專利名稱：基于自然接觸傳感器的智能控制手柄及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能控制手柄，尤其是涉及一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在人機系統(tǒng)中，控制柄是最為常見、最基本的信號輸入裝置，操作者通過控制柄上的按鈕或觸摸屏等部件輸入特定命令和信號，從而控制機器進(jìn)行相應(yīng)的動作。以應(yīng)用較廣游戲控制手柄為例，已經(jīng)從傳統(tǒng)的“按健游戲時代”，通過更高級的體感、動作捕捉等新型的游戲控制方式向“互動游戲時代”發(fā)展，但這些技術(shù)歸根結(jié)底還都是基于物理量變化的控制信號，與以往按鍵的控制的方式?jīng)]有本質(zhì)性的創(chuàng)新和突破。人體生理和情緒信號作為控制信號則是區(qū)別于物理量信號的一種全新的控制理念，也為游戲等控制信號革新提供了非常好的基礎(chǔ)，而目前采集人體生理信號主要由傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)生理傳感器系統(tǒng)、可穿戴式生理傳感器系統(tǒng)、非接觸式生理傳感器系統(tǒng)，但他們分別有著儀器龐大、穿戴感覺不適、高成本有副作用等缺點，不易應(yīng)用在控制手柄中。自然接觸式生理傳感器是基于“自然接觸”理論發(fā)展起來的傳感器系統(tǒng)，由于在絕大多數(shù)人機系統(tǒng)中，操作者和機器存在自然的物理接觸，它的核心理念就是將傳感器組安裝在人機系統(tǒng)中操作者和機器自然接觸的區(qū)域，通過自然接觸過程中實時、無打擾地獲得人體生理信號，同時又不給操作者帶來額外的打擾或不適，目前這套系統(tǒng)也僅僅在智能鼠標(biāo)、智能方向盤中簡單進(jìn)行運用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠?qū)崟r、無打擾地測量操作者生理信號，可智能判斷操作者的情緒及生理狀態(tài)，實用價值高的基于自然接觸傳感器的智能控制手柄及其應(yīng)用。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)—種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄,該智能控制手柄與數(shù)據(jù)采集卡無線連接，所述的智能控制手柄包括游戲手柄和自然接觸傳感器組，所述的自然接觸傳感器組安裝在游戲手柄上操作者與手柄的接觸位置。所述的接觸位置包括手掌接觸區(qū)域和手指接觸區(qū)域。所述的自然接觸傳感器組設(shè)有兩組，每組自然接觸傳感器組均包括皮膚溫度傳感器、握力傳感器、皮膚血流容積傳感器和皮膚電導(dǎo)率傳感器，所述的皮膚溫度傳感器和握力傳感器設(shè)在手掌接觸區(qū)域，所述的皮膚血流容積傳感器和皮膚電導(dǎo)率傳感器設(shè)在手指接觸區(qū)域。所述的皮膚溫度傳感器為微型熱電阻，所述的握力傳感器為柔性壓力傳感器，所述的皮膚血流容積傳感器為光敏電阻，所述的皮膚電導(dǎo)率傳感器為銀與氯化銀參比電極。所述皮膚血流容積傳感器設(shè)在游戲手柄上與操作者中指接觸的位置，所述的皮膚電導(dǎo)率傳感器的兩個電極分別設(shè)在游戲手柄上與操作者無名指及小指接觸的位置。一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄的應(yīng)用，包括以下步驟I)自然接觸傳感器組實時采集操作者的各種原始生理信號，并將信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；2)數(shù)據(jù)采集卡對接收到的信號進(jìn)行特征提取，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號；
