控制输入设备处的手存在的电容式感测的制作方法

控制输入设备处的手存在的电容式感测


背景技术：

1.控制输入设备允许用户控制各种类型的机构和仪器的功能。例如，遥控控制系统可允许用户使用控制输入设备来控制单独设备(例如，操纵器设备)的功能或移动。例如，遥控外科手术系统可提供控制输入设备，使得用户能够控制单独的患者侧操纵器设备的各种类型的医疗仪器，以便为患者执行外科手术程序。控制医疗仪器和连接的机械臂以执行外科手术程序。操纵器设备的致动器可由控制输入设备控制，以在操纵器设备处引起与患者外科手术部位交互的医疗仪器、相机或其他末端执行器的运动或启动其功能。在一些示例中，操作员控制台处的控制输入设备可由操作员在一个或多个自由度上进行物理操纵，以控制末端执行器与操作部位处的控制设备协同移动。其他类型的遥控控制系统可在工作部位提供对操纵器设备的类似用户控制。
2.在一些类型的遥控系统中，可存在安全风险，这是由于控制输入设备可能会经历用户无意或未检测到的运动。在控制模式下，此类无意运动可导致操纵器设备的相应无意运动。一些示例包括对控制输入设备的偶然接触，或者由于意外冲击或力导致控制输入设备从用户手中滑落。例如，如果用户的手没有适当地握持控制输入设备，则由马达输出的触觉反馈可将控制输入设备推离用户的手。在此类非预期运动的情况下，遥控系统不得断开控制输入设备的控制模式。
3.一些控制系统可检测到用户正在操作控制输入设备的存在。这允许在检测到用户正在操作控制输入设备时启用操纵器设备的控制，并且允许在检测到用户不在场时安全地禁用控制。在一些控制系统中，可使用一个或多个存在传感器来检测用户的存在。例如，一些系统包括操作员控制台，在控制台处使用控制输入设备。当操作员头部被定位成观看控制台的视频输出设备时，光学检测器可检测操作员头部的存在。然而，此类检测并不直接指示用户的手是否准备好使用控制输入设备。
4.一些以前的存在感测系统可检测用户的手与控制输入设备的接触。例如，一些手感测系统可依赖于光学光束中断传感器或光学视线传感器来检测手的存在。然而，这些系统的存在检测可存在错误。例如，如果传感器小心地对准，不与控制输入设备的可握持手柄重叠，则这种对准可导致手检测错误缺失(假阴性)的事件，其中手柄阻挡用户的手进行检测，或者用户的手避免在某些手姿势中被光束检测到。对于某些类型的传感器，例如对其表面上的灰尘和划痕以及目标对象的反射率敏感的光学传感器，手的错误检测(假阳性)也是可能的。


技术实现要素：

5.本技术的实施方式涉及在控制输入设备处的手存在的电容式感测。在一些实施方式中，控制输入设备包括支撑结构、参照支撑结构在一个或多个自由度上可移动的手柄以及电耦接到手柄的电容式传感器电路。手柄与电接地隔离，是电容式传感器电路的天线。
6.描述了控制输入设备的各种实施方式和示例。例如，在一些实施方式中，支撑结构耦接到电接地。在一些实施方式中，控制输入设备进一步包括耦接在手柄和支撑结构之间
的电隔离元件。在一些示例中，电隔离元件包括轴承。例如，轴承可包括耦接到支撑结构的第一轴承部分和耦接到手柄的第二轴承部分。在各种实施方式中，第一轴承部分包括接触支撑结构的第一电绝缘层，和/或第二轴承部分包括接触手柄的第二电绝缘层。在进一步的示例中，电隔离元件包括被配置为将力从致动器传输到手柄的驱动机构。例如，驱动机构可包括齿轮机构，该齿轮机构包括将手柄耦接到支撑结构的多个联锁齿轮，并且多个联锁齿轮中的至少一个包括绝缘体，该绝缘体经由齿轮机构将手柄与电接地进行电隔离。
7.在一些实施方式中，电容式传感器电路被配置为基于从电容式传感器电路施加到手柄的电信号，检测手柄参照电接地的电容。例如，电容式传感器电路可在手柄上输出(或引起输出)振荡(例如，电振荡信号)，并且可感测振荡以确定手柄参照电接地的电容。在一些实施方式中，手柄参照支撑结构围绕手柄的对应一个或多个旋转轴线在一个或多个旋转自由度上可旋转。例如，手柄可包括可旋转地耦接到手柄中心部分的握持构件。在一些示例中，握持构件通过联轴器耦接到中心部分，该联轴器包括绝缘体，该绝缘体提供手柄与电接地的电隔离，并且绝缘体可包括联轴器上的阳极氧化表面。在进一步的示例中，控制输入设备包括耦接到握持构件的手指环，并且手指环包括导电金属元件并导电。在一些实施方式中，手柄包括手柄构件，控制输入设备进一步包括耦接到手柄构件的元件，并且该元件被配置为通过参照支撑结构沿着手柄的线性轴线平移来使手柄构件移动。
8.在一些实施方式中，控制输入设备进一步包括围绕手柄的中心轴线可旋转并为手柄提供滚动自由度的圆柱形构件，以及耦接在电容式传感器电路和圆柱形构件之间的旋转电连接器，例如滑环。在各种实施方式中，控制输入设备机械接地或机械未接地。在一些实施方式中，控制输入设备进一步包括一个或多个控制输入传感器，其感测手柄在一个或多个自由度上的一个或多个位置、一个或多个取向或一个或多个位置和取向。在一些实施方式中，控制输入设备被包括在遥控系统中，遥控系统包括控制模式，其中手柄在一个或多个自由度上的移动激活遥控系统的操纵器设备的一个或多个功能，以及由电容式传感器电路所感测的电容指示用户的手在控制输入设备处的存在，并且能够激活遥控系统的控制模式。在一些实施方式中，控制输入设备被包括在遥控外科手术系统中，并且支撑结构耦接到万向节机构，为支撑结构和手柄提供多个自由度。
9.在一些实施方式中，控制输入设备包括支撑结构、在一个或多个自由度上可移动的手柄、耦接在手柄和支撑结构之间的轴承以及电容式传感器。轴承包括绝缘体，并且手柄是电容式传感器的天线，并且由绝缘体通过轴承与电接地隔离。在一些实施方式中，支撑结构耦接到电接地。
10.描述了该控制输入设备的各种实施方式和示例。例如，在一些实施方式中，轴承包括第一元件和第二元件，第一元件耦接到支撑结构并包括接触支撑结构的电绝缘层，并且第二元件耦接到手柄。在一些实施方式中，轴承包括耦接到支撑结构的第一元件、耦接到手柄的第二元件以及定位在第一元件和第二元件之间的多个滚珠，这些滚珠由电绝缘材料制成。在一些实施方式中，手柄包括近端和远端，并且滚动轴线通过近端和远端定义，其中轴承参照支撑结构支撑手柄围绕滚动轴线的滚动自由度。在一些实施方式中，控制输入设备进一步包括围绕手柄的滚动轴线可旋转的圆柱形构件，该圆柱形构件为手柄提供滚动自由度，其中圆柱形构件耦接到轴承。在一些实施方式中，控制输入设备进一步包括齿轮机构，该齿轮机构包括耦接到第二齿轮的第一齿轮，其中第一齿轮耦接到手柄，并且第二齿轮耦
接到支撑结构，并且齿轮中的至少一个包括绝缘体，该绝缘体经由齿轮机构将手柄与电接地进行电隔离。
11.在一些实施方式中，控制输入设备包括支撑结构、在一个或多个自由度上可移动的手柄、耦接在手柄和支撑结构之间的驱动机构以及电容式传感器。驱动机构包括绝缘体，并且手柄是电容式传感器的天线并且由绝缘体通过驱动机构与电接地隔离。
12.描述了该控制输入设备的各种实施方式和示例。例如，在一些实施方式中，支撑结构耦接到电接地。在一些实施方式中，驱动机构包括齿轮机构，该齿轮机构包括啮合第二齿轮的第一齿轮，其中第一齿轮耦接到手柄，并且第二齿轮耦接到支撑结构，并且这些齿轮中的至少一个包括绝缘体。在各种实施方式中，绝缘体包括第一齿轮和/或第二齿轮的轮齿上的绝缘层，绝缘体包括第一齿轮和/或第二齿轮的轮齿上的阳极氧化表面，和/或绝缘体是联接到第一齿轮和/或第二齿轮的导电部分的第一齿轮和/或第二齿轮的绝缘部分。在一些实施方式中，控制输入设备进一步包括将齿轮机构耦接到手柄的可旋转圆柱形构件，圆柱形构件延伸穿过第一齿轮的孔，其中绝缘体包括设置在圆柱形构件的至少一部分上的绝缘层或套筒，和/或绝缘体是孔内的第一齿轮表面上的绝缘层。在一些实施方式中，控制输入设备进一步包括耦接在手柄和支撑结构之间的轴承，该轴承包括第二绝缘体，该第二绝缘体经由轴承将手柄与电接地进行电隔离。
13.在一些实施方式中，控制输入设备包括在一个或多个自由度上可移动的支撑结构、感测支撑结构在一个或多个自由度上的位置和/或取向的控制输入传感器和耦接到支撑结构的电容式传感器。电容式传感器包括天线，并且天线包括耦接到支撑结构并与电接地隔离的手柄。描述了该控制输入设备的各种实施方式和示例。例如，在一些实施方式中，支撑结构耦接到电接地。在一些实施方式中，手柄基于包括绝缘体的轴承和/或包括绝缘体的驱动机构与电接地隔离。
14.在一些实施方式中，一种方法包括从电容式传感器电路向控制输入设备的手柄发送电信号，其中手柄经由隔离元件与电接地隔离。该方法由电容式传感器电路基于电信号感测手柄的电容，并且响应于手柄的感测电容满足一个或多个检测标准(例如阈值)，确定在控制输入设备处感测到用户存在。
15.在该方法的一些实施方式中，手柄是电容式传感器电路的天线，用户存在包括在手柄的握持部分处接收的用户接触，并且隔离元件包括包含绝缘体的轴承和/或包含绝缘体的驱动机构。在一些实施方式中，该方法进一步包括由电容式传感器电路基于电信号感测手柄的第二电容，以及响应于手柄的电容不满足一个或多个检测标准，确定用户存在已经从控制输入设备移除。在一些实施方式中，手柄由用户的手在一个或多个自由度上移动，控制输入设备被包括在遥控系统中，并且响应于确定已感测到的用户存在，遥控操作系统的控制模式被激活，其中手柄在一个或多个自由度上的移动激活遥控系统的操纵器设备的一个或多个功能。在一些实施方式中，电容式传感器电路通过电阻元件耦接到手柄，并且感测电容包括感测电信号的相位滞后，相位滞后与电阻元件和手柄的rc时间常数成比例。在一些实施方式中，发送电信号由lc振荡器执行，并且感测电容包括感测与电容成比例的电信号的频率变化。
16.在一些实施方式中，控制输入设备包括用于向控制输入设备手柄发送电信号的装置，其中手柄经由隔离元件与电接地隔离。控制输入设备包括用于基于电信号感测手柄电
容的装置和用于响应于手柄的感测电容满足一个或多个检测标准来确定在控制输入设备处已经感测到用户存在的装置。
附图说明
17.图1是根据一些实施方式的可与本文所公开的一个或多个特征一起使用的遥控系统的示例实施方式的示意图；
18.图2是根据一些实施方式的如图1所示的示例用户控制系统的前视图；
19.图3是根据一些实施方式的控制输入设备的示例部分的透视图，该控制输入设备可包括本文所描述的一个或多个特征；
20.图4至图6分别是根据一些实施方式的包括本文所描述的一个或多个特征的控制输入设备的示例部分的俯剖视图、侧剖视图和透视剖视图；
21.图7是根据一些实施方式的示例滚珠轴承的透视剖视图，该示例滚珠轴承可用于包括本文所描述的一个或多个特征的控制输入设备中；
22.图8至图10是根据一些实施方式的齿轮或齿轮组件的侧剖视图，该齿轮或齿轮组件可用于包括本文所描述的一个或多个特征的控制输入设备中；
23.图11是根据一些实施方式的示例电路的示意图，该示例电路提供电容式感测以检测控制输入设备的用户的存在；
24.图12是示出根据一些实施方式的由电容式传感器感测的波形的示例曲线图的示意图；
25.图13是示出根据一些实施方式的检测操作控制输入设备的用户的手的存在的示例方法的流程图；以及
