DE3709464A1 - X-y-eingabevorrichtung - Google Patents

X-y-eingabevorrichtung

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Description

Die Erfindung geht von einem Gegenstand der Gattung 1 aus.
X-Y-Eingabevorrichtungen für Computer insbesondere zur Cursorsteuerung sind bekannt und werden als
  • 1. Maus,
  • 2. Steuerknüppel,
  • 3. Lichtgriffel,
  • 4. berührungsemp­ findlicher Bildschirm,
  • 5. Cursortasten, etc.
ausgeführt.
Bei Computerprogrammen mit Menü- oder menüähnlicher Steuerung oder Steuerung über Funktionssymbole (Pictogramme) sind im Programmablauf zusätzlich zur Eingabe von Text und Zahlen Eingaben zur Bewegung des Cursors vorzunehmen.
Bei Verwendung der obengenannten Vorrichtungen zur Cursorsteuerung wird bei jedem Wechsel zwischen Tastatureingabe und Steuerung des Cursors der flüssige Eingabeablauf gestört, da:
  • a) die Geräte 1-4 meist nicht in das Tastenfeld der Tastatur integriert sind und eine Hand bei jedem Wechsel erneut in eine Grundstellung/Anfangsstellung zur Bedienung der Tastatur bzw. der entsprechenden Vorrichtung gebracht werden muß.
  • b) die Cursorpositionierung insbesondere bei Verwendung der Geräte 2 und 5 langsam vor sich geht und damit zeitraubend ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die es erlaubt, Tastatureingaben und Cursorsteuerungen schnell und flüssig nacheinander vorzunehmen ohne daß der Bedienende dabei die Hände aus der Schreibmaschinen­ grundhaltung und den Blick vom Bildschirm nehmen muß.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Damit werden Menüsteuerung und Steuerung des Rechners über Pictogramme unterstützt und beschleunigt und eine schnelle und direkte Mensch- Maschine-Kommunikation ermöglicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der X-Y-Eingabevorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Mit Hilfe eines geeigneten Verarbeitungsgerätes können die obengenannten Steuervorrichtungen 1 bis 5 durch die beschriebene X-Y-Eingabevorrichtung emuliert werden. Damit ist z. B. bei Verwendung der beschriebenen Vorrichtung zusammen mit gängigen Personalcomputern volle Hard- und Softwarekompatibilität erreichbar.
Die X-Y-Eingabevorrichtung kann allgemein zur berührungslosen interaktiven Steuerung von Computern und elektronischen Steuerungen verwendet werden.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der X- Y-Eingabevorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 2 Blockschaltbild des Verarbeitungsgerätes,
Fig. 3 Schaltbild der Vorrichtung A,
Fig. 4 schematische Darstellung der Vorrichtung A,
Fig. 5 Aufbau der flachen Drahtspule als Antenne zur Erfassung der horizontalen Bewegung des Fingers,
Fig. 6 Aufbau der flachen Drahtspule als Antenne zur Erfassung der vertikalen Bewegung des Fingers,
Fig. 7 schematische Darstellung der Eigenmagnetfelder der flachen Drahtspulen im betrachteten Raumbereich.
Fig. 1 zeigt schematisch die bevorzugte Ausführungsform eines Gerätes gemäß Anspruch 1. Es dient zur Steuerung einer Lichtmarke (speziell des Cursors) auf dem Bildschirm eines Personal Computers.
Die Vorrichtung (A) ist am rechten Zeigefinger des Bedienenden befestigt. Die Hände befinden sich beim Bedienen in Schreibmaschinengrundhaltung, von der ausgehend sowohl die Texteingabe als auch die Steuerung der Lichtmarke möglich ist.
Die Empfangsvorrichtung (B) befindet sich unter der Tastatur. Sie besteht aus zwei flachen Drahtspulen. Die Ausgangssignale der Drahtspulen werden an das Verarbeitungsgerät weitergeleitet.
Das Verarbeitungsgerät (C) steuert den angeschlossenen Personalcomputer über den für den Anschluß einer "Maus" vorgesehenen Eingang des Personalcomputers. (Durch Emulation einer "Maus"). Das Verarbeitungsgerät ist zudem zwischen Tastatur und Personalcomputer geschaltet, damit es die Betätigung spezieller Tastenkombinationen als Befehl erkennen und weiterverarbeiten kann. Die Tastatur ist so modifiziert, daß das Verarbeitungsgerät die Tastatur- Schaltermatrix direkt abfragen kann.
