CN110114669B - 动态平衡的多自由度手持控制器 - Google Patents

Abstract

一种控制器，其包含：第一控制部件，从所述第一控制部件的一部分延伸的第二控制部件，以及与所述第二控制部件的自由度相关联地且相反地移动的第三控制部件。所述第三控制部件被配置成由用户的手的非食指手指中的一个或多个操作。控制器处理器能用于响应于所述第一控制部件的移动而产生旋转移动输出信号，并且响应于所述第二控制部件相对于所述第一控制部件的移动而产生平移移动输出信号。在示例性实施例中，可以使用单手抓握并移动所述第一控制部件，并且可以使用所述单手的拇指移动所述第二控制部件。所述第三控制部件被配置成由所述用户的手的非食指手指中的一个或多个操作，从而允许多个自由度(包含所有六个旋转和平移自由度)的直观的、单手控制，而没有任何无意的交叉耦合输入。

Description

动态平衡的多自由度手持控制器

本申请要求2016年10月27日提交的第62/413,685号美国临时专利申请的权益，所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文中用于所有目的。

技术领域

本公开大体上涉及控制系统，且更具体地，涉及一种控制器，所述控制器使用户能够使用可用单手操作的控制器发送基本上限制交叉耦合的多达六个独立自由度的命令信号。

背景技术

传统上，利用多个离散控制器，允许用户控制具有多于三个自由度的控制目标。此外，多个离散控制器对于控制具有六个自由度的控制目标的任何传统控制系统都已成为必需。例如，可以提供一组独立的控制器或输入装置(例如，操纵杆、控制杆、变距杆、脚踏板，和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的其它独立控制器)，从用户接收针对控制目标(例如，飞行器、潜水式车辆、航天器、虚拟环境中的控制目标，和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它控制目标)的各种不同的旋转参数(例如，俯仰、偏航和滚动)。类似地，可以提供一组独立控制器来控制其它导航参数，例如三维(3D)空间中的平移(例如，x轴、y轴和z轴移动)、速度、加速度和/或各种其它命令参数。

分别于2013年3月12日和2016年3月16日提交的第13/797,184号和第15/071,624号美国专利申请描述了允许用户使用单个控制器同时且独立地在多达六个自由度(6-DOF)中控制控制目标的控制系统的若干实施例，所述美国专利申请均以全文引用的方式并入本文中。在一个实施例中，一种统一手持控制器可以包含：第一控制部件，用于接收旋转输入(例如，俯仰、偏航和滚动)；以及第二控制部件，其从第一控制部件延伸并且用于接收平移输入(例如，沿x轴、y轴和z轴的移动)。统一手持控制器上的第一控制部件和第二控制部件可以由用户使用单手来重新定位以在6-DOF中控制控制目标。对精确和直观控制至关重要的是了解何时以特定自由度发出命令以及何时不发出命令。每个独立控制器为用户提供触觉反馈，使得用户了解何时同时且独立地在多达六个运动自由度中进行输入。

发明内容

先前已知的无人机、虚拟现实、增强现实、计算机和游戏输入装置不是直观的，需要大量的初始训练和熟练训练，并且用双手操作。它们通常还是不移动的。

下文描述的单手操控的控制器的各个方面可以允许计算机增强或虚拟现实游戏玩家或其它运动中的用户(例如徒步旅行者、滑雪者、安全/SAR人员、战士等)通过在所有轴上同时实现多达6-DoF运动但也限制交叉耦合(非预期运动)来控制物理和/或虚拟三维空间中的资产。

根据本公开的一个方面，一种手持控制器包含第一、第二和第三控制部件。所述第一控制部件可以以三个自由度运动，并且作为响应，提供第一集合的三个独立控制输入。可以感测第一部件的移动，并且通过例如惯性运动单元、电位计万向节或其组合生成控制输入。第一控制部件被配置成由用户的单手抓握，通过用户将其放在手掌中并用至少几根手指至少部分地环绕第一部件的主体来握住第一控制部件。第二控制部件设置在第一部件的顶端上，靠近抓握第一部件时手的拇指可能搁置的位置，并且可以独立于第一控制部件的移动而以三个独立自由度移动。响应于其独立自由度，第二控制部件提供第二集合的三个独立控制输入。第二集合的控制输入独立于第一集合的控制输入，并且第二控制部件被配置成由抓握第一控制部件的用户的手的拇指操纵。

具有第二部件的控制器通过拇指进行独立控制输入的扩展操作可能导致拇指疲劳。第三控制部件定位成由用户单手的除了食指之外的一个或多个手指操纵，并且与第二部件耦合，以与第二控制部件在第二控制部件的自由度之一中的移动相反地移动。例如桨形件的第三控制部件安装在第一部件上，位于用户的手上第三、第四和第五手指(或这些手指的子集)挤压或旋转第三部件的位置。当第三部件移动从而将拇指向上移动时，第三部件耦合到第二部件以沿Z轴向上推动第二部件。拇指不太会疲劳。必要时，向下推动第二控制部件也可以从控制器向外推动第三控制部件，从而允许拇指和其它手指处于动态平衡。

具有这些特征的控制器可以用于允许控制器在计算机辅助设计、无人机飞行、各种类型的计算机游戏、虚拟和增强现实以及其它需要精确空间移动的虚拟和物理任务的控制要求中将平移与姿态调整分离。

在本公开的另一方面，一种被配置成由用户单手抓握的至少具有第一和第二控制部件(以及可选地，第三控制部件)的手持控制器可以与手腕或前臂支架耦合，所述支架用作旋转轴线的参考，尤其是偏航。使用手持式控制器内的惯性测量单元(IMU)难以测量偏航。例如，虽然手持控制器中的IMU可能能够以足够的精度和灵敏度感测和测量第一部件的俯仰和滚动(围绕X轴和Y轴的旋转)，但是已经发现IMU关于围绕与第一控制部件的偏航相对应的Z轴旋转的输出可能是嘈杂的。第一控制部件与用户的手腕或前臂以及电位计、光学编码器或用于测量旋转的其它类型的传感器之间的连接可以用于感测偏航。

根据下文描述的几个代表性实施例的一个方面，单手控制器安装在手腕上并且记录偏离相对于手腕定义的中性位置的位移，从而允许在多达六个运动自由度(6-DoF)中精确地进行飞行、游戏或增强现实运动控制。被动机械、振动触觉或主动机械反馈可以告知用户他们在这些6-DoF中的每一个中偏离零的位移。使用这种单手控制，有可能在具有直觉(非有意的认知)输入的情况下像战斗机飞行员一样穿梭于空气中。

根据本公开的另一方面，一种与控制器耦合的前臂支架可以与食指环组合使用以打开或关闭虚拟世界中的对象的抓握。

下文描述的手持控制器的代表性实施例中的不同代表性实施例的另一方面涉及一种双手控制器，其提供即使在移动(例如，步行、滑雪、跑步、驾驶)时由非惯用手稳定的一致的已知参考系。手持控制器可以插入底座的表面，允许在飞行时非操纵飞行的手稳定底座。通过手持控制器将参考点(POR)移动通过物理或虚拟空间提出了如下问题：需要深入了解受控制的每个自由度中的位移，以便“零输入”的位置对于每个自由度都是已知的。例如，对于无人机，x轴、y轴和z轴以及偏航的零输入位置需要始终为人所知。其它飞行方案，例如虚拟和增强现实、计算机游戏和手术机器人可能同时需要多达六个独立自由度(沿x轴、y轴和z轴移动，以及俯仰、偏航和滚动)。此外，特别是对于无人机飞行以及虚拟和增强现实系统，期望能够在保持对参考点的精确控制的同时进行移动。

在这些代表性实施例中的一个中，安装到底座的操纵杆形式的第一控制部件允许在其连接到底座处的俯仰、偏航和滚动输入，其定心机构生成力以通知用户零。处于可以用拇指(或可能是另一个手指)操作的位置的位于操纵杆之上的第二控制部件沿x轴和y轴移位或移动，以生成针对x轴和y轴移动的控制输出，并且可向上或向下移位以接收针对z轴移动的输入。

各种方面、优点、特征和实施例被包含在其示例性示例的以下描述中，所述描述应结合附图进行。本文引用的所有专利、专利申请、文章、其它出版物、文档和内容为了所有目的通过引用整体并入本文中。如果任何并入的出版物、文件或内容与本申请之间的术语的定义或使用存在任何不一致或冲突，则以本申请的那些为准。

附图说明

为了促进对所要求保护的本发明原理的理解，现在将参考在附图中示出的实施例或实例。应理解，通过描述特定实施例和示例，除了权利要求中阐述的明确术语之外，不旨在限制本发明的范围。在利用所要求保护的主题的同时，对所描述的实施例和示例的改变和进一步修改是可能的，且因此预期在所要求保护的本发明的范围内。

图1是控制系统的实施例的示意图。

图2是示出用于控制控制目标的方法的实施例的流程图。

图3是示出用户单手使用图2中描绘的控制器的实施例的侧视图。

图4A是示出根据图2的方法执行移动的物理或虚拟车辆控制目标的实施例的侧视图。

图4B是示出根据图4A的方法执行移动的图4A的物理或虚拟车辆控制目标的实施例的顶视图。

图4C是示出根据图2的方法执行移动的图4A的物理或虚拟车辆控制目标的实施例的正视图。

图4D是示出根据图2的方法执行移动的工具控制目标的实施例的透视图。

图5是示出用于控制控制目标的方法的实施例的流程图。

图6是示出用于配置控制器的方法的实施例的流程图。

图7是单手控制器的第一代表性实施例的侧视图。

图8A是在第一位置中部分组装有用于第二控制部件的枢转平台的单手控制器的第二代表性实施例的透视图。

图8B是在第二位置中部分组装有用于第二控制部件的枢转平台的单手控制器的第二代表性实施例的透视图。

图8C是在与图8A和图8B所示的不同组装状态下的单手控制器的第二代表性实施例的透视图，其中移除了形成第一控制部件的外壳的一半。

图9示出具有拇指环形式的辅助控制部件的控制器的第三代表性实施例的透视图。

图10示出具有台架式的辅助控制部件的控制器的第四代表性实施例的透视图。

图11示出具有轨迹球式的辅助控制部件的控制器的第五代表性实施例的透视图。

图12是具有安装到底座的控制器的移动式双手控制系统的透视图。

图13是安装到具有输入按钮的底座的控制器的透视图。

图14是安装到有线底座的单手控制器的透视图。

图15是安装到与用户前臂连接的托架的单手控制器的另一代表性示例和实施例的透视图。

图16是与用户穿戴的前臂附件连接的手控制器的另一代表性示例和实施例的透视图。

图17是与安装在用户前臂的袖带耦合的手柄控制器的代表性示例的透视图。

图18是图17中所示的与安装在用户前臂的袖带耦合的手柄控制器的代表性示例的侧视图。

图19A是在前臂附件与手控制器之间具有双万向节连杆的控制系统的代表性示例的顶视图。

图19B是图19A的控制系统的侧视图。

图19C是图19A的控制系统的透视图。

图19D是在前臂附件与手控制器之间具有双万向节连杆的控制系统的第二代表性示例的透视图。

图20A是在前臂附件与手控制器之间具有双万向节连杆的控制系统的另一代表性示例的侧视图。

图20B是图20A的控制系统的不同侧视图。

具体实施方式

在随后的附图和描述中，附图不一定按比例绘制。本发明的某些特征可能以夸大的比例或略微示意的形式示出，并且为了清楚和简明起见，可能未示出常规元件的一些细节。本公开容许不同形式的实施例。详细描述并在附图中示出特定实施例，应理解，本公开视为本发明原理的示例，并且不旨在将本发明限制于本文所示出和描述的内容。应充分认识到，下文所讨论的实施例的不同教示可以单独地或以任何合适组合使用以产生期望的结果。通过阅读本发明的说明性实施例的以下描述并且通过参考说明书附图，上文提到的各种特征以及下文更详细地描述的其它特征和特性对于所属领域的技术人员将是显而易见的。

