基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其前端采集子在手套本體上設(shè)有三軸重力加速度傳感器、主控器和Zigbee發(fā)送模塊，至少在每個(gè)手指套對(duì)應(yīng)手指的遠(yuǎn)節(jié)指骨處各裝有一個(gè)三軸重力加速度傳感器，用于獲取對(duì)應(yīng)手指指骨的空間三軸加速度；在該手套的中部設(shè)置主控器和Zigbee發(fā)送模塊，通過(guò)高速I(mǎi)2C通信協(xié)議的兩線(xiàn)串行接口與三軸重力加速度傳感器進(jìn)行連接通信，以輪詢(xún)方式獲取三軸加速度數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、打包后經(jīng)Zigbee發(fā)送模塊發(fā)到后端處理子系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是成本低，具有易穿戴、低功耗、低成本等特性；后端處理子系統(tǒng)可持久保存用戶(hù)數(shù)據(jù)，分析和展現(xiàn)用戶(hù)的手部活動(dòng)軌跡和活動(dòng)能力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于三軸重力加速度傳感器和Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，尤其是一種能檢測(cè)、分析人體手部運(yùn)動(dòng)及姿勢(shì)的數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)據(jù)手套用來(lái)檢測(cè)手部運(yùn)動(dòng)情況，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如:實(shí)現(xiàn)虛擬手，可用于手部康復(fù)、動(dòng)態(tài)手語(yǔ)識(shí)別、微創(chuàng)外科手術(shù)、虛擬場(chǎng)景交互等。目前已有基于不同類(lèi)型傳感器的數(shù)據(jù)手套方法和技術(shù)，如:基于光纖傳感器、基于磁力計(jì)、加速度傳感器和力反饋等數(shù)據(jù)手套。這些不同技術(shù)的數(shù)據(jù)手套各有自己的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，可分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)景。如:基于光纖傳感器的數(shù)據(jù)手套可測(cè)量手部各關(guān)節(jié)角度變化捕捉人手動(dòng)作，它以測(cè)量人手關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度為基準(zhǔn)，但在設(shè)置虛擬場(chǎng)景及捕捉人手動(dòng)作時(shí)仍有一定的局限性，很難測(cè)量人手的空間姿勢(shì)。磁力計(jì)的強(qiáng)項(xiàng)在于定位設(shè)備的方位，可以測(cè)量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。加速度傳感器的強(qiáng)項(xiàng)在于測(cè)量設(shè)備的受力情況，對(duì)設(shè)備相對(duì)外部參考物(比如，地面)的運(yùn)動(dòng)更擅長(zhǎng)，但用來(lái)測(cè)量設(shè)備相對(duì)于地面的擺放姿勢(shì)，則精確度不高。力反饋數(shù)據(jù)手套則是遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)人機(jī)接觸交互的理想接口裝置。陀螺儀的強(qiáng)項(xiàng)在于測(cè)量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)設(shè)備自身運(yùn)動(dòng)更擅長(zhǎng)，但不能確定設(shè)備的方位。同時(shí)，為提高數(shù)據(jù)手套的適應(yīng)場(chǎng)景，數(shù)據(jù)手套與外部的通信主要采用藍(lán)牙、WiFi和Zigbee等近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。不同近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的能耗不同，具有不同的適用場(chǎng)合。目前的數(shù)據(jù)手套存在成本高、對(duì)手部動(dòng)作捕捉有局限性，采樣頻率低等問(wèn)題，不適合對(duì)手部康復(fù)訓(xùn)練方面的應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述手動(dòng)作捕捉的局限性、采集頻率和數(shù)據(jù)手套的高成本問(wèn)題，結(jié)合手部康復(fù)訓(xùn)練的需求，本發(fā)明提供了一種新型的多觸點(diǎn)三軸重力加速度數(shù)據(jù)手套，其基于單片機(jī)設(shè)計(jì)主控器，通過(guò)I2C總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)主控器和三軸重力加速度傳感器、Zigbee模塊間的通信，構(gòu)成前端采集子系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)手套可以有效地改善人手動(dòng)作捕捉的局限性、高頻率采集、低設(shè)備功耗，有助于推動(dòng)數(shù)據(jù)手套在各領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。