CN116610211A - 基于磁敏传感器的指态感知手套 - Google Patents
基于磁敏传感器的指态感知手套 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于磁敏传感器的指态感知手套，包括：手套本体、微矩形强磁铁、信号处理器以及多个磁敏传感器；手套本体的手指区域包括五个手指套筒和五组分别分布于五个手指套筒的指背关节处的柔性电线板；微矩形强磁铁沿手指套的指头方向分布排列，用于产生磁场；磁敏传感器布置于各个手指套筒的指背关节处，并与对应的柔性电线板连接，用于检测微矩形强磁铁所产生的磁场；信号处理器与柔性电线板连接，用于获取磁敏传感器采集的磁场信号，并根据微矩形强磁铁的位置信息和磁场信号确定各个指关节在三维空间中的姿态信息。通过微矩形强磁铁与磁敏传感器的配合可以在自由移动的同时实现对手部姿态的高精度测量。
Description
技术领域
本发明实施例涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于磁敏传感器的指态感知手套。
背景技术
在当前的元宇宙与虚拟现实应用中，用户对于手部动作的实时感知与还原是至关重要的，手部姿态感知技术可以使用户更加自然地与虚拟世界进行交互，同时也可以为手部康复和运动控制等领域提供支持。传统的虚拟现实设备，如手柄、触控板等，仅能实现有限的手部动作感知，并且在操作时需要用户手持或手握操作设备，对于手部动作的还原效果也相对较差。因此，研究与开发一种能够高效地实现手部动作感知的指态感知手套对于虚拟现实技术的发展至关重要。
目前该领域已有大量研究，例如公告号为CN215867769U的中国专利申请所公开的手势检测与手势显示系统，使用加速度传感器、弯曲和拉力传感器等对手部姿态进行测量和跟踪，使用加速度传感器和拉力传感器等传感器虽然可以较为准确地测量手部的运动状态，但是需要较大的功耗和计算资源，且容易受到干扰；公开号为CN108268129A的中国专利申请所公开的对动作捕捉手套上的多个传感器进行校准的方法和装置及动作捕捉手套，使用光学传感器和惯性测量单元等传感器对手部姿态进行测量和跟踪，使用光学传感器和惯性测量单元等传感器测量手部姿态虽然可以实现高精度的测量和跟踪，但是需要在固定的位置进行测量，难以满足虚拟现实应用场景中自由移动的需求。
发明内容
本发明实施例提供一种基于磁敏传感器的指态感知手套，用以解决现有指态感知技术中存在的功耗大和应用场景受限等问题。
本发明实施例提供一种基于磁敏传感器的指态感知手套，包括：
手套本体、设置于手套本体手掌区域掌心侧的微矩形强磁铁、设置于手套本体手掌区域掌背侧的信号处理器以及设置于手套本体手指区域的多个磁敏传感器；
手套本体的手指区域包括五个手指套筒和五组分别分布于五个手指套筒的指背关节处的柔性电线板；
微矩形强磁铁沿手指套的指头方向分布排列，用于产生磁场；
磁敏传感器布置于各个手指套筒的指背关节处，并与对应的柔性电线板连接，用于检测微矩形强磁铁所产生的磁场；
信号处理器与柔性电线板连接，用于获取磁敏传感器采集的磁场信号，并根据微矩形强磁铁的位置信息和磁场信号确定各个指关节在三维空间中的姿态信息。
一种实施例中，信号处理器采用基于最小二乘的非线性方程组求解算法确定各个指关节在三维空间中的姿态信息。
一种实施例中，采用基于最小二乘的非线性方程组求解算法确定各个指关节在三维空间中的姿态信息包括以下步骤：
步骤1：对手套本体上的磁敏传感器位置和微矩形强磁铁参数进行标定：通过仿真得到磁体在标称值附近空间磁场的线性展开，计算传感器位置参数以及永磁体的长、宽、高和剩磁参数；
步骤2：对每个手指套，构建一个传感器空间磁感应强度非线性方程组B-F(X)＝e，其中B为检测磁感应强度信号，X为待解算量，e为误差，大拇指包含三个姿态参数，其他四根手指各包含四个姿态参数，利用预设的迭代初值X0计算变量X；
步骤3：选取极小化目标函数根据以下迭代公式对待解算量X进行迭代求解：
Xk+1＝Xk+[JT(Xk)J(Xk)]-1JT(Xk)[Β-F(Xk)]
其中为磁场模型函数的雅可比矩阵；
步骤4：给定误差预设值ε与最大迭代次数kmax，若||Xk+1-Xk||≥ε且k<kmax则回到步骤2继续迭代，否则结束迭代，得到求解结果Xk+1。
一种实施例中，手套本体采用柔性材料制成。
一种实施例中，微矩形强磁铁采用钕铁硼材料制成。
