CN102063825B - 一种基于数据手套的手语识别装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数据手套的手语识别装置，特别涉及一种采用电阻式应变传感器的数据手套，属于机器人技术领域。包括数据手套和便携式显示装置，其中数据手套负责采集聋哑人的手部动作信息，并对这些信息进行处理和识别，将识别结果通过手套上的发声装置用语音的形式传达出来，同时通过串行通讯接口将识别结果的文字信息发送到便携式显示装置显示。本发明使用电阻式应变片传感器来检测手指的弯曲，不包含机械部分，结构简单、重量轻、可靠性高；手语识别结果可以通过数据手套本身进行语音输出，并且可以通过连接便携式显示屏或连接其他常见设备等多种方式将手语识别结果的语音和文字信息表达出来，具有较高的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于数据手套的手语识别装置，特别涉及一种采用电阻式应变传感器的数据手套，属于机器人技术领域。
技术背景
手语是聋哑残疾人交流使用的语言，它是由手形动作辅之以表情姿势而构成的比较稳定的表达系统，是一种靠动作和视觉进行交际的特殊语言。然而，手语是一个庞大而复杂的语言系统，让大多数正常人掌握并应用手语直接与聋哑残疾人进行交流显然是不现实的。这导致了聋哑人与正常人的交流存在障碍，使他们成为社会的弱势群体。
手语识别装置能够帮助聋哑人与正常人进行交流，改善和提高聋哑人的生活、学习和工作条件。目前的手势识别装置可分为基于数据手套和基于计算机视觉两大类，其中基于数据手套进行手势识别的优点是输入数据量小、识别度高、识别准确率高、不易受外界条件影响，但现有的数据手套包含机械构件，结构复杂、体积庞大而且容易损坏，并且不包含发声部分和便携式显示装置，实用性较差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提出一种基于数据手套的手语识别装置。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种基于数据手套的手语识别装置，包括数据手套和便携式显示装置，其中数据手套包括手套本体、5个电阻应变片传感器、加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路、扬声器、蓝牙接口电路和锂电池，便携式显示装置包括显示屏和显示驱动电路；其中数据手套负责采集聋哑人的手部动作信息，并对这些信息进行处理和识别，将识别结果通过手套上的发声装置用语音的形式传达出来，同时通过串行通讯接口将识别结果的文字信息发送到便携式显示装置显示，数据手套还可以通过无线通讯接口与电脑或者手机等设备连接，将手语识别结果的文字和语音信息发送到电脑或者手机并显示出来；
手套本体带有夹层，外形与普通手套相同，5个电阻应变片传感器、加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路、扬声器、蓝牙接口电路和锂电池安装于手套本体的夹层，其中5个电阻应变片传感器均为细长薄条形，分别安装于手套本体的5个手指背面从手指与手掌的连接关节处到指尖的夹层中，覆盖每根手指的外侧，跟随手指的运动发生形变，能检测到手指各关节的弯曲；加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路及扬声器、蓝牙接口电路和锂电池安装于一块印刷电路板上，电路板安装于手套手背部位的夹层中；
5个电阻应变片传感器输出的电压信号接入到单片机的模拟量采集接口；加速度传感器有三个轴，分别对应感知手部在上或下、左或右、前或后三个方向的加速度变化分量，从而反映手部姿态在三个方向的变化，加速度传感器输出3个电压信号接入到单片机的模拟量采集接口；
语音驱动电路通过I2C总线与单片机的I2C接口相连，语音驱动电路通过两根信号线直接驱动扬声器；
蓝牙接口电路通过串行接口与单片机的第一串行接口相连，通过蓝牙与电脑或者手机的蓝牙设备通信；
电路板上单片机的第二串行接口从手套中引出，并与便携式显示装置的显示驱动电路的串行接口相连，便携式显示装置的显示驱动电路通过数据总线和地址总线来驱动显示屏显示图像；
锂电池负责为数据手套提供电源；
使用过程中数据手套带于聋哑人的双手，便携式显示装置固定于聋哑人的胸前；
