電子設備和用於電子設備的可穿戴式輸入裝置製造方法
2023-05-31 20:10:26 1
電子設備和用於電子設備的可穿戴式輸入裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種電子設備和用於電子設備的可穿戴式輸入裝置。本發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置有基準位置定標器、數據處理單元和通訊單元等部分；手指動作單元用於感知某一時刻手指相對於地面的動作狀態，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於地面的運動信息。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體結構，由此獲取手指動作單元相對於綜合處理單元所作運動的精確信息，並處理成為可供顯示設備調用的坐標數據，從而滿足了可穿戴電子設備在靜態和動態環境中輸入信息或標定光標的使用需要。本發明電子設備可以極大地促進新一代電子智能產品的發展和應用。
【專利說明】電子設備和用於電子設備的可穿戴式輸入裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種人機互動設備，具體地說是一種電子設備和用於電子設備的可穿戴式輸入裝置。
【背景技術】
[0002]目前市面上常見的、利用現有已知技術製造的計算機、手機等產品的輸入設備，要麼屬於分離式的滑鼠、遊戲杆、光筆等，要麼就是集成式的觸控螢幕、指點器、軌跡球等。再有就是虛擬實境技術中的數據頭盔和數據手套等。無論是在實際生活中，還是在虛擬實境中，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中，一般多通過手指對上述設備的敲擊、點劃或觸摸等行為方式作為人機互動的輸入方式，以形成電子設備人機互動的基本手段。但是，此類設備多是為了在固定或穩定的應用環境中的使用而設計的。特別是，數據頭盔和數據手套等類輸入設備的結構非常複雜、價格昂貴，且體積過大、攜帶不便。
[0003]隨著智慧型手機與平板電腦的持續發展，此類電子設備也越來越小型化，智能化，並已經向可穿戴方向推進，以適用於日常生活中的各類場合。同時，也產生了一些新型的人機互動實現方式，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、空中滑鼠、手與板技術等。
[0004]然而，在運動與特別顛簸的環境中使用平板電腦、智慧型手機等電子設備時，劇烈的搖晃或不停的抖動，經常使得傳統的觸控螢幕等輸入裝置難以發揮功效。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，即便是使用經過改進的滑鼠等輸入設備，或是採用視覺跟蹤、圖像辨識等技術，也於事無補。同樣，即便是數據手套，在此類環境中仍然使用不便。而語音辨識技術首先需要在使用過程中具有較為清晰的發音，這在保護輸入內容的私密性方面，相對於其他幾種方式而言無疑是最差的。
[0005]對於已經出現的智能眼鏡，利用現有的各種輸入設備均無法順利解決其運動環境下人機互動的問題。儘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於電子設備的可穿戴式指點裝置。該裝置包括有近距離信號產生單元、遠距離信號產生單元、控制單元、定位單元和通信單元，該專利的主要內容是將幾項現有技術綜合而形成的。其近距信號產生單元就是基於現有的軌跡球結構和技術，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；其遠距離信號產生單元則相當於直接將現有的、需要以抓握方式使用的空中滑鼠調換一個使用位置，直接綁定到手背上使用。
[0007]該專利為了滿足類似於計算機等近距離使用、並且需要精確屏幕定位的設備，以及類似於電視機等遠距離使用、不需精確定位的設備的不同需求，通過增設一個距離判斷功能，設定遠、近兩個閾值，以進行對應於近距設備的軌跡球和對應於遠距設備的空中滑鼠之間的切換。然而，因綁定在手背上的空中滑鼠難以實現滑鼠所應該具有的點擊功能，所以為了對此進行補償，該專利只得將空中滑鼠的位移數據與之前存儲的樣本數據進行比較。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並輸出，對比不一致就不予確認、不進行輸出。
[0008]鑑於該輸出信號只是一種「確認」信號，而不是一種可用於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滑鼠，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隻手背上綁定多個滑鼠並同時操作。
[0009]所以，即便是在現有輸入設備的基礎上予以進一步的改進，也難以得到更為充分和有效的提高。可見，輸入方式的缺乏，已直接影響到下一代智能設備的發展和應用，並成為其後續發展所面臨的一個新的瓶頸。
[0010]對於可穿戴電子設備而言，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備「穿戴」起來之後的操作命令或數據信息的輸入問題。
【發明內容】
[0011]本發明的目的之一就是提供一種用於電子設備的可穿戴式輸入裝置，以解決現有可穿戴電子智能產品缺乏使用便捷、動作可靠、輸入信息準確的人機互動設備的問題。
