專利名稱：基于運動體動作的智能交互裝置及動作位置的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于運動體動作的智能交 互裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的交互裝置中，以智能輪椅為例，電動輪椅不能夠很好地彌補 使用者運動能力的喪失比如嚴重痙攣(腦癱瘓)，四肢麻痹，或者認 知損傷都會阻礙他們對電動輪椅的使用。對于很多人，即使操縱電動輪 椅都是一個很困難的事情。為了克服這樣一個使用操縱桿控制的問題， 有一些新的人機界面開發(fā)出來。1. 基于語音交互的人機接口。語音交互是一種自然的交流方式。 利用口令識別和語音合成技術(shù)，來實現(xiàn)使用者與輪椅的語音對話以及對輪椅運動的控制。西班牙的SIAMO，中科院自動化所的多模態(tài)交互智能輪椅，上海交通大學的聲控輪椅均采用了語音交互的人機接口。但目 前的語音命令只是離散的，只能給出有限的指導信息，實現(xiàn)真正意義上的語言對話還有一定的限制；而且語音系統(tǒng)需要對使用者的語音進行采樣，之后才能識別，其識別率有一定的限度。在環(huán)境比較嘈雜的情況下，識別率往往會急劇下降。在家庭和辦公室等比較狹窄和動態(tài)障礙物較多 的環(huán)境里即使能也很難完全實現(xiàn)控制功能。2. 基于生物信號的人機交互。目前包括通過檢測肌動電流(EMG)， 腦動電流(EEG)，眼動電流(EOG)來判斷使用者的行使意圖，并進而 控制輪椅的運動。InhukMoon等人利用探測位于頸部兩側(cè)的肩胛提肌的 肌動電流捕捉使用者肩膀的動作，來控制輪椅的前進，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)運動。 眼動電流是通過記錄角膜和視網(wǎng)膜之間極化和去極化所產(chǎn)生的電壓感 測眼球運動的方法。通過在眼部周圍放置電極來感知眼球的運動，進而
確定人的視線實時地控制輪椅的角速度和線速度。MIT的Wheelesley上使用的鷹眼系統(tǒng)正式基于這種方式。3. 基于頭部運動的人機交互。頭部運動是能夠指示方向的一個很 自然的方式，可以直接用來替代操縱桿來保持相似的控制。且這種方式 對于那些高度脊椎損傷和運動神經(jīng)疾病的病人帶來獨立控制的可能性。 利用頭部的早期研究中，Jaffe等利用兩個超聲傳感器來測定人的頭部運 動位置，從而實現(xiàn)利用頭部姿勢控制輪椅的運動。牛津大學Tew研制了 一種頭部運動感知設備，該設備使用了一個四象限光感器(Photo Quadrant Sensor),根據(jù)每一象限光電流的相對比例來決定頭部的位置。 Nguyen等人通過在頭部安裝傾斜傳感器和無線技術(shù)來實現(xiàn)遠程控制輪 椅的運動。此外，通過攝像頭檢測眼睛尾部與臉的邊緣距離的變化來判 定頭部運動也是一種方法。4. 基于呼吸運動的人機交互。用戶可以通過在一個壓力開關(guān)上吹 氣來激活期望的輸出從而實現(xiàn)對輪椅的控制。西班牙的SIAMO采用了 這種驅(qū)動方式。通過差動氣流傳感器檢測輸入的呼吸氣流的強度和方 向，輸出經(jīng)過處理和編碼后的控制命令傳送到導航模塊。根據(jù)傳感器信 號的強度來控制輪椅的線速度，根據(jù)氣流的方向來控制輪椅的角速度。發(fā)明內(nèi)容針對非接觸式傳感器對運動體不規(guī)則運動的測量不夠精確，為了解 決存在的技術(shù)問題，本發(fā)明目的是基于運動體接觸式的測量的交互方 式，提供一種簡單、方便的控制交互裝置及方法。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的一個方面，是提供一種基于運動體動作的智能交互裝置，包括項圈，用于佩戴在運動體外部；角度傳感器，安裝在項圈內(nèi)側(cè)，用于檢測由運動體運動引起的項圈形變；與角度傳感器連接的信號轉(zhuǎn)換模塊，將角度傳感器的彎曲形變量轉(zhuǎn) 化為模擬量并輸出給數(shù)字信號處理器；與信號轉(zhuǎn)換模塊連接的數(shù)字信號處理器，通過其內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模
