對身體或目標的運動或動作敏感的控制接口裝置和方法以及裝有該裝置的控制設備的製作方法

2023-05-05 11:34:56 2

專利名稱：對身體或目標的運動或動作敏感的控制接口裝置和方法以及裝有該裝置的控制設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及對身體或目標的運動或動作或聲音敏感的控制接口裝置，尤其是可與語音控制相結合的手勢動作和/或觸控控制接口裝置。本發明也涉及該裝置中使用的控制接口方法以及使用這種裝置的控制設備。發明領域尤其但非限制性地是手勢動作和/或觸控以及可能的語音人機接口領域，其可實時判斷身體、手、手指或目標的遠距離運動或動作直至接觸，這些運動或動作與語音請求結合或不結合，以執行一個或多個控制指令。
背景技術：
相對於使用者作用於機械傳感器例如鍵盤按鍵或轉換器的接口來說，人機接口稱為虛接口，即手勢動作和/或觸控及語音接口，涉及到手勢動作接口和工作表面時，往往是三維攝像機，涉及到觸控接口時，常常是透明的，集成在顯示器上。這些觸控接口以「觸控屏」廣泛用於多種工業應用和大眾應用，例如用於智慧型電話、住宅自動化信息管理或遊戲接顯示器例如可顯示鍵盤或軟體接口，其圖像隨著對使用者的動作的反應而變化， 一般包括手指或筆在顯示器的表面上的位移、輕輕敲擊或持久接觸，以執行控制指令。近來研發出手勢動作接口，以適應通信信息技術與娛樂相結合的數字產品的越來越大的複雜性。這些接口往往基於三維攝像機和圖像處理，能夠遠距離地直至在5米處判斷身體或手的動作，與顯示器相互作用。在虛擬控制裝置中，也必須引用可執行聲音請求的語音控制裝置。在現行的觸控技術中，常常使用電容技術，因為-其不必對顯示器的表面施加機械作用，例如與電阻技術相反，-其非常容易由直接集成於其表面的傳感器網絡形成顯示器表面的點陣結構，這比採用例如需要高於檢測表面的收發機天線陣的光學技術獲得更為緊湊和堅固的集成化。在虛接口方面，不斷地在研究接近檢測功能，其可形成無需任何接觸的新的交互方式。因此，傳感器必須能夠完全精確地、具有足夠分辨力地檢測位移或數釐米的形狀，以便可轉換為控制指令。如果在涉及到精確地檢測遠距離動作(超過40釐米)時光學技術難以迴避，那麼，電容技術被證實非常適用於無接近接觸的接口，尤其是因為傳感器系統可集成於非平面工作表面，例如顯示器，沒有死區或無需外部裝置(攝像機)。在電容式觸控接口中，最常用的技術一般基於電荷移動原理。其可獲得皮可法拉數量級的靈敏度，但不適用於製造手勢動作接口。實際上，其靈敏度不能檢測手指的接近， 因為產生的電容不超過百分之幾皮可法拉。這種傳感器中和電子裝置中存在的寄生電容完全影響到靈敏度的提高。此外，這些技術對電磁幹擾、寄生電荷和覆蓋電極的電介質的導電性非常靈敏。當空氣的相對溼度大於60 %時，大部分電介質變得略具導電性，電子裝置產生的電荷被改變， 從而幹擾電容式測量。在用於製造非觸控電容式接口的技術解決方案中，公知的是採用一種似保護外殼 (pseudogarde)，可使傳感器和電子裝置中的寄生電容大為減少。但是，這些技術在靈敏度上至多僅可獲得一個數量級，這可檢測到手指存在於僅數毫米的傳感器敏感表面。關於電容式手勢動作接口，公知地，Vranish的文獻US68473M提出使用帶有有效保護外殼的電容式傳感器。這種有效保護外殼用一個增益等於1的放大器形成，其在保護外殼中產生其幅值與測量電極的幅值相同的電壓。這種方法的缺陷在於電子裝置由於物理原理而產生寄生電容，其相當於用於形成也稱為似保護外殼的有效保護外殼的放大器的輸入電容與用於激勵測量電極的電路的輸入電容之和。這些寄生電容易於達到皮可法拉，再加於待測量電容，其僅可表示該總數值的
百分之一。此外，電容的測量不是直接的，因為Vranish的電子裝置通過一個基準電阻測定其電流，獲得待測量電容的圖像。該電阻產生電流的寄生相位移，其使表示待測量電容的信號的檢測或解調質量大為下降。另一個缺陷是不同電極之間的串音電平。實際上，每個電極用一個運算放大器激勵，所述運算放大器的增益大體上是單一的。不同放大器之間的較小增益偏差導致很大的附加寄生電容。這些缺陷不能用每個傳感器檢測和辨認數釐米乃至數十釐米的目標例如手指或手的位置。此外，用於製造手勢動作接口的電容技術的研發往往是為了集成於顯示器或至少基本上呈平面的表面。傳感器的結構是矩陣，如US68473M中所述，且由沿柵格X-Y布置的電極結構加接口。這些技術難以使形狀比較複雜的表面儀表化。