電子設(shè)備和用于電子設(shè)備的可穿戴式輸入裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電子設(shè)備和用于電子設(shè)備的可穿戴式輸入裝置。本發(fā)明可穿戴式輸入裝置包括手指動作單元和綜合處理單元，在綜合處理單元中設(shè)置有基準位置定標器、數(shù)據(jù)處理單元和通訊單元等部分；手指動作單元用于感知某一時刻手指相對于地面的動作狀態(tài)，綜合處理單元中的基準位置定標器則是提供身體等運動載體相對于地面的運動信息。手指動作單元和綜合處理單元共同形成了背景運動檢測與消隱的基本硬件結(jié)構(gòu)，由此獲取手指動作單元相對于綜合處理單元所作運動的精確信息，并處理成為可供顯示設(shè)備調(diào)用的坐標數(shù)據(jù)，從而滿足了可穿戴電子設(shè)備在靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境中輸入信息或標定光標的使用需要。本發(fā)明電子設(shè)備可以極大地促進新一代電子智能產(chǎn)品的發(fā)展和應用。
【專利說明】電子設(shè)備和用于電子設(shè)備的可穿戴式輸入裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種人機交互設(shè)備，具體地說是一種電子設(shè)備和用于電子設(shè)備的可穿戴式輸入裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前市面上常見的、利用現(xiàn)有已知技術(shù)制造的計算機、手機等產(chǎn)品的輸入設(shè)備，要么屬于分離式的鼠標、游戲桿、光筆等，要么就是集成式的觸摸屏、指點器、軌跡球等。再有就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的數(shù)據(jù)頭盔和數(shù)據(jù)手套等。無論是在實際生活中，還是在虛擬現(xiàn)實中，手都是十分重要的一個動作與感知器官。特別是在目前的計算機日常操作技術(shù)中，一般多通過手指對上述設(shè)備的敲擊、點劃或觸摸等行為方式作為人機交互的輸入方式，以形成電子設(shè)備人機交互的基本手段。但是，此類設(shè)備多是為了在固定或穩(wěn)定的應用環(huán)境中的使用而設(shè)計的。特別是，數(shù)據(jù)頭盔和數(shù)據(jù)手套等類輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)非常復雜、價格昂貴，且體積過大、攜帶不便。
[0003]隨著智能手機與平板電腦的持續(xù)發(fā)展，此類電子設(shè)備也越來越小型化，智能化，并已經(jīng)向可穿戴方向推進，以適用于日常生活中的各類場合。同時，也產(chǎn)生了一些新型的人機交互實現(xiàn)方式，形成了一些新型的輸入裝置，例如可單手操作的掌上鍵盤、手勢鍵盤、空中鼠標、手與板技術(shù)等。
[0004]然而，在運動與特別顛簸的環(huán)境中使用平板電腦、智能手機等電子設(shè)備時，劇烈的搖晃或不停的抖動，經(jīng)常使得傳統(tǒng)的觸摸屏等輸入裝置難以發(fā)揮功效。勉強的點擊，也可能會因其偏差太大、不能準確定位而難以使用。此時，即便是使用經(jīng)過改進的鼠標等輸入設(shè)備，或是采用視覺跟蹤、圖像辨識等技術(shù)，也于事無補。同樣，即便是數(shù)據(jù)手套，在此類環(huán)境中仍然使用不便。而語音辨識技術(shù)首先需要在使用過程中具有較為清晰的發(fā)音，這在保護輸入內(nèi)容的私密性方面，相對于其他幾種方式而言無疑是最差的。
[0005]對于已經(jīng)出現(xiàn)的智能眼鏡，利用現(xiàn)有的各種輸入設(shè)備均無法順利解決其運動環(huán)境下人機交互的問題。盡管智能眼鏡能將影像直接展示在佩戴者的眼前，但目前卻缺乏與操作者靈活、方便和有效的互動。
[0006]CN101581990A號專利公開了一種應用于電子設(shè)備的可穿戴式指點裝置。該裝置包括有近距離信號產(chǎn)生單元、遠距離信號產(chǎn)生單元、控制單元、定位單元和通信單元，該專利的主要內(nèi)容是將幾項現(xiàn)有技術(shù)綜合而形成的。其近距信號產(chǎn)生單元就是基于現(xiàn)有的軌跡球結(jié)構(gòu)和技術(shù)，從形成上進行了改進，使其能夠小型化，以綁定在食指上，供拇指進行操作；其遠距離信號產(chǎn)生單元則相當于直接將現(xiàn)有的、需要以抓握方式使用的空中鼠標調(diào)換一個使用位置，直接綁定到手背上使用。
[0007]該專利為了滿足類似于計算機等近距離使用、并且需要精確屏幕定位的設(shè)備，以及類似于電視機等遠距離使用、不需精確定位的設(shè)備的不同需求，通過增設(shè)一個距離判斷功能，設(shè)定遠、近兩個閾值，以進行對應于近距設(shè)備的軌跡球和對應于遠距設(shè)備的空中鼠標之間的切換。然而，因綁定在手背上的空中鼠標難以實現(xiàn)鼠標所應該具有的點擊功能，所以為了對此進行補償，該專利只得將空中鼠標的位移數(shù)據(jù)與之前存儲的樣本數(shù)據(jù)進行比較。所進行的是一種運行軌跡的比較，只有對比一致才予以確認并輸出，對比不一致就不予確認、不進行輸出。
[0008]鑒于該輸出信號只是一種“確認”信號，而不是一種可用于屏幕光標顯示的實時“位置”信號，一般只是適合較為簡單的“粗放型”控制。而且，依舊難以滿足類似步行、運動和車載環(huán)境下的抗顛簸、抗晃動的使用要求。此外，該專利僅僅依靠在形式上有所改進的軌跡球和空中鼠標，難以完成實時性要求較高的多點輸入功能。因為不可能使每個手指都戴上軌跡球裝置或是在一只手背上綁定多個鼠標并同時操作。
[0009]所以，即便是在現(xiàn)有輸入設(shè)備的基礎(chǔ)上予以進一步的改進，也難以得到更為充分和有效的提高?？梢姡斎敕绞降娜狈?，已直接影響到下一代智能設(shè)備的發(fā)展和應用，并成為其后續(xù)發(fā)展所面臨的一個新的瓶頸。
