CN117435042A - 一种可穿戴设备 - Google Patents

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CN117435042A CN202310256967.5A CN202310256967A CN117435042A CN 117435042 A CN117435042 A CN 117435042A CN 202310256967 A CN202310256967 A CN 202310256967A CN 117435042 A CN117435042 A CN 117435042A
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黄雨佳
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周文兵
廖风云
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Abstract

本申请实施例公开了一种可穿戴设备。该可穿戴设备包括穿戴本体；以及至少一个电感传感器，包括由导电线围成的电感结构，所述至少一个电感传感器附着在所述穿戴本体上与所述关节位置对应的位置，所述电感结构随着所述关节位置的形变而产生变化的电感。

Description

一种可穿戴设备
交叉引用
本申请要求2022年07月22日提交的申请号为202210873140.4的中国申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本说明书涉及可穿戴设备领域，特别涉及一种可穿戴设备。
背景技术
随着元宇宙和VR技术的不断进步，对真实物理世界与元宇宙虚拟世界之间的交互形式提出越来越高的要求。作为人类身体中最灵活也是最重要的部位，手部动作的实施捕捉与虚拟映射是提高元宇宙沉浸感与体验感中不可或缺的一环。但是，现有的动作捕捉手套存在许多问题。例如，基于多轴惯性传感器的动作捕捉手套的算法复杂、系统累赘、佩戴舒适性较差、且成本较高。又例如，现有的基于电阻式或电容式弯曲传感器的动作捕捉手套的传感器可靠性一致性较差，极易受到温度、汗液、压力等各种外界因素干扰，其应用场景非常受限，且成本较高。
因此，有必要设计一种制备简单、成本低廉、佩戴舒适、抗干扰能力强，且兼具高灵敏度和高可靠性的动作捕捉手套。
发明内容
本说明书实施例之一提供一种可穿戴设备，包括：穿戴本体，用于覆盖用户的关节位置；以及至少一个电感传感器，包括由导电线围成的电感结构，所述至少一个电感传感器附着在所述穿戴本体上与所述关节位置对应的位置，所述电感结构随着所述关节位置的形变而产生变化的电感。
在一些实施例中，所述穿戴本体包括手套，当用户佩戴所述可穿戴设备时，所述至少一个电感传感器的至少一部分位于所述用户手部的关节处，以采集所述用户手部的动作信号。通过利用电感传感器来对用户手部动作进行传感，其不易受温度、湿度、压力、汗液等外界因素的干扰。
在一些实施例中，所述导电线围绕所述关节位置形成螺旋形的电感图案，所述导电线在垂直于所述电感图案表面的方向上的厚度不大于3mm。通过将导电线在垂直于所述电感图案表面的方向上的厚度设置在该范围内，可以提高用户佩戴所述可穿戴设备的舒适度并且提高电感传感器的灵敏度。
在一些实施例中，所述螺旋形的电感图案的长轴方向与对应关节的弯曲轴线夹角在90度±20度范围内，所述螺旋形的电感图案的短轴方向与对应关节的弯曲轴线的夹角在±20度范围内。
在一些实施例中，所述电感结构的电阻小于100Ω，以提高电感的Q值，进而提高测量的精确度。
在一些实施例中，所述至少一个电感传感器包括两个电感结构，分别位于关节的内外两侧。
在一些实施例中，所述电感结构包括：螺旋电感线圈，其中，所述螺旋电感线圈中导线的导线圈数大于或等于2。基于螺旋电感线圈的电感传感器制备简单、成本低廉，适用于工业生产。同时，可以通过增加螺旋电感线圈的线圈数提高电感传感器的电感量(其可以在较小的尺寸下实现更高的电感量)，从而提高传感器的灵敏度，满足传感器小尺寸的应用需求，同时简化了后续读出系统的设计。
在一些实施例中，所述导电线包括弹性可拉伸的导电纺线，所述导电纺线通过纺织的方式固定。
在一些实施例中，所述螺旋电感线圈中所述导线的导线宽度小于等于2mm，且所述导线的导线间隙小于等于2mm。通过设置螺旋电感线圈中的导线宽度和导线间隙可以提高电感传感器的空间利用率，绕制更多的线圈，进而可以得到更优的灵敏度和电感值。
在一些实施例中，所述至少一个电感传感器还包括基板，用于承载所述螺旋电感线圈；所述基板包括通孔，所述通孔用于将所述螺旋电感线圈的内层线圈引出到第一信号引出端，所述第一信号引出端与连接所述螺旋电感线圈的外层线圈的第二信号引出端位于所述基板同一表面。通过设置通孔将电感导线的两端从基板的同一侧引出，简化了电感传感器的结构，便于将电感传感器连接至外接电路。
在一些实施例中，所述至少一个电感传感器还包括基板，用于承载所述螺旋电感线圈；所述螺旋电感线圈至少包括第一层线圈和第二层线圈，所述第一层线圈和所述第二层线圈在垂直于所述基板的方向上分层设置，以及所述第一层线圈和所述第二层线圈中电流方向相同。通过在基板上设置两层或多层电感，可以增大电感传感器的总电感量，从而有利于后续读出系统的稳定性和精度，同时可以提升电感传感器的灵敏度，且工艺容易实现。
在一些实施例中，所述第一层线圈和所述第二层线圈分别设置在所述基板的两侧。通过将第一层线圈和第二层线圈分别设置在基板的两侧，简化了电感传感器的结构、减少了电感传感器的引出端子的个数，从而节省了成本。
在一些实施例中，所述基板上设置有通孔，所述第一层线圈和所述第二层线圈分别由穿过所述通孔的同一根导线形成。
在一些实施例中，所述至少一个电感传感器设置于所述用户的手背，所述至少一个电感传感器还包括：导磁薄膜，所述导磁薄膜覆盖在所述螺旋电感线圈远离所述用户手部的一侧。通过将电感传感器设置在用户的手背，提高了用户佩戴的舒适性。同时，通过覆盖在螺旋电感线圈远离用户手部一侧的导磁薄膜，提升了电感传感器的电感绝对值，使得电感传感器更加灵敏，同时可以约束电感传感器的磁场线分布，从而可以屏蔽外界金属等环境干扰，进而提高了电感传感器的稳定性。
在一些实施例中，所述至少一个电感传感器设置于所述用户的手心，所述至少一个电感传感器还包括：导磁薄膜，所述导磁薄膜覆盖在所述螺旋电感线圈靠近所述用户手部的一侧。
在一些实施例中，所述导磁薄膜的厚度在10～500μm。通过设置合适的导磁薄膜厚度，可以均衡导磁薄膜的导磁效果、用户的舒适度及可穿戴设备的寿命。
在一些实施例中，所述至少一个电感传感器还包括：保护层，用于封装所述螺旋电感线圈。
在一些实施例中，所述至少一个电感传感器包括：指关节电感传感器，设置在手指关节的背部或腹部，用于测量对应手指关节的弯曲角度；指间距电感传感器，设置在相邻两根手指的连接位置，用于测量所述相邻两根手指的张开角度；或手腕电感传感器，设置在手腕的背面、正面或侧面，用于测量手腕弯曲的角度。通过在人手部的不同位置设置尺寸、厚度、可弯曲角度、电感各不相同的电感传感器，从而可以更好的测量人手动作，具有更好的灵敏度。
在一些实施例中，所述指关节电感传感器和所述手腕电感传感器中的至少一者相对于与其对应的关节的转轴对称。通过设置指关节电感传感器位置和相对于人手指关节的相对位置，从而可以获得更好的传感器灵敏度。
在一些实施例中，所述指关节电感传感器中的螺旋电感线圈在沿着平行于对应关节的转轴的方向上的尺寸大于5mm且小于20mm，所述螺旋电感线圈在沿着垂直于对应关节的转轴的方向上的尺寸与在沿着平行于对应关节的转轴的方向上的尺寸之比大于0.5且小于10。通过设置指关节电感传感器的形状和大小，从而可以获得更好的传感器灵敏度。
在一些实施例中，所述指关节电感传感器和所述指间距电感传感器中的至少一者至少包括第一子电感线圈和第二子电感线圈，所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈且通过引线串联连接，其中，当用户佩戴所述可穿戴设备时，所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈中的电流方向相同。通过将设置于用户指关节或相邻手指间的电感传感器拆分成两个通过引线串联连接的子电感线圈，从而可以提高用户在使用中的舒适性。
在一些实施例中，所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈的配置相同。
在一些实施例中，所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈尺寸的相对差别小于50％，且所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈相对于指间转轴对称放置。