一种实施例中，磁敏传感器采用磁阻效应传感器或者霍尔传感器。
一种实施例中，磁敏传感器布置于各个手指套筒的指背关节处，包括：
在每个关节处布置2个磁敏传感器，则大拇指的手指套筒布置有4个磁敏传感器，其他手指的手指套筒布置有6个磁敏传感器，用于检测微矩形强磁铁所产生的磁场。
一种实施例中，信号处理器包括数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块；
数据采集模块用于实时采集从磁敏传感器传来的磁场信号，并将磁场信号传递给数据处理模块；
数据处理模块用于根据磁场信号确定各个指关节在三维空间中的姿态信息；
数据输出模块用于将计算出的姿态信息以数字编码方式输出。
一种实施例中，数据输出模块采用无线传输方式输出姿态信息。
本发明实施例提供的基于磁敏传感器的指态感知手套，包括：手套本体、设置于手套本体手掌区域掌心侧的微矩形强磁铁、设置于手套本体手掌区域掌背侧的信号处理器以及设置于手套本体手指区域的多个磁敏传感器；手套本体的手指区域包括五个手指套筒和五组分别分布于五个手指套筒的指背关节处的柔性电线板；微矩形强磁铁沿手指套的指头方向分布排列，用于产生磁场；磁敏传感器布置于各个手指套筒的指背关节处，并与对应的柔性电线板连接，用于检测微矩形强磁铁所产生的磁场；信号处理器与柔性电线板连接，用于获取磁敏传感器采集的磁场信号，并根据微矩形强磁铁的位置信息和磁场信号确定各个指关节在三维空间中的姿态信息。通过微矩形强磁铁与磁敏传感器的配合可以在自由移动的同时实现对手部姿态的高精度测量。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一实施例提供的基于磁敏传感器的指态感知手套手心侧的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的基于磁敏传感器的指态感知手套手背侧的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的信号处理器的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的坐标系的示意图。
通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
请参考图1和图2，本发明实施例提供的基于磁敏传感器的指态感知手套1可以包括：手套本体3、设置于手套本体手掌区域掌心侧的微矩形强磁铁2、设置于手套本体手掌区域掌背侧的信号处理器5以及设置于手套本体手指区域的多个磁敏传感器4。
可以理解的是，手套本体3应选用柔软、舒适、透气的材质制成，以提升佩戴的舒适度。一种可选的实施方式中，手套本体可以采用柔性材料制成。手套本体3的手指区域包括五个手指套筒和五组分别分布于五个手指套筒的指背关节处的柔性电线板(图中未示出)。
如图1所示，微矩形强磁铁2沿手指套的指头方向分布排列，用于产生磁场。一种可选的实施方式中，微矩形强磁铁可以采用钕铁硼NdFeB材料制成，具有高磁性能和稳定性，且具有较小的体积和质量。
如图2所示，磁敏传感器4布置于各个手指套筒的指背关节处，并与对应的柔性电线板连接(图中未示出)，用于检测微矩形强磁铁所产生的磁场。应选用高灵敏度、高稳定性的磁敏传感器，以实现对微弱磁场的高精度检测。一种可选的实施方式中，磁敏传感器采用磁阻效应传感器或者霍尔传感器，具有高精度和高灵敏度。磁敏传感器4可以检测微矩形强磁铁2在空间构建的复杂分布磁场，并将检测到的磁场信号传递给信号处理器。为了提高磁敏传感器的检测覆盖范围以及检测精度，磁敏传感器布置于各个手指套筒的指背关节处的一种具体实现方式可以是，在每个关节处布置2个磁敏传感器，则大拇指的手指套筒布置有4个磁敏传感器，其他手指的手指套筒布置有6个磁敏传感器，用于检测微矩形强磁铁所产生的磁场。这样一只手套中便可以拥有30个磁敏传感器用于全方位地检测磁场信号。
信号处理器5与柔性电线板连接，用于获取磁敏传感器采集的磁场信号，并根据微矩形强磁铁的位置信息和磁场信号确定各个指关节在三维空间中的姿态信息。信号处理器5可以执行姿态解算算法，完成各个指关节在空间位置的计算并以数字编码方式输出。信号处理器可以包括对传感器位置和永磁体参数标定算法，以及位姿解算算法，以实现对手部动作的精准还原。