[0012]本發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備，以促進新一代電子智能產品的發展和應用。
[0013]本發明的目的之一是這樣實現的:一種用於電子設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，用於檢測所佩戴手指的動作狀態，並將所檢測到的手指動作狀態數據信息傳送到數據處理單元；
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的慣性傳感器，或是用於無線定位的無線發射單元，用於檢測承載所述手指動作單元的手臂/人體的運動狀態，並將所檢測到的手臂/人體運動狀態數據信息傳送到數據處理單元；
數據處理單元，根據所接收的手指動作狀態數據信息和手臂/人體運動狀態數據信息，實時解算出所述手指動作單元相對於所述基準位置定標器的運動狀態變化量的數據信息，在進行背景消減處理後，形成關聯電子設備顯示器上的顯示光標定位信息，或者形成操作關聯電子設備的輸入信息；以及
通訊單元，用以向關聯的電子設備發送顯示光標定位信息，或者發送操作關聯電子設備的輸入信息；
所述基準位置定標器、所述數據處理單元和所述通訊單元共同設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幹部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
[0014]本發明可穿戴式輸入裝置主要由佩戴於手指上的手指動作單元和固定在手腕、身體軀幹或者身體附近某一相對穩定之處的綜合處理單元所組成，手指動作單元用於感知某一時刻手指相對於地面的動作狀態，綜合處理單元則是提供身體等運動載體相對於地面的運動信息。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體結構(簡稱「背消結構」)，由此獲取手指動作單元相對於綜合處理單元所作運動的精確信息，並處理成為可供顯示設備調用的坐標數據，從而能夠滿足可穿戴電子設備在靜態和動態環境中輸入信息或標定光標的使用需要。
[0015]所述手指狀態傳感器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內的慣性傳感器，或是具備無線定位技術的信號接收裝置，以實時獲取手指動作的加速度、速度、位移和位置參數信息，形成手指定位數據信息。
[0016]所述狀態信息傳輸器用於向所述數據處理單元實時傳輸手指定位數據信息。
[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、位移和位置參數信息，形成判斷手指動作的背景運動數據信息。
[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，相當於一個運動的「基站」。
[0019]本發明可穿戴式輸入裝置構成一種基於微動定位檢測技術的新型信息輸入技術，基於這種技術實現了一種可稱為「手指狀態信息標定與傳輸器」的信息輸入新型裝置，其中，手指動作單元的外形可製成一個類似指環或頂針的形狀，戴在手指前端；而綜合處理單元可佩戴在使用者的手腕部、軀幹部或人體附著物上，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，本發明將其簡稱為「指標器」。
[0020]對於日常生活中的靜態應用和運動過程中的動態應用而言，數據輸入的環境和要求差別很大。為此，本發明提出了 「相對狀態」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的背景運動檢測與消隱的具體硬體結構，簡稱「背消結構」。
[0021]所謂「相對狀態」，就是手指動作單元與綜合處理單元之間的相對位置狀態。這兩個工作單元在穿戴之後，隨著人體的動作或所搭乘的交通工具的運行，可能一直處於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，或是手指與軀幹之間，均可因處於同一運動參照系中(即處於同樣的運動環境之中)而只因震動等原因發生相對較小的位置變動，甚至是處於相對靜止的狀態。
[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，對位於手指的手指動作單元的運動狀態和軌跡所進行的辨識。即，準確辨識出手指的某個運動是由於載體帶動手指所產生的位置變化，還是手指自主改變與載體之間的相對位置關系所帶來的位置變化。
[0023]本發明所述的手指動作單元用於感知某一時刻手指相對於地面的動作狀態，基準位置定標器則是提供身體等運動載體相對於地面的運動信息。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，可以形成一個相對於載體(如手腕)的、具有一定手指活動範圍的「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複合傳感器技術的出現，慣性傳感等相關器件和技術日趨成熟。所以，手指動作單元和基準位置定標器均可綜合這些技術，進行加速度、速度、位移、方向、角度、時間變化等物理量的檢測。這些實測數據可以作為「第一手」數據，實時傳回與基準位置定標器共體的數據處理單元中，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聯性，可以轉換為「基礎數據」的形式，以供後續處理。
