专利名称：运动状态探测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器，更具体地说是一种尤其适用于计算器指点式输入系统，用于获取设备的位移状态信号的运动状态探测装置。
背景技术：
作为计算机指点式输入设备，目前已有的器械包括机械式鼠标是以鼠标外壳作为主动部件，内嵌较大密度的实心球作为被动部件，鼠标外壳在人的操作下运动时，实心球因与桌面摩擦而滚动，实心球的滚动带动鼠标内部垂直放置的一对转轴，另设传感器探测转轴的转动，从而获得鼠标在二维平面上的运动状态。这种技术的产品价格低，但由于采用开放式结构，常常导致桌面污垢粘附在球体及转轴上，使运动受阻，影响正常使用；同时，这种结构形式的鼠标需要在平整表面上使用，并且必须工作在有重力的环境中。
光学鼠标在鼠标内部有发光部件和图像采集部件，通过对鼠标下方桌面的图像分析可以获取鼠标运动状态，从而实现二维坐标的定位。这种结构形式的产品性能受制于图像分析器以及桌面的表面特性。图像分析器件成本较高，如果桌面的表面特性较为光滑，即有镜面特征，或者颜色与鼠标发光二极管的颜色接近，将导致定位错误；同时，这种鼠标整体结构复杂，要求在辅助平面的平整表面进行使用。
轨迹球在整体结构上嵌入一个可以自由拔动的小球，小球表面绘有特征图像(如网格)，整体结构内部有发光部件和图像采集部件，通过对小球表面图像的分析可以获取小球滚动的状态，从而实现二维坐标的定位。这种设备缺点是使用手指拔动轨迹小球，手指的重复运动会导致疲劳；同时，不能够实现较为快速的移动，因而使用范围有所限制，其开放式结构也会产生污垢所带来的困扰。
发明内容
本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具备高度灵活性、移动操作无需依赖于辅助平面、结构简单成本低、适用范围广泛的运动状态探测装置。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是本实用新型的结构特点是有一个主动部件；有一个被动部件；有至少一只压力传感器，所述压力传感器设置在主动部件与被动部件之间，三者之间以弹性预紧力相互抵压，对于某一方向运动状态的探测，对应设置的压力传感器以所受到的该单方向上的、来自于主动部件与被动部件的正压力信号为检测输出。
本实用新型的结构特点也在于以所述主动部件为壳体，配套设置的被动部件为放置在壳体中的一个物件，或是以所述被动部件为壳体，配套设置的主动部件为放置在壳体中的一个物件，压力传感器的设置为如下结构形式的任意一种用于获得X轴向一维运动状态的压力传感器为两只，两只压力传感器沿X轴对称设置在所述物件的两端；或用于获得X轴向一维运动状态的压力传感器为一只，一只压力传感器沿X轴设置在所述物件的单端处；或用于获得X轴向和Y轴向二维运动状态的压力传感器共有四只，其中两只压力传感器在X轴向上对称设置于所述物件的两端，另外两只压力传感器在Y轴向上对称设置于所述物件的两端；或用于获得X轴向和Y轴向二维运动状态的压力传感器共有两只，两只压力传感器分别位于X轴向、Y轴向上所述物件的单端处；或用于获得二维运动状态的压力传感器共有三只，三只压力传感器在所述物件与壳体之间、位于X轴和Y轴所构成的二维平面上呈正三角形排布；或用于获得三维运动状态的压力传感器共有六只，其中两只压力传感器在X轴向上对称设置于所述物件的两端，另外两只压力传感器在Y轴向上对称设置于所述物件的两端，再有两只压力传感器在Z轴向上对称设置于所述物件的两端；或用于获得X轴向、Y轴向和Z轴向上三维运动状态的压力传感器共有三只，三只压力传感器分别位于X轴向、Y轴向和Z轴向上所述物件的单端处；或用于获得X轴向、Y轴向和Z轴向上三维运动状态的压力传感器共有四只，四只压力传感器在所述物件的外表呈正四棱锥分布。
本实用新型的结构特点还在于可以采用操纵杆结构，被动部件为管套，主动部件为管芯，管芯为杆状件，管芯底部与管套底座构成球结，管芯顶端即为操纵端。
