CN203217498U - 一种六自由度光磁三维鼠标装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电子输入装置——一种六自由度光磁三维鼠标装置，包括LED灯，反射镜组，球面镜，像传感器，芯片，磁铁，压力传感器，滚轮，光磁两用鼠标垫，其中：反射镜组和球面镜，在鼠标水平移动和绕Z轴旋转时将反射光线会聚，并被像传感器测量和芯片分析得到水平位移和绕Z轴旋转量;压力传感器在鼠标上升、绕X轴和Y轴旋转时将磁铁与光磁两用鼠标垫产生的磁力转换成电信号，并传输给芯片205分析计算垂向距离、绕X轴旋转量和绕Y轴旋转量。本实用新型制作简易、成本低廉，可应用三维制图等需要进行六自由度操作的场合。

Description

一种六自由度光磁三维鼠标装置

技术领域

本实用新型涉及电子输入领域，具体为一种可以在三维空间进行六自由度操作的鼠标。

背景技术

目前常用的鼠标为二维光电鼠标，如图1所示为传统二维光电鼠标侧视图，包括了LED灯101、反射镜组102、球面镜103、像传感器104、芯片105、鼠标滚轮106，此外还用外置的鼠标垫107。在二维鼠标中，光电鼠标通过LED灯101发出来的光线，经过反射镜组102传输后以较大的入射角度照射到鼠标垫107的表面，所反射回的部分光线经过球面镜103会聚后，传输到像传感器104内成像。这样，当光电鼠标水平移动时，其移动轨迹便会通过像传感器104被记录为一组高速拍摄的连贯图像，被光电鼠标内部的一块专用芯片105分析处理。该芯片105通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的水平定位。但传统的二维鼠标却无法在三维空间使用，更不能进行六自由度的操作。当二维鼠标上升离开鼠标垫107一定距离时，由于出射光线照射到鼠标垫107时候入射角度比较大，大部分光线被反射到鼠标底部前端或前方，无法被球面镜103接收并会聚到像传感器104成像，导致芯片无影像信号来计算鼠标的位移，同时，内置芯片也不存在第三维方向的数据处理功能，更不用说进行六自由度的操作。因此，传统光电鼠标无法获取三维空间六个自由度的信号。但是，随着在电子设备中的三维制图、三维游戏的快速发展，越来越需要有主要的电子输入设备——鼠标具有捕捉其三维空间运动的位置坐标的功能。

在现有技术中，存在实现类似功能的有五自由度混合鼠标器装置(200710177964.3)，该鼠标能测量五自由度,是在传统机械式鼠标两侧壁上添加两个滚轮来实现绕X轴和绕Y轴功能，Z轴方向上的功能定在传统机械鼠标中间滚轮上，利用光栅光学编码器根据滚轮转的圈数来测得绕X轴、绕Y轴和Z轴上的位移量并将数据传输给鼠标内部的芯片，该计算机内设有过滤驱动程序，用于把增加的绕X轴旋转和绕Y轴旋转着两个自由度的数据过滤出来与应用程序进行通信，从而实现五自由度功能，该方案存在局限性，机械鼠标已经过时，反应不如光电鼠标灵敏，且成本比较高，加上实现水平二维方向的光栅光学编码器，需要五个光栅光学编码器，同时该鼠标不能实现绕Z轴旋转功能。

比如目前存在内置惯性传感器——加速度计和陀螺仪的鼠标技术，即通过对所测量加速度和旋转变化进行积分方式，计算鼠标的六自由度三维坐标。该技术对鼠标的初始状态和中间测量过程等有严重的依赖，导致非瞬时测量测量精度不高。

又比如目前存在外置位置传感器的技术，这些方法结构复杂，并且对鼠标位置有过多限制，使用并不方便。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种可以进行六自由度操作的鼠标装置，用于解决电脑需要进行六自由度操作的难题。

