TermenPad: компьютерная клавиатура со встроенным устройством бесконтактного

TermenPad:
компьютерная клавиатура со
встроенным устройством бесконтактного
управления курсором
(перспективный проект)
Руководитель:
Боянжу Юрий Маркович
Аннотация
Проект имеет целью создать опытный образец, на базе которого можно будет в кратчайшие
сроки и с наименьшими затратами изготовить промышленный прототип. С научной точки
зрения проект продемонстрирует возможность практического применения эффекта, который
был использован Львом Терменом при создании первого электронно-музыкального
инструмента Терменвокс. TermenPad является дополнительной функцией для устройств ввода.
Клавиатуры, оснащенные этим устройством, будут иметь дополнительную привлекательность
для потребителя, так как появится возможность управлять указателем мыши еще одним
альтернативным способом. Ранее такой способ ввода никогда не использовался!
Внешне такая клавиатура отличается от обычной только наличием дополнительной
специальной клавиши включения, расположенной на торце клавиатуры перед пробелом.
Бесконтактное управление обеспечивается с помощью блока обработки сигналов,
поступающих от электромагнитных датчиков с антеннами. Антенны монтируются под
поверхностью клавиатуры взаимно перпендикулярно друг к другу. В режиме управления
курсором (при нажатии клавиши включения), антенны воспринимают перемещение руки в
пространстве, и, соответственно, вслед за рукой перемещается и курсор. По аналогии с
известным изобретением Льва Термена – электромузыкальным инструментом «Терменвокс».
Потенциально, потребителями этой технологии могут быть все пользователи компьютеров,
особенно ноутбуков. А также других устройств, где требуется ручной ввод информации
(например, сенсорных экранов, мобильных телефонов, КПК и т.д. )
Следует отметить такие области применения, как:
 интерактивные доски;
 интерактивные витрины;
 информационные терминалы.
Преимущества перед конкурентами:
 Дешевизна
 Износостойкость
 Простота конструкции
 Возможность отслеживать движение руки, которая не прикасается к поверхности
 Возможность применения третьей координаты
Какие проблемы способен решить Терменпад?
При работе с текстом для выполнения многих операций необходимо перемещать руку к мыши
и обратно. Встроенные манипуляторы не всегда удобны, поэтому пользователи часто
вынуждены с ноутбуком носить еще привычную мышь. При использовании некоторых
манипуляторов необходима большая точность движений, что утомляет пользователя и иногда
приводит к боли в суставах. Терменпад позволяет управлять указателем мыши, сохраняя
положение руки при этом естественным и не напряженным. Бесконтактный принцип
позволяет применять ударопрочные материалы, что невозможно для сенсорных устройств
Терменпад можно встроить в уже существующее устройство (приспособление), не повредив
его
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Терменпад не альтернатива, а опция!
Использование клавиатуры с предлагаемым устройством не является полной заменой
обыкновенной мыши, а предназначено для определенного круга задач, где требуется
производить большое количество мелких «мышиных» действий. Компьютер должен быть
оснащен и данной клавиатурой и обыкновенной мышью, а пользователь может выбирать - в
какой момент времени, какое устройство ему удобней использовать.
Одно и тоже действие на информационных устройствах можно выполнить несколькими
способами. Каждый пользователь выбирает для себя наиболее удобный. Кроме того, тот или
иной способ может быть предпочтительней в разных ситуациях.
2
Новые возможности
С появлением нового манипулятора, появляются принципиально новые возможности!
Например: становится возможным вращение трехмерного объекта во всех плоскостях
естественным движением руки и даже интерактивная лепка статуи. Так, трехмерному объекту
можно придавать форму движением рук, которые имитируют лепку!