26.图14是可在本文所描述的一个或多个实施方式中使用的示例主从系统的框图。
具体实施方式
27.本文所描述的一个或多个实施方式涉及电容式感测系统，该系统检测控制输入设备处的手的存在。手存在感测系统感测接触控制输入设备或位于该设备附近的手的存在。在一些实施方式中，控制输入设备包括耦接到电接地的支撑结构、耦接到支撑结构的手柄和电耦接到手柄的电容式传感器电路。手柄与电接地隔离，并且是包括传感器电路的电容式传感器的天线。在一些示例中，一个或多个握持构件和手柄的外壳体部分可为电容式传感器的天线。
28.在各种实施方式中，一个或多个电隔离元件耦接在手柄和支撑结构之间，以将手柄与电接地隔离，并且允许使用手柄进行有效的电容式感测。例如，电隔离元件可为旋转轴承(诸如滚珠轴承)，其包括耦接到(例如，接触)支撑结构的第一轴承部分和耦接到(例如，接触)手柄的第二轴承部分。这些承载部分中的至少一个包括耦接到支撑结构或手柄的电绝缘层，诸如阳极氧化表面或由绝缘材料(例如氧化铝)制成的绝缘层。在另一示例中，电隔离元件可为驱动机构，包括例如齿轮机构，该齿轮机构具有将手柄耦接到支撑结构的多个联锁齿轮。至少一个齿轮包括绝缘体，该绝缘体经由齿轮机构将手柄与电接地进行电隔离。
29.在一些实施方式中，电容式传感器可基于感测从电容式传感器发送到手柄的电信号(例如，振荡信号)来检测手柄的电容。旋转电连接器(例如滑环)可耦接在电容式传感器
和耦接到手柄的圆柱形构件之间，允许信号在准许围绕轴线连续旋转的手柄上传输和感测。在一些示例中，控制输入设备可被包括在遥控系统中，并且响应于检测到满足一个或多个检测标准(例如，阈值)的电容，遥控系统的控制模式被激活，其中手柄的移动激活操纵器设备的一个或多个功能，诸如操纵器设备的对应移动。
30.本文所描述的特征为控制输入设备的存在感测系统提供了若干个优点。电容式感测系统允许检测用户的手与控制输入设备的接触。如果检测到用户的手与控制输入设备接触，则可启用遥控系统的控制模式，从而避免或以其他方式减少受控操纵器设备的非预期运动。这允许遥控系统比不提供此类手存在检测的系统更安全地进入控制模式。
31.此外，本文所描述的特征提供了对控制输入设备上或附近的用户手的稳健检测。特征包括在控制输入设备的手柄处电容式地感测用户的手，其通过精确地感测用户与控制输入设备的接触而不考虑手的位置，从而消除或以其他方式减少可能出现在基于光学的感测系统中的假阴性和假阳性的可能性。控制输入设备的手柄用作电容式感测系统中的天线，其中手柄与电接地隔离，以提供电容式感测的高灵敏度。这种隔离是通过控制控制输入设备中部件的电(导电和绝缘)属性来获得的。例如，轴承和传动系是绝缘的，感测信号经由旋转连接器连接到旋转手柄。因此，存在感测系统的特征可以可靠地确定用户的手是否与控制输入设备接触，这是确定用户意图的有价值信息，并且可在遥控系统或其他类型的控制系统中激活控制模式时帮助减轻安全风险。使用各种描述的特征，由系统确定进入和退出控制模式，或者改变控制系统的其他状态，更加容易、可靠和稳健。本文所描述的各种实施方式是紧凑且廉价的。
32.本文使用的术语“中心”、“平行”、“垂直”、“对准”或以度、赫兹或其他单位表示的特定测量值无需精确，可包括典型的工程公差。本文中的一些实施方式可与各种对象在三维空间的状态有关。如本文所使用的，术语“位置”是指对象或对象的一部分在三维空间中的定位(例如，沿笛卡尔坐标x、y、z的三个平移自由度)。如本文所使用的，术语“取向”是指对象或对象一部分的旋转放置(三个旋转自由度-例如，围绕笛卡尔x、y和z轴的滚动、俯仰和偏航)。如本文所使用的，术语“姿势”是指对象或对象的一部分在至少一个平移自由度上的位置，以及该对象或对象的一部分在至少一个旋转自由度(最多六个总自由度)上的取向。
33.如本文所指，机械接地的单元或设备在大型工作环境(例如，操作区域或房间)中相对于可能的位置和取向运动受到约束。此外，此类单元以运动方式耦接到地面(例如，由控制台、支撑件或其他附接到地面的对象进行机械支撑)。如本文所使用的，术语“近端”是指靠近(或更靠近)机械地面的元件，并且术语“远端”是指远离(或更远离)机械地面的元件。本文使用的术语“手指”是指手的任何指，例如拇指、食指、中指、无名指或小指。
34.图1是可与本文所公开的一个或多个特征一起使用的示例性遥控外科手术系统100的示意图。其他类型的控制系统、遥控系统或主从系统可用于包括一个或多个所描述特征的各种实施方式中。遥控外科手术系统100包括用户控制系统(例如，外科医生控制台)102和操纵器系统104。
35.在该示例中，用户控制系统102包括观看器213(在图2中示出)，其中在使用系统100的操作程序期间显示工作部位的图像。例如，图像可由显示设备(诸如一个或多个显示屏)显示，以描绘外科手术程序期间的外科手术部位。提供支撑件110，用户112(例如，诸如
外科医生的操作员)可在握持控制输入设备(例如，图2中所示的控制输入设备210和212)的同时将前臂搁在支撑件110上。控制输入设备210和212定位在工作空间114中，工作空间114向内设置在支撑件110之外。当使用用户控制系统102时，用户112可坐在控制系统102前面的椅子上，将用户的头/眼睛定位在观看器213前面，并且握持控制输入设备210和212，每只手一个，同时将前臂搁在支撑件110上。
36.遥控系统100中还包括操纵器系统104。例如，在本示例中，操纵器系统104可为从设备，或者可替代地为不同类型的从设备或其他受控设备。在如图所示的一些实施方式中，在外科手术程序期间，操纵器系统104可定位靠近外科手术部位，该外科手术部位参照设置在手术台或其他类型的工作部位上的患者或模型定位。在各种实施方式中，操纵器系统104可保持静止，直到特定程序或程序的阶段完成，或者可以相对于工作部位移动。
37.操纵器系统104可包括一个或多个操纵器设备，其可包括操纵器臂组件120。在一些示例中，臂组件120可包括彼此可旋转地耦接的多个连杆。臂组件120的部分可通过马达致动并围绕旋转轴线被感测。在一些示例中，臂组件120中的一个或多个可被配置为保持诸如图像捕获设备(例如，内窥镜122)的操纵器设备，其可提供外科手术部位的一部分的经捕获图像。在一些实施方式中，经捕获图像可传输到用户控制系统102的观看器213和/或传输到一个或多个其他显示器，例如耦接到操纵器系统104的显示器124。
38.在一些示例中，其他臂组件120中的每一个均可包括操纵器设备，诸如外科手术工具126。每个外科手术工具126可包括外科手术末端执行器，例如，用于治疗患者的组织。末端执行器可设置有由例如相关联的臂组件的连杆构件的旋转、末端执行器机构的线性运动等提供的自由度。臂组件120中的部件可用作力传输机构，以接收遥控伺服致动力，并且将接收到的力重定向以操作末端执行器的部件。末端执行器可包括一个或多个马达或其他致动器，其操作末端执行器的相关特征，诸如末端执行器的俯仰、偏航和/或滚动、打开钳口或移动末端执行器的刀片、通过连接管输送的材料输出(例如液体或其他流体)、吸力，和/或多个其他末端执行器功能中的任何一个。末端执行器机构可包括柔性元件、铰接式“蛇”臂、可操纵导管、导管、手术刀或切割刀片、电外科手术元件(例如单极或双极电仪器)、谐波切割器、剪刀、镊子、牵开器、扩张器、夹具、烧灼工具、针、针驱动器、缝合器、钻头、探针、观测仪、光源、导向器、测量设备、血管封堵器、腹腔镜工具或其他尖端、机构或设备。外科手术操纵器臂的一个示例是由加利福尼亚州桑尼维尔市的直观外科手术公司(intuitive surgical,inc.)商业化的外科手术系统中的da外科手术系统仪器操纵器臂。
39.在该示例中，响应于用户112在用户控制系统102处对相应的控制输入设备(例如控制输入设备210和212(图2所示))的操纵，可使臂组件120移动和铰接外科手术工具126。这种布置允许用户112例如通过微创外科手术孔在内部外科手术部位指导外科手术程序。例如，耦接到臂组件120的一个或多个致动器可响应于从用户控制系统102接收的控制信号而输出力，以使臂组件的连杆或其他部分在特定自由度下移动。例如，臂和末端执行器在一个或多个自由度上的移动可对应于由用户操持(handle)的相关控制输入设备在一个或多个自由度上的移动。用户控制系统102可与操纵器系统104在物理环境(例如，手术室)中一起使用，或者可距操纵器系统102更远程地定位，例如，在与操纵器系统不同的位置。
40.遥控系统100的一些实施方式可提供不同的操作模式。在一些示例中，在遥控系统100的非控制模式(例如，安全模式)下，操纵器系统104的受控运动与用户控制系统102的控
制输入设备断开，使得控制输入设备的移动和其他操纵不会引起操纵器系统104的运动。在遥控系统100的控制模式下(例如，跟随模式，其中一个或多个从操纵器跟随对应的控制输入设备)，操纵器系统104的运动可由用户控制系统102的控制输入设备210和212控制，使得控制输入设备210和212的运动和其他操纵例如在外科手术程序期间引起操纵器系统104的运动。例如，操纵器设备的受控功能可包括操纵器设备的移动。在一些示例中，控制输入设备设置有与操纵器系统104的操纵器设备相同的自由度，以向用户提供临场感，例如，控制输入设备与仪器集成的感觉，使得用户112具有直接移动仪器的强烈感觉，就像存在于工作现场一样。
41.一些实施方式可为或包括遥控医疗系统，诸如由加利福尼亚州桑尼维尔市的直观外科手术公司商业化的da外科手术系统(例如，型号为is3000或is4000，作为da vinci或da vinci外科手术系统销售)。然而，本文所公开的特征可按各种方式实施，包括在至少部分由计算机控制、经由电子控制信号控制、经由直接物理操纵手动控制等实施方式中。da外科手术系统上的实施方式仅为示例性的，不应被视为限制本文所公开的特征的范围。例如，在工作部位处具有从设备的不同类型的遥控系统可利用本文所描述的致动控制特征。其他非遥控系统也可使用一个或多个所描述的特征，例如，各种类型的控制系统和设备、外围设备等。
42.例如，在各种实施方式中，除了外科手术系统外，其他类型的计算机辅助遥控系统可与本文所描述的一个或多个特征一起使用。此类遥控系统可包括各种形式的受控操纵器或从设备。例如，潜水器、危险材料处理单元、工业应用、恶劣环境和工作现场中的应用(例如，由于天气、温度、压力、辐射或其他条件)、一般机器人应用和/或远程控制应用(例如，具有第一人称视角的远程控制车辆或设备)可利用遥控系统，包括用于感官传输(传达视觉、听觉等体验)、操纵工件或其他物理任务等的从设备，并且可使用机械接地和/或未接地的控制输入设备以远程控制从设备。任何此类遥控系统均可与本文所描述的各种特征一起使用。
43.在一些实施方式中，受控操纵器设备可为设备的虚拟表示，例如，呈现在由耦接到遥控系统100的计算设备提供的图形仿真中。例如，用户可操纵用户控制系统102的控制输入设备210和212，以在仿真的虚拟空间中控制末端执行器的显示表示，类似地，好像末端执行器是耦接到物理操纵器设备的物理对象。
