一种指环式三维控制手柄
技术领域
本发明涉及一种控制手柄，特别是涉及一种指环式三维控制手柄。
背景技术；
带摇杆的手柄主要用于控制终端的运动，比如在游戏机中控制游戏角色的移动，或者在机械设备中控制部件的平移。但是，带摇杆的手柄一般只能通过摇杆控制某个终端的二维运动(X、Y方向，X、Z 方向，Y、Z方向的一种)，而无法达到单摇杆控制终端进行三维运动。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种指环式三维控制手柄，通过单手指的简单操作即可实现终端的三维运动。
本发明所采用的技术方案是：
一种指环式三维控制手柄，用于操控控制终端，其包括摇杆，摇杆在二维方向的摆动操控所述控制终端在另一个二维方向运动，所述摇杆具有垂直于对应二维方向的自由度从而能做三维运动，摇杆的三维运动操控所述控制终端做能够垂直于控制终端二维方向的三维运动，所述摇杆的顶部为可插入手指的指环。
作为本发明的进一步改进，还包括操控面板，所述摇杆包括位于指环下方的摇杆球，摇杆球设置在操控面板上或收纳在操控面板下方的外壳中，指环位于操控面板上方。
作为本发明的进一步改进，所述操控面板上设置有按键，所述按键邻近指环。
作为本发明的进一步改进，所述操控面板表面滑动设有滑片，滑片能够绕指环的外周呈弧形滑动，滑片操控所述控制终端旋转。
作为本发明的进一步改进，摇杆的三维运动包括垂直于对应二维方向的双向位移运动，控制终端的三维运动包括垂直于对应二维方向的双向位移运动。
作为本发明的进一步改进，还包括位移监测装置，摇杆的垂直于二维方向的位移由位移监测装置测得并转换成摇杆输出信号，用以操控所述控制终端做垂直于对应二维方向的位移运动。
作为本发明的进一步改进，位移监测装置包括配对使用的主光栅和位移光栅，所述主光栅被固定外壳的内侧壁上，所述位移光栅被限制成与摇杆的垂直于二维方向的位移运动联动。
作为本发明的进一步改进，所述外壳内沿竖向滑设有底座，所述摇杆球转动连接在底座上并能够带动底座沿竖向升降，摇杆球在底座上的转动与在指环二维方向上的摆动具有相同的方向，所述位移光栅设置在底座上。
作为本发明的进一步改进，底座上设置有阻尼机构和复位机构，在摇杆受竖向驱动力时，所述阻尼机构对底座产生竖向驱动力的反力，在撤销摇杆竖向驱动力后，所述复位机构对底座产生与竖向驱动力方向相反的复位力。
作为本发明的进一步改进，所述控制终端为游戏角色。
本发明的有益效果是：本发明将摇杆设置成具有三个维度，从而通过单个摇杆的三个方向运动来操控控制终端进行三维运动，而且摇杆用作操控的为指环，使用使套入手指即能单指控制方向，其大大提高了操控的便利性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是摇杆三维运动的示意图；
图2是控制手柄的示意图；
图3是操控面板的示意图。
具体实施方式
如图1所示的指环式三维控制手柄，用于操控控制终端，该控制终端可以为游戏角色10，此时控制手柄为游戏手柄；控制终端也可是某个零部件，比如是机械臂等；又或者控制终端为具有三维空间的应用软件中的某个要素。不管是游戏手柄或者机械臂或者要素，手柄与控制终端之间一般都有控制器（PLC），用于处理数据并转换成控制指令，然而这种控制属于常规设计，实施例不进行详细的描述。
以下均通过作为控制终端的游戏角色10进行描述，容易理解的是，如果控制终端为机械臂，其控制器以及数据处理的方式会有所区别，但是这并不是本申请所关注的重点。
