具有附加调节旋钮的3D-输入设备

摘要

本发明涉及一种控制物体(8，14)在空间内位置的3D‑输入设备(1)，包含一个可手动控制的3D‑输入元件(3)，在该输入元件上可以输入沿三个空间坐标的空间预设参数，和一个调节旋钮(4)，该调节旋钮在进行旋转控制时生成取决于旋转角度的输出信号。根据本发明，3D‑输入设备(1)包含一个控制单元(21)，该控制单元根据调节旋钮(4)实施的旋转移动在空间内移动物体(8，14)。

权利要求

1.用于控制物体(8，14)在空间内沿移动轨迹(18)移动位置的3D-输入设备(1)，包含一个可手动控制的3D-输入元件(3)，在该输入元件上可以对六个自由度平移和/或旋转控制预设参数，即沿三个空间坐标或者围绕三个空间坐标的控制预设参数进行设定，一个附加的调节旋钮(4)，该调节旋钮在实施旋转控制时生成一个取决于旋转角度的输出信号，和一个控制单元(21)，该控制单元对调节旋钮(4)生成的输出信号进行处理，其特征在于，控制单元(21)确定物体(8)之前的移动轨迹(18)的信息，物体(8，14)在调节旋钮(4)进行旋转控制时根据确定的移动轨迹(18)的信息在空间内进行移动。

2.根据权利要求1所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，控制单元(21)根据调节旋钮(4)实施的旋转移动对物体(8，14)进行位置控制，对此，物体(8，14)移动的距离取决于调节旋钮(4)设定的旋转角度。

3.根据上述权利要求1或2所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，设计一个或者多个其他的可手动控制的输入元件(6)用于对特定的移动方向进行规定，控制单元(21)根据对一个或者多个输入元件(6)的控制以及调节旋钮(4)实施的旋转移动沿特定方向移动物体(8)。

4.根据上述权利要求1或2所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，控制单元(21)根据3D-输入元件(3)实施的控制设定实施物体(8)的速度控制。

5.根据上述权利要求1或2所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，控制单元(21)在设计时使得，被控制的物体(8)在沿第一旋转方向旋转调节旋钮(4)时沿第一移动方向移动，在沿第二旋转方向旋转调节旋钮(4)时沿相反的移动方向移动。

6.根据上述权利要求1或2所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，在控制3D-输入元件(3)和/或调节旋钮(4)时实施的控制类型和/或灵敏度取决于被控制物体(8)的位置。

7.根据权利要求6所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，控制单元(21)在规定的空间区域(16)内时实施第一种控制类型；在规定的区域(16)外时控制单元实施第二种控制类型。

8.根据权利要求6所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，如果被控制的物体(8)位于规定的空间区域(16)内，3D-输入元件(3)和/或调节旋钮(4)的灵敏度小于被控制物体(8)位于区域(16)外的灵敏度。

9.根据权利要求7或8所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，在确定区域(16)时应使得物体(8)在调节旋钮(4)的特定旋转角度下由区域(16)的边缘移动至区域(16)的中间点(B)。

10.根据权利要求9所述的3D-输入设备(1)，其特征在于，区域(16)的中间点为目标点(B)。

11.借助3D-输入设备(1)在空间内控制物体(8)的方法，该输入设备包含一个可手动控制的3D-输入元件(3)，在该输入元件上可以对六个自由度平移和/或旋转控制预设参数，即沿三个空间坐标或者围绕三个空间坐标的控制预设参数进行设定，一个附加的调节旋钮(4)，其特征在于以下步骤：-对3D-输入元件(3)的反应：物体(8，14)在空间内根据控制预设参数进行移动；