[0010]對于可穿戴電子設(shè)備而言，目前迫切需要一種新型的信息輸入方式，以真正解決將電子設(shè)備“穿戴”起來之后的操作命令或數(shù)據(jù)信息的輸入問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的之一就是提供一種用于電子設(shè)備的可穿戴式輸入裝置，以解決現(xiàn)有可穿戴電子智能產(chǎn)品缺乏使用便捷、動作可靠、輸入信息準確的人機交互設(shè)備的問題。
[0012]本發(fā)明的目的之二就是提供一種使用可穿戴式輸入裝置的電子設(shè)備，以促進新一代電子智能產(chǎn)品的發(fā)展和應用。
[0013]本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的:一種用于電子設(shè)備的可穿戴式輸入裝置，包括有:
手指動作單元，佩戴在使用者的手指上，用于檢測所佩戴手指的動作狀態(tài)，并將所檢測到的手指動作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元；
基準位置定標器，為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，或是用于無線定位的無線發(fā)射單元，用于檢測承載所述手指動作單元的手臂/人體的運動狀態(tài)，并將所檢測到的手臂/人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元；
數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)所接收的手指動作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和手臂/人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，實時解算出所述手指動作單元相對于所述基準位置定標器的運動狀態(tài)變化量的數(shù)據(jù)信息，在進行背景消減處理后，形成關(guān)聯(lián)電子設(shè)備顯示器上的顯示光標定位信息，或者形成操作關(guān)聯(lián)電子設(shè)備的輸入信息；以及
通訊單元，用以向關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備發(fā)送顯示光標定位信息，或者發(fā)送操作關(guān)聯(lián)電子設(shè)備的輸入信息；
所述基準位置定標器、所述數(shù)據(jù)處理單元和所述通訊單元共同設(shè)置在一個物理載體中，形成一個綜合處理單元；所述綜合處理單元既可佩戴在使用者的手腕部或軀干部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
[0014]本發(fā)明可穿戴式輸入裝置主要由佩戴于手指上的手指動作單元和固定在手腕、身體軀干或者身體附近某一相對穩(wěn)定之處的綜合處理單元所組成，手指動作單元用于感知某一時刻手指相對于地面的動作狀態(tài)，綜合處理單元則是提供身體等運動載體相對于地面的運動信息。手指動作單元和綜合處理單元共同形成了背景運動檢測與消隱的基本硬件結(jié)構(gòu)(簡稱“背消結(jié)構(gòu)”)，由此獲取手指動作單元相對于綜合處理單元所作運動的精確信息，并處理成為可供顯示設(shè)備調(diào)用的坐標數(shù)據(jù)，從而能夠滿足可穿戴電子設(shè)備在靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境中輸入信息或標定光標的使用需要。
[0015]所述手指狀態(tài)傳感器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，或是具備無線定位技術(shù)的信號接收裝置，以實時獲取手指動作的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成手指定位數(shù)據(jù)信息。
[0016]所述狀態(tài)信息傳輸器用于向所述數(shù)據(jù)處理單元實時傳輸手指定位數(shù)據(jù)信息。
[0017]所述基準位置定標器可以是包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，以實時獲取其所在部位的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成判斷手指動作的背景運動數(shù)據(jù)信息。
[0018]所述基準位置定標器還可以是具有無線定位功能的無線發(fā)射單元，通過無線定位方式，直接定位所述手指動作單元，相當于一個運動的“基站”。
[0019]本發(fā)明可穿戴式輸入裝置構(gòu)成一種基于微動定位檢測技術(shù)的新型信息輸入技術(shù)，基于這種技術(shù)實現(xiàn)了一種可稱為“手指狀態(tài)信息標定與傳輸器”的信息輸入新型裝置，其中，手指動作單元的外形可制成一個類似指環(huán)或頂針的形狀，戴在手指前端；而綜合處理單元可佩戴在使用者的手腕部、軀干部或人體附著物上，二者之間可以通過有線或無線的方式進行通訊連接，由此形成了一種可穿戴式輸入裝置，本發(fā)明將其簡稱為“指標器”。
[0020]對于日常生活中的靜態(tài)應用和運動過程中的動態(tài)應用而言，數(shù)據(jù)輸入的環(huán)境和要求差別很大。為此，本發(fā)明提出了 “相對狀態(tài)”和“運動辨識”的基本概念，形成了一個由手指動作單元和綜合處理單元共同實現(xiàn)的背景運動檢測與消隱的具體硬件結(jié)構(gòu)，簡稱“背消結(jié)構(gòu)”。
[0021]所謂“相對狀態(tài)”，就是手指動作單元與綜合處理單元之間的相對位置狀態(tài)。這兩個工作單元在穿戴之后，隨著人體的動作或所搭乘的交通工具的運行，可能一直處于位置不停變化的運動過程之中。但在不去刻意進行手指活動的情況下，手指與手腕之間，或是手指與軀干之間，均可因處于同一運動參照系中(即處于同樣的運動環(huán)境之中)而只因震動等原因發(fā)生相對較小的位置變動，甚至是處于相對靜止的狀態(tài)。