該發(fā)明還包括后端處理子系統(tǒng)，用于接收和持久保存數(shù)據(jù)，分析用戶(hù)手指運(yùn)動(dòng)軌跡和活動(dòng)能力變化情況。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是:一種基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，包括用具有五個(gè)手指套的手套本體構(gòu)建前端采集子系統(tǒng)，其特征在于，所述的前端采集子系統(tǒng)包括:在所述的手套本體上配有三軸重力加速度傳感器、主控器和Zigbee發(fā)送模塊;其中至少在每個(gè)手指套對(duì)應(yīng)五個(gè)手指的遠(yuǎn)節(jié)指骨處各裝有一個(gè)三軸重力加速度傳感器，用于獲取對(duì)應(yīng)手指的空間三軸加速度;在該手套的手背中部設(shè)置主控器和Zigbee發(fā)送模塊，主控器基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)高速I(mǎi)2C通信協(xié)議的兩線(xiàn)串行接口與所述的三軸重力加速度傳感器進(jìn)行連接通信，以輪詢(xún)方式獲取三軸加速度數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，將每輪詢(xún)采集不少于三次的三軸加速度數(shù)據(jù)組裝成一個(gè)數(shù)據(jù)包后經(jīng)Zigbee發(fā)送模塊發(fā)出，該數(shù)據(jù)包由三個(gè)字段構(gòu)成:同步引導(dǎo)符、五個(gè)手指上共m*n*3個(gè)字節(jié)的加速度值、校驗(yàn)值，這里m33，其含義是指經(jīng)過(guò)m次輪詢(xún)所采集的數(shù)據(jù)采集打到一個(gè)包里發(fā)送，η是指三軸重力傳感器的個(gè)數(shù);同時(shí)主控器負(fù)責(zé)Zigbee發(fā)送模塊的啟動(dòng)和休眠，以降低能耗。
[0005]還包括后端處理子系統(tǒng)，該后端處理子系統(tǒng)包括Zigbee協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)保存模塊、分析與處理模塊和3D展示模塊;該Zigbee協(xié)調(diào)器用于接收與所述的主控器相連的Zigbee發(fā)送模塊傳送的數(shù)據(jù);該數(shù)據(jù)保存模塊用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久性保存;該分析與處理模塊用于對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和插值處理，以計(jì)算手部的運(yùn)動(dòng)軌跡，該模塊還通過(guò)用戶(hù)手部的歷史活動(dòng)記錄分析手部運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)能力；該3D展示模塊用于展示手部在空間三維的運(yùn)動(dòng)情況，其中手指各部位的運(yùn)動(dòng)軌跡基于埃爾米特插值或其它插值或采用曲線(xiàn)擬合方法求得。
[0006]在每根手指的中節(jié)指骨的手背側(cè)各配置一個(gè)三軸重力加速度傳感器，用于獲取對(duì)應(yīng)手指中節(jié)指骨的空間三軸加速度參數(shù)，并傳送到所述的主控器。
[0007]在每根手指的中節(jié)指骨和近節(jié)指骨的手背側(cè)各配置一個(gè)三軸重力加速度傳感器，用于獲取對(duì)應(yīng)手指中節(jié)指骨和近節(jié)指骨的空間三軸加速度參數(shù)，并傳送到所述的主控器。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:利用低成本的單片機(jī)設(shè)計(jì)主控器，配合最少的5個(gè)三軸重力加速度傳感器和低功耗的Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊可設(shè)計(jì)5-觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套，使得其成本大大降低。前端子系統(tǒng)精確、靈敏地檢測(cè)出使用者手部和上肢的運(yùn)動(dòng)信息，后端處理子系統(tǒng)可計(jì)算出其空間姿勢(shì)信息、分析其運(yùn)動(dòng)軌跡和手指活動(dòng)能力，具有易穿戴、低功耗、低成本等特性。
【附圖說(shuō)明】
[0009]當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，其中:
圖1是本發(fā)明數(shù)據(jù)手套的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的電路構(gòu)成框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供一種基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，包括具有五個(gè)手指套的手套本體，在手套本體的對(duì)應(yīng)于人手五個(gè)手指遠(yuǎn)節(jié)指骨處分別安置著5個(gè)三軸重力加速度傳感器1-5;在手套的手背處設(shè)置主控器6和Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊7(還包含數(shù)據(jù)手套電源供給及充電裝置、I2C總線(xiàn)和串口通信接口)，在主控器6內(nèi)裝有運(yùn)動(dòng)算法軟件。5個(gè)三軸重力加速度傳感器1-5通過(guò)I2C總線(xiàn)與主控器6相連。該數(shù)據(jù)手套本體的材質(zhì)采用純棉超薄設(shè)計(jì)，佩戴舒適，并保證使用者可以完成各種動(dòng)作行為。