44.图2是上文针对图1所描述的示例用户控制系统102的前视图。用户控制系统102包括观看器213，该观看器在使用遥控系统100的程序期间提供工作部位的图像的显示。观看器213可定位在观看凹槽211内，用户112可将他或她的头定位在该凹槽中以观看由观看器213显示的图像。当使用用户控制系统102时，用户112可坐在用户控制系统102前面的椅子上(或站在椅子上)，并且将他或她的头部定位在凹槽211内，使得他或她的眼睛定位在观看器213前面。
45.在一些实施方式中，一个或多个用户存在传感器214可定位在用户控制系统102的一个或多个位置处，以检测位于用户控制系统102旁边或附近的用户头部的存在。在该示例中，用户存在传感器214可感测凹槽211内的用户头部的存在。例如，电磁传感器(例如，光学传感器)可用于存在传感器。在一些示例中，光学传感器可包括发射器216和检测器218。由
发射器216从凹槽211的一侧发射红外或其他波长的光束，并且由检测器218在凹槽的另一侧检测该光束。如果光束被检测器检测中断，例如由于用户的头部阻挡了光束，则系统确定用户的头部在凹槽内，并且用户处于使用用户控制系统102的控制输入设备的适当位置。
46.如本文各种实施方式中所描述的，用户控制系统102的附加存在传感器包括设置在控制输入设备210和212上的电容式传感器。
47.提供两个控制输入设备210和212用于用户操纵。在一些实施方式中，每个控制输入设备210和212可被配置为控制操纵器系统104的相关联的臂组件120的运动和功能。例如，控制输入设备210或212可在多个自由度上移动，以在对应的自由度上移动操纵器系统104的对应末端执行器。在一些实施方式中，控制输入设备210和212是可在所有六个笛卡尔自由度上移动的手动输入设备。控制输入设备210和212被定位在工作空间114中，向内在支撑件110之外。例如，用户112可在握持两个控制输入设备210和212的同时休息前臂，每只手中有一个控制输入设备。用户还将他或她的头部定位在观看凹槽211内，以观看观看器213同时操纵控制输入设备210和212(如上所描述的)。可用作控制输入设备210和212的输入设备部分的各种示例在下面描述。
48.用户控制系统102的一些实施方式可包括定位在控制输入设备210和212下方的一个或多个脚控件220。在用户坐在用户控制系统102处的同时，脚控件220可被用户的脚按压、滑动和/或以其他方式操纵，以向遥控系统输入各种命令。
49.图3是根据一些实施方式的控制输入设备的示例设备部分300的透视图，该控制输入设备可包括本文所描述的一个或多个特征。在一些实施方式中，控制输入设备可为系统的一部分，其中经由控制输入设备提供的用户输入用于控制一个或多个设备功能。例如，系统可以是遥控系统，其中控制输入设备控制操纵器设备。例如，设备部分300可用作控制输入设备的一部分，诸如上面参照图1和图2所描述的控制输入设备210或212，或者部分300可被包括在不同的控制设备中。在一些实施方式中，设备部分300包括一个或多个万向节机构。
50.设备部分300包括手柄302，用户接触手柄302以操纵控制输入设备。在该示例中，手柄302包括两个握持件，每个握持件包括手指环304和握持构件306(握持构件306a和306b)。两个握持构件306定位在手柄302的中心部分303的相对侧上，并且握持构件306可被用户的手指抓住、握住或以其他方式接触。每个手指环304附接到相应的握持构件306，并且可用于将用户的手指固定到相关联的握持构件306。在该示例中，手指触点305可连接或形成在握持构件306a和306b的未连接端处，以提供接触用户手指的表面。用户还可在抓住握持构件306的同时接触手柄302的其他部分。
51.每个握持构件306和手指环304可在相关联的自由度308(例如308a和308b)上移动。在一些示例中，握持构件306a和306b各自在相应的旋转联轴器处耦接到手柄302的中心部分303，从而允许握持构件分别围绕握持轴线307a和307b相对于中心部分303旋转移动。例如，通过用户接触握持构件，每个握持构件306a和306b可分别围绕轴线307a在相关联的自由度308a上以及围绕轴线307b在自由度308b上移动。例如，在一些实施方式中，握持构件306a和306b可以钳夹类型的移动(例如，朝向或远离彼此)同时移动。在各种实施方式中，可提供单个握持构件306和手指环304，或者仅握持构件306中的一个可在自由度308上移动，而另一个握持构件306可参照手柄302固定。例如，握持构件306a和306b在其自由度上的位
置可控制其末端执行器或部件的对应旋转位置。
52.一个或多个握持传感器(未示出)可耦接到手柄302和/或设备部分300的其他部件，并且可检测握持构件306a和306b在其自由度308上的位置。握持传感器可向遥控系统100的控制单元发送描述感测位置和/或运动的信号。在一些模式或实施方式中，控制单元可向操纵器设备(例如，操纵器系统104)提供控制信号。例如，握持构件306a和306b在自由度308a和308b上的位置可用于控制操纵器系统104的末端执行器的各种自由度中的任何一个。
53.设备部分300的各种实施方式可提供一个或多个主动致动器(例如，马达、音圈等)，以在自由度308中在握持构件306上输出主动力。例如，传感器和/或致动器可被容纳在中心部分303或壳体309中，并且通过传动装置耦接到握持构件306。一些实施方式可在握持构件306和手柄302的中心部分303之间提供一个或多个被动致动器(例如，制动器)或弹簧，以在握持件的特定方向上提供运动阻力(例如，在自由度308中朝向彼此的方向上的运动)。
54.手柄302另外设置有围绕定义在手柄302的第一端和第二端之间的滚动轴线312的旋转自由度310。在该示例中，滚动轴线312是沿手柄302的中心部分303的中心大致延伸的纵向轴线。手柄302可相对于设备部分300的支撑构件(诸如包括壳体309的支撑构件)围绕轴线312旋转。例如，用户可在轴线312周围相对于壳体309将握持构件306和中心部分303作为单个单元进行旋转，以提供对操纵器设备的控制，诸如操纵器系统104的末端执行器或操纵器系统104的其他元件。
55.一个或多个控制输入传感器(未示出)可耦接到手柄302，以检测手柄302在旋转自由度310上的取向。例如，传感器可向遥控系统100的控制单元发送描述取向的信号，遥控系统100可向遥控操作系统100的控制单元发送描述取向的信号，该控制单元可类似于上述那样向操纵器系统104提供控制信号。例如，手柄302在自由度310上的旋转可控制操纵器系统104的末端执行器的特定自由度，该自由度不同于由握持构件306的自由度308控制的操纵器自由度。
56.设备部分300的一些实施方式可提供一个或多个致动器，以在旋转自由度310上在手柄302(包括握持构件306和手指环304)上输出力。例如，传感器和/或致动器可容纳在壳体309中，并且通过延伸穿过手柄302的中心部分303的轴耦接到手柄302。
57.在各种实施方式中，手柄302可提供附加的自由度。例如，可在肘形连杆324和连杆326之间的旋转联轴器处向手柄302提供围绕偏航轴线322的旋转自由度320，其中肘形连杆324耦接到手柄302(例如，在壳体309处)。在该示例中，偏航轴线322与滚动轴线312相交并正交。例如，偏航轴线322可类似于图2中所示的轴线232。可类似地提供附加的自由度。例如，连杆326可为肘形的，并且可在连杆326的另一端和另一个连杆(未示出)之间提供旋转联轴器。可将围绕轴线330的旋转自由度328提供给旋转联轴器处的手柄302。例如，轴线330可类似于图2中所示的轴线230。在一些示例中，设备部分300可允许手柄302在用户控制系统102的工作空间114内在多个自由度(例如包括三个旋转自由度和三个平移自由度的六个自由度)上移动。类似于以上针对自由度308和310所描述的，一个或多个附加自由度可由控制输入传感器感测和/或由致动器(马达等)致动。在一些实施方式中，手柄302的每个附加自由度可控制操纵器系统104的末端执行器的不同自由度(或其他运动)。
58.在示例实施方式中，手柄302机械接地，例如，由运动链在空间中支撑，运动链的一
端固定在机械接地处，诸如地板、墙壁或天花板。例如，壳体309可耦接到机械联动装置，该机械联动装置耦接到地面或连接到地面的对象，从而为设备部分300的使用提供稳定的平台。例如，接地的机械联动装置可连接到支撑构件，例如，用一个或多个旋转联轴器、滚珠接头或其他联轴器，包括线性接头。机械联动装置可为手柄302提供六个或更多自由度。在一些实施方式中，联动装置中的一个或多个连杆可包括连杆324和326。
59.在一些示例中，支撑构件可耦接到串联运动链，其近端机械接地。运动链可包括多个构件或连杆，这些构件或连杆可旋转地耦接到链的一个或多个其他构件或连杆(例如通过旋转联轴器或线性联轴器)。链的旋转轴线可由传感器和/或致动器感测和/或驱动。一些实施方式可提供运动链的附加致动和/或感测运动，例如，围绕纵向延伸穿过一个或多个构件的轴线。在一些实施方式中，运动链的多个构件形成万向节机构，该万向节机构允许手柄302围绕链的旋转轴线旋转。在一些实施方式中，手柄302还可在运动链允许的至少三个线性自由度上平移。
60.各种运动链、联动装置、万向节机构、柔性结构或其中两种或两种以上的组合可与机械接地手控制器一起在各种实施方式中使用，以为手控制器提供一个或多个自由度。此类实施方式的一些示例在通过引用并入本文的us6714839b2中有所描述。
61.在所描述的示例中，手柄302包括一个或多个控制开关350，例如，耦接到中心部分303或中心部分303内的机构。例如，两个控制开关350可定位在轴线312的相对侧上，和/或可提供附加控制开关。在一些示例中，控制开关350具有可平行于轴线312滑动的部分(例如，根据用户的手指的指示)，或者可按下的控制开关部分。在一些实施方式中，控制开关350可为完全或部分包围中心部分303的环或套环，并且可向上或向下滑动中心部分303到多个位置。在一些实施方式中，控制开关350可移动到各种位置以提供特定的命令信号，例如，选择控制台和/或控制输入设备的功能、选项或模式(例如，如本文所描述的控制模式或非控制模式)，命令操纵器设备或与控制输入设备通信的其他系统等。
62.手柄302还包括存在感测系统，该系统包括一个或多个电容式传感器，该电容式传感器可检测操作手柄的用户手的存在。下面描述存在传感器的各种实施方式。
