CN107692376A - 一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，包括以纺织面料为基体制成的手套本体，手套本体上用于采集手语动作和姿势信号的关键部位粘合有织物应力应变传感器，手套本体上还集成有用于实现分布在手套本体不同部位的织物应力应变传感器之间的信号传输的织物电路，各织物应力应变传感器与织物电路连接，形成应力应变传感网络，应力应变传感网络与控制单元连接。传感器捕捉戴手套的人的手语动作和姿势信号，并传送至控制单元，控制单元将结果转化为健听人士能听懂的语音或者能读懂的文字输出。本发明动作信号采集器是基于纺织基应力应变传感器和织物电路，既能准确识别手语动作和姿势，又具有良好的可穿戴舒适性和可洗涤性。

Description

一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套

技术领域

本发明涉及一种智能手套，尤其涉及一种舒适性能良好、且能识别手语动作和姿势的纺织基智能手套。

背景技术

手语是聋哑人的通信媒介。然而，健听人士普遍不懂手语，无法与聋哑人进行正常交流，因此，手语的存在并未给聋哑人士的生活带来多大便利。为消除这种交流障碍，人们一直在不断地进行探索和研究。目前一个被广泛认同的思路是利用传感器捕捉人的手部动作进行识别，然后在计算机的帮助下，对数据进行分析处理，并将结果转化为健听人士能听懂的语音或者能读懂的文字输出。目前这种识别装置大多以手套为载体，通过将传感器配置在手套中的各个部位实现对手语动作和姿势等信号的采集和处理。

理想的智能手套应具有两方面的特性：(1)手语识别准确率高，识别结果可有效传达给所需对象；(2)穿戴舒适，经久耐用，且安全性高。为了获得较高的识别准确率，传统的数据手套采用现成的硬质电子元器件，如中国专利CN204044747U中所述，将方位角传感器和气压传感器置于手套上与手的指骨和掌骨相对应的部位，测试手指的弯曲状态和手的高度。再如Chouhan，T.等人(Smart glove with gesture recognition ability for thehearing and speech impaired[C].2014 IEEE GHTC-SAS，2014，105-110)设计的智能手套，在相关部位布置了霍尔传感器、弯曲传感器和加速度计等14个传感器件。很明显，这种手套穿戴非常不方便，舒适感不佳，且可洗涤性差。

与硬质传感器件不同，柔性传感网络，以织物或薄膜为基体，具有轻便、柔软、可折叠、可拉伸等性能。针对传统数据手套穿戴舒适性能的缺陷，本专利拟开发一种纺织基柔性传感网络，将其分布在手套的相关部位，取代硬质电子感应元件，在准确识别手语的同时，提高智能手套的穿戴舒适性和可洗涤性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有利于打破聋哑人士生活中的沟通障碍，并保证其可穿戴的舒适性的智能手套。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：包括以纺织面料为基体制成的手套本体，手套本体上用于采集手语动作和姿势信号的关键部位粘合有织物应力应变传感器，手套本体上还集成有用于实现分布在手套本体不同部位的织物应力应变传感器之间的信号传输的织物电路，各织物应力应变传感器与织物电路连接，形成应力应变传感网络，应力应变传感网络与控制单元连接；

织物应力应变传感器捕捉戴手套的人的手语动作和姿势信号，通过应力应变传感网络传送至控制单元，控制单元接受所述信号，并进行分析处理，将结果转化为健听人士能听懂的语音或者能读懂的文字输出。

优选地，所述纺织面料包括机织、针织、非织造结构的弹性或非弹性的面料。

更优选地，所述机织面料包括单面、双面及多层织物，组织结构包括平纹、斜纹、缎纹及提花结构；

所述针织面料包括纬编、经编结构，纬编、经编结构包括纬平针、罗纹、双罗纹、双反面、编链、经平、经缎、衬纬、衬垫、集圈。

优选地，所述纺织面料的纤维材料包括天然纤维和化学纤维，如棉、毛、蚕丝、人造丝、聚酯、聚酰胺和由嵌段共聚物制成的聚氨酯弹性纤维。

优选地，所述织物电路是利用纺织加工技术将导电纤维或导电颗粒集成到纺织面料中而形成的。

更优选地，所述纺织加工技术包括机织、针织和印刷技术；

所述导电纤维包括金属，如镍、铂、铜纤维等；导电高聚物，如炭黑/硅胶复合材料、石墨/硅胶复合材料、碳纳米管复合材料、聚吡咯/硅胶、PEDOT：PSS等；以及涂层的导电纤维，如银/尼龙纤维；

所述导电颗粒包括导电高聚物，如炭黑/硅胶复合材料、石墨/硅胶复合材料、碳纳米管复合材料、聚吡咯/硅胶、PEDOT：PSS、还原石墨烯/聚二甲基矽氧烷等；金属和导电高聚物的混合体，如镍粉/石墨/硅胶复合材料、镍粉/双组分高聚物(如PEO/PE)等。

