一種基于磁場檢測的手部運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng).pdf

1、計(jì)算機(jī)微型化、隨身化和“人性化”近年來已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢,而基于鍵盤/鼠標(biāo)的機(jī)械的、方式單一的傳統(tǒng)人機(jī)交互方式成為這一趨勢的瓶頸。因此,自然、高效、多功能的人機(jī)交互技術(shù)成為一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。
　　 手是人體最靈活的器官之一。人手的高機(jī)械自由度及其與人體神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)達(dá)連接,使其能夠做出大量姿勢和動(dòng)作,從而傳遞多種信息。因此,人手本身便是一種潛在的、自然的輸入/交互工具。如果人手在自由空間中的運(yùn)動(dòng)能夠用一種簡單、可穿戴且無

2、障礙的裝置進(jìn)行跟蹤,那么,我們將有可能通過手與計(jì)算機(jī)進(jìn)行自由交互,實(shí)現(xiàn)高速、方便的人機(jī)交互以及無處不在、無時(shí)不在的計(jì)算機(jī)應(yīng)用?；诖?本文提出并研究了一種基于磁場檢測的手部運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)簡單、可穿戴、無障礙且成本低。適當(dāng)?shù)能浖O(shè)計(jì)可使其應(yīng)用于電腦輸入、機(jī)器人控制以及其他多種需要人機(jī)交互的應(yīng)用。本文研究工作的主要內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:
　　 1.提出了一種基于磁場檢測的手部運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng),其簡單、可穿戴、無障礙且成本低。該系統(tǒng)

3、利用永磁體和非接觸磁傳感器跟蹤手部運(yùn)動(dòng)。在人體每個(gè)手指甲上粘貼一輕小永磁體(可與假指甲集成),用以產(chǎn)生標(biāo)示腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的磁場信號(hào)；并將若干磁傳感器置于手腕處的電子腕帶上,作為磁場信號(hào)的檢測器。當(dāng)腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí),永磁體在各傳感器所在位置處產(chǎn)生變化的合成磁場,傳感器對該磁場信號(hào)進(jìn)行測量?；谟来朋w數(shù)學(xué)模型和人手運(yùn)動(dòng)幾何模型,利用檢測到的磁場信號(hào)反向計(jì)算腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)的姿勢,從而實(shí)現(xiàn)對手部運(yùn)動(dòng)的跟蹤。本文建立了系統(tǒng)的正向數(shù)學(xué)模型,

4、對系統(tǒng)反問題進(jìn)行了分析,并提出了一種兩步式的手部運(yùn)動(dòng)跟蹤方案,即首先由傳感器檢測到的磁場數(shù)據(jù)計(jì)算各指尖的方向和位置,然后由各指尖的方向和位置重構(gòu)手部姿勢。
　　 2.提出了指尖定位和定向算法。首先將各指尖上的永磁體建模為磁偶極子并分析了系統(tǒng)采用該模型的合理性,然后利用該模型設(shè)計(jì)了一種基于最小平方(LS)準(zhǔn)則和優(yōu)化算法的指尖定位和定向算法。此外,將一種只需要簡單矩陣運(yùn)算和代數(shù)運(yùn)算的線性算法應(yīng)用于只跟蹤單個(gè)手指運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)特例。對LS

5、算法進(jìn)行仿真的結(jié)果表明,在無噪聲的情況下,LS算法能夠?qū)蝹€(gè)或多個(gè)手指進(jìn)行精確的定位和定向；存在噪聲時(shí),LS算法的抗噪性能隨被跟蹤手指的個(gè)數(shù)的增加而降低,但可以通過增加磁傳感器的數(shù)量來補(bǔ)償。對線性算法進(jìn)行仿真的結(jié)果表明,在無噪聲的情況下,該線性算法可以用五個(gè)3-軸磁傳感器對單個(gè)手指進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和定向；但該算法對噪聲比較敏感,須靠高密度的磁傳感器分布桌改善。
　　 3.對包括食指、中指、無名指和小指的手部姿勢重構(gòu)問題進(jìn)行了研究。

6、首先建立了包括指關(guān)節(jié)屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)、指關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)及腕關(guān)節(jié)屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)的手部運(yùn)動(dòng)幾何模型。然后基于所建立的手部運(yùn)動(dòng)幾何模型,從理論上對手部姿勢的可重構(gòu)性進(jìn)行了論證。論證結(jié)果表明,對于食指,中指,無名指和小指,除四種特殊情況(兩種非自然的手指姿勢以及兩種人手極少使用的手指姿勢)之外,其姿勢可以由指尖的位置和方向局部的、唯一的確定。最后構(gòu)建了LS手部姿勢重構(gòu)算法,并通過手部運(yùn)動(dòng)跟蹤仿真,驗(yàn)證了該算法的有效性。
　　 4.開發(fā)

7、了具有六路磁傳感器的系統(tǒng)雛形。該雛形主要包括以下幾個(gè)功能單元:(1)模擬放大單元；(2)磁傳感器內(nèi)部噪聲處理單元；(3)外界磁場干擾消除單元；(4)數(shù)模轉(zhuǎn)換與串行傳輸單元。以該系統(tǒng)雛形為核心實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對提出的手部運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了測試。首先通過手部運(yùn)動(dòng)可測性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的基本可行性；其次通過將實(shí)際測量得到的磁場數(shù)據(jù)與基于永磁體模型和手部運(yùn)動(dòng)幾何模型仿真得到的磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了永磁體模型和手部幾何模型的正確性；最后進(jìn)行了手部運(yùn)動(dòng)跟