[0025]在本發明中，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，身體發生的任何位移均將帶動手指的坐標發生變化，當然也包括所乘坐的車輛、電梯等運動平臺的狀態變化在內。
[0026]所以，任何反映在手指動作單元的運動均會被悉數記錄，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生有效的信息，系統也將無法辨識是獨立的手指位移，還是由於交通工具、人體行進所導致的環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，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角速度數值的修正後，得到各自的速度、位置等參數。再經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於基準位置定標器的有效的實時位
置信息。
[0028]假設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生了移動，基準位置定標器和手指動作單元的數據應該發生了同樣的變化。對於這種情況而言，儘管基準位置定標器和手指動作單元均發生了位移，但屬於二者相對地面坐標系所同步發生的「整體位移」，即手指動作單元與基準位置定標器相對於上一時刻各自的變化量是同步的、相等的。背消處理後，結果為零。
[0029]這也就說明了帶有手指動作單元的手指相對於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節所帶來的位移「幹擾」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，儘量減少以至使得手指不受由於身體其它部位運動所導致的定位幹擾。
[0030]如果的確是手指相對於手腕的位置及狀態發生了變化，則經過背景消隱之後，結果肯定不會為零。可以認為，此時這個不為零的結果就是能夠反映變化之後的新的位置或狀態信息。
[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，手指動作單元對於手指頂端的運動不應產生任何限制。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、前後三個方向的隨意運動。
[0032]實際上，綜合處理單元只要相對於手指動作單元是固定的即可。所以，綜合處理單元既可以位於腕部，也可以綁定於胸前或身體的某一相對穩定之處，或是乾脆直接固定於使用者的工作環境或汽車等乘坐載體中的桌、椅等某個合適的部位。以此，儘可能地適應因應用環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「標定範圍」和「解析度」的要求。
[0033]通過對加速度、線速度、角速度、運動時間等參數的測量，除了能夠得出靜態的位置信息外，還可反映手指的加速、勻速、方向、啟停狀態等運動狀況，以模擬常規輸入設備中的滑動、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]在本發明指標器的這些輸出信號在轉換成為坐標位置信號後，可以實時傳輸到具體的電子設備(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備中，經其處理後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託，本發明指標器便可以模擬目前筆記本電腦中的觸控螢幕，即在手能夠觸及到的任何平面(例如桌面、牆壁，甚至是自己的腹部、腿部等)建立了一個基於接觸方式的「虛擬觸摸板」環境，實現包括完成「指端書寫」方式在內的全部輸入功能。
[0036]本發明指標器可以模擬電腦滑鼠的前後左右移動、左右鍵的點擊和滾輪的撥轉，即建立一個「虛擬滑鼠器」，就好像手中把握著一個真實的滑鼠一樣。進而，只要根據想像所「握住」的「滑鼠」，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，即使手部沒有依託、處於懸空方式，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，本發明還可以再通過硬體、軟體技術的綜合和完善，結合指標器自身獨具的靈活、方便和不受周邊物體形態限制等種種特徵，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，所產生的不同高度或角度所對應的數個不同層面。進而，可將相對於綜合處理單元產生位移運動的手指動作單元進行「運動層面」的標定。每一個傳統的「觸摸板」或「滑鼠器」均可對應於一個特定的運動層面。因此，以往基於平面的各種輸入設備和工作方式，便可非常直觀和方便地納入到立體方式的多層運行結構之中。由此即產生了「多板觸摸」、「分層滑鼠」或「三維輸入」的概念和相應的技術。
[0039]同樣，在系統中需要更多的手指動作單元或需要根據不同的運動方式、規模，進行「分組」或「分類」時，便可通過建立分級「固定」的方式，形成系統的級聯結構。
