CN104281261B - 一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及张力传感器领域，公开了一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器及其制备方法。该可穿戴张力传感器包括柔性张力传感器和手部织物，柔性张力传感器集成于手部织物上；柔性张力传感器包括自下而上依次设置的柔性阻隔层、敏感材料层、电极和保护层；其中敏感材料层具有三维孔状结构。本发明还公开了该可穿戴张力传感器的制备方法。本发明的可穿戴张力传感器具有灵敏度高、响应迅速、可贴附、可穿戴、可洗涤等优点，可实现对人体手势动作的识别以及用于手势控制和人机交互，且本发明的制备方法工艺简单、操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及张力传感器领域，尤其涉及一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器及其制备方法。
背景技术
随着信息科学、材料科学和纺织工程等多个学科的飞速发展，各种微型电子器件、纤维材料以及织造新技术不断涌现。尤其是集成电路技术的不断进步，使得电子器件不断微型化；同时，新型材料的研发使得纤维外形的执行、传感器、天线和电源等电子组件也已经涌入市场，这为看似差异巨大的纺织技术与计算技术提供了聚合点和由此带来的广阔空间。人们把传感器、处理器、执行器、通信部件和互连部件织入或者嵌入布块，获得了一种全新的计算平台，即含有柔性传感器的电子织物。
含有柔性传感器的电子织物不仅具备可织造性、可裁剪性、可穿戴和外观柔顺等常规性质，而且能够监测环境事件、执行计算任务并具备无线通信能力。计算、通信、电池与连接部件成为织物内在的组成部分，“隐”于织物之中。织物系统可收集敏感信息、监测环境事件并借助无线信道将数据传送至外部网络，以供进一步地计算处理。因而广泛存在于日常生活的各个领域，具备非干扰和泛在的特点。通过把计算、通信、感知和执行功能整合到织物之中，传统意义上被动、泛在的纺织物转变为交互、智能的物联信息感知与处理前端，使互联网络的触角以更为透明的方式延伸到人们生活中的方方面面，也使信息系统能覆盖到愈加广阔的物理世界。
手势交互是利用计算机图形学等技术识别人的肢体语言，并转化为命令来操作设备。手势交互是继鼠标、键盘和触屏之后新的人机交互方式。手势交流是人的本能，在学会语言和文字之前，已经能用肢体语言与人交流。其实在过去30年，研究人员一直在研究基于肢体语言的交互系统。因为手势在日常生活中最为频繁，便于识别。将手势交互技术与柔性传感器平台结合起来，具有广阔的应用前景和广泛的社会效益。
目前，将手势交互技术与柔性传感器平台结合的物品，以其连续、快速、直观的交流方式，真切的体验感和灵活的运用性，在一些领域将展示了重要的应用价值。例如此类柔性传感器可以作为手套键盘，通过简单的弯曲手势就可以输入不同的字母，这不仅给人们在生活、娱乐、学习等方面带来前所未有的操控体验，还能为那些有身体障碍的人群提供帮助。此外，含有柔性传感器的手套还可以用作控制器通过手势控制用于智能家居，不用起身运动就可以实现对于各个房间家用电器的操作和使用。
然而，当前的基于手势的交互技术还存在一定的缺陷。比如，针对于基于数据手套的手势识别系统,当戴用者手的大小和手套的大小不合适时，手套同手之间会发生滑移，影响精度。基于视觉的手势识别系统也易受假设景物中出现大面积人脸的限制，会产生错误的识别发出错误指令，造成安全隐患。基于检测人手红外线或检测人手图像的手势识别技术易受光线和温度的差异影响，这些都会加大手势识别的难度大，使得手势识别准确度低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术中手势交互技术存在手势识别难度大、误差大等缺陷，本发明提供了一种手势交互系统的可穿戴张力传感器及其制备方法，将具有三维孔状结构的敏感材料集成在纤维材质的手套上构成一个柔性张力传感器，制备成为一个具有高灵敏度的基于手势交互的可穿戴张力传感器。当用户手指弯曲做不同的手势动作时，该可穿戴张力传感器的柔性张力传感器通过电阻的变化将用户的手势动作转换成可以检测的信号并将该信号以电学信号的形式输出。本发明借助于具有三维孔状结构的敏感材料的柔性张力传感器，将手势动作转换成可以感知的信号，且该敏感材料具有良好的稳定性和生物相容性，很容易在织物手套上形成稳定的整体而便于加工，本发明涉及的可穿戴张力传感器可以实现在交互过程中对于用户的行为习惯、使用环境并无严格要求，且设备灵敏度高、准确度高和操作简便、响应及时的优点。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，包括柔性张力传感器和手部织物，所述柔性张力传感器集成于所述手部织物上。
