一種手勢控制玩具的方案的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用手勢方式在三維空間內(nèi)控制電子玩具的方法、裝置和用戶接口。電子玩具傳統(tǒng)上采用操作桿或按鈕等機(jī)械方式輸入用戶命令,來實現(xiàn)對玩具的各種控制,本方法提出的是一種通過自然手勢解析用戶命令,實現(xiàn)對玩具進(jìn)行多種控制。其基本結(jié)構(gòu)為:一個穿戴在用戶手臂上的臂環(huán)或腕帶裝置,內(nèi)部帶有運(yùn)動傳感器單元用于檢測手臂的運(yùn)動和姿勢信息,多路肌電信號傳感器單元用于檢測手腕、手掌、手指所構(gòu)成的手勢信息,并結(jié)合這兩種姿態(tài)信息和手勢信息,通過數(shù)學(xué)運(yùn)算,實現(xiàn)手臂以及手勢到三維空間內(nèi)的坐標(biāo)映射和命令使能。此發(fā)明裝置可以更加自然的控制玩具,增強(qiáng)了玩具的可玩性,并更能體現(xiàn)操作者的控制水平。
【專利說明】一種手勢控制玩具的方案
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用自然手勢方式控制玩具的方法和裝置,特別是通過手臂的表皮肌肉電流信號數(shù)據(jù),配合運(yùn)動傳感器數(shù)據(jù)來識別手勢的方法,使其達(dá)到無需借助物理開關(guān)按鈕或操縱桿,而只需要操作者的手勢動作就可以實現(xiàn)對玩具的控制。
【背景技術(shù)】
[0002]多年來玩具的控制方法普遍采用的是借助物理開關(guān),按鈕,或操作桿來實現(xiàn)。此種傳統(tǒng)操作方式不自然,樂趣也相應(yīng)沒有發(fā)揮出玩具的潛力。隨著手勢識別技術(shù)的興起,采用自然手勢動作控制玩具在技術(shù)上成為可能并成為一種趨勢。本發(fā)明提出的就是一種采用自然手勢和玩具進(jìn)行控制交互的新型方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種手勢動作控制玩具的方法和具體的實施裝置,該方法和裝置可以增強(qiáng)玩具的可操控性,以及增強(qiáng)玩具的實用性和趣味性,為玩具行業(yè)提供一種全新的用戶體驗。
[0004]本發(fā)明和裝置作為一種新型的玩具控制和交互方法,其特征在于:它的外形表現(xiàn)為類似手環(huán)或臂環(huán),且在一定范圍內(nèi)可以伸縮的環(huán)形電子裝置,其穿戴在用戶的手腕或手臂處,并通過伸縮設(shè)計緊貼用戶皮膚;此方法和裝置最顯著的特征是電子和電路部分設(shè)計有多路表皮肌肉電流信號采集探頭和相應(yīng)的信號處理電路,采集探頭按照一定的規(guī)律分布在裝置的環(huán)中;此方法和裝置的電子和電路部分包含但不限于運(yùn)動傳感器,例如加速度傳感器、角度傳感器、磁場傳感器等;電子和電路部分包含但不限于模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換電路,用于控制和信號處理的中央控制器或者數(shù)據(jù)處理模塊,用于存放處理器代碼和用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲模塊,用于傳輸計算機(jī)數(shù)據(jù)和命令的數(shù)據(jù)傳輸模塊,用于信息顯示的顯示模塊,用于電源管理的電源模塊等。本發(fā)明和裝置在用戶將其佩戴在手腕或者手臂處后,通過運(yùn)動傳感器單元的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)來計算和跟蹤用戶手臂的運(yùn)動曲線,配合實時處理多路手臂肌肉的表皮肌肉電流信號檢測到的手腕、手掌和手指構(gòu)成的手勢,通過提取特征參數(shù)來區(qū)分并解析,然后映射成各種計算機(jī)命令來實現(xiàn)對玩具的控制。本發(fā)明和裝置的特殊之處在于,用戶的操作指令輸入是通過自然的手勢來實現(xiàn),而不依賴于物理按鈕、開關(guān)或者操作桿。相比較于其他基于機(jī)器視覺的手勢檢測方法,本發(fā)明和裝置對應(yīng)用環(huán)境無限制,具有可移動性,低成本,低功耗等一系列優(yōu)勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0005]圖1:玩具手勢控制器的一種外觀示意。
[0006]圖2:玩具手勢控制器模塊間的可伸縮連接示意。
[0007]圖3:肌肉電流信號到手勢信息所經(jīng)過的各個信號處理環(huán)節(jié)框架示意。
[0008]圖4:常用手勢動作示意。[0009]圖5:手勢識別算法基本流程示意。
【具體實施方式】