本公开描述了控制系统的若干实施例，其允许用户使用单个控制器在多达六个自由度(6-DOF)中控制控制目标。在一个实施例中，一种统一手持控制器可以包含：第一控制部件，用于从用户接收第一集合的一个、两个或三个输入；以及从第一控制部件延伸的第二控制部件，其可以从用户接收第二集合的一个、两个或三个附加输入。这些控制器将输入映射到用于控制目标控制系统的预选输出。统一手持控制器上的第一控制部件和第二控制部件可以由用户使用单手来重新定位以在多达六个自由度中控制控制目标。

更具体地，在下文描述的控制系统的一些实施例中，用户能够使用单个控制器在六个DOF(6-DOF)中控制控制目标。在一个实施例中，一种统一手持控制器可以包含：第一控制部件，用于接收旋转输入(例如，俯仰、偏航和滚动)；以及第二控制部件，其从第一控制部件延伸并且用于接收平移输入(例如，沿x轴、y轴和z轴的移动)。如下文进一步详细描述，统一手持控制器上的第一控制部件和第二控制部件可以由用户使用单手重新定位以在6-DOF中控制控制目标。

下文描述的实施例是与现有技术的手持控制器相比具有一个或多个附加特征的改进的单手控制器的示例。这些附加特征和增强包含：第二部件的改进的Z轴弹簧力和自动定心/调零能力，其在用户的拇指抓握控制器的第一部件时由用户的拇指控制；在第一部件之上的较大台架，用于使第二部件沿X轴和Y轴移动；用于第二控制部件的可更换或可调整大小的拇指环；用于走动使用的前臂或手腕稳定装置(用于沿X轴、Y轴和Z轴平移的电位计或光学编码器，例如用于无人机应用和与虚拟/增强现实集成)；用于改进的CAD对象操作的基于鼠标的实现方式；以及前述特征中的任何两个或多个的组合。

具有这些特征中的任何一个或多个以及其变化形式的手持控制器可以用于例如飞行模拟、计算机辅助设计(CAD)、无人机飞行、固定翼和旋翼飞行、计算机游戏、虚拟和增强现实导航、地面和海洋机器人控制的应用以及许多其它应用中，其中一些在下文进行描述。

首先参考图1，用于在6-DOF中控制控制目标的控制系统100。控制系统100包含耦合到信号转换系统104的控制器102，所述信号转换系统进一步耦合到控制目标106。在实施例中，控制目标106可以包含末端执行器(例如，机器人钳子的末端、具有圈套的机器人臂末端执行器)、相机视场(例如，包含相机中心视场和变焦)、车辆速度矢量等。虽然控制器102和信号转换系统104分开示出，但所属领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以组合控制器102和信号转换系统104中的一些或全部。

控制器102包含第一控制部件102a和位于第一控制部件102a上的第二控制部件102b。在本说明书中，除非另有说明，否则控制器102旨在表示本文中描述的所有控制器。控制器处理器102c耦合到第一控制部件102a和第二控制部件102b中的每一个。在实施例中，控制器处理器102c可以是中央处理单元、可编程逻辑控制器和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它处理器。控制器处理器102c还耦合到旋转模块102d、平移模块102e和发送器102f中的每一个。尽管未进一步详细说明或描述，但在第一控制部件102a、第二控制部件102b、控制器处理器102c、旋转模块102d、平移模块102e和发送器102f之间可以存在其它连接和联接器，同时保持在本公开的范围内。此外，控制器的组件可以与如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的其它组件组合或替换，同时保持在本公开的范围内。

控制系统100中的信号转换系统104包含收发器104a，所述收发器可以通过有线连接、无线连接和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它连接而耦合到控制器102中的发送器102f。转换处理器104b耦合到收发器104a、控制模块104c和配置参数104d，所述配置参数可以包含在存储器、存储装置和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的其它计算机可读介质。在实施例中，转换处理器104b可以是中央处理单元、可编程逻辑控制器和/或所属领域的一般技术人员已知的各种其它处理器。虽然未以任何进一步的细节示出或描述，但是在收发器104a、转换处理器104b、控制模块104c和配置参数104d之间可以存在其它连接和联接器，同时保持在本公开的范围内。此外，信号转换系统104的组件可以与如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的其它组件组合或替换，同时保持在本公开的范围内。控制模块104c可以通过有线连接、无线连接和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它连接耦合到控制目标106。

在实施例中，控制器102被配置成通过第一控制部件102a和/或第二控制部件102b从用户接收输入，并基于所述输入发送信号。例如，控制器102可以提供为用于在虚拟环境中(例如，在视频游戏中，在真实世界模拟器上，作为远程控制虚拟/现实世界控制系统的一部分，和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它虚拟环境中)导航的“操纵杆”。在另一示例中，控制器102可以提供为用于控制车辆(例如，飞行器、潜水器、航天器和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它车辆)的控制杆。在另一示例中，控制器102可以提供为用于控制机器人或其它非车辆装置(例如，手术装置、组装装置和/或所属领域普通技术人员已知的各种其它非车辆装置)的控制杆。

在下文进一步详细讨论的实施例中，控制器102包含作为第一控制部件102a的控制杆，其被配置成由用户重新定位。控制杆第一控制部件102a的重新定位允许用户使用第一控制部件102a提供包含俯仰输入、偏航输入和滚动输入的旋转输入，并使控制器处理器102c输出包含俯仰移动输出信号、偏航移动输出信号和滚动移动输出信号的旋转移动输出信号。具体地，向前和向后倾斜控制杆第一控制部件102a可以提供产生俯仰移动输出信号的俯仰输入，使控制杆第一控制部件102a绕其纵向轴线左右旋转可以提供产生偏航移动输出信号的偏航输入，并且从一侧到另一侧倾斜控制杆第一控制部件102a可以提供产生滚动移动输出信号的滚动输入。如下文所讨论，由第一控制部件102a的重新定位产生的移动输出信号可以根据上文所讨论的内容重新配置，使得第一控制部件102a与上文所讨论的那些类似的移动引起不同的输入和移动输出信号(例如，从一侧到另一侧倾斜控制杆第一控制部件102a可以被配置成提供产生偏航移动输出信号的偏航输入，而使控制杆第一控制部件102a绕其纵向轴线旋转可以被配置成提供产生滚动移动输出信号的滚动输入。)

可以使用旋转模块102d检测和/或测量使用控制杆第一控制部件102a的旋转输入。例如，旋转模块102d可以包含位移检测器，用于检测控制杆第一控制部件102a偏离起始位置的位移，作为上文所讨论的俯仰输入、偏航输入和滚动输入中的一个或多个。位移检测器可以包含用于检测光束的光检测器、旋转和/或线性电位计、电感耦合线圈、物理致动器、陀螺仪、开关、换能器和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它位移检测器。在一些实施例中，旋转模块102d可以包含加速度计，其用于检测控制杆第一控制部件102a偏离空间中的起始位置的位移。例如，加速度计可以各自测量控制杆第一控制部件102a相对于惯性参考系的适当加速度。

在其它实施例中，可以使用针对控制杆第一控制部件102a的三个运动范围中的每一个(例如，从前到后、从一侧到另一侧、围绕纵向轴线旋转)的突破开关(breakoutswitch)、换能器和/或直接开关来检测和/或测量使用控制杆第一控制部件102a的输入。例如，突破开关可以用来检测控制杆第一控制部件102a何时从每个旋转范围的空位置初始地移动(例如，2°)，换能器可以提供与控制杆第一控制部件102a针对每个运动范围的位移成比例的信号，并且直接开关可以检测控制杆第一控制部件102a何时从每个运动范围的空位置进一步移动(例如，12°)。突破开关和直接开关还可以允许检测控制杆第一控制部件102a的加速。在实施例中，可以在控制器102中提供冗余检测器和/或开关，以确保控制系统100是容错的。

在下文进一步详细讨论的实施例中，第二控制部件102b从控制杆第一控制部件102a的顶部远端部分延伸，并且被配置成由用户独立于控制杆第一控制部件102a并且相对于控制杆第一控制部件102a重新定位。下文讨论的第二控制部件102b的重新定位允许用户使用第二控制部件102b提供包含x轴输入、y轴输入和z轴输入的平移输入，并使控制处理器102c输出包含x轴移动输出信号、y轴移动输出信号和z轴移动输出信号的平移移动输出信号。例如，向前和向后倾斜第二控制部件102b可以提供产生x轴移动输出信号的x轴输入，从一侧到另一侧倾斜第二控制部件102b可以提供产生y轴移动输出信号的y轴输入，并且上下移动第二控制部件102b可以提供产生z轴移动输出信号的z轴输入。如下文所讨论，由第二控制部件102b的重新定位产生的信号可以根据上文所讨论的内容重新配置，使得第二控制部件102b与上文所讨论的那些类似的移动引起不同的输入和移动输出信号(例如，向前和向后倾斜第二控制部件102b可以被配置成提供产生z轴移动输出信号的z轴输入，而上下移动第二控制部件102b可以被配置成提供产生x轴移动输出信号的x轴输入。)在实施例中，第二控制部件102b被配置成在用户用包括拇指的手抓握控制杆第一控制部件102a时仅由用户的所述拇指重新定位。

可以使用平移模块102e来检测和/或测量使用第二控制部件102b的平移输入。例如，平移模块102e可以包含平移检测器，其用于检测第二控制部件102b从起始位置的位移，作为上文讨论的x轴输入、y轴输入和z轴输入中的一个或多个。平移检测器可以包含物理致动器、平移加速度计和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它平移检测器(例如，上文讨论的用于检测和/或测量旋转输入的许多检测器和开关可以重新用于检测和/或测量平移输入。)

在实施例中，控制器102的控制器处理器102c被配置成生成将由发送器102f发送的控制信号。如上所述，控制器处理器102c可以被配置成基于由旋转模块102d检测和/或测量的一个或多个旋转输入和/或由平移模块102e检测和/或测量的一个或多个平移输入生成控制信号。由控制器处理器102c生成的那些控制信号可以包含定义6-DOF(即，俯仰、偏航、滚动、沿x轴的移动、沿y轴的移动、沿z轴的移动)中的一个或多个的移动输出信号的参数。在若干实施例中，针对产生离散控制信号的每个离散预定义移动(例如，用于提供俯仰输入的第一控制部件102a的移动、用于提供偏航输入的第一控制部件102a的移动、用于提供滚动输入的第一控制部件102a的移动、用于提供x轴输入的第二控制部件102b的移动、用于提供y轴输入的第二控制部件102b的移动，以及用于提供z轴输入的第二控制部件102b的移动)产生离散控制信号类型(例如，偏航输出信号、俯仰输出信号、滚动输出信号、x轴移动输出信号、y轴移动输出信号和z轴移动输出信号)。除了6-DOF控制之外，还可以将例如开/关、微调和其它多功能命令的离散特征发送到控制目标。相反，可以在控制器102上接收数据或反馈(例如，例如LED的指示器可以被点亮为绿色以指示控制器102开启。)