-确定物体(8)之前的移动轨迹(18)的信息；

-对旋转调节旋钮(4)的反应：在空间内根据确定的移动轨迹(18)的信息移动物体(8，

14)。

12.根据上述权利要求11所述的方法，其特征在于，物体(8，14)在旋转调节旋钮(4)时进行位置控制移动，在控制3D-输入元件(3)时进行速度控制移动。

13.根据上述权利要求11或12所述的方法，其特征在于，物体(8，14)在旋转调节旋钮(4)时与控制3D-输入元件(3)相比以更低的灵敏度进行移动。

说明书

具有附加调节旋钮的3D-输入设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1属概念的用于控制物体在空间内未知的3D-输入设备。

背景技术

[0002] 下文中参考的手动控制输入设备用于控制软件应用，例如CAD-程序，或用于控制移动装置或设备，例如机器人、刀具、运输装置或其他设备。典型的输入装置包括诸如鼠标、游戏手柄、键盘、轨迹球或用于控制空间内虚拟或真实物体的3D-输入设备。

[0003] 例如，在DE 10 2008 019 144中公开了一种3D-输入设备，该输入设备包含一种3D-控制元件以及一个附加的调节旋钮。通过3D-控制元件，用户可以在三个空间轴上或围绕三个空间轴预先设定平移和旋转控制参数。通过控制调节旋钮也可以实施其他的功能。
例如可以通过旋转调节旋钮修改3D-控制的灵敏度，调节屏幕的亮度或在屏幕上定义放大区域，在该区域内所示的元件根据旋转方向放大或缩小。

[0004] US 5 561 445 A说明了一种3D-输入设备，在该设备上可以对总计六个自由度内的平移和旋转控制参数进行预先设定。此外，该3D-输入设备还包含三个单独的输入元件，即一个轨迹球、一个调节旋钮和一个控制球，在上述输入设备上可以分别在一个或多个自由度内对控制参数进行预先设定。一个物体可以在总计六个自由度内进行移动。

[0005] 在WO 02 065 269 A1中公开了另一种3D-输入设备。

[0006] 已知的3D-输入设备通常实施速度控制。也就是说，3D-输入元件的特定移动被转化为特定的速度，物体以该速度在空间内进行移动。对此，3D-输入元件的特定位置与物体的特定速度对应。如果用户想要停止该物体，用户必须将3D-输入元件移动回零点位置。当然，通过这一类的系统仅可以对物体进行相对不太精确的控制。为精确控制物体，例如机器人，速度控制的方法是不合适的，因为该方法在进行目标精确的定位时不够精确，需要非常高的技巧。此外，其原因还在于，在用户将3D-输入元件移动至零点位置的过程中，机器人会继续移动。为了可以对机器人进行精确的控制，用户必须了解机器人在所有工作状态下的性能，并手动对其进行调节。

发明内容

[0007] 上述发明的任务在于，创造一种3D-输入设备用于控制物体在空间内的位置，该输入设备可以手动进行控制，且可以在空间内对物体进行简单和精确的控制。

[0008] 该任务根据本发明通过在独立权利要求中规定的特征加以解决。本发明的其他实施形式见子权利要求。

[0009] 根据本发明，对一种控制物体在空间内位置的3D-输入设备进行了建议，该输入设备包含一种可以手动控制的3D-输入元件，在该输入元件上可以沿或围绕至少三个(笛卡尔)空间坐标规定平移和/或旋转控制预设参数，同时该输入设备还包含一种附加调节旋钮，该调节旋钮在实施旋转控制时可以生成与旋转角度相关的输出信号。根据本发明，规定了一种控制单元，该控制单元根据调节旋钮实施的旋转移动在空间内对物体进行平移。也就是说，被控制的物体在调节调节旋钮时从起始点向目标点实施线性移动，尤其是直线移动。由此，根据本发明的输入设备不仅可以借助3D-输入元件，也可以借助调节旋钮控制或定位物体。如果调节旋钮具有比3D-输入设备更低的灵敏度，则物体可以借助调节旋钮实施比借助3D-输入元件更精确的控制。根据灵敏度，在特定的控制预设参数下，物体以不同的速度或不同的幅度进行移动，对此，更高的灵敏度意味着物体相对移动更快或更远。