在一些实施例中，所述引线所通过区域的宽度小于2mm，所述引线的长度大于1cm。
在一些实施例中，所述可穿戴设备还包括：一个或多个读取单元，用于读取所述至少一个电感传感器采集的动作信号，其中，所述每个读取单元至少对应所述至少一个电感传感器中的一个电感传感器。通过读取单元给电感传感器并联一个定值大电容，可以提高可穿戴设备的抗干扰能力。
在一些实施例中，所述可穿戴设备还包括：处理器，用于对所述至少一个电感传感器采集的动作信号进行处理，其中，所述处理器位于所述手套的手背。
在一些实施例中，所述可穿戴设备还包括：振动反馈单元，用于向所述用户手部提供虚拟触感。
在一些实施例中，所述可穿戴设备还包括：定位单元，用于对所述可穿戴设备的空间坐标进行定位。
在一些实施例中，传感器通过可拆卸的方式附着在所述穿戴本体上，且所述电感结构的尺寸或形状可调。
本说明书实施例中可以通过将电感传感器集成在可穿戴结构上，提高动作捕捉过程中动作识别的准确性，且穿戴舒适，提高用户体验；另外，可穿戴设备结构简单，制作成本低，提高了使用可靠性和重复利用性。
附图说明
本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的结构框图；
图2A是根据本说明书一些实施例所示的示例性电感传感器的俯视示意图；
图2B是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的截面示意图；
图3A是根据本说明书一些实施例所示的处于自然状态的示例性电感传感器及其等效面积示意图；
图3B是根据本说明书一些实施例所示的示例性的处于弯曲状态下的电感传感器示意图；
图3C是根据本说明书一些实施例所示的处于弯曲状态的示例性电感传感器及其等效面积示意图；
图4A是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的截面示意图；
图4B是图4A中的可穿戴设备的俯视示意图；
图4C是图4A中的可穿戴设备的俯视透视简化示意图；
图5是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的截面示意图；
图6A是根据本说明书一些实施例所示的示例性带导磁薄膜的电感传感器的简化结构示意图；
图6B是根据本说明书一些实施例所示的示例性带导磁薄膜的简化的电感传感器结构示意图；
图6C是根据本说明书一些实施例所示的示例性归一化电感变化曲线示意图；
图7A是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的示意图；
图7B是根据本说明书一些实施例所示的示例性指间距电感传感器的示意图；
图7C是图7B所示的指间距电感传感器对应的应用示意图；
图8是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的结构框图；
图9是根据本说明书一些实施例所示的示例性读取单元的结构示意图；
图10是根据本说明书一些实施例所示的示例性电感传感器的结构示意图；
图11是根据本说明书一些实施例所示的用户佩戴示例性可穿戴设备的示意图；
图12是根据本说明书一些实施例所示的示例性具有螺旋形电感图案的电感结构的电感值在非佩戴状态下随电感结构的弯曲角度变化的曲线示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换词语。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，术语“连接”可以指固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本说明书中的具体含义。
本说明书的实施例提供一种可穿戴设备(也可以称为可穿戴装置)。该可穿戴设备可以包括手套以及固定在手套上的至少一个电感传感器。当用户佩戴该可穿戴设备时，该电感传感器的至少一部分可以位于该用户手部的关节处，以采集该用户手部的动作信号。通过利用电感传感器的电感值变化来测量电感传感器的形状变化，可以实时捕捉每根手指运动信息以及手指之间相对位置的变化信息。该可穿戴设备不易受温度、湿度、压力、汗液等外界因素的干扰，其制备简单、成本低廉、佩戴舒适，且兼具高灵敏度和高可靠性。
下面结合附图对本说明书实施例提供的可穿戴设备进行详细说明。
图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的结构框图。如图1所示，可穿戴设备100可以包括手套110和电感传感器120。
手套110可以作为电感传感器120的载体。在一些实施例中，手套110可以是露指手套，也可以是全指手套。在一些实施例中，手套110可以包括至少一层布料层。例如，手套110可以只包括内衬布料。内衬布料可以与人手皮肤直接接触，电感传感器120可以设置(例如，粘合或缝合)在内衬布料表面。又例如，手套110可以包括内衬布料和外层布料或者更多层布料。示例性地，电感传感器120可以设置于手套110的内衬布料和外层布料之间，并被手套110的内衬布料和外层布料完全包裹在内。需要知道的是，内衬布料和/或外层布料可以根据实际需求(例如，舒适度、美观度)进行设置，在此不做限制。
电感传感器120可以包括螺旋电感线圈121和基板122。在一些实施例中，在用户手部关节形变的带动下，螺旋电感线圈121和基板122也可以发生形变，并基于形变产生电信号。示例性的电信号可以包括电感、电路阻抗、相位、谐振频率等，或其任意组合。示例性的，电感传感器120可以利用螺旋电感线圈121的电感值变化，来测量电感传感器120(或螺旋电感线圈121)随人体手部关节运动的形状变化，从而确定电感传感器120对应的手部的关节的运动情况。例如，当用户佩戴可穿戴设备100时，电感传感器120的至少一部分可以位于该用户手部的关节处，以采集该用户手部的动作信号，从而确定手部手指的运动。具体地，当佩戴可穿戴设备100的用户的手部关节进行特定动作时，可以引起电感传感器120的形状发生变化，从而使电感传感器120中的螺旋电感线圈121有相应的电感值变化，进而通过该电感值的变化可以得到用户的手部动作信息(例如，关节的弯曲角度、关节的屈伸情况)，从而捕捉用户手部(或手指)的动作。
基板122可以用于承载螺旋电感线圈121。在一些实施例中，基板122的材料可以包括但不限于PI、PET、硅胶、橡胶等柔性有机薄膜材料。在一些实施例中，基板122可以使用柔性电路板(FPC)。在一些实施例中，基板122也可以直接使用纺织布料，以提升用户佩戴可穿戴设备100时的舒适度。基板122的厚度需要在用户舒适性和实用性之间做出权衡，基板122太厚可能会导致用户不够舒适，基板122太薄则可能导致基板褶皱，从而影响电感值的读取精度。在一些实施例中，基板122的厚度可以为1μm～500μm。
在一些实施例中，螺旋电感线圈121可以包括单层线圈。此时，螺旋电感线圈121中导线的线圈数可以大于或等于2。在一些实施例中，为了增大电感传感器120的总电感值，螺旋电感线圈121可以包括多层电流同向的线圈。多层电流同向的线圈在垂直于基板122的方向上可以分层设置。可选地，多层线圈在垂直于基板122的方向上的投影可以部分重合或完全重合。进一步地，通过增大多层线圈在垂直于基板122方向上投影的重合程度，可以使电感传感器120的电感值更大，从而可以提高电感传感器120的可靠性。在一些实施例中，螺旋电感线圈121的形状(即导线绕制而成的图案(或称电感图案)的整体形状)可以是矩形、圆形、椭圆形等规则几何形状或其他不规则形状。优选地，螺旋电感线圈121的形状可以是呈轴对称的几何形状。
在一些实施例中，绕制螺旋电感线圈121的导线的材料可以是金属/合金，也可以是银浆、碳浆、ITO、液态金属等导电材料。导线螺旋围绕的方向可以是顺时针或逆时针。更多关于可穿戴设备100的描述可以参见本说明书其他地方，例如图2A-图2B、图4A-图4C、图5等及其描述。
本说明书一些实施例所述的可穿戴设备100，通过利用电感传感器120来对用户手部动作进行传感，其不易受温度、湿度、压力、汗液等外界因素的干扰。此外，通过在基板122上设置螺旋电感线圈121即可制得电感传感器120，其制备简单、成本低廉，适用于工业生产。再次，可以通过增加螺旋电感线圈121的线圈数提高电感传感器120的电感量(其可以在较小的尺寸下实现更高的电感量)，从而提高传感器的灵敏度，满足传感器小尺寸的应用需求，同时简化了后续读出系统的设计。
图2A是根据本说明书一些实施例所示的示例性电感传感器的俯视示意图。图2B是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的截面示意图。