本实用新型通过获得某一方向压力传感器上压力变化的量，即可获得装置在该方向上的运动情况，包括速度大小、方向以及相对于初始工作位置的坐标。
与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在1、本实用新型具备高度的灵活性，结构简单、易于实现，同时也解决了高成本的问题。
2、本实用新型可以设计为封闭式结构，不会给设备内部带来污垢。
3、本实用新型不依赖于平面，可悬空操作，极大地提高了其在不同场合中的适用程度，包括，用于鼠标器、用于游戏机控制器、用于工业控制设备等，直接获得相对于其初始状态的运动情况。
4、本实用新型可以实现在零重力环境下的正常使用；通过对本实用新型输出信号进行算法优化处理可以实现在规律性震动环境中使用，如自学习地让病人自由操作鼠标，而不会随病人手的颤动而产生误差。
5、本实用新型低能耗，可以作为无线控制设备的理想核心部件。
图1、图2为本实用新型作为一维运动状态探测器不同实施方式结构示意图。
图3、图4、图5(a)、图5(b)为本实用新型作为二维运动状态探测器不同实施方式结构示意图。
图6、图7、图8为本实用新型作为三维运动状态探测器结构示意图。
图9为本实用新型作为操纵球结构示意图。
图10(a)、图10(b)为本实用新型作为操纵杆结构示意图。
图中标号1主动部件、2被动部件、3压力传感器、4操纵端、5探孔。
具体实施方式
关于一维运动状态探测器的实施实施例1本实施例为一维方向运动状态探测。
参见图2，以主动部件1为壳体，被动部件2为放置在壳体中的一个质量为M的物件，用于获得X轴向一维运动状态的压力传感器有两只，两只压力传感器31、32沿X轴对称设置在物件的两端。
被动部件2可以是任意形状，图1所示为球体，较好的方式是采用密度较大、性能稳定的材料，如不锈钢、合金等。在壳体、物件与压力传感器三者之间，弹性预紧力使其相互抵压，其间的抵压力应保证压力传感器和物件不脱离、不晃动。
具体实施中，两只压力传感器31、32的工作频率、性能、大小相同，工作时应保持两个压力传感器时钟周期同步。压力传感器31、32可以独立放置，可以与壳体固定在一起；也可以与物件固定在一起，对于最后一种形式，在以下的计算公式中的，M要包括压力传感器3本身的质量。
对于壳体沿X方向上的正方向运动，由于物件放置于壳体中又相对于壳体保持独立，壳体将通过压力传感器对物件施力，因而两个压力传感器，或其中的一个将获取物件对其压力的变化。分别计算出一定时间段内两个压力传感器力的变化值，并求矢量和。该一定时间段可以是压力传感器的一个时钟周期t，也可以是多个时钟周期T，但应保证t或T尽量小到可以把该时间段内各压力传感器压力的变化值作为对物件的恒力。本实施例中，假设为一个时钟周期t，系统初始工作时记录第一个时钟周期压力传感器a、b的压力作为初始压力值。计算时，各个力均为矢量，力的变化也是矢量，各矢量的正方向由最初建立的坐标系的正方向决定。在此时，x轴上的某一端的压力传感器31获取的压力值为正；另一端的压力传感器32获取的值即为负；压力变化差值和如果为正，则合力方向为x轴正方向；压力变化差值和如果为负则合力方向为x轴负方向。
根据动量定理Ft＝M(V2-V1)Δft＝M(V2-V1)Δf为坐标轴上合力的变化值；V2是此时物件的运动速度；V1是上一时间段物件的运动速度，系统初始工作时V1＝0。
于是可以得到在这个一维的X轴上，整个装置此时的运动速度大小及方向，其中，正值为X轴正方向，负值为X轴负方向。
再根据fS＝M(V22-V12)/2；S＝M(V22-V12)/2/f(S为当前时间段内物件在坐标轴上运动的距离)可以得出物件此时的坐标(初始工作时的坐标位置为0)X＝S1+S＝S1+M(V22-V12)/2/ΔfS1为上一时间物件的坐标，初始工作时S1＝0。
依此可以获得装置的运动状况，包括速度大小、方向以及相对于初始工作位置的一维坐标。