特別是，其難以適用於虛擬控制裝置或不是基於裝備儀器的平面而是基於其它類型的幾何形狀，包括例如模擬按鍵、按鈕或適應使用者的凹槽、隆起、波紋，其中，傳感器可根據不同的幾何形狀布置，有時布置在很厚的電介質材料之下，有時必須能夠彼此獨立地布置和控制。公知地，RoziSre的文獻FR2884349提出一種基於電容式傳感器的系統，其只有一個測量電極。所述裝置可藉助於一個浮橋式電子裝置用每個電極檢測超過10釐米的目標。 電極的測量結果由一個監控系統按順序判讀。但是，用於裝備活動器具壁的該裝置專用於覆蓋防碰撞應用範圍，不包括手勢動作接口的應用。儘管手勢動作接口具有很大的重要性，但是，鑑於心理上和安全上的原因，觸摸仍然使用非常多，能夠遠距離檢測動作的虛接口方面同樣如此。實際上，一方面，觸覺有助於使用者感到舒適，另一方面，觸摸可在安全很重要的使用領域(醫療設備、車輛)驗證有效指令。本發明旨在提出一種手勢動作接口和一種手勢動作與觸控接口，其由用於監控動作和掌握控制指令的裝置和方法組成，其結構緊湊，可納入多種多樣的環境，完全可以-通過無接觸位移的精確測量，預測動作，以及-通過檢測一個表面上的身體動作，安全可靠地驗證指令。

發明內容
採用對身體或目標的運動或動作敏感的控制接口裝置，即可達到該目的，其具有-檢測表面，-至少一個電容式傳感器，所述傳感器每個都具有測量電極，其具有朝向檢測表面的或基本上與所述檢測表面重合的工作表面，-用導電材料製成的保護外殼，其至少沿其基本上與工作表面相對的端面布置在測量電極附近，所述保護外殼以基本上與測量電極的交流電位相同的交流電位進行激勵，-電子裝置，其用於激勵測量電極，處理所述電容式傳感器的信號，以提供電極工作表面和所述目標之間的距離信息。根據本發明，-測量電極的工作表面彼此獨立，以及-電子激勵和處理裝置還用於彼此獨立地訪問所述測量電極。有利地，電子激勵和處理裝置的測量範圍可同時-檢測和識別身體或目標相對於測量電極的工作表面的相對運動，以及-檢測所述身體或所述目標與檢測表面的接觸。檢測空間限定為電容式傳感器適於檢測目標和測量距離的空間部分。可用本發明的裝置檢測的目標是可用電容方式檢測的目標，即基本上是導電的， 且適於接地。這些目標不必通過電連接接地，而是可通過電容耦合自然接地。作為非限制性實施例，可以是帶電體、手、手指或用導電材料製成的手持筆。本發明的裝置可不時地測量身體或目標的表面相對於電容式傳感器的位置的形狀。因此，目標或身體的運動或動作的檢測非限制性地可包括其在所述空間中的位置、其路線、以及例如用於識別的其形狀的分析。有利地，電子激勵和處理裝置可至少一部分參考保護外殼的電位。電子裝置的這種浮橋式結構可消除寄生電容。因此，每個傳感器測得的電容是在涉及的目標和電極之間直接產生的電容。所述裝置的靈敏度處於最佳狀態，可進行遠距離測量，解析度非常高。此外，電容式傳感器和相關的電子裝置可最佳地獲得測量範圍，或動態地獲得很大的測量範圍。實際上，每個電極測量的電容範圍可從不到千分之一皮可法拉擴大到數皮可法拉，或者是大於1000的動態電容範圍。這種動態特性可基本上以與電極尺寸有關的相同的解析度檢測遠距離目標例如距離5釐米以上的手指的存在或位置、以及該手指例如對覆蓋測量電極的電介質的接觸和壓力。這樣，本發明的裝置可同時通過識別接近的目標或其接近方式預測動作，且通過檢測接觸情況驗證控制指令。根據本發明的裝置的另一個有利的實施例，每個電容式傳感器僅具有一個測量電極，其獨立於其它傳感器的電極。因此，可根據變化非常大的幾何尺寸和形狀布置電極。電極的這種獨立性是本發明的裝置的一個特別有利的實施例，用於製造基於任意形狀結構的手勢動作接口，在這方面，其不同於現有技術中的手勢動作接口，現有技術中的手勢動作接口基於布置在平面或顯示器上的傳感器的矩陣結構。根據特殊的實施方式，電子激勵和處理裝置可具有監控器，其可按順序判讀電容式傳感器產生的測量信號。有利地，不處於監控中的電極可參考保護外殼的電位。在該實施方式中，電極相繼被選擇，以限制部件數量和能量消耗。與保護外殼的電位相連接，不處於監控中的電極可最大限度地減小測量電極的靜電邊緣效應。根據需要更多部件的其它實施方式，每個電極可連接於一個電子電路，例如一個電荷放大器。這些電子電路參考浮動電位，因而參考保護外殼的電位，這樣可保持有利的特性，每個電極視為其相鄰電極的一個保護外殼。該解決方案可提高測量速度，因為電容或距離可在所有電極上同時測得。顯然，可實施其它的電極監控方式，例如分組判讀。