TWI724409B - 局部化移動的位移偵測 - Google Patents

Abstract

一種控制器經形成為傳輸天線及接收天線之一陣列，該等傳輸天線及接收天線被放置於一使用者之皮膚上，使得該使用者之皮膚的潛在移動可藉由該等傳輸天線與該等接收天線的相互作用來量測。在一實施例中，該等傳輸天線及接收天線係位於接近於手腕之一區域中。該等傳輸天線之移動及由接收天線接收之信號的後續量測係用於判定手及其手指的位置及姿勢。

Description

局部化移動的位移偵測

所揭示設備及方法一般而言係關於人機介面控制器領域，且特定而言係關於一種對變形敏感之人機介面控制器。

近年來，隨著計算能力及沉浸式可能性變得愈來愈普遍，虛擬實境(VR)及擴增實境(AR)愈來愈受歡迎。一般而言，雖然系統及方法提供用以與VR及AR環境相互作用之方式，但用於與此等類型之環境相互作用之機制頻繁地減損沉浸式性質。

需要在不減損總體系統之沉浸感之情況下提供與一使用者之手勢及其他相互作用有關之詳細資訊之控制器。

本申請案主張2018年4月13日提出申請之第62/657,270號美國臨時申請案的權益，該美國臨時申請案之內容據此係以引用的方式併入本文中。本申請案包含受版權保護之材料。版權擁有人不反對任何人對專利揭示內容進行拓製，此乃因其出現在專利與商標局文檔或記錄中，而在其他方面則保留所有版權。

本申請案係關於諸如存在於以下各項中之使用者介面：第62/621,117號美國臨時專利申請案；第16/049,159號美國專利申請案；第16/055,785號美國專利申請案；第16/251,955號美國專利申請案；彼等申請案及以引用方式併入其中之申請案之全部揭示內容以引用方式併入本文中。

在各種實施例中，本發明針對於運動感測控制器及用於設計、製造且操作運動控制器(例如，手移動控制器)之方法，且特定而言針對於使用信號來判定一表面之一變形量以便將一身體部位之運動模型化之控制器。貫穿本發明，出於說明性目的而使用各種控制器形狀及感測器圖案。儘管出於圖解說明本發明之目的而揭示實例性組合物及/或幾何結構，但在不背離本文中之揭示內容之範疇及精神之情況下熟習此項技術者鑒於本發明將明瞭其他組合物及幾何結構。

貫穿本發明，術語「變形」或其他描述符可用於闡述其中發生一人機互動(例如，一使用者之手腕區域中之皮膚表面之變形)之事件或時間週期。變形偵測可以極低延時(例如，約十毫秒或少於十毫秒，或者約少於一毫秒)來處理且供應至下游計算程序。

如本文中所使用，且尤其在申請專利範圍內，諸如第一及第二之序數術語本身並不意欲暗指序列、時間或唯一性，而是用於區分一個所主張構造與另一所主張構造。在內容脈絡有指定之某些使用中，此等術語可暗指第一及第二係唯一的。舉例而言，在一事件發生於一第一時間處且另一事件發生於一第二時間處之情況下，並非意欲暗指第一時間發生於第二時間之前。然而，在請求項中呈現對第二時間在第一時間之後之其他限制之情況下，內容脈絡將需要將第一時間及第二時間解讀為唯一時間。類似地，在內容脈絡如此指定或准許之情況下，意欲廣泛地解釋序數術語，使得兩個經識別之主張構造可具有相同特性或不同特性。因此，舉例而言，在不存在其他限制之情況下，一第一頻率與一第二頻率可係相同頻率，例如，第一頻率係10 Mhz且第二頻率係10 Mhz；或可係不同頻率，例如，第一頻率係10 Mhz且第二頻率係11 Mhz。內容脈絡可另有指定，舉例而言，在一第一頻率與一第二頻率進一步限於彼此頻率正交之情況下，在此情形中，其可並非相同頻率。