Информация о заявителе
Руководитель проекта:
Боянжу Юрий Маркович,
73005 Украина, г. Херсон
ул. Крымская, 149, кв.32
+38-0552-22-65-74, +38-0552-443-203, +38-050-130-41-19
icq: 275-178-015, skype: termenpad
izumrud@selena.net.ua
Команда:
Алексей ДОСЕНКО
+38 050 987 25 89
alexdos1@mail.ru
icq: 157-908-661
skype: alexdos1
Михаил МЫХ
+38 093 968 75 30
mikhailmykh@mail.ru
icq: 195-913-113
skype: metafrasis
Также, участвует в работе над проектом Алексей Фоминых (г. Архангельск, Россия)
Современное состояние исследований и разработок в области реализации
проекта. Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными
На сегодняшний день создано несколько прототипов устройства, которые демонстрируют
потенциальные возможности данной технологии. Однако они далеки от совершенства. Для
успешной реализации проекта, команде разработчиков нужно решить следующие проблемы:
1. Суть проблемы: создать опытный образец, в котором управление указателем мыши
будет настолько же удобно, как и в обычных манипуляторах (необходимо решить
проблему точного позиционирования и убрать «дрожание»)
Пути решения: провести серию научно-исследовательских работ и испытаний по
доводке устройства
2. Суть проблемы: разработать стратегию внедрения производства клавиатур,
оснащенных терменпадом
Пути решения: провести ряд переговоров с заводами производителями клавиатур,
компаниями, занимающимися разработкой микросхем, юзабилити, продажей устройств
ввода, для того, чтобы создать концепцию устройства, которое может производиться
серийно
3. Суть проблемы: защитить технологию от конкурентов
Пути решения: патентование (патент США, Китая и др. стран основных игроков на
рынке устройств ввода), кроме того, предпочтителен вариант продажи технологии
компании гиганту (такой как Microsoft, Apple и т.п.), так как эффективно защитить
технологию от конкурентов и быстро внедрить и «раскрутить» технологию способна
компания именно такого масштаба
3
Сущность предлагаемой разработки
Технология TermenPad работает на емкостном принципе (эффект Термена), что позволяет
сделать устройства, работающие на основе данной технологии, значительно дешевле аналогов.
Основным преимуществом технологии является ее бесконтактность, т.е. для управления
компьютером (или другим устройством) пользователю не обязательно прикасаться к нему
(входить в физический контакт). Данный факт позволяет размещать устройства за защитной
(ударостойкой, влагонепронициемой и т.п.) перегородкой. Вторым конкурентным
преимуществом является отсутствие необходимости в дополнительных устройствах ввода
(таких как мышь, стилус, перчатка и т.п.).
Конечно, идея о том, что хорошо бы управлять и клавиатурой и мышью практически не
смещая руки из стандартного положения на клавиатуре, витала в воздухе. В этом смысле,
данный продукт является продолжением многих других разработок.
Принципиально новым, с нашей точки зрения, является применение принципа
бесконтактности, что позволяет радикально изменить эргономику работы пользователя, и
также позволяет получить совершенно новые возможности в управлении компьютером.
Основной проблемой всех существующих встроенных систем управления курсором является
их неэргономичность. И, вследствие этого, неудобство и неестественность движений
пользователя при работе с ними. Например, многие пользователи ноутбуков со встроенными
тачпадами при первой возможности подключают к компьютеру обыкновенную мышь.
Кроме того, широко применяемые устройства управления курсором: мышь, сенсорная панель
(тачпад) и другие манипуляторы - вынуждают оператора снижать скорость набора текста
(ввода информации в ПК) при выполнении операций, требующих кратковременных
перемещений курсора, так как оператору надо переключить внимание и перенести руку или
палец на используемое устройство.
Использование клавиатуры с предлагаемым «Устройством» не является полной заменой
обыкновенной мыши, а предназначено для определенного круга задач, где требуется
производить большое количество мелких «мышиных» действий. Компьютер должен быть
оснащен и данной клавиатурой и обыкновенной мышью, а пользователь может выбирать - в
какой момент времени, какое устройство ему удобней использовать.
