[發明專利]一種帶自修復和自校準功能的腕帶式手勢識別設備及方法

有效

• 申請號: 202010735102.3
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111857349B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 陳香;秦文博;曹帥;張旭;胡若晨
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06K9/62;G06N3/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨

本發明公開了一種帶自修復和自校準功能的腕帶式手勢識別設備及方法，包括：腕帶式陣列表面肌電采集模塊和控制核心模塊，其中：所述腕帶式陣列表面肌電采集模塊，用于采集手勢動作產生的腕部表面肌電信號，并對信號進行放大、濾波及數字采樣；所述控制核心模塊，用于系統時序控制、信號預處理、手勢識別和控制指令發送，包括：異常信號檢測及修復模塊、電極校準模塊、手勢識別模塊、無線傳輸模塊。該手勢識別設備通過腕帶式陣列電極設計、異常信號檢測及修復算法以及電極校準算法實現對手勢動作的高魯棒性識別，本發明提出的高魯棒性腕帶式手勢識別設備，對基于手勢動作的人機交互技術具有重要的應用價值。

技術領域

本發明涉及穿戴式人機交互領域，尤其涉及一種高魯棒性的腕帶式手勢識別設備。

背景技術

近年來，手勢識別成為了新型人機交互技術的一個主流研究方向。相較于鼠標、鍵盤等機械設備，手勢交互是一種更自然、更符合人類習慣的人機交互方式。隨著虛擬現實技術(VR)的不斷發展，手勢識別及交互將會有更大的發展前景。

肌電圖是肌肉收縮時伴隨的電信號，能在一定程度上反映神經肌肉的活動。表面肌電信號由于在測量上具有非入侵性、無創傷、操作簡單等優點，在基于手勢識別的人機交互領域中被廣泛采用。基于表面肌電的手勢識別設備在使用中存在的共性問題是：

1.在佩戴較長時間后，由于大幅度動作、出汗等因素影響，經常會出現由電極觸點與皮膚接觸不良帶來的異常信號，從而導致識別性能下降。因此，實現對使用過程中出現的異常信號的有效檢測和恢復，對提高手勢識別設備的魯棒性具有重要的意義。當前研究中對于異常信號的處理多采用人為參與的方法，即讓專業人員人工確定異常通道并采用相鄰通道取代的方式進行修復。然而，現有的基于表面肌電的手勢識別設備多采用單電極或分立式電極采集表面肌電信號，由于電極密度較低，即通道間距離較遠，使用相鄰通道取代的恢復方法會引入一定的誤差，無法保證識別性能。同時，人工參與的方式會增加人工成本，且無法應用在實時交互領場景中。

2.由于用戶每次佩戴設備的位置和角度不同，在重復穿戴的過程中無法避免電極偏移的發生，而電極偏移則會導致分類器性能大幅度下降甚至不再適用。電極偏移之所以會影響分類器性能，其原因在于改變了肌電信號與電極通道間的對應關系。通過匹配算法確定偏移量，并恢復原本對應關系是一種常用的電極校準方法。然而，實際使用中的電極偏移量不總是電極間距的整倍數，且分立式電極由于電極密度較低，無法實現全覆蓋，因此在偏移發生時會采集到原本沒有電極覆蓋的區域的肌電信號，導致校準方法失效。為防止電極偏移，現有設備多通過設置參考點的方法規定設備的佩戴位置。該方法雖然能有效對抗電極偏移，但是在長時間的佩戴過程中，手勢動作會導致設備的佩戴位置發生變化，要求用戶頻繁地調整設備佩戴位置以保證識別效果，極大地降低了用戶體驗。

3.當前設備的佩戴部位多為前臂或后臂。將肌電傳感器佩戴于前臂而非腕部雖有利于提高采集信號的質量，但便攜性不足，不符合用戶習慣。

由上述問題可以看出，在進行手勢識別之前，保證信號的有效性和一致性對提高手勢識別設備的魯棒性具有重要意義。然而，肌電信號作為一種電生理信號，具有個體差異性大的特點，導致無論是對于異常信號檢測及修復還是電極校準，都難以提出一種通用的判別標準和實施方案。因此，要想實現高魯棒性的自修復和自校準功能，需要充分利用肌電信號自身的空間分布信息和規律。而要想獲取充足的空間分布信息，則需要保證電極的高密度和高覆蓋率。現有手勢識別設備多采用單電極或分立式電極采集肌電信號，電極的密度與覆蓋率較低，因此難以有效地對抗異常信號和電極偏移。

發明內容

為了解決現有設備的缺陷，本發明提出一種帶有自修復和自校準功能的高魯棒性腕帶式手勢識別設備，采用腕帶式設計的陣列電極采集腕部表面肌電信號，通過異常信號檢測及修復算法和電極校準算法提高數據的可靠性，從而實現對手勢動作的高魯棒性識別。本發明提出的高魯棒性腕帶式手勢識別設備，對基于手勢動作的人機交互技術具有重要的應用價值。