根據特殊的實施方式，電子激勵和處理裝置可具有使測量電極在電學上集中的裝置，以使所述集中的電極構成一個特定的測量電極。因此，可形成上表面電極，增大測量範圍，檢測距離更大的目標。顯然，電極的分組配置可用電子方法進行，由計算裝置控制。測量電極例如可在目標遠離接觸器板時集中，以賦予測量範圍，而在目標接近電極時分開，以便於提高目標的三維位置的空間解析度和精確度。有利地，-電極表面可被計算，以使得每個電容式傳感器能測量電極的工作表面和手指之間的距離，直至至少3釐米的距離，或者根據應用情況，為5釐米；-測量電極可在撓性印刷電路類型的載體上進行測量。因此，其可根據普通電子電路的製造技術予以實施，且根據表面或不一定呈平面的多組表面進行布置，-測量電極也可實施在剛性印刷電路類型的載體上，-參考保護外殼的電位的電子激勵和處理裝置可固定在與電極相同的載體上。電子裝置的一部分參考保護外殼的電位，有利地，可使之布置在電極附近，沒有幹擾其工作的危險，從而改善裝置的集成化條件。實際上，如果這些電路例如參考外部地電位 (接近目標或手指的電位)，那麼，電極的場力線被這些電路快速吸收，裝置的接觸面不能進行無接觸檢測。這是在許多現有技術的裝置中遇到的一個主要問題。有利地，電子裝置連接於保護外殼的部分可利用外部系統的基準機體與這些外部系統連通。電容式電子裝置和外部系統之間的連接和分離，例如可用光耦合器或脈衝感應線圈。參考保護外殼的浮動部分的供電用一個直流-直流變換器或脈衝感應線圈進行。根據本發明的另一個實施例，所述裝置還具有布置在測量電極的工作表面一側的電介質材料。在這種情況下，與電極相對的所述電介質材料的表面構成檢測表面。有利地，-電介質材料可布置成基本上與電極的工作表面接觸，-電介質材料可具有撓性材料，其可使檢測表面通過材料在按壓力的作用下局部變薄，基本上朝測量電極方向變形。有利地，使用撓性材料，可通過測量目標在靜止檢測表面的位置以內的位移，檢測對表面施加的壓力。根據另一實施方式，電介質材料可具有一個基本上呈剛性的板，其適於在按壓力的作用下，根據視所述按壓力的作用點而定的傾斜度，向測量電極移動。所述板可在其至少一部分表面上配有以電容方式進行檢測的電極，以便能用合理布置的電容式電極測量位移或變形。該板例如可以是一個鍵盤，承受目標或手指的壓力。用至少兩個電容式電極面對所述板的電極布置，測量至這些電極的距離，可測量鍵盤的傾斜度，計算出手指按壓的大概區域。根據另一種配置，一個組件例如一個鍵盤具有覆蓋第一測量電極的電介質板，可適於在壓力的作用下總體上向第二測量電極移動，其測量該壓力。有利地，這些第二電極可對小位移具有最佳靈敏度。有利地，-電介質材料可選擇成觸摸起來具有舒適的質地，-檢測表面可具有使控制裝置有形化的凸起形狀。檢測表面可為平面，也可以按照美觀要求、尤其是符合人體特點的設計，是可進行最佳集成化的任意形狀。非限制性地，例如，其可為球形或半球形，模仿計算機滑鼠或醫療器械的控制板的一部分。本發明的裝置可根據多種多樣的配置，例如安裝於殘疾人的座椅的扶手，或安裝於車輛的儀錶板。特別是，例如為可靠起見，其可代之以機電控制按鈕。為了不失去通用性，可使檢測表面類似於控制面板。優選地，測量電極彼此並置， 以避免在接觸器板上目標檢測不到的死區。也可故意形成死區，其中，電極代之以一個保護外殼或一個機體，這樣可使相鄰電極的場力線偏移，以縮小接觸面或使之改變。為了獲得側向解析度和目標檢測範圍之間的良好折衷方案，選擇的電極尺寸最好基本上與目標的尺寸為相同的數量級。例如，為使手指的檢測最佳化，選擇的電極表面最好約為1平方釐米至2平方釐米。電極的形狀可根據所需的檢測特徵加以調節，在同一個裝置中可存在多種形狀的電極。例如，可在控制面板的邊緣上布置特殊形狀電極，例如矩形電極，以檢測手指或手接近的任意一側。例如，這可使裝置根據人接觸所述接觸器板的側面選擇其認可的動作。非限制性地，作為輸出數據，本發明的裝置可提供相似的測量信號、或者數位訊號，或者直接提供電極與目標的分開距離，或者例如直接提供三維位置、目標的動作分析、 目標或控制指令的識別。對於三維檢測來說，裝置的每個電極可視為一個像素，物理空間解析度由電極表面加以限制。該空間解析度藉助於插值法數值計算方法基本上可得到提高。一種方法例如在於計算電極組件所「觀察到」的目標的重心。該理論中心成為可在顯示器上觀測到的一個有效點。例如，這可用目標例如手指或手在顯示器的小表面上寫、畫或精確地施加作用。三維檢測也可作為電容式攝像機使用所述裝置。