СИСТЕМА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР

Полезная модель относится к области вычислительной техники, более конкретно к системам ввода информации в персональный компьютер (ПК) и может найти применение при создании компьютеров и вычислительных комплексов, для которых нецелесообразно использование клавиатуры клавишного типа.
Известна система ввода информации в ПК, содержащая стандартную клавиатуру, включающую группы основных и вспомогательных клавиш, снабженных обозначениями символов и датчиками перемещения или давления, электрические выходы которых соединены через блок преобразования сигналов с одним из портов на входе компьютера (см. Ляхович В.Ф. Основы информатики, Ростов-на-Дону, изд. Феникс, 2000 г., с.43 - прототип).
Распространенная в настоящее время система ввода информации в ПК содержит компьютерную мышь и клавиатуру, включающую до 104 клавишей основной алфавитно-цифровой части со специальными клавишами для управления режимами работы ПК.
К недостаткам такой системы можно отнести сравнительно большие габариты клавиатуры, составляющей значительную часть от объема ПК, а также сложную структуру расположения алфавитной, цифровой и функциональной частей клавиатуры, затрудняющих ее использование.
Наиболее близким техническим решением является система ввода информации в ПК, содержащая средства для формирования электрических сигналов, соответствующих набору заданных символов, и линию связи для их передачи на входной порт компьютера (см. Виртуальная инфракрасная клавиатура. Производитель - компания Pin Change, разработчик - фирма Virtual Keyboard, HPC.ru (http://www.rambler.ru-Медиа: Клавиатура без кнопок, 2003 - прототип).
Особенностью известной системы ввода информации в ПК является применение виртуальной клавиатуры, в которой видимая часть инфракрасного спектра используется для проекции изображения клавиш на рабочий стол. С помощью сенсорных элементов система воспринимает движения пальцев оператора и, с помощью преобразователя сигналов, переводит их в цифровую информацию для последующей передачи на входной порт компьютера. Весит это устройство около 160 г и питается от батареек или через USB-порт. Существенным недостатком такой системы по сравнению с обычной клавиатурой является то, что ею нельзя пользоваться вне помещения при ярком солнечном свете.
Решаемой задачей является создание сравнительно простой, компактной и удобной в работе неклавишной системы ввода информации в ПК. Дополнительной к указанной является задача повышения эффективности системы за счет более полного использования биофизических особенностей и лучшей адаптации пальцев рук оператора к условиям работы, в том числе, в режиме «слепой» печати при отсутствии визуального контроля за состоянием элементов виртуальной клавиатуры.
Указанная задача решается тем, что в системе ввода информации в ПК, содержащей средства для формирования электрических сигналов, соответствующих набору заданных символов, и линию связи для их передачи на входной порт компьютера, согласно полезной модели, указанные средства включают первый и второй блоки преобразования электрических сигналов, связанные с первой и второй группой датчиков, чувствительные органы которых выполнены с возможностью размещения, преимущественно, в области ладонной поверхности фаланг пальцев и кисти правой и левой рук оператора для формирования электрических сигналов под действием давления, прикосновения или перемещения, причем электрические выводы чувствительных органов первой и второй групп датчиков подключены, соответственно, к входам первого и второго блоков преобразования электрических сигналов, выходы которых соединены через проводной, инфракрасный или радиочастотный каналы линии связи с входным портом компьютера.
Кроме того, чувствительные органы датчиков первой и второй групп могут быть размещены на несущих элементах в виде подложек, насадок или перчаток для правой и левой руки, количество датчиков в каждой группе может находиться в диапазоне 10-42, причем первый и второй блоки преобразования электрических сигналов могут быть выполнены с возможностью размещения, преимущественно, на запястье правой и левой руки оператора.
Кроме того, часть датчиков первой и второй групп может быть выполнена в виде биологических датчиков, чувствительные органы которых укреплены на указанных участках кожного покрова рук оператора для преобразования соответствующих физиологических реакций данных участков в электрические сигналы для их подачи на входы первого и второго блоков преобразования электрических сигналов.