[0010] 在本文档中，“物体”可以理解为任何设备或装置，该设备或装置借助一个或多个执行机构(例如电机)进行移动。此外，根据本发明的物体也可以是虚拟物体，例如可在屏幕上进行显示以及用户可借助软件应用进行控制的物体。

[0011] 根据本发明的3D-输入设备原则上在设计时应使得，在控制3D-输入元件或调节旋钮时要么实施位置控制，要么实施速度控制。根据本发明一种优选的实施形式，在控制调节旋钮时实施位置控制，通过该位置控制，物体根据调节旋钮的旋转移动在空间内进行移动。与速度控制相比，借助位置控制，用户通常可以更快和更精确地对期望的时间点进行控制，无需长时间进行练习。

[0012] “位置控制”是指用户在调节旋钮上实施的控制预设参数转化为被控制物体的相应位置变化。旋转移动的大小确定被控制物体由起始位置至最终位置的距离，此外，用户的控制预设参数通过规定的刻度系数转化为被控制物体的相应移动。

[0013] 根据本发明一种特殊的实施形式，3D-输入设备在设计时应使得，用户在3D-输入元件上实施的控制参数预设转换为被控制物体的相应速度。在旋转控制调节旋钮时，优选实施位置控制。在3D输入元件上实施的控制参数预设也可以实施位置控制。在该情况下，3D-输入元件的灵敏度优选高于调节旋钮。

[0014] 在本发明的一种实施形式中，两个输入装置(3D-输入元件和调节旋钮)在实施速度控制时也适用上述规则。

[0015] 本发明规定，在调节旋钮旋转移动时，物体根据物体之前的移动轨迹继续移动。如果以前的移动轨迹沿直线，则物体优选沿直线继续移动。如果之前的移动轨迹为曲线，则物体优选沿着具有相同曲线半径的曲线继续移动。根据一种特殊的实施形式，在以前移动轨迹的某个点，尤其是终点，例如也被称作渐近线，物体沿着渐近线继续移动。

[0016] 根据本发明一种优选的实施形式，3D-输入设备包含一个或多个其他的输入元件，例如键盘，用于规定物体在调节旋钮旋转时跟随的特定移动方向。借助其他的输入元件可以规定沿x-方向、y-方向或z-方向移动，也可以围绕指定轴进行旋转。如果对其中的一种附加输入元件进行控制，且手动旋转调节旋钮，则物体沿期望的方向移动。因此，借助附加的输入元件和调节旋钮可以让物体在任何期望的空间方向上移动和/或物体围绕各自的空间轴进行旋转。当然，也可以借助软件对移动方向进行配置。

[0017] 被控制物体实施的移动优选根据调节旋钮的旋转方向进行。根据一种优选的实施形式，在设计这一类3D-输入设备时，在控制调节旋钮沿第一个旋转方向旋转时物体沿第一个移动方向移动，在控制调节旋钮沿另一个旋转方向旋转时物体沿相反的方向移动。

[0018] 根据本发明的一种实施形式，控制的类型(即位置控制或速度控制)和/或各输入装置(3D-输入元件或调节旋钮)的灵敏度取决于被控制物体所处的位置。由此可以规定，在控制调节旋钮时，如果被控制的物体在规定的区域内，位置控制以第一种灵敏度进行实施，如果物体在该区域外，则位置控制以第二种灵敏度进行实施。在该区域内的灵敏度优选小于在区域外的灵敏度。相应的规则也适用于3D-输入元件的控制。

[0019] 也可以选择在设计根据本发明的3D-输入设备时使得，如果被控制的物体位于规定的空间区域内，在控制调节旋钮时实施位置控制，如果物体在该区域外或位于其他空间区域内，则实施速度控制。相应的规则也适用于3D-输入元件的控制。

