CN112741619A - 一种自驱动唇语动作捕捉装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种自驱动唇语动作捕捉装置，包括依次叠设的传感器固定件、压紧层、自驱动传感和亲肤层；传感器固定件和亲肤层中部正对的区域开有第一通孔，用于使佩戴者的唇部外露；传感器固定件的第一通孔两侧与唇部运动相关的肌肉位置处贴设有若干所述压紧层，各压紧层上分别贴设一个自驱动传感器，各所述自驱动传感器采样相互独立的接触分离式摩擦纳米发电机结构，用于捕捉佩戴者的唇部动作信号；亲肤层面向佩戴者一侧上还设有接地电极，该接地电极和各自驱动传感器均分别通过信号线与外部的信号处理系统连接。本发明利用基于摩擦纳米发电机结构的柔性传感器将机械能转化为电能，无需额外电源及控制电路，实现了唇语动作采集装置的轻量化。

Description

一种自驱动唇语动作捕捉装置

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种自驱动唇语动作捕捉装置，特别是基于摩擦纳米发电机结构的柔性自驱动传感器进行口型动作传感捕捉。

背景技术

交流在社会中无处不在又不可或缺，日常生活中的交流主要有语音交流和文字交流两种形式。与文字交流相比，语音交流在日常生活中使用更频繁，交流效率也更高，是人类最重要的一种交流方式。然而社会上有一群人，因为喉癌、喉损伤等原因失去了语音交流能力。失去语音交流能力的人群除需要克服生活上的不便以外，还需要面对因交流不畅带来的自卑、孤僻等心理问题，心理健康和精神健康受到严重的影响。

目前辅助喉损伤患者恢复交流能力的手段主要有手语、唇语等。相较于手语而言，唇语不需要额外学习，学习成本低；也可以表达更加复杂的信息，表达效率更高；同时不需要占用手部动作，在日常生活中使用更加方便。但多数人并不能流畅高效地理解唇语，因而多种唇语识别装置被发明出来：

中国发明专利公开号CN102117115A，公开日是2011年7月6日，专利名称是一种利用唇语进行文字输入选择的系统及实现方法。该专利通过摄像头采集嘴唇动作，再对嘴唇动作信息进行识别和输出。

中国发明专利公开号CN104217218A，公开日是2014年12月17日，专利名称是一种唇语识别方法及系统。该专利向面部发射电磁无线信号，并通过接收嘴唇运动反射的信号捕捉嘴唇动作信息，进而进行信息识别和输出。

中国发明专利公开号CN105488524A，公开日是2016年4月13日，专利名称是一种基于可穿戴设备的唇语识别方法及系统。该专利通过向用户面部投射结构光，通过获取唇部运动时反射的结构光信息，进而识别信息内容。

中国发明专利公开号CN106328141A，公开日是2017年1月11日，专利名称是一种面向移动终端的超声波唇读识别装置及方法。该专利通过向面部发射超声波并采集嘴唇部位反射的超声信号进行嘴唇运动信息采集，进而进行识别。

中国发明专利公开号CN106774856A，公开日是2017年5月31日，专利名称是基于唇语的交互方法以及交互装置。该专利通过获取唇部的深度图像、红外图像以及彩色图像进行信息识别和信息输出。

以上专利围绕口型捕捉进行叙述，其中的嘴唇动作采集方法主要是依靠非接触式传感器采集，利用发射波的反射信号差异性得到嘴唇的位移信息。但是在口型动作的采集装置上，图像视觉、红外信号、深度信号、超声波、结构光、电磁无线信号等信号发射器和接收器体积较大，在移动场景下使用并不方便；同时传感器的耗电问题，使得在移动场景下使用时需要额外的供电装置，使整个装置更加臃肿；基于非接触式的传感器的信号采集过程对角度要求比较高，需要正对嘴唇，同时信号易受环境因素影响，在移动场景下适用性较低。

