一种基于无线自组网模式的手势姿态检测装置的制作方法

本发明涉及手势姿态检测领域，尤其涉及一种基于无线自组网模式的手势姿态检测装置。

背景技术：

到目前为止，人类传播知识的途径主要还是通过文字、图形和语言描述的方式来进行，即所谓“言传身教”中“言传”的这一种方式。而另一种“身教”的方式却没有得到大力的推广，究其缘由主要是教学资源的严重不足。例如一个钢琴培训老师只能在同一时间段内集中培训为数不多的学员，如果采用大范围的集体教学模式，就会由于不能对每个学员都实现一对一的讲解指导而导致教学质量的下降。试想如果采用一种装置，可以实时的采集人类的肢体语言，并将其转换成一种数据格式，然后把培训老师的数据作为标准样本，那么其他学员的肢体语言数据只要与标准数据进行对比，就能通过数据的差异来表示出动作的差异，最后通过消除差异来对自身进行一种学习锻炼，这样的一种教学模式就能大范围的推广“身教”学习方式。

人类的肢体语言主要集中在手形方面，因为人类在进化过程中解放并灵活的运用了双手，才将人类与其他动物得以严格的区分并逐渐成为了高等智商的物种。在日常生活中，人类的手形涵盖了音乐、体育、娱乐等多方面的教学领域，如果可以通过特定设备将指导性的标准手形姿态进行实时采集和数据转换，将一系列的动作转换成数据格式来存放，并建立起统一的手形教学标准数据库，进而通过特定设备进行学习，则可以大大推广“身教”学习方式，节约教学资源，对人类的知识传播和技能传承有着划时代的意义。

现有技术中对于手形的研究较多，比如中国专利“201610871342.X”，公开一种钢琴弹奏手形的检测装置,包括手套、运动姿态传感器、连接电路、数据处理装置和电源，在手套的手背位置处或者在手套的手掌心位置处设置有一个运动姿态传感器，在手套的五个手指的近节指骨的相对应的位置处分别设置有一个运动姿态传感器，用于实时检测出手形及手指的运动方向和运动速度数值，所述运动姿态传感器通过连接电路与数据处理装置连通，所述数据处理装置负责处理运动姿态传感器的信号，所述电源负责供电。该发明通过数据处理装置对运动姿态传感器进行数据采集与分析处理，可以对弹奏钢琴时的多种手形进行准确识别，不仅能识别弹奏钢琴时的静态手形，更可以识别动态手形，并记录下与时间对应的运动姿态传感器状态数值。

但是，该专利“钢琴弹奏手形的检测装置”有以下缺点：

1、受限于手套的束缚，用户的穿戴体验效果不是很好。

2、各个传感器依靠电气线缆或通信线路来实现相互的连通，且所有的传感器都连接到了同一个数据处理装置上，采用单一处理装置对多个传感器进行数据采集和信息处理，效率较低。

3、因为电气线缆的存在，有些手势姿态由于电路和外观设计以及穿戴方式的局限而不能准确展现，或者展示的手势姿态不能被准确的检测和识别，手势姿态检测的准确性、完整性较弱。

4、上述钢琴弹奏手形的检测装置以手套的方式穿戴好后，作为一个整体使用不够灵活，在仅仅需要单一手指的姿态检测时，较不方便。

5、应用场景较为局限，本发明不仅可以应用在钢琴弹奏时的手势姿态检测，还可以扩展到其他多个应用场景，例如训练学生正确握笔练习书法，训练幼儿快速掌握筷子用餐技能，训练焊接技工焊接时的标准手势姿态或其他需要精确规范操作手势的专业培训等。

6、一旦某个运动姿态传感器发生故障，钢琴弹奏手形的检测装置需要整体进行维修或更换，维护成本较高。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于无线自组网模式的手势姿态检测装置，应用时选取测试所需数量的检测装置，其中一个作为主机模式检测装置，其余都作为从机模式检测装置，然后灵活的设置检测装置在手部的佩戴位置，例如手背位置或手掌心位置或者手指的各指关节位置，通过检测装置的自组网功能，每个从机模式检测装置都会将检测到的数据自动发送至主机模式检测装置，然后由主机模式检测装置负责数据处理并和外部智能设备中定制的应用软件进行信息交互。

本发明是一种基于无线自组网模式的手势姿态检测装置，包括至少一个检测装置，所述检测装置包括运动姿态传感器，自组网功能处理器、背板电路和电源，所述运动姿态传感器用于实时检测出手掌及手指的运动方向和运动速度数值，运动姿态传感器通过背板电路与自组网功能处理器连通，所述自组网功能处理器负责处理运动姿态传感器的信号，所述电源负责给整个装置供电，所述检测装置分为两种工作模式，一种为主机模式检测装置，另一种为从机模式检测装置，所述主机模式检测装置和从机模式检测装置为同样一体化的电路装置，通过硬件开关方式或软件配置方式在使用前对其工作模式进行设定，根据实际应用的需求可改变检测装置的工作模式；

