专利名称：可调节的视线跟踪人机交互装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人机交互装置，具体涉及一种应用于可助老、弱、病、残的人机交互装置，特别是基于视线跟踪的人机交互装置，可应用于自然、便捷的人机交互对话活动。
背景技术：
随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，人们越来越重视老年人、残疾人的日常护理工作。由于老年人、残疾人的语言和行动障碍比较普遍，眼睛成为了他们获取外界消息和意愿表达的重要窗户。采用基于视线跟踪的人机交互技术能够有效方便地帮他们实现与计算机的交流和自我意愿的表达；采用视线跟踪人机交互技术采集、处理和分析用户的眼部特征，并在人与机器间设计适当的交互界面及信息交流规则，用户只要通过简单的眼部动作就可获取人机交互界面的信息，同时通过人机界面按照一定的规则向计算机发出指令，实现他们的学习和娱乐生活等。这种基于人类眼睛运动的自然人机交互方法，除了必要的计算机和传感器外，还需要建立一个能够包含这些设备的视线跟踪人机交互系统装置，通过这个系统装置的工作实现人机间自然的信息交流。然而，传统的视线跟踪人机交互装置具有一定的局限性，即人机交互界面是固定的，用户需要自主地去改变身体姿态，让脸部处于人机交互界面的前方。但是对于像老年人、残疾人这样的肢体行为不便的特殊用户，难以自主地改变身体姿态，去适应处于固定姿态的人机界面。在这种情况下，希望有种可适应不同姿态下用户需求的、可调节的视线跟踪人机交互装置，能够方便地调整人机界面，让用户处于自然舒适的姿态下实现人与计算机的交流，这对于老年人、残疾人用户是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调节的视线跟踪人机交互装置，克服单纯调整用户姿态的现有技术局限性，在人与机器显示界面、摄像机、辅助光源等组成的基于视线跟踪的交互系统中，能够方便地调节人机装置去适应用户的需求，实现人与计算机的自然便捷的交流，对老、弱、病、残人群的生命与健康提供新的技术解决方案。为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案
一种可调节的视线跟踪人机交互装置，包括显示屏支架、显示屏、辅助光源、摄像机和底座，显示屏、摄像机、辅助光源之间的位置相对固定并连接在显示屏支架上，显示屏的位置对应于用户脸部前方，辅助光源对准用户的眼睛照射并形成反射亮点，摄像机的镜头正对用户的眼部，摄像机摄取用户眼部动作后，将用户眼部影像数据经由专用的图像采集卡采集到计算机的内存中进行数据处理，经过计算机的数据分析得出的结果通过显示屏输出，显示屏支架安装在底座上，底座的下方装有行走机构，行走机构包括一组万向轮，水平推动底座使显示屏发生水平位移变化，即可改变显示屏的水平位置，使显示屏与用户面部处于相对应的空间位置。显示屏支架通过姿态调节机构与底座活动连接安装，姿态调节机构根据用户面部的不同姿态对显示屏进行多姿态调节，姿态调节机构不仅能使显示屏进行位移升降动作，还能使显示屏进行俯仰和左右偏转的角度变化，从而使显示屏的高度位置、左右偏转角度和俯仰角度均与用户的面部姿态相适应，实现面对面的信息人机交互。上述姿态调节机构至少包括使显示屏进行上下竖直动作的升降位移调节机构、使显示屏进行俯仰动作的俯仰倾角调节机构和使显示屏进行左右偏转动作的左右偏转角调节机构，升降位移调节机构、俯仰倾角调节机构和左右偏转角调节机构依次连接并设置在底座和显示屏支架之间，通过逐级动作传递调整显示屏的多种姿态。