CN107015656A - 一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于表皮电子领域，并公开了一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，包括表皮肌电电极阵列、关节转角传感器阵列、电触觉传感器阵列、连接结构和电路补偿结构，所述表皮肌电电极阵列用于采集所有手指的内部肌肉、外部肌肉以及手腕肌肉的肌电信号；所述关节转角传感器阵列用于采集手指关节转角和手腕转角；所述电触觉传感器阵列用于通过电流电压刺激指尖；所述电路补偿结构用于消除每个表皮肌电电极连接结构所引入的多余肌电信号，以保证人机交互设备所获信号的准确度。该系统的各个传感器都十分轻、薄、小，具备拉伸性，符合皮肤的力学特性，同时解决了大面积覆盖导致的散热排汗的问题。

Description

一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统
技术领域
本发明属于表皮电子领域，更具体地，涉及一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统。
背景技术
人机交互系统在深海航行、深空探测、医疗手术、工业生产中都有广阔的应用前景。人体手势丰富多样，可以实现众多物体的灵活抓取。肌电信号在1945年首次被使用于控制领域，随后众多研究者投入其间，期待通过人体手势实现人机交互。然而，控制手势的肌肉数量众多，形状大小各异，相互叠加，同时微弱的肌电信号在手臂里面以扩散的方式传播，这对如何精准实时提取手势带来了巨大的挑战。
目前的基于肌电信号的人机交互系统具备如下几个缺点：1)只采集手臂处肌电信号，忽略手掌处的(人体前臂表面肌电信号采集及模式识别系统，CN102426651B)；2)肌电电极采用导电凝胶电极或其他硬电极，与皮肤力学性能不匹配，覆盖面积有限，空间分辨率不高，易出现串扰的现象，也不方便携带(一种可穿戴式人机交互手势识别控制装置，CN106055114A)；3)采用开环控制，难以实现精确抓取(肌电信号采集系统，CN204683598U)；4)采用模式识别控制，算法复杂，识别的手势有限(肌电信号模式识别方法，CN105139038A；以及一种基于深度学习和特征图像的肌电信号手势识别方法，CN105654037A)。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，该系统通过多类传感器有机组合，能够准确捕获人体手势，主要用于精准实时控制机械手臂。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，包括表皮肌电电极阵列、关节转角传感器阵列、电触觉传感器阵列、连接结构和电路补偿结构，其中，
所述表皮肌电电极阵列用于采集所有手指的内部肌肉、外部肌肉以及手腕肌肉的肌电信号，其中，来自手指内部肌肉的肌电信号用于提取手指姿态，来自外部肌肉和手腕肌肉的肌电信号用于提取肌肉力量；
所述关节转角传感器阵列用于采集手指关节转角和手腕转角，从而获得手势姿态；
所述电触觉传感器阵列用于通过电流电压刺激指尖，从而将刺激传入神经，来模拟振动或者压力的感觉的功能，进而获取机械手臂抓取力反馈；
所述连接结构用于将所述表皮肌电电极、关节转角传感器和电触觉传感器连接到人机交互设备上，以实现信息输出和输入；
所述电路补偿结构用于消除每个表皮肌电电极连接结构所引入的多余肌电信号，以保证人机交互设备所获信号的准确度。
优选地，所述表皮肌电电极阵列、关节转角传感器阵列、电触觉传感器阵列、连接结构和电路补偿结构分别通过粘附层贴附在皮肤上。所述表皮肌电电极阵列覆盖手掌、手背以及从手腕到肘部之间的部分皮肤，所述关节转角传感器阵列贴附在手腕以及手指关节上，所述电触觉传感器阵列通过粘附层贴附在每个指尖上。
优选地，所述表皮肌电电极阵列、关节转角传感器阵列、连接结构和电路补偿结构均为网格型蜿蜒蛇形结构，每者的厚度均小于5μm，以提高与皮肤的共形性能和拉伸性能，增强皮肤的排汗和散热能力。
