本發(fā)明涉及摩擦電織物傳感器，特別是一種壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)采集手套。

背景技術(shù)：

1、隨著人工智能、機(jī)器人、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化與我們的生活有了深入且緊密的聯(lián)系。為了實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備之間的信息傳遞，關(guān)于信息獲取與信息交換的技術(shù)不斷深入，且得到了快速發(fā)展，傳感器正在從傳統(tǒng)、龐大、不便利的控制終端，向著微型、柔性、便捷性強(qiáng)的方向發(fā)展。材料的多樣化正是為了這一方向的發(fā)展提供了創(chuàng)新基礎(chǔ)，目前，柔性傳感器在該領(lǐng)域起著重要作用，幫助傳感器領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了許多新的信息交換機(jī)制來滿足現(xiàn)代人的需求，通過監(jiān)測人的心跳、呼吸、脈搏等體征指標(biāo)來進(jìn)行信號采集與傳輸。人類運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的生理信號是傳感器的輸入內(nèi)容，是信息采集的一部分。

2、如今，傳感器廣泛的開發(fā)應(yīng)用使生活日漸便利，摩擦電傳感器也使傳感器的應(yīng)用范圍得到了擴(kuò)大。自2012年王中林教授提出摩擦納米發(fā)電機(jī)后，摩擦電傳感器在柔性化與微小化上得到了迅速進(jìn)步。2017年北京納米能源與系統(tǒng)研究所提出一種摩擦電納米傳感器，使傳感器微小化得到了一定的發(fā)展。傳統(tǒng)的傳感器通過在結(jié)構(gòu)中加裝敏感材料從而得到所要求的響應(yīng)，但精度低且功能性較差，在紡織品的應(yīng)用上也有一定的限制。為了解決上述問題，李召嶺等提出一種織物基隨身柔性壓力傳感器的制備方法，通過提高電正性和電負(fù)性摩擦材料單位面積內(nèi)材料之間的有效接觸面積，提升摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出性能，使基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的柔性壓力傳感器的傳感性能得到了提高。而2022年，王昊等人提出一種織物摩擦電納米發(fā)電機(jī)，為摩擦電層設(shè)置了兩個表面，使兩個表面相對運(yùn)動產(chǎn)生一定的電荷從而進(jìn)行傳感，在織物傳感器的微小化方面做出一定貢獻(xiàn)。

3、數(shù)據(jù)采集是壓力傳感器的重要部分，是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。傳感器在工作過程中，信息采集與讀取方面起著重要作用。傳統(tǒng)的傳感器監(jiān)測到所求信號，信號傳導(dǎo)至電路進(jìn)行放大和濾波處理，得到最終信息。目前，常使用壓阻式或者壓電式傳感器來采集數(shù)據(jù)。壓阻式傳感器基于壓阻效應(yīng)材料電阻率隨著外部壓力的變化而變化，優(yōu)點(diǎn)在于后續(xù)處理電路相對簡單，原材料易得耐用，有很好的負(fù)載特性，但是通常需要供電電路提供電流信號，從而建立輸出電壓與外部壓力的對應(yīng)關(guān)系，是被動器件。壓電式傳感器基于壓電效應(yīng)，材料受力后表面將產(chǎn)生正比于外力的電荷，優(yōu)點(diǎn)在于其是主動器件無需外部供電，且靈敏度高，但是輸出信號微弱，輸出直流響應(yīng)差，后續(xù)處理電路也相對復(fù)雜。2012年王中林教授團(tuán)隊(duì)首次制備出了摩擦電納米發(fā)電機(jī)，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繙y試，精確地控制了摩擦過程中的各種參數(shù)，隨后因?yàn)閠eng傳感器的自供能和輸出電壓高等特性，關(guān)于teng的創(chuàng)新應(yīng)用逐漸廣泛，與傳統(tǒng)的壓電式和壓阻式傳感器相比，基于接觸分離式teng的壓力傳感器因其主動性，自供能，動靜態(tài)壓力均可檢測，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。

