手势感知器的制作方法

本发明涉及手势感知器，具体的说是涉及结合表面肌电的感知手指动作和IMU感知手臂运动的手势感知器。

背景技术：

目前在手势感知和操控领域，大多数的产品都是依靠摄像头或者其他大量的硬件来识别手势，这样的产品不仅重量大、成本高、视觉上显得笨重，而且对使用环境有所限制，难以在生活中推广使用。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供一种手势感知器，可以佩戴在操作者的左手或右手的前臂的肌腹部，重量轻巧，采用表面肌肉电信号识别技术，通过内置的肌电传感器和惯性测量单元IMU采集信号，准确识别操作者的手势，比如手臂的上移、下移、左移、右移和手指的握拳、张开、左摆、右摆等动作及其组合，用于控制电脑、智能手机、平板电脑等智能终端实现一些功能。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：手势感知器，它包括N个肌电干电极、N个肌电信号调理模块、微处理器、惯性测量单元IMU、触觉振动模块、电源模块和蓝牙模块，其中N大于等于4，每个肌电干电极和对应的一个肌电信号调理模块相连，肌电信号调理模块、惯性测量单元IMU、蓝牙模块、触觉振动模块、电源模块和微处理器相连。

进一步的，所述电源模块包括第一电源芯片U4、第二电源芯片U5、电容C1-C9、电阻R1、电阻R4-R7、发光二极管LED1-LED2、二极管D1、电感L3，第一电源芯片U4的电源输入引脚、使能引脚、电容C1的一端均与VDD5V相连，电容C1的另一端接数字地；接地引脚接数字地；第一电源芯片U4的调整输入引脚与电容C2的一端相连，电容C2的另一端接数字地；第一电源芯片U4的调制器输出引脚输出+2.5V电压，分别与电容C3的正极和发光二极管LED1的正极相连，电容C3的负极接数字地，发光二极管LED1的负极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接数字地；

第二电源芯片U5的比较引脚和电容C4的一端相连；接地引脚和电容的另一端接数字地；第二电源芯片U5的电源输入引脚、使能引脚、电阻R8的一端和电容C5的一端相连于一处，电容C5的另一端接数字地，电阻R8的另一端接VDD5V；第二电源芯片U5的输入引脚和电容C6的一端均与VDD5V相连，电容C6的另一端接数字地；第二电源芯片U5的切换引脚分别与电感L3的一端和二极管D1的负极相连，电感L3的另一端接数字地；第二电源芯片U5的输出引脚作为-2.5V电压输出，输出引脚分别与二极管D1的正极、电阻R6的一端、电容C9的一端、电阻R5的一端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端和发光二极管LED2的负极相连，发光二极管LED2的正极和电容C9的另一端均接数字地；第二电源芯片U5的反馈引脚分别与电阻R7的一端和电容C8的一端相连，电容C8的另一端和电阻R5的另一端相连；第二电源芯片U5的参考电压输出引脚分别与电阻R7的另一端和电容C7的一端相连，电容C7的另一端接数字地。

进一步的，所述微处理器3包括处理芯片U1、电容C10-C13、电容C34、电阻R9-R11、电阻R23-R25、时钟芯片Y1，处理芯片U1的电源引脚与+2.5V相连，处理芯片U1的USB调节器输入引脚与VDD5V相连，处理芯片U1的接地引脚和最低参考电压引脚都接数字地，处理芯片U1的电源输出引脚与电容C11的一端相连，电容C11的另一端接数字地，处理芯片U1的复位引脚分别与电阻R23的一端和电容C34的一端相连，电阻R23的另一端与+2.5V相连，电容C34的另一端接数字地，时钟芯片Y1的使能控制引脚分别与处理芯片U1的晶体驱动输出引脚和电容C12的一端相连，电容C12的另一端接数字地，时钟芯片Y1的输出引脚分别与处理芯片U1的外部时钟输入引脚和电容C13的一端相连，电容C13的另一端接数字地，时钟芯片Y1的使能控制引脚和输出引脚之间接一个电阻R11，时钟芯片Y1的接地引脚和电源引脚都接数字地；处理芯片U1的输入输出引脚和电容C10的一端相连，电容C10的另一端接数字地，处理芯片U1的第一数据线引脚与电阻R10的一端相连，处理芯片U1的第一时钟线引脚和电阻R9的一端相连，电阻R10的另一端、电阻R9的另一端接+2.5V；处理芯片U1的第二时钟线引脚和电阻R25的一端相连，处理芯片U1的第二数据线引脚和电阻R24的一端相连，电阻R25的另一端和电阻R24的另一端均接+2.5V。

