新型宏動式3D鼠標

新型宏動式3D鼠標

簡介：

隨著3D技術的發展，人們對于3D控制真實感的要求越來越高，而目前市面上大多數鼠標為二維的，不具備3D控制的能力，已有的多數3D輸入設備采用基于力/力矩的感知技術，缺乏操作真實感。因此，我們研發了一款具有空間六自由度控制功能的新型宏動式3D鼠標。 優勢：不僅可以實現傳統鼠標的平面操作，更可實現對三維物體的操作，能帶給用戶更真實的三維感受，操作便捷，定位準確，擺脫了傳統鼠標依賴組合鍵的缺陷。

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詳細介紹：

隨著科技的飛速發展，計算機得以普及，不起眼的鼠標也隨之變得不可或缺。一個木質的小盒子經過四十多年的時間，已發展成各式各樣的鼠標，但它們遠遠不能滿足未來3D領域的需求。 因此我們團隊設計并研發出了新型宏動式3D鼠標。該鼠標采用空間并聯機構作機械本體，通過實時采集各導軌相關位移信號，由并聯機構運動學解算出其真實的空間六自由度輸入，實現了高精度的控制。 其主要特點如下：（1）選用3-UPS并聯機構，其運動平臺作為操作球頭，從而保證了鼠標具有最為緊湊、小型的外觀，便于操作的優勢。 （2）該鼠標的運動學分析包括兩個方面：一方面是在已知機構幾何參數和關節變量的情況下求解動平臺相對于參考坐標系的位置和姿態，稱為3-UPS并聯機構的運動學正解；另一方面是在已知機構幾何參數以及動平臺相對于參考坐標系位置和姿態的情況下求解達到該位置和姿態時所需的關節變量，稱為3-UPS并聯機構的運動學反解。 （3）該鼠標具有空間三維位移變量和三維角度變量的同步檢測功能，完全克服了目前鼠標在3D領域上使用的技術難題，能夠大大簡化人們使用普通鼠標加鍵盤的復雜操作，具有體覺感受明顯、實時性好、可靠度高等優良的技術性能和操作方便、成本低等精良的使用性能。 由以上特性我們不難看出，新型宏動式3D鼠標在工業虛擬裝配、機器人多維操作、計算機輔助設計、三維游戲以及未來的三維操作系統等高新技術領域具有廣闊的應用前景。 為了全方位了檢測并展示我們的鼠標，我們使用VC編寫了新型宏動式3D鼠標的演示程序，從我們實際操作時拍攝的程序演示視頻中不難看出，通過傳感器采集數據再經程序編譯后該鼠標的位姿可以實現非常準確的控制。 本項目研究成果必將對我國研發具有自主知識產權的3D鼠標產生極大的激勵作用，同時也會對3D鼠標的產品化和市場化進程產生良好的促進作用。 我們相信，隨著未來3D技術的不斷發展與完善，新型宏動式3D鼠標必將走進千家萬戶。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

使用說明: 連接USB，打開上位機程序，操作上平臺即可。 技術特點和優勢: 不僅可實現傳統鼠標的平面操作，更可對三維物體操作，能帶給用戶更真實的3D感受，操作便捷，定位準確。 應用范圍: 可以廣泛應用于CAD軟件（如SolidWorks、UG、ProE等），還可以應用于三維游戲、虛擬環境、模擬現實、工業生產、手術控制等領域。 推廣前景和市場分析: 空間多維鼠標是一個新興的鼠標市場，空間多維鼠標操作簡便，快捷，能帶給用戶更真實的三維感受，同時它自身的科研價值也體現了時代的進步，有著廣闊的市場前景。新型宏動式3D鼠標利用自身的技術等優勢，有望替代傳統鼠標器從而開拓出空間多維鼠標的新市場。 經濟效益預測: 因為在目前的市場上，宏動式3D鼠標并不多見，3D鼠標多應用于高科技領域,以上兩點從德州儀器在“SXSW2013”上展出的僅有三個移動自由度的三維鼠標也可看出。而新型宏動式3D鼠標的成本與目前鼠標相近，所以利潤較高。按照目前條件下的預測，此鼠標收入一定不錯。

同類課題研究水平概述

隨著三維技術的迅猛發展，對可實現多維移動或轉動控制的需求逐漸增多，必然需要具有空間操作能力的空間多維鼠標。所謂“多維”是指X,Y,Z三個方向軸的平動以及圍繞它們的轉動所構成運動形式的集合，這與我們平時所使用的只有X、Y兩個方向平動的鼠標相比，具有更多的運動表現形式。但由于宏動式3D鼠標的功能十分復雜，目前國際上只有少數的科研機構在開發研究。目前國外的科研機構已相繼推出了各種不同的多維計算機輸入設備，這些輸入設備主要采用基于力/力矩的控制原理，國內在多維輸入設備方面的研究起步較晚，目前只有較少的相關報道。 Bell實驗室的Kumar曾研制了一臺六維控制器，利用攝像頭跟蹤一個小型設備。由于圖像處理對距離和角度分辨率較低，因此這種控制器要求操作空間很大，且容易產生疲勞。國外商業化的六維控制器，目前主要是3D connexion公司推出的SpaceBall，仍然需要與普通二維鼠標配合使用，而且售價較貴。 而最近SXSW2013大展上德州儀器展示了一款鼠標樣品，它是懸空操控。據德州儀器介紹，這款鼠標目前還處在測試階段，內置有加速度傳感器，可以感知X、Y、Z三軸的位移。 此款鼠標較之前的鼠標相比有很大改觀，但是與我們的作品相比還存在很大的不足。首先是功能上,此鼠標只有三個移動自由度,但是沒有解決最困難的三個轉動自由度的控制,這就是此鼠標不能稱為3D鼠標。其次懸空操作雖然看似方便，但是在很大程度上降低了準確性，并且增加了操作的復雜性，這些是一個鼠標的致命缺陷。另外這款鼠標手懸空操作，時間長了，人會感覺疲憊，可操作性差。 國內針對宏動式3D鼠標設備的相關研究則相對較少，清華大學秦開懷教授設計并實現了五自由度三維USB控制器，其原理是在傳統二維鼠標基礎上增加2個自由度，并以滾輪的形式分布在鼠標兩側，分別實現了繞X軸和Y軸的旋轉。操作過于復雜，也導致了運動真實感的喪失。 國內一大學開展的“基于力控制的虛擬實現六維鼠標研究”課題研制出新型的并聯機構的六維控制器。研究成果均屬于微動領域，雖然能夠完成六維信號的輸入，但是使用者基本上沒有類似于操作普通鼠標的真實感。 可見，國內外的研究在該領域還遠未成熟，研制開發一種具有運動真實感、操作方便、成本低的宏動式3D鼠標并進行知識產權保護已經刻不容緩，只有搶占先機才能盡早占領國內外市場