如本文中所使用，術語「控制器」意欲係指提供人機介面之功能之一實體物件。在一實施例中，該控制器係一腕帶。在一實施例中，該控制器能夠透過手腕區域之表面區域之變形之偵測來偵測一手之移動。在一實施例中，該控制器能夠透過手腕區域之移動之偵測來偵測一手之移動。在一實施例中，該控制器能夠藉由直接感測一手之移動而偵測此等移動。在一實施例中，該控制器可透過判定手腕區域中之表面區域之變形來提供一手之位置。在一實施例中，該控制器可透過判定接近於身體部位及/或功能及/或與身體部位及/或功能相關聯之表面區域之變形來提供其他身體部位之位置及/或移動，例如，手腕區域之骨骼、關節及肌肉之鉸接以及其轉化成手之位置及/或移動之方式；腳踝區域之骨骼、關節及肌肉之鉸接以及其轉化成腳之位置及/或移動之方式；聲帶之振動及移動以及其轉化成語音之方式。

本文中所論述之控制器使用充當傳輸天線及接收天線之天線。然而，應理解，天線是傳輸、接收還是兩者取決於內容脈絡及實施例。當用於傳輸時，導體以操作方式連接至一信號產生器。當用於接收時，導體以操作方式連接至一信號接收器。在一實施例中，用於場型之所有或任一組合之傳輸天線及接收天線以操作方式連接至能夠傳輸及接收所需信號之一單個積體電路。在一實施例中，傳輸天線及接收天線各自以操作方式連接至能夠分別傳輸及接收所需信號之一不同積體電路。在一實施例中，用於場型之所有或任一組合之傳輸天線及接收天線可以操作方式連接至積體電路之一群組，每一積體電路能夠傳輸及接收所需信號且一起共用此多IC組態所需之資訊。在一實施例中，在積體電路之容量(亦即，傳輸及接收通道之數目)及對場型之要求(亦即，傳輸及接收通道之數目)准許之情況下，用於一控制器所使用之全部多個場型之所有傳輸天線及接收天線由一共同積體電路操作或由其間具有通信之若干積體電路之一群組操作。在一實施例中，在若干傳輸或接收通道需要使用多個積體電路之情況下，來自每一電路之資訊組合於一單獨系統中。在一實施例中，單獨系統包括用於信號處理之一GPU及軟體。

當提及相互作用對時，術語「天線」通常與術語「導體」(或「電極」)互換地使用。具體而言，在於一個導體/天線上傳輸一信號之情況下，在彼導體/天線與一或多個其他導體/天線(例如，至少一個接收器導體—但可存在諸多接收器導體)之間形成一場。該所形成場可受特定種類之相互作用(例如，人體部位或其他物件之存在)擾亂。藉由量測場之小改變而完成感測。在一實施例中，在接收器處所接收之一信號之量值之改變經量測且用於導出感測資訊。在一實施例中，在接收器處所接收之一信號之相位之改變經量測且用於導出感測資訊。在一實施例中，感測依賴於包含由其他感測器進行之量測之多個量測(例如，量值及相位)之融合。熟習此項技術者鑒於本發明將明瞭，儘管以操作方式結合本文中所闡述之導體/天線與驅動或接收電路(例如，信號產生器或信號接收器)之元件可係導電的，可係撓性的，且甚至可稱為一導體，但其並非係指用於感測相互作用之導體/天線。

轉向圖1，展示陳述一控制器之一實例之一實施例之一圖式。在一實施例中，具有信號處理能力之一混合信號積體電路100包括一傳輸器110及一接收器120。(在一實施例中，替代混合信號積體電路100，包括一傳輸器(或多個傳輸器)及一接收器(或多個接收器)之一類比前端被用於發送及接收信號。在此一實施例中，該類比前端將一數位介面提供至信號產生與信號處理電路及/或軟體。)

傳輸器110係經由傳輸引線115以導電方式耦合至一傳輸天線130，且接收器120係經由接收引線125以導電方式耦合至一接收天線140。傳輸天線130經支撐於戴在身體部位160上之一第一結構150上。第一結構150戴在身體部位160上或周圍，使得其一般將與身體部位160一起移動。在一實施例中，接收天線140包括可(舉例而言)藉由使用膠帶180而單獨被固定至身體部位160之皮膚之一支撐件190。另一選擇係，接收天線140被固定至經調適以隨著身體部位160之皮膚的移動(而非身體部位160之較大幅移動)而移動的一第二結構(未展示)。在一實施例中，該第二結構包括比第一結構更具撓性之一材料。在一實施例中，一材料層170將傳輸天線130與接收天線140分開。

