基于摩擦发电的人体意图识别传感器及其识别方法技术

本发明专利技术属于人体意图识别相关技术领域，其公开了一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器及其识别方法，该传感器包括：负电材料层以及多个柔性电极，其中，多个柔性电极间隔布置于负电材料层外表面；负电材料层具有负电特性，其套设于人体腕部与皮肤接触产生摩擦进而生成电信号，柔性电极将电信号导出，实现人体意图的识别。本申请负电材料层与皮肤接触产生摩擦进而生成电信号，手部动作会引起腕部的肌肉和皮肤产生形变，从而区分不同手势，多个柔性电极间隔布置于负电材料层外表面，可以同时捕捉多个部位的动作，进而更加精准地获得不同人体意图下各柔性电极信号的耦合变化，实现对不同意图下电信号的采集，更加的精准。

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦发电的人体意图识别传感器及其识别方法
本专利技术属于人体意图识别相关
，更具体地，涉及一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器及其识别方法。
技术介绍
肌电技术是一种有效的人体意图识别方法，基于肌肉收缩时会产生微弱的电流信号，通过采集和分析运动时电流随时间变化的信号数据可用来区分多种运动模式，操作十分简单，其在运动科学、临床医学、康复治疗等方法发挥着重要的应用价值，但是肌电信号也有着明显的缺陷，例如通道过多时信号会受到干扰，噪声明显，庞大的数据采集装置也会影响佩戴时的舒适度，肌电信号一般是通过表面电极或针电极获取，后者会对人体造成一定痛感，肌电信号幅值小，信号微弱，在系统固有噪声、环境噪声、运动伪影等因素的影响下难以被提取。中国专利CN0.1910286266公开了一种基于摩擦发电的手势识别传感器，包括：有机硅胶作为摩擦材料；螺旋钢丝作为电极材料，其与有机硅胶的杨氏模量相匹配。通过将该传感器做成指套形状，可穿戴在各手指上用于检测手指动作，这种可穿戴式系统硬件多，结构复杂，穿戴不易，并且穿戴上后会影响人的正常肢体动作，不能从事其他活动，例如穿戴的手指不能沾水，不能用力，且无法检测腕部运动状态，极大地限制了手势识别传感器的应用。因此，就需设计一种更为轻巧，结构简单，穿戴轻松不受限制的人体意图识别传感器。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器及其识别方法，采用基于单电极模式的摩擦发电佩戴于人体腕部，通过采集人体在不同手势下的电信号实现手势识别，装置简单，不会影响人体的正常操作，适用范围广。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器，包括：负电材料层以及多个柔性电极，其中，多个所述柔性电极间隔布置于所述负电材料层外表面；所述负电材料层具有负电特性，以与人体皮肤接触产生摩擦进而生成电信号，所述柔性电极将所述电信号导出以进行人体意图的识别。优选地，基于摩擦发电的人体意图识别传感器还包括弹性支撑层，所述弹性支撑层设于所述负电材料层的外围，多个所述柔性电极布置于所述弹性支撑层与所述负电材料层之间。优选地，所述负电材料层为环形，工作时所述负电材料层套设于人体腕部，与人体腕部的尺侧腕伸肌腱、指浅屈肌腱、桡侧腕伸肌腱、桡侧腕屈肌腱、指伸肌腱和拇长展肌腱相对处分别至少设置一个所述柔性电极。优选地，所述负电材料层的材料为聚二甲基硅氧烷、3M-VHB胶带、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺中的一种。优选地，所述柔性电极为天然水凝胶或者复合水凝胶。优选地，所述弹性支撑层的材料为聚二甲基硅氧烷、3M-VHB胶带、硅橡胶或Ecoflex中的一种；优选地，所述弹性支撑层材料为聚二甲基硅氧烷。优选地，所述天然水凝胶为明胶、壳聚糖、蛋白、海藻酸、琼脂、胶原、纤维素和多肽类中的一种或多种，复合水凝胶为聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇树脂中的一种或多种。优选地，所述离子导体为氯化锂、氯化钠、氟化钠、氟化铵中的一种。按照本专利技术的另一个方面，提供了另一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器，包括：手环以及多个摩擦纳米发电机，多个所述摩擦纳米发电机分别布置与所述手环的内侧；所述摩擦纳米发电机包括具有负电特性的负电材料层以及柔性电极，所述负电材料与皮肤接触产生摩擦进而生成电信号，所述柔性电极设于所述负电材料层与手环表面之间用于将所述电信号导出。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种上述基于摩擦发电的人体意图识别传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将离子导体与去离子水混合，经过超声搅拌后，加入天然水凝胶或复合水凝胶的单体，再一次进行超声搅拌后，加入引发剂和交联剂，经过超声搅拌使其充分溶解后，向溶液中通氮气15min进行脱泡处理，得到水凝胶前体溶液；(2)制备模具并在模具底面均布多个亚克力圆片，将弹性支撑层材料的溶液均匀注满整个模具，干燥，将固化的弹性支撑层材料从模具上剥离下来，得到表面均布多个圆形槽的弹性支撑层；(3)对弹性支撑层表面圆形槽以外的区域进行掩膜，再向圆形槽内注入5％的二甲苯溶液，浸泡5分钟，使其表面产生亲水基团，之后清洗，烘干；(4)将步骤(2)处理后的弹性支撑层封装于与其大小一致的亚克力模具内，用另一模具且表面均布多个通孔的透明亚克力板压在弹性支撑层上方，使各个通孔位于圆形槽上方，将步骤(1)制备的水凝胶前体溶液通过通孔快速注入圆形槽，固化得到所述柔性电极；(5)将具有负电特性的薄膜通过旋涂、喷涂、蒸镀或直接接触的方式与柔性电极层贴合，并在水凝胶表面引出铜线，从而得到所述基于摩擦发电的人体意图识别传感器。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种采用上述的基于摩擦发电的人体意图识别传感器的人体意图识别方法，所述方法包括：S1：采用所述人体意图识别传感器采集人体不同意图下的电信号；S2：将所述电信号和对应的意图作为训练样本对神经网络进行训练，得到训练完成的神经网络模型；S3：采用训练完成的神经网络模型对人体意图进行识别。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的基于摩擦发电的人体意图识别传感器及其识别方法具有如下有益效果：1.负电材料层与皮肤接触产生摩擦进而生成电信号，手部动作会引起腕部的肌肉和皮肤产生形变，多个柔性电极间隔布置于负电材料层外表面，可以同时捕捉多个部位的动作，进而更加精准地获得不同姿势意图下各柔性电极信号的耦合变化，实现对不同意图下电信号的采集，更加的精准。2.基于负电特性的材料对摩擦反应更加灵敏，相较于肌电原理的人体意图识别传感器，具有更高的信号幅值，特征更加明显，更有利于识别和分类，反应更加灵敏，准确度更高。3.将多个柔性电极集成在同一器件上，系统结构简单，集成度高。4.本申请在人体的腕部设置传感器，相较于佩戴于手指的传感器来说，不影响手部操作，实用性更强，适用范围更广。5.本申请中的柔性电极采用掺杂离子导体的水凝胶材料，既保证了良好的导电性，可以很灵敏地捕捉负电材料层上的电荷变化，并且离子导体的存在可以使电极层具备防冻、防脱水的特性，同时水凝胶具有透光线好、生物兼容性好、无毒无害等优点，同时又具有良好的弯曲特性非常适用于佩戴。6.弹性支撑层、柔性电极、负电材料层等均为柔性材料，具有良好的稳定性、可拉伸性和可定制性，与人体贴合性非常好，非常适合穿戴。附图说明图1示意性示出了本实施例1的基于摩擦发电的人体意图识别传感器的结构示意图；图2示意性示出了本实施例2的基于摩擦发电的人体意图识别传感器的制备步骤图；图3示意性示出了本实施例1和本实施例2的基于摩擦发电的人体意图识别传感器识别人体意图的方法示意图。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-负电材料层；2-柔性电极；3-弹性支撑层；4-亚克力模具；5-掩膜层；6-二甲苯溶液。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器，其特征在于，包括：负电材料层以及多个柔性电极，其中，多个所述柔性电极间隔布置于所述负电材料层外表面；所述负电材料层具有负电特性，以与人体皮肤接触产生摩擦进而生成电信号，所述柔性电极将所述电信号导出以进行人体意图识别。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器，其特征在于，包括：负电材料层以及多个柔性电极，其中，多个所述柔性电极间隔布置于所述负电材料层外表面；所述负电材料层具有负电特性，以与人体皮肤接触产生摩擦进而生成电信号，所述柔性电极将所述电信号导出以进行人体意图识别。


