一种基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套制造技术

本发明专利技术提供了一种基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套，该数据手套利用MARG传感器组设计了人手姿态检测系统HAMS（Hand Attitude Measurement System），并结合磁场定位技术实时监测人的手部姿态，发挥HAMS定位不受外界干扰且能够检测人的手部位置信息的优势，结合磁场定位的设备简单，定位快速的特点，能够以低成本实现高性能的手部检测性能。

A data glove based on MARG sensor and magnetic field positioning technology

This invention provides a data glove based on the MARG sensor and the magnetic field positioning technology. The data glove uses the MARG sensor group to design the hand attitude detection system HAMS (Hand Attitude Measurement System), and combines the magnetic field positioning technology to monitor the human hand posture in real time, and plays the HAMS positioning without interference from the outside world. It can detect the advantage of human hand position information, the device is simple with the magnetic field positioning, and the positioning is fast. It can realize high performance hand detection performance at low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套
本专利技术涉及一种数据手套的设计，尤其涉及一种基于MARG传感器和磁场定位技术的手套，即采用人手姿态测量系统HAMS和人手磁场检测模型来测定人手位姿信息的方法。
技术介绍
人类与外界进行交互的过程中，手势动作是最重要的交互方式之一。人手具有很高的自由度，可以完成各种复杂的动作。人们用手势动作来表达思想，传递信息，与客观世界进行交互。社会的发展与技术的进步促使了很多新兴领域的出现，在这些新的领域中，手势动作受到越来越多的关注，人们希望记录、分析、再现这些动作。数据手套就是这样一种测量手的空间姿态、位置、手指弯曲角度并将信息记录或者传送到其他系统的硬件实现。它可以跟踪穿戴者灵活的手势姿态，记录穿戴者的动作，并实时地将其传送至显示系统。数据手套依托其自然高效的人机互动方式，在手语识别、游戏娱乐、动画设计、手术教学、康复治疗、远程控制、智能机器人、多媒体教学、军事情报等领域发挥着至关重要的作用，尤其在虚拟现实领域内，更是不可缺少的输入交互设备。数据手套分为基于传感设备的系统和基于视觉图像的系统两种类型。其中，基于传感设备的系统主要有基于压电式、光纤式、机械式等。这些系统不仅价格比较昂贵，而且在实际应用中都有其特定的局限性，例如基于视觉图像的数据手套对光照有一定要求而且只能在特定的区域内使用，基于传感设备的柔性材料数据手套(如光纤式)由于材料疲劳所以使用寿命相对较短，机械式也存在因磨损而导致精度降低的问题。低成本的数据手套使用6个航姿参考系统(AHRS)获取手在空间中的位置信息。由于传感器的精度和漂移影响，使得AHRS必须以复杂的解算算法才能够完成定位。使用6个AHRS只能检测出人手23个旋转自由度中的13个，而使用更多的AHRS一方面增加成本，另一方面对定位精度的要求更高。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术提供了一种基于MARG(Magnetometer,AccelerometerandRateGyro)传感器和磁场定位技术的数据手套，该数据手套利用MARG传感器组设计了人手姿态检测系统HAMS(HandAttitudeMeasurementSystem)，并结合磁场定位技术实时监测人的手部姿态，发挥HAMS定位不受外界干扰且能够检测人的手部位置信息的优势，结合磁场定位的设备简单，定位快速的特点，能够以低成本实现高性能的手部检测性能。