63.本文所描述的一个或多个特征可与其他类型的控制输入设备一起使用。例如，设备部分300可为或为机械未接地的控制输入设备的一部分，该设备可在空间中自由移动并与地面断开。如本文所使用的，机械未接地的控制输入设备是指在工作环境(例如，操作区域或房间)中不受可能的位置、取向和运动限制的控制输入设备。此外，此类控制设备在运动上与地面分离，例如，不受控制台、支撑件或其他接触地面的对象进行机械支撑。可使用控制输入设备中包括的传感器和/或位于控制输入设备外部的传感器在其工作空间中感测未接地的控制输入设备的定位和运动。在一些实施方式中，机械未接地的控制设备可与一个或多个相关联部件(诸如控制处理器、数据源、传感器、电源等)进行栓系或非栓系连接。例如，控制设备可被栓系，例如，经由电缆或电线物理连接到这些部件，或者不受约束，例如，未物理连接到这些部件并经由无线通信信号与这些部件通信。
64.在机械未接地的控制输入设备的一些示例中，类似于手柄302和/或握持构件306的一个或多个手柄可耦接到佩戴在用户手上的机构，并且该机构是未接地的，允许用户在空间中自由移动握持件。在一些示例中，握持件相对于彼此和/或相对于手柄其他部分的位置可通过将握持件耦接在一起并约束它们相对于彼此的运动的机构来感测。一些实施方式
可使用用户的手戴的手套结构。此外，一些实施方式可使用耦接到其他结构的传感器来感测空间内的握持件，例如，使用相机或可检测三维空间中的运动的其他传感器。机械未接地的控制输入设备可使用如本文所描述的电容存在感测特征件来检测用户是否持有控制输入设备。未接地的控制输入设备的一些示例在专利号us 8543240 b2(于2010年9月21日提交)和us 8521331 b2(于2008年11月13日提交)中有所描述，这两项专利通过整体引用并入本文。
65.图4是根据一些实施方式的控制输入设备的设备部分400的示例实施的俯剖视图，该控制输入设备包括本文所描述的一个或多个特征。图5是示例设备部分400的侧视图。在一些实施方式中，设备部分400可被实施为上文关于图3描述的控制输入设备中的设备部分300，或者可被包括在不同的控制输入设备中。
66.设备部分400包括耦接到支撑结构408的手柄402，在一些实施方式中，可类似于图3所述的手柄302和基座构件壳体309。
67.手柄402包括第一端(近端)404、与第一端相对的第二端(远端)405以及在第一端和第二端之间定义的中心轴线412。手柄402的中心部分407可在近端404和远端405之间延伸。手柄402可相对于支撑结构408以滚动自由度绕中心轴线412旋转。在一些实施方式中，手柄402可包括旋转耦接到沿中心轴线412延伸的中心部分407的握持构件406，类似于图3的握持构件306。握持构件406可通过旋转联轴器409旋转地耦接到中心部分407。在一些实施方式中，类似于图3所描述的，在用手握持手柄期间，中心部分407可定位在手的至少两个手指之间。如下所描述的，握持构件406可至少部分导电，与电接地隔离，并且被包括在电容式传感器的天线中。
68.手指环411可耦接到握持构件406，并且可用于将用户的手指固定至相关联的握持构件406。在一些实施方式中，手指环411可耦接到握持构件部分413，该握持构件部分耦接到握持构件406。在一些实施方式中，手指环411和/或握持构件部分413可由至少部分导电材料制成。例如，导电材料的颗粒(例如，碳纤维或金属颗粒)可分散在手指环411的材料中，诸如硅橡胶或用于手指环的其他柔性材料，其浓度使得手指环至少部分导电。在一些实施方式中，握持构件部分413可由导电材料制成，或者可由更绝缘的材料(例如塑料)制成，并且包括类似于手指环411的导电颗粒。
69.手柄402还可包括围绕轴线412旋转的板410和管414。板410刚性耦接到延伸到支撑结构408中的管414。如下所描述的，板410可为由手柄402形成的天线的一部分。
70.支撑结构408旋转地耦接到手柄402，并且手柄402相对于支撑结构408围绕轴线412旋转。支撑结构408可具有各种配置中的各种形状。在示例性实施方式中，支撑结构408机械地耦接到接地，使得手柄402例如经由一个或多个连杆(诸如如上所描述的连杆324和326)机械地接地。在其他实施方式中，支撑结构408是机械未接地的，并且可在工作环境中自由移动。支撑结构408电接地。例如，底盘415电接地。
71.支撑结构408包括相对于支撑结构408的底盘415围绕轴线412旋转的管414(或其他圆柱形构件)。管414耦接到轴承430，该轴承使管414能够旋转。轴416耦接到手柄402，并且通过管414的内孔延伸到设置在支撑结构408中的驱动机构417。轴416可平移地(例如，可滑动地)耦接到管414。在各种实施方式中，轴416可与管414接触，或可分离且不与管414接触。如下所描述的，管414、轴416和板410可与电接地隔离。在一些实施方式中，可省略轴
416，例如，管414可为具有实心内部的轴。
72.驱动机构417可将旋转致动器426(如图5所示)输出的旋转力转换为驱动机构417施加到轴416上的线性力。在该示例中，驱动机构417包括可旋转耦接的连杆418和420。例如，驱动机构417的连杆418耦接到致动器426，并且将来自旋转致动器426的旋转力传输到连杆420，连杆420旋转耦接到连杆418并旋转耦接到托架422。托架422刚性耦接到轴416并沿轨道424平移，因此，随着托架422沿轨道滑动时，轴416沿轴线412通过管414线性平移。在一些实施方式中，轴416移动手柄402中的联动装置428，该联动装置428包括两个构件，这两个构件在旋转联轴器429处可旋转地耦接到轴416，并且每个构件在旋转联轴器431处可旋转地耦接到握持构件406。轴416由致动器426线性驱动，以经由联动装置428围绕其旋转轴线旋转握持构件406。
73.在设备部分400中可替代地使用其他驱动机构代替驱动机构417，以将力从致动器传输到轴416，从而沿轴线412线性平移轴416。例如，可使用具有其他尺寸或配置的连杆。在其他示例中，可使用绞盘驱动机构、齿轮机构、滚珠丝杠机构或其他机构。
74.旋转轴承430耦接在底盘415和管414之间。轴承430允许管414相对于底盘415围绕轴线412旋转。在一些示例中，轴承430是具有内环、外环和位于这些环之间的多个滚珠的滚珠轴承，并且内环和外环可相对于彼此旋转。例如，管414可刚性耦接到内环，并且底盘415可刚性耦接到外环。参照图7描述滚珠轴承的一些示例实施方式。在一些实施方式中，旋转轴承430可为或包括其他类型的轴承，例如滚柱轴承，诸如圆柱滚柱轴承等。
75.在一些实施方式中，旋转轴承430包括绝缘体，该绝缘体将轴承430处的管414和手柄402与耦接到电接地的支撑结构408(例如底盘415)电隔离。在一些示例中，绝缘体可为设置在轴承表面上的绝缘表面或层，或者由绝缘材料制成的轴承的部件。下面参照图7描述用于轴承的绝缘体的一些示例。
76.驱动机构可设置在管414和致动器440之间，以传输来自致动器的力来旋转管414。在该示例中，驱动机构包括齿轮机构，该齿轮机构包括齿轮436和齿轮438(参见图5)。齿轮436可在齿轮436的中心孔或毂处刚性耦接到管414。齿轮436用于驱动管414参照底盘415围绕轴线412旋转。齿轮436、轴416、板410和手柄402的其他部件耦接到管414并与管414一起旋转。在一些实施方式中，齿轮436可刚性耦接到夹具437(参见图5和图6)，该夹具437进一步将齿轮436固定到管414。齿轮436与齿轮438啮合，齿轮438耦接到致动器440(如图5所示)。致动器440可为马达或其他主动致动器，其具有耦接到底盘415的壳体并在致动器的旋转轴上输出旋转力。旋转轴刚性耦接到齿轮438。齿轮438经由设置在齿轮438的啮合表面上的齿轮齿和设置在齿轮436的啮合表面上的齿轮齿与齿轮436啮合。由致动器414引起的齿轮438的旋转引起齿轮436的旋转，齿轮436的旋转继而参照底盘415围绕轴线412旋转管414、轴416、板410和手柄402(包括握持构件406)。
77.其他齿轮机构可用于其他实施方式，例如，包括多个齿轮的机构。在设备部分400中可替代地使用其他驱动机构代替上述齿轮机构，以将力从致动器传输到管414，从而围绕轴线412旋转管414。例如，可使用绞盘驱动机构、皮带和皮带轮机构或具有类似于齿轮的驱动元件的其他机构，其可包括类似于本文所描述的绝缘体。
78.在一些实施方式中，一个或多个控制输入传感器(例如，滚动传感器)可耦接到致动器440并检测齿轮436的取向。齿轮436的取向指示手柄402关于轴线412的滚动(旋转)取
向。例如，旋转编码器可耦接到致动器轴并包括在致动器440的壳体中。滚动传感器可向控制单元发送描述手柄402的经感测的取向和/或运动的信号。在一些模式或实施方式中，控制单元可向操纵器系统104提供控制信号。在一些实施方式中，其他传感器也可或可替代地用于检测手柄402围绕轴线412的旋转。例如，编码器441(例如，包括编码器磁铁)可在管414周围定位，并且感测管414和/或齿轮436围绕轴线412的取向。在一些实施方式中，支撑件443可耦接到齿轮436以保持编码器441并可接触管414。在各种实施方式中，编码器441的磁体是绝缘的，和/或支撑件443可由绝缘材料(例如塑料)制成，以将管414与齿轮436隔离。
79.在一些实施方式中，齿轮436包括绝缘体，该绝缘体通过齿轮436将管414和手柄402与耦接到电接地的支撑结构408(例如底盘415)电隔离。在一些示例中，绝缘体可为设置在齿轮的表面上的绝缘表面或层，或者是由绝缘材料制成的齿轮的部件。下面参照图8至图10描述用于齿轮的绝缘体的一些示例。
80.旋转轴承444可在齿轮436与旋转轴承430相对的一侧上联接在底盘415和管414之间。类似于轴承430，轴承444允许管414相对于底盘415围绕轴线412旋转。在一些示例中，轴承444是具有内环、外环和位于这些环之间的多个滚珠的滚珠轴承，并且内环和外环可相对于彼此旋转。例如，管414可刚性耦接到内环，并且底盘415可刚性耦接到外环。参照图7描述滚珠轴承的一些示例实施方式。在一些实施方式中，旋转轴承430可为或包括类似于针对轴承430所描述的其他类型的轴承。
81.在一些实施方式中，旋转轴承444包括绝缘体，该绝缘体将轴承444处的管414和手柄402与耦接到电接地的支撑结构408(例如底盘415)电隔离。在一些示例中，绝缘体可为设置在轴承的表面上的绝缘表面或层，或者由绝缘材料制成的轴承的部件。下面参照图7描述用于轴承的绝缘体的一些示例。
82.驱动机构417经由旋转轴承448和450旋转耦接到轴416。轴承448和450在驱动机构417的托架422的侧面上耦接在托架422和轴416之间。在一些示例中，轴承448和450可为类似于上述轴承430的滚珠轴承。例如，轴416可刚性耦接到内环，并且底盘415可刚性耦接到轴承的外环。轴承448和450允许轴416相对于托架422围绕轴线412旋转。轴416可相对于托架422旋转。例如，通过托架422沿轴线412的止动件或其他特征件，可防止轴416沿轴线412相对于托架422平移。在各种实施方式中，旋转轴承448和450可为如上所述的滚珠轴承或类似于针对轴承430所述的其他类型的轴承。在一些实施方式中，轴416和托架422可被预加载，例如，使用波形弹簧451和/或螺钉453。