實際上，所述系統可實時測量分開每個電極與檢驗目標的絕對距離，使用足夠數量的電極，可使該目標成像或識別該目標。本發明的裝置還涉及檢測目標(或手指)與檢測表面(或控制面板)的接觸，完全可靠地確保所需工作的安全性。為此，由於例如通過校驗已知檢測表面的位置，因此當檢測到目標所處的距離相當於檢測表面的距離時，直接根據目標的距離測量，可確定接觸情況。根據一有利的實施方式，其中，檢測表面由與電極表面進行接觸的電介質材料構成，可根據目標和電極之間的電容分析，更有把握地檢測接觸情況。實際上，當例如手指與電介質的表面相接觸時，在手指和電極之間的電力線的徑跡上基本上沒有多少空氣。不過， 電介質材料的電容率大於空氣的電容率，例如數量級為、=3。因此，與存在薄氣層的情況相比較，當手指與表面接觸時，手指和電極之間的電容基本上較高，這樣可更有把握地檢測接觸情況。在本發明的裝置中，電極也可不覆以電介質材料。在這種情況下，目標和電極之間的接觸可檢測到，因為電極在接觸時參考目標的地電位。有利地，測量目標例如手指在覆蓋電極的基本上呈撓性或柔軟的電介質材料上的按壓深度，即可測得壓力。測得的距離基本上與手指在電介質材料上的按壓深度成比例。此外，與電容的倒數也基本上成比例的測得的距離的變化乘以覆蓋電極的電介質的相對電容率％，這樣，一旦手指或目標與電介質之間出現接觸，就提高距離測量的靈敏度。測量壓力的另一個解決方案在於測量在增大施加的壓力時由目標例如手指與較具剛性的電介質材料的表面接觸的支承面增大引起的電容增大。因此，本發明可無接觸地、以數釐米乃至數分米的距離，檢測手指或目標在空間的位置，檢測手指或目標在檢測表面例如控制面板或例如鍵盤上的接觸，也可檢測手指或目標對該表面施加的壓力。測量可通過任意的電介質材料進行。這些特徵可形成非常先進、 美觀和符合人體特點的監控接口，可使獨特的控制裝置進行組合。例如，非限制性地，可識別手指動作特徵，確定手到達的工作表面的側面，以監控位於界面前的不同人員的合法或不合法的動作，驗證手指對鍵盤的輕觸或壓力產生的主要控制指令。顯然，本發明的裝置的使用不限於僅檢測一個手指，而可檢測多個手指同時或不同時施加的動作所產生的控制指令。本發明的裝置可通過厚達數毫米乃至數釐米的任何類型的電介質檢測手指的位置。這個優越性可使用無限的形狀、花紋、顏色和觸摸感設計控制裝置，使之使用起來更舒適。例如，可使用高質量的材料，例如木料、皮革、陶瓷，或者任何類型的剛性或撓性聚合物， 例如矽樹脂。特別是，柔軟材料如矽樹脂可具有更舒適的觸摸感。有利地，為衛生或尤其是美觀起見，電介質可易於更換。這種電介質可以是適於清洗或消毒的材料，這使本發明的裝置特別適於在衛生很重要的環境中使用接口。非限制性地，本發明也可使用在下述設備上-確保人機接口功能的控制設備，其裝有本發明的檢測運動或動作的電容裝置，-用於安裝於車輛的控制設備，其具有本發明的檢測運動或動作的電容裝置，-壁式傳感結構，其裝有本發明的監控裝置。根據另一個實施例，其提出一種對身體或目標的運動或動作敏感的控制接口方法，其使用本發明的裝置，其包括-在至少一個電容式傳感器中激勵一個或多個測量電極，所述測量電極(i)具有一個工作表面，其朝向一個檢測表面，或基本上與所述檢測表面重合；(ii)配有一個用導電材料製成的保護外殼，其至少沿著其基本上相對於工作表面的端面布置在測量電極附近，-以基本上與測量電極的交流電勢相同的交流電勢激勵所述保護外殼，-處理所述電容式傳感器產生的信號，以提供電極的工作表面和所述目標之間的距離信息，其特徵在於，測量電極具有獨立的工作表面，彼此獨立地被訪問。
在一個特殊實施例中，本發明的方法包括測量目標和檢測表面之間的至少一個距離，處理所述距離測量結果，以提供接近信息，其特徵在於，其還包括-測量目標和檢測表面之間的接觸，以及-處理所述接觸測量結果，以提供觸摸信息。顯然，所述接觸可為表面輕觸。根據有利的實施例，-目標和檢測表面之間接觸的檢測可包括測得的電容與至少一個閾值進行比較，-距離測量結果的處理可包括至少根據距離測量結果檢測所獲得的目標在空間中的位置，且對電容式傳感器的布置情況進行識別，以及-接觸測量結果的處理可包括已經檢測目標和檢測表面之間接觸的電容式傳感器的識別。本發明的方法還可包括-測量檢測表面在目標的作用下的位移，-處理所述位移測量結果，以提供按壓信息。有利地，-本發明的方法還可包括控制指令確定步驟，所述控制指令至少由接近信息、觸摸信息和按壓信息中至少任一種信息加以調節，-由觸摸信息和按壓信息中任一種信息確定的至少一種控制指令可由接近信息調節，-至少一種控制指令可由接近信息、觸摸信息和按壓信息中至少任一種信息的短暫變化加以調節。