2.根据权利要求1所述的人体意图识别传感器，其特征在于，还包括弹性支撑层，所述弹性支撑层设于所述负电材料层的外围，多个所述柔性电极布置于所述弹性支撑层与所述负电材料层之间。


3.根据权利要求1或2所述的人体意图识别传感器，其特征在于，所述负电材料层为环形，工作时所述负电材料层套设于人体腕部，于人体腕部的尺侧腕伸肌腱、指浅屈肌腱、桡侧腕伸肌腱、桡侧腕屈肌腱、指伸肌腱和拇长展肌腱相对处分别至少设置一个所述柔性电极。


4.根据权利要求2所述的人体意图识别传感器，其特征在于，所述负电材料层的材料为聚二甲基硅氧烷、3M-VHB胶带、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺中的一种。


5.根据权利要求1所述的人体意图识别传感器，其特征在于，所述柔性电极为天然水凝胶或者复合水凝胶与离子导体形成的复合材料。


6.根据权利要求5所述的人体意图识别传感器，其特征在于，所述天然水凝胶为明胶、壳聚糖、蛋白、海藻酸、琼脂、胶原、纤维素和多肽类中的一种或多种；复合水凝胶为聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇树脂中的一种或多种；所述离子导体为氯化锂、氯化钠、氟化钠、氟化铵中的一种。


7.根据权利要求2所述的人体意图识别传感器，其特征在于，所述弹性支撑层的材料为聚二甲基硅氧烷、3M-VHB胶带、硅橡胶或Ecoflex中的一种，进一步优选的，所述弹性支撑层材料为聚二甲基硅氧烷。


8.一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器，其特征在于，包括：手环以及多个摩擦纳米发电机，多个所述摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴豪，方涵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42