對(duì)身體或目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作敏感的控制接口裝置和方法以及裝有該裝置的控制設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】對(duì)身體或目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作敏感的控制接口裝置和方法以及裝有該裝置的控制設(shè)備
[0001 ] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01080044713.8、PCT國(guó)際申請(qǐng)日為2010年8月6日、發(fā)明名稱(chēng)為“對(duì)身體或目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作敏感的控制接口裝置和方法以及裝有該裝置的控制設(shè)備”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及對(duì)身體或目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作或聲音敏感的控制接口裝置，尤其是可與語(yǔ)音控制相結(jié)合的手勢(shì)動(dòng)作和/或觸控控制接口裝置。本發(fā)明也涉及該裝置中使用的控制接口方法以及使用這種裝置的控制設(shè)備。
[0003]發(fā)明領(lǐng)域尤其但非限制性地是手勢(shì)動(dòng)作和/或觸控以及可能的語(yǔ)音人機(jī)接口領(lǐng)域，其可實(shí)時(shí)判斷身體、手、手指或目標(biāo)的遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作直至接觸，這些運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作與語(yǔ)音請(qǐng)求結(jié)合或不結(jié)合，以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)控制指令。
【背景技術(shù)】
[0004]相對(duì)于使用者作用于機(jī)械傳感器例如鍵盤(pán)按鍵或轉(zhuǎn)換器的接口來(lái)說(shuō)，人機(jī)接口稱(chēng)為虛接口，即手勢(shì)動(dòng)作和/或觸控及語(yǔ)音接口，涉及到手勢(shì)動(dòng)作接口和工作表面時(shí)，往往是三維攝像機(jī)，涉及到觸控接口時(shí)，常常是透明的，集成在顯示器上。這些觸控接口以“觸控屏”廣泛用于多種工業(yè)應(yīng)用和大眾應(yīng)用，例如用于智能電話(huà)、住宅自動(dòng)化信息管理或游戲接
□ ο
[0005]顯示器例如可顯示鍵盤(pán)或軟件接口，其圖像隨著對(duì)使用者的動(dòng)作的反應(yīng)而變化，一般包括手指或筆在顯示器的表面上的位移、輕輕敲擊或持久接觸，以執(zhí)行控制指令。近來(lái)研發(fā)出手勢(shì)動(dòng)作接口，以適應(yīng)通信信息技術(shù)與娛樂(lè)相結(jié)合的數(shù)字產(chǎn)品的越來(lái)越大的復(fù)雜性。這些接口往往基于三維攝像機(jī)和圖像處理，能夠遠(yuǎn)距離地直至在5米處判斷身體或手的動(dòng)作，與顯示器相互作用。
[0006]在虛擬控制裝置中，也必須引用可執(zhí)行聲音請(qǐng)求的語(yǔ)音控制裝置。在現(xiàn)行的觸控技術(shù)中，常常使用電容技術(shù)，因?yàn)?
[0007]-其不必對(duì)顯示器的表面施加機(jī)械作用，例如與電阻技術(shù)相反，
[0008]-其非常容易由直接集成于其表面的傳感器網(wǎng)絡(luò)形成顯示器表面的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，這比采用例如需要高于檢測(cè)表面的收發(fā)機(jī)天線(xiàn)陣的光學(xué)技術(shù)獲得更為緊湊和堅(jiān)固的集成化。
[0009]在虛接口方面，不斷地在研究接近檢測(cè)功能，其可形成無(wú)需任何接觸的新的交互方式。因此，傳感器必須能夠完全精確地、具有足夠分辨力地檢測(cè)位移或數(shù)厘米的形狀，以便可轉(zhuǎn)換為控制指令。
[0010]如果在涉及到精確地檢測(cè)遠(yuǎn)距離動(dòng)作(超過(guò)40厘米)時(shí)光學(xué)技術(shù)難以回避，那么，電容技術(shù)被證實(shí)非常適用于無(wú)接近接觸的接口，尤其是因?yàn)閭鞲衅飨到y(tǒng)可集成于非平面工作表面，例如顯示器，沒(méi)有死區(qū)或無(wú)需外部裝置(攝像機(jī))。