在实施例中，控制器102的发送器102f被配置成通过有线或无线连接发送控制信号。例如，控制信号可以是射频(“RF”)信号、红外(“IR”)信号、可见光信号和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它控制信号中的一个或多个。在一些实施例中，发送器102f可以是

发送器，其被配置成根据

协议将控制信号作为RF信号发送(

是蓝牙特别兴趣小组的注册商标，总部设在美国华盛顿州柯克兰市的私人持有的非盈利贸易协会)。

在实施例中，信号转换系统104的收发器104a被配置成如上文讨论地通过有线或无线连接接收由控制器102的发送器102f发送的控制信号，并将接收到的控制信号提供给信号转换系统104的转换处理器104b。

在实施例中，转换处理器104b被配置成处理从控制器102接收的控制信号。例如，转换处理器104b可以耦合到计算机可读介质，所述计算机可读介质包含指令，所述指令当由转换处理器104b执行时使转换处理器104b提供控制程序，所述控制程序被配置成将控制信号转换为移动命令，并使用信号转换系统104的控制模块104c根据移动命令控制控制目标106。在实施例中，转换处理器104b可以将控制信号转换为用于虚拟三维(“3D”)环境(例如，外科患者的虚拟表示、视频游戏、模拟器，和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的其它虚拟3D环境)的移动命令。因此，控制目标106可以存在于虚拟空间中，并且可以从控制目标内部的视角向用户提供虚拟环境的视点或虚拟表示(即，控制系统100可以包含显示器，所述显示器为用户提供来自虚拟环境中的控制目标的视点。在另一示例中，控制目标106可以是物理装置，例如机器人、末端执行器、手术工具、提升系统等，和/或各种可转向的机械装置，包含但不限于车辆，例如无人驾驶或遥控驾驶的车辆(例如“无人机”)；有人驾驶、无人驾驶或遥控驾驶的车辆和陆地工具；有人驾驶、无人驾驶或远程驾驶的飞行器；有人驾驶、无人驾驶或远程驾驶的船只；有人驾驶、无人驾驶或远程驾驶的潜水器；以及有人驾驶、无人驾驶或远程驾驶的太空飞行器、火箭、卫星等。

在实施例中，信号转换系统104的控制模块104c被配置成基于从信号转换系统104中的控制程序提供的移动命令来控制控制目标106的移动。在一些实施例中，如果控制目标106处于虚拟环境中，则控制模块104c可以包含用于在虚拟环境内移动虚拟表示或视点的应用程序编程接口(API)。API还可以向控制模块104c提供来自虚拟环境的反馈，例如碰撞反馈。在一些实施例中，来自控制目标106的反馈可以允许控制模块104c自动调整控制目标的移动，以例如避免与指定区域(例如，真实或虚拟环境中的对象、真实或虚拟患者的关键区域等)的碰撞。在其它实施例中，如果控制目标106是物理装置，则控制模块104c可以包含用于控制物理装置的移动的一个或多个控制器。例如，信号转换系统104可以安装在车辆上，并且控制模块104c可以包含用于控制车辆的各种推进和/或转向机构的各种物理控制器。

在实施例中，信号转换系统104包含操作参数104d，供转换处理器104b在使用来自控制器102的信号生成移动命令时使用。操作参数可以包含但不限于增益(即，灵敏度)、起始速率(即，滞后)、死区(即中性)、限制(即最大角位移)，和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它操作参数。在实施例中，第一控制部件102a和第二控制部件102b的增益可以由用户独立地定义。在此示例中，与控制杆第一控制部件102a相比，第二控制部件102b可以具有增加的灵敏度，以补偿例如第二控制部件102b具有比控制杆第一控制部件102a更小的运动范围。类似地，可以独立地定义第一控制部件102a和第二控制部件102b的起始速率，以确定在第一控制部件102a和第二控制部件102b的重新定位应转换为控制目标106的实际移动之前应经过的时间量(即，滞后)。也可以通过校准第一控制部件102a和第二控制部件102b各自的中性位置和最大位置而独立地定义第一控制部件102a和第二控制部件102b的限制和死区。

在实施例中，操作参数还可以定义响应于第一控制部件102a和第二控制部件102b的不同移动而从控制器102发送的信号如何转换成发送到控制目标的移动命令。如上所述，第一控制部件102a的特定移动可以产生俯仰、偏航和滚动旋转移动输出信号，而第二控制部件102b的特定移动可以产生x轴、y轴和z轴平移移动输出信号。在实施例中，操作参数可以定义响应于来自第一控制部件102a和第二控制部件102b的移动以及所产生的移动输出信号将哪些移动命令发送到控制目标106。

如图7至图20B中所示的所描述单手控制器可以提供多达6个自由度控制。对于许多类型的物理和虚拟3D环境中的应用，可能需要所有6个自由度，例如移动航天器或许多类型的飞机，或某些计算机游戏以及虚拟现实和增强现实环境。在许多情况下，管理它们的最佳方式是将第二控制部件位移所生成的x轴、y轴和z轴平移输出信号映射到目标应用中的x轴、y轴和z轴移动，并使用第一控制部件位移所生成的俯仰、滚动和偏航旋转输出信号，以提供控制目标应用中的俯仰、滚动和偏航的旋转控制输出信号。

然而，对于如无人机飞行等许多其它应用，当只需要4个命令轴时，用户的输入可能会以不同的方式分开，这取决于手持控制器是安装在控制器的固定底座上，是由非惯用手稳定，还是与前臂支架耦合。例如，当使用前臂支架来支撑手持控制器并提供参考系时，可能更希望使用第二部件来控制无人机的y轴移动，而使用第一控制部件来控制x轴移动和偏航。由于控制器的个体输入“装置”易于编程，因此能够根据偏好选择输入和轴的任何组合。

在一些实施例中，可以从用户操作的外部计算装置(未示出)接收操作参数104d。例如，外部计算装置可以预先配置有用于与控制器102和/或信号转换系统104接口连接的软件。在其它实施例中，操作参数104d可以由用户使用控制器102或信号转换系统104包含的显示屏直接输入。例如，第一控制部件102a和/或第二控制部件102b可以用于对配置菜单导航以定义操作参数104d。

现在参考图2和图3，示出使用单手控制器之一控制控制目标的方法400。图3中所示的控制器表示单手控制器，其具有由用户的手抓握的第一控制部件，所述第一控制部件可以移位以生成第一集合的控制输出，所述控制器还具有位于第一控制部件上的第二控制部件，由抓握第一控制部件的手的拇指操纵，以生成第二集合的控制输出。除非另外特别说明，否则本文描述的任何单手控制器可以与结合这些附图描述的方法一起使用。与本文描述的其它方法的情况一样，各种实施例可以不包含下文描述的所有步骤，可以包含附加步骤，并且可以不同方式对步骤排序。因此，图2中所示的步骤的具体安排不应解释为限制控制控制目标的移动的范围。

方法400开始于框402，其中从用户接收输入。如前所述，用户可以用手抓握第一控制部件，同时在第二控制部件上使用拇指。如图3所示，用户可以用手402a抓握第一控制部件204，同时使拇指402b延伸通过由第二控制部件208限定的拇指通道。此外，用户可以将手指402c放在控制按钮206上。所属领域普通技术人员将认识到，虽然示出了具有定位用于拇指致动的第二控制部件208和用于手指致动的控制按钮206的特定实施例，但是包含重新定位第二控制部件208(例如，用于通过除拇指之外的手指致动)、重新定位控制按钮206(例如，用于通过除图3中所示的手指之外的手指致动)、附加控制按钮和各种其它特征的其它实施例将落入本公开的范围内。

在实施例中，在方法400的框402处来自用户的输入可以包含用户使用例如控制器提供的一个或多个旋转输入(即，偏航输入、俯仰输入和滚动输入)和一个或多个平移输入(即，沿x轴、y轴和/或z轴的移动)。用户可以重新定位第一控制部件以提供旋转输入并重新定位第二控制部件以提供平移输入。控制器是“统一的”，因为其能够由用户的单手操作。换句话说，控制器允许用户用单手同时提供旋转输入和平移输入而没有交叉耦合输入(即，手持控制器的输出是“纯”的)。

如上所述，可以使用各种装置检测旋转输入和平移输入，例如用于检测光束的光检测器、旋转和/或线性电位计、电感耦合线圈、物理致动器、陀螺仪、加速度计和如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它装置。下文讨论第一控制部件和第二控制部件的移动及其在控制目标106上的结果的具体示例，但是如上所述，第一控制部件和第二控制部件的任何移动可以根据用户的需求而被重新编程或改变用途(包含通过基于用户的需求交换坐标系来重新编程参考系)，因此下文的讨论仅仅是本公开的一个实施例的示例。

如图3所示，用户可以使用他/她的手402a沿线A来回移动第一控制部件204(例如，在其耦合到控制器200的底座202时，通过沿线A相对于控制器300的第一控制部件204的底部倾斜第一控制部件204的抓握部分204c)，以便向控制器200或300提供俯仰输入。如图3所示，用户可以使用他/她的手402a使第一控制部件204绕其纵向轴线在弧B上来回旋转(例如，在其耦合到控制器200的底座202时，通过在用于控制器300的空间中旋转第一控制部件204的抓握部分204c)，以便向控制器200或300提供偏航输入。如图3所示，用户可以使用他们的手402a沿线C从一侧到另一侧移动第一控制部件204(例如，在其耦合到控制器200的底座202时，通过沿线B相对于控制器300的第一控制部件204的底部倾斜第一控制部件204的抓握部分204c)，以便向控制器200或300提供滚动输入。此外，可以使用控制器200的其它特征来提供附加输入。例如，弹性部件205可以提供第一控制部件204的中性位置，使得使用第一控制部件204压缩弹性部件209能提供第一输入，并且使用第一控制部件204延伸弹性部件209能提供第二输入。

如图3所示，用户可以使用拇指402b沿线E向前和向后移动第二控制部件208(例如，在其耦合到第一控制部件204时)，以便向控制器200或300提供x轴输入。如图3所示，用户可以使用拇指402b沿线D来回移动第二控制部件208(例如，在其耦合到第一控制部件204时)，以便向控制器200或300提供y轴输入。如图3所示，用户可以使用拇指402b沿线F上下移动第二控制部件208(例如，在其耦合到第一控制部件204时，在一些实施例中，具有来自弹性部件209的阻力)，以便向控制器200或300提供z轴输入。在实施例中，弹性部件209可以提供第二控制部件208的中性位置，使得使用第二控制部件204压缩弹性部件209能提供用于控制目标106在第一方向上的z轴移动的第一z轴输入，并且使用第二控制部件204延伸弹性部件209能提供用于控制目标106在与第一方向相反的第二方向上的z轴移动的第二z轴输入。

接着，方法400进行到框404，其中基于在框402中接收的用户输入生成控制信号，且接着发送所述控制信号。如上所述，控制器处理器102c和旋转模块102d可以响应于检测和/或测量上文讨论的旋转输入而生成旋转移动输出信号，并且控制处理器102c和平移模块102e可以响应于检测和/或测量上文讨论的平移输入而生成平移移动输出信号。此外，控制信号可以包含以下指示：控制部件的绝对偏转或位移、控制部件的偏转或位移率、控制部件的偏转或位移的持续时间、控制部件与中心死区的偏差，和/或本领域中已知的各种其它控制信号。例如，可以根据

