一種鋼琴彈奏手形的檢測裝置的製作方法
2023-05-22 17:29:41 1
本實用新型涉及鋼琴彈奏領域，尤其涉及一種鋼琴彈奏手形的檢測裝置。
背景技術：
到目前為止，人類傳播知識的途徑主要還是通過文字、圖形和語言描述的方式來進行，即所謂「言傳身教」中「言傳」的這一種方式。而另一種「身教」的方式卻沒有得到大力的推廣，究其緣由主要是教學資源的嚴重不足。例如一個鋼琴培訓老師只能在同一時間段內集中培訓為數不多的學員，如果採用大範圍的集體教學模式，就會由於不能對每個學員都實現一對一的講解指導而導致教學質量的下降。試想如果採用一種裝置，可以實時的採集人類的肢體語言，並將其轉換成一種數據格式，然後把培訓老師的數據作為標準樣本，那麼其他學員的肢體語言數據只要與標準數據進行對比，就能通過數據的差異來表示出動作的差異，最後通過消除差異來對自身進行一種學習鍛鍊，這樣的一種教學模式就能大範圍的推廣「身教」學習方式。
人類的肢體語言主要集中在手形方面，因為人類在進化過程中解放並靈活的運用了雙手，才將人類與其他動物得以嚴格的區分並逐漸成為了高等智商的物種。在日常生活中，人類的手形涵蓋了音樂、體育、娛樂等多方面的教學領域，如果可以通過特定設備將指導性的標準手形姿態進行實時採集和數據轉換，將一系列的動作轉換成數據格式來存放，並建立起統一的手形教學標準資料庫，進而通過特定設備進行學習，則可以大大推廣「身教」學習方式，節約教學資源，對人類的知識傳播和技能傳承有著劃時代的意義。
現有技術中對於鋼琴彈奏手形矯正裝置的研究較多，比如中國專利「200720114249.0」，公開了一種鋼琴學習手形矯正器,它包括與琴鍵前沿固定的夾腳,在兩個夾腳之間設有限高橫杆,所述的限高橫杆是接插在夾腳的插孔內,也可以通過其它固定方式將限高橫杆固定在夾腳上,夾腳可以呈C字形,在C字形夾腳的底部設有螺孔,在螺孔上設有緊固螺母。這種鋼琴學習手形矯正器,還可用於電子琴、電子鋼琴練琴時的手形矯正。使用時裝在琴的琴鍵前沿,彈琴時,手腕被提醒抬高,使手指在彈琴時保持指尖垂直打擊琴鍵,從而保持良好的彈琴手形,使初學彈琴者從開始起步時就養成良好的手形習慣,為彈出優美的樂曲打下良好的基礎。
但是，現有技術中對鋼琴彈奏手形檢測裝置的研究比較少，無法通過對手形檢測數據的研究反映出學生和老師之間的技能差距，讓學生可以用老師的數據作為標準進行反覆練習，以提高自己彈奏鋼琴的水平。
技術實現要素：
針對現有技術中的問題，本實用新型提供一種鋼琴彈奏手形的檢測裝置，可以準確識別演奏鋼琴時的多種靜態與動態手形，記錄彈奏鋼琴的授課老師和接受培訓的學生根據時間對應的運動姿態傳感器狀態數值。然後將兩組數據進行比較，通過數據的比較從而反映出學生和老師之間的技能差距，讓學生可以用老師的數據作為標準進行反覆練習，以提高自己彈奏鋼琴的水平。
為解決以上問題，本實用新型的解決方案是一種鋼琴彈奏手形的檢測裝置，包括手套、運動姿態傳感器、連接電路、數據處理裝置和電源，在手套的手背位置處或者在手套的手掌心位置處設置有一個運動姿態傳感器，在手套的五個手指的近節指骨的相對應的位置處分別設置有一個運動姿態傳感器，用於實時檢測出手形及手指的運動方向和運動速度數值，所述運動姿態傳感器通過連接電路與數據處理裝置連通，所述數據處理裝置負責處理運動姿態傳感器的信號，所述電源與數據處理裝置連通，負責給整個裝置供電。
作為改進，在所述手套的五個手指的遠節指骨的相對應的位置處分別設置有一個運動姿態傳感器。
作為另一種的改進，在所述手套的食指、中指、無名指、小指的中節指骨相對應的位置處分別設置有一個運動姿態傳感器，在手套的拇指的遠節指骨相對應的位置處設置有一個運動姿態傳感器。
作為進一步的改進，在所述手套的食指、中指、無名指、小指的中節指骨和遠節指骨的相對應的位置處分別設置有一個運動姿態傳感器，在手套的拇指的遠節指骨相對應的位置處設置有一個運動姿態傳感器。
作為改進，所述運動姿態傳感器選用數字陀螺儀傳感器。