[0020] 上述区域在确定时优选使得，待控制的物体在完整转动一次调节旋钮时由空间区域的边缘位置移动至该区域的中间点。该区域优选为一个空间区域，例如为球体。但也可以选择和上文所述相比更精细或更粗略的转换比。

[0021] 空间区域的大小和/或地点、控制的类型和/或在空间区域内或空间区域外的灵敏度优选由用户根据期望进行设定，例如借助相应的软件菜单。因此未经练习的用户与有经验的用户相比可以选择更大的区域和/或更小的灵敏度。

[0022] 本发明也涉及一种借助3D-输入设备控制空间内物体的方法，该输入设备包含一种可手动控制的3D-输入元件和一个调节旋钮，在该输入元件上可以输入沿三个(笛卡尔)空间坐标或围绕三个空间坐标的控制预设参数，在对调节旋钮进行旋转控制时生成一个与旋转角度相关的输出信号，此外，该方法包含以下步骤：在控制3D-输入元件时的反应：根据3D-输入元件实施的控制预设参数移动被控制的物体；在控制调节旋钮时的反应：根据调节旋钮实施的旋转移动移动被控制的物体。

[0023] 针对该目的，3D-输入元件和调节旋钮的输出信号由控制器进行处理，该控制器对被控制物体的一个或多个执行机构或软件应用进行相应的控制。

附图说明

[0024] 在下文中，本发明根据附图进行更加详细的示例性说明。其中：

[0025] 图1示出了当前技术水平下具有一个附加调节旋钮的已经公开的一种3D-输入设备的透视图；

[0026] 图2示出了机器人系统和一个借助根据图1的3D-输入设备进行控制的机器人；

[0027] 图3示出了不同的由设备的最终执行机构实施的移动轨迹。

具体实施方式

[0028] 图1示出了用于控制如图2示例说明的机器人8的3D-输入设备1的实施形式。但3D-输入设备也可以用于控制任意其他的设备或软件-应用，例如CAD-软件。输入设备1可以将沿或围绕所有三个笛卡尔空间轴的平移和/或旋转控制预设参数转换为相应的电气控制信号。

[0029] 图1中所示的3D-输入设备1包含一个本体2和一个3D-输入元件3，该输入元件由盖罩构成，该盖罩和本体2以可移动的方式相连。3D-输入元件3可以沿x-，y-和z-方向移动或围绕上述轴进行摆动或旋转，同时该输入元件构成3D-传感器的一部分，其实际的传感器元件安排在本体2的内部。3D-传感器可以是诸如德国专利DE 102006058805所述的3D-测量系统。

[0030] 此外，在3D-输入元件3区域还设计有轮状的调节旋钮4，在该调节旋钮上可以输入其他的控制预设参数。调节旋钮4可以同3D-输入元件3一样围绕z-轴进行旋转。此外，在本体2上可以安排其他的控制元件，例如键盘6和/或显示器7。

[0031] 3D-输入设备1在设计时应使得，被控制的物体，例如图2中所示的机器人8既可以借助3D-输入元件3，也可以借助调节旋钮4在空间内进行移动。根据本发明一种优选的实施形式，3D-输入设备1在设计时应使得，如果对调节旋钮4进行调节，则对物体进行位置控制。也就是说被控制物体的位置取决于在调节旋钮4上设定的旋转角度。

[0032] 对3D-输入元件3以及调节旋钮4的控制原则上既可以转化为被控制物体8或14的速度控制，也可以转换为位置控制。根据本发明一种优选的实施形式，在控制3D-输入元件3时优选实施速度控制，而在控制调节旋钮4时实施位置控制。在3D-输入元件3或调节旋钮4上输入的控制预设参数可以借助特定的转化比活着刻度系数转化为相应的速度或位置。

[0033] 在两个输入元件3，4实施位置控制或两个输入元件3，4实施速度控制的情况下，调节旋钮4的灵敏度优选低于3D-输入元件3的灵敏度。用户由此可以借助3D-输入元件3对物体进行粗略控制，借助调节旋钮4对物体进行精细控制。