请参考图3，一种可选的实施方式中，信号处理器5可以包括数据采集模块6、数据处理模块7和数据输出模块8。其中，数据采集模块6用于实时采集从磁敏传感器传来的磁场信号，并将磁场信号传递给数据处理模块；数据处理模块7用于根据磁场信号确定各个指关节在三维空间中的姿态信息，数据处理模块可以执行特殊设计的算法，计算出各个指关节在空间位置的信息；数据输出模块8用于将计算出的姿态信息以数字编码方式输出。可选的，数据输出模块还可以采用无线传输方式例如蓝牙、WiFi等来输出姿态信息。
综上所述，本申请提出了一种基于磁敏传感器的指态感知手套，在手套的掌部布置微矩形强磁铁并且在手指关节处布置磁敏传感器，微矩形强磁铁通过其特殊的构造形式，能够产生复杂分布的磁场，从而能够有效地实现手部动作的感知；磁敏传感器具有高精度的检测能力，能够对微弱的磁场变化进行感知，从而实现对手部动作的高精度感知；信号处理器的特殊算法能够有效地计算各个指关节在空间位置的信息，并以数字编码方式输出，从而实现对手部动作的精准还原。通过微矩形强磁铁与磁敏传感器的配合实现了对手部姿态高精度的测量。与现有技术方案相比，本申请使用磁敏传感器和微矩形强磁铁的设计可以在自由移动的同时实现对手部姿态的高精度测量，且不需要对手部进行较为精确的扫描；与此同时，本申请所使用的磁敏传感器和微矩形强磁铁的设计可以降低功耗和成本，提高了设备的稳定性和使用寿命，具有一定的技术优势和应用价值。
以上针对基于磁敏传感器的指态感知手套的构造及其工作原理进行了阐述，下面将详细阐述确定各个指关节在三维空间中的姿态信息的方法。一种可选的实施方式中，信号处理器可以采用基于最小二乘的非线性方程组求解算法确定各个指关节在三维空间中的姿态信息。具体包括以下步骤：
步骤1：对手套本体上的磁敏传感器位置和微矩形强磁铁参数进行标定：通过仿真得到磁体在标称值附近空间磁场的线性展开，计算传感器位置参数以及永磁体的长、宽、高和剩磁参数。
对手套上传感器位置和磁铁参数进行标定可以通过将手套戴在手上并摊平，此时手套的姿态均为初始值0，每根手指上传感器的相对坐标已知，但是与永磁体之间的相对坐标未知，通过仿真得到磁体在其参数标称值附近空间磁场的线性展开：
其中：
其中，(xi',yi',zi')表示在每个手指坐标系中传感器的坐标，(xⅠ,yⅠ,zⅠ)表示食指坐标系与永磁体坐标系之间的位置关系，点的下标表示第几个手指，其他的以此类推。为在标称宽度上增加Δws后仿真得到的空间磁场在点(xi,yi,zi)(永磁体坐标系)的增量，Δwp为待求的实际永磁体标定增量值，其他增量分别表示长度、高度对应的增量。Bγs为永磁体仿真时的标称剩磁，Bγp为永磁体标定后的剩磁。/>表示永磁体参数为标称值时的仿真磁场分布，Bi表示第i个传感器测得的实际磁感应强度，ni表示第i个传感器在永磁体坐标系中已知测量方向的单位向量。方程组中坐标待解参数有15个，永磁体待解参数有4个，待解参数一共有19个，小于方程个数28个。
构建空间磁感应强度非线性方程组B＝F(X)+e，其中B为检测磁感应强度信号，X为待解算量，e为误差。利用预设的参数标称值作为计算变量X的迭代初值X0，按照如下步骤3和步骤4的求解方法，即可得到此时永磁体的长、宽、高和剩磁参数。
步骤2：对每个手指套，构建一个传感器空间磁感应强度非线性方程组B-F(X)＝e，其中B为检测磁感应强度信号，X为待解算量，e为误差，大拇指包含三个姿态参数，其他四根手指各包含四个姿态参数，利用预设的迭代初值X0计算变量X。
以食指为例，设其6个传感器编号从指根到指尖分别为1，2，3，4，5，6(1和4一组，2和5一组，3和6一组)，食指编号为Ⅰ。如图4所示，在食指根部关节处建立坐标系，食指有一个摆动自由度(绕z轴)α，每个关节还有一个弯曲自由度(绕x轴)，设相邻两个关节的相对弯曲角度分别为β1,β2,β3，根据如上的空间坐标变换，其中(xi,yi,zi)表示第i个传感器在永磁体坐标系中的坐标，(xi',yi',zi')第i个传感器在第i个旋转副固结坐标系中的坐标，(xij,yij,zij)表示第j个旋转副固结坐标系在第i个旋转副固结坐标系中的坐标。
根据步骤1中得到永磁体实际磁场分布为则/>即为传感器1在其测量方向上的理想磁感应强度，令：
X＝[α β1 β2 β3]T
对每个手指，构建一个传感器空间磁感应强度非线性方程组：B-F(X)＝e，其中B为检测磁感应强度信号，X为待解算量，e为误差。大拇指包含三个姿态参数，其他四根手指各包含四个姿态参数。利用预设迭代初值X0计算变量X。
步骤3：选取极小化目标函数根据以下迭代公式对待解算量X进行迭代求解：