所述柔性张力传感器包括柔性阻隔层、敏感材料层、电极和保护层；所述柔性阻隔层贴覆于所述手部织物正对手指部位的上表面，所述敏感材料层形成于所述柔性阻隔层上表面，所述电极的一端固定在敏感材料层上，另一端暴露在敏感材料层外部，所述保护层覆盖于敏感材料层上表面和电极位于敏感材料层的部分。
所述敏感材料层中存在气-固两相，具有类似于蚂蚁窝状的三维孔状结构，所述三维孔状结构的孔径为0.2～20μm，孔彼此之间的间隙为10～200μm。
所述柔性阻隔层的材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚乙烯中任意一种。
所述保护层为聚二甲基硅氧烷薄膜、聚乙烯薄膜或乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜。
所述电极的材料为导电无纺布或铜箔，所述电极材料还可以选自金、铂、镍、银、铟、碳纳米管、石墨烯或银纳米线中的一种或多种组合。
所述手部织物为手套或指环，所述手部织物的材质为纯棉、化纤、合成材料、混纺或亚麻。
本发明还公开了一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对手部织物上正对手指的位置进行清洁处理；
S2、在经清洁处理后的手部织物表面涂渍一层柔性高分子聚合物材料，然后加热固化，制备得到柔性阻隔层；
S3、在柔性阻隔层表面涂一层敏感材料，加热固化，制备得到具有三维孔状结构的敏感材料层；
S4、将电极的一端固定在敏感材料层上，另一端暴露在敏感材料层外部；
S5、在敏感材料层上和电极位于敏感材料层的部分涂一层保护材料，加热固化，制备得到保护层。
所述步骤S2中的柔性高分子聚合物材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚乙烯中任意一种；所述步骤S5中的保护层为聚二甲基硅氧烷薄膜、聚乙烯薄膜或乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜。
其中，步骤S3还包括制备敏感材料，其具体步骤为，
1)将碳材料和可挥发性溶剂按质量比为1:1～1:50的比例混合后形成泥浆状混合物；
2)按照柔性高分子聚合物和碳材料按质量比为1:0.5～1:50的比例加入柔性高分子聚合物，搅拌后制备得到粘稠浆状敏感材料。
制备敏感材料层中所述碳材料为石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管中任一种或多种的组合；所述可挥发性溶剂为乙醇、二氯甲烷、丙酮、四氯化碳、乙酸乙酯中任意一种或多种的组合；所述柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷或室温固化液态硅橡胶。
在所述步骤S3构筑电极中，所述电极的数量为至少两条；电极的引出方式为粘贴、印刷或物理切割。
应用本发明，具有如下有益效果：
1、本发明的柔性压力传感器中的敏感材料具有三维孔状结构，使得柔性压力传感器灵敏度高、准确度高，用户在交互过程能得到及时响应，并实现响应的准确控制。
2、本发明将电子手部织物作为一种新兴的人机交互设备，具有可贴附、可穿戴的优点，利用手势行为这种符合人自然行为习惯的交互方式，极大的提升了操作的简便性和灵活性。
3、本发明在交互过程中对用户的行为习惯和使用环境没有严格的要求，显著增加了应用的范围和场合。
附图说明
图1是本发明实施例1中所涉及的可穿戴张力传感器结构示意图；
图2是本发明涉及的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器中的柔性张力传感器结构示意图。
图中附图标记表示为：1-柔性张力传感器，2-手部织物。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1：
如图1所示，一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，其特征在于，包括：柔性张力传感器1和手部织物2；所述柔性张力传感器1集成于所述手部织物2上。
