[发明专利]一种带自修复和自校准功能的腕带式手势识别设备及方法

说明书

本发明公开了一种带自修复和自校准功能的腕带式手势识别设备及方法，包括：腕带式阵列表面肌电采集模块和控制核心模块，其中：所述腕带式阵列表面肌电采集模块，用于采集手势动作产生的腕部表面肌电信号，并对信号进行放大、滤波及数字采样；所述控制核心模块，用于系统时序控制、信号预处理、手势识别和控制指令发送，包括：异常信号检测及修复模块、电极校准模块、手势识别模块、无线传输模块。该手势识别设备通过腕带式阵列电极设计、异常信号检测及修复算法以及电极校准算法实现对手势动作的高鲁棒性识别，本发明提出的高鲁棒性腕带式手势识别设备，对基于手势动作的人机交互技术具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及穿戴式人机交互领域，尤其涉及一种高鲁棒性的腕带式手势识别设备。

背景技术

近年来，手势识别成为了新型人机交互技术的一个主流研究方向。相较于鼠标、键盘等机械设备，手势交互是一种更自然、更符合人类习惯的人机交互方式。随着虚拟现实技术(VR)的不断发展，手势识别及交互将会有更大的发展前景。

肌电图是肌肉收缩时伴随的电信号，能在一定程度上反映神经肌肉的活动。表面肌电信号由于在测量上具有非入侵性、无创伤、操作简单等优点，在基于手势识别的人机交互领域中被广泛采用。基于表面肌电的手势识别设备在使用中存在的共性问题是：

1.在佩戴较长时间后，由于大幅度动作、出汗等因素影响，经常会出现由电极触点与皮肤接触不良带来的异常信号，从而导致识别性能下降。因此，实现对使用过程中出现的异常信号的有效检测和恢复，对提高手势识别设备的鲁棒性具有重要的意义。当前研究中对于异常信号的处理多采用人为参与的方法，即让专业人员人工确定异常通道并采用相邻通道取代的方式进行修复。然而，现有的基于表面肌电的手势识别设备多采用单电极或分立式电极采集表面肌电信号，由于电极密度较低，即通道间距离较远，使用相邻通道取代的恢复方法会引入一定的误差，无法保证识别性能。同时，人工参与的方式会增加人工成本，且无法应用在实时交互领场景中。

2.由于用户每次佩戴设备的位置和角度不同，在重复穿戴的过程中无法避免电极偏移的发生，而电极偏移则会导致分类器性能大幅度下降甚至不再适用。电极偏移之所以会影响分类器性能，其原因在于改变了肌电信号与电极通道间的对应关系。通过匹配算法确定偏移量，并恢复原本对应关系是一种常用的电极校准方法。然而，实际使用中的电极偏移量不总是电极间距的整倍数，且分立式电极由于电极密度较低，无法实现全覆盖，因此在偏移发生时会采集到原本没有电极覆盖的区域的肌电信号，导致校准方法失效。为防止电极偏移，现有设备多通过设置参考点的方法规定设备的佩戴位置。该方法虽然能有效对抗电极偏移，但是在长时间的佩戴过程中，手势动作会导致设备的佩戴位置发生变化，要求用户频繁地调整设备佩戴位置以保证识别效果，极大地降低了用户体验。

3.当前设备的佩戴部位多为前臂或后臂。将肌电传感器佩戴于前臂而非腕部虽有利于提高采集信号的质量，但便携性不足，不符合用户习惯。

由上述问题可以看出，在进行手势识别之前，保证信号的有效性和一致性对提高手势识别设备的鲁棒性具有重要意义。然而，肌电信号作为一种电生理信号，具有个体差异性大的特点，导致无论是对于异常信号检测及修复还是电极校准，都难以提出一种通用的判别标准和实施方案。因此，要想实现高鲁棒性的自修复和自校准功能，需要充分利用肌电信号自身的空间分布信息和规律。而要想获取充足的空间分布信息，则需要保证电极的高密度和高覆盖率。现有手势识别设备多采用单电极或分立式电极采集肌电信号，电极的密度与覆盖率较低，因此难以有效地对抗异常信号和电极偏移。

发明内容

为了解决现有设备的缺陷，本发明提出一种带有自修复和自校准功能的高鲁棒性腕带式手势识别设备，采用腕带式设计的阵列电极采集腕部表面肌电信号，通过异常信号检测及修复算法和电极校准算法提高数据的可靠性，从而实现对手势动作的高鲁棒性识别。本发明提出的高鲁棒性腕带式手势识别设备，对基于手势动作的人机交互技术具有重要的应用价值。