专利名称：一种肢体姿势识别方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种肢体姿态与位置的感知方法，具体涉及一种通过肢体姿势而传递特征信息的肢体姿势识别方法及装置。
背景技术：
近年来，随着多媒体技术的普及与发展，人们在对新型人机交互技术进行不懈的探索。使用肢体、手势等直观的方式完成计算机的操作，已成为一个技术热点。而人的肢体又是一种复杂的执行机制，其灵活度高、表现力丰富且可以完成精细的操作，但这些特性也使其姿态的识别与跟踪成为计算机研究中的重大挑战。因此，通过各种高科技手段实现的方便、先进、可靠的人机交互系统迎刃而生，很多畅销的电子产品也是由于出色的人机交互手段而产生巨大的经济效益。比如任天堂的WII游戏机，其人机交互手段采取了通过游戏机遥控器内部的加速度(倾角)传感器介入人和游戏的交互方式，从而战胜了其他技术，突出了任天堂技术的先进；而SONY公司的 PLAYSTATION III、微软公司的X-BOX以及美国APPLE公司的IPHONE、IPAD，其成功很大程度上也是由于其产品的人机交互手段的先进，比如其接触屏幕界面的电容传感器和画面横竖切换的加速度传感器(倾角)等。当前，手势识别技术作为人类和计算机之间的交流手段而应用于智能机器人、 计算机、游戏机、手机、显示器、自动控制系统、生产技术等各种领域。来自微软公司的 US20100199228A1 (
公开日为2010年8月5日)提供了利用深度摄像头捕获并分析用户的身体姿态，并将其解释为计算机命令的方案。来自Nintendo公司的US20080291160A1 (
公开日为2008年11月27日)提供了利用红外传感器和加速度传感器捕获用户手部位置的方案。此外，现有技术中还有利用数据手套来辅助对手部姿态的识别的方案。这些方案实现了对手部运动的识别，但也存在着各种不足，而且价格相当昂贵。来自松下电器产业株式会社的CN1276572A提供了使用摄像头对手部进行拍照，然后对图像进行归一化分析，并将归一化得到的图像进行空间投影，并将所得的投影坐标与预先存储的图像的投影坐标进行比较。该方法比较直观，但需要经过复杂的数学计算过程，且无法对手部的空间位置进行识别与跟踪。而近期(2011年10月20日)在英国《每日电讯报》上报导的微软公司研制的新一代体感传感器，其工作方式是把墙壁、汽车、甚至手掌作为人机交互的触摸屏幕。微软研究人员研制的新一代KINECT体感传感器，可以追踪从人的胳膊到墙壁的运动，其原理是在人的肩头使用光学投影仪器，使人手在墙壁等平面的影像当作虚拟计算机键盘。美国卡内基梅隆大学的0MNIT0UCH也使用了类似原理。这些貌似先进的手段，其原理都是如图1所示的通过摄像机102等光学设备拍摄人类手部103的活动而得到手部103的运动图像，然后通过计算机主机101进行图像处理， 从而识别手部特定部分的一连串的特定活动，由计算机主机101执行基于由手势识别装置识别到的手势虚拟光标104而进行各种处理。但是，在应用上却存在很多局限性，很多情况下他们的应用不是很方便，例如，当2只手相对光源重叠、2只手不在同一平面、或者是2只手垂直光源、没有光滑平面的时候等等大多数的现实情况下，上述“先进”技术也无法使用；另外，通过图像识别一个姿势的时间往往较长，至少需要10多秒钟，这对于高效率、快节奏的现代人来说无疑是一种折磨。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种肢体姿势识别方法及装置，无需任何光学设备的辅助，而是通过将肢体姿势识别为特征信息而实现人机交互。本发明为了解决上述技术问题，公开了一种肢体姿势识别方法，所述方法包括如下步骤
步骤A，分别获取肢体多个部位的运动参数；
步骤B，根据比较肢体各部位的运动参数之间的角度差值而得到肢体的位置变化信
息；
步骤C，对肢体的位置变化信息进行识别作为特征信息输出。进一步，所述肢体多个部位的运动参数是指肢体各部位在具有3个自由度、6个自由度或9个自由度的空间运动参数。进一步，所述肢体各部位的运动参数之间的角度差值为肢体各部位运动参数的同一自由度之间的角度差值。进一步，所述肢体各部位的运动参数为肢体各部位在运动状态下的空间位置信肩、O本发明还公开了一种肢体姿势识别装置，所述装置包括微处理器、数据传输模块、处于肢体上不同部位的多个传感器模块，其中，
所述多个传感器模块，用于分别获取肢体上不同部位的运动参数； 所述微处理器，用于计算处于肢体上不同部位的各传感器模块获取的运动参数之间的角度差值，并根据计算出的角度差值而得到肢体的位置变化信息；
所述数据传输模块，用于将所述微处理器获取的肢体位置变化信息作为特征信息输