如图2所示，所述柔性张力传感器1包括柔性阻隔层11、敏感材料层12、电极13和保护层14；所述柔性阻隔层11贴覆于所述手部织物2正对手指部位的上表面，所述敏感材料层12形成于所述柔性阻隔层11上表面，所述电极13的一端固定在敏感材料层12上，另一端暴露在敏感材料层12外部，所述保护层14覆盖于敏感材料层12上表面和电极13位于敏感材料层12的部分。
所述敏感材料层12中存在气-固两相，具有类似于蚂蚁窝状的三维孔状结构，所述敏感材料的孔径为0.2～5μm，孔彼此之间的间隙为10～50μm。
所述柔性阻隔层11的材料可以为聚二甲基硅氧烷；所述柔性阻隔层11的厚度为80μm。
所述电极层13的材料为导电无纺布；所述导电无纺布的厚度优选为60μm，宽度优选为1.5mm。
所述保护层14可以为聚二甲基硅氧烷薄膜，所述保护层14的厚度优选为15μm。
所述手部织物2的材质为化纤；所述手部织物2为手套。
一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对手部织物上正对手指的位置进行清洁处理；
S2、在经清洁处理后的手部织物表面涂一层聚二甲基硅氧烷，然后加热固化所涂渍形成的薄膜，制备得到柔性阻隔层；
S3、在柔性阻隔层表面涂一层敏感材料，加热固化，制备得到具有三维孔状结构的敏感材料层；
S4、将电极的一端固定在敏感材料层上，另一端暴露在敏感材料层外部；
S5、在敏感材料层上和电极位于敏感材料层的部分涂一层聚二甲基硅氧烷，加热固化，制备得到保护层。
所述步骤S2制备柔性阻隔层的具体操作为，在清洁处理过区域涂渍一层聚二甲基硅氧烷薄膜，面积为15mm×25mm；加热固化所涂渍薄膜，使所述柔性阻隔层和织物融为一体。
在步骤S3中所述制备敏感材料层的具体步骤为，将石墨烯和丙酮按1：2的比例混合后超声处理30min，使石墨烯分散在丙酮中形成泥浆状液态混合物；
加入1ml聚二甲基硅氧烷液体，搅拌时间为90min，制备得到粘稠浆状敏感材料；
取适量的粘稠浆状敏感材料均匀旋涂于上述柔性阻隔层中心区域，旋涂厚度为60μm，面积为10mm×20mm。
加热固化敏感材料，有机溶剂挥发，进而形成具有三维孔状结构的敏感材料；加热使敏感材料层与柔性阻隔层结合。
在所述步骤S4构筑电极中，在所述敏感层表面引出两条电极；电极层的引出方式为粘贴。
实施例2：
如图1所示，一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，其特征在于，包括：柔性张力传感器1和手部织物2；所述柔性张力传感器1集成于所述手部织物2上。
所述柔性张力传感器1包括柔性阻隔层11、敏感材料层12、电极13和保护层14；所述柔性阻隔层11贴覆于所述手部织物2正对手指部位的上表面，所述敏感材料层12形成于所述柔性阻隔层11上表面，所述电极13的一端固定在敏感材料层12上，另一端暴露在敏感材料层12外部，所述保护层14覆盖于敏感材料层12上表面和电极13位于敏感材料层12的部分。
所述敏感材料层12中存在气-固两相，具有类似于蚂蚁窝状的三维孔状结构，所述敏感材料的孔径为6～10μm，孔彼此之间的间隙为60～110μm。
所述柔性阻隔层11的材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物；所述柔性阻隔层11的厚度优选为100μm。
所述电极层13的材料为柔韧超薄的铜箔；所述柔韧超薄的铜箔的厚度优选为10μm，宽度为1.5mm。
所述保护层14可以为乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜，所述保护层14的厚度优选为10μm。
一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对手部织物上正对手指的位置进行清洁处理；
S2、在经清洁处理后的手部织物表面涂渍一层乙烯-醋酸乙烯共聚物，加热固化所涂渍形成的薄膜，制备得到柔性阻隔层；
S3、在柔性阻隔层表面涂一层敏感材料，制备得到具有三维孔状结构的敏感材料层；
S4、将电极的一端固定在敏感材料层上，另一端暴露在敏感材料层外部；
S5、在敏感材料层上和电极位于敏感材料层的部分涂一层乙烯-醋酸乙烯共聚物，固化制备得到保护层。
所述步骤S2制备柔性阻隔层的具体操作为，在手部织物的五个手指表面的中间位置清洁处理后涂渍一层乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜，所述薄膜面积为15mm×25mm；加热固化所涂渍薄膜，使所述柔性阻隔层和手部织物结合。
