系统重新开启。
4.2.4鼠标功能键盘装置采用本实施例的形式，能很容易地为键盘系统增加鼠标功能配置相关的电路和程序，可将掌托的锁定状态设为鼠标状态，或在键盘上设置转换键转换为鼠标状态。中指键(15)和无名指键(17)制造为滑动触摸器，分别控制滚动标和鼠标的Y方向，键盘转动控制鼠标的X方向；食指键13设为鼠标左键，其他键设为右键(5)。
4.2.5工作状态指示由于每个键位在字符位矩阵中代表一行，在本实施例中每行有21个字符位难以一一熟记，而且若无指示，也无法知道当前被选的是哪一列，所以键盘系统必须能指示当前的选列情况。因此键盘系统设置了工作状态指示功能，有两种指示方法(1)指示灯指示键区指示灯(6)从上到下依次指示键区I、II、III，盘位指示灯从后到前依次指示1号盘位到7号盘位。在计算机操作系统启动前可通过熟记字符或对照打印好的矩阵表来操作。
(2)键盘系统通过配套程序实现字符屏幕显示。在计算机进入操作系统的条件下，键盘系统开启后，屏幕就出现一个窗口，程序可以把当前盘位所对应的矩阵列以的键盘面示意图的方式显示在对应键位上，同时指示其所属键区。见附图4上图。
4.2.6默认字符和自定义字符为了说明书表述方便，在本实施例中给出一个默认字符的参考方案，在实际产品中应在专门研究的基础上确定一个更为合理的方案。默认字符主要是现行的标准键盘可输入的字母、符号和功能键，以便与已有的操作习惯相衔接。对于原用于切换组合的Shift、Ctrl、Alt键来说，本可以通过直接定义其切换或组合后的输入内容来实现直接输入(如原上档字符已定义为直接输入字符)，但目前的应用程序都有使用这些键的内容，所以仍需要设置这些字符，不过由于本键盘装置不适宜两个键位同时按下，所以应将其原来同时按下的方式改为顺序按下。
键盘系统可以通过指定操作以窗口的形式打开字符位矩阵列表，选取字符位，用指定方法进行用户定义字符的操作。字符可是字母符号及其组合、相关链接、文本等。也可以根据需要增加子矩阵使键区增加。
5、键盘系统的应用价值从本发明的特点来看，应用本发明开发的键盘系统使得计算机的键盘输入方法发生了很大的改变，这种改变至少可以为计算机键盘操作的方式提供一种新的思路。就本说明书的实施例而言，与目前公知的键盘形式及其输入方法比较，在实际应用方面也具有较大的优越性。
首先，本发明把经过规范后的手掌动作明确地转化为输入信号，使人手的动作信号更为丰富，这就为丰富键盘输入内容、简化手指动作创造了充分条件。因此可以极大地地减少键盘的按键数和手指击键时的动作幅度，这样既可使键盘体积大大减小，也使手指寻找键位更加方便准确，从而使操作更为便捷。
键盘装置的单手操作和小巧的体积，可使其只要有一个相当于标准键盘面积一半大的平面和手掌可及的位置即可操作，不必需要专用的键盘平台，也不必限制操作姿势，使键盘操作更为轻松。
单手操作可以把另一只手腾出来，这对键盘操作与其他操作要频繁进行交叉作业的工作来说，可以提高工作效率。如文本输入，一只手可以用来编辑和处理手稿；程序编写，一只手可以记录一些要点；窗口服务，一只手可以用来处理票据，等等。
自定义功能不但可以根据计算机的使用场合设置专用输入项目使之一键输入(如银行、邮政等窗口服务的专用项目，程序中的常用语句)，也可为新的汉字输入技术提供自由平台，不必再局限于仅可使用26个英文字母键位，也可为游戏提供新的操纵方式。增加鼠标功能后，可方便实现的键盘—鼠标转换，可以为更多的应用领域增加新的输入和操控方法。
(1)为表述方便，本说明书所示“计算机键盘装置”或简称“键盘装置”是指这一装置的全部硬件及电路构成，“键盘”是专指其中的键盘部分(附图件号1)；所示“计算机键盘输入系统”或简称“键盘系统”是指本发明所涉及的键盘装置和配套程序、工作方法等软件组成的系统。
(2)对于机械式英文打字机(简称打字机)而言，从键盘的信号输入到字头打印到纸上这一过程是靠机械装置的动力传递完成的，所以它的设计形式和功能就不可避免地受到了机械装置固有特点的限制。如手指击键需要一定的力量和幅度，所以每个按键就需要占据一定的空间，以防相互干涉；为了尽可能简化机构和易于制造并保证工作的可靠性，每个常用字符都需要对应一个按键，这样就需要有安排一定数量的按键，进而需要相应大小的键盘；如果按键太多，超过双手覆盖范围，会使找键困难，则又使键盘容量受到限制。此外机械装置还有反应慢、实现一键多字符困难、无法显示输入状态等。所以说打字机的键盘形式完全是机械制造技术条件限定下的产物，在这种形式下只有击键动转作化为输入信号，人手的其他动作未能加以利用。
(3)如果是右手键盘则为左侧，以便观察。
(4)这类似于鼠标方式操作系统启动时鼠标位于屏幕中间，向外拖动到屏幕边缘时再向外拖则是无效操作。
(5)这里所说的左键右键的功能是按目前鼠标的定义，及右手鼠标的左右键的功能。
表2字符位矩阵列表
权利要求