本实用新型为了达到上述目的，可以使用以下方案：

本实用新型提供一种实现六自由度三维操作的鼠标装置，其特征在于，具有：一个六自由度鼠标；以及一个光磁两用鼠标垫，其中，六自由度鼠标包括四个磁铁、四个压力传感器、两个像传感器、两个反射镜组、两个球面镜、二个发光二极管、一个芯片，六自由度为三维空间上的旋转量和平移量，四个磁铁放置于六自由度鼠标内，位置分别在四个压力传感器上方，并能与光磁两用鼠标垫相互作用产生磁力，四个压力传感器在六自由度鼠标内同一个水平面上，分别在六自由度鼠标内的左、右和前、后四个位置，分别用于测量磁铁和光磁两用鼠标垫之间磁力的变化，并根据磁力的变化得出六自由度中水平方向上的旋转量和垂直方向上的平移量，两个反射镜组在两个球面镜和两个发光二极管中间，将发光二极管出射的光线入射到光磁两用鼠标垫上，两个球面镜分别设置在两个像传感器下方，将从光磁两用鼠标垫反射回来的光线汇聚到两个像传感器上，两个像传感器设置在六自由度鼠标内的左、右两侧并处于同一个水平面上，用于测量两个球面镜下方光磁两用鼠标垫区域的图像变化，计算出六自由度中的水平方向上的位移量和垂直方向上的旋转量，芯片内置于六自由度鼠标内，处理两个像传感器和四个压力传感器的信号并计算出鼠标六自由度的六自由度的变化，光磁两用鼠标垫放置在六自由度鼠标下方，以便于芯片处理像传感器的成像变化和磁力变化。

本实用新型所涉及的六自由度光磁三维鼠标装置，两个反射镜组为两个60度反射镜，将使得两个发光二极管的光线通过反射镜组之后的光线发光二极管反射到光磁两用鼠标垫的入射角度小于30度。

实用新型效果

本实用新型所涉及的一种六自由度光磁三维鼠标装置，其中水平XY方向上采用近似传统光电鼠标改良的光电测量方法，第三维Z方向则采用内置磁铁、压力传感器和外置的光磁两用鼠标垫配合测量，绕XY方向上旋转则通过内置的4个压力传感器测量，绕Z方向上旋转则是根据两个像传感器前后捕捉的图形变化测量的，本实用新型可以实时测量鼠标状态，垂向位置和绕XY旋转不依赖初始状态和中间过程，定位精度高。另外还具有结构简单，使用方便的优点，只要鼠标在光磁两用鼠标垫的上方，就可监控鼠标六自由度的位置变化，只需在传统光电鼠标上做简易改装就可以实现六自由度操作，具备制备简易、成本低廉和使用方便等优点。

附图说明

为了更清楚的对本实用新型和现有技术方案进行说明，下面将对实施例和现有技术描述中需要的附图进行简单的介绍。

图1是传统的二维光电鼠标侧视图。

图2是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置结构俯视图。

图3是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置结构仰视图。

图4是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置侧面剖视图。

图5是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置光路示意结构图。

图6是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置应用场景第一实施例示意结构图。

图7是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置应用场景第二实施例示意结构图。

图8是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置工作流程图。

图9是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置内压力传感器第一种方案实施例结构示意图。

图10是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置内压力传感器第二种方案结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型所涉及的一种六自由度光磁三维鼠标装置的优选实施例做详细阐述，但本实用新型不仅限于该实施例。为了使公众对本实用型新有彻底的了解，在以下本实用新型的优选实施例中详细说明了具体细节。

