一种自动升降桌手势识别及位置调整装置的制作方法

本发明属于自动升降桌领域，具体涉及一种自动升降桌手势识别及位置调整装置。

背景技术：

随着社会经济的发展，人们在办公室持续办公的时间越来越久，调查表明：办公室人员在工作时有1/2～2/3的时间采用坐姿工作，固定的坐姿使得脊柱受到持续性压力，导致疼痛甚至是变形。长期伏案会导致肌肉萎缩，活动能力减弱，血流缓慢，很容易患腰肌劳损、腰间盘突出等腰椎疾病。科学研究表明，只有坐姿和站姿交替工作才是科学、健康的工作方式。电动升降桌采用多路电机同步控制实现桌面的自动升降，可适应人们对不同桌面高度的要求，能方便实现站、坐交替的办公方式。

目前电动升降桌中，位置的高低只能通过按键设定，操作上不够灵活，不够人性化，而手势识别的方法能较好克服这一不足。

目前手势识别的方法，主要包括通过光学和传感器两种方式来实现。光学形式的手势识别推测的算法通常需要摄像头以及高性能信号处理计算机，包括模板匹配技术、通过统计样本特征寻找不同手势的数据规律以及深度学习神经网络技术，不符合电动升降桌的需要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自动升降桌手势识别及位置调整方法，该装置可以完成对手势的识别，对于各类人群都有较好的普适性，能够清晰准确的识别数字0-5的手势，对应升降桌的1-5档（0为高度调整下降手势），通过手势识别来同步控制多路电机，准确调整升降桌的高度。

本发明的技术方案如下：

一种自动升降桌手势识别及位置调整装置，包括两片电容传感器、主控制器、多路输出电源模块以及lcd屏，

主控制器由多路输出电源模块供电，与两片电容传感器相连接，主控制器与电容传感器之间进行通信，然后主控制器外接一块lcd屏实时显示当前的桌面高度，当手势识别区域识别到手势时，传感器的数值发生明显变化，由主控制器读取数值，解算数据的变化规律，最后得出手势判断的结果，以升降桌高度的形式显示在lcd屏上，制作6块材质相同，大小不一的极板放置在手势识别区域，5个手指中间和掌心各有一块极板，两片电容传感器均由多路输出电源模块供电，第一片电容传感器的四个通道连接食指、中指、无名指和小拇指部分的极板；第二片电容传感器的两个通道连接大拇指和掌心的极板，当手指靠近极板，对应通道的数值发生明显的下降，

主控制器判断出手势后，电机控制器pwm信号同步控制多路电机，使其以同一转速运行，立柱同步升降，最后将高度实时显示在lcd屏上，

一片电容传感器共有4个通道，主芯片u1的1脚为时钟线，由上拉电阻r2接+3.3v，同时外接到主控制器io口；主芯片u1的2脚为数据线，由上拉电阻r1接+3.3v，外接到主控制器io口，这两脚也是i2c通信协议接的管脚，主芯片u1的3脚外接晶振y1，晶振y1的3脚out接电阻r4接到主芯片u1的3脚；晶振y1的4脚接电源vdd，同时接滤波电容c9后接地；晶振y1的2脚接gnd；晶振y1的1脚e/d接下拉电阻r13后接地，主芯片u1的4脚接电源vdd；主芯片u1的5脚addr、6脚gnd、7脚pad均接地，主芯片u1的8-15脚为连接外部极板的管脚；8脚和9脚为通道0，8脚外接滤波电容c8后接地，同时接电阻r10后再接滤波电容c17后接地，9脚外接滤波电容c7后接地，同时接电阻r9后再接滤波电容c16后接地；电阻r9、电阻r10的引出端由电感l4和电容c21并联接在一起，电感l4和电容c21即构成rc振荡器，用来引起导体接近时传感器电容值的变化，主芯片u1的8脚和9脚接外部座子j4后输出，通过通道0，再外接铜箔材质的极板，主芯片u1的10脚、11脚为通道1，先后接滤波电容c5、滤波电容c6后接地，然后分别接电阻r12后接滤波电容c14再接地，接电阻r8后接滤波电容c15后再接地，然后接电感l3、电容c20构成rc振荡器，再外接座子j3输出构成通道1，再外接铜箔极板，主芯片u1的12脚、13脚先后接滤波电容c3、滤波电容c4后接地，再分别接电阻r6后接滤波电容c12接地，接电阻r7后接滤波电容c13后接地，然后接电感l2和电容c19构成rc振荡器，再外接座子j2构成通道2，连极板外部输出，主芯片u1的14脚、15脚为通道3，分别接滤波电容c1、滤波电容c2后接地，再分别接电阻r11后接滤波电容c10接地，接电阻r5后接滤波电容c11接地，然后连接电感l1和电容c18构成rc振荡器，然后接座子j1构成通道3外部连极板输出，一片电容传感器一共有0、1、2、3四个通道，

