CN107479716A - 一种基于电容感应的手势识别*** - Google Patents

一种基于电容感应的手势识别*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于电容感应的手势识别***，该***包括感应电极组件、电学屏蔽层、用于与人体皮肤触接的导电材料层和识别控制电路，感应电极组件固定安装在可穿戴主体背离人体皮肤的一侧，感应电极组件与识别控制电路电连接，导电材料层固定安装在可穿戴主体触接人体皮肤的一侧，导电材料层与识别控制电路的用户地线电连接。电学屏蔽层位于感应电极组件与导电材料层之间。电学屏蔽层与识别控制电路的***地线电连接，识别控制电路向电学屏蔽层发送地线驱动电压信号。应用本发明可实现低阻抗连接、电学屏蔽、消除电学连接耦合效应。

Description

一种基于电容感应的手势识别***
技术领域
本发明涉及手势识别***技术领域，具体的，涉及一种基于电容感应的手势识别***。
背景技术
手势识别的技术正在逐渐成熟，现在大部分消费类应用都在试图增加这一识别功能，无论是智能家居，智能可穿戴、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等应用领域，增加了手势识别控制功能，必能成为该应用产品的一大卖点。手势识别可以带来很多的好处，功能炫酷，操作方便，在很多应用场合都起到了良好的助力功能。
现有的手势识别***中，一种利用摄像头对人体手部运动进行特征分析从而起到手势识别的作用。另一种是借助传感器进行感应分析，从而获得手势操作。
然而，通过摄像装置拍摄的图像、视频对用户手势进行识别，对电子设备的图像处理能力、图像识别能力提出了很高的要求，并且，电子设备对图像进行识别时，也需要占用大量的硬件资源，例如需要大量的CPU资源以及内存资源，有时候导致电子设备运行缓慢。
因此，人们提出在包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和智能手表在内的设备中集成基于电容感应的远距离手势识别***，从而检测识别用户手掌/手臂姿势功能的实现方案，实现该***功能需要解决如下问题：1、在手势识别***地线和用户之间直接建立电容传感器工作频率上的低阻抗连接；2、在手势识别***与用户的非待测身体部位之间实现电学屏蔽；3、电容手势识别***和设备内其他***之间电学连接的耦合问题；4、在设备体积受限的情况下，实现三维空间内手势识别；5、辨别非待测身体部位移动产生的干扰信号，并与待测身体部位（手掌/手臂）对应的信号进行区分。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现低阻抗连接、电学屏蔽、消除电学连接耦合效应的基于电容感应的手势识别***。
为了实现上述目的，本发明提供的基于电容感应的手势识别***包括感应电极组件、用于与人体皮肤触接的导电材料层和识别控制电路，感应电极组件固定安装在可穿戴主体背离人体皮肤的一侧，感应电极组件与识别控制电路电连接，导电材料层固定安装在可穿戴主体触接人体皮肤的一侧，导电材料层与识别控制电路的用户地线电连接。
由上述方案可见，本发明基于电容感应的手势识别***通过设置感应电极组件以及与人体皮肤触接的导电材料层，使感应电极组件以及人体形成电容的两极，当手臂靠近穿戴装置上的感应电极组件时形成电容感应的效果，通过判断感应电压的变化判断手臂或手掌之间的移动从而确定手势操作。另外，导电材料层通过直接与人体皮肤触接，可减小***连接的阻抗，提高***的感应精度。