如图2A所示，可穿戴设备100可以包括电感传感器120。电感传感器120可以包括螺旋电感线圈121和基板122。螺旋电感线圈121可以设置(例如，粘合或缝合)在基板122上。绕制成螺旋电感线圈121的导线(也可以称为电感导线)的两端可以通过信号引出端123(例如，第一信号引出端1231和第二信号引出端1232)连接至外接电路(例如，读出单元)。在一些实施例中，可以通过在基板122上设置通孔1221和1222，使得电感导线的两端从基板122的同一侧引出，以便于电路连接。例如，如图2A和图2B所示，第一信号引出端1231和第二信号引出端1232可以同时位于基板122的上侧。螺旋电感线圈121的外侧端子可以直接引出至位于基板122上侧的第二信号引出端1232。螺旋电感线圈121的内侧端子可以通过通孔1221引至基板122的下侧，再通过通孔1222将其引至基板122的上侧，并引出至第一信号引出端1231，进而使得电感导线的两端可以分别从第一信号引出端1231和第二信号引出端1232引出。
在一些实施例中，如图2B所示，电感导线的厚度h可以在0.1μm～100μm范围内。在一些实施例中，电感导线的宽度w可以小于等于2mm。电感导线的间隙d可以小于等于2mm。进一步地，电感导线宽度w和电感导线间隙d的比例w/d可以在0.5～5的范围内，从而可以提高电感传感器120的空间利用率，绕制更多的线圈，进而可以得到更优的灵敏度和电感值。在本说明书中，电感导线的厚度h可以是电感导线在垂直于基板122的上下方向上的尺寸。电感导线的宽度w可以是基板122平面上电感导线的粗细尺寸。电感导线的间隙d可以是基板122平面上相邻两圈电感导线之间的间距。
在一些实施例中，如图2B所示，可穿戴设备100还可以包括布料层111、布料层112和保护层124。保护层124可以贴合设置在螺旋电感线圈121和/或基板122外侧。布料层111和布料层112可以分别设置于电感传感器120的上下两侧。布料层111和布料层112属于可穿戴设备100的手套110的一部分。
保护层124可以用于保护电感传感器(即，螺旋电感线圈121以及基板122)，以起到防水保护的作用，且防止电感传感器被氧化、腐蚀或者磨损等。在一些实施例中，保护层124可以采用包括但不限于PI树脂、环氧树脂、三防漆、硅胶等性质稳定的材料。
图3A是根据本说明书一些实施例所示的处于自然状态的示例性电感传感器及其等效面积示意图。图3B是根据本说明书一些实施例所示的示例性的处于弯曲状态下的电感传感器示意图。图3C是根据本说明书一些实施例所示的处于弯曲状态的示例性电感传感器及其等效面积示意图。
如图3A所示，当电感传感器120处于自然状态时，电感传感器120中的螺旋电感线圈121回路包围的面积(也称等效面积)最大，此时等效面积可以为S0。当电感传感器120放置在某关节(例如，指关节)处时，电感传感器120(或螺旋电感线圈121)的形状将随关节弯曲发生改变，进而改变螺旋电感线圈121的等效面积。如图3B所示，随着电感传感器120弯曲程度加大，螺旋电感线圈121的等效面积逐渐减小。
根据电磁理论，对于同一个电感线圈，其电感量与电流回路所包围的面积成正比。因此，电感传感器120电感值的大小随螺旋电感线圈121的等效面积的减小而近似线性降低，其可以表示为下式(1)：
其中，ΔL表示电感传感器120电感值的变化量，L0表示电感传感器120的初始电感值，ΔS表示螺旋电感线圈121等效面积的变化量，S0表示螺旋电感线圈121的初始等效面积。
在一些实施例中，电感值变化的大小与弯曲角度变化之间并非严格线性变化，可以通过算法、经验映射关系、机器学习等方式进行校准。
上述电感值与等效面积的关系可以与电感传感器120的形状尺寸相关。在一些实施例中，为了获得最佳的灵敏度，可以在用户佩戴可穿戴设备100时，使电感传感器120相对于对应关节的转轴对称(或基本对称)放置。也就是说，电感传感器120可以相对于对应关节的转轴对称(或基本对称)。
在一些实施例中，针对不同的关节，电感传感器120可以具有不同的尺寸。在一些实施例中，电感传感器120在沿着平行于对应关节的转轴的方向上(如图3A所示的方向Z)的尺寸(也可称为电感传感器120的宽度)可以大于1mm且小于20mm，电感传感器120在沿着垂直于对应关节的转轴的方向上(如图3A所示的方向X)的尺寸(也可称为电感传感器120的长度)与电感传感器120的宽度之比可以大于0.5且小于20。在一些实施例中，电感传感器120(例如，如图7中所示的指关节电感传感器721、指间距电感传感器722等)中的螺旋电感线圈121的形状可以为如图3A所示的长条状(例如，矩形、圆角矩形)。在电感传感器120的长度及线圈数一定的情况下，长条状螺旋电感线圈的长宽比越接近1:1，其灵敏度可以越高。但由于人手部的形状和宽度有限，长条状螺旋电感线圈的长度和宽度会受限于其所在位置的形态约束。例如，当电感传感器120为指关节电感传感器时，为了进一步提高电感传感器120的灵敏度，指关节电感传感器中长条状螺旋电感线圈的宽度a可以大于5mm且小于20mm，指关节电感传感器中长条状螺旋电感线圈121的长宽比b/a可以大于0.5且小于10。当电感传感器120为指间距电感传感器时，由于其设置在两指之间，相对于其他电感传感器，其弯曲角度更大灵敏度更高，对其尺寸限制可以更宽松，此时，指间距电感传感器中长条状螺旋电感线圈的宽度a可以大于1mm且小于20mm，指间距电感传感器中长条状螺旋电感线圈121的长宽比b/a可以大于0.5且小于20。
本说明书一些实施例所述的可穿戴设备，通过设置指关节电感传感器位置(和相对于人手指关节的相对位置)、形状和大小，从而可以获得更好的传感器灵敏度。
图4A是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备截面示意图。图4B是图4A中的可穿戴设备的俯视示意图。图4C是图4A中的可穿戴设备的俯视透视简化示意图。
如图4A所示，在一些实施例中，可穿戴设备100的手套110包括布料层111和布料层112。可穿戴设备100的电感传感器120可以包括螺旋电感线圈121、基板122、信号引出端123以及保护层124。在一些实施例中，为了增大电感传感器120的总电感，进而增大电感传感器120的灵敏度，螺旋电感线圈121可以包括多层线圈。例如，如图4A所示，螺旋电感线圈121可以至少包括第一层线圈1211和第二层线圈1212。又例如，螺旋电感线圈121可以包括三层电感线圈、四层电感线圈或更多层电感线圈。
仅以螺旋电感线圈121包括第一层线圈1211和第二层线圈1212作为示例，第一层线圈1211和第二层线圈1212中的电流具有相同的电流方向。可选地，多层线圈围成的面积在垂直于基板122的方向上的投影可以部分重合或完全重合。在一些实施例中，多层线圈围成的面积在垂直于基板122的方向上的投影也可以不重合。如果第一层线圈1211和第二层线圈1212的电感电流反向流动，第一层线圈1211的电感和第二层线圈1212的电感会相互抵消，从而使得电感传感器120的总电感值降低。当第一层线圈1211和第二层线圈1212的电感电流同向流动，可以保证电感传感器120的总电感L为第一层线圈1211的电感L1、第二层线圈1212的电感L2、以及第一层线圈1211和第二层线圈1212的互感值M的叠加总和，如下式(2)所示：
L＝L1+L2+2M。 (2)
在一些实施例中，为了简化电感传感器120的结构、减少电感传感器120的引出端子的个数以节省成本，第一层线圈1211和第二层线圈1212可以分别设置在所述基板的两侧。例如，如图4A所示，基板122上可以设置有通孔1221，第一层线圈1211通过通孔1221与第二层线圈1212相连接。也就是说，第一层线圈1211和第二层线圈1212可以分别由穿过通孔1221的同一根导线绕制而成。例如，如图4B所示，对于基板122上侧的第一层线圈1211可以由其外侧绕至其内侧，再通过通孔1221引至基板122下侧；对于基板122下侧的第二层线圈1212可以由其内侧绕至其外侧，最终使得第一层线圈1211和第二层线圈1212的电流方向同向(例如，顺时针或逆时针)。
在一些实施例中，第一层线圈1211和第二层线圈1212也可以分别由一根导线绕制而成。绕制第一层线圈1211和第二层线圈1212的两个导线中的电流方向同向(例如，顺时针或逆时针)。例如，基板122上可以不设置如图4A所示的通孔1221。基板122上可以设置有4个引线端。每层线圈可以对应两个引线端。对于基板122上侧的第一层线圈1211可以从其对应的一个引线端出发由其外侧绕至其内侧，内侧可以穿过各圈线圈至第一层线圈1211对应的另一个引线端。对于基板122下侧的第二层线圈1212也可以从其对应的一个引线端出发由其外侧绕至其内侧，内侧可以穿过各圈线圈至第二层线圈1222对应的另一个引线端。或者，对于基板122下侧的第二层线圈1212也可以从其对应的一个引线端出发引至第二层线圈1212的内侧，再由其内侧绕至其外侧至第二层线圈1212对应的另一个引线端。
