基于摩擦发电的人体意图识别传感器及其识别方法

本发明属于人体意图识别相关技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，按照本发明的一个方面，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。

按照本发明的另一个方面，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。

按照本发明的另一个方面，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。

按照本发明的另一个方面，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。

实施例1

请参阅图1，本发明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1以及多个柔性电极2。

负电材料层1优选为环形，该负电材料层1可以套设于人体腕部，像手环一样佩戴，使得负电材料层1与皮肤接触产生摩擦进而生成电信号。负电材料层1的材料优选为聚二甲基硅氧烷(pdms)、3m-vhb胶带、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺中的一种。

多个柔性电极2间隔布置于所述负电材料层1的外表面，也即多个柔性电极2环状布置于负电材料层1的外表面。将负电材料层1佩戴于腕部上时使得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2。所述柔性电极2为水凝胶。

本实施例中的基于摩擦发电的人体意图识别传感器还包括弹性支撑层3，该弹性支撑层3优选为环形，所述弹性支撑层3设于负电材料层1的外围，以密封柔性电极2，使得多个柔性电极2布置于弹性支撑层3与负电材料层1之间。该弹性支撑层3的材料优选为聚二甲基硅氧烷、3m-vhb胶带、硅橡胶或ecoflex中的一种，优选为聚二甲基硅氧烷。

尤其是pdms具有优良的负电特性，十分适合作为负电摩擦层1，在与皮肤接触分离时产生的摩擦发电信号强，幅值明显，而且pdms具有一定粘附性，可直接与皮肤贴合，适用于可穿戴设备。同时pdms也具有良好的可拉伸性，适合作为器件的弹性支撑层3，在经过弯曲或拉伸后，依旧可以保持原有的性能。使用掺杂氯化锂的水凝胶材料，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，并且氯化锂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，在柔性电极方面有着突出的应用价值，满足佩戴设备弯曲的性能需求。

在使用过程中，佩戴在手腕上的负电材料层1在与皮肤产生直接接触时，由于摩擦起电其表面会产生负摩擦电荷，而皮肤表面形成正摩擦电荷，当其与皮肤分离时，由于负电材料层1与柔性电极2之间存在电势差，通过感应起电，柔性电极2上会产生正电荷，电子从导线流出，当负电材料层1与皮肤再次接触时，又会产生相反的电荷并形成反向电流。

实施例2

本实施例提供了另一种基于摩擦发电的人体意图识别传感器，包括多个摩擦纳米发电机和手环，多个摩擦纳米发电机分别布置于所述手环的内侧，以在手环的内部环形布置。

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，所述负电材料层与皮肤接触摩擦产生电信号，所述柔性电极位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。

同实施例1中的方式，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摩擦纳米发电机，以捕捉人体腕部的动作变化。

本实施例中手环的材质同实施例1中的弹性支撑层的材料，负电材料层和柔性电极的材料与实施例1中的相同，此处不再赘述。

本实施例中的摩擦纳米发电机可以采用如下方式进行制备，如图2所示：

(1)配制水凝胶前体溶液：将氯化锂颗粒(3.5mol/l)与去离子水混合，经过超声搅拌后，加入聚丙烯酰胺的单体(3.5mol/l)，再一次进行超声搅拌后，加入1％wt.的光引发剂2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)和0.1％wt.的交联剂n，n’-亚甲基双丙烯酰胺(mbaa)，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)制备弹性支撑层：通过激光切割亚克力板制备矩形模具，并在模具底面均布多个亚克力圆片，矩形亚克力模具内尺寸为：长度为150～300mm，宽度为24mm，深度为1～2mm，模具长度可根据使用者的腕围调整，深度优选为2mm，因为太薄的pdms在从模具中取出时容易发生断裂或破损；亚克力圆片半径为6mm，厚度为0.5～1mm。将聚二甲基硅氧烷溶液均匀注满整个模具，置于干燥箱内90℃加热2h时间后取出，将固化的聚二甲硅氧烷薄膜从模具上剥离下来，得到表面均布多个圆形槽的弹性支撑层；

依次用无水乙醇和去离子水对弹性支撑层表面进行清洗，并用氮气吹干，并对弹性支撑层表面圆形槽以外的区域进行掩膜，此处使用厚度为0.005mm的耐热聚酰亚胺胶带作为掩膜，再向圆形槽内注入5％的二甲苯溶液(溶剂为无水乙醇)，浸泡5分钟，使其表面产生亲水基团，以改善pdms与聚丙烯酰胺的连接界面，加强二者之间粘合性，提高器件的使用寿命和输出稳定性，之后用丙酮清洗二甲苯溶液处理后表面残留的有机物，并用氮气烘干；

(3)制备柔性电极层：将步骤(2)处理后的弹性支撑层置于与其大小一致的亚克力模具内，并用一块略长于前述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，再将透明亚克力板在横向上略微移动，使通孔与圆形槽互不相通，并用胶带将透明亚克力板与模具紧密贴合在一起，以防止在后续固化过程中，pdms因加热变形使盖板被顶开，进入空气，随后用365nm紫外线照射1.5h使水凝胶前体溶液发生交联，得到水凝胶薄膜后将掩膜撕去；

(4)制备负电材料层：将pdms的薄膜通过旋涂的方式与柔性电极层贴合，本实施例的旋涂参数为：旋涂时间120～180s，转速为600rpm，加速度为300rpm/s，旋涂时间优选为180s，过短的旋涂时间无法使pdms均匀覆盖整个亚克力板，旋涂完成后用烘箱在90℃下固化1h，并在水凝胶表面引出铜线，从而得到摩擦纳米发电器件。

实施例3

本实施例提供了一种采用上述实施例1和实施例2中的基于摩擦发电的人体意图识别传感器进行人体意图识别的方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤s1～s3。

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。

使用者将人体意图识别传感器佩戴于腕部，并使得柔性电极位于腕部指定肌腱对应的位置，本实施例中腕部指定肌腱至少包括：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。采集时可以让使用者保持掌心平行桌面朝下的姿势，做出不同手势，并采集相关训练数据，例如可以做出阿拉伯数字手势1、2、3、4、5、6、10、手腕外展以及手腕屈曲等，手势动作的持续时间可以根据柔性电极的响应状态进行确定，例如本实施例中手势动作的持续时间为5s，间隔时间为3s。得到电信号和对应的数据集作为训练样本数据。

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。

对步骤s1中的训练样本数据进行归一化处理，构建训练样本，并采用该训练样本对神经网络进行训练，得到训练完成的神经网络。

s3：采用训练完成的神经网络模型对人体意图进行识别。

使用者再次佩戴人体意图识别传感器即可进行手势识别。

综上所述，本申请的基于摩擦发电的人体意图识别传感器及其识别方法，多个柔性电极间隔布置于负电材料层外表面，负电材料层与皮肤接触摩擦产生电信号，只需佩戴于腕部即可，简单方便；同时，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。

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。