作為優選，所述運動姿態傳感器選用六軸陀螺儀傳感器。在實際應用中發現：三軸陀螺儀傳感器由於只能檢測出運動的角速度，無法檢測出線速度，因此檢測到的手指及手形數據誤差較大；六軸陀螺儀傳感器既可以檢測出角速度，也可以檢測出線速度；九軸陀螺儀傳感器除了可以檢測出角速度和線速度外，還可以檢測出地磁數據，但是九軸陀螺儀傳感器市場價格昂貴，而且本實用新型鋼琴彈奏手形的檢測裝置使用的六軸陀螺儀傳感器，已經足夠滿足實際使用需求，且成本合適。
作為進一步的改進，還包括通信裝置，所述通信裝置採用無線或有線通信，所述通信裝置為集成在數據處理裝置內的功能模塊。
作為進一步的改進，還包括通信裝置，所述通信裝置採用無線或有線通信，所述通信裝置為獨立部件與數據處理裝置連通。
作為改進，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為一體式結構，運動姿態傳感器，連接電路，數據處理裝置，電源均設置在手套上。
作為改進，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為一體式結構，運動姿態傳感器，連接電路，數據處理裝置，通信裝置，電源均設置在手套上。
作為另一種的改進，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器，連接電路設置在手套上，數據處理裝置與電源設置在腕帶上，手套與腕帶之間通過電氣線纜連接。
作為另一種的改進，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器，連接電路和數據處理裝置設置在手套上，電源設置在腕帶上，手套與腕帶之間通過電氣線纜連接。
作為進一步的改進，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器，連接電路、數據處理裝置和通信裝置設置在手套上，電源設置在腕帶上，手套與腕帶之間通過電氣線纜連接。
作為進一步的改進，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器，連接電路設置在手套上，數據處理裝置、通信裝置與電源設置在腕帶上，手套與腕帶之間通過電氣線纜連接。
作為進一步的改進，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器，連接電路和數據處理裝置設置在手套上，通信裝置和電源設置在腕帶上，手套與腕帶之間通過電氣線纜連接。
作為進一步的改進，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器，連接電路和通信裝置設置在手套上，數據處理裝置和電源設置在腕帶上，手套與腕帶之間通過電氣線纜連接。
從以上描述可以看出，本實用新型具有以下優點：
1、通過設置運動姿態傳感器，可以檢測出各手指的運動方向和運動速度數值、各手指彎曲的程度以及手指與手指之間分開或者併攏的狀態，通過數據處理裝置對傳感器進行數據採集與分析處理，可以對彈奏鋼琴時的多種手形進行準確識別。
2、不僅能識別彈奏鋼琴時的靜態手形，更可以識別動態手形。因此，可以先分別對彈奏鋼琴的授課老師和接受培訓的學生根據時間記錄對應的傳感器狀態數值，然後將兩組數據進行比較，從而反映出學生和老師之間的技能差距，讓學生可以用老師的數據作為標準進行反覆練習，以提高自己彈奏鋼琴的水平。
附圖說明
圖1是本實用新型設置有六個運動姿態傳感器的結構示意圖；
圖2是本實用新型設置有十一個運動姿態傳感器的結構示意圖；
圖3是本實用新型設置有十一個運動姿態傳感器的另一種結構示意圖；
圖4是本實用新型設置有十五個運動姿態傳感器的結構示意圖；
圖5為本實用新型的運動姿態傳感器在手背與單指上的排布示意圖；
圖6為本實用新型的一體式結構的示意圖；
圖7為本實用新型的分體式結構的示意圖；
圖8為運動姿態傳感器設置在手背和各個手指近節指骨上的手形檢測效果圖(僅用拇指和食指舉例)
圖9為運動姿態傳感器設置在手背和各個手指近節指骨、遠節指骨上的手形檢測效果圖(僅用拇指和食指舉例)
圖10為運動姿態傳感器設置在手背和各個手指近節指骨、中節指骨上的手形檢測效果圖(僅用拇指和食指舉例，拇指沒有中節指骨，用遠節指骨代替)
