CN114485999A - 一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，包括颈环、碳凝胶屏蔽层(1)、硅胶隔离层(2)和若干传感单元；本发明可以排除人体电势对摩擦电穿戴式传感器的干扰，有效识别颈部运动状态，且保证了传感装置的柔性与可拉伸性。

Description

一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置
技术领域
本发明涉及传感领域，具体是一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置。
背景技术
目前，已有的人体颈部运动检测装置大多单纯地依赖颈部运动进行机械触发，或者利用图像识别技术，结合算法进行识别。其中，采用电阻式传感器、惯性测量单元等设计制作的颈部运动检测装置，需要使用附加电源电路进行供电；采用图像识别方式需要用到摄像机等外部设备。这些额外的设备增加了穿戴的复杂度，难以实现可穿戴设备在系统集成柔性及拉伸性方面的突破。
采用机械运动自驱动的压电或摩擦电式传感技术，可以在传感信号产生环节无需额外电源电路供电，利于减轻系统复杂度，与材料领域研究成果结合，易于实现柔性可穿戴的颈部运动传感。相比于压电技术，基于摩擦电的自驱动传感装置可选材料广泛、制作过程便捷、输出幅度较大，因此利用摩擦电技术设计制作颈部运动传感器具有很大优势。然而，在将摩擦电传感技术应用于人体运动检测时，由于皮肤带有相对较强的正电势，人体活动过程中将对基于摩擦电原理的穿戴式传感器产生非常强的干扰作用，甚至影响有效信号的判断。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，包括颈环、碳凝胶屏蔽层、硅胶隔离层和若干传感单元。
所述颈环用于供使用者穿戴。
所述碳凝胶屏蔽层贴覆于颈环侧壁。
所述硅胶隔离层部分贴覆于碳凝胶屏蔽层表面，从而将碳凝胶屏蔽层和传感单元部分隔离。
所述若干传感单元部分贴覆于硅胶隔离层表面。
所述传感单元用于监测颈环受压情况。
进一步，所述碳凝胶屏蔽层的材料包括硅胶与导电碳黑。
进一步，所述颈环的材料包括硅胶。
进一步，所述颈环上窄下宽。
进一步，所述颈环设有开口，开口处嵌有磁铁。
进一步，所述传感单元的工作模式为摩擦纳米发电机单电极模式。
进一步，碳凝胶屏蔽层和硅胶隔离层用于屏蔽使用者活动时皮肤电势对传感单元输出信号的影响。
进一步，当传感单元受到压力产生弯曲形变时，正电荷从地面流向电极表面；当传感单元受到压力产生拉伸形变时，电荷流向相反，从而产生电极与地面间的电荷转移，在外电路形成传感信号。
进一步，使用者颈部运动时，传感单元受到压力，从而输出电压信号。所述电压信号用于表征颈部运动状态。
所述颈部运动状态包括偏转动作、扭转动作和静息态。所述偏转动作、扭转动作带有方向。
进一步，还包括上位机。
所述上位机存储有颈部运动状态卷积神经网络模型。所述颈部运动状态卷积神经网络模型由历史传感单元输出信号和颈部运动状态训练得到。
所述上位机接收传感单元输出信号，并输入到颈部运动状态卷积神经网络模型中，得到颈部运动状态。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明可以排除人体电势对摩擦电穿戴式传感器的干扰，有效识别颈部运动状态，且保证了传感装置的柔性与可拉伸性。
附图说明
图1为结构设计图；
图2(a)为传感单元工作原理图I；图2(b)为传感单元工作原理图II；图2(c)为传感单元工作原理图III；
图3(a)为传感单元COMSOL仿真电势变化情况I；图3(b)为传感单元COMSOL仿真电势变化情况II；图3(c)为传感单元COMSOL仿真电势变化情况III；
图4(a)为传感单元输出性能I；图4(b)为传感单元输出性能II；图4(c)为颈部运动姿态；
图5(a)为一个输出单元在无屏蔽的输出信号；图5(b)为一个输出单元在有屏蔽的输出信号；
图6为采用卷积神经网络做了11个类别的离线数据分类(8个偏转动作、2个扭转动作、1个静息态)。
图7(a)为单个输出单元实物图；图7(b)为输出单元拉伸结果；图7(c)为输出单元在镊子的支撑下仅靠重力发生明显弯曲的示意图；图7(d)为穿戴颈部传感装置的示意图；