塊將來自于角度傳感器的模擬信號量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并根據(jù)融合算法來 判斷運動體當前的位置。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述項圈為有彈性的物料，以使項圈柔和的 緊貼于運動體表面。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述數(shù)字信號處理器采用DSP為核心構(gòu)建系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述角度傳感器采用多個柔性角度傳感器， 根據(jù)需求選用角度傳感器的數(shù)量，分別安裝在項圈上，并且分布于項圈 的任意位置。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述項圈底部為傳感器導線槽，導線槽內(nèi)嵌 有導線，用于將導線引出。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述信號轉(zhuǎn)換模塊包括分壓電阻、跟隨器； 角度傳感器的一端與一個電阻串聯(lián)后接地，角度傳感器和電阻之間的C 點作為跟隨器的輸入，當角度傳感器發(fā)生彎曲時，引起角度傳感器其內(nèi) 部阻值發(fā)生變化，C點的電位隨之發(fā)生改變，并通過跟隨器輸出電壓乙,； 如果角度傳感器保持某種彎曲角度不變，輸出電壓^,將保持恒定。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的另一個方面，是提供一種基于運動 體動作位置的檢測方法，步驟包括 將項圈佩戴在運動體外部；運動體的運動使項圈內(nèi)角度傳感器發(fā)生形變，產(chǎn)生彎曲角度變化；將所述的彎曲角度變化以模擬信號的形式輸送；將所述的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并根據(jù)融合算法對多個角度傳 感器信號進行分析來判定當前運動體的位置。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述角度傳感器建模步驟包括利用角度傳感器的阻值變化與角度為非線性關(guān)系，采用改進的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡來擬合角度傳感器的非線性特性，對角度傳感器，建立一個 1-3-1網(wǎng)絡，網(wǎng)絡輸入為角度傳感器的形變量，網(wǎng)絡輸出為相應角度傳 感器的角度值，隱含層包含了三個神經(jīng)元。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述角度傳感器采樣值的濾波處理步驟包括對于實時采集角度傳感器的采樣值的噪聲，采用中值濾波的方法對 釆樣值進行平滑處理。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述運動體運動的判別步驟包括-在運動體的運動過程中，通過計算得到當前多個角度傳感器的角度 值，取當前角度值最大者計算運動體動作方向和幅度。本發(fā)明采用角度傳感器的接觸式測量，解決了現(xiàn)有技術(shù)非接觸式傳 感器交互裝置，對運動體動作的測量不夠精確問題，本發(fā)明基于運動體 接觸式測量的交互方式，通過對運動體佩戴項圈，檢測由運動體運動而 引起的項圈形變來判斷運動體的位置，為高度脊椎損傷、運動神經(jīng)疾病 病人和其它需要的場合提供了一種簡單、方便、提高了測量精度的交互 裝置。


圖1是本發(fā)明基于運動體動作的智能交互裝置中項圈結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明基于運動體動作的智能交互裝置結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明基于運動體動作的智能交互裝置中信號轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明角度傳感器阻值與彎曲角度的非線性關(guān)系曲線圖 圖5是本發(fā)明角度傳感器利用檢測方法得到的非線性擬合曲線圖具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實 施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。 實施例l:是基于頭部動作的智能輪椅人機交互裝置 根據(jù)本發(fā)明的圖1基于運動體動作的智能交互裝置中項圈結(jié)構(gòu)圖， 包括角度傳感器l、項圈2、調(diào)整帶3、導線槽4、導線5，其中角度傳感器1，可選擇實用新型99204996.2進行制作的柔性角度傳 感器。柔性角度傳感器的長度和寬度，根據(jù)項圈2的尺寸以及使用者的
