面向人機互動的可拉伸肌電感測陣列系統設計與集成

《面向人機互動的可拉伸肌電感測陣列系統設計與集成》是依託華中科技大學，由吳豪擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：面向人機互動的可拉伸肌電感測陣列系統設計與集成
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：吳豪
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

通過採集和解碼人體生物電信號以識別人體行為，賦予機器人理解人意圖的能力，成為人機自然互動領域的前沿。針對目前單通道肌電感測器不能準確全面地採集二維皮膚表面肌電信號及感測器單元和信號處理系統結構複雜，且不能與人體皮膚緊密貼合，從而限制了系統的實際套用的現狀，本項目依託於可拉伸電子技術，旨在開發出可拉伸肌電感測陣列及其信號處理系統以方便、準確地獲取人體肌電生理信息。通過生物電極陣列化的排布可以實現在二維空間對肌肉電信號的大面積捕捉，為提取肌肉動作特徵提供了更豐富的信息和更多的自由度。本項目提出可拉伸混合電子系統的集成方案，通過材料選擇、結構設計和基於力學的系統最佳化設計，實現肌電感測陣列信號處理系統的可拉伸性，從而可以將整個肌電感測陣列系統（包含感測陣列和信號處理系統）緊湊共形地帖附在人體皮膚上，同時實現信息採集能力的擴展和人體可穿戴性的提高。

結題摘要

針對傳統的肌電信號感測器及其信號處理系統結構複雜、體積大，難以與人體皮膚緊密貼合等問題，本項目開發了具備可穿戴功能的可拉伸肌電感測陣列系統。該系統可以方便、準確地採集到多通道人體肌電信號，並利用智慧型算法將肌電信號轉化為對機械手等外部設備的控制信號。該系統可以作為下一代人機接口，為實現人-機互動協作提供底層支持，在機器人假肢手、康復機器人和機器人遙操作中有重要的套用前景。3年來依託本項目共發表9篇論文，其中8篇發表在中科院一區TOP類期刊，5篇發表在影響因子＞10的國際權威期刊上，2篇封面文章；已申請12項發明專利。本項目的主要研究成果包括： 1.可拉伸表皮肌電電極陣列的製備方法及套用。開發了一種基於銀微納米顆粒的導電複合材料，具備良好的導電性與可拉伸性能，能夠絲網印刷工藝實現圖案化器件製備。經測試該電極的接觸阻抗與商用電極近似，具有良好的信號採集性能，特別當皮膚發生拉伸或壓縮變形時其測得的信號更為穩定，驗證了其在可穿戴性方面更具優勢。利用電極陣列採集了六路幅值穩定、信噪比可達到15dB以上的肌電信號，結合智慧型算法，實現了對輪式機器人運動方向的控制、5種抓握手勢的離線識別（識別率80%），在五指運動的實時估計中機械手的運動與人手運動的相關係數達到0.8以上。同時研究了眼電信號、腦電信號的採集方法和分析手段，拓寬了生理電信號的套用。 2.可穿戴信號處理電路。硬體上由濾波模組、ADC模數轉換晶片、MCU微控制單元、無線通信模組和電源模組構成，實現對16通道2000Hz採樣率數據的採集和保存，結構上利用柔性電路技術使得系統可以呈環狀穿戴在人體手臂或腿部。 3. 拓展項目研究內容，開展機器人電子皮膚等柔性電子器件的研究工作，開發了感測靈敏度高、測量範圍大，兼具觸覺感知和接近覺感知的電子皮膚，同時實現了對接觸材料硬度的區分，為機器人的靈巧操作提供技術支持。除此之外也在利用柔性電子器件實現駕駛狀態監測、靜電吸附和驅動方面做了相關拓展研究。