CN109939347A - 一种融合功能电刺激的感知增强装置设计及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合功能电刺激的感知增强装置，包括电刺激模块，感知模块，电触觉模块、电生理电极模块、温度模块等，均集成在同一可拉伸弹性基板上。在外加电刺激作用下，产生可控的电触觉和温度信息，用于刺激人体的生理健康，支持人体康复与增强运动能力，通知融合功能电刺激的感知增强装置中的感知功能模块分别记录人体的电生理、温度和应变等信息，增强人体的感知能力，有助于人体康复与增强运动能力。本发明还提供一种外加电刺激下感知增强装置实现方法，为人们提供长时间、稳定的可控电刺激，为机器状态反馈到人体提供了一舒适的交互接口。

Description

一种融合功能电刺激的感知增强装置设计及其实现方法

技术领域

本发明涉及柔性电子制造与生机电一体化领域，特别涉及种融合外加功能电刺激的增强感知装置及其实现方法。

背景技术

柔性电子感知器件与功能电刺激装置在生机电一体化领域得到了广泛应用，在人体微弱的生物电的感知应用中，可拉伸电子器件的感知能力受限，有待融合外加功能电刺激，增强各个部位生理活动能力和肌肉活性，提高人体动作的执行能力的时序，增强人体的康复训练和感知能力。

融合功能电刺激的感知增强装饰是一类重要的人机接口装置，在外加电场作用下，产生刺激信号作用于肌肉，实现对患者的康复治疗，感知模块记录到相应的信息。杨瑞嘉、苗盛巍等发明了一种功能性电刺激装置，刺激电流作用于肌肉，通过设定人体各个肢体部位动作的时序，模拟正常人运动的肌肉动作，实现对患者的康复治疗（杨瑞嘉，苗盛巍，徐贤彪，一种功能性电刺激装置及其方法: CN201220627712.2.）。邱爽等发明公开了一种功能性电刺激的精密控制方法，属于利用电脉冲刺激帮助残疾人康复的器械技术领域（邱爽，明东， 徐瑞，一种功能性电刺激的精密控制方法: CN201110131379.6）。但是目前的技术主要集中功能电刺激装置与柔性电子感知装置的分开研究，特别缺乏融合功能电刺激器件的柔性感知装置的产品，解决量化误差大、易于受到外界干扰、一致性等难题。

融合功能电刺激器件的柔性电子感知装置作为一种可嵌入或覆盖人体的高精尖装置，在不影响人体舒适度的情况下产生电触觉、声、光、温度等刺激信息，为融合功能电刺激器件的柔性电子感知装置在可控电刺激和感知方面提供了一种可行方案，增强了人体的感知能力，提高人体动作执行能力，有助于人体康复训练。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于面向残疾人提供一种融合外加功能电刺激的感知增强装置，包括基于同心共轴电容阵列的电触觉模块、基于加热线圈的温度刺激模块和基于网状金属电极的电生理反馈模块、基于薄膜应变片的皮肤应变感知模块、基于金属薄膜的热敏电阻的温度感知模块，当前刺激与感知功能模块均集成到同一块柔性基板上，在外加电场刺激作用下，刺激功能模块增强人体皮肤活性，感知装置记录到人体完成不同任务需要的压力。实现对人的感知增强功能，提出多功能集成的电刺激器件设计方法，实现对人体电刺激强度的量化评估与可控调节。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于发明一种融合功能电刺激的感知增强实现方法。所设计的感知增强装置在没有外加电场作用同样能够记录人体的温度、皮肤应变和电生理等信号；所设计的感知增强装置在外加电场作用下，电容触觉刺激模块和电阻丝温度刺激模块分别产生电触觉和温度信息刺激人体肌肤的活动，方便感知模块记录人体的生理信号，增强感知并记录人体生理信号的幅值与强度，进一步研究外加电刺激强度与感知到信号强度之间的耦合关系，用于揭示外加电场与人体感知能力之间的关系，增强人体的感知能力和实现对人体感知的动态调节。

进一步地，所述外加电场刺激下的增强感知装置实现流程与方法，包括以下步骤：

（1）面向典型应用场景（以上肢不方便的人群来抓取喝水杯为例），感知增强装置贴合在手腕上；

（2）分别利用柔性排线与所设计装置的电刺激引脚端口和生理感知信号端口相连；

（3）施加外加电压并做作用于电刺激功能模块中；

（4）利用多通道采集卡与感知增强装置的输出引脚相连，并记录不同感知模块对应的生理信号（温度、皮肤应变和电生理势信号）；

（5）在没有外加电刺激情形下，通过感知装置记录到人体抓取喝水杯过程中对应的电生理信号；在外加电场刺激下，采集到感知增强装置记录到的温度、皮肤应变和电生理等信号。比较分析有无外加电刺激情形下的感知增强装置记录到的电生理信号变化情况。