[0022]所謂“運動辨識”，就是以綜合處理單元為參照物，將其某一時刻與手指動作單元的相對位置作為基準，對位于手指的手指動作單元的運動狀態(tài)和軌跡所進行的辨識。即，準確辨識出手指的某個運動是由于載體帶動手指所產(chǎn)生的位置變化，還是手指自主改變與載體之間的相對位置關(guān)系所帶來的位置變化。
[0023]本發(fā)明所述的手指動作單元用于感知某一時刻手指相對于地面的動作狀態(tài)，基準位置定標器則是提供身體等運動載體相對于地面的運動信息。此時，如果需要進行信息的輸入，則簡單地通過手指的動作，探測其與基準位置定標器之間的相對變化即可辨識完成。這種輸入方式，既可在手部沒有支撐的情況下，簡單使用手指進行“比劃”實施，也可在具有支撐的情況下(例如將手放到桌面、自己的腿部或另一側(cè)的臂部)進行“點擊”實施。無論是緩慢移位還是快速叩擊，不同的運動方向與方式的綜合，可以形成一個相對于載體(如手腕)的、具有一定手指活動范圍的“三維空間”。
[0024]隨著小型封裝的三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀的復合傳感器技術(shù)的出現(xiàn)，慣性傳感等相關(guān)器件和技術(shù)日趨成熟。所以，手指動作單元和基準位置定標器均可綜合這些技術(shù)，進行加速度、速度、位移、方向、角度、時間變化等物理量的檢測。這些實測數(shù)據(jù)可以作為“第一手”數(shù)據(jù)，實時傳回與基準位置定標器共體的數(shù)據(jù)處理單元中，進行手指的運動辨識。實際上，所有這些物理量的變化均具有一定的關(guān)聯(lián)性，可以轉(zhuǎn)換為“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”的形式，以供后續(xù)處理。
[0025]在本發(fā)明中，不僅手指動作單元定位是必須的，而且基準位置定標器也是不可或缺。手指動作單元記錄的是其與地面之間的絕對運動。不管是手指的獨立運動，還是甩臂、行走，身體發(fā)生的任何位移均將帶動手指的坐標發(fā)生變化，當然也包括所乘坐的車輛、電梯等運動平臺的狀態(tài)變化在內(nèi)。
[0026]所以，任何反映在手指動作單元的運動均會被悉數(shù)記錄，但這往往又不是使用者所希望得到的手指控制信號。如果基準位置定標缺失，僅靠手指動作單元，則因缺乏參照而無法產(chǎn)生有效的信息，系統(tǒng)也將無法辨識是獨立的手指位移，還是由于交通工具、人體行進所導致的環(huán)境位移而帶動的手指位移。所以，手指動作單元和基準位置定標器二者缺一不可，必須同時出現(xiàn)，同時使用。
[0027]基準位置定標器和手指動作單元中的加速度信息通過一次積分、二重積分運算和相關(guān)角速度數(shù)值的修正后，得到各自的速度、位置等參數(shù)。再經(jīng)過簡單但高速的減法運算，便可完成“背景消隱”處理，實時得到手指動作單元相對于基準位置定標器的有效的實時位
置信息。
[0028]假設(shè)某一時刻手部保持相對靜止，但手臂位置有所變化，或是身體帶動手臂發(fā)生了移動，基準位置定標器和手指動作單元的數(shù)據(jù)應該發(fā)生了同樣的變化。對于這種情況而言，盡管基準位置定標器和手指動作單元均發(fā)生了位移，但屬于二者相對地面坐標系所同步發(fā)生的“整體位移”，即手指動作單元與基準位置定標器相對于上一時刻各自的變化量是同步的、相等的。背消處理后，結(jié)果為零。
[0029]這也就說明了帶有手指動作單元的手指相對于帶有基準位置定標器的手腕沒有相對位置的變化。從而，可將手臂、身體以及車輛等載體環(huán)節(jié)所帶來的位移“干擾”信息予以消除。背景消隱法能夠精確辨識手指動作單元與基準位置定標器之間的有效相對位移，盡量減少以至使得手指不受由于身體其它部位運動所導致的定位干擾。
[0030]如果的確是手指相對于手腕的位置及狀態(tài)發(fā)生了變化，則經(jīng)過背景消隱之后，結(jié)果肯定不會為零?？梢哉J為，此時這個不為零的結(jié)果就是能夠反映變化之后的新的位置或狀態(tài)信息。
[0031]綜合處理單元與手指動作單元之間可以通過有線或無線的方式進行連接。不管手指動作單元與綜合處理單元之間連接方式如何，手指動作單元對于手指頂端的運動不應產(chǎn)生任何限制。所以，帶有手指動作單元的手指與平時一樣，是完全自由的，可以進行上下、左右、前后三個方向的隨意運動。
[0032]實際上，綜合處理單元只要相對于手指動作單元是固定的即可。所以，綜合處理單元既可以位于腕部，也可以綁定于胸前或身體的某一相對穩(wěn)定之處，或是干脆直接固定于使用者的工作環(huán)境或汽車等乘坐載體中的桌、椅等某個合適的部位。以此，盡可能地適應因應用環(huán)境所造成的手指及手部運動的空間差異，以及對其進行辨識時所需的不同“標定范圍”和“分辨率”的要求。
[0033]通過對加速度、線速度、角速度、運動時間等參數(shù)的測量，除了能夠得出靜態(tài)的位置信息外，還可反映手指的加速、勻速、方向、啟停狀態(tài)等運動狀況，以模擬常規(guī)輸入設(shè)備中的滑動、撥輪、點擊等具體的功能要求。進而，便能夠在光標所標定的特定位置進行各種操作命令的輸出。
[0034]在本發(fā)明指標器的這些輸出信號在轉(zhuǎn)換成為坐標位置信號后，可以實時傳輸?shù)骄唧w的電子設(shè)備(例如智能眼鏡)中，供其作為屏幕光標的位置信號使用；也可以傳送至手機等電子設(shè)備中，經(jīng)其處理后留作自身使用或再作他用。在定位信息的傳輸方式方面，既可以是有線傳輸，也可以是無線傳輸。
[0035]另外，在使用的過程中若是手有依托，本發(fā)明指標器便可以模擬目前筆記本電腦中的觸摸屏，即在手能夠觸及到的任何平面(例如桌面、墻壁，甚至是自己的腹部、腿部等)建立了一個基于接觸方式的“虛擬觸摸板”環(huán)境，實現(xiàn)包括完成“指端書寫”方式在內(nèi)的全部輸入功能。