[0010]本發(fā)明的核心是將一種全新的自然手勢和運(yùn)動識別技術(shù)應(yīng)用到玩具控制器中。此種自然手勢識別技術(shù)的核心為通過多路手臂表皮肌肉電流信號和運(yùn)動傳感器數(shù)據(jù)做特征參數(shù)提取,并以此檢測出手勢和手臂的運(yùn)動曲線以及兩者的結(jié)合,并以此映射成計算機(jī)命令,實現(xiàn)對玩具的控制。
[0011]本發(fā)明的具體技術(shù)實施為外形可伸縮的環(huán)形分段設(shè)計,可穿戴在用戶手腕或者前臂處的電子裝置。在環(huán)形裝置內(nèi)側(cè)緊貼手臂皮膚處,按照前臂控制手指和手腕的主要肌肉位置特性放置多路表皮肌肉電流信號傳感器,傳感器可能但不限于采用單差分或者雙差分模式,拾取的信號通過相應(yīng)的模擬信號濾波,放大,模擬信號數(shù)字化轉(zhuǎn)換等電路,變成信號處理器或者中央處理單元可見的連續(xù)的數(shù)字信號流,通過在處理器中實現(xiàn)手勢識別處理算法,提取各個手勢的特征參數(shù),最終實現(xiàn)手勢區(qū)分和識別。手臂的移動則通過運(yùn)動傳感器進(jìn)行檢測和跟蹤。結(jié)合這兩種技術(shù),最終實現(xiàn)手勢動作的精確區(qū)別和識別。
[0012]圖1是集成了肌肉電流信號和運(yùn)動傳感器手勢識別技術(shù)的玩具控制器(100)的一種可能的外觀表現(xiàn)形式。玩具控制器(100)被劃分成多個模塊,其中主機(jī)模塊(106)包含但不限于以下部件:中央處理器、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通訊、顯示屏(103)、按鈕開關(guān)(104)、運(yùn)動傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電池和充電電路(105)等;玩具控制器(100)還包含多個肌電傳感器模塊(102),其包含單差分或者雙差分形式的表皮肌電探頭(101a,101b)、肌電信號預(yù)處理電路等。
[0013]圖2是展示的是玩具控制器(100)的各個模塊(102或106)間的可能連接方式。具有伸縮彈性的連接材料(201)被用于連接各個模塊。
[0014]圖3指示的是從手臂皮膚表面而來的表皮肌肉電流信號(306)可能經(jīng)過的一系列處理環(huán)節(jié)。從差分肌電傳感器(103)拾取的微弱原始表皮肌肉電流信號(306),峰峰值在+-1mV以內(nèi),對檢測手勢有用的信號頻率范圍在O?1000Hz以內(nèi)。原始信號(306)經(jīng)過模擬放大器電路(301)放大成范圍適合后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(303 )量程的放大信號(307),例如1000倍放大;再經(jīng)過濾波電路(302)去除對手勢特征參數(shù)提取無用的或干擾的頻率范圍,以減少對算法的影響;放大和濾波后的信號(308)按照那奎斯特二倍采樣原理通過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(303 )轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(309 );多路同步的肌電數(shù)字信號(309 )和運(yùn)動傳感器(310)數(shù)據(jù)經(jīng)過中央處理器或者信號處理單元(304)進(jìn)行手勢識別算法處理,以提取出手勢特征參數(shù)(305),并最終通過特征參數(shù)實現(xiàn)手勢間的區(qū)分。應(yīng)當(dāng)說明,此示意圖只是用于說明整個信號處理流程的可能實現(xiàn)框架和思路,實際實現(xiàn)中可能但不完全限于此框架。
[0015]圖4指示的是玩具控制器(100)可能實現(xiàn)的控制玩具需要用到的手勢以及手勢所代表的命令。以控制玩具車為例:在玩具車停車狀態(tài)下,握拳動作(401)可表示啟動車輛并且待命;啟動車輛后做屈腕動作(403 ),表示前行;啟動車輛后做伸腕動作(404 ),表示倒車;屈腕動作(403)或伸腕動作(404)的同時,左轉(zhuǎn)手臂為車輛往左轉(zhuǎn)向,右轉(zhuǎn)手臂為車輛往右轉(zhuǎn)向;再次握拳(401)或者伸掌(402)動作表示停車并進(jìn)入待命狀態(tài)。需要指出此處只是說明手勢動作如何被應(yīng)用到玩具控制中,而不是限制。
