專利名稱：用于計算機人機界面的口標系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種計算機人機界面信息交換與控制系統。
自從引入鼠標以后，人們在此基礎上開發了圖形控制界面，計算機行業中包括操作系統在內的軟件開發從觀念到技巧都發生了天翻地覆的改變。計算機就此變得實用而大眾化。當然，鼠標在使用中還具有一些不方便的方面。為了使計算機的操作適應非專業人員的使用，人們在計算機坐標識別的技術基礎上，開發了書寫板手寫輸入的技術。在一些情況(例如文字輸入處理)下，人們的雙手需要集中在鍵盤上，鼠標需要人們的另外一只手。當然人們實際上沒有如此的第三只手，所以鼠標有時使人們感到手忙腳亂，這時，鼠標似乎是計算機的一個外來件。98119326.9，97120301.6，97119205.7提出了改進鼠標提出了的方案。實用新型專利98205967.1提出了用腳控制的鼠標的思路。當然，使用計算機的時候，由于腳不在人的視力范圍之內，所以操作顯得有些復雜，人們有時需要跑動，這給用腳操作鼠標帶來不便。一些專利如95195866.6還提出了用觸摸屏幕的感應方法實現圖形操作的方法，不過，這仍然不能解放雙手。也有人提出利用聲音(98114665.1)輸入的方法，但是聲音識別不但需要占用比較多的系統資源，而且速度比較慢，到目前為止，還不適應圖形人機界面。
本發明提出一種用計算機操作人員的頭部的活動控制光標的移動，并且利用計算機操作人員口部吹出的氣流給計算機輸入操作指令的系統，從而可以把計算機操作人員雙手解放出來，歸還給鍵盤及其他操作。這種系統稱為用于計算機人機界面的口標系統。
用于計算機人機界面的口標系統包括電磁波束坐標信號發送單元(2b)，氣流指令確定單元(2a)與電磁波束坐標信號接收單元(4)與(5)。其中電磁波束坐標發送系統固定在計算機操作使用人員的頭部(當然，也可以就固定在計算機操作使用人員的口部)，氣流指令確定單元固定在計算機操作是同人員的口部，而電磁波束坐標接收單元(4)與(5)固定在計算機顯示器(3)屏幕的邊緣。
電磁波束坐標信號發送單元(2)發出的電磁波束坐標信號在垂直投影面上的投影為相互垂直的兩個細條(2ba)與(2bb)，分別作用于相互垂直的電磁波束坐標信號水平接收單元(4)與垂直接收單元(5)。電磁波束(2ba)與(2bb)的位置與移動由計算機操作人員的頭部的位置與移動決定。
當電磁波束坐標信號水平接收單元(4)與垂直接收單元(5)分別接收到電磁波細束(2ba)與(2bb)以后，可以根據電磁波束在兩個接收單元上的位置，分別讀出其位置坐標值X與Y，合成以后就可以得到電磁波細束(2ba)與(2bb)所指示的坐標(X，Y)，并且通過適當線路通入計算機(10)。如果持續測量坐標(X，Y)，并且進行計算、比較，計算機(10)則可以獲得當前時刻與前一時刻之間的電磁波細束坐標差值(ΔX，ΔY)。
電磁波束坐標發送單元發出的電磁波細束(2ba)與(2bb)的長度應當與電磁波束坐標接收單元(4)與(5)的長度匹配，使接收系統(4)與(5)在(2ba)與(2bb)在整個掃描區間中能夠接收到電磁波的位置信號。為了避免信號的相互干擾，(2ba)與(2bb)信號應當有所差別。一種方式是采用不同頻率(波長)的電磁波信號。對于相同波長的電磁波信號，可以對其采用不同頻率的加以調制。電磁波細束定位信號發送單元由電磁波波源(2a1)與成像系統(2a2)組成。
電磁波束坐標信號發送單元(2b)應當固定在計算機操作使用人員的頭部，既可以與氣流指令確定單元(2a)集成在一起，也可以安排在頭部的其他地方，例如象礦工燈一樣安排在頭頂。不過，氣流指令確定單元(2a)必須安排在計算機操作使用人員的口部，以利用其口部吹出的氣流操作計算機。
氣流指令接收單元(2a)應當分為數個獨立的氣流傳感器。一般情況下，氣流指令接收單元(2a)分為數個(例如三個)獨立傳感器(2a1)，(2a2)與(2a3)。中間的一個為氣流主傳感器(2a2)，兩邊的分別為輔助氣流傳感器(2a1)與(2a3)。
氣流傳感器單元可以分為兩類，一種是速度式傳感器，另一種是壓力式傳感器。
在速度式氣流傳感器中，葉輪軸(2c)連接葉輪(1c)，阻尼片(1d)與測量片(1e)，并且安裝在兩個葉輪軸軸承(3c)上。葉輪(1c)的一側通過氣道(4c)，當有氣流通過氣道(4c)時，葉輪(1c)就會轉動，并且葉輪軸(2c)帶動阻尼片(1d)與測量片(1e)一起轉動。
