基于压力传感器阵列进行手势识别的装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种手势识别的装置和方法，具体涉及一种基于压力传感器阵列的手 势识别装置与方法，属于人机交互领域。
【背景技术】
[0002] 手势识别技术的研究，是人机交互技术研究领域的重点和热点之一。手势识别技 术的输入方法主要有：基于数据手套的手势识别、基于视觉的手势识别和基于人体动作肌 电信号（SEMG)的手势识别。
[0003]基于视觉的手势识别方法简便易行，设备成本低廉，非接触式的手势动作采集方 式使交互的自然性和舒适性得到较大改善。但由于视觉的不确定性，使得它依赖于摄像机 观测的视角，具有对背景、环境变换适应性差等缺点。基于肌电信号的手势识别不受外界环 境背景变化的影响，计算量较小，具有更好的实时性。但由于肌群结构的复杂性、肌电信号 的个体差异、电极位置等影响，增加了其分类难度。
[0004] 联想(北京）有限公司于2012年8月提出一项名为"检测装置、检测方法以及电子 设备"的发明专利(专利申请号为201210308642. 9)，该发明提出一种佩戴在用户手臂上的 监测装置，其内侧安置有压力传感器阵列。该发明提出手部姿势识别的步骤为： 通过该装置检测当前由用户手臂引起的压力并产生当前压力的检测结果； 根据压力检测结果确定用户手臂或手部的姿势； 根据判断的手臂或手部的姿势来生成控制指令。
[0005] 该发明具有以下局限性： 1、 笼统地测量用户手臂引起的压力，包括手臂肌肉群、骨骼引起的压力，而没有将压力 测量的重点布置于引起用户手部各部位运动的关键部位，即通过用户腕部控制手部运动的 肌腱所在部位。从而造成与用户手部运动相关压力测量的低效率与高成本，也使得测量的 数据中包含过多无用的干扰信息而导致手势识别准确率的降低； 2、 该发明的目的仅为通过测量用户手臂压力来判断用户的手部姿势，而没有将发明的 原理扩展到代表更丰富信息内容的用户手部动作识别方面，具有较大的局限性。
【发明内容】
[0006] 为克服现有手势识别方法存在的局限性，本发明提出一种基于压力传感器阵列的 手势识别方法。
[0007] 人们复杂的手势动作是通过肌腱牵引手各部位的骨骼来完成，因此在人们手掌、 手腕等部位分布有丰富的肌腱群。仅通过人们手腕部的肌腱就有桡侧腕屈肌腱、拇长展肌 与拇短伸肌腱、桡侧腕长、短伸肌腱、拇长伸肌腱等。人们绝大多数的手势动作都与通过手 腕部肌腱群的运动有关。从手部各部位运动状态的复杂程度与对应肌腱的数目来说，用户 腕部与拇指运动对应的肌腱数目最多，相应的用户腕部与拇指部分对肌腱的运动最为敏 感。
[0008] 在用户腕部肌腱通过部位安置的压力传感器阵列，可监测到用户进行手势动作时 手腕部浅表肌腱通过皮肤作用于传感器压力引起的信号。经过对传感器获得信号的分析， 可以提取到用户手指、手掌、手腕运动的特征参数信息。根据特征参数可判断出各肌腱的松 弛紧张情况以及肌腱在表皮下的沿横向或纵向的运动情况，通过对以上情况的分析可达到 识别手部姿态与手势动作的目的，进一步可将识别的手势动作映射成各种电子设备的输入 指令。
[0009]
【附图说明】： 图1是人腕部主要肌腱分布剖面图； 图2是本发明提出腕部肌腱压力检测装置外观示意图(一）； 图3是本发明提出腕部肌腱压力检测装置外观示意图(二）： 图4是手势动作识别装置各单元连接示意图； 图5表示手势识别步骤的示意图； 图6是控制拇指伸展肌腱产生压力与拇指动作对应示意图； 图7是肌腱产生压力随时间的变化特征示意图； 图8是肌腱相对于其正常位置的偏移量特征示意图； 图9是用户有效动作识别的示意图； 图10是用户手势动作与数字字符输入的对应关系的示意图。
