CN111565804A - 用于外部运动传感器的通信的系统、设备和方法 - Google Patents

用于外部运动传感器的通信的系统、设备和方法 Download PDF

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Bo & Bo Ltd
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Abstract

本文提供了一种用以在计算设备与外部运动传感器之间提供直接通信的系统，该系统包括：具有传感器通信单元的外部运动传感器；以及具有*Nix OS的计算设备，该计算设备被配置成选择性地利用经由运动传感器的通信单元从运动传感器接收的数据/信息。

Description

用于外部运动传感器的通信的系统、设备和方法
技术领域
本发明涉及物理疗法、锻炼、健身、训练和游戏的领域。特别地，本发明涉及用于平衡锻炼和游戏的系统。
背景技术
基本上，当前所有基于*Nix操作系统(OS)的运动计算/电子设备诸如智能手机、可穿戴设备和平板电脑(Android和IOS)包含内置在它们的印刷电路板(PCB)上的加速度计和陀螺仪部件。这些部件是设备的使得能够测量设备的运动的重要组成部分。运动数据通常一致地并且直接地被传输到设备操作系统，用于各式各样的用途，诸如使屏幕的定向在横式和纵式之间旋转；对例如游戏和测量工具中的基于或利用加速度计或陀螺仪类型的数据的第三方应用(软件应用(application，应用程序))进行控制。
当需要来自集成的部件诸如加速度计的输入的应用被启动时，操作系统要求对来自该部件的数据进行访问的许可。一旦授予这种许可，每当使用该应用时，该应用自动地接收这种数据。
基于加速度计和陀螺仪的应用是非常普遍并且易于编程的，使得在应用商店诸如Google Store和Apple Store中登记了数千个这种应用。存在两种主要方式来将加速度计和陀螺仪数据集成到运动设备的应用中。第一方式从设备的内部操作系统向应用提供运动数据。第二方式要求对每个具体的应用进行编程，以从包括陀螺仪或加速度计的具体的外部硬件接收数据。
尽管大多数操作系统可以集成各种各样的外部硬件(例如键盘、鼠标、扬声器等等)，但是当前通常的操作系统仍缺乏直接地从外部硬件接收陀螺仪和加速度计数据的能力。
此外，通常静止不动的设备(例如，流转化器(streamers：数据流磁带器、流式磁带机)、控制台、智能电视等)不包含加速度计和/或陀螺仪，且因此，它们缺乏使基于那些部件的应用运行的能力。
WO 2016/098105(BO&BO LTD，于2016年6月23日公开)公开了被配置成固定到直立表面的电子设备。该电子设备包括：处理器；加速度计和/或陀螺仪传感器；以及发射器，该发射器被配置成基于来自传感器的数据将命令发射到远程设备。
发明内容
本系统和方法使得计算/电子设备(在下文的说明书和权利要求书中与计算设备或其衍生词互换使用，并且以智能手机等为例)能够与外部传感器诸如加速度计和/或陀螺仪直接地通信。
根据本发明的一个方面的实施方式，提供了系统，该系统被配置成提供计算设备和外部运动传感器之间的直接通信。
该系统包括：具有(无线)传感器通信单元的外部运动/位置/定向传感器(下文中称为运动传感器)；以及具有*Nix OS的计算设备(例如智能手机)，该*Nix OS被配置成选择性地利用经由运动传感器的通信单元和(无线)计算设备通信单元从运动传感器接收的数据/信息，运动传感器的通信单元和(无线)计算设备通信单元被配置成将运动和定向数据/信息与远程设备(例如显示器诸如电视机或计算机控制台或屏幕)可操作地通信。该计算设备包括文件，该文件具有用以选择性地使用设备的运动传感器和使用外部运动传感器的指令。
