一种基于静电感应的非接触式手势识别装置

本发明涉及人机交互技术和柔性电子传感器领域，具体涉及一种基于静电感应的非接触式手势识别装置。

背景技术：

1、随着科学技术的飞速发展，智能设备已深入人们的日常生活，功能也日益强大，同时也带来了操作日益复杂的挑战，自然的人机交互已逐渐成为提升用户体验和效率的关键。这使得人们对人机交互系统的开发和改进愈发重视，研究者和开发者们正致力于探索和创新新的人机交互手段，旨在打破传统交互模式的局限，开发出更加直观、高效的交互技术。手势作为人类最本能和最直接的沟通方式之一，其在人机交互中的应用不仅能够极大地丰富用户的交互方式，还能够提高交互的直观性和便捷性。因此基于手势的识别技术逐渐成为人机交互领域的一个重要研究方向。此外，手势识别技术还具有潜在的变革性运用，它能够为残障人士提供更加便捷的交互途径，同时也能够在虚拟现实、远程教育、智能娱乐等多个领域中开辟新的应用前景。因此手势识别技术在推动人机交互向更高层次发展的同时，也为我们构建一个更加智能、互联的世界提供了新的可能性。

2、然而，目前常见的手势识别方法主要依赖硬件设备，如视频、红外、射频和雷达传感器，用于捕捉用户的手势和肢体动作，并通过预先编写的程序进行识别。然而，这些方法容易受到环境影响，往往难以实现实时的手势识别。此外，现有的手势识别技术通常需要复杂的硬件设备或系统，限制了其在日常生活中实现良好的人机交互。因此，开发一种能够实现实时、快速、便捷且准确的手势识别的柔性传感器变得尤为迫切和重要。

3、华中科技大学申请的发明专利“一种人体运动意图识别的表皮摩擦纳米发电传感器与方法”（申请号：cn202211426638.2，申请公开号：cn115721324a）中公开了一种用于人体运动监测与意图识别的表皮摩擦纳米发电传感器及其识别方法。该设计旨在提升传统人机交互的自然性、舒适性，并确保信号的真实性和准确性。该柔性可拉伸传感器由多层结构组成，包括腔体上盖、摩擦层、封装层、电极层、基底和黏附层，形成薄膜状。传感器通过黏附层与皮肤贴合，同步采集肌肉运动信号。识别方法涉及将传感器置于前臂，采集多通道信号，提取特征，建立模型，并对新信号进行分类以识别手势意图。尽管该装置展示了利用表皮摩擦纳米发电的方式进行手势识别和可穿戴的创新性。但在实际应用方面，它仍面临着该传感器的多层结构设计的复杂性、传感器与人体皮肤长时间接触的适应性、个体间的差异适应性以及设备在长期使用过程中的清洁和卫生等问题。东南大学申请的发明专利“一种基于摩擦纳米发电机的手势识别传感器及其制备方法”（申请号：cn202210749582.8，申请公开号：cn115268632a）中公开了一种基于摩擦纳米发电机的手势识别传感器及其制备方法，旨在解决现有手势识别传感器设备结构复杂以及长时间穿戴舒适性较差的问题。该传感器阵列由至少三个单元构成，每个单元包含多层结构，运用静电感应和摩擦原理通过手背皮肤接触产生电信号，阵列布局可捕获不同位置的皮肤形变信号，经处理和机器学习分析后实现精确手势识别，设计通过缩小单个传感器尺寸提升舒适度，并通过阵列布局增强识别准确率。该装置在实际应用中仍然面临传感器与皮肤的直接接触可能受到皮肤表面条件的影响，如油脂和汗液，这可能会干扰信号的稳定性和准确性的挑战。此外，装置还需要克服个体差异适应性的问题，以及在长期使用中的耐久性挑战。江苏大学申请的发明专利“一种非物理接触的多维信息融合智能手势密码锁”（申请号：202310567504.0，申请公开号：cn116480229a）中公开了一种非物理接触的多维信息融合智能手势密码锁，旨在提供一种安全、高效且操作灵活的智能解锁方式。该系统整合了单电极式摩擦纳米发电机、信号处理、电池、微控制器和显示单元，允许用户通过非接触手势输入激活静电感应，实现手势识别并控制智能锁。通过个性化设置，系统提升了安全性与便捷性，展现在智能家居和安全防护领域的应用前景。尽管该装置在手势识别技术上展现出密码锁解锁手势的灵活性，但其在实际应用中的表现受到了一定限制。装置的硬件结构复杂这增加了制造和维护的难度，并且该装置在手势识别方面仅只是对手势滑动方向进行识别，目前的识别范围较为有限，这限制了其在更广泛场景下的应用可能性。