基于摩擦纳米发电机结构的柔性传感器是一种可以将机械能转化为电能的自驱动传感器，且结构简单，尺寸轻薄，制作容易，生产成本低。这种接触式的传感器可以解决以上非接触式传感器存在的问题，在嘴唇动作传感方面有巨大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提供了一种自驱动唇语动作捕捉装置，该装置利用摩擦电荷分离原理将唇部运动时的机械运动转化为电信号，传输至处理器进行信号处理和识别。利用该传感器的自驱动特性，无需额外的供电和控制电路，实现了唇语动作采集装置的轻量化。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，包括依次叠设的传感器固定件、压紧层、自驱动传感和亲肤层；所述传感器固定件和亲肤层中部正对的区域开有第一通孔，用于使佩戴者的唇部外露；所述传感器固定件的第一通孔两侧与唇部运动相关的肌肉位置处贴设有至少一个所述压紧层，各压紧层上分别贴设一个所述自驱动传感器，各所述自驱动传感器采样相互独立的接触分离式摩擦纳米发电机结构，用于捕捉佩戴者的唇部动作信号；所述亲肤层面向佩戴者一侧上还设有接地电极，该接地电极和各自驱动传感器均分别通过信号线与外部的信号处理系统连接。

进一步地，各所述自驱动传感器均分别包括封装于绝缘壳体内且沿绝缘壳体厚度方向依次叠设的第一电极、第一摩擦材料层、间隔层、第二摩擦材料层和第二电极，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层的大小相同且应完全覆盖各自的电极，所述间隔层内开设有第二通孔，使得在唇部运动过程中第一摩擦材料层和第二摩擦材料层之间可以接触分离；第一电极和第二电极的输出端分别与相应的信号线连接。

进一步地，所述传感器固定件为经过褶叠并在传感器固定件两端缝合后形成，通过褶叠结构增大传感器固定件的可拉伸范围；在缝合处外侧设有佩戴部。

进一步地，所述唇部运动相关的肌肉位置包括颧肌、颊肌、二腹肌、口轮匝肌、提上唇肌、降下唇肌、降口角肌和颌关节处。

本发明具有以下优点和有益效果：

基于摩擦纳米发电机结构的传感器是一种自驱动传感器，可以将机械能转化为电能，无需额外电源及控制电路；该传感器结构简单，制作容易，生产成本低；该传感器尺寸轻薄，传感灵敏度高。本装置适用于强调便携、轻量化、低成本的使用场景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的一种自驱动唇语动作捕捉装置的结构示意图(分解状态)；

图2是图1所示装置中各部件之间的走线方式示意图；

图3是图1所述装置中基于摩擦纳米发电机结构的传感器的半剖图；

图4的(a)和(b)分别是图3所示基于摩擦纳米发电机结构的传感器中间隔层可采用的不同打孔方式示意图；

图5是图1所示装置中传感器固定件的褶叠式设计示意图；

图6是图1所示装置中传感器固定件的佩戴示意图；

图7是本发明装置中自驱动传感器的工作原理；

图1到图7中：

1、传感器固定件， 2、自驱动传感器， 3、信号处理系统，

4、亲肤层， 5、接地电极， 6、压紧层，

7、用电器， 8、第一通孔， 9、信号线，

21、第一摩擦材料层 22、第二摩擦材料层， 23、第二电极，

24、绝缘封装材料， 25、间隔层， 26、第一电极，

251、第二通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种自驱动唇语动作捕捉装置的应用实例。

本发明提出的一种自驱动唇语动作捕捉装置，其结构如图1所示，主要包括依次叠设的传感器固定件1、压紧层6、自驱动传感器2和亲肤层4，；传感器固定件1和亲肤层4中部正对的区域开有第一通孔8，用于使佩戴者的唇部外露；传感器固定件1的通孔两侧与唇部运动相关的肌肉位置处贴设有若干压紧层6，各压紧层6上分别贴设一个自驱动传感器2(压紧层6和自驱动传感器2在传感器固定件1上的布设位置如图1中虚线框所示)，通过各自驱动传感器2捕捉佩戴者的唇部动作信号，利用压紧层6将自驱动传感器2压紧在佩戴者面部，使之更加贴合佩戴者的面部轮廓，各自驱动传感器2均由亲肤层4封装在内，且由亲肤层4与佩戴者直接接触，可改善本装置的佩戴体验；亲肤层4面向佩戴者一侧上还设有接地电极5，该接地电极5和各自驱动传感器2均分别通过信号线9与外部的信号处理系统3连接；信号处理系统3可佩戴于胸前，进行模数转换、放大、滤波等信号处理以及信号的特征提取、识别，并对所识别的信息以声音等方式输出；通过接地电极5接地，给出零电势并稳定自驱动传感器2输出的电压信号。