在手背位置处或者在手掌心位置处设置有一个检测装置，在五个手指的远节指骨或中节指骨或近节指骨的相对应的位置处分别设置一个检测装置，可实时检测出手掌及手指的运动方向和运动速度数值；

检测装置在手背位置或者在手掌心位置上的佩戴方式采用凝胶粘贴或绑带固定，检测装置在手指远节指骨或中节指骨或近节指骨相对应的位置上的佩戴方式采用凝胶粘贴或绑带固定或卡扣固定。

作为改进，所述自组网功能处理器选用内置通信功能模块的无线处理器，进一步的降低处理器和通信功能模块之间数据传输的延时，以提高检测装置对姿态检测、数据处理和数据发送的频率，同时也减小了整个检测装置的电路部分体积，提升了检测装置的穿戴体验。

作为优选，所述自组网功能处理器选用ARM内核的无线处理器，进一步的提高处理器的时钟主频和工作性能，以更快速的从运动姿态传感器中获取数据，并对数据进行高速的运算处理和发送。

作为优选，所述自组网功能处理器中的通信功能模块选用具备自组网功能的6LoWPAN和ZigBee协议，在多种无线通信协议中，优先选择具备自组网功能的6LoWPAN和ZigBee协议，这两种协议无需像传统的WIFI协议需要手动选择网络路由器或者像蓝牙协议需要先进行配对操作，而是能够在设备运行时自主的识别主机节点并加入到对应的网络组中，可以实现根据测试应用的需求灵活增减检测装置节点而无需进行额外的配置操作，简化了检测装置应用时的初始配置复杂度。

作为改进，所述运动姿态传感器选用数字陀螺仪传感器。

作为优选，所述运动姿态传感器选用九轴陀螺仪传感器。在实际应用中发现：三轴陀螺仪传感器由于只能检测出运动的角速度，无法检测出线速度，因此检测到的手指及手形数据误差较大；六轴陀螺仪传感器既可以检测出角速度，也可以检测出线速度；九轴陀螺仪传感器除了可以检测出角速度和线速度外，还可以检测出地磁数据，能够在实际使用过程中校正传感器在惯性空间内的累积误差和漂移，进一步提高检测数据的真实性和准确性。

作为优选，所述电源采用可重复充电的锂电池，负责给检测装置提供稳定可靠的工作电源。

在实现对手势姿态进行全面检测时，需要在手背或者手掌心处和每个手指的远节指骨、中节指骨以及近节指骨的相对应的位置上设置一个检测装置，这样能够检测到手掌和手指细微的运动变化，记录的手形信息最齐全，数据还原成手势姿态的表现效果也最完整。也可以根据测试应用的具体需求，只在需要重点检测的位置上设置检测装置，记录被检测部位的细微运动变化，然后将数据还原成特定部位的手势姿态表现效果。

所述检测装置设计成兼容主机工作模式和从机工作模式一体化的电路装置，可以通过硬件开关或软件配置的方式在检测装置使用前对其工作模式进行设定，从而可以根据测试应用的需求来改变检测装置的工作模式，增加了检测装置的应用灵活性，同时也有利于检测装置在批量规模生产时由于生产工艺的统一而降低制造成本。

检测装置在手背位置或者在手掌心位置上的佩戴方式采用凝胶粘贴或绑带固定。对于运动柔缓的手势变化检测，可以选用直接凝胶粘贴的方式，这样易于穿戴和摘除检测装置；对于运动剧烈的手势变化检测，就需要选用绑带固定的方式，确保检测装置在运动过程中不会脱落。同样，检测装置在手指远节指骨或中节指骨或近节指骨相对应的位置上的佩戴方式采用凝胶粘贴或绑带固定或卡扣固定。对于运动柔缓的手势变化检测，可以选用直接凝胶粘贴的方式；对于运动剧烈的手势变化检测，就需要选用绑带固定或者卡扣固定的方式。

从以上描述可以看出，本发明具有以下优点：

1、各个检测装置之间相互独立，不存在用于相互连接的电气线缆或通信线路，最大限度的减少测试装置对手势动作展示的影响，用户的穿戴体验效果较好。

2、每个检测装置都设计成一个自组网功能处理器连接一个运动姿态传感器，采用处理器和传感器一对一的工作模式大幅提升了处理器对传感器进行数据采集和信息处理的效率。

3、各个检测装置之间依靠无线网络传输信息，不需要依靠电气线缆或通信线路来实现相互的连通，避免了有些手势姿态由于检测装置本身的电路和外观设计以及穿戴方式的局限而不能准确展现，或者展示的手势姿态由于检测装置本身的电路和外观设计以及穿戴方式的局限不能被准确的检测和识别，提高了手势姿态检测的准确性、完整性。