4、隨著信息技術(shù)與物聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器的信號采集也日趨集成化與物聯(lián)化，通過計(jì)算機(jī)直接發(fā)出操控命令，并在屏幕上獲得各個信號變化，上位機(jī)系統(tǒng)在傳感器信號采集中的地位日趨重要。目前上位機(jī)控制軟件通常采用labview進(jìn)行編寫程序進(jìn)行控制。labview是laboratory?virtual?instrument?engineering?workbench的英文縮寫，是一款實(shí)用圖形符號來編寫程序的編程環(huán)境。應(yīng)用labview的圖形編程語言能夠在很大程度上提高編程的效率，這種語言稱為g語言，即圖形編程語言。圖形編程消除了文本編程中設(shè)計(jì)的許多語法細(xì)節(jié)，使編程更加容易。

5、在智能化深入現(xiàn)代生活的同時，機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的核心也在不斷發(fā)展。機(jī)器學(xué)習(xí)歷經(jīng)70年的曲折發(fā)展，以深度學(xué)習(xí)為代表借鑒人腦的多分層結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元的連接交互信息的逐層分析處理機(jī)制，自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的強(qiáng)大并行信息處理能力，這對于信號的采集與處理有著重要作用。傳感器信號采集與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合還有待深入，通過信息采集后進(jìn)行學(xué)習(xí)模型構(gòu)建，對傳感器的數(shù)據(jù)分析有著重要意義。在物聯(lián)網(wǎng)(iot)和第五代(5g)無線網(wǎng)絡(luò)時代，得益于超快的數(shù)據(jù)交換速率，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)、響應(yīng)設(shè)備端和云之間的實(shí)時通信已經(jīng)大大成為可能。在這方面，越來越多的功能性電子設(shè)備被配置在人體上或環(huán)境中，形成互聯(lián)的監(jiān)測和響應(yīng)系統(tǒng)，如bodynet、給藥系統(tǒng)、智能家居、智能工業(yè)、無人商店等。目前，電子皮膚(e-skin)、紡織品、人機(jī)界面等可穿戴電子產(chǎn)品和系統(tǒng)正在快速發(fā)展，在物理/化學(xué)/生理監(jiān)測、直觀控制、醫(yī)療保健、點(diǎn)護(hù)理診斷和治療等領(lǐng)域得到了多樣化的應(yīng)用。與可穿戴電子設(shè)備和系統(tǒng)相比，這些分布式電子設(shè)備可以以互補(bǔ)和通用的方式提供額外的功能，包括室內(nèi)定位、基于生物識別的身份認(rèn)證、訪問管理、舒適自動化、智能交互、安全等等，而不需要佩戴任何笨重的設(shè)備。

6、據(jù)報(bào)道，基于電容式和電阻式手套的人機(jī)界面需要外部電源來維持傳感器的運(yùn)行，如果沒有機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)的信號分析方法，就無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜手勢的感知。新興的能量收集技術(shù)，如壓電和摩擦電，通過從人體運(yùn)動中獲取無處不在的機(jī)械能來減輕對電池的依賴，促進(jìn)了電力兼容和自供電的可穿戴人機(jī)界面的發(fā)展。摩擦電納米發(fā)電機(jī)(teng)由于其工作原理簡單、材料選擇廣泛、易于制造、重量輕且成本低等獨(dú)特優(yōu)勢，可以成為醫(yī)療保健、傳感、和自供電可穿戴人機(jī)界面等多種應(yīng)用的最佳解決方案。在過去的幾年中，基于摩擦電手套的人機(jī)界面變得流行起來，可以方便地檢測人類的手勢，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的智能交互。例如，x.p?u等人開發(fā)了一種關(guān)節(jié)運(yùn)動摩擦電量化傳感器，通過計(jì)數(shù)信號峰值，通過人類手勢操作機(jī)械手。

7、傳統(tǒng)的技術(shù)包括基于多點(diǎn)式柔性薄膜壓力傳感器和elvis技術(shù)的“推拿手法數(shù)據(jù)手套”在傳感器職能的選擇與載體呈現(xiàn)，該方案使用柔性薄膜壓力傳感器構(gòu)成手套，應(yīng)用于中醫(yī)推拿。它通過手套上的傳感器檢測壓力，它通過將購買的傳感器縫制于彈性面料上來達(dá)到其壓力傳感的目的，但本方案是運(yùn)用兩線相交作為傳感器，并且能夠?qū)鞲衅黛`活拆卸。

8、繼2012年王中林教授提出摩擦納米發(fā)電機(jī)后，摩擦電傳感器得到了一定的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生活用品也逐漸智能化，織物傳感器也逐漸步入科研領(lǐng)域。現(xiàn)有技術(shù)中，以摩擦電傳感器為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸手套并不常見，且無法進(jìn)行不同部位的手部肌肉數(shù)據(jù)傳輸，做不到點(diǎn)對點(diǎn)傳感。