进一步的方案中，基于电容感应的手势识别***还包括：电学屏蔽层，电学屏蔽层位于感应电极组件与导电材料层之间；电学屏蔽层与识别控制电路的***地线电连接，识别控制电路向电学屏蔽层发送地线驱动电压信号。
由此可见，由于感应电极组件与导电材料层之间的距离较小，两者之间同样会存在电容感应的效果，同时，感应电极组件与导电材料层附近区域的人体皮肤之间同样存在电容感应效应，会对手势的判别存在较大的影响，因此，在感应电极组件与导电材料层之间设置电学屏蔽层，同时识别控制电路向电学屏蔽层发送地线驱动电压信号，使电学屏蔽层加上了与感应信号同频率的电压信号，于是他们与感应电极之间不会有电场线，从而屏蔽导电材料层及其附近区域的人体皮肤，起到屏蔽干扰的效果。
进一步的方案中，电学屏蔽层包括可穿戴装置控制电路层和电学加强屏蔽层，可穿戴装置控制电路层位于电学加强屏蔽层位与导电材料层之间；可穿戴装置控制电路层的地线和电学加强屏蔽层分别与识别控制电路的***地线电连接，识别控制电路分别向可穿戴装置控制电路层和电学加强屏蔽层发送地线驱动电压信号。
由此可见，可穿戴主体通常会设置有独立的可穿戴设备识别控制电路层，将可穿戴设备识别控制电路层设置在电学加强屏蔽层与导电材料层之间，避免可穿戴设备识别控制电路层与感应电极组件之间引发的边缘效应，对识别***造成干扰。同时，识别控制电路分别向可穿戴装置控制电路层和电学加强屏蔽层发送地线驱动电压信号，使可穿戴设备识别控制电路层的地线和电学加强屏蔽层分别与感应电极组件所感应的感应信号的频率相同步，从而消除意外的耦合效应。
具体的方案中，电学屏蔽层通过具有隔离器的有线通信电路与识别控制电路进行信息交互；电学屏蔽层的地线通过第一缓冲器与识别控制电路的***地线电连接。
由此可见，电学屏蔽层通过有线通信电路与识别控制电路进行信息交互时，需在有线通信电路设置隔离器，进行信号隔离，防止识别控制电路获取感应电极组件所感应的感应信号收到干扰。
另一具体的方案中，电学屏蔽层通过无线通信电路与识别控制电路进行信息交互；电学屏蔽层的地线与识别控制电路的***地线电连接，识别控制电路的用户地线通过第二缓冲器与识别控制电路的***地线电连接。
由此可见，无线通信电路本身存在有信号隔离的效果，因此在使用无线通信电路进行信息交互时，不需要设置隔离器。此外，通过设置缓冲器向可穿戴装置控制电路层的地线发送地线驱动电压信号，用以进一步增强信号，进一步削弱可穿戴设备识别控制电路层的地线与感应电极组件之间的耦合效应。
进一步的方案中，感应电极组件包括梯台载体、顶部感应电极以及侧面感应电极，梯台载体的底面固定在可穿戴主体上，梯台载体的顶部固定有至少一个顶部感应电极，梯台载体的四个侧面分别固定有至少一个侧面感应电极；顶部感应电极以及侧面感应电极分别与识别控制电路电连接。
由此可见，如果所有感应电极在一个平面内，则不同感应器间的距离太近,不同感应电极之间对感应区域的区分度不够明确,利用立体的梯台排布方式可以将不同感应电极的感应区域进一步分开,从而更好的识别手势。
进一步的方案中，基于电容感应的手势识别***还包括：重力感应器，重力感应器固定安装在可穿戴主体上；重力感应器向识别控制电路发送采集信息。
由此可见，在可穿戴主体上设置陀螺仪或加速度计，可辨别非待测身体部位（如，固定可穿戴主体的头部）移动产生的干扰信号，并与待测身体部位（手掌/手臂）对应的信号进行区分，陀螺仪和加速度计提供的信息也能够与感应电极的感应信息相互补充，提供更丰富的用户体验。
进一步的方案中，导电材料层为柔性导电材料层。
由此可见，导电材料层使用柔性导电材料，更容易根据人体皮肤的生理曲度进行贴合皮肤，进一步降低导电材料层与人体间的阻抗，提高***性能。