本发明的一种基于数据手套的手语识别装置，在交付聋哑人使用前进行训练，得到符合用户手语习惯的手势判据向量库，库中的手势判据向量具有八个维度，分别为五个手指的弯曲程度和手部姿态在上或下、左或右、前或后三个方向的变化；使用时聋哑人双手带上数据手套，胸前固定便携式显示装置，手语识别装置的工作过程为：
当聋哑人做手语手势时，手指的弯曲程度会发生变化，手部的姿态也会发生变化；每个手指的弯曲均会带动手套中与该手指对应的电阻应变片传感器中应变片的形变，使得应变片电阻值发生变化，从而使应变片上对外输出的电压值也会发生变化，此电压信号输入到单片机的模拟量采集端口，单片机对采集到的每个手指的模拟电压信号进行模数转换，变为能够反应每个手指弯曲程度的数字量；手部的姿态变化会引起加速度传感器在上或下、左或右、前或后三个方向上的分量变化，加速度传感器将此变化对应转换为三个轴上输出电压的变化，并将三路电压输入到单片机模拟量采集端口，单片机对采集到每个电压信号进行模数转换，得到能够反应手部姿态变化的三个数字量；单片机得到了反映五指弯曲程度的五个数字量和反应手部姿态变化的三个数字量，通过手语识别算法对这八个量进行处理和识别，得到手语识别的结果，再将结果转化为相应的文字和语音信息；语音信息通过数据手套内置的扬声器播放出来，文字信息通过串行接口传送到便携式显示装置进行显示；
上述手语识别算法为：将八个数字量作为输入八维向量，与之前训练得到的手势判据向量的八个维度做差，并根据对应维度的权值求出各个维度差的加权平方和，选取平方和最小的手势判据作为手语识别的结果。
此外，本发明的一种基于数据手套的手语识别装置，还有以下三种工作方式：数据手套脱离便携式显示装置单独使用、数据手套与手机或者电脑等设备配套使用、包含数据手套和便携式显示装置的手语识别装置与手机或者电脑等设备配套使用，其工作工程分别为：
1)数据手套脱离便携式显示装置单独使用，此时只具有发声功能，也即只有语音信息通过数据手套内置的扬声器播放出来；
2)数据手套脱离便携式显示装置单独与手机或者电脑等设备配套使用，数据手套通过蓝牙与手机或者电脑等设备连接，此时除了具有数据手套的发声功能外，还可以将手语识别结果的语音和文字信息发送到手机或者电脑等设备进行进一步处理，数据手套可以作为聋哑人对手机或者电脑等设备的操作装置和输入装置；
3)包含数据手套和便携式显示装置的手语识别装置与手机或者电脑等设备配套使用，此时除了具有手语识别装置的发声和显示功能功能外，还可以通过蓝牙与手机或者电脑等设备连接，将手语识别结果的语音和文字信息发送到手机或者电脑等设备进行进一步处理，数据手套成为聋哑人对手机或者电脑等设备的操作装置和输入装置，此时需要手机或者电脑等设备具有内置或者外置的蓝牙接口。
有益效果
本发明的一种基于数据手套的手语识别装置，使用电阻式应变片传感器来检测手指的弯曲，不包含机械部分，结构简单、重量轻、可靠性高；手语识别结果可以通过数据手套本身进行语音输出，并且可以通过连接便携式显示屏或连接其他常见设备等多种方式将手语识别结果的语音和文字信息表达出来，具有较高的实用性。
附图说明
图1为本发明的外观示意图；
图2为本发明的连接结构框图；
图3为本发明实施例2中手语“1”的效果示意图；
图4为本发明实施例2中手语“4”的效果示意图；
图5为本发明实施例2中手语“K”的效果示意图；
图6为本发明实施例2中手语“X”的效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种基于数据手套的手语识别装置，外观示意图如图1所示，连接结构框图如图2所示，包括数据手套和便携式显示装置，其中数据手套包括手套本体、5个电阻应变片传感器、加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路、扬声器、蓝牙接口电路和锂电池，便携式显示装置包括显示屏和显示驱动电路；其中数据手套负责采集聋哑人的手部动作信息，并对这些信息进行处理和识别，将识别结果通过手套上的发声装置用语音的形式传达出来，同时通过串行通讯接口将识别结果的文字信息发送到便携式显示装置显示，数据手套还可以通过无线通讯接口与电脑或者手机等设备连接，将手语识别结果的文字和语音信息发送到电脑或者手机并显示出来；