手势识别区域由一个手掌形状构成，在手指和掌心中间一共布置了6块铜箔材质的极板，分别连接两片电容传感器的6个通道，第一片电容传感器连接食指、中指、无名指和小拇指部分的极板；第二片电容传感器连接大拇指和掌心的极板，当部分手指靠近时，通道数值发生明显下降，即视为检测到了该部分的手势；

2片电容传感器的6个通道初始化值由中位值平均滤波算法和加权递推平均滤波法进行滤波处理，得到稳定的波形，然后用户在手势识别区域放置不同的手势，算法依次对食指、中指、无名指、小拇指、大拇指和掌心对应的通道数值进行判断，在手指部分如检测到通道数值发生明显的下降，则检测通道数值明显下降的变量i自加1，当检测完5个手指对应的通道后，检测掌心极板对应通道的数值的下降变化，若掌心对应通道未检测到明显的数值下降变化，则重新开始一轮检测，若检测到掌心对应通道数值小于阈值，即检测到明显变化，则输出i对应的模式，进而同步控制多路电机升降；

自动升降桌的机械结构分为桌面、支架、连接轴、电机控制器、立柱和底座六个部分，桌面通过连接轴与支架相连接，立柱中间结构为两根连杆嵌套，电机控制器控制立柱顶端的电机，整体上通过单片机对多电机的同步控制，实现自动升降桌的高度精准升降，立柱通过连接轴连接底座，为整个桌子提供稳定支撑；

桌面右上部分有lcd屏7和手势识别区域，手势识别区域能够准确识别人手势的1-5，对应设定好的高度1-5档，若识别出人手势为0，则桌面高度下降，手拿开则下降停止，桌子保持现有高度，lcd屏用于实时显示桌子高度，方便使用者时刻校正使用自动升降桌；

具体高度调整步骤如下：

第一步，在手势识别区域放置任意1-5的手势，食指位置的极板被手指贴近，通道数值发生明显下降，由主控制器读出只有食指位置的数值明显变化而其他4个手指的数值变化并不明显，主控制器识别出手势1，并进入手势1的升降模式；

第二步，多路电机同步转动，直至达到手势1对应的桌面高度，在升降的过程中，lcd屏根据初始设定的高度值和电机编码器的计算值的累和实时显示当前桌面的高度；

第三步，升降完成后，用户根据lcd屏显示的高度判断当前的高度是否满足自己的需求，如不满足，则重复第一步和第二步放置2-5和0手势组合调整桌面高度，由lcd屏读出的高度值进行校正，完成桌面高度的升降。