协议基于一个或多个旋转输入和/或平移输入生成控制信号。一旦生成，可以由RF发送器根据

协议作为RF信号发送控制信号。所属领域技术人员将理解，可以根据例如

协议、无线USB协议等各种其它RF协议来生成和发送RF信号。在其它示例中，可以作为IR信号、可见光信号或适合于发送控制信息的一些其它信号来发送控制信号。(

是ZigBee联盟的注册商标，ZigBee联盟是一家总部设在美国加利福尼亚州圣拉蒙的公司协会)。

接着，方法400进行到框406，其中收发器接收由控制器生成和发送的信号。在实施例中，信号转换系统104的收发器102接收由控制器102、200、300生成和发送的控制信号。在控制信号是RF信号的实施例中，收发器104a包含RF传感器，所述RF传感器被配置成根据适当的协议(例如，

无线USB等)接收信号。

在其它实施例中，控制信号可以通过有线连接发送。在这种情况下，控制器102的发送器102f和信号转换系统104的收发器104a可以通过例如通用串行总线(USB)电缆、串行电缆、并行电缆、专用电缆等的电缆物理连接。

接着，方法400进行到框408，其中由信号转换系统104的转换处理器104b提供的控制程序基于在框406中接收的控制信号来命令移动。在实施例中，所述控制程序可以基于控制信号中的旋转移动输出信号和/或平移移动输出信号将控制信号转换成可以包含旋转移动指令和/或平移移动指令的移动命令。其它离散特征，例如开/关、相机变焦、共享捕获等，也可以进行中继。例如，移动命令可以指定用于定义控制目标106在一个或多个DOF中的移动的参数。使用上文讨论的示例，如果用户使用他们的手402a沿线A来回移动第一控制部件204(图3中示出)，则控制程序可以使用所产生的控制信号来生成包含用于修改控制目标106的俯仰的俯仰移动指令的移动命令。如果用户使用他们的手402a使第一控制部件204绕其纵向轴线绕弧B来回旋转(图3中示出)，则控制程序可以使用所产生的控制信号来生成包含用于修改控制目标106的偏航的偏航移动指令的移动命令。如果用户使用他们的手402a沿线C从一侧到另一侧移动第一控制部件204(图3中示出)，则控制程序可以使用所产生的控制信号来生成包含用于修改控制目标106的滚动的滚动移动指令的移动命令。

此外，如果用户使用他们的拇指402b沿线E向前和向后移动第二控制部件208(图3中示出)，则控制程序可以使用所产生的控制信号来生成包含用于修改控制目标106沿x轴的位置的x轴移动指令的移动命令。如果用户使用他们的拇指402b沿线E来回移动第二控制部件208(图3中示出)，则控制程序可以使用所产生的控制信号来生成包含用于修改控制目标106沿y轴的位置的y轴移动指令的移动命令。如果用户使用他们的拇指402b沿线D从一侧到另一侧移动第二控制部件208(图3中示出)，则控制程序可以使用所产生的控制信号来生成包含用于修改控制目标106沿z轴的位置的z轴移动指令的移动命令。

接着，方法400进行到框410，其中基于移动命令执行控制目标106的移动。在实施例中，在方法400的框410处，可以基于移动命令在虚拟环境中移动用户的视点或虚拟表示。在另一实施例中，在方法400的框410处，可以基于移动命令致动车辆的末端执行器、推进机构和/或转向机构。

图4A、图4B和图4C示出控制目标410a，其可以是例如上文参考图1讨论的控制目标106。如上所述，控制目标410a可以包含用户所在的物理车辆、用户在车辆的远程对车辆进行操作的远程操作车辆，用户通过从虚拟车辆内为用户提供的观察点操作的虚拟车辆，和/或如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的各种其它控制目标。使用上文的示例，如果用户使用他们的手402a沿线A来回移动第一控制部件204(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410a关于弧AA修改其的俯仰，如图4B所示。如果用户使用他们的手402a使第一控制部件204绕其纵向轴线绕弧B来回旋转(如图3示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410a绕弧BB修改其的偏航，如图4B所示。如果用户使用他们的手402a沿线C从一侧到另一侧移动第一控制部件204(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410a绕弧CC修改其的滚动，如图4C所示。

此外，如果用户使用他/她的拇指402b沿线E向前和向后移动第二控制部件208(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410a沿线EE(即，其x轴)移动，如图4B和图4C所示。如果用户使用他/她的拇指402b沿线D从一侧到另一侧移动第二控制部件208(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410a沿线DD(即，其y轴)移动，如图4A和图4B所示。如果用户使用他/她的拇指402b沿线F来回移动第二控制部件208(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410a沿线FF(即，其z轴)移动，如图4A和图4C所示。在一些实施例中，控制按钮206和/或控制器102、200或300上的其它控制按钮可以用于例如致动控制目标410a中的其它系统(例如，武器系统)。

图4D示出控制目标410b，其可以是例如上文参考图1讨论的控制目标106。如上所述，控制目标410b可以包含根据从控制器102、200或300发送的信号执行移动的物理装置或其它工具。使用上文的示例，如果用户使用他们的手402a沿线A来回移动第一控制部件204(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410b沿弧AAA绕接合部410d旋转工具部件或末端执行器410c，如图4D所示。如果用户使用他们的手402a使第一控制部件204绕其纵向轴线绕弧B来回旋转(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410b沿弧BBB绕接合部410e旋转工具部件或末端执行器410c，如图4D所示。如果用户使用他们的手402a沿线C从一侧到另一侧移动第一控制部件204(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410b沿弧CCC绕接合部410f旋转工具部件或末端执行器410c，如图4D所示。

此外，如果用户使用他/她的拇指402b沿线E向前和向后移动第二控制部件208(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使工具部件或末端执行器410c沿线EEE(即，其x轴)移动，如图4D所示。如果用户使用他/她的拇指402b沿线E来回移动第二控制部件208(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使控制目标410b沿线EEE(即，其的穿过接合部410f的y轴)移动，如图4D所示。如果用户使用他/她的拇指402b沿线D从一侧到另一侧移动第二控制部件208(图3中示出)，则由生成的控制信号产生的移动命令将使工具部件或末端执行器410c沿线DDD(即，其z轴)移动，如图4D所示。在一些实施例中，控制按钮206和/或控制器102、200或300上的其它控制按钮可以用于例如使用工具部件210c执行动作。此外，所属领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，图4D中所示的工具部件或末端执行器410c可以用各种工具部件(例如，手术器械等)替换或补充。如上所述，控制目标410a可以包含在工具部件或末端执行器410c上或附近的用于提供视场以允许导航到目标的相机。

现在参考图5，示出了用于控制控制目标的方法500。与本文描述的其它方法的情况一样，各种实施例可以不包含下文描述的所有步骤，可以包含附加步骤，并且可以不同方式对步骤排序。因此，图5中所示的步骤的具体安排不应解释为限制控制控制目标的移动的范围。

方法500可以在框502处开始，其中从用户接收旋转输入。用户可以通过重新定位控制器200或300的第一控制部件204来提供旋转输入，类似于上文所讨论。在一些实施例中，旋转输入可以由例如致动器的物理装置手动检测。在其它实施例中，旋转输入可以由例如加速度计的传感器电检测。

方法500可以框504同时进行，其中从用户接收平移输入。用户可以通过重新定位控制器200或300的第二控制部件208来提供平移输入，类似于上文所讨论。旋转输入和平移输入可以由用户使用用户的单手同时提供。在一些实施例中，平移输入可以由例如致动器的物理装置手动检测。

在实施例中，可以通过用户在显示屏上查看控制目标106的当前位置来提供旋转输入和平移输入。例如，用户可以在显示屏上查看在患者的虚拟表示内呈现的手术装置的当前位置。在此示例中，可以使用显示屏上的当前视图作为参考系来提供旋转输入和平移输入。

接着，方法500进行到框506，其中基于旋转输入和平移输入生成控制信号，且接着发送所述控制信号。在手动检测旋转输入的情况下，可以基于由多个致动器检测到的旋转输入和平移输入生成控制信号，所述多个致动器将第一控制部件204和第二控制部件208上确证的机械力转换成分别被解释为旋转输入和平移输入的电信号。在以电子方式检测旋转输入的情况下，可以基于由加速度计检测到的旋转输入和由致动器检测到的平移输入来生成控制信号。

在实施例中，可以根据

协议基于旋转输入和平移输入来生成控制信号。一旦生成，可以由RF发送器根据

协议作为RF信号发送控制信号。所属领域普通技术人员将理解，可以根据例如

协议、无线USB协议等各种其它RF协议来生成和发送RF信号。在其它示例中，可以作为IR信号、可见光信号或适合于发送控制信息的一些其它信号来发送控制信号。

接着，方法500进行到框508，信号转换系统104的收发器104a接收控制信号。在控制信号是RF信号的情况下，收发器104a包含RF传感器，所述RF传感器被配置成根据适当的协议(例如，

无线USB等)接收信号。在其它实施例中，控制信号可以通过有线连接发送。在这种情况下，发送器102f和收发器104a通过例如通用串行总线(USB)电缆、串行电缆、并行电缆、专用电缆等的电缆物理连接。

接着，方法500进行到框510，其中转换处理器104b基于所接收的控制信号命令以6DOF移动。具体地，可以基于控制信号中的旋转输入和/或平移输入将控制信号转换为移动命令。所述移动命令可以指定用于在虚拟3D环境中以一个或多个DOF定义用户的视点或虚拟表示的移动的参数。例如，如果第二控制部件被用户向上重新定位，则所产生的控制信号可以用于生成以下移动命令：在患者身体的3D表示内沿z轴向上移动手术装置的视点。在另一示例中，如果第一控制部件向左倾斜并且第二控制部件向下重新定位，则所产生的控制信号可以用于生成以下移动命令：将手术装置向左滚动，同时在患者身体的3D表示中沿z轴向下移动手术装置。可以提供旋转输入和平移输入的任何组合以生成具有一个或多个DOF中的参数的变化组合的移动命令。

接着，方法500进行到框512，其中基于移动命令在虚拟和/或真实环境中执行比例移动。例如，可以根据移动命令重新定位患者的虚拟表示中手术装置的视点，其中所述视点对应于固定到手术装置的相机或传感器。在此示例中，也可以根据在患者身体的虚拟表示中手术装置的移动而在患者体内重新定位手术装置。统一控制器允许外科医生用单手在患者体内以6-DOF对手术装置进行导航。

现在参考图6，示出用于配置控制器的方法600。与本文描述的其它方法的情况一样，各种实施例可以不包含下文描述的所有步骤，可以包含附加步骤，并且可以不同方式对步骤排序。因此，图6中所示的步骤的具体安排不应解释为限制控制控制目标的移动的范围。

方法600开始于框602，其中控制器102连接到外部计算装置。控制器102可以通过物理连接(例如，USB电缆)或任何数量的无线协议(例如，

协议)连接。外部计算装置可以预先配置有用于与控制器102接口连接的软件。

接着，方法600进行到框604，其中控制器102从外部计算装置接收配置数据。配置数据可以指定配置参数，例如增益(即，灵敏度)、起始速率(即，滞后)、死区(即中性)和/或限制(即最大角位移)。配置数据还可以针对第一控制部件和第二控制部件的移动对控制目标分配移动命令。配置参数可以由用户使用被配置成与控制器102接口连接的软件来指定。