手套本体带有夹层，外形与普通手套相同，5个电阻应变片传感器、加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路、扬声器、蓝牙接口电路和锂电池安装于手套本体的夹层，其中5个电阻应变片传感器均为细长薄条形，分别安装于手套本体的5个手指背面从手指与手掌的连接关节处到指尖的夹层中，覆盖每根手指的外侧，跟随手指的运动发生形变，能检测到手指各关节的弯曲；加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路及扬声器、蓝牙接口电路和锂电池安装于一块印刷电路板上，电路板安装于手套手背部位的夹层中；
5个电阻应变片传感器输出的电压信号接入到单片机的模拟量采集接口；加速度传感器有三个轴，分别对应感知手部在上或下、左或右、前或后三个方向的加速度变化分量，从而反映手部姿态在三个方向的变化，加速度传感器输出3个电压信号接入到单片机的模拟量采集接口；
语音驱动电路通过I2C总线与单片机的I2C接口相连，语音驱动电路通过两根信号线直接驱动扬声器；
蓝牙接口电路通过串行接口与单片机的第一串行接口相连，通过蓝牙与电脑或者手机的蓝牙设备通信；
电路板上单片机的第二串行接口从手套中引出，并与便携式显示装置的显示驱动电路的串行接口相连，便携式显示装置的显示驱动电路通过数据总线和地址总线来驱动显示屏显示图像；
锂电池负责为数据手套提供电源；
上述5个电阻应变片传感器的型号均为FLX-03A型传感器，长11.5cm，宽0.6cm，厚0.05cm；
上述加速度传感器的型号为ADXL335；
上述蓝牙接口电路的主芯片为BC417143；
上述显示驱动电路采用模块化集成电路，型号为HG122329-S；
上述单片机的型号为ATmega128；
上述语音驱动电路的主芯片为WT588D。
本实施例的一种基于数据手套的手语识别装置，在交付聋哑人使用前进行训练，得到符合用户手语习惯的手势判据向量库，库中的手势判据向量具有八个维度，分别为五个手指的弯曲程度和手部姿态在上或下、左或右、前或后三个方向的变化；使用时聋哑人双手带上数据手套，胸前固定便携式显示装置，手语识别装置的工作过程为：
当聋哑人做手语手势时，手指的弯曲程度会发生变化，手部的姿态也会发生变化；每个手指的弯曲均会带动手套中与该手指对应的电阻应变片传感器中应变片的形变，使得应变片电阻值发生变化，从而使应变片上对外输出的电压值也会发生变化，此电压信号输入到单片机的模拟量采集端口，单片机对采集到的每个手指的模拟电压信号进行模数转换，变为能够反应每个手指弯曲程度的数字量；手部的姿态变化会引起加速度传感器在上或下、左或右、前或后三个方向上的分量变化，加速度传感器将此变化对应转换为三个轴上输出电压的变化，并将三路电压输入到单片机模拟量采集端口，单片机对采集到每个电压信号进行模数转换，得到能够反应手部姿态变化的三个数字量；单片机得到了反映五指弯曲程度的五个数字量和反应手部姿态变化的三个数字量，通过手语识别算法对这八个量进行处理和识别，得到手语识别的结果，再将结果转化为相应的文字和语音信息；语音信息通过数据手套内置的扬声器播放出来，文字信息通过串行接口传送到便携式显示装置进行显示；
上述手语识别算法为：将八个数字量作为输入八维向量，与之前训练得到的手势判据向量的八个维度做差，并根据对应维度的权值求出各个维度差的加权平方和，选取平方和最小的手势判据作为手语识别的结果。
实施例2
一种基于数据手套的手语识别装置，外观示意图如图1所示，连接结构框图如图2所示，包括数据手套和便携式显示装置，其中数据手套包括手套本体、5个电阻应变片传感器、加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路、扬声器、蓝牙接口电路和锂电池，便携式显示装置包括显示屏和显示驱动电路；其中数据手套负责采集聋哑人的手部动作信息，并对这些信息进行处理和识别，将识别结果通过手套上的发声装置用语音的形式传达出来，同时通过串行通讯接口将识别结果的文字信息发送到便携式显示装置显示，数据手套还可以通过无线通讯接口与电脑或者手机等设备连接，将手语识别结果的文字和语音信息发送到电脑或者手机并显示出来；
手套本体带有夹层，外形与普通手套相同，5个电阻应变片传感器、加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路、扬声器、蓝牙接口电路和锂电池安装于手套本体的夹层，其中5个电阻应变片传感器均为细长薄条形，分别安装于手套本体的5个手指背面从手指与手掌的连接关节处到指尖的夹层中，覆盖每根手指的外侧，跟随手指的运动发生形变，能检测到手指各关节的弯由；加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路及扬声器、蓝牙接口电路和锂电池安装于一块印刷电路板上，电路板安装于手套手背部位的夹层中；
