CN113607042B - 一种用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性可穿戴电子器件技术领域，其公开了一种用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器及其应用，包括从上至下依次设置的封装层、电极层、摩擦层、黏附层和隔离层，电极层包括内电路和电极，内电路为树枝状，多个电极分别设置在内电路各树枝末端；封装层、摩擦层从两侧将电极层完全覆盖，且形状均与电极层形状相同；黏附层设置在摩擦层下端，且其不覆盖电极对应位置；隔离层嵌入在黏附层中。本发明通过图案化黏附层和间隔层的结构设计，使器件更有效地贴附在手臂肌肉上，且在手部动作肌肉形变时，能更好实现接触分离效果，从而有明显的信号输出及更好的人体意图识别效果，提高了人体意图识别传感器的可穿戴性、舒适性以及实用性。

Description

一种用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器及其应用

技术领域

本发明属于柔性可穿戴电子器件技术领域，更具体地，涉及一种用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器及其应用。

背景技术

在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件被不断开发出来，并在人们的日常生活中的各个领域展现出前所未有的应用前景。人机接口可以自然地扩展人与外部设备之间的通信通道，将人类的意图与机器的行为联系起来，实现人机交互。迄今为止，应用于人机接口的生物电信号包括神经元信号，以及皮层电信号、脑电图、肌电图、眼电图信号等。由于低信噪比和稳定性差，基于生物电位信号的机械式人机接口发展缓慢，因此，开发出能够快速有效地识别人体意图的可穿戴表皮传感器具有极其重要的意义。

现有的人机接口技术采用的传感器大多放置在人体手部，并且现有的人机接口采用手套、手环或臂套状，类似衣物，可穿戴性有限，大大限制了人体手部的正常活动，特别是需要抓取的场景。因此，如果能设计一种新型的应用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，将人体意图识别传感器由人体手部转移到人体特定前臂肌肉处，解除了其对人体手部正常活动的限制，将对人机接口的发展应用起到巨大的推动作用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器及其应用，其目的在于，将人体意图识别传感器由人体手部转移到人体特定前臂肌肉处，并能够更好地实现接触分离效果，提升人体意图识别传感器的可穿戴性、舒适性以及识别效果。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，包括从上至下依次设置的封装层、电极层、摩擦层、黏附层和隔离层，其中：

所述电极层包括内电路和电极，所述内电路为树枝状，多个所述电极分别设置在内电路各树枝末端；所述封装层、摩擦层从两侧将所述电极层完全覆盖，且形状均与所述电极层形状相同；所述黏附层设置在所述摩擦层下端，且其不覆盖所述电极对应位置；所述隔离层嵌入在所述黏附层中。

作为进一步优选的，所述隔离层包括多个环形薄片，该多个环形薄片分别嵌入所述黏附层的不同位置中，且环形薄片采用硬质柔性材料制成。

作为进一步优选的，所述环形薄片材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

作为进一步优选的，所述环形薄片外径为15mm～20mm，内径比外径小3mm～5mm。

作为进一步优选的，所述电极为圆形，电极的直径为8mm～15mm。

作为进一步优选的，该可穿戴表皮传感器贴附在人体前臂肌肉处，且电极层为根据肌肉位置点进行相应的图案化得到。

作为进一步优选的，所述封装层材料为绝缘材料，所述摩擦层材料为具有负极性的摩擦电极序材料。

作为进一步优选的，所述电极层材料为银纳米线膜、导电水凝胶、溅射金属薄膜或氧化铟锡。

作为进一步优选的，所述黏附层材料为黏性聚二甲基硅氧烷、3M-VHB胶带或水凝胶。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器的应用，包括如下步骤：

S1、将可穿戴表皮传感器贴附在人体前臂肌肉处，并采集人体不同意图对应的多通道信号，构成训练集；

S2、建立识别模型，并通过训练集对识别模型进行训练；

S3、通过可穿戴表皮传感器实施采集多通道信号，并通过训练后的识别模型对该多通道信号进行识别分类，从而判别人体意图。

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，本发明提供的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器及其应用主要具有以下有益效果：

1.本发明将人体意图识别传感器由人体手部转移到人体特定前臂肌肉处，解除了其对人体手部正常活动的限制，具体通过添加图案化黏附层和隔离层的结构设计，使得器件更有效地贴附在手臂肌肉上，并且在手部动作肌肉形变时，能更好地实现接触分离效果，从而有较明显的信号输出以及更好的人体意图识别效果，大大提升了人体意图识别传感器的可穿戴性、舒适性以及实用性。

2.本发明增加的隔离层为硬质柔性材料制成环形薄片，使得传感器具备一定的刚度，在肌肉形变时使得传感器保持原有曲面形状，并且能有效地避免摩擦层与人体皮肤完全贴合，将摩擦层与人体皮肤隔开从而实现更好的接触分离效果。