在一些实施例中，绕制第一层线圈1211和第二层线圈1212的同一根导线的两端的信号可以分别从基板122的两侧引出。在一些实施例中，为了灵活设置电感传感器120的引出端子的位置，基板122上还可以设置有通孔1222，通过通孔1222，可以使得电感导线(绕制第一层线圈1211和第二层线圈1212的同一根导线)的两端的信号从基板122的同一侧引出。
本说明书一些实施例所述的电感传感器120，通过在基板122的上下两侧设置两层或多层电感，可以增大电感传感器120的总电感量，从而有利于后续读出系统的稳定性和精度，同时可以提升电感传感器120的灵敏度，且工艺容易实现。
图5是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的截面示意图。
在一些实施例中，如图5所示，可穿戴设备100还可以包括导磁薄膜125。
导磁薄膜125可以是一种具有高磁导率的薄膜。可以通过将导磁薄膜125(例如导磁片)设置在电感传感器120表面或内部，从而增加电感传感器120内的磁通量，进而增加电感传感器120的电感量，提高电感传感器120的灵敏度。
在一些实施例中，导磁薄膜125可以由软磁粉末与硅胶或者树脂混合制备形成。软磁粉末包括但不限于铁硅铝粉末、铁氧体粉末等。在一些实施例中，导磁薄膜125的相对磁导率可以大于或等于10。
如果导磁薄膜125太薄，其增加电感传感器120内的磁通量的效果较弱，进而不能很好地提高电感传感器120的灵敏度；如果导磁薄膜125太厚，不仅会整体增加可穿戴设备100的厚度及重量，还可能在用户手部运动过程中导致导磁薄膜开裂，缩短可穿戴设备100的寿命。因此，在一些实施例中，为了均衡导磁薄膜的导磁效果、用户的舒适度及可穿戴设备100的寿命，导磁薄膜125的厚度在10μm～500μm。
在一些实施例中，导磁薄膜125可以利用胶水直接粘贴在电感传感器120表面或内部，或者通过刷涂的方式刷涂在电感传感器120表面或内部。例如，导磁薄膜125可以设置(例如，粘贴)在电感传感器120的表面，使得电感传感器120所处环境空间的有效磁导率μ增大。当电感传感器120弯曲时，该有效磁导率μ可以随电感传感器120的弯曲而变化。导磁薄膜125在电感传感器120上的放置位置不同，其对电感传感器120的电感影响亦不相同。
图6A是根据本说明书一些实施例所示的示例性带导磁薄膜的电感传感器的简化结构示意图。图6B是根据本说明书一些实施例所示的示例性带导磁薄膜的简化的电感传感器结构示意图。
在本说明书中，以电感传感器120向下弯曲为例，当导磁薄膜125设置在螺旋电感线圈121上方(例如，如图6A所示，导磁薄膜125设置在基板122上侧的螺旋电感线圈121的表面)时，螺旋电感线圈121向下弯曲后，螺旋电感线圈121左右两侧对应导线之间在左右方向上的第一连线(即图6A中的虚线)不经过导磁薄膜125，且弯曲角度越大，第一连线离导磁薄膜125越远，从而使得有效磁导率下降，进而导致螺旋电感线圈121的电感降低。由导磁薄膜125引起的电感变化量ΔL磁导率和由螺旋电感线圈121的电流回路所包围平面的等效面积减小带来的电感变化量ΔL面积(如图3A和图3C)相互叠加，可以得到电感传感器120的电感总变化量ΔL弯曲。此时，电感总变化量ΔL弯曲可以如下式(3)所示：
ΔL弯曲＝ΔL面积+ΔL磁导率。 (3)
由导磁薄膜125引起的电感变化量ΔL磁导率与由螺旋电感线圈121的电流回路所包围平面的等效面积减小带来的电感变化量ΔL面积(如图3A和图3C)相互抵消，导致电感传感器120的电感总变化电感量ΔL弯曲随弯曲角度增大而先增大后减小。此时，电感总变化量ΔL弯曲可以如下式(4)所示：
ΔL弯曲＝ΔL面积-ΔL磁导率。 (4)
图6C是根据本说明书一些实施例所示的示例性归一化电感变化曲线示意图。
如图6C所示，曲线610、曲线620和曲线630分别表示导磁薄膜125设置在螺旋电感线圈121上方、无导磁薄膜125、导磁薄膜125设置在螺旋电感线圈121下方时的归一化电感随电感传感器120的弯曲角度变化的曲线。由图6C可知，相对于无导磁薄膜125(对应曲线620)或将导磁薄膜125设置在螺旋电感线圈121的下方(对应曲线630)，将导磁薄膜125设置在螺旋电感线圈121的上方(对应曲线610)，既能增大电感传感器120在手部(例如，手指)弯曲方向的灵敏度，又能使得电感传感器120有一定的方向选择性。例如，当用户佩戴包含有如图6A所示的电感传感器的可穿戴设备时，若手部向下弯曲为正向弯曲，此时，电感传感器的电感总减少量如式(3)所示；则手部小幅度反向弯曲时，电感传感器的电感总上升量如式(4)所示。由于正向弯曲和反向弯曲电感总量是不同的，因此，电感传感器120具有一定的方向选择性。
在一些实施例中，电感传感器120可以设置在用户手心的一侧，此时为了提高电感传感器120的灵敏度，导磁薄膜125可以覆盖在螺旋电感线圈121靠近用户手部的一侧。在一些实施例中，为了提高用户佩戴的舒适性，电感传感器120可以设置在用户的手背。由于人体手指进行动作时通常是朝向掌心方向弯曲，此时为了提高电感传感器120的灵敏度，导磁薄膜125可以覆盖在螺旋电感线圈121远离用户手部的一侧。在一些实施例中，导磁薄膜125所覆盖的螺旋电感线圈121远离用户手部的一侧可以是如图5所示的朝上的一侧。例如，螺旋电感线圈121可以在基板122的上表面，导磁薄膜125可以直接贴附在上侧保护层的上表面。又例如，螺旋电感线圈121可以在基板122的下表面，导磁薄膜125可以直接贴附在基板122的上表面。再例如，螺旋电感线圈121可以在基板122的上表面，导磁薄膜125可以直接设置在螺旋电感线圈121上表面，也就是说，导磁薄膜125可以设置在螺旋电感线圈121与上侧保护层之间。再例如，螺旋电感线圈121可以在基板122的上表面，导磁薄膜125可以直接替代上侧保护层，此时，导磁薄膜125既可以起导磁作用也可以起保护作用。
在一些实施例中，覆盖有导磁薄膜125的螺旋电感线圈121可以是包括有设置于基板122一侧的单层线圈的螺旋电感线圈，也可以是包括有设置于基板122两侧的两层线圈的螺旋电感线圈，还可以是包括设置有两层以上线圈的螺旋电感线圈。
本说明书一些实施例所述的可穿戴设备100，通过在基板122的上侧或下侧设置导磁薄膜125，可以提升电感传感器120的电感绝对值，使得电感传感器120更加灵敏；同时可以约束电感传感器120的磁场线分布，从而屏蔽外界金属等环境干扰，提高电感传感器120的稳定性；除此之外，还可以让电感传感器120的弯曲灵敏度获得方向选择性。
图7A是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的示意图。
如图7A所示，针对手部不同的关节，可穿戴设备700可以包括不同的电感传感器。例如，可穿戴设备700中的电感传感器可以包括指关节电感传感器721、指间距电感传感器722和手腕电感传感器723。指关节电感传感器721可以设置在手指关节的背部和/或腹部，用于测量对应手指关节的弯曲角度。指间距电感传感器722可以设置在相邻两根手指的连接位置，用于测量相邻两根手指的张开角度。手腕电感传感器723可以设置在手腕的背面、正面或侧面，用于测量手腕弯曲的角度。各个电感传感器可以通过导线(或引线)与读取单元相连，以读取电感传感器的信号便于后续处理。更多关于读取单元及信号处理的描述可以参见图8或图9及其描述。
在一些实施例中，可穿戴设备700中的电感传感器所包括的指关节电感传感器721、指间距电感传感器722和手腕电感传感器723之间可以存在差异。除此之外，仅就指关节电感传感器721而言，设置于掌指关节和指间关节(包括近端指间关节和远端指间关节)的指关节电感传感器721之间也可以存在差异。具体的差异可以包括电感传感器的尺寸差异、厚度差异、可弯曲角度差异、灵敏度差异等中的一种或多种。例如，设置于掌指关节的指关节电感传感器721的长度较长，如果长度太小，其弯曲时不足以覆盖弯曲的弧面，从而会导致灵敏度的大幅降低。又例如，相对于设置于掌指关节或者远端指间关节的指关节电感传感器，由于设置于近端指间关节的指关节电感传感器弯曲时所需要覆盖的面积较小，因此，设置于近端指间关节的指关节电感传感器的面积不需要太大，长度不需要太长。如果长度太长，可能会导致其与设置于远端指间关节、掌指关节的指关节电感传感器之间的间隙太小，有可能导致在有限的手指长度限制下，无法放置足够的指关节电感传感器。