4、以上几个专利通过利用有关摩擦纳米发电的原理从而达到手势识别的目的。然而以上装置依然存在一些不足之处，一方面，传感器直接接触皮肤，会受到皮肤表面条件（如油脂、汗液）的影响，从而影响信号的稳定性和准确性；另一方面，这些装置都没有广泛的适用性只能在固定的位置处进行监测信号变化从而实现手势识别。并且，尚未有专利报道基于静电感应的非接触的手势识别的方法。因此，亟需发明一种非接触式的、柔性的、精准的手势识别装置。

技术实现思路

1、针对上述技术存在的识别设备复杂、灵活性缺失、使用范围窄等问题，本发明提出了一种基于静电感应的非接触式手势识别装置。该手势识别装置具有装置简易、识别速度快、准确率高、柔性弯曲适用性广泛等优点，通过利用静电交互层与电极层相互连接固定时，电极层因静电交互层本身带有电荷从而产生感应电荷。当手势非接触的在该装置上时，引起电极层中的感应电荷发生变化，将该静电感应信号传输至信号处理器中从而实现对手势信号的捕获。我们构建了一种简洁高效的手势识别装置，实现了高精度、稳定性、可靠性和可穿戴性的手势识别装置。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案：一种基于静电感应的非接触式手势识别装置，包括静电交互层（1）、连接固定层1（2）、电极层（3）、连接固定层2（4）、柔性基底层（5）。

3、优选地，所述静电交互层（1）是由热塑性聚氨酯通过静电纺丝技术制备而成的，热塑性聚氨酯作为关键材料之一，其材料本身带有静电荷，能够有效增强在手势识别过程中的静电感应信号，为后续的手势识别提供了可靠的信号。通过精心设计和优化，热塑性聚氨酯在装置中发挥着关键作用，实现了对手势运动的高灵敏度捕捉，从而确保了识别准确度和响应速度。

4、优选地，所述连接固定层1（2）、2（4）被应用于本装置的构建中，旨在提升装置的结构稳定性和耐用性。双面胶具有优异的粘附性能，能够牢固地粘合各层材料，确保装置在长时间使用中不易发生松动或脱落，从而增强了装置的可靠性和使用寿命。

5、优选地，所述电极层（3）是由聚噻吩和聚氨酯通过原位聚合技术合成的，具有良好的导电性和化学稳定性，为装置的电信号传输和处理提供了可靠支持。柔性聚噻吩和聚氨酯电极的引入有效地增强了装置的信号传输效率，使得手势识别过程更加精准和快速，为用户提供了流畅的操作体验。

6、优选地，所述柔性基底层（5）作为装置的底层材料，具有良好的机械性能和耐磨性，为整个装置提供了坚固的支撑和保护。聚酯薄膜基底的应用不仅增强了装置的结构稳定性，还有效地防止了外部环境对装置的影响，确保了装置在各种使用场景下的可靠性和稳定性。

7、优选地，所述静电交互层（1）、连接固定层1（2）、电极层（3）、连接固定层2（4）和柔性基底层（5）的厚度各为0.3 mm、0.2 mm、0.2 mm、0.2 mm，0.3 mm，该装置的外形尺寸为长43-48 mm，宽28-34 mm。

8、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

9、（1）创新性：本发明专利采用柔性材料进行精心选择和结构的合理设计，创新性地提出了基于静电感应的非接触式手势识别装置，突破了传统技术的局限性，为人机交互领域带来了新的可能性和发展方向；

10、（2）高精度识别：本发明专利采用柔性材料热塑性聚氨酯作为静电交互层和以聚噻吩和聚氨酯作为电极层，其中热塑性聚氨酯本身带有静电荷，从而增强了电极层的静电感应信号，确保装置能够准确捕捉手势信号，实现高精度的手势识别；

11、（3）非接触式操作：本发明专利用户无需直接接触设备即可进行手势操作，该装置中的电极层在手势靠近时产生的静电感应信号为实现非接触式操作提供了可能，提高了交互的便捷性和用户体验；

12、（4）柔性和可穿戴性：本发明专利的手势识别装置得益于其独特的柔性层状材料设计，这不仅赋予了装置出色的柔韧性，还显著增强了其耐用性。此外，柔性特征使得装置易于整合到各种可穿戴设备中，如智能手表、健身追踪器或时尚服饰，从而拓宽了其应用范围。