MARG(Magnetometer,AccelerometerandRateGyro)是指利用各向异性磁阻AMR、加速度计和陀螺仪组成的传感器组，具有尺寸小、精度高、低成本和冗余性等特点。HAMS(HandAttitudeMeasurementSystem)是利用MARG传感器组设计的人手姿态检测系统，该系统采集多个传感器数据，能够提供物体的俯仰、横滚和偏航信息，并包含了嵌入式的姿态数据解算算法，具有提供准确可靠的姿态数据的功能。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：数据手套由6个HAMS系统以及5个磁场发生线圈组成。由于HAMS适合检测自由度较高的关节，所以将其布置在大拇指的手掌指节和其余4指的近指指节上，每个HAMS系统检测相应关节的2个自由度。中央处理模块由一个HAMS系统、MCU微处理器模块以及其他必要模块组成，负责检测手腕的3个自由度以及总的数据处理和通信交互功能。布置在手指指尖的五个线圈由中央处理模块驱动，配合同一个手指中的HAMS系统中的磁力计，在分时复用的情况下完成磁场定位功能。在同一根手指上HAMS与磁场线圈位于同一平面内，线圈产生的磁场可以检测远指骨与近指骨之间的角度。所以本设备通过检测人手的各个自由度并结合人手的行为习惯，输出人手的动作姿态。数据手套系统包括以下三个方面：1)姿态解算算法a.将加速度计、陀螺仪传感器分别建模，分别建立它们的静态和动态误差模型和漂移模型；b.通过当地地磁场的磁偏角以及误差建立模型，纠正磁阻传感器的数据；c.建立基于卡尔曼滤波器的数据融合滤波器，将三组传感器数据快速收敛稳定输出；d.建立满足手部姿态高动态性状态的姿态解算算法。2)手部磁场定位技术a.在三个方向上分别建立磁阻传感器与圆环线圈之间的角度解算算法。；b.根据手部姿态待测自由度与磁场检测之间的联系，设计传感器以及圆环线圈的布置位置，以及检测方法；c.建立能够通过磁场变化高效检测手部姿态的解算方法。3)PC机人手模型a.通过VS2015以及OpenGL建立人的手部模型，并根据正常人手的活动空间对人手模型进行约束；b.通过人手模型对数据手套获取的手部姿态信息进行约束，并实时将手部姿态以及位置信息显示。与现有技术相比，本专利技术具有如下突出的实质性特点和显著的优点：(1)本专利技术设备简单，成本很低；(2)本专利技术利用MARG传感器和磁场定位技术实时监测人的手部姿态，能够实现较高的手部检测性能。附图说明图1为本专利技术中人手骨骼模型。图2为本专利技术中人手坐标系。图3为本专利技术中系统整体布置方案图。图4为本专利技术中手指磁场定位模型的示意图。图5为本专利技术中手指磁场定位运动模型。图6为本专利技术中线圈定位磁场位置关系。图7为本专利技术中基于新息的卡尔曼滤波算法。图8为本专利技术中系统的硬件布置。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施例进行具体描述。实施例一：参见图1～图6，本实施例基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套，包括6个HAMS系统(6、6′)和5个磁场发生线圈(7)，其特征在于：所述HAMS系统(6、6′)，一个HAMS系统(6′)放置于手掌背面中央位置，用于捕捉手腕关节的3个转动自由度；其余5个HAMS系统(6)分别安放在拇指(1)的手掌骨背面和其余4指(2、3、4、5)的近指骨的背面，用于捕捉手腕骨拇指关节的弯曲和扩展自由度，以及其余4指(2、3、4、5)的掌指关节的弯曲和扩展自由度；所述5个磁场发生线圈(7)分别安放在5根手指(1、2、3、4、5)的远指骨背面上，与HAMS系统(6)中的AMR磁阻构成磁阻-线圈磁场检测模型，用于检测远指骨与近指骨之间的角度；5个磁场发生线圈(7)由中央处理模块(8)的线圈驱动电路驱动，并由中央处理模块(8)的微处理器MCU控制其分时开启和关闭；中央处理模块(8)与5根手指(1、2、3、4、5)的HAMS系统(6)通过SPI总线连接，与PC端软件通过串口发送接收数据，完成与数据手套的数据交互。实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述MARG传感器包括采集加速度信号的加速度传感器，采集角速度信号的陀螺仪，以及采集磁场信号的磁阻传感器；所述HAMS系统是利用MARG传感器组设计的人手姿态检测系统。