基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套

本实用新型涉及可穿戴式动作捕捉设备领域，尤其涉及一种基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套。

背景技术：

石墨烯是具有一个原子层厚度的二维材料，因其具有优良的导热性、超高电子迁移率、不限于自身尺寸极限和较强的力学性能等优点，具有成为新一代的可拉伸柔性弯曲传感器主要材料的潜力。然而，目前对石墨烯的大部分研究主要集中在电学性能方面，比如使用石墨烯作为电子设备。并且，由于石墨烯只有一个原子层厚度，器件整体稳定性不高并且制备、转移困难。因此在很大程度上阻碍了高精度、高灵敏度、柔性可拉伸的传感器的发展和实用化进程。而目前广泛应用的可穿戴式手部姿态解算手套的测量误差大、对人体手部活动检测精度较小的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套，旨在解决现有的可穿戴式手部姿态解算手套对手部姿态测量误差大的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套，其中，包括：

手部姿势传感单元，所述手部姿势传感单元包括弯曲传感器以及手部运动传感器，所述弯曲传感器和所述手部运动传感器均设置于手部，其中，所述弯曲传感器为混配位金属碳纳米导电薄膜传感器；

滤波放大单元，所述滤波放大单元与所述手部姿势传感单元连接。

信号采集单元，所述信号采集单元与所述滤波放大单元连接。

所述的手部姿态解算手套，其中，所述弯曲传感器包括：

柔性基底；

混配位金属碳纳米导电薄膜，所述混配位金属纳米导电薄膜设置在所述柔性基底上；

金属电极，所述金属电极与所述混配位金属碳纳米薄膜连接。

所述的手部姿态解算手套，其中，所述混配位金属碳纳米薄膜传感器中的金属碳化合物颗粒的平均尺寸小于5nm。

所述的手部姿态解算手套，其中，所述金属电极为钛合金电极。

所述的手部姿态解算手套，其中，所述手部运动传感器包括陀螺仪和加速计。

所述的手部姿态解算手套，其中，所述滤波放大单元包括：

滤波电路，所述滤波电路与所述手部姿势传感单元连接，

三级运算放大电路，所述三级运算放大电路与所述滤波电路连接；

模拟输出电路，所述模拟输出电路与所述三级运算放大电路连接。

所述的手部姿态解算手套，其中，所述信号采集单元包括：

数模转换器，所述数模转换器与所述模拟输出电路连接；

手部姿态计算装置，所述手部姿态计算装置与所述数模转换器连接；

手部状态指标输出装置，所述手部状态指标输出装置与所述手部姿态计算装置连接。

所述的手部姿态解算手套，其中，所述手部状态指标输出装置用于输出手部状态指标，所述手部状态指标包括：手指弯曲度、手部俯仰角、手部航向角、手部横滚角。

所述的手部姿态解算手套，其中，所述弯曲传感器的弯曲角度为0°～180°。

有益效果：本实用新型提供了一种基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套，包括：手部姿势传感单元，所述手部姿势传感单元包括弯曲传感器以及手部运动传感器，所述弯曲传感器和所述手部运动传感器均设置于手部，其中，所述弯曲传感器为混配位金属碳纳米导电薄膜传感器；滤波放大单元，所述滤波放大单元与所述手部姿势传感单元连接。信号采集单元，所述信号采集单元与所述滤波放大单元连接。混配位金属碳纳米导电薄膜传感器的混配位金属碳纳米导电薄膜中的混配位金属碳纳米材料具有混配位键能极高的特性，使弯曲传感器具有优异的导电性能和力学性能，大大提高了弯曲传感器的弯曲测量精度。