圖11為運動姿態傳感器設置在手背和各個手指近節指骨、中節指骨、遠節指骨上的手形檢測效果圖(僅用拇指和食指舉例，拇指沒有中節指骨)
圖12是本實用新型手背的示意圖；
圖13是本實用新型手掌的示意圖；
附圖標記：1、手套，2、運動姿態傳感器，3、連接電路，4、數據處理裝置，5、通信裝置，6、電源，7、腕帶，8、電氣線纜，9、手背位置處，10、手掌心位置處，11、近節指骨，12、中節指骨，13、遠節指骨。
具體實施方式
結合圖1、圖12、圖13，詳細說明本實用新型的第一個具體實施例，但不對本實用新型的權利要求做任何限定。
如圖1、圖12、圖13所示，一種鋼琴彈奏手形的檢測裝置包括手套1，運動姿態傳感器2，連接電路3，數據處理裝置4，電源6，在手套1的手背位置處9或者在手套1的手掌心位置處10設置有一個運動姿態傳感器2，在手套1的五個手指的近節指骨11的相對應的位置處分別設置有一個運動姿態傳感器2，用於實時檢測出手形及手指的運動方向和運動速度數值，所述運動姿態傳感器2通過連接電路3與數據處理裝置4連通，所述數據處理裝置4負責處理運動姿態傳感器2的信號，所述電源6與數據處理裝置4連通，負責給整個裝置供電。
更具體地，運動姿態傳感器2選用六軸陀螺儀傳感器。
更具體地，連接電路3用於連接各種傳感器和數據處理裝置4，採用連接導線或柔性電路板，設置有與各部件連接的電氣接口。
更具體地，數據處理裝置4包括傳感器信號調理電路和處理器電路，負責實時將傳感器裝置中各類傳感器信號轉換成對應的數據信息，然後通過通信裝置5將數據實時發送給外部設備中定製的應用軟體，應用軟體根據需要進一步對採集到的數據作相關處理和應用。
更具體地，還包括通信裝置5，所述通信裝置5採用無線或有線通信，可以為獨立部件與數據處理裝置4連通，也可以為數據處理裝置4內的集成功能模塊，數據處理裝置4內集成的通信功能模塊也可理解為通信裝置5。
更具體地，電源6包括了電池、電池充放電和電源管理及保護電路，電池可以採用鋰電池，負責給整個裝置提供穩定可靠的工作電源。
結合圖2、圖12、圖13，詳細說明本實用新型的第二個具體實施例，但不對本實用新型的權利要求做任何限定。
如圖2、圖12、圖13所示，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置運動姿態傳感器2有十一個，其中一個運動姿態傳感器設置在手背位置處9，其餘十個運動姿態傳感器分別設置在食指、中指、無名指、小指和拇指上，每個手指上設置兩個運動姿態傳感器，一個設置在手指近節指骨11，一個設置在手指遠節指骨13，用於實時檢測出手形及手指的運動方向和運動速度數值。
結合圖3、圖12、圖13，詳細說明本實用新型的第三個具體實施例，但不對本實用新型的權利要求做任何限定。
如圖3、圖12、圖13所示，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置運動姿態傳感器2有十一個，其中一個運動姿態傳感器設置在手背位置處9，其餘十個運動姿態傳感器分別設置在食指、中指、無名指、小指和拇指上，每個手指上設置兩個運動姿態傳感器，其中在食指、中指、無名指和小指上各設置有兩個運動姿態傳感器，一個設置在手指近節指骨11，一個設置在手指中節指骨12，拇指上設置有兩個運動姿態傳感器，一個設置在手指近節指骨11，一個設置在手指遠節指骨13，用於實時檢測出手形及手指的運動方向和運動速度數值。
結合圖4、圖12、圖13，詳細說明本實用新型的第四個具體實施例，但不對本實用新型的權利要求做任何限定。
如圖4、圖12、圖13所示，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置運動姿態傳感器2有十五個，其中一個運動姿態傳感器設置在手背位置處9，其餘十四個運動姿態傳感器分別設置在食指、中指、無名指、小指和拇指上，其中在食指、中指、無名指和小指上各設置有三個運動姿態傳感器，一個設置在手指近節指骨11，一個設置在手指遠節指骨13，一個設置在手指中節指骨12，拇指上設置有兩個運動姿態傳感器，一個設置在手指近節指骨11，一個設置在手指遠節指骨13，用於實時檢測出手形及手指的運動方向和運動速度數值。
