ШАРОВЫЙ МАНИПУЛЯТОР(ТРЕКБОЛ) С ЗАЩИТОЙ ОТ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КУРСОРА

Область техники, к которой относится полезная модель
Заявляемая полезная модель относится к указывающим устройствам ввода информации, а именно к шаровым манипуляторам (трекболам) управления курсором, предназначенными для его перемещения по экрану монитора. Шаровые манипуляторы (трекболы) применяются в аппаратно-программных комплексах управления объектами общепромышленного и специального назначения, а также могут использоваться в системах управления объектами, размещаемыми на различных транспортных средствах (воздушные, водные, наземные).
Уровень техники
Шаровой манипулятор (трекбол) в общем представляет собой шар, установленный в корпусе на опорах с низким трением. Шар фиксируется в корпусе прижимным кольцом, при этом конструкция корпуса и прижимного кольца обеспечивают свободное вращение шара в любом направлении. На внутренней поверхности корпуса размещается один или несколько датчиков перемещения (оптических или механических), которые измеряют направление и скорость вращения шара. Сигнал с датчиков перемещения обрабатывается контроллером, который преобразуют его в цифровой сигнал для передачи в блок управления компьютера. Таким образом, в процессе работы оператор вращает шар рукой и тем самым управляет движением курсора на экране дисплея, (см. трекболы TSX38F8, TSX50 и др. компании NSI, Бельгия http://www.nsi-be.com/pointing-devices/trackball-units).
Основным недостатком такого трекбола является то, что в случае отсутствия контроля со стороны оператора за положением шара при воздействии на систему, в которой он установлен, механических ударов и/или вибрации, которая, например, может возникнуть в результате турбулентности или вибрации двигателя, при использовании трекбола в системах управления воздушного судна происходит самопроизвольное вращение шара и, соответственно, неконтролируемое перемещение курсора по экрану монитора. При новом обращении оператора к интерфейсу он должен сначала проконтролировать положение курсора, вернув его в исходное положение, а затем продолжить работу. Такие операционные задержки снижают эргономические характеристики систем управления и могут в условиях дефицита времени для ввода управляющей команды приводить к созданию аварийных ситуаций на контролируемых объектах.
Самопроизвольное перемещение курсора можно существенно уменьшить за счет более плотной фиксации шара прижимным кольцом, однако это увеличивает усилие, необходимое для перемещения шара, и значительно ухудшает эргономические характеристики устройства.
Из уровня техники известен трекбол, содержащий шар, фрикционно связанный с двумя валиками с взаимно перпендикулярными осями, размещенными в корпусе с возможностью вращения, диски с прорезями, установленные на валиках и взаимодействующими с датчиками декартовых координат, установленными в корпусе, при этом в него введены плоские пружины, взаимодействующие с валиками и создающие момент трения, превышающий крутящий момент, передаваемый шаром на валики при его произвольном перемещении под воздействием вибрационных нагрузок. (RU 2260834 C1, дата публикации 20.09.2005).
Недостаток трекбола заключается в том, что задача по защите от непроизвольного перемещения курсора в результате вибрации решается путем увеличения силы трения, что создает неудобство в его эксплуатации за счет необходимости постоянно давить на шар.
Также задача по защите трекбола или аналогичных средств ввода информации, в частности, компьютерных «мышек», от несанкционированного перемещения курсора в результате неконтролируемого оператором механического воздействия и/или вибрации решается путем размещения в зоне расположения руки оператора бесконтактных датчиков, так называемых «датчиков касания» или «датчиков приближения», основанных на различных известных принципах работы (емкостные, фотоэлектрические (оптические), механические), реагирующих на присутствие руки оператора на шаре трекбола и прерывающего связь контроллера трекбола с системой управления в случае отсутствия оператора. Перемещение шара при отсутствии сигнала о присутствии оператора трактуется системой как самопроизвольное, информация о таком перемещении шара в блок управления не передается, и курсор остается на своем месте независимо от того, насколько сдвинулся шар при внешних негативных воздействиях (механический удар и/или вибрация).