83.在一些实施方式中，旋转轴承448和450各自包括绝缘体，该绝缘体将轴承448和450处的轴416和手柄402与经由驱动机构417、致动器426和支撑结构408(例如底盘415)提供的电接地进行电隔离。在一些示例中，绝缘体可为设置在轴承448和450的表面上的绝缘表面或层，或者由绝缘材料制成的轴承的部件。下面参照图7描述用于轴承的绝缘体的一些示例。
84.在一些实施方式中，驱动机构417的一个或多个连杆可包括绝缘体。例如，可对连接到轴承448和450的托架422的内孔进行阳极氧化处理，或者可对其施加不同类型的绝缘层，这将驱动机构417和致动器426与轴416电隔离。
85.在一些实施方式中，旋转电连接器454(如图5和图6所示)耦接到轴416。旋转电连接器454在轴416和电容式传感器电路之间提供电连接。下面参照图11描述电容式传感器电
路的一些示例。例如，旋转电连接器454可为滑环设备，其包括一个或多个接触引线456，接触引线456被物理地压抵轴416(例如，通过弹簧)，并且允许轴416围绕轴线412连续旋转，同时维持从轴416到连接器454的电连接。在一些实施方式中，旋转电连接器454可耦接到管414而不是轴416，或者耦接到围绕轴线412旋转的手柄组件的另一旋转部件(包括轴416、管414、板410和手柄402)。
86.轴承430、444、448和450的绝缘特征以及包括齿轮436和438的齿轮机构的绝缘特征允许手柄组件(包括手柄402、轴416和管414，其中手柄402包括中心部分407、握持构件406和板410)与电接地进行电隔离。例如，轴承430、444、448和450以及齿轮436可为手柄组件和接地部件(例如底盘415、致动器426和440以及驱动机构417)之间的唯一物理接触点。这允许包括手柄402的手柄组件作为电容式传感器电路的天线操作，该电容式传感器电路可感测用户手的存在(如本文所描述的)。在一些实施方式中，手柄组件可包括类似地与电接地隔离的其他部件。在一些实施方式中，设备部分400的不同或附加部件可与电接地隔离，并且用作电容式传感器电路的天线。
87.图6是图4的示例设备部分400的透视图，其中对应部件被类似地标记。在该视图中，手指环411和握持构件部分413未示出在握持构件406上。在一些实施方式中，旋转电连接器454包括两个触点456，其被弹簧偏置或以其他方式保持在与轴416的两侧接触的合适位置，以维持触点456和轴416之间的电连接。电线或电缆(诸如电线602)可从旋转电连接器454布线到电容式传感器电路，以在这些部件之间传输信号，并且布线到作为电容式传感器电路的天线操作的手柄组件。
88.图7是根据一些实施方式的示例滚珠轴承700的透视剖视图，该示例滚珠轴承700可用于隔离控制输入设备中的部件。例如，在一些实施方式中，滚珠轴承700可用作图4至图6的旋转轴承430、444、448和/或450，以允许管414或轴416围绕轴线412旋转。
89.滚珠轴承700包括内环(例如座圈)702、外环(例如座圈)704和多个滚珠706。滚珠706位于内环702和外环704之间，并且在内环702的凹槽处接触内环702，在外环704的凹槽处接触外环704。滚珠706在内环702和外环704之间旋转，以使一个环能够相对于另一个环绕轴承的轴线714旋转。在一些实施方式中，保持架716可设置在滚珠706周围，以防止滚珠706由于滚动而相互接触。
90.在一些实施方式中，滚珠轴承700可包括绝缘体，该绝缘体将耦接到(例如，接触)轴承700的一个元件与耦接到(例如，接触)轴承700的另一个元件电隔离。在一些示例中，绝缘体可为设置在轴承700的内表面710和/或轴承700的外表面712上的绝缘材料(例如，层)。在一些示例中，绝缘材料可喷涂在外环704上，包括外表面712，诸如氧化铝粉末或其他绝缘材料。在一些实施方式中，绝缘材料可施加于内环702的内表面710或环702和/或704的其他表面，例如，接触滚珠706的表面。
91.在另一个示例中，滚珠轴承700的一个或多个表面可阳极氧化，以在这些表面上形成绝缘阳极氧化金属层(如果表面由可阳极氧化的材料制成)，例如，在内环702和/或外环704的内表面710、外表面712和/或其他表面上。在另一个示例中，轴承700的环702和704中的一个或两个可涂覆或包裹在绝缘套筒(例如尼龙或塑料套筒)或其他绝缘材料(例如绝缘胶带)中。
92.在一些实施方式中，绝缘体将轴承700的第一轴承部分与轴承700的第二轴承部分
电隔离，从而将耦接(例如接触)第一轴承部分的元件与耦接(例如接触)第二轴承部分的元件隔离。在一些示例中，绝缘体可为由绝缘材料制成的滚珠轴承700的一部分。例如，滚珠706可由陶瓷、塑料等绝缘材料制成。因此，内环702和外环704彼此电隔离。在一些实施方式中，内环702和/或外环704可由绝缘材料制成，例如陶瓷、塑料等，除了由绝缘材料制成的滚珠706之外或作为其替代。
93.在各种实施方式中，可使用此类绝缘体中的一种或多种的组合，例如，一个或多个环702和/或704上的绝缘表面，以及由绝缘材料制成的部件，诸如滚珠706或环(一个或多个)。
94.设置在滚珠轴承700中的绝缘体允许耦接到内环702的元件(例如，控制输入设备的部件)与耦接到外环704的元件(例如，另一部件)电隔离。例如，如图4所示，轴承430可耦接在底盘415和管414之间，其中轴承430的外环耦接到底盘415，并且轴承430的内环耦接到管414。设置在轴承430中的绝缘体使得底盘415在轴承430处与管414和包括手柄402的手柄组件的其他部件电隔离。在各种实施方式中，可为轴承444、448和/或450提供类似配置。
95.图8是根据一些实施方式的示例性齿轮800的截面侧视图，该齿轮可用于隔离控制输入设备中的部件。例如，齿轮800可用作图4至图6的齿轮436，其将力从致动器440围绕轴线412传输到管414。
96.齿轮800包括导电部分802和电绝缘部分804。导电部分802可由金属(例如铝)或其他导电材料制成，并且耦接到延伸穿过导电部分802的毂或孔的管806。例如，管806可为图4至图6的管414。导电部分802可刚性耦接到管806以使管806在齿轮800旋转时旋转。在一些实施方式中，齿轮800的导电部分802可耦接到将齿轮800固定到管806的夹具(未示出)，其中夹具可由导电材料制成。
97.绝缘部分804刚性耦接到导电部分802。例如，绝缘部分804可为包括齿轮800的轮齿的齿轮800的外环或其他外部部分。绝缘部分804可由塑料或其他电绝缘材料制成。
98.设置在齿轮800中的绝缘体允许耦接到齿轮800的毂的部件(诸如管806)与耦接到绝缘部分的第二齿轮电隔离(并与耦接到第二齿轮的其他部件隔离)。例如，如图5所示，齿轮436可耦接在齿轮438和管414之间，其中齿轮436的绝缘部分(类似于绝缘部分804)耦接到齿轮438，并且导电部分(类似于导电部分802)耦接到管414。齿轮436的绝缘部分使得齿轮438和致动器440经由齿轮436与管414和包括手柄402的手柄组件的其他部件电隔离。
99.在其他实施方式中，部分802可为电绝缘部分，并且部分804可为导电部分，和/或夹具可由绝缘材料制成。
100.图9是根据一些实施方式的示例性齿轮组件900的截面侧视图，该示例性齿轮组件900可用于控制输入设备中以隔离电容式传感器天线的组件。例如，在一些实施方式中，齿轮组件900可用作图4至图6的齿轮436和夹具437，其围绕轴线412将力从致动器440传输到管414。
101.齿轮组件900包括齿轮902，该齿轮可由导电材料制成，例如铝等金属。齿轮902刚性耦接到延伸穿过齿轮902的毂或孔的管906。在该示例中，齿轮902耦接到将齿轮902固定到管906的夹具904。在一些示例中，齿轮902可为齿轮436，并且夹具904可为图4至图6的夹具437。齿轮902和夹具904可刚性耦接到管906，以在齿轮902旋转时使管906旋转。在一些示例中，管906可为图4至图6的管414。在一些实施方式中，编码器912可定位在管906周围，并
且感测管906和/或齿轮902围绕轴线的取向。在该示例中，支撑件914耦接到齿轮902、接触管906，并且固定编码器912。例如，编码器912可为编码器441，并且支撑件914可为图4至图6的支撑件443。
102.在该示例中，齿轮902包括绝缘体，该绝缘体是毂的阳极氧化表面908或延伸穿过齿轮902的孔的内部。阳极氧化表面908接触管906，从而在齿轮902和管906之间提供电隔离。在包括夹具904的实施方式中，接触管906的夹具904的表面也可被阳极氧化，以在夹具904和管906之间提供电隔离。或者，夹具904可由绝缘材料制成，例如塑料。在一些实施方式中，支撑件914可由绝缘材料(例如塑料)制成，以将管906与齿轮902隔离。
103.在一些实施方式中，代替或除了包括绝缘表面的齿轮902和夹具904，管906可包括绝缘表面或层，从而导致管906和齿轮组件900之间的电隔离。例如，与齿轮902和夹具904接触的管414的圆柱形表面的一部分可被阳极氧化或涂覆绝缘材料层。在一些实施方式中，管906可为平移穿过齿轮902的轴，并且管906可包括表面部分上方的绝缘表面，该绝缘表面可平移为与齿轮902和/或夹具904接触。
104.在一些实施方式中，齿轮902的轮齿910的表面是代替上述齿轮组件900的其他绝缘体或除了上述其他绝缘体之外的绝缘体。例如，齿轮902的所有轮齿910的表面可被阳极氧化以提供接触第二齿轮(例如，图4至图6的齿轮438)的绝缘层。该特征导致齿轮902和连接到电接地的第二齿轮之间的电隔离。在一些实施方式中，不同的绝缘层可施加于轮齿910，诸如氧化铝层或其他绝缘材料层。在一些实施方式中，第二齿轮还可或可替代地包括施加到其轮齿上的绝缘层，以在第二齿轮和齿轮902之间提供电隔离，例如，施加到其轮齿上的阳极氧化层、氧化铝层或其他绝缘层。
105.这些绝缘体中的任何一个均会使齿轮438和致动器440经由齿轮436与管414和包括手柄402的手柄组件的其他部件电隔离。
106.图10是根据一些实施方式的示例性齿轮组件1000的截面侧视图，该示例性齿轮组件1000可用于控制输入设备中以隔离电容式传感器天线的部件。例如，在一些实施方式中，齿轮组件1000可用作图4至图6的齿轮436和夹具437，其围绕轴线412将力从致动器440传输到管414。
107.齿轮组件1000包括齿轮1002，齿轮1002可由导电材料制成，诸如铝等金属。齿轮1002刚性耦接到管1006，该管1006延伸穿过齿轮1002中的毂或孔。在一些实施方式中，类似于图8所描述的，齿轮1002可耦接到将齿轮1002固定到管1006的夹具(未示出)。在一些示例中，齿轮1002可为齿轮436，并且夹具可为图4至图6的夹具437。齿轮1002(和夹具，如果有的话)可刚性耦接到管1006，以在齿轮1002旋转时使管1006旋转。在一些示例中，管1006可为图4至图6的管414。