控制手柄包括一根摇杆，在常规技术中，摇杆在二维方向的摆动（摇动）可以操控游戏角色10在另一个二维方向（比如是屏幕的x、z方向）平移运动，如果是VR游戏则游戏角色是在x、y的水平面上平移运动。
这种控制的技术可以采用如CN207856890U中公开的电磁控制，也可以采用如CN207324052U中公开的磁力配合霍尔传感器的方式实现，又或者是CN207055915U中公开的控制器、通讯模块等其他模块进行操控的构造去实现。当然也有更多的其他能够实现的控制方式，比如“街机”上的方向摇杆等。
然而，上述这种摇杆一般只能控制游戏角色在二维方向进行平面的平移运动，或者进行位姿感应控制，VR游戏或者三维游戏中如果需要进行竖向升降，则需要手柄上另外的按键去操控，这样无疑会给单手操作带来困难。
实施例中，将摇杆设计成具有另外一个自由度，即具有垂直于对应二维方向的自由度，那么摇杆即能做X、Y、Z方向三维运动。摇杆的Z方向的自由度通过手向上提、向下压的至少一种来实现。进一步，手柄上对应摇杆的位置设置触发结构或者检测结构，用以检测摇杆的Z方向的位移，由此摇杆的三维运动操控游戏角色10做能够垂直于控制终端二维方向的三维运动。具体的，如图1中所示，摇杆的摇动（X、Y方向）操控游戏角色10（x、y）方向的运动，而摇杆Z方向的位移运动操控游戏角色10z方向的位移运动。
实施例中，摇杆的顶部设置成指环1，用于单根手指（食指、中指）套入，以利用手指的动作来进行摇杆的三维移动。相比于顶部为球状的摇杆结构，指环式的结构能够解放其他手指，而无需多根手指握持或者操控手柄。
进一步优选的，参考图2和图3，控制手柄还包括操控面板2，摇杆包括位于指环1下方的摇杆球3，摇杆球3设置在操控面板2上或收纳在操控面板2下方的外壳4中，指环1位于操控面板2上方。摇杆与摇杆球3之间通过较短的连接杆31进行连接和进行力的传递。实施例中的控制手柄并不一定是狭义上的仅利用手握持的手柄形态，也可以是能够支撑手掌的平面、平板状。实施例中的操控面板2则可以用于支撑手掌，在使用时，腕部放置其上，手指套入操控面板2上方的指环1中，利用指环1带动摇杆球3的转动。
摇杆球3的具体的构造和位置关系可以采用CN207856890U、CN207324052U、CN207055915U其中的任意一项，本领域技术人员也可以使用其他方式，因为利用摇杆进行二维控制的技术已经非常成熟实施例不进行详细的描述。
进一步优选的，操控面板2上设置有按键5，按键5邻近指环1。一般来说按键5有两个，分别位于指环1两侧，使用时可以中指套入指环1，而食指、无名指控制按键5。按键5通过线路外接至控制器（PLC）上，用于控制游戏角色10的某些动作，如射击；按键5也可以是用作游戏的启停、信息的确认等。
进一步优选的，考虑到人体的生理结构，利用指环1操控的方式不利于摇杆整体的绕自身轴线的旋转，操控面板2表面滑动设有滑片6，滑片6也是临近指环1的位置，其能够绕指环1的外周呈弧形滑动，滑片6操控控制终端旋转。滑片6与按键5的位置是错开的，为了操作的方便，设定指环1的位置为图3中X、Y坐标轴的0点，则按键5处于-Y的方向，滑片6也处于-Y的方向但是其位置则相对于按键5更远离指环1，用户大多数情况下是用拇指进行滑动操作。滑片6弧形滑动的范围大约在30°-60°，操控面板2上还设置有与滑片6滑动连接的弧形滑槽61。上述通过滑片6或者其他旋转部件控制游戏角色10旋转的原理也是较为普遍，实施例对该原理不进行详细的描述。