[0040]隨著嵌入式計算機系統的體積越來越小、功耗越來越低、單個IC晶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備工作，還能夠將整個可穿戴系統的中央處理環節包容其中。即，以「腕錶」形式出現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，無需再去依託專用的「主機」或藉助現有的手機等類智能設備進行後續的信息處理工作。
[0041]本發明可穿戴式輸入裝置與CN101581990A專利最大的不同以及技術和應用優勢體現在以下五個方面:
一、本發明可穿戴式輸入裝置不是基於現有任何常見輸入設備的基本原理或通用方法而產生的。
[0042]二、在本發明可穿戴式輸入裝置中，並不需要進行輸入裝置和被控對象之間的距離判斷，在有效的信息傳輸範圍內，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、在本發明可穿戴式輸入裝置中，使用「虛擬滑鼠」的方式與使用真實滑鼠一樣，使用者可以按照使用真實滑鼠的習慣，使用食指進行與真實滑鼠一樣的針對左、右鍵和滾輪的「操作」。此外，使用本發明可穿戴式輸入裝置還可實現「虛擬觸摸板」的輸入操作。
[0044]四、本發明能夠通過三維傳感技術，徹底改變現有的平面滑鼠運行方式，以實現三維虛擬滑鼠。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圖形或影像等的控制。
[0045]五、在本發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，只要相應的數據處理速度能夠滿足，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滑鼠的使用)、單手多指方式(如模擬高精度的滑鼠使用)和雙手多指方式(如形成數據手套的簡化和可變結構)等多種實現方式。對於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像出一個鋼琴鍵盤，進行模擬演奏。
[0047]另外，相比於目前較為成熟的慣性傳感技術，精確的無線定位方法正處於發展過程之中，但其潛力更大。無線定位技術可以是現有RIPS (radio interferometricpositioning system)中的 TFIM (two frequency intervals method)的技術應用，以及類似的技術。特別是，毫米波設備的成熟化、微型化，以及太赫茲技術的出現，為精確的無線定位提供了無限的發展前景和各種可能。
[0048]若是在綜合處理單元中安裝有無線定位發射單元，則相當於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」附近很小的工作範圍(即手指的活動範圍)內有效即可，其功耗極低。這樣，綜合處理單元便可以通過無線定位技術，直接定位手指動作單元。對於單手單指方式，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的分組處理。此時其運動辨識的方法與前述內容完全相同。
[0049]本發明的目的之二是這樣實現的:一種電子設備，包括一個電子設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，用於檢測所佩戴手指的動作狀態，並將所檢測到的手指動作狀態數據信息傳送到數據處理單元；
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的慣性傳感器，或是用於無線定位的無線發射單元，用於檢測承載所述手指動作單元的手臂/人體的運動狀態，並將所檢測到的手臂/人體運動狀態數據信息傳送到數據處理單元；
數據處理單元，根據所接收的手指動作狀態數據信息和手臂/人體運動狀態數據信息，實時解算出所述手指動作單元相對於所述基準位置定標器的運動狀態變化量的數據信息，在進行背景消減處理後，形成關聯電子設備顯示器上的顯示光標定位信息，或者形成操作關聯電子設備的輸入信息；以及
通訊單元，用以向關聯的電子設備發送顯示光標定位信息，或者發送操作關聯電子設備的輸入信息；
所述基準位置定標器、所述數據處理單元和所述通訊單元共同設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幹部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
[0050]所述手指狀態傳感器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內的慣性傳感器，或是具備無線定位技術的信號接收裝置，以實時獲取手指動作的加速度、速度、位移和位置參數信息，形成手指定位數據信息；
所述狀態信息傳輸器用於向所述數據處理單元實時傳輸手指定位數據信息。
[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、位移和位置參數信息，形成判斷手指動作的背景運動數據信息。
[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]這種電子設備可以極大地促進新一代智能電子產品的發展和應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0054]圖1是本發明可穿戴式輸入裝置的基本構成框圖。
