十指套立体盲打键盘的设计与实现

侯自力，侯永韬

（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205）

十指套立体盲打键盘的设计与实现

侯自力，侯永韬

（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205）

论文对“十指套立体盲打键盘”102触点式键盘的外观模型的构成进行了研究与开发。给出了该键盘水平到垂直（0～90°）方向布局的十指套框架总体构成模型图，设计出“立体单指单向触键框架”及“单指双向触键框架结构”，给出水平、垂直十指套与对应触发键的英文、阿拉伯数字等基本符号的平面“井式结构”描述立体框架中字符布局，比较了该键盘与常用普通102键盘的优劣，简述了该键盘开发要注意的事项，探讨了制造该键盘的途径及所能达到的实际应用价值。

立体十指套；立体盲打；井式结构；按键布局；3D-打印机技术

0 引言

为了快速准确输入字符，减少移动手指的时间，摆脱操使用者反复看键盘看屏幕的动作，现拟开发一种全新的“十指套立体盲打键盘”，即在平板式102式键盘电路基本保持不变的情况下，对键盘按键的位置作适当立体变形，将字符信号触发键固定在空的六面空方体周边，手指可以插入这样的空方体“十指套”中，参照原普通标准键盘同样字符的行列信息排列，将触发的信息转换成位置码输入计算机中，利用“十指套”的三维空间立体完成盲打输入字符的要求。这里拟开发“十指套立体盲打键盘”，其原理就是利用十个手指在十指套中原地上、下、左、右、顶五个方向的移动，立体式触发按键信号，完成字符的输入功能。

1 键盘指套设计

普通平板式键盘上有一条电缆引出线（无线发射器），用来同主机后面的DIN/USB插座（无线接收器）相接，这条电缆中有4条线：+5V电源线、地线和两条双向信号线，各种文挡、软件程序相应符号输入时采用十个手指轮流向下敲击将触发信号输入给计算机CPU进行处理。拟开发的“盲打键盘”与普通键盘类似，也是通过十个手指的敲击键盘触发信号，将字符输入计算机。区别在拟开发的键盘与普通平板式键盘电路原理基本保持不变，而外型结构上进行三维空间立体布局，根据各个触发键的位置对电子线路作适当调整布局连接。其原理就是利用十个手指在十指套中原地上、下、左、右、顶五个方向的移动，立体式触发按键信号，完成字符的输入功能。

1.1水平、垂直指套外观与手指运动方向关系

“十指套立体盲打键盘”采用十个手指立体式向五个方向敲击键盘得到信号源，考虑到单个手指运动方向最多有5个，而且以水平到垂直（0～90°）方向运动最为方便，所以设计时，手指与键盘触摸在理论上可有下面两种形式，图1给出了单个手指在三维十指套水平方向运动的立体模型图，图2给出了单个手指在三维十指套垂直方向运动的立体模型图。

图1　水平十指套与手指运动方向关系图

图2　垂直十指套与手指运动方向关系图

1.2单指单向触键框架及单指双向触键框架及触发键布局

以单个手指运动方向最多的上、下、左、右、顶5个不同方向运动来触发信号，在这5个方向上设计手指框架，相应布置触发键，见图3盲打键盘的“单指单向触键框架“及字符触发键布局示例图。

图3　单指单向触键框架及字符键布局示例图

图4　单指双向触键框架示例图

人的十个手指长短不一，灵活程度也不同，采用十个指头分别放在“单指单向触键框架”中，若敲击10个这样的单指框架里的5个触发键，最多有50个触发源，要完成计算机内部所有ASC11码的对应常见的字符查找远不能满足要求，因此在“单指单向触键框架”的基础上改变其的结构，让只能容纳一个指头的活动空间增加宽度扩展到原来的两倍，在原“单指单向触键框架”水平方向的上、下、前三个位置分别多放置两个触发键，见图4盲打键盘的“单指双向触键框架”示例图。人左右手的食指和大拇指的灵活度最好，空间活动范围最大，完全可以适应“单指双向触键框架”结构对字符的触发要求。经过反复试验证明食指和大拇指在水平方向上下左右摆动敲击两个触发键是恰到好处的。而水平方向若布置3个以上的触发键，食指和大拇指敲击非常困难。