出O进一步，所述多个传感器模块分别置于肢体的手指处、手背或手腕处、手臂处、以及脖子或胸前处。进一步，所述多个传感器模块分别置于肢体的脚部、小腿部、大腿部以及胸部或背部。进一步，所述多个传感器模块通过导线与所述微处理器相连接。进一步，所述传感器模块包括用于获取肢体运动参数的传感器、用于将传感器获取的运动参数传输至微处理器的无线数据传输单元以及为所述传感器和无线数据传输单元提供工作电压的能源单元。进一步，所述能源单元为电池或是可充电电池。进一步，所述电池或是可充电电池采用能够获取外部环境中能量的材料制成，所述材料包括压电材料、磁致伸缩材料、光敏材料、热敏材料和热电转换材料中的一种或几种。进一步，所述传感器模块包括用于检测在空间具有3个自由度、6个自由度或9个自由度的运动参数的多自由度传感器。进一步，所述检测在空间具有3个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器或3个自由度的加速度传感器。进一步，所述检测在空间具有6个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器以及3个自由度的加速度传感器的组合。进一步，所述检测在空间具有9个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器、3个自由度的加速度传感器以及3个自由度的旋转传感器的组合。采用上述本发明技术方案的有益效果是本发明提供的肢体姿势识别装置不需要任何光学设备的辅助，而是采用传感器器件进行肢体姿势的识别，将肢体姿势识别为特征信息而实现人机交互，在一定程度上精简了人机交互系统的复杂性；另外，通过本发明提供的方法及装置实现的肢体姿势识别技术增强了识别速度，使得识别时间缩短至毫秒级，且能够同时对肢体的不同部位进行识别，具有一定的灵活性。
图1为现有技术中通过光学设备进行手势识别的整体系统结构图； 图2为本发明实施例中肢体姿势识别装置的逻辑结构图3为本发明的肢体姿势识别装置的第二种实施方式中所述传感器模块的内部逻辑结构图4为本发明实施例中肢体姿势识别方法的流程图； 图5为本发明肢体姿势识别装置的具体应用原理具体实施例方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。图2为本发明实施例中肢体姿势识别装置的逻辑结构图，如图2所示，所述肢体姿势识别装置包括微处理器201、数据传输模块202、处于肢体上不同部位的多个传感器模块(包括传感器模块A 203A、传感器模块B 203B、……传感器模块N 203N)，在本发明实施例中，所述多个传感器模块，分别置于肢体的手指处、手背或手腕处、手臂处(如肱二头肌的位置)、以及脖子或胸前处，或者是分别置于肢体的脚部、小腿部、大腿部以及胸部或背部， 分别用于获取肢体上各部位的运动参数；所述微处理器201，用于计算处于肢体上不同部位的各传感器模块获取的运动参数之间的角度差值，并根据计算出的角度差值而得到肢体的位置变化信息；所述数据传输模块202，用于将所述微处理器201获取的肢体位置变化信息作为特征信息输出。在本发明实施例中，所述各传感器模块包括用于检测在空间具有3个自由度、6个自由度或9个自由度的运动参数的多自由度传感器。其中，所述检测在空间具有3个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器或3个自由度的加速度传感器；所述检测在空间具有6个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器以及3个自由度的加速度传感器的组合；所述检测在空间具有9个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器、3个自由度的加速度传感器以及3个自由度的旋转传感器的组合。
在本发明的肢体姿势识别装置的第一种实施方式中，所述多个传感器模块(包括传感器模块A 203A、传感器模块B 203B、……传感器模块N 203N)通过导线与所述微处理器201相连接。在该实施方式中，所述传感器模块获取的肢体各部位的运动参数通过导线传输至微处理器201中进行处理。在本发明的肢体姿势识别装置的第二种实施方式中，所述各传感器模块的内部逻辑结构图如图3所示在本实施方式中，所述各传感器模块包括用于获取肢体运动参数的传感器301、用于将传感器301获取的运动参数传输至微处理器201的无线数据传输单元 302以及为所述传感器301和无线数据传输单元302提供工作电压的能源单元303。