接着，方法600进行到框606，其中基于配置数据调整控制器102的操作参数。所述操作参数可以存储在存储器中，然后由控制器102用来远程控制控制目标，如上文关于图2和图5所讨论。在一些实施例中，方法600可以包含对于自动导向移动设置“微调”、建立平移率(例如，厘米/秒)或重定向率(例如，度/秒)，或启动“自动排序”(在显示器上或在控制器102本身上)的能力。

在其它实施例中，控制器102可以配备有输入装置，所述输入装置允许用户直接配置控制器102的操作参数。例如，控制器102可以包含显示屏，所述显示屏具有可使用第一控制部件204和/或第二控制部件208导航的配置菜单。

存储在有形存储介质上的计算机可读程序产品可以用于促进任何前述实施例，例如上文讨论的控制程序。例如，本发明的实施例可以存储在计算机可读介质上，例如，例如压缩光盘(CD)、数字多功能光盘(DVD)等的光盘；磁盘；磁带；文件；闪存卡或任何其它计算机可读存储装置。在此示例中，计算机可读程序产品的执行可以使处理器执行上文关于图2、图5和图6所讨论的方法。

在单手控制器的以下示例中，各个方面允许控制器在控制计算机辅助设计、无人机飞行、各种类型的计算机游戏、虚拟和增强现实以及需要在空间中精确移动的其它虚拟和物理任务的控制要求中将个体平移与姿态调整分离，同时在远离“空命令”或零输入位置时提供触觉反馈。

例如，使用拇指进行独立控制输入的控制器的扩展操作可能导致“顺搭的拇指”疲劳问题。通过添加第三控制部件，例如用于用户的手的第3、第4和第5手指(或这些手指的一些子集)的相关联桨形件，以在抓握第一控制部件的同时挤压或旋转，可以保持第二控制器向上固持或向上推动(在+z方向上)，从而提供缓解。此外，第三控制部件和第二控制部件可以相关联，使得向下推动第二控制部件会推出桨形件或第三控制部件。因此，拇指和其它多指处于动态平衡状态，其可以迅速掌控。

在其它实施例中，单手控制器可以用作控制系统的一部分，其具有手腕或前臂支架以用作旋转轴线的参考，特别是难以用惯性测量单元(IMU)测量的偏航。例如，尽管手持控制器的第一控制部件的主体内的IMU可以很好地用于俯仰和滚动，但是偏航可能是嘈杂的。虽然这可以通过软件修改来改进，但是本文中描述的一些示例性实施例具有与手腕的链接，允许电位计或光学编码器精确地测量所有三个旋转轴线。在前臂支架实现方式的一些变型中，可以使用食指环，用于打开或关闭虚拟世界中的对象的抓握。

结合图7至图20B呈现的手持控制器示例及其变型可以用于诸如以上在之前的章节中呈现的那些应用(例如飞行模拟、CAD、无人机飞行等)的应用中。可以单独使用或在若干情况下与一个或多个其它特征组合使用的可选附加特征包含：可调节的z弹簧力和自定心/调零能力；用于第二控制部件的操纵杆之上的相对较大的x-y台架；用于第二控制部件的可更换或可调整大小的拇指环；用于走动使用的前臂或手腕稳定装置(用于沿X轴、Y轴和Z轴平移的电位计或光学编码器，例如用于无人机应用和与虚拟/增强现实集成)；以及基于鼠标的实现方式，用于改进CAD对象操作。

现在参考图7至图11，控制器700、900、1000和1100示出了具有三个控制部件的单手控制器的不同的代表性实施例，其中一个控制部件提供Z轴辅助控制。

示例性控制器700、900、1000、1000以及图12至图20B中示出和描述的控制器，优选地从用户的拇指接收用于指示沿X、Y和Z轴的移动的平移输入。拇指相对于手的其它部分以最详细的方式映射到大脑。这些控制器利用其较大灵活性提供沿X、Y和Z轴的输入。由于拇指移动是相对于第一控制部件的，这些示例是操纵杆的形式，因此平移可以与目标控制对象的姿态控制分离。挤压位于第一控制部件上的第三控制部件允许用户手上的第三、第四或第五手指中的任何一个或多个通过施加向上的力或向上的运动来支撑用户的拇指。第三控制部件的力和移动通过内部联接器传递或施加到第二控制部件，并因此传递到拇指。

这些实施例使用惯性测量单元来测量第一控制部件的位移。然而，作为替代方案，当控制器安装成在底座上枢转时，这些控制器可以适于使用外部传感器，在这种情况下，用于感测滚动、俯仰和偏航的传感器可以位于底座内，或者当与用户的手腕耦合时提供参考系，在这种情况下，用于俯仰、滚动和偏航的一个或多个传感器可以并入联接器(coupling)中。这些布置的示例在稍后的图中示出。

在以下描述中，第一控制部件通常可以被称为“操纵杆”或“控制杆”，因为它在结构上类似于先前已知类型的操纵杆的一部分，至少在其被抓握的情况下如此，并且在一些方面中，用作可能的其它类型的操纵杆，因为它旨在被人的手抓握并移位(平移和/或旋转)或以其它方式移动以指示俯仰、滚动和偏转或运动。然而，它不应该暗示可以在传统或其它操纵杆中找到的任何其它结构，并且仅意在表示可以被抓握的细长结构元件。

现在参考如图7以及图8A、8B和8C所示的实施例，控制器700包括第一控制部件，其可以称为操纵杆，具有由抓握部分702形成的手枪式握把主体702，其中它可以由拇指和手的第三、第四和第五指中的至少两个或更多个抓握，以及位于其被抓握位置上方的顶部705。在第一控制部件内是一个或多个集成的惯性测量单元(IMU)704(仅用虚线示意性地表示，因为在此视图中不能看到具有主体702的内部结构)以感测第一控制部件的俯仰、滚动和偏航控制。此实施例包括可选的快速连接718，用于连接到底座或其它结构。此特定实施例还包括可选按钮，例如触发器706(定位用于食指操作)和姿态保持按钮708。这可以通过握住控制器的手上的手指操作或用户的另一只手来操作。

在可以由抓握第一控制部件的主体702的人的拇指操纵的位置安装在第一控制部件的顶部上的是第二控制部件。第二控制部件包括台架布置710，用于用户前后和左右移动，以生成输入以指示沿y轴和x轴的移动，以及向上或向下移位以生成输入以指示沿z轴的移动。在此特定示例中，台架布置710安装在平台712上，所述平台上下移动台架布置。虽然可以采用上下移动平台(或台架710)的不同方式，但是此特定示例将台架710放置在铰接平台712的一端。这允许台架布置相对于第一控制部件向上移动。向下推动台架会使平台712向下移动，从而指示用于Z轴控制的输入，而向上拉动拇指环(未示出)在Z轴上沿相反方向移动。

在此示例中，此控制器上的Z轴输入布置的一部分还包含第三控制部件714。在此示例中，第三控制部件采用桨形件716的形式，其中当围绕主体702抓握第一控制部件时用户手上的第三、第四和/或第五手指位于桨形件上使得当抓握控制器时，用户可以选择性地挤压桨形件。桨形件和平台712可以是弹簧加载的，使得它们处于零位置以允许z轴输入以指示从零位置沿任一方向的运动。第三控制部件用作辅助Z轴控制。第三控制部件与第二控制部件链接或耦合。包括第三控制部件(例如手指桨形件716)“平衡”第二控制部件，有助于减轻用户的顺搭的拇指疲劳，并且沿Z轴(上/下)提供更精细的用户输入电机控制，同时允许台架沿X轴和Y轴同时移动。

图8A和8B示出了控制器700，其中移除了多个元件以更清楚地示出桨形件716和平台712的协同移动。如图8A所示，平台处于完全压下位置，并且在图8B中，平台处于完全伸出位置，所述差异对应于第二控制部件沿z轴的完整行进。在图8A中，桨形件相对于主体702处于完全伸出位置，并且在图8B中，相对于主体702完全压下。

如图8C所示，图8C是控制器700的透视图，其中移除了一半的主体以及大部分其的其它内部部件，以揭示机械连杆的一个示例。在此示例中，桨形件围绕枢转轴线720枢转。与桨形件连接但相对于枢转轴线720与之相对的杆722可枢转地连接到连杆724。连杆724的另一端连接到杠杆臂726，平台712连接到所述杠杆臂。平台712围绕形成轴线728的销枢转。虽然未在图中示出，但是弹簧可以放置在由附图标记730指示的区域中，以将桨形件716以及因此整个连杆朝向零位置或中性位置偏置。也可以使用另外的弹簧用于提供平衡并偏置连杆以将桨形件和台架放置在Z轴上的零位置。

转向图9、10和11，控制器900、1000和1100共享构成第一和第三控制部件的相同外部组件。每个控制器具有形成第一控制部件的主体902，并且通常具有类似操纵杆或手枪式握把的形状，其旨在被握持并保持在用户的手中。如同控制器700一样，每个控制器包括桨形件904(例如，其从顶部枢转)，其可以由抓握第一控制部件的用户的手指中的一个或多个操作。每个控制器还具有可编程按钮905，针对其可以替换第二指环。

类似地，每个控制器都在主体之上具有第二控制部件。每个第二控制部件包括平台906，所述平台上下移动(通过铰链或其它机构)以提供Z轴输入。然而，每个控制部件的第二控制部件的性质上不同。控制器900使用安装到台架(TBD#)的拇指环908来提供x轴和y轴输入，同时还使力能够施加到z轴平台906。此拇指环可以优选地制成不同的大小，使用可以容纳不同大小的插入件(未示出)。(必要时，也可以使用插入件使本公开中的其它控制器上示出的拇指环可调整大小。)图10的控制器1000使用台架型控制部件1002，类似于图7所示的控制部件。并且图11的控制器1100使用安装在平台906上的轨迹球1102用于x和y轴输入。向下推动轨迹球是z轴输入。桨形件用于沿z轴提供另一个方向上的输入。

在控制器900、1000、1100中的每一个以及其余图中所示的手持控制器中，第二和第三控制部件通过设置在第一控制部件的主体内的机械连杆耦合，如同图8C所示的连杆。然而，图8C的连杆旨在代表一般的这种连杆，根据各种部件和元件的特定几何形状，可以使用不同的连杆布置和数量。尽管可以使用其它类型的联接器或传动装置来传递图7至图20B中示出和描述的任何控制器中的主要和辅助z轴控制元件之间的位移和力。但是这些可以是其它类型的机械传动装置(例如电缆)，以及传输位置和可选地传递力的电和磁传动装置，以及这些类型中的任何两种或更多种的组合。然而，机械连杆由于其在两个控制部件之间能相对简单和可靠地提供直接耦合并且由于其立即传递力和位置以提供舒适的动态平衡而具有优点。

此外，图7至图11中所示的所有控制器以及图12至图20B中所示的控制器优选地具有用于每个自由度的重新定心机构，以给予用户“零”或空命令的感觉。当控制部件沿其中一个自由度移位时，控制部件优选地产生控制部件的触觉反馈，例如力、摇动或其它触觉信号，以将它们返回到零输入的位置(零位置)。机构可以包括简单地以弹簧力作出反应的弹簧，或者它们可以是感测位移和/或力的主动系统，并且生成反作用运动、力、其它类型的振动触觉反馈或其组合。

尽管未在图7至图11中示出，但控制器700、900、1000和1100中的每一个以及其余图中所示的其它控制器至少包含图1中所示的元件。例如，其包含用于感测第一、第二和第三控制部件的位移的传感器(例如，惯性测量单元、电位计、光学编码器等)；用于处理来自传感器的信号的处理器；以及用于发送来自控制器的输入信号的发送器，所述输入信号可以是射频、光学或有线(电或光)的。这种传感器可以采用惯性测量单元、电位计、光学编码器等形式。