优选地，所述用于采集手语动作和姿势信号的关键部位包括各手指的关节、腕部。

优选地，所述织物应力应变传感器包括纤维/纱线式传感器和织物式传感器，其电阻或电容随外界刺激(如变形、外力)的变化而变化。

更优选地，所述纤维/纱线式传感器包括导电材料和纤维/纱线基体；

所述导电材料包括导电高聚物，如炭黑/硅胶复合材料、石墨/硅胶复合材料、碳纳米管复合材料、聚吡咯/硅胶、PEDOT：PSS、还原石墨烯/聚二甲基矽氧烷等；金属和导电高聚物的混合体，如镍粉/石墨/硅胶复合材料、镍粉/双组分高聚物(如PEO/PE)等；

所述纤维/纱线基体的材料包括天然纤维和化学纤维，如棉、毛、蚕丝、人造丝、聚酯、聚酰胺和由嵌段共聚物制成的聚氨酯弹性纤维等；

所述纤维/纱线基体，包括弹性和非弹性，其结构包括单纤、纱线、股线、加捻、包缠结构，如单包和双包等；

更优选地，所述织物式传感器包括导电材料和织物基体；所述导电材料包括导线纤维和导电微纳米颗粒；

所述导电纤维的阻值随外界刺激的变化而变化，包括金属，如镍丝、铂丝、铜丝等；导电高聚物，如炭黑/硅胶复合材料、石墨/硅胶复合材料、碳纳米管复合材料、聚吡咯/硅胶、PEDOT：PSS等；以及涂层的导电纤维，如银/尼龙纤维等；

所述导电微纳米颗粒的电阻随外界刺激(如变形、外力)的变化而变化，包括导电高聚物，如炭黑/硅胶复合材料、石墨/硅胶复合材料、碳纳米管复合材料、聚吡咯/硅胶、PEDOT：PSS、还原石墨烯/聚二甲基矽氧烷等；金属和导电高聚物的混合体，如镍粉/石墨/硅胶复合材料、镍粉/双组分高聚物(如PEO/PE)等；

所述织物式传感器，其类型包括机织型、针织型、印刷型；

所述机织型织物传感器，是利用机织技术将导电纤维集成到机织结构中，制备的弹性或非弹性的织物传感器；所述机织型织物传感器，可利用有梭、无梭(如剑杆、喷水、喷气)等均可实现；

所述针织型织物传感器，是利用针织技术将导电纤维集成到针织结构中，制备的弹性织物传感器；所述针织型织物传感器，可通过针织技术，包括纬编、经编等，借助于任意圆机、横机、经编机、袜机等均可实现；

所述印刷型织物传感器，是利用印刷技术将导电微纳米颗粒集成到织物基体中，制备的弹性或非弹性织物传感器；所述印刷型织物传感器，可通过喷墨式、丝网式、转移印花、浸涂等印刷方法实现；为保证均匀涂层，可反复进行2-3次甚至更多次往返涂层。

本发明提供的智能手套克服了现有技术的不足，动作信号采集器是基于纺织基应力应变传感器和织物电路，既能准确识别手语动作和姿势，又具有良好的可穿戴舒适性和可洗涤性。

附图说明

图1为集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套结构示意图；

图2为纤维/纱线式传感器结构示意图；(a)纤维基传感器，纤维A中集成导电颗粒K；(b)双股纱线基传感器，双股纱线B中集成导电颗粒K；(c)三股纱线基传感器，三股纱线C中集成导电颗粒K；(d)单包纱基传感器，单包纱D中集成导电颗粒K；(e)双包纱基传感器，双包纱E中集成导电颗粒K；

图3为织物式传感器结构示意图；(a)机织型织物传感器，导电纤维G集成于普通纤维P中；(b)针织型织物传感，导电纤维G集成于普通纤维P中；(c)印刷型织物传感器，导电材料L印刷于面料M上；

图4为织物电路结构示意图；(a)机织型织物电路，导电纤维G集成于普通纤维P中；(b)针织型织物电路，导电纤维G集成于普通纤维P中；(c)印刷型织物电路，导电纤维G印刷于面料M上。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明是以纺织结构为基体制成手套本体1，通过先进纺织加工技术将织物电路2集成到手套本体1上的相关部位；再将织物应力应变传感器3粘合在手套本体上的关键部位，并与织物电路2连接，形成应力应变传感网络；应力应变传感网络与控制单元4连接，如此实现了集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套。

织物应力应变传感器捕捉戴手套的人的手语动作和姿势信号，通过应力应变传感网络传送至控制单元，控制单元接受所述信号，并进行分析处理，将结果转化为健听人士能听懂的语音或者能读懂的文字输出。