熟習此項技術者鑒於本發明將明瞭，任意地指派傳輸器及接收器，且可在接收側上使用傳輸器110、傳輸引線115及傳輸天線130，而接收器120、接收引線125及接收天線140可用作傳輸側。熟習此項技術者鑒於本發明亦將明瞭，可在單獨電路上實施信號處理器、傳輸器及接收器。熟習此項技術者鑒於本發明將明瞭，傳輸器及接收器可支援一個以上天線。在一實施例中，採用複數個傳輸天線130及/或複數個接收天線140。在一實施例中，於第一結構上支撐多個傳輸天線。在一實施例中，於一第二結構上支撐多個接收天線。在一實施例中，於第一結構上支撐傳輸天線及接收天線兩者。在一實施例中，於一第二結構上支撐傳輸天線及接收天線兩者。

在一實施例中，混合信號積體電路100經調適以產生一或多個信號且經由傳輸器110將該等信號發送至傳輸天線130。在一實施例中，混合信號積體電路100經調適以產生複數個頻率正交信號且將該複數個頻率正交信號發送至傳輸天線130。在一實施例中，混合信號積體電路100經調適以產生複數個頻率正交信號且將該複數個頻率正交信號中之一或多者發送至複數個傳輸天線中之每一者。在一實施例中，頻率正交信號介於自DC直至大約2.5 GHz之範圍內。在一實施例中，頻率正交信號介於自DC直至大約1.6 MHz之範圍內。在一實施例中，頻率正交信號介於自50 KHz至200 KHz之範圍內。頻率正交信號之間的頻率間距應大於或等於積分週期(亦即，取樣週期)之倒數。

在一實施例中，混合信號積體電路100 (或一下游組件或軟體)經調適以判定表示由一傳輸天線130傳輸之每一頻率正交信號之至少一個值。在一實施例中，混合信號積體電路100 (或一下游組件或軟體)對所接收信號執行一傅立葉變換。在一實施例中，混合信號積體電路100經調適以將所接收信號數位化。在一實施例中，混合信號積體電路100 (或一下游組件或軟體)經調適以將所接收信號數位化且對經數位化資訊執行一離散傅立葉變換(DFT)。在一實施例中，混合信號積體電路100 (或一下游組件或軟體)經調適以將所接收信號數位化且對經數位化資訊執行一快速傅立葉變換(FFT)。

在一實施例中，在至少1 MHz下對所接收信號進行取樣。在一實施例中，在至少2 MHz下對所接收信號進行取樣。在一實施例中，在4 Mhz下對所接收信號進行取樣。在一實施例中，在大於4 MHz下對所接收信號進行取樣。

舉例而言，為達成KHz取樣，可在4.096 MHz下獲得4096個樣本。在此一實施例中，積分週期係1毫秒，根據頻率間距應大於或等於積分週期之倒數之約束，此提供1 KHz之一最小頻率間距。在一實施例中，頻率間距等於積分週期之倒數。(熟習此項技術者鑒於本發明將明瞭，在(例如) 4 MHz下獲得4096個樣本將產生比一毫秒稍長之一積分週期，且不達成kHz取樣及976.5625 Hz之一最小頻率間距。)在此一實施例中，一頻率正交信號範圍之最大頻率應小於2 MHz。在此一實施例中，一頻率正交信號範圍之實際最大頻率應小於取樣速率之大約40%或大約1.6 MHz。在一實施例中，使用一FFT將經數位化之所接收信號變換為資訊之頻率組，每一頻率組反映可已由傳輸天線130傳輸之一所傳輸頻率正交信號之頻率。在一實施例中，4096個頻率組對應於自1 KHz至大約4 MHz之頻率。熟習此項技術者鑒於本發明將明瞭，此等實例僅係例示性的。取決於一系統之需求且經受上文所闡述之約束，可增加或減小取樣速率，可調整積分週期，可調整頻率範圍等。

