一種新型宏動式3D鼠標設計

謝文娣 彭瑞瑞 許成奇

摘 要：新型宏動式3D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，采用空間并聯機構做機械本體，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維輸入，能夠大大簡化人們使用普通鼠標加鍵盤的復雜操作，且成本低、實時性和可靠性好。

關鍵詞：新型宏動式;3D鼠標;六維輸入;空間并聯機構

中圖分類號：TP334.2文獻標識碼：A文章編號：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

隨著三維技術的迅猛發展，三維操作系統應運而生，因此需要開發出具備空間操作能力的多維鼠標與之相匹配。市場上已有的六維輸入設備大多采用基于力/力矩感知的技術，其主要問題在于操作復雜、控制精度低、缺乏操作真實感等[1-2]。為克服以上問題，本文設計一款具有空間六維操作能力的宏動式3D鼠標，可使操作者在宏動范圍內有較真實的移動/轉動感覺。其通過實時采集各導軌相關位移信號，運用并聯機構運動學解算出其真實的空間六維輸入。

新型宏動式3D鼠標的需求領域非常廣闊，可以應用到娛樂、仿真、醫學、工業虛擬裝配、機器人等諸多領域。例如，飛行器仿真，結合虛擬現實VR技術，用戶通過空間鼠標來自由控制系統中飛行模擬器的運動，實現飛行器在虛擬地形環境中的三維移動和三維轉動，飛機可以在空間中實現前進、左右轉彎、爬升、俯沖等真實飛機可實現的各種動作，使用戶仿佛親自操縱飛機在飛行，從而實現對真實世界中飛行器運動的仿真，給人一種比較真實的感覺，如圖1所示。

1 硬件設計

該3D鼠標主要由3個部分構成，分別單片機控制系統、通信接口模塊和計算機模塊。本設計選用STC89C52單片機作為鼠標控制器，選用TLC2543芯片完成A/D轉換功能，選擇CH375芯片作為單片機與PC機的接口芯片來實現單片機與計算機間的USB通信功能，USB驅動采用通用的CH372/CH375驅動程序。系統總體框圖如圖2所示。

STC89C52是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K系統內可編程Flash存儲器。單片機內擁有靈巧的8位CPU和系統可編程Flash，可直接使用串口下載，大大簡化程序調試時間。傳感器使用電位器，先將阻值的變化轉化為電壓變化，再經A/D轉換芯片傳給單片機。由于電位器的角度值或位移量與電壓值一一對應，因而人們無須判斷電位器的旋轉方向。同時，A/D轉換芯片是多路采集，分辨率高，故電路設計簡單，成本低，鼠標分辨率高。USB全稱為Universal Serial Bus（通用串行總線），使得計算機和外部設備的連接十分方便。本設計采用USB總線通用接口芯片CH375，在本地端，CH375具有8位數據總線和讀、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、DSP、MCU和MPU等控制器的系統總線上。CH375硬件接口電路如圖3所示。

結構上，本設計選擇基于3-UPS（3表示有三條相同的支鏈來連接動平臺和底座，U代表虎克鉸鏈，P代表移動副，S表示球關節）的具有六維運動的并聯機構，以滿足不同應用場合、不同自由度、不同靈巧度的需求[3-4]。3-UPS并聯機構由動、靜平臺以及三個相同的UPS支鏈構成，其中虎克鉸U由兩個轉動副構成，兩個轉動副的軸線分別垂直于和平行于靜平臺平面，且兩軸線交于一點。六維位置姿態傳感器并聯機構由動平臺、底座以及連接于動平臺和底座之間的多條支鏈構成，動平臺可以相對于底座移動或轉動。通過改變支鏈的數目和支鏈自身的結構形式，動平臺可以具有不同維數的運動特征，因此需要研究給定運動維數（如二維至六維）的并聯機構的構造方法。空間多維鼠標要求具有空間六自由度的運動特征，因此本設計選用3-UPS并聯機構，其運動平臺作為操作球頭，從而保證空間多維鼠標具有緊湊、小型的外觀，便于操作的優勢。

2 軟件設計

上位機程序采用基于MFC的界面顯示及控制程序，將單片機采集的九路傳感器信號傳到上位機程序顯示，控制空間物體的運動，流程如圖4所示。首先對USB通信芯片CH375進行初始化，上位機若不發出信號，則結束流程。否則單片機將會關閉中斷，調用函數來采集傳感器的信號，并向USB斷點發送緩沖區寫，再經過CH375向PC發數，之后PC機獲取到單片機數據，送到界面顯示。

USB通信程序流程是首先對OpenGL進行相關設置及初始化，然后導入三維模型，再對USB通信進行初始化，并設置循環時鐘。隨后，若CH375設備啟動成功，將會接收USB通信數據，根據數據改變相應的變量，最后進行畫面的更新。若設備啟動失敗，則結束程序相關操作，如圖5所示。

3 結論

3D鼠標可以用來模擬控制工業上常用的并聯機械手，二者在原理上是相似的，都具有六個自由度。所以，3D鼠標適用于手動控制并聯機器人，在3D鼠標的控制下，機械手可以實現前后左右上下六個方向的平移，而且可以在空間里轉動。

參考文獻：

[1]于紅英，劉鵬，趙娣.基于支鏈的并聯機構位置分析及工作空間分析[J].吉林大學學報（工學版），2019（11）：1-9.

[2]肖霄.一種基于3-UPS并聯機構的六維控制器運動學分析[J].山東理工大學學報（自然科學版），2012（12）：81-84.

[3]王志軍，劉琬鈺，崔冰艷，等.新型并聯式六維力傳感器及靜態性能分析[J].機械設計與研究，2015（4）：44-48.

[4]張珂，朱志涵，石鋼，等.基于ANSYS的六軸力傳感器的模態分析[J].上海應用技術學院學報（自然科學版），2015（15）：66.