所述磁阻-线圈磁场检测模型由HAMS系统中的AMR磁阻和圆环线圈组成，其中HAMS系统中的AMR磁阻布置于近指指节，圆环线圈布置于远指指节，通过电流激励使圆环线圈产生磁场，利用AMR磁阻检测来自线圈的磁场，确定线圈相对于磁阻的旋转角度；然后利用自然状态下人手的近指关节与远指关节旋转角度的约束关系，获得近指关节和远指关节的旋转角度。所述磁阻-线圈磁场检测模型的定位技术关系式如下：令HAMS系统(6)相对于线圈的位置为P(x,y,z)，由于HAMS系统(6)与线圈位于同一根手指上，所以点P相对于线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套，包括6个HAMS系统(6、6′)和5个磁场发生线圈(7)，其特征在于：所述HAMS系统(6、6′)，一个HAMS系统(6′)放置于手掌背面中央位置，用于捕捉手腕关节的3个转动自由度；其余5个HAMS系统(6)分别安放在拇指(1)的手掌骨背面和其余4指(2、3、4、5)的近指骨的背面，用于捕捉手腕骨拇指关节的弯曲和扩展自由度，以及其余4指(2、3、4、5)的掌指关节的弯曲和扩展自由度；所述5个磁场发生线圈(7)分别安放在5根手指(1、2、3、4、5)的远指骨背面上，与HAMS系统(6)中的AMR磁阻构成磁阻‑线圈磁场检测模型，用于检测远指骨与近指骨之间的角度；5个磁场发生线圈(7)由中央处理模块(8)的线圈驱动电路驱动，并由中央处理模块(8)的微处理器MCU控制其分时开启和关闭；中央处理模块(8)与5根手指(1、2、3、4、5)的HAMS系统(6)通过SPI总线连接，与PC端软件通过串口发送接收数据，完成与数据手套的数据交互。

【技术特征摘要】
1.一种基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套，包括6个HAMS系统(6、6′)和5个磁场发生线圈(7)，其特征在于：所述HAMS系统(6、6′)，一个HAMS系统(6′)放置于手掌背面中央位置，用于捕捉手腕关节的3个转动自由度；其余5个HAMS系统(6)分别安放在拇指(1)的手掌骨背面和其余4指(2、3、4、5)的近指骨的背面，用于捕捉手腕骨拇指关节的弯曲和扩展自由度，以及其余4指(2、3、4、5)的掌指关节的弯曲和扩展自由度；所述5个磁场发生线圈(7)分别安放在5根手指(1、2、3、4、5)的远指骨背面上，与HAMS系统(6)中的AMR磁阻构成磁阻-线圈磁场检测模型，用于检测远指骨与近指骨之间的角度；5个磁场发生线圈(7)由中央处理模块(8)的线圈驱动电路驱动，并由中央处理模块(8)的微处理器MCU控制其分时开启和关闭；中央处理模块(8)与5根手指(1、2、3、4、5)的HAMS系统(6)通过SPI总线连接，与PC端软件通过串口发送接收数据，完成与数据手套的数据交互。2.根据权利要求1所述基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套，其特征在于：所述MARG传感器包括采集加速度信号的加速度传感器，采集角速度信号的陀螺仪，以及采集磁场信号的磁阻传感器；所述HAMS系统是利用MARG传感器组设计的人手姿态检测系统。3.根据权利要求1所述基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套，其特征在于：所述磁阻-线圈磁场检测模型由HAMS系统中的AMR磁阻和圆环线圈组成，其中HAMS系统中的AMR磁阻布置于近指指节，圆环线圈布置于远指指节，通过电流激励使圆环线圈产生磁场，利用AMR磁阻检测来自线圈的磁场，确定线圈相对于磁阻的旋转角度；然后利用自然状态下人手的近指关节与远指关节旋转角度的约束关系，获得近指关节和远指关节的旋转角度。4.根据权利要求1所述基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套，其特征在于：所述磁阻-线圈磁场检测模型的定位技术关系式如下：令HAMS系统(6)相对于线圈的位置为P(x,y,z)，由于HAMS系统(6)与线圈位于同一根手指上，所以点P相对于线圈在Y方向上为零，因此实际的相对位置为P(x,0,z)；θDIP为远指关节的旋转角度，θPIP为近指关节的旋转角度；线圈和HAMS-...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁一，高同跃，吴烨，朱世浩，黄开达，杨佳，胡清玄，赵丰收，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31