3)數(shù)據(jù)采集卡對輸入信號進(jìn)行分析歸納及識別處理；4)數(shù)據(jù)采集卡顯示分析結(jié)果，并依據(jù)結(jié)果發(fā)出游戲控制信號。所述的步驟2)中的特征提取包括以下步驟a)數(shù)據(jù)采集卡比較設(shè)定時間段各自然接觸傳感器組中皮膚電導(dǎo)率傳感器和握力傳感器的輸出電壓值，分別存儲這兩個信號的最大電壓值和其所在的傳感器組序號；b)數(shù)據(jù)采集卡采集皮膚電導(dǎo)率傳感器輸出電壓值最大所在傳感器組中的皮膚血流容積信號，采集握力輸出電壓值最大所在傳感器組中的皮膚溫度信號；c)上述四個信號輸出電壓值即本時間段數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號，進(jìn)入后續(xù)的信號處理和顯示環(huán)節(jié)。所述的步驟3)中的分析歸納與識別處理具體為將數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號與數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，找出該信號所對應(yīng)的情感狀態(tài)或控制信號，將結(jié)果進(jìn)行顯示或發(fā)送至游戲機。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的設(shè)計理念是將傳感器組安裝在傳統(tǒng)游戲手柄上的接觸位置，通過游戲者在游戲的過程中手和手柄的自然接觸，實時、無打擾地采集游戲者情緒生理信號，具有以下優(yōu)點I)本發(fā)明以人體的生理信號作為游戲等方面的控制信號，提供了全新的游戲控制信號、健康提醒、幫助病人和老年人進(jìn)行恢復(fù)性訓(xùn)練等全新的應(yīng)用理念，具有非常高的實用價值。2)本發(fā)明相較于自然接觸傳感器模式中情感鼠標(biāo)、壓力鼠標(biāo)等應(yīng)用所采集的生理信號更多、系統(tǒng)也更復(fù)雜，為后續(xù)的情感判定的信號支持也越加豐富，有利于更加準(zhǔn)確地判定操作者的情緒和生理狀態(tài)，在信號的采集和處理等方面的研究更為深入，特別是在誤差的分析和補償、電路可靠性的驗證、皮膚血流容積信號中心率信號的提取都進(jìn)行了深入的研究，同時也提出了多路信號選擇判定和分析處理的方法，讓采集得到的信號質(zhì)量和精度也更好。


圖I為本發(fā)明智能控制手柄的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明智能控制手柄的工作流程圖；圖3為實施例I的工作流程圖；圖4為實施例2中皮膚電導(dǎo)率實驗數(shù)據(jù)對比圖；圖5為實施例2中皮膚溫度實驗數(shù)據(jù)對比圖；圖6為實施例2中BVP實驗數(shù)據(jù)對比圖
具體實施方式
下面結(jié)合附圖 和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例I如圖I所示，一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄，該智能控制手柄與數(shù)據(jù)采集卡3無線連接，包括游戲手柄I和自然接觸傳感器組2，自然接觸傳感器組2安裝在游戲手柄I上操作者與手柄接觸的手掌接觸區(qū)域和手指接觸區(qū)域，本實施例中游戲手柄I采用微軟公司Xbox360游戲手柄。自然接觸傳感器組2設(shè)有兩組，每組自然接觸傳感器組均包括皮膚溫度傳感器、握力傳感器、皮膚血流容積傳感器和皮膚電導(dǎo)率傳感器。由于采集的信號極易受到外界噪聲的干擾，所以傳感器的輸出選擇在人體信號輸出范圍內(nèi)較敏感的類型。同時，傳感器的尺寸也盡量小型化或微型化，以能更好地在手柄的安裝和分布。皮膚溫度傳感器采用微型熱電阻，握力傳感器采用柔性壓力傳感器，皮膚血流容積傳感器采用光敏電阻，皮膚電導(dǎo)率傳感器采用銀與氯化銀參比電極。皮膚溫度傳感器設(shè)在手掌接觸區(qū)域，本區(qū)域一直緊貼游戲手柄握柄外側(cè)，為手握游戲柄的動作提供足夠的摩擦力，本區(qū)域內(nèi)皮膚與外界空氣的完全隔離，從而最大程度地避免了外界溫度的影響。握力傳感器設(shè)在手掌接觸區(qū)域，本區(qū)域為手握游戲柄的動作提供支撐力，也就是說該區(qū)域是握力的主要輸出區(qū)域，且與握力輸出大小成正比。皮膚血流容積傳感器設(shè)在游戲手柄上與操作者中指接觸的位置，采集手指指端血容變化來獲得心率和脈搏頻率的信號，依據(jù)光敏電阻接受由皮膚組織反射的光強大小來測定組織中血流容積的變化，而此區(qū)域是人的指端是手掌中毛細(xì)血管網(wǎng)最為豐富的區(qū)域。皮膚電導(dǎo)率傳感器的兩個電極分別設(shè)在游戲手柄上與操作者無名指及小指接觸的位置，由于皮膚電導(dǎo)率信號測試需要將兩個電極分別置于兩個手指的指端，故選取相鄰的兩個手指指端區(qū)域。