图1为传统的二维光电鼠标侧视图。

如图1所示为传统二维光电鼠标侧视图，包括了LED灯101、反射镜组102、球面镜103、像传感器104、芯片105、鼠标滚轮106，此外还用外置的鼠标垫107。在二维鼠标中，光电鼠标通过LED灯101发出来的光线，经过反射镜组102传输后以较大的入射角度照射到鼠标垫107的表面，所反射回的部分光线经过球面镜103会聚后，传输到像传感器104内成像。这样，当光电鼠标水平移动时，其移动轨迹便会通过像传感器104被记录为一组高速拍摄的连贯图像，被光电鼠标内部的一块专用芯片105分析处理。该芯片105通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的水平定位。但传统的二维鼠标却无法在三维空间使用，更不能进行六自由度的操作。当二维鼠标上升离开鼠标垫107一定距离时，由于出射光线照射到鼠标垫107时候入射角度比较大，大部分光线被反射到鼠标底部前端或前方，无法被球面镜103接收并会聚到像传感器104成像，导致芯片无影像信号来计算鼠标的位移，同时，内置芯片也不存在第三维方向的数据处理功能，更不用说进行六自由度的操作。因此，传统光电鼠标无法获取三维空间六个自由度的信号。

图2为本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置结构俯视图。

图3为本实用新型涉及的六自由度光磁三维鼠标装置结构仰视图。

图4为本实用新型涉及的六自由度光磁三维鼠标装置侧面剖视图。

如图2、图3和图4所示，该六自由度鼠标包括LED灯2011和2012，反射镜组2021和2022，球面镜2031和2032，像传感器2041和2042，芯片205，磁铁2061、2062、2063、2064，压力传感器2071、2072、2073、2074，滚轮208，光磁两用鼠标垫209。

如图2所示，为了实现六自由度功能，本实用新型对传统二维光电鼠标进行了改造。

本实施例中LED灯2011和2012用于发出光线，照亮鼠标底部光磁两用鼠标垫209部分区域，部分光线反射到像传感器2041和2042，方便像传感器2041和2042捕获光磁两用鼠标垫209被照区域图像，其中LED光线可以为红光或者蓝光。

反射镜组2021、2022与传统二维鼠标中的反射镜组不同之处在于前者LED发出的光线经过反射镜反射之后以较小入射角度（<30度）照射在光磁两用鼠标垫209表面。作为一个实施例，两个反射镜组2021、2022为两个相对于垂直方向成60度的反射镜，可以实现在鼠标水平放置正常工作时候以小于30度入射角照射两用鼠标垫209。

球面镜2031和2032用于将反射到球面镜的光线会聚发送到像传感器。

像传感器2041和2042用于采集光线和成像，并转化为电信号传输给芯片。

其中，为了能够在鼠标相对鼠标垫升高时候增大反射光线的采集范围，球面镜的尺寸和像传感器内置的摄像头的尺寸提高到离开桌面10厘米之后仍能捕捉大面积的图像，比如与传统的尺寸相比扩大若干倍，本实施例中光线在鼠标的出射点和球面镜的中心距离为1.7cm,而球面镜的半径为1cm。

其中，增加的LED灯2012、球面镜2032、像传感器2042是用于测量绕Z轴旋转量，当鼠标绕Z轴旋转时鼠标根据两个像传感器之间的距离和两个像传感器捕捉到的图像分析计算出来的。

芯片205除了分析采集到的图像计算出位移，还负责与外部电路进行沟通及各种信号的传送。其中，该芯片205增加了第三个方向和绕X轴、绕Y轴和绕Z轴的控制程序，在进行信号传输时可以实现六自由度效果。

磁铁2061、2062、2063、2064用于与光磁两用鼠标垫209发生磁性反应。

压力传感器2071、2072、2073、2074用于测量出磁铁与光磁两用鼠标垫之间的压力大小并转换成电信号传输给芯片。

滚轮208用于控制屏幕上光标上下滚动，与传统二维光电鼠标一样。

光磁两用鼠标垫209材料可以为铁和镍，或鼠标垫内添加一张铁片，亦可以是铁镍合金或其它磁性材料，与鼠标内的磁铁2061、2062、2063、2064发生磁力作用，并对压力传感器2071、2072、2073、2074产生压力，芯片可通过分析压力传感器2071、2072、2073、2074压力变化来计算鼠标垂向位移；此外，光磁两用鼠标垫209表面与传统鼠标垫一样具有粗糙表面纹理，芯片可通过分析像传感器对其表面反射成像的变化来计算鼠标水平位移。