[0055]圖2是本發明可穿戴式輸入裝置的基本結構及佩戴方式示意圖。
[0056]圖3是指標器「整體位移」狀態示意圖。
[0057]圖4是指標器「相對位移」狀態示意圖。
[0058]圖5是本發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是指標器作為虛擬滑鼠器及其「把握」方式示意圖。
[0061]圖8是本發明可穿戴式輸入裝置的一種實施方式的構成框圖。
[0062]圖9是單手多指指標器的使用狀態圖。
[0063]圖10是基於雙手多指方式的啞語輸入器的結構示意圖。
[0064]圖11是基於雙手多指方式的鋼琴演奏指法記錄器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0065]如圖1所示，本發明可穿戴式輸入裝置的基本構成包括手指動作單元01、基準位置定標器、數據處理單元和通訊單元等部分，其中，基準位置定標器、數據處理單元和通訊單元可集中設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可製成頂針或指環的形狀，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可製成腕錶、卡帶等結構(圖2)，既可佩戴在使用者的手腕部或軀幹部，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用於檢測所佩戴手指的動作狀態，包括手指狀態傳感器和狀態信息傳輸器。其中，手指狀態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，用以產生手指定位數據，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，並將所檢測到的手指運動的加速度、速度、位移等物理量的數據信息傳送到數據處理單元。
[0067]基準位置定標器用於檢測承載手指動作單元01的手臂或人體的運動狀態，並將所檢測到的手臂或人體運動狀態的物理量的數據信息作為手指動作的背景運動信息傳送到數據處理單元。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、位移和位置參數信息，形成判斷手指動作的背景運動數據信息；也可以是具有無線定位功能的無線發射單元，通過無線定位方式，直接定位所述手指動作單元。
[0068]數據處理單元對所接收的手指運動數據信息和背景運動數據信息進行背景消減處理，實時解算出手指動作單元01相對於基準位置定標器的運動狀態變化量，以實時獲得手指動作單元相對基準位置定標器的運動數據，形成位置坐標信息，從而構成顯示屏的光標位置信息，或是作為可穿戴電子設備的輸入信息。
[0069]通訊單元與數據處理單元相接，與使用信息的電子設備進行通信，以發送光標定位信息，或發送為可穿戴設備所能夠接收的輸入信息。
[0070]本發明指標器採用背景消隱技術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生位移，相對地面坐標系則屬於整體位移，即帶有手指動作單元01的手指相對於帶有綜合處理單元02的手腕沒有位置變化。數據處理單元使用求取差值的方法可將此類位移「幹擾」信息消除(圖3)。如果是手指相對於手腕的位置及狀態發生變化，即可判為是有效的位置或狀態信息(圖4)。其具體工作流程如圖5所示。對於圖5所示的基本工作過程而言，使用現有的計算、通訊技術和相應的元器件已完全可以實現。
[0071]本發明指標器可實現「虛擬觸摸板」的工作方式，完成「指端書寫」在內的各種輸入功能(圖6);也可模擬電腦滑鼠，建立一個「虛擬滑鼠器」，完成「平動移位、點擊輸入」的滑鼠工作方式(圖7)。
[0072]本發明指標器可有單手單指方式(如模擬一般的觸摸板和滑鼠的使用)、單手多指方式(如模擬高精度的滑鼠使用)和雙手多指方式(如形成數據手套的簡化和可變結構)等多種實現方式。對於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像出一個鋼琴鍵盤，進行模擬演奏。
[0073]實施例1:基於單手單指方式的簡單指標器的實現
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包括手指狀態傳感器和狀態信息傳輸器(圖1)。綜合處理單元02包括基準位置定標器、數據處理單元、通訊單元、狀態顯示單元和電源單元等部分(圖8)。數據處理單元包括了二重積分器和位置編碼器等功能環節。
[0074]手指動作單元01中的手指狀態傳感器構成指端慣性單元，綜合處理單元02中的基準位置定標器構成腕部慣性單元。兩個慣性單元所產生的全部運動數據均傳輸至數據處理單元進行解算，所以，指端相對於腕部的運動狀態就能夠精確得出。進而，手指的前後左右運動可以轉換並等效成為某個「滑鼠」在某一個「桌面」上平動，由此形成了一個「滑鼠平面」(圖7)。手部在一定範圍和程度的提升或下降可以等效為另外一個「滑鼠平面」，以便控制另外一個電子設備的輸入。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，可以製成卡帶結構，也可以製成外形類似於電子手錶的結構。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。而數據處理後所形成的系統光標位置信息，需要經由基於藍牙技術的通訊單元傳送至相關的數據接收設備。[0076]兩個慣性單元可採用Bosch公司的9軸MEMS慣性測量單元BMX055。該晶片集成了 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。該晶片具有I2C和SPI接口，可以在± 2g/ ± 4g/ ± Sg/ ± 16g範圍內提供數據輸出，以供後續處理器使用。