在该实施方式中，所述能源单元303可以是电池或者是可充电电池，其中，所述电池或是可充电电池可以采用能够获取外部环境中能量的材料制成，所述材料可以是压电材料、磁致伸缩材料、光敏材料、热敏材料和热电转换材料中的一种或几种，或者是由RLC振荡器以及天线组成。通过上述材料或者是结构可以从周围空间而获得势能、机械能、光能、热能、温差能、 无线辐射的能量等。比如可以从肢体的运动得到能量、从肢体的温度和环境的温度差得到能量、从外部环境得到光学能量等，或者是通过无线数据传输单元302收发信息而从微处理器201那里得到能量，或者是通过天线吸收无线电波能量，从而引起RLC电路的振荡而产生电流，还可以从内置电池得到能量，而内置电池也可以通过上述方式得到充电。图4为本发明实施例中肢体姿势识别方法的流程图，如图4所示，所述肢体姿势识别方法包括如下步骤
步骤401，分别获取肢体多个部位的运动参数；
在本实施例中，所述肢体的多个部位包括但不限于肢体的手指处、手背或手腕处、手臂处(如肱二头肌的位置)、以及脖子或胸前处，或者是肢体的脚部、小腿部、大腿部以及胸部或背部等部位。在该实施方式中，所述肢体多个部位的运动参数是指肢体的上述各部位在具有3个自由度、6个自由度或9个自由度的空间运动参数。步骤402，根据比较肢体各部位的运动参数之间的角度差值而得到肢体的位置变化信息；
本实施例中，所述肢体各部位的运动参数为肢体各部位在运动状态下的空间位置信息，所述肢体各部位的运动参数之间的角度差值为肢体各部位运动参数的同一自由度之间的角度差值。例如，通过比较手指与手背处运动参数的同一自由度之间的角度差值，而得到手指相对于手背的位置变化信息，通过进一步比较手背与手臂处运动参数的同一自由度之间的角度差值，而得到手背相对于手臂的位置变化信息，再通过比较手臂处与脖子或胸部的运动参数的同一自由度之间的角度差值，从而得到手臂相对于脖子或胸部的位置变化信肩、ο步骤403，对肢体的位置变化信息进行识别作为特征信息输出。该实施例中，通过对上述肢体各部位的位置变化信息进行综合运算，从而得到表述特定意义的语言或文字等信息，将其作为特征信息输出。显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以通过通用的计算装置来实现，它们可以集成在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。因此，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。以下通过具体的应用实施例并结合上述的装置结构以及方法步骤详细描述本发明的原理，本发明实施例所述的肢体姿势识别是通过设置于肢体不同部位的传感器模块检测相应部位在X、Y、Z空间三个自由度(即空间坐标)的运动参数，当然，为了获取更精准的肢体运动参数，还可以检测围绕X、Y、Z三个轴旋转自由度(即肢体各部位的俯仰角、横摆角与扭转角)的运动参数以及根据地理磁场方向所确定的A、B、C三个方向(如A指向正北方、 B指正东方、C指向正上方)自由度的运动参数，所述传感器模块将获取的运动参数通过导线或是无线数据传输单元传输至微处理器中，由微处理器对各传感器模块获取的运动参数进行比较，通过比较各运动参数在同一自由度之间的角度差值，而得到肢体的位置变化信息。 例如，当将本发明的肢体姿势识别装置设置于人体手部时，如图5所示，在所述手背及各手指处分别设置了一个传感器模块，那么任何一个手指的三维运动都会被位于手指处的传感器模块(传感器模块20;3B、传感器模块203C、传感器模块203D、传感器模块203E、传感器模块203F)实时监测到，并通过导线204或无线方式传输至微处理器201中，由微处理201将其和置于手背的传感器模块203A监测到的数据进行计算，其中，同一自由度(或者同轴)的角度差体现为手指位置的变化和姿势。当用手指姿势表示美国人骂人的意思时，即伸出一个中指，此时只有位于中指的传感器模块203D获取的X、Y、Z和A、B、C六个参数和位置与位于手背的传感器获取的上述六个参数基本相同，而大姆指、食指以及中指后面的2个手指的X、Y、Z和A、B、C基本相同，但是X、Y、Z和A、B、C中会有一个参数和手背上的相应参数存在150度到270度的角度差。由于数据的比较是手指相对于手背，所以本发明专利不需要任何固定和虚拟平面，通过传感器就能够实时记录2个手的10个手指在任意空间的运动和变化。如果所述传感器模块采用的是具有9个自由度的传感器，则能记录手和手指姿势变动的速度、加速度、角加速度等参数。当在人体上其他地方，比如手臂、脖子或胸前等部位也各设置一个传感器模块时， 那么包括手部以及手臂的运动相对于人体躯干的各种变化形态也可以被识别。