通过本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置结构俯视图图2、结构仰视图图3和侧面剖视图图4可知，本实用新型在传统光电鼠标基础上增加了1个LED灯、1个反射镜组、1个球面镜、1个像传感器、4个磁铁、4个压力传感器,其中，LED灯、反射镜组、球面镜配合像传感器测量水平移动的距离和绕Z轴旋转量，磁铁配合压力传感器测量上升的垂直距离、绕X轴旋转量和绕Y轴旋转量。

下面通过实施例对本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置进行进一步的说明。

如图5所示是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置光路示意结构图。

如图5所示，当鼠标上升时，反射镜组2021将LED灯2011发射的光线反射到鼠标底部，光线经过球面镜2031会聚到像传感器2041上，像传感器2041将拍摄的一组图像传输给芯片205，同理另一侧的像传感器2042也将LED灯2012反射光线照射出的图像传输给芯片205，芯片根据两个像传感器传递的图像分析出两个水平位移，取两个水平位移的平均值就是六自由度鼠标移动的水平位移，这时压力传感器2061受到磁铁2071与光磁两用鼠标垫209之间的作用力，同理压力传感器2062、2063、2064也会受到磁铁2072、2073、2074与光磁两用鼠标垫209之间的作用力，芯片根据四个压力传感器传输的信号分析垂直方向上的距离变化（即四个压力传感器分析出来变化的垂直距离的平均值）。

如图6所示是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置应用场景第一实施例示意结构图。

如图6所示，当鼠标绕X轴旋转时，与X轴垂直压力传感器2072、2074受到的压力差发生很大变化，这时芯片根据压力传感器2072、2074传输进来的信号计算出压力差和压力传感器2072、2074之间的固定距离计算出六自由度鼠标绕X的旋转量。同理，当鼠标绕Y轴旋转时，芯片可根据压力传感器2071、2073受到的压力差计算出绕Y的旋转量。

如图7所示是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置应用场景第二实施例示意结构图。

如图7所示，当鼠标绕Z轴旋转时，经过反射镜组2021、2022的光线经过球面镜会聚在2041、2042的图像会发生较大的差异，芯片根据两个像传感器传输的图像和球面镜2041、2042之间的固定距离计算出绕Z轴的旋转量。

其中，为了能够分辨出鼠标是处于垂向运动状态还是旋转状态，鼠标内置程序判断压力传感器的压力差约为1N，压力差大于1N的处于旋转状态，反之处于鼠标垂向运动状态。

通过本实用新型光路示意结构图图5、实施例示意结构图图6和图7可知，本实用新型采用和传统二维光电鼠标类似的方法测量水平XY两个方向位移，在鼠标移动前后根据像传感器采集到的二维图像进行分析计算出两个方向上的位移，然后传输给电脑，不同之处为反射镜组2021、2022经过改装使得出射光线相对鼠标垫的入射角度比较小（小于30度），并且球面镜和像传感器的尺寸相对传统鼠标有所增大，以保证在鼠标处于不同高度情况下，鼠标垫的反射光线仍能被球面镜和像传感器收集，并用来计算鼠标的水平位置。更详细的说，在水平XY两个方向上的本实施例测量方法相对传统光电鼠标测量方法有所改进，改进后的水平测量原理进一步说明如下：鼠标内经反射镜反射到鼠标垫209的光线的入射角度比较小，在鼠标离开光磁两用鼠标垫209表面一定的垂向距离时，光线仍可以反射到球面镜2031、2032并在像传感器2041、2042上成像，并通过芯片205计算水平方向的位移。而传统二维光电鼠标出射光线相对鼠标垫有较大的入射角度，传统二维鼠标离开桌面或鼠标垫很小垂向距离就由于光线被反射到鼠标前方，而无法反射到球面镜103上并成像到像传感器104。其中，入射角度根据三维空间操作的鼠标离开鼠标垫208垂向最远距离来进行修改，比如，鼠标距离鼠标垫最远距离为10厘米时，而入射角度约为5度，这样，反射光回到鼠标底部的位置与出射位置最远只相差约1.75cm，由于本实施例中出射点和球面镜的中心距离为1.7cm,而球面镜的半径为1cm，因此反射光能被球面镜会聚并被像传感器成像。

