CN111221419A - 一种用于人体运动意图感知的阵列式柔性电容电子皮肤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于人体运动意图感知的阵列式柔性电容电子皮肤，具体属于一种可用于人体运动意图识别的柔性电容传感装置。包括传感交互模块：用于与用户肌体构成耦合电容，以获得电容信号；传感信号CDC模块：用于将所述耦合电容信号转化为数字信号；控制及传输模块：用于驱动控制所述传感信号CDC模块并将数字信号通过无线传输至用户移动终端；用户移动终端：对所接收信号数据进行处理后发送控制指令至控制设备。本发明为采用柔性材料印刷技术的柔性电容传感阵列，拥有良好的挠性，可以充分贴合使用者衣物，提高可穿戴性。

Description

一种用于人体运动意图感知的阵列式柔性电容电子皮肤
技术领域
本发明涉及一种柔性可穿戴的阵列式电容电子皮肤，具体属于一种可用于人体运动意图识别的柔性电容传感装置。
背景技术
柔性电子皮肤在医疗健康、智能机器人等领域有着广阔的应用前景，是当前重要前沿研究方向之一。人体皮肤是非常精巧的传感系统，能够感知外界多重刺激并传递给神经系统，进而产生相应的生理反应，完成人类与环境的交互。近年来，随着柔性电子学和仿生学的发展，具有不同工作原理的超高灵敏度柔性传感器被研发出来，用于模拟人体皮肤对外界的感知能力，而且以感知压力和温度的传感器居多。
在人机交互领域中，人体运动意图感知是关键技术问题之一，可应用于外骨骼机器人、医疗机器人交互控制。作为人机协作的典型代表，这类机器人充分反映了人机及交互模式的种种需求。当前，人们对外骨骼机器人可操作性与安全性的要求愈发提升，亟需一款响应速度快、灵敏度高、模式识别能力强的人体运动意图感知系统。运动意图感知传感器作为一种人机交互接口，可以为人机共融在医疗、工业乃至军事领域的推进提供技术支撑。通过对用户运动意图的感知，可预测并控制外部设备以执行特定任务，为人机协作带来更好的体验。
目前，国内外对运动意图感知已经进行了大量的研究。其中获取运动意图信号主要分为两类：生物信号和物理信号。该领域中研究的生物信号主要是肌电信号和脑电信号。肌电信号具有较强的实时性，并且信息准确性高，但同时也有以下局限性：1、肌电信号的采集需要金属电极紧贴被测肌肉的皮肤，很多情况下不便信号采集。2、由于采集肌电信号的金属电极与皮肤直接接触，容易受到汗液的干扰而影响信号识别的准确性。脑电信号的采集可分为植入式和非植入式。植入式电极在植入过程中具有一定风险，尚不被大多数人所接受；非植入式采集头皮表层脑电波，但是抗干扰能力较差。相对于生物信号，物理信号的采集则更为方便，且对人体影响较小，主要是通过采集下肢摆动倾角、速度和加速度等信息来进行人体运动意图的识别，但是物理信号误差较大，并且存在延时性，不便于对运动意图的实时监测识别。
电容式传感器因具有体积小，灵敏度高等优点在机器人仿生皮肤研究领域中得到广泛应用。
中国发明专利申请号CN201410245030.9A，一种用于人工智能皮肤的全柔性电容式触觉传感器，旨在解决现有全柔性电容式触觉传感器量程与灵敏度不可调、抗干扰性差、不易阵列化等问题。主要用于接触力的测量，采集的物理信号具有延时性。
中国发明专利申请号CN201410125782.1，该发明公开了一种用于智能假肢的电容传感系统。该系统采用非接触式电容采集方式，不受皮肤汗液干扰，可适用于不同截肢类型和截肢长度。采用多通道信号采集，提高了信号识别准确率。但是该系统信号采集部位直接将电极片固定在假肢内部，所用材料刚性较大、缺少柔性，人体适应性较差；改传感器根据肌肉位置选点采样，系统信号通道仍较少，不具有阵列特征，不能准确刻画肌肉形态；采集单元固定直接固定在刚性材料中，无法直接用于不同正常人体的运动意图识别；
中国专利申请号CN 201810326778.X，该发明公开了一种具有采集肌电信号与电容信号的双通道的穿戴设备。该设备同时采集肌电信号和电容信号共同用于动作识别，提高了动作识别的准确率；该设备采用柔性材料，提高了穿戴设备的适应性。但是该设备采集肌电信号需要贴近皮肤表面，容易受到干扰；同时使用双电极电容，不能直接刻画肌肉形态，运动意图识别准确率不高。
发明内容