自驱动传感器2、接地电极5与信号处理系统3之间的连接方式如图2所示，多个自驱动传感器2分别独立输出信号至信号处理系统3，形成多通路的信号输出，对唇语动作信号进行多通路立体采集，使所采集信号的信息准确度更高、信息含量更加丰富。在使用该装置时，信号线9挂于耳后，经耳后连接至信号处理系统3，以增强在使用过程中信号线9的稳定性。

各自驱动传感器2的结构均相同，现以其中一个为例进行说明，如图3所示，本实施例的自驱动传感器2采用基于摩擦纳米发电机结构的传感器，包括封装于绝缘壳体24内且沿绝缘壳体24厚度方向依次叠设的第一电极26、第一摩擦材料层21、间隔层25、第二摩擦材料层22和第二电极23，第一摩擦材料层21和第二摩擦材料层22的大小相同且应完全覆盖各自的电极，位于第一摩擦材料层21和第二摩擦材料层22之间的间隔层25开设有第二通孔251，间隔材料25的内部进行挖孔，间隔层25的厚度保证在唇部运动过程中两个摩擦材料层之间仍可以接触分离。位于两摩擦材料层一侧的第一电极26和第二电极23的输出端分别与相应的信号线9连接，用于静电感应电荷的导出。利用绝缘壳体24对整个自驱动传感器进行封装。当佩戴本装置唇部发生运动时，佩戴者的面部肌肉压迫第一摩擦材料层21，使之与第二摩擦材料层22发生摩擦，利用两个材料得失电子能力的差异，产生电荷迁移；第一摩擦材料层21与第二摩擦材料层22随佩戴者唇部运动发生接触分离运动，利用静电感应原理，产生电流。

第一摩擦材料层21和第二摩擦材料层22的得失电子能力不同，第一摩擦材料层21可选择失电子能力强的材料，包括但不限于聚酰胺、乙基纤维素、尼龙11、尼龙66等；第二摩擦材料层22可选择得电子能力强的材料，包括但不限于聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氟化乙丙酸等；第一电极26和第二电极23选用导体材料，包括但不限于铜、银、铝等；绝缘壳体24选用绝缘材料，包括但不限于聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等。

间隔层25采用弹性模量小于70MPa的弹性材料，在面部活动的微小应力作用下可以产生较大的应变，使自驱动传感器在2小应力情况下具有较高的灵敏度，可用材料包括但不限于聚乙烯发泡棉、发泡聚丙烯、聚苯乙烯泡沫等；间隔层25中间有打孔设计，保证在使用过程中第一摩擦材料层21和第二摩擦材料层22之间仍有较强的静电感应，打孔面积与间隔层25面积的比例为1:2，打孔方式包括但不限于环型打孔、“回”字型打孔、“田”字型打孔等。打孔方式示意图如图4的(a)、(b)所示。

自驱动传感器2安置于与唇部运动相关的肌肉或关节位置，包括但不限于口轮匝肌、颧肌、颊肌、二腹肌、提上唇肌、降下唇肌、降口角肌等的肌肉位置和颌关节等关节位置，以此采集唇部运动信息。

传感器固定件1采用弹性亲肤材料制成，材料包括但不限于无纺布、喷熔布等；传感器固定件1中间有挖孔，可以将佩戴者的唇部露出，同时在嘴角两侧的布料采用褶叠式设计，通过褶叠结构增大传感器固定件的可拉伸范围，在佩戴过程中尽量减小对说话时嘴唇正常活动的影响。传感器固定件1的褶叠式设计如图5所示，传感器固定件1沿虚线“Z”字型折叠，在传感器固定件1左右两边缝合。传感器固定件1两端的缝合处外侧设有佩戴部，佩戴部可挂于佩戴者耳部，以将传感器固定件1与佩戴者面部贴合；传感器固定件1的佩戴示意图如图6所示。