如圖2所示，上述基于自然接觸傳感器的智能控制手柄的工作流程具體包括以下步驟I)自然接觸傳感器組2實時采集操作者的各種原始生理信號，并將信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡3 ；2)數(shù)據(jù)采集卡3對接收到的信號進(jìn)行特征提取，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號；3)數(shù)據(jù)采集卡3對輸入信號進(jìn)行分析歸納及識別處理將數(shù)據(jù)采集卡3的輸入信號與數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，找出該信號所對應(yīng)的情感狀態(tài)或控制信號；4)數(shù)據(jù)采集卡3顯示分析結(jié)果，并依據(jù)結(jié)果發(fā)出游戲控制信號，數(shù)據(jù)采集卡輸出的結(jié)果可應(yīng)用于產(chǎn)生高級游戲控制信號、合理游戲監(jiān)控、幫助病人或老人康復(fù)型訓(xùn)練等用途。由于智能控制手柄上操作者的手和每一個傳感器組都存在接觸、部分接觸和不接觸者三種可能，同時傳感器組中的每一個傳感器也存在這三種相同的情況，所以準(zhǔn)確判定出手和哪些傳感器組、傳感器發(fā)生了接觸，并從這些接觸發(fā)生接觸的傳感器組、傳感器中提取最佳采集信號，就成為智能控制手柄信號采集和分析過程中的最關(guān)鍵一步上述步驟2)中的特征提取包括以下步驟
a)數(shù)據(jù)采集卡3比較一定時間段各自然接觸傳感器組2中皮膚電導(dǎo)率傳感器和握力傳感器的輸出電壓值，分別存儲這兩個信號的最大電壓值和其所在的傳感器組序號；b)數(shù)據(jù)采集卡3采集皮膚電導(dǎo)率傳感器輸出電壓值最大所在傳感器組中的皮膚血流容積信號，采集握力輸出電壓值最大所在傳感器組中的皮膚溫度信號；c)上述四個信號輸出電壓值即本時間段數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號，進(jìn)入后續(xù)的信號處理和顯示環(huán)節(jié)。如圖3所示，智能控制手柄系統(tǒng)的情感識別進(jìn)行初步研究分析，采用Paul Ekman的離散6種基本情感分類，將操作者的情緒劃分為恐懼、憤怒、悲傷、高興、厭惡和驚奇這6大類，本發(fā)明的智能控制手柄可根據(jù)采集的原始生理信號，經(jīng)過特征提取、分析歸納，并與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，識別出操作者的實時情感狀態(tài)，輸出結(jié)果。實施例2ProComp2測量系統(tǒng)是業(yè)績認(rèn)同的高精度、高靈敏度的生理信號測量系統(tǒng)，故引入Procomp2系統(tǒng)下作為智能控制手柄系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)參照組，由于ProComp2沒有提供握力測試，所以僅對皮膚溫度、皮膚電導(dǎo)率和BVP三個信號進(jìn)行本發(fā)明與ProComp2的對比實驗。實驗結(jié)果如圖4-6所示，圖中Smart Joypad表示本發(fā)明的實驗曲線。經(jīng)過SPSS對比T-TEST算法得到，皮膚電導(dǎo)率P值=0. 133 > 0. 05，皮膚溫度p值=0. 888 > 0. 05，皮膚血流容積p值=0. 126 > 0. 05，故智能控制手柄系統(tǒng)測量上述三個數(shù)據(jù)與Pix)COmp2無顯著性差異。
權(quán)利要求
1.一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄，該智能控制手柄與數(shù)據(jù)采集卡連接，其特征在于，所述的智能控制手柄包括游戲手柄和自然接觸傳感器組，所述的自然接觸傳感器組安裝在游戲手柄上操作者與手柄的接觸位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄，其特征在于，所述的接觸位置包括手掌接觸區(qū)域和手指接觸區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄，其特征在于，所述的自然接觸傳感器組設(shè)有兩組，每組自然接觸傳感器組均包括皮膚溫度傳感器、握力傳感器、皮膚血流容積傳感器和皮膚電