3.本发明的表皮传感器采用柔性材料制成，呈薄膜状，与人体皮肤能够实现较好的贴合，几乎不对人体手部的运动造成任何干扰；使用时，将其放置在与人体手势动作相关的多个肌肉位置处，在手势动作时有着较大的形变，故有较高输出，同时将电极设计为圆形，可以更好地检测各个方向的变形，并按肌肉变形程度设置电极直径，从而使其传感性能更加优异，能够更好地区分不同手势动作。

4.本发明的可穿戴表皮传感器被完全封装起来，电极层不会氧化失效，相较于其他传感器有着优良的耐用性和稳定性；此外，黏附层采用亲肤的黏性材料，使得可穿戴表皮传感器能够很好的贴附在人体皮肤上，同时使接触界面稳定，不会对皮肤造成刺激或引起过敏，在长时间穿戴方面有着很大的优势。

附图说明

图1是本发明实施例用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器的结构示意图；

图2中(a)～(d)是本发明实施例用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器的传感原理剖面示意图；

图3是本发明实施例用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器随人体运动的单个通道信号图；

图4是本发明实施例用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器随着外部压力变化而变化的信号图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-封装层，2-电极层，3-摩擦层，4-黏附层，5-隔离层。

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。

本发明提供的一种用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，如图1所示，包括从上至下依次设置的封装层1、电极层2、摩擦层3、黏附层4和隔离层5，其中：

所述电极层2包括内电路和电极，所述内电路为树枝状，多个所述电极分别设置在内电路各树枝末端；所述封装层1、摩擦层3从两侧将所述电极层2完全覆盖，且形状均与所述电极层2形状相同；所述黏附层4设置在所述摩擦层3下端，且其不覆盖所述电极对应位置，即使电极位置的摩擦层能与皮肤直接接触；所述隔离层5嵌入在所述黏附层4中。

进一步的，该可穿戴表皮传感器贴附在人体前臂肌肉处，且电极层2为根据所选肌肉位置点进行相应的图案化得到，即图案化后可使各电极贴附在肌肉变形较明显的位置；优选的，所述电极为圆形，其直径为8mm～15mm，电极与肌肉位置之间偏移范围在10mm以内。

进一步的，所述隔离层5包括多个环形薄片，该多个环形薄片分别嵌入所述黏附层4的不同位置中，且环形薄片采用硬质柔性材料制成，使得传感器具备一定的刚度，在肌肉形变时使得传感器保持原有曲面形状，并且能有效地避免摩擦层与人体皮肤完全贴合，将摩擦层与人体皮肤隔开从而实现更好的接触分离效果；优选的，所述环形薄片材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷；环形薄片外径为15mm～20mm，内径比外径小3mm～5mm。

具体的，所述封装层1材料为绝缘材料，具体选自苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11，聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-CO丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、脂肪族芳香族无规共聚酯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或派瑞林。

所述电极层2材料为导电材料，优选为银纳米线膜、导电水凝胶、溅射金属薄膜或氧化铟锡。

所述摩擦层3材料为具有负极性的摩擦电极序材料，具体选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、脂肪族芳香族无规共聚酯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯或派瑞林。

所述黏附层4材料为黏性材料，优选为黏性聚二甲基硅氧烷、3M-VHB胶带或水凝胶。

使用时，根据需要，将一个或多个上述可穿戴表皮传感器放置于与人体手势动作相关的人体前手臂肌肉位置处，使摩擦层的下表面和人体手部皮肤相互接触放置。在手部没有动作时，所述摩擦层的下表面和人体手部皮肤接触；当手部动作产生肌肉形变时，摩擦层下表面和人体手部皮肤发生相对摩擦并分离，摩擦层材料与人体手部皮肤之间存在摩擦电极序差异，摩擦电极序差异越大输出的电信号峰值越大，在摩擦层会产生摩擦电荷，进而在电极层由于静电感应会产生极性相反的感应电荷形成感应电流，即可以在电极中形成交流脉冲信号输出。并且手势动作不同，不同位置的肌肉形变幅度不同，引起的受力大小和方向的不同，使得摩擦面积发生变化，则可穿戴表皮传感器中电极输出的信号幅值不同，从而可以区分力的大小，通过不同位置力的大小情况可以识别人体的手势动作，进而判定人体意图。

