CN105208746A - 基于运动和肌电流信号控制的立方体led台灯及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯及方法，包括用于检测手势的设备和控制照明的设备，所述的用于检测手势的设备用于穿戴在使用者的左手或者右手的手腕上，所述的用于检测手势的设备包括肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块、第一主控芯片；所述的控制照明的设备包括八达林顿晶体管驱动模块、第二无线传输模块、第二主控芯片；并通过方法降低了现有技术中无法实现远距离操纵、照明效果差的缺陷。

Description

基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯及方法

技术领域

本发明属于LED台灯技术领域，具体涉及一种基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯及方法。

背景技术

LED台灯就是以LED(LightEmittingDiode)即发光二极管为光源的台灯，LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED台灯的照明又称固态照明，作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术，具有节能、环保、安全可靠的特点，固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源，代表照明技术的未来。发展新固态照明，不仅是照明领域的革命，而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。

而现有的LED操控方式往往还是接触式的如按键开关的模式，这样的操纵模式无法实现远距离操纵，由此带来使用不方便的问题，另外目前使用的LED台灯作为照明装置在结构上存在着分布不均匀从而导致了照明效果差的问题。

发明内容

本发明的目的提供一种基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯及方法，包括用于检测手势的设备和控制照明的设备，所述的用于检测手势的设备用于穿戴在使用者的左手或者右手的手腕上，所述的用于检测手势的设备包括肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块、第一主控芯片；所述的控制照明的设备包括八达林顿晶体管驱动模块、第二无线传输模块、第二主控芯片；所述的肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块同第一主控芯片相连接；所述的肌电传感器EMG_Sensor的电极同手腕的皮肤相接触；所述的八达林顿晶体管驱动模块和第二无线传输模块同第二主控芯片相连接，所述的八达林顿晶体管驱动模块同立方体LED台灯的LED灯组相连接。并通过方法降低了现有技术中无法实现远距离操纵、照明效果差的缺陷。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯及方法的解决方案，具体如下：

一种基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，包括用于检测手势的设备和控制照明的设备，所述的用于检测手势的设备用于穿戴在使用者的左手或者右手的手腕上，所述的用于检测手势的设备包括肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块、第一主控芯片；所述的控制照明的设备包括八达林顿晶体管驱动模块、第二无线传输模块、第二主控芯片；所述的肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块同第一主控芯片相连接；所述的肌电传感器EMG_Sensor的电极同手腕的皮肤相接触；所述的八达林顿晶体管驱动模块和第二无线传输模块同第二主控芯片相连接，所述的八达林顿晶体管驱动模块同立方体LED台灯的LED灯组相连接，所述的LED灯组为8*8*8三维LED点阵，所述的8*8*8三维LED点阵是由512个LED组成的实心立方体。

所述的肌电传感器EMG_Sensor为两路肌电传感器，所述的肌电传感器EMG_Sensor内部集成有依次连接的两级差分放大电路、精密整流电路、二阶滤波电路和模拟数字转换电路，通过两级差分放大电路，将肌肉电路信号进行差分放大，形成放大后的肌肉电流信号，然后通过精密整流电路进行精密整流，接着通过二阶滤波电路进行滤波处理后放大输出电压信号，再由单个信号通道独用的模拟数字转换电路转换成数字信号，转换后的数字信号是一个连续的电压值，连续变化的信号成波动变化，接着就能够通过定义这个信号的特征值为某一对应的手势。

所述的运动传感器包括航姿参考系统AHRS和惯性测量单元IMU，其内部集合了三轴陀螺仪和三轴加速度计，包含了嵌入式的姿态数据解算单元，通过测量物体运动的轴向角速度和横向纵向的加速度，用卡尔曼滤波算法进行角速度和加速度的数据融合，来判定手臂在空间的运动姿态，即手臂的前、后、左、右、上和下的运动姿态。