在步骤S3中还包括制备敏感材料，其具体步骤为，将还原氧化石墨烯和乙醇按2：3的比例混合后超声处理30min，使还原氧化石墨烯分散在乙醇中形成泥浆状液态混合物；
加入2ml聚二甲基硅氧烷液体，搅拌时间60min，制备得到粘稠浆状敏感材料。
取适量的粘稠浆状敏感材料均匀旋涂于上述柔性阻隔层中心区域，旋涂厚度为80μm，面积为10mm×15mm。
加热固化敏感材料，有机溶剂挥发，进而形成具有三维孔状结构的敏感材料；加热使敏感材料层与柔性阻隔层结合。
在所述步骤S4构筑电极中，在所述敏感层表面引出两条电极；电极层的引出方式为粘贴。
实施例3：
如图1所示，一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，其特征在于，包括：柔性张力传感器1和手部织物2；所述柔性张力传感器1集成于所述手部织物2上。
如图2所示，所述柔性张力传感器1包括柔性阻隔层11、敏感材料层12、电极13和保护层14；所述柔性阻隔层11贴覆于所述手部织物2正对手指部位的上表面，所述敏感材料层12形成于所述柔性阻隔层11上表面，所述电极13的一端固定在敏感材料层12上，另一端暴露在敏感材料层12外部，所述保护层14覆盖于敏感材料层12上表面和电极13位于敏感材料层12的部分。
所述敏感材料层12中存在气-固两相，具有类似于蚂蚁窝状的三维孔状结构，所述敏感材料的孔径为11～20μm，且孔彼此之间的间隙为120～200μm。
所述柔性阻隔层11的材料为聚二甲基硅氧烷；所述柔性阻隔层11的厚度优选80μm。
所述电极层13的材料可以为银纳米线；所述电极层的厚度为10μm，宽度为1.5mm。
所述保护层14为高透明高柔性的超薄聚乙烯薄膜，所述保护层14的厚度优选为10μm。
所述手部织物2的材质为亚麻；所述手部织物2为手套。
一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对手部织物上正对手指的位置进行清洁处理；
S2、在经清洁处理后的手部织物表面涂渍一层聚二甲基硅氧烷，然后加热固化，制备得到柔性阻隔层；
S3、在柔性阻隔层表面涂一层敏感材料，加热固化，制备得到具有三维孔状结构的敏感材料层；
S4、将电极的一端固定在敏感材料层上，另一端暴露在敏感材料层外部；
S5、在敏感材料层上和电极位于敏感材料层的部分涂一层聚乙烯，加热固化，制备得到保护层。所述步骤S2制备柔性阻隔层的具体操作为，在手部织物的五个手指表面的中间位置进行清洁处理；在处理过区域涂渍一层聚二甲基硅氧烷薄膜，所述薄膜面积为20mm×20mm；加热固化所涂渍薄膜，使所述柔性阻隔层和手部织物结合。
在步骤S3中所述制备敏感材料层的具体步骤为，将碳纳米管和乙醇按1：3的比例混合后超声处理20min，使碳纳米管分散在乙醇中形成泥浆状液态混合物；
加入4ml室温固化液态硅橡胶液体，搅拌时间为30min，制备得到粘稠浆状敏感材料；
取适量的粘稠浆状敏感材料均匀旋涂于上述柔性阻隔层中心区域，旋涂厚度为100μm，面积为10mm×10mm；
加热固化敏感材料，有机溶剂挥发，进而形成具有三维孔状结构的敏感材料；加热使敏感材料层与柔性阻隔层结合。
在所述步骤S4构筑电极中，在所述敏感层表面引出两条电极；电极层的引出方式是印刷。
所述步骤S5制备保护层的具体操作为，在构筑有电极的敏感层表面覆盖一层聚乙烯薄膜作为保护层。
应用本发明，具有如下有益效果：
1、本发明的柔性压力传感器中的敏感材料具有三维孔状结构，使得柔性压力传感器灵敏度高、准确度高，用户在交互过程能得到及时响应，并实现响应的准确控制。
2、本发明将电子手部织物作为一种新兴的人机交互设备，具有可贴附、可穿戴的优点，利用手势行为这种符合人自然行为习惯的交互方式，极大的提升了操作的简便性和灵活性。
3、本发明在交互过程中对用户的行为习惯和使用环境没有严格的要求，显著增加了应用的范围和场合。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，其特征在于，包括：柔性张力传感器(1)和手部织物(2)，所述柔性张力传感器(1)集成于所述手部织物(2)上；
所述柔性张力传感器(1)包括柔性阻隔层(11)、敏感材料层(12)、电极(13)和保护层(14)；所述柔性阻隔层(11)贴覆于所述手部织物(2)正对手指部位的上表面，所述敏感材料层(12)形成于所述柔性阻隔层(11)上表面，所述电极(13)的一端固定在敏感材料层(12)上，另一端暴露在敏感材料层(12)外部，所述保护层(14)覆盖于敏感材料层(12)上表面和电极(13)位于敏感材料层(12)的部分，所述敏感材料层(12)中存在气-固两相，具有类似于蚂蚁窝状的三维孔状结构；所述敏感材料层(12)由碳材料、可挥发性溶剂和柔性高分子聚合物制备而成。