體征需求來決定，將柔性角度傳感器均勻地縫制在項圈2上。所述角度傳感器1，可以根據(jù)需求由用戶自行設計安裝在項圈2內(nèi) 側(cè)的柔性角度傳感器數(shù)量和安裝任意位置，便于根據(jù)使用者頸部特點靈 活配置。項圈2采用彈性的物料，例如棉織材料或海綿等彈性物料，形狀為 長方形，其長度和寬度根據(jù)使用者脖頸特點可以自行設定。項圈2端部分別縫制調(diào)整帶3，調(diào)整帶3可以選用一塊氈子，其寬 度由使用者體征決定，目的是在佩戴項圈2時，能夠根據(jù)使用者頸部特 點來調(diào)整項圈2長度使之在保證舒適的情況下緊貼在頸部。項圈2底部為傳感器導線槽4，導線槽4內(nèi)嵌有導線5，用于將傳 感器導線5引出。圖2是本發(fā)明基于運動體動作的智能交互裝置結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)本發(fā)明 圖2，實施例所述的運動體是基于人的頭部動作的人機交互裝置包括角度傳感器l、項圈2、調(diào)整帶3、導線槽4、導線5、信號轉(zhuǎn)換模 塊6、數(shù)字信號處理器7、電機IO。由項圈2引出的導線5連接于信號轉(zhuǎn)換模塊6;信號轉(zhuǎn)換模塊6連 接于數(shù)字信號處理器7的AD轉(zhuǎn)換模塊，將角度傳感器的彎曲形變量轉(zhuǎn) 化為模擬量并輸出給數(shù)字信號處理器7，數(shù)字信號處理器7輸出信號驅(qū) 動電機10。如圖3，本發(fā)明基于運動體動作的智能交互裝置中信號轉(zhuǎn)換模塊6 結(jié)構(gòu)圖所示，包括分壓電阻8、跟隨器9。其電路中，角度傳感器1可以簡化為一個可變電阻模型。角度傳感 器1的一端連接在一個恒壓源P^上，角度傳感器1的另一端與一個分 壓電阻8串聯(lián)后接地，角度傳感器1和分壓電阻8之間的C點作為跟隨 器9的輸入。當角度傳感器l發(fā)生彎曲時，引起其內(nèi)部阻值發(fā)生變化， C點的電位隨之發(fā)生改變，并通過跟隨器9輸出電壓L ，輸出電壓L由 數(shù)字信號處理器7。如果讓角度傳感器l保持某種彎曲角度不變，輸出 電壓乙,將保持恒定。 數(shù)字信號處理器7根據(jù)轉(zhuǎn)換計算之后得到的各個角度傳感器1的角 度值來判斷當前頭部的運動位置，進而轉(zhuǎn)化成驅(qū)動信號驅(qū)動電機IO，使 輪椅在相應的方向上運動。數(shù)字信號處理器7，負責數(shù)據(jù)的處理，通過其內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊 將來自于角度傳感器1的模擬信號量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并根據(jù)融合算法來 判斷運動體當前的位置，具體方法如下1、 角度傳感器建模:角度傳感器的阻值變化與角度為非線性關(guān)系， 其非線性特性如圖4所示。采用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡來擬合傳感器的非 線性特性，Kolmogovor研究指出，對于任意一個連續(xù)函數(shù) (D:/"4i "J—(Z) (I是單位閉區(qū)間[O， l]， X = [xp;c2,...,jc ])，都可用一 個輸入層有n個神經(jīng)元，隱含層2n+l個神經(jīng)元，輸出層m個神經(jīng)元的 三層神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)精確地實現(xiàn)。因此，針對角度傳感器，我們建立了一 個1-3-1網(wǎng)絡。輸入為角度傳感器的形變量，輸出為相應的角度值，隱 含層包含了三個神經(jīng)元。采用了 IO對采樣數(shù)據(jù)，學習步長《=0.2，誤差 FCx"O.Ol，擬合之后的曲線如圖5。