CN104007844A - 电子设备和用于电子设备的可穿戴式输入装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子设备和用于电子设备的可穿戴式输入装置。本发明可穿戴式输入装置包括手指动作单元和综合处理单元，在综合处理单元中设置有基准位置定标器、数据处理单元和通讯单元等部分；手指动作单元用于感知某一时刻手指相对于地面的动作状态，综合处理单元中的基准位置定标器则是提供身体等运动载体相对于地面的运动信息。手指动作单元和综合处理单元共同形成了背景运动检测与消隐的基本硬件结构，由此获取手指动作单元相对于综合处理单元所作运动的精确信息，并处理成为可供显示设备调用的坐标数据，从而满足了可穿戴电子设备在静态和动态环境中输入信息或标定光标的使用需要。本发明电子设备可以极大地促进新一代电子智能产品的发展和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种人机交互设备，具体地说是一种电子设备和用于电子设备的可穿戴式输入装置。
背景技术
目前市面上常见的、利用现有已知技术制造的计算机、手机等产品的输入设备，要么属于分离式的鼠标、游戏杆、光笔等，要么就是集成式的触摸屏、指点器、轨迹球等。再有就是虚拟现实技术中的数据头盔和数据手套等。无论是在实际生活中，还是在虚拟现实中，手都是十分重要的一个动作与感知器官。特别是在目前的计算机日常操作技术中，一般多通过手指对上述设备的敲击、点划或触摸等行为方式作为人机交互的输入方式，以形成电子设备人机交互的基本手段。但是，此类设备多是为了在固定或稳定的应用环境中的使用而设计的。特别是，数据头盔和数据手套等类输入设备的结构非常复杂、价格昂贵，且体积过大、携带不便。
随着智能手机与平板电脑的持续发展，此类电子设备也越来越小型化，智能化，并已经向可穿戴方向推进，以适用于日常生活中的各类场合。同时，也产生了一些新型的人机交互实现方式，形成了一些新型的输入装置，例如可单手操作的掌上键盘、手势键盘、空中鼠标、手写板技术等。
然而，在运动与特别颠簸的环境中使用平板电脑、智能手机等电子设备时，剧烈的摇晃或不停的抖动，经常使得传统的触摸屏等输入装置难以发挥功效。勉强的点击，也可能会因其偏差太大、不能准确定位而难以使用。此时，即便是使用经过改进的鼠标等输入设备，或是采用视觉跟踪、图像辨识等技术，也于事无补。同样，即便是数据手套，在此类环境中仍然使用不便。而语音辨识技术首先需要在使用过程中具有较为清晰的发音，这在保护输入内容的私密性方面，相对于其他几种方式而言无疑是最差的。
对于已经出现的智能眼镜，利用现有的各种输入设备均无法顺利解决其运动环境下人机交互的问题。尽管智能眼镜能将影像直接展示在佩戴者的眼前，但目前却缺乏与操作者灵活、方便和有效的互动。
CN101581990A号专利公开了一种应用于电子设备的可穿戴式指点装置。该装置包括有近距离信号产生单元、远距离信号产生单元、控制单元、定位单元和通信单元，该专利的主要内容是将几项现有技术综合而形成的。其近距信号产生单元就是基于现有的轨迹球结构和技术，从形成上进行了改进，使其能够小型化，以绑定在食指上，供拇指进行操作；其远距离信号产生单元则相当于直接将现有的、需要以抓握方式使用的空中鼠标调换一个使用位置，直接绑定到手背上使用。
该专利为了满足类似于计算机等近距离使用、并且需要精确屏幕定位的设备，以及类似于电视机等远距离使用、不需精确定位的设备的不同需求，通过增设一个距离判断功能，设定远、近两个阈值，以进行对应于近距设备的轨迹球和对应于远距设备的空中鼠标之间的切换。然而，因绑定在手背上的空中鼠标难以实现鼠标所应该具有的点击功能，所以为了对此进行补偿，该专利只得将空中鼠标的位移数据与之前存储的样本数据进行比较。所进行的是一种运行轨迹的比较，只有对比一致才予以确认并输出，对比不一致就不予确认、不进行输出。
鉴于该输出信号只是一种“确认”信号，而不是一种可用于屏幕光标显示的实时“位置”信号，一般只是适合较为简单的“粗放型”控制。而且，依旧难以满足类似步行、运动和车载环境下的抗颠簸、抗晃动的使用要求。此外，该专利仅仅依靠在形式上有所改进的轨迹球和空中鼠标，难以完成实时性要求较高的多点输入功能。因为不可能使每个手指都戴上轨迹球装置或是在一只手背上绑定多个鼠标并同时操作。
所以，即便是在现有输入设备的基础上予以进一步的改进，也难以得到更为充分和有效的提高。可见，输入方式的缺乏，已直接影响到下一代智能设备的发展和应用，并成为其后续发展所面临的一个新的瓶颈。
