对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备的制造方法
对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备的制造方法
【专利说明】对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备
[0001 ] 本申请是申请号为201080044713.8、PCT国际申请日为2010年8月6日、发明名称为“对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及对身体或目标的运动或动作或声音敏感的控制接口装置，尤其是可与语音控制相结合的手势动作和/或触控控制接口装置。本发明也涉及该装置中使用的控制接口方法以及使用这种装置的控制设备。
[0003]发明领域尤其但非限制性地是手势动作和/或触控以及可能的语音人机接口领域，其可实时判断身体、手、手指或目标的远距离运动或动作直至接触，这些运动或动作与语音请求结合或不结合，以执行一个或多个控制指令。
【背景技术】
[0004]相对于使用者作用于机械传感器例如键盘按键或转换器的接口来说，人机接口称为虚接口，即手势动作和/或触控及语音接口，涉及到手势动作接口和工作表面时，往往是三维摄像机，涉及到触控接口时，常常是透明的，集成在显示器上。这些触控接口以“触控屏”广泛用于多种工业应用和大众应用，例如用于智能电话、住宅自动化信息管理或游戏接
□ ο
[0005]显示器例如可显示键盘或软件接口，其图像随着对使用者的动作的反应而变化，一般包括手指或笔在显示器的表面上的位移、轻轻敲击或持久接触，以执行控制指令。近来研发出手势动作接口，以适应通信信息技术与娱乐相结合的数字产品的越来越大的复杂性。这些接口往往基于三维摄像机和图像处理，能够远距离地直至在5米处判断身体或手的动作，与显示器相互作用。
[0006]在虚拟控制装置中，也必须引用可执行声音请求的语音控制装置。在现行的触控技术中，常常使用电容技术，因为:
[0007]-其不必对显示器的表面施加机械作用，例如与电阻技术相反，
[0008]-其非常容易由直接集成于其表面的传感器网络形成显示器表面的点阵结构，这比采用例如需要高于检测表面的收发机天线阵的光学技术获得更为紧凑和坚固的集成化。
[0009]在虚接口方面，不断地在研究接近检测功能，其可形成无需任何接触的新的交互方式。因此，传感器必须能够完全精确地、具有足够分辨力地检测位移或数厘米的形状，以便可转换为控制指令。
[0010]如果在涉及到精确地检测远距离动作(超过40厘米)时光学技术难以回避，那么，电容技术被证实非常适用于无接近接触的接口，尤其是因为传感器系统可集成于非平面工作表面，例如显示器，没有死区或无需外部装置(摄像机)。
[0011]在电容式触控接口中，最常用的技术一般基于电荷移动原理。其可获得皮可法拉数量级的灵敏度，但不适用于制造手势动作接口。实际上，其灵敏度不能检测手指的接近，因为产生的电容不超过百分之几皮可法拉。这种传感器中和电子装置中存在的寄生电容完全影响到灵敏度的提高。
[0012]此外，这些技术对电磁干扰、寄生电荷和覆盖电极的电介质的导电性非常灵敏。当空气的相对湿度大于60%时，大部分电介质变得略具导电性，电子装置产生的电荷被改变，从而干扰电容式测量。
[0013]在用于制造非触控电容式接口的技术解决方案中，公知的是采用一种似保护外壳(pseudogarde)，可使传感器和电子装置中的寄生电容大为减少。但是，这些技术在灵敏度上至多仅可获得一个数量级，这可检测到手指存在于仅数毫米的传感器敏感表面。
[0014]关于电容式手势动作接口，公知地，Vranish的文献US6847354提出使用带有有效保护外壳的电容式传感器。这种有效保护外壳用一个增益等于1的放大器形成，其在保护外壳中产生其幅值与测量电极的幅值相同的电压。
[0015]这种方法的缺陷在于电子装置由于物理原理而产生寄生电容，其相当于用于形成也称为似保护外壳的有效保护外壳的放大器的输入电容与用于激励测量电极的电路的输入电容之和。这些寄生电容易于达到皮可法拉，再加于待测量电容，其仅可表示该总数值的百分之一。
[0016]此外，电容的测量不是直接的，因为Vranish的电子装置通过一个基准电阻测定其电流，获得待测量电容的图像。该电阻产生电流的寄生相位移，其使表示待测量电容的信号的检测或解调质量大为下降。另一个缺陷是不同电极之间的串音电平。实际上，每个电极用一个运算放大器激励，所述运算放大器的增益大体上是单一的。不同放大器之间的较小增益偏差导致很大的附加寄生电容。
[0017]这些缺陷不能用每个传感器检测和辨认数厘米乃至数十厘米的目标例如手指或手的位置。
[0018]此外，用于制造手势动作接口的电容技术的研发往往是为了集成于显示器或至少基本上呈平面的表面。传感器的结构是矩阵，如US6847354中所述，且由沿栅格X-Y布置的电极结构加接口。这些技术难以使形状比较复杂的表面仪表化。
[0019]特别是，其难以适用于虚拟控制装置或不是基于装备仪器的平面而是基于其它类型的几何形状，包括例如模拟按键、按钮或适应使用者的凹槽、隆起、波纹，其中，传感器可根据不同的几何形状布置，有时布置在很厚的电介质材料之下，有时必须能够彼此独立地布置和控制。
[0020]公知地，Rozigre的文献FR2884349提出一种基于电容式传感器的系统，其只有一个测量电极。所述装置可借助于一个浮桥式电子装置用每个电极检测超过10厘米的目标。电极的测量结果由一个监控系统按顺序判读。
[0021]但是，用于装备活动器具壁的该装置专用于覆盖防碰撞应用范围，不包括手势动作接口的应用。
[0022]尽管手势动作接口具有很大的重要性，但是，鉴于心理上和安全上的原因，触摸仍然使用非常多，能够远距离检测动作的虚接口方面同样如此。实际上，一方面，触觉有助于使用者感到舒适，另一方面，触摸可在安全很重要的使用领域(医疗设备、车辆)验证有效指令。
[0023]本发明旨在提出一种手势动作接口和一种手势动作与触控接口，其由用于监控动作和掌握控制指令的装置和方法组成，其结构紧凑，可纳入多种多样的环境，完全可以:
[0024]-通过无接触位移的精确测量，预测动作，以及
[0025]-通过检测一个表面上的身体动作，安全可靠地验证指令。
【发明内容】
[0026]采用对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置，即可达到该目的，其具有:
[0027]-检测表面，
[0028]-至少一个电容式传感器，所述传感器每个都具有测量电极，其具有朝向检测表面的或基本上与所述检测表面重合的工作表面，
[0029]-用导电材料制成的保护外壳，其至少沿其基本上与工作表面相对的端面布置在测量电极附近，所述保护外壳以基本上与测量电极的交流电位相同的交流电位进行激励，
[0030]-电子装置，其用于激励测量电极，处理所述电容式传感器的信号，以提供电极工作表面和所述目标之间的距离信息。
[0031]根据本发明，
[0032]-测量电极的工作表面彼此独立，以及
[0033]-电子激励和处理装置还用于彼此独立地访问所述测量电极。
[0034]有利地，电子激励和处理装置的测量范围可同时:
[0035]-检测和识别身体或目标相对于测量电极的工作表面的相对运动，以及
[0036]-检测所述身体或所述目标与检测表面的接触。
[0037]检测空间限定为电容式传感器适于检测目标和测量距离的空间部分。
[0038]可用本发明的装置检测的目标是可用电容方式检测的目标，即基本上是导电的，且适于接地。这些目标不必通过电连接接地，而是可通过电容耦合自然接地。作为非限制性实施例，可以是带电体、手、手指或用导电材料制成的手持笔。
[0039]本发明的装置可不时地测量身体或目标的表面相对于电容式传感器的位置的形状。因此，目标或身体的运动或动作的检测非限制性地可包括其在所述空间中的位置、其路线、以及例如用于识别的其形状的分析。
[0040]有利地，电子激励和处理装置可至少一部分参考保护外壳的电位。
[0041]电子装置的这种浮桥式结构可消除寄生电容。因此，每个传感器测得的电容是在涉及的目标和电极之间直接产生的电容。所述装置的灵敏度处于最佳状态，可进行远距离测量，分辨率非常高。此外，电容式传感器和相关的电子装置可最佳地获得测量范围，或动态地获得很大的测量范围。实际上，每个电极测量的电容范围可从不到千分之一皮可法拉扩大到数皮可法拉，或者是大于1000的动态电容范围。这种动态特性可基本上以与电极尺寸有关的相同的分辨率检测远距离目标例如距离5厘米以上的手指的存在或位置、以及该手指例如对覆盖测量电极的电介质的接触和压力。这样，本发明的装置可同时通过识别接近的目标或其接近方式预测动作，且通过检测接触情况验证控制指令。
[0042]根据本发明的装置的另一个有利的实施例，每个电容式传感器仅具有一个测量电极，其独立于其它传感器的电极。因此，可根据变化非常大的几何尺寸和形状布置电极。电极的这种独立性是本发明的装置的一个特别有利的实施例，用于制造基于任意形状结构的手势动作接口，在这方面，其不同于现 有技术中的手势动作接口，现有技术中的手势动作接口基于布置在平面或显示器上的传感器的矩阵结构。
[0043]根据特殊的实施方式，电子激励和处理装置可具有监控器，其可按顺序判读电容式传感器产生的测量信号。有利地，不处于监控中的电极可参考保护外壳的电位。
[0044]在该实施方式中，电极相继被选择，以限制部件数量和能量消耗。与保护外壳的电位相连接，不处于监控中的电极可最大限度地减小测量电极的静电边缘效应。
[0045]根据需要更多部件的其它实施方式，每个电极可连接于一个电子电路，例如一个电荷放大器。这些电子电路参考浮动电位，因而参考保护外壳的电位，这样可保持有利的特性，每个电极视为其相邻电极的一个保护外壳。该解决方案可提高测量速度，因为电容或距离可在所有电极上同时测得。
[0046]显然，可实施其它的电极监控方式，例如分组判读。
[0047]根据特殊的实施方式，电子激励和处理装置可具有使测量电极在电学上集中的装置，以使所述集中的电极构成一个特定的测量电极。
[0048]因此，可形成上表面电极，增大测量范围，检测距离更大的目标。显然，电极的分组配置可用电子方法进行，由计算装置控制。测量电极例如可在目标远离接触器板时集中，以赋予测量范围，而在目标接近电极时分开，以便于提高目标的三维位置的空间分辨率和精确度。
[0049]有利地，
[0050]-电极表面可被计算，以使得每个电容式传感器能测量电极的工作表面和手指之间的距离，直至至少3厘米的距离，或者根据应用情况，为5厘米；
[0051]-测量电极可在挠性印刷电路类型的载体上进行测量。因此，其可根据普通电子电路的制造技术予以实施，且根据表面或不一定呈平面的多组表面进行布置，
[0052]-测量电极也可实施在刚性印刷电路类型的载体上，
[0053]-参考保护外壳的电位的电子激励和处理装置可固定在与电极相同的载体上。
[0054]电子装置的一部分参考保护外壳的电位，有利地，可使之布置在电极附近，没有干扰其工作的危险，从而改善装置的集成化条件。实际上，如果这些电路例如参考外部地电位(接近目标或手指的电位)，那么，电极的场力线被这些电路快速吸收，装置的接触面不能进行无接触检测。这是在许多现有技术的装置中遇到的一个主要问题。
[0055]有利地，电子装置连接于保护外壳的部分可利用外部系统的基准机体与这些外部系统连通。电容式电子装置和外部系统之间的连接和分离，例如可用光耦合器或脉冲感应线圈。参考保护外壳的浮动部分的供电用一个直流-直流变换器或脉冲感应线圈进行。
[0056]根据本发明的另一个实施例，所述装置还具有布置在测量电极的工作表面一侧的电介质材料。在这种情况下，与电极相对的所述电介质材料的表面构成检测表面。
[0057]有利地，
[0058]-电介质材料可布置成基本上与电极的工作表面接触，
[0059]-电介质材料可具有挠性材料，其可使检测表面通过材料在按压力的作用下局部变薄，基本上朝测量电极方向变形。
[0060]有利地，使用挠性材料，可通过测量目标在静止检测表面的位置以内的位移，检测对表面施加的压力。
[0061]根据另一实施方式，电介质材料可具有一个基本上呈刚性的板，其适于在按压力的作用下，根据视所述按压力的作用点而定的倾斜度，向测量电极移动。
[0062]所述板可在其至少一部分表面上配有以电容方式进行检测的电极，以便能用合理布置的电容式电极测量位移或变形。该板例如可以是一个键盘，承受目标或手指的压力。用至少两个电容式电极面对所述板的电极布置，测量至这些电极的距离，可测量键盘的倾斜度，计算出手指按压的大概区域。
[0063]根据另一种配置，一个组件例如一个键盘具有覆盖第一测量电极的电介质板，可适于在压力的作用下总体上向第二测量电极移动，其测量该压力。
[0064]有利地，这些第二电极可对小位移具有最佳灵敏度。
[0065]有利地，
[0066]-电介质材料可选择成触摸起来具有舒适的质地，
[0067]-检测表面可具有使控制装置有形化的凸起形状。
[0068]检测表面可为平面，也可以按照美观要求、尤其是符合人体特点的设计，是可进行最佳集成化的任意形状。非限制性地，例如，其可为球形或半球形，模仿计算机鼠标或医疗器械的控制板的一部分。
[0069]本发明的装置可根据多种多样的配置，例如安装于残疾人的座椅的扶手，或安装于车辆的仪表板。特别是，例如为可靠起见，其可代之以机电控制按钮。
[0070]为了不失去通用性，可使检测表面类似于控制面板。优选地，测量电极彼此并置，以避免在接触器板上目标检测不到的死区。也可故意形成死区，其中，电极代之以一个保护外壳或一个机体，这样可使相邻电极的场力线偏移，以缩小接触面或使之改变。
[0071]为了获得侧向分辨率和目标检测范围之间的良好折衷方案，选择的电极尺寸最好基本上与目标的尺寸为相同的数量级。例如，为使手指的检测最佳化，选择的电极表面最好约为1平方厘米至2平方厘米。
[0072]电极的形状可根据所需的检测特征加以调节，在同一个装置中可存在多种形状的电极。例如，可在控制面板的边缘上布置特殊形状电极，例如矩形电极，以检测手指或手接近的任意一侧。例如，这可使装置根据人接触所述接触器板的侧面选择其认可的动作。
[0073]非限制性地，作为输出数据，本发明的装置可提供相似的测量信号、或者数字信号，或者直接提供电极与目标的分开距离，或者例如直接提供三维位置、目标的动作分析、目标或控制指令的识别。
[0074]对于三维检测来说，装置的每个电极可视为一个像素，物理空间分辨率由电极表面加以限制。该空间分辨率借助于插值法数值计算方法基本上可得到提高。一种方法例如在于计算电极组件所“观察到”的目标的重心。该理论中心成为可在显示器上观测到的一个有效点。例如，这可用目标例如手指或手在显示器的小表面上写、画或精确地施加作用。
[0075]三维检测也可作为电容式摄像机使用所述装置。实际上，所述系统可实时测量分开每个电极与检验目标的绝对距离，使用足够数量的电极，可使该目标成像或识别该目标。
[0076]本发明的装置还涉及检测目标(或手指)与检测表面(或控制面板)的接触，完全可靠地确保所需工作的安全性。为此，由于例如通过校验已知检测表面的位置，因此当检测到目标所处的距离相当于检测表面的距离时，直接根据目标的距离测量，可确定接触情况。
[0077]根据一有利的实施方式，其中，检测表面由与电极表面进行接触的电介质材料构成，可根据目标和电极之间的电容分析，更有把握地检测接触情况。实际上，当例如手指与电介质的表面相接触时，在手指和电极之间的电力线的径迹上基本上没有多少空气。不过，电介质材料的电容率大于空气的电容率，例如数量级为^ = 3。因此，与存在薄气层的情况相比较，当手指与表面接触时，手指和电极之间的电容基本上较高，这样可更有把握地检测接触情况。
[0078]在本发明的装置中，电极也可不覆以电介质材料。在这种情况下，目标和电极之间的接触可检测到，因为电极在接触时参考目标的地电位。有利地，测量目标例如手指在覆盖电极的基本上呈挠性或柔软的电介质材料上的按压深度，即可测得压力。测得的距离基本上与手指在电介质材料上的按压深度成比例。此外，与电容的倒数也基本上成比例的测得的距离的变化乘以覆盖电极的电介质的相对电容率er，这样，一旦手指或目标与电介质之间出现接触，就提高距离测量的灵敏度。
[0079]测量压力的另一个解决方案在于测量在增大施加的压力时由目标例如手指与较具刚性的电介质材料的表面接触的支承面增大引起的电容增大。
[0080]因此，本发明可无接触地、以数厘米乃至数分米的距离，检测手指或目标在空间的位置，检测手指或目标在检测表面例如控制面板或例如键盘上的接触，也可检测手指或目标对该表面施加的压力。测量可通过任意的电介质材料进行。这些特征可形成非常先进、美观和符合人体特点的监控接口，可使独特的控制装置进行组合。
[0081]例如，非限制性地，可识别手指动作特征，确定手到达的工作表面的侧面，以监控位于界面前的不同人员的合法或不合法的动作，验证手指对键盘的轻触或压力产生的主要控制指令。
[0082]显然，本发明的装置的使用不限于仅检测一个手指，而可检测多个手指同时或不同时施加的动作所产生的控制指令。
[0083]本发明的装置可通过厚达数毫米乃至数厘米的任何类型的电介质检测手指的位置。这个优越性可使用无限的形状、花纹、颜色和触摸感设计控制装置，使之使用起来更舒适。例如，可使用高质量的材料，例如木料、皮革、陶瓷，或者任何类型的刚性或挠性聚合物，例如硅树脂。特别是，柔软材料如硅树脂可具有更舒适的触摸感。
[0084]有利地，为卫生或尤其是美观起见，电介质可易于更换。这种电介质可以是适于清洗或消毒的材料，这使本发明的装置特别适于在卫生很重要的环境中使用接口。
[0085]非限制性地，本发明也可使用在下述设备上:
[0086]-确保人机接口功能的控制设备，其装有本发明的检测运动或动作的电容装置，
[0087]-用于安装于车辆的控制设备，其具有本发明的检测运动或动作的电容装置，
[0088]- 壁式传感结构，其装有本发明的监控装置。
[0089]根据另一个实施例，其提出一种对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口方法，其使用本发明的装置，其包括:
[0090]-在至少一个电容式传感器中激励一个或多个测量电极，所述测量电极:(i)具有一个工作表面，其朝向一个检测表面，或基本上与所述检测表面重合；(ii)配有一个用导电材料制成的保护外壳，其至少沿着其基本上相对于工作表面的端面布置在测量电极附近，
[0091]-以基本上与测量电极的交流电势相同的交流电势激励所述保护外壳，
[0092]-处理所述电容式传感器产生的信号，以提供电极的工作表面和所述目标之间的距离信息，
[0093]其特征在于，测量电极具有独立的工作表面，彼此独立地被访问。
[0094]在一个特殊实施例中，本发明的方法包括测量目标和检测表面之间的至少一个距离，处理所述距离测量结果，以提供接近信息，其特征在于，其还包括:
[0095]-测量目标和检测表面之间的接触，以及
[0096]-处理所述接触测量结果，以提供触摸信息。
[0097]显然，所述接触可为表面轻触。
[0098]根据有利的实施例，
[0099]-目标和检测表面之间接触的检测可包括测得的电容与至少一个阈值进行比较，
[0100]-距离测量结果的处理可包括至少根据距离测量结果检测所获得的目标在空间中的位置，且对电容式传感器的布置情况进行识别，以及
[0101]-接触测量结果的处理可包括已经检测目标和检测表面之间接触的电容式传感器的识别。
[0102]本发明的方法还可包括:
[0103]-测量检测表面在目标的作用下的位移，
[0104]-处理所述位移测量结果，以提供按压信息。
[0105]有利地，
[0106]-本发明的方法还可包括控制指令确定步骤，所述控制指令至少由接近信息、触摸信息和按压信息中至少任一种信息加以调节，
[0107]-由触摸信息和按压信息中任一种信息确定的至少一种控制指令可由接近信息调T ,
[0108]-至少一种控制指令可由接近信息、触摸信息和按压信息中至少任一种信息的短暂变化加以调节。
[0109]因此，本发明的方法可产生直至三个信息信号电平的控制指令:
[0110]-接近信息，
[0111]-触摸信息，
[0112]-按压信息。
[0113]显然，三个信息信号电平可同时出现和处理，这些信息可包括测量结果或其全部数据的短暂变化。
[0114]非限制性地，
[0115]-接近信息例如可包括距离、径迹、一个或多个目标根据其形状的识别。它们例如可用于将界面调节到正在进行的作用方式:启动、光线选择、惯于用左手的人或惯于用右手的人使用界面的调节、手或笔使用界面的调节等等，
[0116]-触摸信息例如可包括接触部位、表面上单动的或同时触摸的路径、单动的或反复的轻敲。它们例如可用于验证控制装置(按钮)，输入数据(写)，不断显示或快速变焦距显示等等，
[0117]-按压信息例如可包括在一个部位沿一个或多个路径的压力、单动式或反复的按压轻敲、以及施压时间。它们例如可用于执行定比控制指令(速度的调整、电流强度的调整)，锁定控制指令等等。有效区别接近和触摸(或轻触)的电容是用于需要一定安全级的应用的接口的基本要求。这样可适应指令必须先选择后生效以避免误动作的基本安全要求。
[0118]有利地，使用本发明的方法和装置，选择可无接触地进行，这样可获得很大的灵活性。接近的检测和分析也可用于使装置具有预期的或准备控制指令的电容，其也可以是一个安全系数。
[0119]用于医疗设备或车辆特别是汽车的接口尤其有这些安全要求，其中，本发明的装置和方法尤其非常适用。
[0120]显然，本发明的装置和方法不限于与安全性有关的应用。一般来说，作为非限制性实施例，可举出以下一些应用的可能性:
[0121]-一般三维控制装置、手势动作监控或控制装置的广泛应用，公知的例如有“三维触控板”、“三维手势动作监控器”、“三维浮动式视频显示器”；
[0122]-住宅自动化信息管理，例如灯光、空调、百叶窗、开门等等的控制装置；
[0123]-家用电器，用于电气装置例如洗衣机等的任何形式的控制和编程；
[0124]-便携式设备、电话、GPS等的用户接口；
[0125]-办公室自动化信息处理设备、计算机等的用户接口；
[0126]-手控电子游戏接口；
[0127]-—般运输工具的功能监控与操纵接口，包括军事领域和航空领域。
[0128]根据另一个实施例，本发明的装置可与其它无接触检测和/或识别器连接，以实现一个用户的多个检测部位的全部手势动作接口。例如，可以:
[0129]-借助于具有较大测量距离的电容式传感器或光学传感器或超声传感器确定使用者的位置，以便预配置本发明的手势动作接口。例如，可根据使用者的位置和数量，以不同的方式配置某些功能；
[0130]-例如使用摄像机和图像识别装置，识别使用者的动作和/或特征(性别、服装、身份、体态或所有其它特征等)，以使手势动作接口适合于其需求，或者对于出入监控应用来说，使之适合于其许可级别。因此，提出一种装有本发明的监控装置的多级手势动作接口，其特征在于，其还具有光学成像装置，例如三维摄像机。
[0131]有利地，光学成像装置可具有光学摄像机。
[0132]本发明也提出一种使用多级手势动作接口的方法，其特征在于，其还包括:
[0133]-用光学成像检测目标的步骤，其提供图像信息，以及
[0134]-该图像信息的处理步骤，以确定一个或多个控制指令。
[0135]根据另一个实施例，本发明的装置最好可连接于语音接口。因此，提出一种装有本发明的监控装置的手势动作和语音接口，其特征在于，其具有由声音执行的控制指令识别
目.ο
[0136]本发明也提出一种使用语音接口的方法，其特征在于，其还包括:
[0137]-语音识别步骤，以及
[0138]-该语音信息的处理步骤，以确定一个或多个控制指令。
[0139]根据另一个实施例，本发明的装置最好可连接于包括光学成像装置和语音识别装置的多级手势动作接口，以实施一种包括多种技术的整体虚接口。因此，例如可执行多级手势动作控制指令和语音控制指令。
[0140]因此，提出一种装有本发明的监控装置的电容式、光学和语音多级手势动作接口，其特征在于，其具有光学手势动作识别装置和声音执行的控制装置。
[0141 ]本发明也提出一种使用语音接口的方法，其特征在于，其还包括:
[0142]-用光学成像检测目标的步骤，其提供图像信息，以及
[0143]-该图像信息的处理步骤，以确定一个或多个控制指令，
[0144]-语音识别步骤，以及
[0145]-该语音信息的处理步骤，以确定一个或多个控制指令。
[0146]【附图说明】和实施方式
[0147]根据对非限制性实施例和实施方式以及附图的详细说明，本发明的其它优越性和特征将得到更好理解，附图如下:
[0148]图1是本发明的装置的总图；
[0149]图2示出与本发明的装置进行交互的方式；
[0150]图3示出目标和本发明的装置之间接触的检测方式；
[0151]图4示出测量电极集中以增大装置的作用范围的实施例；
[0152]图5示出本发明的装置的一种实施方式；
[0153]图6示出本发明的装置的另一种实施方式以及交互方式的实施例；
[0154]图7示出电子激励和处理装置的第一种实施方式；
[0155]图8示出电子激励和处理装置的第二种实施方式。
[0156]如图1所示，本发明的装置具有一组实施在一个双面挠性印刷电路1上的电容式传感器。测量电极2刻蚀在印刷电路1的端面之一上，而电路的第二端面承载保护外壳3。
[0157]每个电极2由一个连接电路6连接于电子激励和测量装置7。连接电路6刻蚀在与电极相同的印刷电路1的端面上。保护外壳3也连接于电子装置7，其为浮式，且由一个电连接线5参考该保护外壳的电位。根据装置的配置，电连接线5和6可包括同轴电缆。
[0158]—个例如用硅树脂制成的电介质材料板14布置在电极2的前面，以便与其工作表面进行接触。
[0159]如图2所示，当目标11例如手或手指接近装置时，就与电容式电极2形成电耦合。电极2及其相关的电子装置7、9测量其与该目标11之间建立的电容C，以便由下述关系式推断距离13:
[0160]C= εο.εΓ.S/D,
[0161]其中，εο是自由空间的电容率，er是要予以考虑的电介质材料14或空气在其存在的距离上的相对电容率，S是电极的面积，数量级例如为1至2平方厘米，以便在良好的条件下检测手指，D是待测量距离。
[0162]距离D或电容C的测量可确定:
[0163]-目标11在其接近时的距离(图2a)，
[0164]-目标11和检测表面4之间的物理接触，其相当于距离D基本 上等于具有公知特征的电介质材料厚度Dc的情况(图2b )，以及
[0165]-必要时，目标11在电介质材料14中的按压深度，其相当于距离D基本上小于厚度Dc的情况(图2c)，且其可根据压力或力量予以变换。
[0166]物理接触的检测对于例如控制指令的作用安全性具有特殊的优越性。这种检测由于电介质材料的存在而基本上得到改善。图3是分别在存在具有相对电容率er = 3和厚度Dc=5毫米的情况下(曲线C)与在不存在该材料的情况下(曲线Ca)，一个面积为2平方厘米的电极2测得的电容的变化的比较图。可以看出，在存在材料14的情况下(曲线C)，当目标11紧靠材料的表面时，测得的电容大为增大。
[0167]因此，接触可以以与具有高相对电容率的材料14同样大的灵敏度予以检测。这种检测最好可用测得的电容与一个或多个阈值比较来进行。
[0168]同样，当目标按下挠性电介质材料14时(图2c)，其位置可以以与材料的高相对电容率同样多大的灵敏度测得。有利地，这可在测量较小位移时，进行精确的压力测量。
[0169]本发明的装置的主要特征是可进行与电极相距数厘米乃至数分米以及紧靠电极的高精度测量。这种测量结果采用这样一种电子方法即可获得，其既可获得很大的灵敏度，又可获得对环境的电磁干扰的非常良好的抗扰性。此外，抗扰性问题在数字控制装置的环境中极为重要。
[0170]本发明中实施的电子装置基于文献FR2756048中述及的浮桥式测量方法。图7示出电子装置的第一种实施方式。电极2的电容由参考保护外壳3的电位34的一个电容计7相对于总地线10完全浮动地测得。保护外壳3和电极2由电路7以具有固定频率的交流电压激发，以便进行测量结果的同步解调。浮式电子装置7例如由一个直流/直流恒定电压换流器30供电。解调后的测量信号由一个差分放大器33输送到与总地线连接的电路9，以便能传输到计算装置。一个多路调制器31可相继访问电极2，而无效电极保持在保护外壳电位34。
[0171]图8示出电子装置的第二种实施方式。其与图7所示的实施方式的不同之处在于，所有电极2具有其固有的电子检测装置35，可同时加以判读。
[0172]根据【具体实施方式】，
[0173]-直流/直流换流器30可代之以一个不太昂贵的电源装置，其参考总地线10，且由“脉冲感应线圈”或“扼流线圈”连接于浮动电路7，
[0174]-输出差分放大器33可代之以光親合器或脉冲感应线圈。
[0175]使用的电子装置可测量约为0.001皮法(皮可法拉)的电容，直至数皮可法拉，精度约为0.001皮法。
[0176]采用测量与一个面积约2平方厘米的电极相距50毫米的手指的位置的实施例，可计算出测得的电容约为0.035皮法。在这些条件下，且在这个距离上，电子装置的灵敏度为
0.7皮法/米，位置测量精度小于10-3/0.7 = 1.4毫米。
[0177]当手指远离时，灵敏度快速下降，因为场力线在坡道上开始张开。实际上，围绕选择电极的保护外壳最多相当于全部检测面积。对于通常尺寸的接触器板来说(边长100至200毫米)，一个2平方厘米的电极的场力线张开的距离超过约50毫米。使用面积较大的接触器板，理论上可检测100毫米以上的手指，但是，侧向分辨率大为降低。
[0178]如果集中电极，例如获得2500平方毫米的电极面积，那么，手在300毫米以上非常易于检测到。在这个距离，测得的电容约为0.073皮法。
[0179]采用浮桥技术可获得这些性能，因为电子装置仅测量电极2和目标11之间的电容。在现有技术例如US6847354提出的装置中，保护外壳的测量和形成电路产生的寄生电容仍大于1皮法，这种寄生偏移(噪音源)的稳定度约为数十至数百毫微微法拉。
[0180]使用的浮桥技术利用以调幅和调幅波检波激励交流信号，因而可确保非常良好地抑制围绕和覆盖电极2的电介质材料14的阻抗变化。
[0181]此外，浮桥具有直接测量电极2和目标11之间的电容倒数的特点，从而可以以测量距离13获得线性比例信号。该优越性是主要的，因为在远距离，电容随距离的变化非常小(根据双曲线定律)，电子装置和信号数值化装置的自然偏差比待测量电容还要大。
[0182]如图4所示，电容式电极可用电子方法，例如用多路调制器31集中，以构成能够以较大距离检测目标的大面积电极。在图4所示的实施例中，电极44是电极40、41、42、43集中而成。例如，当装置未检测到接近的目标时，其处于远距离检测方式(图4a)。当目标接近各电极的测量范围时，装置转换到最具侧向分辨力的方式(图4b)，以检测目标的细部。显然，重新配置会比较复杂，局部取决于不同区域的检测。
[0183]根据具体的实施方式，本发明的装置可具有与布置在一个连续表面上的一个方矩阵大不相同的电极装置。
[0184]例如，如图5所示，电极布置在电介质材料14之下，其检测表面4模仿机电开关例如旋钮20和按钮21的形状。“似按钮”配有电极2，可先检测使用者的接近后检测其动作。
[0185]图6示出由电容式电极构成的界面，电容式电极布置在用挠性电介质材料制成的半球形检测表面之下。这种界面例如易于通过任意侧面检测接近的手，右手或左手或几只手(图6a)，以判断一个手指(图6b)或几个手指(图6c)执行的控制指令。
[0186]根据具体的实施方式，电容式电极和保护外壳可用透明的导电材料例如掺锡氧化铟实施，以使装置基本上透明，且能例如安装在显示器上。
[0187]显然，本发明不局限于所述的实施例，许多结构方案可提供给这些实施例，而这不超出本发明的范围。
【主权项】
1.控制接口装置，其对身体或目标的运动或动作敏感，包括: -检测表面(4)， -至少一个电容式传感器，每个所述传感器都具有测量电极(2)，所述测量电极(2)具有朝向检测表面(4)的或基本上与所述检测表面重合的工作表面， -用导电材料制成的保护外壳(3)，其至少沿其基本上与工作表面相对的端面布置在测量电极(2)附近，所述保护外壳(3)以基本上与测量电极(2)的交流电势相同的交流电势进行激励， -电子装置(7，9，12)，其用于激励测量电极(2)，处理所述电容式传感器的信号，以提供电极(2)的工作表面和所述目标(11)之间的距离信息(13)， 其特征在于: -测量电极(2)的工作表面彼此独立，以及 -电子激励和处理装置(7，9，12)还用于彼此独立地访问所述测量电极。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电子激励和处理装置(7，9，12)的测量范围可同时: -检测和识别身体或目标(11)相对于测量电极(2)的工作表面的相对运动，以及 -检测所述身体或所述目标与检测表面(4)的接触。3.根据权利要求1和2之一所述的装置，其特征在于，电子激励和处理装置至少一部分(7)参考保护外壳的电位。4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，电子激励和处理装置(7，9)具有监控器(31)，其可相继读取电容式传感器产生的测量信号，不处于监控中的电极参考保护外壳(3)的电位。5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，电子激励和处理装置具有可使测量电极(40，41，42，43)在电学上集中的装置，以使所述集中的电极构成一个特定的测量电极(44)。6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，其还具有布置在测量电极(2)的工作表面一侧的电介质材料(14)，所述电介质材料的相对于电极的表面构成检测表面⑷。7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，电介质材料(14)布置成基本上与电极(2)的工作表面接触。8.根据权利要求5和6之一所述的装置，其特征在于，电介质材料(14)具有挠性材料，其可使检测表面(4)通过材料在按压力的作用下局部变薄，基本上朝测量电极的方向变形。9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，电介质材料(14)具有基本上呈刚性的板，其适于在按压力的作用下，沿着视所述按压力的作用点而定的倾斜度，向测量电极移动。10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，检测表面(4)具有使控制装置(20，21)有形化的凸起形状。
【专利摘要】本发明涉及控制接口装置和方法，尤其是手势动作和/或触控和/或语音控制接口装置和方法，其在检测空间中对身体或目标的至少一部分的运动或动作敏感，其具有检测表面、至少一个电容式传感器，所述装置具有测量电极、用导电材料制成的布置在测量电极附近的保护外壳、用于处理所述电容式传感器产生的信号的电子装置。测量电极的工作表面彼此独立，电子激励和处理装置彼此独立地访问这些测量电极。
【IPC分类】G06F3/044, G06F3/041, G06F3/0488, G06F3/042, G06F3/16
【公开号】CN105487733
【申请号】CN201510863213
【发明人】迪迪埃·罗兹埃尔
【申请人】快步科技有限责任公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2010年8月6日
【公告号】CN102576270A, CN102576270B, EP2462498A1, EP2849040A1, US8917256, US20120188200, US20140347321, WO2011015794A1
【专利说明】对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备
[0001 ] 本申请是申请号为201080044713.8、PCT国际申请日为2010年8月6日、发明名称为“对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置和方法以及装有该装置的控制设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及对身体或目标的运动或动作或声音敏感的控制接口装置，尤其是可与语音控制相结合的手势动作和/或触控控制接口装置。本发明也涉及该装置中使用的控制接口方法以及使用这种装置的控制设备。
[0003]发明领域尤其但非限制性地是手势动作和/或触控以及可能的语音人机接口领域，其可实时判断身体、手、手指或目标的远距离运动或动作直至接触，这些运动或动作与语音请求结合或不结合，以执行一个或多个控制指令。
【背景技术】
[0004]相对于使用者作用于机械传感器例如键盘按键或转换器的接口来说，人机接口称为虚接口，即手势动作和/或触控及语音接口，涉及到手势动作接口和工作表面时，往往是三维摄像机，涉及到触控接口时，常常是透明的，集成在显示器上。这些触控接口以“触控屏”广泛用于多种工业应用和大众应用，例如用于智能电话、住宅自动化信息管理或游戏接
□ ο
[0005]显示器例如可显示键盘或软件接口，其图像随着对使用者的动作的反应而变化，一般包括手指或笔在显示器的表面上的位移、轻轻敲击或持久接触，以执行控制指令。近来研发出手势动作接口，以适应通信信息技术与娱乐相结合的数字产品的越来越大的复杂性。这些接口往往基于三维摄像机和图像处理，能够远距离地直至在5米处判断身体或手的动作，与显示器相互作用。
[0006]在虚拟控制装置中，也必须引用可执行声音请求的语音控制装置。在现行的触控技术中，常常使用电容技术，因为:
[0007]-其不必对显示器的表面施加机械作用，例如与电阻技术相反，
[0008]-其非常容易由直接集成于其表面的传感器网络形成显示器表面的点阵结构，这比采用例如需要高于检测表面的收发机天线阵的光学技术获得更为紧凑和坚固的集成化。
[0009]在虚接口方面，不断地在研究接近检测功能，其可形成无需任何接触的新的交互方式。因此，传感器必须能够完全精确地、具有足够分辨力地检测位移或数厘米的形状，以便可转换为控制指令。
[0010]如果在涉及到精确地检测远距离动作(超过40厘米)时光学技术难以回避，那么，电容技术被证实非常适用于无接近接触的接口，尤其是因为传感器系统可集成于非平面工作表面，例如显示器，没有死区或无需外部装置(摄像机)。
[0011]在电容式触控接口中，最常用的技术一般基于电荷移动原理。其可获得皮可法拉数量级的灵敏度，但不适用于制造手势动作接口。实际上，其灵敏度不能检测手指的接近，因为产生的电容不超过百分之几皮可法拉。这种传感器中和电子装置中存在的寄生电容完全影响到灵敏度的提高。
[0012]此外，这些技术对电磁干扰、寄生电荷和覆盖电极的电介质的导电性非常灵敏。当空气的相对湿度大于60%时，大部分电介质变得略具导电性，电子装置产生的电荷被改变，从而干扰电容式测量。
[0013]在用于制造非触控电容式接口的技术解决方案中，公知的是采用一种似保护外壳(pseudogarde)，可使传感器和电子装置中的寄生电容大为减少。但是，这些技术在灵敏度上至多仅可获得一个数量级，这可检测到手指存在于仅数毫米的传感器敏感表面。
[0014]关于电容式手势动作接口，公知地，Vranish的文献US6847354提出使用带有有效保护外壳的电容式传感器。这种有效保护外壳用一个增益等于1的放大器形成，其在保护外壳中产生其幅值与测量电极的幅值相同的电压。
[0015]这种方法的缺陷在于电子装置由于物理原理而产生寄生电容，其相当于用于形成也称为似保护外壳的有效保护外壳的放大器的输入电容与用于激励测量电极的电路的输入电容之和。这些寄生电容易于达到皮可法拉，再加于待测量电容，其仅可表示该总数值的百分之一。
[0016]此外，电容的测量不是直接的，因为Vranish的电子装置通过一个基准电阻测定其电流，获得待测量电容的图像。该电阻产生电流的寄生相位移，其使表示待测量电容的信号的检测或解调质量大为下降。另一个缺陷是不同电极之间的串音电平。实际上，每个电极用一个运算放大器激励，所述运算放大器的增益大体上是单一的。不同放大器之间的较小增益偏差导致很大的附加寄生电容。
[0017]这些缺陷不能用每个传感器检测和辨认数厘米乃至数十厘米的目标例如手指或手的位置。
[0018]此外，用于制造手势动作接口的电容技术的研发往往是为了集成于显示器或至少基本上呈平面的表面。传感器的结构是矩阵，如US6847354中所述，且由沿栅格X-Y布置的电极结构加接口。这些技术难以使形状比较复杂的表面仪表化。
[0019]特别是，其难以适用于虚拟控制装置或不是基于装备仪器的平面而是基于其它类型的几何形状，包括例如模拟按键、按钮或适应使用者的凹槽、隆起、波纹，其中，传感器可根据不同的几何形状布置，有时布置在很厚的电介质材料之下，有时必须能够彼此独立地布置和控制。
[0020]公知地，Rozigre的文献FR2884349提出一种基于电容式传感器的系统，其只有一个测量电极。所述装置可借助于一个浮桥式电子装置用每个电极检测超过10厘米的目标。电极的测量结果由一个监控系统按顺序判读。
[0021]但是，用于装备活动器具壁的该装置专用于覆盖防碰撞应用范围，不包括手势动作接口的应用。
[0022]尽管手势动作接口具有很大的重要性，但是，鉴于心理上和安全上的原因，触摸仍然使用非常多，能够远距离检测动作的虚接口方面同样如此。实际上，一方面，触觉有助于使用者感到舒适，另一方面，触摸可在安全很重要的使用领域(医疗设备、车辆)验证有效指令。
[0023]本发明旨在提出一种手势动作接口和一种手势动作与触控接口，其由用于监控动作和掌握控制指令的装置和方法组成，其结构紧凑，可纳入多种多样的环境，完全可以:
[0024]-通过无接触位移的精确测量，预测动作，以及
[0025]-通过检测一个表面上的身体动作，安全可靠地验证指令。
【发明内容】
[0026]采用对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口装置，即可达到该目的，其具有:
[0027]-检测表面，
[0028]-至少一个电容式传感器，所述传感器每个都具有测量电极，其具有朝向检测表面的或基本上与所述检测表面重合的工作表面，
[0029]-用导电材料制成的保护外壳，其至少沿其基本上与工作表面相对的端面布置在测量电极附近，所述保护外壳以基本上与测量电极的交流电位相同的交流电位进行激励，
[0030]-电子装置，其用于激励测量电极，处理所述电容式传感器的信号，以提供电极工作表面和所述目标之间的距离信息。
[0031]根据本发明，
[0032]-测量电极的工作表面彼此独立，以及
[0033]-电子激励和处理装置还用于彼此独立地访问所述测量电极。
[0034]有利地，电子激励和处理装置的测量范围可同时:
[0035]-检测和识别身体或目标相对于测量电极的工作表面的相对运动，以及
[0036]-检测所述身体或所述目标与检测表面的接触。
[0037]检测空间限定为电容式传感器适于检测目标和测量距离的空间部分。
[0038]可用本发明的装置检测的目标是可用电容方式检测的目标，即基本上是导电的，且适于接地。这些目标不必通过电连接接地，而是可通过电容耦合自然接地。作为非限制性实施例，可以是带电体、手、手指或用导电材料制成的手持笔。
[0039]本发明的装置可不时地测量身体或目标的表面相对于电容式传感器的位置的形状。因此，目标或身体的运动或动作的检测非限制性地可包括其在所述空间中的位置、其路线、以及例如用于识别的其形状的分析。
[0040]有利地，电子激励和处理装置可至少一部分参考保护外壳的电位。
[0041]电子装置的这种浮桥式结构可消除寄生电容。因此，每个传感器测得的电容是在涉及的目标和电极之间直接产生的电容。所述装置的灵敏度处于最佳状态，可进行远距离测量，分辨率非常高。此外，电容式传感器和相关的电子装置可最佳地获得测量范围，或动态地获得很大的测量范围。实际上，每个电极测量的电容范围可从不到千分之一皮可法拉扩大到数皮可法拉，或者是大于1000的动态电容范围。这种动态特性可基本上以与电极尺寸有关的相同的分辨率检测远距离目标例如距离5厘米以上的手指的存在或位置、以及该手指例如对覆盖测量电极的电介质的接触和压力。这样，本发明的装置可同时通过识别接近的目标或其接近方式预测动作，且通过检测接触情况验证控制指令。
[0042]根据本发明的装置的另一个有利的实施例，每个电容式传感器仅具有一个测量电极，其独立于其它传感器的电极。因此，可根据变化非常大的几何尺寸和形状布置电极。电极的这种独立性是本发明的装置的一个特别有利的实施例，用于制造基于任意形状结构的手势动作接口，在这方面，其不同于现 有技术中的手势动作接口，现有技术中的手势动作接口基于布置在平面或显示器上的传感器的矩阵结构。
[0043]根据特殊的实施方式，电子激励和处理装置可具有监控器，其可按顺序判读电容式传感器产生的测量信号。有利地，不处于监控中的电极可参考保护外壳的电位。
[0044]在该实施方式中，电极相继被选择，以限制部件数量和能量消耗。与保护外壳的电位相连接，不处于监控中的电极可最大限度地减小测量电极的静电边缘效应。
[0045]根据需要更多部件的其它实施方式，每个电极可连接于一个电子电路，例如一个电荷放大器。这些电子电路参考浮动电位，因而参考保护外壳的电位，这样可保持有利的特性，每个电极视为其相邻电极的一个保护外壳。该解决方案可提高测量速度，因为电容或距离可在所有电极上同时测得。
[0046]显然，可实施其它的电极监控方式，例如分组判读。
[0047]根据特殊的实施方式，电子激励和处理装置可具有使测量电极在电学上集中的装置，以使所述集中的电极构成一个特定的测量电极。
[0048]因此，可形成上表面电极，增大测量范围，检测距离更大的目标。显然，电极的分组配置可用电子方法进行，由计算装置控制。测量电极例如可在目标远离接触器板时集中，以赋予测量范围，而在目标接近电极时分开，以便于提高目标的三维位置的空间分辨率和精确度。
[0049]有利地，
[0050]-电极表面可被计算，以使得每个电容式传感器能测量电极的工作表面和手指之间的距离，直至至少3厘米的距离，或者根据应用情况，为5厘米；
[0051]-测量电极可在挠性印刷电路类型的载体上进行测量。因此，其可根据普通电子电路的制造技术予以实施，且根据表面或不一定呈平面的多组表面进行布置，
[0052]-测量电极也可实施在刚性印刷电路类型的载体上，
[0053]-参考保护外壳的电位的电子激励和处理装置可固定在与电极相同的载体上。
[0054]电子装置的一部分参考保护外壳的电位，有利地，可使之布置在电极附近，没有干扰其工作的危险，从而改善装置的集成化条件。实际上，如果这些电路例如参考外部地电位(接近目标或手指的电位)，那么，电极的场力线被这些电路快速吸收，装置的接触面不能进行无接触检测。这是在许多现有技术的装置中遇到的一个主要问题。
[0055]有利地，电子装置连接于保护外壳的部分可利用外部系统的基准机体与这些外部系统连通。电容式电子装置和外部系统之间的连接和分离，例如可用光耦合器或脉冲感应线圈。参考保护外壳的浮动部分的供电用一个直流-直流变换器或脉冲感应线圈进行。
[0056]根据本发明的另一个实施例，所述装置还具有布置在测量电极的工作表面一侧的电介质材料。在这种情况下，与电极相对的所述电介质材料的表面构成检测表面。
[0057]有利地，
[0058]-电介质材料可布置成基本上与电极的工作表面接触，
[0059]-电介质材料可具有挠性材料，其可使检测表面通过材料在按压力的作用下局部变薄，基本上朝测量电极方向变形。
[0060]有利地，使用挠性材料，可通过测量目标在静止检测表面的位置以内的位移，检测对表面施加的压力。
[0061]根据另一实施方式，电介质材料可具有一个基本上呈刚性的板，其适于在按压力的作用下，根据视所述按压力的作用点而定的倾斜度，向测量电极移动。
[0062]所述板可在其至少一部分表面上配有以电容方式进行检测的电极，以便能用合理布置的电容式电极测量位移或变形。该板例如可以是一个键盘，承受目标或手指的压力。用至少两个电容式电极面对所述板的电极布置，测量至这些电极的距离，可测量键盘的倾斜度，计算出手指按压的大概区域。
[0063]根据另一种配置，一个组件例如一个键盘具有覆盖第一测量电极的电介质板，可适于在压力的作用下总体上向第二测量电极移动，其测量该压力。
[0064]有利地，这些第二电极可对小位移具有最佳灵敏度。
[0065]有利地，
[0066]-电介质材料可选择成触摸起来具有舒适的质地，
[0067]-检测表面可具有使控制装置有形化的凸起形状。
[0068]检测表面可为平面，也可以按照美观要求、尤其是符合人体特点的设计，是可进行最佳集成化的任意形状。非限制性地，例如，其可为球形或半球形，模仿计算机鼠标或医疗器械的控制板的一部分。
[0069]本发明的装置可根据多种多样的配置，例如安装于残疾人的座椅的扶手，或安装于车辆的仪表板。特别是，例如为可靠起见，其可代之以机电控制按钮。
[0070]为了不失去通用性，可使检测表面类似于控制面板。优选地，测量电极彼此并置，以避免在接触器板上目标检测不到的死区。也可故意形成死区，其中，电极代之以一个保护外壳或一个机体，这样可使相邻电极的场力线偏移，以缩小接触面或使之改变。
[0071]为了获得侧向分辨率和目标检测范围之间的良好折衷方案，选择的电极尺寸最好基本上与目标的尺寸为相同的数量级。例如，为使手指的检测最佳化，选择的电极表面最好约为1平方厘米至2平方厘米。
[0072]电极的形状可根据所需的检测特征加以调节，在同一个装置中可存在多种形状的电极。例如，可在控制面板的边缘上布置特殊形状电极，例如矩形电极，以检测手指或手接近的任意一侧。例如，这可使装置根据人接触所述接触器板的侧面选择其认可的动作。
[0073]非限制性地，作为输出数据，本发明的装置可提供相似的测量信号、或者数字信号，或者直接提供电极与目标的分开距离，或者例如直接提供三维位置、目标的动作分析、目标或控制指令的识别。
[0074]对于三维检测来说，装置的每个电极可视为一个像素，物理空间分辨率由电极表面加以限制。该空间分辨率借助于插值法数值计算方法基本上可得到提高。一种方法例如在于计算电极组件所“观察到”的目标的重心。该理论中心成为可在显示器上观测到的一个有效点。例如，这可用目标例如手指或手在显示器的小表面上写、画或精确地施加作用。
[0075]三维检测也可作为电容式摄像机使用所述装置。实际上，所述系统可实时测量分开每个电极与检验目标的绝对距离，使用足够数量的电极，可使该目标成像或识别该目标。
[0076]本发明的装置还涉及检测目标(或手指)与检测表面(或控制面板)的接触，完全可靠地确保所需工作的安全性。为此，由于例如通过校验已知检测表面的位置，因此当检测到目标所处的距离相当于检测表面的距离时，直接根据目标的距离测量，可确定接触情况。
[0077]根据一有利的实施方式，其中，检测表面由与电极表面进行接触的电介质材料构成，可根据目标和电极之间的电容分析，更有把握地检测接触情况。实际上，当例如手指与电介质的表面相接触时，在手指和电极之间的电力线的径迹上基本上没有多少空气。不过，电介质材料的电容率大于空气的电容率，例如数量级为^ = 3。因此，与存在薄气层的情况相比较，当手指与表面接触时，手指和电极之间的电容基本上较高，这样可更有把握地检测接触情况。
[0078]在本发明的装置中，电极也可不覆以电介质材料。在这种情况下，目标和电极之间的接触可检测到，因为电极在接触时参考目标的地电位。有利地，测量目标例如手指在覆盖电极的基本上呈挠性或柔软的电介质材料上的按压深度，即可测得压力。测得的距离基本上与手指在电介质材料上的按压深度成比例。此外，与电容的倒数也基本上成比例的测得的距离的变化乘以覆盖电极的电介质的相对电容率er，这样，一旦手指或目标与电介质之间出现接触，就提高距离测量的灵敏度。
[0079]测量压力的另一个解决方案在于测量在增大施加的压力时由目标例如手指与较具刚性的电介质材料的表面接触的支承面增大引起的电容增大。
[0080]因此，本发明可无接触地、以数厘米乃至数分米的距离，检测手指或目标在空间的位置，检测手指或目标在检测表面例如控制面板或例如键盘上的接触，也可检测手指或目标对该表面施加的压力。测量可通过任意的电介质材料进行。这些特征可形成非常先进、美观和符合人体特点的监控接口，可使独特的控制装置进行组合。
[0081]例如，非限制性地，可识别手指动作特征，确定手到达的工作表面的侧面，以监控位于界面前的不同人员的合法或不合法的动作，验证手指对键盘的轻触或压力产生的主要控制指令。
[0082]显然，本发明的装置的使用不限于仅检测一个手指，而可检测多个手指同时或不同时施加的动作所产生的控制指令。
[0083]本发明的装置可通过厚达数毫米乃至数厘米的任何类型的电介质检测手指的位置。这个优越性可使用无限的形状、花纹、颜色和触摸感设计控制装置，使之使用起来更舒适。例如，可使用高质量的材料，例如木料、皮革、陶瓷，或者任何类型的刚性或挠性聚合物，例如硅树脂。特别是，柔软材料如硅树脂可具有更舒适的触摸感。
[0084]有利地，为卫生或尤其是美观起见，电介质可易于更换。这种电介质可以是适于清洗或消毒的材料，这使本发明的装置特别适于在卫生很重要的环境中使用接口。
[0085]非限制性地，本发明也可使用在下述设备上:
[0086]-确保人机接口功能的控制设备，其装有本发明的检测运动或动作的电容装置，
[0087]-用于安装于车辆的控制设备，其具有本发明的检测运动或动作的电容装置，
[0088]- 壁式传感结构，其装有本发明的监控装置。
[0089]根据另一个实施例，其提出一种对身体或目标的运动或动作敏感的控制接口方法，其使用本发明的装置，其包括:
[0090]-在至少一个电容式传感器中激励一个或多个测量电极，所述测量电极:(i)具有一个工作表面，其朝向一个检测表面，或基本上与所述检测表面重合；(ii)配有一个用导电材料制成的保护外壳，其至少沿着其基本上相对于工作表面的端面布置在测量电极附近，
[0091]-以基本上与测量电极的交流电势相同的交流电势激励所述保护外壳，
[0092]-处理所述电容式传感器产生的信号，以提供电极的工作表面和所述目标之间的距离信息，
[0093]其特征在于，测量电极具有独立的工作表面，彼此独立地被访问。
[0094]在一个特殊实施例中，本发明的方法包括测量目标和检测表面之间的至少一个距离，处理所述距离测量结果，以提供接近信息，其特征在于，其还包括:
[0095]-测量目标和检测表面之间的接触，以及
[0096]-处理所述接触测量结果，以提供触摸信息。
[0097]显然，所述接触可为表面轻触。
[0098]根据有利的实施例，
[0099]-目标和检测表面之间接触的检测可包括测得的电容与至少一个阈值进行比较，
[0100]-距离测量结果的处理可包括至少根据距离测量结果检测所获得的目标在空间中的位置，且对电容式传感器的布置情况进行识别，以及
[0101]-接触测量结果的处理可包括已经检测目标和检测表面之间接触的电容式传感器的识别。
[0102]本发明的方法还可包括:
[0103]-测量检测表面在目标的作用下的位移，
[0104]-处理所述位移测量结果，以提供按压信息。
[0105]有利地，
[0106]-本发明的方法还可包括控制指令确定步骤，所述控制指令至少由接近信息、触摸信息和按压信息中至少任一种信息加以调节，
[0107]-由触摸信息和按压信息中任一种信息确定的至少一种控制指令可由接近信息调T ,
[0108]-至少一种控制指令可由接近信息、触摸信息和按压信息中至少任一种信息的短暂变化加以调节。
[0109]因此，本发明的方法可产生直至三个信息信号电平的控制指令:
[0110]-接近信息，
[0111]-触摸信息，
[0112]-按压信息。
[0113]显然，三个信息信号电平可同时出现和处理，这些信息可包括测量结果或其全部数据的短暂变化。
[0114]非限制性地，
[0115]-接近信息例如可包括距离、径迹、一个或多个目标根据其形状的识别。它们例如可用于将界面调节到正在进行的作用方式:启动、光线选择、惯于用左手的人或惯于用右手的人使用界面的调节、手或笔使用界面的调节等等，
[0116]-触摸信息例如可包括接触部位、表面上单动的或同时触摸的路径、单动的或反复的轻敲。它们例如可用于验证控制装置(按钮)，输入数据(写)，不断显示或快速变焦距显示等等，
[0117]-按压信息例如可包括在一个部位沿一个或多个路径的压力、单动式或反复的按压轻敲、以及施压时间。它们例如可用于执行定比控制指令(速度的调整、电流强度的调整)，锁定控制指令等等。有效区别接近和触摸(或轻触)的电容是用于需要一定安全级的应用的接口的基本要求。这样可适应指令必须先选择后生效以避免误动作的基本安全要求。
[0118]有利地，使用本发明的方法和装置，选择可无接触地进行，这样可获得很大的灵活性。接近的检测和分析也可用于使装置具有预期的或准备控制指令的电容，其也可以是一个安全系数。
[0119]用于医疗设备或车辆特别是汽车的接口尤其有这些安全要求，其中，本发明的装置和方法尤其非常适用。
[0120]显然，本发明的装置和方法不限于与安全性有关的应用。一般来说，作为非限制性实施例，可举出以下一些应用的可能性:
[0121]-一般三维控制装置、手势动作监控或控制装置的广泛应用，公知的例如有“三维触控板”、“三维手势动作监控器”、“三维浮动式视频显示器”；
[0122]-住宅自动化信息管理，例如灯光、空调、百叶窗、开门等等的控制装置；
[0123]-家用电器，用于电气装置例如洗衣机等的任何形式的控制和编程；
[0124]-便携式设备、电话、GPS等的用户接口；
[0125]-办公室自动化信息处理设备、计算机等的用户接口；
[0126]-手控电子游戏接口；
[0127]-—般运输工具的功能监控与操纵接口，包括军事领域和航空领域。
[0128]根据另一个实施例，本发明的装置可与其它无接触检测和/或识别器连接，以实现一个用户的多个检测部位的全部手势动作接口。例如，可以:
[0129]-借助于具有较大测量距离的电容式传感器或光学传感器或超声传感器确定使用者的位置，以便预配置本发明的手势动作接口。例如，可根据使用者的位置和数量，以不同的方式配置某些功能；
[0130]-例如使用摄像机和图像识别装置，识别使用者的动作和/或特征(性别、服装、身份、体态或所有其它特征等)，以使手势动作接口适合于其需求，或者对于出入监控应用来说，使之适合于其许可级别。因此，提出一种装有本发明的监控装置的多级手势动作接口，其特征在于，其还具有光学成像装置，例如三维摄像机。
[0131]有利地，光学成像装置可具有光学摄像机。
[0132]本发明也提出一种使用多级手势动作接口的方法，其特征在于，其还包括:
[0133]-用光学成像检测目标的步骤，其提供图像信息，以及
[0134]-该图像信息的处理步骤，以确定一个或多个控制指令。
[0135]根据另一个实施例，本发明的装置最好可连接于语音接口。因此，提出一种装有本发明的监控装置的手势动作和语音接口，其特征在于，其具有由声音执行的控制指令识别
目.ο
[0136]本发明也提出一种使用语音接口的方法，其特征在于，其还包括:
[0137]-语音识别步骤，以及
[0138]-该语音信息的处理步骤，以确定一个或多个控制指令。
[0139]根据另一个实施例，本发明的装置最好可连接于包括光学成像装置和语音识别装置的多级手势动作接口，以实施一种包括多种技术的整体虚接口。因此，例如可执行多级手势动作控制指令和语音控制指令。
[0140]因此，提出一种装有本发明的监控装置的电容式、光学和语音多级手势动作接口，其特征在于，其具有光学手势动作识别装置和声音执行的控制装置。
[0141 ]本发明也提出一种使用语音接口的方法，其特征在于，其还包括:
[0142]-用光学成像检测目标的步骤，其提供图像信息，以及
[0143]-该图像信息的处理步骤，以确定一个或多个控制指令，
[0144]-语音识别步骤，以及
[0145]-该语音信息的处理步骤，以确定一个或多个控制指令。
[0146]【附图说明】和实施方式
[0147]根据对非限制性实施例和实施方式以及附图的详细说明，本发明的其它优越性和特征将得到更好理解，附图如下:
[0148]图1是本发明的装置的总图；
[0149]图2示出与本发明的装置进行交互的方式；
[0150]图3示出目标和本发明的装置之间接触的检测方式；
[0151]图4示出测量电极集中以增大装置的作用范围的实施例；
[0152]图5示出本发明的装置的一种实施方式；
[0153]图6示出本发明的装置的另一种实施方式以及交互方式的实施例；
[0154]图7示出电子激励和处理装置的第一种实施方式；
[0155]图8示出电子激励和处理装置的第二种实施方式。
[0156]如图1所示，本发明的装置具有一组实施在一个双面挠性印刷电路1上的电容式传感器。测量电极2刻蚀在印刷电路1的端面之一上，而电路的第二端面承载保护外壳3。
[0157]每个电极2由一个连接电路6连接于电子激励和测量装置7。连接电路6刻蚀在与电极相同的印刷电路1的端面上。保护外壳3也连接于电子装置7，其为浮式，且由一个电连接线5参考该保护外壳的电位。根据装置的配置，电连接线5和6可包括同轴电缆。
[0158]—个例如用硅树脂制成的电介质材料板14布置在电极2的前面，以便与其工作表面进行接触。
[0159]如图2所示，当目标11例如手或手指接近装置时，就与电容式电极2形成电耦合。电极2及其相关的电子装置7、9测量其与该目标11之间建立的电容C，以便由下述关系式推断距离13:
[0160]C= εο.εΓ.S/D,
[0161]其中，εο是自由空间的电容率，er是要予以考虑的电介质材料14或空气在其存在的距离上的相对电容率，S是电极的面积，数量级例如为1至2平方厘米，以便在良好的条件下检测手指，D是待测量距离。
[0162]距离D或电容C的测量可确定:
[0163]-目标11在其接近时的距离(图2a)，
[0164]-目标11和检测表面4之间的物理接触，其相当于距离D基本 上等于具有公知特征的电介质材料厚度Dc的情况(图2b )，以及
[0165]-必要时，目标11在电介质材料14中的按压深度，其相当于距离D基本上小于厚度Dc的情况(图2c)，且其可根据压力或力量予以变换。
[0166]物理接触的检测对于例如控制指令的作用安全性具有特殊的优越性。这种检测由于电介质材料的存在而基本上得到改善。图3是分别在存在具有相对电容率er = 3和厚度Dc=5毫米的情况下(曲线C)与在不存在该材料的情况下(曲线Ca)，一个面积为2平方厘米的电极2测得的电容的变化的比较图。可以看出，在存在材料14的情况下(曲线C)，当目标11紧靠材料的表面时，测得的电容大为增大。
