專利名稱:一種人機指令輸入設(shè)備及該設(shè)備中運動信息的映射方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種基于腕部或頸部等肢體運動特性的人機輸入設(shè)備，以及將腕部或頸部等肢體運動特性映射為人機輸入指令的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的人機輸入設(shè)備，特別是，指令控制對象為運動物體如遙操作、視頻游戲等，通常會采用模擬操作桿的方式。在進(jìn)行操作時，操作者的腕部或頸部等肢體總是有跟隨控制對象運動方向、姿態(tài)而運動的趨勢。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)存在有通過傳感器模塊感知、測量操作者的肢體運動，進(jìn)行人機指令輸入的設(shè)備和方法。這些設(shè)備和方法應(yīng)用慣性測量單元(IMU)測量肢體坐標(biāo)系的慣性參數(shù)，其中慣性測量單元包含有角速度傳感器和加速度傳感器。加速度傳感器測量肢體坐標(biāo)系軸向加速度，角速度傳感器測量肢體坐際系的歐拉角角速度，并且該角速度經(jīng)過一次積分得到旋轉(zhuǎn)運動后的歐拉角。但在操作過程中，肢體坐標(biāo)系軸需要被固定下來，才能采集到有效的慣性參數(shù)。而在實際應(yīng)用時，操作者不借助輔助機構(gòu)很難使肢體坐標(biāo)系軸保持固定，而且這些發(fā)明專利中涉及到軸向加速度和歐拉角角速度等運動信息的處理，其中軸向加速度和歐拉角角速度的采樣及其積分運算和三階方陣運算等增加了運算處理器負(fù)擔(dān)，使響應(yīng)時間滯后。

發(fā)明內(nèi)容該發(fā)明的目的是提供一種人機指令輸入設(shè)備，以及一種應(yīng)用在上述輸入設(shè)備中，將腕部或頸部等肢體運動特性映射為人機輸入指令的方法。該設(shè)備依靠簡單的硬件結(jié)構(gòu)和少量操作者運動信息數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)可靠的人機指令輸入，本發(fā)明技術(shù)方案1(參考圖1A和圖1B)提出的一種人機指令輸入設(shè)備1，操作者可手持該輸入設(shè)備1，通過操作者腕部的俯仰、側(cè)傾、擺動運動進(jìn)行操作，該輸入設(shè)備1包括有傳感器模塊5，該傳感器模塊5用于感知操作者的腕部運動信息，其特征在于，該傳感器模塊5可包括3個單軸角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)。另外，傳感器模塊5中3個單軸角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)的安裝面OXY、OXZ和OYZ兩兩垂直，在空間中呈正交配置。另外，傳感器模塊5中一個角速度傳感器的安裝面與腕部的夾持或固定表面保持基本平行。
另外，在其它技術(shù)方案中，操作者除了可手持輸入設(shè)備外，還可以穿戴該輸入設(shè)備或?qū)⒃撦斎朐O(shè)備植入操作者肢體內(nèi)。
另外，在其它技術(shù)方案中，角速度傳感器還可采用一個雙軸角速度傳感器與一個單軸角速度傳感器的組合或一個3軸角速度傳感器。
技術(shù)方案1還提出了一種應(yīng)用在上述輸入設(shè)備1中，將腕部運動特性映射為輸出指令的方法(參考圖2-圖6)，可實現(xiàn)以下操作從傳感器模塊1接收操作者腕部的預(yù)定義操作的運動信息，根據(jù)運動信息特征生成模式識別分類器，通過該分類器將正式操作時的運動信息映射為相對應(yīng)的指令，并執(zhí)行該指令，該方法固化在并體現(xiàn)于存儲媒介(未在圖中表示)，并通過運算處理器(未在圖中表示)運行。該方法還包括接收和分析各操作者的運動信息，確定對應(yīng)各操作者的預(yù)定義操作的運動信息，所述運動信息根據(jù)腕部的俯仰2、側(cè)傾3、擺動4，分為三個通道，其中每個通道主要由靜態(tài)同步標(biāo)志、運動方向、運動最大速率和靜態(tài)保持時間四部分組成。另外，通道運動信息中運動最大速率可分類為正常速率和高速率，靜態(tài)保持時間可分類為短延遲和長延遲。另外，運動最大速率映射為輸出指令中受控對象的運動速率；靜態(tài)保持時間映射為輸出指令中受控對象的行程。另外，所述通道包括了單通道和多通道，單通道的運動信息映射為該通道的輸出指令，多通道的運動信息的疊加映射為多通道輸出指令。另外，單通道內(nèi)的運動信息噪聲以及多通道運動信息間的耦合噪聲都可以通過分析運動信息特征進(jìn)行濾除。