图8为实际应用于颈部运动检测的输出波形；图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)、图8(e)、图8(f)、图8(g)、图8(h)分别为颈部前偏、左前偏、左偏、左后偏、后偏、右后偏、右偏、右前偏的输出波形；图8(i)、图8(j)为颈部左转、右转的输出波形；
图中，碳凝胶屏蔽层1、硅胶隔离层2、磁铁3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图8，一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，包括颈环、碳凝胶屏蔽层1、硅胶隔离层2和若干传感单元。
所述颈环用于供使用者穿戴。
所述碳凝胶屏蔽层1贴覆于颈环侧壁。
所述硅胶隔离层2部分贴覆于碳凝胶屏蔽层1表面，从而将碳凝胶屏蔽层1和传感单元部分隔离。
所述若干传感单元部分贴覆于硅胶隔离层2表面。
所述传感单元用于监测颈环受压情况。
所述碳凝胶屏蔽层1的材料包括硅胶与导电碳黑。
所述颈环的材料包括硅胶。
所述颈环上窄下宽。
所述颈环设有开口，开口处嵌有磁铁3。
所述传感单元的工作模式为摩擦纳米发电机单电极模式。
碳凝胶屏蔽层1和硅胶隔离层2用于屏蔽使用者活动时皮肤电势对传感单元输出信号的影响。
传感单元中作为电极的掺碳硅胶带正电荷,传感单元中的硅胶摩擦层带负电荷。
当传感单元受到压力产生弯曲形变时，正电荷从地面流向电极表面；当传感单元受到压力产生拉伸形变时，电荷流向相反，从而产生电极与地面间的电荷转移，在外电路形成传感信号。
使用者颈部运动时，传感单元受到压力，从而输出电压信号。所述电压信号用于表征颈部运动状态。
所述颈部运动状态包括偏转动作、扭转动作和静息态。所述偏转动作包括颈部前偏、左前偏、左偏、左后偏、后偏、右后偏、右偏、右前偏。所述扭转动作包括向左和向右扭转。
该装置还包括上位机。
所述上位机存储有颈部运动状态卷积神经网络模型。所述颈部运动状态卷积神经网络模型由历史传感单元输出信号和颈部运动状态训练得到。
所述上位机接收传感单元输出信号，并输入到颈部运动状态卷积神经网络模型中，得到颈部运动状态。
实施例2：
一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，如图1所示，该装置由三部分构成。第一部分为最外层的四个传感单元。第二部分是在传感单元里面的碳凝胶屏蔽层1，用Ecoflex 0030硅胶与导电碳黑搅拌倒模制成(硅胶与导电碳黑质量比为20:1)。屏蔽层与4个传感单元之间用一层moldstar硅胶薄膜隔开。第三部分是内部贴附于皮肤的颈环，用亲肤性、柔性以及拉伸性能良好的moldstar硅胶倒模而成。颈环厚度为1mm，柔韧性良好，为契合人体颈部的形状设计成上窄下宽的结构，在开口处嵌入磁铁实现穿戴的功能。
实施例3：
一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其工作原理如图2所示，该装置从下往上第一层为贴附于颈部的颈环，第二层为接地的屏蔽层，第三层为传感单元与屏蔽层之间的硅胶隔离层2，最上层为传感单元。传感单元设计原理基于摩擦纳米发电机单电极模式。传感单元摩擦层为moldstar硅胶，偏电负性带负电荷，接地的掺碳硅胶(Ecoflex 0030硅胶与导电碳黑质量比为35:1)为电极，偏电正性带正电荷。当颈部弯曲的压力使得传感单元弯曲时，摩擦层与电极接近，为保持静电平衡，正电荷从地面流向电极表面，产生电极与地面间的电荷转移，在外电路形成信号，因此传感单元不需要外部电源进行供能。图3为传感单元COMSOL仿真电势变化情况，电势分布与图2中电荷分布匹配，随着器件的弯曲，摩擦层与电极之间的电势差也随之发生变化。
传感单元弯曲不同角度的开路电压输出信号幅度是不同的(图4a)。传感单元输出对角度变化敏感，并且伸展与弯曲所产生的信号峰也是相反的(图4b)。弯曲时波峰向下，伸展时波峰向上。在颈环上集成了4个传感单元，由于颈部在偏转或扭转不同方向时，四个传感单元弯曲或伸展的角度不同，输出的波形也不同，它们的组合即反应八个偏转方向(前、左前、左、左后、后、右后、右、右前)以及两个扭转方向(左转、右转)(图4c)。
摩擦纳米发电机原理是基于摩擦起电与静电感应的耦合，而所有的材料都具有摩擦起电效应并且表面电势会受到外部场强的影响。由于人体皮肤带有非常强的正电势，对四个传感单元的干扰很大。因此，在传感单元与皮肤之间设置屏蔽层以屏蔽人体活动时皮肤电势对输出信号的影响，屏蔽效果如图5所示。
