CN103543843A - 基于加速度传感器的人机接口设备及人机交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机输入设备领域，具体涉及一种基于加速度传感器的人机接口设备及人机交互方法，该设备包括用于将所述设备固定于头部的头戴部件、设于头戴部件顶端的控制电路，所述控制电路包括加速度传感器、控制单元及无线发送器，所述加速度传感器、无线发送器均与所述控制单元连接；本发明的设备利用加速度传感器采集头部运动的加速度数据，用控制单元根据接收的加速度数据对计算机显示器上的鼠标光标进行控制，实现鼠标光标的移动和点击，与机械式按压或摩擦进行信号采集的鼠标相比，更加灵活、方便，灵敏度高，且不会影响设备的使用寿命，四肢均不健全的残障人士也可使用；本发明的设备操作简单，使用方便。

Description

基于加速度传感器的人机接口设备及人机交互方法

【技术领域】

本发明涉及计算机输入设备领域，具体涉及一种基于加速度传感器的人机接口设备及人机交互方法。

【背景技术】

随着社会的发展、科技的进步，计算机在生活和工作中越来越普及，手机和我们的生活也越来越密切，目前，计算机和手机都采用手来控制，通过手点击、滑动、晃动等方式，进行方向控制等操作，很大程度上需要依赖人的四肢。然而，对于一些残疾人士，尤其是四肢均残疾的人士，难以用手操作计算机和手机，给他们的生活和工作带来不便，因此，研发出一种不依赖于四肢就能对计算机或手机进行控制的输入设备成为亟待解决的问题。

现有技术中不依赖于四肢就能对计算机或手机进行控制的输入设备主要采用以下几种方式：第一，脚控鼠标：现有技术201020145064.8为一种鞋式光电鼠标，包括光电传感器、控制芯片、接口电路和两个轻触式按键，上述均为鼠标的通用部件，该鞋式光电鼠标还包括一鞋式外壳，上述的光电传感器、控制芯片和接口电路均安装于鞋底，鞋底还开有一透光孔用以给光电传感器透光，鞋底上表面上安装两个轻触式按键。此方案将鼠标制造成鞋式，放置于地面供使用者用脚操作，可供手部残疾的人士操作使用电脑；现有技术201020532008.X为一种电拖鞋鼠标，其由拖鞋本体和鼠标构件组成，鼠标构件配合设置在拖鞋鞋底内，鼠标构件主要由鼠标左键、鼠标右键、USB插线、滚轮、光电感应器和其他电路控制元件组成，其中，鼠标左键设置在鞋尖的左端，鼠标右键设置在鞋尖的右端，鞋尖是向上翘起的，脚的大脚趾和二脚趾分别对应控制，此方案将光电鼠标的部件移植到轻巧方便的拖鞋内部，操作起来方便灵活，特别适用于手残疾的残障人士。现有技术201220132839.7属于一种计算机控制装置，其结构由鞋底形基座、支架、按键和连线构成，基座上部设置有固定带，在基座前端一侧设置有一支架，支架的上下内侧面分别设置有一按键，基座前部连接有连线，此方案的鼠标具有方便使用者用脚趾去控制按键的特点，可以更加方便存在上肢体残疾的人使用电脑进行工作和学习，结构简单；以上现有技术均需要脚进行配合操作，采用机械式按压或摩擦进行信号采集，对于四肢均残疾的人士不适用，且机械按键是一个易损部件，影响了鼠标的使用寿命。第二，声控鼠标：现有技术CN201120072483.8的声控鼠标由语音识别模块对语音输入进行识别进而控制电脑，操作复杂，使用不便。第三，头控鼠标：现有技术CN201220616382.7将头部运动转化为鼠标光标控制运动，通过脚部前端的轻触按键实现对鼠标的点击，鼠标光标的移动可以头控，但是实现鼠标点击的方式仍然是物理按键或触摸控制，需要脚与头的配合操作，鼠标光标的点击信号还是使用机械式按压方式实现的，不仅灵敏度较低、使用不便，且还是无法满足四肢均不健全的残障人士。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于加速度传感器的人机接口设备及人机交互方法，仅用头部动作实现鼠标功能。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