上述左右偏转角调节机构为枢转机械机构，包括回转支架、回转调节件和偏转定位螺母，回转调节件与显示屏支架固定连接，回转调节件和回转支架形成螺旋转动副，偏转定位螺母安装于回转调节件和回转支架之间，旋转控制回转调节件即可改变显示屏支架的左右偏转角度，通过控制偏转定位螺母使显示屏支架的左右偏转进行角度保持；俯仰倾角调节机构也为枢转机械机构，包括水平管套、枢转调节件和倾角定位螺母，枢转调节件的远端与回转支架固定连接，枢转调节件与水平管套同轴枢转且也形成螺旋转动副，枢转调节件的枢转轴线与左右偏转角调节机构的回转调节件的枢转轴线呈空间垂直位置关系，通过旋转控制枢转调节件带动回转支架旋转即可改变显示屏支架的俯仰倾角，倾角定位螺母安装于枢转调节件的近端与水平管套之间，通过控制倾角定位螺母对枢转调节件的转角进行限制即可显示屏支架的俯仰倾角进行角度保持；升降位移调节机构为气动机械机构，包括气动升降装置及其气动控制手柄，气动升降装置安装在底座上，气动升降装置的传动输出端连接水平管套，气动升降装置驱动水平管套进行升降进而带动显示屏支架进行升降，操作气动控制手柄控制水平管套进行位移升降和高度位置保持，对显示屏的高度位置进行调节。作为本发明技术方案的改进，在上述气动升降装置的传动输出端和水平管套之间增加平动位移辅助调节机构，平动位移辅助调节机构为滑动机械机构，包括与气动升降装置的传动输出端固定连接的水平燕尾槽支座、与水平管套固定连接的支撑滑块，支撑滑块和水平燕尾槽支座形成滑动连接副，支撑滑块和水平燕尾槽支座之间进行相对位移滑动使水平管套沿自身轴线平动，即辅助行走机构能对显示屏的水平位置进行移动和定位。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
1.本发明实现了基于视线跟踪的人机交互装置多姿态调节，可以根据用户的姿态，综合调整人机交互装置上下升降、水平移动、上下俯仰变化和左右偏转变化，方便不同姿态下的用户与计算机进行交流。2.本发明克服了用户去适应基于视线跟踪的人机交互装置的困难和不自然性， 特别是对于老年人、残疾人等行为自主能力低的用户，这样的装置很好的帮助他们实现自然便捷的人机交互活动。
图1是本发明实施例一的装置结构示意图。图2是本发明实施例一的装置工作状态示意图。图3是本发明实施例二的装置结构示意图。
具体实施方式
结合附图，对本发明的优选实施例详述如下
实施例一
参见图1和图2，一种可调节的视线跟踪人机交互装置，包括显示屏支架12、显示屏13、 辅助光源14、15、摄像机16和底座2，显示屏13、摄像机16、辅助光源14、15之间的位置相对固定并连接在显示屏支架12上，显示屏13的位置对应于用户脸部前方，辅助光源14、15 对准用户的眼睛照射并形成反射亮点，摄像机16的镜头正对用户的眼部，摄像机16摄取用户眼部动作后，将用户眼部影像数据经由专用的图像采集卡采集到计算机的内存中进行数据处理，经过计算机的数据分析得出的结果通过显示屏13输出，显示屏支架12安装在底座 2上，底座2的下方装有行走机构，行走机构包括一组万向轮1，水平推动底座2使显示屏13 发生水平位移变化，即可改变显示屏13的水平位置，使显示屏13与用户面部处于相对应的空间位置，其特征在于显示屏支架12通过姿态调节机构与底座2活动连接安装，姿态调节机构根据用户面部的不同姿态对显示屏13进行多姿态调节，姿态调节机构不仅能使显示屏13进行位移升降动作，还能使显示屏13进行俯仰和左右偏转的角度变化，从而使显示屏 13的高度位置、左右偏转角度和俯仰角度均与用户的面部姿态相适应，实现面对面的信息人机交互。本发明通过发明一种可调节的视线跟踪人机交互装置，使用户处于不同姿态情况下也能自然、方便地与计算机进行交流会话。在本实施例中，通过万向轮1和底座2可以实现整个视线跟踪人机交互装置的空间位置调节。