计算机微型化、随身化和“人性化”近年来已经成为一个重要的发展趋势,而基于键盘/鼠标的机械的、方式单一的传统人机交互方式成为这一趋势的瓶颈。因此,自然、高效、多功能的人机交互技术成为一项重要的研究内容。手是人体最灵活的器官之一。人手的高机械自由度及其与人体神经系统的发达连接,使其能够做出大量姿势和动作,从而传递多种信息。因此,人手本身便是一种潜在的、自然的输入/交互工具。如果人手在自由空间中的运动能够用一种简单、可穿戴且无障碍的装置进行跟踪,那么,我们将有可能通过手与计算机进行自由交互,实现高速、方便的人机交互以及无处不在、无时不在的计算机应用。基于此,本文提出并研究了一种基于磁场检测的手部运动跟踪系统。该系统简单、可穿戴、无障碍且成本低。适当的软件设计可使其应用于电脑输入、机器人控制以及其他多种需要人机交互的应用。本文研究工作的主要内容和创新性成果如下：1.提出了一种基于磁场检测的手部运动跟踪系统,其简单、可穿戴、无障碍且成本低。该系统利用永磁体和非接触磁传感器跟踪手部运动。在人体每个手指甲上粘贴一轻小永磁体(可与假指甲集成),用以产生标示腕关节、指关节运动的磁场信号；并将若干磁传感器置于手腕处的电子腕带上,作为磁场信号的检测器。当腕关节、指关节运动时,永磁体在各传感器所在位置处产生变化的合成磁场,传感器对该磁场信号进行测量。基于永磁体数学模型和人手运动几何模型,利用检测到的磁场信号反向计算腕关节、指关节的姿势,从而实现对手部运动的跟踪。本文建立了系统的正向数学模型,对系统反问题进行了分析,并提出了一种两步式的手部运动跟踪方案,即首先由传感器检测到的磁场数据计算各指尖的方向和位置,然后由各指尖的方向和位置重构手部姿势。2.提出了指尖定位和定向算法。首先将各指尖上的永磁体建模为磁偶极子并分析了系统采用该模型的合理性,然后利用该模型设计了一种基于最小平方(LS)准则和优化算法的指尖定位和定向算法。此外,将一种只需要简单矩阵运算和代数运算的线性算法应用于只跟踪单个手指运动的系统特例。对LS算法进行仿真的结果表明,在无噪声的情况下,LS算法能够对单个或多个手指进行精确的定位和定向；存在噪声时,LS算法的抗噪性能随被跟踪手指的个数的增加而降低,但可以通过增加磁传感器的数量来补偿。对线性算法进行仿真的结果表明,在无噪声的情况下,该线性算法可以用五个3-轴磁传感器对单个手指进行准确的定位和定向；但该算法对噪声比较敏感,须靠高密度的磁传感器分布来改善。3.对包括食指、中指、无名指和小指的手部姿势重构问题进行了研究。首先建立了包括指关节屈曲/伸展运动、指关节内收/外展运动及腕关节屈曲/伸展运动的手部运动几何模型。然后基于所建立的手部运动几何模型,从理论上对手部姿势的可重构性进行了论证。论证结果表明,对于食指,中指,无名指和小指,除四种特殊情况(两种非自然的手指姿势以及两种人手极少使用的手指姿势)之外,其姿势可以由指尖的位置和方向局部的、唯一的确定。最后构建了LS手部姿势重构算法,并通过手部运动跟踪仿真,验证了该算法的有效性。4.开发了具有六路磁传感器的系统雏形。该雏形主要包括以下几个功能单元：(1)模拟放大单元；(2)磁传感器内部噪声处理单元；(3)外界磁场干扰消除单元；(4)数模转换与串行传输单元。以该系统雏形为核心实验平台,对提出的手部运动跟踪系统进行了测试。首先通过手部运动可测性实验验证了系统的基本可行性；其次通过将实际测量得到的磁场数据与基于永磁体模型和手部运动几何模型仿真得到的磁场数据进行比较,验证了永磁体模型和手部几何模型的正确性；最后进行了手部运动跟踪实验,实验结果表明,尽管存在测量误差,系统仍能够利用LS指尖定位定向算法和LS手部姿势重构算法对手指运动进行有效的跟踪。