一种可方便地进行模式转换的键盘

技术领域

本发明涉及一种数据输入设备，特别是用做电子计算机输入设备的键盘。本发明涉及到 键盘的工业设计，以及键盘内置的嵌入式控制器及其嵌入式软件、电脑主机的键盘接口控制 电路及其驱动程序、操作系统或应用程序内部处理按键信息的部分。

背景技术

对于现代的电子数字处理设备——如个人电脑、PDA或手机等——而言，输入设备—— 如键盘鼠标等——将用户的动作转换为数字信号并且送给电脑主机等设备。从用户的敲击动 作开始，到屏幕上出现应用程序的响应，要经过许多步骤的处理。

以PS/2键盘为例。用户的动作所直接触发的最原始的数字信号往往表现为键盘内部内嵌 的集成电路的输入管脚的电平变化，这些源源不断的原始的数字信号作为源自用户的信息流， 要经过许多步骤的转换和处理，才能最终使应用程序做出响应。图1列举了一种典型的对源 自用户的键盘敲击的信息流的处理过程。首先键盘内部内嵌的集成电路将其输入管脚的电平 变化转换为扫描码(scancode)信息，通过PS/2接口送往电脑主机；电脑主机的PS/2接口电 路接收扫描码信息，PS/2键盘的驱动程序将扫描码信息转换为操作系统可以识别的键码 (keycode)信息；操作系统根据键码向应用程序发出消息通知它发生了按键事件；应用程序 收到消息后，做出响应，如将用户输入的字符回显在屏幕上等等。

在信息流被转换的过程中，不一定是一个扫描码的数据包对应一个键码的数据包、再对 应一个按键事件。每个转换者都可以实现一些实用的功能。例如Linux下的控制台(console) 的驱动程序会丢弃无用的shift键的按下/松开动作(即shift被按下过程中，没有字母键或数 字键被同时按下)，不输出任何键码。例如Windows操作系统会拦截Print Screen被按下的事 件，不将它送给任何应用程序。许多支持录制和回放键盘宏的工具可以通过操作系统的钩子 (hook)实现在用户按下一个预定义键(如F12)时，向应用程序发出预定义的一系列的按 键事件。键盘宏的也可以实现在键盘内部的控制器内，如Kinesis公司提供一种带有闪存的键 盘，可以存储若干个预定义的键盘宏，这些键盘宏可以被键盘上特殊的按键触发。另外，几 乎所有的计算平台都实现了持续按键时的自动重复(Auto Repeat)功能，即某个按键在某个 时刻T被按下时，立刻送出一个“按下”的事件；此后若该键一直被按下直到T+Tu时刻， 则发出第二个“按下”的事件，之后若该键依然被按住不动，则每经过Tv时间，就再发出一 个“按下”的事件，直到该键被松开。这种功能往往由操作系统实现，但也可以由别的信息 流转换者实现。

综上，当前的电子计算机系统支持对源自键盘的信息流在多个层次上进行多个步骤的复 杂转换，从而方便了用户的使用。在用户看来，某项“键盘”的功能，实际上往往是由上述 的信息流转换者实现的。计算机系统的复杂处理和控制能力，也使得某些不可能由纯机械构 成的打字机来实现的功能变成了可能。

当前超便携个人计算机(Ultra Mobile Personal Computer，UMPC)的键盘设计面临挑战。

UMPC的体积很小，采用七到十英寸的显示屏，宽度从22厘米到27厘米不等。由于宽 度很小，设计出方便使用的键盘变得困难。当前标准的键帽宽度为19到19.5毫米，成年人 可以正常地使用。当键帽宽度缩小至17毫米时，则成年人必须通过练习来适应之。当键帽宽 度缩小至15毫米时，成年人几乎无法正常使用了。而UMPC的宽度，只能允许15到17毫 米的键帽，导致使用很不方便。部分UMPC干脆放弃集成键盘，改用触摸屏，但触摸屏往往 会限制用户的输入速度。部分UMPC采取外接便携式键盘的做法，但外接式键盘会影响UMPC 的便携性。

本发明提出一种方法，利用对键盘按键信息的转换，实现复杂的控制功能，使得在22厘 米的宽度内用标准大小的键帽来构成键盘成为可能，从而使得UMPC更加实用。同时本发明 也可以使传统的台式机键盘更加方便实用。

发明内容

本发明的核心思想是，利用双手拇指配合产生的特定按键动作序列，来切换键盘的工作 模式，以重用为数较少的按键。

众所周知，传统的键盘上，同一按键在不同工作模式下具有不同含义。如右侧的小键盘 区在Numlock为开的情况下可输入数字，为关时表示上下左右或翻页键等；如Capslock为开 的情况下输入大写字母，为关时输入小写字母。