[0010] 图1是人腕部主要肌腱分布剖面图，人的手腕主要有骨骼1、肌腱2、皮肤3等组织 构成，现参照图1说明各肌腱与手部各部位动作之间简要的对应关系： 腕关节(桡腕关节）弯曲主要由挠侧腕屈肌腱101、尺侧腕屈肌腱102、掌长肌腱103收 缩引起；腕关节的伸展和两侧运动主要由桡侧腕长伸肌腱104、桡侧腕短伸肌腱105、尺侧 腕伸肌腱106的收缩引起。
[0011] 掌指关节(手掌与手指连接的关节）的弯曲由指浅屈肌腱107的弯曲引起，而掌指 关节的伸展由指伸肌腱108控制。
[0012] 第2-5手指的弯曲由指浅屈肌腱107控制，而其伸展由指伸肌腱108控制，其中小 指的伸展由小指伸肌腱109控制。
[0013] 拇指的弯曲由拇长屈肌腱110控制，而拇指的伸展运动由拇长展肌腱111、拇短伸 肌肌腱112、拇长伸肌肌腱113三条肌腱控制。
[0014] 图2、图3是本发明提出手势动作识别装置的外观示意图。从外观看，该手势动作 识别装置由集成处理单元4、识别装置佩戴机构5、压力传感器阵列6、可伸展部件7构成。 佩戴机构5上安置有可伸展连接部件7,可伸展连接部件7具有一定范围内的伸缩性，使得 佩戴机构5便于戴在用户的手腕部位，并使得佩戴机构内表面紧贴于用户腕部的皮肤。压 力传感器阵列6安置在佩戴机构内侧表面的腕部肌腱通过部位。集成处理单元4安置于佩 戴机构5并与压力传感器阵列电性连接。
[0015] 图4为动作识别装置各单元的连接关系示意图，本发明提出手势动作识别装置由 肌腱压力信号采集单元8、信号转换单元9、存储单元10、数据处理及手势动作识别单元11、 无线传输单元12、人机交互单元13六大部分组成。
[0016] 压力传感器阵列采集到用户腕部被检测肌腱产生的压力信号，该信号通过多路转 换器导出，被A/D转换电路转换为数字信号，通过通信电路输送给数据处理及手势动作识 别单元11，数据处理及手势动作识别单元11通过对数据的处理分析，识别用户的手势动 作，然后利用识别的手势动作执行该手势动作映射的操作指令或输入文本信息，或者通过 无线传输模块12向其它设备发出控制指令或输入文本信息。通过人机交互模块13,用户可 选择手势识别的模式或对手势识别装置操控的设备进行选择。通过储存单元10,可对用户 标准输入动作提取的特征参数信息进行储存。
[0017] 本发明提出一种基于压力传感器阵列进行手势识别的装置，包含肌腱压力信号采 集单元8,信号转换单元9、数据处理及手势动作识别单元11、存储单元10、安置识别装置的 佩戴机构5,其特征在于肌腱压力信号采集单元8的压力传感器阵列6安置在佩戴机构贴近 用户皮肤的内侧； 用户佩戴手势识别装置后，安置在佩戴机构5内侧的压力传感器阵列6,分布于用户手 腕部或接近腕部与手部运动相关肌腱(肌腱群）通过的部位。
[0018] 优选地，手势识别装置所属的佩戴机构5呈紧贴用户手腕部皮肤的环状结构分 布。
[0019] 优选地，手势识别装置所属的佩戴机构5具有可伸展连接部件7。
[0020] 优选地，手势识别装置可整合于智能手表、手环、手镯等电子设备。
[0021] 优选地，手势识别装置的压力传感器阵列6分为一列或多列。
[0022] 优选地，手势识别装置的佩戴机构5的电路板采用柔性电路板。
[0023] 优选地，手势识别装置具有无线传输模块12。
[0024] 本发明提出一种手部姿态、动作识别的方法，在用户佩戴识别装置做出各种手势 动作时，由以下步骤实现手部姿态、动作的识别(参照图5): al、数据采集：采集到用户腕部各被检测肌腱压力引起的信号；a2、特征提取：从获取的信号中提取被检测肌腱表征用户手部姿势或动作的特征数 据； 对于信号中提取的特征，应尽可能做到不同手势动作类别提取得到的特征差异明显， 便于分类，这就是特征提取环节的主要目标； 3、手势动作识别：通过对提取特征数据的分析，确认用户的手部姿态或动作。
[0025] 以上方法涉及腕部被检测肌腱产生的检测信号可由某种电学量(如电流、电压等） 表 7JK。
[0026] -种表征用户手部姿势的特征数据为腕部各