对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备的制造方法
【专利说明】对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备
[0001 ] 本申请是申请号为201080044713.8、PCT国际申请日为2010年8月6日、发明名称为“对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及对身体或目标的运动或动作或声音敏感的控制接口装置，尤其是可与语音控制相结合的手势动作和/或触控控制接口装置。本发明也涉及该装置中使用的控制接口方法以及使用这种装置的控制设备。
[0003]发明领域尤其但非限制性地是手势动作和/或触控以及可能的语音人机接口领域，其可实时判断身体、手、手指或目标的远距离运动或动作直至接触，这些运动或动作与语音请求结合或不结合，以执行一个或多个控制指令。
【背景技术】
[0004]相对于使用者作用于机械传感器例如键盘按键或转换器的接口来说，人机接口称为虚接口，即手势动作和/或触控及语音接口，涉及到手势动作接口和工作表面时，往往是三维摄像机，涉及到触控接口时，常常是透明的，集成在显示器上。这些触控接口以“触控屏”广泛用于多种工业应用和大众应用，例如用于智能电话、住宅自动化信息管理或游戏接
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[0005]显示器例如可显示键盘或软件接口，其图像随着对使用者的动作的反应而变化，一般包括手指或笔在显示器的表面上的位移、轻轻敲击或持久接触，以执行控制指令。近来研发出手势动作接口，以适应通信信息技术与娱乐相结合的数字产品的越来越大的复杂性。这些接口往往基于三维摄像机和图像处理，能够远距离地直至在5米处判断身体或手的动作，与显示器相互作用。
[0006]在虚拟控制装置中，也必须引用可执行声音请求的语音控制装置。在现行的触控技术中，常常使用电容技术，因为:
[0007]-其不必对显示器的表面施加机械作用，例如与电阻技术相反，
[0008]-其非常容易由直接集成于其表面的传感器网络形成显示器表面的点阵结构，这比采用例如需要高于检测表面的收发机天线阵的光学技术获得更为紧凑和坚固的集成化。
[0009]在虚接口方面，不断地在研究接近检测功能，其可形成无需任何接触的新的交互方式。因此，传感器必须能够完全精确地、具有足够分辨力地检测位移或数厘米的形状，以便可转换为控制指令。
[0010]如果在涉及到精确地检测远距离动作(超过40厘米)时光学技术难以回避，那么，电容技术被证实非常适用于无接近接触的接口，尤其是因为传感器系统可集成于非平面工作表面，例如显示器，没有死区或无需外部装置(摄像机)。
[0011]在电容式触控接口中，最常用的技术一般基于电荷移动原理。其可获得皮可法拉数量级的灵敏度，但不适用于制造手势动作接口。实际上，其灵敏度不能检测手指的接近，因为产生的电容不超过百分之几皮可法拉。这种传感器中和电子装置中存在的寄生电容完全影响到灵敏度的提高。
[0012]此外，这些技术对电磁干扰、寄生电荷和覆盖电极的电介质的导电性非常灵敏。当空气的相对湿度大于60%时，大部分电介质变得略具导电性，电子装置产生的电荷被改变，从而干扰电容式测量。
[0013]在用于制造非触控电容式接口的技术解决方案中，公知的是采用一种似保护外壳(pseudogarde)，可使传感器和电子装置中的寄生电容大为减少。但是，这些技术在灵敏度上至多仅可获得一个数量级，这可检测到手指存在于仅数毫米的传感器敏感表面。
[0014]关于电容式手势动作接口，公知地，Vranish的文献US6847354提出使用带有有效保护外壳的电容式传感器。这种有效保护外壳用一个增益等于1的放大器形成，其在保护外壳中产生其幅值与测量电极的幅值相同的电压。
[0015]这种方法的缺陷在于电子装置由于物理原理而产生寄生电容，其相当于用于形成也称为似保护外壳的有效保护外壳的放大器的输入电容与用于激励测量电极的电路的输入电容之和。这些寄生电容易于达到皮可法拉，再加于待测量电容，其仅可表示该总数值的百分之一。
[0016]此外，电容的测量不是直接的，因为Vranish的电子装置通过一个基准电阻测定其电流，获得待测量电容的图像。该电阻产生电流的寄生相位移，其使表示待测量电容的信号的检测或解调质量大为下降。另一个缺陷是不同电极之间的串音电平。实际上，每个电极用一个运算放大器激励，所述运算放大器的增益大体上是单一的。不同放大器之间的较小增益偏差导致很大的附加寄生电容。