相较于指关节电感传感器721和手腕电感传感器723，指间距电感传感器722的弯曲角度更大。因此，指间距电感传感器722需要更薄更软，例如，其厚度可以为2μm-20μm，以便能较为自然的弯曲，从而不会导致指间距电感传感器722的断裂以及引起人体手指间的不舒适。此外，指间距电感传感器722需要更高的灵敏度，这个灵敏度可以是非线性(具体参见图10及其描述)的，且随着指间距电感传感器722弯曲角度的增大而增大。更多关于指间距电感传感器的描述参见图7B和图7C，此处不再赘述。
从工艺上来说，可以通过降低电感传感器的基板厚度来实现更薄更软的电感传感器，例如，指间距电感传感器722的基板厚度可以设置为100μm以下(例如，10μm、30μm、50μm、80μm等等)。
在一些实施例中，指关节电感传感器721和手腕电感传感器723不能太薄。如果指关节电感传感器721和手腕电感传感器723太薄，人体手背在伸直的时候，可能会引起指关节电感传感器721和/或手腕电感传感器723的褶皱，进而影响指关节电感传感器721和/或手腕电感传感器723的一致性。例如，指关节电感传感器721和手腕电感传感器723的基板厚度可以设置为不小于200μm(例如，250μm、300μm、350μm、400μm等等)。
在一些实施例中，可穿戴设备700中的电感传感器可以根据实际需求(例如，缩减成本)，只包括如图7A所示的部分电感传感器。例如，指关节电感传感器721可以只包括设置在掌指关节和近端指间关节的指关节电感传感器。进一步地，可以根据设置在掌指关节和近端指间关节的指关节电感传感器的动作信号，通过映射估算确定远端指间关节的动作信号。
本说明书一些实施例所述的可穿戴设备，通过在人手部的不同位置设置尺寸、厚度、可弯曲角度、电感各不相同的电感传感器，从而可以更好的测量人手动作，具有更好的灵敏度。
图7B是根据本说明书一些实施例所示的示例性指间距电感传感器的示意图。图7C是图7B所示的指间距电感传感器对应的应用示意图。
在一些实施例中，由于相邻手指之间的夹角非常小，因此指间距电感传感器的设置不可避免地会造成佩戴上的不舒适。因此，可以通过将指间距电感传感器722拆分成两个子电感线圈L1和L2，两个子电感线圈L1和L2中间可以由引线串联，从而提高佩戴舒适性。
如图7B和7C所示所示，指间距电感传感器722可以包括通过引线7223串联连接的第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222。当用户佩戴所述可穿戴设备时，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222中的电流方向相同(例如，均为顺时针或均为逆时针)。
当第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的电感电流同向流动，可以保证指间距电感传感器722的总电感L为第一子电感线圈7221的电感L71、第二子电感线圈7222的电感L72、以及第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的互感值M的叠加总和，如下式(5)所示：
L＝L71+L72+2M。 (5)
M随着手指夹角(指间距)变化而变化，手指夹角(指间距)越大M的绝对值越大，从而带来总电感的变化，进而实现手指夹角(或指间距)的测量。
在一些实施例中，为了增大指间距电感传感器722的总电感，第一子电感线圈7221和/或第二子电感线圈7222可以包括多层线圈。
在一些实施例中，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的形状可以是圆形、矩形、正方形、正多边形等。在一些实施例中，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的配置(包括形状、材质、尺寸等)可以相同也可以不同。例如，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的形状和材质可以相同，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的尺寸(例如，沿平行于手指或垂直于手指方向的尺寸)可以不同。优选地，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的形状和材质可以相同，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的尺寸可以是相同的。在一些实施例中，由于手指尺寸差别的原因而必须不同时，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222的尺寸(包括沿平行于手指或垂直于手指方向的尺寸)相对差别应小于50％。此时，为了使指间距电感传感器具有较高的灵敏度，第一子电感线圈7221和第二子电感线圈7222相对于指间夹角顶点(也可以称为指间转轴)可以对称放置。需要知道的是，指间夹角顶点可以在指间连接位置的一定区域范围内，并不限定为某一特定点。
在一些实施例中，为了降低对手指活动的干扰，同时提高用户的佩戴舒适性，引线7223所通过区域的宽度可以小于2mm。优选地，引线7223所通过区域的宽度可以小于1mm。
引线长度取决于手指尺寸(包括不同用户的手指尺寸和同一用户不同手指的尺寸)。在一些实施例中，引线7223的长度可以大于1cm。
在一些实施例中，引线7223可以是直线、弧线、折线、波浪线、曲线等任何合适的引线。在一些实施例中，引线7223的设置位置可以是图7B或图7C所示的电感线圈的下边沿。在一些实施例中，引线7223的设置位置也可以是电感线圈的上边沿、中间或其他位置。
需要知道的是，上述分离式电感传感器也可以适用于指关节电感传感器721。例如，指关节电感传感器721可以包括通过引线串联连接的两个电感线圈和电感线圈。所述两个电感线圈可以分别设置在对应指关节的两侧。所述两个电感线圈指间的互感值随着手指弯曲角度的变化而变化，从而带来总电感的变化，进而实现手指弯曲角度的测量。
本说明书一些实施例所述的可穿戴设备，通过将设置于用户指关节或相邻手指间的电感传感器拆分成两个通过引线串联连接的子电感线圈，从而可以提高用户在使用中的舒适性；通过采用较细引线和设置适当的引线通过区域的宽度，可以在降低对手指活动干扰的同时进一步提高了用户的佩戴舒适性。
图8是根据本说明书一些实施例所示的示例性可穿戴设备的结构框图。图9是根据本说明书一些实施例所示的示例性读取单元的结构示意图。
如图8所示，可穿戴设备800可以包括穿戴本体810、电感传感器820、读取单元830和处理器840。在一些实施例中，可穿戴设备800可以是直接穿在、悬挂在、放置在身上，或是整合到用户的衣服或配件中的便携式设备。
穿戴本体810可以是用于覆盖用户的特定部位(例如，关节位置、器官位置等)的组件。例如，穿戴本体810可以是与用户身体紧密贴合的手套(例如手套110)、运动衣、运动裤、护膝、护腕、护肘、袖套等。本说明书将以穿戴本体810覆盖用户的关节位置为例进行说明，可以理解的是，穿戴本体810可以覆盖在任何可以用于捕捉用户动作的位置。在一些实施例中，用户的关节位置可以是手部关节(例如指关节、腕关节等)、肩关节、肘关节、髋关节、膝关节、踝关节等。仅作为示例，用户的关节位置为用户手部的关节。
在一些实施例中，穿戴本体810可以用于承载可穿戴设备800的其他组件。例如，穿戴本体810可以安装有电感传感器(简称传感器)820、读出单元(也可以称为读出系统)830和处理器(也可以称为处理电路)840。在一些实施例中，穿戴本体810可以由柔软贴身的面料构成，以与用户的关节位置紧密贴合。示例性的面料可以包括真丝材料、棉麻材料、合成材料等。在一些实施例中，穿戴本体810可以基于人体动作变化而产生对应的形变。例如，当用户下蹲时，穿戴本体810(如运动裤的膝部)可以随用户的屈膝动作而产生沿着膝关节外侧延展弯曲、膝关节内侧收缩弯曲的形变。
电感传感器820是可以探测用户特定部位的形变，并将其转化为电信号的组件。在一些实施例中，电感传感器820可以附着在穿戴本体810上与关节位置对应的位置。例如，电感传感器820可以附着在用户的手指、手腕、膝盖、肩部、肘部等接触的穿戴本体810的内侧和/或外侧。在一些实施例中，电感传感器820可以通过缝合、纺织、压合、粘贴、卡扣等方式固定在所述穿戴本体810上与关节位置对应的位置处。