在一些实施方式中，系统使用：能够在计算设备上运行的运动支持操作系统；以及至少一个外部运动传感器，该至少一个外部运动传感器具有无线传感器通信单元并且设置在可运动物体上或与该可运动物体集成在一起；其中，OS包括文件，该文件被配置有用以执行命令来启用至少一个外部运动传感器的使用的指令，并且由此，运动通信系统促进了计算设备与至少一个外部运动传感器之间的直接通信。
在一些实施方式中，运动通信系统OS是*Nix OS。
在一些实施方式中，运动通信系统OS包括下述文件：该文件被配置有用以执行命令来启用对计算设备的设备运动传感器的选择性使用的指令。
根据本发明的另一方面的实施方式，提供了具有设备运动传感器和基于*Nix的OS的计算设备，其中，该基于*Nix的OS包括文件，该文件被配置用以执行命令来启用对具有无线传感器通信单元的至少一个外部运动传感器的选择性使用的指令；并且该文件能够在对至少一个外部运动传感器的选择性使用的期间使设备运动传感器无效。
在另外的实施方式中，以上描述的文件被修改成包括用以执行命令来对使用运动数据的应用进行操作的指令，其中，用于对应用进行操作的运动数据是来自一个或多个外部运动传感器的。
根据本发明的另一方面的实施方式，提供了促进计算设备与至少一个外部运动传感器之间的直接通信的方法，该计算设备具有集成的设备运动传感器并运行*Nix OS，该至少一个外部运动传感器具有无线传感器通信单元，该方法包括：运行*Nix OS的一个或多个文件，所述文件具有用以执行命令来启用对至少一个外部运动传感器的选择性使用的指令；并且所述文件能够在对至少一个外部运动传感器的选择性使用期间使设备运动传感器无效。
在一些实施方式中，方法包括选择性地使用一个或多个外部运动传感器以及一个或多个内部运动传感器。
在另外的实施方式中，方法包括在计算设备上运行多个*Nix支持的训练/治疗/挑战游戏或应用，其中，训练游戏使用从一个或多个外部运动传感器传送到*Nix OS的运动数据。
应当注意，通常的家用游戏控制台诸如WiiTM具有用于特定运动传感器的特定内容，并且那些传感器与(通常地)手持式指示方向设备(pointing device：指示设备、指向设备、定点设备)集成在一起。
本发明包括与运动计算设备或通信设备对接的接口，使用操作系统(OS)例如*NixOS对该运动计算设备或通信设备进行操作，该操作系统支持运动和位置数据，在下文中称为运动数据(例如，来自加速度计、陀螺仪等)。根据本发明的一些实施方式，基本上，集成了运动数据的任何游戏、程序或应用都可以在*Nix OS上运行，并且可以适于集成的外部运动或位置传感器。例如，在一些实施方式中，被集成到计算设备中并且由计算设备的OS支持的传感器是被无效的。OS被修改以将运动功能移除，因此该OS不与内部运动传感器一起运行，而OS协议适于支持与外部运动传感器或运动传感器(例如，加速度计或陀螺仪)的通信。常用的OS功能的这种变化并不明显，因为与预期的用途相违背。
本发明的实施方式可以允许使用默认使用内部传感器的计算设备，而且允许使用一个或多个外部运动传感器来使所有应用工作。本发明可以用于支持涉及了运动/运动诸如健康应用、游戏、治疗应用等的各式各样的应用。所支持的应用不限于具体的SDK，而是该操作系统(OS)适于支持来自不同开发者和公司的基本上所有的应用。
附图说明
参考附图和以下描述，可以更好地理解根据本发明的系统、装置和方法的原理和操作，应当理解的是，这些附图仅出于例示性目的给出，并且并不旨在是限制性的，其中：
图1是根据本发明一些实施方式的外部运动传感器的示意图；
图2是例示了根据一些实施方式的外部运动传感器的配对连接/断开连接的过程的流程图；
图3A至图3G示出了操作系统代码的用以对在外部运动传感器和应用之间的不匹配(mismatch，错配)进行管理的调整和改变的实施例，以及可选方案的实施例；
图4A至图4B示出了通过现有的外部运动传感器可能实现的新用途或新应用的实施例；以及