[0017]这些缺陷不能用每个传感器检测和辨认数厘米乃至数十厘米的目标例如手指或手的位置。
[0018]此外，用于制造手势动作接口的电容技术的研发往往是为了集成于显示器或至少基本上呈平面的表面。传感器的结构是矩阵，如US6847354中所述，且由沿栅格X-Y布置的电极结构加接口。这些技术难以使形状比较复杂的表面仪表化。
[0019]特别是，其难以适用于虚拟控制装置或不是基于装备仪器的平面而是基于其它类型的几何形状，包括例如模拟按键、按钮或适应使用者的凹槽、隆起、波纹，其中，传感器可根据不同的几何形状布置，有时布置在很厚的电介质材料之下，有时必须能够彼此独立地布置和控制。
[0020]公知地，Rozigre的文献FR2884349提出一种基于电容式传感器的系统，其只有一个测量电极。所述装置可借助于一个浮桥式电子装置用每个电极检测超过10厘米的目标。电极的测量结果由一个监控系统按顺序判读。
[0021]但是，用于装备活动器具壁的该装置专用于覆盖防碰撞应用范围，不包括手势动作接口的应用。
[0022]尽管手势动作接口具有很大的重要性，但是，鉴于心理上和安全上的原因，触摸仍然使用非常多，能够远距离检测动作的虚接口方面同样如此。实际上，一方面，触觉有助于使用者感到舒适，另一方面，触摸可在安全很重要的使用领域(医疗设备、车辆)验证有效指令。
[0023]本发明旨在提出一种手势动作接口和一种手势动作与触控接口，其由用于监控动作和掌握控制指令的装置和方法组成，其结构紧凑，可纳入多种多样的环境，完全可以:
[0024]-通过无接触位移的精确测量，预测动作，以及
[0025]-通过检测一个表面上的身体动作，安全可靠地验证指令。
【发明内容】
[0026]采用对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置，即可达到该目的，其具有:
[0027]-检测表面，
[0028]-至少一个电容式传感器，所述传感器每个都具有测量电极，其具有朝向检测表面的或基本上与所述检测表面重合的工作表面，
[0029]-用导电材料制成的保护外壳，其至少沿其基本上与工作表面相对的端面布置在测量电极附近，所述保护外壳以基本上与测量电极的交流电位相同的交流电位进行激励，
[0030]-电子装置，其用于激励测量电极，处理所述电容式传感器的信号，以提供电极工作表面和所述目标之间的距离信息。
[0031]根据本发明，
[0032]-测量电极的工作表面彼此独立，以及
[0033]-电子激励和处理装置还用于彼此独立地访问所述测量电极。
[0034]有利地，电子激励和处理装置的测量范围可同时:
[0035]-检测和识别身体或目标相对于测量电极的工作表面的相对运动，以及
[0036]-检测所述身体或所述目标与检测表面的接触。
[0037]检测空间限定为电容式传感器适于检测目标和测量距离的空间部分。
[0038]可用本发明的装置检测的目标是可用电容方式检测的目标，即基本上是导电的，且适于接地。这些目标不必通过电连接接地，而是可通过电容耦合自然接地。作为非限制性实施例，可以是带电体、手、手指或用导电材料制成的手持笔。
[0039]本发明的装置可不时地测量身体或目标的表面相对于电容式传感器的位置的形状。因此，目标或身体的运动或动作的检测非限制性地可包括其在所述空间中的位置、其路线、以及例如用于识别的其形状的分析。
[0040]有利地，电子激励和处理装置可至少一部分参考保护外壳的电位。
[0041]电子装置的这种浮桥式结构可消除寄生电容。因此，每个传感器测得的电容是在涉及的目标和电极之间直接产生的电容。所述装置的灵敏度处于最佳状态，可进行远距离测量，分辨率非常高。此外，电容式传感器和相关的电子装置可最佳地获得测量范围，或动态地获得很大的测量范围。实际上，每个电极测量的电容范围可从不到千分之一皮可法拉扩大到数皮可法拉，或者是大于1000的动态电容范围。这种动态特性可基本上以与电极尺寸有关的相同的分辨率检测远距离目标例如距离5厘米以上的手指的存在或位置、以及该手指例如对覆盖测量电极的电介质的接触和压力。这样，本发明的装置可同时通过识别接近的目标或其接近方式预测动作，且通过检测接触情况验证控制指令。
[0042]根据本发明的装置的另一个有利的实施例，每个电容式传感器仅具有一个测量电极，其独立于其它传感器的电极。因此，可根据变化非常大的几何尺寸和形状布置电极。电极的这种独立性是本发明的装置的一个特别有利的实施例，用于制造基于任意形状结构的手势动作接口，在这方面，其不同于现