所述的嵌入式的姿态数据解算单元是根据四元数姿态解算算法来执行的。

所述的第一无线传输模块为Bluetooth无线传输模块的数据发射端，所述的第二无线传输模块为Bluetooth无线传输模块的数据接收端，所述的第一无线传输模块和第二无线传输模块能够在十米的距离内彼此通信，以此来进行实时的数据传输。

所述的第一主控芯片为数字信号处理器、中央处理器CPU或者专用集成芯片，用来解析提取特征参数，提取出的特征参数信息通过线性判断分析，结合手势库模糊查寻算法，进行手势甄别，并最终得到最高概率的手势结果以实现手势识别，所述的手势库模糊查寻算法为基于动态模糊神经网络的手势识别算法；所述的第一主控芯片为KinetisK60主控芯片；所述的第二主控芯片为AT89C51主控芯片。I

所述的八达林顿晶体管驱动模块为ULN2803八达林顿晶体管驱动模块。

所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯的方法为，具体如下：

当有手势动作时，通过紧贴皮肤表面的肌电传感器EMG_Sensor的电极，可以采集手指动作时引起的肌肉的电流信号EMG，结合所述的用于检测手势的设备上的运动传感器用来判断手臂在空间的运动方向；经过第一主控芯片处理后映射成指令通过第一无线传输模块传输到控制照明的设备的第二无线传输模块上，第二主控芯片操纵八达林顿晶体管驱动模块来让立方体LED台灯的LED灯组执行相应的开启关闭、模式选择、效果切换、明暗变化这样的功能。

本发明的优点是：更人性化和方便快捷，只需动动手臂就能完成各种控制的需求，真正实现非接触式的远隔操控，并且这个基于运动传感器和肌肉电流信号的手势操控方法可以移植到其他的家电控制上。

通过手臂运动姿态的加速度和角度数据的分析判别，还可以分别实现不同手臂运动姿态对应飞行器不同飞行姿态的目的，具体可实现前后左后上下的运动，从而实现飞行器搭载拍照设备根据使用者的需求进行不同位置的移动和定位功能。

附图说明

图1为本发明的用于手势检测的设备佩戴在前臂处的位置的结构示意图。

图2为本发明的手势识别基本的算法流程图。

图3为本发明的打响指这个动作的示意图。

图4为本发明的检测到手臂左右运动时的示意图。

图5为本发明的手臂上下运动的示意图。

图6为本发明的握拳动作的示意图。

图7位手臂左右自旋的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明内容作进一步说明：

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，包括用于检测手势的设备和控制照明的设备，所述的用于检测手势的设备用于穿戴在使用者的左手或者右手的手腕上，所述的用于检测手势的设备包括肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块、第一主控芯片；所述的控制照明的设备包括八达林顿晶体管驱动模块、第二无线传输模块、第二主控芯片；所述的肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块同第一主控芯片相连接；所述的肌电传感器EMG_Sensor的电极同手腕的皮肤相接触；所述的八达林顿晶体管驱动模块和第二无线传输模块同第二主控芯片相连接，所述的八达林顿晶体管驱动模块同立方体LED台灯的LED灯组相连接，所述的LED灯组为8*8*8三维LED点阵，所述的8*8*8三维LED点阵是由512个LED组成的实心立方体。

所述的肌电传感器EMG_Sensor为两路肌电传感器，所述的肌电传感器EMG_Sensor内部集成有依次连接的两级差分放大电路、精密整流电路、二阶滤波电路和模拟数字转换电路，通过两级差分放大电路，将肌肉电路信号进行差分放大，形成放大后的肌肉电流信号，然后通过精密整流电路进行精密整流，接着通过二阶滤波电路进行滤波处理后放大输出电压信号，再由单个信号通道独用的模拟数字转换电路转换成数字信号，转换后的数字信号是一个连续的电压值，连续变化的信号成波动变化，接着就能够通过定义这个信号的特征值为某一对应的手势。