Xk+1＝Xk+[JT(Xk)J(Xk)]-1JT(Xk)[Β-F(Xk)]
其中为磁场模型函数的雅可比矩阵。
步骤4：给定误差预设值ε与最大迭代次数kmax，若||Xk+1-Xk||≥ε且k<kmax则回到步骤2继续迭代，否则结束迭代，得到求解结果Xk+1。
与现有方法相比，本申请所提供的基于磁敏传感器的指态感知手套的方法具有以下优点：
1.无需贴附传感器：相比基于电容式传感器等需要贴附在皮肤表面的传感器，本申请的基于磁敏传感器的指态感知手套不需要直接接触皮肤，且传感器体积很小，可以减少对用户的不适感。
2.能够实现全指关节测量：相比其他只能测量部分指关节的传感器，本申请的基于磁敏传感器的指态感知手套可以实现对所有指关节的测量，从而实现更加全面的手部姿态测量。
3.高精度：磁敏传感器具有高精度的检测能力，能够对微弱的磁场变化进行感知，从而实现对手部动作的高精度感知。
4.无需视觉支持：相比基于视觉传感器的手部姿态感知技术，本申请不需要视觉支持，可以在低光照条件下工作，从而具有更强的适用性和鲁棒性。
5.灵活性高：基于磁敏传感器的指态感知手套可以完整地覆盖手部，并且可以随着手部的运动而灵活变形，从而实现对手部姿态的全方位测量。
6.实时感知能力：本申请能够实时感知手部动作，从而实现对手部动作的实时还原。
本申请所提供的基于磁敏传感器的指态感知手套，可广泛应用于元宇宙、虚拟现实、手势识别、机器人等领域。对于元宇宙、虚拟现实领域，本申请的基于磁敏传感器的指态感知手套可实现对手部动作的高精度感知，从而实现对虚拟场景中的物品的精准操作；对于手势识别、机器人等领域，本申请的基于磁敏传感器的指态感知手套可实现对手势的高精度感知，从而实现对机器人等设备的精准控制。具有广泛的应用前景和经济效益，值得推广和应用
本公开中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
本公开的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变形而不脱离本公开的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本公开权利要求及其等同技术的范围，则本公开的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (9)
1.一种基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，包括：
手套本体、设置于所述手套本体手掌区域掌心侧的微矩形强磁铁、设置于所述手套本体手掌区域掌背侧的信号处理器以及设置于所述手套本体手指区域的多个磁敏传感器；
所述手套本体的手指区域包括五个手指套筒和五组分别分布于所述五个手指套筒的指背关节处的柔性电线板；
所述微矩形强磁铁沿所述手指套的指头方向分布排列，用于产生磁场；
所述磁敏传感器布置于各个手指套筒的指背关节处，并与对应的柔性电线板连接，用于检测所述微矩形强磁铁所产生的磁场；
所述信号处理器与所述柔性电线板连接，用于获取所述磁敏传感器采集的磁场信号，并根据所述微矩形强磁铁的位置信息和所述磁场信号确定各个指关节在三维空间中的姿态信息。
2.根据权利要求1所述的基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，所述信号处理器采用基于最小二乘的非线性方程组求解算法确定各个指关节在三维空间中的姿态信息。
3.根据权利要求2所述的基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，所述采用基于最小二乘的非线性方程组求解算法确定各个指关节在三维空间中的姿态信息包括以下步骤：
步骤1：对所述手套本体上的磁敏传感器位置和微矩形强磁铁参数进行标定：通过仿真得到磁体在标称值附近空间磁场的线性展开，计算传感器位置参数以及永磁体的长、宽、高和剩磁参数；
步骤2：对每个手指套，构建一个传感器空间磁感应强度非线性方程组B-F(X)＝e，其中B为检测磁感应强度信号，X为待解算量，e为误差，大拇指包含三个姿态参数，其他四根手指各包含四个姿态参数，利用预设的迭代初值X0计算变量X；
步骤3：选取极小化目标函数根据以下迭代公式对待解算量X进行迭代求解：
Xk+1＝Xk+[JT(Xk)J(Xk)]-1JT(Xk)[Β-F(Xk)]
其中为磁场模型函数的雅可比矩阵；