Ferner steuert das Verarbeitungsgerät mehrere Infrarot-Leuchtdioden (D) an, die in die Tastatur eingebaut sind und die Vorrichtung A von unten beleuchten.
An der Vorrichtung A befinden sich Fotoelemente, die Strom im Takt der Infrarotstrahlung erzeugen. Dieser Strom erzeugt in einer Spule der Vorrichtung A ein Wechselmagnetfeld, welches wiederum von der Empfangseinrichtung zur Lagebestimmung gemessen werden kann.
Zur Aktivierung der Steuerung der Lichtmarke betätigt der Bedienende mit dem Mittel- und Ringfinger der rechten Hand gleichzeitig die Tasten K und L. Jetzt kann durch Bewegen des rechten Zeigefingers die Lichtmarke auf dem Bildschirm bewegt werden. Dabei entsteht für den Bedienenden der Eindruck, daß er auf die Lichtmarke zeigt und ihre Position auf dem Bildschirm allein dadurch bestimmt.
Durch Betätigung einer der Tasten A, S, D, F, Leertaste mit den Fingern der linken Hand können bestimmte Funktionen ausgelöst werden. Diese Funktionen entsprechen bei Verwendung einer "Maus" dem ein- oder mehrfachen Betätigen der "Maus-Taste".
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild des Verarbeitungsgerätes.
Funktionseinheiten des Verarbeitungsgerätes sind:
  • - Ablaufsteuerung mit Mikroprozessor mit folgenden Funktionen:
    • - Verarbeitung der Information über Lage bzw. Richtung des Zeigefingers zur Steuerung der Lichtmarke und Weitergabe der Information an den Personalcomputer.
    • - Verarbeitung der Tastaturinformation und Weitergabe an den Personalcomputer,
  • - Kanal 1 und 2: Verstärker und Gleichrichter.
Beide Kanäle sind identisch aufgebaut. Ein spezieller Aufbau ist erforderlich, da die Empfangsvorrichtung nur sehr geringe Spannungen abgibt. Trotzdem soll thermische Stabilität und Rauschfreiheit gewährleistet werden.
Es werden als zweipoliger Bessel-Tiefpaß geschaltete Verstärker verwendet (V 1, V 2). Analogschalter übernehmen die Funktion von Multiplizierern (M 1 bis M 3).
Der Multiplizierer M 1 arbeitet als Synchrongleichrichter, der Verstärker V 1 zusammen mit den Multiplizierern M 2, M 3 als Chopperverstärker. V 1 ist als 100 Hz-Tiefpaß mit einer Verstärkung von 500 geschaltet. Der nachfolgende Verstärker V 2 ist als 1 Hz- Tiefpaß mit einer Verstärkung von 500 geschaltet. Als Gesamtverstärkung ergibt sich somit 250 000 bei einer Bandbreite von DC bis 1 Hz.
Synchronität zwischen dem Synchrongleichrichter M 1 und dem Eingangssignal wird dadurch erreicht, daß die Infrarot-Leuchtdioden ebenfalls mit dem Taktsignal des Synchrongleichrichters angesteuert werden (vergleiche Beschreibung der Funktionseinheit '3) Infrarot- Leuchtdioden LED').
Über einen 10 Bit-Analog/Digitalwandler wird die Ausgangsspannung digitalisiert und von der Ablaufsteuerung weiterverarbeitet.
- Infrarot-LED
Die Anregung des Schwingkreisstromes in der Vorrichtung A erfolgt durch LED-Infrarotstrahlung im Takt der Schwingkreisfrequenz. Die Leuchtdioden sind in das Gehäuse der Tastatur eingebaut und beleuchten die Vorrichtung A von unten.
- PLL-Oszillator
Mit dem PLL-Oszillator werden die internen Taktfrequenzen auf die Netzfrequenz synchronisiert, um Interferenz-Störungen (Schwebungen) durch netzfrequente Magnetfelder zu unterdrücken.
Der PLL-Oszillator schwingt (annähernd) auf der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und steuert sowohl den Synchrongleichrichter von Kanal 1 und 2 als auch die Infrarot-LED's an. Damit wird eine phasenstarre Synchronität gewährleistet zwischen:
  • - Taktfrequenz der LED's,
  • - Takt der Infrarotstrahlung,
  • - durch Infrarotlicht erzeugter Fotostrom in den Fotoelementen der Vorrichtung A,
  • - Schwingkreisstrom in der Vorrichtung A,
  • - magnetisches Wechselfeld,
  • - induzierte Spannungen in den Empfangsantennen 1 und 2,
  • - Taktfrequenz des Synchrongleichrichters.