相比于现有技术，本发明优点和效果如下：

1）手势识别具有判断简单，操作方便，不占用桌面空间的优点。同时因为判断灵敏，高度升降也十分及时准确。

2）立柱由钢杆嵌套而成的连杆制成，承重效果好，并且高度的保持效果好，不容易出现高度的下降。

3）桌面上有一块小面积的lcd屏幕实时显示桌面的高度，方便高度的调节和掌控，使用户能根据自己所需调整桌面至自己想要的高度。

4）这种方法相比于按键调节桌面高度，简化了桌子的结构，并且比按键调节高度更加灵敏便捷，也解决了按键反应不灵，触摸经常没有反应的问题。

附图说明

图1是本发明手势识别装置的电路连接图。

图2是本发明控制多路电机升降的系统框图。

图3是本发明电容传感器fdc2214的原理图。

图4是本发明手势识别区域的铜箔极板位置图。

图5是本发明手势识别算法判断的流程图。

图6是本发明升降桌机械结构示意图。

图7是本发明升降桌的桌面布局示意图。

图8是本发明的手势识别装置单个手指接近对应的极板后各个通道的数值变化波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明由两片电容传感器fdc2214，主控制器stm32f103vet6，3.3v、5v多路输出电源模块，一个lcd屏组成。

如图1所示，主控制器stm32由多路输出电源模块供电，与两片电容传感器fdc2214相连接，主控制器与传感器之间通过i2c协议进行通信。然后主控制器外接一块lcd屏实时显示当前的桌面高度。当手势识别区域识别到手势时，电容传感器的数值发生明显变化，由主控制器读取数值，解算数据的变化规律，最后得出手势判断的结果，以升降桌高度的形式显示在lcd屏上。为了识别手势制作了6块材质相同，大小不一的极板放置在手势识别区域，5个手指中间和掌心各有一块极板。两片电容传感器fdc2214均由多路输出电源模块供电，第一片fdc2214的四个通道连接食指、中指、无名指和小拇指部分的极板；第二片fdc2214的两个通道连接大拇指和掌心的极板，当手指靠近极板，对应通道的数值发生明显的下降。

如图2所示，主控制器判断出手势后，电机控制器pwm信号同步控制多路电机，使其以同一转速运行，立柱同步升降，再通过pid算法补偿电机转速，使得桌子升降的高度更为精确，最后将高度实时显示在lcd屏上。

如图3所示，电容传感器fdc2214共有4个通道，主芯片u1的1脚为时钟线，由上拉电阻r2接+3.3v，同时外接到主控制器io口；u1的2脚为数据线，由上拉电阻r1接+3.3v，外接到主控制器io口，这两脚也是i2c通信协议接的管脚。芯片u1的3脚外接一个40mhz的晶振，晶振y1的3脚out接电阻r4接到u1的3脚；y1的4脚接电源vdd，同时接滤波电容c9后接地；y1的2脚接gnd；1脚e/d接下拉电阻r13后接地。芯片u1的4脚接电源vdd；5脚addr、6脚gnd、7脚pad均接地。芯片u1的8-15脚为连接外部极板的管脚；8脚和9脚为通道0，8脚外接滤波电容c8后接地，同时接电阻r10后再接滤波电容c17后接地，9脚外接滤波电容c7后接地，同时接电阻r9后再接滤波电容c16后接地；电阻r9、r10的引出端由电感l4和电容c21并联接在一起，电感l4和电容c21即构成rc振荡器，用来引起导体接近时传感器电容值的变化。8脚和9脚接外部座子j4后输出，通过通道0，再外接铜箔材质的极板。芯片u1的10脚、11脚为通道1，先后接滤波电容c5、c6后接地，然后分别接电阻r12后接滤波电容c14再接地，接电阻r8后接滤波电容c15后再接地，然后接电感l3、电容c20构成rc振荡器，再外接座子j3输出构成通道1，再外接铜箔极板。芯片u1的12脚、13脚先后接滤波电容c3、c4后接地，再分别接电阻r6后接滤波电容c12接地，接电阻r7后接滤波电容c13后接地，然后接电感l2和电容c19构成rc振荡器，再外接座子j2构成通道2，连极板外部输出。芯片u1的14脚、15脚为通道3，分别接滤波电容c1、c2后接地，再分别接电阻r11后接滤波电容c10接地，接电阻r5后接滤波电容c11接地，然后连接电感l1和电容c18构成rc振荡器，然后接座子j1构成通道3外部连极板输出。总体上，一片fdc2214电容传感器一共有0、1、2、3四个通道，本发明中一共用到了2片fdc2214的6个通道。