如图8所示是本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置工作流程图。

如图8所示，当鼠标上升时，四个压力传感器受到的压力同时发生变化，芯片根据四个压力传感器传输的信号分别计算出四个距离，取平均值就是鼠标离光磁鼠标垫垂直方向上的距离，鼠标根据芯片传输的距离做出相应的反应。当鼠标水平移动时，芯片根据两个像传感器拍摄到的两组图像分别分析出二维方向上两个X方向的距离和两个Y方向的距离，分别取平均值就是鼠标在水平方向上移动的X方向距离和Y方向距离。当鼠标绕X轴或Y轴旋转时，与X轴或Y轴垂直的两个压力传感器受到的压力发生很大变化，芯片根据两个压力传感器的压力差和两个压力传感器之间的固定距离计算出绕X轴或Y轴的旋转量，鼠标根据芯片传输进来的旋转量控制光标在电脑屏幕上做出相应的反应。当鼠标绕Z轴旋转时，芯片根据两个像传感器拍摄的一组图片和两个像传感器之间的固定距离计算出绕Z轴的旋转量，鼠标根据芯片传输进来的旋转量控制光标在电脑屏幕上做出相应的反应。

 本实施例中，垂向Z方向位置变化是通过内置磁铁2061、2062、2063、2064和光磁两用鼠标垫209发生作用力，并通过压力传感器2071、2072、2073、2074转换成电信号来检测的。其中，当鼠标绕X轴或Y轴旋转时，与X轴或Y轴平行的两个压力传感器收到的压力比较微弱，当压力差小于1N，可忽略不计。

下面对检测Z方向上的压力传感器进行进一步的说明。

对于内置的压力传感器，可采用以下两种方案：

第一种方案：机械式压力传感器。

如图9所示为本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置内压力传感器第一种方案实施例结构示意图，即采用机械式压力传感器。

如图9所示，该机械式压力传感器包括：电源910，透镜911，磁铁906（图2中的2061、2062、2063、2064），指示光栅912，弹簧913,接收电路914，其中909为光磁两用鼠标垫，即图2中的209。

该电源910用于发出光线，为光线出现莫尔条纹做铺垫。

该透镜911用于将电源910发出发散的光线平行射在光栅磁铁上。

该磁铁906是在磁铁上做出光栅形状，用于与指示光栅912发生莫尔条纹。

该指示光栅912用于与磁铁906发生光线衍射，出现莫尔条纹。

该弹簧913用于光栅磁铁906与光磁两用鼠标垫909发生磁力时发生形变，弹簧长度发生变化。

该接收电路914用于接收莫尔条纹并转换成电信号，接收电路包括光敏原件，当光线发生变化时，接收电路都能及时检测。

该光磁两用鼠标垫909用于与磁铁906作用产生磁力。

通过本实施例可知，当本实用新型六自由度光磁三维鼠标装置远离或靠近光磁两用鼠标垫909时，磁铁906受到向下或向上的力，磁铁下的弹簧发生形变，磁铁发生移动，与指示光栅产生莫尔条纹，这时接收电路可以接收到条纹间隔的变化并检测出位移变化，由此计算出Z方向上的位移。