Известны системы управления курсором: мышь; трэкбол; тачпад, сенсорная клавиатура
fingerboard (клавиатура-тачпад); трэкпойнт (маленький джойстик между клавишами);
сенсорный экран; кольцо-радиопередатчик, надеваемое на палец; мышь - шарик-гироскоп;
шлем, с помощью которого курсором можно управлять взглядом; перчатки виртуальной
реальности; система Jesterpoint – две видеокамеры, расположенные в одной вертикальной
плоскости, под углом друг к другу, отслеживают перемещение пальца в этой вертикальной
плоскости; виртуальная световая клавиатура, и др.
Недостатки этих систем:
Тачпад, трэкбол, трэкпойнт - встроенные манипуляторы не вполне обеспечивают
естественность движений пользователя при управлении курсором, к тому же сенсорная
клавиатура fingerboard, которая является «идеологическим» аналогом предлагаемого
изобретения (управление курсором и нажатие клавиш происходит на одной и той же
сенсорной панели) стоит дорого - около 300 долл. США.
Кольцо-радиопередатчик, надеваемое на палец - манипуляции с кольцом во время работы с
клавиатурой неудобны и вызывают раздражение.
Шлем, с помощью которого курсором можно управлять взглядом; перчатки виртуальной
реальности, система Jesterpoint и виртуальная световая клавиатура - не всегда удобны в
эксплуатации, дороги или имеют специфическую область применения.
4
Преимущества конечного продукта, производимого по предлагаемой технологии, в сравнении
с продуктами, имеющимися на рынке сегодня:
Клавиатура «Терменпад», несмотря на также некоторую ограниченность области применения,
по сравнению с аналогами гораздо дешевле в изготовлении и не требует особой переналадки в
существующем производстве компьютерной техники;
обеспечивает бесконтактное управление курсором без оснащения человеческого тела
системами управления курсором, что делает возможным полностью «слепое» управление
компьютером – можно и печатать и управлять курсором не глядя на клавиатуру;
обеспечивает простоту и эффективность управления (достаточно нажать клавишу включения и
переместить руку или палец в требуемом направлении), эргономичность (используются
естественные движения рук), и благодаря этому, более высокую скорость выполнения
определенных задач.
Кроме того, есть возможность использовать дополнительные возможности, недоступные для
других манипуляторов – например, управление третьей координатой.
Концепция:
Данное устройство особенно полезно для тех пользователей, которые большую часть времени
выполняют задачи, связанные с работой на клавиатуре. Но, поскольку, большинство современных программ
оптимизировано под управление мышью, то оператору приходиться так или иначе использовать мышь (открыть
меню, выделить текст, нажать пиктограммку. и т.п.). Конечно, все эти операции можно выполнить с помощью
одной лишь клавиатуры, но для этого надо запоминать большое количество комбинаций горячих клавиш. И это
не всегда так удобно, как с помощью мыши.
Широко применяемые устройства управления курсором: мышь, сенсорная панель (тачпад) и другие
манипуляторы - вынуждают оператора снижать скорость набора текста (ввода информации в ПК) при
выполнении операций, требующих перемещений курсора, так как оператору надо переключить внимание и
перенести руку на используемое устройство. При этом часто приходится совершать некоторые паразитные
движения – мышь надо подвигать в разные стороны, чтобы увидеть глазами курсор, и др.
Также изменяется автоматизм движения рук, из-за чего требуется некоторое время на адаптацию.
Например, если требуется создать документ большого объема с помощью копирования информации из
различных окон, потери времени становятся значительными. К тому же, эргономические параметры этих
устройств управления курсором сравнительно низки, так как в кистях рук возникает напряжение при
выполнении большого числа операций.
Использование клавиатуры с предлагаемым «Устройством» не является полной заменой обыкновенной
мыши, а предназначено для определенного круга задач, где требуется производить большое количество мелких
«мышиных» действий. Компьютер должен быть оснащен и данной клавиатурой и обыкновенной мышью, а
пользователь будет выбирать - в какой момент времени, какое устройство ему удобней использовать.