图5是本系统的示例性用途的示意性例示。
具体实施方式
提供以下描述以使本领域的普通技术人员能制造和使用如在特定应用及其要求的背景下所提供的本发明。对所描述的实施方式的各种修改对于本领域技术人员将是明显的，并且在本文限定的一般原理可以应用于其他实施方式。因此，本发明不旨在限于所示出和描述的特定实施方式，而是符合与本文公开的原理和特征一致的最广的范围。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、程序和部件，以免使本发明模糊。
本发明的实施方式涉及能够运行运动相关的程序或应用——诸如基于Nix的操作系统(OS)——的运动计算设备和静止不动计算设备，诸如Android设备和IOS设备。这种计算设备可以是运动设备诸如智能手机、平板电脑、可穿戴设备和/或笔记本计算机；或者这种设备可以是静止不动设备诸如控制台、流转化器和/或智能电视等。也可以使用其他设备。
本发明的一些实施方式涉及使用运动设备与外部运动传感器例如加速度计和/或陀螺仪之间的通信方法的外部运动传感器管理；涉及操作系统，该操作系统通常通过使用其内置的硬件来运行基于加速度计和陀螺仪的应用。
本操作系统允许与外部加速度计和/或陀螺仪直接通信的方法，本操作系统使计算设备向广泛的新用途开放。
根据第一实施例，运动计算设备的用户可以使外部运动传感器倾斜，以控制所有基于加速度计/陀螺仪的应用，而无需使该运动设备倾斜或运动来使用上述那些种类的应用。
根据第二实施例，静止不动的设备的用户可以访问不可用的内容的全新世界，因为基于加速度计/陀螺仪的应用可以被显示并且被外部运动传感器控制。例如，用户可以倾斜或运动外部运动传感器以控制游戏。
根据第三实施例，通过将外部运动传感器附接到另一物体(例如，球、球棒、冲浪板等)和/或身体的部分(例如，手部、脚部、头部等)来将物体或身体的部分变成游戏控制器，来实施游戏控制器。例如，用户可以使球滚动；使板倾斜；挥动手部、头部或腿部等，以控制“加速度计”或“运动”型游戏。
本发明的一些实施方式包括用于促进在外部运动传感器与计算或通信设备之间的直接通信的系统、方法和/或装置。在一些实施方式中，提供了系统和方法，用于使用物体上与计算设备无线地连接的外部运动传感器来实现实时游戏控制。
根据本发明的一方面的实施方式，提供了启用外部运动数据的操作系统(OS)，该操作系统包括硬件和软件的组合，该操作系统被集成到计算或通信设备中，该计算或通信设备要么是运动设备要么是静止不动的设备，其运行基于*Nix的OS诸如具有使用运动数据的集成功能的Android和IOS。
在一些实施方式中，外部运动传感器包括：运动传感器诸如加速度计和/或陀螺仪部件；无线发射器诸如蓝牙；以及电源诸如电池。
此外，为了提供质量和准确的数据，运动传感器可以包括加速度计噪声滤波器和/或中央处理单元(CPU)，例如用以配置数据传输频率、准确性等，来帮助优化运动传感器数据。
在一些实施方式中，在运动和/或静止不动的设备的操作系统上的操作系统代码被修改，以使从外部运动传感器直接接收的数据能够用于运动相关的应用或功能。在一个实施例中，在与设备的操作系统代码(在下文也称为“运动代码”)连接(在其上运行)之后，运动代码使现有操作系统代码的运动传感器元素无效，并相应地对设备的操作系统的代码进行修改。例如，内部加速度计/陀螺仪数据通道的元素可能被阻止，因为该种类的数据应当仅从外部运动传感器被接收。
此外，在将外部运动传感器与设备的操作系统断开连接之后，OS应当自动地返回到初始状态，使得可以从设备的操作系统再次接收内部加速度计/陀螺仪数据。