Fig. 3 zeigt das Schaltbild der Vorrichtung A.
Der durch (L) und (C) gebildete Schwingkreis ist auf ca. 20 KHz abgestimmt und wird jeweils in einer Halbperiode durch den Fotostrom der Fotoelemente (D) angeregt. Die Diodencharakteristik der Fotoelemente begrenzt die Schwingkreisspannung. Damit wird auch bei Änderung der Beleuchtungsintensität z. B. durch teilweise Abschattung ein weitgehend gleichbleibender Schwingkreisstrom und damit ein gleichbleibendes Magnetfeld gewährleistet.
Fig. 4 zeigt die schematische Zeichnung einer aufgebauten Vorrichtung A.
Die Spule wurde aus Feindraht in einen ringförmigen Kunststoffkörper gewickelt. Zwei Kondensatoren und sechs Fotoelemente sind auf dem Umfang des Ringes verteilt, so daß der Massenschwerpunkt mit dem Mittelpunkt des Ringes zusammenfällt. Durch die Verteilung der Fotoelemente auf dem Umfang des Ringes wird immer mindestens ein Fotoelement von der Infrarotstrahlung der LED's getroffen.
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen den schematischen Aufbau der in der Empfangsvorrichtung verwendeten flachen Drahtspulen.
Beide Drahtspulen sind auf einer Fläche von 400 × 400 mm aufgebaut. In Fig. 5 und 6 sind die Abmessungen der Teilspulen angegeben. Ebenso sind die Anzahl der Einzeldrähte in den Teilspulen und der Wicklungssinn (Stromflußrichtung) mit "Wdg." und Pfeil angegeben. Die beiden Teilspulen in Fig. 5 sind in Serie geschaltet. Mit (A) wird jeweils der Punkt bezeichnet, in dem das durch die Drahtspulen erzeugte Magnetfeld optimal homogen ist.
Zur Auslegung der Drahtspulen zunächst einige Anmerkungen:
- X-Richtung
Die horizontale Bewegung des Fingers an dem die Vorrichtung A befestigt ist soll als "X-Richtung" bezeichnet werden.
Es wird vorausgesetzt, daß sich die Hand in Ruhe befindet und der Finger aus dem Gelenk heraus bewegt wird.
- Y-Richtung
Die vertikale Bewegung des Fingers an dem die Vorrichtung A befestigt ist soll als "Y-Richtung" bezeichnet werden.
Es wird vorausgesetzt, daß sich die Hand in Ruhe befindet und der Finger aus dem Gelenk heraus bewegt wird.
- Raumbereich
Der Raumbereich, in dem sich die Vorrichtung A während des Bedienvorganges befindet soll als "Raumbereich" bezeichnet werden. Dieser "Raumbereich" wird automatisch dadurch festgelegt, daß die Aktivierung der Cursorbewegung durch Betätigen von bestimmten Tasten mit der Hand erfolgt, an der die Vorrichtung A angebracht ist (K und L bei der rechten Hand).
Damit wird die Bewegungsmöglichkeit der Hand wesentlich eingeschränkt.
- Ruhelage
Voraussetzung: Die Hand wird während des Bedienvorganges ruhig gehalten und der Finger an dem die Vorrichtung A befestigt ist wird aus dem Gelenk heraus bewegt.
Der Finger kann dann in X- und Y-Richtung in einem gewissen Bereich bewegt werden. Eine gedachte Mittenposition, die sowohl der X- als auch der Y- Richtung gemeinsam ist, soll als "Ruhelage" des Fingers bezeichnet werden.
- Eigenmagnetfeld
Als "Eigenmagnetfeld" einer Drahtspule wird das magnetische Feld bezeichnet, das entsteht, wenn die Drahtspule selbst von Strom durchflossen wird.
- Ringspule
Die Spule der Vorrichtung A wird als "Ringspule" bezeichnet.
- E-Spule
Die flachen Drahtspulen der Empfangseinrichtung werden jeweils als "E-Spule" bezeichnet.