Описание
Устройство состоит из блока обработки сигналов, поступающих от электромагнитных датчиков с
антеннами. Антенны монтируются под поверхностью клавиатуры взаимно перпендикулярно друг к другу. В
режиме управления курсором, антенны воспринимают перемещение руки в пространстве, и, соответственно,
вслед за рукой перемещается и курсор.
Используя Устройство, оператор при обращении к курсору должен только нажать специальную
клавишу включения (например, левой рукой), слегка приподнять свободную руку (соответственно, правую) над
клавиатурой и перемещая ее в нужном направлении, указать путь курсора, (т.е. ничего не надо касаться
управляющей рукой - просто перемещать в пространстве). При нажатой клавише включения - курсор
реагирует на движение руки, при отпущенной - не реагирует.
На рисунках указано место, где наиболее оптимально следует поместить клавишу включения - на торце
клавиатуры, за пробелом. Там ее можно легко достать большим пальцем любой руки.
Имитацию работы левой или правой кнопки мыши можно реализовать по-разному. Один вариант - в
клавиатуре устраиваются дополнительные специальные две кнопки рядом с клавишей включения. Второй клавишам основной клавиатуры при нажатии клавиши включения присваиваются коды, с помощью которых
имитируются действия левой или правой кнопки "мыши". При отключении устройства управления курсором
клавиатура возвращается в режим набора символов и всем клавишам переприсваиваются исходные коды.
Функцию левой кнопки мыши лучше всего запрограммировать на клавишу "пробел". А функцию правой
- "поручить" всем буквенно-цифровым клавишам. При такой раскладке у оператора всегда будет возможность
нажать и "левую" и "правую" кнопку мыши при любом положении руки над клавиатурой.
5
Сильно поднимать руку и размахивать ею не потребуется, достаточно только не нажимать клавиши. А
рабочая зона должна быть настроена диаметром 3-4 см вокруг базовых (при слепом методе печати) клавиш
ФЫВА (ASDF) и ОЛДЖ (JKL;).
При наличии двух рук в зоне действия антенн, курсор движется по результирующей траектории от
влияния каждой руки. Курсором можно будет управлять и в этом случае, так как визуальная обратная связь
позволит всегда определить, в каком направлении перемещать руку (руки).
Есть возможность, с помощью данного устройства, реализовать дополнительно отслеживание движения
руки "вверх-вниз", т.е. третью пространственную координату. Это создаст новые возможности для
программирования. Например, в зависимости от того, на какой высоте от клавиатуры движется рука оператора,
скорость курсора будет отличаться, что облегчит его позиционирование.
Принцип обработки информации, поступающей от датчиков
На работу датчиков могут оказывать влияние разные факторы:
влажность, статическое электричество от одежды, состояние здоровья данного
человека, проходящие мимо люди, электромагнитные помехи и др.
Для того чтобы все эти помехи исключить в Устройстве применяются и аппаратные, и программные
средства. Задачи выделения полезного сигнала из шума решаются стандартными средствами радиоэлектроники.
А в данном конкретном случае применяются многие приемы, используемые для работы сенсорных панелей:
1) Принцип глаза лягушки.
Глаз у лягушки устроен таким образом, что она видит только движущиеся предметы, а неподвижные предметы
для нее не существуют. Так и в нашем случае, система настроена так, чтобы реагировать только на смещение
руки относительно антенны, а не на абсолютное расстояние. Происходит постоянное «возращение в нуль»:
сместилась рука на определенное расстояние - подается команда на смещение курсора на пиксель, и тут же
происходит «обнуление». После этого система ожидает нового сигнала от датчика. При
неподвижной руке курсор не движется.
2) Статистическая обработка информации.
Близкие по времени показания датчиков усредняются, что позволяет «сгладить»
график движения курсора. Для этой же цели можно использовать несколько независимых датчиков для
считывания перемещения руки на каждом направлении, а их показания усреднить.
Приемы работы с левой и правой кнопками мыши.