根据一些实施方式，设备操作系统代码被配置成结合外部运动传感器的调整以确保稳定和方便地应用外部运动数据，以与计算设备直接地通信。例如，在代码中负责屏幕定向的元素必须继续从内部加速度计/陀螺仪接收数据，否则屏幕定向会随着外部加速度计/陀螺仪的运动而不断改变。另一方面，在代码中负责将加速度计/陀螺仪数据传输到第三方应用的元素应当仅从外部加速度计/陀螺仪接收数据。此外，在OS代码中还有其他使用加速度计的元素。例如，负责监视用户在睡眠模式下的运动的代码应当在睡眠模式下保持有效以确定设备使用情况，并且因此，这种代码不应当从外部加速度计/陀螺仪接收运动数据，以避免让外部加速度计为设备开启睡眠模式。
另外，根据限定，内部加速度计与设备一起运动。因此，在以不同定向使用应用时，内部加速度计/陀螺仪可能会使不同的轴有效。例如，当用户使用基于处于纵式定向的加速度计的应用时，在X轴上执行向右和向左的倾斜。当用户使用基于处于横式定向的加速度计的应用时，在Y轴上执行向右和向左的倾斜。因此，每个应用应当知道如何根据设备的定向来接收适当的数据。根据一些实施方式，负责第三方应用的操作系统代码被配置成要求与当前应用的屏幕定向对应地调整加速度计数据。该实施方式解决了其中外部加速度计/陀螺仪不随设备一起运动的情况，由此，可能存在外部运动传感器和应用不匹配的情况，这干扰了应用的正确操作。
图1例示了根据本发明的实施方式的计算设备的外部运动传感器100，该外部运动传感器包括：电源/模式致动器或按钮105；微型USB端口110；RGB LED115；蓝牙芯片120；运动传感器125(例如，加速度计、陀螺仪)；电源130，例如可充电电池；以及CPU135。外部运动传感器100还可以包括一个或多个运动传感器、接近传感器或其他运动相关的传感器。该计算设备可以是例如智能手机、笔记本计算机、平板计算机等。
图2示出了根据一些实施方式的过程，外部运动传感器100的配对连接/断开连接可以通过该过程经历配对连接/断开连接。步骤205例示了当设备的应用和功能接收集成的加速度计/陀螺仪的数据时的默认操作。步骤210例示了配对和连接过程，示出了设备的蓝牙的启用，使得设备一致地且自动地搜索外部运动传感器100的蓝牙地址。当外部运动传感器100通电时，外部运动传感器一致地且自动地通告其自身的蓝牙地址，从而在设备识别出蓝牙之后，运动和/或静止不动设备与外部运动传感器100配对并连接。步骤215例示了设备操作系统代码修改的实施例。例如，在外部加速度计被配对并连接到计算设备之后，OS代码中使用集成的加速度计数据的一个或多个元素被完全阻止，如通过“X”示出的。步骤220示出了通过箭头225示出的新的数据通道，该新的数据通道特别是利用已经被修改成忽略集成加速度计的数据的代码元素而在设备OS上打开以开始接收外部设备的加速度计数据中，以便使设备OS能够仅从与该设备OS连接的外部运动传感器接收外部运动数据。
图3A至图3G描绘了操作系统代码用以对外部运动传感器100与应用之间的不匹配进行管理的调整和改变的若干实施例，以及可选方案的实施例。
图3A例示了运动设备的默认状态的实施例，其中运动相关的应用使用集成加速度计的数据。当使用基于加速度计的应用时，集成的加速度计发射与加速度计的定向对应的运动数据。该特征使得能在所有四个定向上使用基于加速度计的应用，以使得用户能够使他们的计算设备诸如智能手机50保持处于任何定向，并且应用对应地进行响应。在定向305，计算设备被示出为处于横式定向；在定向310，设备被示出为处于相反的横式定向；在定向315，设备被示出为处于纵式定向；并且在定向320，设备被示出为处于相反的纵式定向。
图3B例示了外部运动传感器100和应用定向之间不匹配的挑战。例如，如果应用被配置成与智能手机的以固定轴线配置工作的加速度计一起运行，并且该应用现在与无固定轴线配置的外部加速度计一起工作，这可能导致定向的不匹配，并且可能使用户迷惑或困扰。可以看出，在325，计算设备50通过处于横式定向的智能手机50描绘，使得应用对应于外部加速度计的运动进行工作。在330，运动设备处于相反的横式定向，其中，在应用与外部加速度计的运动之间没有匹配。在步骤335，运动设备处于纵式定向，其中，在应用与外部加速度计的运动之间没有匹配。在步骤340，运动设备处于相反的纵式定向，其中，在应用与外部加速度计的运动之间没有匹配。