2、 傳感器采樣值的濾波處理對于實時采集的角度傳感器的采樣 值由于噪聲的存在，使得傳感器采樣值不連續(xù)和光滑，采用中值濾波的 方法對采樣值進行平滑處理，避免噪聲的干擾。3、 頭部運動方向的判別:在本實施例中，分別在頸部的前方，左側(cè) 和右側(cè)安裝了角度傳感器。在頭部運動過程中，通過計算得到當前三個 角度傳感器的角度值，取當前角度值最大者作為頭部運動的位置判定。1) 當判定為前向運動時，驅(qū)動信號與角度值的轉(zhuǎn)換式、=其中、，v,分別為輪椅的左右輪驅(qū)動速度，e,表示前向傳感器的彎 曲角度，"表示線性轉(zhuǎn)換系數(shù)。2) 當判定為左向運動時，驅(qū)動信號與角度值的轉(zhuǎn)換式<formula>formula see original document page 9</formula>
注負號表示速度為與當前運動速度相反的方向。3)當判定為右向運動時，驅(qū)動信號與角度值的轉(zhuǎn)換式-<formula>formula see original document page 10</formula>由于角度傳感器數(shù)據(jù)采集的實時性和頭部運動的連續(xù)性，經(jīng)過上面 算法的基于頭部動作的輪椅的運動控制能夠?qū)崿F(xiàn)平滑控制，從而保證了 使用者操縱時的舒適性。所述數(shù)字信號處理器7可以采用TI系列DSP數(shù)字信號處理器為核 心構(gòu)建基于運動體動作的智能交互裝置的系統(tǒng)，或其它型號的DSP數(shù)字 信號處理器構(gòu)建基于運動體動作的智能交互裝置的系統(tǒng)。將項圈2佩戴在頸部，頸部的運動將使安裝在項圈2內(nèi)的角度傳感 器1發(fā)生形變，從而產(chǎn)生彎曲角度變化；經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換模塊6將該變化 以模擬量的形式輸送給數(shù)字信號處理器7;數(shù)字信號處理器7利用其內(nèi) 部的AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并根據(jù)上述算法對角度 傳感器1信號進行分析來判定當前運動體的位置。實施例中項圈2長度選擇為39cm、寬度選擇為6.5cm，其中導線槽4寬度為 0.5cm。根據(jù)實用新型99204996.2制作的角度傳感器1長度選擇為6cm、寬 度選擇為2cm。本實施例中采用了三個柔性角度傳感器，分別縫制在項 圈2上，柔性角度傳感器安裝位置分布于項圈2佩戴時頸部的前方、左 側(cè)和右側(cè)，如圖1所示。信號轉(zhuǎn)換模塊6中電阻8阻值為可以在3K-8K 之間選擇，例如選擇5.1K。跟隨器9是采用LM314跟隨器。數(shù)字信號 處理器7采用的是TI公司出品的TMS320LF2407F數(shù)字信號處理器。當使用者佩戴上項圈2之后，通過點頭，左偏頭，右偏頭的頭部動 作通過本發(fā)明的電路裝置驅(qū)動電機10，可以有效地控制電動輪椅的前 進，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)方向上的運動。
實施例2:為了滿足特殊需要本發(fā)明可以是采用基于機械部件或動 物類動作的智能交互裝置。當機械部件或動物類有運動或動作時，也是利用本發(fā)明來測量動作 位置，從而實現(xiàn)利用動作完成交互控制，來滿足某種的特殊需要。上面描述是用于實現(xiàn)本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該理 解，在不脫離本發(fā)明的范圍的任何修改或局部替換，均屬于本發(fā)明權(quán)利 要求來限定的范圍。
權(quán)利要求
1、一種基于運動體動作的智能交互裝置，包括項圈，用于佩戴在運動體外部；角度傳感器，安裝在項圈內(nèi)側(cè)，用于檢測由運動體運動引起的項圈形變；與角度傳感器連接的信號轉(zhuǎn)換模塊，將角度傳感器的彎曲形變量轉(zhuǎn)化為模擬量并輸出給數(shù)字信號處理器；與信號轉(zhuǎn)換模塊連接的數(shù)字信號處理器，通過其內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊將來自于角度傳感器的模擬信號量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并根據(jù)融合算法來判斷運動體當前的位置。