[0011]在電容式觸控接口中，最常用的技術(shù)一般基于電荷移動(dòng)原理。其可獲得皮可法拉數(shù)量級(jí)的靈敏度，但不適用于制造手勢(shì)動(dòng)作接口。實(shí)際上，其靈敏度不能檢測(cè)手指的接近，因?yàn)楫a(chǎn)生的電容不超過(guò)百分之幾皮可法拉。這種傳感器中和電子裝置中存在的寄生電容完全影響到靈敏度的提高。
[0012]此外，這些技術(shù)對(duì)電磁干擾、寄生電荷和覆蓋電極的電介質(zhì)的導(dǎo)電性非常靈敏。當(dāng)空氣的相對(duì)濕度大于60%時(shí)，大部分電介質(zhì)變得略具導(dǎo)電性，電子裝置產(chǎn)生的電荷被改變，從而干擾電容式測(cè)量。
[0013]在用于制造非觸控電容式接口的技術(shù)解決方案中，公知的是采用一種似保護(hù)外殼(pseudogarde)，可使傳感器和電子裝置中的寄生電容大為減少。但是，這些技術(shù)在靈敏度上至多僅可獲得一個(gè)數(shù)量級(jí)，這可檢測(cè)到手指存在于僅數(shù)毫米的傳感器敏感表面。
[0014]關(guān)于電容式手勢(shì)動(dòng)作接口，公知地，Vranish的文獻(xiàn)US6847354提出使用帶有有效保護(hù)外殼的電容式傳感器。這種有效保護(hù)外殼用一個(gè)增益等于1的放大器形成，其在保護(hù)外殼中產(chǎn)生其幅值與測(cè)量電極的幅值相同的電壓。
[0015]這種方法的缺陷在于電子裝置由于物理原理而產(chǎn)生寄生電容，其相當(dāng)于用于形成也稱(chēng)為似保護(hù)外殼的有效保護(hù)外殼的放大器的輸入電容與用于激勵(lì)測(cè)量電極的電路的輸入電容之和。這些寄生電容易于達(dá)到皮可法拉，再加于待測(cè)量電容，其僅可表示該總數(shù)值的百分之一。
[0016]此外，電容的測(cè)量不是直接的，因?yàn)閂ranish的電子裝置通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)電阻測(cè)定其電流，獲得待測(cè)量電容的圖像。該電阻產(chǎn)生電流的寄生相位移，其使表示待測(cè)量電容的信號(hào)的檢測(cè)或解調(diào)質(zhì)量大為下降。另一個(gè)缺陷是不同電極之間的串音電平。實(shí)際上，每個(gè)電極用一個(gè)運(yùn)算放大器激勵(lì)，所述運(yùn)算放大器的增益大體上是單一的。不同放大器之間的較小增益偏差導(dǎo)致很大的附加寄生電容。
[0017]這些缺陷不能用每個(gè)傳感器檢測(cè)和辨認(rèn)數(shù)厘米乃至數(shù)十厘米的目標(biāo)例如手指或手的位置。
[0018]此外，用于制造手勢(shì)動(dòng)作接口的電容技術(shù)的研發(fā)往往是為了集成于顯示器或至少基本上呈平面的表面。傳感器的結(jié)構(gòu)是矩陣，如US6847354中所述，且由沿柵格X-Y布置的電極結(jié)構(gòu)加接口。這些技術(shù)難以使形狀比較復(fù)雜的表面儀表化。
[0019]特別是，其難以適用于虛擬控制裝置或不是基于裝備儀器的平面而是基于其它類(lèi)型的幾何形狀，包括例如模擬按鍵、按鈕或適應(yīng)使用者的凹槽、隆起、波紋，其中，傳感器可根據(jù)不同的幾何形狀布置，有時(shí)布置在很厚的電介質(zhì)材料之下，有時(shí)必須能夠彼此獨(dú)立地布置和控制。
[0020]公知地，Rozigre的文獻(xiàn)FR2884349提出一種基于電容式傳感器的系統(tǒng)，其只有一個(gè)測(cè)量電極。所述裝置可借助于一個(gè)浮橋式電子裝置用每個(gè)電極檢測(cè)超過(guò)10厘米的目標(biāo)。電極的測(cè)量結(jié)果由一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)按順序判讀。
[0021]但是，用于裝備活動(dòng)器具壁的該裝置專(zhuān)用于覆蓋防碰撞應(yīng)用范圍，不包括手勢(shì)動(dòng)作接口的應(yīng)用。
[0022]盡管手勢(shì)動(dòng)作接口具有很大的重要性，但是，鑒于心理上和安全上的原因，觸摸仍然使用非常多，能夠遠(yuǎn)距離檢測(cè)動(dòng)作的虛接口方面同樣如此。實(shí)際上，一方面，觸覺(jué)有助于使用者感到舒適，另一方面，觸摸可在安全很重要的使用領(lǐng)域(醫(yī)療設(shè)備、車(chē)輛)驗(yàn)證有效指令。
[0023]本發(fā)明旨在提出一種手勢(shì)動(dòng)作接口和一種手勢(shì)動(dòng)作與觸控接口，其由用于監(jiān)控動(dòng)作和掌握控制指令的裝置和方法組成，其結(jié)構(gòu)緊湊，可納入多種多樣的環(huán)境，完全可以:
[0024]-通過(guò)無(wú)接觸位移的精確測(cè)量，預(yù)測(cè)動(dòng)作，以及
[0025]-通過(guò)檢測(cè)一個(gè)表面上的身體動(dòng)作，安全可靠地驗(yàn)證指令。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]采用對(duì)身體或目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作敏感的控制接口裝置，即可達(dá)到該目的，其具有:
[0027]-檢測(cè)表面，
[0028]-至少一個(gè)電容式傳感器，所述傳感器每個(gè)都具有測(cè)量電極，其具有朝向檢測(cè)表面的或基本上與所述檢測(cè)表面重合的工作表面，
[0029]-用導(dǎo)電材料制成的保護(hù)外殼，其至少沿其基本上與工作表面相對(duì)的端面布置在測(cè)量電極附近，所述保護(hù)外殼以基本上與測(cè)量電極的交流電位相同的交流電位進(jìn)行激勵(lì)，
[0030]-電子裝置，其用于激勵(lì)測(cè)量電極，處理所述電容式傳感器的信號(hào)，以提供電極工作表面和所述目標(biāo)之間的距離信息。
[0031]根據(jù)本發(fā)明，
[0032]-測(cè)量電極的工作表面彼此獨(dú)立，以及
[0033]-電子激勵(lì)和處理裝置還用于彼此獨(dú)立地訪(fǎng)問(wèn)所述測(cè)量電極。
[0034]有利地，電子激勵(lì)和處理裝置的測(cè)量范圍可同時(shí):
[0035]-檢測(cè)和識(shí)別身體或目標(biāo)相對(duì)于測(cè)量電極的工作表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及
[0036]-檢測(cè)所述身體或所述目標(biāo)與檢測(cè)表面的接觸。
[0037]檢測(cè)空間限定為電容式傳感器適于檢測(cè)目標(biāo)和測(cè)量距離的空間部分。
[0038]可用本發(fā)明的裝置檢測(cè)的目標(biāo)是可用電容方式檢測(cè)的目標(biāo)，即基本上是導(dǎo)電的，且適于接地。這些目標(biāo)不必通過(guò)電連接接地，而是可通過(guò)電容耦合自然接地。作為非限制性實(shí)施例，可以是帶電體、手、手指或用導(dǎo)電材料制成的手持筆。
[0039]本發(fā)明的裝置可不時(shí)地測(cè)量身體或目標(biāo)的表面相對(duì)于電容式傳感器的位置的形狀。因此，目標(biāo)或身體的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作的檢測(cè)非限制性地可包括其在所述空間中的位置、其路線(xiàn)、以及例如用于識(shí)別的其形狀的分析。
[0040]有利地，電子激勵(lì)和處理裝置可至少一部分參考保護(hù)外殼的電位。
[0041]電子裝置的這種浮橋式結(jié)構(gòu)可消除寄生電容。因此，每個(gè)傳感器測(cè)得的電容是在涉及的目標(biāo)和電極之間直接產(chǎn)生的電容。所述裝置的靈敏度處于最佳狀態(tài)，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量，分辨率非常高。此外，電容式傳感器和相關(guān)的電子裝置可最佳地獲得測(cè)量范圍，或動(dòng)態(tài)地獲得很大的測(cè)量范圍。實(shí)際上，每個(gè)電極測(cè)量的電容范圍可從不到千分之一皮可法拉擴(kuò)大到數(shù)皮可法拉，或者是大于1000的動(dòng)態(tài)電容范圍。這種動(dòng)態(tài)特性可基本上以與電極尺寸有關(guān)的相同的分辨率檢測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)例如距離5厘米以上的手指的存在或位置、以及該手指例如對(duì)覆蓋測(cè)量電極的電介質(zhì)的接觸和壓力。這樣，本發(fā)明的裝置可同時(shí)通過(guò)識(shí)別接近的目標(biāo)或其接近方式預(yù)測(cè)動(dòng)作，且通過(guò)檢測(cè)接觸情況驗(yàn)證控制指令。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個(gè)有利的實(shí)施例，每個(gè)電容式傳感器僅具有一個(gè)測(cè)量電極，其獨(dú)立于其它傳感器的電極。因此，可根據(jù)變化非常大的幾何尺寸和形狀布置電極。電極的這種獨(dú)立性是本發(fā)明的裝置的一個(gè)特別有利的實(shí)施例，用于制造基于任意形狀結(jié)構(gòu)的手勢(shì)動(dòng)作接口，在這方面，其不同于現(xiàn)