附图说明

图1为本实用新型一种基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套的结构示意图。

图2为食指弯曲再伸直过程中对应角度的数字信号输出图。

图3为左手5根手指同时弯曲再伸直过程中对应角度的数字信号输出图。

附图标记：11、弯曲传感器，111、柔性基底，112、混配位金属碳纳米导电薄膜，113、金属电极，12、手部运动传感器，121、陀螺仪，122、加速计，20、滤波放大单元，21、滤波电路，22、三级运算放大电路，23、模拟输出电路，30、信号采集单元，31、数模转换器，32、手部姿态计算装置，33、手部状态指标输出装置，40、键合导电引线。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参见图1，本实用新型提供了一种基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套，包括：手部姿势传感单元，所述手部姿势传感单元包括弯曲传感器11以及手部运动传感器12，所述弯曲传感器11和所述手部运动传感器12均设置于手部，其中，所述弯曲传感器11为混配位金属碳纳米薄膜传感器；滤波放大单元20，所述滤波放大单元20与所述手部姿势传感单元连接。信号采集单元30，所述信号采集单元30与所述滤波放大单元20连接。

具体地，手部姿势传感单元用于获取手部姿势信号，手部姿势信号包括手指弯曲信号以及手部运动信号，弯曲传感器11设置在手指上，用于获取手指弯曲状态的信号，手部运动传感器12设置在手背上，用于获取手部整体的运动信号。通过对手部的手部姿势信号，采用滤波放大单元20将手部运动姿势信号进行放大，再通过信号采集单元30对放大后的手部姿势信号进行处理计算得到手部状态指标，该手部状态指标反映了手部的姿势情况。

混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器的敏感部采用混配位金属碳纳米导电薄膜112制成，混配位金属碳纳米导电薄膜112中分散有混配位金属碳纳米粉末，混配位金属碳纳米粉末为混配位金属碳纳米与富边缘态石墨烯纳晶化学键合链接的材料。在人体手指弯曲产生的外力下，混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器受力产生应变，导致混配位金属碳纳米导电薄膜112中的金属碳纳米颗粒与石墨烯键合位错，导电通路减少，传感器阻值上升，产生与弯曲程度相对应的电信号。由于传感器阻值的变化将导致电压信号发生相应变化，从而反映出人体手指弯曲的程度。同时，混配位金属碳纳米材料具有混配位键能极高的特性，使弯曲传感器11具有优异的导电性能和力学性能，大大提高了弯曲传感器11的弯曲测量精度。

进一步，采用柔性印刷技术，将手部运动传感器12、滤波放大单元20以及信号采集单元30集成于柔性pcb板，采用锂电池作为供电电源。柔性pcb板设置在一外部支撑结构上，通过外部支撑结构将柔性pcb板设置在手背上，该外部支撑结构采用abs树脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)制备得到。弯曲传感器11通过环状弹性织物固定在手指上，柔性pcb电路通过外部的外部支撑结构进行搭载在手背，各单元通过键合导电引线40连接，从而得到基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套。

在一种实施方式中，弯曲传感器11的有效弯曲角度为0°～180°。

在一种实施方式中，所述弯曲传感器11包括：

柔性基底111；

混配位金属碳纳米导电薄膜112，所述混配位金属纳米导电薄膜设置在所述柔性基底111上；

金属电极113，所述金属电极113与所述混配位金属碳纳米薄膜连接。

具体地，采用微波等离子体双靶材磁控溅射技术在硅板上沉积混配位金属碳纳米薄膜。以微波等离子体为照射电子源，通过直流溅射双靶材(碳靶材和金属靶材)，在硅基体表面生长混配位金属碳纳米薄膜，得到混配位金属碳纳米薄膜；将得到的混配位金属碳纳米薄膜从硅板上剥离下来并进行研磨，得到混配位金属碳纳米粉末；将混配位金属碳纳米粉末与导电聚苯胺在有机溶剂(如乙醇)中进行混合，采用旋涂的方法在柔性基底111上制成混配位金属碳纳米导电薄膜112，从而得到混配位金属纳米导电薄膜传感器。柔性基底111包括但不限于pdms柔性基底111、织物基底。金属电极113包括金属正电极和金属负电极，在混配位金属纳米导电薄膜的一端采用磁控溅射技术和紫外光刻技术镀上金属正电极，在混配位金属纳米导电薄膜的另一端镀上金属负电极，金属正电极和金属负电极再通过键合导电引线与滤波放大单元20连接。较好的，金属电极113可为但不限于钛合金电极，钛合金电极的宽度为0.5mm，厚度为70nm，间距为60um。