所述的运动传感器包括航姿参考系统AHRS和惯性测量单元IMU，其内部集合了三轴陀螺仪和三轴加速度计，包含了嵌入式的姿态数据解算单元，通过测量物体运动的轴向角速度和横向纵向的加速度，用卡尔曼滤波算法进行角速度和加速度的数据融合，来判定手臂在空间的运动姿态，即手臂的前、后、左、右、上和下的运动姿态。

所述的嵌入式的姿态数据解算单元是根据四元数姿态解算算法来执行的。

所述的第一无线传输模块为Bluetooth无线传输模块的数据发射端，所述的第二无线传输模块为Bluetooth无线传输模块的数据接收端，所述的第一无线传输模块和第二无线传输模块能够在十米的距离内彼此通信，以此来进行实时的数据传输。

所述的第一主控芯片为数字信号处理器、中央处理器CPU或者专用集成芯片，用来解析提取特征参数，提取出的特征参数信息通过线性判断分析，结合手势库模糊查寻算法，进行手势甄别，并最终得到最高概率的手势结果以实现手势识别，所述的手势库模糊查寻算法为基于动态模糊神经网络的手势识别算法；所述的第一主控芯片为KinetisK60主控芯片；所述的第二主控芯片为AT89C51主控芯片。I

所述的八达林顿晶体管驱动模块为ULN2803八达林顿晶体管驱动模块。

具体说来总体就构成了由512个全彩LED灯组成的8*8*8立方体，这样的照明效果好，由照明主板控制，照明主板上集成了电源模块，第二无线传输模块，第二主控芯片这样的标准电路，主要作用是接收用于检测手势的设备的信号，作出相应的命令处理，对LED台灯进行相应的控制，以及为LED灯供电。用于检测手势的设备是一个可以佩戴在手腕上的手环，手环内部的电路板集成了肌电传感器EMG_Sensor，运动传感器，第一无线传输模块，第一主控芯片，充电电源模块这样标准电路，主要作用是通过紧贴皮肤表面的两路肌电传感器，检测手臂肌肉运动时产生的肌肉电流，并经过两级差分放大电路，精密整流电路，二阶滤波电路，模拟数字转换电路，以及实时数字信号算法处理，来定义控制台灯开关和模式选择的手势指令；结合运动传感器，依靠陀螺仪和加速度计来检测手臂的空间运动姿态，通过四元数姿态解算法实现对台灯的效果切换控制和亮灭控制。

所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯的方法为，具体如下：

当有手势动作时，通过紧贴皮肤表面的肌电传感器EMG_Sensor的电极，可以采集手指动作时引起的肌肉的电流信号EMG，结合所述的用于检测手势的设备上的运动传感器用来判断手臂在空间的运动方向；经过第一主控芯片处理后映射成指令通过第一无线传输模块传输到控制照明的设备的第二无线传输模块上，第二主控芯片操纵八达林顿晶体管驱动模块来让立方体LED台灯的LED灯组执行相应的开启关闭、模式选择、效果切换、明暗变化这样的功能。

作为一种远隔操作设备，本发明包括用于检测手势的设备和控制照明的设备，通过紧贴皮肤位置的两路肌电传感器，检测手臂肌肉运动时产生的肌肉电流，并经过两级差分放大电路，精密整流电路、二阶滤波电路模拟数字转换电路，以及实时数字信号算法处理，来定义手势指令；结合运动传感器，依靠陀螺仪和加速度计来检测手臂的运动姿态，通过四元数姿态解算法实现对照明设备的非接触控制。本发明的核心是解析手臂肌肉生物电流和手势之间的对应关系，通过肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器经过实时数据处理，实现手势识别，并将识别后的手势映射成各种控制指令，以实现以手势作为信息输入的方法，然后通过主控芯片对输入指令的接收处理，然后下达对照明设备的操作执行指令，达到隔空操控的功能。