Будем рассматривать случай, когда оператор - правша. Тогда левая рука
нажимает клавишу включения Устройства и остается практически неподвижной, а правая - управляет курсором.
Возможны несколько приемов работы для различных операций с курсором. Здесь я предполагаю, что для
имитации левой и правой кнопки мыши используется второй способ (см.Описание), т.е. перекодировка буквенноцифровых клавиш и пробела.
1. Операция: Наведение указателя на объект (иконку) и клик левой кнопкой для выделения объекта.
Действия:
а) при наведении курсора на иконку правой рукой, оператор указательным пальцем левой руки нажимает
клавишу "пробел" (большой палец при этом держит клавишу включения); или
б) при наведении курсора на иконку, оператор большим пальцем правой руки нажимает клавишу "пробел";
2. Операция: Захват и перетаскивание (движение мыши с нажатой левой кнопкой).
Действия
а) оператор указательным пальцем левой руки нажимает клавишу "пробел" (большой палец держит клавишу
включения), а правой рукой производит перемещение; или
б) оператор большим пальцем правой руки нажимает клавишу "пробел" и не отпуская ее, этой же рукой
производит перемещение (движение, несмотря на "приклеенный" большой палец).
3. При движении мыши с нажатой правой кнопкой действия аналогичны, только вместо пробела используется
любая удобная буквенно-цифровая клавиша.
4. Двойной клик - двойное нажатие клавиши "пробел" при нажатой клавише включения, или "enter" при
отпущенной клавише включения.
6
Очень удобно, когда есть возможность мгновенно привести курсор в центр экрана без лишних перемещений
руки. Можно реализовать эту функцию с помощью специальной последовательности клавиш. Например,
клав.включения + alt + пробел.
Права на интеллектуальную собственность
Получен Патент Украины № 37742 «Способ управления курсором и устройство для его
реализации» (The device and way to control cursor movement), также подана новая заявка на
патент под тем же названием в апреле 2004 г.
Кроме того, в настоящее время готовятся заявки на новые патенты.
Конкурентные преимущества
На сегодняшний день ближайшим конкурентом Терменпада является коврик компании
QinetiQ. Следует отметить, что данная концепция появилась на несколько лет позже нашей!
Краткая информация (из интернета):
Известная компания QinetiQ, работающая на министерство обороны Великобритании и в
основном занимающая разработкой достаточно нестандартных и специфичных устройств,
представила информацию о технологии, которая, возможно, похоронит компьютерную мышь
как таковую.
Все дело в том, что инженеры компании сейчас разрабатывают устройство, внешне
напоминающее коврик для мыши, но состоящее из множества инфракрасных эмитентов и
сенсоров, которые будут воспринимать руку человека как манипулятор, а движения кистью
трансформировать в движения курсора.
Еще одно неоспоримое преимущество этой технологии, находящейся пока в чертежах
инженеров то, что сенсоры смогут воспринимать отдельные жесты как специальные команды.
К примеру, щелчок пальцами откроет браузер, а поворот большим пальцем влево выключит
ваш ПК.
Как сообщили представители QinetiQ, подобное устройство не обещает быть дорогим, что, в
свою очередь, создаст здоровую конкуренцию уже устаревшим мышкам, ведь в нем в
основном будут использоваться инфракрасные диоды, как в пульте ДУ от телевизора. А в них
недостатка разработчики не испытывают.