當測量片(1e)轉動時，通過測量信號源(2e)，測量信號接收器(3e)以及測量信號接收線(4e)與測量信號電源線(5e)可以測量出葉輪(1c)的轉速，從而推算氣道(4c)中氣流的速度。測量信號接收器(3e)采集到的信號可以直接送入計算機(10)，由計算機分配一定系統資源對采集的信號進行處理，也可以設計一個單獨操作指令識別子系統對測量信號接收器(3e)采集到的信號進行初步處理以后作為操作指令信號再送入計算機(10)。
阻尼片(1d)為一金屬圓盤，如果在線圈(3d)通入電流，則產生磁場阻止阻尼片(1d)轉動。
與適當電路及軟件連接以后，速度式氣流操作傳感器單元基本操作過程如下當氣流通過氣道(4c)時，葉輪(1c)轉動，當其速度達到額定轉速，我們稱之為點擊啟動轉速n1以后，向計算機或操作指令識別子系統發出啟動一次點擊的信號，同時接通相應電路，在阻尼線圈(3d)中通入電流，對葉輪(1c)阻尼，當其轉速降低到一個預定轉速(例如n1/2)，我們稱之為點擊完成轉速n2以后，向計算機發出一次點擊完成的信號，同時，切斷阻尼線圈(3d)中的電流。系統進入接收下一次點擊的預備狀態。
在一次點擊啟動以后，繼續向氣道(4c)中吹氣，使葉輪(1c)的轉速維持在點擊啟動轉速n1與點擊完成轉速n2速度之間，人們可以安排屏幕對象拖動操作。在實際應用中，氣流的速度型傳感器的葉輪(1c)，阻尼片(1d)與測量片(1e)三者可以合為一體，或者其中其中兩者合并。
在壓力式氣流操作傳感器單元中，當氣道(4f)中通入氣流以后，葉片(1f)運動，推動動觸點(2g)運動，斷開常閉定觸點(1g)，接通常開定觸點(3g)。當氣流速度減小以后，在復位彈簧(1h)的作用下，動觸點(2g)恢復常閉定觸點(1g)接通，同時斷開常開定觸點(3g)。
如果采用壓力式氣流操作傳感器單元作為主操作單元，人機界面中的屏幕上光標位置(x，y)應當直接對應電磁波細束(2ba)與(2bb)所指示的坐標(X，Y)。該設計優點操作簡便直觀，缺點是人的頸部運動量比較大以掃描整個屏幕，而且要求運動比較細致以套準一些比較小的圖形按紐，這些顯然不利于計算機的操作使用。
采用速度式氣流操作傳感器單元作為主操作單元，低于點擊啟動轉速n1葉輪(1c)轉速n，可以作為控制光標移動速度控制因子。例如我們可以將人機界面中的屏幕上光標當前位置(x，y)表示成x＝x1+Δx(1)y＝y1+Δy(2)(x1，y1)為光標的前一時刻位置。(Δx，Δy)為當前時刻與前一時刻的光標位置的坐標差值。通過一個與氣流速度傳感器函數，使這些差值與電磁波細束(2ba)與(2bb)所指示的坐標差值(ΔX，ΔY)相關Δx＝αf(n)ΔX(3)Δy＝αf(n)ΔY(4)式中f(n)為一個葉輪(1c)轉速n的函數，α為一個比例系數。如果我們取f(n)＝1/(β+n2)(5)按照以上函數關系，氣流越快，葉輪(1c)轉速n越高，光標移動速度越慢，即在相同的電磁波細束坐標差值(ΔX，ΔY)下，光標差值(Δx，Δy)隨著葉輪轉速n升高而減小。
我們取其他函數關系，(Δx，Δy)與(ΔX，ΔY)之間就會有不同的對應關系。
如果主氣流傳感器利用計算機操作人員口部的正面氣流完成相當于鼠標的左擊操作，那么，利用計算機操作人員口部的側面氣流操作一個輔助氣流傳感器即可以完成相當于鼠標的右擊操作。由于人們可以在上下左右數個不同方向吹出側面氣流，可以安排多個輔助氣流傳感器，在完成一些口標系統所必須的操作，如調整光標坐標(x，y)與電磁波束坐標(X，Y)差值的操作的同時，還可以增加一些新的操作功能。
圖1為用于計算機人機界面的口標系統示意圖；圖2為口標系統定位電磁波兩波束與光標定位信號接收兩單元的關系示意圖；圖3為速度式氣流操作傳感器示意圖；圖4為壓力式氣流操作傳感器示意圖；圖5為電磁波細束定位信號發送單元示意圖。
以圖1為例，電磁波束坐標接收單元(4)與垂直接收單元(5)為一系列可以向計算機指示各自位置(X，Y)的光敏開關。
氣流指令傳感器(2a)應當分為3個獨立的傳感器單元，(2a1)，(2a2)與(2a3)，其中利用計算機操作人員口部正面吹出的氣流的傳感器(2a2)是速度式氣流操作傳感器，作為主氣流傳感器。主氣流傳感器的轉速測量方式為，在測量片(1e)均勻地打若干個孔，在測量信號源(2e)中安裝光源，在測量信號接收器(3e)中安裝光電接收器。
