CN102622039A - 基于自然接触传感器的智能控制手柄及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自然接触传感器的智能控制手柄及其应用，该智能控制手柄与数据采集卡连接，所述的智能控制手柄包括游戏手柄和自然接触传感器组，所述的自然接触传感器组安装在游戏手柄上操作者与手柄的接触位置；其应用包括以下步骤：1)自然接触传感器组实时采集操作者的各种原始生理信号，并将信号传输给数据采集卡；2)数据采集卡对接收到的信号进行特征提取，产生数据采集卡的输入信号；3)数据采集卡对输入信号进行分析归纳及识别处理；4)数据采集卡显示分析结果，并依据结果发出游戏控制信号。与现有技术相比，本发明具有信号采集精度高、可智能判断操作者的情绪及生理状态、实用价值高等优点。

Description

基于自然接触传感器的智能控制手柄及其应用

技术领域

本发明涉及一种智能控制手柄，尤其是涉及一种基于自然接触传感器的智能控制手柄及其应用。

背景技术

在人机系统中，控制柄是最为常见、最基本的信号输入装置，操作者通过控制柄上的按钮或触摸屏等部件输入特定命令和信号，从而控制机器进行相应的动作。以应用较广游戏控制手柄为例，已经从传统的“按健游戏时代”，通过更高级的体感、动作捕捉等新型的游戏控制方式向“互动游戏时代”发展，但这些技术归根结底还都是基于物理量变化的控制信号，与以往按键的控制的方式没有本质性的创新和突破。

人体生理和情绪信号作为控制信号则是区别于物理量信号的一种全新的控制理念，也为游戏等控制信号革新提供了非常好的基础，而目前采集人体生理信号主要由传统的医学生理传感器系统、可穿戴式生理传感器系统、非接触式生理传感器系统，但他们分别有着仪器庞大、穿戴感觉不适、高成本有副作用等缺点，不易应用在控制手柄中。

自然接触式生理传感器是基于“自然接触”理论发展起来的传感器系统，由于在绝大多数人机系统中，操作者和机器存在自然的物理接触，它的核心理念就是将传感器组安装在人机系统中操作者和机器自然接触的区域，通过自然接触过程中实时、无打扰地获得人体生理信号，同时又不给操作者带来额外的打扰或不适，目前这套系统也仅仅在智能鼠标、智能方向盘中简单进行运用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够实时、无打扰地测量操作者生理信号，可智能判断操作者的情绪及生理状态，实用价值高的基于自然接触传感器的智能控制手柄及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于自然接触传感器的智能控制手柄，该智能控制手柄与数据采集卡无线连接，所述的智能控制手柄包括游戏手柄和自然接触传感器组，所述的自然接触传感器组安装在游戏手柄上操作者与手柄的接触位置。

所述的接触位置包括手掌接触区域和手指接触区域。

所述的自然接触传感器组设有两组，每组自然接触传感器组均包括皮肤温度传感器、握力传感器、皮肤血流容积传感器和皮肤电导率传感器，所述的皮肤温度传感器和握力传感器设在手掌接触区域，所述的皮肤血流容积传感器和皮肤电导率传感器设在手指接触区域。

所述的皮肤温度传感器为微型热电阻，所述的握力传感器为柔性压力传感器，所述的皮肤血流容积传感器为光敏电阻，所述的皮肤电导率传感器为银与氯化银参比电极。

所述皮肤血流容积传感器设在游戏手柄上与操作者中指接触的位置，所述的皮肤电导率传感器的两个电极分别设在游戏手柄上与操作者无名指及小指接触的位置。

一种基于自然接触传感器的智能控制手柄的应用，包括以下步骤：

1)自然接触传感器组实时采集操作者的各种原始生理信号，并将信号传输给数据采集卡；

2)数据采集卡对接收到的信号进行特征提取，产生数据采集卡的输入信号；

3)数据采集卡对输入信号进行分析归纳及识别处理；

4)数据采集卡显示分析结果，并依据结果发出游戏控制信号。

所述的步骤2)中的特征提取包括以下步骤：

a)数据采集卡比较设定时间段各自然接触传感器组中皮肤电导率传感器和握力传感器的输出电压值，分别存储这两个信号的最大电压值和其所在的传感器组序号；

b)数据采集卡采集皮肤电导率传感器输出电压值最大所在传感器组中的皮肤血流容积信号，采集握力输出电压值最大所在传感器组中的皮肤温度信号；

c)上述四个信号输出电压值即本时间段数据采集卡的输入信号，进入后续的信号处理和显示环节。

所述的步骤3)中的分析归纳与识别处理具体为：将数据采集卡的输入信号与数据库中存储的数据进行匹配，找出该信号所对应的情感状态或控制信号，将结果进行显示或发送至游戏机。

