本發(fā)明涉及手勢檢測技術領域，特別是一種利用電容檢測識別用戶手部行為的方法和裝置。

背景技術：

隨著通信技術和人機交互技術的發(fā)展，手機和平板等移動終端設備已經(jīng)成為每個人工作生活中必不可少的物品。這些可手持的產(chǎn)品功能日益豐富，支持觸摸屏和空中手勢的交互方式，但同時也對用戶手部活動的準確性和效率提出了更高的要求。為了解用戶在使用手持電子產(chǎn)品過程中的具體活動，通常是通過觀察記錄或者視頻分析對用戶手部活動進行采集，并提取主要的手部動作作為手持電子產(chǎn)品交互設計的依據(jù)。這不僅要求對用戶的手部活動姿勢進行準確有效的實時檢測，更加要求能夠?qū)κ植康男袨橐鈭D(以特定的手部姿態(tài)進行物體抓取、在物體表面滑動、以特定手勢接近或者接觸物體)以及目標物體的基本屬性(導電性、形狀、三維尺寸)有準確的識別。

更加準確的用戶手部行為檢測，通常需要借助深度攝像機或者帶傳感器的設備進行檢測。cn205644089u公布了一種利用emg臂環(huán)進行手勢檢測識別的系統(tǒng)，但其無法對手部與目標物體之間的距離和速度變化進行檢測；cn105929936a公布了一種綜合多種傳感器(包括一個或多個運動檢測器、陀螺儀、接近檢測器)的手的姿態(tài)檢測方法和系統(tǒng)，但對于手部與目標物體之間的關聯(lián)未能檢測；cn101655757b針對觸控板提出了一種手勢檢測方法，但是其對與空中手部行為無法有效檢測；cn205540578u公布了一種基于手識別的控制手套，其綜合利用了紅外對管、電壓比較器、單片機、藍牙模塊，但主要檢測手指的彎曲程度；cn205485911u公布了一種使用三軸陀螺儀、加速度計構成的無線控制手勢手套，其對于手勢接觸物體的導電性、形狀屬性未作檢測。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種利用電容檢測識別用戶手部行為的方法和裝置。本發(fā)明的手部姿態(tài)行為檢測識別方法利用一種電容傳感器及多個電容極板的設計，能夠檢測和識別用戶手部在接近和接觸目標物體時的實時姿態(tài)，以及目標物體的導電性、輪廓形狀和大小尺寸。

本發(fā)明第一方面提供了一種利用電容檢測識別用戶手部行為的裝置，包括：

多個電容極板，由導電纖維構成的多個導體區(qū)域，該些導體區(qū)域根據(jù)手部行為產(chǎn)生變化的電容極板信號；

電容傳感器，采集多個電容極板的電容極板信號，并將該電容極板信號傳輸至信號處理器；

信號處理器，對接收的電容極板信號進行分析處理，判斷得到與各個電容極板對應的手部行為數(shù)據(jù)和目標物體的屬性與形狀數(shù)據(jù)；

無線通訊模塊，將信號處理器分析得到的手部行為數(shù)據(jù)和目標物體的屬性與形狀數(shù)據(jù)輸送至上位機；

電源，為電容傳感器、信號處理器以及無線通訊模塊供電。

作為優(yōu)選，所述的利用電容檢測識別用戶手部行為的裝置為載有多個電容極板、電容傳感器、信號處理器、無線通訊模塊以及電源，且由絕緣和導電纖維材質(zhì)混合編織構成的手套；所述的多個電容極板位于手指部位，所述的電容傳感器、信號處理器、無線通訊模塊以及電源位于手套的手脖部位。

作為優(yōu)選，所述的多個電容極板位于手指部位的具體布置方式為：手套的大母指位置布置1個電容極板，其余4個手指位置分別布置2個電容極板，用于檢測不同手指的不同部位分別接近或解除目標物體的狀態(tài)；手套的左右手對稱布置，用于雙手佩戴、雙手手部行為的區(qū)別與協(xié)同檢測；這樣的布置方式可以靈活準確地檢測手指活動時所處的空間位置。

作為優(yōu)選，所述的位于手套的手脖部位的電容傳感器、信號處理器以及無線通訊模塊集成于一塊基于柔性pcb電路板上，用于縮短從電容信號的采集處理到發(fā)送的時間延遲，且柔性pcb電路板能夠適應手套使用過程中的彎曲，方便用戶使用。

作為優(yōu)選，所述的位于手套的手脖部位的電源為垂直于手套邊緣排列的多組細圓柱形鋰電池；這樣能夠適應手套尾部的彎曲，提高用戶使用的舒適度。

當目標物體接觸或即將接觸手部時，目標物體會對電容極板的介電常數(shù)產(chǎn)生影響并改變電容極板所帶的電容量，此時，所述的電容信號值c為電容極板的激勵頻率f和參考基準頻率f0的比值，具體為：