[0016]圖5指示的是手勢識別的數(shù)字信號處理算法流程框架。經(jīng)過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換后的一路或多路數(shù)字肌電信號(309)先經(jīng)過數(shù)字預(yù)處理算法(501)進(jìn)行例如數(shù)字濾波等處理,用于進(jìn)一步在數(shù)字領(lǐng)域除去環(huán)境噪音,比如50Hz或者60Hz的電源交流信號干擾;經(jīng)過數(shù)字預(yù)處理后的信號接著進(jìn)入分段處理單元(502),進(jìn)行例如起始點和終止點查找、整流(Rectify)、均方根(RMS)、快速傅立葉變換(FFT)、小波運(yùn)算(Wavelet)等處理,整理出各個信號通道(309)的頻率和能量分布信息,相位一致性信息,以及通道和通道間的相關(guān)性等信息;提取的多個信息再經(jīng)過特征提取(503)算法的處理,例如閾值判斷和自相關(guān)參數(shù)提取算法,提取出各個手勢的特征參數(shù)。在工作模式下,手勢判斷邏輯(505)用特征參數(shù)配合手勢特征庫模型(504)數(shù)據(jù),通過一定的算法進(jìn)行匹配判斷,最終輸出手勢信息(506)。除了工作模式,設(shè)備還將支持手勢訓(xùn)練模式,在此模式下,特征參數(shù)被用于更新或擴(kuò)展手勢特征庫模型(504)。
[0017]最后應(yīng)說明的是,以上實施例僅用以說明本發(fā)明可能的技術(shù)方案而非限制。根據(jù)實際應(yīng)用的不同,產(chǎn)品在外觀表現(xiàn),算法實施等會有差異,盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明,本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換,并不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種佩戴在用戶手腕或手臂的環(huán)狀手勢檢測裝置,可用于電子玩具類產(chǎn)品的用戶操作,其整體特征在于:外形為環(huán)形的裝置,穿戴在用戶的手臂或者手腕處,無需借助物理開關(guān)、按鈕、或操作桿,而采用傳感器技術(shù)檢測用戶手臂的物理運(yùn)動,以及檢測手腕、手掌、手指運(yùn)動所構(gòu)成的手勢動作,并經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到用戶命令輸入。
2.如權(quán)利要求1所示的電子裝置,其特征在于:設(shè)備配置有信號采集電路,運(yùn)算和控制電路,存儲電路,信號和命令傳輸電路,信號反饋電路,供電電路等。
3.如權(quán)利要求1和2所示的電子裝置,其特征在于:信號采集電路包括運(yùn)動傳感器電路,例如加速度傳感器、角度傳感器、陀螺儀、磁場傳感器等,用于檢測手臂的物理移動和轉(zhuǎn)動。
4.如權(quán)利要求1和2所示的電子裝置,其特征在于:信號采集電路包括裝置在設(shè)備表面,緊貼用戶皮膚的多路非入侵式表皮肌肉電流信號拾取電極,以及相應(yīng)的表皮肌肉電流信號處理和運(yùn)算電路,用于檢測多塊手臂肌肉的伸展和收縮狀態(tài),并以此判斷手指、手掌、手腕的手勢運(yùn)動狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1和4所示的電子裝置,其特征在于:表皮肌肉電流信號需要通過信號放大、濾波、數(shù)字化、信號分析,包括但不限于起始和終止點檢測、能量分析、頻率譜分析、小波分析等一系列數(shù)字信號處理,其目的為提取出各個手勢的特征參數(shù),并通過這些特征參數(shù)實現(xiàn)手勢間的區(qū)分。
6.如權(quán)利要求1所示的電子裝置,其特征在于:設(shè)備將用戶手臂的物理移動、轉(zhuǎn)動信息,以及通過手臂的表皮肌肉電流信號區(qū)分出的手勢信息,相結(jié)合后映射成多種用戶命令,并通過信號和命令傳輸電路有線或者無線方式發(fā)送到電子玩具,電子玩具可在接收到用戶命令后作出相應(yīng)的反應(yīng),例如驅(qū)動馬達(dá)、燈光或喇叭等。
7.如權(quán)利要求1和6所示的電子裝置,其特征在于:用戶命令的關(guān)閉和使能,可通過預(yù)定義的手勢、或手臂運(yùn)動、或兩者的結(jié)合序列來實現(xiàn),包括但不限于快速的兩次握拳動作,快速的兩次伸掌動作,或手臂在空中畫圓形等。
8.如權(quán)利要求1的電子裝置,其特征在于:信號和命令傳輸電路可采用有線或無線方式,無線方式包含但不限于藍(lán)牙技術(shù),紅外或多種技術(shù)的結(jié)合等。
9.如權(quán)利要求1和4的電子裝置,其特征在于:裝置按照手臂控制手指、手掌、手腕的主要肌肉位置,被劃分成多個模塊,模塊和模塊間由可伸縮的部件進(jìn)行連接,以適應(yīng)不同用戶的手臂粗細(xì)。
【文檔編號】A63H30/02GK103853333SQ201410105770
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:上海威璞電子科技有限公司