在有限空间内用标准大小的键帽来构成键盘，不可避免地要减少按键的数目。但是传统 键盘上的按键的所有功能又必须全部被实现，利用多个不同模式来复用按键是常用的手段。

传统的键盘支持模式切换的方法是利用额外的按键，如Numlock键、Capslock键、Shift 键以及笔记本上的Fn键。这些按键的位置并不容易够着，因此模式切换是比较麻烦的。按键 较少就意味着需要频繁模式切换，如果模式切换不方便的话，对用户的输入效率有不良的影 响。

本发明创造性地提出，利用双手拇指配合产生的特定动作序列，来切换键盘的工作模式。

传统键盘的设计中，双手大拇指的唯一工作就是输入空格。这对于最强壮和灵活的大拇 指而言，不能不说是一种浪费。因此，已经有若干专利提出，将传统键盘的很长的空格键拆 分成若干的键，其中一个依然表示空格，其他的键可以被定义为Ctrl、Shift、Backspace等 功能。但是，这些发明并不实用，因为绝大多数用户都是交替使用双手来按空格的。也就是 说，有时候使用左手来按空格，有时候则使用右手来按空格，虽然大多数时候固定使用左手 或右手，但是也会有时候使用另外一只手。无论把左手还是右手拇指控制的键定义为其他用 途，都可能和用户的已有习惯造成冲突。

虽然双手拇指都有可能被用来按空格键，但是几乎不会有人同时用双手拇指去按空格键， 即左右手拇指几乎同时按下，或者说，一只手的拇指按下后，紧接着另一只手拇指也按下。 因此，可以利用电子计算机系统复杂的控制和处理能力，识别这种特殊的按键动作序列，以 此来切换键盘的工作模式。识别按键动作序列的工作，可以在计算机系统的任何一个级别完 成，例如键盘内置的嵌入式控制器及其嵌入式软件、电脑主机的键盘接口控制电路及其驱动 程序、操作系统或应用程序内部处理按键信息的部分，本发明并不局限于某种特定实现方式。

有益效果：利用双手拇指配合产生的特定按键动作序列来切换键盘的工作模式，效率大 大高于用专门的按键来切换工作模式，从而使得由少量标准大小键帽构成的小尺寸键盘也能 保证用户的高速录入。同时本发明也可以提高用户使用传统的台式机键盘的效率。

附图说明

图1：在一种典型的计算机系统中，从用户的敲击动作开始，到屏幕上出现应用程序的 回显，源自键盘的信息流所经过的各个步骤的处理

图2：实施方式1的俯视图(包括键盘和手托)

图3：实施方式1的键帽标记示意图

图4：实施方式2的键帽标记示意图

图5：对按键动作进行识别和处理的流程图

图6：对按键动作进行识别和处理的流程图(续1)

图7：对按键动作进行识别和处理的流程图(续2)

图8：实施方式5的俯视图(仅包含键盘，不包含手托)

图9：实施方式5的键帽标记示意图

图10：实施方式6的俯视图(仅包含键盘，不包含手托)

图11：实施方式7的俯视图(仅包含键盘，局部)

图12：实施方式8的俯视图(仅包含键盘，局部)

图13：实施方式9的俯视图(仅包含键盘，局部)

图14：实施方式13的俯视图(仅包含键盘)

图15：实施方式14的俯视图(仅包含键盘，局部)

图16：实施方式15的俯视图(仅包含键盘，局部)

具体实施方式

实施方式1。

本实施方式是一种仅有42个按键的键盘，如图2所示。除60、63、67、68外，其余按 键均为19mm的标准大小键帽。键帽63的宽度为29mm。整个键盘的总宽度为219mm。键 盘左上方标为黑的区域没有任何按键。

此键盘有七种工作模式，其中模式0为默认工作模式，其他模式为转义模式。键50是模 式切换键，敲击它不同的次数，可以使键盘处于不同的工作模式。在不同工作模式下，10-38 这29个按键有不同的含义。如下表所示：

配合这些含义，每个键帽上绘有若干个标记，如图3所示。这些标记使用不同的颜绘 制，以区分不同模式下的含义。同时此键盘上有不同颜的指示灯，用于提示用户当前处于 哪种模式。标记的颜应当同指示灯的颜对应。