优选地，所述电路补偿结构包括电连接在一起的补偿支路和补偿阻抗，所述补偿支路和用于将表皮肌电电极阵列连接到人机交互设备上的连接结构并行贴附，两者长度相同并且间距小于1mm，所述补偿阻抗接地。
优选地，所述电触觉传感器阵列为网格型环状结构，其厚度小于5μm，以提高与皮肤的共形性能，增强排汗和散热能力。
优选地，所述表皮肌电电极阵列、电触觉传感器阵列、连接结构和电路补偿结构的结构均为三层，这三层为依次粘附在一起的有机柔性层、金属层和粘附层，所述粘附层用于贴附在身体表面。
优选地，所述用于将电触觉传感器阵列连接到人机交互设备上的连接结构为四层，这四层分别为依次连接在一起的有机柔性层、金属层、有机柔性层和粘附层，其中，
有机柔性层为PET，PEN，PI，PDMS或Ecoflex；
金属层为金，银或铜；
粘附层用于贴附在身体表面，其厚度不超过1微米，其为多巴胺和聚乙烯醇聚合形成，并且两者质量比为多巴胺：聚乙烯醇＝1:1～1:8。
优选地，所述关节转角传感器阵列的材料为对应变敏感的粘性导电有机体。
优选地，所述电路补偿结构的补偿方法如下：
其中,Z是所需的补偿阻抗，S是被补偿的表皮肌电电极的面积,z(ω)是覆盖面积为ds的阻抗，ω是信号角频率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)舒适性：该系统的各个传感器都十分轻、薄、小，具备拉伸性，符合皮肤的力学特性，同时解决了大面积覆盖导致的散热排汗的问题，因而贴附人体后感觉不到它的存在。
2)高效高精度和多点测量：该系统通过关节传感器阵列和手掌表皮肌电电极阵列直接获取关节转角，相比传统从手臂肌电信号中提取的方式更为准确简单。该系统多点采集了手臂手指所有肌肉的肌电信号，又实现了闭环反馈人机交互，因而精度更高。
附图说明
图1是本发明贴附在人体手臂上的结构示意图；
图2是表皮肌电电极阵列示意图；
图3是关节转角传感器示意图；
图4是电触觉传感器示意图；
图5是连接结构示意图；
图6是电路补偿结构示意图；
图7是本发明中所述表皮肌电电极阵列、电触觉传感器、连接结构和电路补偿结构等的三层截面示意图；
图8是本发明中电触觉传感器阵列的四层截面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图8，一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，包括表皮肌电电极阵列2、关节转角传感器阵列3、电触觉传感器阵列4、连接结构5和电路补偿结构6，其中，
所述表皮肌电电极阵列2用于采集所有手指的内部肌肉、外部肌肉以及手腕肌肉的肌电信号，其中，来自手指内部肌肉的肌电信号用于提取手指姿态，来自外部肌肉和手腕肌肉的肌电信号用于提取肌肉力量；其包括用于贴在手臂上的手臂表皮肌电电极阵列2-1和用于贴在手掌上的手掌表皮肌电电极阵列2-2；
所述关节转角传感器阵列3用于采集手指关节转角和手腕转角，从而获得手势姿态；
所述电触觉传感器阵列4用于通过电流电压刺激指尖，从而将刺激传入神经，来模拟振动或者压力的感觉的功能，进而获取机械手臂抓取力反馈；
所述连接结构5用于将所述表皮肌电电极、关节转角传感器和电触觉传感器连接到人机交互设备上，以实现信息输出和输入；其包括用于用于连接表皮肌电电极阵列2的表皮肌电电极连接结构5-1、用于连接电触觉传感器阵列3的电触觉传感器连接结构5-2和用于连接关节转角传感器阵列的关节转角传感器连接结构5-3；
所述电路补偿结构6用于消除每个表皮肌电电极连接结构5所引入的多余肌电信号，以保证人机交互设备所获信号的准确度。
进一步，所述表皮肌电电极阵列2、关节转角传感器阵列3、电触觉传感器阵列4、连接结构5和电路补偿结构6分别通过粘附层C贴附在皮肤上。所述表皮肌电电极阵列2覆盖手掌、手背以及从手腕到肘部之间的部分皮肤，所述关节转角传感器阵列3贴附在手腕以及手指关节上，所述电触觉传感器阵列4通过粘附层C贴附在每个指尖上。
进一步，所述表皮肌电电极阵列2、关节转角传感器阵列3、连接结构5和电路补偿结构6均为网格型蜿蜒蛇形结构，每者的厚度均小于5μm，以提高与皮肤的共形性能和拉伸性能，增强皮肤的排汗和散热能力。