进一步的，所述肌电信号调理模块包括运算放大器U1、电阻R13-R22、电容C28-C32，运算放大器的电源正引脚、电源负引脚分别与+2.5V、-2.5V相连，运算放大器的第一反转输入引脚分别与电阻R13的一端和电阻R14的一端相连，电阻R13的另一端接数字地，运算放大器的第一输出引脚分别与电阻R14的另一端、电阻R15的一端和电阻R17的一端相连；运算放大器的第二反转输入引脚分别与电阻R15的另一端和电阻R16的一端相连，运算放大器的第二输出引脚分别与电阻R16的另一端和电容C30的一端相连，电容C30的另一端分别与电容C31的一端、电阻R22的一端和电阻R21的一端相连，电阻R21的另一端分别与电容C32的一端、电阻R19的一端和电阻R20的一端相连，电容C31的另一端、电阻R22的另一端和电容C32的另一端均接数字地；运算放大器的第三反转输入引脚和电容C29的一端相连，电容C29的另一端和电阻R20的另一端相连；运算放大器的第三输出引脚分别与处理芯片U1的ADC引脚和电阻R19的另一端相连；运算放大器的第三非反转输入引脚和第四非反转输入引脚均接数字地；运算放大器的第四反转输入引脚分别与电阻R17的另一端、电阻R18的一端和电容C28的一端相连；运算放大器的第四输出引脚分别与电阻R18的另一端和电容C28的另一端相连；所述肌电干电极1的两极分别与运算放大器的第一非反转输入引脚和第二非反转输入引脚相连。

进一步的，所述惯性测量单元IMU包括九轴传感芯片U2、电容C14-C16，九轴传感芯片U2的电源保留引脚和电源引脚均与+2.5V相连；九轴传感芯片U2的电源引脚还分别与电容C16的一端和电容C14的一端相连，电容C16的另一端和电容C14的另一端均接数字地；九轴传感芯片U2的调节器输出引脚和电容C15的一端相连，电容C15的另一端分别与九轴传感芯片U2的从地址引脚和数字地相连；九轴传感芯片U2的帧同步数字输入引脚、接地引脚、接地保留引脚均接数字地；九轴传感芯片U2的中断数字输出引脚和处理芯片U1的输入输出引脚相连，九轴传感芯片U2的数据线引脚与处理芯片U1的第二数据线引脚相连；九轴传感芯片U2的时钟线引脚和处理芯片U1的第二时钟线引脚相连。