圖1A是技術(shù)方案1人機指令輸入設(shè)備的操作示意圖。
圖1B是技術(shù)方案1傳感器模塊5的裝配示意圖。
圖2是技術(shù)方案1腕部運動信息的層次關(guān)系示意圖。
圖3是技術(shù)方案1應(yīng)用在輸入設(shè)備1中將腕部運動信息映射為輸出指令的方法的工作原理圖。
圖4是技術(shù)方案1應(yīng)用在輸入設(shè)備1中將腕部運動信息映射為輸出指令的方法的工作流程圖。
圖5是單通道運動信息和多通道運動信息映射為輸出指令的方法的映射關(guān)系圖。
圖6是多通道的運動信息的疊加映射為多通道輸出指令的原理圖。
具體實施方式本發(fā)明技術(shù)方案1(參考圖1A和圖1B)提出的一種人機指令輸入設(shè)備1，操作者可手持該輸入設(shè)備1，通過操作者腕部的俯仰2、側(cè)傾3、擺動4運動進(jìn)行操作，該輸入設(shè)備1包括有傳感器模塊5，該傳感器模塊5用于感知操作者的腕部運動信息，其特征在于，該傳感器模塊5包括有3個單軸角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)。另外，傳感器模塊5中3個單軸角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)的安裝面OXY、OXZ和OYZ兩兩垂直，在空間中呈正交配置。另外，傳感器模塊5中一個角速度傳感器的安裝面與腕部的夾持或固定表面保持基本平行。
另外，在其它技術(shù)方案中，操作者除了可手持輸入設(shè)備外，還可以穿戴該輸入設(shè)備或?qū)⒃撦斎朐O(shè)備植入操作者肢體內(nèi)。
另外，在其它技術(shù)方案中，角速度傳感器還可采用一個雙軸角速度傳感器與一個單軸角速度傳感器的組合或一個3軸角速度傳感器。
技術(shù)方案1還提出了一種應(yīng)用在上述輸入設(shè)備1中，將腕部運動特性映射為人機輸入指令的方法(參考圖2-圖6)，可實現(xiàn)以下操作從傳感器模塊1接收操作者腕部的預(yù)定義操作的運動信息，根據(jù)運動信息特征生成模式識別分類器，通過該分類器將正式操作時的運動信息映射為相應(yīng)的輸出指令，并執(zhí)行該指令。該方法固化在并體現(xiàn)于存儲媒介(未在圖中表示)，并通過運算處理器(未在圖中表示)運行。該方法還包括所述運動信息根據(jù)腕部的俯仰2、側(cè)傾3、擺動4，分為三個通道，其中每個通道主要由靜態(tài)同步標(biāo)志、運動方向、運動最大速率和靜態(tài)保持時間四部分組成。另外，通道運動信息中運動最大速率可分類為正常速率和高速率，靜態(tài)保持時間可分類為短延遲和長延遲。另外，運動最大速率映射為輸出指令中受控對象的運動速率；靜態(tài)保持時間映射為輸出指令中受控對象的行程。另外，所述通道包括了單通道和多通道，單通道的運動信息映射為該通道的輸出指令，多通道的運動信息的疊加映射為多通道輸出指令。
技術(shù)方案1中(參考附圖1A)，操作者的腕部存在有俯仰2、側(cè)傾3、擺動4三種運動，通過輸入設(shè)備1測量其旋轉(zhuǎn)歐拉角的角速率，可以分析得出其運動信息并提取出相對應(yīng)的運動信息特征。輸入設(shè)備1的外觀和尺寸不僅限于附圖1A所示。操作者的腕部進(jìn)行俯、仰、左傾、右傾、左擺、右擺時不一定必須運動至操作者腕部的生理極限位。
