一种利用电容检测识别用户手部行为的方法和装置与流程

本发明涉及手势检测技术领域，特别是一种利用电容检测识别用户手部行为的方法和装置。

背景技术：

随着通信技术和人机交互技术的发展，手机和平板等移动终端设备已经成为每个人工作生活中必不可少的物品。这些可手持的产品功能日益丰富，支持触摸屏和空中手势的交互方式，但同时也对用户手部活动的准确性和效率提出了更高的要求。为了解用户在使用手持电子产品过程中的具体活动，通常是通过观察记录或者视频分析对用户手部活动进行采集，并提取主要的手部动作作为手持电子产品交互设计的依据。这不仅要求对用户的手部活动姿势进行准确有效的实时检测，更加要求能够对手部的行为意图(以特定的手部姿态进行物体抓取、在物体表面滑动、以特定手势接近或者接触物体)以及目标物体的基本属性(导电性、形状、三维尺寸)有准确的识别。

更加准确的用户手部行为检测，通常需要借助深度摄像机或者带传感器的设备进行检测。cn205644089u公布了一种利用emg臂环进行手势检测识别的系统，但其无法对手部与目标物体之间的距离和速度变化进行检测；cn105929936a公布了一种综合多种传感器(包括一个或多个运动检测器、陀螺仪、接近检测器)的手的姿态检测方法和系统，但对于手部与目标物体之间的关联未能检测；cn101655757b针对触控板提出了一种手势检测方法，但是其对与空中手部行为无法有效检测；cn205540578u公布了一种基于手识别的控制手套，其综合利用了红外对管、电压比较器、单片机、蓝牙模块，但主要检测手指的弯曲程度；cn205485911u公布了一种使用三轴陀螺仪、加速度计构成的无线控制手势手套，其对于手势接触物体的导电性、形状属性未作检测。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种利用电容检测识别用户手部行为的方法和装置。本发明的手部姿态行为检测识别方法利用一种电容传感器及多个电容极板的设计，能够检测和识别用户手部在接近和接触目标物体时的实时姿态，以及目标物体的导电性、轮廓形状和大小尺寸。

本发明第一方面提供了一种利用电容检测识别用户手部行为的装置，包括：

多个电容极板，由导电纤维构成的多个导体区域，该些导体区域根据手部行为产生变化的电容极板信号；

电容传感器，采集多个电容极板的电容极板信号，并将该电容极板信号传输至信号处理器；

信号处理器，对接收的电容极板信号进行分析处理，判断得到与各个电容极板对应的手部行为数据和目标物体的属性与形状数据；

无线通讯模块，将信号处理器分析得到的手部行为数据和目标物体的属性与形状数据输送至上位机；

电源，为电容传感器、信号处理器以及无线通讯模块供电。

作为优选，所述的利用电容检测识别用户手部行为的装置为载有多个电容极板、电容传感器、信号处理器、无线通讯模块以及电源，且由绝缘和导电纤维材质混合编织构成的手套；所述的多个电容极板位于手指部位，所述的电容传感器、信号处理器、无线通讯模块以及电源位于手套的手脖部位。

作为优选，所述的多个电容极板位于手指部位的具体布置方式为：手套的大母指位置布置1个电容极板，其余4个手指位置分别布置2个电容极板，用于检测不同手指的不同部位分别接近或解除目标物体的状态；手套的左右手对称布置，用于双手佩戴、双手手部行为的区别与协同检测；这样的布置方式可以灵活准确地检测手指活动时所处的空间位置。

作为优选，所述的位于手套的手脖部位的电容传感器、信号处理器以及无线通讯模块集成于一块基于柔性pcb电路板上，用于缩短从电容信号的采集处理到发送的时间延迟，且柔性pcb电路板能够适应手套使用过程中的弯曲，方便用户使用。

作为优选，所述的位于手套的手脖部位的电源为垂直于手套边缘排列的多组细圆柱形锂电池；这样能够适应手套尾部的弯曲，提高用户使用的舒适度。

当目标物体接触或即将接触手部时，目标物体会对电容极板的介电常数产生影响并改变电容极板所带的电容量，此时，所述的电容信号值c为电容极板的激励频率f和参考基准频率f0的比值，具体为：