在结合图1至图20B描述的控制器的任何实施例中，可以通过多种机构中的一个或多个从控制器提供用户反馈。例如，触觉振动可以提供细微的振动反馈。力反馈可以提供一些或所有自由度上的反馈。环境热量和空气可以提供辐射加热和吹送空气。虚拟现实多感官集成可以在虚拟世界中生成精确控制。集成音频可以提供来自例如无人机或其它目标装置的控制目标的声音反馈。控制器还可以提供表面热量和冷量，以通过加热和冷却感觉提供反馈。用户界面(UI/UX)可以包含集成的触摸屏和视觉指示器，例如灯光、闪烁的颜色等。

现在转向图12、13和14，示出了三个变型基础结构1200、1300和1400，控制器700、900、1000和1100中的任何一个可以连接到所述基础结构。任何其它图中所示的那些也可以进行调整。在附图中，控制器900用作示例，但是其它控制器可以适用于任何底座。

图13示出移动式双手控制器系统。双手控制器即使在移动(例如，步行、滑雪、跑步、驾驶)时也提供一致的、已知的参考系(由非惯用手稳定)。对于某些类型的应用，例如检查、安全和电影无人机任务，手持控制器可以安装在平台上，所述平台可以由用户的另一只手握住或以其它方式稳定。平台可以包含辅助控制，并且如果需要，还可以包含显示单元。平台由非惯用手稳定。在一个示例中，所有6-DoF输入可以通过平台进行反应。使用这种布置，控制系统的此示例便于在空中进行移动，就像具有直观(非故意认知)输入的战斗机飞行员一样。

将手持控制器(例如手持控制器900)插入(或可选地，永久地安装)到底座的顶部表面中。在底座的相对侧上设置有例如手枪式握把形状的把手或握把1204，以供用户在使用手持控制器900时用另一只手握持。(所属领域技术人员也可以设想其它形状和类型的把手。)这允许用户的另一只手(很可能是非惯用手)稳定底座。可选地，底座可以包括附加的用户接口元件1206和1208，例如按键、按钮、拨号盘、触摸板、触控板、轨迹球等。显示器1210安装在或结合到底座中用户可以观察到地方。可以实时地在显示器上显示来自被控制的应用程序的一个或多个视频或图形图像，例如来自无人机或游戏的实时视频。替代地，底座可以包含可以放置或安装智能手机或类似装置的安装架。替代或可选特征包含以下特征中的任何两个或更多个中的一个或组合。通过快速断开操纵杆和两个安装点，可以为任一只手重新配置底座。它可以是不对称的(如图所示)或对称的形状，有足够的空间用于辅助控制。它可以包含在其顶部表面具有倾斜能力的智能手机附件。其可以包含辅助操纵杆以允许无人机相机的摇摄和倾斜控制，以及电容式叉杆开关(deadman switch)(或压力叉杆开关)。其也可以包含用于辅助控制的大的显示器安装和表面区域。在替代实施例中，握把或把手可以位于控制器的更中线，从而减少一些轴外力矩。

图13是可以移动以提供另一输入的底座的示例，在这种情况下，其是具有附加输入按钮1302和1304的鼠标1300。在此示例中，提供用于手持控制器的辅助连接点1308以适应左手和右手用户两者。一个示例是用于在计算机屏幕上3D图像导航，其中将使用传统鼠标特征在视场中移动光标，并操纵下拉菜单，而控制器900将用于重定向和/或以多个运动自由度移动3D对象。

图14示出有线固定底座单手控制器1400的示例。

尽管不是必需的，但是每个附图都示出了其中控制器可以在其底部快速连接到底座的示例实施例。在底座的每个示例中，控制器连接到类似操纵杆的小杠杆(1202、1302和1402)。这种杠杆可以用于提供俯仰、滚动和偏航输入，其中传感器位于底座内，但不一定如此。它可以替代地(或附加地)用于使第一控制部件在零位置居中并向用户提供反馈。控制器与底座之间的RF或有线连接可以用于传递来自控制器内的传感器的信号。

图15示出像控制器900一样的手持控制器1500的实施例的示例，除了用作第二控制部件的拇指环1503之外，其还包含食指环1502。此食指环可以用于控制物理或虚拟末端执行器的打开和关闭，称为用手抓住虚拟世界中的对象。设计可以在人体工程学上以非常低的剖面匹配手掌，并且可以在虚拟/增强现实或无人机飞行中进行优化。例如，添加食指环以打开和关闭末端执行器可以使虚拟/增强现实应用受益。

也在图15中示意性地示出用于放置在用户的前臂1506上的附件1504。附件1504与手持控制器900之间的联接器1508支撑手持控制器，并且当控制器1500连接到与前臂附件1504处于固定关系的枢轴点1510时(即使从基站移除)允许使用电位计或光学编码器来精确地测量控制器1500的俯仰、滚动和偏航的角位移。手腕或前臂的分度(index off)允许这样做。在一个实施例中，手持控制器不使用IMU，相反使用其它类型的传感器来感测俯仰、滚动或偏航中的一个或多个。替代地，系统可以使用两个或更多IMU以及数据的软件过滤来测量相对位移并命令飞行控制。

通过手持控制器将任何参考点移动通过物理或虚拟空间需要不断地洞察被控制的每个自由度中的位移。换句话说，对于无人机的沿x、y和z方向的移动以及偏航，重要的是要随时知道“零输入”在哪里。其它飞行方案，例如虚拟和增强现实、计算机游戏和手术机器人，可能同时需要多达六个独立自由度(X、Y、Z、俯仰、偏航、滚动)。此外，特别是对于无人机飞行以及虚拟现实和增强现实，期望能够在保持对参考点(POR)的精确控制的同时进行移动。

图15至图20B示出了具有以下两个部分的控制系统的几个代表性实施例：手持式控制器和支架形式的前臂附件，所述支架适于或配置成安装到用户的前臂或手腕，提供一致的、已知的参考系(锚定到用户的手腕)，即使在用户或用户的手臂正在移动或加速(例如步行、滑雪、跑步或驾驶)时也是如此。

在这些图中所示的示例中，前臂附件可以采用多种形式中的任何一种。例如，它可以包括支架、腕带(其可以缠绕在前臂或手腕上，并且使用例如Velcro固定)、手镯或其它遵从前臂的至少一部分的物品。然而，其也可包括相对坚硬的支撑结构。前臂附件可以被称为支架、袖带或“防护手套”，因为在结构上和/或功能上，它在某些方面类似于这些物品。但是，使用这些术语不应意味着声明功能所示或所需的之外的结构。

手持控制器和前臂附件通过机械连杆、支柱或支撑件连接。在一个实施例中，它是被动连杆，而在其它实施例中则不是。在下文描述的示例中使用的一种类型的被动机械连杆是具有测量位移的定心弹簧和电位计的双轴万向节枢轴。替代地，可以使用可能内置于部分手套中的电缆、双活塞机构(压缩弹簧)、气动缸或被动加强件/板条。在示例中，连杆向用户施加力，用户可以利用该力感测在操纵杆上三个旋转轴线中的至少一个、或至少两个、或全部中的零输入。

小惯性测量单元(IMU)也可以放置在控制器内并使用前臂附件安装到手腕或前臂，例如，允许检测前臂与控制器之间的纯差分(相对)运动。通过过采样和随后的数字+/-自适应滤波抽取来管理噪声信号，从而获得在机械噪声环境中(在远足、跑步或以其它方式移动时)手与臂的相对运动的测量。然而，可以测量俯仰、滚动或偏航中的一个或多个的实施例可以能够限制IMU的使用以仅感测一个或两个旋转输入，或者从控制器中完全忽略它们。

在替代实施例中，可以使用主动机械反馈来通知用户在给定旋转轴线中的位移也可能包含振动触觉和力反馈。

对于无人机飞行，一个实施例涉及在手腕处的两个万向节自由度，以及在拇指处的两个：手腕俯仰(X或向前/向后)和手腕偏航(向左/向右枢转)；拇指/Z桨形件(向上/向下平移)和拇指Y(向左/向右平移)。

替代地，也可以记录前臂滚动的位移，但它需要至少延伸到前臂一半且可能更多的防护手套。包含测量前臂滚动的完整的6自由度控制对于无人机飞行不是必需的，但是对于增强现实应用来说是期望的。可以基于飞行测试和个人偏好以用户偏好交换上述偏航和Y平移输入。

如上所述，我们保留了之前原型的拇指环/“Z桨形件”，并且利用操纵杆之上的“台架”来横向测量预期位移。其它测量前臂滚动的方法可能包含前臂肌肉电位的EMG检测；带有压力传感器的保形前臂包裹，其可以根据旋转来获取前臂的差分轮廓；以及差分IMU或IMU和相机系统的组合(手腕与肘部)，显示旋转。后一种解决方案可能需要振动触觉或力反馈来将滚动中的零位置通知到用户。

可以包含以下特征中的一个或多个：

可针对任何一只手重新配置；对称形状，两侧都有按钮

腕带快速穿脱或操纵杆快速分离

腕带上的具有倾斜功能的智能手机附件，

操纵杆底座上的辅助操纵杆，实现无人机相机的(摇摄)/倾斜

辅助操纵杆像圆珠笔一样从操纵杆的底座缩回/伸出

电容式叉杆开关(或压力叉杆开关)-失效保护

模块化操纵杆：能够移除和放置在桌面底座上，独立操作或在其它类型的功能特定底座上操作，例如上述那些。

图中所示的万向节枢轴包含定心扭转弹簧和电位计。优选地，将操纵杆连接到万向节的联接器或连杆设计成可以针对不同大小的用户进行调节。

通用智能手机还可以用固定器附接到安装于前臂附件或支架的托架上。

以下附图中的手持控制器包括六个自由度单手控制装置，其中第一控制部件呈操纵杆(或操纵杆状装置)形式，用于用户拇指的第二控制部件(无论是环形、台架、轨迹球，触摸板或其它输入装置)的Z轴行程由另一第三控制部件增强，所述第三控制部件被配置成由同一只手的一个或多个非食指手指使用，并且与第二控制部件相结合地且与第二控制部件相反地移动。

在例如无人机飞行或虚拟/增强现实的应用中有用的其它特征可以包含前臂支架，以允许移动电位计或光学编码器感测俯仰滚动和偏航；摇摄/倾斜控制可以集成到控制器中，智能设备(智能手机、平板电脑)固定器也可以集成到控制器中。手持控制器所附接到的基座结构还可以包含第二手柄(用于非惯用手)以允许移动电位计或光学编码器感测。

偏航精度的替代解决方案可以包含以下一项或多项：感应磁场腕链、差分IMU、IMU的软件过滤以减少偏航相关噪声、反作用轮(高精度陀螺仪)以及采用电位计或光学编码器的惯性(高精度偏航陀螺仪)平衡偏航。IMU数据的软件过滤可以包含动态重新归零。

来自控制器的控制信号可以通过附加输入进一步增强。例如，可以使用安装在头部或身体上的“连接传感器”。这可以使用网格型红外输入或其它基于光学的变化，例如RF定向或全向跟踪。连接传感器可以是例如用于交互式虚拟现实应用的头戴式连接传感器，或腕戴式连接传感器。磁“点”跟踪可以用于更一般的身体位置输入。