Кроме того, один из датчиков, размещенный, преимущественно, на концевой фаланге указательного пальца руки оператора, может быть снабжен чувствительным органом для формирования серий электрических сигналов, пропорциональных величине взаимно-перпендикулярных касательных перемещений относительно произвольной поверхности для реализации функции компьютерной мыши.
Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания сравнительно простой, компактной и достаточно удобной в работе неклавишной системы ввода информации для домашних, переносных и профессиональных ПК. Руководящим принципом при создании данной системы ввода информации в ПК является использование особенностей строения фаланг пятипальцевой руки, количество которых для человека соответствует комбинации цифр 2-3-3-3-3. Присвоение элементам фаланг пальцев рук определенных буквенно-цифровых значений позволяет, во-первых, использовать общепринятую десятичную систему счисления. Во-вторых, это способствует созданию удобной схемы размещения чувствительных органов электромеханических датчиков (сенсорных элементов) по фалангам и кисти рук оператора для набора заданной группы символов. При этом обеспечивается возможность более полного использования биомеханических особенностей строения пальцев рук пользователя к условиям работы в режиме виртуальной клавиатуры, что повышает эффективность предложенной системы ввода информации в ПК.
Малогабаритные чувствительные органы датчиков резистивного, емкостного или индуктивного типа сравнительно легко разместить в области ладонной, а также на тыльной поверхности фаланг пальцев и кисти рук оператора для срабатывания под действием прикосновения, давления или перемещения. При этом указанные сенсорные элементы должны располагаться на несущих элементах (подложки, наклейки, насадки, чехлы), которые примыкают к указанным частям рук оператора. В ряде случаев целесообразно изготовить для оператора пару специальных перчаток, на поверхности материала которых в указанных местах могут быть размещены чувствительные органы датчиков, снабженные проводниками и соединительными элементами для подключения к входам блоков преобразования сигналов.
Согласно полезной модели чувствительные органы датчиков могут располагаться для каждой руки, преимущественно, с ладонной стороны трех фаланг каждого из четырех ладонных пальцев оператора и для двух фаланг большого пальца. Указанные сенсорные элементы можно установить также на ладонной поверхности кисти рук оператора в однорядной матрице из четырех датчиков под четырьмя пальцами руки, а также на двух выделенных буграх ладони каждой руки. Значительное увеличение числа сенсорных элементов возможно за счет их размещения на тыльной стороне фаланг пальцев и кисти обеих рук оператора.
Ввиду исключительной подвижности концевых фаланг пальцев рук и благодаря особенностям их строения число сенсорных элементов на ладонной поверхности концевых фаланг прямых пальцев целесообразно увеличить с одного до двух и разместить их в области подушки и под ногтем каждого пальца. Такой комплект сенсорных элементов на двух руках может обеспечить решение простейших задач по набору большинства буквенно-цифровых символов. При этом следует отметить, что выбор количества и место установки чувствительных органов датчиков, в общем случае, зависят от числа возможных комбинаций их активизации, а также от особенностей настройки блока преобразования сигналов и других требований к системе ввода информации в ПК.
Значительную роль при этом играет способ и удобство активизации сенсорных элементов оператором для получения требуемых символов. Так в простейшей пишущей машинке число активизируемых клавиш для печати требуемых знаков может составлять 45 шт. по ГОСТ 6431-52, тогда как в современном ПК число клавиш достигает 104 шт. и более. Для предложенной системы возможны различные способы активизации чувствительных органов датчиков, при которых общее число возможных комбинаций их срабатывания обеспечит необходимое для работы ПК количество символов и знаков.
В первом случае сенсорные элементы на концевых фалангах пальцев активизируются по одному при их касании или ударе, например, о поверхность стола. Число подобных операций равно 10 по числу концевых фаланг пальцев обеих рук. В случае, если на каждой из концевых фаланг пальцев (кроме больших) имеются по два датчика (на торце и на подушке фаланги), указанное число увеличится до 18, поскольку для оператора естественно ударять или касаться именно этими участками пальцев поверхности стандартных механических или сенсорных клавиш современных ПК.