[0036]本發(fā)明指標器可以模擬電腦鼠標的前后左右移動、左右鍵的點擊和滾輪的撥轉(zhuǎn)，即建立一個“虛擬鼠標器”，就好像手中把握著一個真實的鼠標一樣。進而，只要根據(jù)想象所“握住”的“鼠標”，便可做出相應的手指運動，最終使得實際的屏幕操作得以完成。甚至，同樣在沒有可供接觸的平面的情況下，即使手部沒有依托、處于懸空方式，依舊能夠完成“平動移位、點擊輸入”的輸入操作方式。
[0037]更進一步，本發(fā)明還可以再通過硬件、軟件技術(shù)的綜合和完善，結(jié)合指標器自身獨具的靈活、方便和不受周邊物體形態(tài)限制等種種特征，形成一種全新的、多功能的“指標器輸入”方式。對此亦可詳述如下。
[0038]若以綜合處理單元為參照系的原點，建立三維直角坐標或是角坐標系，可以劃分出手指在以手腕為軸時，所產(chǎn)生的不同高度或角度所對應的數(shù)個不同層面。進而，可將相對于綜合處理單元產(chǎn)生位移運動的手指動作單元進行“運動層面”的標定。每一個傳統(tǒng)的“觸摸板”或“鼠標器”均可對應于一個特定的運動層面。因此，以往基于平面的各種輸入設(shè)備和工作方式，便可非常直觀和方便地納入到立體方式的多層運行結(jié)構(gòu)之中。由此即產(chǎn)生了“多板觸摸”、“分層鼠標”或“三維輸入”的概念和相應的技術(shù)。
[0039]同樣，在系統(tǒng)中需要更多的手指動作單元或需要根據(jù)不同的運動方式、規(guī)模，進行“分組”或“分類”時，便可通過建立分級“固定”的方式，形成系統(tǒng)的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0040]隨著嵌入式計算機系統(tǒng)的體積越來越小、功耗越來越低、單個IC芯片的集成度越來越高、功能越來越強，綜合處理單元(甚至手指動作單元)完全可以不僅僅作為一個輸入設(shè)備工作，還能夠?qū)⒄麄€可穿戴系統(tǒng)的中央處理環(huán)節(jié)包容其中。即，以“腕表”形式出現(xiàn)的綜合處理單元具有了更為廣泛的功能，成為一個更為強大的信息處理綜合體。從而，無需再去依托專用的“主機”或借助現(xiàn)有的手機等類智能設(shè)備進行后續(xù)的信息處理工作。
[0041]本發(fā)明可穿戴式輸入裝置與CN101581990A專利最大的不同以及技術(shù)和應用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下五個方面:
一、本發(fā)明可穿戴式輸入裝置不是基于現(xiàn)有任何常見輸入設(shè)備的基本原理或通用方法而產(chǎn)生的。
[0042]二、在本發(fā)明可穿戴式輸入裝置中，并不需要進行輸入裝置和被控對象之間的距離判斷，在有效的信息傳輸范圍內(nèi)，無論距離遠近，使用方式完全相同。而且，因為可以使用背景消隱技術(shù)以及自主控制手部的運動，可將震動和晃動的影響降至最小。[0043]三、在本發(fā)明可穿戴式輸入裝置中，使用“虛擬鼠標”的方式與使用真實鼠標一樣，使用者可以按照使用真實鼠標的習慣，使用食指進行與真實鼠標一樣的針對左、右鍵和滾輪的“操作”。此外，使用本發(fā)明可穿戴式輸入裝置還可實現(xiàn)“虛擬觸摸板”的輸入操作。
[0044]四、本發(fā)明能夠通過三維傳感技術(shù)，徹底改變現(xiàn)有的平面鼠標運行方式，以實現(xiàn)三維虛擬鼠標。因此，有可能直接完成三維應用的需求，例如對三維立體旋轉(zhuǎn)圖形或影像等的控制。
[0045]五、在本發(fā)明可穿戴式輸入裝置中，可以分別在左、右手戴上綜合處理單元，在雙手的十指上均戴上手指動作單元。這樣，只要相應的數(shù)據(jù)處理速度能夠滿足，就可以實時完成多點、同時輸入的要求。
[0046]總而言之，本發(fā)明可穿戴式輸入裝置可有單手單指方式(如模擬一般的觸摸板和鼠標的使用)、單手多指方式(如模擬高精度的鼠標使用)和雙手多指方式(如形成數(shù)據(jù)手套的簡化和可變結(jié)構(gòu))等多種實現(xiàn)方式。對于雙手多指方式的可穿戴式輸入裝置，既可以進行啞語輸入，也可以作為鋼琴等鍵盤樂器在實時演奏過程中的指法記錄，甚至還可以在一個具有一定形狀和面積的平面上想象出一個鋼琴鍵盤，進行模擬演奏。
[0047]另外，相比于目前較為成熟的慣性傳感技術(shù)，精確的無線定位方法正處于發(fā)展過程之中，但其潛力更大。無線定位技術(shù)可以是現(xiàn)有RIPS (radio interferometricpositioning system)中的 TFIM (two frequency intervals method)的技術(shù)應用，以及類似的技術(shù)。特別是，毫米波設(shè)備的成熟化、微型化，以及太赫茲技術(shù)的出現(xiàn)，為精確的無線定位提供了無限的發(fā)展前景和各種可能。
[0048]若是在綜合處理單元中安裝有無線定位發(fā)射單元，則相當于建立一個能夠移動的“基站”。手指動作單元中安裝有無線接收和定位電路，僅在“基站”附近很小的工作范圍(即手指的活動范圍)內(nèi)有效即可，其功耗極低。這樣，綜合處理單元便可以通過無線定位技術(shù)，直接定位手指動作單元。對于單手單指方式，其運算過程還可大大簡化。而且，更容易進行雙手多指、甚至是更多輸入點數(shù)的分組處理。此時其運動辨識的方法與前述內(nèi)容完全相同。
[0049]本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的:一種電子設(shè)備，包括一個電子設(shè)備終端和可穿戴式輸入裝置；所述可穿戴式輸入裝置包括有:
手指動作單元，佩戴在使用者的手指上，用于檢測所佩戴手指的動作狀態(tài)，并將所檢測到的手指動作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元；
基準位置定標器，為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，或是用于無線定位的無線發(fā)射單元，用于檢測承載所述手指動作單元的手臂/人體的運動狀態(tài)，并將所檢測到的手臂/人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元；