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，由于本发明一种融合功能电刺激作用的感知增强装置，在外加电压作用下，产生功能电刺激信息，增强肌肤的活动能力，同时装置中的感知功能模块能记录到更加微弱的生理信息，增强了人体的感知能力，提高人体动作执行能力，有助于人体康复训练。

本发明融合功能电刺激的感知增强装置，具有柔软易变形特性，与柔软皮肤表面保持共形接触，提高对人体刺激的稳定性和感知生理信号精度，采用聚合物对装置进行封装，从而集成到服装、鞋子、生物医疗器具等，支持可穿戴电子与残疾人康复训练的应用。

综上所述，本发明融合功能电刺激作用的感知增强装置，集成电刺激与感知模块，柔软变形特性与皮肤表面兼容，辅助不便人群的感知增强和动作执行能力，为下一代可穿戴电子器件的研究热点和支持人机交互应用。

附图说明

图1 外加电刺激下的感知增强装置结构布局，主要包括电触觉刺激模块、温度刺激模块和电生理感知模块、温度感知、皮肤应变感知模块。

图2外加电刺激下的感知增强装置原理与功能模块设计。（a）为应变传感器原理等效电路图；（b）为应变传感器结构示意图；（c）为电触觉刺激原理等效电路图；（d）为电触觉模块结构示意图；（e）为电生理感知模块原理等效电路图；（f）电生理感知模块结构示意图；（g）为温度传感器原理等效电路图；（h）为加热刺激模块结构示意图；（i）为温度传感器等效电路图，（j）为温度传感器结构示意图。图3 对人体感知增强的实现流程与方法。主要包括器件装置安装、外加刺激和生理记录等过程。

图中符号意义说明如下：

11-弹性薄膜；12-电触觉刺激模块；13-电生理感知模块；14-电刺激模块引脚；15-温度刺激模块；16-温度感知模块；17-感知模块引脚；18-皮肤应变模块；201-弹性薄膜；202-功能刺激或者感知模块；203-柔软皮肤；204-应变传感器原理等效电路图；205-电触觉刺激原理等效电路图；206-电生理感知模块原理等效电路图；207-加热刺激模块原理等效电路图；208-温度传感器原理等效电路图；209-应变传感器结构示意图；210-电触觉模块结构示意图；211-电生理感知模块结构示意图；212-加热刺激模块结构示意图；213-温度传感器结构示意图。

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。

参见图1，给出了融合外加功能电刺激下感知增强装置的结构框架图，所设计的融合外加功能电刺激下感知增强装置包括电触觉刺激模块12、温度刺激模块15和温度感知模块16、应变感知模块18、电生理势感知模块13，所有功能模块均集成在同一可拉伸弹性基板（聚二甲硅氧烷）11上。其中，电触觉刺激模块采用电容阵列实现，在外加电压作用下，产生电触觉再现信息，刺激人体触觉感知能力；温度刺激模块采用加热线圈实现，在外加电压作用下，线圈发热产生温度信息刺激人体的皮肤表面温度敏感能力，通过柔性导线将电刺激模块的输入引脚14连接在一起，实现对柔软皮肤产生电刺激信息。电生理感知模块采用网状金属电极实现，包含接地电极、测量电极和参考电极三个模块，直接感知人体的电生理势活动，获取人体的电生理势信息；温度感知模块为可拉伸线圈构成，线圈的电阻随着温度的变化而改变，从而获取人体皮肤表面的温度信息；皮肤应变感知模块为金属应变片设计形成，应变感知模块的电阻值随着皮肤表面的应变而改变，实现对皮肤表面应变的测量。感知功能模块在没有电刺激作用下能够监测人体生理健康状态，在融合功能电刺激作用后，其感知能力能够提高，有助于残疾人的康复训练能力。

参见图2，所设计融合功能电刺激的感知增强装置原理与结构示意图，为人体提供稳定可控电刺激信息和精确可靠的温度、应变和电生理势感知信息，所有功能模块202均集成在聚二甲基硅氧烷弹性基板201上，贴合在柔软皮肤表面203，感知增强装置的原理为：电触觉刺激在外加电场作用下同心共轴电容产生触觉信息刺激人体（图2（c））、温度刺激在外加电场作用下线圈产生热量信息刺激人体（图2（g））、电生理反馈在外加电场作用下产生电生理信息刺激人体（图2（e）），依附在可拉伸聚二甲基硅氧烷弹性基板201上，在外加电场作用下产生稳定可控的电生理、温度和电触觉等信息。电刺激装置可控刺激主要取决于装置结构、功能材料、工作环境和外加电压。图2中为对应的多功能电刺激装置的功能模块示意图。例如图2（c）-（d）为所设计的电触觉再现与刺激模块，同心共轴电容阵列在外加电压下产生电触觉刺激信号，阵列单元与互连微结构相连实现电触觉模块的拉伸变形能力；图2（g）-（h）为所设计的温度刺激模块，由可拉伸微结构相连构成的线圈电阻，在外加电压的作用下产生加热刺激信息，实现对人体皮肤表面的温度动态调节；图2（e）-（f）为所设计的电生理反馈模块，健康监测模块主要依赖于人体皮肤表面的离子活动，利用金属薄膜电极感知并记录人体的电生理势信息。参见图1和图2，所设计的多功能电刺激装置在外加电压作用下对人体产生相应的激励信号，增强人体的感知、康复训练与动作执行能力。