此表格中空白的格子表示某种模式下某个键尚没有定义，用户可以根据自己的需要来配 置其含义。此外，模式3和模式4下的键的含义也留给用户去定义。

60、61、62、63、64、65、66、69、51、52这10个键的含义不随键盘的工作模式之不 同而变化，它们的含义如下表所示：

在传统键盘上布置空格键的区域，此键盘布置了两个键，即67和68，它们分别被双手 的拇指所控制。如果它们独立地被按下又松开，其作用相当于敲击传统键盘上的空格键。如 果监测到它们被按下和被松开的动作发生的时间很近，则可以起到将键盘从默认模式切换至 模式1的作用。切换至模式1之后，根据接下来发生的按键动作之不同，可进一步切换至模 式2、模式3、模式4或模式5。模式转换的流程图如图5、图6和图7所示。

关于“被按下和被松开的动作发生的时间很近”，需进一步解释。直观地讲，监测这种情 形，是为了监测用户双手同时按下的动作。显然，用户的双手不可能严格地同时按下，必定 有所先后，因此“几乎同时”地按下两个空格键就被认为是同时按下了，这包括：

1.左手的空格键被按下后，还没有被松开，很快地右手的空格键也被按下了

2.右手的空格键被按下后，还没有被松开，很快地左手的空格键也被按下了 也包括：

3.左手的空格键被按下后已经被松开了，但很快地右手的空格键被按下了

4.右手的空格键被按下后已经被松开了，但很快地左手的空格键被按下了

由于3和4这两种情形的开头是一个完整的敲击动作，必然导致一个空格已经被输入了， 但这并不是用户的本意。因此应当删除这个被错误输入的空格，方法就是送出一个退格键。

以上这四种情形，都涉及到“很快”具体以多长时间为限的问题。由于每个人的习惯和 生理都不同，应当允许用户根据自己的需要来进行调节。

按照此流程图对按键动作进行识别和处理，可以实现如下的功能：

1.用户双手拇指同时击打空格键并且不松开，同时单次或多次按下10-38键中任意一 个，可以单次或多次完成符号输入等任务(模式1)；

2.用户双手拇指同时击打空格键接着又松开，之后单次按下10-38键中任意一个，可以 单次完成符号输入等任务(模式2)；

3.用户双手拇指同时击打空格键接着又松开，然后一手按下空格不松开，另外一只手 单次或多次按下10-38键中任意一个，可单次或多次完成用户定义的某任务(模式3)；

4.用户双手拇指同时击打空格键接着又松开，然后敲击某空格后，单次按下10-38键中 任意一个，可单次完成用户定义的某任务(模式4)；

5.用户一只手的拇指先按下空格，接着另外一只手也按下空格，然后先前按下空格的 那只手松开空格，同时单次或多次按下10-38键中任意一个，可以单次或多次完成数 字输入、移动光标、删除文本等任务(模式5)。

只能通过敲击模式转换键来切换至模式6。

在使用键盘进行输入时，很多用户习惯在手腕下放一个衬垫，称为腕托或手托，起到垫 高手腕，减轻疲劳的作用。由于它也可以感受到手的动作，可以利用对它的某个部位的按压， 来切换键盘的工作模式。

在本实施方式中，配有一个可选的手托，即图2中的77。手托上配有70-76共7个开关， 都用作模式切换键。其中70、71、74三个开关是微触开关，可感知拇指轻微划过的动作。其 余四个为鼠标开关，需要较大压力才能被按下。正常输入时，人的双腕放在73、75两个开关 上。当腕部抬起或挪向手托边界时，这四个开关能够感知到。该手托使用户可以用腕部的动 作和拇指在手托上摩擦的动作来实现模式切换。

在本实施方式中，还配有一个可选的脚垫。脚垫内部藏有压力传感器，至少可以感受到 双脚正常放置、抬起和用力下压三种不同动作，这些动作可以切换键盘的工作模式。

实施方式2。

本实施方式同实施方式1相同，除了：

在各种转义模式下，10-38这29个按键的含义完全没有规定，而是依赖用户通过某种配 置方式加以设定。

实施方式3。

本实施方式同实施方式2相同，除了：

60、61、62、63、64、65、66、69、51、52这10个键的含义在默认模式下同实施方式1 相同。但在各种转义模式下，其含义完全没有规定，而是依赖用户通过某种配置方式加以设 定。

实施方式4。

本实施方式同实施方式1相同，除了：

在模式1、2和5下，10-38这29个按键拥有和实施方式1不同的含义。如下表所示：

许多字母在模式1或2下所对应的标记的汉语名称的声母就是它们自身(见表中所注明 的名称)，因此非常容易记忆。

配合这些含义，每个键帽上绘有若干个标记，如图4所示。

实施方式5(最佳实施方式)。

本实施方式同实施方式4相同，除了：

增加了40-49共十个新的按键，且60键位置上移，61键形状发生改变，其俯视图如图8 所示。对应标记示意图如图9所示。

新增的十个按键在默认状态下的含义同传统键盘上标有相应标记的按键含义相同，在转 义模式下，其含义用户通过某种配置方式加以设定。

实施方式6。

本实施方式同实施方式5相同，除了：

在键67和键68的中间新增了一个键88，如图10所示。键88单独敲击时的的含义由用 户定义，它可以是空格、Ctrl、Esc、模式切换或者其它。这样，67、68、88这三个键两两组 合，共有三种不同的“被按下或松开的时刻距离很近的情形”，即：