2、 按權(quán)利要求1所述的智能交互裝置，其特征在于項圈為有彈 性的物料，以使項圈柔和的緊貼于運動體表面。
3、 按權(quán)利要求1所述的智能交互裝置，其特征在于-所述數(shù)字信號處理器采用DSP為核心構(gòu)建系統(tǒng)。
4、 按權(quán)利要求1所述的智能交互裝置，其特征在于 所述角度傳感器采用多個柔性角度傳感器，根據(jù)需求選用角度傳感器的數(shù)量，分別安裝在項圈上，并且分布于項圈的任意位置。
5、 按權(quán)利要求1所述的智能交互裝置，其特征在于項圈底部為傳感器導線槽，導線槽內(nèi)嵌有導線，用于將導線引出。
6、 按權(quán)利要求1所述的智能交互裝置，其特征在于-所述信號轉(zhuǎn)換模塊包括分壓電阻、跟隨器；角度傳感器的一端與一個電阻串聯(lián)后接地，角度傳感器和電阻之間的C點作為跟隨器的輸 入，當角度傳感器發(fā)生彎曲時，引起角度傳感器其內(nèi)部阻值發(fā)生變化，C點的電位隨之發(fā)生改變，并通過跟隨器輸出電壓^,;如果角度傳感器保持某種彎曲角度不變，輸出電壓^,將保持恒定。
7、 一種基于運動體動作位置的檢測方法，其特征在于，步驟包括: 將項圈佩戴在運動體外部；運動體的運動使項圈內(nèi)角度傳感器發(fā)生形變，產(chǎn)生彎曲角度變化； 將所述彎曲角度變化以模擬信號的形式輸送； 將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并根據(jù)融合算法對多個角度傳感器信 號進行分析來判定當前運動體的位置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述動作位置的檢測方法，其特征在于，角度傳感器建模步驟包括利用角度傳感器的阻值變化與角度為非線性關(guān)系，采用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡來擬合角度傳感器的非線性特性，對角度傳感器，建立一個1-3-1網(wǎng)絡，網(wǎng)絡輸入為角度傳感器的形變量，網(wǎng)絡輸出為相應角度傳 感器的角度值，隱含層包含了三個神經(jīng)元。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述動作位置的檢測方法，其特征在于，角度傳感器采樣值的濾波處理步驟包括對于實時采集角度傳感器的采樣值的噪聲，采用中值濾波的方法對 采樣值進行平滑處理。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述動作位置的檢測方法，其特征在于，運動 體運動的判別步驟包括在運動體的運動過程中，通過計算得到當前多個角度傳感器的角度 值，取當前角度值最大者計算運動體動作方向和幅度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于運動體動作接觸式的智能交互裝置，包括項圈，角度傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號處理器。本發(fā)明檢測方法基于運動體佩戴項圈，通過運動體運動使安裝在項圈內(nèi)的角度傳感器產(chǎn)生彎曲形變，判斷運動體的運動位置；角度傳感器的形變量通過信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為模擬量輸出給數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器利用其內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，根據(jù)融合算法對多個角度傳感器信號進行分析來判定當前運動體的位置。解決非接觸式傳感器的人機交互裝置，對運動體動作的測量不夠精確問題。本發(fā)明為高度脊椎損傷、運動神經(jīng)疾病病人和其它需要的場合，提供一種簡單、方便、測量精度提高的交互裝置。
文檔編號G05B19/042GK101149601SQ200610127869
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者魁 原, 濤 魯 申請人:中國科學院自動化研究所