Известно устройство управления курсором - компьютерная «мышь», включающая переключатель обычной конструкции (кнопка), установленный под верхней крышкой корпуса «мыши». Кнопка находится в положении, обеспечивающим защиту от случайного срабатывания «мыши» при неверном движении пользователя (US 6323842 B1, дата публикации 27.11.2001).
Недостаток такой системы защиты состоит в том, что кнопка представляет собой по существу механический датчик, требующий для его активации совершения пользователем (оператором) дополнительных действий, что создает дополнительные неудобства при эксплуатации устройства.
Из уровня техники известны трекболы, включающие в общем шар, установленный в корпусе, датчики перемещения шара, емкостные датчики, реагирующие на приближение руки оператора - «датчики касания». (JP 2011123606 A1, дата публикации 23.06.2011, KR 20110041896 A, дата публикации 22.04.2011, JPH 09114589 A, дата публикации 02.05.1997, WO 0020959 A1, дата публикации 13.04.2000, US 8994661 B2, дата публикации 31.03.2015, JPH 06259188, дата публикации 16.09.1994, US 20100033432 A1, дата публикации 11.02.2010).
Недостатком любых емкостных датчиков является их восприимчивость к внешнему электромагнитному излучению, и, как следствие, некорректность работы вследствие воздействия помех, что снижает надежность работы устройства из-за вероятности ложного срабатывания и способствует созданию потенциальной аварийной ситуации на контролируемом объекте.
Также известен трекбол для управления курсором в системе управления воздушным судном, включающий шар, установленный в корпусе, на лицевой панели которого ниже шара расположены три фотоэлектрических (оптических) датчика визуально размещенных в вершинах треугольника, реагирующие на наличие ладони пилота, три датчика расстояния, расположенных вблизи вышеуказанных датчиков (CN 103777787 A, дата публикации 07.05.2014).
Недостаток вышеуказанного трекбола заключается в том, что детектирование наличия ладони пилота фотоэлектрическими датчиками основано на принципе измерении освещенности окружающей среды. Таким образом, в условиях недостаточности внешнего освещения, например, при аварийном отключении внешнего освещения, существует вероятность, что датчик может не сработать, и, следовательно, снижается безопасность системы управления воздушного судна, поскольку, не обеспечивается надежная защита от непроизвольного перемещения курсора при внешним воздействии на трекбол. Кроме того, расположение фотоэлектрических датчиков только снизу шара не обеспечивает их срабатывание при расположении руки оператора с другой стороны, вне действия датчиков.
Осуществление полезной модели
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в создании конструкции шарового манипулятора (трекбола), позволяющей обеспечить надежную защиту от самопроизвольных перемещений курсора при воздействии ударов и/или вибрации.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в повышении надежности защиты трекбола от самопроизвольного перемещения курсора при воздействии ударов и/или вибрации за счет использования нескольких инфракрасных датчиков приближения, расположенных по периметру шара, обеспечивающих надежное детектирование наличия присутствия руки оператора на шаре трекбола при любом уровне внешней освещенности и при приближении руки оператора с любой стороны от трекбола, в расширении арсенала технических средств, в частности шаговых манипуляторов (трекболов) с защиты курсора от самопроизвольного перемещения за счет возможности их использования в системах управления, работающих в различных условиях, в том числе при различном уровне внешнего освещения.