如图4所示，手势识别区域由一个手掌形状构成，在手指和掌心中间一共布置了6块铜箔材质的极板，分别连接两片fdc2214的6个通道。第一片fdc2214连接食指、中指、无名指和小拇指部分的极板；第二片fdc2214连接大拇指和掌心的极板。当部分手指靠近时，通道数值发生明显下降，即视为检测到了该部分的手势。

如图5所示，2片fdc2214的6个通道初始化值为800（ad值，模数转换后的数值），并由中位值平均滤波算法和加权递推平均滤波法进行滤波处理，得到稳定的波形。然后用户在手势识别区域放置不同的手势，算法依次对食指、中指、无名指、小拇指、大拇指和掌心对应的通道数值进行判断，在手指部分如检测到通道数值发生明显的下降，则检测通道数值明显下降的变量i自加1。当检测完5个手指对应的通道后，检测掌心极板对应通道的数值的下降变化，若掌心对应通道未检测到明显的数值下降变化，则重新开始一轮检测，若检测到掌心对应通道数值小于阈值720，即检测到明显变化，则输出i对应的模式，进而同步控制多路电机升降。

如图6所示，自动升降桌的机械结构分为桌面、支架、连接轴、电机控制器、立柱和底座六个部分。桌面1通过连接轴2与支架3相连接，通过螺丝螺栓固定。立柱4中间结构为两根连杆嵌套，电机控制器5控制立柱4顶端的电机，整体上通过单片机对多电机的同步控制，实现自动升降桌的高度精准升降。立柱4通过连接轴连接底座6，为整个桌子提供稳定支撑。

如图7所示，桌面右上部分有lcd屏7和手势识别区域8。手势识别区域8能够准确识别人手势的1-5，对应设定好的高度1-5档。若识别出人手势为0（即握拳手势），则桌面高度下降，手拿开则下降停止，桌子保持现有高度。lcd屏7用于实时显示桌子高度，方便使用者时刻校正使用自动升降桌。

如图8所示，当手指接近对应位置的极板时，该通道的数值发生明显的下降。由初始化的800下降到700，而其他通道的数值仅在780左右，所以根据这一变化特性，可以设定阈值为720，来准确判断手指是否接近对应的极板。

具体的高度调整包括如下步骤。

第一步，在手势识别区域放置任意1-5的手势（例如放置手势1），食指位置的极板被手指贴近，通道数值发生明显下降到700左右，由主控制器可以明显读出只有食指位置的数值明显变化而其他4个手指的数值变化并不明显，所以主控制器识别出手势1，并进入手势1的升降模式。

第二步，多路电机同步转动，直至达到手势1对应的桌面高度。在升降的过程中，lcd屏幕根据初始设定的高度值和电机编码器的计算值的累和实时显示当前桌面的高度。

第三步，升降完成后，用户根据lcd屏显示的高度判断当前的高度是否满足自己的需求。如不，则重复第一步和第二步放置2-5和0手势组合调整桌面高度，由lcd屏读出的高度值进行校正，完成桌面高度的升降。

利用主控制器stm32f103vet6读取2片fdc2214的6个通道的数值，读取周期为20ms。fdc2214的工作原理为每当有导体靠近感应极板时，电容极间的介质会发生变化，即传感器通道的数值发生明显变化。当手靠近极板时，主控制器检测到通道的数值发生明显下降，即视为识别到这部分手指。0手势（即控制下降的手势，也是握拳的手势）判断到掌心数值明显下降而其他极板数值并未产生明显变化则进入0手势对应的控制模式，即0手势完成识别。手势1的判断方法为只有一个通道的数值发生明显变化（符合大众认知的常为食指位置的极板对应的通道数值发生明显下降）而其他四个手指的变化并不明显即视为判断出手势1；手势2的判断方法为主控制器判断出两个通道的数值发生变化（符合大众认知的常为食指和中指位置的极板对应的通道的数值发生明显下降）而其他三个手指的通道数值并未产生明显变化；手势3的判断方法为主控制器判断出三个手指的通道数值发生明显下降（符合大众认知的常为食指、中指、无名的通道数值明显变化或中指、无名指、小拇指的通道数值明显变化）而其他两个手指对应的通道数值并未产生明显变化；手势4的判断方法为主控制器判断出4个手指的通道数值发生明显下降（符合大众认知的常为食指、中指、无名指、小拇指对应的通道数值发生明显变化）而另一个手指对应的通道数值并未产生明显变化；手势5的判断方法为主控制器判断出5个手指对应的通道数值均发生明显的下降。以此方法完成对手势的识别，进而控制升降桌的高度。