图3C例示了用于图3B中演示的挑战的方案的实施例。可以看出，对代码进行匹配可以用于使所接收的外部加速度计数据能够对应于设备的定向自动地被调整。
图3D例示了另一屏幕定向挑战，其中，将外部加速度计倾斜引起设备的屏幕旋转，这可能会妨碍用户界面和体验。
图3E例示了用于图3D中演示的问题的方案的实施例，其中，在将外部加速度计配对并连接到设备之后，所选的集成的加速度计数据通道被指示以保持打开状态。可以看出，在集成的加速度计数据通道的某些部分被完全阻止的同时，屏幕显示定向通道继续从集成的加速度计接收数据。
图3F例示了另一挑战，其中，在不使用设备之后，该设备自动地关闭。例如，在使用外部加速度计来对在设备上运行的应用进行控制时，设备也可以在没有任何运动的情况下被操作。在一段时间未运动设备之后，设想会从集成的加速度计接收数据，并且设备可能自动地进入不期望的睡眠模式。
图3G例示了用于图3E中演示的问题的方案的实施例，该实施例示出了对从集成的加速度计接收相关通道数据进行阻止。在外部加速度计被配对并与设备连接之后，通常从集成的加速度计搜索运动数据的与睡眠模式相关的代码元素将被完全阻止，并且替代地，设备OS将开始仅从外部加速度计接收该运动数据。
图4A至图4B例示了根据一些实施方式的通过使用本发明的外部运动传感器可能实现的新用途或新应用的若干实施例。
图4A例示了通过外部运动传感器100对静止不动的或运动的计算设备上运行的现有游戏和应用进行控制的附加用途。如可以看出的，用户可以通过利用他/她的身体部分例如头部405、手部410、骨盆415使可选地附接到带状物的外部运动传感器100倾斜来控制应用。此外，用户可以将外部运动传感器100附接到另一附件，从而启用新功能，例如使应用用于游戏、训练、康复、运动等。
图4B例示了本发明在现有应用上的其他用途的实施例，例如，使用现有应用通过外部运动传感器100来测量运动、加速度或角度，而不需要将智能手机50物理定位在所测量的物体上。如在420和425处所看到的，外部工具的运动可以触发运动的和/或静止不动的设备上的应用的使用。在另外的实施例中，外部运动传感器可以耦合至水平工具、角度工具、振动传感器、或在其中运动数据的获取可能是有用的任何其他外部工具。
图5示出了本系统和方法的示例性用途。用户站在平衡训练器200的表面5上，将他/她的智能手机50握在他/她的手中(不过可以将智能手机方便地放置在用户的口袋或其他地方)，同时借助于智能电视250来玩交互游戏。智能手机50从位于平衡训练器200的表面5上的运动传感器100接收运动、加速度和定向数据；并且，智能手机50将该数据传送到用户正在观看的智能电视250。以该方式，智能手机50传送适当的运动、加速度和定向数据，即来自运动传感器100的数据，而不是传送智能手机可以生成的这种数据，智能手机的OS被配置有集成在其中的使这种智能手机生成的运动数据无效(或阻止其传送)的文件并且运行该文件。结果是，可以适当地且方便地执行平衡训练游戏或锻炼，而无需以某种方式将智能手机50附接到平衡训练器的表面5。此外，这种(通常是低成本的)运动传感器100可以被附接到各种表面/游戏。
应当注意，本文描述的系统和方法允许运动传感器100与计算设备诸如智能手机50之间的直接通信；并且上述传感器和设备被分开地放置(传感器在计算设备外部——并非集成的。这种情况允许将计算设备和运动传感器两者分开使用。
根据一些实施方式，使用外部加速度计和/或陀螺仪以及内部/集成的加速度计和/或陀螺仪两者，和/或使用其他运动相关的传感器。例如，所选的通道外部加速度计和/或陀螺仪可以选择性地被关闭或被打开，以便允许内部加速度计和/或陀螺仪向设备提供数据以用于选择性功能，并且允许外部加速度计和/或陀螺仪提供数据以用于选择性功能。