进一步，所述电路补偿结构6包括电连接在一起的补偿支路6-1和补偿阻抗6-2，所述补偿支路6-1和用于将表皮肌电电极阵列2连接到人机交互设备上的连接结构5并行贴附，两者长度相同并且间距小于1mm，所述补偿阻抗6-2接地。
进一步，所述电触觉传感器阵列4为网格型环状结构，其厚度小于5μm，以提高与皮肤的共形性能，增强排汗和散热能力。
优选地，所述表皮肌电电极阵列2、电触觉传感器阵列4、连接结构5和电路补偿结构6的结构均为三层，这三层为依次粘附在一起的有机柔性层A、金属层B和粘附层C，所述粘附层C用于贴附在身体表面。
进一步，所述用于将电触觉传感器阵列4连接到人机交互设备上的连接结构5为四层，这四层分别为依次连接在一起的有机柔性层A、金属层B、有机柔性层A和粘附层C，其中，
有机柔性层A为PET，PEN，PI，PDMS或Ecoflex；
金属层B为金，银或铜；
粘附层C用于贴附在身体表面，其厚度不超过1微米，其为多巴胺和聚乙烯醇聚合形成，并且两者质量比为多巴胺：聚乙烯醇＝1:1～1:8。
进一步，所述关节转角传感器阵列3的材料为对应变敏感的粘性导电有机体。
图1为表皮肌电电极阵列2、关节转角传感器阵列3、电触觉传感器阵列4、连接结构5和电路补偿结构6等贴附在人体手臂1上的示意图。
具体而言，表皮肌电电极阵列2采用如图2所示的网格型蜿蜒蛇形结构和排列方式。网格型蜿蜒蛇形结构的线宽小于200μm，其截面如图7所示，有机柔性层A的厚度为微米级。金属层B厚度为纳米级，粘附层C为多巴胺和聚乙烯醇(PVA)聚合构成。有机柔性层A总厚度小于5μm。金属层贴附在皮肤上。薄厚度的网格型蜿蜒蛇形结构可以提高与皮肤的共形性能和拉伸性能，增强排汗和散热能力，以及贴附后的舒适度。为提高阵列的空间分辨率，所述表皮肌电电极阵列2中单个电极面积小于1cm×0.5cm，电极间距小于3cm。所述表皮肌电电极阵列2覆盖手掌，手背以及从手腕到肘部之间的大部分皮肤，以便采集控制手指和手腕运动的所有肌肉的肌电信号。
具体而言，关节转角传感器阵列3采用如图3所示结构的网格型蜿蜒蛇形结构。线宽小于200μm，厚度小于5μm。其材料是一种对应变敏感的粘性导电有机体，例如炭黑/碳纳米管，PDMS等构成的复合材料。使用时，在手腕关节和手指关节处贴附一个或者多个图3所示的传感器，构成阵列。
具体而言，电触觉传感器阵列4采用如图4所示的网格型环状结构。外部线宽小于300μm，内部圆片直径小于3mm，最大直径小于6mm。材料属性与表皮肌电电极阵列2所使用的一致。使用时，在每个手指指尖贴附一个图4所示的传感器，构成阵列。
具体而言，连接结构5采用图5所示的网格型蜿蜒蛇形结构。表皮肌电电极连接结构5-1和关节转角传感器连接结构5-2的结构属性和材料属性与表皮肌电电极阵列2所使用的一致。电触觉传感器连接结构5-3的结构属性与表皮肌电电极阵列2所使用的一致，但其截面如图8所示，总厚度小于9μm。连接结构贴附在皮肤上，与数据传输线7相连，最终将各个传感器和电极的数据传递给计算机8及机械手臂等。
具体而言，电路补偿结构6采用的结构如图6所示的网格型蜿蜒蛇形结构。其结构属性和材料属性与表皮肌电电极阵列2所使用的一致。所述补偿支路6-1与表皮肌电电极连接结构5-1并行贴附，两者长度相同，间距小于1mm。补偿阻抗6-2的形状和被补偿电极2一致，并贴附在接地极附近。
进一步，所述电路补偿结构的补偿方法如下：
其中,Z是所需的补偿阻抗，S是被补偿的表皮肌电电极的面积,z(ω)是覆盖面积为ds的阻抗，ω是信号角频率。
下面以抓取水杯为例来进一步解释说明本发明的工作流程。将该表皮电子系统贴附在人体上后，通过数据传输线7与计算机及机械手臂等8相连。(1)人体做出抓取姿态，表皮肌电电极阵列2开始实时精准地采集各个肌肉的肌电信号，同时关节转角传感器3采集各个关节转角。(2)计算机从手掌表皮肌电电极阵列2-2和关节转角传感器3中机械手臂所需的转角；从手臂表皮肌电电极阵列2-1中提取机械手臂所需的力矩。将转角和力矩分配给机械手臂，控制器控制其转动。(3)此时机械手臂上力传感器不断采集机械手臂与水杯之间的压力，并通过计算机处理后，通过数据传输线7将合适频率和幅值的电流或电压传递给电触觉传感器阵列4，进而给予人体压力或者振动的感觉。抓取的压力越大，压力或者振动的感觉就越强烈。步骤(1)～(3)形成了一个闭环负反馈，因而可以精确地控制机械手臂完成抓取水杯的任务。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，包括表皮肌电电极阵列、关节转角传感器阵列、电触觉传感器阵列、连接结构和电路补偿结构，其中，