在一實施例中，自接收天線所接收之信號量測之經量化改變可用於判定諸如手腕身體部位之一身體部位之一位置或運動。在一實施例中，經量化改變可用於判定一身體部位之一位置或運動，諸如骨骼、關節、肌腱及肌肉之鉸接。在一實施例中，經量化改變可用於判定一身體部位之一位置或運動，諸如手腕區域之骨骼、關節及肌肉之鉸接。在一實施例中，經量化改變可用於判定一手、手腕、腳、腳踝、頭部、頸部、軀幹、手臂、肩膀或任一其他身體部位或者一身體部位之一部分之位置及/或移動。在一實施例中，經量化改變可用於判定皮膚相對於一身體或身體部位之彈性移動。在一實施例中，經量化改變可用於判定聲帶之振動及移動。在一實施例中，經量化改變可用於依據聲帶之振動及移動來推斷聲音或語音。在一實施例中，經量化改變可用於判定呼吸、心臟活動、脈搏或其他生物力學改變。

在一實施例中，多個接收天線及多個傳輸天線係散置的。在一實施例中，天線經形成為三維物件(或此等三維物件之面)，其實例包含：立方體、矩形稜柱、三角形稜柱、八角形稜柱、四面體、正方錐、圓柱體及圓錐體。在此一實施例中，於兩個或兩個以上維度上交錯係可能的。舉例而言，2 mm立方體可在係(例如) 1”寬，且戴在手腕上之一皮膚追蹤第二結構上之一個二維網格中被放置為(例如)隔開2 mm，而類似立方體之另一層可係部署於係½”寬且包圍第一層之一不太撓性第二結構中，但係固定的，使得其大體上僅覆蓋第二結構之中心½”。在一實施例中，(例如)交替傳輸器及接收器之一大的密集陣列可相互作用。使用上文所闡述之混合信號積體電路100，或可傳輸且接收頻率正交信號而且偵測信號相互作用之改變的另一系統，可收集關於手及手腕運動的大量資料。在一實施例中，每一傳輸天線可用於傳輸複數個頻率正交信號。在一實施例中，可動態地重新組態傳輸天線及接收天線之位置，從而允許每一天線在任一積分週期期間操作為一傳輸器或一接收器。在一實施例中，一天線可在一單個積分週期期間用作一傳輸器及一接收器兩者(儘管存在不同頻率正交信號)。在一實施例中，兩個天線群組在同一積分週期期間用作傳輸器及接收器兩者；第一天線群組使其所接收信號通過一高通濾波器且用於僅傳輸低頻率，而第二天線群組使其所接收信號通過一低通濾波器且僅傳輸高頻率。

現在轉向圖2至圖4，展示位於手腕區域中之傳輸天線10及接收天線11之組合。傳輸天線10及接收天線11之放置使得其亦位於手腕上面及下面。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11係位於手腕上面或下面5公分內。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11係位於手腕上面或下面3公分內。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11係位於手腕上面或下面1 cm內。

圖2展示定位於一使用者之皮膚上之傳輸天線10及接收天線11之位置之一矩陣視圖。傳輸天線10及接收天線11可配置成各種圖案。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11配置成一交替圖案。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11經配置使得一個列係傳輸天線10且一個列係接收天線11。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11可配置成一隨機分佈。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11經配置使得所存在之傳輸天線10比所存在之接收天線11多。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11經配置使得所存在之接收天線11比所存在之傳輸天線10多。在一實施例中，傳輸天線10及接收天線11使其各別角色交替，使得在一個訊框期間所有傳輸天線10傳輸信號而接收天線11經調適以接收信號，且在下一訊框期間接收天線11傳輸信號，且反之亦然。

由傳輸天線10與接收天線11之相互作用判定之量測經處理以便判定手之移動、位置及姿勢。可藉由皮膚之移動及彈性以及附接至其之天線之移動而偵測手之手指之非常輕微移動。手腕區域中之皮膚之膨脹、收縮及移位可由(例如)手腕區域中之肌肉、韌帶或骨骼移動、手、手腕或手臂中之關節鉸接以及手腕區域中之血流量導致。可量測一個傳輸天線10相對於一接收天線11之非常稍微移動。量測(例如，量值及/或相位)可經處理且用於形成手之一模型。傳輸天線10中之每一者可傳輸一唯一頻率正交信號。自傳輸天線10接收信號之接收天線11中之每一者能夠識別傳輸天線10且因此使用其各別移動來判定關於手之運動及姿勢之資訊。