在一些实施例中，电感传感器820可以包括由导电线(简称导线)围成的电感结构(例如，包括螺旋电感线圈121和基板122)。在一些实施例中，在用户特定部位(例如，关节位置)形变的带动下，电感结构也可以发生形变，并基于形变产生电信号。示例性的电信号可以包括电感、电路阻抗、相位、谐振频率等，或其任意组合。关于电感结构的其他具体说明，参见本说明书其他地方，例如，图2A-图2B、图4A-图4C、图5等及其描述。
读出单元830可以是用于输出传感器探测的电信号的组件。读取单元830可以用于读取电感传感器820采集的动作信号，并将读取的动作信号传输(例如，通过传输单元)至处理器840以进行分析处理。处理器840可以用来分析处理电感传感器820采集的动作信号变化，并将电感传感器820采集的动作信号转化为关节(例如，手指)的姿势/角度等信息。在一些实施例中，根据电感传感器820产生的不同电信号类型，读出单元830可以包括电感测量仪、伏安计、示波器、万用表等任意设备或组合。在一些实施例中，读出单元830可以通过读出引线与电感传感器820的电感结构相连接。在一些实施例中，当穿戴本体810为手套时，为了用户佩戴的舒适性，读取单元830和处理器840可以位于手套的手背。在一些实施例中，当可穿戴设备800中同时包括多个电感传感器时，读取单元830可以具有一个或多个读取单元。每个读取单元可以对至少一个电感传感器的数据进行读取。例如，每个读取单元可以读取一个电感传感器的数据。又例如，一个读取单元可以同时读取多个电感传感器的数据。
在一些实施例中，读取单元830可以采用阻抗测量法来读取电感传感器820的电感数据。具体的，读取单元830可以采用LCR电桥电路或者阻抗测量电路，直接测量电感传感器820的阻抗值或者电感值。当读取单元830采用阻抗测量电路来获取电感传感器820的电感数据时，可以通过阻抗分析仪来测量相应的阻抗变化，进而推算得到电感传感器820的电感值，其测量可以不受寄生电容的影响。
在一些实施例中，读取单元830可以采用谐振测量法来读取电感传感器820的电感数据。谐振测量法是一种间接的测量方法，其可以通过给电感传感器820并联一个电容以形成一个LC谐振系统，再向LC谐振系统发送一个激励信号，通过测量该LC谐振系统的谐振频率，从而推算出电感传感器820的电感值。在一些实施例中，激励信号和LC谐振系统的谐振频率可以相同或基本相同。激励信号和LC谐振系统的谐振频率越接近，越容易读取谐振频率的值，例如，当LC谐振系统的谐振频率是100kHz时，如果发送一个10MHz的激励信号，那么由于谐振频率和激励信号的频率差距太大(例如，大于一个数量级)，可能会导致LC谐振系统振荡的幅值太小，从而无法稳定、准确的测量出LC谐振系统的谐振频率。
在一些实施例中，为了降低寄生电容对LC谐振系统谐振频率的影响从而提高抗干扰能力，给电感传感器820并联的电容可以是一个定值大电容(例如，大于50pF)。仅作为示例，如图9所示，读取单元830可以包括读出芯片(例如，FDC2214芯片)和电容C0。读出芯片可以向LC谐振系统发送一个激励信号并读取LC谐振系统的谐振频率，进而推算出电感传感器820的电感值。电容C0是与电感传感器820并联的电容值为C0的定值大电容。此时，该LC谐振系统的谐振频率f0可以为如下式(6)所示：
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其中，Ls为电感传感器820的电感，Cs为电感传感器820的电容。
需要知道的是，在谐振测量法中，为了提高结果的稳定性和精度，需要权衡并联电容值和LC谐振系统的Q值(其取决于读出芯片)。并联电容值和LC谐振系统的Q值成反比。并联电容值越大，LC谐振系统受到外界的电容干扰(例如由于人手触摸电感传感器所产生的寄生电容)越小，电感传感器的可靠性越高。但同时Q值越小，所测得谐振频率准确性也就越低。在一些实施例中，并联电容值可以在100pF～10nF范围内，对应的LC谐振系统的Q值可以在2～100范围内。
本说明书一些实施例所述的可穿戴设备，通过给电感传感器820并联一个定值大电容，再通过谐振测量法测量LC谐振系统的谐振频率，可以降低寄生电容对电感传感器820谐振频率的影响，从而提高抗干扰能力；同时，通过权衡并联电容值和LC谐振系统的Q值，使得可穿戴设备的抗干扰能力和谐振频率的测量准确性得以兼顾。在一些实施例中，处理器840可以是用于接收并处理所述读出单元830测量的电感值或者其它可以表征电感变化的参数。例如，处理器840可以将电感传感器820产生的电信号转化为反映关节运动的参数的组件。在一些实施例中，反映关节运动的参数可以包括关节的弯曲角度、关节的屈伸情况等。本说明书中的关节的弯曲角度可以是关节在形变过程中，关节两侧的皮肤表面形成的夹角。在一些实施例中，电感传感器820生成的电信号可以与关节运动信息之间存在对应关系，处理器840可以基于电感传感器820生成的电信号的变化，判断对应的关节位置发生了何种动作。关于传感器生成的电信号与关节运动信息之间对应关系的具体说明，可以参见图12及其相关描述。在一些实施例中，处理器840可以与终端设备相连。例如，处理器840可以与终端设备通过网络、数据线(数据接口)等相连。处理器840可以处理电感传感器820产生的电信号(例如电感值、电路阻抗等)，生成反映关节运动的参数，并发送至终端设备。其中，终端设备可以是手机、电脑、或其他智能设备。
在一些实施例中，可穿戴设备800还可以包括振动反馈单元(未示出)。振动反馈单元可以用于向用户手部提供虚拟触感。例如，振动反馈单元可以接受处理器840的处理结果，并根据处理结果向用户手部提供触感(例如，振动、挤压等)。在一些实施例中，振动反馈单元可以是振动马达。
在一些实施例中，可穿戴设备800还可以包括定位单元(未示出)。定位单元可以用于给整个可穿戴设备800(例如手套)的空间坐标(例如，位置、倾斜角度)进行定位，从而便于接入虚拟空间。在一些实施例中，定位单元可以包括多轴惯性传感器、磁传感器等。示例性的多轴惯性传感器可以包括3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁传感器等。
本说明书一些实施例所述的可穿戴设备800，通过采用振动反馈单元和定位单元，实现元宇宙中人与虚拟世界的交互反馈。
应当注意的是，以上关于图8和图9的描述仅仅是出于说明的目的而提供的，并不旨在限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，根据本申请的指导可以做出多种变化和修改。例如，在一些实施例中，可穿戴设备800还可以包括电源模块，用于向可穿戴设备800提供工作所需的电压。又例如，可穿戴设备800还可以包括无线传输单元。通过无线传输单元实现可穿戴设备800与外界设备(如电脑、手机以及AR/VR主机或智能眼镜等设备)进行数据交互。在一些实施例中，无线传输单元可以包括蓝牙通信，也可以是wifi或者5G等其他无线通信方式。这些变化和修改不会背离本申请的范围。
通过本说明书一些实施例所述的可穿戴设备800，可以实现将用户的关节动作转化成变化的电信号，进而生成反映关节运动的参数，从而准确地捕捉用户的动作；另外，电感传感器820直接集成在穿戴本体810上，使可穿戴设备800舒适透气且制作成本低。此外，电感结构构成的电感传感器820仅响应形状变化，使动作捕捉过程不受温度、压力、出汗等其他因素干扰，提高了动作捕捉的准确性、可靠性和可穿戴设备100的重复利用性。
图10是根据本说明书一些实施例所示的示例性电感传感器的结构示意图。如图10所示，电感传感器820可以包括导电线1210围成的电感结构以及第一读出引线1225和第二读出引线1227。在一些实施例中，电感传感器820可以通过缝合、纺织、压合、粘贴、卡扣等方式固定在穿戴本体810上。
一些实施例中，导电线1210的材料可以使其在较小的应力作用下发生弹性形变或塑性形变，以保证导电线1210随关节运动而发生相应的形变。示例性的导电线1210的材料可以包括银、铜、铝、合金材料、复合材料等或其任意组合。
在一些实施例中，所述导电线1210可以包括弹性可拉伸的导电纺线，所述导电纺线通过纺织的方式固定。例如，导电纺线可以直接编织在穿戴本体的关节位置(例如，指关节)。在一些实施例中，导电纺线可以编织在穿戴本体的关节位置的内侧和/或外侧。通过弹性可拉伸的导电纺线纺织固定，可以减少用户穿戴时的异物感，提高用户体验，同时提高固定的牢固程度，避免传感器脱落。可以理解的是，电感传感器820还可以通过缝合、压合、粘贴、卡扣等其他形式固定在穿戴本体上，本说明书对此并不限制。
在一些实施例中，为了避免导电线1210的外部短路，同时起到保护导电线1210的作用，所述导电线1210的表面可以包裹至少一层绝缘材料。示例性的绝缘材料可以包括聚氯乙烯、交联聚乙烯、乙丙橡胶、硅橡胶、氟塑料、绝缘布料、绝缘胶体等材料。绝缘材料可以通过胶粘、涂覆等或其他方式包裹导电线1210。