现在参考图16，控制器1600基本上类似于前面段落中描述的其它手持控制器。在此示例中，其连接到前臂附件1602，该前臂附件1602包含视频显示器1604和按钮形式的附加用户输入1606以及其它类型的用户输入。控制器1600与前臂附件1604之间的连接1608是保持控制器1600与前臂附件1604的相对位置的相对刚性连杆，提供枢轴点，使用安装在连接1608的末端的内部传感器或外部传感器可围绕所述枢轴点测量俯仰、偏航和滚动。

现在参考图17和图18，其示出了用作前臂附件的袖带1700的替代实施例。在此示例中，示意性地表示手持控制器1702。它代表了本文已描述的任何手持控制器。本文描述的任何手持控制器可以适用于此示例。在此示例中，控制器与俯仰传感器1706连接，所述俯仰传感器位于控制器下方并且利用如长度调节1710所指示的可调式的机械连杆或支杆1708附接到袖带1700。机械连杆1708的末端使用球形轴承1712附接到前臂附件以实现不同的角度。与长度调节1710一样，一旦用户将控制器的位置调节到满意，就将其收紧。

此示例设想在控制器中至少对于俯仰和偏航测量不使用IMU。相反，偏航、滚动和俯仰传感器并入到手持控制器1702的底部，或者前臂附件与控制器之间的机械连接或支撑的底座103。在一个示例中，这种传感器可以采用具有电位计和扭转弹簧的万向节的形式，以提供来自零位置的反馈。在此示例中，俯仰传感器并入控制器1706的底部，但它也可以并入其中放置俯仰传感器1706的连杆或支杆1708的底座中。不可见的滚动传感器可以放置在其中放置有俯仰传感器的连杆1708的底座中，或者放置在控制器1704的底部或底座部分中。

现在参考图19A、19B、19C和19D，示出了控制系统1900的实施例，其具有前臂附件1904与手持控制器1906之间的双万向节连杆1902的具体示例(仅图19D)。双万向节连杆1902附接彼此成90度放置的万向节1908和1910，以分别测量俯仰和偏航。手持控制器连接到手持控制器安装架1912，所述手持控制器安装架用作杠杆臂并连接到偏航万向节1910。前臂附件包含套管或支架1914，带可以连接到所述套管或支架以将其附接到臂，所述前臂附件支撑在杠杆臂1916上，所述杠杆臂连接到俯仰万向节1908的一侧。应注意，在图19D中，所示的手持控制器安装架1912是图19A和图19B中所示的一个的变型。其是可调节的。手机固定器1918可以安装或附接到臂附件1904，使得用户可以看到它。在此示例中，手机固定器是可调节的，以便容纳不同类型和尺寸的电话。

现在转向图20A和图20B，示出了与图19A至图19C中的控制系统类似的控制系统的另一示例。在此示例中，控制系统使用俯仰万向节2002和偏航万向节2004，其分别测量与托架2006连接的俯仰和偏航，其方式类似于图19A至图19C中所示。在抓握和旋转控制器2010时，俯仰万向节呈放置在腕关节枢转的位置附近的支架2008的形式安装到前臂附件。如前述实施例中那样，支架由带子2012保持。如前述实施例中，支架充当稳定器。控制器2010安装到可调节长度的杠杆臂2014。在此示例中，控制器2010与前述实施例中的其它手持控制器一样，具有形成第一控制部件的主体2016，所述第一控制部件可由用户抓握用于输入旋转位移(其中两个由万向节测量)，第二控制部件位于主体2016之上，呈拇指环2018的形式，用于X，Y，Z输入。在主体的靠近底部的前部的是操纵杆2022，其可以用作例如相机横摇和倾斜的输入，或者用于操纵工具。

因此，已经描述了包含控制器的系统和方法，所述控制器允许用户使用单手以六个独立自由度提供旋转和平移命令。所述系统和方法可以用于各种各样的控制场景中。虽然下文讨论了许多控制场景，但是这些示例并不意味着限制，并且所属领域普通技术人员将认识到，许多控制场景可以受益于能够使用单手提供旋转和平移运动，即使需要少于所有六个自由度的所有控制输出也是如此。

在实施例中，上文讨论的控制系统和方法可以用于各种医疗应用中。虽然下文讨论了许多医学应用，但是这些实施例并不意味着限制，并且所属领域普通技术人员将认识到，许多其它医学应用可以受益于能够使用单手提供旋转移动和平移移动。此外，在此类实施例中，除了使用上文讨论的第一和第二控制部件所提供的旋转和平移移动之外，控制按钮可以被配置用于诸如例如末端执行器捕获、活检、缝合、射线照相，摄影和/或所属领域普通技术人员可能已知的各种其它医疗任务等任务。

例如，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于执行腹腔镜手术的控制系统和/或用于执行腹腔镜手术的方法。执行传统腹腔镜手术使用的控制系统需要外科医生的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在执行腹腔镜手术方面提供了若干益处，包含在可能没有到末端执行器的笔直和刚性路径的情况下对一个或多个手术器械的精细灵巧操纵。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于执行微创或自然腔道手术的控制系统和/或用于执行微创或自然腔道手术的方法。执行传统微创或自然腔道手术使用的控制系统需要外科医生的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在执行微创或自然腔道手术方面提供了若干益处，包含在可能没有到末端执行器的笔直和刚性路径的情况下对一个或多个手术器械的精细灵巧操纵。

在另一个示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于执行产前子宫内手术的控制系统和/或用于执行产前手术的方法。执行传统产前手术使用的控制系统需要外科医生的双手在非常狭窄的范围内操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在执行产前手术方面提供了若干益处，包含在可能没有到末端执行器的笔直和刚性路径的情况下对一个或多个手术器械的精细灵巧操纵。

对于任何上述手术示例，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于执行显微手术的非常稳定的控制系统和/或用于执行显微手术的方法。使用上文讨论的控制系统和/或方法在进行显微手术方面提供了若干益处，包含高度精确的相机和末端执行器指向。

在另一个示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于执行介入放射的控制系统和/或用于执行介入放射的方法。执行传统介入放射使用的控制系统需要外科医生的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在执行介入放射方面提供了若干益处，包含用于介入放射的高度精确的导航。在另一个示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于执行介入心脏病学的控制系统和/或用于执行介入心脏病学的方法。执行传统介入心脏病学使用的控制系统需要干预医生的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在执行介入心脏病学方面提供了若干益处，包括使用单手通过血管树的高度精确的导航。

在另一个示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供包含Hansen/Da Vinci机器人控制的控制系统和/或用于执行Hansen/Da Vinci机器人控制的方法。执行传统Hansen/Da Vinci机器人控制使用的控制系统需要外科医生的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在执行Hansen/Da Vinci机器人控制方面提供了若干益处，包含在不需要调动末端执行器进行更长时间运动的情况进行流畅、连续平移和重定向。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于执行3D或4D图像引导的控制系统和/或用于执行3D或4D图像引导的方法。执行传统3D或4D图像引导使用的控制系统需要外科医生的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在执行3D或4D图像引导方面提供了若干益处，包含在不需要调动末端执行器进行更长时间运动的情况进行流畅、连续平移和重定向。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于执行内窥镜检查的控制系统和/或用于执行内窥镜检查的方法。执行传统内窥镜检查使用的控制系统需要外科医生的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在执行内窥镜检查方面提供了若干益处，包含在不需要调动末端执行器进行更长时间运动的情况进行流畅、连续平移和重定向。这也适用于结肠镜检查、膀胱镜检查、支气管镜检查和其它灵活的检查范围。

在实施例中，上文讨论的控制系统和方法可以用于各种国防或军事应用中。虽然下文讨论了许多国防或军事应用，但是这些示例并不意味着限制，并且所属领域普通技术人员将认识到，许多其它国防或军事应用可以受益于能够使用单手来提供旋转和平移移动。

例如，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于无人驾驶航空系统的控制系统和/或用于控制无人驾驶航空系统的方法。控制传统无人驾驶航空系统使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制无人驾驶航空系统方面提供了若干益处，包含在空域内的直观的单手、精确、非交叉耦合运动。

在另一个示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于无人潜水系统的控制系统和/或用于控制无人潜水系统的方法。控制传统无人潜水系统使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制无人潜水系统方面提供了若干益处，包含在潜水空间内的直观的单手、精确、非交叉耦合运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于武器瞄准系统的控制系统和/或用于控制武器瞄准系统的方法。控制传统武器瞄准系统使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制武器瞄准系统方面提供了若干益处，包含精确、直观、单手瞄准。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于反简易爆炸装置(IED)系统的控制系统和/或用于控制反IED系统的方法。控制传统反IED系统使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制反IED系统方面提供了若干益处，包含精确、直观、单手指向或瞄准。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于重型机械化车辆的控制系统和/或用于控制重型机械化车辆的方法。控制传统重型机械化车辆使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制重型机械化车辆方面提供了若干益处，包含精确、直观、单手瞄准。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于驾驶飞行器(例如，旋翼飞行器)的控制系统和/或用于控制驾驶飞行器的方法。控制传统驾驶飞行器使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制驾驶飞行器方面提供了若干益处，包含用于驾驶飞行器的空域内的精确、直观、单手的非交叉耦合运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于航天器交会和对接的控制系统和/或用于控制航天器交会和对接的方法。控制传统航天器交会和对接使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制航天器交会和对接方面提供了若干益处，包含在用于交会和/或对接的空间内的精确、直观、单手的非交叉耦合运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于空对空加油(例如，动臂控制)的控制系统和/或用于控制空对空加油的方法。控制传统空对空加油使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制空对空加油方面提供了若干益处，包含在空域内用于加油的精确、直观、单手的非交叉耦合运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于在虚拟环境(例如，操作和模拟战争)中导航的控制系统和/或用于控制虚拟环境中的导航的方法。控制传统虚拟环境中的导航使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制虚拟环境中的导航方面提供了若干益处，包含虚拟环境内的精确、直观、单手的非交叉耦合运动。

在实施例中，上文讨论的控制系统和方法可以用于各种工业应用中。虽然下文讨论了许多工业应用，但是这些实施例并不意味着限制，并且所属领域普通技术人员将认识到，许多其它工业应用可以受益于能够使用单手提供旋转移动和平移移动。

例如，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于石油勘探系统(例如，钻机、3D可视化工具等)的控制系统和/或用于控制石油勘探系统的方法。控制传统石油勘探系统使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上述控制系统和/或方法在控制石油勘探系统方面提供了若干益处，包含地层内的精确、直观、单手的非交叉耦合运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于高架起重机的控制系统和/或用于控制高架起重机的方法。控制传统高架起重机使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法通过对过程加速和提高精度在控制高架起重机方面提供了益处，控制高架起重机时单轴运动通常受到限制。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于樱桃采摘器或其它移动工业升降机的控制系统和/或用于控制樱桃采摘器或其它移动工业升降机的方法。控制传统樱桃采摘器或其它移动工业升降机经常使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统，并且常常仅允许一次在一个方向上的平移(即，x、y和/或z运动)。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制樱桃采摘器或其它移动工业升降机方面提供了若干益处，包含通过单手控制器同时进行多轴运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于消防系统(例如，高压水炮、云梯消防车等)的控制系统和/或用于控制消防系统的方法。控制传统消防系统经常使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统，并且通常不允许多轴重定向和平移。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制消防系统方面提供了若干益处，包含通过单手控制器同时进行多轴运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于核材料处理(例如，手套箱、芯中的燃料棒等)的控制系统和/或用于控制核材料处理的方法。控制传统核材料处理系统使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制核材料处理方面提供了若干益处，包含用敏感材料进行的非常精确的流畅单手多轴操作。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于钢制造和其它高温过程的控制系统和/或用于控制钢制造和其它高温过程的方法。控制传统钢制造和其它高温过程使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制钢制造和其它高温过程方面提供了若干益处，包含用敏感材料进行的非常精确的流畅单手多轴操作。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于爆炸物处理(例如，在采矿应用中)的控制系统和/或用于控制爆炸物处理的方法。控制传统爆炸物处理使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制爆炸物处理方面提供了若干益处，包含用敏感材料进行的非常精确的流畅单手多轴操作。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于废物管理系统的控制系统和/或用于控制废物管理系统的方法。控制传统废物管理系统使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制废物管理系统方面提供了若干益处，包含用敏感材料进行的非常精确的流畅单手多轴操作。