圖3及圖4圖解說明使用各種感測器陣列之一控制器之實施例。在所展示之實施例中，傳輸天線10及接收天線11附接至一基板12，基板12可黏合至皮膚之表面。類似於上文所論述之傳輸天線及接收天線之陣列，可最佳地放置基板12之配置以便偵測手之移動及姿勢。在圖3中，基板12形成為附接至一使用者之皮膚之一整個整合件。基板12經調適以撓曲且連同使用者之皮膚之移動一起移動。在圖4中，基板12形成放置於使用者之皮膚上之多個條帶。用於基板12之條帶附接至一使用者之皮膚。基板12經調適以撓曲且連同使用者之皮膚之移動一起移動。基板12可由能夠撓曲且連同一使用者之皮膚之移動一起移動之任何類型之材料製成。舉例而言，材料可係附接至一使用者之皮膚之表面之一聚合物或織物類型。

傳輸天線10及接收天線11可經配置且形成為包含一或多個傳輸天線及一或多個接收天線之一天線陣列之一部分。一般而言，更多天線將引起對變形之一更佳判定。天線放置(使得其由於期望量測之身體移動而相對於彼此移動)而非僅僅量將致使量測能力經改良。在一實施例中，天線放置於在一身體部位上或接近於該身體部位之關鍵位置中以便判定變形。「接近」一般意味足夠靠近使得天線能夠提供關於(舉例而言)在手腕區域上之身體部位之移動之資訊以提供關於一手姿勢或位置之資訊。在一實施例中，一陣列之天線放置於其中發生鉸接的手腕區域上之特定位置處。在一實施例中，傳輸及接收天線(或傳輸及接收天線群組)放置於皮膚上(不具有第一材料)，且皮膚之拉伸及皮下結構之移動致使天線之相對定向移位，且相應而生信號改變可用於理解拉伸及移動。在一實施例中，機器學習演算法用於使移動與相應而生信號改變相關聯，且然後用於基於此等相應而生信號改變而將移動模型化。

在一實施例中，非常小傳輸及接收天線直接定位於身體上之各種附近位置上，且可偵測相對於彼此之移動—且彼相對移動可用於推斷附近身體部位之移動或位置。在一實施例中，天線使用小量黏合劑固定至毛髮、毛囊或皮膚。在一實施例中，天線固定至係一撓性彈性材料層之一薄結構，該薄結構然後緊固至身體以充當一第二皮膚，亦即，與皮膚一起移動。在一實施例中，薄撓性彈性材料層將不干擾皮膚回應於身體移動而發生之自然運動。

本發明之一實施例係一種設備，其包括：複數個傳輸天線，其經調適以放置於一身體部位上，其中該複數個傳輸天線中之每一者產生一唯一頻率正交信號；複數個接收天線，其經調適以放置於該身體部位上，其中該複數個接收天線經調適以接收該等唯一頻率正交信號，其中當該複數個傳輸天線及該複數個接收天線放置於該身體部位上時該身體部位之皮膚移動致使該複數個傳輸天線及該複數個接收天線相對於彼此移動；且其中由該複數個接收天線中之至少一者接收之該等唯一頻率正交信號之量測用於提供關於該身體部位之該皮膚之移動之量測。

本發明之另一實施例係一種設備，其包括：一基板；一傳輸天線，其經調適以放置於該基板上；複數個接收天線，其經調適以放置於該基板上，其中該等接收天線經調適以接收自該傳輸天線傳輸之信號，其中當該基板放置於一身體部位上時該身體部位之皮膚移動致使該傳輸天線及該複數個接收天線相對於彼此移動；且其中由該複數個接收天線中之至少一者接收之信號之量測用於提供關於該身體部位之該皮膚之移動之量測。

雖然已參考本發明之一較佳實施例特定地展示且闡述本發明，但熟習此項技術者將理解，可在不背離本發明之精神及範疇之情況下在其中做出形式及細節之各種改變。

10‧‧‧傳輸天線 11‧‧‧接收天線 12‧‧‧基板 100‧‧‧混合信號積體電路 110‧‧‧傳輸器 115‧‧‧傳輸引線 120‧‧‧接收器 125‧‧‧接收引線 130‧‧‧傳輸天線 140‧‧‧接收天線 150‧‧‧第一結構 160‧‧‧身體部位 170‧‧‧材料層 180‧‧‧膠帶 190‧‧‧支撐件