信號處理器根據(jù)電容信號值和檢測頻率計算第i個電容極板接近目標的速度vi(mm/s)，具體計算為：

vi＝|ci,t-ci,t+1|×di,0×f1

其中，ci,t為第t次檢測時第i個電容極板的電容信號值，ci,t+1為第t+1次檢測時第i個電容極板的電容信號值，f1為電容極板的檢測頻率；di,0為第i個電容極板的單位電容值對應距離，具體計算為：

其中，di,max為電容極板的最大檢測距離，ci,max為第i個電容極板的電容信號值的最大值，ci,min為第i個電容極板的電容信號值的最小值。

每個電容極板的接近目標速度vi為與該電容極板對應的手指部位接近目標的速度。作為優(yōu)選，若一個手指上設置n個電容極板，此時，只需計算該手指任一部位對應電容極板的接近目標速度，其他n-1個電容極板的接近目標速度根據(jù)手指的彎曲自由度計算得到。例如，對于屬于食指的兩個電容極板，處于食指指肚的電容極板的接近目標速度為100mm/s，則處于食指關節(jié)處的電容極板的接近目標速度為0.65×100mm/s＝65mm/s，其中，0.65為食指關節(jié)處的彎曲自由度。

信號處理器根據(jù)電容極板的速度與檢測頻率f1計算得到第i個電容極板接近目標的加速度ai(mm/s²)，具體計算為：

ai＝vi×f1

每個電容極板的接近目標加速度ai為與該電容極板對應的手指部位接近目標的加速度。作為優(yōu)選，若一個手指上設置n個電容極板，此時，只需計算該手指任一部位對應電容極板的接近目標加速度，其他n-1個電容極板的接近目標加速度根據(jù)手指的彎曲自由度計算得到。例如，對于屬于食指的兩個電容極板，處于食指指肚的電容極板的接近目標加速度為10mm/s²，則處于食指關節(jié)處的電容極板的接近目標加速度為0.65×10mm/s²＝6.5mm/s²，其中，0.65為食指關節(jié)處的彎曲自由度。

信號處理器計算每個電容極板與目標物體的相對距離li的公式為：

li＝(ci,max-ci)×di,0

其中，ci為第i個電容極板當前電容信號值；每個電容極板與目標物體的相對距離即為每個電容極板對應的手指部位與目標物體的相對距離；

當同一個手指設置兩個以上電容極板時，信號處理器根據(jù)屬于同一個手指的每個電容極板與目標物體的相對距離、屬于同一個手指的相鄰電容極板之間的距離計算每個手指部位的接近角度θ，具體計算為：

θ＝arccos((la-lb)/d)

其中，la為第a個電容極板與目標物體的相對距離，la為第b個電容極板與目標物體的相對距離，且第a個電容極板與第b個電容極板是屬于同一手指的相鄰電容極板，d為第a個電容極板與第b個電容極板之間的距離。

通過信號處理器處理使得該手套的檢測靈敏度達10^-7，動態(tài)響應時間為10^-6秒。

本發(fā)明所述的裝置還能夠判斷是手部哪個部位與目標物體階接近或接觸，此時，所述的信號處理器分析得到目標物體的類型、電容極板所處的位置以及目標物體的屬性。

作為優(yōu)選，所述的信號處理器根據(jù)電容極板在接近目標物體時電容極板信號的振幅和變化速度判斷目標物體是人體、其他導體或絕緣體，此時，采集電容極板信號的電容傳感器是目標物體類型檢測器。

作為優(yōu)選，所述的信號處理器根據(jù)電容極板在接近目標物體時電容極板信號的振幅和變化速度判斷手部不同位置接近或接觸目標物體的模式，進而產(chǎn)生接近行為模式信號，此時，采集電容極板信號的電容傳感器是手部接近目標物體的模式檢測器。所述的接近行為模式信號包括線性接近或者遠離的速度、加速度以及角度；物理接觸或者離開的速度、加速度和角度。

本發(fā)明第二方面提供了一種應用第一方面提供的裝置檢測識別用戶手部行為的方法，包括：

(1)利用電容傳感器采集電容極板信號，并將該電容極板信號傳輸至信號處理器；

(2)信號處理器根據(jù)接收的電容極板信號的振幅、變化時長以及變化速度進行分析處理，判斷各個電容極板是否接近目標物體、各個電容極板接近目標物體的速度、以及各個電容極板與目標物體之間的距離；

(3)信號處理器分析每個電容極板信號，并根據(jù)每個電容極板信號的變化特征，計算還原手部各個電容極板檢測位置與目標物體的接近或者接觸狀態(tài)以及手部各個檢測位置的相對空間位置；