如上述实施例所述，类似比较位于手指和手背的传感器模块获取的运动参数的同一自由度的角度差值而得到手指的位置变化和姿势信息，整个手背或手腕的运动变化也可以通过比较手背或手腕和位于手臂的传感器模块获取的运动参数的同一自由度的角度差值而体现，从而得到手背或手腕相对于手臂的运动方向、速度、姿势以及旋转方向等参数；同理，整个手臂的运动变化还可以通过比较手臂和位于脖子或者胸前的传感器模块获取的运动参数的同一自由度的角度差值而体现，从而得到手臂相对于躯干的运动方向、速度、姿势以及旋转方向等参数。通过微处理器对手指、手背或手腕以及手臂的运动方向、速度、姿势以及旋转方向等参数进行综合分析计算，从而得到表述一定意义的语言或文字等信息，这就意味着本发明的肢体姿势识别装置可以识别全部 语的动作，然后通过数据传输模块将其作为特征信息输出而实现人机交互。在上述实施方式中，可以通过肢体姿势识别装置代替人机交互的输入设备计算机键盘、鼠标、触摸屏幕等，以及代替游戏控制装置(JOYSTICK)、遥控器、声音识别系统、光学设备等；通过本发明实施例提供的肢体姿势识别装置输出的肢体姿势信息可以控制诸如计算机、智能电话机、电视、IPADS、游戏设备、机器控制设备、运动裁判设备、车辆、飞行器显示设备、办公设备、打印设备、显示设备、三维作战沙盘等机器的运行。通过上述实施例可知，本发明所述的肢体姿势识别还可以用于监测运动员的运动参数、手术的执行过程或者是高精度的机器操作等，包括监测各部位的运动速度、旋转速度、运动方向等数据。例如，当在对机器人的控制及监测过程中，可以在机器人的手指、手背、手臂、胸前等位置各设置一个传感器模块，根据上述实施例中所述的原理监测各个传感器模块所对应机器人不同部位的运动参数的角度差值来控制和监测机器人的姿态。当然， 对机器人的监测和控制也可以扩大到腿和脚，比如，可以在机器人的脚部、小腿部、大腿部以及胸部或背部等位置各设置一个传感器模块，脚部的运动变化可以通过比较位于脚部和位于小腿部的传感器模块获取的运动参数的同一自由度的角度差值而体现，从而得到脚部相对于小腿部的运动方向、速度、姿势以及旋转方向等参数；而小腿部的运动变化可以通过比较位于小腿部和位于大腿部的传感器模块获取的运动参数的同一自由度的角度差值而体现，从而得到小腿部相对于大腿部的运动方向、速度、姿势以及旋转方向等参数；同理，整个大腿部的运动变化还可以通过比较位于大腿部和位于胸部或背部的传感器模块获取的运动参数的同一自由度的角度差值而体现，从而得到大腿部相对于躯干的运动方向、速度、 姿势以及旋转方向等参数。由于本发明专利所涉及的肢体姿势识别的反应时间短，对姿势的识别时间只需要毫秒甚至更短的时间，因此机器人的走路、运动，或者是在操作手术、执行任务时的稳定性会更好，并且还可以适合非常规环境的运用。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种肢体姿势识别方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 步骤A，分别获取肢体多个部位的运动参数；步骤B，根据比较肢体各部位的运动参数之间的角度差值而得到肢体的位置变化信息；步骤C，对肢体的位置变化信息进行识别作为特征信息输出。
2.根据权利要求1所述的肢体姿势识别方法，其特征在于，所述肢体多个部位的运动参数是指肢体各部位在具有3个自由度、6个自由度或9个自由度的空间运动参数。
3.根据权利要求2所述的肢体姿势识别方法，其特征在于，所述肢体各部位的运动参数之间的角度差值为肢体各部位运动参数的同一自由度之间的角度差值。
4.根据权利要求1 3任一项所述的肢体姿势识别方法，其特征在于，所述肢体各部位的运动参数为肢体各部位在运动状态下的空间位置信息。
5.一种肢体姿势识别装置，其特征在于，所述装置包括微处理器、数据传输模块、处于肢体上不同部位的多个传感器模块，其中，所述多个传感器模块，用于分别获取肢体上不同部位的运动参数； 所述微处理器，用于计算处于肢体上不同部位的各传感器模块获取的运动参数之间的角度差值，并根据计算出的角度差值而得到肢体的位置变化信息；所述数据传输模块，用于将所述微处理器获取的肢体位置变化信息作为特征信息输出ο
6.根据权利要求5所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述多个传感器模块分别置于肢体的手指处、手背或手腕处、手臂处、以及脖子或胸前处。
7.根据权利要求6所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述多个传感器模块分别置于肢体的脚部、小腿部、大腿部以及胸部或背部。