参见图1，在本实施例中，上述姿态调节机构至少包括使显示屏13进行上下竖直动作的升降位移调节机构、使显示屏13进行俯仰动作的俯仰倾角调节机构和使显示屏13 进行左右偏转动作的左右偏转角调节机构，升降位移调节机构、俯仰倾角调节机构和左右偏转角调节机构依次连接并设置在底座2和显示屏支架12之间，通过逐级动作传递调整显示屏13的多种姿态。通过发明一种可调节的视线跟踪人机交互装置，在人与人机界面、摄像机、辅助光源等组成的基于视线跟踪的交互系统中，能够方便地调节人机装置去适应用户的需求，实现人与计算机的自然便捷的交流。参见图1，在本实施例中，上述左右偏转角调节机构为枢转机械机构，包括回转支架11、回转调节件9和偏转定位螺母10，回转调节件9与显示屏支架12固定连接，回转调节件9和回转支架11形成螺旋转动副，偏转定位螺母10安装于回转调节件9和回转支架 11之间，旋转控制回转调节件9即可改变显示屏支架12的左右偏转角度，通过控制偏转定位螺母10使显示屏支架12的左右偏转进行角度保持。在本实施例中，通过回转调节件9、 回转支架11、显示屏支架12之间的连接及偏转定位螺母10可以实现适应于用户头部左右位姿变化时显示屏13相应的左右偏转运动。参见图1，在本实施例中，上述俯仰倾角调节机构也为枢转机械机构，包括水平管套8、枢转调节件6和倾角定位螺母7，枢转调节件6的远端与回转支架11固定连接，枢转调节件6与水平管套8同轴枢转且也形成螺旋转动副，枢转调节件6的枢转轴线与左右偏转角调节机构的回转调节件9的枢转轴线呈空间垂直位置关系，通过旋转控制枢转调节件 6带动回转支架11旋转即可改变显示屏支架12的俯仰倾角，倾角定位螺母7安装于枢转调节件6的近端与水平管套8之间，通过控制倾角定位螺母7对枢转调节件6的转角进行限制即可显示屏支架12的俯仰倾角进行角度保持。在本实施例中，通过枢转调节件6、水平管套8、回转支架11之间的连接及倾角定位螺母7可以实现适应于用户头部上下位姿变化时显示屏13相应的上下俯仰运动。参见图1，在本实施例中，上述升降位移调节机构为气动机械机构，包括气动升降装置4及其气动控制手柄3，气动升降装置4安装在底座2上，气动升降装置4的传动输出端连接水平管套8，气动升降装置4驱动水平管套8进行升降进而带动显示屏支架12进行升降，操作气动控制手柄3控制水平管套8进行位移升降和高度位置保持，对显示屏13的高度位置进行调节。在本实施例中，通过气动控制手柄3和气动升降装置4可以实现适应用户头部在竖直方向位置变化时显示屏13相应的上下移动。本实例视线跟踪人机交互装置的工作原理参见图2，其基本工作过程是 参见图2，用户眼睛I注视显示屏13上的内容，包括娱乐、饮食、呼叫、读书等选择画面
和信息，用户眼睛I左右转动表示对相邻内容的选择，用户眼睛I连续眨两次表示所选内容的响应；辅助光源14、15照向用户眼睛I，形成反射亮点，也称为普尔钦斑点，用户的脸部由摄像机16摄取图像并经由图像采集卡采集到计算机的内存中进行处理，并计算和分析结果，然后将结果显示或反映在显示屏13上，实现人与计算机的信息交互活动。实施例二
本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于
参见图3，在本实施例中，在气动升降装置4的传动输出端和水平管套8之间增加平动位移辅助调节机构，平动位移辅助调节机构为滑动机械机构，包括与气动升降装置4的传动输出端固定连接的水平燕尾槽支座5、与水平管套8固定连接的支撑滑块，支撑滑块和水平燕尾槽支座5形成滑动连接副，支撑滑块和水平燕尾槽支座5之间进行相对位移滑动使水平管套8沿自身轴线平动，即辅助行走机构能对显示屏13的水平位置进行移动和定位。 在本实施例中，通过水平燕尾槽支座5和水平管套8的相对运动可以实现适应用户身体在左右方向位置变化时显示屏13位置相应的左右移动。在本实施例中，参见图3，其实施过程如下