技術(shù)方案1中(參考附圖1B)的傳感器模塊5裝配于輸入設(shè)備1內(nèi)部，傳感器模塊5采用了三個單軸角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)，用于測量俯仰2、側(cè)傾3和擺動4運動時對應(yīng)的俯仰軸9、側(cè)傾軸11和擺動軸10的旋轉(zhuǎn)歐拉角角速率。傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)的安裝面OXY、OXZ和OYZ兩兩垂直，在空間中呈正交配置。其中安裝面OXY、OXZ和OYZ之間不一定需要機械連接，也并不一定必須要按照附圖1B的位置進(jìn)行配置，角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)的位置可以互換。傳感器模塊5中一個角速度傳感器的安裝面與腕部的夾持或固定表面保持基本平行，在手持操作時可以通過設(shè)計適當(dāng)?shù)妮斎朐O(shè)備1的人體工學(xué)設(shè)計外觀，使一個角速度傳感器的安裝面近似與手心皮膚表面平行。
技術(shù)方案1還提出了一種應(yīng)用在上述輸入設(shè)備1中，將腕部運動特性映射為輸出指令的方法(參考圖2-圖6)。技術(shù)方案1中如層次關(guān)系圖所示(參考圖2)，運動信息根據(jù)腕部的俯仰2、側(cè)傾3、擺動4分為三個通道，接受來自三個對應(yīng)單軸角速度傳感器的測量值。其中每個通道根據(jù)傳感器測量值可以分析提取出運動信息，包括有靜態(tài)同步標(biāo)志、運動方向、運動最大速率和靜態(tài)保持時間。當(dāng)傳感器分別繞旋轉(zhuǎn)軸9、10、11順時針運動時，會輸出大于基準(zhǔn)的測量值；而當(dāng)其逆時針運動時，會輸出小于基準(zhǔn)的測量值，從而可以得出運動方向的信息。當(dāng)腕部處于靜態(tài)(角速度近似為0)時，傳感器會輸出對應(yīng)靜態(tài)狀態(tài)的基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)不是一個確定值，而是一個具有上、下限的取值范圍。另外，由于操作者的腕部具有如下運動特性即腕部在完成一次俯(仰)、或左(右)傾、或左(右)擺時，為繼續(xù)進(jìn)行接下來的操作，腕部會朝反方向作回擺運動，從而完成一個運動周期。當(dāng)從靜態(tài)開始運動直到再次進(jìn)入靜態(tài)，運動過程中的最大角速率作為運動信息中的運動最大速率，由操作時的運動狀態(tài)進(jìn)入靜態(tài)后，維持該靜態(tài)狀態(tài)的時間作為運動信息中的靜態(tài)保持時間，當(dāng)腕部反向回擺再次進(jìn)入靜態(tài)，此時采集到的運動最大速率和靜態(tài)保持時間均不作為運動信息。為區(qū)分上述兩種靜態(tài)狀態(tài)還提出了靜態(tài)同步標(biāo)志，靜態(tài)同步標(biāo)志初始為‘1’，由操作時的運動狀態(tài)進(jìn)入靜態(tài)后，靜態(tài)同步標(biāo)志變?yōu)椤?’并且開始采集靜態(tài)保持時間，而由反向回擺再次進(jìn)入靜態(tài)時，靜態(tài)同步標(biāo)志則變?yōu)椤?’。(參考圖3)采集接收到的運動最大速率和靜態(tài)保持時間，可通過如下統(tǒng)計方法提取運動信息特征，并且該特征是模式識別分類器的分類基準(zhǔn)。
方法一x-=Σi=1NxiN;]]>Std=Σi=1N(xi-x-)2N-1]]>Si=xi-x-Std]]>xi運動最大速率(或靜態(tài)保持時間)采樣值；
xi的平均值；Std標(biāo)準(zhǔn)偏差； Si標(biāo)準(zhǔn)化的xi；
方法二rmid=xmax+xmin2;]]>r＝xmax-xmin；Si=xi-rmidr/2]]>xmax和xmin分別運動最大速率(或靜態(tài)保持時間)采樣值中的最大值和最小值rmidxmax和xmin間的中間值Si標(biāo)準(zhǔn)化的運動最大速率(或靜態(tài)保持時間)采樣值運動信息中的運動最大速率被分類為正常速率和高速率，靜態(tài)保持時間被分類為短延遲和長延遲，這些操作在模式識別分類器中預(yù)定義為三種模式，分別是正常速率下的短延遲、正常速率下的長延遲和高速率下的長延遲。