自對如附圖中所圖解說明之實施例之以下更特定說明將明瞭本發明之前述及其他目標、特徵及優點，其中參考字符貫穿各個視圖係指相同部分。圖式未必按係比例的，而是將重點放在圖解說明所揭示實施例之原理上。

圖1展示圖解說明一控制器之一實施例之組件之相互作用之一圖式。

圖2展示位於一使用者之一手腕上之一控制器之一實施例。

圖3展示位於一使用者之一手腕上之一控制器之一實施例。

圖4展示位於一使用者之一手腕上之一控制器之一實施例。

100‧‧‧混合信號積體電路

110‧‧‧傳輸器

115‧‧‧傳輸引線

120‧‧‧接收器

125‧‧‧接收引線

130‧‧‧傳輸天線

140‧‧‧接收天線

150‧‧‧第一結構

160‧‧‧身體部位

170‧‧‧材料層

180‧‧‧膠帶

190‧‧‧支撐件

Claims (20)

1. 一種設備，其包括： 複數個傳輸天線，其經調適以被放置於一身體部位上，其中該複數個傳輸天線中之每一者產生一唯一頻率正交信號； 複數個接收天線，其經調適以被放置於該身體部位上，其中該複數個接收天線經調適以接收該等唯一頻率正交信號， 其中當該複數個傳輸天線及該複數個接收天線被放置於該身體部位上時，該身體部位之皮膚的移動致使該複數個傳輸天線及該複數個接收天線相對於彼此移動；且 其中由該複數個接收天線中之至少一者接收之該等唯一頻率正交信號的量測係用於提供關於該身體部位之該皮膚之移動的量測。
2. 如請求項1之設備，其中該身體部位係一手腕區域。
3. 如請求項2之設備，其中該手腕區域之移動提供關於一手之移動及位置的資訊。
4. 如請求項1之設備，其中該複數個傳輸天線及該複數個接收天線經形成為一陣列。
5. 如請求項1之設備，其中該複數個傳輸天線及該複數個接收天線形成若干列。
6. 如請求項1之設備，其中該複數個傳輸天線及該複數個接收天線在被放置於該身體部位上時環繞該身體部位。
7. 如請求項1之設備，其中該複數個傳輸天線及該複數個接收天線在被放置於該身體部位上時係隨機地分佈。
8. 如請求項1之設備，進一步包括一基板，其中該複數個接收天線及該複數個傳輸天線係放置於該基板上。
9. 如請求項8之設備，其中該基板形成上面經放置有該複數個接收天線及該複數個傳輸天線之複數個條帶。
10. 如請求項8之設備，其中該基板係由一撓性材料形成。
11. 一種設備，其包括： 一基板； 一傳輸天線，其經調適以被放置於該基板上， 複數個接收天線，其經調適以被放置於該基板上，其中該等接收天線經調適以接收自該傳輸天線傳輸的信號， 其中當該基板被放置於一身體部位上時，該身體部位之皮膚的移動致使該傳輸天線及該複數個接收天線相對於彼此移動；且 其中由該複數個接收天線中之至少一者接收之信號的量測係用於提供關於該身體部位之該皮膚之移動的量測。
12. 如請求項11之設備，其中該身體部位係一手腕區域。
13. 如請求項12之設備，其中該手腕區域之移動提供關於一手之移動及位置的資訊。
14. 如請求項11之設備，其中該複數個接收天線在該基板上經形成為一陣列。
15. 如請求項11之設備，其中該複數個接收天線在該基板上形成若干列。
16. 如請求項11之設備，其中該複數個接收天線在由一使用者佩戴時環繞該身體部位。
17. 如請求項11之設備，其中該複數個接收天線係隨機地分佈於該基板上。
18. 如請求項11之設備，其中該基板經形成為複數個條帶。
19. 如請求項11之設備，其中該基板係由一撓性材料形成。
20. 如請求項11之設備，其中該傳輸天線係複數個傳輸天線中之一者。

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