与现有技术相比，本发明的设计理念是将传感器组安装在传统游戏手柄上的接触位置，通过游戏者在游戏的过程中手和手柄的自然接触，实时、无打扰地采集游戏者情绪生理信号，具有以下优点：

1)本发明以人体的生理信号作为游戏等方面的控制信号，提供了全新的游戏控制信号、健康提醒、帮助病人和老年人进行恢复性训练等全新的应用理念，具有非常高的实用价值。

2)本发明相较于自然接触传感器模式中情感鼠标、压力鼠标等应用所采集的生理信号更多、系统也更复杂，为后续的情感判定的信号支持也越加丰富，有利于更加准确地判定操作者的情绪和生理状态，在信号的采集和处理等方面的研究更为深入，特别是在误差的分析和补偿、电路可靠性的验证、皮肤血流容积信号中心率信号的提取都进行了深入的研究，同时也提出了多路信号选择判定和分析处理的方法，让采集得到的信号质量和精度也更好。

附图说明

图1为本发明智能控制手柄的结构框图；

图2为本发明智能控制手柄的工作流程图；

图3为实施例1的工作流程图；

图4为实施例2中皮肤电导率实验数据对比图；

图5为实施例2中皮肤温度实验数据对比图；

图6为实施例2中BVP实验数据对比图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于自然接触传感器的智能控制手柄，该智能控制手柄与数据采集卡3无线连接，包括游戏手柄1和自然接触传感器组2，自然接触传感器组2安装在游戏手柄1上操作者与手柄接触的手掌接触区域和手指接触区域，本实施例中游戏手柄1采用微软公司Xbox360游戏手柄。

自然接触传感器组2设有两组，每组自然接触传感器组均包括皮肤温度传感器、握力传感器、皮肤血流容积传感器和皮肤电导率传感器。由于采集的信号极易受到外界噪声的干扰，所以传感器的输出选择在人体信号输出范围内较敏感的类型。同时，传感器的尺寸也尽量小型化或微型化，以能更好地在手柄的安装和分布。皮肤温度传感器采用微型热电阻，握力传感器采用柔性压力传感器，皮肤血流容积传感器采用光敏电阻，皮肤电导率传感器采用银与氯化银参比电极。

皮肤温度传感器设在手掌接触区域，本区域一直紧贴游戏手柄握柄外侧，为手握游戏柄的动作提供足够的摩擦力，本区域内皮肤与外界空气的完全隔离，从而最大程度地避免了外界温度的影响。

握力传感器设在手掌接触区域，本区域为手握游戏柄的动作提供支撑力，也就是说该区域是握力的主要输出区域，且与握力输出大小成正比。

皮肤血流容积传感器设在游戏手柄上与操作者中指接触的位置，采集手指指端血容变化来获得心率和脉搏频率的信号，依据光敏电阻接受由皮肤组织反射的光强大小来测定组织中血流容积的变化，而此区域是人的指端是手掌中毛细血管网最为丰富的区域。

皮肤电导率传感器的两个电极分别设在游戏手柄上与操作者无名指及小指接触的位置，由于皮肤电导率信号测试需要将两个电极分别置于两个手指的指端，故选取相邻的两个手指指端区域。

如图2所示，上述基于自然接触传感器的智能控制手柄的工作流程具体包括以下步骤：

1)自然接触传感器组2实时采集操作者的各种原始生理信号，并将信号传输给数据采集卡3；

2)数据采集卡3对接收到的信号进行特征提取，产生数据采集卡的输入信号；

3)数据采集卡3对输入信号进行分析归纳及识别处理：

将数据采集卡3的输入信号与数据库中存储的数据进行匹配，找出该信号所对应的情感状态或控制信号；

4)数据采集卡3显示分析结果，并依据结果发出游戏控制信号，数据采集卡输出的结果可应用于产生高级游戏控制信号、合理游戏监控、帮助病人或老人康复型训练等用途。

由于智能控制手柄上操作者的手和每一个传感器组都存在接触、部分接触和不接触者三种可能，同时传感器组中的每一个传感器也存在这三种相同的情况，所以准确判定出手和哪些传感器组、传感器发生了接触，并从这些接触发生接触的传感器组、传感器中提取最佳采集信号，就成为智能控制手柄信号采集和分析过程中的最关键一步上述步骤2)中的特征提取包括以下步骤：