При другом способе, характеризующемся одновременным касанием о поверхность стола нескольких сенсорных элементов на двух или более пальцах обеих рук, указанное число комбинаций увеличивается в несколько раз по числу сочетаний из 20 по 2, 3 и 4. При этом схемы совпадений в микроконтроллере блоков преобразования сигналов должны обеспечить формирование дополнительных электрических сигналов от новых комбинаций, соответствующих дополнительным знакам или символам.
В третьем случае упомянутые чувствительные органы датчиков могут активизироваться при взаимном прикосновении концевых фаланг любого из пальцев одной руки оператора к одному или нескольким доступным для данной операции сенсорным элементам на ладонных или тыльных поверхностях на фалангах других пальцев или на кисти другой руки. Максимальное количество таких операций или вариантов срабатывания сенсорных элементов зависит от их общего числа. Как было указано, наибольшее число чувствительных элементов датчиков в области ладонной и тыльной поверхности фаланг пальцев одной руки равно 32, а для кисти той же руки оператора - 10. В сумме это дает для одной группы датчиков на каждой руке оператора 42, а для двух рук 84 сенсорных элемента.
Одновременная активизация двух, трех датчиков и более на одной или двух руках оператора может обеспечить значительное повышение числа вариантов срабатывания сенсорных элементов и, следовательно, увеличения числа символов, используемых для ввода информации или для формирования дополнительных функций управления ПК. При этом схемы совпадений в микроконтроллере блока преобразования сигналов должны исключать использованные ранее комбинации сигналов от указанных датчиков. Избыточное количество комбинаций при срабатывании датчиков по указанным схемам может оказаться полезным, например, при необходимости перехода с кириллического шрифта на латиницу или другой алфавит.
Первый и второй блоки преобразования электрических сигналов от первой и второй группы датчиков размещаются на каждой руке оператора и должны содержать микроконтроллер или иное программируемое устройство, которое обеспечивает функционирование указанных схем совпадений и передачу на входной порт ПК электрических сигналов, соответствующих требуемым символам. Размещение каждого блока преобразования сигналов, например, на запястье соответствующей руки оператора обеспечивает возможность соединения, с помощью проводников, выходных клемм чувствительных органов соответствующих датчиков с входами данного блока, выход которого несложно связать через проводной, инфракрасный или радиочастотный канал линии связи с одним из входных портов компьютера. При современном состоянии элементной базы указанные блоки преобразования сигналов могут быть смонтированы внутри браслета, в виде отдельного корпуса, напоминающего наручные часы, или внутри одного или нескольких колец на пальцах оператора. Последний вариант выполнения указанного блока уменьшает длину проводников для его соединения с сенсорными элементами.
Выполнение одного из сенсорных элементов в виде миниатюрного двух координатного датчика перемещений для реализации функции компьютерной мыши, с учетом возможности его размещения на концевой фаланге указательного пальца правой руки оператора, позволит дополнительно увеличить характеристики предложенной системы. Таким образом, возможности предложенной виртуальной клавиатуры станут эквивалентными или превысят тактико-технические данные общепринятых модификаций систем ввода информации в ПК.
Для миниатюризации данного варианта устройства компьютерной мыши в его электромеханическом или оптическом варианте нет принципиальных ограничений, поскольку требует лишь уменьшения габаритов известных устройств без изменения их принципиальной схемы. В качестве миниатюрного сенсорного элемента для реализации указанной функции возможно использовать также волоконно-оптические или тензоэлектрические двух координатные датчики перемещений, которые в настоящее время успешно апробированы в различных областях техники измерения микроперемещений. В известной степени это касается и биологических датчиков для преобразования соответствующих физиологических реакций указанных участков рук оператора в электрические сигналы для их подачи на входы первого и второго блоков преобразования.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой представлена принципиальная схема системы ввода информации в ПК, при этом на фиг.2 показана схема размещения сенсорных элементов на фалангах пальцев оператора ПК.
На фиг 1 представлена схема размещения чувствительных органов 1 первой группы датчиков в области ладонной поверхности фаланг пальцев и кисти правой руки оператора. При этом на фалангах пальцев размещены 18, а на ладони 6 чувствительных органов 1 датчиков, выполненных с возможностью формирования электрических сигналов под действием давления, или прикосновения, например, пальцев другой руки или при контакте с твердой поверхностью стола. При этом входы первого блока 2 преобразования электрических сигналов соединены проводниками 3 с выходными клеммами указанных чувствительных органов 1 первой группы датчиков, а выход первого блока 2 соединен через радиочастотный канал 4 линии связи с входным портом ПК.