(4)信號處理器根據(jù)手部各個檢測位置的相對空間位置，計算各個檢測位置的空間距離關系，進而得到目標物體的空間形狀輪廓；

(5)信號處理器將計算得到的所用數(shù)據(jù)經(jīng)無線通信模塊傳輸給上位機。

本發(fā)明第一方面和第二方面提供的裝置和方法主要用于檢測用戶在使用手機和平板等產(chǎn)品時的手部活動和行為，從而檢測和判斷用戶在產(chǎn)品使用過程中的交互行為，并從中推測用戶的交互意圖，輔助提升產(chǎn)品交互性，具體包括：檢測手機和平板等移動電子產(chǎn)品、大型電子設備、和其他手持非電子產(chǎn)品的用戶手部活動和行為；基于用戶手部活動和行為的檢測，判斷用戶的交互意圖，輔助用戶的交互任務。

本發(fā)明基于一種利用電容檢測識別用戶手部行為的裝置及方法，相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)通過在手套上使用單一的電容傳感器及其多通道電容極板設計，實現(xiàn)較高靈敏度、準確度的用戶手部活動行為的實時檢測識別；

(2)利用多通道電容極板的信號采集和分析處理，實現(xiàn)對目標物體的接近或者接觸的檢測，特別是對目標物體形狀大小的識別；

(3)柔性導電纖維作為電容傳感器極板材質(zhì)，結合信號處理和通訊以及內(nèi)置電源模塊，實現(xiàn)了手部活動行為的低功耗移動檢測識別。

附圖說明

圖1是實施例中利用電容檢測識別用戶手部行為的裝置示意圖；

圖2是實施例中利用電容檢測識別用戶手部行為的裝置的原理示意圖；

圖3是實施例中判斷手部與目標物體之間的相對空間關系的流程圖；

圖4是實施例中計算手部與目標物體相對位置示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

為了準確地了解交互過程中用戶的手部狀態(tài)，本發(fā)明提供一種檢測識別手部行為的方法以及一種檢測識別裝置。這種方法和裝置可以用于在用戶使用自然手部活動進行交互的過程中實時地檢測識別用戶的具體手部行為以及接近或者接觸的目標物體。另外，顯而易見地，本發(fā)明的這種手部行為檢測方法和裝置還可以應用于其他的電子設備交互，例如利用手部活動作為交互模式來控制游戲、多人協(xié)作信息分享等其他交互任務和情境中，用于在這些任務情境下充分利用自然手部活動帶來的交互自然性。也可以將本發(fā)明用于物體檢測識別，例如應用于檢測各種不方便直接抓握物體的形狀和大小檢測。下面結合附圖來詳細描述本發(fā)明的一些具體實施方式。

參見圖1，本實施例中的利用電容檢測識別用戶手部行為的裝置載有多個電容極板2、電容傳感器3、信號處理器4、低功耗藍牙通訊模塊5以及多組細圓柱形鋰電池6，且由絕緣和導電纖維材質(zhì)混合編織構成的手套1。手套1的大母指位置布置1個電容極板2，其余四個手指位置分別布置2個電容極板2，用于檢測不同手指的不同部位分別接近或解除目標物體的狀態(tài)。電容傳感器3、信號處理器4、無線通訊模塊5位于手套的手脖部位，且集成于一塊基于柔性pcb電路板上，這樣可以縮短從電容信號的采集處理到發(fā)送的時間延遲，且柔性pcb電路板能夠適應手套使用過程中的彎曲，方便用戶使用。多組細圓柱形鋰電池6垂直于手套邊緣排列，這樣能夠適應手套尾部的彎曲，提高用戶使用的舒適度。

參見圖2，該裝置的工作流程為：

首先，電容傳感器采集所有電容極板信號，并將該電容極板信號傳輸至信號處理器；

然后，信號處理器根據(jù)接收的電容極板信號的振幅、變化時長以及變化速度進行分析處理，得到各個電容極板是否接近目標物體、各個電容極板接近目標物體的速度、以及各個電容極板與目標物體之間的距離、手部各個電容極板檢測位置與目標物體的接近或者接觸狀態(tài)以及手部各個檢測位置的相對空間位置等信息；信號處理器還根據(jù)手部各個檢測位置的相對空間位置，計算各個檢測位置的空間距離關系，進而得到目標物體的空間形狀輪廓；

最后，信號處理器將計算得到的所用數(shù)據(jù)經(jīng)無線通信模塊低功耗藍牙傳輸給外部設備，完成交互。

參見圖3，利用本發(fā)明提供的裝置檢測識別得到手部空間運動狀態(tài)的具體為：

將圖1所示的手套佩戴于手上，并根據(jù)多個電容極板的電容信號值，利用信號處理器計算得到第k個手指中上電容極板的vk,上、ak,上、lk,上、θk,上；第k個手指中下電容極板的vk,下、ak,下、lk,下、θk,下；

則第k個手指的空間運動狀態(tài)sk描述為：

sk＝{vk,上，vk,下，ak,上，ak,下，lk,上，lk,下，θk,上，θk,下}

手部的整體運動狀態(tài)描述為s描述為：

s＝{s1,s2,s3,s4,s5}

參見圖4，本實施例中θ的具體計算為：

θk,上＝arccos((lk,上-lk,下)/dk)

θk,下＝180θk,上

以上所述的具體實施方式對本發(fā)明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。