8.根据权利要求5至7任一项所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述多个传感器模块通过导线与所述微处理器相连接。
9.根据权利要求8所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述传感器模块包括用于检测在空间具有3个自由度、6个自由度或9个自由度的运动参数的多自由度传感器。
10.根据权利要求9所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述检测在空间具有3个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器或3个自由度的加速度传感器。
11.根据权利要求9所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述检测在空间具有6个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器以及3个自由度的加速度传感器的组I=I ο
12.根据权利要求9所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述检测在空间具有9个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器、3个自由度的加速度传感器以及3个自由度的旋转传感器的组合。
13.根据权利要求5至7任一项所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述传感器模块包括用于获取肢体运动参数的传感器、用于将传感器获取的运动参数传输至微处理器的无线数据传输单元以及为所述传感器和无线数据传输单元提供工作电压的能源单元。
14.根据权利要求13所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述能源单元为电池或是可充电电池。
15.根据权利要求14所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述电池或是可充电电池采用能够获取外部环境中能量的材料制成，所述材料包括压电材料、磁致伸缩材料、光敏料、热敏材料和热电转换材料中的一种或几种。
16.根据权利要求13所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述传感器为用于检测在空间具有3个自由度、6个自由度或9个自由度的运动参数的多自由度传感器。
17.根据权利要求16所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述检测在空间具有3个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器或3个自由度的加速度传感器。
18.根据权利要求16所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述检测在空间具有6个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器以及3个自由度的加速度传感器的组I=I ο
19.根据权利要求16所述的肢体姿势识别装置，其特征在于，所述检测在空间具有9个自由度运动参数的传感器为3个自由度的磁场传感器、3个自由度的加速度传感器以及3个自由度的旋转传感器的组合。
全文摘要
本发明涉及一种肢体姿势识别方法及装置，所述装置包括微处理器、数据传输模块和处于肢体上不同部位的多个传感器模块所述多个传感器模块，用于分别获取肢体上不同部位的运动参数；所述微处理器，用于计算处于肢体上不同部位的各传感器模块获取的运动参数之间的角度差值，并根据计算出的角度差值而得到肢体的位置变化信息；所述数据传输模块，用于将所述微处理器获取的肢体位置变化信息作为特征信息输出。本发明提供的肢体姿势识别装置不需要任何光学设备的辅助，而是采用传感器器件进行肢体姿势的识别，将肢体姿势识别为特征信息而实现人机交互，在一定程度上精简了人机交互系统的复杂性；且具有识别速度快以及一定的灵活性等特点。
文档编号G06F3/01GK102402291SQ201110403379
公开日2012年4月4日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者詹姆斯·刘 申请人:北京盈胜泰科技术有限公司