考虑到实际应用中，环境复杂、影响因素多样，一方面摩擦纳米发电机输出容易受到空气湿度的影响，另一方面人体皮肤的强电势干扰很难做到完全屏蔽(这是因为可穿戴器件对材料的柔韧性、与人体皮肤的适应性要求较高，很难找到屏蔽效果像传统金属并易于集成到所设计器件的柔性材料)，如果单纯地用电压峰值及波峰方向来判断人体颈部运动状态，则稳定性不够。因此，实际应用中结合机器学习算法来进一步提高传感器的识别能力。除了电压峰值以及波峰的方向，用机器学习算法能够更加充分地提取出四个传感单元输出信号所包含的信息来作为判断颈部运动状态的依据。通过试验，采用卷积神经网络做了11个类别的离线数据分类(8个偏转动作、2个扭转动作、1个静息态)，达到了90％以上的分类正确率，如图6所示。
图5为一个输出单元在无屏蔽和有屏蔽时的输出信号对比。在未设置屏蔽层时，由于人体皮肤强正电势的影响，开路电压的波形是没有规律的。而在设置了屏蔽层时，开路电压波形的变化与图2中电流的方向是匹配的。
图6为采用卷积神经网络做了11个类别的离线数据分类(8个偏转动作、2个扭转动作、1个静息态)，达到了90％以上的分类正确率。
图7a为单个输出单元实物图，原长38mm，能够轻松拉伸到65mm(图7b)，并且在拉力释放后能快速恢复原长。图7c为输出单元在镊子的支撑下，仅靠重力就能发生非常明显的弯曲，证明器件的柔性较好。图7d为穿戴颈部传感装置的示意图。
图8所示为实际应用于颈部运动检测的输出波形。8个偏转方向:前(a)、左前(b)、左(c)、左后(d)、后(e)、右后(f)、右(g)、右前(h),与2个扭转方向:左转(i)、右转(j)对应的4个通道输出波形。

Claims (10)

1.一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：包括颈环、碳凝胶屏蔽层(1)、硅胶隔离层(2)和若干传感单元；
所述颈环用于供使用者穿戴。
所述碳凝胶屏蔽层(1)贴覆于颈环侧壁。
所述硅胶隔离层(2)部分贴覆于碳凝胶屏蔽层(1)表面，从而将碳凝胶屏蔽层(1)和传感单元部分隔离；
所述若干传感单元部分贴覆于硅胶隔离层(2)表面；
所述传感单元用于监测颈环受压情况。
2.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：所述碳凝胶屏蔽层(1)的材料包括硅胶与导电碳黑。
3.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：所述颈环的材料包括硅胶。
4.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：所述颈环上窄下宽。
5.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：所述颈环设有开口，开口处嵌有磁铁(3)。
6.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：所述传感单元的工作模式为摩擦纳米发电机单电极模式。
7.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：碳凝胶屏蔽层(1)和硅胶隔离层(2)用于屏蔽使用者活动时皮肤电势对传感单元输出信号的影响。
8.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：当传感单元受到压力产生弯曲形变时，正电荷从地面流向电极表面；当传感单元受到压力产生拉伸形变时，电荷流向相反，从而产生电极与地面间的电荷转移，在外电路形成传感信号。
9.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：使用者颈部运动时，传感单元受到压力，从而输出电压信号；所述电压信号用于表征颈部运动状态；
所述颈部运动状态包括偏转动作、扭转动作和静息态；所述偏转动作、扭转动作带有方向。
10.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴的颈部运动自驱动传感装置，其特征在于：还包括上位机；
所述上位机存储有颈部运动状态卷积神经网络模型；所述颈部运动状态卷积神经网络模型由历史传感单元输出信号和颈部运动状态训练得到；
所述上位机接收传感单元输出信号，并输入到颈部运动状态卷积神经网络模型中，得到颈部运动状态。
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