4、各个检测装置独立供电，独立检测手势姿态，每一个从机节点装置与主机节点装置独立通信，可以实现整个手势姿态检测系统构建的多样性，拓展了测试应用的场景。根据不同测试应用的具体需求设计不同的解决方案，灵活合理的确定所需使用的检测装置的数量，在确保特定手势姿态检测数据完整且准确的前提下，可以最大限度的节约测试资源和成本。

5、各个检测装置之间的数据传输基于无线自组网的通信模式基础上，除了主机节点装置不能随意更换外，其他从机节点装置都可以随意的加入到主机节点装置建立的网络组内或者从网络组内退出而无需额外的配置操作，这样灵活的工作配置方式增强了整个手势姿态检测系统的完整性和可靠性，降低了系统的维护成本。如果有从机节点装置发生故障，可以非常便捷的用一个新的从机节点装置来替换；如果主机节点装置发生故障，也只需先替换新的主机节点装置，然后重新启动所有的从机节点装置，让所有的从机节点装置自动加入新主机节点装置建立的网络组内即可。

附图说明

图1是本发明检测装置的电路结构示意图；

图2是本发明使用手掌绑带固定检测装置的结构示意图；

图3是本发明使用手指绑带固定检测装置的结构示意图；

图4是本发明使用手指卡扣固定检测装置的结构示意图；

图5为本发明使用绑带固定检测装置到手背位置的结构示意图；

图6为本发明使用凝胶粘贴检测装置到手背位置的结构示意图；

图7为本发明使用绑带固定检测装置到手指指骨位置的结构示意图(仅用食指举例)；

图8为本发明使用凝胶粘贴检测装置到手指指骨位置的结构示意图(仅用食指举例)；

图9为本发明使用绑带固定检测装置到手背位置和手指指骨位置的结构示意图(仅用食指举例)；

图10为本发明使用无线自组网模式的网络连接关系结构示意图。

附图标记：1、运动姿态传感器，2、自组网功能处理器，3、背板电路，4、电源，5、检测装置外壳，6、手背位置佩戴绑带，7、手指关节位置佩戴绑带，8、手指关节位置佩戴卡扣，9、凝胶粘贴层，10、手背位置粘贴区域，11、手指关节位置粘贴区域，12、从机模式检测装置，13、主机模式检测装置，14、外部智能设备。

具体实施方式

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10详细说明本发明的第一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，一种基于无线自组网模式的手势姿态检测装置，包括至少一个检测装置，所述检测装置包括运动姿态传感器1，自组网功能处理器2、背板电路3和电源4，所述运动姿态传感器1用于实时检测出手掌及手指的运动方向和运动速度数值，运动姿态传感器1通过背板电路3与自组网功能处理器2连通，所述自组网功能处理器2负责处理运动姿态传感器1的信号，所述电源4负责给整个装置供电，所述检测装置有两种工作模式，一种为主机模式检测装置13，另一种为从机模式检测装置12，所述主机模式检测装置13和从机模式检测装置12为同样一体化的电路装置，通过硬件开关方式或软件配置方式在使用前对其工作模式进行设定，根据实际应用的需求可改变检测装置的工作模式；

在手背位置处或者在手掌心位置处设置有一个检测装置，在五个手指的远节指骨或中节指骨或近节指骨的相对应的位置处分别设置一个检测装置，可实时检测出手掌及手指的运动方向和运动速度数值；

检测装置在手背位置或者在手掌心位置上的佩戴方式采用凝胶粘贴或绑带固定，检测装置在手指远节指骨或中节指骨或近节指骨相对应的位置上的佩戴方式采用凝胶粘贴或绑带固定或卡扣固定。

更具体地，所述自组网功能处理器2选用内置通信功能模块的无线处理器，进一步的降低处理器和通信功能模块之间数据传输的延时，以提高检测装置对姿态检测、数据处理和数据发送的频率，同时也减小了整个检测装置的电路部分体积，提升了检测装置的穿戴体验。

更具体地，所述自组网功能处理器2选用ARM内核的无线处理器，例如美国TI公司的多标准无线处理器芯片CC2650，内置32位ARM Cortex-M3主处理器以及独立的多协议控制器内核，全面支持智能蓝牙、ZigBee和6LoWPAN等无线通信协议，主处理器48MHz的工作时钟频率以及ARM处理器的高性能特征可以更快速的从运动姿态传感器中获取数据，并对数据进行高速的运算处理和发送。