对于可穿戴电子设备而言，目前迫切需要一种新型的信息输入方式，以真正解决将电子设备“穿戴”起来之后的操作命令或数据信息的输入问题。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种用于电子设备的可穿戴式输入装置，以解决现有可穿戴电子智能产品缺乏使用便捷、动作可靠、输入信息准确的人机交互设备的问题。
本发明的目的之二就是提供一种使用可穿戴式输入装置的电子设备，以促进新一代电子智能产品的发展和应用。
本发明的目的之一是这样实现的：一种用于电子设备的可穿戴式输入装置，包括有：
手指动作单元，佩戴在使用者的手指上，用于检测所佩戴手指的动作状态，并将所检测到的手指动作状态数据信息传送到数据处理单元；
基准位置定标器，为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，或是用于无线定位的无线发射单元，用于检测承载所述手指动作单元的手臂/人体的运动状态，并将所检测到的手臂/人体运动状态数据信息传送到数据处理单元；
数据处理单元，根据所接收的手指动作状态数据信息和手臂/人体运动状态数据信息，实时解算出所述手指动作单元相对于所述基准位置定标器的运动状态变化量的数据信息，在进行背景消减处理后，形成关联电子设备显示器上的显示光标定位信息，或者形成操作关联电子设备的输入信息；以及
通讯单元，用以向关联的电子设备发送显示光标定位信息，或者发送操作关联电子设备的输入信息；
所述基准位置定标器、所述数据处理单元和所述通讯单元共同设置在一个物理载体中，形成一个综合处理单元；所述综合处理单元既可佩戴在使用者的手腕部或躯干部，也可固定在使用者的随身附着物或身边固定物上。
本发明可穿戴式输入装置主要由佩戴于手指上的手指动作单元和固定在手腕、身体躯干或者身体附近某一相对稳定之处的综合处理单元所组成，手指动作单元用于感知某一时刻手指相对于地面的动作状态，综合处理单元则是提供身体等运动载体相对于地面的运动信息。手指动作单元和综合处理单元共同形成了背景运动检测与消隐的基本硬件结构（简称“背消结构”），由此获取手指动作单元相对于综合处理单元所作运动的精确信息，并处理成为可供显示设备调用的坐标数据，从而能够满足可穿戴电子设备在静态和动态环境中输入信息或标定光标的使用需要。
所述手指状态传感器为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，或是具备无线定位技术的信号接收装置，以实时获取手指动作的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成手指定位数据信息。
所述状态信息传输器用于向所述数据处理单元实时传输手指定位数据信息。
所述基准位置定标器可以是包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，以实时获取其所在部位的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成判断手指动作的背景运动数据信息。
所述基准位置定标器还可以是具有无线定位功能的无线发射单元，通过无线定位方式，直接定位所述手指动作单元，相当于一个运动的“基站”。
本发明可穿戴式输入装置构成一种基于微动定位检测技术的新型信息输入技术，基于这种技术实现了一种可称为“手指状态信息标定与传输器”的信息输入新型装置，其中，手指动作单元的外形可制成一个类似指环或顶针的形状，戴在手指前端；而综合处理单元可佩戴在使用者的手腕部、躯干部或人体附着物上，二者之间可以通过有线或无线的方式进行通讯连接，由此形成了一种可穿戴式输入装置，本发明将其简称为“指标器”。
对于日常生活中的静态应用和运动过程中的动态应用而言，数据输入的环境和要求差别很大。为此，本发明提出了“相对状态”和“运动辨识”的基本概念，形成了一个由手指动作单元和综合处理单元共同实现的背景运动检测与消隐的具体硬件结构，简称“背消结构”。
所谓“相对状态”，就是手指动作单元与综合处理单元之间的相对位置状态。这两个工作单元在穿戴之后，随着人体的动作或所搭乘的交通工具的运行，可能一直处于位置不停变化的运动过程之中。但在不去刻意进行手指活动的情况下，手指与手腕之间，或是手指与躯干之间，均可因处于同一运动参照系中（即处于同样的运动环境之中）而只因震动等原因发生相对较小的位置变动，甚至是处于相对静止的状态。
所谓“运动辨识”，就是以综合处理单元为参照物，将其某一时刻与手指动作单元的相对位置作为基准，对位于手指的手指动作单元的运动状态和轨迹所进行的辨识。即，准确辨识出手指的某个运动是由于载体带动手指所产生的位置变化，还是手指自主改变与载体之间的相对位置关系所带来的位置变化。