[0011]若配置更多的三軸重力加速度傳感器，可放置在每個(gè)手指套對(duì)應(yīng)手指的指骨處(未圖示)，依次按照中節(jié)指骨和近節(jié)指骨的順序放置于手背側(cè)，用于獲取對(duì)應(yīng)手指指骨的空間三軸加速度;在該手套本體的手背部位設(shè)置主控器6和Zigbee發(fā)送模塊7，主控器6基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)高速I(mǎi)2C通信協(xié)議的兩線(xiàn)串行接口與所述的三軸重力加速度傳感器1-5進(jìn)行連接通信，以輪詢(xún)方式獲取三軸加速度數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，將采集的三軸加速度數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee發(fā)送模塊7發(fā)送到與其配套的后端處理子系統(tǒng)(設(shè)在手套本體之外)中的Zigbee協(xié)調(diào)器。為降低能耗，將m次(m33)輪詢(xún)采集的、并經(jīng)主控器6處理后的數(shù)據(jù)組裝成一個(gè)包后再發(fā)送。
[0012]圖2中的后端處理子系統(tǒng)包括Zigbee協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)保存模塊、分析與處理模塊和3D展示模塊，該Zigbee協(xié)調(diào)器用于接收與所述的主控器相連的Zigbee模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，其收發(fā)數(shù)據(jù)的格式由三個(gè)字段構(gòu)成:同步引導(dǎo)符、五個(gè)手指共m*n*3個(gè)字節(jié)的加速度值(這里
5，是所采用的三軸重力傳感器的個(gè)數(shù))、校驗(yàn)值;該數(shù)據(jù)保存模塊用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久性保存;該分析與處理模塊用于對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，主要分析手指運(yùn)動(dòng)軌跡和活動(dòng)能力；該3D展示模塊用于展示手部在空間三維的運(yùn)動(dòng)情況，其中手指各部位的運(yùn)動(dòng)軌跡基于埃爾米特插值或其它插值或采用曲線(xiàn)擬合方法求得。
[0013]本發(fā)明的三軸重力加速度傳感器1-5負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù);主控器6和通信總線(xiàn)接口負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)硬件電路，完成各種通信傳輸、數(shù)據(jù)處理等功能;Zigbee發(fā)送模塊7負(fù)責(zé)將主控器6處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給后端處理子系統(tǒng)。主控器6通過(guò)優(yōu)先級(jí)輪詢(xún)算法采集到5個(gè)三軸重力加速度傳感器1-5的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行打包、初步分析處理，發(fā)送給Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊7，然后由Zigbee發(fā)送模塊7發(fā)送到負(fù)責(zé)接收的后端處理子系統(tǒng)。本發(fā)明使用的三軸重力加速度傳感器1-5是一種具有高實(shí)時(shí)性，且采樣頻率、采樣精度可調(diào)的高精度傳感器。主控器6及外圍電路均支持對(duì)采樣精度、采樣頻率及Zigbee的發(fā)送頻率進(jìn)行適度調(diào)節(jié)。本發(fā)明的Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊7采用的是1^310數(shù)據(jù)傳輸嵌入式無(wú)線(xiàn)模塊，接收端采用的是USB-串口設(shè)備通信模塊。
[0014]本發(fā)明的工作原理是:
本發(fā)明利用五個(gè)三軸重力加速度傳感器1-5配合Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊7，實(shí)現(xiàn)對(duì)人手手部動(dòng)作的準(zhǔn)確捕捉與運(yùn)動(dòng)信息傳輸，并基于插值或曲線(xiàn)擬合等近似估算方法計(jì)算手指運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)使用者佩戴數(shù)據(jù)手套后，使用者手部和上肢的三軸重力加速度數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)I2C協(xié)議發(fā)送給主控器6，主控器6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后經(jīng)由串口通信送達(dá)Zigbee無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊
7。當(dāng)Zigbee無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊7接收到數(shù)據(jù)后會(huì)立即發(fā)送至接收端(后端處理子系統(tǒng)，未圖示)，最后接收端通過(guò)USB將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC等設(shè)備。當(dāng)有多個(gè)手套同時(shí)使用時(shí)，后端處理單元的Zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)進(jìn)行Zigbee自組網(wǎng)，并且接收端會(huì)通過(guò)每個(gè)Zigbee模塊唯一的標(biāo)識(shí)ID來(lái)區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)，從而保證了每個(gè)數(shù)據(jù)手套可以準(zhǔn)確、有效的進(jìn)行通信。
[0015]顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明的宗旨所做的許多修改和變化屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0016]如上所述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒(méi)有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，包括用具有五個(gè)手指套的手套本體構(gòu)建前端采集子系統(tǒng)，其特征在于，所述的前端采集子系統(tǒng)包括:在所述的手套本體上配有三軸重力加速度傳感器、主控器和Zigbee發(fā)送模塊;其中至少在每個(gè)手指套對(duì)應(yīng)五個(gè)手指的遠(yuǎn)節(jié)指骨處各裝有一個(gè)三軸重力加速度傳感器，用于獲取對(duì)應(yīng)手指的空間三軸加速度;在該手套的手背中部設(shè)置主控器和Zigbee發(fā)送模塊，主控器基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)高速I(mǎi)2C通信協(xié)議的兩線(xiàn)串行接口與所述的三軸重力加速度傳感器進(jìn)行連接通信，以輪詢(xún)方式獲取三軸加速度數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，將每輪詢(xún)采集不少于三次的三軸加速度數(shù)據(jù)組裝成一個(gè)數(shù)據(jù)包后經(jīng)Zigbee發(fā)送模塊發(fā)出，該數(shù)據(jù)包由三個(gè)字段構(gòu)成:同步引導(dǎo)符、五個(gè)手指上共m*n*3個(gè)字節(jié)的加速度值、校驗(yàn)值，這里m3 3，其含義是指經(jīng)過(guò)m次輪詢(xún)所采集的數(shù)據(jù)采集打到一個(gè)包里發(fā)送，η是指三軸重力傳感器的個(gè)數(shù)；同時(shí)主控器負(fù)責(zé)Zigbee發(fā)送模塊的啟動(dòng)和休眠，以降低能耗。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于，還包括后端處理子系統(tǒng)，該后端處理子系統(tǒng)包括Zigbee協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)保存模塊、分析與處理模塊和3D展示模塊;該Zigbee協(xié)調(diào)器用于接收與所述的主控器相連的Zigbee發(fā)送模塊傳送的數(shù)據(jù);該數(shù)據(jù)保存模塊用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久性保存;該分析與處理模塊用于對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和插值處理，以計(jì)算手部的運(yùn)動(dòng)軌跡，該模塊還通過(guò)用戶(hù)手部的歷史活動(dòng)記錄分析手部運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)能力;該3D展示模塊用于展示手部在空間三維的運(yùn)動(dòng)情況，其中手指各部位的運(yùn)動(dòng)軌跡基于埃爾米特插值或其它插值或采用曲線(xiàn)擬合方法求得。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于，在每根手指的中節(jié)指骨的手背側(cè)各配置一個(gè)三軸重力加速度傳感器，用于獲取對(duì)應(yīng)手指中節(jié)指骨的空間三軸加速度參數(shù)，并傳送到所述的主控器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三軸重力加速度傳感器的多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于，在每根手指的中節(jié)指骨和近節(jié)指骨的手背側(cè)各配置一個(gè)三軸重力加速度傳感器，用于獲取對(duì)應(yīng)手指中節(jié)指骨和近節(jié)指骨的空間三軸加速度參數(shù)，并傳送到所述的主控器。
【文檔編號(hào)】G06F3/01GK106020490SQ201610396255
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】王開(kāi)西, 于忠清, 郭振波
【申請(qǐng)人】青島大學(xué)