本发明在实现中的技术是如何从手臂微弱的肌肉生物电流信号中找出各个手势动作的特征参数信息，以此达到手势识别的目的，并且处理后的手势信息能够通过数据传输方式传输到第二主控芯片中，然后第二主控芯片对照明下达相应的动作指令。

图1是手势检测的设备佩戴在前臂处的位置。此位置集中了大部分的手臂肌肉，可以检测到比较强的表皮肌肉电流信号。通过在设备合适位置放置电极。但是按照不同的应用和成本，选样不同复杂度的算法，本设备可以被设计成包含限定或不限定佩戴位置。臂环可以在一定的位置放置一路或者多路电极，运动传感器，数字信号处理器或者中央处理器(CPU)或者专用集成芯片。

用于检测手势的设备主要构成部分：设备包括一路或者多路表皮EMG差分电极，用于从手臂皮肤检测出皮下肌肉的EMG信号。原则上，EMG通道越多，则后续手势识别精度越高，但是会带来系统成本、功耗、运算复杂度的上升。表皮EMG信号经差分电极后进入模拟信号放大电路。从表皮采集的EMG原始信号，其振幅通常只在+/-10mv以内，放大电路的作用是将信号扩展到后续模拟数字转换器的有效量程，到达更细分的分辨率。经过放大后的模拟信号，经滤波电路来滤除干扰信号和限制的频率范罔。例如环境中50/60Hz的交流电源干扰可通过设置陷波滤波器滤除。滤波电路电可以在数字化后由数字信号处理器(DSP)或者中央处理器(CPU)或专用集成芯片在数字域通过数字方式实现。放大器电路和滤波电路的次序在实现中可能可以调换。经过放大和滤波后的模拟信号，需要经由模拟数字转换器电路转换到数字领域，然后经数字信号处理器(DSP)或者中央处理器(CPU)或者专用集成芯片进行分析处理，解析提取特征参数，以实现手势识别，设备中包含运动传感器电路，用于检测手臂的运动。

图2示意的是本发明采用和设想的手势识别基本的算法流程。安置在设备上的电极将检测到的表皮肌肉电流信号通过模拟预处理电路进行放大、滤波、经过模拟数字转换器电路转换到数字域。数字化后的信号可通过数字预处理模块进行更精准的数字滤波、整流等处理。其后对信号进行包含了加窗和阈值判断电路等的分段算法。分段后的信号经过相关参数提取算法进行特征参数提取。提取出的特征参数信息通过线性判断分析，例如手势库模糊查寻算法，进行手势甄别，并最终得到最高概率的手势结果。

图3-图7是自行定义的照明设备执行相关指令的手势图。在此示意图中，我们定义图3所示的打响指这个动作的一瞬间产生的肌肉电流，定义这样的信号特征执行启动照明设备；定义图4所示的检测到手臂左右运动时运动传感器X轴的角速度，来执行飞行器的动画效果切换；定义图5所示的检测到手臂上下运动时运动传感器Z轴的角速度，来执行照明设备的明暗变化；定义图6所示的握拳这个动作的一瞬间产生的肌肉电流，定义这样的信号特征执行照明设备关闭；定义图7所示的手臂左右自旋这个动作的一瞬间产生的肌肉电流的信号特征执行照明设备的模式选择。

佩戴在使用者手臂上的检测手势的设备，具有实时检测和识别用户手势的能力，通过将手势映射成相应的控制指令，可以很好的满足这样的需求，这样的的设备方便灵巧，可以让用户有更好的体验。