实施例2参见图1，本实施例在结构设置上与实施例1所不同的是，用于获得X轴向一维运动状态的压力传感器3仅有一只，一只压力传感器3沿X轴设置在位于物件的单端处。
为保证压力传感器、物件与壳体三者之间的弹性预紧力，可以在其间增加设置弹性器件。工作时，只需要考虑该单只压力传感器上压力变化的量就可以根据如上所述原理获得装置的运动情况，包括速度大小、方向以及相对于初始工作位置的一维坐标。
由于本方案是对压力传感器所获得的压力的变化的矢量和，即合力变化的大小、方向进行计算，所以不再考虑重力加速度或者向心加速度，并且装置可以工作在保持匀速运动的环境中，如匀速行驶的飞机、火车、汽车等。
关于二维运动状态探测器的实施实施例3参见图3，本实施例在结构设置上与实施例1所不同的是，用于获得X轴向和Y轴向二维运动状态的压力传感器3共有四只，其中两只压力传感器31、32在X轴向上对称设置于物件的两端，另外两只压力传感器33、34在Y轴向上对称设置于物件的两端。
具体实施中，按实施例1中的方式分别以X轴向和Y轴向上的两只压力传感器获得装置在X轴向上和在Y轴向上的的运动情况，进而获得装置的二维运动情况，包括速度大小、方向以及相对于初始工作位置的二维坐标。
实施例4参见图4，本实施例与实施例3所不同的是，用于获得X轴向和Y轴向二维运动状态的压力传感器仅有两只，两只压力传感器31、33分别位于X轴向和Y轴向上物件的单端位置处。
为保证压力传感器、物件与壳体三者之间的弹性预紧力，可以在其间增加设置弹性器件。工作时，只需要考虑该单只压力传感器上压力变化的量就可以根据如上所述原理获得装置的运动情况，包括速度大小、方向以及相对于初始工作位置的二维坐标。
实施例5参见图5(a)、图5(b)，本实施例与实施例5所不同的是，用于获得二维运动状态的压力传感器共有三只，三只压力传感器311、312、313在物件的外表的同一平面上呈正三角形排布。
通过前述方法，可以获得x轴、y轴方向上的合力(矢量)，从而分别计算出x轴、y轴方向上合力的变化矢量。
同样，由于本方案是对压力传感器所获得的压力的变化的矢量和(即合力变化的大小、方向)进行计算，所以不再考虑重力加速度或者向心加速度，并且整个结构可以工作在保持匀速运动的环境中(如匀速行驶的飞机、火车、汽车等)。
关于三维运动状态探测器的实施实施例6参见图6，本实施例与实施例1所不同的是，用于获得三维运动状态的压力传感器共有六只，其中两只压力传感器31、32在X轴向上对称设置于物件两端，另外两只压力传感器在Y轴向上对称设置于物件的两端，再有两只压力传感器在Z轴向上对称设置于物件的两端。
分别通过x轴向、y轴向和z轴向上各压力传感器获得压力与上一时间的压力差值，进而获得装置的运动情况，包括速度大小、方向以及相对于初始工作位置的三维坐标。
实施例7参见图7，本实施例与实施例1所不同的是，用于获得X轴向、Y轴向和Z轴向上三维运动状态的压力传感器共有三只，三只压力传感器31、33、35分别位于X轴向、Y轴向和Z轴向上物件的单端处。
为保证压力传感器、物件与壳体三者之间的弹性预紧力，可以在其间增加设置弹性器件，图7中所示的各弹性材料与压力传感器在物件的两端对称设置。工作时，只需要考虑该单只压力传感器上压力变化的量就可以根据如上所述原理获得装置的运动情况，包括速度大小、方向以及相对于初始工作位置的三维坐标。
实施例8参见图8，本实施例与实施例1所不同的，是用于获得X轴向、Y轴向和Z轴向上三维运动状态的压力传感器共有四只，四只压力传感器314、315、316、317在物件的外表呈正四棱锥分布。
通过计算各坐标轴上压力传感器所获得压力与上一时间的压力差值的向量和，从而得到装置的运动情况，包括速度大小、方向以及相对于初始工作位置的三维坐标。