信号处理器根据电容信号值和检测频率计算第i个电容极板接近目标的速度vi(mm/s)，具体计算为：

vi＝|ci,t-ci,t+1|×di,0×f1

其中，ci,t为第t次检测时第i个电容极板的电容信号值，ci,t+1为第t+1次检测时第i个电容极板的电容信号值，f1为电容极板的检测频率；di,0为第i个电容极板的单位电容值对应距离，具体计算为：

其中，di,max为电容极板的最大检测距离，ci,max为第i个电容极板的电容信号值的最大值，ci,min为第i个电容极板的电容信号值的最小值。

每个电容极板的接近目标速度vi为与该电容极板对应的手指部位接近目标的速度。作为优选，若一个手指上设置n个电容极板，此时，只需计算该手指任一部位对应电容极板的接近目标速度，其他n-1个电容极板的接近目标速度根据手指的弯曲自由度计算得到。例如，对于属于食指的两个电容极板，处于食指指肚的电容极板的接近目标速度为100mm/s，则处于食指关节处的电容极板的接近目标速度为0.65×100mm/s＝65mm/s，其中，0.65为食指关节处的弯曲自由度。

信号处理器根据电容极板的速度与检测频率f1计算得到第i个电容极板接近目标的加速度ai(mm/s²)，具体计算为：

ai＝vi×f1

每个电容极板的接近目标加速度ai为与该电容极板对应的手指部位接近目标的加速度。作为优选，若一个手指上设置n个电容极板，此时，只需计算该手指任一部位对应电容极板的接近目标加速度，其他n-1个电容极板的接近目标加速度根据手指的弯曲自由度计算得到。例如，对于属于食指的两个电容极板，处于食指指肚的电容极板的接近目标加速度为10mm/s²，则处于食指关节处的电容极板的接近目标加速度为0.65×10mm/s²＝6.5mm/s²，其中，0.65为食指关节处的弯曲自由度。

信号处理器计算每个电容极板与目标物体的相对距离li的公式为：

li＝(ci,max-ci)×di,0

其中，ci为第i个电容极板当前电容信号值；每个电容极板与目标物体的相对距离即为每个电容极板对应的手指部位与目标物体的相对距离；

当同一个手指设置两个以上电容极板时，信号处理器根据属于同一个手指的每个电容极板与目标物体的相对距离、属于同一个手指的相邻电容极板之间的距离计算每个手指部位的接近角度θ，具体计算为：

θ＝arccos((la-lb)/d)

其中，la为第a个电容极板与目标物体的相对距离，la为第b个电容极板与目标物体的相对距离，且第a个电容极板与第b个电容极板是属于同一手指的相邻电容极板，d为第a个电容极板与第b个电容极板之间的距离。

通过信号处理器处理使得该手套的检测灵敏度达10^-7，动态响应时间为10^-6秒。

本发明所述的装置还能够判断是手部哪个部位与目标物体阶接近或接触，此时，所述的信号处理器分析得到目标物体的类型、电容极板所处的位置以及目标物体的属性。

作为优选，所述的信号处理器根据电容极板在接近目标物体时电容极板信号的振幅和变化速度判断目标物体是人体、其他导体或绝缘体，此时，采集电容极板信号的电容传感器是目标物体类型检测器。

作为优选，所述的信号处理器根据电容极板在接近目标物体时电容极板信号的振幅和变化速度判断手部不同位置接近或接触目标物体的模式，进而产生接近行为模式信号，此时，采集电容极板信号的电容传感器是手部接近目标物体的模式检测器。所述的接近行为模式信号包括线性接近或者远离的速度、加速度以及角度；物理接触或者离开的速度、加速度和角度。

本发明第二方面提供了一种应用第一方面提供的装置检测识别用户手部行为的方法，包括：

(1)利用电容传感器采集电容极板信号，并将该电容极板信号传输至信号处理器；

(2)信号处理器根据接收的电容极板信号的振幅、变化时长以及变化速度进行分析处理，判断各个电容极板是否接近目标物体、各个电容极板接近目标物体的速度、以及各个电容极板与目标物体之间的距离；

(3)信号处理器分析每个电容极板信号，并根据每个电容极板信号的变化特征，计算还原手部各个电容极板检测位置与目标物体的接近或者接触状态以及手部各个检测位置的相对空间位置；