如圖5所示,為運動姿態傳感器2在手背與單指上的排布示意圖，共有四個運動姿態傳感器，其中一個運動姿態傳感器設置在手背位置處9，另外還有三個運動姿態傳感器，一個設置在手指近節指骨11，一個設置在手指遠節指骨13，一個設置在手指中節指骨12。
如圖6所示，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為一體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3，數據處理裝置4，電源6均設置在手套1上。
當通信裝置5為集成在數據處理裝置4內的功能模塊時，所述鋼琴彈奏手形的檢測裝置也可以為另外一種一體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3，數據處理裝置4，通信裝置5，電源6均設置在手套1上。
當通信裝置5作為獨立部件，並與數據處理裝置4連通時，所述鋼琴彈奏手形的檢測裝置也可以為另外一種一體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3，數據處理裝置4，通信裝置5，電源6均設置在手套1上。
所述運動姿態傳感器2、連接電路3、數據處理裝置4、通信裝置5和電源6可以全部設置在手套1上或者包裹在手套1的材質裡，數據處理裝置4、通信裝置5和電源6等較大的硬體可以設置在手背處的較大空間；
如圖7所示，所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3，數據處理裝置4設置在手套1上，電源6設置在腕帶7上，手套1與腕帶7之間通過電氣線纜8連接。
所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置也可以為另外一種分體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3設置在手套1上，數據處理裝置4與電源6設置在腕帶7上，手套1與腕帶7之間通過電氣線纜8連接。
需要說明的是，根據實際的使用需求，可以僅在手套1上設置運動姿態傳感器2，而將數據處理裝置4、通信裝置5和電源6等較大的硬體設置在手套腕部或者獨立的腕帶7上，手套與腕帶7通過電氣線纜8連接，這種分體式的鋼琴彈奏手形的檢測裝置一方面可以給穿戴者更舒適的穿戴體驗效果，另一方面腕帶7可以做成標準部件，從而與各種大小不同尺寸的手套相配套使用，提高了手套的適用性，降低製造與使用成本。
比如通信裝置5為集成在數據處理裝置4內的功能模塊時，所述鋼琴彈奏手形的檢測裝置有下述幾種分體式結構：
1.所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3、數據處理裝置4和通信裝置5設置在手套1上，電源6設置在腕帶7上，手套1與腕帶7之間通過電氣線纜8連接。
2.所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3設置在手套1上，數據處理裝置4、通信裝置5與電源6設置在腕帶7上，手套1與腕帶7之間通過電氣線纜8連接。
比如通信裝置5作為獨立部件，並與數據處理裝置4連通時，所述鋼琴彈奏手形的檢測裝置有下述幾種分體式結構：
1.所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3、數據處理裝置4和通信裝置5設置在手套1上，電源6設置在腕帶7上，手套1與腕帶7之間通過電氣線纜8連接。
2.所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3設置在手套1上，數據處理裝置4、通信裝置5與電源6設置在腕帶7上，手套1與腕帶7之間通過電氣線纜8連接。
3.所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3和數據處理裝置4設置在手套1上，通信裝置5和電源6設置在腕帶7上，手套1與腕帶7之間通過電氣線纜8連接。
