一種使用紅外線照射腕部韌帶的手指運動檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種手指運動檢測裝置及方法，一種使用紅外線照射腕部韌帶的手指運動檢測裝置及方法，步驟一、將腕帶式信號數(shù)據(jù)采集儀套入在手腕上：步驟二、將紅外光波轉(zhuǎn)換為4路電信號：步驟三、將4路電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲在處理單元中：步驟四：判斷信號的有效性：步驟五：分析信號對應(yīng)的特定手指運動：步驟六：判定每一路采集信號與對應(yīng)手指預(yù)置信號值的概率密度：步驟七：融合手部姿態(tài)得到整個手部的動作：與已有技術(shù)相比，本發(fā)明可以通過穿戴在手腕處的紅外傳感器獲取手指運動，結(jié)合使用慣性姿態(tài)傳感模塊獲取到的手部運動方向以及位移，能夠捕獲到完整的手部運動姿態(tài)；由于紅外傳感器本身由紅外發(fā)射及接收管組成，具有檢測信號幅度大、成本低、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點。
【專利說明】-種使用紅外線照射腕部韌帶的手指運動檢測裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種手指運動檢測裝置及方法，更具體地說，涉及一種使用紅外線照 射腕部韌帶的手指運動檢測裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 很多年以來，人們一直廣泛的使用鼠標(biāo)、鍵盤等操作電子設(shè)備，而隨著人機(jī)交互技 術(shù)的發(fā)展，手勢識別可以替代傳統(tǒng)遙控設(shè)備實現(xiàn)對智能設(shè)備的控制，與傳統(tǒng)的交互方式如 鍵盤、鼠標(biāo)相比，手指運動作為控制和輸入設(shè)備更為自然，但需要通過傳感器對手部的位置 以及運動狀態(tài)進(jìn)行檢測。常規(guī)的手指運動檢測方式主要有肌肉電信號、彎曲傳感器以及圖 像采集識別?；诩∪怆娦盘柕氖种高\動識別，加拿大Thalmic Labs公司研發(fā)了一款MYO 手勢臂環(huán)，該臂環(huán)通過探測小臂處肌肉運動從而分析出手指的運動，具有方便攜帶的優(yōu)點， 缺點是肌肉電信號非常復(fù)雜，而且容易受周圍環(huán)境、空氣濕度、電磁場的干擾，除此之外設(shè) 備的成本高?；趶澢鷤鞲衅鞯氖种缸R別方法是通過在手指上貼合的彎曲傳感器檢測手指 的彎曲動作，信號簡單穩(wěn)定，缺點是使用者需要佩戴一個帶有彎曲傳感器的手套，手套很厚 重，使用者使用起來很不方便。也有很多研究者嘗試了圖像采集進(jìn)行手指運動的捕捉，典型 的應(yīng)用如微軟公司的Kinect設(shè)備，或者一些運動捕捉的攝像頭，該方法能夠精準(zhǔn)的識別手 部的運動，缺點是圖像采集受到很多條件的局限性，首先是如果在攝像頭視頻死角或者超 出攝像頭照射范圍，手指的運動都不能被識別到；其次是受光線影響很大，在光線較強(qiáng)的戶 外以及光線較弱的地方都無法進(jìn)行有效的識別。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種使用紅外線照射腕部韌 帶的手指運動檢測裝置及方法。由于紅外傳感器照射手腕處韌帶可以不受周圍環(huán)境以及遮 擋物的影響，所以紅外探測手腕韌帶技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互具有便攜、易用、實時性好的優(yōu)點， 結(jié)合慣性姿態(tài)傳感器獲取手腕處方向以及位置信息，能夠識別手部完整動作，完成復(fù)雜的 人機(jī)交互功能。
[0004] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案 是：一種使用紅外線照射腕部韌帶的手指運動檢測裝置，包括低通濾波電路、并與其依次相 連的帶通放大電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片、處理單元電路、無線發(fā)射模塊及控制設(shè)備，它還 包括腕帶式信號數(shù)據(jù)采集儀，所述腕帶式信號數(shù)據(jù)采集儀外側(cè)安裝有慣性姿態(tài)傳感模塊、 內(nèi)側(cè)中央處安裝有一個紅外發(fā)射管，并在其周圍安裝有對稱分布的第一、三、二、四紅外接 收管組成的紅外傳感器，所述慣性姿態(tài)傳感模塊與處理單元電路一端相連、所述處理單元 電路另一端與紅外發(fā)射電路一端相連、所述紅外發(fā)射電路另一端與紅外發(fā)射管相連、所述 第一、二、三、四紅外接收管分別與低通濾波電路相連。
[0005] -種檢測使用紅外線照射腕部韌帶的手指運動方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟一、將腕帶式信號數(shù)據(jù)采集儀套入在手腕上：紅外發(fā)射管由紅外發(fā)射電路控 制，發(fā)出940nm紅外光波，直接照射到手腕上；
[0007] 步驟二、將紅外光波轉(zhuǎn)換為4路電信號：由步驟一紅外發(fā)射管發(fā)射的光波經(jīng)由手 腕上的韌帶反射后，被分別位于周圍的第一、二、三、四紅外接收管接收，并轉(zhuǎn)換為4路電信 號；