[0077]數據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。該晶片封裝尺寸為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，並包括了一個SPI模塊和兩組I2C模塊。
[0078]Dialog半導體有限公司的DA14580藍牙無線網絡晶片供電電壓為3 V，運行功耗為13.2mW，數據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。該晶片也具有I2C和SPI接口。
[0079]此外，如果增加一個精巧的狀態顯示單元，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的參數。例如，數據傳輸狀態、電池電量以及各類錯誤的提示等內容，還可顯示時間、日期等附帶信息。狀態顯示單元可採用DENSITR0N公司的128X64點陣OLED模組，直接經由I2C接口連接到數據處理單元，接收待顯示數據及圖形信息。其型號為DD-12864WE-4A (封裝尺寸為26.70X 19.26X 1.45mm)。其驅動器為SSD1306，並使用ST公司的ST0D1812 (供電電壓2.5?5.5 V，封裝尺寸3X3X0.8mm)構成電源單元,提供狀態顯示單元所需的較高電壓。
[0080]本實施例可服務於不同類型的可穿戴電子設備。所以，無論是有線還是無線連接，各種類型的節點不多，傳輸距離也很近。因此，在指標器內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境幹擾不是太大的情況下，使用藍牙技術即可。否則，就需要考慮節點支持更多、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節可以利用現有晶片和技術，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。而且，可以與電池、顯示單元共同封裝於綜合處理單元02之中。在不計顯示的情況下，整個系統功耗僅在50mW左右，一個300mA/h的紐扣電池可以為其連續供電5個小時以上。顯示時功耗較大，僅在需要時觸發即可，平時則處於關閉狀態。如果在系統中再增加一些電源管理措施，則供電的持續時間可能更長。
[0082]實施例2:基於單手多指方式的複雜虛擬滑鼠的實現
對於高精度的滑鼠器而言，至少應有左鍵、右鍵、滾輪和拇指鍵，甚至還包括一個在滑鼠側壁上設置的拇指鍵盤。為模擬和使用這種滑鼠器，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、與正常的滑鼠使用方式相同，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。因為正常滑鼠的拇指鍵和拇指鍵盤的鍵數不等，從I個到十幾個都有。鍵數越多，對於手指動作單元01的精度要求就越高。
[0087]5、在「模擬滑鼠」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後同步平移即可。因指標器是一個三維輸入設備，所以也完全能夠模擬手握物理滑鼠時的「抬起」和「放下」的動作。通過相應的軟體技術，不僅可以等效實現現有物理滑鼠的所有特性，還可以開發實現全新的「三維滑鼠」的功能。使用時，手中如果握住一個類似滑鼠的物體(即便是一隻平放的水杯也可)，則更易於掌控和操作，即真正將其作為「滑鼠」來使用。
[0088]實施例3:基於雙手多指方式的啞語輸入器的實現
啞語輸入器的基本結構如圖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，需要採用基於分級「固定」的級聯結構。
[0089]此時，相對於身體真正「固定」的，是位於胸前的綜合處理單元02，稱作「一級固定」。而綁定於手腕的綜合處理單元02僅僅是相對位於手指上的手指動作單元01有所「固定」而已，相對於「一級固定」而言，仍類似於一個「手指動作單元」。所以，可稱其為「二級固定」。
[0090]利用現有成熟技術，經由軟體的標定和後續的辨識，可以通過「一級固定」得知雙手相互的位置關係；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上進行數量的增加而已，並不需要技術的更新。由此即可利用本發明構成一種啞語輸入器。
[0091]實施例4:基於雙手多指方式的鋼琴演奏指法記錄器的實現
鋼琴演奏指法記錄器的基本結構如圖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，以及拇指和其餘4指的過指關係。鋼琴演奏指法記錄器需要準確識別並標識出演奏過程中的這些參數。
[0092]本實施例首先需要10個基本的手指動作單元01。為了儘量少地影響演奏，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的有效工作範圍也就是確定的。
