CN107678542A - 一种指环类可穿戴设备及人机交互方法 - Google Patents

一种指环类可穿戴设备及人机交互方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种指环类可穿戴设备及人机交互方法，采用压力触控传感器和惯性测量单元，检测手指在其表面的按压位置、力度以及滑动方向数据，以及线加速度和角速率变化数据，从而将手指位移、转动、敲击、特定手势等各种运动状态转化为计算机输入指令；将该设备佩戴在食指上，用拇指按压压力触控传感器表面实现控制指令的输入，在二维环境下运作，能极大的降低使用计算完成常规任务时手在键盘和鼠标间的切换时间；设置有6自由度惯性测量单元和压力触控传感器，能极大丰富人与计算机、3D设备的交互方式；同时，多个指环的配合操作能实现更加丰富的手势和功能，为2D、3D场景下的交互提供了无限的可能。

Description

一种指环类可穿戴设备及人机交互方法
技术领域
本发明涉及人机交互技术领域，尤其涉及一种指环类可穿戴设备及人机交互方法。
背景技术
目前，台式计算机、平板电脑、2D、3D智能电视、虚拟现实设备(Virtual Reality)、甚至大型视觉平台洞穴自动虚拟环境(CAVE Automatic Virtual Environment)等需要交互的智能设备和应用场景不断增多，人与智能设备的交互方式从传统的2D需求逐渐扩展到3D环境下的交互需求。
在2D交互的典型应用场景中，计算机在人们的工作和生活中的越来越重要，人们在计算机前消耗的时间也越来越多。传统的鼠标作为必不能少的两种输入设备之一，它的发明对人与计算机交互的提高有重大意义。几十年来，鼠标基本上没什么改进，其只能单调的在二维的平面移动，严重危害手腕健康，让人越来越无法忍受。在3D交互的应用场景中，如3D游戏、3D视频编辑、3D图形设计等，传统的和正在发展的3D交互设备，如3D鼠标(3Dconnexion Space Navigator)，基于Kinect的图像手势识别，Leap Motion的红外手势识别以及Wiimote游戏手柄等，它们能在特定的应用场景中达到一定的交互目的，但总体上其存在应用场景单一、识别速度慢、容易出现错误等众多缺陷。如基于摄像头或红外传感器的手势识别，识别速度较慢，在手被物体或自己遮挡时不能很好的识别。因此，随着在2D交互领域从单一的桌面计算机转向更为丰富的多样化平面，传统鼠标类交互设备在这些场景中应用时存在很大的局限性，无法满足当前以及以后的发展需求。而在3D交互需求暴增的情况下，仍缺少一种便携的，精确稳定，适合场景应用的交互设备。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种指环类可穿戴设备及人机交互方法，其能够戴在食指上，通过检测食指的位移、方位和旋转以及拇指的按压、滑动等操作，并映射到2D平面或3D空间，能改进人与计算机的2D交互方式与改善交互体验，同时在3D交互场景中能提供功能丰富、稳定精确的交互手段。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种指环类可穿戴设备，其包括指环状外壳，还包括压力触控传感器、惯性测量单元、无线通信单元、中央控制单元和电源，其中，压力触控传感器镶嵌在指环状外壳表面，压力触控传感器、惯性测量单元、无线通信单元分别与中央控制单元信号连接，压力触控传感器、惯性测量单元、无线通信单元、中央控制单元和电源电性连接，其中，
压力触控传感器，检测手指在其表面的按压位置、力度以及滑动方向数据；
惯性测量单元，检测线加速度和角速率变化数据；
中央控制单元，接收压力触控传感器和惯性测量单元反馈的数据，计算并输出二维演示平面内的光标左键、右键、移动和拖拽指令，或者输出三维演示空间内的选取、移动和旋转指令；