[0167]因此，接触可以以与具有高相对电容率的材料14同样大的灵敏度予以检测。这种检测最好可用测得的电容与一个或多个阈值比较来进行。
[0168]同样，当目标按下挠性电介质材料14时(图2c)，其位置可以以与材料的高相对电容率同样多大的灵敏度测得。有利地，这可在测量较小位移时，进行精确的压力测量。
[0169]本发明的装置的主要特征是可进行与电极相距数厘米乃至数分米以及紧靠电极的高精度测量。这种测量结果采用这样一种电子方法即可获得，其既可获得很大的灵敏度，又可获得对环境的电磁干扰的非常良好的抗扰性。此外，抗扰性问题在数字控制装置的环境中极为重要。
[0170]本发明中实施的电子装置基于文献FR2756048中述及的浮桥式测量方法。图7示出电子装置的第一种实施方式。电极2的电容由参考保护外壳3的电位34的一个电容计7相对于总地线10完全浮动地测得。保护外壳3和电极2由电路7以具有固定频率的交流电压激发，以便进行测量结果的同步解调。浮式电子装置7例如由一个直流/直流恒定电压换流器30供电。解调后的测量信号由一个差分放大器33输送到与总地线连接的电路9，以便能传输到计算装置。一个多路调制器31可相继访问电极2，而无效电极保持在保护外壳电位34。
[0171]图8示出电子装置的第二种实施方式。其与图7所示的实施方式的不同之处在于，所有电极2具有其固有的电子检测装置35，可同时加以判读。
[0172]根据【具体实施方式】，
[0173]-直流/直流换流器30可代之以一个不太昂贵的电源装置，其参考总地线10，且由“脉冲感应线圈”或“扼流线圈”连接于浮动电路7，
[0174]-输出差分放大器33可代之以光親合器或脉冲感应线圈。
[0175]使用的电子装置可测量约为0.001皮法(皮可法拉)的电容，直至数皮可法拉，精度约为0.001皮法。
[0176]采用测量与一个面积约2平方厘米的电极相距50毫米的手指的位置的实施例，可计算出测得的电容约为0.035皮法。在这些条件下，且在这个距离上，电子装置的灵敏度为
0.7皮法/米，位置测量精度小于10-3/0.7 = 1.4毫米。
[0177]当手指远离时，灵敏度快速下降，因为场力线在坡道上开始张开。实际上，围绕选择电极的保护外壳最多相当于全部检测面积。对于通常尺寸的接触器板来说(边长100至200毫米)，一个2平方厘米的电极的场力线张开的距离超过约50毫米。使用面积较大的接触器板，理论上可检测100毫米以上的手指，但是，侧向分辨率大为降低。
[0178]如果集中电极，例如获得2500平方毫米的电极面积，那么，手在300毫米以上非常易于检测到。在这个距离，测得的电容约为0.073皮法。
[0179]采用浮桥技术可获得这些性能，因为电子装置仅测量电极2和目标11之间的电容。在现有技术例如US6847354提出的装置中，保护外壳的测量和形成电路产生的寄生电容仍大于1皮法，这种寄生偏移(噪音源)的稳定度约为数十至数百毫微微法拉。
[0180]使用的浮桥技术利用以调幅和调幅波检波激励交流信号，因而可确保非常良好地抑制围绕和覆盖电极2的电介质材料14的阻抗变化。
[0181]此外，浮桥具有直接测量电极2和目标11之间的电容倒数的特点，从而可以以测量距离13获得线性比例信号。该优越性是主要的，因为在远距离，电容随距离的变化非常小(根据双曲线定律)，电子装置和信号数值化装置的自然偏差比待测量电容还要大。
[0182]如图4所示，电容式电极可用电子方法，例如用多路调制器31集中，以构成能够以较大距离检测目标的大面积电极。在图4所示的实施例中，电极44是电极40、41、42、43集中而成。例如，当装置未检测到接近的目标时，其处于远距离检测方式(图4a)。当目标接近各电极的测量范围时，装置转换到最具侧向分辨力的方式(图4b)，以检测目标的细部。显然，重新配置会比较复杂，局部取决于不同区域的检测。
[0183]根据具体的实施方式，本发明的装置可具有与布置在一个连续表面上的一个方矩阵大不相同的电极装置。
[0184]例如，如图5所示，电极布置在电介质材料14之下，其检测表面4模仿机电开关例如旋钮20和按钮21的形状。“似按钮”配有电极2，可先检测使用者的接近后检测其动作。
[0185]图6示出由电容式电极构成的界面，电容式电极布置在用挠性电介质材料制成的半球形检测表面之下。这种界面例如易于通过任意侧面检测接近的手，右手或左手或几只手(图6a)，以判断一个手指(图6b)或几个手指(图6c)执行的控制指令。
[0186]根据具体的实施方式，电容式电极和保护外壳可用透明的导电材料例如掺锡氧化铟实施，以使装置基本上透明，且能例如安装在显示器上。
[0187]显然，本发明不局限于所述的实施例，许多结构方案可提供给这些实施例，而这不超出本发明的范围。
【主权项】
1.控制接口装置，其对身体或目标的运动或动作敏感，包括: -检测表面(4)， -至少一个电容式传感器，每个所述传感器都具有测量电极(2)，所述测量电极(2)具有朝向检测表面(4)的或基本上与所述检测表面重合的工作表面， -用导电材料制成的保护外壳(3)，其至少沿其基本上与工作表面相对的端面布置在测量电极(2)附近，所述保护外壳(3)以基本上与测量电极(2)的交流电势相同的交流电势进行激励， -电子装置(7，9，12)，其用于激励测量电极(2)，处理所述电容式传感器的信号，以提供电极(2)的工作表面和所述目标(11)之间的距离信息(13)， 其特征在于: -测量电极(2)的工作表面彼此独立，以及 -电子激励和处理装置(7，9，12)还用于彼此独立地访问所述测量电极。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电子激励和处理装置(7，9，12)的测量范围可同时: -检测和识别身体或目标(11)相对于测量电极(2)的工作表面的相对运动，以及 -检测所述身体或所述目标与检测表面(4)的接触。3.根据权利要求1和2之一所述的装置，其特征在于，电子激励和处理装置至少一部分(7)参考保护外壳的电位。4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，电子激励和处理装置(7，9)具有监控器(31)，其可相继读取电容式传感器产生的测量信号，不处于监控中的电极参考保护外壳(3)的电位。5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，电子激励和处理装置具有可使测量电极(40，41，42，43)在电学上集中的装置，以使所述集中的电极构成一个特定的测量电极(44)。6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，其还具有布置在测量电极(2)的工作表面一侧的电介质材料(14)，所述电介质材料的相对于电极的表面构成检测表面⑷。7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，电介质材料(14)布置成基本上与电极(2)的工作表面接触。8.根据权利要求5和6之一所述的装置，其特征在于，电介质材料(14)具有挠性材料，其可使检测表面(4)通过材料在按压力的作用下局部变薄，基本上朝测量电极的方向变形。9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，电介质材料(14)具有基本上呈刚性的板，其适于在按压力的作用下，沿着视所述按压力的作用点而定的倾斜度，向测量电极移动。10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，检测表面(4)具有使控制装置(20，21)有形化的凸起形状。
【专利摘要】本发明涉及控制接口装置和方法，尤其是手势动作和/或触控和/或语音控制接口装置和方法，其在检测空间中对身体或目标的至少一部分的运动或动作敏感，其具有检测表面、至少一个电容式传感器，所述装置具有测量电极、用导电材料制成的布置在测量电极附近的保护外壳、用于处理所述电容式传感器产生的信号的电子装置。测量电极的工作表面彼此独立，电子激励和处理装置彼此独立地访问这些测量电极。
【IPC分类】G06F3/044, G06F3/041, G06F3/0488, G06F3/042, G06F3/16
【公开号】CN105487733
【申请号】CN201510863213
【发明人】迪迪埃·罗兹埃尔
【申请人】快步科技有限责任公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2010年8月6日
【公告号】CN102576270A, CN102576270B, EP2462498A1, EP2849040A1, US8917256, US20120188200, US20140347321, WO2011015794A1
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