1. 观测用户所处的姿态，基本确定用户头部的上下左右位置以及其脸部左右偏转和上下俯仰状态。2. 推动带有万向轮1的底座2，使人机交互装置整体与用户处于相对适宜的空间位置，并让显示屏13尽可能处于用户脸部的前方，以尽量减少接下来的调节工作量。3. 调节气动控制手柄3，使气动升降装置4开始工作，这样显示屏13会随着其升降而上下移动，直至使用户头部不需或稍微俯仰即可方便注视显示屏13为止。4. 通过燕尾槽支座5和水平管套8的相对滑动，这样显示屏13会随着其左右滑动而左右移动，直至显示屏13水平位置处于用户的头部正前方为止。5. 通过枢转调节件6与水平管套8形成的螺旋副转动，使枢转调节件6带动回转支架11回转，这样显示屏13会随着回转支架11的回转而转动，直至显示屏13的上下俯仰状态并于用户的脸部基本正对为止，并调节倾角定位螺母7以保持显示屏幕的上下俯仰状态。6. 通过回转调节件9与回转支架11形成的螺旋副转动，使回转调节件带动显示屏支架12转动，这样显示屏13会随着显示屏支架的转动而转动，直至显示屏13的界面恰好与用户脸部正对为止，并调节偏转定位螺母10以保持显示屏幕的左右偏转状态。7. 调节摄像机16、辅助光源14、15，以方便对用户眼部动作等特征的采集。
本发明通过设计一种可调节的视线跟踪人机交互装置，使用户处于不同姿态情况下也能自然、方便地与计算机进行交流会话。本发明实现了基于视线跟踪的人机交互装置多姿态调节，可以根据用户的姿态，综合调整人机交互装置上下升降、水平移动、上下俯仰变化和左右偏转变化，以适应于用户不同姿态下的用户与计算机进行交流；克服了用户去适应基于视线跟踪的人机交互装置的困难和不自然性，特别是对于老年人、残疾人等行为自主能力低的用户，这样的装置很好的帮助他们实现自然便捷的人机交互活动。上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种可调节的视线跟踪人机交互装置，包括显示屏支架(12)、显示屏(13)、辅助光源(14、15)、摄像机(16)和底座(2)，所述显示屏(13)、摄像机(16)、辅助光源(14、15)之间的位置相对固定并连接在显示屏支架(12)上，所述显示屏(13)的位置对应于用户脸部前方，所述辅助光源(14、15)对准用户的眼睛照射并形成反射亮点，所述摄像机(16)的镜头正对用户的眼部，所述摄像机(16)摄取用户眼部动作后，将用户眼部影像数据经由专用的图像采集卡采集到计算机的内存中进行数据处理，经过计算机的数据分析得出的结果通过所述显示屏(13)输出，所述显示屏支架(12)安装在所述底座(2)上，所述底座(2)的下方装有行走机构，所述行走机构包括一组万向轮(1 )，水平推动底座(2)使所述显示屏(13)发生水平位移变化，即可改变所述显示屏(13)的水平位置，使所述显示屏(13)与用户面部处于相对应的空间位置，其特征在于所述显示屏支架(12)通过姿态调节机构与所述底座(2)活动连接安装，所述姿态调节机构根据用户面部的不同姿态对显示屏(13)进行多姿态调节，所述姿态调节机构不仅能使所述显示屏(13)进行位移升降动作，还能使所述显示屏 (13)进行俯仰和左右偏转的角度变化，从而使所述显示屏(13)的高度位置、左右偏转角度和俯仰角度均与用户的面部姿态相适应，实现面对面的信息人机交互。