一种基于加速度传感器的人机接口设备，包括：

一用于将所述设备固定于头部的头戴部件；

设于头戴部件顶端的控制电路，所述控制电路包括一加速度传感器、一控制单元及一无线发送器，所述加速度传感器、无线发送器均与所述控制单元连接；所述加速度传感器用于感测用户头部移动的速度大小及方向，采集用户头部移动的加速度数据、并将采集的加速度数据发送至所述控制单元；所述控制单元用于根据接收到的所述加速度数据来控制所述无线发送器发送信号给计算机，进而控制所述计算机显示器上鼠标光标随着头部的移动而移动或控制所述计算机显示器上鼠标光标根据头部的动作实现点击。

优选地，所述控制单元包括：

缓存模块，所述缓存模块将加速度数据进行缓存；

识别模块，所述识别模块内设有一阈值，当缓存模块中的加速度数据最大值大于阈值时，用预先训练好的分类器对获得的加速度数据进行动作识别；

执行模块，用于根据识别的动作执行相应的指令，使所述无线发送器向计算机发送鼠标光标移动信号或鼠标光标点击信号。

优选地，所述控制单元还包括一预处理模块，用于对加速度数据进行预处理，以去除噪声和重力加速度的影响，再将加速度数据发送至缓存模块。

优选地，所述设备还包括一信号接收模块，用于接收无线发送器发送的信号、并将信号发送给计算机，所述信号接收模块与所述计算机连接。

优选地，所述无线发送器为无线蓝牙发送模块或wifi发送模块。

本发明还提供了一种基于加速度传感器的人机交互方法，利用上述的设备进行人机交互，包括如下步骤：

步骤1：人机接口设备的加速度传感器实时采集加速度数据，将所采集的加速度数据发送至设备的控制单元中；

步骤2：控制单元根据接收到的加速度数据来控制所述无线发送器发送信号给计算机，进而控制所述计算机显示器上鼠标光标随着头部的移动而移动或控制所述计算机显示器上鼠标光标根据头部的动作实现点击。

优选地，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤a：控制单元对加速度数据以加速度序列的形式进行缓存；

步骤b：设定加速度阈值，当步骤a中缓存的加速度序列的最大值大于所述阈值时，用预先训练好的分类器对获得的加速度序列进行动作识别；

步骤c：每个动作对应一个触发指令，控制单元根据动作识别的结果执行相应的触发指令，使无线发送器向计算机发送所述触发指令。

优选地，所述步骤a具体为：

控制单元对加速度数据进行预处理，去除噪声和重力加速度影响，获得精确的加速度序列，并将所述加速度序列进行缓存。

优选地，所述动作包括头部向左移动、向右移动、向前移动、向后移动，以及连续两次点头、连续两次仰头、连续两次向右摆头；

所述动作对应的触发指令分别为鼠标光标向左移动、鼠标光标向右移动、鼠标光标向上移动、鼠标光标向下移动、鼠标光标单击左键、鼠标光标双击左键、鼠标光标单击右键。

优选地，所述步骤1中加速度传感器是以固定频率采集加速度数据的。

与现有技术相对，本发明的有益效果在于，本发明的设备利用加速度传感器采集头部运动的加速度数据，用控制单元根据接收的加速度数据对计算机显示器上的鼠标光标进行控制，实现鼠标光标的移动和点击，与机械式按压或摩擦进行信号采集的鼠标相比，更加灵活、方便，灵敏度高，且不会影响设备的使用寿命，四肢均不健全的残障人士也可使用；本发明的设备操作简单，使用方便。

【附图说明】

图1是本发明实施例1的基于加速度传感器的人机接口设备的结构示意图；

图2是本发明实施例1的基于加速度传感器的人机接口设备的控制电路的结构框图；

图3是本发明实施例1的基于加速度传感器的人机接口设备的加速度传感器的坐标系；

图4是本发明实施例1的基于加速度传感器的人机接口设备的控制单元的结构框图；

图5是本发明实施例2的基于加速度传感器的人机交互方法的流程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明实施例1提供了一种基于加速度传感器的人机接口设备，如图1所示，该设备包括头戴部件1和控制电路2，其中，头戴部件1将该设备固定于使用者头部，控制电路2设于头戴部件1顶端。

请参阅图2所示，控制电路2包括：加速度传感器21、控制单元22和无线发送器23，加速度传感器21、无线发送器23均与控制单元22连接，加速度传感器21用于感测用户头部移动的速度大小及方向，采集用户头部移动的加速度数据、并将采集的加速度数据发送至所述控制单元22；所述控制单元22用于根据接收到的所述加速度数据来控制所述无线发送器23发送信号给计算机，进而控制所述计算机显示器上鼠标光标随着头部的移动而移动或控制所述计算机显示器上鼠标光标根据头部的动作实现点击。本实施例中的无线发送器23为无线蓝牙发送模块或wifi发送模块。本实施例中的加速器传感器21为三轴加速度传感器，可实时采集XYZ轴上的加速度数据，如图3所示，根据XYZ轴上的加速度数据，可推算出头部的运动方向及加速度。