感知增强实现流程：

下面结合具体实例和图3对本发明作进一步说明，图3为本发明外加电刺激作用下的感知增强装置增强感知的实现流程与方法，其中的主要步骤如下：

（1）以上肢不方便的人在喝水过程中，将融合功能电刺激能力的感知增强装置贴合在手腕上，利用所设计的感知增强装置与皮肤表面之间的范德华力实现装置与皮肤之间的共形接触，以保证外加功能电刺激信号的稳定性和记录电生理信息的精度；

（2）利用柔性排线分别与所设计融合功能电刺激的感知增强装置中的电刺激输入引脚端口和生理感知信号端口连接在一起，分别引出感知增强装置的刺激输入与感知端口，实现与电刺激激励信号和感知采集仪器设备相连；

（3）将电刺激引脚与外加电刺激仪器设备相连接，电激励信号装置产生周期性脉冲信号用于刺激每个同心共轴电容，产生电触觉再现信号，增强人体的触觉感知与肌肤活性；产生温度信号刺激人体肌肤，对应的电刺激信号产生稳定电压信号经过温度刺激模块刺激人体肌肤；

（4）利用多通道采集卡与感知增强装置的感知引脚相连，分别记录不同感知模块对应的生理信号（温度、皮肤应变和电生理势信号），验证所设计感知增强装置的测试效果；

（5）通过感知装置记录到人体抓取喝水杯过程中对应的电生理信号；同样在外加电场刺激下，采集到感知增强装置记录到的温度、皮肤应变和电生理等信号。比较有无外加电刺激情形下的感知增强装置记录到的电生理信号变化情况，在此基础上研究电生理信号在外加电刺激下的感知增强能力。

通过图3所示的感知增强实现方法，得到在可拉伸弹性基板上集成电刺激模块和感知模块，其中电刺激包含温度和电触觉模块；感知模块包括温度、应变和电生理感知模块，在外加电场作用下实现增强人体感知的能力。感知增强装置贴合在皮肤表面，在外加电场作用下产生电触觉、温度等刺激信息，增强人体肌肤活性和灵敏度，通过感知模块获取人体更大范围的生理活动，得到在电刺激作用下感知增强装置记录到的微弱信号的幅值与强度有明显增大，增强人体感知的能力。所述感知增强装置在在外加电压作用下同时产生多种电刺激信号，有助于揭示多种刺激信息之间的耦合关系，增强残疾人群的感知与动作执行能力。

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 (7)

1.一种融合功能电刺激的感知增强装置，包括电刺激模块和感知模块，其中电刺激包括温度和电触觉刺激模块；感知模块包括应变、温度和电生理势模块；在无需外加电场作用情形下，感知增加感知更加稳定获取人体皮肤表面应力、温度和电生理等信息。

2.根据权利要求1所述的感知增强装置，其特征在于，所述生理感知功能模块在外加电场作用下，扩大了记录人体生理数据的范围。

3.根据权利要求2所述的外加电场下的感知增强装置，其特征在于，所述感知增强装置揭示了外加电刺激强度与感知信号强度之间的关系。

4.一种外加电场刺激作用下的感知增强器件实现方法，包括以下步骤：

（1）将感知增强装置贴合在皮肤表面上，利用所设计柔性装置与皮肤表面之间的范德华力实现器件与皮肤之间的共形接触；

（2）利用柔性排线分别引出感知增强装置的刺激与感知端口，方便与电刺激激励信号和感知采集仪器相连；

（3）外加电场作用于电刺激功能模块，产生电刺激信号作用于人体肌肤；

（4）利用多通道采集卡记录不同感知模块对应的生理信号（温度、皮肤应变和电生理势信号）；

（5）比较有无外加电刺激情形下的感知增强装置记录到的电生理信号变化情况，研究电生理信号在外加电刺激下的感知增强能力。

5.根据权利要求4所述的融合功能电刺激的感知增强装置实现方法，其特征在于，信号感知的范围在外加电场作用下能够实现动态调控。

6.根据权利要求4所述的融合功能电刺激的感知增强装置实现方法，其特征在于，所述感知增强装置与皮肤表面保持共形接触，保证电刺激信号的稳定性和记录生理信号的精度。

7.按照权利要求4~6任意一项所述的方法实现感知增强装置的功能。