一種新型宏動(dòng)式3D鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

謝文娣 彭瑞瑞 許成奇

摘 要：新型宏動(dòng)式3D鼠標(biāo)具有空間三維位移變量和三維角度變量的同步檢測(cè)功能，采用空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)做機(jī)械本體，通過實(shí)時(shí)采集各導(dǎo)軌相關(guān)位移信號(hào)，由并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)解算出其真實(shí)的空間六維輸入，能夠大大簡(jiǎn)化人們使用普通鼠標(biāo)加鍵盤的復(fù)雜操作，且成本低、實(shí)時(shí)性和可靠性好。

關(guān)鍵詞：新型宏動(dòng)式;3D鼠標(biāo);六維輸入;空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP334.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0076-03

Design of a New Type of Macro-motion 3D Mouse

XIE Wendi PENG Ruirui XU Chengqi

（Anhui Xinhua University，Hefei Anhui 230088）

Abstract： The new macro-motion 3D mouse has the synchronous detection function of three-dimensional spatial displacement variables and three-dimensional angular variables， uses a spatial parallel mechanism as the mechanical body， and calculates the real-time six-dimensional input of the space by collecting the relevant displacement signals of each guide in real time and using the kinematics of the parallel mechanism， which can greatly simplify the operated complex for people using ordinary mouse adding to keyboard， and has low cost， good real-time and reliability.

Keywords： new macro-motion;3D mouse;six-dimensional input;space parallel mechanism

隨著三維技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，因此需要開發(fā)出具備空間操作能力的多維鼠標(biāo)與之相匹配。市場(chǎng)上已有的六維輸入設(shè)備大多采用基于力/力矩感知的技術(shù)，其主要問題在于操作復(fù)雜、控制精度低、缺乏操作真實(shí)感等[1-2]。為克服以上問題，本文設(shè)計(jì)一款具有空間六維操作能力的宏動(dòng)式3D鼠標(biāo)，可使操作者在宏動(dòng)范圍內(nèi)有較真實(shí)的移動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)感覺。其通過實(shí)時(shí)采集各導(dǎo)軌相關(guān)位移信號(hào)，運(yùn)用并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)解算出其真實(shí)的空間六維輸入。

新型宏動(dòng)式3D鼠標(biāo)的需求領(lǐng)域非常廣闊，可以應(yīng)用到娛樂、仿真、醫(yī)學(xué)、工業(yè)虛擬裝配、機(jī)器人等諸多領(lǐng)域。例如，飛行器仿真，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)，用戶通過空間鼠標(biāo)來自由控制系統(tǒng)中飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器在虛擬地形環(huán)境中的三維移動(dòng)和三維轉(zhuǎn)動(dòng)，飛機(jī)可以在空間中實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖等真實(shí)飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)的各種動(dòng)作，使用戶仿佛親自操縱飛機(jī)在飛行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界中飛行器運(yùn)動(dòng)的仿真，給人一種比較真實(shí)的感覺，如圖1所示。

1 硬件設(shè)計(jì)

該3D鼠標(biāo)主要由3個(gè)部分構(gòu)成，分別單片機(jī)控制系統(tǒng)、通信接口模塊和計(jì)算機(jī)模塊。本設(shè)計(jì)選用STC89C52單片機(jī)作為鼠標(biāo)控制器，選用TLC2543芯片完成A/D轉(zhuǎn)換功能，選擇CH375芯片作為單片機(jī)與PC機(jī)的接口芯片來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)間的USB通信功能，USB驅(qū)動(dòng)采用通用的CH372/CH375驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

STC89C52是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲(chǔ)器。單片機(jī)內(nèi)擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，可直接使用串口下載，大大簡(jiǎn)化程序調(diào)試時(shí)間。傳感器使用電位器，先將阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片傳給單片機(jī)。由于電位器的角度值或位移量與電壓值一一對(duì)應(yīng)，因而人們無須判斷電位器的旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換芯片是多路采集，分辨率高，故電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，鼠標(biāo)分辨率高。USB全稱為Universal Serial Bus（通用串行總線），使得計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備的連接十分方便。本設(shè)計(jì)采用USB總線通用接口芯片CH375，在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線，擁有中斷輸出功能，可以方便地掛接到單片機(jī)、DSP、MCU和MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。CH375硬件接口電路如圖3所示。

結(jié)構(gòu)上，本設(shè)計(jì)選擇基于3-UPS（3表示有三條相同的支鏈來連接動(dòng)平臺(tái)和底座，U代表虎克鉸鏈，P代表移動(dòng)副，S表示球關(guān)節(jié)）的具有六維運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合、不同自由度、不同靈巧度的需求[3-4]。3-UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)由動(dòng)、靜平臺(tái)以及三個(gè)相同的UPS支鏈構(gòu)成，其中虎克鉸U由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線分別垂直于和平行于靜平臺(tái)平面，且兩軸線交于一點(diǎn)。六維位置姿態(tài)傳感器并聯(lián)機(jī)構(gòu)由動(dòng)平臺(tái)、底座以及連接于動(dòng)平臺(tái)和底座之間的多條支鏈構(gòu)成，動(dòng)平臺(tái)可以相對(duì)于底座移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。通過改變支鏈的數(shù)目和支鏈自身的結(jié)構(gòu)形式，動(dòng)平臺(tái)可以具有不同維數(shù)的運(yùn)動(dòng)特征，因此需要研究給定運(yùn)動(dòng)維數(shù)（如二維至六維）的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造方法?？臻g多維鼠標(biāo)要求具有空間六自由度的運(yùn)動(dòng)特征，因此本設(shè)計(jì)選用3-UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為操作球頭，從而保證空間多維鼠標(biāo)具有緊湊、小型的外觀，便于操作的優(yōu)勢(shì)。

2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序采用基于MFC的界面顯示及控制程序，將單片機(jī)采集的九路傳感器信號(hào)傳到上位機(jī)程序顯示，控制空間物體的運(yùn)動(dòng)，流程如圖4所示。首先對(duì)USB通信芯片CH375進(jìn)行初始化，上位機(jī)若不發(fā)出信號(hào)，則結(jié)束流程。否則單片機(jī)將會(huì)關(guān)閉中斷，調(diào)用函數(shù)來采集傳感器的信號(hào)，并向USB斷點(diǎn)發(fā)送緩沖區(qū)寫，再經(jīng)過CH375向PC發(fā)數(shù)，之后PC機(jī)獲取到單片機(jī)數(shù)據(jù)，送到界面顯示。

USB通信程序流程是首先對(duì)OpenGL進(jìn)行相關(guān)設(shè)置及初始化，然后導(dǎo)入三維模型，再對(duì)USB通信進(jìn)行初始化，并設(shè)置循環(huán)時(shí)鐘。隨后，若CH375設(shè)備啟動(dòng)成功，將會(huì)接收USB通信數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)改變相應(yīng)的變量，最后進(jìn)行畫面的更新。若設(shè)備啟動(dòng)失敗，則結(jié)束程序相關(guān)操作，如圖5所示。

3 結(jié)論

3D鼠標(biāo)可以用來模擬控制工業(yè)上常用的并聯(lián)機(jī)械手，二者在原理上是相似的，都具有六個(gè)自由度。所以，3D鼠標(biāo)適用于手動(dòng)控制并聯(lián)機(jī)器人，在3D鼠標(biāo)的控制下，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)前后左右上下六個(gè)方向的平移，而且可以在空間里轉(zhuǎn)動(dòng)。

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