因此，本發明的方法可產生直至三個信息信號電平的控制指令-接近信息，-觸摸信息，-按壓信息。顯然，三個信息信號電平可同時出現和處理，這些信息可包括測量結果或其全部數據的短暫變化。非限制性地，-接近信息例如可包括距離、徑跡、一個或多個目標根據其形狀的識別。它們例如可用於將界面調節到正在進行的作用方式啟動、光線選擇、慣於用左手的人或慣於用右手的人使用界面的調節、手或筆使用界面的調節等等，-觸摸信息例如可包括接觸部位、表面上單動的或同時觸摸的路徑、單動的或反覆的輕敲。它們例如可用於驗證控制裝置(按鈕)，輸入數據(寫)，不斷顯示或快速變焦距顯不等等，-按壓信息例如可包括在一個部位沿一個或多個路徑的壓力、單動式或反覆的按壓輕敲、以及施壓時間。它們例如可用於執行定比控制指令(速度的調整、電流強度的調整)，鎖定控制指令等等。有效區別接近和觸摸(或輕觸)的電容是用於需要一定安全級的應用的接口的基本要求。這樣可適應指令必須先選擇後生效以避免誤動作的基本安全要求。
有利地，使用本發明的方法和裝置，選擇可無接觸地進行，這樣可獲得很大的靈活性。接近的檢測和分析也可用於使裝置具有預期的或準備控制指令的電容，其也可以是一個安全係數。用於醫療設備或車輛特別是汽車的接口尤其有這些安全要求，其中，本發明的裝置和方法尤其非常適用。顯然，本發明的裝置和方法不限於與安全性有關的應用。一般來說，作為非限制性實施例，可舉出以下一些應用的可能性-一般三維控制裝置、手勢動作監控或控制裝置的廣泛應用，公知的例如有「三維觸控板」、「三維手勢動作監控器」、「三維浮動式視頻顯示器」；-住宅自動化信息管理，例如燈光、空調、百葉窗、開門等等的控制裝置；-家用電器，用於電氣裝置例如洗衣機等的任何形式的控制和編程；-可攜式設備、電話、GPS等的用戶接口；-辦公室自動化信息處理設備、計算機等的用戶接口；-手控電子遊戲接口；-一般運輸工具的功能監控與操縱接口，包括軍事領域和航空領域。根據另一個實施例，本發明的裝置可與其它無接觸檢測和/或識別器連接，以實現一個用戶的多個檢測部位的全部手勢動作接口。例如，可以-藉助於具有較大測量距離的電容式傳感器或光學傳感器或超聲傳感器確定使用者的位置，以便預配置本發明的手勢動作接口。例如，可根據使用者的位置和數量，以不同的方式配置某些功能；-例如使用攝像機和圖像識別裝置，識別使用者的動作和/或特徵(性別、服裝、身份、體態或所有其它特徵等)，以使手勢動作接口適合於其需求，或者對於出入監控應用來說，使之適合於其許可級別。因此，提出一種裝有本發明的監控裝置的多級手勢動作接口， 其特徵在於，其還具有光學成像裝置，例如三維攝像機。有利地，光學成像裝置可具有光學攝像機。本發明也提出一種使用多級手勢動作接口的方法，其特徵在於，其還包括-用光學成像檢測目標的步驟，其提供圖像信息，以及-該圖像信息的處理步驟，以確定一個或多個控制指令。根據另一個實施例，本發明的裝置最好可連接於語音接口。因此，提出一種裝有本發明的監控裝置的手勢動作和語音接口，其特徵在於，其具有由聲音執行的控制指令識別
直ο本發明也提出一種使用語音接口的方法，其特徵在於，其還包括-語音識別步驟，以及-該語音信息的處理步驟，以確定一個或多個控制指令。根據另一個實施例，本發明的裝置最好可連接於包括光學成像裝置和語音識別裝置的多級手勢動作接口，以實施一種包括多種技術的整體虛接口。因此，例如可執行多級手勢動作控制指令和語音控制指令。因此，提出一種裝有本發明的監控裝置的電容式、光學和語音多級手勢動作接口， 其特徵在於，其具有光學手勢動作識別裝置和聲音執行的控制裝置。
本發明也提出一種使用語音接口的方法，其特徵在於，其還包括-用光學成像檢測目標的步驟，其提供圖像信息，以及-該圖像信息的處理步驟，以確定一個或多個控制指令，-語音識別步驟，以及-該語音信息的處理步驟，以確定一個或多個控制指令。


