[發明專利]一種用于閉環人機交互的大面積網格型表皮電子系統

有效

• 申請號: 201710240754.8
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN107015656B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 黃永安;王攸華;尹鋒;尹周平
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 42201 華中科技大學專利中心
• 代理人: 周磊;曹葆青

本發明屬于表皮電子領域，并公開了一種用于閉環人機交互的大面積網格型表皮電子系統，包括表皮肌電電極陣列、關節轉角傳感器陣列、電觸覺傳感器陣列、連接結構和電路補償結構，所述表皮肌電電極陣列用于采集所有手指的內部肌肉、外部肌肉以及手腕肌肉的肌電信號；所述關節轉角傳感器陣列用于采集手指關節轉角和手腕轉角；所述電觸覺傳感器陣列用于通過電流電壓刺激指尖；所述電路補償結構用于消除每個表皮肌電電極連接結構所引入的多余肌電信號，以保證人機交互設備所獲信號的準確度。該系統的各個傳感器都十分輕、薄、小，具備拉伸性，符合皮膚的力學特性，同時解決了大面積覆蓋導致的散熱排汗的問題。

技術領域

本發明屬于表皮電子領域，更具體地，涉及一種用于閉環人機交互的大面積網格型表皮電子系統。

背景技術

人機交互系統在深海航行、深空探測、醫療手術、工業生產中都有廣闊的應用前景。人體手勢豐富多樣，可以實現眾多物體的靈活抓取。肌電信號在1945年首次被使用于控制領域，隨后眾多研究者投入其間，期待通過人體手勢實現人機交互。然而，控制手勢的肌肉數量眾多，形狀大小各異，相互疊加，同時微弱的肌電信號在手臂里面以擴散的方式傳播，這對如何精準實時提取手勢帶來了巨大的挑戰。

目前的基于肌電信號的人機交互系統具備如下幾個缺點：1)只采集手臂處肌電信號，忽略手掌處的(人體前臂表面肌電信號采集及模式識別系統，CN102426651B)；2)肌電電極采用導電凝膠電極或其他硬電極，與皮膚力學性能不匹配，覆蓋面積有限，空間分辨率不高，易出現串擾的現象，也不方便攜帶(一種可穿戴式人機交互手勢識別控制裝置，CN106055114A)；3)采用開環控制，難以實現精確抓取(肌電信號采集系統，CN204683598U)；4)采用模式識別控制，算法復雜，識別的手勢有限(肌電信號模式識別方法，CN105139038A；以及一種基于深度學習和特征圖像的肌電信號手勢識別方法，CN105654037A)。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于閉環人機交互的大面積網格型表皮電子系統，該系統通過多類傳感器有機組合，能夠準確捕獲人體手勢，主要用于精準實時控制機械手臂。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種用于閉環人機交互的大面積網格型表皮電子系統，其特征在于，包括表皮肌電電極陣列、關節轉角傳感器陣列、電觸覺傳感器陣列、連接結構和電路補償結構，其中，

所述表皮肌電電極陣列用于采集所有手指的內部肌肉、外部肌肉以及手腕肌肉的肌電信號，其中，來自手指內部肌肉的肌電信號用于提取手指姿態，來自外部肌肉和手腕肌肉的肌電信號用于提取肌肉力量；

所述關節轉角傳感器陣列用于采集手指關節轉角和手腕轉角，從而獲得手勢姿態；

所述電觸覺傳感器陣列用于通過電流電壓刺激指尖，從而將刺激傳入神經，來模擬振動或者壓力的感覺的功能，進而獲取機械手臂抓取力反饋；

所述連接結構用于將所述表皮肌電電極、關節轉角傳感器和電觸覺傳感器連接到人機交互設備上，以實現信息輸出和輸入；

所述電路補償結構用于消除每個表皮肌電電極連接結構所引入的多余肌電信號，以保證人機交互設備所獲信號的準確度。

優選地，所述表皮肌電電極陣列、關節轉角傳感器陣列、電觸覺傳感器陣列、連接結構和電路補償結構分別通過粘附層貼附在皮膚上。所述表皮肌電電極陣列覆蓋手掌、手背以及從手腕到肘部之間的部分皮膚，所述關節轉角傳感器陣列貼附在手腕以及手指關節上，所述電觸覺傳感器陣列通過粘附層貼附在每個指尖上。

優選地，所述表皮肌電電極陣列、關節轉角傳感器陣列、連接結構和電路補償結構均為網格型蜿蜒蛇形結構，每者的厚度均小于5μm，以提高與皮膚的共形性能和拉伸性能，增強皮膚的排汗和散熱能力。