附图说明
图1是本发明基于电容感应的手势识别***实施例的结构原理图。
图2是本发明基于电容感应的手势识别***实施例的结构原理图。
图3是本发明基于电容感应的手势识别***实施例中可穿戴装置控制电路层与识别控制电路的一种地线连接原理图。
图4是本发明基于电容感应的手势识别***实施例中可穿戴装置控制电路层与识别控制电路的另一种地线连接原理图。
图5是本发明基于电容感应的手势识别***实施例中感应电极组件一个视角的结构框图。
图6是本发明基于电容感应的手势识别***实施例中感应电极组件另一个视角的结构框图。
图7是本发明基于电容感应的手势识别***实施例中重力感应器的安装示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
本发明基于电容感应的手势识别***位应用于诸如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和智能手表在内的可穿戴设备中，用于实现检测识别用户手掌或手臂姿势的功能。
如图1所示，本实施例基于电容感应的手势识别***包括感应电极组件1、电学屏蔽层2、用于与人体皮肤5触接的导电材料层4和识别控制电路6，感应电极组件固定安装在可穿戴主体3背离人体皮肤5的一侧，感应电极组件1与识别控制电路6电连接，导电材料层4固定安装在可穿戴主体3触接人体皮肤5的一侧，导电材料层4与识别控制电路6的用户地线电连接。
优选的，可穿戴主体3为非导电材料制成；导电材料层4为柔性导电材料层，例如，导电布或导电泡沫等。电学屏蔽层2位于感应电极组件1与导电材料层4之间。电学屏蔽层1与识别控制电路6的***地线电连接，识别控制电路6向电学屏蔽层2发送地线驱动电压信号。识别控制电路6的用户地线用于与导电材料层4电连接，从而使人体皮肤5与感应电极组件1形成电容的两极。识别控制电路6的***地线是识别控制电路6中的负极线路。需要说明的是，可穿戴主体3仅用于固定本***中各部件的作用，在没有可穿戴主体3的情况下，本***的各部件按上述的空间排列结构也可以实现相同的效果。
其中，电学屏蔽层2可以是外设独立的导电结构层，例如，覆铜的印刷电路板或者独立的电子电路模块等。电子屏蔽层2可以由可穿戴主体3所包裹，可穿戴主体3作为隔离层将电子屏蔽层2与其他电路隔离，避免与其他电路出现短接的情况。电子屏蔽层2也可以独立设置在可穿戴主体3的外部，但需处于感应电极组件1与导电材料层4之间的空间结构层，用于屏蔽感应电极组件1与导电材料层4或非待测身体部分之间的感应信号。
参见图2，本实施例中，电学屏蔽层2包括电学加强屏蔽层21和可穿戴装置控制电路层22，可穿戴装置控制电路层22位于电学加强屏蔽层位21与导电材料层4之间。其中，电学加强屏蔽层21可以是外设独立的导电结构层，如覆铜的印刷电路板。可穿戴装置控制电路层22可设置用以控制可穿戴装置的可穿戴装置控制电路，还可以设置其他独立的电子电路，如手机、投影装置和运动检测模块等。可穿戴装置控制电路层22的地线和电学加强屏蔽层21分别与识别控制电路6的***地线电连接，识别控制电路6分别向可穿戴装置控制电路层22和电学加强屏蔽层21发送地线驱动电压信号。
对于本领域的技术人员来说，本发明的电学屏蔽层2可以仅用可穿戴装置控制电路层21也可以实现感应电极组件1与导电材料层4或非待测身体部分之间的屏蔽效果，电学加强屏蔽层21可用于进一步防止可穿戴装置控制电路层21与感应电极组件1之间出现的耦合效应。
本发明的电学屏蔽层2的电路在需要与识别控制电路6进行信息交互时，可通过有线传输的方式或无线传输的方式与识别控制电路6进行信息交互。