Überlegungen zum Aufbau der Drahtspulen der Empfangseinrichtung gehen davon aus, daß die Änderung der Gegeninduktivität zwischen einer Spule 1 und einer Spule 2 die gleiche ist wie zwischen Spule 2 und 1 wenn beide Spulen geometrisch unverändert bleiben und nur die räumliche Lage zueinander in Luft geringfügig geändert wird.
Daher soll zunächst davon ausgegangen werden, daß in den "E-Spulen" Wechselstrom fließt, der in der "Ringspule" eine Wechselspannung induziert.
Die beiden "E-Spulen" werden derart aufgebaut, daß sie im "Raumbereich" jeweils ein annähernd homogenes "Eigenmagnetfeld" in X- bzw. Y-Richtung erzeugen (siehe auch Fig. 7).
Durch die sich kreuzenden Feldlinien werden Feldebenen aufgespannt. Die "E-Spulen" wurden derart aufgebaut, daß die "Ringspule" in "Ruhelage" genau in einer Feldebene liegt. Somit wird in der "Ruhelage" keine Spannung in der "Ringspule" induziert. Wird die "Ringspule" aus der Ruhelage heraus bewegt, so wird proportional zur Auslenkung eine bestimmte Fläche der "Ringspule" den Magnetfeldern der "E-Spulen" ausgesetzt.
In der "Ringspule" werden Spannungen induziert, die bei auslenkung in "X-Richtung" vom Magnetfeld der X- "E- Spule" herrühren und zur Auslenkung proportional sind. Die Auslenkung in positive oder negative X-Richtung unterscheidet sich noch durch die Phasenlage der induzierten Spannung, d. h. 0 Grad/180 Grad relativ zur Spannung an der "E-Spule".
Gleichzeitig werden in der "Ringspule" Spannungen induziert, die bei Auslenkung in "Y-Richtung" vom Magnetfeld der Y-"E-Spule" herrühren und zur Auslenkung proportional sind. Die Auslenkung in positive oder negative Y-Richtung unterscheidet sich noch durch die Phasenlage der induzierten Spannung, d. h. 0 Grad/180 Grad relativ zur Spannung an der "E- Spule".
Soweit diese Überlegung. Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird das Magnetfeld von der "Ringspule" erzeugt, die Spannungen werden in den "E- Spulen" induziert.
Werden dann die beiden "E-Spulen" wie oben beschrieben aufgebaut,
  • - dann wird in der "E-Spule" für die X-Richtung eine Spannung erzeugt, die der X-Auslenkung der Vorrichtung A aus der "Ruhelage" heraus proportional ist und je nach Richtung der Auslenkung 0 oder 180 Grad Phasenverschiebung zur Spannung an der "Ringspule" aufweist.
  • - Dann wird in der "E-Spule" für die Y-Richtung eine Spannung erzeugt, die der Y-Auslenkung der Vorrichtung A aus der "Ruhelage" heraus proportional ist und je nach Richtung der Auslenkung 0 oder 180 Grad Phasenverschiebung zur Spannung an der "Ringspule" aufweist.
Fig. 7 zeigt die schematische Darstellung der Eigenmagnetfelder der flachen Drahtspulen.
Mit (A) ist die "Ruhelage" der Vorrichtung A bezeichnet. Der "Raumbereich" ist durch den eingezeichneten Quader angedeutet (Vergleiche jeweils Beschreibung zu Fig. 5 und 6).
Die eingezeichneten Feldlinien treten bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform des Gerätes nicht auf, da dort das Magnetfeld von Vorrichtung A erzeugt wird.
Die Feldlinien sind lediglich zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung "Ringspule"-"E-Spulen" gezeichnet (Vergleiche Beschreibung zu Fig. 5 und 6).

Claims (17)

1. X-Y-Eingabevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung A an einem Finger des Bedienenden befestigt wird, die Signale aussendet aus denen mithilfe einer Empfangsvorrichtung und eines Verarbeitungsgerätes drahtlos die räumliche Lage bzw. Richtung des Fingers relativ zu einem Bezugssystem ermittelt werden kann. Die Empfangsvorrichtung setzt die empfangenen Signale um und gibt sie an das Verarbeitungsgerät weiter, welches die Information verarbeitet und an angeschlossene Geräte wie Computer oder elektronische Steuerungen übermittelt oder angeschlossene Geräte steuert.
2. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung A wie ein Schmuckring an einem Finger, vorzugsweise dem rechten oder linken Zeigefinger, befestigt wird.
3. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung A eine Spule enthält, die von Wechselstrom durchflossen wird und ein definiertes Magnetfeld erzeugt, welches mit der Empfangsvorrichtung gemessen werden kann.
4. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule als Ring ausgebildet ist, der über den Finger gestreift wird.
5. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule zusammen mit einem Kondensator einen Schwingkreis bildet.
6. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom in der Spule durch optoelektronische Bauelemente wie Solarzellen erzeugt wird, die mit Licht im Takt der Schwingkreisfrequenz bestrahlt werden.
7. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom in der Spule durch ein äußeres Wechselmagnetfeld angeregt wird.
8. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung A eine elektronische Schaltung enthält, die eine Identifikation des Ringes ermöglicht. Damit ist indirekt eine Identifikation des Bedienenden möglich, was zu speziellen Steuerfunktionen verwendet werden kann.
9. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung A eine aktive elektronische Schaltung enthält, die eine Identifikation des Ringes ermöglicht indem das Frequenz- oder Amplitudenverhalten der Vorrichtung zeitlich geändert wird.
10. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung A eine aktive elektronische Schaltung enthält, die eine Identifikation des Ringes ermöglicht indem ein spezielles Signal ausgesendet wird.
11. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsvorrichtung aus Drahtspulen besteht, die derart aufgebaut sind, daß in einem vorgegebenen Raumbereich die Bestimmung der Richtung der gedachten Rotationssymmetrieachse des Magnetfeldes der Spule aus Anspruch 3 möglich ist und zwar durch Messung der vom Magnetfeld der Vorrichtung A in den Drahtspulen der Empfangsvorrichtung induzierten Spannungen. Damit kann bei geeignetem Aufbau der Vorrichtung A, wie z. B. in Anspruch 4 angegebenen, eindeutig die Lage und Richtung des bewegten Fingers bestimmt werden.
12. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtspulen als flache Drahtspulen aufgebaut sind, die auf einen Tisch gelegt oder an oder in einem Gerät oder einer Vorrichtung angebracht werden können.
13. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtspulen als konzentrierte Spulen wie Zylinderspulen aufgebaut sind, die in ein Gerät oder eine Vorrichtung eingebaut werden können.
14. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsvorrichtung aus zwei Drahtspulenanordnungen besteht, die derart aufgebaut sind, daß sie in einem vorgegebenen Raumbereich zwei nahezu homogene aufeinander senkrecht stehende Eigen-Magnetfelder erzeugen, wenn sie von Strom durchflossen werden. Die räumliche Lage der von diesen beiden Feldern aufgespannten Feldebenen wird optimal so gewählt, daß die gedachte Symmetrieachse des von der Vorrichtung A erzeugten Magnetfeldes während des Bedienvorganges im Mittel senkrecht auf den Feldebenen steht. In diesem Fall lassen sich die Ausgangsspannungen der einen bzw. anderen Drahtspulenanordnung eindeutig der X- bzw. Y- Bewegung des Ringes in der oben genannten Feldebene zuordnen.
15. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der X-Y-Eingabevorrichtung erst dann zur Ausgabe an die angeschlossenen Geräte oder Weiterverarbeitung durch die angeschlossenen Geräte freigegeben werden kann, wenn sich die Vorrichtung A in einem vorgegebenen Raumbereich befindet.
16. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der X-Y-Eingabevorrichtung erst dann zur Ausgabe an die angeschlossenen Geräte oder Weiterverarbeitung durch die angeschlossenen Geräte freigegeben werden, wenn eine bestimmte Taste oder Tastenkombination einer gleichzeitig verwendeten Tastatur betätigt wird.
17. X-Y-Eingabevorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer schreibmaschinenähnlichen Computer- Eingabetastatur und Benutzung der X-Y- Eingabevorrichtung die Hände in Schreibmaschinen­ grundhaltung verbleiben können. Der Finger an den die Vorrichtung A angebracht ist, bleibt frei beweglich. Durch Betätigen einer oder mehrerer Tasten mit den verbleibenden Fingern der gleichen Hand wird gewährleistet, daß sich die Vorrichtung A in einem bestimmten Raumbereich befindet. Durch Betätigen einer oder mehrerer Tasten mit den dann noch verbleibenden Fingern der einen oder anderen Hand wird die Ausgabe der Signale an die angeschlossenen Geräte oder die Weiterverarbeitung der Signale freigegeben oder es werden Zusatzfunktionen freigegeben.
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