108.在该示例中，齿轮1002包括设置在齿轮1002的毂或孔的内表面上的套筒1008。套筒1008由电绝缘(非导电)材料制成，例如陶瓷材料或塑料，以在齿轮1002和管1006之间提供绝缘层。绝缘体也可施加于与管1006接触的夹具(如果存在)的表面，或者夹具可由绝缘材料制成。在一些实施方式中，类似于套筒1008的套筒或层可替代地附接到管1006，以将管与齿轮1002和/或夹具隔离。关于图4，这些绝缘体中的任何一个使得齿轮438和致动器440经由齿轮436与管414和包括手柄402的手柄组件的其他部件电隔离。
109.图11是根据一些实施方式的示例电路1100的示意图，该示例电路1100提供电容式
感测以检测控制输入设备的用户的存在。例如，电路1100可与如上所述的控制输入设备的图3的设备部分300和/或图4的设备部分400一起使用。在该示例中，电路特征参照上文针对图4的设备部分400描述的部件。
110.电路1100是提供电容式传感器的控制输入设备的部件的示意图，该电容式传感器包括电容式传感器电路，并且可包括电容式传感器电路的天线。电容式传感器可感测天线的电容(参照电接地)，并且可基于其周围环境的变化(诸如移动到电容式传感器感测范围内的接地对象)确定天线电容的变化。例如，控制输入设备的手柄组件可用作传感器天线，并且包括控制输入设备的手柄，诸如图4所示的手柄402，其在控制输入设备的操作期间被用户接触和握住。手柄组件还可包括延伸到底盘中的管和/或轴，如本文示例中所述，电容式传感器电路联接到该底盘。电容式传感器可通过检测由于对象的存在而改变的天线电容来检测电容式传感器的感测区域内对象(诸如用户的手)的存在。在一些实施方式中，例如，在用手操作控制输入设备期间，存在天线和对象之间的接触，或者当对象不接触控制输入设备时存在位于天线附近的对象，例如在传感器的感测范围内。
111.在一些实施方式中，电容式传感器可测量由天线和电接地形成的电容器的电容。通过插入附近具有自身电容的对象(诸如用户的手)来改变电容。天线与电接地隔离，以允许形成电容器到电接地，并且测量其电容。例如，如本文所描述，使用电隔离元件(例如，绝缘部件)隔离控制输入设备的手柄，每个元件有助于手柄与电接地的隔离。用户的手的检测可限于手柄402和/或靠近用户握住手柄402的位置的设备部分400的部件的目标子集。如果天线连接到其他部件，则与触摸手柄402相比，传感器电路可能无法区分触摸这些部件的用户。此外，为了电磁兼容性，诸如支撑结构408的底盘通常电接地，以减少其电磁干扰。如果天线连接到支撑结构408的电接地部件，则电容式传感器电路可能无法正常工作。在一些实施方式中，如果邻近的电接地部件在很大程度上影响电容式传感器的感测能力，则天线可位于距控制输入设备的电接地部件一定距离处。
112.电路1100包括电容1102，该电容表示手柄的电容(例如，基础电容)以及所有与手柄电连接且未与电接地绝缘的对象，诸如用户手指接触以操作控制输入设备的握持构件。设备部分400的电容可分布在手柄402和设备部分400的各个部件中，但是非手柄部件的电容值相对较小。
113.一般而言，可控制电路1100中所示的电阻，以使手柄402作为有效天线工作。例如，可增加一些电阻以提供与电接地的绝缘，并且可减小一些电阻以提供部件之间的导电性，并且将传感器电路的天线延伸到可能被操作控制输入设备的用户接触的更多表面。在一些示例中，可减小电容1102和传感器电路1142之间串联的电阻以提供更多导电性，并且到电接地的并联路径中的电阻可增加以提供从电接地到手柄天线的更多电绝缘。
114.电阻1104电耦接到电容1102，并且表示设置在控制输入设备的手柄的一个或多个握持构件上的一个或多个手指环的电阻。手指环可在控制输入设备的操作期间与用户的手指接触。例如，电阻1104可由图4的设备部分400的手指环411提供。在一些实施方式中，期望将电阻1104最小化，并且手指环可至少部分导电。这可有利地延伸或增加用于电容式感测的手柄的天线的表面的数量，例如，提供可能被操作控制输入设备的用户触摸(或可能非常靠近用户的手)的附加感测表面，从而允许对用户进行更稳健的感测。例如，导电材料的颗粒(例如，碳纤维或金属颗粒)可分散在手指环的材料中，诸如硅橡胶或用于手指环的其他
材料，其浓度足以允许手指环至少部分导电。
115.在一些实施方式中，电阻1104还可或可替代地包括涉及握持构件的其他电阻。例如，电阻1104可包括握持构件和连接到手指环的握持构件部分(例如，图4的握持构件部分413)之间的电阻。这些握持构件部分可被制成至少部分导电的(例如，通过由导电材料制成或包括导电颗粒)，以类似地为天线提供附加的用户接触表面。在另一个示例中，电阻1104可包括经由握持构件和控制输入设备的中心轴之间的旋转联轴器提供的电阻，例如，由将握持构件406连接到设备部分400的联动装置428的旋转联轴器431提供的电阻，和/或由将联动装置428连接到中心轴416的旋转联轴器429提供的电阻。在一些实施方式中，联轴器429和431处的这些电阻可类似于下面针对旋转联轴器409所描述的那样减小。
116.电阻1106电耦接到电阻1104，并且表示经由耦接到控制输入设备的中心轴的一个或多个旋转轴承提供的电阻，其中中心轴耦接到手柄402(例如，经由诸如联动装置428的联动装置)。例如，电阻1106可表示将中心轴416耦接到设备部分400的驱动机构417的旋转轴承448和450提供的电阻。中心轴416经由驱动机构417的接地部件与电接地相连。
117.可增加电阻1106，以将中心轴与电接地隔离，从而使手柄组件与电接地隔离。绝缘电阻1108表示添加到提供电阻1106的一个或多个轴承(例如，轴承448和450)上的电阻，以进一步将手柄组件与电接地隔离。电阻1108可如本文所描述(例如，关于图7)以各种方式实施为绝缘体。例如，轴承448和450的表面可被阳极氧化和/或以其他方式施加绝缘层。在一些实施方式中，中心轴416可包括绝缘体，诸如施加到其接触轴承448和/或450的表面的绝缘体层。在一些示例中，此类绝缘层可包括阳极氧化层和/或其他绝缘材料层。
118.电阻1110电耦接到电阻1104和电阻1106，并且表示握持构件和将握持构件耦接到手柄的旋转联轴器之间提供的电阻，例如，握持构件406和将握持构件406耦接到手柄402的中心部分407的联轴器409之间的电阻。在一些实施方式中，电阻1110可包括接触电阻。可减小电阻1110以增加联轴器409的导电性。例如，绝缘材料(例如，阳极氧化层或其他绝缘层)可从联轴器409(例如，联轴器409的孔的内部未被阳极氧化)和/或从握持构件的接触表面减少或移除。在一些实施方式中，可将导电材料(例如，导电油脂)施加到联轴器409的表面和/或握持构件的接触表面。
119.电阻1112电耦接到电阻1110，并且表示控制输入设备的手柄与连接到握持构件的联轴器之间的电阻。例如，电阻1112可在手柄402(例如，中心部分407)和旋转联轴器409之间。在一些实施方式中，电阻1112可包括接触电阻。可减小电阻1112以增加手柄作为天线的导电性。例如，减小电阻1110和1112经由联轴器409延伸或增强从手柄402的中心部分407到手柄402的握持构件406的天线感测表面的灵敏度。例如，电绝缘材料可从联轴器和/或手柄的接触表面移除，和/或导电材料可施加到联轴器和/或接触联轴器的手柄的表面，类似于如上所述的电阻1110。
120.电阻1114电耦接到电阻1112，并且表示控制输入设备的手柄与延伸到底盘的手柄的轴之间的电接触电阻。例如，电阻1114可在手柄402(例如手柄402的板410)和管414之间。在一些实施方式中，电阻1114可包括接触电阻。如上所述，可减小电阻1114以增加手柄作为天线的导电性。例如，电绝缘材料可从板410和/或管414的一个或多个接触表面(和/或手柄402的其他接触表面)移除，和/或导电材料可施加到这些接触表面中的一个或多个，类似于如上所述的电阻1110和1112。
121.如图所示，轴承电阻1116可电耦接到电阻1114，并且表示由轴承提供的电阻，该轴承将手柄组件的一部分耦接到与电接地耦接的部件。例如，轴承电阻1116可由耦接在管414和底盘415之间的设备部分400的旋转轴承430提供，其中底盘415耦接到地。轴承电阻1116可增加以将控制输入设备的电接地部分与耦接到轴承的天线部分(例如包括管414的手柄组件)隔离。绝缘电阻1118表示由绝缘体添加到此轴承的电阻，以进一步将手柄组件和管414与电接地隔离。绝缘电阻1118可如本文所描述(例如，关于图7)以各种方式实施。
122.齿轮电阻1120如图所示电耦接到电阻1114和1116，并且表示由齿轮提供的电阻，该齿轮将手柄组件的一部分耦接到与电接地耦接的部件。例如，齿轮电阻1120可由耦接在管414和齿轮438之间的设备部分400的齿轮436提供，其中齿轮438耦接到地。齿轮电阻1120可增加以将电接地部分与耦接到齿轮的天线部分(诸如包括管414的手柄组件)隔离。绝缘电阻1122表示添加到齿轮组件的电阻，以进一步将手柄组件与电接地隔离。绝缘电阻1122可如本文所描述的(例如，关于图8至图10)以各种方式实施。
123.轴承电阻1124可如图所示电耦接到电阻1114、1116和1120，并且表示由轴承提供的电阻，该轴承将手柄组件的一部分耦接到与电接地耦接的部件，类似于电阻1116。例如，轴承电阻1124可由耦接在管414和底盘415之间的设备部分400的旋转轴承444提供，其中底盘415耦接到地。轴承电阻1124可增加以将电接地部分与耦接到轴承的天线部分(诸如包括管414的手柄组件)隔离。绝缘电阻1126表示由绝缘体添加到此轴承的电阻，以进一步将手柄组件与电接地隔离。绝缘电阻1126可如本文所描述(例如，关于图7)以各种方式实施。
124.电路1100是示出控制输入设备的部件之间的电阻和连接的特定示例的简化。控制输入设备的其他部件的电阻以及部件之间的触点和连接可类似地包括在电路1100中，并且可类似地修改为如上所述的隔离或导电性。
125.连接器1140电耦接到天线，并且是将电容式传感器电路1142连接到电容式传感器的天线的电连接器。例如，连接器1140可为连接到轴416或用作天线的手柄组件的其他部件的设备部分400的旋转电连接器454，以在允许轴416旋转的同时在电容式传感器电路和手柄组件之间提供电连接。在一些示例中，连接器1140可为单通道滑环或其他信号连接器，其可将信号传送到旋转部件(例如，光信号发射器和检测器)。