http://www.mobiledevice.ru/QinetiQ-Technology-Concept-ustroistva-vvoda.aspx
http://gizmod.ru/2006/11/24/chelovecheskaja_ruka_zamenit_kompjuternuju_mysh/
Терменпаду присущи те же преимущества, что и коврику QinetiQ. Кроме того, в отличие от
QinetiQ, Тепменпад:
 является не альтернативой, а опцией (т.е. если клавиатура оснащена терменпадом, то
это не значит, что нужно отказываться от привычной мыши, или для обычных
манипуляторов не будет места; терменпад не занимает пространства, поэтому
позволяет сохранить все привычные устройства ввода);
 позволяет управлять указателем мыши не отрывая рук от клавиатуры;
 не требует дополнительных слотов;
 является настолько дешевым, что практически не влияет на цену клавиатуры;
7
Рынок сбыта
На рынке клавиатур и мышей, в особенности беспроводных, ныне можно наблюдать некое
затоваривание. Никого уже не удивишь беспроводной клавиатурой, большим набором
дополнительных кнопок, ни тем и другим сразу. Аналогично и с мышами: оптическая
технология завоевала большую часть рынка, число кнопок достигло уже десятка, в то время
как всего пару лет назад пять кнопок были уже чем-то из ряда вон выходящим. Количество
беспроводных моделей стремится сравняться с номенклатурой «обычных» проводных, а
эргономичный дизайн не особенность каких-то конкретных моделей, а данность. Но продавать
товары нужно! А как доказать, что твое оборудование существенно отличается от
конкурентов, если технологически все стали очень похожи, да и качество примерно
одинакового уровня (некоторые, впрочем, считают, что оно скорее снизилось, но все равно —
до одного уровня)? А поскольку с технической стороны никаких прорывов не ожидается,
удивлять пользователя нужно чем-то другим.
Обновление моделей и совершенствование клавиатур сейчас идет более динамично, чем
раньше, поскольку для совершенствования клавиатур есть резерв возможностей (к примеру,
появление экранов на клавиатурах, голосового набора с клавиатур и т. д.). И главное - растет
потребительский спрос на продвинутые модели клавиатур.
В ближайшие два-три года резких изменений в конструкции и эргономике клавиатур не
предвидится. А вот если посмотреть чуть дальше вперед, то существенные изменения, скорее
всего, уже будут происходить. Скорее всего, клавиатуры обретут собственные
многофункциональные интерактивные средства отображения информации (например,
небольшой экран) и собственный голос, научатся реагировать не только на нажатие клавиш,
но и будут распознавать жесты.
Эти технологии сейчас уже существуют, но они еще нуждаются в совершенствовании и в
поиске недорогих технических решений.
Еще информация: в связи с выходом новой операционной системы Windows Vista, компания
Microsoft активно предлагает новые устройства ввода.
Объем российского рынка устройств ввода в 2003 году составил $95 млн., В 2004 году - $110115 млн. В 2004 году было продано около 7,3 млн. манипуляторов типа мышь и 6,8 млн.
клавиатур.
Порядок коммерциализации результатов разработки
Команда разработчиков работает в таких направлениях как:
 поиск инвестиций;
 создание более совершенного прототипа;
 разработка внедрения проекта в производство.
Предполагается довести технологию до уровня готовности к серийному производству и
продать технологию крупному производителю.
Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта
На сегодняшний день инвестирование полностью происходит из личных средств команды
разработчиков.
8
Предстоящие затраты по проекту
Наименование
Затраты, $
Открытие предприятия (ООО,ЧП) оформление юридического лица
500
Работники на постоянной основе – два человека.
Программист - интерфейс, графика (OpenGL, DirextX)
500*12=6000
Программист - написание драйверов (Driver Studio и т.д)
500*12=6000
Аренда помещения не менее 40кв.м, коммунальные услуги, постановка на охрану,
пожарники и пр.
500*12=6000
Закупка рабочих мест для программистов
3500
Закупка некоторого лицензионного программного обеспечения и библиотек к ним
(Компас, Driver Studio и пр.) - не менее
5000
Офисная мебель
1000
Телефон и широкий Интернет
150*12=1800
Организация рабочего места электронщика:
компьютер, закупка ряда измерительных приборов, комплектующих в
необходимом количестве и пр.
6000
Оплата разовых работ, услуг по консультациям в технических и юридических
вопросах
1000
Дополнительные расходы
1000
ВСЕГО:
37800
Подсчитано согласно расчетам Алексея ФОМИНЫХ (г. Архангельск, Россия)
9