(4)信号处理器根据手部各个检测位置的相对空间位置，计算各个检测位置的空间距离关系，进而得到目标物体的空间形状轮廓；

(5)信号处理器将计算得到的所用数据经无线通信模块传输给上位机。

本发明第一方面和第二方面提供的装置和方法主要用于检测用户在使用手机和平板等产品时的手部活动和行为，从而检测和判断用户在产品使用过程中的交互行为，并从中推测用户的交互意图，辅助提升产品交互性，具体包括：检测手机和平板等移动电子产品、大型电子设备、和其他手持非电子产品的用户手部活动和行为；基于用户手部活动和行为的检测，判断用户的交互意图，辅助用户的交互任务。

本发明基于一种利用电容检测识别用户手部行为的装置及方法，相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)通过在手套上使用单一的电容传感器及其多通道电容极板设计，实现较高灵敏度、准确度的用户手部活动行为的实时检测识别；

(2)利用多通道电容极板的信号采集和分析处理，实现对目标物体的接近或者接触的检测，特别是对目标物体形状大小的识别；

(3)柔性导电纤维作为电容传感器极板材质，结合信号处理和通讯以及内置电源模块，实现了手部活动行为的低功耗移动检测识别。

附图说明

图1是实施例中利用电容检测识别用户手部行为的装置示意图；

图2是实施例中利用电容检测识别用户手部行为的装置的原理示意图；

图3是实施例中判断手部与目标物体之间的相对空间关系的流程图；

图4是实施例中计算手部与目标物体相对位置示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

为了准确地了解交互过程中用户的手部状态，本发明提供一种检测识别手部行为的方法以及一种检测识别装置。这种方法和装置可以用于在用户使用自然手部活动进行交互的过程中实时地检测识别用户的具体手部行为以及接近或者接触的目标物体。另外，显而易见地，本发明的这种手部行为检测方法和装置还可以应用于其他的电子设备交互，例如利用手部活动作为交互模式来控制游戏、多人协作信息分享等其他交互任务和情境中，用于在这些任务情境下充分利用自然手部活动带来的交互自然性。也可以将本发明用于物体检测识别，例如应用于检测各种不方便直接抓握物体的形状和大小检测。下面结合附图来详细描述本发明的一些具体实施方式。

参见图1，本实施例中的利用电容检测识别用户手部行为的装置载有多个电容极板2、电容传感器3、信号处理器4、低功耗蓝牙通讯模块5以及多组细圆柱形锂电池6，且由绝缘和导电纤维材质混合编织构成的手套1。手套1的大母指位置布置1个电容极板2，其余四个手指位置分别布置2个电容极板2，用于检测不同手指的不同部位分别接近或解除目标物体的状态。电容传感器3、信号处理器4、无线通讯模块5位于手套的手脖部位，且集成于一块基于柔性pcb电路板上，这样可以缩短从电容信号的采集处理到发送的时间延迟，且柔性pcb电路板能够适应手套使用过程中的弯曲，方便用户使用。多组细圆柱形锂电池6垂直于手套边缘排列，这样能够适应手套尾部的弯曲，提高用户使用的舒适度。

参见图2，该装置的工作流程为：

首先，电容传感器采集所有电容极板信号，并将该电容极板信号传输至信号处理器；

然后，信号处理器根据接收的电容极板信号的振幅、变化时长以及变化速度进行分析处理，得到各个电容极板是否接近目标物体、各个电容极板接近目标物体的速度、以及各个电容极板与目标物体之间的距离、手部各个电容极板检测位置与目标物体的接近或者接触状态以及手部各个检测位置的相对空间位置等信息；信号处理器还根据手部各个检测位置的相对空间位置，计算各个检测位置的空间距离关系，进而得到目标物体的空间形状轮廓；

最后，信号处理器将计算得到的所用数据经无线通信模块低功耗蓝牙传输给外部设备，完成交互。

参见图3，利用本发明提供的装置检测识别得到手部空间运动状态的具体为：

将图1所示的手套佩戴于手上，并根据多个电容极板的电容信号值，利用信号处理器计算得到第k个手指中上电容极板的vk,上、ak,上、lk,上、θk,上；第k个手指中下电容极板的vk,下、ak,下、lk,下、θk,下；

则第k个手指的空间运动状态sk描述为：

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

手部的整体运动状态描述为s描述为：

s＝{s1,s2,s3,s4,s5}

参见图4，本实施例中θ的具体计算为：

θk,上＝arccos((lk,上-lk,下)/dk)

θk,下＝180θk,上

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。