5个电阻应变片传感器输出的电压信号接入到单片机的模拟量采集接口；加速度传感器有三个轴，分别对应感知手部在上或下、左或右、前或后三个方向的加速度变化分量，从而反映手部姿态在三个方向的变化，加速度传感器输出3个电压信号接入到单片机的模拟量采集接口；
语音驱动电路通过I2C总线与单片机的I2C接口相连，语音驱动电路通过两根信号线直接驱动扬声器；
蓝牙接口电路通过串行接口与单片机的第一串行接口相连，通过蓝牙与电脑或者手机的蓝牙设备通信；
电路板上单片机的第二串行接口从手套中引出，并与便携式显示装置的显示驱动电路的串行接口相连，便携式显示装置的显示驱动电路通过数据总线和地址总线来驱动显示屏显示图像；
锂电池负责为数据手套提供电源；
上述5个电阻应变片传感器的型号均为FLX-03A型传感器，长11.5cm，宽0.6cm，厚0.05cm；
上述加速度传感器的型号为ADXL335；
上述蓝牙接口电路的主芯片为BC417143；
上述显示驱动电路采用模块化集成电路，型号为HG122329-S；
上述单片机的型号为ATmega128；
上述语音驱动电路的主芯片为WT588D。
本实施例的一种基于数据手套的手语识别装置，在交付聋哑人使用前进行训练，得到符合用户手语习惯的手势判据向量库，库中的手势判据向量具有八个维度，分别为五个手指的弯曲程度和手部姿态在上或下、左或右、前或后三个方向的变化；使用时聋哑人双手带上数据手套，胸前固定便携式显示装置，数据手套通过蓝牙接口与外置蓝牙接口模块的笔记本电脑相连，手语识别装置的工作过程为：
当聋哑人做手语手势时，手指的弯曲程度会发生变化，手部的姿态也会发生变化；每个手指的弯曲均会带动手套中与该手指对应的电阻应变片传感器中应变片的形变，使得应变片电阻值发生变化，从而使应变片上对外输出的电压值也会发生变化，此电压信号输入到单片机的模拟量采集端口，单片机对采集到的每个手指的模拟电压信号进行模数转换，变为能够反应每个手指弯曲程度的数字量；手部的姿态变化会引起加速度传感器在上或下、左或右、前或后三个方向上的分量变化，加速度传感器将此变化对应转换为三个轴上输出电压的变化，并将三路电压输入到单片机模拟量采集端口，单片机对采集到每个电压信号进行模数转换，得到能够反应手部姿态变化的三个数字量；单片机得到了反映五指弯曲程度的五个数字量和反应手部姿态变化的三个数字量，通过手语识别算法对这八个量进行处理和识别，得到手语识别的结果，再将结果转化为相应的文字和语音信息；语音信息通过数据手套内置的扬声器播放出来，文字信息通过串行接口传送到便携式显示装置进行显示，同时通过蓝牙接口电路将语音和文字信息发送到笔记本电脑，在笔记本电脑上进行显示和语音输出；
上述手语识别算法为：将八个数字量作为输入八维向量，与之前训练得到的手势判据向量各个维度做差，并根据对应维度的权值求出各个维度差的加权平方和，选取平方和最小的手势判据作为手语识别的结果。
笔记本电脑显示手语识别的效果如图3～图6所示，其中图3中，手势特征为食指伸直，其余四指蜷曲，手部整体竖直向上，识别效果为为手势“1”；图4中，手势特征为大拇指蜷曲，其余四指蜷曲，手部整体竖直向上，识别效果为为手势“4”；图5中，手势特征为食指和中指交叉微弯，其余三指蜷曲，手部整体竖直向上，识别效果为为手势“X”；图6中，手势特征为大拇指、食指和中指分别指向三个方向并相互垂直，其余两指蜷曲，手部整体竖直向上，识别效果为为手势“K”。
Claims (8)
1.一种基于数据手套的手语识别装置，其特征在于：包括数据手套和便携式显示装置，其中数据手套包括手套本体、5个电阻应变片传感器、加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路、扬声器、蓝牙接口电路和锂电池，便携式显示装置包括显示屏和显示驱动电路；
手套本体带有夹层，外形与普通手套相同，5个电阻应变片传感器均为细长薄条形，分别安装于手套本体的5个手指背面从手指与手掌的连接关节处到指尖的夹层中，覆盖每根手指的外侧；加速度传感器、单片机及其外围电路、语音驱动电路及扬声器、蓝牙接口电路和锂电池安装于一块印刷电路板上，电路板安装于手套手背部位的夹层中；