本发明旨在针对上述背景中的不足，研发了一种用于运动意图感知的柔性电容电子皮肤。核心技术是采用柔性电子和仿生技术，发明一种阵列式、可穿戴性好、识别能力强、制造成本低的传感系统，并且提供一种对使用者个体特征差异兼容性强的高适应性传感系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：其主要特点在于包括了传感交互模块，传感信号CDCcapacitance-to-digital converter模块，控制及传输模块，用户移动终端，控制设备；所述传感交互模块用于与用户肌体构成耦合电容，以获得电容信号；所述传感信号CDC模块用于将所述耦合电容信号转化为数字信号；所述控制及传输模块用于驱动控制所述传感信号CDC模块并将所述数字信号通过无线传输至用户移动终端；所述用户移动终端可为手机、平板、笔记本等设备，对所接收信号数据进行处理后发送控制指令至所述控制设备。
所述传感交互模块包括柔性电容传感阵列和系缚带，所述柔性电容传感阵列固定于所述系缚带内表面；所述柔性电容传感阵列采用柔性印刷技术，包括采用阵列式布局的若干电极及屏蔽层与走线；各所述电极独立构成单电极电容传感器，而使用者肌体构成等效对侧电极，形成耦合电容；所述屏蔽层及走线延伸出后与所述传感信号CDC模块连接。
所述传感信号CDC模块包括电容传感芯片，其数量由所述柔性电容传感阵列电极数量确定；所述传感信号CDC模块测量耦合电容值；所述传感器芯片内含数字滤波器，将所测电容信号滤波后转换为数字信号并传输至所述控制及传输模块；所述控制及传输模块包括主控芯片及蓝牙模块，所述控制及传输模块将所得反映耦合电容值的数字信号通过蓝牙模块无线传输至用户移动终端进行后续数据处理。所属用户移动终端采用机器学习算法对数据进行
所述柔性电容传感阵列由柔性材料印刷成型，电极板采用1oz铜箔基板；所述阵列式布局采用矩形阵列，电极数量与识别分辨率正相关，经测试采用10-16组电极效能较高；所述系缚带为弹性织物材质，其外表面局部布置有尼龙搭扣用于便捷穿戴；所述传感信号CDC模块及所述控制及传输模块构成印刷电路部分，所述印刷电路均采用柔性印刷技术，并固定于所述系缚带外表面未布置搭扣区域。
本发明采用以上技术方案相较现有技术有以下优点：1.本发明为采用柔性材料印刷技术的柔性电容传感阵列，拥有良好的挠性，可以充分贴合使用者衣物，提高可穿戴性；2.柔性电容传感阵列还避免了由传感器刚性带来的测量气隙，减小误差；3.阵列式布局提高了测量点密度，提升了传感信号在测量表面的连续性，可以更精确的刻画用户肌肉形态的变化，提升了识别准确度；4.阵列式布局避免了选定特殊位置进行传感测量，因而具备了更高的适应度，可用于使用者上肢、下肢等多个部位的运动监测；5.柔性电容传感阵列及印刷电路部分均布置于系缚带上，全部走线采用印刷技术，集成度高且封装完整，便于使用者快捷佩戴；6.传感控制系统采用无线通讯技术，将繁重计算任务转移至移动终端，简化系统本地结构，完成轻量化、小型化；7.采用机器学习算法，针对不同使用者或不同佩戴部位进行学习，提升自适应性；8.制造工艺成熟，可大批量生产。
附图说明
图1为传感系统组成示意图。
图2为传感控制系统框架示意图。
图3为柔性传感模块结构示意图。
图4为传感模块阵列方式示意图。
图5为柔性传感模块弯曲示意图。
具体实施方式
本发明采用电容传感技术，通过测量使用者肌肉形态改变引起的等效电容变化特征来表征使用者的运动意图，由此进行意图感知从而控制外部设备进行人机协作。下文将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明包括传感信号采集单元Ⅰ、用户移动终端Ⅱ和控制设备Ⅲ。信号采集单元Ⅰ用于采集被测部位的耦合电容并进行模数转换及滤波处理，然后将采集到的电容信号通过蓝牙无线传输至用户移动终端Ⅱ；用户移动终端Ⅱ用于运行机器学习算法来识别接收到的电容信号，利用识别得到的运动意图产生对应的控制指令并传输至控制设备Ⅲ，控制设备Ⅲ用于控制外部设备完成用户所需的功能。
如图2所示，传感信号采集单元Ⅰ包括柔性传感阵列1、传感信号CDC模块2、μC主控芯片3以及蓝牙模块4。柔性传感阵列1用于与被测部位形成耦合电容以构成电容传感测量通路；传感信号CDC模块2用于测量并记录待测耦合电容值的变化特征，通过SPI/I2C串行总线将数据传输至μC主控芯片3；μC主控芯片3读取通过传感信号CDC模块2得到的电容信号数据，并通过蓝牙模块4将数据无线传输至用户移动终端。
如图3所示，柔性传感阵列包括电容电极片层7、电容传感电路层6以及柔性封装层5。电容电极片层7的电极片采用阵列式分布，针对不同情况可分别采用两种不同分布方式，如图4所示。如果信号采集部位宽度受到限制可采取分布方式A，如果要求较高的控制精度可采取分布方式B。各电极片与电容传感电路层6联通。电容传感电路层6通过屏蔽层8与走线与传感信号CDC模块2相连。