根据一些实施方式，设备上的功能可以有条件地使用外部加速度计和/或陀螺仪。例如，智能手机设备的OS可以使用内部加速度计和/或陀螺仪设备以及/或者外部加速度计和/或陀螺仪设备来执行功能，直到外部加速度计和/或陀螺仪被连接和/或被配对。此外，如果外部运动传感器(例如，加速度计和/或陀螺仪)被配对并正在被使用，并且随后被断开连接或被解除配对，则内部运动传感器接管运动数据的提供。
为了例示和描述的目的，已经给出了本发明的实施方式的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的确切形式。本领域技术人员应该理解，根据以上教导，许多修改、变化、替换、改变和等同物是可能的。因此，应当理解，所附权利要求旨在将落入本发明范围内的所有此类修改和改变覆盖。

Claims (11)

1.一种运动通信系统，包括：
能够在计算设备上运行的运动支持操作系统(OS)；以及
至少一个外部运动传感器，所述至少一个外部运动传感器具有无线传感器通信单元并且设置在可运动物体上或与所述可运动物体集成在一起；
其中，所述OS包括文件，所述文件被配置有用以执行命令来启用所述至少一个外部运动传感器的使用的指令，
由此，所述运动通信系统促进了所述计算设备与所述至少一个外部运动传感器之间的直接通信。
2.根据权利要求1所述的运动通信系统，其中，所述OS是*Nix OS。
3.根据权利要求1所述的运动通信系统，其中，所述OS包括下述文件：所述OS包括的文件被配置有用以执行命令来启用所述计算设备的设备运动传感器的选择性使用的指令。
4.一种计算设备，具有设备运动传感器和基于*Nix的OS，其中，所述基于*Nix的OS包括文件，所述文件被配置有用以执行命令来启用具有无线传感器通信单元的至少一个外部运动传感器的选择性使用的指令；并且所述文件能够在所述至少一个外部运动传感器的选择性使用期间使所述设备运动传感器无效。
5.根据权利要求4所述的计算设备，其中，所述文件被修改成包括用以执行命令以使使用运动数据的应用进行操作的指令，其中，用于使所述应用进行操作的所述运动数据来自一个或多个外部运动传感器。
6.一种促进计算设备与至少一个外部运动传感器之间的直接通信的方法，所述计算设备具有集成的设备运动传感器并运行*Nix OS，所述至少一个外部运动传感器具有无线传感器通信单元，所述方法包括：
运行所述*Nix OS的一个或多个文件，所述文件具有用以执行命令来启用对所述至少一个外部运动传感器的选择性使用的指令；并且所述文件能够在所述至少一个外部运动传感器的所述选择性使用期间使所述设备运动传感器无效。
7.根据权利要求6所述的方法，包括选择性地使用一个或多个外部运动传感器以及一个或多个内部运动传感器。
8.根据权利要求6所述的方法，包括在所述计算设备上运行多个*Nix支持的训练游戏，其中，所述训练游戏使用从所述一个或多个外部运动传感器传送到所述*Nix OS的运动数据。
9.根据权利要求8所述的方法，包括在所述计算设备上运行多个*Nix支持的训练应用，其中，所述训练游戏使用从所述一个或多个外部运动传感器传送到所述*Nix OS的运动数据。
10.根据权利要求8所述的方法，包括在所述计算设备上运行多个*Nix支持的治疗应用，其中，所述训练游戏使用从所述一个或多个外部运动传感器传送到所述*Nix OS的运动数据。
11.根据权利要求8所述的方法，包括在所述计算设备上运行多个*Nix支持的挑战游戏，其中，所述训练游戏使用从所述一个或多个外部运动传感器传送到所述*Nix OS的运动数据。
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