CN111616705A - 一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器，属于传感器装置领域。该传感器的结构由形状相同的多层薄膜贴合连接而成，多层薄膜至下而上依次至少包括第一绝缘层、肌电信号感知层、第二绝缘层、肌肉变形信号感知层、第三绝缘层、肌音信号感知层和传感器保护层。本发明可同时测量肌肉运动时表面同一位置产生的多模态信号，包括肌电信号、肌音信号和肌肉变形信号。该柔性传感器具有易穿戴、测量信号同源等优势。本发明能有效减少分体式传感器在同源信号测量中的偏差、降低硬质材料或刚体结构压迫肌肉造成异常变形引进的测量误差、改善人机交互过程中穿戴者的舒适性等。

Description

一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器

技术领域

本发明提出一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器，属于传感器装置领域。

背景技术

肌肉驱动关节运动时肌肉会表现出来多模态的生理信号，这些信号常被获取用来估计或预测肌肉或关节的运动意图，再用于控制外部机器人等设备。肌电信号、肌音信号、肌肉变形信号等是肌肉运动过程中表现出来的较为全面的三种不同模态的信号。肌电信号、肌音信号、肌肉变形信号等都有各自的优势，但它们也都存在缺点，很难从单一肌肉表面信号中提取出较为全面的肌肉活动信息。而将多模态的肌肉表面信号进行融合，提取多模态信号之间的互补信息，是目前很多人机接口领域的研究热点。

现有的获取肌电信号、肌音信号或肌肉变形信号的传感器有很多种类型，但大多数由刚体结构或硬质材料组成，这类传感器的皮肤相容性和穿戴舒适性等都较差，在应用过程中会有明显的不适感。同时由于刚体结构或硬质材料在使用过程中会压迫肌肉造成所采集的信号失准。软材料和纳米技术的进步使得设计柔性传感器成为可能，柔性传感器在可穿戴系统、人机交互、健康监测等领域得到广泛关注。近年来，柔性肌电信号传感器开始采用导电水凝胶电极、金属纳米线弹性体等方式实现；柔性肌肉变形信号传感器采用纳米结构材料、导电聚合物、石墨烯、碳纳米管、压电材料等方式实现；柔性肌音信号传感器目前较少，而在正常声音感知方面，出现了柔性音频传感器，其采用软材料摩擦、压电效应等方式实现声音的感知。已有的柔性传感器使得在某一单一维度上进行肌肉运动的感知成为可能。

但目前面向肌肉运动信号感知的传感器大多为单一模态传感器，即一个传感器只能测量一种信号，若要同时测量多种肌肉运动信号，则需要在肌肉表面布置多个传感器。由于现有传感器多由刚体结构或硬质材料组成，很难在同一位置放置多个传感器，因此只能采用分体式传感器进行错位布置，这样获取的多模态肌肉运动信息严格意义上讲不是同源的，这样获取的非同源信号将对后续多模态信息融合方面带来困难。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器。本发明设计的柔性传感器为由分层结构组成，可同时测量肌肉运动过程中的表面肌电信号、肌音信号和肌肉变形信号等。本发明能有效减少分体式传感器在同源信号测量中的偏差、降低硬质材料或刚体结构压迫肌肉造成异常变形引进的测量误差、改善人机交互过程中穿戴者的舒适性等

本发明提出一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器，其特征在于，该柔性传感器的结构由形状相同的多层薄膜贴合连接而成，多层薄膜至下而上依次至少包括第一绝缘层、肌电信号感知层、第二绝缘层、肌肉变形信号感知层、第三绝缘层、肌音信号感知层和传感器保护层；所述肌电信号感知层、第二绝缘层、肌肉变形信号感知层、第三绝缘层均开设有多个数量相同且相通的孔洞，所述第一绝缘层开设有镂空区域，所述孔洞均处于第一绝缘层的镂空区域内。

本发明的特点及有益效果：

本发明通过对柔性传感器进行科学、合理的分层设计，实现了单个传感器的多模态肌肉运动信号获取，可同时获取肌肉表面同源的肌电信号、肌音信号和肌肉变形信号等，有效减少分体式传感器在同源信号测量中的偏差、降低硬质材料或刚体结构压迫肌肉造成异常变形引进的测量误差、改善人机交互过程中穿戴者的舒适性等。

附图说明

图1为本发明的用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明提出一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器，该柔性传感器的结构如图1所示，其中图1(a)为柔性传感器的整体示意图，图1(b)为柔性传感器的分层示意图，该柔性传感器包括：肌电信号感知层7、肌肉变形信号感知层5、肌音信号感知层、3层绝缘层和1层传感器保护层1；其中，肌音信号感知层由导电纳米薄膜材料层3和含有表面微结构的软体材料层2组成；3层绝缘层分别为第一绝缘层8、第二绝缘层6和第三绝缘层4。

所述第一绝缘层8连接肌电信号感知层7，肌电信号感知层7连接第二绝缘层6，第二绝缘层6连接肌肉变形信号感知层5，肌肉变形信号感知层5连接第三绝缘层4，第三绝缘层4连接肌音信号感知层中的导电纳米薄膜材料层3，导电纳米薄膜材料层3连接含有表面微结构的软体材料层2，含有表面微结构的软体材料层2连接传感器保护层1。层与层之间通过贴合放置连接。