进一步优选的，参考图1，摇杆的三维运动（X、Y、Z方向）包括垂直于对应二维方向的双向位移运动，即摇杆即可以做+Z轴方向的运动，也可以做-Z轴方向的运动，由此对应的是用手向上提指环1以及向下压指环1的操作。被摇杆指环1的游戏角色10的三维运动（x、y、z方向）包括垂直于对应二维方向（x、y方向）的双向位移（+z、-z）运动，游戏角色10的该运动可以理解成升高、降低，或者是跳高、蹲下。
上述实施例的触发结构或者检测结构优选使用位移监测装置，通过检测摇杆的竖向位移进行操控。具体来说，摇杆的Z轴方向的位移由位移监测装置测得并转换成摇杆输出信号，用以操控游戏角色10做z轴方向的位移运动。
优选的实施例中，参考图2，操控面板2下方具有外壳4，摇杆球3被收纳在外壳4中。位移监测结构包括位于外壳4内壁的发送端（接收端），以及与摇杆球3竖向联动的接收端（发送端）。摇杆球3在外壳4中的竖向移动带动接收端（发送端）的联动，与外壳4内壁的发送端（接收端）产生位移，据此进行位移以及位移量的监测。
最为常用的位移监测装置为电位器，而优选的位移监测装置为光栅结构，其精准、灵敏度高。光栅结构包括配对使用的主光栅和7和位移光栅8，主光栅和7被固定外壳4的内侧壁上，位移光栅8被限制成与摇杆的Z轴方向位移运动联动。主光栅和7通过线路与外部的控制器（PLC）进行信号连接。
位移监测装置（光栅结构）可以是直接监测摇杆的竖向位移，然而因为摇杆摇动的过程中有可能产生轻微的竖向位移，这样会导致错误的信号，为此实施例中采用间接监测摇杆的方式。具体来说，外壳4内沿竖向滑设有底座9，摇杆球3转动连接在底座9上，摇杆球3在底座9上的转动与在摇杆二维方向上的摆动具有相同的方向。具体的摇杆的结构可以参考CN207856890U或者CN207324052U，或者其他的构造。实施例中，摇杆还能够带动底座9沿竖向升降，比如在底座9底部具有支撑摇杆球3底端的部件，底座9顶部具有遮挡摇杆球3顶部的部件。
位移监测装置通过监测底座9竖向位移的方式来监测摇杆的竖向位移。如CN207856890U或者CN207324052U中均有类似的“箱体”、“固定壳体”结构，实施例中的底座9即可以理解成是类似的“箱体”、“固定壳体”，从简单的方式来看，即将“箱体”、“固定壳体”直接放置在实施例中的外壳4内，并对底座9、外壳4的构造进行一定的优化适应。那么，上述的位移光栅8则直接设置在底座9。
进一步优选的，底座9上设置有阻尼机构，在摇杆受竖向驱动力（提起、下压）时，阻尼机构对底座9产生竖向驱动力的反力。用户使用指环1进行摇动的时候，作用力的分力必然会产生对摇杆球3的竖向作用力，那么该所述阻尼机构用于阻止摇动期间的竖向作用力，避免误操作；只有当用户确实需要提起、下压使得竖向作用力足够大的时候才能克服阻尼机构的力。
进一步优选的，底座9上设置有复位机构，在撤销指环1竖向驱动力后，复位机构对底座9产生与竖向驱动力方向相反的复位力，使得提起、下压完成后，摇杆与底座9自动竖向复位。
阻尼机构与复位机构均为底座9底端面的弹簧11，该弹簧11一端连接底座9底端，另一端连接外壳4底壁，此时底座9的侧壁与外壳4内壁间隙比较小，两者可以大致可以看作是滑动配合。
而在其他并未图示的实施例中，阻尼机构、复位机构由于多根弹簧或者是多个弹性部件构成，多根弹簧共同承担阻尼、复位的功能。其中一根弹簧的弹簧构造相同，另外的弹簧连接底座9侧壁与外壳4内壁之间，此时底座9的侧壁与外壳4内壁间隙可以比较大。
以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。