上述实施例中，柔性传感阵列采用柔性材料印刷技术，如图5所示，集成度高且封装完整。拥有良好的挠性，可以充分贴合使用者衣物，提高了穿戴的舒适度。
上述实施例中，传感信号CDC模块2的电容传感芯片封装有如下电容测量操作：施加一个方波信号至柔性电容传感阵列1的每个电极片，在方波信号上升沿，耦合电容充电至最高电压，在方波信号下降沿，耦合电容放电至最低电压。通过记录充放电时间来测量对应各柔性传感阵列电极板与使用者肌体构成耦合电容的值。传感信号CDC模块2将得到的电容信号转变为数字信号，并通过数字滤波模块滤除信号中的噪音，最终将滤波后的信号存储在寄存器内，通过串行总线传输至μC主控芯片3。
上述实施例中，采用分级识别法对得到的电容信号进行运动意图的识别。在第一级识别中，采用二次分类识别用户处于静止状态还是运动状态；如果处于运动状态则进入第二级识别。在第二级识别中，采用支持向量机SVM识别用户当前的运动状态。
上述实施例中，电容传感芯片采用亚德诺半导体公司生产的AD7147芯片，所述AD7147芯片内部置有Σ-ΔADC以将电容信号转换为16bit的数字信号；所述电容传感芯片通过SPI/I2C串行总线与所述主控芯片通讯。
上述实施例中，主控芯片采用ATMEL公司生产的ATmega328P-AU芯片，支持SPI/I2C通讯；所述蓝牙模块采用深圳市天工测控技术有限公司生产的SKB369蓝牙模块，所述SKB369蓝牙模块基于Nordic公司生产的nRF52832芯片开发，支持蓝牙4.2，传输速率1Mpbs，可通过SPI串行总线与所述主控芯片通讯。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种用于人体运动意图感知的阵列式柔性电容电子皮肤，其特征在于，包括：
传感交互模块：用于与用户肌体构成耦合电容，以获得电容信号；
传感信号CDC模块：用于将所述耦合电容信号转化为数字信号；
控制及传输模块：用于驱动控制所述传感信号CDC模块并将数字信号通过无线传输至用户移动终端；
用户移动终端：对所接收信号数据进行处理后发送控制指令至控制设备。
2.根据权利要求1所述的一种用于人体运动意图感知的阵列式柔性电容电子皮肤，其特征在于，所述传感交互模块包括柔性电容传感阵列和系缚带，所述柔性电容传感阵列固定于所述系缚带内表面；所述柔性电容传感阵列采用柔性印刷技术，包括采用阵列式布局的若干电极及屏蔽层与走线；各电极独立构成单电极电容传感器，而使用者肌体构成等效对侧电极，形成耦合电容；所述屏蔽层及走线延伸出后与所述传感信号CDC模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于人体运动意图感知的阵列式柔性电容电子皮肤，其特征在于，所述传感交互模块包括柔性电容传感阵列和系缚带，所述柔性电容传感阵列固定于所述系缚带内表面；所述柔性电容传感阵列采用柔性印刷技术，包括采用阵列式布局的若干电极及屏蔽层与走线；各所述电极独立构成单电极电容传感器，而使用者肌体构成等效对侧电极，形成耦合电容；所述屏蔽层及走线延伸出后与所述传感信号CDC模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于人体运动意图感知的阵列式柔性电容电子皮肤，其特征在于，所述传感信号CDC模块包括电容传感芯片，其数量由所述柔性电容传感阵列电极数量确定；所述传感信号CDC模块测量耦合电容值；所述传感器芯片内含数字滤波器，将所测电容信号滤波后转换为数字信号并传输至所述控制及传输模块；所述控制及传输模块包括主控芯片及蓝牙模块，所述控制及传输模块将所得反映耦合电容值的数字信号通过蓝牙模块无线传输至用户移动终端进行后续数据处理；所属用户移动终端采用机器学习算法对数据进行。
5.根据权利要求1所述的一种用于人体运动意图感知的阵列式柔性电容电子皮肤，其特征在于，所述柔性电容传感阵列由柔性材料印刷成型，电极板采用1oz铜箔基板；所述阵列式布局采用矩形阵列，电极数量与识别分辨率正相关，经测试采用10-16组电极效能较高；所述系缚带为弹性织物材质，其外表面局部布置有尼龙搭扣用于便捷穿戴；所述传感信号CDC模块及所述控制及传输模块构成印刷电路部分，所述印刷电路均采用柔性印刷技术，并固定于所述系缚带外表面未布置搭扣区域。
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