在一种实施方式中，所述混配位金属碳纳米薄膜传感器中的金属碳化合物颗粒的平均尺寸小于5nm。

在一种实施方式中，所述手部运动传感器12包括陀螺仪121和加速计122。

具体地，手部运动传感器12设置在手背上，陀螺仪121和加速计122是用于测量手部整体的移动和倾斜情况，通过陀螺仪121得到陀螺仪121信号，通过加速计122得到加速计122信号，根据陀螺仪121信号以及加速计122信号，得到手腕的线性运动和旋转运动情况。

在一种实施方式中，所述滤波放大单元20包括：

滤波电路21，所述滤波电路21与所述手部姿势传感单元连接，

三级运算放大电路22，所述三级运算放大电路22与所述滤波电路21连接；

模拟输出电路23，所述模拟输出电路23与所述三级运算放大电路22连接。

具体地，采用隔直电容构成滤波电路21以消除手指弯曲信号以及手部运动信号中的直流分量，三级运算放大器用于放大由于手指弯曲导致的手指弯曲信号以及手部运动传感器12检测的手部运动信号，模拟输出电路23将放大后的手指弯曲信号和手部运动信号输出至信号采集单元30。

在一种实施方式中，所述信号采集单元30包括：

数模转换器31，所述数模转换器31与所述模拟输出电路23连接；

手部姿态计算装置32，所述手部姿态计算装置32与所述数模转换器31连接；

手部状态指标输出装置33，所述手部状态指标输出装置33与所述手部姿态计算装置32连接。

具体地，模拟输出电路23是将放大后的信号输出至数模转换器31，数模转换器31将放大后的信号转换成数字信号，并将数字信号传送至手部姿态计算装置32，手部姿态计算装置32根据数字信号计算得到手部姿态指标并将其进行保存，手部状态指标输出装置33将手部姿态指标输出至终端。

进一步，所述手部状态指标输出装置用于输出手部状态指标，所述手部状态指标包括：手指弯曲度、手部俯仰角、手部航向角、手部横滚角，通过弯曲传感器11得到手指弯曲度，通过数模转换得到弯曲传感器11的电阻变化值，根据该电阻变化值得到手指弯曲度(cur)，其计算方式为：

其中，r为混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器阻值。通过手部运动传感器12得到手部横滚角(rol)、手部俯仰角(pit)、手部航向角(yaw)，其计算方式为：

其中，γ，ψ，θ均为欧拉角，γ为自转角，ψ为旋进角，θ为章动角，单位为度；webx，webx，webx分别为上一个计算周期计算出的手部横滚角、手部俯仰角、手部航向角。

在一种实施方式中，混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器的制备包括以下步骤：

s10、以微波等离子体为照射电子源，通过直流溅射双靶材，在硅基体表面生长混配位金属碳纳米薄膜；

s20、将所述混配位金属碳纳米薄膜从硅基体上剥离，并将剥离后的混配位金属碳纳米薄膜研磨，得到混配位金属碳纳米粉末；

s30、制备导电聚苯胺溶液，将所述混配位金属碳纳米粉末加入到所述导电聚苯胺溶液中均匀混合，得到混配位金属碳纳米导电液；

s40、在柔性基底111上采用所述混配位金属碳纳米导电液制备混配位金属碳纳米导电薄膜112，得到混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器。