數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)所接收的手指動作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和手臂/人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，實時解算出所述手指動作單元相對于所述基準位置定標器的運動狀態(tài)變化量的數(shù)據(jù)信息，在進行背景消減處理后，形成關(guān)聯(lián)電子設(shè)備顯示器上的顯示光標定位信息，或者形成操作關(guān)聯(lián)電子設(shè)備的輸入信息；以及
通訊單元，用以向關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備發(fā)送顯示光標定位信息，或者發(fā)送操作關(guān)聯(lián)電子設(shè)備的輸入信息；
所述基準位置定標器、所述數(shù)據(jù)處理單元和所述通訊單元共同設(shè)置在一個物理載體中，形成一個綜合處理單元；所述綜合處理單元既可佩戴在使用者的手腕部或軀干部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
[0050]所述手指狀態(tài)傳感器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，或是具備無線定位技術(shù)的信號接收裝置，以實時獲取手指動作的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成手指定位數(shù)據(jù)信息；
所述狀態(tài)信息傳輸器用于向所述數(shù)據(jù)處理單元實時傳輸手指定位數(shù)據(jù)信息。
[0051]所述基準位置定標器可以是包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，以實時獲取其所在部位的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成判斷手指動作的背景運動數(shù)據(jù)信息。
[0052]所述基準位置定標器還可以是具有無線定位功能的無線發(fā)射單元，通過無線定位方式，直接定位所述手指動作單元。
[0053]這種電子設(shè)備可以極大地促進新一代智能電子產(chǎn)品的發(fā)展和應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0054]圖1是本發(fā)明可穿戴式輸入裝置的基本構(gòu)成框圖。
[0055]圖2是本發(fā)明可穿戴式輸入裝置的基本結(jié)構(gòu)及佩戴方式示意圖。
[0056]圖3是指標器“整體位移”狀態(tài)示意圖。
[0057]圖4是指標器“相對位移”狀態(tài)示意圖。
[0058]圖5是本發(fā)明可穿戴式輸入裝置的工作流程圖。
[0059]圖6是指標器的“指端書寫”工作方式示意圖。
[0060]圖7是指標器作為虛擬鼠標器及其“把握”方式示意圖。
[0061]圖8是本發(fā)明可穿戴式輸入裝置的一種實施方式的構(gòu)成框圖。
[0062]圖9是單手多指指標器的使用狀態(tài)圖。
[0063]圖10是基于雙手多指方式的啞語輸入器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0064]圖11是基于雙手多指方式的鋼琴演奏指法記錄器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0065]如圖1所示，本發(fā)明可穿戴式輸入裝置的基本構(gòu)成包括手指動作單元01、基準位置定標器、數(shù)據(jù)處理單元和通訊單元等部分，其中，基準位置定標器、數(shù)據(jù)處理單元和通訊單元可集中設(shè)置到一個物理載體中，形成一個綜合處理單元02。手指動作單元01可制成頂針或指環(huán)的形狀，佩戴在使用者的手指上，最好是在指尖部位(圖2)。綜合處理單元02可制成腕表、卡帶等結(jié)構(gòu)(圖2)，既可佩戴在使用者的手腕部或軀干部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
[0066]手指動作單元01用于檢測所佩戴手指的動作狀態(tài)，包括手指狀態(tài)傳感器和狀態(tài)信息傳輸器。其中，手指狀態(tài)傳感器包括角角速度傳感器、加速度傳感器等慣性傳感元件，用以產(chǎn)生手指定位數(shù)據(jù)，即，實時獲取其所在手指部位的加速度、速度、位移和位置等參數(shù)，并將所檢測到的手指運動的加速度、速度、位移等物理量的數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元。
[0067]基準位置定標器用于檢測承載手指動作單元01的手臂或人體的運動狀態(tài)，并將所檢測到的手臂或人體運動狀態(tài)的物理量的數(shù)據(jù)信息作為手指動作的背景運動信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元。基準位置定標器可以是包括角速度傳感器和加速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，以實時獲取其所在部位的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成判斷手指動作的背景運動數(shù)據(jù)信息；也可以是具有無線定位功能的無線發(fā)射單元，通過無線定位方式，直接定位所述手指動作單元。
[0068]數(shù)據(jù)處理單元對所接收的手指運動數(shù)據(jù)信息和背景運動數(shù)據(jù)信息進行背景消減處理，實時解算出手指動作單元01相對于基準位置定標器的運動狀態(tài)變化量，以實時獲得手指動作單元相對基準位置定標器的運動數(shù)據(jù)，形成位置坐標信息，從而構(gòu)成顯示屏的光標位置信息，或是作為可穿戴電子設(shè)備的輸入信息。