无线通信单元，接收并发射中央控制单元输出的指令信号。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述惯性测量单元包括3轴加速度传感器和3轴陀螺仪。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括USB接收器，所述无线通信单元为2.4G、蓝牙或者Wi-Fi通信模块，无线通信单元与USB接收器信号连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述电源为锂电池，还包括无线充电感应线圈和无线充电器，无线充电感应线圈与锂电池电性连接，惯性测量单元、无线通信单元、中央控制单元、电源和无线充电感应线圈收容于指环状外壳内部，无线充电感应线圈和无线充电器相互电感耦合。
第二方面，本发明提供了基于本发明第一方面所述的指环类可穿戴设备的人机交互方法，所述压力触控传感器表面设置有左键区域和右键区域，包括以下步骤，通过手指敲击左键区域或右键区域，中央控制单元输出二维演示平面内的光标左键或右键指令。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述指环类可穿戴设备佩戴在食指上，将拇指按压左键区域，同时佩戴指环类可穿戴设备的食指在三维空间内移动，中央控制单元输出二维演示平面内的光标移动指令。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述指环类可穿戴设备佩戴在食指上，将拇指按压右键区域，同时佩戴指环类可穿戴设备的食指在三维空间内移动，中央控制单元输出二维演示平面内的光标拖拽指令。
第三方面，本发明提供了基于本发明第一方面所述的指环类可穿戴设备的人机交互方法，在三维演示空间内，将佩戴指环类可穿戴设备的手指指向所要选取的虚拟对象，中央控制单元输出选取该虚拟对象的选取指令。
在以上技术方案的基础上，优选的，选取虚拟对象后，将拇指按压右键区域，同时佩戴指环类可穿戴设备的手指在三维空间内移动，中央控制单元输出选取该虚拟对象的移动指令。
在以上技术方案的基础上，优选的，选取虚拟对象后，将拇指按压右键区域，同时佩戴指环类可穿戴设备的手指在三维空间内移动，中央控制单元输出选取该虚拟对象的移动指令。
本发明的指环类可穿戴设备及人机交互方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)采用压力触控传感器和惯性测量单元，检测手指在其表面的按压位置、力度以及滑动方向数据，以及线加速度和角速率变化数据，从而将手指位移、转动、敲击、特定手势等各种运动状态转化为计算机输入指令；
(2)将该设备佩戴在食指上，用拇指按压压力触控传感器表面实现控制指令的输入，在二维环境下运作，不仅能极大的降低使用计算完成常规任务时手在键盘和鼠标间的切换时间，提高工作效率，也能很好的缓解鼠标手等操作传统鼠标时对手腕的伤害；
(3)设置有6自由度惯性测量单元和压力触控传感器，二者的结合能极大丰富人与计算机、3D设备的交互方式，如其在三维空间的自由移动，能让人很直观灵活的实现三维游戏、三维CAD制图中的操作；同时，多个指环的配合操作能实现更加丰富的手势和功能，为2D、3D场景下的交互提供了无限的可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明指环类可穿戴设备的壳体结构的部分剖视图；
图2为本发明指环类可穿戴设备的USB接收器的结构图；
图3为本发明指环类可穿戴设备的无线充电器的结构图；
图4为本发明指环类可穿戴设备的无线充电器的框架图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，结合图4，本发明的指环类可穿戴设备，其包括指环状外壳1、压力触控传感器2、惯性测量单元3、无线通信单元4、中央控制单元5、电源6、USB接收器7、无线充电感应线圈8和无线充电器9。