技術(shù)方案1中該方法固化在并體現(xiàn)于存儲媒介(未在圖中表示)，并通過運算處理器(未在圖中表示)運行，如工作流程圖所示(參考圖4)，初始校驗獲取對應(yīng)各操作者的運動信息特征。在該過程中，操作者根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)提示執(zhí)行指定操作運動，首先手持輸入設(shè)備1盡可能的保持靜態(tài)一段時間，從而獲得輸入設(shè)備1的傳感器模塊中三個單軸角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)各自的靜態(tài)上限值和靜態(tài)下限值，作為靜態(tài)狀態(tài)的判斷基準(zhǔn)。接下來的一段時間內(nèi)，設(shè)備系統(tǒng)會提示操作者進(jìn)行各種模式的俯仰2、側(cè)傾3和擺動4操作，三個單軸角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)分別接受對應(yīng)測量軸9、10、11的運動信息，操作者根據(jù)模式提示進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而采集到足夠多的數(shù)據(jù)完成對應(yīng)操作者個體的運動信息特征的提取，并將該特征作為模式識別分類器的分類基準(zhǔn)。另外，這些特征可作為操作者的個人信息保存在存儲媒介中，避免操作者再次使用輸入設(shè)備1時重復(fù)進(jìn)行初始校驗。
正式操作過程中，操作者為實現(xiàn)期望的輸出指令，執(zhí)行對應(yīng)運動模式的操作。操作者可以進(jìn)行單通道指令的輸入，即操作者每次操作只完成一個俯(仰)、或左(右)傾、或左(右)擺通道的運動周期，輸出單通道指令；操作者也可以進(jìn)行多通道指令的輸入，即操作者每次操作完成一個俯(仰)、或左(右)傾、或左(右)擺動通道的運動周期后，立刻繼續(xù)完成其余兩個通道未執(zhí)行的運動。只要前后兩通道的運動周期之間的時間間隔足夠短(小于時間間隔的閾值)，就可以將兩個連續(xù)的單通道指令和多通道指令區(qū)分開，實現(xiàn)可靠的多通道指令輸出(參考圖6)。
在生成并執(zhí)行輸出指令的過程中，模式識別分類器可利用模式識別技術(shù)中常用的聚類、支持向量機等高效分類算法，將操作者的三種輸入運動模式正常速率下的短延遲、正常速率下的長延遲和高速率下的長延遲，映射為輸出指令連續(xù)或離散的數(shù)值。另外，對于輸出指令的受控對象為運動物體的情況，可將該數(shù)值定義為受控對象的行程和受控對象的運動速率。其中，被分類為長延遲和短延遲的靜態(tài)保持時間映射為輸出指令中受控對象的行程，被分類為正常速率和高速率的運動最大速率映射為輸出指令中受控對象的運動速率。其中，多通道中俯仰、側(cè)傾、擺動的疊加映射為多通道輸出指令中受控對象各運動姿態(tài)的速率(參考圖5)。
技術(shù)方案1中單軸角速度傳感器6、7、8(MEMS陀螺傳感器)除了可以測量俯仰2、側(cè)傾3和擺動4時的旋轉(zhuǎn)歐拉角角速率，還會感知到平行于坐標(biāo)軸的軸向運動，如沿Y軸的平移運動、沿X軸的平移運動、沿Z軸的垂直運動，以及由各操作者的操作特性引起的坐標(biāo)系軸間的運動耦合，如耦合至軸10的俯仰2、側(cè)傾4操作，耦合至軸9的側(cè)傾4、擺動3操作，耦合至軸11的俯仰、擺動操作。通過分析這些運動信息的特征，并與前述三種模式的運動信息特征相比較，可以確定最大運動速率的下限值和靜態(tài)保持時間的下限值，將小于下限值的傳感器采樣視為噪聲進(jìn)行濾除。另外，由上臂、下臂等肢體(除腕部外)運動姿態(tài)變化導(dǎo)致的運動信息變化和肢體抖動等導(dǎo)致的運動信息變化，也可以通過上述方法濾除。