在实施例中，上文讨论的控制系统和方法可以用于各种消费者应用中。虽然下文讨论了许多消费者应用，但是这些实施例并不意味着限制，并且所属领域普通技术人员将认识到，许多其它消费者应用可以受益于能够使用单手提供旋转移动和平移移动。

例如，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于消费电子装置的控制系统，例如Nintendo

(任天堂北美公司(Nintendo of America Inc.)，位于美国华盛顿州雷德蒙市)、Nintendo

Microsoft

(微软公司(Microsoft Corp.)，位于美国华盛顿州雷德蒙市)、Sony

(索尼电脑娱乐公司(Sony Computer EntertainmentInc.,Corp.)，位于日本东京)，以及如一个或多个所属领域普通技术人员可能已知的其它视频控制台，和/或用于控制消费电子装置的方法。控制传统消费电子装置使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统(例如，手持控制器和键盘、双手使用一个控制器、

“双截棍式”z手持式I/O装置等)。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制消费电子装置方面提供了若干益处，包含通过直观的单手控制器以流畅性、精确性和速度在虚拟空间中精确导航的能力。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于3D中的计算机导航的控制系统和/或用于控制3D中的计算机导航的方法。控制传统3D中的计算机导航使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统或不允许通过空间进行流畅多轴运动。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制3D中的计算机导航方面提供了若干益处，包含进行非常精确的流畅单手多轴操作。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于无线电控制车辆的控制系统和/或用于控制无线电控制车辆的方法。控制传统无线电控制车辆使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制无线电控制车辆方面提供了若干益处，包含用于无线电控制车辆的空域内的直观的单手、精确、非交叉耦合运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于3D计算机辅助绘图(CAD)图像操作的控制系统和/或用于控制3D CAD图像操作的方法。控制传统3D CAD图像操作使用的控制系统需要操作员的双手来操作控制系统或不允许通过3D空间进行流畅多轴运动。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制3D CAD图像操作方面提供了若干益处，包含3D空间内的直观的单手、精确、非交叉耦合运动。

在另一示例中，上文讨论的控制系统和方法可以提供用于通用航空的控制系统和/或用于控制通用航空的方法。控制传统通用航空使用的控制系统需要操作员的双手和脚来操作控制系统。使用上文讨论的控制系统和/或方法在控制通用航空方面提供了若干益处，包含用于通用航空的空域内的直观的单手、精确、非交叉耦合运动。

应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在上文中进行修改。尽管已经示出和描述了特定实施例，但是所属领域技术人员可以在不脱离本发明的精神或教导的情况下进行修改。所描述的实施例仅是示例性的而非限制性的。许多变化和修改都是可能的并且在本发明的范围内。此外，示例性实施例的一个或多个元件可以全部或部分地省略、与一个或多个其它示例性实施例的一个或多个元件组合或用其替换。因此，保护范围不限于所描述的实施例，而是仅受所附权利要求的限制，所附权利要求的范围应包含权利要求主题的所有等同物。

Claims (28)

1.一种控制器，包括：

第一控制部件，能以三个自由度运动并且响应于此提供第一集合的多达三个独立的控制输入，每个控制输入指示所述第一控制部件在所述三个自由度之一中相对于空位置的位移量，其中所述第一控制部件被配置成由用户的单手抓握，第一控制部件包括第一运动传感器；

第二控制部件，从所述第一控制部件延伸，能相对于但独立于所述第一控制部件以至少一个独立的自由度运动，并且响应于此提供第二集合的至少一个独立的控制输入，所述至少一个独立的控制输入指示所述第二控制部件在所述至少一个独立的自由度中的每个中相对于所述第一控制部件的位移量，其中所述第二集合的每个控制输入独立于所述第一集合的控制输入中的每个控制输入，其中所述第二控制部件被配置成由所述用户的单手的手指操纵；

前臂支架，第一控制部件与该前臂支架耦合；以及

第二运动传感器，第一运动传感器以及第二运动传感器被配置为提供表示第一控制部件与前臂支架之间的相对运动的数据，

其中所述第一集合的三个独立的控制输入中的至少一个是响应于所述第一控制部件在所述三个自由度中的至少一个中相对于所述前臂支架的运动而提供的。

2.如权利要求1所述的控制器，还包括从所述前臂支架延伸的连杆，所述第一控制部件以固定关系耦合到所述连杆。

3.如权利要求2所述的控制器，其中所述连杆包括至少两个部件，所述至少两个部件绕具有旋转轴线的接合部铰接，当所述前臂支架被安装在用户的前臂上并且所述第一控制部件由用户的手抓握时所述旋转轴线延伸通过用户的手腕，其中所述第一控制部件绕所述旋转轴线的运动对应于所述第一控制部件的所述三个自由度之一。

4.如权利要求3所述的控制器，还包括用于测量所述接合部的角位移以生成指示位移量的信号的传感器，其中，所述第一集合的控制输入中的指示所述第一控制部件在所述三个自由度中的第一自由度中的运动量的第一控制输入响应于所测量的角位移。

5.如权利要求3所述的控制器，其中所述连杆还包括第三部件和第二接合部，当用户使所述第一控制部件在所述三个自由度中的第二自由度中运动时所述第二接合部铰接。

6.如权利要求5所述的控制器，还包括传感器，该传感器用于测量所述第二接合部的角位移以生成指示所述第一控制部件在所述三个自由度中的第二自由度中的运动量的信号，其中所述第一集合的控制输入中的指示所述第一控制部件在所述三个自由度中的第二自由度中的运动量的第二控制输入指示该位移量。

7.如权利要求1所述的控制器，其中第一控制部件包括第一惯性运动传感器，并且所述支架包括用于确定所述第一控制部件和所述支架的相对运动的第二惯性运动传感器。

8.如权利要求1所述的控制器，其中所述第一控制部件具有细长形状，其具有适于由用户的手抓握的部分。

9.如权利要求8所述的控制器，还包括在适于被抓握的部分上的第三控制部件以被用户的手的一个或多个手指在抓握所述第一控制部件时压下，其中所述第三控制部件能与所述第二控制部件在所述至少一个独立的自由度中的运动相结合地并且相反地运动。

10.一种控制器，包括：

第一控制部件，被形成为由用户的手抓握，所述控制器能绕三个旋转轴线中的每个旋转轴线在运动的三个自由度中由用户位移，所述控制器具有至少两个控制输入，所述至少两个控制输入中的每个指示所述第一控制部件绕所述三个旋转轴线中的单独的一个旋转轴线相对于空位置的角位移量，第一控制部件包括第一运动传感器；

第二控制部件，被安装在所述第一控制部件上以在运动的至少一个自由度中相对于所述第一控制部件位移，所述第二控制部件在允许用户的手的拇指或食指在抓握所述第一控制部件时运动的位置位于所述第一控制部件上；以及

框架，被配置用于可移除地安装在用户的手臂的一部分上，以作为所述三个旋转轴线中的至少一个的参考发送，框架包括第二运动传感器，以及被配置为测量框架和所述第一控制部件在所述控制器的运动的三个旋转自由度中的至少一个中的相对运动，以生成所述至少两个控制输入中的至少一个。

11.如权利要求10所述的控制器，还包括将所述框架与所述第一控制部件耦合的连杆以确定所述第一控制部件在至少一个自由度中相对于用户的前臂的运动。

12.如权利要求11所述的控制器，其中所述连杆包括至少两个部件，所述至少两个部件绕具有旋转轴线的接合部铰接，所述旋转轴线对应于所述第一控制部件的所述三个旋转轴线之一并且当所述框架被安装在用户的前臂上并且所述第一控制部件由用户的手抓握时延伸通过用户的手腕。

13.如权利要求12所述的控制器，还包括传感器，该传感器用于测量所述接合部的角位移以生成指示所述接合部的位移量的信号并且响应于此生成所述至少两个控制输入中的一个。

14.如权利要求12所述的控制器，其中所述连杆还包括第三部件和第二接合部，所述第二接合部具有与所述第一控制部件的所述三个旋转轴线中的第二旋转轴线对应的旋转轴线，当用户使所述第一控制部件绕所述三个自由度中的第二自由度运动时所述第二接合部铰接。

15.如权利要求14所述的控制器，还包括用于测量所述第二接合部的角位移以生成指示所述角位移的量的信号的传感器。

16.如权利要求11所述的控制器，其中所述连杆是可调节的以容纳不同的用户。

17.如权利要求10所述的控制器，其中所述框架包括被配置用于附接到用户的手腕或前臂的支架。

18.如权利要求17所述控制器，其中所述框架包括用于当所述框架被安装在用户的手臂上并且用户正在操纵所述控制器时将视觉显示器保持在用户的视野中的托架。

19.如权利要求17所述的控制器，还包括辅助操纵杆。

20.如权利要求10所述的控制器，还包括用于感测当抓握所述第一控制部件时用户的手腕的运动的部件，并且其中所述控制器响应于此生成所述至少两个控制输入中的一个。

21.如权利要求10所述的控制器，还包括用于感测当抓握所述第一控制部件时所述用户的前臂的滚动的部件，并且其中所述控制器响应于此生成所述至少两个控制输入中的一个。

22.如权利要求10所述的控制器，其中所述第一控制部件包括第一惯性运动传感器，并且所述框架包括第二惯性运动传感器，其中所述控制器被配置用于确定所述第一控制部件相对于所述框架的绕所述三个旋转轴线中的至少一个的相对运动。

23.如权利要求10所述的控制器，其中所述第一控制部件具有细长形状，其具有适于由用户的手抓握的部分。

24.如权利要求10所述的控制器，还包括第三控制部件以被用户的单手的一个或多个手指在抓握第一控制部件时压下，其中所述第三控制部件能够与所述第二控制部件在所述至少一个独立自由度中的运动相结合地并且相反地运动。

25.如权利要求1所述的控制器，其中所述第一运动传感器是第一惯性运动传感器，且所述第二运动传感器是第二惯性运动传感器。

26.如权利要求1所述的控制器，其中所述第一运动传感器包括惯性运动传感器、电位计或光学编码器中的至少一者，且所述第二运动传感器包括惯性运动传感器、电位计或光学编码器中的至少一者。

27.如权利要求10所述的控制器，其中所述第一运动传感器是第一惯性运动传感器，且所述第二运动传感器是第二惯性运动传感器。

28.如权利要求10所述的控制器，其中所述第一运动传感器包括惯性运动传感器、电位计或光学编码器中的至少一者，且所述第二运动传感器包括惯性运动传感器、电位计或光学编码器中的至少一者。

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