本发明所述的手指动作单元用于感知某一时刻手指相对于地面的动作状态，基准位置定标器则是提供身体等运动载体相对于地面的运动信息。此时，如果需要进行信息的输入，则简单地通过手指的动作，探测其与基准位置定标器之间的相对变化即可辨识完成。这种输入方式，既可在手部没有支撑的情况下，简单使用手指进行“比划”实施，也可在具有支撑的情况下（例如将手放到桌面、自己的腿部或另一侧的臂部）进行“点击”实施。无论是缓慢移位还是快速叩击，不同的运动方向与方式的综合，可以形成一个相对于载体（如手腕）的、具有一定手指活动范围的“三维空间”。
随着小型封装的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的复合传感器技术的出现，惯性传感等相关器件和技术日趋成熟。所以，手指动作单元和基准位置定标器均可综合这些技术，进行加速度、速度、位移、方向、角度、时间变化等物理量的检测。这些实测数据可以作为“第一手”数据，实时传回与基准位置定标器共体的数据处理单元中，进行手指的运动辨识。实际上，所有这些物理量的变化均具有一定的关联性，可以转换为“基础数据”的形式，以供后续处理。
在本发明中，不仅手指动作单元定位是必须的，而且基准位置定标器也是不可或缺。手指动作单元记录的是其与地面之间的绝对运动。不管是手指的独立运动，还是甩臂、行走，身体发生的任何位移均将带动手指的坐标发生变化，当然也包括所乘坐的车辆、电梯等运动平台的状态变化在内。
所以，任何反映在手指动作单元的运动均会被悉数记录，但这往往又不是使用者所希望得到的手指控制信号。如果基准位置定标缺失，仅靠手指动作单元，则因缺乏参照而无法产生有效的信息，系统也将无法辨识是独立的手指位移，还是由于交通工具、人体行进所导致的环境位移而带动的手指位移。所以，手指动作单元和基准位置定标器二者缺一不可，必须同时出现，同时使用。
基准位置定标器和手指动作单元中的加速度信息通过一次积分、二重积分运算和相关角速度数值的修正后，得到各自的速度、位置等参数。再经过简单但高速的减法运算，便可完成“背景消隐”处理，实时得到手指动作单元相对于基准位置定标器的有效的实时位置信息。
假设某一时刻手部保持相对静止，但手臂位置有所变化，或是身体带动手臂发生了移动，基准位置定标器和手指动作单元的数据应该发生了同样的变化。对于这种情况而言，尽管基准位置定标器和手指动作单元均发生了位移，但属于二者相对地面坐标系所同步发生的“整体位移”，即手指动作单元与基准位置定标器相对于上一时刻各自的变化量是同步的、相等的。背消处理后，结果为零。
这也就说明了带有手指动作单元的手指相对于带有基准位置定标器的手腕没有相对位置的变化。从而，可将手臂、身体以及车辆等载体环节所带来的位移“干扰”信息予以消除。背景消隐法能够精确辨识手指动作单元与基准位置定标器之间的有效相对位移，尽量减少以至使得手指不受由于身体其它部位运动所导致的定位干扰。
如果的确是手指相对于手腕的位置及状态发生了变化，则经过背景消隐之后，结果肯定不会为零。可以认为，此时这个不为零的结果就是能够反映变化之后的新的位置或状态信息。
综合处理单元与手指动作单元之间可以通过有线或无线的方式进行连接。不管手指动作单元与综合处理单元之间连接方式如何，手指动作单元对于手指顶端的运动不应产生任何限制。所以，带有手指动作单元的手指与平时一样，是完全自由的，可以进行上下、左右、前后三个方向的随意运动。
实际上，综合处理单元只要相对于手指动作单元是固定的即可。所以，综合处理单元既可以位于腕部，也可以绑定于胸前或身体的某一相对稳定之处，或是干脆直接固定于使用者的工作环境或汽车等乘坐载体中的桌、椅等某个合适的部位。以此，尽可能地适应因应用环境所造成的手指及手部运动的空间差异，以及对其进行辨识时所需的不同“标定范围”和“分辨率”的要求。
通过对加速度、线速度、角速度、运动时间等参数的测量，除了能够得出静态的位置信息外，还可反映手指的加速、匀速、方向、启停状态等运动状况，以模拟常规输入设备中的滑动、拨轮、点击等具体的功能要求。进而，便能够在光标所标定的特定位置进行各种操作命令的输出。
在本发明指标器的这些输出信号在转换成为坐标位置信号后，可以实时传输到具体的电子设备（例如智能眼镜）中，供其作为屏幕光标的位置信号使用；也可以传送至手机等电子设备中，经其处理后留作自身使用或再作他用。在定位信息的传输方式方面，既可以是有线传输，也可以是无线传输。
另外，在使用的过程中若是手有依托，本发明指标器便可以模拟目前笔记本电脑中的触摸屏，即在手能够触及到的任何平面（例如桌面、墙壁，甚至是自己的腹部、腿部等）建立了一个基于接触方式的“虚拟触摸板”环境，实现包括完成“指端书写”方式在内的全部输入功能。