实施例9根据需要，可以将上述实施例1至实施例8各方案中的主动部件和被动部件进行结构互换，即将上述各方案中原来作为主动部件的壳体设置为被动部件，同时使壳体内原来作为被动部件的物件设置为主动部件，位于其间的压力传感器3可以按图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8的任意一种结构形式进行设置。图9所示为本结构形式的一维探测器，使用时，通过开设在壳体上的探孔5直接操纵位于壳体内部的主动部件1。
本实施例也可以设置为图10(a)、图10(b)所示的操纵杆结构，采用套管式结构，被动部件2为管套，主动部件1为管芯，管芯为杆状件，管芯底部与管套底座构成球结，管芯顶端即为操纵端4，压力传感器3同样可以按照一维、二维和三维的任意形式进行设置，图10(a)、图10(b)所示是以三只压力传感器311、312、313在管芯的外周呈正三角形设置，实现二维方向上的运动状态探测。
权利要求1.运动状态探测装置，其特征在于有一个主动部件(1)；有一个被动部件(2)；有至少一只压力传感器(3)，所述压力传感器(3)设置在主动部件(1)与被动部件(2)之间，三者之间以弹性预紧力相互抵压，对于某一方向运动状态的探测，对应设置的压力传感器(3)以所受到的该单方向上的、来自于主动部件(1)与被动部件(2)的正压力信号为检测输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是以所述主动部件(1)为壳体，配套设置的被动部件(2)为放置在壳体中的一个物件，或是以所述被动部件(2)为壳体，配套设置的主动部件(1)为放置在壳体中的一个物件，压力传感器(3)的设置为如下结构形式的任意一种用于获得X轴向一维运动状态的压力传感器为两只，两只压力传感器(31、32)沿X轴对称设置在所述物件的两端；或用于获得X轴向一维运动状态的压力传感器为一只，一只压力传感器(3)沿X轴设置在所述物件的单端处；或用于获得X轴向和Y轴向二维运动状态的压力传感器共有四只，其中两只压力传感器(31、32)在X轴向上对称设置于所述物件的两端，另外两只压力传感器(33、34)在Y轴向上对称设置于所述物件的两端；或用于获得X轴向和Y轴向二维运动状态的压力传感器共有两只，两只压力传感器(31、33)分别位于X轴向、Y轴向上所述物件的单端处；或用于获得二维运动状态的压力传感器共有三只，三只压力传感器(311、312、313)在所述物件与壳体之间、位于X轴和Y轴所构成的二维平面上呈正三角形排布；或用于获得三维运动状态的压力传感器共有六只，其中两只压力传感器(31、32)在X轴向上对称设置于所述物件的两端，另外两只压力传感器(33、34)在Y轴向上对称设置于所述物件的两端，再有两只压力传感器(35、36)在Z轴向上对称设置于所述物件的两端；或用于获得X轴向、Y轴向和Z轴向上三维运动状态的压力传感器共有三只，三只压力传感器(31、33、35)分别位于X轴向、Y轴向和Z轴向上所述物件的单端处；或用于获得X轴向、Y轴向和Z轴向上三维运动状态的压力传感器共有四只，四只压力传感器(314、315、316、317)在所述物件的外表呈正四棱锥分布。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是采用操纵杆结构，被动部件(2)为管套，主动部件(1)为管芯，管芯为杆状件，管芯底部与管套底座构成球结，管芯顶端即为操纵端(4)。
专利摘要运动状态探测装置，其特征在于有一个主动部件；有一个被动部件；有至少一只压力传感器，所述压力传感器设置在主动部件与被动部件之间，三者之间以弹性预紧力相互抵压，对于某一方向运动状态的探测，对应设置的压力传感器以所受到的该单方向上的、来自于主动部件与被动部件的正压力信号为检测输出。本实用新型具备高度灵活性、移动操作无需依赖于辅助平面、结构简单、成本低、适用范围广泛。
文档编号G06F3/033GK2819305SQ20052007451
公开日2006年9月20日 申请日期2005年8月12日 优先权日2005年8月12日
发明者陈浩强 申请人:陈浩强