智能手表基于手臂肌肉電流信號做手勢識別的方案的制作方法
【專利摘要】智能手表小巧并有很強的數據運算和處理能力，其缺點和優點同樣明顯。一方面，和智能手機比較，由于顯示屏幕尺寸小，使得在信息呈現和用戶輸入上有很大局限，實用性不強；另一方面，和智能手機或其他電子設備比較，緊貼用戶的皮膚，使得通過添加生物感應器，在檢測用戶的生命生物信息并加以利用上具有很大的優勢。本發明方案將基于手臂肌肉電流信號檢測的手勢識別技術添加到智能手表中，軟件充分利用手表的信號和數據處理能力，加上增加有限的硬件電路，不但可以通過手勢方便的控制智能手表，而且也可以通過安裝手勢應用程序將智能手表變成通用手勢識別控制器，極大地增強智能手表的實用性和價值，實現了兩種技術的無縫整合。
【專利說明】智能手表基于手臂肌肉電流信號做手勢識別的方案
【技術領域】
[0001]本發明涉及在智能手表中加入一種手勢識別方法的技術方案，此手勢識別方法基于手臂肌肉電流信號(EMG)檢測，通過智能手表進行信號處理，提取手勢特征參數，實現手勢的區別。將此種手勢識別技術集成到智能手表中，可以一體化的實現用手勢控制智能手表，或者進一步通過智能手表實現通用手勢識別控制器的功能，用于控制例如手機、電視、電腦等電子設備。在技術上，當我們做某種手勢時，相應的手臂肌肉會產生微弱的生物電流信號，通過檢測肌肉電流信號的變化，加上實時數字信號手勢識別算法處理，可以檢測出手指、手掌、手腕運動構成的手勢的特征參數信息，達到手勢區分，并進一步映射成各種計算機控制輸入命令。同時，智能手表作為佩戴在手臂上緊貼皮膚的可穿戴設備，在提取生物特征并加以利用上具有先天的可行性優勢，通過加入此種手勢識別技術，將大幅度提高智能手表的實用價值。
【背景技術】
[0002]隨著軟硬件相關科技的快速發展，智能手表的集成度越來越高，功能越來越豐富，很大比例的手機功能可以通過智能手表實現，大大簡化用戶接收和傳遞信息的方法。但和智能手機比較，智能手表受限于小尺寸顯示屏幕，在內容顯示和操作上仍存在很大的缺陷，一般只能作為智能手機的輔助外設使用，使得實用性不夠強，影響智能手表的普及；而在另一方面，和其他電子設備包括智能手機比較，智能手表緊貼用戶的皮膚，通過添加生物感應器技術，在檢測用戶的生命生物信息并加以處理和利用上具有很大的優勢和潛力。現代醫學揭示手臂肌肉電流信號是屬于神經系統產生的生物電流，肌肉借著神經沖動產生的微弱生物電流，產生收縮動力。手勢是通過神經系統按照一定的方式刺激手臂的多塊肌肉實現的。本發明提出了通過檢測手臂肌肉電流信號的變化來實現手勢識別，并應用在智能手表中，可以通過手勢控制智能手表，或者通過手勢應用程序將智能手表轉換成通用手勢控制器。此方案增加不多的硬件成本，主要利用智能手表已有的信號和數據處理能力，但是極大地提高智能手表產品的實用性和附加值。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對智能手表實用功能偏少，并由于顯示屏幕尺寸限制，用戶控制輸入困難的現狀，結合手表佩戴和緊貼在手臂上的先天優勢，提出的一種通過檢測手表下手臂肌肉電流信號的變化來實現手勢識別的新型方案。此發明不但可用于直接控制智能手表，而且可以通過手表實現通用手勢識別控制器的功能。此發明通過在智能手表中增加不多的模擬信號前端處理和采集硬件電路，利用智能手表的計算處理能力識別手勢，并配合已有外設，例如藍牙通訊，實現智能手表價值的大幅提升。技術實現上，在手表緊貼皮膚的表帶內側以及手表的背面，按照手臂主要肌肉的位置，放置一路或多路表皮肌肉電流信號傳感器，拾取肌肉電流信號；信號經過濾波，放大，模擬信號數字化等處理后，由智能手表的處理器進行實時的數字信號處理，提取各個手勢的特征參數，實現手勢區別以到達手勢識別的目的。手勢識別功能在智能手表的操作系統中被映射成一種人機交互設備(HID，Human Interface Device 或 HCI, Human Computer Interaction)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0004]圖1:加入了通過肌肉電流信號識別手勢技術的智能手表的一種可能外觀示意。