和實施方式根據對非限制性實施例和實施方式以及附圖的詳細說明，本發明的其它優越性和特徵將得到更好理解，附圖如下圖1是本發明的裝置的總圖；圖2示出與本發明的裝置進行交互的方式；圖3示出目標和本發明的裝置之間接觸的檢測方式；圖4示出測量電極集中以增大裝置的作用範圍的實施例；圖5示出本發明的裝置的一種實施方式；圖6示出本發明的裝置的另一種實施方式以及交互方式的實施例；圖7示出電子激勵和處理裝置的第一種實施方式；圖8示出電子激勵和處理裝置的第二種實施方式。如圖1所示，本發明的裝置具有一組實施在一個雙面撓性印刷電路1上的電容式傳感器。測量電極2刻蝕在印刷電路1的端面之一上，而電路的第二端面承載保護外殼3。每個電極2由一個連接電路6連接於電子激勵和測量裝置7。連接電路6刻蝕在與電極相同的印刷電路1的端面上。保護外殼3也連接於電子裝置7，其為浮式，且由一個電連接線5參考該保護外殼的電位。根據裝置的配置，電連接線5和6可包括同軸電纜。—個例如用矽樹脂製成的電介質材料板14布置在電極2的前面，以便與其工作表面進行接觸。如圖2所示，當目標11例如手或手指接近裝置時，就與電容式電極2形成電耦合。 電極2及其相關的電子裝置7、9測量其與該目標11之間建立的電容C，以便由下述關係式推斷距離13 C= ε ο · ε r · S/D,其中，^是自由空間的電容率，、是要予以考慮的電介質材料14或空氣在其存在的距離上的相對電容率，S是電極的面積，數量級例如為1至2平方釐米，以便在良好的條件下檢測手指，D是待測量距離。距離D或電容C的測量可確定-目標11在其接近時的距離(圖加)，-目標11和檢測表面4之間的物理接觸，其相當於距離D基本上等於具有公知特徵的電介質材料厚度Dc的情況(圖2b)，以及-必要時，目標11在電介質材料14中的按壓深度，其相當於距離D基本上小於厚度Dc的情況(圖2c)，且其可根據壓力或力量予以變換。物理接觸的檢測對於例如控制指令的作用安全性具有特殊的優越性。這種檢測由於電介質材料的存在而基本上得到改善。圖3是分別在存在具有相對電容率、=3和厚度Dc = 5毫米的情況下(曲線C)與在不存在該材料的情況下(曲線Ca)，一個面積為2平方釐米的電極2測得的電容的變化的比較圖。可以看出，在存在材料14的情況下(曲線 C)，當目標11緊靠材料的表面時，測得的電容大為增大。因此，接觸可以以與具有高相對電容率的材料14同樣大的靈敏度予以檢測。這種檢測最好可用測得的電容與一個或多個閾值比較來進行。同樣，當目標按下撓性電介質材料14時(圖2c)，其位置可以以與材料的高相對電容率同樣多大的靈敏度測得。有利地，這可在測量較小位移時，進行精確的壓力測量。本發明的裝置的主要特徵是可進行與電極相距數釐米乃至數分米以及緊靠電極的高精度測量。這種測量結果採用這樣一種電子方法即可獲得，其既可獲得很大的靈敏度， 又可獲得對環境的電磁幹擾的非常良好的抗擾性。此外，抗擾性問題在數字控制裝置的環境中極為重要。本發明中實施的電子裝置基於文獻FR2756048中述及的浮橋式測量方法。圖7示出電子裝置的第一種實施方式。電極2的電容由參考保護外殼3的電位34的一個電容計 7相對於總地線10完全浮動地測得。保護外殼3和電極2由電路7以具有固定頻率的交流電壓激發，以便進行測量結果的同步解調。浮式電子裝置7例如由一個直流/直流恆定電壓換流器30供電。解調後的測量信號由一個差分放大器33輸送到與總地線連接的電路 9，以便能傳輸到計算裝置。一個多路調製器31可相繼訪問電極2，而無效電極保持在保護外殼電位34。圖8示出電子裝置的第二種實施方式。其與圖7所示的實施方式的不同之處在於， 所有電極2具有其固有的電子檢測裝置35，可同時加以判讀。根據具體實施方式
，-直流/直流換流器30可代之以一個不太昂貴的電源裝置，其參考總地線10，且由「脈衝感應線圈」或「扼流線圈」連接於浮動電路7，-輸出差分放大器33可代之以光耦合器或脈衝感應線圈。使用的電子裝置可測量約為0.001皮法(皮可法拉)的電容，直至數皮可法拉，精度約為0. 001皮法。採用測量與一個面積約2平方釐米的電極相距50毫米的手指的位置的實施例，可計算出測得的電容約為0. 035皮法。在這些條件下，且在這個距離上，電子裝置的靈敏度為 0. 7皮法/米，位置測量精度小於10_3/0. 7 = 1.4毫米。當手指遠離時，靈敏度快速下降，因為場力線在坡道上開始張開。實際上，圍繞選擇電極的保護外殼最多相當於全部檢測面積。對於通常尺寸的接觸器板來說(邊長100至 200毫米)，一個2平方釐米的電極的場力線張開的距離超過約50毫米。使用面積較大的接觸器板，理論上可檢測100毫米以上的手指，但是，側向解析度大為降低。如果集中電極，例如獲得2500平方毫米的電極面積，那麼，手在300毫米以上非常易於檢測到。在這個距離，測得的電容約為0. 073皮法。採用浮橋技術可獲得這些性能，因為電子裝置僅測量電極2和目標11之間的電容。在現有技術例如US68473M提出的裝置中，保護外殼的測量和形成電路產生的寄生電容仍大於1皮法，這種寄生偏移(噪音源)的穩定度約為數十至數百毫微微法拉。使用的浮橋技術利用以調幅和調幅波檢波激勵交流信號，因而可確保非常良好地抑制圍繞和覆蓋電極2的電介質材料14的阻抗變化。
