一種智能手套的製作方法
2023-05-23 08:47:36 3
本發明涉及智能穿戴設備領域，尤其涉及一種手套，具體為一種用於鋼琴彈奏教學用的智能手套。
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。
現有技術中也有對於智能手套的研究，中國專利「201610126939.1」，公開了一種智能手套，包括基材，傳感器組件、電源與數據處理裝置，至少一組手指傳感器組件設置在基材上，通過連接電路與數據處理裝置連通，電源負責供電，數據處理裝置負責處理傳感器組件信號，所述傳感器組件包括指尖壓力傳感器、運動姿態傳感器、手指彎曲度檢測傳感器與指間狀態檢測傳感器；可以檢測出指尖觸碰物體時受到的壓力數值、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，該智能手套不僅能識別靜態手形，更可以識別動態手形，從而真正實現了「身教」的教學方式，高效地提高了教學質量。
通過進一步研究發現，上述智能手套有三個缺點：
1、傳感器組件較為複雜，具體由四種傳感器組成，包括指尖壓力傳感器、運動姿態傳感器、手指彎曲度檢測傳感器與指間狀態檢測傳感器；
2、人手大小不一，尤其是成人、小孩手掌大小、手指長短區別較大，上述指間狀態檢測傳感器與手指彎曲度檢測傳感器因人手掌大小、手指長短不同而導致採集到的數據區別較大，無法統一為一個較為有效的數據，「身教」的效果大打折扣。
3、手指彎曲度檢測傳感器屬於模擬傳感器，其檢測精度、解析度、器件的一致性和重複性受生產工藝的局限性影響而導致在使用過程中信號誤差較大，五個手指在彎曲後回復原形態的反覆過程中無法保持較好的重複性和一致性。而運動姿態傳感器選用數字陀螺儀傳感器，屬於數位訊號傳感器，其檢測精度與解析度較高，器件的一致性較好，在使用時，重複性也非常好。不存在手指彎曲度檢測傳感器存在的一致性、重複性及信號精度差的問題。
技術實現要素：
針對現有技術中的問題，本發明提供一種智能手套，可以準確識別演奏鋼琴時的多種靜態與動態手形。
為解決以上問題，本發明的解決方案是一種智能手套，包括手套，還包括在手套上設置的指尖壓力傳感器、運動姿態傳感器、連接電路、數據處理裝置和電源，在手套的五個手指指尖內側分別設置有指尖壓力傳感器，用於實時檢測出指尖觸碰物體時受到的壓力數值，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，所述指尖壓力傳感器和運動姿態傳感器分別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指尖壓力傳感器和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，而且本發明智能手套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，所述的智能手套為一體式結構，指尖壓力傳感器，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，所述的智能手套為一體式結構，指尖壓力傳感器，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，所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器，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，所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器，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，所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器，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，所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器，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，所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器，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，所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器，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，本發明具有以下優點：
1、通過設置壓力與運動姿態傳感器，可以檢測出指尖觸碰物體時受到的壓力數值、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是本發明設置有六個運動姿態傳感器的結構示意圖；
圖2是本發明設置有十一個運動姿態傳感器的結構示意圖；
圖3是本發明設置有十一個運動姿態傳感器的另一種結構示意圖；
圖4是本發明設置有十五個運動姿態傳感器的結構示意圖；
圖5是本發明兩種傳感器在手背與單指上的排布示意圖；
圖6是本發明一體式結構的示意圖；
圖7是本發明分體式結構的示意圖；
圖8是本發明手背的示意圖；
圖9是本發明手掌的示意圖；
附圖標記：1、手套，2、壓力傳感器，3、運動姿態傳感器，4、連接電路，5、數據處理裝置，6、通信裝置，7、電源，8、腕帶，9、電氣線纜，10、指尖內側，11、手背位置處，12、手掌心位置處，13、近節指骨，14、中節指骨，15、遠節指骨。
具體實施方式
結合圖1、圖8、圖9，詳細說明本發明的第一個具體實施例，但不對本發明的權利要求做任何限定。
如圖1、圖8、圖9所示，一種智能手套，包括手套1，還包括在手套1上設置的指尖壓力傳感器2、運動姿態傳感器3、連接電路4、數據處理裝置5和電源7，在手套的五個手指指尖內側10分別設置有指尖壓力傳感器2，用於實時檢測出指尖觸碰物體時受到的壓力數值，在手套1的手背位置處11或者在手套的手掌心位置處12設置有一個運動姿態傳感器3，在手套1的五個手指的近節指骨13的相對應的位置處分別設置有一個運動姿態傳感器3，用於實時檢測出手形及手指的運動方向和運動速度數值，所述指尖壓力傳感器2和運動姿態傳感器3分別通過連接電路4與數據處理裝置5連通，所述數據處理裝置5負責處理指尖壓力傳感器2和運動姿態傳感器3的信號，所述電源7與數據處理裝置5連通，負責給整個裝置供電。
更具體地，運動姿態傳感器3選用六軸陀螺儀傳感器。
更具體地，連接電路4用於連接各種傳感器和數據處理裝置5，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5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6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6，所述通信裝置6採用無線或有線通信，可以為獨立部件與數據處理裝置5連通，也可以為數據處理裝置5內的集成功能模塊，數據處理裝置5內集成的通信功能模塊也可理解為通信裝置6。
更具體地，電源7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8、圖9，詳細說明本發明的第二個具體實施例，但不對本發明的權利要求做任何限定。