指环状外壳1，一般采用亲肤材料制备而成，一般情况下佩戴在食指上。惯性测量单元3、无线通信单元4、中央控制单元5、电源6和无线充电感应线圈8收容在指环状外壳1内部。
压力触控传感器2，镶嵌在指环状外壳1表面，检测手指在其表面的按压位置、力度以及滑动方向数据。具体的，所述压力触控传感器2表面设置有左键区域21和右键区域22，分别模拟现有鼠标左键和右键的功能。所述压力触控传感器2压力触控面为带状，安装在指环状外壳1上靠近拇指侧。
惯性测量单元3，检测线加速度和角速率变化数据，如此，可检测6自由度的加速度。具体的，所述惯性测量单元3包括3轴加速度传感器和3轴陀螺仪。
中央控制单元5，与压力触控传感器2、惯性测量单元3、无线通信单元4分别信号连接。接收压力触控传感器2和惯性测量单元3反馈的数据，计算并输出二维演示平面内的光标左键、右键、移动和拖拽指令，或者输出三维演示空间内的选取、移动和旋转指令。所述光标左键、右键、移动和拖拽指令为二维演示平面内的常用指令，在本发明的硬件基础上，还可以开发更多的动作和指令。选取、移动和旋转指令为三维演示空间内的常用指令，在本发明的硬件基础上，还可以开发更多的手势、动作和指令。
无线通信单元4，接收并发射中央控制单元5输出的指令信号，无线通信单元4可采用2.4G、蓝牙或者Wi-Fi通信模块，如图2所示，无线通信单元4与USB接收器7信号连接，USB接收器7与上位机信号连接，接收并转发中央控制单元5发出的指令给上位机，实现本发明的指环类可穿戴设备与上位机指令和数据的通信。
压力触控传感器2、惯性测量单元3、无线通信单元4、中央控制单元5和电源6电性连接。电源6可以采用外接电源，也可以采用移动电源。具体的，所述电源6为锂电池，优选采用超薄锂电池，另外设置电源管理单元对锂电池进行充放电管理。充电方式可以采用触点接触式或充电接口通过充电器对锂电池进行充电。具体的，中央控制单元5内置电源管理模块，电源管理单元获取锂电池的电量和充放电数据并发送给电源管理模块，进而对用户进行电量提醒。也可以采用无线充电的方式，如图3所示，无线充电感应线圈8与锂电池电性连接，惯性测量单元3、无线通信单元4、中央控制单元5、电源6和无线充电感应线圈8收容于指环状外壳1内部，无线充电感应线圈8和无线充电器9相互电感耦合。
以下结合具体实施例介绍本发明的人机交互方法。
实施例1
本实施例的人机交互方法二维演示平面内的使用方式如下：
首先，将指环类可穿戴设备佩戴在食指上，然后依次可实现以下功能：
左键或右键功能。通过拇指敲击左键区域21或右键区域22，中央控制单元5输出二维演示平面内的光标左键或右键指令，从而实现二维演示平面上光标的左键或右键功能；
移动功能。将拇指按压左键区域21，同时佩戴指环类可穿戴设备的食指在三维空间内移动，中央控制单元5输出二维演示平面内的光标移动指令，从而实现二维演示平面上光标的移动功能；
拖拽功能，将拇指按压右键区域22，同时佩戴指环类可穿戴设备的食指在三维空间内移动，中央控制单元5输出二维演示平面内的光标拖拽指令，如此，可实现选取虚拟物体在二维演示平面上的拖拽功能；
翻页功能，将拇指在压力触控传感器2表面上下滑动，中央控制单元5输出二维演示平面内的翻页指令，和传统鼠标的滚轮作用类似；
放大缩小功能，将拇指在左键区域21以重力度按压，中央控制单元5输出二维演示平面内的放大指令；将拇指在拇指在右键区域22以重力度按压，中央控制单元5输出二维演示平面内的放大指令；
前进后退功能，在用到前进后退功能的应用中，如浏览器，将拇指在压力触控传感器2表面左右滑动，中央控制单元5输出二维演示平面内的页面前进指令或页面后退指令。
实施例2
本实施例的人机交互方法在三维演示空间内的使用方式如下：
首先，将指环类可穿戴设备佩戴在食指上，然后依次可实现以下功能：
3D空间选取功能。惯性测量单元3能够感测佩戴指环类可穿戴设备手指的绝对6-DOF取向。因此，可以使用虚拟光线投射技术来选择三维演示空间中的虚拟物体，多个物体被虚拟光线相交时，选取最靠近佩戴指环类可穿戴设备手指的虚拟物体。具体的，将佩戴指环类可穿戴设备的手指指向所要选取的虚拟对象，中央控制单元5输出选取该虚拟对象的选取指令。