[0069]通訊單元與數(shù)據(jù)處理單元相接，與使用信息的電子設(shè)備進行通信，以發(fā)送光標定位信息，或發(fā)送為可穿戴設(shè)備所能夠接收的輸入信息。
[0070]本發(fā)明指標器采用背景消隱技術(shù)處理佩戴手指動作單元01的手指與安置綜合處理單元02的載體(如手腕)之間的相對運動。如果二者僅是同步發(fā)生位移，相對地面坐標系則屬于整體位移，即帶有手指動作單元01的手指相對于帶有綜合處理單元02的手腕沒有位置變化。數(shù)據(jù)處理單元使用求取差值的方法可將此類位移“干擾”信息消除(圖3)。如果是手指相對于手腕的位置及狀態(tài)發(fā)生變化，即可判為是有效的位置或狀態(tài)信息(圖4)。其具體工作流程如圖5所示。對于圖5所示的基本工作過程而言，使用現(xiàn)有的計算、通訊技術(shù)和相應的元器件已完全可以實現(xiàn)。
[0071]本發(fā)明指標器可實現(xiàn)“虛擬觸摸板”的工作方式，完成“指端書寫”在內(nèi)的各種輸入功能(圖6);也可模擬電腦鼠標，建立一個“虛擬鼠標器”，完成“平動移位、點擊輸入”的鼠標工作方式(圖7)。
[0072]本發(fā)明指標器可有單手單指方式(如模擬一般的觸摸板和鼠標的使用)、單手多指方式(如模擬高精度的鼠標使用)和雙手多指方式(如形成數(shù)據(jù)手套的簡化和可變結(jié)構(gòu))等多種實現(xiàn)方式。對于雙手多指方式的指標器，既可以進行啞語輸入，也可以作為鋼琴等鍵盤樂器在實時演奏過程中的指法記錄，甚至還可以在一個具有一定形狀和面積的平面上想象出一個鋼琴鍵盤，進行模擬演奏。
[0073]實施例1:基于單手單指方式的簡單指標器的實現(xiàn)
如圖2所示，本實施例的簡單指標器包括一個手指動作單元01和一個綜合處理單元
02。手指動作單元01包括手指狀態(tài)傳感器和狀態(tài)信息傳輸器(圖1)。綜合處理單元02包括基準位置定標器、數(shù)據(jù)處理單元、通訊單元、狀態(tài)顯示單元和電源單元等部分(圖8)。數(shù)據(jù)處理單元包括了二重積分器和位置編碼器等功能環(huán)節(jié)。
[0074]手指動作單元01中的手指狀態(tài)傳感器構(gòu)成指端慣性單元，綜合處理單元02中的基準位置定標器構(gòu)成腕部慣性單元。兩個慣性單元所產(chǎn)生的全部運動數(shù)據(jù)均傳輸至數(shù)據(jù)處理單元進行解算，所以，指端相對于腕部的運動狀態(tài)就能夠精確得出。進而，手指的前后左右運動可以轉(zhuǎn)換并等效成為某個“鼠標”在某一個“桌面”上平動，由此形成了一個“鼠標平面”(圖7)。手部在一定范圍和程度的提升或下降可以等效為另外一個“鼠標平面”，以便控制另外一個電子設(shè)備的輸入。而指端的點擊動作便可等效為“按鍵”操作。
[0075]戴在腕部的綜合處理單元02，可以制成卡帶結(jié)構(gòu)，也可以制成外形類似于電子手表的結(jié)構(gòu)。從實施方案簡單、明了的角度考慮，與指端的手指動作單元01可以使用有線方式進行連接，當然也可使用無線連接。而數(shù)據(jù)處理后所形成的系統(tǒng)光標位置信息，需要經(jīng)由基于藍牙技術(shù)的通訊單元傳送至相關(guān)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備。[0076]兩個慣性單元可采用Bosch公司的9軸MEMS慣性測量單元BMX055。該芯片集成了 12位三軸加速度計、16位三軸陀螺儀和寬量程三軸磁力計，封裝尺寸為4.5X3.0X0.95_，供電電壓為2.4?3.6V，工作電流< 5mA。該芯片具有I2C和SPI接口，可以在± 2g/ ± 4g/ ± Sg/ ± 16g范圍內(nèi)提供數(shù)據(jù)輸出，以供后續(xù)處理器使用。
[0077]數(shù)據(jù)處理單元的主要功能可由Freescale公司的32位嵌入式處理器KL02予以完成。該芯片封裝尺寸為2X1.61X0.56 mm,供電電壓為1.71?3.6 V，正常工作電流在5 mA左右，并包括了一個SPI模塊和兩組I2C模塊。
[0078]Dialog半導體有限公司的DA14580藍牙無線網(wǎng)絡芯片供電電壓為3 V，運行功耗為13.2mW，數(shù)據(jù)傳輸時最大工作電流僅為4.9mA，其最小封裝尺寸為2.5X2.5X0.5mm。該芯片也具有I2C和SPI接口。
[0079]此外，如果增加一個精巧的狀態(tài)顯示單元，即可將綜合處理單元02的功能加以拓展，從而直接顯示出所有與指標器直接相關(guān)的參數(shù)。例如，數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、電池電量以及各類錯誤的提示等內(nèi)容，還可顯示時間、日期等附帶信息。狀態(tài)顯示單元可采用DENSITR0N公司的128X64點陣OLED模組，直接經(jīng)由I2C接口連接到數(shù)據(jù)處理單元，接收待顯示數(shù)據(jù)及圖形信息。其型號為DD-12864WE-4A (封裝尺寸為26.70X 19.26X 1.45mm)。其驅(qū)動器為SSD1306，并使用ST公司的ST0D1812 (供電電壓2.5?5.5 V，封裝尺寸3X3X0.8mm)構(gòu)成電源單元,提供狀態(tài)顯示單元所需的較高電壓。
[0080]本實施例可服務于不同類型的可穿戴電子設(shè)備。所以，無論是有線還是無線連接，各種類型的節(jié)點不多，傳輸距離也很近。因此，在指標器內(nèi)部各個單元之間使用I2C或SPI接口相互連接非常方便。而外部通訊在目前環(huán)境干擾不是太大的情況下，使用藍牙技術(shù)即可。否則，就需要考慮節(jié)點支持更多、單位功耗更低、抗擾能力更強的ANT方式了。
[0081]綜上所述，本實施例所述各項環(huán)節(jié)可以利用現(xiàn)有芯片和技術(shù)，在一個與CR2032紐扣電池面積近似的電路板上即可較為方便地予以實現(xiàn)。而且，可以與電池、顯示單元共同封裝于綜合處理單元02之中。在不計顯示的情況下，整個系統(tǒng)功耗僅在50mW左右，一個300mA/h的紐扣電池可以為其連續(xù)供電5個小時以上。顯示時功耗較大，僅在需要時觸發(fā)即可，平時則處于關(guān)閉狀態(tài)。如果在系統(tǒng)中再增加一些電源管理措施，則供電的持續(xù)時間可能更長。