a)数据采集卡3比较一定时间段各自然接触传感器组2中皮肤电导率传感器和握力传感器的输出电压值，分别存储这两个信号的最大电压值和其所在的传感器组序号；

b)数据采集卡3采集皮肤电导率传感器输出电压值最大所在传感器组中的皮肤血流容积信号，采集握力输出电压值最大所在传感器组中的皮肤温度信号；

c)上述四个信号输出电压值即本时间段数据采集卡的输入信号，进入后续的信号处理和显示环节。

如图3所示，智能控制手柄系统的情感识别进行初步研究分析，采用PaulEkman的离散6种基本情感分类，将操作者的情绪划分为恐惧、愤怒、悲伤、高兴、厌恶和惊奇这6大类，本发明的智能控制手柄可根据采集的原始生理信号，经过特征提取、分析归纳，并与数据库的数据进行匹配处理，识别出操作者的实时情感状态，输出结果。

实施例2

Procomp2测量系统是业绩认同的高精度、高灵敏度的生理信号测量系统，故引入Procomp2系统下作为智能控制手柄系统的标准参照组，由于Procomp2没有提供握力测试，所以仅对皮肤温度、皮肤电导率和BVP三个信号进行本发明与Procomp2的对比实验。实验结果如图4-6所示，图中Smart Joypad表示本发明的实验曲线。经过SPSS对比T-TEST算法得到，皮肤电导率p值＝0.133＞0.05，皮肤温度p值＝0.888＞0.05，皮肤血流容积p值＝0.126＞0.05，故智能控制手柄系统测量上述三个数据与Procomp2无显著性差异。

Claims (8)

1.一种基于自然接触传感器的智能控制手柄，该智能控制手柄与数据采集卡连接，其特征在于，所述的智能控制手柄包括游戏手柄和自然接触传感器组，所述的自然接触传感器组安装在游戏手柄上操作者与手柄的接触位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于自然接触传感器的智能控制手柄，其特征在于，所述的接触位置包括手掌接触区域和手指接触区域。

3.根据权利要求2所述的一种基于自然接触传感器的智能控制手柄，其特征在于，所述的自然接触传感器组设有两组，每组自然接触传感器组均包括皮肤温度传感器、握力传感器、皮肤血流容积传感器和皮肤电导率传感器，所述的皮肤温度传感器和握力传感器设在手掌接触区域，所述的皮肤血流容积传感器和皮肤电导率传感器设在手指接触区域。

4.根据权利要求3所述的一种基于自然接触传感器的智能控制手柄，其特征在于，所述的皮肤温度传感器为微型热电阻，所述的握力传感器为柔性压力传感器，所述的皮肤血流容积传感器为光敏电阻，所述的皮肤电导率传感器为银与氯化银参比电极。

5.根据权利要求4所述的一种基于自然接触传感器的智能控制手柄，其特征在于，所述皮肤血流容积传感器设在游戏手柄上与操作者中指接触的位置，所述的皮肤电导率传感器的两个电极分别设在游戏手柄上与操作者无名指及小指接触的位置。

6.一种实施如权利要求1所述的基于自然接触传感器的智能控制手柄的应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)自然接触传感器组实时采集操作者的各种原始生理信号，并将信号传输给数据采集卡；

2)数据采集卡对接收到的信号进行特征提取，产生数据采集卡的输入信号；

3)数据采集卡对输入信号进行分析归纳及识别处理；

4)数据采集卡显示分析结果，并依据结果发出游戏控制信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于自然接触传感器的智能控制手柄的应用，其特征在于，所述的步骤2)中的特征提取包括以下步骤：

a)数据采集卡比较设定时间段各自然接触传感器组中皮肤电导率传感器和握力传感器的输出电压值，分别存储这两个信号的最大电压值和其所在的传感器组序号；

b)数据采集卡采集皮肤电导率传感器输出电压值最大所在传感器组中的皮肤血流容积信号，采集握力输出电压值最大所在传感器组中的皮肤温度信号；

c)上述四个信号输出电压值即本时间段数据采集卡的输入信号，进入后续的信号处理和显示环节。

8.根据权利要求6所述的一种基于自然接触传感器的智能控制手柄的应用，其特征在于，所述的步骤3)中的分析归纳与识别处理具体为：将数据采集卡的输入信号与数据库中存储的数据进行匹配，找出该信号所对应的情感状态或控制信号，将结果进行显示或发送至游戏机。

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