更具体地，所述自组网功能处理器2中的通信功能模块选用具备自组网功能的6LoWPAN和ZigBee协议，在多种无线通信协议中，优先选择具备自组网功能的6LoWPAN和ZigBee协议，这两种协议无需像传统的WIFI协议需要手动选择网络路由器或者像蓝牙协议需要先进行配对操作，而是能够在设备运行时自主的识别主机节点并加入到对应的网络组中，可以实现根据测试应用的需求灵活增减检测装置节点而无需进行额外的配置操作，简化了检测装置应用时的复杂度。

更具体地,所述运动姿态传感器1选用数字陀螺仪传感器。

更具体地，所述运动姿态传感器1选用九轴陀螺仪传感器，例如美国Inven Sense公司的MPU9250芯片。在实际应用中发现：三轴陀螺仪传感器由于只能检测出运动的角速度，无法检测出线速度，因此检测到的手指及手形数据误差较大；六轴陀螺仪传感器既可以检测出角速度，也可以检测出线速度；九轴陀螺仪传感器除了可以检测出角速度和线速度外，还可以检测出地磁数据，能够在实际使用过程中校正传感器在惯性空间内的累积误差和漂移，进一步提高检测数据的真实性和准确性。

更具体地，所述电源4采用可重复充电的锂电池，负责给检测装置提供稳定可靠的工作电源。

在实现对手势姿态进行全面检测时，需要在手背或者手掌心处和每个手指的远节指骨、中节指骨以及近节指骨的相对应的位置上设置一个检测装置，这样能够检测到手掌和手指细微的运动变化，记录的手形信息最齐全，数据还原成手势姿态的表现效果也最完整。也可以根据测试应用的具体需求，只在需要重点检测的位置上设置检测装置，记录被检测部位的细微运动变化，然后将数据还原成特定部位的手势姿态表现效果。

所述检测装置设计成兼容主机工作模式和从机工作模式一体化的电路装置，可以通过硬件开关或软件配置的方式在检测装置使用前对其工作模式进行设定，从而可以根据测试应用的需求来改变检测装置的工作模式，增加了检测装置的应用灵活性，同时也有利于检测装置在批量规模生产时由于生产工艺的统一而降低制造成本。

检测装置在手背位置或者在手掌心位置上的佩戴方式采用凝胶粘贴或绑带固定。对于运动柔缓的手势变化检测，可以选用直接凝胶粘贴的方式，这样易于穿戴和摘除检测装置；对于运动剧烈的手势变化检测，就需要选用绑带固定的方式，确保检测装置在运动过程中不会脱落。同样，检测装置在手指远节指骨或中节指骨或近节指骨相对应的位置上的佩戴方式采用凝胶粘贴或绑带固定或卡扣固定。对于运动柔缓的手势变化检测，可以选用直接凝胶粘贴的方式；对于运动剧烈的手势变化检测，就需要选用绑带固定或者卡扣固定的方式。

从以上描述可以看出，本发明具有以下优点：

1、各个检测装置之间相互独立，不存在用于相互连接的电气线缆或通信线路，最大限度的减少测试装置对手势动作展示的影响，用户的穿戴体验效果较好。

2、每个检测装置都设计成一个自组网功能处理器连接一个运动姿态传感器，采用处理器和传感器一对一的工作模式大幅提升了处理器对传感器进行数据采集和信息处理的效率。

3、各个检测装置之间依靠无线网络传输信息，不需要依靠电气线缆或通信线路来实现相互的连通，避免了有些手势姿态由于检测装置本身的电路和外观设计以及穿戴方式的局限而不能准确展现，或者展示的手势姿态由于检测装置本身的电路和外观设计以及穿戴方式的局限不能被准确的检测和识别，提高了手势姿态检测的准确性、完整性。

4、各个检测装置独立供电，独立检测手势姿态，每一个从机节点装置与主机节点装置独立通信，可以实现整个手势姿态检测系统构建的多样性，拓展了测试应用的场景。根据不同测试应用的具体需求设计不同的解决方案，灵活合理的确定所需使用的检测装置的数量，在确保特定手势姿态检测数据完整且准确的前提下，可以最大限度的节约测试资源和成本。

5、各个检测装置之间的数据传输基于无线自组网的通信模式基础上，除了主机节点装置不能随意更换外，其他从机节点装置都可以随意的加入到主机节点装置建立的网络组内或者从网络组内退出而无需额外的配置操作，这样灵活的工作配置方式增强了整个手势姿态检测系统的完整性和可靠性，降低了系统的维护成本。如果有从机节点装置发生故障，可以非常便捷的用一个新的从机节点装置来替换；如果主机节点装置发生故障，也只需先替换新的主机节点装置，然后重新启动所有的从机节点装置，让所有的从机节点装置自动加入新主机节点装置建立的网络组内即可。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果，但都在本发明的保护范围之内。