由于fdc2214电容传感器数值非常灵敏，即外界微小的变化都会引起该传感器通道数值发生改变，所以在算法中每次启动装置，需要对传感器的值进行初始化，通过这样的操作可以保证传感器的数值维持在一个稳定状态，判断手势引起的通道数值下降也非常容易。另一方面，在手掌靠近和远离的过程中，有时会因为环境的影响而导致传感器的数值发生一个较大的跳变，所以需要加入滤波算法。选择中位值平均滤波算法和加权递推平均滤波法，这两种滤波算法的优点在于可以消除偶然出现的脉冲性干扰导致的采样值偏差，此种滤波算法的结合效果明显，得到的传感器数值稳定，波形十分平稳。

当某个手指贴近对应的极板时，该通道的数值发生明显下降，该手指接近极板的判断方法为设定阈值法。由图7可以看出，由于fdc2214各个通道设定的初始化值为800，当手指贴近对应的极板，该通道数值下降为700左右，而其他通道数值在780左右。根据fdc2214电容传感器的这一特性，设定阈值为720，即主控制器stm32检测到通道数值小于720是即判定该位置手指贴近了极板。其他位置的极板对应的通道数值变化不明显，则主控制器判断出其他位置的手指并未接近极板，以此方法来准确判断数字0-5的手势。由于对各个通道进行相同的初始化方法，所以各个通道的变化规律都是相同，所以对2片fdc2214电容传感器的6个通道均设定720的阈值来判断。若读取的通道数值小于720，则视为该部分的手指接近了该区域的极板。这种设定阈值的方法优点在于判断结构简单，并且准确度高。

由主控制器stm32f103vet6外接一块lcd屏幕，通过设定高度的初始值和电机编码器转速乘以运行时间计算出升降的高度，得到当前位置桌子的高度，并在lcd屏幕上实时显示。用户可以根据当前桌子的位置进行调整，放置不同的手势直至调整到自己所需要的高度。

主控制器控制多路电机同步转动，根据判断出的不同手势进入不同的高度升降的模式，由pid算法补偿电机转速，提高升降的位置精度。

手势识别的方式为用户依据手势识别区域的形状将对应手势放在识别区域，系统根据各部分手指的接近程度完成对手势的判断。

主控制器通过算法判断手势，其方法为根据电容传感器fdc2214的特性，当有导体接近传感器时，传感器的数值发生明显下降，越近则数值下降的越多。通过算法检测这种下降变化，即可感应出哪些手指贴近了手势识别区域，进而完成对手势的判断。

0手势为下降调整高度手势是指当系统判断出0手势后，电机转动带动连杆叠合，并且在识别出0手势的这段时间内持续保持转动，从而完成高度的不断下降，当手掌拿开主控制器识别不到0手势后，电机停止转动，下降停止，桌子保持现有高度。

1-5档对应的高度根据桌子的最大和最小高度进行设计，在使用时就已经设计好了桌子1-5档对应的高度，用户只需通过手势识别对自己需要的高度进行调节即可。

桌子的升降方式由立柱内部的两根钢杆嵌套构成连杆的结构实现，电机转动带动连杆升降，电机由电机控制器pwm信号控制，再由pid算法进行转速补偿，提高升降的位置精度。