Персональный компьютера на фиг.1 обозначен поз.5, перчатка с вмонтированными в нее проводниками кабеля 3 и чувствительными органами 1 первой группы датчиков обозначена поз 6, ладонная поверхность правой руки оператора обозначена поз.7, а браслет для удержания блока 2 на запястье руки оператора и подвода к нему проводников 3 обозначен поз.8. Блок 2, как было указано, может быть частично смонтирован также в одном или нескольких кольцах (не показаны), размещенных обычным образом на пальцах оператора. На тыльной стороне кисти правой руки оператора может также находиться 12 сенсорных элементов 1 в области фаланг пальцев и 4 сенсорных элемента под ними (не показаны). Схема размещения чувствительных органов датчиков во второй группе на левой руке оператора аналогична показанной на фиг.1.
На фиг.2 схематически показано размещение трех сенсорных элементов 1 на ладонной поверхности концевых фаланг указательного пальца 9 оператора. Остальные позиции схематического изображения элементов системы сохранили прежние обозначения: блок преобразования электрических сигналов обозначен поз.2, элемент перчатки - поз.6, сенсорные элементы или чувствительные органы датчиков - поз.1, электрические проводники - поз.3 и радиочастотный канал - поз.4 для передачи преобразованных сигналов с выхода блока 2 на входной порт ПК 5. Особенностью данного варианта выполнения устройства является размещение двух сенсорных элементов 1 на концевой фаланге под ногтем и на подушке указательного пальца, что значительно увеличивает возможности системы ввода информации в ПК.
Как было указано, сенсорные элементы 1 могут быть выполнены, преимущественно, в виде малогабаритных датчиков емкостного, резистивного или индуктивного типа, которые имеют простую конструкцию в виде спиральных, круглых или кольцевых деталей диаметром 4-6 мм из фольги, установленных на расстоянии друг от друга 0,1-0,5 мм с возможностью изменения емкости при сближении или достижения электрического контакта между ними под действием внешнего давления. При этом часть или все сенсорные элементы могут иметь нанесенные на их наружную поверхность обозначения соответствующих знаков и символов, например, для целей обучения оператора.
Предложенная полезная модель предусматривает также выполнение части сенсорных элементов в виде биологических датчиков, чувствительные органы которых укреплены на указанных участках кожного покрова рук оператора для преобразования соответствующих физиологических реакций данных участков в электрические сигналы. Кроме того, предусмотрено выполнение чувствительного органа датчика, размещенного на концевой фаланге указательного пальца, в виде миниатюрного двух координатного электромеханического или оптического датчика перемещений (не показан). При этом на его выходе формируется серия сигналов, пропорциональных величине взаимно-перпендикулярных касательных перемещений относительно произвольной поверхности для реализации функции компьютерной мыши.
Система ввода информации в персональный компьютер функционирует следующим образом.
Предварительно изготавливают для двух рук оператора два частичных или полных комплекта чувствительных органов 1 первой и второй группы датчиков описанной выше конструкции. Приведенный на фиг.1 набор первой группы содержит 18 чувствительных органов 1 на фалангах пальцев и 6 - на ладони правой руки. Соответствующий набор из 24 сенсорных элементов содержит вторая группа датчиков на левой руке оператора. Левый и правый комплекты вклеивают или вшивают в материал перчаток 6 в указанных местах на ладонной поверхности рук оператора. Выводы чувствительных органов 1 первой и второй группы датчиков соединяют проводниками 3 через разъемы (не показаны) с входами первого и второго блоков 2 на браслете 8.