1 .3键盘触发键及电路选择

键盘按键结构分为机械式和电容式触点式按键两大类，该键盘最初模型采用的是机械式键盘，击键响声大，用力也较大，手指易疲劳，键盘磨损较快，故障率较高。改进后采用电容式触点式按键，在输入中不存在磨损、接触不良等问题，耐久性、灵敏度和稳定性都比较好。该键盘模型开发时键盘触发键及电路选择可以有以下几种：①簧片式：最初模型接触点线路采用锡焊接线，改进后接触点采用胶片银浆线路；②空气开关式：接触点线路采用胶片胶片银浆线路；③朔胶开关式：接触点线路采用胶片银浆线路。

1.4键盘总体结构

从上节论述可以看到十个指头在“单指单向触键框架”的结构中，可以触发的键总共5×10=50个触点，这远达不到普通键盘102个触发键的容量，如果让左右手的食指和大拇指选择单指双向触键框架，可以触发的键总共可达（5×6+8×4）=62个触点，离普通102触点的键盘还有差距。为了达到102个触发点，经过多次试验采用水平和垂直两排放置，让十指上下运动，结合“立体单指单向触键框架”和“单指双向触键框架”最多空间布置的可能性，第一排采用十个水平放置的手指套，其中6个单指框架4个单指双框架总共62个触点。第二排若采用垂直放置“单指双向触键框架”经过试验发现手指灵活度受到限制，因为食指不能像水平那样横向摆动敲击两个触发键，而且大拇指是不能有垂直这种情况出现的，所以采用八个垂直放置“单指单向触键框架”手指套，触发的键总共（5×8）=40个触点，两排总共102个触发点。而经过多次模型的制作试验比对，对单指单向触键框架、单指双向触键框架在水平到垂直（0～90°）方向平面进行合理的旋转角度来构建“十指套立体盲打键盘”，便于灵活操作十个手指上、下、左、右、顶方向的输入字符，得到102个触点的布局键盘，从而达到基本的键盘所应该容纳的字符数和控制键个数。

下面的“十指套立体盲打键盘”立体构成模型图清楚地表现了该键盘的总体结构，见图5，图中第一排十个水平放置的手指套，由左右手小指、无名指、中指6个单指框架及左右手食指、大拇指4个单指双框架组成（1水平组合指套键）。第二排由八个垂直放置单指框架手指套组成（2垂直组合指套键）。总体结构中可见每个指套上的触发键（3触发键）、水平手指插入示意图（4手指）、左右手腕触发键（5、6手腕触发键）、键盘固定框架（7框架）。

图5　十指套立体水平、垂直设置的左右手指套立体构成模型图

2 键盘各手指的字符“井式结构”平面布局设计

为了更好的描述“盲打键盘”十个指头运动方向及对应的英文字母、阿拉伯数字等基本符号的分布，需要找出能够表达每个指套上对应的字符的描述方法，最初设计的描述方式见图6，虽然手指运动方向和触发键的位置看的很清楚，但在后期“十指套立体盲打键盘”指法练习软件开发上遇到问题。经过各种表达方式的图形比对，最终找到一种“井式结构”的一种图形，可以很好的安排单指框架、单指双框架手指触发键中的各字符，从图6中并可以一目了然的看出手指的运动方向。

图6　最初单指框架手指运动平面布局

2.1单指框架、单指双框架手指运动方向平面布局

“井式结构”图形从手指的上、下、左、右、顶5个运动方向上设计出直观明了具有对应的5个运动方向感的平面布局。图7描述了单指框架手指触发键运动方向总体平面布局说明图，图8描述了单指双框架手指触发键运动方向总体平面布局说明图。

图7　单指框架手指运动平面布局

图8　单指双框架手指运动平面布局

2.2键盘基本字符与各手指的平面布局

以十指套立体水平、垂直设置的左右手指套立体构成模型图中选择所有键盘指套，按“井式结构”图形进行布局。

（1）选择“十指套立体盲打键盘”第一排十个水平手指套进行字符布局设计。下面是62触点对应的英文字母、阿拉伯数字等基本符号与各手指的对应单指框架、单指双框架平面布局，见示例图9～图18。

图9　左小指布局

图10　左无名指布局

图11　左中指布局

图12　左食指布局

图13　左拇指布局

图14　右拇指布局

图15　右食指布局

图16　右中指布局

图17　右无名指布局

图18　右小指布局

（2）选择“十指套立体盲打键盘”第二排八个垂直手指套进行字符布局。下面为40个触点对应的光标控制键和数字键等基本符号各手指的平面布局示例图，见示例图19～图26。