本发明指标器可以模拟电脑鼠标的前后左右移动、左右键的点击和滚轮的拨转，即建立一个“虚拟鼠标器”，就好像手中把握着一个真实的鼠标一样。进而，只要根据想象所“握住”的“鼠标”，便可做出相应的手指运动，最终使得实际的屏幕操作得以完成。甚至，同样在没有可供接触的平面的情况下，即使手部没有依托、处于悬空方式，依旧能够完成“平动移位、点击输入”的输入操作方式。
更进一步，本发明还可以再通过硬件、软件技术的综合和完善，结合指标器自身独具的灵活、方便和不受周边物体形态限制等种种特征，形成一种全新的、多功能的“指标器输入”方式。对此亦可详述如下。
若以综合处理单元为参照系的原点，建立三维直角坐标或是角坐标系，可以划分出手指在以手腕为轴时，所产生的不同高度或角度所对应的数个不同层面。进而，可将相对于综合处理单元产生位移运动的手指动作单元进行“运动层面”的标定。每一个传统的“触摸板”或“鼠标器”均可对应于一个特定的运动层面。因此，以往基于平面的各种输入设备和工作方式，便可非常直观和方便地纳入到立体方式的多层运行结构之中。由此即产生了“多板触摸”、“分层鼠标”或“三维输入”的概念和相应的技术。
同样，在系统中需要更多的手指动作单元或需要根据不同的运动方式、规模，进行“分组”或“分类”时，便可通过建立分级“固定”的方式，形成系统的级联结构。
随着嵌入式计算机系统的体积越来越小、功耗越来越低、单个IC芯片的集成度越来越高、功能越来越强，综合处理单元（甚至手指动作单元）完全可以不仅仅作为一个输入设备工作，还能够将整个可穿戴系统的中央处理环节包容其中。即，以“腕表”形式出现的综合处理单元具有了更为广泛的功能，成为一个更为强大的信息处理综合体。从而，无需再去依托专用的“主机”或借助现有的手机等类智能设备进行后续的信息处理工作。
本发明可穿戴式输入装置与CN101581990A专利最大的不同以及技术和应用优势体现在以下五个方面：
一、本发明可穿戴式输入装置不是基于现有任何常见输入设备的基本原理或通用方法而产生的。
二、在本发明可穿戴式输入装置中，并不需要进行输入装置和被控对象之间的距离判断，在有效的信息传输范围内，无论距离远近，使用方式完全相同。而且，因为可以使用背景消隐技术以及自主控制手部的运动，可将震动和晃动的影响降至最小。
三、在本发明可穿戴式输入装置中，使用“虚拟鼠标”的方式与使用真实鼠标一样，使用者可以按照使用真实鼠标的习惯，使用食指进行与真实鼠标一样的针对左、右键和滚轮的“操作”。此外，使用本发明可穿戴式输入装置还可实现“虚拟触摸板”的输入操作。
四、本发明能够通过三维传感技术，彻底改变现有的平面鼠标运行方式，以实现三维虚拟鼠标。因此，有可能直接完成三维应用的需求，例如对三维立体旋转图形或影像等的控制。
五、在本发明可穿戴式输入装置中，可以分别在左、右手戴上综合处理单元，在双手的十指上均戴上手指动作单元。这样，只要相应的数据处理速度能够满足，就可以实时完成多点、同时输入的要求。
总而言之，本发明可穿戴式输入装置可有单手单指方式（如模拟一般的触摸板和鼠标的使用）、单手多指方式（如模拟高精度的鼠标使用）和双手多指方式（如形成数据手套的简化和可变结构）等多种实现方式。对于双手多指方式的可穿戴式输入装置，既可以进行哑语输入，也可以作为钢琴等键盘乐器在实时演奏过程中的指法记录，甚至还可以在一个具有一定形状和面积的平面上想象出一个钢琴键盘，进行模拟演奏。
另外，相比于目前较为成熟的惯性传感技术，精确的无线定位方法正处于发展过程之中，但其潜力更大。无线定位技术可以是现有RIPS（radio interferometric positioning system）中的TFIM（two frequency intervals method）的技术应用，以及类似的技术。特别是，毫米波设备的成熟化、微型化，以及太赫兹技术的出现，为精确的无线定位提供了无限的发展前景和各种可能。
若是在综合处理单元中安装有无线定位发射单元，则相当于建立一个能够移动的“基站”。手指动作单元中安装有无线接收和定位电路，仅在“基站”附近很小的工作范围（即手指的活动范围）内有效即可，其功耗极低。这样，综合处理单元便可以通过无线定位技术，直接定位手指动作单元。对于单手单指方式，其运算过程还可大大简化。而且，更容易进行双手多指、甚至是更多输入点数的分组处理。此时其运动辨识的方法与前述内容完全相同。
本发明的目的之二是这样实现的：一种电子设备，包括一个电子设备终端和可穿戴式输入装置；所述可穿戴式输入装置包括有：
手指动作单元，佩戴在使用者的手指上，用于检测所佩戴手指的动作状态，并将所检测到的手指动作状态数据信息传送到数据处理单元；