Специалисты по программированию настраивают блоки 2 преобразования сигналов на предусмотренные регламентом варианты срабатывания сенсорных элементов 1, входящих в комплект виртуальной клавиатуры данной системы для обеспечения основных и вспомогательных функций текстовой и программной работы ПК. При этом блоки преобразования 2 должны формировать выходные сигналы, соответствующие заданному спектру символов при срабатывании одиночных, парных или нескольких сенсорных элементов 1 в предусмотренных регламентом сочетаниях. Составляется таблица соответствия сочетаний активизированных сенсорных элементов 1 и заданных буквенно-цифровых символов, оперативных и вспомогательных знаков. По окончании настройки блоков 2 проверяется функционирование радиочастотного канала 4 линии связи блоков 2 с входным портом ПК 5. После этого оператор - пользователь ПК надевает на руки перчатки 6 с готовыми комплектами сенсорных элементов 1, а на запястья рук - браслеты 8 с блоками 2. Затем он подсоединяет выходные разъемы от проводников 3 на каждой руке к входным разъемам блоков 2 на браслетах 8.
Набор цифровых символов в данной системе может осуществляться при активизации оператором 10 сенсорных элементов 1, размещенных на концевых фалангах десяти пальцев обеих рук. При этом целесообразно использовать сенсорные элементы 1 на торцах в ногтевой части каждого из 8 ладонных пальцев и на подушках концевых фаланг двух больших пальцев.
В части набора текстов следует использовать частотные характеристики буквенных символов. Наиболее часто используются следующие буквенные символы русского языка: для согласных букв С, Т, Р, Н (суммарная частота - около 20%), а для гласных букв О, Е, И, А (суммарная частота - около 30%). Сенсорные элементы, расположенные на подушке четырех ладонных пальцев левой руки целесообразно сопоставить с указанными согласными буквами: С - указательный, Т - средний, Р - безымянный, Н - мизинец. Сенсорные элементы, расположенные на подушке четырех ладонных пальцев правой руки целесообразно сопоставить с указанными гласными буквами: О - указательный, Е - средний, И - безымянный, А - мизинец. При таком размещении восьми наиболее часто используемых буквенных символов, обеспечивающих 50% наполнение текстов, целесообразно использование индивидуальных срабатываний соответствующих сенсорных элементов.
Остальные 18 согласных и 7 гласных букв можно поставить в соответствие с неиспользованными сенсорными элементами на ладонной поверхности фаланг пальцев и на ладонях левой и правой руки. Для оперативных, вспомогательных и функциональных знаков можно использовать остающиеся сенсорные элементы или упомянутые комбинации для одновременной совместной активизации двух или трех сенсорных элементов, например, при касании чувствительных органов датчиков на одной руке сенсорными элементами на концевых фалангах другой руки. Данный подход к использованию сенсорных элементов упрощает систему и облегчает программирование блока 2, но усложняет оперативность работы пользователя из-за необходимости работы пальцами одной руки для активизации сенсорных элементов на ладонной поверхности другой.
Для снижения общего количества используемых сенсорных элементов и значительного увеличения числа комбинаций для генерации новых символов целесообразно использовать другой упомянутый способ активизации сенсорных элементов на концевых фалангах пальцев обеих рук, который характеризуется одновременным касанием о поверхность стола двух или большего числа указанных сенсоров. При этом схемы совпадений в микроконтроллере блока 2 преобразования сигналов обеспечивают формирование значительного числа дополнительных символам для ввода в ПК 5. Предположительно, при такой схеме использования сенсорных элементов, можно ограничиться лишь датчиками на концевых фалангах обеих рук оператора.
Такое выполнение системы ПК позволяет создать удобную, компактную и многофункциональную схему виртуальной клавиатуры для различных типов ПК. При этом облегчается работа оператора, поскольку из-за отсутствия знакового поля снижается его зрительная нагрузка. Кроме того, формируются условия для использования развитых от природы идеомоторных реакций пальцев оператора, что позволяет повысить скорость профессиональной печати и ввода необходимой информации в персональные компьютеры и вычислительные комплексы. ПК.
Производственно-технологические затраты на создание предложенной системы ввода информации в ПК посредством виртуальной клавиатуры могут составить при массовом производстве несколько долларов США на один образец. Освободившееся от стандартной клавиатуры пространство в рабочем объеме ПК может быть использовано для размещения вспомогательных систем и функциональных элементов, повышающих мощность современного ПК.