[0008] 步驟三、將4路電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲在處理單元中：步驟二所接收的電信號， 通過低通濾波器、帶通濾波放大電路進(jìn)行信號的整合，得到有效的電信號，并通過模擬-數(shù) 字轉(zhuǎn)換芯片將電信號轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字量存儲在處理單元中；
[0009] 步驟四、判斷信號的有效性：將采集到的信號與預(yù)設(shè)判據(jù)值對比，如果采集到的信 號幅度大于預(yù)設(shè)判據(jù)值，則認(rèn)為檢測到了手指運動；
[0010] 步驟五、分析信號對應(yīng)的特定手指運動：對每一路的數(shù)字量通過卡爾曼濾波算法 進(jìn)行處理，得到穩(wěn)定的信號，將4路信號分別存儲到4個數(shù)組中A[n]、B [n]、C[n]、D [η]，其 中η = 100,預(yù)置不同手指運動標(biāo)準(zhǔn)信號也存入16個數(shù)組中，其中每4組信號為一根手指的 對應(yīng)信號 S1 [n]、Id1 [n]、C1 [n]、(I1 [η];
[0011] 步驟六、判定每一路采集信號與對應(yīng)手指預(yù)置信號值的概率密度：通過公式（I) 判定每一路采集信號與對應(yīng)手指預(yù)置信號值的概率密度，式中 ：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種使用紅外線照射腕部韌帶的手指運動檢測裝置，包括低通濾波電路、并與其依 次相連的帶通放大電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片、處理單元電路、無線發(fā)射模塊及控制設(shè)備， 其特征在于：它還包括腕帶式信號數(shù)據(jù)采集儀，所述腕帶式信號數(shù)據(jù)采集儀外側(cè)安裝有慣 性姿態(tài)傳感模塊、內(nèi)側(cè)中央處安裝有一個紅外發(fā)射管，并在其周圍安裝有對稱分布的第一、 三、二、四紅外接收管組成的紅外傳感器，所述慣性姿態(tài)傳感模塊與處理單元電路一端相 連、所述處理單元電路另一端與紅外發(fā)射電路一端相連、所述紅外發(fā)射電路另一端與紅外 發(fā)，射管相連、所述第一、二、三、四紅外接收管分別與低通濾波電路相連。
2. -種檢測權(quán)利要求1所述使用紅外線照射腕部韌帶的手指運動方法，其特征在于包 括以下步驟： 步驟一、將腕帶式信號數(shù)據(jù)采集儀套入在手腕上：紅外發(fā)射管由紅外發(fā)射電路控制，發(fā) 出940nm紅外光波，直接照射到手腕上； 步驟二、將紅外光波轉(zhuǎn)換為4路電信號：由步驟一紅外發(fā)射管發(fā)射的光波經(jīng)由手腕上 的韌帶反射后，被分別位于周圍的第一、二、三、四紅外接收管接收，并轉(zhuǎn)換為4路電信號； 步驟三、將4路電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存儲在處理單元中：步驟二所接收的電信號，通過 低通濾波器、帶通濾波放大電路進(jìn)行信號的整合，得到有效的電信號，并通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn) 換芯片將電信號轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字量存儲在處理單元中； 步驟四、判斷信號的有效性：將采集到的信號與預(yù)設(shè)判據(jù)值對比，如果采集到的信號幅 度大于預(yù)設(shè)判據(jù)值，則認(rèn)為檢測到了手指運動； 步驟五、分析信號對應(yīng)的特定手指運動：對每一路的數(shù)字量通過卡爾曼濾波算法進(jìn)行 處理，得到穩(wěn)定的信號，將4路信號分別存儲到4個數(shù)組中A[n]、B[n]、C[n]、D[η]，其中η = 100,預(yù)置不同手指運動標(biāo)準(zhǔn)信號也存入16個數(shù)組中，其中每4組信號為一根手指的對應(yīng) 信號S1 [n]、Id1 [n]、C1 [n]、(I1 [η]; 步驟六、判定每一路采集信號與對應(yīng)手指預(yù)置信號值的概率密度：通過公式（1)判定 每一路采集信號與對應(yīng)手指預(yù)置信號值的概率密度，式中：
P為概率密度，b為預(yù)設(shè)常量，本算法中設(shè)為2，X為各路的采集信號，X為各路的手指預(yù) 置信號，若PO. 2則歸類到對應(yīng)的運動手指，若Pi大于0. 2,則認(rèn)為是無效信號； 步驟七、融合手部姿態(tài)得到整個手部的動作：處理單元接收慣性姿態(tài)傳感模塊給出的 手腕位置的歐拉角，得到手腕的位置以及朝向，再通過步驟五計算的手指運動進(jìn)行數(shù)據(jù)融 合，獲得整個手部的運動，并通過無線發(fā)射模塊發(fā)射到控制端，控制端根據(jù)手部以及手指實 時運動的狀態(tài)，將手部運動分為單擊、移動、翻轉(zhuǎn)操作，實現(xiàn)代替鼠標(biāo)及幻燈片瀏覽操作，從 而根據(jù)探測手腕處韌帶的變化的信號完成人機(jī)交互功能。
【文檔編號】G06F3/01GK104460992SQ201410669749
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】吳振宇, 馮林, 李航, 牟中強(qiáng), 李勝銘 申請人:大連理工大學(xué)