基准位置定标器，为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，或是用于无线定位的无线发射单元，用于检测承载所述手指动作单元的手臂/人体的运动状态，并将所检测到的手臂/人体运动状态数据信息传送到数据处理单元；
数据处理单元，根据所接收的手指动作状态数据信息和手臂/人体运动状态数据信息，实时解算出所述手指动作单元相对于所述基准位置定标器的运动状态变化量的数据信息，在进行背景消减处理后，形成关联电子设备显示器上的显示光标定位信息，或者形成操作关联电子设备的输入信息；以及
通讯单元，用以向关联的电子设备发送显示光标定位信息，或者发送操作关联电子设备的输入信息；
所述基准位置定标器、所述数据处理单元和所述通讯单元共同设置在一个物理载体中，形成一个综合处理单元；所述综合处理单元既可佩戴在使用者的手腕部或躯干部，也可固定在使用者的随身附着物或身边固定物上。
所述手指状态传感器为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，或是具备无线定位技术的信号接收装置，以实时获取手指动作的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成手指定位数据信息；
所述状态信息传输器用于向所述数据处理单元实时传输手指定位数据信息。
所述基准位置定标器可以是包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，以实时获取其所在部位的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成判断手指动作的背景运动数据信息。
所述基准位置定标器还可以是具有无线定位功能的无线发射单元，通过无线定位方式，直接定位所述手指动作单元。
这种电子设备可以极大地促进新一代智能电子产品的发展和应用。
附图说明
图1是本发明可穿戴式输入装置的基本构成框图。
图2是本发明可穿戴式输入装置的基本结构及佩戴方式示意图。
图3是指标器“整体位移”状态示意图。
图4是指标器“相对位移”状态示意图。
图5是本发明可穿戴式输入装置的工作流程图。
图6是指标器的“指端书写”工作方式示意图。
图7是指标器作为虚拟鼠标器及其“把握”方式示意图。
图8是本发明可穿戴式输入装置的一种实施方式的构成框图。
图9是单手多指指标器的使用状态图。
图10是基于双手多指方式的哑语输入器的结构示意图。
图11是基于双手多指方式的钢琴演奏指法记录器的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明可穿戴式输入装置的基本构成包括手指动作单元01、基准位置定标器、数据处理单元和通讯单元等部分，其中，基准位置定标器、数据处理单元和通讯单元可集中设置到一个物理载体中，形成一个综合处理单元02。手指动作单元01可制成顶针或指环的形状，佩戴在使用者的手指上，最好是在指尖部位（图2）。综合处理单元02可制成腕表、卡带等结构（图2），既可佩戴在使用者的手腕部或躯干部，也可固定在使用者的随身附着物或身边固定物上。
手指动作单元01用于检测所佩戴手指的动作状态，包括手指状态传感器和状态信息传输器。其中，手指状态传感器包括角角速度传感器、加速度传感器等惯性传感元件，用以产生手指定位数据，即，实时获取其所在手指部位的加速度、速度、位移和位置等参数，并将所检测到的手指运动的加速度、速度、位移等物理量的数据信息传送到数据处理单元。
基准位置定标器用于检测承载手指动作单元01的手臂或人体的运动状态，并将所检测到的手臂或人体运动状态的物理量的数据信息作为手指动作的背景运动信息传送到数据处理单元。基准位置定标器可以是包括角速度传感器和加速度传感器在内的惯性传感器，以实时获取其所在部位的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成判断手指动作的背景运动数据信息；也可以是具有无线定位功能的无线发射单元，通过无线定位方式，直接定位所述手指动作单元。
数据处理单元对所接收的手指运动数据信息和背景运动数据信息进行背景消减处理，实时解算出手指动作单元01相对于基准位置定标器的运动状态变化量，以实时获得手指动作单元相对基准位置定标器的运动数据，形成位置坐标信息，从而构成显示屏的光标位置信息，或是作为可穿戴电子设备的输入信息。
通讯单元与数据处理单元相接，与使用信息的电子设备进行通信，以发送光标定位信息，或发送为可穿戴设备所能够接收的输入信息。