在技术上，当做某种手势的时候，相应的肌肉会产生微弱的生物电流，通过检测肌肉电流的微弱变化配合运动传感器检测到的加速度数据和角度数据，经过实时数字信号算法处理，可以检测出手臂的运动姿态。一种可行的方案是通过肌电传感器，通过采集、放大特定肌肉上在运动过程中产生的微弱电流，经过实时运算和分析，提取特征参数，实现相应手势的甄别。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，其特征在于包括用于检测手势的设备和控制照明的设备，所述的用于检测手势的设备用于穿戴在使用者的左手或者右手的手腕上，所述的用于检测手势的设备包括肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块、第一主控芯片；所述的控制照明的设备包括八达林顿晶体管驱动模块、第二无线传输模块、第二主控芯片；所述的肌电传感器EMG_Sensor、运动传感器、第一无线传输模块同第一主控芯片相连接；所述的肌电传感器EMG_Sensor的电极同手腕的皮肤相接触；所述的八达林顿晶体管驱动模块和第二无线传输模块同第二主控芯片相连接，所述的八达林顿晶体管驱动模块同立方体LED台灯的LED灯组相连接，所述的LED灯组为8*8*8三维LED点阵，所述的8*8*8三维LED点阵是由512个LED组成的实心立方体。

2.根据权利要求1所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，其特征在于所述的肌电传感器EMG_Sensor为两路肌电传感器，所述的肌电传感器EMG_Sensor内部集成有依次连接的两级差分放大电路、精密整流电路、二阶滤波电路和模拟数字转换电路，通过两级差分放大电路，将肌肉电路信号进行差分放大，形成放大后的肌肉电流信号，然后通过精密整流电路进行精密整流，接着通过二阶滤波电路进行滤波处理后放大输出电压信号，再由单个信号通道独用的模拟数字转换电路转换成数字信号，转换后的数字信号是一个连续的电压值，连续变化的信号成波动变化，接着就能够通过定义这个信号的特征值为某一对应的手势。

3.根据权利要求1所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，其特征在于所述的运动传感器包括航姿参考系统AHRS和惯性测量单元IMU，其内部集合了三轴陀螺仪和三轴加速度计，包含了嵌入式的姿态数据解算单元，通过测量物体运动的轴向角速度和横向纵向的加速度，用卡尔曼滤波算法进行角速度和加速度的数据融合，来判定手臂在空间的运动姿态，即手臂的前、后、左、右、上和下的运动姿态。

4.根据权利要求3所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，其特征在于所述的嵌入式的姿态数据解算单元是根据四元数姿态解算算法来执行的。

5.根据权利要求1所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，其特征在于所述的第一无线传输模块为Bluetooth无线传输模块的数据发射端，所述的第二无线传输模块为Bluetooth无线传输模块的数据接收端，所述的第一无线传输模块和第二无线传输模块能够在十米的距离内彼此通信，以此来进行实时的数据传输。

6.根据权利要求1所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，其特征在于所述的第一主控芯片为数字信号处理器、中央处理器CPU或者专用集成芯片，用来解析提取特征参数，提取出的特征参数信息通过线性判断分析，结合手势库模糊查寻算法，进行手势甄别，并最终得到最高概率的手势结果以实现手势识别，所述的手势库模糊查寻算法为基于动态模糊神经网络的手势识别算法；所述的第一主控芯片为KinetisK60主控芯片；所述的第二主控芯片为AT89C51主控芯片。

7.根据权利要求1所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯，其特征在于所述的八达林顿晶体管驱动模块为ULN2803八达林顿晶体管驱动模块。

8.根据权利要求1所述的基于运动和肌电流信号控制的立方体LED台灯的方法为，其特征在于，具体如下：

当有手势动作时，通过紧贴皮肤表面的肌电传感器EMG_Sensor的电极，可以采集手指动作时引起的肌肉的电流信号EMG，结合所述的用于检测手势的设备上的运动传感器用来判断手臂在空间的运动方向；经过第一主控芯片处理后映射成指令通过第一无线传输模块传输到控制照明的设备的第二无线传输模块上，第二主控芯片操纵八达林顿晶体管驱动模块来让立方体LED台灯的LED灯组执行相应的开启关闭、模式选择、效果切换、明暗变化这样的功能。