步骤4：给定误差预设值ε与最大迭代次数kmax，若||Xk+1-Xk||≥ε且k<kmax则回到步骤2继续迭代，否则结束迭代，得到求解结果Xk+1。
4.根据权利要求1所述的基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，所述手套本体采用柔性材料制成。
5.根据权利要求1所述的基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，所述微矩形强磁铁采用钕铁硼材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，所述磁敏传感器采用磁阻效应传感器或者霍尔传感器。
7.根据权利要求1所述的基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，所述磁敏传感器布置于各个手指套筒的指背关节处，包括：
在每个关节处布置2个磁敏传感器，则大拇指的手指套筒布置有4个磁敏传感器，其他手指的手指套筒布置有6个磁敏传感器，用于检测所述微矩形强磁铁所产生的磁场。
8.根据权利要求1所述的基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，所述信号处理器包括数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块；
所述数据采集模块用于实时采集从所述磁敏传感器传来的磁场信号，并将所述磁场信号传递给所述数据处理模块；
所述数据处理模块用于根据所述磁场信号确定各个指关节在三维空间中的姿态信息；
所述数据输出模块用于将计算出的姿态信息以数字编码方式输出。
9.根据权利要求8所述的基于磁敏传感器的指态感知手套，其特征在于，所述数据输出模块采用无线传输方式输出所述姿态信息。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310409111.7A CN116610211A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 基于磁敏传感器的指态感知手套 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310409111.7A CN116610211A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 基于磁敏传感器的指态感知手套 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116610211A true CN116610211A (zh) | 2023-08-18 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310409111.7A Pending CN116610211A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 基于磁敏传感器的指态感知手套 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN116610211A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117251058A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-19 | 中国海洋大学 | 一种多信息体感交互系统的控制方法 |
-
2023
- 2023-04-17 CN CN202310409111.7A patent/CN116610211A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117251058A (zh) * | 2023-11-14 | 2023-12-19 | 中国海洋大学 | 一种多信息体感交互系统的控制方法 |
| CN117251058B (zh) * | 2023-11-14 | 2024-01-30 | 中国海洋大学 | 一种多信息体感交互系统的控制方法 |
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