本发明指标器采用背景消隐技术处理佩戴手指动作单元01的手指与安置综合处理单元02的载体（如手腕）之间的相对运动。如果二者仅是同步发生位移，相对地面坐标系则属于整体位移，即带有手指动作单元01的手指相对于带有综合处理单元02的手腕没有位置变化。数据处理单元使用求取差值的方法可将此类位移“干扰”信息消除（图3）。如果是手指相对于手腕的位置及状态发生变化，即可判为是有效的位置或状态信息（图4）。其具体工作流程如图5所示。对于图5所示的基本工作过程而言，使用现有的计算、通讯技术和相应的元器件已完全可以实现。
本发明指标器可实现“虚拟触摸板”的工作方式，完成“指端书写”在内的各种输入功能（图6）；也可模拟电脑鼠标，建立一个“虚拟鼠标器”，完成“平动移位、点击输入”的鼠标工作方式（图7）。
本发明指标器可有单手单指方式（如模拟一般的触摸板和鼠标的使用）、单手多指方式（如模拟高精度的鼠标使用）和双手多指方式（如形成数据手套的简化和可变结构）等多种实现方式。对于双手多指方式的指标器，既可以进行哑语输入，也可以作为钢琴等键盘乐器在实时演奏过程中的指法记录，甚至还可以在一个具有一定形状和面积的平面上想象出一个钢琴键盘，进行模拟演奏。
实施例1：基于单手单指方式的简单指标器的实现
如图2所示，本实施例的简单指标器包括一个手指动作单元01和一个综合处理单元02。手指动作单元01包括手指状态传感器和状态信息传输器（图1）。综合处理单元02包括基准位置定标器、数据处理单元、通讯单元、状态显示单元和电源单元等部分（图8）。数据处理单元包括了二重积分器和位置编码器等功能环节。
手指动作单元01中的手指状态传感器构成指端惯性单元，综合处理单元02中的基准位置定标器构成腕部惯性单元。两个惯性单元所产生的全部运动数据均传输至数据处理单元进行解算，所以，指端相对于腕部的运动状态就能够精确得出。进而，手指的前后左右运动可以转换并等效成为某个“鼠标”在某一个“桌面”上平动，由此形成了一个“鼠标平面”（图7）。手部在一定范围和程度的提升或下降可以等效为另外一个“鼠标平面”，以便控制另外一个电子设备的输入。而指端的点击动作便可等效为“按键”操作。
戴在腕部的综合处理单元02，可以制成卡带结构，也可以制成外形类似于电子手表的结构。从实施方案简单、明了的角度考虑，与指端的手指动作单元01可以使用有线方式进行连接，当然也可使用无线连接。而数据处理后所形成的系统光标位置信息，需要经由基于蓝牙技术的通讯单元传送至相关的数据接收设备。
两个惯性单元可采用Bosch公司的9轴MEMS惯性测量单元BMX055。该芯片集成了12位三轴加速度计、16位三轴陀螺仪和宽量程三轴磁力计，封装尺寸为4.5×3.0 ×0.95mm，供电电压为2.4～3.6V，工作电流﹤5mA。该芯片具有I2C和SPI接口，可以在±2g/±4g/±8g/±16g范围内提供数据输出，以供后续处理器使用。
数据处理单元的主要功能可由Freescale公司的32位嵌入式处理器KL02予以完成。该芯片封装尺寸为2 ×1.61×0.56 mm，供电电压为1.71～3.6 V，正常工作电流在5 mA左右，并包括了一个SPI模块和两组I2C模块。
Dialog半导体有限公司的DA14580蓝牙无线网络芯片供电电压为3 V，运行功耗为13.2mW，数据传输时最大工作电流仅为4.9mA，其最小封装尺寸为2.5×2.5×0.5mm。该芯片也具有I2C和SPI接口。
此外，如果增加一个精巧的状态显示单元，即可将综合处理单元02的功能加以拓展，从而直接显示出所有与指标器直接相关的参数。例如，数据传输状态、电池电量以及各类错误的提示等内容，还可显示时间、日期等附带信息。状态显示单元可采用DENSITRON公司的128×64点阵OLED模组，直接经由I2C接口连接到数据处理单元，接收待显示数据及图形信息。其型号为DD-12864WE-4A（封装尺寸为26.70×19.26×1.45mm）。其驱动器为SSD1306，并使用ST公司的STOD1812（供电电压2.5～5.5 V，封装尺寸3×3×0.8mm）构成电源单元，提供状态显示单元所需的较高电压。
本实施例可服务于不同类型的可穿戴电子设备。所以，无论是有线还是无线连接，各种类型的节点不多，传输距离也很近。因此，在指标器内部各个单元之间使用I2C或SPI接口相互连接非常方便。而外部通讯在目前环境干扰不是太大的情况下，使用蓝牙技术即可。否则，就需要考虑节点支持更多、单位功耗更低、抗扰能力更强的ANT方式了。