2.根据权利要求1所述的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，其特征在于，所述三维孔状结构的孔径为0.2～20μm，且孔彼此之间的间隙为10～200μm。
3.根据权利要求1所述的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，其特征在于，所述柔性阻隔层(11)的材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚乙烯中的任意一种；所述保护层(14)为聚二甲基硅氧烷薄膜、聚乙烯薄膜或乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜。
4.根据权利要求1或2所述的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，其特征在于，所述电极(13)的材料为导电无纺布、铜箔、金、铂、镍、银、铟、碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种组合。
5.根据权利要求4所述的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器，其特征在于，所述手部织物(2)为手套或指环，所述手部织物(2)的材质为纯棉、化纤、合成材料、混纺或亚麻。
6.一种用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对手部织物上正对手指的位置进行清洁处理；
S2、在经清洁处理后的手部织物表面涂一层柔性高分子聚合物材料，然后加热固化，制备得到柔性阻隔层；
S3、在柔性阻隔层表面涂一层敏感材料，加热固化，制备得到敏感材料层，所述敏感材料层中存在气-固两相，具有类似于蚂蚁窝状的三维孔状结构；所述敏感材料层由碳材料、可挥发性溶剂和柔性高分子聚合物制备而成；
S4、将电极的一端固定在敏感材料层上，另一端暴露在敏感材料层外部；
S5、在敏感材料层上和电极位于敏感材料层的部分涂一层柔性保护材料，加热固化，制备得到保护层。
7.根据权利要求6所述的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的柔性高分子聚合物材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚乙烯中任意一种；所述步骤S5中的保护层为聚二甲基硅氧烷薄膜或聚乙烯薄膜或乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜。
8.根据权利要求6所述的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3还包括制备敏感材料，具体步骤为，
1)将碳材料和可挥发性溶剂按质量比为1:1～1:50的比例混合后形成泥浆状混合物；
2)按照柔性高分子聚合物和碳材料按质量比为1:0.5～1:50的比例加入柔性高分子聚合物，搅拌后制备得到粘稠浆状敏感材料。
9.根据权利要求8所述的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，所述碳材料为石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管中任意一种或多种的组合；所述可挥发性溶剂为乙醇、二氯甲烷、丙酮、四氯化碳、乙酸乙酯中任意一种或多种的组合；所述柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷或室温固化液态硅橡胶。
10.根据权利要求6所述的用于手势交互系统的可穿戴张力传感器的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述电极的数量为至少两条；电极的引出方式为粘贴、印刷或物理切割。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Inventor after: Xiong Zuoping Inventor before: Zhang Ting Inventor before: Xiong Zuoping |