[0082]實施例2:基于單手多指方式的復雜虛擬鼠標的實現(xiàn)
對于高精度的鼠標器而言，至少應有左鍵、右鍵、滾輪和拇指鍵，甚至還包括一個在鼠標側(cè)壁上設(shè)置的拇指鍵盤。為模擬和使用這種鼠標器，就需要從單手單指的基本方式拓展為單手多指的綜合方式，即本實施例的指標器是由I個綜合處理單元02和3個手指動作單元01所組成,如圖9所示。
[0083]本實施例的具體方案及使用方法如下:
1、在手腕處綁定一個綜合處理單元02，而且該單元支持多個手指動作單元輸入的模式，以便進行多點輸入。
[0084]2、在拇指、食指和中指的指尖或第一指節(jié)處分別佩戴手指動作單元01，這3個單元各自獨立地連接到綜合處理單元02。
[0085]3、與正常的鼠標使用方式相同，由食指負責進行“左鍵”的點擊，中指負責“右鍵”的點擊。而“滾輪”的使用需將食指移至“左鍵”和“右鍵”的位置之間進行“撥動”即可。[0086]4、拇指負責拇指鍵的輸入。因為正常鼠標的拇指鍵和拇指鍵盤的鍵數(shù)不等，從I個到十幾個都有。鍵數(shù)越多，對于手指動作單元01的精度要求就越高。
[0087]5、在“模擬鼠標”進行平移的過程中，拇指、食指和中指必須保證相對靜止，依靠手部(不是小臂)的左右擺動和上述三個手指的前后同步平移即可。因指標器是一個三維輸入設(shè)備，所以也完全能夠模擬手握物理鼠標時的“抬起”和“放下”的動作。通過相應的軟件技術(shù)，不僅可以等效實現(xiàn)現(xiàn)有物理鼠標的所有特性，還可以開發(fā)實現(xiàn)全新的“三維鼠標”的功能。使用時，手中如果握住一個類似鼠標的物體(即便是一只平放的水杯也可)，則更易于掌控和操作，即真正將其作為“鼠標”來使用。
[0088]實施例3:基于雙手多指方式的啞語輸入器的實現(xiàn)
啞語輸入器的基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。因為啞語需要通過雙手的姿勢和不同的指型、指位予以表示，所以在使用本實施例時，需要采用基于分級“固定”的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0089]此時，相對于身體真正“固定”的，是位于胸前的綜合處理單元02，稱作“一級固定”。而綁定于手腕的綜合處理單元02僅僅是相對位于手指上的手指動作單元01有所“固定”而已，相對于“一級固定”而言，仍類似于一個“手指動作單元”。所以，可稱其為“二級固定”。
[0090]利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，經(jīng)由軟件的標定和后續(xù)的辨識，可以通過“一級固定”得知雙手相互的位置關(guān)系；通過“二級固定”，則可反映出手部的形狀；再通過手指動作單元01，又可判斷雙手十個指端的位置。若是需要精確確定每個手指的指型或指位，則需在手指的每個指節(jié)處均再套裝一個手指動作單元01。而這僅僅是在原有的基礎(chǔ)上進行數(shù)量的增加而已，并不需要技術(shù)的更新。由此即可利用本發(fā)明構(gòu)成一種啞語輸入器。
[0091]實施例4:基于雙手多指方式的鋼琴演奏指法記錄器的實現(xiàn)
鋼琴演奏指法記錄器的基本結(jié)構(gòu)如圖11所示。在鋼琴等鍵盤樂器的演奏過程中，演奏者每個手指的動作都包含了位置、速度、力度、滯鍵時長、抬指高度等多項指標。而最主要的就是，在整個樂曲的演奏過程中，需要標定每個手指敲擊鍵盤時的順序和位置，以及拇指和其余4指的過指關(guān)系。鋼琴演奏指法記錄器需要準確識別并標識出演奏過程中的這些參數(shù)。
[0092]本實施例首先需要10個基本的手指動作單元01。為了盡量少地影響演奏，手指動作單元01均需套接在每根手指的第二指節(jié)處。標準的88鍵鋼琴鍵盤所有琴鍵的尺寸和位置是嚴格固定的，所以，手指動作單元01的有效工作范圍也就是確定的。
[0093]此外，演奏過程中手腕的位置和動作也很重要。所以，應在手腕處同樣綁定兩個手指動作單元01。當然，若是特別強調(diào)手腕與各個手指間的相互關(guān)系，使用綜合處理單元02更好。但這樣的話，級聯(lián)方式就會類似于實施例3。
[0094]至于演奏過程中身體的姿態(tài)以及相應的擺動方式問題，可以認為僅僅是演奏者情感抒發(fā)時的下意識表現(xiàn)，或是多見于刻意增強視覺觀感的主觀需求。而其對于純粹的聽覺效果并無實質(zhì)性的改善，可以不必考慮。如果特別需要的話，可在演奏者的頭部和胸部分別再加裝兩個手指動作單元01即可。
[0095]與實施例3不同的是，所有手指動作單元01的運動參數(shù)都是相對于鍵盤而言的，準確地說，是相對于鋼琴本體而言。所以，真正意義上的綜合處理單元02應該固定于鋼琴之上。實際上，此時將綜合處理單元02直接放置于琴蓋、掀起的鍵盤蓋板或是蓋板自帶的譜架等在演奏過程中較為穩(wěn)定之處均可。
【權(quán)利要求】
1.一種用于電子設(shè)備的可穿戴式輸入裝置，其特征是，包括有: 手指動作單元，佩戴在使用者的手指上，用于檢測所佩戴手指的動作狀態(tài)，并將所檢測到的手指動作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元； 基準位置定標器，為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，或是用于無線定位的無線發(fā)射單元，用于檢測承載所述手指動作單元的手臂/人體的運動狀態(tài)，并將所檢測到的手臂/人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元； 