进一步的，所述蓝牙模块包括蓝牙芯片U3、电容C17-C27、晶振X1-X2、电阻R12、电感L4-L7、天线A1，蓝牙芯片U3的时钟线引脚和处理芯片U1的第一时钟线引脚相连；蓝牙芯片U3的数据线引脚和处理芯片U1的第一数据线引脚相连；蓝牙芯片U3的数字输入引脚与处理芯片U1的输入输出引脚相连；蓝牙芯片U3的电源引脚和+2.5V相连；蓝牙芯片U3的模拟输入输出引脚分别与晶振X2的第一引脚和电容C17的一端相连；蓝牙芯片U3的模拟输入输出引脚分别与晶振X2的第二引脚和电容C18的一端相连；蓝牙芯片U3的接地引脚、电容C17的另一端、电容C18的另一端均接信号地；蓝牙芯片U3的模拟输入输出引脚和电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端接信号地；蓝牙芯片U3的电源引脚和电容C27的一端相连，电容C27的另一端接信号地；蓝牙芯片U3的模拟输入输出引脚分别与晶振X1的输出引脚和电容C26的一端相连；蓝牙芯片U3的模拟输入输出引脚分别与晶振X1的使能控制引脚和电容C25的一端相连；晶振X1的电源引脚、电容C26的另一端、晶振X1的接地引脚和电容C25的另一端均接信号地；蓝牙芯片U3的射频输出引脚和电容C19的一端相连，电容C19的另一端分别与电感L5的一端和电容C21的一端相连，电感L5的另一端接信号地；蓝牙芯片U3的射频输出引脚和电容C20的一端相连，电容C20的另一端分别与电容C22的一端和电感L4的一端相连，电容C22的另一端接信号地；电容C21的另一端、电感L4的另一端和电感L6的一端相连于一处，电感L6的另一端分别与电容C23的一端和电感L7的一端相连，电容C23的另一端接信号地，电感L7的另一端分别与电容C24的一端和天线A1的输入引脚相连，电容C24的另一端接信号地，天线A1的两个接地引脚均接信号地。

进一步的，所述触觉振动模块包括振动电机B1、驱动芯片U6和电容C33，驱动芯片U6的电源引脚和电容C33的一端均与+2.5V相连；接地和电容C33的另一端均接数字地；驱动芯片U6的睡眠引脚和处理芯片U1的输入输出引脚相连；驱动芯片U6的第一输出引脚和第二输出引脚分别与振动电机B1的两端相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本装置重量轻巧，功耗低，识别精度高，可识别8种以上手指动作和6种手臂运动，比如手臂的上移、下移、左移、右移和手指的握拳、张开、左摆、右摆等动作及其组合。

2.添加了触觉振动模块这一人性化的反馈方式，通过不同时长和强度的振动模式提示给操作者装置已开机，可以开始操作；或已关机，操作结束；或动作已完成，可以放松肌肉或者进行下一个手势的操作。

3.本装置便于控制智能终端，且响应速度快，突破手势操控在游戏领域上的限制，扩大到教学培训、医疗、办公等方面，令其在计算机、智能手机、平板电脑、游戏机等设备上都能发挥用武之地。

附图说明

图1为本发明的手势感知器的结构框图；

图2为本发明的电源模块电路图；

图3为本发明的微处理器电路图；

图4为本发明的肌电信号调理模块电路图；

图5为本发明的惯性测量单元电路图；

图6为本发明的蓝牙模块电路图；

图7为本发明的触觉振动模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的实施做具体描述。

如图1所示，本实施例提供一种手势感知器，该装置包括N个肌电干电极1、N个肌电信号调理模块2、微处理器3、惯性测量单元IMU4、触觉振动模块6、电源模块7和蓝牙模块5，其中N大于等于4，每个肌电干电极1和对应的一个肌电信号调理模块2相连，肌电信号调理模块2、惯性测量单元IMU4、蓝牙模块5、触觉振动模块6、电源模块7和微处理器3相连；

