CN109567819A - 一种基于pvdf传感器阵列的可穿戴式装置 - Google Patents

一种基于pvdf传感器阵列的可穿戴式装置 Download PDF

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胡跃辉
陈亚冬
谢凌锐
康吴伟
方勇
金韬
房国庆
姚子贤
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    • A61B5/6802—Sensor mounted on worn items

Abstract

本发明公开了一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，该装置包含主体和腕带。所述主体包括壳体和设置在壳体内电源、微控制器单元、无线传输模块、有线传输模块、惯性传感器模块和地磁传感器模块。所述腕带内封装有柔性连接线缆和PVDF传感器模块，其中PVDF传感器模块为自主研制成果，并已申请发明专利（CN106618521A），其主要包括PVDF传感器和信号预处理模块。本发明佩戴和使用方便，可以准确检测和采集手势运动信号。

Description

一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置
技术领域
本发明涉及手势识别技术领域，尤其涉及一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置。
背景技术
信息技术的突飞猛进对人类生产、生活带来了广泛而深刻的影响，人机交互技术作为计算机系统的一个重要组成部分，也在信息技术更新潮流中从人适应计算机朝以人为中心的方向不断发展。新颖的交互技术能够给实验者带来不同的用户体验。作为一种常见的人机交互和人际交流方式，手势具有优越的自然性、直观性和便捷性。对手势识别的研究对人机交互和人际交流方面都大有益处，比如可以开发手势翻译系统，帮助有语言障碍的群体进行语言翻译，有利于人际交流：同时可以将手势识别用于实现多媒体的播放、窗口的移动、文件资料的翻阅等等；还能够实现智能的教学方式，有利于提高课堂的教学氛围，提升学习兴趣；此外还可以手势识别应用到机器人控制领域，进行部分危险环境下的任务，如探险、救灾等，总之，手势识别能够为用户提供更便捷的人机交互方式，大大促进了人机交互的快速发展。
目前手势识别技术主要可以划分为两类，一是利用机器视觉来实现手势识别的方法，二是利用传感器来实现的方法。前者主要是利用摄像头设备来捕捉手势的视频或者图像，然后利用模式识别、图像处理等技术对手形或手势进行进一步的识别，其目前的相关理论研究与验证已经相对成熟，并且在实验室设备与市场上现有产品中已经得到了一定的推广和应用，在识别的成功率与识别的效率上都已经几乎符合开发人员的预期目标。但是这种方法受到了外界环境的限制，光线等外部因素对识别结果影响很大，并且很多用户担心自身的隐私信息会被摄像头暴露。
由于通过计算机视觉来进行手势识别的方法存在的诸多缺陷，近年来基于传感器的手势识别技术逐渐受到关注，并且伴随着各类小型化传感器芯片的出现，其被很好地运用在了许多可穿戴设备上。但是单个传感器很难识别复杂的手势动作，因此基于传感器阵列的手势识别技术是人机交互技术领域的一个有潜力的研究方向。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置。
为达到上述目的采用的技术方案是：
一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：包括有主体和腕带，所述主体包括壳体和设置在壳体内的无线传输模块、有线传输模块、电源模块、微控制器单元、惯性传感器模块、地磁传感器模块，壳体内的各模块集成在印制板上，壳体上覆盖有显示屏；所述腕带的内壁上分布有PVDF传感器阵列，PVDF传感器阵列包括多个PVDF传感器模块和信号预处理模块；所述惯性传感器模块、地磁传感器模块、PVDF传感器阵列的信号输出端与微控制器单元的信号输入端连接，微控制器单元的信号输出端与显示屏连接，微控制器单元与无线传输模块、有线传输模块双向通信连接，电源模块与微控制器单元电连接。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述PVDF传感器模块和信号预处理模块通过柔性连接线缆连接，当手部或足部运动时，腕部肌肉会收缩和舒张，使得紧贴皮肤的PVDF传感器模块表面产生压力变化，根据PVDF薄膜的压电效应，PVDF传感器模块将运动信号转化为电信号，然后通过柔性连接线缆传输给信号预处理模块处理后再传输给微控制器单元完成动作识别。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述电源模块采用充电电源，壳体上设置有与电源模块连接的充电接头。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述电源模块采用一次性电池。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述无线传输模块采用蓝牙模块或者WiFi模块。