[0034] 控制的类型(即位置控制或速度控制)和/或灵敏度可以取决于被控制物体的当前位置，见下文的详细说明。

[0035] 3D-输入元件3和/或调节旋钮4可以包含一种光学、磁性、压电或者任意其他已经公开的传感器元件。根据本发明的一种实施形式，调节旋钮4在旋转移动时会产生一系列脉冲，通过这些脉冲可以确定不同的移动尺寸，例如旋转角度。3D-输入元件3和/或调节旋钮4的传感器的输出信号由分析电子装置21继续进行处理，并转化为相应的控制信号对被控制物体8的一个或多个执行机构进行控制。分析电子装置21在本文档中也被称作“控制器”或者“控制单元”21，通常由硬件和软件部件组成。控制单元21可以安排在本体2内部或安排在本体2外部，例如在外部设备中。

[0036] 图2示出了一种具有机器人8的机器人系统，该机器人可用于诸如微创外科手术。机器人8包含两个支臂元件11a，11b，该支臂元件通过铰链12a相互连接在一起。下部支臂元件11a通过铰链12c和底座9相连。单个的铰链12a，12c分别以电机(未示出)进行驱动，可以根据结构使得支臂元件11a，11b实施摆动和/或滚动移动。

[0037] 机器人8具有一个自由末端，该末端也被称作机器人头，在机器人头部设计有另一个铰链12b。在该机器人头部可以固定仪器13。在机器人用于外壳手术时，该仪器可以是的诸如内窥镜、腹腔镜、切割仪器、抓取仪器、固定仪器、缝合仪器或者其他用于微创外科手术的仪器。仪器13实际的末端执行机构可以是以参考标号14标识的诸如手术刀、手术剪、缝合针、刮刀、锉刀、夹具等。同样，该工具也可用于非外科手术方面的应用。

[0038] 图2中示出的机器人系统借助3D-输入设备1进行控制。3D-输入设备1的输出信号传输至集成在底座9中的控制单元21中，该控制单元将输入装置1接收的控制信号转换为机器人8单个执行机构的相应调节信号，以便机器人8或者仪器13以用户规定的方式移动。在所示的实施形式中，控制点A的基准点位于仪器13的自由末端。

[0039] 机器人支臂8或者仪器13的移动可以根据位置固定(例如笛卡尔)坐标系17进行精确的说明。典型的做法是，坐标系17以仪器13的远侧末端为基准，即所谓的末端执行机构14，该末端执行机构为机器人支臂8最外侧的基准点A。点A的位置可以在坐标系17中通过三维矢量进行明确的定义。

[0040] 垂直按压3D-输入元件3例如可以使得末端执行机构14沿着z-轴向下移动。翻转3D-输入元件3例如可以使得末端执行机构14围绕某个轴，例如y-轴进行摆动。

[0041] 控制预设参数包括机器人8的移动可以叠加，以便通过末端执行机构14可以再空间内实施任意移动曲线。例如，对末端执行机构14进行控制，并使得其最外侧的点A向点B移动。点A向点B的移动例如可以通过三维矢量15表示。

[0042] 在所述的实施示例中，单独的铰链12a-12c在设计时应使得铰链可以分别实施滚动和摆动移动。由此，机器人8总计具有6个自由度，并使得仪器13在机器人支臂的工作范围内可以在空间内自由移动。