所述手势感知器佩戴在操作者的左手或右手的前臂肌腹部；

所述肌电干电极1采集前臂肌腹部的肌电信号然后发给对应肌电信号调理模块；

所述惯性测量单元IMU采集前臂的运动数据；

所述处理器3接收肌电信号调理模块的数据和惯性测量单元IMU采集的运动数据，对数据进行A/D转换成数字信号，并做滤波预处理后传递给蓝牙模块和触觉振动模块6；

所述电源模块为微处理器3提供工作电压；

所述蓝牙模块发送给上位机或其他智能终端，肌电信号和IMU数据融合处理从而判断操作者当下做出的手势，比如手臂的上移、下移、左移、右移和手指的握拳、张开、左摆、右摆等动作及其组合，用于控制电脑、智能手机、平板电脑等智能终端实现一些功能。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种电源模块，该电源模块7的电源1是用SPX3819芯片从电压5V降压到+2.5V，电源2是用tps63700芯片从电压5V降压到-2.5V。SPX3819的电源输入引脚Vin(引脚1)与其使能引脚EN(引脚3)、电容C1的一端均与VDD5V相连，电容C1的另一端接数字地；接地引脚GND(引脚2)接数字地；调整输入引脚BYP(引脚4)与电容C2的一端相连，电容C2的另一端接数字地；SPX3819的调制器输出引脚Vout(引脚5)分别与电容C3的正极、发光二极管LED1的正极相连，并提供+2.5V电压，电容C3的负极接数字地，发光二极管LED1的负极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接数字地。

tps63700的比较引脚COMP(引脚1)和电容C4的一端相连；接地引脚GND(引脚2)和电容的另一端接数字地；电源输入引脚VIN(引脚3)、使能引脚EN(引脚4)、电阻R8的一端和电容C5的一端相连于一处，电容C5的另一端接数字地，电阻R8的另一端接VDD5V；输入引脚IN(引脚5)和电容C6的一端均与电源VDD5V相连，电容C6的另一端接数字地；切换引脚SW(引脚6)分别与电感L3的一端和二极管D1的负极相连，电感L3的另一端接数字地；输出引脚OUT(引脚8)作为-2.5V电压输出，输出引脚OUT(引脚8)分别与二极管D1的正极、电阻R6的一端、电容C9的一端、电阻R5的一端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端和发光二极管LED2的负极相连，发光二极管LED2的正极和电容C9的另一端均接数字地；反馈引脚FB(引脚9)分别与电阻R7的一端和电容C8的一端相连，电容C8的另一端和电阻R5的另一端相连；参考电压输出引脚VREF(引脚10)分别与电阻R7的另一端和电容C7的一端相连，电容C7的另一端接数字地；接地引脚GND(引脚7)接数字地。

如图3所示，作为本发明的实施例，微处理器3选取Freescale公司的MKL26Z256VLH4微控制器，作为系统的核心，用于控制其余模块的正常运作，保证系统的运行，主要工作有对肌电信号调理模块输出的放大的肌电信号进行A/D转换和滤波、通过I²C接收惯性测量单元输出的运动数据、通过I²C和蓝牙模块相连、控制触觉振动模块。微控制器MKL26的电源引脚VDD(引脚3)、VDDA(引脚13)、VREFH(引脚14)、VDD(引脚30)、VDD(引脚48)都与+2.5V相连，USB调节器输入引脚VREGIN(引脚8)与电源VDD5V相连。MKL26的接地引脚VSS(引脚4)、最低参考电压引脚VREFL(引脚15)、接地引脚VSSA(引脚16)、接地引脚VSS(引脚31)、接地引脚VSS(引脚47)都接数字地。MKL26的电源输出引脚VOUT33(引脚7)与电容C11的一端相连，电容C11的另一端接数字地。MKL26的复位引脚RESET(引脚34)分别与电阻R23的一端和电容C34的一端相连，电阻R23的另一端与+2.5V相连，电容C34的另一端接数字地。时钟采用8M无源晶振，它的使能控制引脚(1号脚)分别与MKL26的晶体驱动输出引脚XTAL0(引脚33)和电容C12的一端相连，电容C12的另一端接数字地；它的输出引脚(3号脚)分别与MKL26的外部时钟输入引脚EXTAL(引脚32)和电容C13的一端相连，电容C13的另一端接数字地；它的使能控制引脚(1号脚)和输出引脚(3号脚)之间接一个电阻R11；它的接地引脚(2号脚)和电源引脚(4号脚)都接数字地；MKL26的输入输出引脚PTD4(引脚61)和电容C10的一端相连，电容C10的另一端接数字地；MKL26的I²C1数据线引脚I2C1_SDA(引脚45)与电阻R10的一端相连，MKL26的I²C1时钟线引脚(引脚44)和电阻R9的一端相连，电阻R10的另一端、电阻R9的另一端接+2.5V；MKL26的I²C0时钟线引脚(引脚20)和电阻R25的一端相连，MKL26的I²C0数据线引脚(引脚21)和电阻R24的一端相连，电阻R25的另一端和电阻R24的另一端均接+2.5V。