此外，浮橋具有直接測量電極2和目標11之間的電容倒數的特點，從而可以以測量距離13獲得線性比例信號。該優越性是主要的，因為在遠距離，電容隨距離的變化非常小(根據雙曲線定律)，電子裝置和信號數值化裝置的自然偏差比待測量電容還要大。如圖4所示，電容式電極可用電子方法，例如用多路調製器31集中，以構成能夠以較大距離檢測目標的大面積電極。在圖4所示的實施例中，電極44是電極40、41、42、43集中而成。例如，當裝置未檢測到接近的目標時，其處於遠距離檢測方式(圖如)。當目標接近各電極的測量範圍時，裝置轉換到最具側向分辨力的方式(圖4b)，以檢測目標的細部。 顯然，重新配置會比較複雜，局部取決於不同區域的檢測。根據具體的實施方式，本發明的裝置可具有與布置在一個連續表面上的一個方矩陣大不相同的電極裝置。例如，如圖5所示，電極布置在電介質材料14之下，其檢測表面4模仿機電開關例如旋鈕20和按鈕21的形狀。「似按鈕」配有電極2，可先檢測使用者的接近後檢測其動作。圖6示出由電容式電極構成的界面，電容式電極布置在用撓性電介質材料製成的半球形檢測表面之下。這種界面例如易於通過任意側面檢測接近的手，右手或左手或幾隻手(圖6a)，以判斷一個手指(圖6b)或幾個手指(圖6c)執行的控制指令。根據具體的實施方式，電容式電極和保護外殼可用透明的導電材料例如摻錫氧化銦實施，以使裝置基本上透明，且能例如安裝在顯示器上。顯然，本發明不局限於所述的實施例，許多結構方案可提供給這些實施例，而這不超出本發明的範圍。
權利要求
1.控制接口裝置，其對身體或目標的運動或動作敏感，包括-檢測表面⑷，-至少一個電容式傳感器，每個所述傳感器都具有測量電極0)，所述測量電極(2)具有朝向檢測表面的或基本上與所述檢測表面重合的工作表面，-用導電材料製成的保護外殼(3)，其至少沿其基本上與工作表面相對的端面布置在測量電極O)附近，所述保護外殼(3)以基本上與測量電極O)的交流電勢相同的交流電勢進行激勵，-電子裝置(7，9，12)，其用於激勵測量電極O)，處理所述電容式傳感器的信號，以提供電極⑵的工作表面和所述目標(11)之間的距離信息(13)，其特徵在於-測量電極O)的工作表面彼此獨立，以及-電子激勵和處理裝置(7，9，1幻還用於彼此獨立地訪問所述測量電極。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，電子激勵和處理裝置(7，9，12)的測量範圍可同時-檢測和識別身體或目標(11)相對於測量電極O)的工作表面的相對運動，以及-檢測所述身體或所述目標與檢測表面的接觸。
3.根據權利要求1和2之一所述的裝置，其特徵在於，電子激勵和處理裝置至少一部分 (7)參考保護外殼的電位。
4.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，電子激勵和處理裝置(7，9) 具有監控器(31)，其可相繼讀取電容式傳感器產生的測量信號，不處於監控中的電極參考保護外殼(3)的電位。
5.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，電子激勵和處理裝置具有可使測量電極00，41，42，43)在電學上集中的裝置，以使所述集中的電極構成一個特定的測量電極(44)。
6.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，其還具有布置在測量電極 (2)的工作表面一側的電介質材料(14)，所述電介質材料的相對於電極的表面構成檢測表面⑷。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，電介質材料(14)布置成基本上與電極 (2)的工作表面接觸。
8.根據權利要求5和6之一所述的裝置，其特徵在於，電介質材料(14)具有撓性材料，其可使檢測表面(4)通過材料在按壓力的作用下局部變薄，基本上朝測量電極的方向變形。
9.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，電介質材料(14)具有基本上呈剛性的板， 其適於在按壓力的作用下，沿著視所述按壓力的作用點而定的傾斜度，向測量電極移動。