最后，雖然這里以一個特定實施例的方式對本發(fā)明的思想進(jìn)行了說明，技術(shù)人員可參考這里所公開的內(nèi)容對本發(fā)明進(jìn)行修正，但這些修正也將落在權(quán)利要求
的主旨和保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種人機指令輸入設(shè)備，操作者可手持或穿戴該輸入設(shè)備或?qū)⒃撦斎朐O(shè)備植入操作者肢體內(nèi)，通過操作者的腕部或頸部等肢體的俯仰、側(cè)傾、擺動運動進(jìn)行操作，該輸入設(shè)備包括有傳感器模塊，該傳感器模塊用于感知操作者的腕部或頸部肢體的運動信息。
2.如權(quán)利要求
1所述的輸入設(shè)備，其特征在于，該傳感器模塊可以是包括3個單軸角速度傳感器或一個雙軸角速度傳感器與一個單軸角速度傳感器的組合或一個3軸角速度傳感器三種情形之一。
3.如權(quán)利要求
2所述的輸入設(shè)備，其特征還在于，傳感器模塊中3個單軸角速度傳感器的安裝面兩兩垂直或一個雙軸角速度傳感器的安裝面與一個單軸角速度傳感器的安裝面垂直，在空間中呈正交配置。
4.如權(quán)利要求
3所述的輸入設(shè)備，其特征還在于，傳感器模塊中一個角速度傳感器的安裝面與腕部或頸部等肢體的夾持或固定表面保持基本平行。
5.一種應(yīng)用在上述輸入設(shè)備中，將腕部或頸部等肢體運動特性映射為人機輸入指令的方法，從而實現(xiàn)以下操作從傳感器模塊接收操作者的腕部或頸部等肢體的預(yù)定義操作的運動信息，根據(jù)運動信息特征生成模式識別分類器，通過該模式識別分類器將正式操作時的運動信息映射為相對應(yīng)的指令，并執(zhí)行該指令，該方法可固化并體現(xiàn)在存儲媒介中，并通過運算處理器運行。
6.如權(quán)利要求
5所述的方法，還包括接收和分析各個操作者的腕部或頸部等肢體的預(yù)定義操作的運動信息，所述運動信息根據(jù)腕部的俯仰、側(cè)傾、擺動分為三個通道，其中每個通道主要由靜態(tài)同步標(biāo)志、運動方向、運動最大速率和靜態(tài)保持時間四部分組成。
7.如權(quán)利要求
6所述的方法，通道運動信息中運動最大速率可包括正常速率和高速率，靜態(tài)保持時間可包括短延遲和長延遲。
8.如權(quán)利要求
6所述的方法，其中運動最大速率被映射為輸出指令中受控對象的速率；靜態(tài)保持時間被映射為輸出指令中受控對象的行程。
9.如權(quán)利要求
6所述的方法，其中所述通道包括了單通道和多通道，單通道的運動信息映射為該通道的輸出指令，多通道的運動信息的疊加映射為多通道輸出指令。
10.如權(quán)利要求
6所述的方法，單通道內(nèi)的運動信息噪聲以及多通道運動信息間的耦合噪聲都可以通過分析運動信息特征進(jìn)行濾除。
專利摘要
該發(fā)明提供了一種人機指令輸入設(shè)備以及一種應(yīng)用在上述輸入設(shè)備中，將腕部或頸部等肢體運動特性映射為人機輸入指令的方法。本發(fā)明技術(shù)方案1提出的一種人機指令輸入設(shè)備1，操作者可手持該輸入設(shè)備1，通過操作者腕部的俯仰、側(cè)傾、擺動進(jìn)行操作，該輸入設(shè)備1包括有感知操作者腕部的運動信息的傳感器模塊5。技術(shù)方案1還提出了一種應(yīng)用在上述輸入設(shè)備1，將腕部運動特性映射為輸出指令的方法，并實現(xiàn)以下操作從傳感器模塊接收操作者腕部的預(yù)定義操作的運動信息，根據(jù)運動信息特征生成模式識別分類器，通過該模式識別分類器將正式操作時的運動信息映射為相對應(yīng)的指令，并執(zhí)行該指令，該方法可固化并體現(xiàn)在存儲媒介中，并通過運算處理器運行。
文檔編號G06F3/01GK1996208SQ200710000573
公開日2007年7月11日 申請日期2007年1月15日
發(fā)明者解暉 申請人:解暉導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan