2.1.1

电传感


表面肌电图(sEMG)

由于信息传输速率高、时间分辨率好,表面肌电图是可穿戴手部手势识别中研究最广泛、最深入的方法。表面肌电图通过贴附于皮肤表面或植入肌肉组织的电极,监测并记录电信号的变化,其中包含驱动手部运动的肌肉收缩的重要信息。

电极布置方式主要有三种:

  • 肌肉靶向布置:在特定肌肉上各贴附 1 个传感器,监测肌肉收缩
  • 低密度表面电极布置:将多个传感器集成于腕带或袖套,实现手势/动作识别
  • 高密度电极布置:在某一区域布置数十个紧密排列的电极,采集肌电信号

当前应用包括:假肢控制、游戏/计算机控制(MYO 腕环)、用户身份认证。手势识别过程中,除了建立直接的 EMG 到手势类别的模式识别模型外,通过对高密度肌电的运动单元反解计算,还可以逆推脊柱中运动神经激活特征,为不同手势共性运动单元的分析提供工具。

优势:属于神经肌肉测量方式,能捕捉丰富且基础的肌肉收缩信息;已有 Delsys、Biometrics 等多款商用肌电采集设备可实现信号的快速、稳定测量,相关算法研究也较为深入。

缺陷:存在个体依赖性和非平稳性;在实际应用中,肌肉疲劳、电极偏移、皮肤出汗等引起的皮肤阻抗变化等因素会对信号造成干扰。

电阻抗断层扫描(EIT)

一种广泛应用于医疗领域的无创断层扫描技术。人体组织具有电阻抗,且阻抗会随组织结构发生变化,可通过贴附于皮肤表面的电极进行监测。该方法同样存在较强的个体依赖性,目前的应用和潜在应用也包括用户身份认证。

优势:对肌肉收缩特征相似的手势具有较高的识别精度。

缺陷:对环境干扰高度敏感(如荧光灯镇流器会产生持续的电磁干扰),且易出现电极与皮肤接触不良的问题。

电接触电阻传感

电接触电阻与接触形状、尺寸和机械接触载荷大小相关,通过测量皮肤形变引起的接触电阻变化来识别手势。目前的应用/潜在应用包括手指关节角度估计。

优势:设备轻量化(约 0.067 kg)、佩戴舒适(无需较大的接触压力),用户接受度高。

缺陷:易受手腕、肘部、前臂无关动作的严重干扰。

电容传感

皮肤形变会导致两个贴附于皮肤的电极之间的距离发生变化,进而引起电容值改变(部分场景下皮肤也可作为一个电极)。目前的应用/潜在应用包括游戏控制、手语翻译、物体控制。

优势:功耗极低,且无需在每次使用前重新训练模型。

缺陷:传感性能易受温度、湿度、皮肤状态变化的干扰,且长期使用后,电极会被皮肤分泌物污染,导致电容值下降。

各电传感模态对比

传感模态 核心原理 主要优势 主要缺陷 成熟度
sEMG 采集肌肉收缩产生的电信号 信息量丰富,时间分辨率高,商用设备成熟 个体差异大,受疲劳、出汗、电极偏移影响 高(已商业化)
EIT 测量皮肤阻抗分布变化推断肌肉状态 对相似手势识别精度较高 对电磁环境敏感,电极接触稳定性差 中(研究阶段)
电接触电阻 皮肤形变引起接触电阻变化 设备轻量,佩戴舒适,用户接受度高 易受无关肢体动作干扰 低(探索阶段)
电容传感 皮肤形变改变电极间距引起电容变化 功耗极低,无需每次重新训练 受温湿度及皮肤分泌物影响,长期稳定性差 低(探索阶段)
sEMG 是目前商业化程度最高的电传感方案,Meta Neural Band 和华为 WATCH 5 均采用 sEMG 路线。高密度 sEMG 结合深度学习是当前学术研究的前沿方向,有望突破大规模手势集识别的精度瓶颈。