CN103565442A - 用于测量人体部位动作的数据设备及其对应的系统 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种用于测量人体部位动作的数据设备及其对应的系统。根据本发明的一个方面，提出了一种用于测量人体部位动作的数据设备，该数据设备包含至少三种类型的传感器：弯曲传感器、压力传感器以及角度传感器；其中，设置弯曲传感器，以便检测人体部位弯曲的状态，从而获得人体部位弯曲度的相应信号；设置压力传感器，以便判断人体部位之间对点的动作是否准确到位；同时可以根据压力值来测量人体部位对点时的力度；设置角度传感器，以便检测人体部位相对于水平面板之间的角度变化值。

Description

用于测量人体部位动作的数据设备及其对应的系统

技术领域

本发明涉及人机数据交互技术,尤其涉及一种用于测量人体部位动作的数据设备及其对应的系统，该数据设备可以为诸如NACN数据手套的人体佩带装置。

背景技术

近几年来，数据手套被频繁地应用在虚拟现实系统的通讯与交互过程中。戴上数据手套，用户的动作就可以传送回计算机，在虚拟现实中与计算机生成的环境进行实时交互。这样的数据手套是多个传感器的集成，每个传感器每隔较短的时间采集一次标定范围内的数据值，通过这些数据值的大小，计算机在虚拟环境中重构手的整体空间状态。

目前，国际上数据手套的研制技术已经相对成熟，并且在市场上已经进行销售。主要产品有:Cyber Glove,5DT Glove,P5Glove,Pinch Glove。但是国际上销售的数据手套价格十分昂贵，应用范围十分局限，也不支持二次开发。

在国内，也有一些单位自主研发数据手套，作为与虚拟现实交互的设备使用，价格低廉，使用简单。

但这些现有技术研发的产品所用的传感器种类较为单一，无法区别动作之间在节奏，力度，相对空间准确性等多个指标的细微差别，无法用于测量不同个体在同一手部动作协调性上的差别。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明设计了一种用于测量人体部位动作的数据设备及其对应的系统。

根据本发明的一个方面，提出了一种用于测量人体部位动作的数据设备，该数据设备包含至少三种类型的传感器：弯曲传感器、压力传感器以及角度传感器；其中，设置弯曲传感器，以便检测人体部位弯曲的状态，从而获得人体部位弯曲度的相应信号；设置压力传感器，以便判断人体部位之间对点的动作是否准确到位；同时可以根据压力值来测量人体部位对点时的力度；设置角度传感器，以便检测人体部位相对于水平面板之间的角度变化值。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于测量人体部位动作的系统，该系统包括：根据上述的用于测量人体部位动作的数据设备；与该数据设备通信的单片机；与该单片机通信连接的计算机。

附图说明

图1是根据本发明实施例的数据设备中的传感器安装的示意性结构图；

图2是是根据本发明实施例的用于测量人体部位动作的系统的原理图；

图3A-图3D分别为传感器信号处理电路的线路图；

图3E和图3F分别为电源电路的线路图；

图3G-图3J分别为信号采集电路的线路图；

图3K为PC接口电路的线路图；

图4是根据本发明实施例的人机数据交互的界面显示图。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种用于测量人体部位动作的数据设备及其对应系统进行详细描述。

同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

在图1中示出了根据本发明实施例的数据设备中的传感器安装的示意性结构图。如图1所示，在本发明的优选实施例中该数据设备包含至少三种类型的传感器：弯曲传感器、压力传感器以及角度传感器。