参见图3，电学屏蔽层2通过具有隔离器（未示出）的有线通信电路7与识别控制电路6进行信息交互。其中，隔离器包括电感互偶、电容互偶、电感性等元器件，用以进行电学屏蔽层2与识别控制电路6的信号隔离。电学屏蔽层2的地线通过第一缓冲器9与识别控制电路6的***地线电连接。识别控制电路6通过感应电极组件1和人体手臂之间获取到感应信号后，通过第一缓冲器9驱动电学屏蔽层2的地线，使电学屏蔽层2的地线与感应信号的频率相同步，消除电学屏蔽层2与感应电极组件1之间的耦合效应。另外，有线通信电路7中的隔离器也需要工作于感应信号的工作频率上，进一步消除耦合效应。
参见图4，电学屏蔽层2通过无线通信电路70与识别控制电路6进行信息交互。无线通信电路70包括蓝牙模块或WiFi模块等无线通信电路。电学屏蔽层2的地线与识别控制电路6的***地线电连接，识别控制电路6的用户地线通过第二缓冲器90与识别控制电路6的***地线电连接。由于无线通信电路70进行信息交互，电学屏蔽层2与识别控制电路6之间的电路可起到信号隔离的作用，因而不再需要使用隔离器。在不使用隔离器的情况下，将电学屏蔽层2与识别控制电路6的***地线相连，并通过与识别控制电路6的用户地线连接的第二缓冲器90进行驱动，使得电学屏蔽层2的地线上的电压与感应信号的频率相同步，用以削弱电学屏蔽层2导致的边缘效应。第二缓冲器90的增益可以大于1，用以进一步增强信号。
参见5和图6，感应电极组件1包括梯台载体11、顶部感应电极12以及侧面感应电极13，梯台载体11的底面固定在可穿戴主体3上，梯台载体11的顶部固定有至少一个顶部感应电极12，梯台载体11的四个侧面分别固定有至少一个侧面感应电极13。顶部感应电极12以及侧面感应电极13分别与识别控制电路6电连接。感应电极排布于梯台载体11的顶面和四个侧面上，各个侧面的垂直方向分别指向于所搭载的感应电极的检测能力最强的方向，将不同感应电极的感应区域进一步分开,从而更好的识别手势。此设置可在体积受限的小型设备上实现对三维空间中手势的更优识别。
参见图7，本实施例中，基于电容感应的手势识别***还包括重力感应器20，重力感应器20固定安装在可穿戴主体3上，重力感应器20向识别控制电路6发送采集信息。其中，重力感应器20包括陀螺仪或加速度计。在手势识别***中添加重力感应器20，并通过重力感应器20提供的数据做出判断，用来消除穿戴有可穿戴主体3的人体由于运动而对感应信号的读数和判断产生的影响。重力感应器20提供的采集信息也能够与感应信号相互补充，从而更精准的判断出待测人体部分的动作情况。重力感应器20可集成在可穿戴设备识别控制电路层22，也可以作为独立的电子设备安装在可穿戴主体3上。重力感应器20的采集信息可以通过USB接口、UART接口、蓝牙接口等协议传输到识别控制电路6，并在识别控制电路6中完成计算，从而判断是否受到非待测身体部位运动的影响。
本发明基于电容感应的手势识别***在进行工作时，识别控制电路6获取感应电极组件1和待测身体部位之间的感应信号，通过感应信号的变化判断出待测身体部位的移动情况。同时，在获取到感应信号时，识别控制电路6根据感应信号的频率向电学屏蔽层2发送地线驱动电压信号，使电学屏蔽层2的地线上的电压与感应信号的频率相同步，从而削弱电学屏蔽层2导致的边缘效应。为了避免由于非待测身体部位移动产生的干扰信号，在获取到感应信号的同时，重力感应器20向识别控制电路6提供的采集信息，识别控制电路6根据采集信息判断是否受到非待测身体部位运动的影响，并消除非待测身体部位由于运动而对感应信号的读数和判断产生的影响，得到最终待测身体部位的运动数据。