[0005]圖2:加入了通過肌肉電流信號識別手勢技術的智能手表的另外角度外觀示意。
[0006]圖3:肌肉電流信號到手勢信息所經過的各個信號處理環節框架示意。
[0007]圖4:常用手勢動作示意。
[0008]圖5:手勢識別算法基本流程示意。
【具體實施方式】
[0009]本發明的核心是在智能手表的中加入基于手臂肌肉電流信號檢測做手勢識別的功能。具體的技術實施為在手表的表帶內側緊貼手臂皮膚處以及手表的背面，按照手臂肌肉位置放置一路或者多路表皮肌肉電流傳感器，傳感器可能但不限于采用差分形式，拾取的信號通過相應的模擬信號濾波，放大，模擬信號數字化轉換等電路，變成智能手表的處理器可見的連續的數字信號流，通過在處理器中實現手勢識別處理算法，提取各個手勢的特征參數，最終實現手勢識別。
[0010]圖1是集成了通過肌肉電流識別手勢技術的智能手表(100)的一種可能的外觀表現形式。智能手表(100)包含但不限于以下部件:帶處理器、存儲、通訊等電路和軟件操作系統的手表主機(101)，手表的顯示屏(105)，攝像頭(104)，話筒(107)，按鈕開關(108)，表帶(102)。智能手表(100)安裝的應用程序軟件，通過菜單或者圖標(106)方式可以選擇運行和退出。此發明和現有智能手表在外觀上最大的區別表現為:在表帶(102)的內側(102A)安裝有表皮肌肉電流信號傳感器(103)，可能但不限于差分傳感器；傳感器(103)的數量根據不同的成本需求、設計復雜度和手勢識別精度可以是一路，或者多路。應當指出，圖中展示的表帶(102)分為中間分離的兩部分，實際應用并不局限于此，本發明的著重點是在智能手表(100)的表帶(102)內側(102A)布置有傳感器(103)電路，以及在手表主機(101)內實現的手勢識別算法。表帶(102)本身的表現形式可以是多樣的。表帶的外側(102B)可以布置有但不限于其他輔助手勢識別相關的部件。設計中，表帶(102)內部可能但不限于安裝與傳感器(103)相關的模擬信號前端處理電路，可能但不限于采用柔性電路板技術。
[0011]圖2是從另外一個角度觀看集成了通過肌肉電流信號變化識別手勢技術的智能手表(100)的外觀表現形式，此角度主要展示傳感器(103)在智能手表主機的背面(101A)的布置情況。傳感器(103)除了可以布置在表帶內側(102A)，在手表主機背面(101A)同樣可以按照設計需要放置；同時，傳感器(103)的數量也不限于一路，或固定的幾路，實際應用中傳感器(103)的通道數量完全取決于設計成本、復雜度和手勢識別精度的需求。
[0012]圖3指示的是從手臂皮膚表面而來的表皮肌肉電流信號(306)可能經過的一系列處理環節。從傳感器(103)拾取的原始表皮肌肉電流信號(306)，信號非常微弱，通常峰峰值在IOmV以內，對檢測手勢有用的信號頻率范圍在O?1000Hz以內。原始信號(306)經過線性模擬放大器電路(301)放大成峰峰值適合后續模擬到數字轉換電路(303)量程的放大信號(307)，再經過濾波電路(302)做頻率范圍限制，以減少無用信號頻率對后續算法的干擾，放大和濾波后的信號(308)按照那奎斯特(Nyquist) 二倍采樣原理通過模擬到數字轉換電路(303 )轉換成數字信號(309 )，數字信號(309 )經過智能手表(100 )的處理器進行手勢識別算法處理(304)，以最終檢測出手勢特征信息(305)。應當說明，此示意圖只是用于說明整個信號處理流程的可能實現框架，實際實現中可能但不完全限于此框架，例如放大器電路(301)和濾波電路(302)在實現上完全有可能位置互換，濾波算法也可能在數字領域實現等等。