进一步地，如图4所示，控制单元22包括：缓存模块2201、识别模块2202、执行模块2203和预处理模块2204，其中，预处理模块2204用于对加速度数据进行预处理，以去除噪声和重力加速度的影响，再将加速度数据发送至缓存模块2201；缓存模块2201将加速度数据以加速度序列的形式进行缓存；识别模块2203内设有一阈值，当缓存模块2202中的加速度序列最大值大于该阈值时，用预先训练好的分类器对获得的加速度数据进行动作识别；执行模块2204用于根据识别的动作执行相应的指令，使无线发送器23向计算机发送鼠标光标移动信号或鼠标光标点击信号。

进一步地，本实施例的设备还包括信号接收模块，用于接收无线发送器23发送的信号、并将信号发送给计算机，所述信号接收模块与所述计算机连接。

本实施例的设备利用加速度传感器21采集头部运动的加速度数据，用控制单元22根据接收的加速度数据对计算机显示器上的鼠标光标进行控制，实现鼠标光标的移动和点击，与机械式按压或摩擦进行信号采集的鼠标相比，更加灵活、方便，灵敏度高，且不会影响设备的使用寿命，四肢均不健全的残障人士也可使用。

进一步地，控制单元22的识别模块2203内设有阈值，该阈值的设定可用来降低功耗及调节设备的灵敏度。

进一步地，控制单元22中的识别模块2203用预先训练好的分类器对获得的加速度数据进行动作识别，识别出不同的头部动作，提高了设备的精确性；每个动作对应一个触发指令，上述触发指令是指鼠标光标移动或鼠标光标的点击，通过如下举例进行详细说明：

触发指令能够实现全部鼠标功能，包括：鼠标光标向左移动、鼠标光标向右移动、鼠标光标向上移动、鼠标光标向下移动、鼠标光标单击左键、鼠标光标双击左键、鼠标光标单击右键，共7种。

设定不同的头部动作分别对应上述7个指令，例如：头部向左移动对应鼠标光标向左移动；头部向右移动对应鼠标光标向右移动；头部向前移动对应鼠标光标向上移动；头部向后移动对应鼠标光标向下移动；连续两次点头对应鼠标光标单击左键连续两次仰头对应鼠标光标双击左键连续两次向右摆头对应鼠标光标单击右键。

识别模块2203根据加速度数据对以上7种动作进行识别，可针对以上7种不同的动作预先采集加速度数据进行训练获得分类器，共得到7个分类器，例如：对连续两次点头这个动作进行分类器训练，需选取若干个连续两次点头动作作为样本，用加速度传感器采集每个样本的加速度数据，利用所有的加速度数据进行分类器的训练。

实施例2

本发明实施例2提供了一种基于加速度传感器的人机交互方法，利用实施例1的设备进行人机交互，如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤S201：人机接口设备的三轴加速度传感器实时采集XYZ轴上的加速度数据，将所采集的加速度数据发送至设备的控制单元中；

当物体运动时，在运动方向上会产生一个加速度，三轴加速度传感器的采集过程以固定频率进行，本实施例中为200Hz，实际应用中可以根据情况采用其他的频率采集。

步骤S202：控制单元对加速度数据进行预处理，去除噪声和重力加速度影响，获得精确的加速度序列，并将所述加速度序列进行缓存；

预处理可更精确的获得加速度序列，可提高设备精度。

步骤S203：设定加速度阈值，当步骤S202中缓存的加速度序列的最大值大于所述阈值时，进行步骤S204，否则进行步骤S201；

加速度阈值的范围可根据实际使用情况进行调节，主要用来降低功耗及调节设备灵敏度，例如：设定加速度阈值为0，表示对所有的加速度数据均进行识别。通过设定阈值，将一部分因外界干扰产生的噪声过滤掉。