導(dǎo)率傳感器，所述的皮膚溫度傳感器和握力傳感器設(shè)在手掌接觸區(qū)域，所述的皮膚血流容積傳感器和皮膚電導(dǎo)率傳感器設(shè)在手指接觸區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄，其特征在于，所述的皮膚溫度傳感器為微型熱電阻，所述的握力傳感器為柔性壓力傳感器，所述的皮膚血流容積傳感器為光敏電阻，所述的皮膚電導(dǎo)率傳感器為銀與氯化銀參比電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄，其特征在于，所述皮膚血流容積傳感器設(shè)在游戲手柄上與操作者中指接觸的位置，所述的皮膚電導(dǎo)率傳感器的兩個電極分別設(shè)在游戲手柄上與操作者無名指及小指接觸的位置。
6.一種實施如權(quán)利要求I所述的基于自然接觸傳感器的智能控制手柄的應(yīng)用，其特征在于，包括以下步驟 1)自然接觸傳感器組實時采集操作者的各種原始生理信號，并將信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡; 2)數(shù)據(jù)采集卡對接收到的信號進(jìn)行特征提取，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號； 3)數(shù)據(jù)采集卡對輸入信號進(jìn)行分析歸納及識別處理； 4)數(shù)據(jù)采集卡顯示分析結(jié)果，并依據(jù)結(jié)果發(fā)出游戲控制信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄的應(yīng)用，其特征在于，所述的步驟2)中的特征提取包括以下步驟 a)數(shù)據(jù)采集卡比較設(shè)定時間段各自然接觸傳感器組中皮膚電導(dǎo)率傳感器和握力傳感器的輸出電壓值，分別存儲這兩個信號的最大電壓值和其所在的傳感器組序號； b)數(shù)據(jù)采集卡采集皮膚電導(dǎo)率傳感器輸出電壓值最大所在傳感器組中的皮膚血流容積信號，采集握力輸出電壓值最大所在傳感器組中的皮膚溫度信號； c)上述四個信號輸出電壓值即本時間段數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號，進(jìn)入后續(xù)的信號處理和顯示環(huán)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄的應(yīng)用，其特征在于，所述的步驟3)中的分析歸納與識別處理具體為將數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號與數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，找出該信號所對應(yīng)的情感狀態(tài)或控制信號，將結(jié)果進(jìn)行顯示或發(fā)送至游戲機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于自然接觸傳感器的智能控制手柄及其應(yīng)用，該智能控制手柄與數(shù)據(jù)采集卡連接，所述的智能控制手柄包括游戲手柄和自然接觸傳感器組，所述的自然接觸傳感器組安裝在游戲手柄上操作者與手柄的接觸位置；其應(yīng)用包括以下步驟1)自然接觸傳感器組實時采集操作者的各種原始生理信號，并將信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；2)數(shù)據(jù)采集卡對接收到的信號進(jìn)行特征提取，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號；3)數(shù)據(jù)采集卡對輸入信號進(jìn)行分析歸納及識別處理；4)數(shù)據(jù)采集卡顯示分析結(jié)果，并依據(jù)結(jié)果發(fā)出游戲控制信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有信號采集精度高、可智能判斷操作者的情緒及生理狀態(tài)、實用價值高等優(yōu)點。
文檔編號G05G1/10GK102622039SQ20121008592
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者章文俊, 莫沸 申請人:華東理工大學(xué)