10.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，檢測表面(4)具有使控制裝置00，21)有形化的凸起形狀。
11.確保人機接口功能的控制設備，其特徵在於，其裝有根據前述權利要求之一所述的控制接口裝置。
12.多級手勢動作接口，其裝有根據權利要求1至10中任一項所述的控制接口裝置，其特徵在於，其還具有光學成像裝置。
13.多級手勢動作接口，其裝有根據權利要求1至10中任一項所述的控制接口裝置，其特徵在於，其還具有語音識別裝置。
14.多級手勢動作接口，其裝有根據權利要求1至10中任一項所述的控制接口裝置，其特徵在於，其還具有光學成像裝置和語音識別裝置。
15.控制接口方法，其對身體或目標的運動或動作敏感，其使用根據權利要求1至10中任一項所述的裝置，其包括-在至少一個電容式傳感器中激勵一個或多個測量電極0)，所述測量電極(i)具有工作表面，其朝向檢測表面G)，或基本上與所述檢測表面重合；(ii)配有用導電材料製成的保護外殼(3)，其至少沿著其基本上相對於工作表面的端面布置在測量電極O)附近， -以基本上與測量電極O)的交流電勢相同的交流電勢激勵所述保護外殼(3)， -處理所述電容式傳感器產生的信號，以提供電極O)的工作表面和所述目標(11)之間的距離信息(13)，其特徵在於，測量電極(2)具有獨立的工作表面，並且彼此獨立地被訪問。
16.根據權利要求15所述的方法，其包括測量目標(11)和檢測表面(4)之間的至少一個距離(13)，-處理所述距離測量結果，以提供接近信息， 其特徵在於，還包括-測量目標(11)和檢測表面⑷之間的接觸，以及 -處理所述接觸測量結果，以提供觸摸信息。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，-距離測量結果的處理包括至少根據距離測量結果檢測所獲得的目標(11)在空間中的位置，且對電容式傳感器O)的布置情況進行識別，其特徵還在於，-接觸測量結果的處理包括識別已檢測到目標(11)和檢測表面(4)之間接觸的電容式傳感器O)。
18.根據權利要求16和17之一所述的方法，其特徵在於，其還包括 -測量檢測表面⑷在目標(11)的作用下的位移，-處理所述位移測量結果，以提供按壓信息。
19.根據權利要求16至18中任一項所述的方法，其特徵在於，其還包括控制指令確定步驟，所述控制指令至少由接近信息、觸摸信息和按壓信息中的至少任一種信息加以調節。
20.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，由觸摸信息和按壓信息中的任一種信息確定的至少一個控制指令由接近信息進行調節。
21.根據權利要求19和20之一所述的方法，其特徵在於，至少一個控制指令由接近信息、觸摸信息和按壓信息中的至少任一種信息的短暫變化進行調節。
22.根據權利要求16至21中的一項所述的方法，其使用根據權利要求12所述的多級手勢動作接口，其特徵在於，還包括-通過光學成像檢測目標的步驟，其提供圖像信息，以及 -處理該圖像信息以確定一個或多個控制指令的步驟。
23.根據權利要求16至21中的一項所述的方法，其使用根據權利要求13所述的手勢頁動作接口，其特徵在於，還包括 -語音識別步驟，以及-處理該圖像信息以確定一個或多個控制指令的步驟。
24.根據權利要求16至21中的一項所述的方法，其使用根據權利要求14所述的手勢動作接口，其特徵在於，還包括-通過光學成像檢測目標的步驟，其提供圖像信息， -處理該圖像信息以確定一個或多個控制指令的步驟， -語音識別步驟，以及-處理該語音信息以確定一個或多個控制指令的步驟。
全文摘要
本發明涉及控制接口裝置和方法，尤其是手勢動作和/或觸控和/或語音控制接口裝置和方法，其在檢測空間中對身體或目標的至少一部分的運動或動作敏感，其具有檢測表面、至少一個電容式傳感器，所述裝置具有測量電極、用導電材料製成的布置在測量電極附近的保護外殼、用於處理所述電容式傳感器產生的信號的電子裝置。測量電極的工作表面彼此獨立，電子激勵和處理裝置彼此獨立地訪問這些測量電極。
文檔編號G06F3/044GK102576270SQ201080044713
公開日2012年7月11日 申請日期2010年8月6日 優先權日2009年8月7日
發明者迪迪埃·羅茲埃爾 申請人:納米技術公司