一種基于磁場檢測的手部運動跟蹤系統(tǒng).pdf

1、計算機微型化、隨身化和“人性化”近年來已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展趨勢,而基于鍵盤/鼠標的機械的、方式單一的傳統(tǒng)人機交互方式成為這一趨勢的瓶頸。因此,自然、高效、多功能的人機交互技術成為一項重要的研究內(nèi)容。
　　 手是人體最靈活的器官之一。人手的高機械自由度及其與人體神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)達連接,使其能夠做出大量姿勢和動作,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動能夠用一種簡單、可穿戴且無

2、障礙的裝置進行跟蹤,那么,我們將有可能通過手與計算機進行自由交互,實現(xiàn)高速、方便的人機交互以及無處不在、無時不在的計算機應用。基于此,本文提出并研究了一種基于磁場檢測的手部運動跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)簡單、可穿戴、無障礙且成本低。適當?shù)能浖O計可使其應用于電腦輸入、機器人控制以及其他多種需要人機交互的應用。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動跟蹤系統(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動。在人體每個手指甲上粘貼一輕小永磁體(可與假指甲集成),用以產(chǎn)生標示腕關節(jié)、指關節(jié)運動的磁場信號；并將若干磁傳感器置于手腕處的電子腕帶上,作為磁場信號的檢測器。當腕關節(jié)、指關節(jié)運動時,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進行測量?；谟来朋w數(shù)學模型和人手運動幾何模型,利用檢測到的磁場信號反向計算腕關節(jié)、指關節(jié)的姿勢,從而實現(xiàn)對手部運動的跟蹤。本文建立了系統(tǒng)的正向數(shù)學模型,

4、對系統(tǒng)反問題進行了分析,并提出了一種兩步式的手部運動跟蹤方案,即首先由傳感器檢測到的磁場數(shù)據(jù)計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,然后利用該模型設計了一種基于最小平方(LS)準則和優(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算和代數(shù)運算的線性算法應用于只跟蹤單個手指運動的系統(tǒng)特例。對LS

5、算法進行仿真的結(jié)果表明,在無噪聲的情況下,LS算法能夠?qū)蝹€或多個手指進行精確的定位和定向；存在噪聲時,LS算法的抗噪性能隨被跟蹤手指的個數(shù)的增加而降低,但可以通過增加磁傳感器的數(shù)量來補償。對線性算法進行仿真的結(jié)果表明,在無噪聲的情況下,該線性算法可以用五個3-軸磁傳感器對單個手指進行準確的定位和定向；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)問題進行了研究。

6、首先建立了包括指關節(jié)屈曲/伸展運動、指關節(jié)內(nèi)收/外展運動及腕關節(jié)屈曲/伸展運動的手部運動幾何模型。然后基于所建立的手部運動幾何模型,從理論上對手部姿勢的可重構(gòu)性進行了論證。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,并通過手部運動跟蹤仿真,驗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)雛形為核心實驗平臺,對提出的手部運動跟蹤系統(tǒng)進行了測試。首先通過手部運動可測性實驗驗證了系統(tǒng)的基本可行性；其次通過將實際測量得到的磁場數(shù)據(jù)與基于永磁體模型和手部運動幾何模型仿真得到的磁場數(shù)據(jù)進行比較,驗證了永磁體模型和手部幾何模型的正確性；最后進行了手部運動跟