综上所述，本实施例所述各项环节可以利用现有芯片和技术，在一个与CR2032纽扣电池面积近似的电路板上即可较为方便地予以实现。而且，可以与电池、显示单元共同封装于综合处理单元02之中。在不计显示的情况下，整个系统功耗仅在50mW左右，一个300mA/h的纽扣电池可以为其连续供电5个小时以上。显示时功耗较大，仅在需要时触发即可，平时则处于关闭状态。如果在系统中再增加一些电源管理措施，则供电的持续时间可能更长。
实施例2：基于单手多指方式的复杂虚拟鼠标的实现
对于高精度的鼠标器而言，至少应有左键、右键、滚轮和拇指键，甚至还包括一个在鼠标侧壁上设置的拇指键盘。为模拟和使用这种鼠标器，就需要从单手单指的基本方式拓展为单手多指的综合方式，即本实施例的指标器是由1个综合处理单元02和3个手指动作单元01所组成，如图9所示。
本实施例的具体方案及使用方法如下：
1、在手腕处绑定一个综合处理单元02，而且该单元支持多个手指动作单元输入的模式，以便进行多点输入。
2、在拇指、食指和中指的指尖或第一指节处分别佩戴手指动作单元01，这3个单元各自独立地连接到综合处理单元02。
3、与正常的鼠标使用方式相同，由食指负责进行“左键”的点击，中指负责“右键”的点击。而“滚轮”的使用需将食指移至“左键”和“右键”的位置之间进行“拨动”即可。
4、拇指负责拇指键的输入。因为正常鼠标的拇指键和拇指键盘的键数不等，从1个到十几个都有。键数越多，对于手指动作单元01的精度要求就越高。
5、在“模拟鼠标”进行平移的过程中，拇指、食指和中指必须保证相对静止，依靠手部（不是小臂）的左右摆动和上述三个手指的前后同步平移即可。因指标器是一个三维输入设备，所以也完全能够模拟手握物理鼠标时的“抬起”和“放下”的动作。通过相应的软件技术，不仅可以等效实现现有物理鼠标的所有特性，还可以开发实现全新的“三维鼠标”的功能。使用时，手中如果握住一个类似鼠标的物体（即便是一只平放的水杯也可），则更易于掌控和操作，即真正将其作为“鼠标”来使用。
实施例3：基于双手多指方式的哑语输入器的实现
哑语输入器的基本结构如图10所示。因为哑语需要通过双手的姿势和不同的指型、指位予以表示，所以在使用本实施例时，需要采用基于分级“固定”的级联结构。
此时，相对于身体真正“固定”的，是位于胸前的综合处理单元02，称作“一级固定”。而绑定于手腕的综合处理单元02仅仅是相对位于手指上的手指动作单元01有所“固定”而已，相对于“一级固定”而言，仍类似于一个“手指动作单元”。所以，可称其为“二级固定”。
利用现有成熟技术，经由软件的标定和后续的辨识，可以通过“一级固定”得知双手相互的位置关系；通过“二级固定”，则可反映出手部的形状；再通过手指动作单元01，又可判断双手十个指端的位置。若是需要精确确定每个手指的指型或指位，则需在手指的每个指节处均再套装一个手指动作单元01。而这仅仅是在原有的基础上进行数量的增加而已，并不需要技术的更新。由此即可利用本发明构成一种哑语输入器。
实施例4：基于双手多指方式的钢琴演奏指法记录器的实现
钢琴演奏指法记录器的基本结构如图11所示。在钢琴等键盘乐器的演奏过程中，演奏者每个手指的动作都包含了位置、速度、力度、滞键时长、抬指高度等多项指标。而最主要的就是，在整个乐曲的演奏过程中，需要标定每个手指敲击键盘时的顺序和位置，以及拇指和其余4指的过指关系。钢琴演奏指法记录器需要准确识别并标识出演奏过程中的这些参数。
本实施例首先需要10个基本的手指动作单元01。为了尽量少地影响演奏，手指动作单元01均需套接在每根手指的第二指节处。标准的88键钢琴键盘所有琴键的尺寸和位置是严格固定的，所以，手指动作单元01的有效工作范围也就是确定的。
此外，演奏过程中手腕的位置和动作也很重要。所以，应在手腕处同样绑定两个手指动作单元01。当然，若是特别强调手腕与各个手指间的相互关系，使用综合处理单元02更好。但这样的话，级联方式就会类似于实施例3。
至于演奏过程中身体的姿态以及相应的摆动方式问题，可以认为仅仅是演奏者情感抒发时的下意识表现，或是多见于刻意增强视觉观感的主观需求。而其对于纯粹的听觉效果并无实质性的改善，可以不必考虑。如果特别需要的话，可在演奏者的头部和胸部分别再加装两个手指动作单元01即可。
与实施例3不同的是，所有手指动作单元01的运动参数都是相对于键盘而言的，准确地说，是相对于钢琴本体而言。所以，真正意义上的综合处理单元02应该固定于钢琴之上。实际上，此时将综合处理单元02直接放置于琴盖、掀起的键盘盖板或是盖板自带的谱架等在演奏过程中较为稳定之处均可。
Claims (8)
1.一种用于电子设备的可穿戴式输入装置，其特征是，包括有：
手指动作单元，佩戴在使用者的手指上，用于检测所佩戴手指的动作状态，并将所检测到的手指动作状态数据信息传送到数据处理单元；