1.一个由键盘(1)、底盘(2)、掌托(3)、2个滚轮(5)组成的、供单手使用——即用左手或右手一只手进行输入操作的计算机键盘装置，本案提供的说明书是按左手用键盘进行说明的，其对称设计就是右手用键盘；本专利的权利要求不区别左手和右手——其特征是(1)底盘和2个滚轮装在键盘的下面，底盘相对放置装置的平面位置固定，键盘在底盘和滚轮的承载下通过外力作用可在平面上以底盘中心为轴心转动；(2)掌托位于键盘上方，由内置的转轴(8)和可向下压缩的弹性元件与键盘连接，在外力的作用下可相对键盘在垂直方向做一定幅度的转动；(3)键盘装有一组按键(9-22)，和2组指示灯(6、7)。
2.按权利要求1规定的计算机输入装置及其配套电路、程序组成的计算机键盘系统，其特征是利用键盘转动产生转换信号，使得键盘从一个位置转动到另一个位置时，在同一键位可输入不同的字符；利用键盘可转动和长条形按键的特有设计增加鼠标功能。
3.按权利要求1规定的计算键盘装置，其掌托特征是(1)外观造型的特点为在手掌自然放置其上时与手心贴合，中指根部夹于2个指卡(4)之间，从而使键盘可跟随手掌沿水平方向的转动；(2)在弹性元件的作用下，当手指伸开击键时掌托随之被手掌按下，手指屈起击键时掌托随手掌抬起而弹起(向上转动)，因而手指在击键时屈起和伸开的程度不同掌托可转动到的置的高低也随之不同，且在手指击键状态下无论掌托在什么位置，中指均不脱离指卡；(3)弹性元件可使掌托在自由位置时向上转动到极限位置，该位置保证在使用屈指动作击键时仍能与手掌贴合，中指不脱离指卡；(4)掌托可在手掌的按压下达到下限位置，该位置有内置的锁定机构将其锁定在该位置，再次按压时锁定机构脱钩，掌托弹起；(5)掌托随手掌位置转动，并驱动一组内置的电路转换元件。
4.按权利要求1和3规定的计算机键盘装置，其特征是操作时手掌自然放在手心与掌托贴合、中指根部夹于2个指卡之间的位置上，手腕位于键盘后端，手指位于键盘前部。
5.按权利要求1、3和4规定的计算机键盘装置，其键盘特征是(1)按给出的手掌位置操作，每个手指对应若干个按键，除两边和侧面的几个按键(9、12、19、22)外各手指的对应键均按其手指伸屈方向布置，这些键均可只通过手指的伸屈来找到所需键位；(2)沿食指、中指和无名指伸屈方向各设1个长条型按键，每个长条型按键设置前、中、后3个键位，由手指击按不同键位时掌托处于不同位置、其所驱动的转换电路处于不同状态所决定；(3)其余各按键每个按键1个键位。
6.按权利要求1、2和4规定的计算机键盘系统，其特征是计算机键盘装置中内置的电路转换元件与键盘相对底盘的转动或键盘转动时滚轮相对键盘的转动联动，转动一个角度转换一个盘位，在操作时手掌可转动范围(约60°)设置一组(若干个)可直接相互转换的盘位，键盘键位上当前可输入的字符由盘位状态确定。
7.按权利要求2和6规定的计算机键盘系统，其特征是通过电路和程序建立一个虚拟的键盘，虚拟键盘为一字符位矩阵，这个矩阵既表现为键盘发出的操作信号与输入计算机的内容之间的交换平台，也表现为用户与计算机键盘系统进行交流的平台，其组成及其与操作之间的关系是(1)矩阵的点为字符位，每一字符位可定义一个代表一项输入内容的字符；(2)矩阵由若干子矩阵组成，每一子矩阵为一个键区；(3)子矩阵的列与可直接相互转换的一组盘位相对应，矩阵的行与键盘装置上键位相对应；(4)在实际操作中键区转换由指定操作来完成，在矩阵中表现为对子矩阵的选取；(5)在同一键区内，转动键盘转换盘位在矩阵中表现为选列，按击键位表现为选行，属于被选行列的字符位上所定义的字符被输入。
8.按权利要求1和7规定的计算机键盘系统，其特征是可实现如下功能(1)可以通过指定操作以窗口的形式打开字符位矩阵列表，选取字符位，用指定方法进行用户自定义字符的操作。字符可以是字母符号及其组合、操作或控制功能、相关链接、文本等；也可以根据需要增加子矩阵使键区增加。(2)按键盘上键位的排列方式显示当前被选列上的字符；(3)用指示灯(6)指示当前键区和(7)指示当前盘位。
9.按权利要求1和2规定的计算机键盘系统，其特征是增加鼠标功能的方式为(1)通过指定的功能转换操作将键盘装置设置为鼠标状态；(2)将键盘转动设置为鼠标X方向移动；(3)3个长条键中的2个安装滑动触摸元件，将相应手指在长条键上的前后滑动触摸分别设置为鼠标Y方向移动和滚动标移动；(4)指定其他操作方便的键为鼠标左、右点击键，也可新增具有其他功能的鼠标按键。
全文摘要
本发明公开了一种供单手使用的多功能计算机键盘装置以及相关和软件组成的系统。装置由键盘、底盘、掌托、滚轮以及其他机构和电路元件组成，该系统利用键盘在底盘上转动来产生转换信号，使得键盘从一个位置转动到另一个位置时，在同一键位可输入不同的字符；利用键盘可转动和长条形按键的特有设计可以增加鼠标功能。通过程序可在操作界面上显示键盘的当前字符来指示操作，可以由用户自定义字符，可使键盘系统的字符容量扩大。
文档编号G06F3/023GK1529222SQ20031011174
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月10日 优先权日2003年10月10日
发明者陈保元 申请人:陈保元