如图4所示，所述肌电干电极1接触操作者的前臂肌肉表面后将差分地采集表面肌肉电信号，分别传输给肌电信号调理模块的运放OPA4140的运放A的非反转输入引脚+InA和运放B的非反转输入引脚+InB，要求电阻R13和电阻R16的阻值相等且较大，电阻R14和电阻R15的阻值相等且较小，从而达到对输入的差分信号进行差分放大的目的。运放D用于共模反馈放大，把运放A的输出引脚连接到运放D的反转输入引脚-InD，用运放D反相并增益在运放A输出引脚上的共模电压，通过反转共模信号并将其驱回肌体来抵消共模信号。运放C用于滤波放大，把运放B的输出引脚连接到运放C的反转输入引脚-InC，中间的电容C32和电阻R21进行低通滤波，电阻R29比电阻R20的阻值大，从而达到再一次反相放大的目的。运放C的输出再连到微控制器MKL26的ADC0模块的ADC0_SE13引脚进行A/D转换。该模块的具体电路连接关系如下：所述肌电干电极1的两极分别与肌电信号调理模块2的运放OPA4140的非反转输入引脚+InA(引脚3)和+InB(引脚5)相连。运放OPA4140的电源引脚V+(引脚4)、V-(引脚11)分别与+2.5V、-2.5V相连；反转输入引脚-InA(引脚2)分别与电阻R13的一端和电阻R14的一端相连，电阻R13的另一端接数字地；输出引脚OutA(引脚1)分别与电阻R14的另一端、电阻R15的一端和电阻R17的一端相连；反转输入引脚-InB(引脚6)分别与电阻R15的另一端和电阻R16的一端相连；输出引脚OutB(引脚7)分别与电阻R16的另一端和电容C30的一端相连；电容C30的另一端分别与电容C31的一端、电阻R22的一端和电阻R21的一端相连，电阻R21的另一端分别与电容C32的一端、电阻R19的一端和电阻R20的一端相连，电容C31的另一端、电阻R22的另一端和电容C32的另一端均接数字地；反转输入引脚-InC(引脚9)和电容C29的一端相连，电容C29的另一端和电阻R20的另一端相连；输出引脚OutC(引脚8)分别与MKL26的ADC引脚ADC0_SE13(引脚38)和电阻R19的另一端相连；非反转输入引脚+InC(引脚10)和+InD(引脚12)均接数字地；反转输入引脚-InD(引脚13)分别与电阻R17的另一端、电阻R18的一端和电容C28的一端相连；输出引脚OutD(引脚14)分别与电阻R18的另一端和电容C28的另一端相连。

如图5所示，所述惯性测量单元IMU测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的情况，通过I²C传输给微控制器MKL26。所述惯性测量单元IMU(三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁传感)4选用MPU9250芯片，MPU9250芯片的电源保留引脚RESV(引脚1)、电源引脚VDDIO(引脚8)和电源引脚VDD(引脚13)均与+2.5V相连；电源引脚VDDIO(引脚8)还和电容C16的一端相连，电容C16的另一端接数字地；电源引脚VDD(引脚13)还和电容C14的一端相连，电容C14的另一端接数字地；调节器输出引脚REGOUT(引脚10)和电容C15的一端相连，电容C15的另一端分别与I²C从地址引脚AD0/SDO(引脚9)和数字地相连；帧同步数字输入引脚FSYNC(引脚11)、接地引脚GND(引脚18)、接地保留引脚RESV(引脚20)均接数字地；中断数字输出引脚INT(引脚12)和MKL26的PTD4(引脚61)相连，I²C数据线引脚SDA/SDI(引脚24)与MKL26的I²C1数据线引脚I2C1_SDA(引脚45)相连；I²C时钟线引脚SCL/SCLK(引脚23)和MKL26的I²C1时钟线引脚I2C_SCL(引脚44)相连。