1.键67和键68被按下或松开的时刻距离很近

2.键88和键68被按下或松开的时刻距离很近

3.键67和键88被按下或松开的时刻距离很近

这样，可以产生键盘模式切换的按键动作序列就大大增加了。

实施方式7。

本实施方式同实施方式6相同，除了：

键67和68的形状为梯形，键88的形状为扇形，如图11所示。

实施方式8。

本实施方式同实施方式5相同，除了：

键88不采用普通的开关来实现，而是使用微触开关，可感知拇指轻微划过的动作，以增 加灵敏性。同时在键66的右下方和键69的下方分别有键87和键89，也都以微触开关来实 现。键87、88和89的位置如图12所示，它们都用作模式转换键，触摸它们即切换到相应的 模式。

实施方式9。

本实施方式同实施方式8相同，除了：

键88不是置于键67、68的中间，而是置于它们的下方，如图13所示。

实施方式10。

本实施方式同实施方式1相同，除了：

对部分的键的功能进行调整：键65用作Alt键，键66和键69用作模式转换键，键50 用作Alt键。

实施方式11。

本实施方式同实施方式7相同，除了：

键88的形状为三角形或梯形。

实施方式12。

本实施方式同实施方式1相同，除了：

键67和68能够感知到按键被半按下的状态。正常键盘的按键的键程是5mm，普通键盘 只能感知到按键被完全按下的状态。通过增加某种设备，如电容感应开关，可以感知到按键 尚未被完全按下的状态，如被按下了超过2mm到3mm。这种感知“半按”的能力，可以方 便监测两个按键被同时按下的情形。例如，当一个按键被半按下的同时，另外一个按键已经 被完全按下去了，则立刻可以判断它们算是“几乎同时”被按下了，而不必等待两个按键都 被完全按下。

实施方式13。

本实施方式同实施方式8相同，除了：

在传统QWERTY键盘上空格键的位置上，不设有任何按键，而是设有一个电容触摸板 98，如图14所示。该触摸板代替了实施方式8中键67、68、88的作用。在触摸板的左半部 分和右半部分按下或松开分别相当于按压或松开键67和键68，在触摸板的中间部分按压或 松开相当于按压和松开键88。

此外，以下八种动作都可以使得键盘的工作模式发生切换(具体哪种动作对应于哪种工 作模式，由用户自行定义)：

1.右拇指轻触触摸板，左手在触摸板的左半部分从左向右摩擦

2.右拇指轻触触摸板，左手在触摸板的左半部分从右向左摩擦

3.左拇指轻触触摸板，右手在触摸板的右半部分从左向右摩擦

4.左拇指轻触触摸板，右手在触摸板的右半部分从右向左摩擦

5.右拇指轻触触摸板，左手在触摸板的左半部分从上向下摩擦

6.右拇指轻触触摸板，左手在触摸板的左半部分从下向上摩擦

7.左拇指轻触触摸板，右手在触摸板的右半部分从上向下摩擦

8.左拇指轻触触摸板，右手在触摸板的右半部分从下向上摩擦

以下八种动作，可以用来实现按下某个按键的效果：

1.右拇指按压触摸板，左手在触摸板的左半部分从左向右摩擦，相当于按End键

2.右拇指按压触摸板，左手在触摸板的左半部分从右向左摩擦，相当于按Home键

3.左拇指按压触摸板，右手在触摸板的右半部分从左向右摩擦，相当于按“向右”键

4.左拇指按压触摸板，右手在触摸板的右半部分从右向左摩擦，相当于按“向左”键

5.右拇指按压触摸板，左手在触摸板的左半部分从上向下摩擦，相当于按PageDown 键

6.右拇指按压触摸板，左手在触摸板的左半部分从下向上摩擦，相当于按PageUp键

7.左拇指按压触摸板，右手在触摸板的右半部分从上向下摩擦，相当于按“向下”键

8.左拇指按压触摸板，右手在触摸板的右半部分从下向上摩擦，相当于按“向上”键

实施方式14。

本实施方式同实施方式8相同，除了：

所述的触摸板的大小比传统的QWERTY键盘上的空格键大，如图15所示。

实施方式15。

本实施方式同实施方式8相同，除了：

保留传统的QWERTY键盘上的空格键99，在它的下方，另外设置触摸板98，如图16 所示。