本发明中所述的“与人体手势动作相关的人体前手臂肌肉位置”，是指人体手势动作时，产生形变较为明显、变化幅度较大的手部肌肉，包括拇长屈肌、指深屈肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌、指浅屈肌、桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌、尺侧腕伸肌、小指伸肌、指伸肌、拇长展肌、食指伸肌、拇短伸肌、拇长伸肌。具体的，人体前臂肌肉共有19块，分正背两面分布，分层进行排列，并相互交叠。前群肌位于前臂正面，主要由屈肌构成，负责腕部、肘部及手指的弯曲；而后群肌位于前臂背面，主要由伸肌构成，负责各关节的伸展。手臂旋前、旋后运动则依靠前臂的旋前圆机和旋后肌。拇指的弯曲、伸展运动分别由前臂的单独肌肉控制；而食指、中指、无名指以及小指的弯曲依靠指浅屈肌或指深屈肌来实现，伸展则依靠指总伸肌实现。本发明根据所选的手势动作来选择相关的肌肉，以实现较高的传感性能。

本发明的可穿戴表皮传感器利用了在摩擦电极序中的极性存在差异的材料接触时产生表面电荷转移的现象，将人体运动时产生的机械信号转化为电信号，其工作原理，如图2所示，通过人体运动时肌肉形变产生力施加在可穿戴表皮传感器上，使得所述摩擦层的下表面和人体皮肤的上表面发生相对滑动摩擦，并且由于产生力的大小及方向的不同使得上述相对二者的摩擦面积发生变化时，由于所选的摩擦层的材料和作为另一个摩擦层的人体皮肤之间有摩擦电极序差异，因此该摩擦过程引发上述摩擦层的表面电荷转移。

具体的，如图2中(a)，为摩擦层与皮肤接触时，皮肤带正电荷，摩擦层带负电荷；如图2中(b)，产生摩擦分离时，为了屏蔽由于摩擦层区域接触面积的逐渐增大而残留在摩擦层中因摩擦产生的表面电荷所形成的电场，电极层中的自由电子就会通过外电路，产生一瞬时电流；如图2中(c)，为分离到最大时的情况；如图2中(d)，当产生力释放或者反方向时，为了屏蔽由于摩擦层区域接触面积的逐渐减小而残留在摩擦层中因摩擦产生的表面电荷所形成的电场，自由电子就会通过外电路流回电极层，从而给出一相反方向的电流。

图3为本发明用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器随人体运动的单个通道信号图。当人体手部运动时肌肉形变产生力施加在可穿戴表皮传感器上，所述的可穿戴表皮传感器会产生电信号，并且当手部恢复静息状态时，所述的可穿戴表皮传感器的信号也随之恢复到静息电位，从而使得所述的可穿戴表皮传感器具有检测人体运动起始点、结束点以及运动时长的功能。

图4为本发明用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器随着外部压力变化而变化的信号图。当外部压力施加在所述可穿戴表皮传感器上，所述的可穿戴表皮传感器会产生电信号，并且当外部压力撤去后，所述的可穿戴表皮传感器的信号也随之恢复到静息电位，显示出所述传感器对于外部压力也有良好的传感性能。

以下为具体实施例：

实施例1

选择拇长屈肌、指深屈肌、桡侧腕屈肌、指浅屈肌、食指伸肌、拇长伸肌、指伸肌、桡侧腕短伸肌8个手臂肌肉，封装层选用根据上述8个肌肉位置图案化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，电极层选用银纳米线(AgNWs)喷涂形成根据上述8个肌肉位置图案化的电极薄膜，摩擦层选用根据上述8个肌肉位置图案化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，黏附层选用根据上述8个肌肉位置图案化的黏性聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，隔离层选用内径为14mm、外径为18mm的圆环状聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，初始状态(未受力作用)下，摩擦层PDMS与人体皮肤间的最大间距为1mm。

由于PDMS具有优良的摩擦负电性能，其十分适合作为具有负极性的摩擦电极序材料，因此其与皮肤接触分离后产生的摩擦发电信号幅值明显。采用的AgNWs较易实现喷涂并且使得器件为半透明的状态，黏性PDMS使得器件很好的贴附在人体皮肤上，PET相较于PDMS更高的硬度使得器件有着较好的接触分离性能。

实施例2：

选择指深屈肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌、指浅屈肌、桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌、尺侧腕伸肌、小指伸肌8个手臂肌肉，封装层选用根据上述8个肌肉位置图案化的脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)薄膜，电极层选用导电水凝胶旋涂形成根据上述8个肌肉位置图案化的电极薄膜，摩擦层选用根据上述8个肌肉位置图案化的脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)薄膜，黏附层选用根据上述8个肌肉位置图案化的3M-VHB胶带旋涂形成的薄膜，隔离层选用内径为14mm、外径为18mm的圆环状聚酰亚胺薄膜，初始状态(未受力作用)下，摩擦层Ecoflex与人体皮肤间的最大间距为0.5mm。

由于Ecoflex薄膜材料相较于PDMS材料更软，其更适合于皮肤贴附，有着更好的可穿戴性能，导电水凝胶使得器件透明性更好，3M-VHB胶带也能使得器件较好的贴附在人体皮肤上，聚酰亚胺薄膜也具有一定的硬度使得有较好的接触分离效果，因此该实施例同样具有较好的可穿戴效果和舒适性。