其中，设置弯曲传感器，以便检测人体部位弯曲的状态，从而获得人体部位弯曲度的相应信号。

设置压力传感器，以便判断人体部位之间对点的动作是否准确到位；同时可以根据压力值来测量人体部位对点时的力度。

设置角度传感器，以便检测人体部位相对于水平面板之间的角度变化值。

根据本发明的优选实施例，该数据设备为数据手套，对应的人体部位为手部。然而对于本领域技术人员应当理解，该数据设备也可以为其它人机交互的人体佩带装置。

根据本发明的优选实施例，其中将10个弯曲传感器分别放置在数据手套的十根手指的内侧，同手心在一个平面的一侧。长度覆盖整根手指的所有关节。可以输出所有手指关节在没有弯曲到有90度弯曲时的阻抗值（约9KΩ~142KΩ）。优选地，该弯曲传感器的选型为Flex Sensors-FLX-03。

根据本发明的优选实施例，其中将2个压力传感器分别放置在数据手套的两个拇指的指肚上。面积稍小于拇指的指肚,有效作用区域直径9.53mm。如果进行其他手指与拇指对点的动作时，可以根据压力传感器是否传回数值来判断手指之间对点的动作是否准确到位；同时可以根据压力值来测量手指对点时的力度。

可替换地，在每个拇指或者其中的一个拇指上设置两个或两个以上压力传感器，来获得每个拇指相应的多个压力传感器的信号的均值，从而更加精确地判断手指之间对点的动作是否准确到位；同时可以更加精确地根据压力值来测量手指对点时的力度。优选地，该压力传感器的选型为Sensor A201-1。

根据本发明的优选实施例，将2个角度传感器分别放置在手背上，可以传回手相对于水平面板之间的角度变化值。在做“拳-边-掌”任务时，手分别用“拳”，小指一侧的“边”和手心面的“掌”与放置在桌面的水平面板相接触，通过角度传感器传回的数值的规律性波动可以判断这个动作的准确性，节奏。水平面板同时可以测量“拳-边-掌”动作的力度。优选地，该角度传感器的选型为ADXL345。

本领域技术人员应当理解，上述传感器的种类、数量、以及布置的方式仅是示意性的，是一种较佳的选择，而并非将本发明限制于此，对于本领域技术人员也可以选择更多种类的其它传感器，从而对手部的其它动作进行信号的采集。

同样，针对上述三种类型的传感器也并非限定在上述的数量上，例如，为了对手指弯曲测量的更加精确，可以在每个手指上设置两个弯曲传感器，从而对获得信号的均值作为手指弯曲度的采集信号；可替换地，也可以针对主要的手指，例如、食指来单独设置两个弯曲传感器。

图2是根据本发明实施例的用于测量人体部位动作的系统的原理图。如图2所示，该系统包括根据上述的用于测量人体部位动作的数据设备、与该数据设备通信的单片机、以及与该单片机通信连接的计算机。

当该数据设备为数据手套，人体部位为手时，在手部进行某种动作时，设置在数据手套上的弯曲传感器、压力传感器和角度传感器同时传回弯曲、力度、角度信号到单片机的电路板中，单片机通过串口与计算机相连，将传感器返回的信号在计算机的显示器上直观地显示出来。

在拇指与食指对点的动作中，会在计算机显示器上显示食指的弯曲曲线和拇指的压力曲线，食指的弯曲曲线可以反映食指的弯曲程度和频率，拇指的压力曲线可以反映拇指和食指互相敲击时的力度大小。在拇指与其他手指的对点动作中，会显示运动的这只手拇指的压力曲线和另外四只手指的弯曲曲线，拇指的压力曲线反映拇指受按压程度的大小，另外四只手指的弯曲曲线可以反映手指弯曲的顺序以及频率；同时还会更加敏感地记录另一只手所有手指的颤抖、弯曲情况，反映出镜像手是否能抑制住连动。

在“拳-边-掌”任务中，会显示手的转动曲线，同时水平面板可以记录其受压力的程度，转动曲线可以反映手的动作的顺序，压力程度可以反映手和水平面板接触力度的大小。

图3A-图3K示出根据本发明实施例的基于各种类型传感器的单片机电路图。电路可以分为传感器信号处理，电源，信号采集和PC接口部分。第一部分为传感器信号处理电路，放大以后的电路图见图3A-图3D，第二部分为电源电路，放大以后的电路图见图3E和图3F；第三部分是信号采集电路，放大以后的电路图见图3G-图3J，第四部分是PC接口电路，放大以后的电路图见图3K。