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述腕带上设有张紧装置。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述PVDF传感器模块根据手部或者足部运动时腕部肌肉收缩、舒张情况来获得PVDF传感器模块的最佳安装位置和个数。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述PVDF传感器模块的个数为3-8个，嵌入腕带内部，PVDF传感器模块的凸起面面向皮肤。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述主体通过无线传输模块或有线传输模块与外部终端设备进行数据传输，外部终端通过无线传输模块或有线传输模块向主体发送实时识别指令，主体也可以通过无线传输模块或有线传输模块向外部终端发送数据信息。
所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述壳体的形状为方形或者圆形。
主体内设置的惯性传感器模块和地磁传感器模块，可以用于解算和输出腕部运动姿态。
本发明的优点是：
本发明提出的基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置采用了一种新颖的运动信号采集方法，当手部或足部运动时，腕部肌肉会收缩和舒张，使得紧贴皮肤的PVDF传感器表面产生压力变化，根据PVDF薄膜的压电效应，PVDF传感器将运动信号转化为电信号，然后通过柔性连接线缆传输给信号预处理模块处理后再传输给微控制器单元进行动作识别。
本发明将电源、微控制器单元、无线传输模块、有线传输模块、惯性传感器模块、地磁传感器模块设置在主体中，将柔性连接线缆和PVDF传感器阵列设置在腕带中；在手腕上佩戴该装置后主体位于人体手背测的手腕上的外关穴附近，然后PVDF传感器阵列环绕手腕排列，其中在人体掌心测的手腕下面的内关穴附近传感器排布较密集，这是由于当手指运动时，手腕下面的变化明显，信息丰富，能大大提升测取数据的准确度。同样的在脚腕上佩戴该装置后主体位于人体脚腕前面的解溪穴附近。
本发明在主体中设置了惯性传感器模块和地磁传感器模块，它能测取腕部的运动轨迹，结合PVDF传感器模块测取的动作信号能大大提升动作识别的准确性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方案做详细说明。
图1是本发明的结构图。
图2是本发明的侧视图。
图3是本发明主体的基本结构示意图。
图4是本发明佩戴在手腕上的示意图。
图5是本发明佩戴在脚腕上的示意图。
图中：A是主体，A1为显示屏，A2为壳体，A3为印制板，A4为无线传输模块，A5为有线传输模块，A6为电源模块，A7为微控制器单元，A8为惯性传感器模块，A9为地磁传感器模块，B1-B8为PVDF传感器模块，C1、C2为张紧装置，D为腕带，E为人手腕上面的外关穴、F为人手腕下面的内关穴，G为人脚腕前面的解溪穴，H为人脚腕后面的昆仑穴。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，包括有主体A和腕带D，主体A包括方形的壳体A2和设置在壳体A2内的无线传输模块A4、有线传输模块A5、电源模块A6、微控制器单元A7、惯性传感器模块A8、地磁传感器模块A9，壳体A2内的各模块集成在印制板A3上，壳体A2上覆盖有显示屏A1；所述腕带D的内壁上分布有PVDF传感器阵列，PVDF传感器阵列包括八个PVDF传感器模块B1-B8和信号预处理模块；所述惯性传感器模块A8、地磁传感器模块A9、PVDF传感器阵列的信号输出端与微控制器单元A7的信号输入端连接，微控制器单元A7的信号输出端与显示屏A1连接，微控制器单元A7与无线传输模块A4、有线传输模块A5双向通信连接，电源模块A6与微控制器单元A7电连接。
无线传输模块A4采用蓝牙模块或者WiFi模块。
腕带D上设有张紧装置C1、C2。
PVDF传感器模块B1-B8和信号预处理模块通过柔性连接线缆连接，当手部或足部运动时，腕部肌肉会收缩和舒张，使得紧贴皮肤的PVDF传感器模块B1-B8表面产生压力变化，根据PVDF薄膜的压电效应，PVDF传感器模块B1-B8将运动信号转化为电信号，然后通过柔性连接线缆传输给信号预处理模块处理后再传输给微控制器单元A7完成动作识别。
PVDF传感器模块根据手部或者足部运动时腕部肌肉收缩、舒张情况来获得PVDF传感器模块的最佳安装位置和个数。
PVDF传感器模块B1-B8嵌入腕带内部，PVDF传感器模块的凸起面面向皮肤。
微控制器单元A7收到PVDF传感器模块B1-B8的动作信号后，完成动作识别，然后通过无线传输模块A4或有线传输模块A5按照共同的协议与终端设备进行双向数据传输，比如外部终端通过无线传输模块A4或有线传输模块A5向主体发送实时控制指令，微控制器单元A7也可以通过无线传输模块A4或有线传输模块A5向外部终端发送数据信息。此外，在主体A中还设置了惯性传感器模块A8和地磁传感器模块A9，它能测取手部的运动姿态，加速度等信息，进而解算出腕部的运动轨迹，然后结合PVDF传感器模块B1-B8测取的运动信号能大大提升动作识别的准确性。另外，在主体A上还为电源模块A6设置了充电接头（图中未表示），以便通过该充电接口对壳体内的充电电源进行充电，当然电源模块A6也可采用一次性的电池，那便不需要充电接口，电池耗尽更换电池即可。在主体A上还可以设置显示屏A1，这样该装置能兼具手表的功能，还能将测取的动作进行直观的显示或者完成其他交互功能，比如远程连接控制终端。