[0043] 图3示出了不同移动轨迹18、19、22至24的示意图，沿着所述移动轨迹，仪器13或者其末端执行机构14可移动至目标点B。在开始动作时，末端执行机构14位于所述区域16外。在第一种情况(见箭头18和24)下，末端执行机构14首先借助3D-输入元件3沿着移动轨迹18移动至点C。对此，3D-输入设备1既可以实施速度控制，也可以实施位置控制。在点C处，3D-输入元件重新位于零点位置。控制器21对之前的移动轨迹18的信息进行确定，并对有3D-输入元件3触发的物体之前的移动轨迹18进行存储。为了重新将物体8或者末端执行机构14移动至点B，对调节旋钮4进行调节。由此，末端执行机构14沿着之前的移动方向18继续移动至点B。相关的移动轨迹通过点状箭头24进行表示。末端执行机构14移动的路段取决于调节旋钮4设定的旋转角度，对此，该路段优选与旋转角度成比例。

[0044] 比较有利的方法是，通过调节旋钮4的旋转方向确定末端执行机构14沿移动轨迹18的移动方向。例如在调节旋钮4正向旋转时，末端执行机构14沿箭头方向18移动，在调节旋钮反向旋转时末端执行机构逆向于箭头方向18进行移动。

[0045] 在另一种情况下，末端执行机构14通过对3D-输入元件3的相应控制首先从外部位置(未示出)沿着直线移动轨迹19移动至点D。如图3所示，物体沿着移动轨迹19的移动会从目标点B旁边经过。因此无法简单地通过对之前的移动轨迹19进行简单外推到达目标点B。为了到达目标点B，在该情况下必须改变移动方向。此外还为用户提供了多种附加的输入元件6，例如按键，在该输入元件上可以对不同的移动方向进行规定，如果旋转调节旋钮4，待控制的物体8或者末端执行机构14将沿上述移动方向进行移动。例如，通过控制第一个按键
6，用户可以规定末端执行机构14沿z-方向进行移动。通过控制另一个按键6，可以选择x-或者y-方向或者围绕上述其中一个轴进行旋转移动。在所述的示例中，用户首先选择z-方向，以便末端执行机构14在调节旋钮4旋转时沿着移动轨迹22在z-方向进行移动，接着在y-方向移动，并使得末端执行机构14沿着移动轨迹23移动至目标点B。

[0046] 为了让末端执行机构14逆向于y-方向移动，用户可以逆时针旋转调节旋钮4。单个按键6的功能优选可以自由进行编程。例如可以针对每个自由度设定单独的按键6或者针对多个自由度仅设定唯一一个的按键6。

[0047] 如上文所述，控制类型(即位置控制或者速度控制)和/或控制的灵敏度取决于被控制物体8，14的当前位置。根据本发明，例如可以规定一个空间区域16，该区域说明了3D-输入设备1不同操作类型的极限类型。在该情况下可以规定，在区域16外控制3D-输入元件3时以第一灵敏度进行速度控制，在区域16内控制时以第二灵敏度实施速度控制，此外，第二灵敏度优选小于第一灵敏度。控制头3的特定移动会导致被控制物体8，14在区域16内比区域16外以更低的速度移动。但3D-输入设备1在设计时也可以使得，在区域16外控制3D-输入元件3时实施速度控制，而在区域16外实施位置控制。当然，也可以选择分别以不同的灵敏度实施位置控制。相同的原因也适用于对调节旋钮4的控制。

[0048] 区域16在选择时优先使得，一方面目标点B为区域16的中间点，另一方面被控制物体8，14在完整旋转调节旋钮4时由区域16的边缘移动至区域16的中间点B。也可以选择更加精细或者粗略的转换比。此外，比较有利的方法是，区域16可以自由进行编程。例如，区域16规定为一个具有可编程半径的球体，以便有经验的用户可以选择更大的半径，而经验较少的用户可以选择较小的半径。参数可以保存在控制器21中。

[0049] 在控制和调节技术中，比较典型的做法是，在概念上对控制(＝开放调节回路)和调节(＝闭合调节回路)进行区分。在该文档中与之稍有不同，只要未作其他详细说明，对于上述两个概念以及其语法含义上的变体仅涉及控制或者控制器。也就是说，控制和调节的概念用法相同。对于专业人员而言显而易见的是，控制装置即为控制器或者调节装置。