其中，传感器信号处理电路负责传感器信号整形放大，处理后的信号进入信号采集电路进行采样，通过PC接口电路将信号值传到PC端软件，电源电路为其它电路模块提供工作所需电源。

图4是根据本发明实施例的人机数据交互的界面显示图。左边从上往下第一个窗口显示运动那只手食指的弯曲曲线，其中，横坐标代表时间，纵坐标代表幅度，第二个窗口显示中指的弯曲曲线，第三个窗口显示无名指的弯曲曲线，第四个窗口显示小指的弯曲曲线，第五个窗口显示拇指的压力曲线。右边第一到第五个窗口显示镜像手的情况，各自显示不要求运动的那只手的拇指，食指，中指，无名指，小指的弯曲曲线，表示镜像运动情况。第六个和第七个窗口是“拳-边-掌”时使用，第六个窗口显示手的转动曲线，第七个窗口显示水平面板的受力曲线。通过校准过程记录各手指在不同状态时传感器输出值为随后的手指状态判断提供依据。

在本发明的优选实施例中，数据交互显示界面的使用过程为：先选择串口通信，然后点击打开串口，串口数可能根据计算机不同而不同，在计算机的设备管理器中查看。然而对于本领域技术人员应当理解，本发明并非仅限于串口通信，可替换地，本发明也可以采用USB、并行接口等数据通信技术进行数据通信。接下来进行以下测试步骤：

1，拇指-食指对点动作。先进行食指的校准，伸直（上面一个按钮）和弯曲（下面一个按钮）时各校准一次。然后开始采集数据，30秒钟，然后保存数据。

2，拇指与其他手指对点动作。进行除拇指外四只手指的校准。其余和拇指-食指对点那个动作的记录过程相同，保存数据时，镜像手的数据的情况会同时保存。

3，“拳-边-掌”动作。先进行水平面板的校准，然后采集数据，保存数据。

通过测试校准以后，从而为随后的手部状态判断提供了更加精确的使用依据。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (9)

1.一种用于测量人体部位动作的数据设备，该数据设备包含至少三种类型的传感器：弯曲传感器、压力传感器以及角度传感器；其中，

设置弯曲传感器，以检测人体部位弯曲的状态，获得人体部位弯曲度的相应信号；

设置压力传感器，以判断人体部位之间对点的动作是否准确到位；同时可以根据压力值来测量人体部位对点时的力度；

设置角度传感器，以便检测人体部位相对于水平面板之间的角度变化值。

2.根据权利要求1所述的数据设备，其特征在于：该数据设备为数据手套，该人体部位为手部。

3.根据权利要求2所述的数据设备，其特征在于：其中将至少10个弯曲传感器分别放置在该数据手套的十根手指的内侧，同手心在一个平面的一侧。

4.根据权利要求3所述的数据设备，其特征在于：其中将2个压力传感器分别放置在数据手套的两个拇指的指肚上。

5.根据权利要求2或3所述的数据设备，其特征在于：在每个拇指或者其中的一个拇指上设置两个或两个以上压力传感器，来获得每个拇指相应的多个压力传感器的信号的均值。

6.根据权利要求4所述的数据设备，其特征在于：将2个角度传感器分别放置在手背上，可以传回手相对于水平面板之间的角度变化值。

7.一种用于测量人体部位动作的系统，该系统包括：

根据权利要求1-6中任一项所述的用于测量人体部位动作的数据设备；

与该数据设备通信的单片机；

与该单片机通信连接的计算机。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：设置在数据手套上的弯曲传感器、压力传感器和角度传感器同时传回弯曲、力度、角度信号到该单片机的电路板中。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：该单片机通过串口与该计算机相连，将传感器返回的信号在计算机的显示器上直观地显示出来。

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