所述柔性传感器每层感知层和绝缘层以及保护层的尺寸(长度和宽度)相同，该尺寸大小取决于待测肌肉范围大小，考虑到方便外接信号处理装置等，传感器通常被制成长方形，尺寸通常为宽3厘米，长6厘米。

其中，所述第一绝缘层8的中心区域为镂空区域，镂空区域大小覆盖待测肌肉表面皮肤范围；所述肌电信号感知层7、肌肉变形信号感知层5、第二绝缘层6以及第三绝缘层4中每层与第一绝缘层8镂空区域的重叠部分均含有多个数量相同且同心的圆通孔，用于将肌肉运动产生的声音信号(肌音信号)从皮肤表面传递给肌音信号感知层。所述各层圆孔数量，通常由传感器所测肌肉区域决定，通常为4-8个；圆孔通过模具预留或圆形刀具切割等实现，圆孔直径通常为3-5毫米。

所述肌电信号感知层7，用于感知肌肉运动产生的生理电信号，所述肌电信号感知层通常为由导电水凝胶材料、金属纳米材料或导电聚合物材料制备而成，肌电信号感知层厚度通常为100微米以下。本发明采用由银纳米线涂布的硅胶材料制成。

所述肌肉变形信号感知层5，用于感知肌肉运动变形时对传感器产生的压力信号，所述肌肉变形信号感知层通常由石墨烯、碳纳米管等新型纳米材料或压电材料组成，所述新型纳米材料或压电材料具有较灵敏的压阻或压电效应。肌肉变形信号感知层厚度通常为100微米以下薄膜结构。

所述肌音信号感知层，用于感知肌肉运动产生的声音信号，所属肌音信号感知层通常由导电纳米薄膜材料层3和含有表面微结构的软体材料层2组成，其中纳米薄膜材料层用于感受微弱声音震动采集声音信号，震动后纳米薄膜材料层与含有表面微结构的软体材料层摩擦，将声音信号转为电信号，所述肌音信号感知层中的纳米薄膜通常为纳米级厚度的薄膜，含有表面微结构的软体层通常为微米级薄膜；所述表面微结构通常为微金字塔、微圆柱、微圆锥等形状，直径或宽度通常为10微米，高度为5微米，也可采用其他尺寸；该表面微结构采用含有微结构的硅模具制成。

所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层通常由派瑞林等纳米聚合物材料制备而成的纳米厚度薄膜；

所述第一绝缘层位于传感器的最底层，第一绝缘层的上表面与肌电信号感知层连接，第一绝缘层的中间镂空区域用于使得肌电信号感知层与皮肤接触，同时确保镂空之外区域的肌电信号感知层不与皮肤接触；

所述第二绝缘层位于肌电信号感知层与肌肉变形信号感知层之间，用于肌电信号感知层与肌肉变形信号感知层的绝缘隔离；

所述第三绝缘层位于肌肉变形信号感知层与肌音信号感知层之间，用于肌肉变形信号感知层与肌音信号感知层的绝缘隔离。

所述传感器保护层，用于保护肌音信号感知层的上表面，通常由微米级硅胶制备而成。

本发明提出的用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器，在应用时，将传感器贴在待测肌肉的待测区域皮肤上，传感器中心与待测区域中心对齐，其中，传感器的第一绝缘层直接放置在待测区域的皮肤上，贴合完毕后，肌电信号感知层的中心区域通过第一绝缘层镂空区域与皮肤直接接触，肌电信号感知层的其它区域与第一绝缘层接触；将肌电信号感知层、肌音信号感知层和肌肉变形信号感知层三层的边缘分别通过导线连接信号放大与处理装置，该三层所采集的信号经过放大与处理后，即可得到肌肉运动过程中的实时肌电信号、肌音信号和肌肉变形信号。

Claims (5)

1.一种用于多模态肌肉运动信号感知的柔性传感器，其特征在于，该柔性传感器的结构由形状相同的多层薄膜贴合连接而成，多层薄膜至下而上依次至少包括第一绝缘层、肌电信号感知层、第二绝缘层、肌肉变形信号感知层、第三绝缘层、肌音信号感知层和传感器保护层；所述肌电信号感知层、第二绝缘层、肌肉变形信号感知层、第三绝缘层均开设有多个数量相同且相通的孔洞，所述第一绝缘层开设有镂空区域，所述孔洞均处于第一绝缘层的镂空区域内。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述肌音信号感知层由导电纳米薄膜材料层和含有表面微结构的软体材料层组成。

3.如权利要求1和2所述的传感器，其特征在于，所述肌电信号感知层为导电水凝胶材料、金属纳米材料或导电聚合物材料中的任一种薄膜层。

4.如权利要求1和2所述的传感器，其特征在于，所述肌肉变形信号感知层为石墨烯、碳纳米管或压电材料中的任一种薄膜层。

5.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述含有表面微结构的软体材料层所采用的微结构为微金字塔、微圆柱或微圆锥中的任一种形状，表面微结构采用含有微结构的硅模具制成。

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