2.根据权利要求1所述的可调节的视线跟踪人机交互装置，其特征在于所述姿态调节机构至少包括使所述显示屏(13)进行上下竖直动作的升降位移调节机构、使所述显示屏 (13)进行俯仰动作的俯仰倾角调节机构和使所述显示屏(13)进行左右偏转动作的左右偏转角调节机构，所述升降位移调节机构、俯仰倾角调节机构和左右偏转角调节机构依次连接并设置在所述底座(2)和所述显示屏支架(12)之间，通过逐级动作传递调整所述显示屏 (13)的多种姿态。
3.根据权利要求2所述的可调节的视线跟踪人机交互装置，其特征在于所述左右偏转角调节机构为枢转机械机构，包括回转支架(11)、回转调节件(9)和偏转定位螺母(10)， 所述回转调节件(9)与所述显示屏支架(12)固定连接，所述回转调节件(9)和所述回转支架(11)形成螺旋转动副，所述偏转定位螺母(10)安装于所述回转调节件(9)和所述回转支架(11)之间，旋转控制所述回转调节件(9)即可改变所述显示屏支架(12)的左右偏转角度，通过控制所述偏转定位螺母(10)使所述显示屏支架(12)的左右偏转进行角度保持；所述俯仰倾角调节机构也为枢转机械机构，包括水平管套(8)、枢转调节件(6)和倾角定位螺母(7)，所述枢转调节件(6)的远端与所述回转支架(11)固定连接，所述枢转调节件 (6)与所述水平管套(8)同轴枢转且也形成螺旋转动副，所述枢转调节件(6)的枢转轴线与所述左右偏转角调节机构的回转调节件(9)的枢转轴线呈空间垂直位置关系，通过旋转控制所述枢转调节件(6)带动所述回转支架(11)旋转即可改变所述显示屏支架(12)的俯仰倾角，所述倾角定位螺母(7)安装于所述枢转调节件(6)的近端与所述水平管套(8)之间， 通过控制所述倾角定位螺母(7)对所述枢转调节件(6)的转角进行限制即可所述显示屏支架(12)的俯仰倾角进行角度保持；所述升降位移调节机构为气动机械机构，包括气动升降装置(4)及其气动控制手柄(3)，所述气动升降装置(4)安装在所述底座(2)上，所述气动升降装置(4)的传动输出端连接所述水平管套(8)，所述气动升降装置(4)驱动所述水平管套(8)进行升降进而带动所述显示屏支架(12)进行升降，操作所述气动控制手柄(3)控制所述水平管套(8)进行位移升降和高度位置保持，对所述显示屏(13)的高度位置进行调节。
4.根据权利要求3所述的可调节的视线跟踪人机交互装置，其特征在于在所述气动升降装置(4)的传动输出端和所述水平管套(8)之间增加平动位移辅助调节机构，所述平动位移辅助调节机构为滑动机械机构，包括与所述气动升降装置(4)的传动输出端固定连接的水平燕尾槽支座(5 )、与所述水平管套(8 )固定连接的支撑滑块，所述支撑滑块和所述水平燕尾槽支座(5)形成滑动连接副，所述支撑滑块和所述水平燕尾槽支座(5)之间进行相对位移滑动使所述水平管套(8)沿自身轴线平动，即辅助所述行走机构能对所述显示屏 (13)的水平位置进行移动和定位。
全文摘要
本发明公开了一种可调节的视线跟踪人机交互装置，包括显示屏支架、显示屏、辅助光源、摄像机和底座，显示屏、摄像机、辅助光源之间的位置相对固定并连接在显示屏支架上，显示屏支架安装在底座上，底座的下方装有行走机构。显示屏支架通过姿态调节机构与底座活动连接安装，姿态调节机构根据用户面部的不同姿态对显示屏进行多姿态调节，从而使显示屏的高度位置、左右偏转角度和俯仰角度均与用户的面部姿态相适应。本发明通过可调节的视线跟踪人机交互装置，根据用户的姿态，综合调整人机交互装置上下升降、水平移动、上下俯仰变化和左右偏转变化，方便用户，特别是像老年人和残疾人这种自主行动能力差的用户处于不同姿态情况下也能自然舒适地与计算机进行交流会话。
文档编号G06F3/01GK102419632SQ20111034354
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者卢建霞, 屠大维, 张国栋, 袁新明, 赵其杰 申请人:上海大学