[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，若是特別強調手腕與各個手指間的相互關係，使用綜合處理單元02更好。但這樣的話，級聯方式就會類似於實施例3。
[0094]至於演奏過程中身體的姿態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時的下意識表現，或是多見於刻意增強視覺觀感的主觀需求。而其對於純粹的聽覺效果並無實質性的改善，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的運動參數都是相對於鍵盤而言的，準確地說，是相對於鋼琴本體而言。所以，真正意義上的綜合處理單元02應該固定於鋼琴之上。實際上，此時將綜合處理單元02直接放置於琴蓋、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定之處均可。
【權利要求】
1.一種用於電子設備的可穿戴式輸入裝置，其特徵是，包括有: 手指動作單元，佩戴在使用者的手指上，用於檢測所佩戴手指的動作狀態，並將所檢測到的手指動作狀態數據信息傳送到數據處理單元； 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的慣性傳感器，或是用於無線定位的無線發射單元，用於檢測承載所述手指動作單元的手臂/人體的運動狀態，並將所檢測到的手臂/人體運動狀態數據信息傳送到數據處理單元； 數據處理單元，根據所接收的手指動作狀態數據信息和手臂/人體運動狀態數據信息，實時解算出所述手指動作單元相對於所述基準位置定標器的運動狀態變化量的數據信息，在進行背景消減處理後，形成關聯電子設備顯示器上的顯示光標定位信息，或者形成操作關聯電子設備的輸入信息；以及 通訊單元，用以向關聯的電子設備發送顯示光標定位信息，或者發送操作關聯電子設備的輸入信息； 所述基準位置定標器、所述數據處理單元和所述通訊單元共同設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幹部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
2.根據權利要 求1所述的可穿戴式輸入裝置，其特徵是，所述手指動作單元包括手指狀態傳感器和狀態信息傳輸器； 所述手指狀態傳感器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內的慣性傳感器，或是具備無線定位技術的信號接收裝置，以實時獲取手指動作的加速度、速度、位移和位置參數信息，形成手指定位數據信息； 所述狀態信息傳輸器用於向所述數據處理單元實時傳輸手指定位數據信息。
3.根據權利要求1所述的可穿戴式輸入裝置，其特徵是，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、位移和位置參數信息，形成判斷手指動作的背景運動數據信息。
4.根據權利要求1所述的可穿戴式輸入裝置，其特徵是，所述基準位置定標器是具有無線定位功能的無線發射單元，通過無線定位方式，直接定位所述手指動作單元。
5.一種電子設備，其特徵是，包括電子設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，用於檢測所佩戴手指的動作狀態，並將所檢測到的手指動作狀態數據信息傳送到數據處理單元； 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的慣性傳感器，或是用於無線定位的無線發射單元，用於檢測承載所述手指動作單元的手臂/人體的運動狀態，並將所檢測到的手臂/人體運動狀態數據信息傳送到數據處理單元； 數據處理單元，根據所接收的手指動作狀態數據信息和手臂/人體運動狀態數據信息，實時解算出所述手指動作單元相對於所述基準位置定標器的運動狀態變化量的數據信息，在進行背景消減處理後，形成關聯電子設備顯示器上的顯示光標定位信息，或者形成操作關聯電子設備的輸入信息；以及 通訊單元，用以向關聯的電子設備發送顯示光標定位信息，或者發送操作關聯電子設備的輸入信息；所述基準位置定標器、所述數據處理單元和所述通訊單元共同設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幹部，也可固定在使用者的隨身附著物或身邊固定物上。
6.根據權利要求5所述的可穿戴式輸入裝置，其特徵是，所述手指動作單元包括手指狀態傳感器和狀態信息傳輸器； 所述手指狀態傳感器為包括加速度傳感器和角速度傳感器在內的慣性傳感器，或是具備無線定位技術的信號接收裝置，以實時獲取手指動作的加速度、速度、位移和位置參數信息，形成手指定位數據信息； 所述狀態信息傳輸器用於向所述數據處理單元實時傳輸手指定位數據信息。
7.根據權利要求5所述的可穿戴式輸入裝置，其特徵是，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、位移和位置參數信息，形成判斷手指動作的背景運動數據信息。
8.根據權利要求5所述的可穿戴式輸入裝置，其特徵是，所述基準位置定標器是具有無線定位功能的無線發 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 優先權日:2014年6月18日
【發明者】原碩朋 申請人:原碩朋