如图6所示，所述蓝牙模块5通过I²C和微控制器MKL26传输数据，然后通过射频输出引脚和天线A1相连发送数据。所述蓝牙模块5选用CC2541芯片，CC2541芯片的I²C时钟线引脚SCL(引脚2)和MKL26的I²C0时钟线引脚(引脚20)相连；I²C数据线引脚(引脚3)和MKL26的I²C0数据线引脚(引脚21)相连；数字输入引脚nRESET(引脚20)与MKL26的输入输出引脚RESET_N(引脚23)相连；电源引脚AVDD1、电源引脚AVDD2、电源引脚AVDD3、电源引脚AVDD4、电源引脚AVDD5、电源引脚AVDD6、电源引脚DVDD1、电源引脚DVDD2和+2.5V相连；模拟输入输出引脚P2_3/XOSC32K_Q2(引脚33)分别与晶振X2的其中一个引脚和电容C17的一端相连；模拟输入输出引脚P2_4/XOSC32K_Q1(引脚32)分别与晶振X2的另一个引脚和电容C18的一端相连；接地引脚GND/EGP(引脚41)、电容C17的另一端、电容C18的另一端均接信号地；模拟输入输出引脚RBIAS(引脚30)和电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端接信号地；电源引脚DCOUPL(引脚40)和电容C27的一端相连，电容C27的另一端接信号地；模拟输入输出引脚XOSC_Q2(引脚23)分别与晶振X1的输出引脚(3号脚)和电容C26的一端相连；模拟输入输出引脚XOSC_Q1(引脚22)分别与晶振X1的使能控制引脚(1号脚)和电容C25的一端相连；晶振X1的电源引脚(4号脚)、电容C26的另一端、晶振X1的接地引脚(2号脚)和电容C25的另一端均接信号地；射频输出引脚RF_P(引脚25)和电容C19的一端相连，电容C19的另一端分别与电感L5的一端和电容C21的一端相连，电感L5的另一端接信号地；射频输出引脚RF_N(引脚26)和电容C20的一端相连，电容C20的另一端分别与电容C22的一端和电感L4的一端相连，电容C22的另一端接信号地；电容C21的另一端、电感L4的另一端和电感L6的一端相连于一处，电感L6的另一端分别与电容C23的一端和电感L7的一端相连，电容C23的另一端接信号地，电感L7的另一端分别与电容C24的一端和天线A1的输入引脚1号脚相连，电容C24的另一端接信号地，天线A1的两个接地引脚(2号脚和3号脚)均接信号地。

如图7所示，所述触觉振动模块包括振动电机B1、驱动芯片A1442和电容C33，当微控制器MKL26接收到操作者前臂的肌电信号和IMU信号一定时间t1后，微控制器MKL26通过控制驱动芯片A1442的～SLEEP引脚来驱动振动电机B1，通过振动的方式提示操作者该手势已经完成，可以放松肌肉或者进行下一个手势的操作。驱动芯片A1442的电源引脚VDD(引脚1)和电容C33的一端均与+2.5V相连；接地引脚GND(引脚4)和电容C33的另一端均接数字地；睡眠引脚(引脚2)和MKL26的输入输出引脚PTA12(引脚28)相连；输出引脚VOUT1和VOUT2分别与振动电机B1的两端相连。