如圖2、圖8、圖9所示，所述的智能手套運動姿態傳感器3有十一個，其中一個運動姿態傳感器設置在手背位置11處，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13，一個設置在手指遠節指骨15，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8、圖9，詳細說明本發明的第三個具體實施例，但不對本發明的權利要求做任何限定。
如圖3、圖8、圖9所示，所述的智能手套運動姿態傳感器3有十一個，其中一個運動姿態傳感器設置在手背位置處11，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13，一個設置在手指中節指骨14，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13，一個設置在手指遠節指骨15，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8、圖9，詳細說明本發明的第四個具體實施例，但不對本發明的權利要求做任何限定。
如圖4、圖8、圖9所示，所述的智能手套運動姿態傳感器3有十五個，其中一個運動姿態傳感器設置在手背位置處11，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13，一個設置在手指遠節指骨15，一個設置在手指中節指骨14，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13，一個設置在手指遠節指骨15，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，為兩種傳感器在手背與單指上的排布示意圖，包括一個指尖壓力傳感器2和四個手指運動姿態傳感器3。指尖壓力傳感器2設置在手指指尖內側10，能夠實時檢測出指尖觸碰物體時受到的壓力數值，壓力傳感器檢測範圍0.2N～20N，精度為0.2N，反應時間小於3毫秒；四個運動姿態傳感器3設置在單指上，其中一個運動姿態傳感器設置在手背位置處11，另外還有三個運動姿態傳感器，一個設置在手指近節指骨13，一個設置在手指遠節指骨15，一個設置在手指中節指骨14。
如圖6所示，所述的智能手套為一體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4，數據處理裝置5，電源7均設置在手套1上。
當所述通信裝置6為集成在數據處理裝置5內的功能模塊時，所述的智能手套也可以為另外一種一體式結構，指尖壓力傳感器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均設置在手套1上。
當所述通信裝置6作為獨立部件，並與數據處理裝置5連通時，所述的智能手套也可以為另外一種一體式結構，指尖壓力傳感器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均設置在手套1上。
所述指尖壓力傳感器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和電源7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5、通信裝置6和電源7等較大的硬體可以設置在手背處的較大空間。
如圖7所示，所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4，數據處理裝置5設置在手套1上，電源7設置在腕帶8上，手套1與腕帶8之間通過電氣線纜9連接。
所述的智能手套也可以為另外一種分體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4設置在手套1上，數據處理裝置5與電源7設置在腕帶8上，手套1與腕帶8之間通過電氣線纜9連接。
需要說明的是，根據實際的使用需求，可以僅在手套1上設置指尖壓力傳感器2和運動姿態傳感器3，而將數據處理裝置5、通信裝置6和電源7等較大的硬體靈活的設置在手套腕部或者獨立的腕帶8上，手套1與腕帶8通過電氣線纜9連接，這種分體式的智能手套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8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6為集成在數據處理裝置5內的功能模塊時，所述智能手套有下述幾種分體式結構：
1.所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4、數據處理裝置5和通信裝置6設置在手套1上，電源7設置在腕帶8上，手套1與腕帶8之間通過電氣線纜9連接。
2.所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4設置在手套1上，數據處理裝置5、通信裝置6與電源7設置在腕帶8上，手套1與腕帶8之間通過電氣線纜9連接。
比如通信裝置6作為獨立部件，並與數據處理裝置5連通時，所述智能手套有下述幾種分體式結構：
1.所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4、數據處理裝置5和通信裝置6設置在手套1上，電源7設置在腕帶8上，手套1與腕帶8之間通過電氣線纜9連接。
2.所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4設置在手套1上，數據處理裝置5、通信裝置6與電源7設置在腕帶8上，手套1與腕帶8之間通過電氣線纜9連接。
3.所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4和數據處理裝置5設置在手套1上，通信裝置6和電源7設置在腕帶8上，手套1與腕帶8之間通過電氣線纜9連接。
4.所述的智能手套為分體式結構，指尖壓力傳感器2，運動姿態傳感器3，連接電路4和通信裝置6設置在手套1上，數據處理裝置5和電源7設置在腕帶8上，手套1與腕帶8之間通過電氣線纜9連接。
使用時，如圖1或2或3或4所示，指尖壓力傳感器2設置在手指指尖內側，能夠實時檢測出指尖觸碰物體時受到的壓力數值，壓力傳感器檢測範圍0.2N～20N，精度為0.2N，反應時間小於3毫秒；運動姿態傳感器3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。
智能手套可以是全包裹形式，也可以是半包裹半開放或局部包裹形式，手套的材質可以使用但不限於紡織品或者橡塑、矽膠等材質。
綜上所述，本發明的智能手套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。如本發明應用於彈奏鋼琴的教學時，先採集教師的示範彈奏數據，教師穿戴好本發明的智能手套，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，指尖內側的壓力傳感器在敲擊琴鍵時受力，記錄相應力量數值，同時，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。當學生穿戴好智能手套後進行練習，學生的手形、運動姿態及敲擊鋼琴鍵時的指尖壓力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。
本發明的智能手套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。
可以理解的是，以上關於本發明的具體描述，僅用於說明本發明而並非受限於本發明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，可以對本發明進行修改或等同替換，以達到相同的技術效果，但都在本發明的保護範圍之內。