4.所述的鋼琴彈奏手形的檢測裝置為分體式結構，運動姿態傳感器2，連接電路3和通信裝置5設置在手套1上，數據處理裝置4和電源6設置在腕帶7上，手套1與腕帶7之間通過電氣線纜8連接。
使用時，如圖1或2或3或4所示，運動姿態傳感器2設置在手指遠節指骨、中節指骨、近節指骨三個關節上方的位置，能夠實時檢測出手指的運動方向和運動速度數值，運動姿態傳感器角速度測量範圍±250dps～±2000dps(度每秒)，加速度測量範圍±2g～±16g；多個手指上的運動姿態傳感器和位於手背上的運動姿態傳感器相配合，不僅能夠實時檢測出手指彎曲的程度，還可以實時檢測出手指與手背之間呈現的狀態，以及實時檢測手指與手指之間分開或者併攏的狀態。
鋼琴彈奏手形的檢測裝置的手套1可以是全包裹形式，也可以是半包裹半開放或局部包裹形式，手套1的材質可以使用但不限於紡織品或者橡塑、矽膠等材質。
本實用新型的鋼琴彈奏手形檢測裝置通過對不同數量的運動姿態傳感器以及運動姿態傳感器設置的位置做了一系列的實驗驗證，效果分別如下：
如圖8所示，運動姿態傳感器設置在手背和各個手指近節指骨上，通過對拇指和食指的手形檢測，手指的表現很僵硬，不夠靈敏，只能簡單的看出手指根部的手形動作變化。
如圖9所示，運動姿態傳感器設置在手背和各個手指近節指骨、遠節指骨上，通過對拇指和食指的手形檢測，可以看出手指運動比較僵硬，而且不是真實的手指表現形態(正常人不能夠實現遠節指骨彎曲而中節指骨和近節指骨保持在一直線的狀態)，雖然傳感器的使用數量與圖10的方案一樣，但是由於放置的位置不同，手形的表現形式就不同。
如圖10所示，運動姿態傳感器設置在手背和各個手指近節指骨、中節指骨上，由於拇指沒有中節指骨，所以用遠節指骨代替，通過對拇指和食指的手形檢測，可以看出基本的手型，手指的運動信息相對有了進一步的擴展，可以觀察到手指根部以及中節指骨的手形動作變化。
如圖11所示，運動姿態傳感器設置在手背和各個手指近節指骨、中節指骨、遠節指骨上(拇指沒有中節指骨)，通過對拇指和食指的手形檢測，手指的運動能夠非常逼真的表現出來，能夠觀察到手指細微的運動變化，手形的表現效果最佳。
綜合以上四種實施方案的效果，表現形式最佳的方案為圖11所示的方案；如果只是簡單的檢測手形變化，圖8所示的方案也可以，而且使用的運動姿態傳感器數量最少，成本最低；圖9所示的方案和圖10所示的方案所用的運動姿態傳感器數量相同，從直觀的效果上看，圖10的方案更符合手指的實際動作表現，但是圖9的方案在統計出手指遠節指骨彎曲時整個手指各指骨關節彎曲的數據，並生成相應的算法模型後，卻可以較好的模擬出整個手指的手形變化。對於一種用於檢測鋼琴彈奏時手形的裝置，以上四種方案都是可以採用的，區別在於檢測的精度是否滿足應用場景的具體需求和穿戴者的體驗舒適程度。
本實用新型不限於在上述位置固定上述傳感器，也可以在其他位置固定其他傳感器以適應各種需要，例如，位於手背上的運動姿態傳感器也可設置在手掌心處。
綜上所述，本實用新型的鋼琴彈奏手形的檢測裝置通過數據處理裝置對傳感器進行數據採集與分析處理，不僅可以對多種靜態手形進行準確識別，更可以識別動態手形。如本實用新型應用於彈奏鋼琴的教學時，先採集教師的示範彈奏數據，教師穿戴好本實用新型的鋼琴彈奏手形的檢測裝置，各手指彎曲，每個手指指尖敲擊琴鍵，此時運動姿態傳感器對手形進行識別記錄，運動姿態傳感器還記錄手指運動軌跡與擊鍵頻率。根據時間記錄的各組對應傳感器狀態數值，即可以生成手形教學標準數據。當學生穿戴好鋼琴彈奏手形的檢測裝置後進行練習，學生的手形與運動也被各個傳感器進行採集。最後，外部設備中定製的應用軟體根據需要進一步對採集到的數據作相關處理和應用，例如，將學生的數據與教師的標準數據進行比較，反映出學生和老師之間的技能差距等。
可以理解的是，以上關於本實用新型的具體描述，僅用於說明本實用新型而並非受限於本實用新型實施例所描述的技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離權利要求所限定的精神和範圍的情況下，可以對本實用新型進行修改或等同替換，以達到相同的技術效果，但都在本實用新型的保護範圍之內。