亲肤层4采用弹性亲肤材料制成，材料包括但不限于无纺布、喷熔布等。亲肤层4与传感器固定件1共同封装自驱动传感器2以及信号线。

接地电极5采用低过敏性的导电材料，材料包括但不限于医用不锈钢、水凝胶等。通过接地电极5给出零电位，可以减小两摩擦材料层输出电压的噪声并保证输出电压的稳定性。

压紧层6采用弹性模量小于700MPa的弹性材料，包括但不限于聚乙烯发泡棉、发泡聚丙烯、聚苯乙烯泡沫等。

本发明中的自驱动传感器的工作原理如图7所示，叙述如下：

初始状态下，将单个或多个自驱动传感器2固定在与唇部运动有关的肌肉、关节处，由于两种摩擦材料层极性相反，两摩擦材料层上产生极性相反的电荷；当唇部运动时，由相关的肌肉、关节等的机械运动挤压、弯折自驱动传感器2，使两摩擦材料层之间的相对距离发生变化，在各自电极和信号线9上产生电信号变化，通过检测电信号，即可获得唇语动作信息。具体地：在唇部运动过程中，面部肌肉动作等对自驱动传感器2产生压迫，使第一摩擦材料层21与第二摩擦材料层22发生摩擦，第一摩擦材料层21失去电子带正电荷，第二摩擦材料层22得到电子，带负电荷，各摩擦材料层(21和22)附近的电极(26和23)上根据局部电荷感应出相应的负/正电荷。参见图7，现以一个典型的放电过程为例，设两摩擦材料层相互远离，在图示的摩擦材料层相互远离过程中，第一摩擦材料层21和第二摩擦材料层22之间的静电感应减弱，通过静电感应原理，两个摩擦材料层上的电荷驱动电子由第二电极23向第一电极26移动，使第一电极26的负电荷和第二电极23的正电荷增加，与摩擦材料层上的电荷达到平衡状态，产生由第一电极26流向第二电极23的电流，由用电器7监测。

本发明内的自驱动传感器2和接地电极5通过信号线9将各自的电压信号传输至外部的信号处理系统3，进行后续的信号处理过程，最终得到唇语运动信号所包含的信息。

以上详细描述了本发明的优选实施方案，但是并不限于上述实施方案中的具体细节，具体为自驱动传感器的形状，包括但不限于圆形、矩形、三角形等；传感器的数目，包括但不限于1个、2个、3个、4个等；在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，包括依次叠设的传感器固定件(1)、压紧层(6)、自驱动传感(2)和亲肤层(4)；所述传感器固定件(1)和亲肤层(4)中部正对的区域开有第一通孔(8)，用于使佩戴者的唇部外露；所述传感器固定件(1)的第一通孔两侧与唇部运动相关的肌肉位置处贴设有至少一个所述压紧层(6)，各压紧层(6)上分别贴设一个所述自驱动传感器(2)，各所述自驱动传感器(2)采样相互独立的接触分离式摩擦纳米发电机结构，用于捕捉佩戴者的唇部动作信号；所述亲肤层(4)面向佩戴者一侧上还设有接地电极(5)，该接地电极(5)和各自驱动传感器(2)均分别通过信号线(9)与外部的信号处理系统(3)连接。

2.根据权利要求1所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，各所述自驱动传感器(2)均分别包括封装于绝缘壳体(24)内且沿绝缘壳体(24)厚度方向依次叠设的第一电极(26)、第一摩擦材料层(21)、间隔层(25)、第二摩擦材料层(22)和第二电极(23)，所述第一摩擦材料层(21)和第二摩擦材料层(22)的大小相同且应完全覆盖各自的电极，所述间隔层(25)内开设有第二通孔(251)，使得在唇部运动过程中第一摩擦材料层(21)和第二摩擦材料层(22)之间可以接触分离；第一电极(26)和第二电极(23)的输出端分别与相应的信号线(9)连接。

3.根据权利要求2所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，所述第一摩擦材料层(21)和第二摩擦材料层(22)的得失电子能力不同。

4.根据权利要求2所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，所述间隔层(25)采用弹性模量小于70MPa的弹性材料制成。

5.根据权利要求2所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，所述间隔层(25)内开设的第二通孔(251)包括环型孔、“回”字型孔和“田”字型孔。

6.根据权利要求5所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，所述间隔层(25)内开设的第二通孔(251)与间隔层(25)的面积之比为1：2。

7.根据权利要求1所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，所述传感器固定件(1)为经过褶叠并在传感器固定件(1)两端缝合后形成，通过褶叠结构增大传感器固定件(1)的可拉伸范围；在缝合处外侧设有佩戴部。

8.根据权利要求1所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，所述传感器固定件(1)、亲肤层(4)和压紧层(6)均采用弹性材料制成，且压紧层(6)的弹性模量小于700MPa。

9.根据权利要求1所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，各所述自驱动传感器(2)的截面形状包括圆形、矩形和三角形。

10.根据权利要求1所述的自驱动唇语动作捕捉装置，其特征在于，所述唇部运动相关的肌肉位置包括颧肌、颊肌、二腹肌、口轮匝肌、提上唇肌、降下唇肌、降口角肌和颌关节处。

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