由上述可知，本发明基于电容感应的手势识别***通过设置感应电极组件以及与人体皮肤触接的导电材料层，使感应电极组件以及人体形成电容的两极，当手臂靠近穿戴装置上的感应电极组件时形成电容感应的效果，通过判断感应电压的变化判断手臂或手掌之间的移动从而确定手势操作。另外，导电材料层通过直接与人体皮肤触接，可减小***连接的阻抗，提高***的感应精度。由于感应电极组件与导电材料层之间的距离较小，两者之间同样会存在电容感应的效果，同时，感应电极组件与导电材料层附近区域的人体皮肤之间同样存在电容感应效应，会对手势的判别存在较大的影响，因此，在感应电极组件与导电材料层之间设置电学屏蔽层，同时识别控制电路向电学屏蔽层发送地线驱动电压信号，使电学屏蔽层加上了与感应信号同频率的电压信号，于是他们与感应电极之间不会有电场线，从而屏蔽导电材料层及其附近区域的人体皮肤，起到屏蔽干扰的效果。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电容感应的手势识别***，其特征在于，包括感应电极组件、用于与人体皮肤触接的导电材料层和识别控制电路，所述感应电极组件固定安装在可穿戴主体背离人体皮肤的一侧，所述感应电极组件与所述识别控制电路电连接，所述导电材料层固定安装在所述可穿戴主体触接人体皮肤的一侧，所述导电材料层与所述识别控制电路的用户地线电连接。
2.根据权利要求1所述的基于电容感应的手势识别***，其特征在于，所述***还包括：
电学屏蔽层，所述电学屏蔽层位于所述感应电极组件与所述导电材料层之间；
所述电学屏蔽层与所述识别控制电路的***地线电连接，所述识别控制电路向所述电学屏蔽层发送地线驱动电压信号。
3.根据权利要求2所述的基于电容感应的手势识别***，其特征在于，
所述电学屏蔽层包括可穿戴装置控制电路层和电学加强屏蔽层，所述可穿戴装置控制电路层位于所述电学加强屏蔽层位与所述导电材料层之间；
所述可穿戴装置控制电路层的地线和所述电学加强屏蔽层分别与所述识别控制电路的所述***地线电连接，所述识别控制电路分别向所述可穿戴装置控制电路层和所述电学加强屏蔽层发送所述地线驱动电压信号。
4.根据权利要求3所述的基于电容感应的手势识别***，其特征在于，
所述电学屏蔽层通过具有隔离器的有线通信电路与所述识别控制电路进行信息交互；
所述电学屏蔽层的地线通过第一缓冲器与所述识别控制电路的所述***地线电连接。
5.根据权利要求3所述的基于电容感应的手势识别***，其特征在于，
所述电学屏蔽层通过无线通信电路与所述识别控制电路进行信息交互；
所述电学屏蔽层的地线与所述识别控制电路的所述***地线电连接，所述识别控制电路的所述用户地线通过第二缓冲器与所述识别控制电路的所述***地线电连接。
6.根据权利要求4或5所述的基于电容感应的手势识别***，其特征在于，
所述感应电极组件包括梯台载体、顶部感应电极以及侧面感应电极，所述梯台载体的底面固定在所述可穿戴主体上，所述梯台载体的顶部固定有至少一个所述顶部感应电极，所述梯台载体的四个侧面分别固定有至少一个侧面感应电极；
所述顶部感应电极以及所述侧面感应电极分别与所述识别控制电路电连接。
7.根据权利要求4或5所述的基于电容感应的手势识别***，其特征在于，所述***还包括：
重力感应器，所述重力感应器固定安装在所述可穿戴主体上；
所述重力感应器向所述识别控制电路发送采集信息。
8.根据权利要求4或5所述的基于电容感应的手势识别***，其特征在于，
所述导电材料层为柔性导电材料层。
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