3D空间移动功能。选取虚拟对象后，将拇指按压右键区域21，同时佩戴指环类可穿戴设备的手指在三维空间内移动，中央控制单元5输出选取该虚拟对象的移动指令，从而实现虚拟物体在三维演示空间内的移动。
3D空间旋转功能。选取虚拟对象后，将拇指按压右键区域21，同时佩戴指环类可穿戴设备的手指在三维空间内旋转，中央控制单元5输出选取该虚拟对象的旋转指令。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种指环类可穿戴设备，其包括指环状外壳(1)，其特征在于：还包括压力触控传感器(2)、惯性测量单元(3)、无线通信单元(4)、中央控制单元(5)和电源(6)，其中，压力触控传感器(2)镶嵌在指环状外壳(1)表面，压力触控传感器(2)、惯性测量单元(3)、无线通信单元(4)分别与中央控制单元(5)信号连接，压力触控传感器(2)、惯性测量单元(3)、无线通信单元(4)、中央控制单元(5)和电源(6)电性连接，其中，
压力触控传感器(2)，检测手指在其表面的按压位置、力度以及滑动方向数据；
惯性测量单元(3)，检测线加速度和角速率变化数据；
中央控制单元(5)，接收压力触控传感器(2)和惯性测量单元(3)反馈的数据，计算并输出二维演示平面内的光标左键、右键、移动和拖拽指令，或者输出三维演示空间内的选取、移动和旋转指令；
无线通信单元(4)，接收并发射中央控制单元(5)输出的指令信号。
2.如权利要求1所述的指环类可穿戴设备，其特征在于：所述惯性测量单元(3)包括3轴加速度传感器和3轴陀螺仪。
3.如权利要求1所述的指环类可穿戴设备，其特征在于：还包括USB接收器(7)，所述无线通信单元(4)为2.4G、蓝牙或者Wi-Fi通信模块，无线通信单元(4)与USB接收器(7)信号连接。
4.如权利要求1所述的指环类可穿戴设备，其特征在于：所述电源(6)为锂电池，还包括无线充电感应线圈(8)和无线充电器(9)，无线充电感应线圈(8)与锂电池电性连接，惯性测量单元(3)、无线通信单元(4)、中央控制单元(5)、电源(6)和无线充电感应线圈(8)收容于指环状外壳(1)内部，无线充电感应线圈(8)和无线充电器(9)相互电感耦合。
5.一种基于权利要求1所述的指环类可穿戴设备的人机交互方法，其特征在于：所述压力触控传感器(2)表面设置有左键区域(21)和右键区域(22)，包括以下步骤，通过手指敲击左键区域(21)或右键区域(22)，中央控制单元(5)输出二维演示平面内的光标左键或右键指令。
6.如权利要求5所述的人机交互方法，其特征在于：所述指环类可穿戴设备佩戴在食指上，将拇指按压左键区域(21)，同时佩戴指环类可穿戴设备的食指在三维空间内移动，中央控制单元(5)输出二维演示平面内的光标移动指令。
7.如权利要求5所述的人机交互方法，其特征在于：所述指环类可穿戴设备佩戴在食指上，将拇指按压右键区域(21)，同时佩戴指环类可穿戴设备的食指在三维空间内移动，中央控制单元(5)输出二维演示平面内的光标拖拽指令。
8.一种基于权利要求1所述的指环类可穿戴设备的人机交互方法，其特征在于：在三维演示空间内，将佩戴指环类可穿戴设备的手指指向所要选取的虚拟对象，中央控制单元(5)输出选取该虚拟对象的选取指令。
9.如权利要求8所述的人机交互方法，其特征在于：选取虚拟对象后，将拇指按压右键区域(21)，同时佩戴指环类可穿戴设备的手指在三维空间内移动，中央控制单元(5)输出选取该虚拟对象的移动指令。
10.如权利要求8所述的人机交互方法，其特征在于：选取虚拟对象后，将拇指按压右键区域(21)，同时佩戴指环类可穿戴设备的手指在三维空间内旋转，中央控制单元(5)输出选取该虚拟对象的旋转指令。
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