126.电容式传感器电路1142通过连接器1140连接到电容式天线。传感器电路1142向包括电路1100的天线发送信号，并且感测基于天线的当前电属性的信号。对象(例如用户的手)的存在改变信号以允许在电容式传感器的感测场中检测该对象的存在。感测场可为手柄组件的任何表面，或者在一些实施方式中，可为距手柄组件的任何表面很小的距离。例如，可感测用户的手与握持构件的接触，或者手与不是天线的一部分但邻近或非常靠近天线表面的表面的接触。
127.在一些示例中，用户(例如，用户的手)可由图11中的电路1160表示，该电路包括耦接到电阻1164的电容1162。移动手以接触控制输入设备的手柄，或者非常靠近手柄表面定位，导致从电容1102到还包括用户的电容1162的电容的变化。这修改了由电容式电路1142感测的天线上的信号，以能够检测到用户的手接触手柄或接近手柄(例如，在手柄的表面的阈值距离内)。
128.在一些示例实施中，电容式传感器电路1142包括一个或多个集成电路和/或印刷电路板。在一些示例中，电容式传感器电路1142可使用集成电路传感器来实施，该集成电路
传感器包括例如信号调节器、模数转换器(adc)、用于计算感测特性的数学引擎等中的一个或多个。例如，传感器电路1142可包括可向天线发送信号的数字输出端，以及可接收信号并感测天线电容的数字输入端。在一些实施方式中，传感器电路在作为导电电极的天线上启动振荡信号，并且测量该振荡信号的频率(或测量振荡信号的频率相关特性，例如相位)。检测到的频率变化与电容成比例。例如，电路1142的数字输出端可产生电压方波，并且可经由串联连接的电阻元件连接到天线。电路1142的数字输入端可感测该方波的相位滞后，其中相位滞后与串联电阻和天线的电阻器-电容器(rc)时间常数成比例。如果用户的手接触手柄，rc时间常数会发生很大变化，并且会感测到这个新的时间常数。关于图12示出了感测由用户接触手柄引起的信号变化的一个示例。
129.在另一示例中，电容式传感器电路1142可包括电感-电容(lc)振荡器，以产生具有基于电感和电容的频率的信号。电路1142可感测在天线上发送的信号的频率。用户接触手柄导致由电路1142感测的结果频率变化，其中频率变化与电容成比例。在一些实施方式中，与上面使用rc时间常数描述的一些实施方式相比，lc振荡器实施方式可具有改进的感测速率和范围，在一些实施方式中具有更复杂的传感器电路系统。
130.在一些实施方式中，接收到的信号可通过传感器电路和/或通过在另一电路上运行的软件(例如，包括图14的处理器1412或其他处理器的控制单元)来处理。例如，可对测量的电容进行噪声滤波。在一些实施方式中，可设置一个或多个检测标准，诸如感测电容的阈值，使得如果感测电容满足该标准(例如，高于阈值)，则进行检测并为系统触发手存在事件。
131.在一些实施方式中，可基于特定的最小电容来确定阈值，该最小电容通常是针对要检测的对象(一种或多种)类型的存在而感测的。例如，可指定阈值，使得当用户手接触天线手柄或用户手在天线手柄的特定阈值距离(例如3mm)内时，感测电容将处于满足该阈值的水平(例如，高于该阈值)。在另一个示例中，可指定阈值，使得由在干燥环境中戴着厚外科手术手套的接触手引起的感测电容将满足阈值，并且将对此类对象进行用户存在的检测。
132.例如，通过诸如遥控系统100的系统对手存在事件的检测可用于响应于该检测来改变状态。在一些示例中，状态的改变可使控制模式被激活(也可能需要其他条件，例如，用户控制系统的其他存在传感器也检测到用户存在)。类似地，当由于感测到的电容不满足(例如，低于)阈值水平而不再检测到手的存在时，可退出控制模式。
133.在一些实施方式中，控制输入设备的部件可具有尺寸、形状或配置，这些尺寸、形状或配置使电容式传感器的电容式感测适应特定条件。例如，可提供不同的感测范围或灵敏度(例如，在更大范围的条件下感测用户存在)。在一些示例中，电容式感测场的灵敏度和/或形状可通过相对于天线放置一个或多个电接地平面来修改，例如，以降低控制输入设备的特定部分的灵敏度。电容式传感器的感测范围在一些实施方式中可调整，例如，以允许用户设置特定的感测范围。在附加示例中，可将诸如电容器、电阻器等电路部件添加到天线以修改感测属性(例如，滤波器噪声等)。传感器参数和特性的软件控制可允许传感器的参数(例如，定义手检测的电容阈值)是可配置的，而无需调整控制输入设备的物理特性。
134.机械未接地的控制输入设备还可使用本文所描述的一个或多个特征，以使用所描述的电容式感测来感测用户的存在。例如，栓系的机械未接地的控制输入设备或未栓系的
机械未接地的控制输入设备可使用本文所描述的一个或多个电容式感测实施方式来感测控制输入设备的手柄部分的用户接触。
135.机械未接地或机械接地的控制输入设备的一些实施方式可包括电路和/或机构，用于选择性地将控制输入设备的天线部分连接到电接地。在一些示例中，晶体管或其他电开关可由感测电路控制，或者可移动机械导电触点，以将隔离的天线部分分流到电接地。在一些示例中，这可降低在一定时间之后在天线上积累的电压，和/或可帮助控制由控制输入设备上的此类电压积累引起的电磁干扰问题。在未栓系的机械未接地的控制输入设备的一些实施方式中，天线可选择性地连接到本地(浮动)接地元件，以类似地将累积的电压降低到参照电平。
136.图12是根据一些实施方式的示例曲线图1200的示意图，其示出了由电容式传感器感测以检测用户存在的波形1202。曲线图1200具有指示信号的电容时间常数(例如，以毫秒为单位)的竖直轴线和指示时间(例如，以毫秒为单位)的水平轴线。
137.波形1202是电容式传感器电路的示例感测输出。在该示例中，已在天线上生成方波以用于检测传感器处的电容，这允许在传感器的感测场中检测用户的存在。在一些示例中，方波由电容式传感器电路的rc电路产生，如上面参照图11描述的传感器电路1142。该方波的相位滞后可被传感器电路感测到，并且相位滞后与串联电阻的rc时间常数和电容式传感器的天线成比例。波形1202表示传感器电路随时间(水平标度)感测到的时间常量值(竖直标度)。
138.波形1202的区段1204指示存在低时间常数，这与当没有对象(诸如用户的手)在电容式传感器的感测场中时感测到的基准相位滞后有关。在区段1206，波形1202变为高得多的时间常数，指示方波的相位滞后的大变化，这是由诸如用户手的对象的存在引起的。例如，如本文所描述的，存在手在作为控制输入设备的手柄的天线上的接触。手的接触改变rc时间常数，并且此差异由传感器电路感测到。
139.波形1202的区段1208表示用户已将手从电容式传感器的感测场中移开，导致时间常数返回到其基准水平。类似地，区段1210和1212的高时间常数指示用户在这些时间期间已接触控制输入设备，而区段1214和1216的低时间常数指示用户在这些时间期间已移除接触。区段1204、1214和1216的较低水平可低于指定的阈值水平1220，这向系统的控制单元指示未检测到用户存在。区段1206、1210和1212的高水平可高于指定阈值1220，这向系统的控制单元指示在控制输入设备处检测到用户存在。
140.其他传感器电路可用于提供类似或对应的波形。例如，如上所述，lc振荡器可用于感测与电容成比例的结果频率变化。
141.图13是根据一些实施方式的使用电容式感测系统来检测操作控制输入设备的用户的手的存在的示例方法1300的流程图。方法1300例如可由遥控系统(例如，图1的遥控系统100)或控制输入设备控制操纵器设备(例如，图1的操纵器系统104的一个或多个操纵器设备)的其他控制系统执行。包括控制输入设备的其他系统也可使用方法1300。在一些实施方式中，控制输入设备是用户控制系统的部件，例如，图1的用户控制系统102。控制输入设备可为或包括例如控制输入设备210或212的部分300或400，或者如本文所描述的另一控制输入设备。在一些实施方式中，该方法可由耦接到控制输入设备的控制单元来执行。在一些示例中，控制单元可包括一个或多个处理器，例如微处理器或其他控制电路，下面参照图14
描述其一些示例。
142.出于解释目的，方法1300中引用了单个控制输入设备。可如方法1300中所描述类似地处理多个控制输入设备，例如，图2的控制输入设备210和212两者。一些实施方式可将具有本文所描述一个或多个特征的控制输入设备与其他类型的系统一起使用，例如，非遥控系统、没有物理操纵器设备和/或没有与物理操纵器设备交互的物理对象的虚拟环境(例如，医疗模拟)等。
143.在框1302中，遥控系统(例如，遥控系统100)的非控制模式激活。非控制模式也可被视为“安全模式”，其中控制输入设备不能够向诸如操纵器系统104的受控设备提供控制信号。因此，例如，操纵器系统在非控制模式下与控制输入设备断开。例如，用户可在非控制模式下操纵控制输入设备210和212，这将不会引起操纵器系统104的对应操纵器设备的对应受控运动。
144.在框1304中，信号被发送到控制输入设备的电绝缘手柄，该手柄作为电容式传感器的天线工作。如上所描述的，手柄(例如，包括手柄402的手柄组件)可使用轴承、齿轮和其他部件上的绝缘体与电接地进行电隔离。电容式电路可将信号(例如振荡信号)发送到手柄上，该手柄充当电容式传感器的天线。
145.在框1306中，在框1304中发送的信号例如由发送该信号的电容式传感器电路或不同的传感器电路感测到。该信号指示手柄的当前电容，例如，基于信号的频率或其他特性，本文描述了其示例。
146.在框1308中，基于感测到的电容确定是否满足一个或多个检测标准。例如，一个或多个检测标准可包括阈值，并且可确定框1306的感测到的电容是否满足阈值。阈值可为一些实施方式中的阈值电容，或者是感测信号或电路的阈值特性(例如，时间常数、频率等)。例如，大于阈值电容的电容(或大于另一阈值特性的特性)可满足阈值并指示对象存在于电容式传感器的感测场内。满足检测标准的另一个示例可包括匹配感测波形中指示感测电容的特定模式。在一些示例中，感测到的对象可为接触手柄或控制输入设备的附近部件的用户的手，或者位于手柄感测距离内的手。在一些示例中，用户的手可接触手柄402的手柄部分(例如，一个或多个握持构件406)或手柄402的中心部分407，以使电容改变并满足由传感器电路感测到的阈值。
147.如果满足一个或多个检测标准，则诸如用户的手的对象的检测被视为已经发生，并且该方法继续到框1310。在框1310中，系统的控制模式被激活和/或启用(和/或控制输入设备和/或系统的其他状态被改变)。对象的检测被视为指示用户准备开始使用控制输入设备，例如，使用控制输入设备控制操纵器设备，使得控制模式被激活和/或启用。例如，响应于检测到对象，电容式传感器电路(或其他相关联电路系统)生成可发送到控制输入设备的控制单元的一个或多个信号。例如，在一些实施方式中，信号可包括参数，例如，指示对象检测的值。
148.控制模式允许控制输入设备的操纵以控制受控操纵器设备的功能。例如，在遥控系统中，控制输入设备的操纵可控制对应的操纵器设备在控制模式下的对应的运动、输出功能(热、电等的输出)和/或其他功能，例如在空间中移动末端执行器、打开末端执行器的钳口、从末端执行器输出热量或其他能量等。