9、目前，常使用壓阻式或者壓電式傳感器來采集數(shù)據(jù)。壓阻式傳感器基于壓阻效應(yīng)材料電阻率隨著外部壓力的變化而變化，優(yōu)點(diǎn)在于后續(xù)處理電路相對簡單，原材料易得耐用，有很好的負(fù)載特性，但是通常需要供電電路提供電流信號，從而建立輸出電壓與外部壓力的對應(yīng)關(guān)系，是被動器件。壓電式傳感器基于壓電效應(yīng)，材料受力后表面將產(chǎn)生正比于外力的電荷，優(yōu)點(diǎn)在于其是主動器件無需外部供電，且靈敏度高，但是輸出信號微弱，輸出直流響應(yīng)差，后續(xù)處理電路也相對復(fù)雜。

10、雖然摩擦電信號的振幅和峰值數(shù)是摩擦電人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互交流的重要指標(biāo)，但與人體運(yùn)動相關(guān)的摩擦電信號包含許多微妙的信息，這些信息是肉眼無法分辨的，也無法通過信號振幅或峰值數(shù)來簡單區(qū)分。也就是說，復(fù)雜的手勢不能僅僅依靠摩擦電振幅或峰值數(shù)來識別。人機(jī)界面的快速發(fā)展需要一種有效的、持續(xù)的解決方案來實(shí)現(xiàn)更全面、更復(fù)雜的信號分析和識別。來自人工智能(ai)的機(jī)器學(xué)習(xí)有很大的潛力來實(shí)現(xiàn)這些功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)采集手套，本發(fā)明能夠?qū)⒛Σ良{米發(fā)電機(jī)集成在手套中，進(jìn)行信號采集。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)采集手套，包括：

3、使用導(dǎo)電紗線進(jìn)行涂層處理，使紗線在與尼龍線正交時可構(gòu)成一個摩擦電傳感器單元；

4、通過對涂層處理過的導(dǎo)電紗線進(jìn)行編織，得到若干塊導(dǎo)電紗布；將其分別縫制至普通尼龍布塊上，將其作為若干個小陣列型傳感器，排列于任意手套上得到一個摩擦電陣列傳感器，即數(shù)據(jù)采集手套。

5、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)據(jù)采集手套為單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)，通過所受法向力大小不同，所產(chǎn)生的摩擦電壓也不同，從而進(jìn)行所受力的信號傳導(dǎo)。

6、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，將所獲得電壓信號進(jìn)行解讀，以此對各個摩擦電傳感器單元所得到的法向力進(jìn)行信號傳感，從而實(shí)現(xiàn)手掌發(fā)力大小與方向的相關(guān)信息的采集與傳輸。

7、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)據(jù)采集手套通過獲得人手勢、手部發(fā)力方面的信息，用于醫(yī)生手部信息的信號采集，從而讓計(jì)算機(jī)對醫(yī)生手部動作進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療機(jī)器人的使用，并提高其使用效率與實(shí)用性；且針對手部任意所需部位進(jìn)行壓力信號采集，提高了信息采集的多樣性。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)據(jù)采集手套的采集電路選擇使用處理電路、選通電路以及stm32單片機(jī)構(gòu)成整體電路。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，還包括：將手部信息存入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，讓計(jì)算機(jī)對手部動作有更進(jìn)一步學(xué)習(xí)，從而達(dá)到手勢識別、手勢運(yùn)用的效果。

10、本發(fā)明的有益效果是：

11、本發(fā)明通過針對織物手套的編織，將構(gòu)成摩擦傳感單元的不同導(dǎo)電紗線進(jìn)行排列，使其能夠針對手部肌肉進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)、位對位的數(shù)據(jù)傳輸，從而獲得更加精細(xì)的手部數(shù)據(jù)；采用摩擦納米發(fā)電機(jī)作為傳感器，可以使傳感器自供能，若能在傳感的同時將外部環(huán)境的能量收集存儲，還能為后續(xù)的處理電路進(jìn)行供電，真正實(shí)現(xiàn)自供能系統(tǒng)。相較于別的電能轉(zhuǎn)換收集方式，摩擦發(fā)電機(jī)工作原理簡單，成本也低，若使用可降解材料對污染也小。