Указанный заявителем технический результат достигается за счет того, что шаровый манипулятор (трекбол) с защитой от самопроизвольного перемещения курсора включает корпус с лицевой панелью, в котором размещены шар, датчик перемещения, соединенный с контроллером управления трекболом, прижимное кольцо, фиксирующее шар в корпусе, при этом на лицевой панели по окружности шара размещены, по меньшей мере, три датчика приближения, каждый из которых содержит инфракрасный излучатель, излучающий световой поток импульсами с частотой излучения 30-50 кГц, и инфракрасный фотоприемник, фиксирующий отраженное от руки оператора излучение, соединенные с контроллером управления трекболом, выполненным с возможностью приема сигнала об отраженном от руки оператора излучении и передачи сигнала о перемещении шара при наличии сигнала об отраженном от руки оператора излучении, совпадающим по фазе и частоте с излучающим излучением, и блокировки на передачу сигнала о перемещении шара в случае отсутствия сигнала об отраженном от руки оператора излучении.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели датчики приближения могут быть установлены вокруг шара по воображаемой окружности на расстоянии 3-25 мм от поверхности прижимного кольца и расположены относительно друг друга на расстоянии 90°-135°.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели в качестве инфракрасного излучателя используется светодиод.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели контроллер управления трекболом выполнен с возможностью последовательного переключения датчиков приближения с частотой 4-10 Гц.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели на лицевой панели размещены кнопки и/или колесо прокрутки.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели шаровый манипулятор (трекбол) дополнительно включает кольцевой элемент, в котором размещены датчики приближения, установленный на лицевой панели по окружности прижимного кольца,
Сведения, подтверждающие реализацию полезной модели
Фиг. 1 - изображен общий вид шарового манипулятора (трекбола) с защитой от произвольного перемещения курсора;
Фиг. 2 - представлено схематичное изображение шарового манипулятора (трекбола), с расположенной на шаре ладонью оператора (вид сбоку)
1
Шаровый манипулятор (трекбол), представленный на фиг. 1, включает корпус 1 с лицевой панелью 2, в котором размещены шар 3, прижимное кольцо 4, фиксирующее шар 3 в корпусе 1 и регулирующее усилие вращения шара, опоры с низким трением (на чертежах не показаны), датчики 5 перемещения шара (показан на фиг. 2). В общем основные узлы трекбола, такие как шар, опоры трения, датчики перемещения, могут быть реализованы на основании известных средств и связаны между собой по известным правилам, и поэтому они подробно не раскрываются в рамках описания, поскольку они не являются предметом настоящего изобретения. В предпочтительном варианте реализации полезной модели датчик 5 перемещения может быть лазерным. Лицевая панель 2 может быть выполнена из алюминиевого сплава или нержавеющей стали. На лицевой панели 2 вокруг шара 3 в зоне возможного расположения руки оператора установлены, предпочтительно, не менее трех инфракрасных датчиков 6, реагирующих на наличие или приближение руки оператора к шару 3 - «датчики приближения». Датчики приближения 6 могут быть размещены как непосредственно в лицевой панели 2, так и в отдельном кольцевом элементе 7, вмонтированном в лицевую панель 2 по периметру прижимного кольца 4, что в целом обеспечивает удобство монтажа датчиков 6. Кольцевой элемент 7 может быть выполнен из алюминиевого сплава и соединен с корпусом 1 при помощи трех винтов 7. Датчики приближения 6, в предпочтительном варианте реализации полезной модели, могут быть установлены вокруг шара 3 по воображаемой окружности на расстоянии 3-25 мм от поверхности прижимного кольца 5 и расположены относительно друг друга на расстоянии не менее 90° и не более 135°. Расстояние между датчиками приближения 6 и шаром 3, и, соответственно, расстояние между самими датчиками приближения 6 выбрано таким образом, чтобы при любом положении руки оператора относительно шара 3 перекрывался хотя бы один датчик приближения 6. Расстояние менее 3 мм недопустимо из-за конструктивных ограничений, в случае увеличения расстояния свыше 25 мм потребуется использование дополнительного датчика приближения. Кроме того, размещение датчиков приближения 6 вокруг шара 3 позволяет обеспечить возможность работы с трекболом при нахождении оператора с любой стороны, что важно при пуско-наладочных работах и при экстремальных нештатных ситуациях. Каждый