149.在一些实施方式中，除了检测用户的存在外，响应于来自用户的命令，激活控制模
式。在一些实施方式中，为了激活控制模式，可能还需要由系统的其他存在感测系统感测用户存在。例如，针对图2描述的头部存在传感器214可感测用户的头部在用于操作控制输入设备的位置中。在一些实施方式中，用户可能需要将控制输入设备的一个或多个设备移动到特定位置，例如，将握持构件406移动到与受控操纵器仪器的位置和/或取向匹配的特定位置。因此，在这些实施方式中的一些实施方式中，在框1310中启用控制模式，但除非检测到用户存在，否则不激活控制模式。在一些实施方式中，如果此类其他存在感测系统不感测用户存在，则确定框1308的否定结果。
150.在一些实施方式中，感测系统可检测对象是手还是不同类型的对象，例如，基于特定电容范围内的感测电容的大小或基于感测信号的特性。例如，用户的手可能导致感测到与其他类型对象不同的电容。在这些情况中的一些情况下，如果未将对象检测为手，则确定框1308的否定结果。在一些实施方式中，电容式传感器的感测场内的任何检测到的对象被视为是用户的手。
151.在一些实施方式中，代替控制模式或除了控制模式之外，可以在框1310中激活一个或多个其他系统功能。例如，可在框1310中激活遥控系统的一个或多个图形用户界面(gui)，以便显示gui的显示对象或特征。在一些实施方式中，gui的特征或对象可在框1310中从先前的暗显状态变亮。在一些实施方式中，可向系统的一个或多个部件供电，例如用于提供力反馈和/或重力补偿的控制输入设备的马达、用于移动臂和/或仪器的操纵器设备的马达、用于观看手术部位的相机、操纵器仪器功能(例如，抽吸、灌溉、能量等)等。在一些实施方式中，激活的功能可包括经由马达的控制将控制系统的所有或部分其他部件移动到启动位置。此类部件可包括显示设备(例如，屏幕、观看器等)、脚踏板、座椅等。该方法返回到框1304以继续感测用户的存在。
152.如果在框1308中未满足一个或多个检测标准，则诸如用户的手的对象的检测不被视为已经发生，并且该方法继续到框1312。在框1312中，系统的非控制模式被激活(或维持，如果该模式当前处于激活状态)。未检测到对象被视为指示未使用控制输入设备，从而退出控制模式(如果先前激活)并且非控制模式被激活。例如，如果控制模式已经激活，则基于检测到用户没有操作控制输入设备，将操纵器设备104的控制从控制输入设备断开。此外，可改变控制输入设备和/或系统的其他状态。该方法返回到框1304，以继续感测用户存在。
153.在一些实施方式中，系统可在检测到控制模式已激活且不再检测到用户存在时(例如，在框1308)进入附加或替代状态。例如，在检测不到用户的手时，控制模式的保持或暂停可被激活，使得如果在阈值时间段内再次检测到手，则与从框1302重新开始存在检测过程相比，可更容易地重新进入控制模式。例如，当检测不到用户的手时，可进入系统的省电模式，并且当再次检测到手时可退出省电模式。
154.在各种实施方式中，在进行合格检测之后，可使用时间延迟，这使得系统激活控制模式和/或激活非控制模式。例如，时间延迟延迟控制模式和/或非控制模式的激活。在一些示例中，当在框1310中确定应该激活控制模式时，系统可在激活控制模式之前等待2秒或其他时间段的延迟。在确定激活非控制模式后，可提供类似的延迟，使得非控制模式的激活被延迟。例如，在使用机械不接地的控制输入设备的一些实施方式中，非控制模式在从确定缺少用户存在起的一段时间之后被激活，例如，以确保用户没有临时转移手中的控制输入设备。
155.在一些实施方式中，可使用多个控制输入设备，例如，检查每个控制设备的用户存在，以允许激活控制模式。在一些示例中，如图2所示，可使用多个控制输入设备210和212。在一些实施方式中，必须在两个控制输入设备上检测到用户存在，以使两个控制输入设备的控制模式均处于活动状态。在一些实施方式中，如果在相应的控制输入设备处检测到用户存在，则可使控制模式对于每个控制输入设备独立激活。
156.各种实施方式可使用本文所公开方法的不同部分。在本文公开的方法中描述的框可按不同于所示的顺序和/或在适当的情况下与其他框同时(部分或完全)执行。一些框可针对数据的一部分执行，并且稍后再次执行，例如针对数据的另一部分。并非所有描述的框均需要在各种实施方式中执行。在一些实施方式中，可在方法中以不同的顺序和/或在不同的时间多次执行框。在一些实施方式中，一些框可被移除、组合在一起或用其他框进行补充。
157.图14是示例主从系统1400的框图，其可与本文所描述的一个或多个特征一起使用。系统1400包括用户可操纵的主设备1402，以便控制与主设备1402通信的从设备1404。在一些实施方式中，主设备1402可为或可被包括在图1的用户控制系统102中。在一些实施方式中，从设备1404可为或可被包括在图1的操纵器系统104中。更一般地，主设备1402可为提供可由用户物理操纵的控制输入设备的任何类型的设备。主设备1402生成控制信号c1到cx，指示一个或多个控制输入设备在其自由度上的位置、状态和/或变化。主设备1402还可向控制单元1410生成控制信号(未示出)，指示用户选择物理按钮和其他操纵。主设备1402还可向控制单元1410生成控制信号，该控制信号包括与如本文所描述的主设备1402的手存在感测系统对用户存在的检测相关联的检测数据(例如，手检测的指示、包括被检测对象的距离、方向和/或速度的检测参数等)。
158.控制单元1410可被包括在主设备1402、从设备1404或单独的设备中，例如，主设备1402和从设备1404之间的中间设备。在一些实施方式中，控制单元1410可分布在这些设备中的多个设备之间。控制单元1410接收控制信号c1到cx，并且生成致动信号al到ay，这些信号被发送到从设备1404。控制单元1410还可从从设备1404接收传感器信号b1到by，该传感器信号指示各种从部件(例如，操纵器臂元件)的位置、取向、状态和/或变化。控制单元1410可包括诸如处理器1412、存储器1414以及用于分别与主设备1402和从设备1404通信的接口硬件1416和1418的通用部件。处理器1412可执行程序代码并控制系统1400的基本操作，包括与感测本文所描述的开关机构相关的功能，并且可包括各种类型的一个或多个处理器，包括微处理器、专用集成电路(asic)和其他电子电路。存储器1414可存储由处理器执行的指令，并且可包括任何合适的处理器可读存储介质，例如，随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除只读存储器(eeprom)、闪存等。各种其他输入和输出设备也可耦接到控制单元1410，例如，显示器(一个或多个)1420(诸如图1和2的用户控制系统102的观看器213和/或显示器124)。存在传感器1422可向控制单元1410提供指示用户存在的检测和/或与此类检测相关的参数的信号；例如，存在传感器1422可为本文所描述的电容式感测系统，其向控制单元1410提供传感器信号。在一些实施方式中，传感器1422可包括图2的头部存在传感器214。
159.在该示例中，控制单元1410包括模式控制模块1440、控制模式模块1450和非控制模式模块1460。其他实施方式可使用其他模块，例如，力输出控制模块、传感器输入信号模
块等。在一些实施方式中，模块1440、1450和1460可使用处理器1412和存储器1414(例如，存储在存储器1414和/或连接到控制单元1410的其他存储器或存储设备中的程序指令)来实施。
160.模式控制模块1440可检测用户何时启动系统的控制模式和非控制模式，例如，通过用户选择控件、感测用户在用户控制系统或控制输入设备处的存在、感测控制输入设备的所需操纵等。模式控制模块可基于一个或多个控制信号c1至cx设置控制单元1410的控制模式或非控制模式。
161.在一些实施方式中，控制模式模块1450可用于控制控制单元1410的控制模式。控制模式模块1450可接收控制信号c1至cx，并且可生成驱动信号al至ay，该驱动信号控制从设备1404的致动器并且使其跟随主设备1402的移动，例如，使得从设备1404的移动对应于主设备1402的移动的映射。控制模式模块1450还可用于控制主设备1402的控制输入设备上的力，例如，使用输出到致动器(一个或多个)的一个或多个控制信号d1到dx控制控制输入设备的一个或多个部件(例如握持构件)上的力输出，该致动器用于在控制输入设备的旋转自由度上、在耦接到控制输入设备的臂连杆上等向部件(例如，控制输入设备的握持构件)施加力。在一些示例中，控制信号d1至dx可用于提供力反馈、重力补偿等。
162.在一些实施方式中，非控制模式模块1460可用于控制系统1400的非控制模式。在非控制模式下，主设备1402在一个或多个自由度上的移动，或主设备1402的其他操纵，对从设备1404的一个或多个部件的移动没有影响。在一些实施方式中，非控制模式可包括控制单元1410的一个或多个其他操作模式，例如，选择模式，其中控制输入设备在其一个或多个自由度上的移动和/或控制输入设备的控制开关的选择可控制显示选项的选择，例如在由显示器1420和/或其他显示设备显示的图形用户界面中。观看模式可允许控制输入设备的移动来控制从相机提供的显示，或者不包括在从设备1404中的相机的移动。非控制模式模块1460可使用控制信号c1至cx来控制此类元件(例如，光标、视图等)，并且非控制模式模块可确定控制信号d1至dx，以在此类非控制模式期间在控制输入设备上产生力的输出，例如，向用户指示在这些模式期间发生的交互或事件。
163.本文所描述的一些实施方式，例如方法1300，可至少部分地通过可在计算机上执行的计算机程序指令或代码来实施。例如，代码可由一个或多个数字处理器(例如，微处理器或其他处理电路系统)实施。指令可存储在包括非暂时性计算机可读介质(例如，存储介质)的计算机程序产品上，其中计算机可读介质可包括磁、光、电磁或半导体存储介质(包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机软盘、ram、rom、闪存、硬磁盘、光盘、存储卡、固态存储器驱动器等)。介质可为或被包括在连接到网络(诸如互联网)的服务器或其他设备中，该网络提供数据和可执行指令的下载。可替代地，实施方式可在硬件(逻辑门等)，或者在硬件和软件的组合中实施。示例硬件可为可编程处理器(例如，现场可编程门阵列(fpga)、复杂可编程逻辑器件)、通用处理器、图形处理器、asic等。
164.本发明中描述的功能框、操作、特征、方法、设备和系统可集成或划分为系统、设备和功能框的不同组合。
165.尽管已经根据所示示例描述了本实施方式，但实施方式可存在变化，并且这些变化在本公开的精神和范围内。因此，可在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下进行许多修改。