图19　左小指布局

图20　左无名指布局

图21　左中指布局

图22　左食指布局

图23　右食指布局

图24　右中指布局

图25　右无名指布局

图26　右小指布局

（3）采用十指套立体盲打键盘输入方法的优势及应用价值。“十指套立体盲打键盘”带来了全新型手指立体式盲打输入字符方法，应用价值主要体现在盲打环境，手指固定，移动距离少，其许多独特的优势，主要表现在以下几个方面：①采用立体盲打改变了传统普通键盘手指输入方式，原地一指多击，减少手指移动的盲目性，迎合了使用者的好奇；②完全实现盲打输入，使用者不需看键盘，直接在十指套里盲打输入字符，对夜间写作的人和弱视的盲人使用者更为便利；③只需反复制造多个同种单指框架或单指双框架，完成整个键盘组合；④浓缩了原102键盘占用的空间，左右手指套可以分开也可一体水平或垂直放置；⑤减少原普通键盘移动手指的时间，大大地提高了字符输入速度；⑥继承了普通平板式键盘指法与字符之间布局相对位置不变，对已掌握102平板式键盘的使用者学习十指套立体盲打键盘非常便捷；⑦该键盘的盲打作用，将是吸引新生代年青人、视力弱者以及喜欢冥想的作家为推动者。

3 十指套立体盲打键盘应注意解决的几个问题

“十指套立体盲打键盘”立体式触发按键信号，除具有许多独特的优势外，也带了许多新的问题，主要表现在以下几个方面：①针对不同使用者手型大小不一问题，解决办法在十字套键盘的基座上设计一种“移动槽”，可以在不同方位进行调整；②制造出大、中、小不等型号的十指套，根据使用者手型选择型号，或更换插入底盘上的移动槽中；③针对手指敲打时间长发热问题，解决办法在设计十指套时，“顶”方向尽可能短，以便手指头伸出，放松休息；④针对十指套键盘内污垢清洗问题，要求保持手指清洁，更换手指套；⑤就目前中国的制造情况生产该键盘采用传统铸模、塑压、胶片银浆布线等制作方法会比原102普通键盘成本高，可以采用先进的3D打印机印刷技术制造五面空方体，使十指套制作成本大大降低。

4 结束语

能否实现“十指套立体盲打键盘”的成品开发，最后推广应用在实际中，理论和技术上都可以采实现，关键是该键盘的用户群体及本身的使用效率，可以预见新生代年青人、视力弱者以及喜欢冥想的作家都将是该种键盘的有力推动者，完善键盘的制作工艺，使其更加舒适地操作，再配合开发相应的键盘指法练习软件，经过培训，就可以让各类使用者轻松、愉快、主动、有效地掌握“十指套立体盲打键盘”的使用（该键盘申请专利号：201310044391.2）。

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Design and Realisation of Ten Fingers Gloves 3D-keyboard for Blind Strucking

HOU Zi-Li，HOU Yong-Tao
（Wuhan Vocational College of Software and Engineering，WuHan Hubei 430205，China）

This paper carried on development research for the composition of appearance model to calling 102 touch point of"Ten Fingers Gloves 3D-Keyboard for Blind Strucking"，developes total constitute model diagram about Ten Fingers Gloves in the level and perpendicular direction（0～90°），designs the single Fingers Gloves frame structure and the single Fingers Gloves double frame structure，gives a "#type structure"diagram layout about the basic sign of English，Arabic numerals...etc.to adapt the Ten Fingers Gloves in the level and perpendicular directiong，comparisons the advantage and weakness about this kind keyboard and old common 102'skeyboard，all said the attention of item of this keyboard，explores this keyboard's manufacturing ways and it is going get practical applications value.

3D ten-fingers gloves；stereoscopic blind strucking；cross fork structure；key layout；3D-printing techniquet

TP317

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-079-04

2015-03-06

项目来源：湖北省教育科学“十二五”规划2013重点研究课题，《多维指套键盘》实用新型专利号：ZL201320065364.9

侯自力（1962-），男，工学硕士，高级工程师。主要研究领域：图形图像处理；侯永韬（1992-），男，本科在读。主要研究领域：实体经济。