腕带D内封装有柔性连接线缆和PVDF传感器阵列，其中PVDF传感器阵列主要包括PVDF传感器模块B1-B8和信号预处理模块。当手部或足部运动时，腕部肌肉会收缩和舒张，使得紧贴皮肤的PVDF传感器模块B1-B8表面产生压力变化，根据PVDF薄膜的压电效应，PVDF传感器模块B1-B8将运动信号转化为电信号，然后通过柔性连接线缆传输给信号预处理模块处理后再传输给微控制器单元A7进行分析处理。由于采集的信号比较微弱，为此本实施例设置了信号预处理模块，该模块的主要作用是对采集的手势运动信号进行信号预处理，比如滤波、放大等。由于PVDF传感器模块B1-B8为点测量，通过阵列的方式可以较全面的采集手势运动信号，大大提高了动作识别的准确性。图2中给出了一种8路PVDF传感器模块B1-B8的排列方式。
如图2、4所示，在手腕上佩戴该装置后主体位于人体手背侧的手腕上的外关穴E附近，然后PVDF传感器阵列环绕手腕一周进行排布，其中在人体掌心测的手腕下面的内关穴F附近PVDF传感器模块排布较密集，这是由于当手指运动时，人体手腕下面的变化明显，信息丰富，能大大提升测取数据的准确度。同样的在脚腕上的佩戴位置如图5所示，主体位于人体脚腕前面的解溪穴G附近。为了使得测量更加准确，需要在带上本装置后，使PVDF传感器模块与手腕部分有一定的接触压力，为此本实施方法在腕带D上设置了张紧装置C，张紧装置C采用弹性带的设计方式，该设计能根据佩戴者手腕粗细的不同进行自动适应。当然腕带也可采用弹性材料制成，这样能进一步的提高张紧装置C的调节能力。
综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，所做的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：包括有主体和腕带，所述主体包括壳体和设置在壳体内的无线传输模块、有线传输模块、电源模块、微控制器单元、惯性传感器模块、地磁传感器模块，壳体内的各模块集成在印制板上，壳体上覆盖有显示屏；所述腕带的内壁上分布有PVDF传感器阵列，PVDF传感器阵列包括多个PVDF传感器模块和信号预处理模块；所述惯性传感器模块、地磁传感器模块、PVDF传感器阵列的信号输出端与微控制器单元的信号输入端连接，微控制器单元的信号输出端与显示屏连接，微控制器单元与无线传输模块、有线传输模块双向通信连接，电源模块与微控制器单元电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述PVDF传感器模块和信号预处理模块通过柔性连接线缆连接，当手部或足部运动时，腕部肌肉会收缩和舒张，使得紧贴皮肤的PVDF传感器模块表面产生压力变化，根据PVDF薄膜的压电效应，PVDF传感器模块将运动信号转化为电信号，然后通过柔性连接线缆传输给信号预处理模块处理后再传输给微控制器单元完成动作识别。
3.根据权利要求1所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述电源模块采用充电电源，壳体上设置有与电源模块连接的充电接头。
4.根据权利要求1所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述电源模块采用一次性电池。
5.根据权利要求1所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述无线传输模块采用蓝牙模块或者WiFi模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述腕带上设有张紧装置。
7.根据权利要求1所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述PVDF传感器模块根据手部或者足部运动时腕部肌肉收缩、舒张情况来获得PVDF传感器模块的最佳安装位置和个数。
8.根据权利要求7所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述PVDF传感器模块的个数为3-8个，嵌入腕带内部，PVDF传感器模块的凸起面面向皮肤。
9.根据权利要求1所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述主体通过无线传输模块或有线传输模块与外部终端设备进行数据传输，外部终端通过无线传输模块或有线传输模块向主体发送实时识别指令，主体也可以通过无线传输模块或有线传输模块向外部终端发送数据信息。
10.根据权利要求1所述的一种基于PVDF传感器阵列的可穿戴式装置，其特征在于：所述壳体的形状为方形或者圆形。
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