第二种方案，电子式压力传感器。

电子式压力传感器，如电容式压力传感器，陶瓷压力传感器等等，下面以电容式压力传感器为例来说明。

如图10所示为本实用新型一种六自由度光磁三维鼠标装置内压力传感器第二种方案结构示意图。即采用电容式压力传感器。

如图10所示，该电容式压力传感器包括金属膜片1015，电极1016，磁铁1006（图2中的2061、2062、2063、2064），光磁两用鼠标垫1009（图2的1009），绝缘体1018，电容引线1017。

该金属膜片1015与电极1016为固定装置，金属膜片1015为一电极，与电极1016形成两极。

电极两边充满绝缘体1018，防止受到外界因素影响电容变化。

该电容引线1017用于接外电路，外电路可以检测到电极和金属膜片之间的电容变化。

通过本实施例可知，当本实用新型的六自由度光磁三维鼠标装置远离或靠近光磁两用鼠标垫1009时，磁铁1006受到磁力，金属膜片1015发生形变，金属膜片1015与电极1016之间的电容发生变化，电容引线1017的外接电路可以检测到电容的变化，根据电容的变化按比例可以计算出Z方向上的位移。

综上，本实用新型有益效果说明如下：只需在传统鼠标和鼠标垫的基础上略为改装即可实现六自由度测量，在鼠标处于鼠标垫上方不同高度时候能连续的测量鼠标的水平位置和垂向位置，还能根据鼠标的动态测量鼠标的旋转量，制作简单、成本低廉，本实用新型鼠标外形和所需鼠标垫外形和普通光电鼠标无显著区别，使用时用户可以自由移动和旋转手中的鼠标，结合电脑三维游戏或三维软件的使用，让用户有更加形象的体验。

以上的具体实施方式，是对本实用新型的技术方案和效果进行了详细的说明，但需要说明，以上仅为本实用新型的具体实施方式，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型原则下进行等同替换和改进，均属于本实用新型保护范围之内。

Claims (2)

1.一种六自由度光磁三维鼠标装置，其特征在于，具有：

一个六自由度鼠标；以及

一个光磁两用鼠标垫，

其中，所述六自由度鼠标包括四个磁铁、四个压力传感器、两个像传感器、两个反射镜组、两个球面镜、二个发光二极管、一个芯片，所述六自由度为三维空间上的旋转量和平移量， 所述四个磁铁放置于所述六自由度鼠标内，位置分别在所述四个压力传感器上方，并能与所述光磁两用鼠标垫相互作用产生磁力，

所述四个压力传感器在所述六自由度鼠标内同一个水平面上，分别在所述六自由度鼠标内的左、右和前、后四个位置，分别用于测量所述磁铁和所述光磁两用鼠标垫之间所述磁力的变化，并根据所述磁力的变化得出所述六自由度中水平方向上的旋转量和垂直方向上的平移量，

所述两个反射镜组在所述两个球面镜和所述两个发光二极管中间，将所述发光二极管出射的光线入射到所述光磁两用鼠标垫上，

所述两个球面镜分别设置在两个像传感器下方，将从所述光磁两用鼠标垫反射回来的光线汇聚到所述两个像传感器上，

所述两个像传感器设置在所述六自由度鼠标内的左、右两侧并处于同一个水平面上，用于测量所述两个球面镜下方所述光磁两用鼠标垫区域的图像变化，计算出所述六自由度中的所述水平方向上的位移量和所述垂直方向上的旋转量，

所述芯片内置于所述六自由度鼠标内，处理所述两个像传感器和所述四个压力传感器的信号并计算出所述鼠标六自由度的所述六自由度的变化，

所述光磁两用鼠标垫放置在所述六自由度鼠标下方，以便于所述芯片处理所述像传感器的成像变化和所述磁力变化。

2.根据权利要求1的所述六自由度光磁三维鼠标装置，其特征在于：

其中，两个所述反射镜组为两个60度反射镜，将使得两个所述发光二极管的所述光线通过所述反射镜组之后的所述光线发光二极管反射到所述光磁两用鼠标垫的入射角度小于30度。

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