5个电阻应变片传感器输出的电压信号接入到单片机的模拟量采集接口；加速度传感器有三个轴，分别对应感知手部在上或下、左或右、前或后三个方向的加速度变化分量，加速度传感器输出3个电压信号接入到单片机的模拟量采集接口；
语音驱动电路通过I2C总线与单片机的I2C接口相连，语音驱动电路通过两根信号线直接驱动扬声器；
蓝牙接口电路通过串行接口与单片机的第一串行接口相连，通过蓝牙与电脑或者手机的蓝牙设备通信；
电路板上单片机的第二串行接口从手套中引出，并与便携式显示装置的显示驱动电路的串行接口相连，便携式显示装置的显示驱动电路通过数据总线和地址总线来驱动显示屏显示图像；
锂电池为数据手套提供电源；
使用过程中数据手套带于聋哑人的双手，便携式显示装置固定于聋哑人的胸前。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的手语识别装置，其特征在于其使用过程为：
在交付聋哑人使用前进行训练，得到符合用户手语习惯的手势判据向量库，库中的手势判据向量具有八个维度，分别为五个手指的弯曲程度和手部姿态在上或下、左或右、前或后三个方向的变化；
使用时聋哑人双手带上数据手套，胸前固定便携式显示装置，当聋哑人做手语手势时，手指的弯曲程度会发生变化，手部的姿态也会发生变化；每个手指的弯曲均会带动手套中与该手指对应的电阻应变片传感器中应变片的形变，使得应变片电阻值发生变化，从而使应变片上对外输出的电压值也会发生变化，此电压信号输入到单片机的模拟量采集端口，单片机对采集到的每个手指的模拟电压信号进行模数转换，变为能够反应每个手指弯曲程度的数字量；手部的姿态变化会引起加速度传感器在上或下、左或右、前或后三个方向上的分量变化，加速度传感器将此变化转换为对应三个轴上输出电压的变化，并将三路电压输入到单片机模拟量采集端口，单片机对采集到每个电压信号进行模数转换，得到能够反应手部姿态变化的三个数字量；单片机得到了反映五指弯曲程度的五个数字量和反应手部姿态变化的三个数字量，通过手语识别算法对这八个量进行处理和识别，得到手语识别的结果，再将结果转化为相应的文字和语音信息；语音信息通过数据手套内置的扬声器播放出来，文字信息通过串行接口传送到便携式显示装置进行显示；
上述手语识别算法为：将八个数字量作为输入八维向量，与之前训练得到的手势判据向量的八个维度做差，并根据对应维度的权值求出各个维度差的加权平方和，选取平方和最小的手势判据作为手语识别的结果。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的手语识别装置，其特征在于：所述5个电阻应变片传感器的型号为FLX-03A。
4.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的手语识别装置，其特征在于：所述加速度传感器的型号为ADXL335。
5.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的手语识别装置，其特征在于：所述蓝牙接口电路的主芯片为BC417143；显示驱动电路采用模块化集成电路，型号为HG122329-S；单片机的型号为ATmega128；语音驱动电路的主芯片为WT588D。
6.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的手语识别装置，其特征在于：数据手套脱离便携式显示装置单独使用，语音信息通过数据手套内置的扬声器播放出来。
7.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的手语识别装置，其特征 在于：数据手套脱离便携式显示装置单独与手机或者电脑配套使用，数据手套通过蓝牙与手机或者电脑连接，手语识别结果的语音信息通过数据手套内置的扬声器播放出来，手语识别结果的语音和文字信息通过蓝牙接口发送到手机或者电脑进行进一步处理。
8.根据权利要求1所述的一种基于数据手套的手语识别装置，其特征在于：数据手套和便携式显示装置与手机或者电脑设备配套使用，数据手套通过蓝牙与手机或者电脑连接，手语识别结果的语音信息通过数据手套内置的扬声器播放出来，手语识别结果的文字信息通过串行接口传送到便携式显示装置进行显示，手语识别结果的语音和文字信息通过蓝牙接口发送到手机或者电脑进行进一步处理。
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