數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)所接收的手指動作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和手臂/人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，實時解算出所述手指動作單元相對于所述基準位置定標器的運動狀態(tài)變化量的數(shù)據(jù)信息，在進行背景消減處理后，形成關(guān)聯(lián)電子設(shè)備顯示器上的顯示光標定位信息，或者形成操作關(guān)聯(lián)電子設(shè)備的輸入信息；以及 通訊單元，用以向關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備發(fā)送顯示光標定位信息，或者發(fā)送操作關(guān)聯(lián)電子設(shè)備的輸入信息； 所述基準位置定標器、所述數(shù)據(jù)處理單元和所述通訊單元共同設(shè)置在一個物理載體中，形成一個綜合處理單元；所述綜合處理單元既可佩戴在使用者的手腕部或軀干部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
2.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的可穿戴式輸入裝置，其特征是，所述手指動作單元包括手指狀態(tài)傳感器和狀態(tài)信息傳輸器； 所述手指狀態(tài)傳感器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，或是具備無線定位技術(shù)的信號接收裝置，以實時獲取手指動作的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成手指定位數(shù)據(jù)信息； 所述狀態(tài)信息傳輸器用于向所述數(shù)據(jù)處理單元實時傳輸手指定位數(shù)據(jù)信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式輸入裝置，其特征是，所述基準位置定標器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，以實時獲取其所在部位的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成判斷手指動作的背景運動數(shù)據(jù)信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式輸入裝置，其特征是，所述基準位置定標器是具有無線定位功能的無線發(fā)射單元，通過無線定位方式，直接定位所述手指動作單元。
5.一種電子設(shè)備，其特征是，包括電子設(shè)備終端和可穿戴式輸入裝置；所述可穿戴式輸入裝置包括有: 手指動作單元，佩戴在使用者的手指上，用于檢測所佩戴手指的動作狀態(tài)，并將所檢測到的手指動作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元； 基準位置定標器，為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，或是用于無線定位的無線發(fā)射單元，用于檢測承載所述手指動作單元的手臂/人體的運動狀態(tài)，并將所檢測到的手臂/人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)處理單元； 數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)所接收的手指動作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和手臂/人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，實時解算出所述手指動作單元相對于所述基準位置定標器的運動狀態(tài)變化量的數(shù)據(jù)信息，在進行背景消減處理后，形成關(guān)聯(lián)電子設(shè)備顯示器上的顯示光標定位信息，或者形成操作關(guān)聯(lián)電子設(shè)備的輸入信息；以及 通訊單元，用以向關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備發(fā)送顯示光標定位信息，或者發(fā)送操作關(guān)聯(lián)電子設(shè)備的輸入信息；所述基準位置定標器、所述數(shù)據(jù)處理單元和所述通訊單元共同設(shè)置在一個物理載體中，形成一個綜合處理單元；所述綜合處理單元既可佩戴在使用者的手腕部或軀干部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可穿戴式輸入裝置，其特征是，所述手指動作單元包括手指狀態(tài)傳感器和狀態(tài)信息傳輸器； 所述手指狀態(tài)傳感器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，或是具備無線定位技術(shù)的信號接收裝置，以實時獲取手指動作的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成手指定位數(shù)據(jù)信息； 所述狀態(tài)信息傳輸器用于向所述數(shù)據(jù)處理單元實時傳輸手指定位數(shù)據(jù)信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可穿戴式輸入裝置，其特征是，所述基準位置定標器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內(nèi)的慣性傳感器，以實時獲取其所在部位的加速度、速度、位移和位置參數(shù)信息，形成判斷手指動作的背景運動數(shù)據(jù)信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可穿戴式輸入裝置，其特征是，所述基準位置定標器是具有無線定位功能的無線發(fā) 射單元，通過無線定位方式，直接定位所述手指動作單元。
【文檔編號】G06F3/033GK104007844SQ201410272210
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】原碩朋 申請人:原碩朋