基准位置定标器，为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，或是用于无线定位的无线发射单元，用于检测承载所述手指动作单元的手臂/人体的运动状态，并将所检测到的手臂/人体运动状态数据信息传送到数据处理单元；
数据处理单元，根据所接收的手指动作状态数据信息和手臂/人体运动状态数据信息，实时解算出所述手指动作单元相对于所述基准位置定标器的运动状态变化量的数据信息，在进行背景消减处理后，形成关联电子设备显示器上的显示光标定位信息，或者形成操作关联电子设备的输入信息；以及
通讯单元，用以向关联的电子设备发送显示光标定位信息，或者发送操作关联电子设备的输入信息；
所述基准位置定标器、所述数据处理单元和所述通讯单元共同设置在一个物理载体中，形成一个综合处理单元；所述综合处理单元既可佩戴在使用者的手腕部或躯干部，也可固定在使用者的随身附着物或身边固定物上。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式输入装置，其特征是，所述手指动作单元包括手指状态传感器和状态信息传输器；
所述手指状态传感器为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，或是具备无线定位技术的信号接收装置，以实时获取手指动作的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成手指定位数据信息；
所述状态信息传输器用于向所述数据处理单元实时传输手指定位数据信息。
3.根据权利要求1所述的可穿戴式输入装置，其特征是，所述基准位置定标器为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，以实时获取其所在部位的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成判断手指动作的背景运动数据信息。
4.根据权利要求1所述的可穿戴式输入装置，其特征是，所述基准位置定标器是具有无线定位功能的无线发射单元，通过无线定位方式，直接定位所述手指动作单元。
5.一种电子设备，其特征是，包括电子设备终端和可穿戴式输入装置；所述可穿戴式输入装置包括有：
手指动作单元，佩戴在使用者的手指上，用于检测所佩戴手指的动作状态，并将所检测到的手指动作状态数据信息传送到数据处理单元；
基准位置定标器，为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，或是用于无线定位的无线发射单元，用于检测承载所述手指动作单元的手臂/人体的运动状态，并将所检测到的手臂/人体运动状态数据信息传送到数据处理单元；
数据处理单元，根据所接收的手指动作状态数据信息和手臂/人体运动状态数据信息，实时解算出所述手指动作单元相对于所述基准位置定标器的运动状态变化量的数据信息，在进行背景消减处理后，形成关联电子设备显示器上的显示光标定位信息，或者形成操作关联电子设备的输入信息；以及
通讯单元，用以向关联的电子设备发送显示光标定位信息，或者发送操作关联电子设备的输入信息；
所述基准位置定标器、所述数据处理单元和所述通讯单元共同设置在一个物理载体中，形成一个综合处理单元；所述综合处理单元既可佩戴在使用者的手腕部或躯干部，也可固定在使用者的随身附着物或身边固定物上。
6.根据权利要求5所述的可穿戴式输入装置，其特征是，所述手指动作单元包括手指状态传感器和状态信息传输器；
所述手指状态传感器为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，或是具备无线定位技术的信号接收装置，以实时获取手指动作的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成手指定位数据信息；
所述状态信息传输器用于向所述数据处理单元实时传输手指定位数据信息。
7.根据权利要求5所述的可穿戴式输入装置，其特征是，所述基准位置定标器为包括加速度传感器和角速度传感器在内的惯性传感器，以实时获取其所在部位的加速度、速度、位移和位置参数信息，形成判断手指动作的背景运动数据信息。
8.根据权利要求5所述的可穿戴式输入装置，其特征是，所述基准位置定标器是具有无线定位功能的无线发射单元，通过无线定位方式，直接定位所述手指动作单元。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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