[0013]圖4指示的是用于控制智能手表(100)可能的常用手勢和手勢代表的命令。例如:手掌上翻(401)的手勢動作可用做往上移動命令，手掌下翻(402)可用作往下移動命令，握拳(403)可用作選擇和確認命令，正常手掌位置(404)表示無命令輸入。上述的動作也可以用來做連續手勢動作，進而被映射成其他命令，例如快速的兩次手掌上翻(401)動作，可以用來表示往左移動命令，連續的兩次下翻(402)表示往右移動命令等。此處的圖示只是用于描述手勢動作和計算機命令輸入可能的映射情況，實際應用中可以定義多種手勢以滿足不同應用的需要，例如特殊的手勢動作或者手勢動作序列可以用于啟動或終止手勢命令輸入。
[0014]圖5指示的是手勢識別的數字信號處理算法流程框架。經過模擬到數字轉換后的一路或多路數字信號(309)先經過數字預處理單元(501)進行例如數字濾波，用于進一步在信號中除去環境噪音，比如50Hz或者60Hz的電源交流信號干擾；經過數字預處理后的信號接著進入分段處理單元(502)，進行例如整流(Rectify)、均方根(RMS)、快速傅立葉變換(FFT)、小波運算(Wavelet)等處理，整理出各個信號通道(309)的頻率和能量分布信息，相位一致性信息，以及通道和通道間的相位關系等信息；提取的多個信息再經過特征提取(503)算法的處理，例如閾值判斷和自相關參數提取算法，提取出各個手勢的特征參數。在工作模式下，手勢判斷邏輯(505)用特征參數配合手勢特征庫模型(504)數據，通過一定的算法進行匹配判斷，最終輸出手勢信息(506)。除了工作模式，設備還將支持手勢訓練模式，在此模式下，特征參數被用于更新或擴展手勢特征庫模型(504 )。
[0015]最后應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明可能的技術方案而非限制。根據實際應用的不同，產品在外觀，算法等會有差異，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種在智能手表中實現手勢識別技術的方法，此手勢識別技術核心基于手臂肌肉電流信號(EMG, Electromyography)檢測，并將此技術運用在智能手表中，實現用手勢控制手表。
2.如權利要求1集成了手勢識別技術的智能手表，在手表表帶內側，緊貼手臂皮膚的位置有一路或多路表皮肌肉電流信號傳感器，傳感器按照手臂主要肌肉的位置放置，傳感器可采用但不限于差分模式。
3.如權利要求1，2集成了手勢識別技術的智能手表，在手表表帶內部可裝配有模擬信號處理電路，可能但不限于模擬信號放大電路、模擬信號濾波電路等，電路板可能采用但不限于柔性電路板技術。
4.如權利要求1，2，3集成了手勢識別技術的智能手表，在智能手表主機背面，緊貼手臂皮膚位置，可不放置，或放置有一路，或多路表皮肌肉電流信號傳感器，傳感器按照手臂肌肉的位置放置，傳感器可采用但不限于差分模式。
5.如權利要求1，2，3，4集成了手勢識別技術的智能手表，一路或多路的手臂表皮肌肉電流信號，需要經過但不限于模擬信號放大電路、模擬到數字轉換電路，濾波電路；濾波電路可以在模擬信號領域或者數字化后的數字域完成。
6.如權利要求1，2，3，4，5集成了手勢識別技術的智能手表，數字化后的一路或多路肌肉電流信號，可由但不限于智能手表已有的中央處理器進行數字信號處理，提取各個手勢的特征參數，通過手勢特征庫模型進行手勢匹配，以區分手勢，以及手勢到計算機命令的可編程映射。
7.如權利要求6，提取的各個手勢的特征參數，在訓練模式下，可以用于更新和擴展手勢特征庫模型。
8.如權利要求6，通過智能手表識別的手勢信息，在映射成計算機命令后，可用于直接控制智能手表；或者通過手勢應用程序將智能手表轉換成通用手勢控制器，通過智能手表已配備的藍牙或者W1-Fi等無線通訊方式，連接到其他電子設備，作為一種人機交互輸入設備使用。
9.如權利要求1，手勢命令對智能手機的控制，可以通過某些特殊手勢動作或手勢動作序列打開和關閉，或者通過智能手表上的物理按鈕或虛擬按鈕打開和關閉。
【文檔編號】G04B47/06GK103558918SQ201310568203
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】不公告發明人 申請人:上海威璞電子科技有限公司