具体地，本实用新型利用微波等离子体双靶材磁控溅射技术，通过以微波等离子体为照射电子源的微波溅射与直流磁控溅射的双靶材溅射，在硅基体表面生长混配位金属碳纳米薄膜。控制真空腔体中的电子密度，基片偏压在+0～80v之间，超高电流密度为100ma/cm²，超高电子通量(单位时间电子透过量)1.25*1021mm^-2s^-1。超高电子通量诱导生长出大量的富边缘态石墨烯纳晶，以及混配位的化学键合的金属碳化合物颗粒，形成独具特色的表面超光滑的混配位金属碳纳米薄膜。混配位金属碳纳米薄膜的金属碳化合物颗粒尺寸平均小于5nm，该膜极为光滑，粗糙度小于2nm，且金属碳化合物颗粒与石墨烯纳米晶之间是化学键合链接而不是普通掺杂。

然后采用电动雕刻刀将混配位金属碳纳米薄膜从硅基底上剥离，并通过研磨工具研磨成均匀的混配位金属碳纳米粉末。

采用有机溶液(如乙醇)分散导电聚苯胺得到导电聚苯胺溶液将混配位金属碳纳米粉末与导电聚苯胺溶液均匀混合，并加入适量液态硅橡胶和表面活性剂(如十二烷基磺酸钠)，获得混配位金属碳纳米导电液，通过改变硅橡胶的用量控制混配位金属碳纳米导电薄膜传感器的拉伸性能和混配位金属碳纳米粉末的吸附性；通过改变表面活性剂的用量控制混配位金属碳纳米薄膜传感器的导电性能。优选的，混配位金属碳纳米粉末、导电聚苯胺、液态硅橡胶与表面活性剂的质量比为1：0.4～0.6：0.3～0.7：0.05～0.1，较佳的，混配位金属碳纳米粉末、导电聚苯胺、液态硅橡胶与表面活性剂的质量比为1：0.43：0.43：0.1。进一步，还可以在混配位金属碳纳米导电液中加入适量的纳米银片以提高传感器的导电性能。

接着采用旋涂的方式将混配位金属碳纳米导电液沉积在柔性基底111上，并进行加热固化制备混配位金属碳纳米导电薄膜112，从而得到混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器。

混配位金属碳纳米粉末内的混配位金属碳化物颗粒与石墨烯纳晶在硅橡胶网格内能形成导电网络。当手指弯曲时，混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器受力产生应变，导致混配位金属碳纳米导电薄膜112中的金属碳纳米颗粒与石墨烯纳晶键合位错，导致混配位熵增效应，使得导电网络整体的电阻值发生变化，通过检测混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器的阻值，可得到不同阻值下混配位金属碳纳米导电薄膜112传感器的弯曲角度，从而反映出人体手指弯曲的程度。而混配位金属碳纳米导电薄膜112中的混配位金属碳纳米粉末具有混配位键能极高的特性，使弯曲传感器11具有优异的导电性能和力学性能，大大提高了弯曲传感器11的弯曲测量精度。

本实用新型的人体手指弯曲信号输出如图2和图3所示，图2为食指弯曲再伸直过程中对应角度的数字信号输出，图3为左手5根手指同时弯曲再伸直过程中对应角度的数字信号输出，表1为人体各手指弯曲范围。可以看出，在不断弯曲伸直的情况下，在人体手指最大弯曲范围内，混配位金属碳纳米薄膜导电传感器的手部姿态解算手套装置都测量到了稳定精确的弯曲信号。

表1人体各手指弯曲范围

综上所述，本实用新型提供了一种基于纳米薄膜传感器的手部姿态解算手套，包括：手部姿势传感单元，所述手部姿势传感单元包括弯曲传感器以及手部运动传感器，所述弯曲传感器设置在手指上，所述手部运动传感器设置在手背上，其中，所述弯曲传感器为混配位金属碳纳米导电薄膜传感器；滤波放大单元，所述滤波放大单元与所述手部姿势传感单元连接。信号采集单元，所述信号采集单元与所述滤波放大单元连接。混配位金属碳纳米导电薄膜传感器的混配位金属碳纳米导电薄膜中的混配位金属碳纳米材料具有混配位键能极高的特性，使弯曲传感器具有优异的导电性能和力学性能，大大提高了弯曲传感器的弯曲测量精度。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。