датчик приближения 6 включает инфракрасный источник светового излучения - излучатель 8, например, светодиод и инфракрасный фотоприемник 9. Излучатель 8 излучает световой поток, который отражается от объекта - ладони оператора или другой части руки, например, запястья при касании ладони шара, находящейся вблизи шара 3 в зоне действия излучателя 8, предпочтительно на расстоянии 0-15 мм. Отраженный световой поток фиксируется фотоприемником 9. Для защиты от помех и фонового излучения, например, излучения от внешнего освещения каждый излучатель 8 излучает световой поток импульсами с частотой 30-50 кГц. Заявляемый диапазон частоты излучения позволяет отстроиться от частоты излучения источников помех в системах освещения (50/60 Гц, 440 Гц и кратных гармоник). Также частота излучения должна быть существенно ниже тактовой частоты микропроцессора контроллера управления трекбола (1 МГц), что обеспечивает упрощение устройства. Излучатель 8 и фотоприемник 9 подключены к контроллеру 10 управления трекболом, к которому также подключен датчик 5 перемещения. Контроллер 10 связан с блоком 11 управления контролируемой системы и обеспечивает, в том числе, передачу сигнала о перемещениях шара 3 (фиг. 2). Если хотя бы один из датчиков приближения 6 фиксирует наличие отраженного излучения, значит рука оператора поднесена или соприкасается с шаром 3, и контроллер 10 переходит в активный режим передачи данных о перемещении шара 3. Если датчик приближения 6 не фиксирует отраженного излучения, контроллер 10 не передает данные о перемещениях шара 3, даже если происходит его самопроизвольное перемещение. Датчики приближения 6 работают последовательно с частотой переключения между собой 4-10 Гц. Заявляемый диапазон частоты переключения датчиков приближения 6 обеспечивает прохождение количества импульсов, достаточных для надежного детектирования наличия объекта - руки оператора. Кроме того, частота переключения между датчиками приближения 6 должна быть выше, чем характерная частота движений руки оператора, чтобы случайные движения руки не создавали ошибок в работе датчиков приближения. Дополнительно на лицевой панели 2 могут быть размещены, по меньшей мере, три кнопки 12 по функциям, соответствующие кнопкам стандартной «мыши». В частном случае реализации полезной модели возможно использование большего числа кнопок и/или колеса прокрутки (на чертежах не показано). Трекбол подключается к блоку 11 управления через стандартные интерфейсы (PS/2, USB и др.) (на чертежах не показано).
Устройство работает следующим образом
При работе с шаровым манипулятором (фиг. 2) ладонь 13 оператора постоянно лежит на шаре 3, перемещая его в различных направлениях, управляя тем самым курсором на мониторе 14. Датчики приближения 6 последовательно с частотой переключения между собой 4-10 Гц осуществляют постоянное детектирование наличия ладони 10 оператора следующим образом. Излучатель 8 излучает световой поток с частотой 30-50 кГц, который отражается от ладони 13 оператора, находящейся вблизи шара 3 в зоне действия излучателя. Отраженный от ладони 13 световой поток фиксируется фотоприемником 9, который передает сигнал на контроллер 10, выполненный с возможностью приема от фотоприемника 9 сигнала о наличии отраженного от руки оператора светового потока в случае, если отраженный световой поток по фазе и частоте совпадает с излучающим световым потоком. Контроллер 10 при получении сигнала от фотоприемника 9 о присутствии руки оператора на шаре 3 (наличие отраженного излучения) передает через интерфейс сигнал о перемещениях шара 3, поступающий от датчика 5 перемещения в блок 11 управления системы, и курсор перемещается на мониторе 14. В случае отсутствия сигнала от фотоприемника 9 о присутствии руки оператора на шаре 3, т.е. отсутствия отраженного излучения, сигнал о перемещении шара 3, также поступающий с датчика 4 перемещения на контроллер 10, не передается в блок 11 управления контролируемой системы, и курсор на мониторе 14 остается на месте. Таким образом, перемещение шара 3, например, в результате вибрации при отсутствии сигнала о наличии руки оператора воспринимается контроллером 10 как самопроизвольное, т.е. неконтролируемое оператором, информация о таком перемещении не передается в блок 11 управления контролируемой системы, и курсор остается на месте независимо от того, насколько и в каком направлении переместился шар 3.
Таким образом, обеспечивается повышение надежности защиты трекбола от самопроизвольного перемещения курсора при воздействии ударов и/или вибрации за счет надежного детектирования присутствия руки оператора.