步骤S204：对预先采集的各个动作的加速度数据进行训练获得每个动作的分类器，用预先训练好的分类器对获得的加速度序列进行动作识别；

头部动作包括但不限于头部向左移动、向右移动、向前移动、向后移动，以及连续两次点头、连续两次仰头、连续两次向右摆头，对以上每个动作均需训练分类器；

分类器及识别方法包括但不限于SVM、HMM、DTW中的任意一种，上述的分类器种类及识别方法均为本领域普通技术人员所熟知的现有技术。

步骤S205：每个动作对应一个触发指令，控制单元根据动作识别的结果执行相应的触发指令，使无线发送器向计算机发送所述触发指令；

每个动作对应一个触发指令，上述触发指令是指鼠标光标移动或鼠标光标的点击，详细说明参见实施例1，在此不进行一一赘述。

头部动作与触发指令的对应关系，例如：头部向左移动对应鼠标光标向左移动；头部向右移动对应鼠标光标向右移动；头部向前移动对应鼠标光标向上移动；头部向后移动对应鼠标光标向下移动；连续两次点头对应鼠标光标单击左键连续两次仰头对应鼠标光标双击左键连续两次向右摆头对应鼠标光标单击右键。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于加速度传感器的人机接口设备，其特征在于，所述设备包括：

一用于将所述设备固定于头部的头戴部件；

设于头戴部件顶端的控制电路，所述控制电路包括一加速度传感器、一控制单元及一无线发送器，所述加速度传感器、无线发送器均与所述控制单元连接；所述加速度传感器用于感测用户头部移动的速度大小及方向，采集用户头部移动的加速度数据、并将采集的加速度数据发送至所述控制单元；所述控制单元用于根据接收到的所述加速度数据来控制所述无线发送器发送信号给计算机，进而控制所述计算机显示器上鼠标光标随着头部的移动而移动或控制所述计算机显示器上鼠标光标根据头部的动作实现点击。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的人机接口设备，其特征在于，所述控制单元包括：

缓存模块，所述缓存模块将加速度数据进行缓存；

识别模块，所述识别模块内设有一阈值，当缓存模块中的加速度数据最大值大于阈值时，用预先训练好的分类器对获得的加速度数据进行动作识别；

执行模块，用于根据识别的动作执行相应的指令，使所述无线发送器向计算机发送鼠标光标移动信号或鼠标光标点击信号。

3.根据权利要求2所述的基于加速度传感器的人机接口设备，其特征在于，所述控制单元还包括一预处理模块，用于对加速度数据进行预处理，以去除噪声和重力加速度的影响，再将加速度数据发送至缓存模块。

4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的人机接口设备，其特征在于，所述设备还包括一信号接收模块，用于接收无线发送器发送的信号、并将信号发送给计算机，所述信号接收模块与所述计算机连接。

5.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的人机接口设备，其特征在于，所述无线发送器为无线蓝牙发送模块或wifi发送模块。

6.一种基于加速度传感器的人机交互方法，利用权利要求3所述的设备进行人机交互，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：人机接口设备的加速度传感器实时采集加速度数据，将所采集的加速度数据发送至设备的控制单元中；

步骤2：控制单元根据接收到的加速度数据来控制所述无线发送器发送信号给计算机，进而控制所述计算机显示器上鼠标光标随着头部的移动而移动或控制所述计算机显示器上鼠标光标根据头部的动作实现点击。

7.根据权利要求6所述的基于加速度传感器的人机交互方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤a：控制单元对加速度数据以加速度序列的形式进行缓存；

步骤b：设定加速度阈值，当步骤a中缓存的加速度序列的最大值大于所述阈值时，用预先训练好的分类器对获得的加速度序列进行动作识别；

步骤c：每个动作对应一个触发指令，控制单元根据动作识别的结果执行相应的触发指令，使无线发送器向计算机发送所述触发指令。

8.根据权利要求7所述的基于加速度传感器的人机交互方法，其特征在于，所述步骤a具体为：

控制单元对加速度数据进行预处理，去除噪声和重力加速度影响，获得精确的加速度序列，并将所述加速度序列进行缓存。

9.根据权利要求7所述的基于加速度传感器的人机交互方法，其特征在于，所述动作包括头部向左移动、向右移动、向前移动、向后移动，以及

连续两次点头、连续两次仰头、连续两次向右摆头；

所述动作对应的触发指令分别为鼠标光标向左移动、鼠标光标向右移动、鼠标光标向上移动、鼠标光标向下移动、鼠标光标单击左键、鼠标光标双击左键、鼠标光标单击右键。

10.根据权利要求6所述的基于加速度传感器的人机交互方法，其特征在于，所述步骤1中加速度传感器是以固定频率采集加速度数据的。

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