所述表皮肌电电极阵列用于采集所有手指的内部肌肉、外部肌肉以及手腕肌肉的肌电信号，其中，来自手指内部肌肉的肌电信号用于提取手指姿态，来自外部肌肉和手腕肌肉的肌电信号用于提取肌肉力量；
所述关节转角传感器阵列用于采集手指关节转角和手腕转角，从而获得手势姿态；
所述电触觉传感器阵列用于通过电流电压刺激指尖，从而将刺激传入神经，来模拟振动或者压力的感觉的功能，进而获取机械手臂抓取力反馈；
所述连接结构用于将所述表皮肌电电极、关节转角传感器和电触觉传感器连接到人机交互设备上，以实现信息输出和输入；
所述电路补偿结构用于消除每个表皮肌电电极连接结构所引入的多余肌电信号，以保证人机交互设备所获信号的准确度。
2.根据权利要求1所述的一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，所述表皮肌电电极阵列、关节转角传感器阵列、电触觉传感器阵列、连接结构和电路补偿结构分别通过粘附层贴附在皮肤上。所述表皮肌电电极阵列覆盖手掌、手背以及从手腕到肘部之间的部分皮肤，所述关节转角传感器阵列贴附在手腕以及手指关节上，所述电触觉传感器阵列通过粘附层贴附在每个指尖上。
3.根据权利要求1所述的一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，所述表皮肌电电极阵列、关节转角传感器阵列、连接结构和电路补偿结构均为网格型蜿蜒蛇形结构，每者的厚度均小于5μm，以提高与皮肤的共形性能和拉伸性能，增强皮肤的排汗和散热能力。
4.根据权利要求1所述的一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，所述电路补偿结构包括电连接在一起的补偿支路和补偿阻抗，所述补偿支路和用于将表皮肌电电极阵列连接到人机交互设备上的连接结构并行贴附，两者长度相同并且间距小于1mm，所述补偿阻抗接地。
5.根据权利要求1所述的一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，所述电触觉传感器阵列为网格型环状结构，其厚度小于5μm，以提高与皮肤的共形性能，增强排汗和散热能力。
6.根据权利要求1所述的一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，所述表皮肌电电极阵列、电触觉传感器阵列、连接结构和电路补偿结构的结构均为三层，这三层为依次粘附在一起的有机柔性层、金属层和粘附层，所述粘附层用于贴附在身体表面。
7.根据权利要求1所述的一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，所述用于将电触觉传感器阵列连接到人机交互设备上的连接结构为四层，这四层分别为依次连接在一起的有机柔性层、金属层、有机柔性层和粘附层，其中，
有机柔性层为PET，PEN，PI，PDMS或Ecoflex；
金属层为金，银或铜；
粘附层用于贴附在身体表面，其厚度不超过1微米，其为多巴胺和聚乙烯醇聚合形成，并且两者质量比为多巴胺：聚乙烯醇＝1:1～1:8。
8.根据权利要求1所述的一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，所述关节转角传感器阵列的材料为对应变敏感的粘性导电有机体。
9.根据权利要求1所述的一种用于闭环人机交互的大面积网格型表皮电子系统，其特征在于，所述电路补偿结构的补偿方法如下：
其中,Z是所需的补偿阻抗，S是被补偿的表皮肌电电极的面积,z(ω)是覆盖面积为ds的阻抗，ω是信号角频率。
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