在一些实施例中，导电线1210可以围绕关节位置形成螺旋形的电感图案。在一些实施例中，电感图案可以是平面螺旋电感图案。例如，电感图案的形状可以包括但不限于正方形、长方形、圆形、多边形、半圆形、圆形、椭圆形等平面图形。其螺旋围绕的方向可以是顺时针或逆时针。在一些实施例中，电感结构的电感量可以通过如下公式(7)计算：
其中，L为电感量，为磁通量，μ为磁导率，N为线圈圈数(环绕圈数)，S为电感图案中磁力线经过的有效面积，l为线圈的长度。由上述公式可知，在关节伸展时，电感图案为全面展开状态(即电感图案平铺在穿戴本体上)，此时有效面积S最大，对应的电感量L也最大；当关节弯曲时，电感图案为弯折状态(即电感图案产生部分形变)，此时有效面积S减小，对应的电感量L也减小。在一些实施例中，在电感图案为弯折状态时，电感图案可能发生部分重叠、褶皱、凸起等情况，因此有效面积的变化是非线性的；此外，用户穿戴本体不合身也可能导致有效面积的非线性变化。因此，在用户的关节发生弯曲形变时，电感量随着有效面积S的变化呈非线性变化。
在一些实施例中，所述螺旋形的电感图案具有大于1的环绕圈数。例如，螺旋形的电感图案的环绕圈数可以是2圈、5圈、10圈、50圈等。优选地，螺旋形的电感图案的环绕圈数大于2圈。
在一些实施例中，所述螺旋形的电感图案可以包括长轴和短轴。本说明书中，对于对称的螺旋形电感图案，所述的长轴可以指螺旋形电感图案的对称轴中最长的对称轴；对于非对称的螺旋形电感图案，所述的长轴可以指螺旋形电感图案的外圈上具有最大距离的两点之间的连线。对于对称的螺旋形电感图案，所述的短轴可以指螺旋形电感图案的对称轴中最短的对称轴；对于非对称的螺旋形电感图案，短轴可以指螺旋形电感图案的外圈上具有最小距离的两点之间的连线。在一些实施例中，长轴方向可以垂直于短轴方向。在一些实施例中，电感传感器820中螺旋形的长方形电感图案的长轴方向和短轴方向可以如图10所示。在一些实施例中，所述螺旋形的电感图案的长轴方向可以与关节的弯曲轴线夹角在90度±20度范围内，短轴方向与关节的弯曲轴线的夹角在±20度范围内。例如，所述螺旋形的电感图案的长轴方向与关节的弯曲轴线夹角在80度-100度范围内，短轴方向与关节的弯曲轴线的夹角在±10度范围内。再例如，所述螺旋形的电感图案的长轴方向与关节的弯曲轴线夹角在85度-95度范围内，短轴方向与关节的弯曲轴线的夹角在±5度范围内。再例如，所述螺旋形的电感图案的长轴方向垂直于关节的弯曲轴线，短轴方向平行于关节的弯曲轴线。在一些实施例中，关节的弯曲轴线可以指关节在发生形变过程中所有固定点所在的直线。
在一些实施例中，为了优化电感传感器820的灵敏度，螺旋形的电感图案的形状可以依据长轴或短轴对称设计。例如，螺旋形的电感图案可以是以长轴、短轴为对称轴的矩形、圆形、椭圆形等。
在一些实施例中，导电纺线在垂直于电感图案表面的方向上的厚度越大，用户在穿戴时产生的异物感会越强烈；且较大的厚度会提高导电纺线形变所需的应力，在关节作出幅度较小的动作时导电纺线难以产生对应的形变。为了提高用户佩戴所述可穿戴设备800的舒适度并且提高电感传感器820的灵敏度，所述导电纺线在垂直于电感图案表面的方向上的厚度可以不大于3mm。例如，导电纺线在垂直于电感图案表面的方向上的厚度可以是2.5mm、2mm、1.5mm、1mm等。优选地，导电纺线在垂直于电感图案表面的方向上的厚度为2mm。
在一些实施例中，所述螺旋形电感图案的内圈与外圈可以分别设置读出引线，用于将所述电感结构与读出单元830连接。所述读出单元830可以测量电感值或者计算其它可以表征电感变化的参数(例如，电路阻抗、相位、谐振频率等)。在一些实施例中，如图10所示，螺旋形电感图案的内圈可以是导电线中与第二读出引线1227相连的部分。螺旋形电感图案的外圈可以是导电线中与第一读出引线1225相连的部分。
读出引线可以是导电线的一部分(例如，是所述导电线的端点部分)。如图10所示，读出引线可以包括第一读出引线1225和第二读出引线1227。在一些实施例中，读出引线可以与读出单元830连接。例如，读出引线可以通过数据接口与读出单元830连接。
在一些实施例中，为了提高电感的Q值，进而提高测量的精确度，电感结构的电阻可以小于100Ω。例如，电感结构的电阻可以小于80Ω。再例如，电感结构的电阻可以小于50Ω。再例如，电感结构的电阻可以小于30Ω。再例如，电感结构的电阻可以小于10Ω。
图11是根据本说明书一些实施例所示的用户佩戴示例性可穿戴设备的示意图。如图11所示，可穿戴设备中的电感传感器820可以分别附着在所述穿戴本体上与肩关节310、肘关节320和膝关节330对应的位置。
在一些实施例中，电感传感器820可以通过可拆卸的方式附着在所述穿戴本体810上。例如，电感传感器820还可以通过胶粘、捆绑、卡扣、魔术贴等其他形式附着在穿戴本体810上。在一些实施例中，所述电感结构的尺寸或形状可调。例如，根据用户的关节位置如臂宽、肩宽、膝宽大小，电感结构的尺寸可以进行适应性调整，以覆盖关节位置的所有可动位置。在一些实施例中，电感结构的尺寸可以略小于关节位置的大小，以避免多余的电感结构部分因挤压、扭曲、重叠等形变而导致对电感变化的误差性影响。
在一些实施例中，在同一个关节处，所述电感传感器820可以包括两个电感结构，分别位于关节的内外两侧。例如，对于肘关节320，电感传感器820可以包括外关节电感结构和内关节电感结构，二者分别附着在穿戴本体对应的肘关节外侧和肘关节内侧。在一些实施例中，位于同一关节外侧的电感结构的尺寸可以略大于同一关节内侧的电感结构，以适应用户的关节运动形变。在一些实施例中，当有至少两个电感结构测量同一关节的电感值时，其最终测量结果可以是基于上述两个电感结构分别测量的测量结果的计算值(例如，均值、加权平均值等)。例如，当膝盖进行一次弯曲时，膝盖外侧的电感结构测量得到外侧电感值，膝盖内侧的电感结构测量得到内侧电感值，则最终测量结果可以是外侧电感值和内侧电感值的平均值或加权平均值。在一些实施例中，为了提高测量的精确度，可以在同一关节设置多个电感结构。当有至少两个电感结构测量同一关节的电感值时，可以让输出的多个电感值分别经过读出单元830、处理器840处理，得到多个关节的弯曲度数，并对上述多个关节的弯曲度数求平均值或加权平均值，并将上述平均值或加权平均值作为最终的测量结果。在一些实施例中，为了提高测量的准确性，可以改变电感结构的尺寸、形状、贴合位置等，对电感传感器820进行校准或测试。例如，针对同一关节，可以分别使用长方形螺旋电感图案的电感结构和椭圆形螺旋电感图案的电感结构进行测量，分别在不同的关节的弯曲角度下校准测量结果。
需要说明的是，为方便说明，图11为穿戴本体810为运动服、运动裤时的示例性结构示意图，此外，穿戴本体810还可以是手套、护腕、护肘、护膝、护肩等其他形式的组件，其功能、原理与运动服、运动裤类似，本领域技术人员在了解本说明书方案的前提下，可以将该方案应用于任何合适的场景中。
图12是根据本说明书一些实施例所示的示例性具有螺旋形电感图案的电感结构的电感值在非佩戴状态下随电感结构的弯曲角度变化的曲线示意图。图12中所述的电感结构的弯曲角度指在非佩戴状态下，电感结构沿短轴方向(例如，图10中的短轴方向)折叠过程中，电感结构的两个表面形成的夹角。如图12所示，当电感结构施以1V电压，通1kHz交流电时，随着电感结构的弯曲角度的递增，具有螺旋形电感图案的电感结构的电感值呈非线性递增。进一步地，当电感结构的弯曲角度为30°时，电感值为3.99μH；当电感结构的弯曲角度为60°时，电感值为4.52μH；当电感结构的弯曲角度为90°时，电感值为4.79μH；当电感结构的弯曲角度为120°时，电感值为4.94μH；当电感结构的弯曲角度为150°时，电感值为5.02μH；当电感结构的弯曲角度为180°时，电感值为5.05μH。在一些实施例中，为了测试电感结构的可重复使用性，可以对同一电感结构进行多次(如N次)重复测量。如图12所示，多次测量的结果显示，在不同的测量过程中，相同的电感结构的弯曲角度对应相同的电感值，N次弯曲后的电感值-弯曲角度的关系曲线始终保持一致。因此，所述电感结构的电感值不随材料的多次使用或温度等因素漂移，具有很好的重复使用性。
在一些实施例中，具有螺旋形电感图案的电感结构的电感值在佩戴状态下随关节弯曲角度同样成一一对应的关系。例如，对于肘部关节的运动采用针对肘部的传感器，电感结构施以1V电压，通1kHz交流电时，当关节的弯曲角度为180°(即手部伸平)时，电感值为3.91μH；当关节的弯曲角度为90°时，电感值为2.91μH；当关节的弯曲角度为50至60°时，电感值为2.03μH。