实施例3：

采用可穿戴表皮传感器进行人体意图识别，具体包括如下步骤：

S1、采用所述可穿戴表皮传感器采集多种人体不同意图对应手势动作的多通道信号；

使用者将此可穿戴表皮传感器佩戴在人体前手臂上，并且使得各个电极点位于各对应肌肉的位置，并且电极与上述肌肉位置之间偏移范围在10mm以内都是可行的。使用多通道采集卡采集此可穿戴表皮传感器多通道信号，采集时，使用者保持人体正坐、前手臂水平的姿势，做出不同的手势动作，例如阿拉伯数字手势1、2、3、4、5以及康复治疗手势屈腕、伸腕、握拳、伸掌、左偏、右偏等，动作持续时间可由信号峰值持续时间反映出来。

S2、提取多通道信号特征，并利用分类算法进行训练，训练相应的识别模型；

采集完成多通道信号数据后，对数据进行滤波、去漂移、截取有效信号等预处理操作，根据多通道信号均值、方差、标准差等特征值的不同区分手势，利用机器学习分类算法例如支持向量机、k最近邻算法等进行训练相应的识别模型。

S3、通过识别模型对采集的多通道信号进行识别分类，从而判别出正确的人体意图。

使用者再次佩戴所述可穿戴表皮传感器佩戴，采集新的人体手势动作时的多通道信号，利用训练好的识别模型对其进行识别分类，以判别出正确的人体意图。

综上所述，本发明的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器采用柔性材料制成，与人体皮肤能够实现较好的贴合，并且将传感器由人体手部转移到人体特定前臂肌肉处，解除了其对人体手部正常活动的限制，因此本发明的可穿戴表皮传感器具备良好的可穿戴性和舒适性。将多个柔性传感器集成到同一个可穿戴表皮传感器上，集成度高，实用性强。本发明中采用的黏附层选用黏性材料，使得本发明的可穿戴表皮传感器能够很好的贴附在人体皮肤上；采用的隔离层选用硬质柔性材料，使得传感器具备一定的刚度，在肌肉形变时使得传感器保持原有曲面形状，并且能有效地避免摩擦层与人体皮肤完全贴合，将摩擦层与人体皮肤隔开从而实现更好的接触分离效果。本发明的可穿戴表皮传感器更多地用于人体的意图传感，比如测量人体的手势、动作幅度、动作速度等，从而识别出特定场景的人的意图。

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 (9)

1.一种用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，其特征在于，包括从上至下依次设置的封装层(1)、电极层(2)、摩擦层(3)、黏附层(4)和隔离层(5)，其中：

所述电极层(2)包括内电路和电极，所述内电路为树枝状，多个所述电极分别设置在内电路各树枝末端；所述封装层(1)、摩擦层(3)从两侧将所述电极层(2)完全覆盖，且形状均与所述电极层(2)形状相同；所述黏附层(4)设置在所述摩擦层(3)下端，且其不覆盖所述电极对应位置；所述隔离层(5)嵌入在所述黏附层(4)中；

所述隔离层(5)包括多个环形薄片，该多个环形薄片分别嵌入所述黏附层(4)的不同位置中，且环形薄片采用硬质柔性材料制成。

2.如权利要求1所述的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，其特征在于，所述环形薄片材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

3.如权利要求1所述的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，其特征在于，所述环形薄片外径为15mm～20mm，内径比外径小3mm～5mm。

4.如权利要求1所述的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，其特征在于，所述电极为圆形，电极的直径为8mm～15mm。

5.如权利要求1所述的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，其特征在于，该可穿戴表皮传感器贴附在人体前臂肌肉处，且电极层(2)为根据肌肉位置点进行相应的图案化得到。

6.如权利要求1所述的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，其特征在于，所述封装层(1)材料为绝缘材料，所述摩擦层(3)材料为具有负极性的摩擦电极序材料。

7.如权利要求1所述的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，其特征在于，所述电极层(2)材料为银纳米线膜、导电水凝胶、溅射金属薄膜或氧化铟锡。

8.如权利要求1-7任一项所述的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器，其特征在于，所述黏附层(4)材料为黏性聚二甲基硅氧烷、3M-VHB胶带或水凝胶。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的用于人体意图识别的可穿戴表皮传感器的应用，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将可穿戴表皮传感器贴附在人体前臂肌肉处，并采集人体不同意图对应的多通道信号，构成训练集；

S2、建立识别模型，并通过训练集对识别模型进行训练；

S3、通过可穿戴表皮传感器实施采集多通道信号，并通过训练后的识别模型对该多通道信号进行识别分类，从而判别人体意图。

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