(2a1)與(2a3)為壓力式氣流傳感器。電磁波束坐標發送單元(2b)，其中電磁波細束定位信號發送系統固定在計算機操用人員的口部附近。
由于主氣流傳感器是速度式氣流操作傳感器作，所以屏幕上光標位置(x，y)與電磁波細束所指示的坐標(X，Y)由前述(5)確定，我們取α＝(3/14)n12(6)β＝(1/14)n12(7)式中為n1為點擊啟動轉速，我們可以得到，當氣流速度為零，葉輪(1c)轉速n也為零，此時，αf(0)＝3(8)即當氣流速度為零時，光標差值(Δx，Δy)為電磁波細束坐標差值(ΔX，ΔY)的3倍。便于人們在頭部動作不大的前提下，大幅度地移動光標位置。
當葉輪(1c)轉速n達到光標點擊啟動轉速n1的時候，αf(0)＝1/2(9)此時，光標差值(Δx，Δy)為電磁波細束坐標差值(ΔX，ΔY)的(1/5)倍，計算機操作人員可以適當吹氣降低光標的移動速度，以便于套準按紐并點擊。
壓力式氣流傳感器(2a3)利用計算機操作人員口部右測面吹出的氣流操作，完成類似鼠標右擊的操作。
壓力式氣流傳感器(2a1)利用計算機操作人員口部左測面吹出的氣流操作，可以斷開或者接通電磁波束的坐標(X，Y)與光標的坐標(x，y)之間的聯系。
利用斷開與接通這些操作，可以改變(X，Y)與(x，y)之間的相對位置。舉例而言，開始時，電磁波束坐標(X1，Y1)對應的光標坐標是(x1，y1)，操作人員利用左測面吹出的氣流單擊(2a1)，斷開電磁波束的坐標(X，Y)與光標的坐標(x，y)之間的聯系，并且光標的坐標(x1，y1)保持固定。計算機操作人員運動頭部，改變(X，Y)，當電磁波束坐標變為(X2，Y2)時，操作人員利用左測面吹出的氣流單擊(2a1)接通電磁波束的坐標(X，Y)與光標的坐標(x，y)之間的聯系，這時，電磁波束坐標(X2，Y2)即與光標坐標(x1，y1)相對應。
權利要求
1.一種計算機人機界面信息交換與控制系統，其特征在于該系統由安裝在計算機操作人員頭部的電磁波束坐標信號發送單元，電磁波束坐標信號接收單元與安裝在計算機操作人員口部的氣流指令接收單元組成。
2.根據權利要求1，電磁波束發送單元發送的電磁波束包含同步移動的兩束，兩束在垂直面(法面)上的投影為相互垂直的直線型細束。
3.根據權利要求1，電磁波束發送單元處于使用狀態時，安裝在計算機操作人員的頭部，利用頭部的運動控制電磁波束在垂直面上的投影的移動。
4.根據權利要求1，電磁波束坐標接收單元包括相互垂直的兩條接收細帶，位于電磁波束的垂直面(法面)，分別接收其投影與之垂直的電磁波束信號。
5.根據權利要求4，電磁波束發送單元所發送的兩束垂直的電磁波束具有不同的波長，如果波長相同，則有不同頻率調制。
6.根據權利要求4，電磁波束坐標接收單元的兩條接收細帶位于計算機屏幕邊緣。
7.根據權利要求1，氣流指令接收單元為數個速度型傳感器與壓力型傳感器的組合，使用時，固定在操作人員可以接收到口部氣流的頭部位置。
8.根據權利要求7，氣流指令接收速度型傳感器包括氣道、葉輪、轉速測量裝置與電磁阻尼裝置。
9.根據權利要求8，電磁阻尼裝置包括線圈，電磁鐵與金屬磁阻尼盤。
10.根據權利要求7，氣流指令接收壓力型傳感器包括動觸頭，靜觸頭、葉片、氣道與復位彈簧，當氣道中氣流壓力達到額定值時，動觸頭閉合，氣道中氣流與壓力降低時，動觸頭斷開。
全文摘要
本發明提出一種用計算機操作人員的頭部的活動控制光標的移動,并且利用計算機操作人員口部吹出的氣流給計算機輸入操作指令的系統,從而可以把計算機操作人員雙手解放出來,歸還給鍵盤及其他操作。系統包括電磁波束坐標信號發送單元(2b),氣流指令確定單元(2a)與電磁波束坐標信號接收單元(4)與(5)。其中電磁波束坐標發送系統固定在計算機操作使用人員的頭部,氣流指令確定單元固定在計算機操作是同人員的口部,而電磁波束坐標接收單元(4)與(5)固定在計算機顯示器(3)屏幕的邊緣。
文檔編號G06F3/00GK1374575SQ02102680
公開日2002年10月16日 申請日期2002年2月28日 優先權日2002年2月28日
發明者劉本林, 鄒逸玉, 王正, 劉溪清, 王瓊 申請人:劉本林, 王正, 王瓊