在一些实施例中，由于穿戴后会引起可穿戴设备及电感图案的形变，因此，对于相同的电感结构，在佩戴和非佩戴状态下，相同的弯曲角度(例如，非佩戴状态下电感结构的弯曲角度等于佩戴状态下关节的弯曲角度)可能对应不同的电感值。因此，为了满足运动状态的更精确的测量，当用户进行运动状态的测量之前，可以先进行电感结构的校准，得到所述用户对应的关节弯曲程度和电感值的变化曲线。例如，让用户分别做出不同的关节弯曲角度，测量其对应的电感值，进行曲线拟合，得到所述用户的关节弯曲程度和电感值的变化曲线。在一些实施例中，由于体型的不同，不同的用户在佩戴相同的电感结构时，相同的关节弯曲角度可能对应不同的电感值。因此，为了满足对不同人的运动状态的更精确的测量，当每个用户进行运动状态的测量之前，可以先进行电感结构的校准，得到每个用户对应的关节弯曲程度和电感值的变化曲线。例如，让每个用户分别做出不同的关节弯曲角度，测量其对应的电感值，进行曲线拟合，得到所述用户的关节弯曲程度和电感值的变化曲线。在后续该用户的运动状态测量过程中，可以依据所述关节弯曲程度和电感值的变化曲线实现精确的运动状态的测量。
为了满足对具有差异性的不同关节位置处运动状态的测量，在一些实施例中，不同关节位置处的电感结构的弯曲角度和其对应的电感值的对应关系(即，非线性变化关系)可以不同。例如，为了满足对膝关节运动状态的更精确的测量，相比于肘关节，膝关节位置处的电感结构和肘关节位置处的电感结构可以具有不同的环绕圈数、有效面积，和/或线圈的长度，以使得膝关节位置处的电感结构相比于肘关节位置处的电感结构在相同的关节弯曲角度下产生更大的电感值。
在一些可替代的实施例中，为了方便处理，以减少处理电路或处理装置的处理负担，可以使得不同关节位置处的电感结构在相同的关节弯曲角度下产生相等或基本相等的电感值。例如，通过将膝关节位置处的电感结构设计成具有较大的有效面积和较少的环绕圈数，将肘关节位置处的电感结构设计成具有较小的有效面积和较多的环绕圈数，可以使得膝关节和肘关节位置处的电感结构的弯曲角度和其对应的电感值呈现出相同或基本相同的非线性变化关系，便于处理电路或处理装置的后续处理。
本说明书一些实施例还公开了一种传感系统，包括上述的可穿戴设备800和处理装置。所述处理装置可以与所述可穿戴设备800无线连接，用于产生反映关节运动的参数。在一些实施例中，处理装置可以进一步处理可穿戴设备800中读出单元830读出的信息。例如，对测量同一关节的内外两侧的电感传感器820测量的多个电感值进行求平均值或加权平均值计算，并基于计算得到的电感值确定反映关节运动的参数等。在一些实施例中，反映关节运动的参数可以包括关节的弯曲角度、关节的屈伸情况等。在一些实施例中，处理装置产生反映关节运动的参数的过程可以与可穿戴设备800中的处理器840产生反映关节运动的参数的过程相同。在一些实施例中，可穿戴设备800中的处理器840可以对读出单元830读出的信息进行预处理(例如，将同一关节对应的电感值求平均值或加权平均值)，再将预处理结果发送给处理装置，用于确定反映关节运动的参数。
本说明书一些实施例所述的可穿戴设备可能带来的有益效果包括但不限于：(1)通过本说明书一些实施例所述的可穿戴设备，可以实现将用户的关节动作转化成变化的电信号，进而生成反映关节运动的参数，从而准确地捕捉用户的动作；(2)通过在基板绕制螺旋电感线圈即可制得电感传感器，使得可穿戴设备制备简单，成本低廉；(3)通过采用柔性材质可以制得薄膜式柔性电感传感器，其佩戴舒适；(4)电感传感器仅响应形状变化(例如，其检测结果可以只与其电感值相关)，使得可穿戴设备对温度、湿度、压力、汗液等外界因素的抗干扰能力强，提高了动作捕捉的准确性、可靠性和可穿戴设备的重复利用性；(5)通过调整电感传感器中螺旋电感线圈的圈数、螺旋电感线圈所围设的区域的尺寸、增加导磁薄膜可以提高可穿戴设备的灵敏度。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

Claims (17)

1.一种可穿戴设备，包括：
穿戴本体，用于覆盖用户的关节位置；以及
至少一个电感传感器，包括由导电线围成的电感结构，所述至少一个电感传感器附着在所述穿戴本体上与所述关节位置对应的位置，所述电感结构随着所述关节位置的形变而产生变化的电感。
2.根据权利要求1所述的可穿戴设备，其中，
所述穿戴本体包括手套，当用户佩戴所述可穿戴设备时，所述至少一个电感传感器的至少一部分位于所述用户手部的关节处，以采集所述用户手部的动作信号。
3.根据权利要求2所述的可穿戴设备，其中，所述导电线围绕所述关节位置形成螺旋形的电感图案，所述导电线在垂直于所述电感图案表面的方向上的厚度不大于3mm。
4.根据权利要求3所述的可穿戴设备，其中，所述螺旋形的电感图案的长轴方向与对应关节的弯曲轴线夹角在90度±20度范围内，所述螺旋形的电感图案的短轴方向与对应关节的弯曲轴线的夹角在±20度范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可穿戴设备，其中，所述电感结构的电阻小于100Ω。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个电感传感器包括两个电感结构，分别位于关节的内外两侧。
7.根据权利要求2所述的可穿戴设备，其中，所述电感结构包括：
螺旋电感线圈，其中，所述螺旋电感线圈中导电线的导线圈数大于或等于2。
8.根据权利要求7所述的可穿戴设备，其中，所述螺旋电感线圈中所述导电线包括弹性可拉伸的导电纺线，所述导电纺线通过纺织的方式固定。
9.根据权利要求7或8所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个电感传感器还包括基板，用于承载所述螺旋电感线圈；所述基板包括通孔，所述通孔用于将所述螺旋电感线圈的内层线圈引出到第一信号引出端，所述第一信号引出端与连接所述螺旋电感线圈的外层线圈的第二信号引出端位于所述基板同一表面。
10.根据权利要求7或8所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个电感传感器还包括基板，用于承载所述螺旋电感线圈；所述螺旋电感线圈至少包括第一层线圈和第二层线圈，
所述第一层线圈和所述第二层线圈在垂直于所述基板的方向上分层设置，以及
所述第一层线圈和所述第二层线圈中电流方向相同。
11.根据权利要求10所述的可穿戴设备，其中，所述第一层线圈和所述第二层线圈分别设置在所述基板的两侧，其中，所述基板上设置有通孔，所述第一层线圈和所述第二层线圈分别由穿过所述通孔的同一根导线形成。
12.根据权利要求7或8所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个电感传感器设置于所述用户的手背或手心，所述至少一个电感传感器还包括：导磁薄膜，
当所述至少一个电感传感器设置于所述用户的所述手背时，所述导磁薄膜覆盖在所述螺旋电感线圈远离所述用户手部的一侧；以及
当所述至少一个电感传感器设置于所述用户的所述手心时，所述导磁薄膜覆盖在所述螺旋电感线圈靠近所述用户手部的一侧。
13.根据权利要求2至4中任一项所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个电感传感器包括：
指关节电感传感器，设置在手指关节的背部或腹部，用于测量对应手指关节的弯曲角度；
指间距电感传感器，设置在相邻两根手指的连接位置，用于测量所述相邻两根手指的张开角度；或
手腕电感传感器，设置在手腕的背面、正面或侧面，用于测量手腕弯曲的角度。
14.根据权利要求13所述的可穿戴设备，其中，所述指关节电感传感器和所述手腕电感传感器中的至少一者相对于与其对应的关节的转轴对称。
15.根据权利要求13所述的可穿戴设备，其中，所述指关节电感传感器和所述指间距电感传感器中的至少一者至少包括第一子电感线圈和第二子电感线圈，所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈且通过引线串联连接，其中，
当用户佩戴所述可穿戴设备时，所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈中的电流方向相同。
16.根据权利要求15所述的可穿戴设备，其中，所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈尺寸的相对差别小于50％，且所述第一子电感线圈和所述第二子电感线圈相对于指间转轴对称放置。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个电感传感器通过可拆卸的方式附着在所述穿戴本体上，且所述电感结构的尺寸或形状可调。
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