下面以几个具体的实施例，说明本智能手套的制作方法。

实施例1

纱线式传感器的制备：配备混合均匀的吡咯(化学纯，国药集团)溶液。洗涤锦纶/氨纶包覆纱线(140D/70D/70D)，并将其放入吡咯溶液，低温浸渍，制成聚吡咯涂覆的纱线传感器，如图2e所示。

含有织物电路的手套设计：制备双面罗纹手套，将导电银线按传感器的位置合理集成到织物中，实现织物电路，如图4b所示。

传感网络的集成：将制得的纱线传感器粘合到手套上五指的指关节处，再与织物电路连接，得到集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，如图1所示。

实施例2

聚苯胺具有质量轻、韧性好、电导率易于调节、环境稳定性好等优点。因此，选取聚苯胺作为导电高聚物，利用印刷技术，将其涂覆在弹性织物表面制备柔性织物式传感器，如图3c所示。选取机织结构的棉手套，将导电纤维集成到织物结构中，制备连接电路，如图4a所示。最后利用织物电路连接各个部位的织物式传感器，得到集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，如图1所示。

实施例3

以银/尼龙纤维为导电纤维，利用电脑控制的横机技术，将导电纤维以线圈的结构集成到织物中，实现弹性织物式应变传感器，如图3b所示。同样采用针织技术，将铜导电纤维集成到针织结构中，实现弹性织物电路，如图4b所示。利用弹性织物电路将分布在手套不同部位的织物传感器连接，实现信号的传输，得到集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，如图1所示。

实施例4

以不锈钢导电纤维为原料，利用先进织造技术，将导电纤维集成到弹性机织面料中，制备机织型织物传感器，如图3a所示。同样，采用机织技术，制备弹性手套，并采用导电银/尼龙纤维为电路原料，制备织物电路，如图4a所示。利用织物电路，将分布在不同部位的传感器连接，并传输信号到采集系统，得到集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，如图1所示。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：包括以纺织面料为基体制成的手套本体，手套本体上用于采集手语动作和姿势信号的关键部位粘合有织物应力应变传感器，手套本体上还集成有用于实现分布在手套本体不同部位的织物应力应变传感器之间的信号传输的织物电路，各织物应力应变传感器与织物电路连接，形成应力应变传感网络，应力应变传感网络与控制单元连接；

织物应力应变传感器捕捉戴手套的人的手语动作和姿势信号，通过应力应变传感网络传送至控制单元，控制单元接受所述信号，并进行分析处理，将结果转化为健听人士能听懂的语音或者能读懂的文字输出。

2.如权利要求1所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述纺织面料包括机织、针织、非织造结构的弹性或非弹性的面料。

3.如权利要求2所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述机织面料包括单面、双面及多层织物，组织结构包括平纹、斜纹、缎纹及提花结构；

所述针织面料包括纬编、经编结构，纬编、经编结构包括纬平针、罗纹、双罗纹、双反面、编链、经平、经缎、衬纬、衬垫、集圈。

4.如权利要求2所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述纺织面料的纤维材料包括天然纤维和化学纤维。

5.如权利要求1所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述织物电路是利用纺织加工技术将导电纤维或导电颗粒集成到纺织面料中而形成的。

6.如权利要求5所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述纺织加工技术包括机织、针织和印刷技术；

所述导电纤维包括金属、导电高聚物、以及涂层的导电纤维；

所述导电颗粒包括导电高聚物、以及金属和导电高聚物的混合体。

7.如权利要求1所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述用于采集手语动作和姿势信号的关键部位包括各手指的关节、腕部。

8.如权利要求1所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述织物应力应变传感器包括纤维/纱线式传感器和织物式传感器，其电阻或电容随外界刺激的变化而变化。

9.如权利要求8所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述纤维/纱线式传感器包括导电材料和纤维/纱线基体；

所述导电材料包括导电高聚物、以及金属和导电高聚物的混合体；

所述纤维/纱线基体的材料包括天然纤维和化学纤维；

所述纤维/纱线基体，包括弹性和非弹性，其结构包括单纤、纱线、股线、加捻、包缠结构。

10.如权利要求8所述的一种集成纺织基应力应变传感网络的手语识别智能手套，其特征在于：所述织物式传感器包括导电材料和织物基体；所述导电材料包括导线纤维和导电微纳米颗粒；

所述导电纤维包括金属、导电高聚物、以及涂层的导电纤维；

所述导电微纳米颗粒包括导电高聚物、以及金属和导电高聚物的混合体；

所述织物式传感器，其类型包括机织型、针织型、印刷型；

所述机织型织物传感器，是利用机织技术将导电纤维集成到机织结构中，制备的弹性或非弹性的织物传感器；

所述针织型织物传感器，是利用针织技术将导电纤维集成到针织结构中，制备的弹性织物传感器；

所述印刷型织物传感器，是利用印刷技术将导电微纳米颗粒集成到织物基体中，制备的弹性或非弹性织物传感器。