Устройство для ввода информации

Область техники.
Полезная модель относится к интерфейсам человек-компьютер и предназначена для ввода сигналов и/или информации в различные электронные устройства, в том числе в компьютер, видеоигры, мобильный телефон, смартфон, умные часы, телевизор, игровые приставки, управление различными техническими устройствами, в том числе беспилотными аппаратами, экзоскелетами, протезами, манипуляторами, автомобилем, системой умный дом и любой электронной системой, позволяющей принимать информацию от внешних устройств.
Описание уровня техники.
Из уровня техники известно устройство для ввода информации и сигналов включающее в себя пять узлов ввода, содержащих датчики. Количество узлов ввода соответствует числу пальцев руки. Каждый узел ввода для пальцев указательного, среднего, безымянного и мизинца содержит четыре датчика, установленных на его внутренней поверхности. Устройство для ввода информации включает опору для ладони, у которой форма внешней выпуклой поверхности приближена к форме поверхности слепка, сделанного с поверхности ладони кисти руки человека при расслабленном состоянии кисти руки. Узлы ввода служат для размещения пальцев, находящихся в расслабленном полусогнутом положении. (RU178284U1, опубл. 28.03.2018).
Также известно устройство ввода информации, выполненное с возможностью его крепления на кисть руки пользователя, содержащее сенсорную панель, встроенную в корпус, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен в форме волнообразно изогнутой пластины, содержащей вогнутую часть, с возможностью ее размещения на внутренней поверхности пальцев пользователя, и дугообразный изгиб одной из сторон, с возможностью охвата им части указательного и/или среднего пальца, сенсорная панель размещена на вогнутой части корпуса и выполнена вогнутой, при этом на поверхности корпуса, противоположной поверхности с сенсорной панелью, выполнен элемент крепления, снабженный выемками для пальцев и оснащенный механизмом его перемещения по поверхности корпуса (RU157660U1, опубл. 13.04.2015).
В патенте RU179301U1 (опубл. 07.05.2018) описана полезная модель устройства для работы с интерактивными устройствами, представляющая собой перчатку виртуальной реальности, содержащую датчики, расположенные на пальцах перчатки, и отличающуюся тем, что в качестве датчиков использованы сенсоры IMU, расположенные внутри перчатки.
В патенте US 7205979 описано устройство формирования управляющих сигналов для манипулирования виртуальными объектами в компьютерной системе в соответствии с жестами оператора или другими частями тела; устройство включает в себя перчатку, которая включает датчики для обнаружения жестов кисти руки, а также сенсоры положения рук, соединенные с перчаткой и подключенные к компьютерной системе для определения положения руки по отношению к системе.
Недостатком указанных выше устройств является неудобство эксплуатации, обусловленное тем, что пальцы и ладонь пользователя все время заняты и их нельзя использовать для совершения бытовых операций не снимая устройство.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является интерфейс человек-компьютер (US20180307314A1, 25.10.2018), представляющий собор круговой массив сенсоров, считывающих электромиографические сигналы, и строящий управляющий сигнал на основе этих данных. Недостатком данного устройства является то, что электромиограмма не несет полную информацию о картине мышечного сокращения, в частности изменения форы мышцы и движения под кожным покровом и, как следствие не позволяет с высокой точностью и надежностью отслеживать движения пользователя. В частности, если датчик расположен над мышечным волокном, которое в свою очередь расположено над другим мышечным волокном, то суммарный электромиографический сигнал при их сокращении не позволит определить степень сокращения каждой мышцы по отдельности. Данная проблема решается путем определения изменения формы мышц и их относительного движения. Таким образом, для достижения высокой точности отслеживания движений оператора необходимо получать полную информацию о мышечных сокращениях, что достигается путем использования датчиков электрического потенциала.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств в области интерфейсов человек-компьютер, а также повышении удобства ввода информации и сигналов.
Технический результат, достигаемый при реализации представленной полезной модели, заключается в расширении возможностей по регистрации движений человеческого тела, а также в расширении возможностей по управлению техническими устройствами путем регистрации движений человеческого тела, что достигается за счет:
применения датчиков электрического потенциала;
возможности интеграции датчиков в одежду или на поверхность одежды;
портативности и компактности устройства при эксплуатации;
отсутствия необходимости снимать устройство при совершении различных бытовых операций;
повышения точности определения движений;
беспроводной передачи данных на внешнее устройство.
Сущность полезной модели объясняется чертежами, где на Фиг. 1 изображен один из вариантов исполнения устройства для ввода информации, общий вид с двух ракурсов; на Фиг. 2 изображено одно из возможных применений устройства – ввод управляющих сигналов и/или информации в компьютер, формируемых путем анализа жестов руки при помощи кругового массива датчиков электрического потенциала, располагаемых на предплечье.
Устройство представляет собой массив датчиков электрического потенциала, устанавливаемых в непосредственной близи от поверхности кожи. Датчики соединяются между собой беспроводным способом и оснащены элементами крепления. Информация, получаемая с массива датчиков, поступает на встроенный микроконтроллер, производящий обработку и анализ данных, а также передачу данных на внешнее устройство беспроводным способом. Питание осуществляется от встроенного аккумулятора или батареек. Устройство снабжено элементами включения и выключения.
Возможны следующие варианты исполнения устройства:
Вариант 1.
Беспроводной модуль, состоящий из корпуса, в который смонтированы: один датчик электрического потенциала, IMU сенсор, беспроводной модуль сбора, обработки и передачи данных на внешнее устройство (например, типа Bluetooth), кнопка для включения/выключения, аккумулятор, элемент крепления к телу с клейкой поверхностью, световая индикация в виде одного RGB диода. Устройство устанавливается в произвольной части тела путем приклеивания. Клейкая поверхность выполнена в виде полосы вокруг датчика электрического потенциала.
Работа устройства организована следующим образом: при мышечных сокращениях устройство фиксирует электромиограмму, изменение поперечного сечения мышцы, а также ее движение в процессе сокращения. При движении устройства в пространстве вместе с телом пользователя, путем применения IMU датчиков устройство определяет изменения углов относительно начального положения устройства. Данную информацию, в частности, можно использовать для перемещения курсора на компьютере. Информацию о мышечных сокращениях, в частности, можно использовать для эмуляции щелчков компьютерной мыши. Например, одно короткое сокращение мышцы – щелчок левой кнопкой, длительное – правой кнопкой.
Вариант 2.
Устройство состоит из массива устройств, аналогичных варианту 1. Использование массива позволяет повысить точность определения движений пользователя.
Вариант 3.
Устройство реализовано в виде кругового массива датчиков электрического потенциала (Фиг. 1-2), располагающихся в зоне предплечья, включающего в себя 1 или более датчик электрического потенциала, 1 или более IMU сенсор, микроконтроллер, средства беспроводной передачи информации на внешнее устройство, аккумулятор. Датчики помещены в отдельные корпуса, при этом выступают за грань корпуса, которая ориентирована внутрь кругового массива. В качестве элемента крепления к телу выступают две замкнутые эластичные полосы, опоясывающие руку. Датчики соединены с элементом питания и микроконтроллером проводным способом, посредством пайки или разъемов. Устройство осуществляет сбор информации о мышечных сокращениях с целью определения движений руки, кисти и пальцев. Для взаимодействия с пользователем устройство снабжено световой индикацией на каждом модуле. Устройство имеет кнопку включения/выключения. Для зарядки устройства применяется разъем USBMicro.
Устройство работает следующим образом: надевается в зоне предплечья правой или левой руки, модули при этом ориентированы произвольно. В момент включения устройство запоминает начальное положение руки. При совершении движений рукой, устройство определяет текущий угол руки относительно начального положения. При совершении движений кистью и пальцами происходит сокращение мышц предплечья, расположенных под массивом датчиков. Устройство считывает данные сокращения (электромиограммы, изменение формы и перемещение мышц) и путем последующей обработки данных определяет текущее положение руки кисти и пальцев, а также понимает, какой жест совершается в данный момент. Полученная информация передается на внешнее устройство, где используется для ввода информации и/или управления.