织物摩擦力传感器及人机交互装置和人机交互方法
技术领域
本发明涉及一种穿戴式人机交互技术，尤其涉及一种织物摩擦力传感器及人机交互装置和人机交互方法。
背景技术
由于穿戴式电子产品在人体运动检测、人机交互和生理监测等方面具有广阔的应用前景，各种穿戴式设备如智能手套、智能手表、智能眼镜、智能衣物等快速发展。尽管穿戴式设备领域已经取得了显著的进步，但其仍然存在着明显的缺陷，阻碍了穿戴式电子产品的广泛应用。例如，现有的用于穿戴式电子的传感器大多通过胶粘，缝制，捆绑等方式附着在人体或衣物表面，由于传感器的材质与日常穿戴的织物材料差异较大，穿戴舒适性较差。此外，许多穿戴式电子产品的制造需要复杂和昂贵的工艺，如掩模、蚀刻和蒸发等，导致穿戴式电子产品价格高昂，阻碍了穿戴式电子产品的广泛应用。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于摩擦起电效应的织物摩擦力传感器，其创新在于：所述织物摩擦力传感器包括由两种或两种以上材质的纱线混合纺织而成的织物层；不同材质的纱线在织物层内相互接触且多次交织；单根纱线由多根线体和一根导电电极线纺织而成，多根线体将导电电极线包裹在内，或者多根线体和导电电极线编织在一起。
前述方案的原理是：当织物层在外力作用下发生形变时，相互接触的不同纱线就会相互摩擦，由于不同纱线具有不同的摩擦电极序，纱线之间就会产生接触电荷，并且由于纱线不断的接触、分离，纱线间的电势也会不断变化，这就会使导电电极线上产生感应电荷，通过检测感应电荷，我们就能知道织物层是否发生了形变，并且，与感应电荷相关的信号幅值的大小还与织物层形变的剧烈程度存在正相关性，据此，我们就能识别出织物层的形变剧烈程度，将其应用于穿戴式设备上，我们就能识别出操作者的动作以及动作的剧烈程度。前述的织物摩擦力传感器可通过缝制、粘贴等方式集成在普通的衣物上，使穿戴的舒适性大幅提高，而且织物摩擦力传感器的制作不需要复杂、昂贵的工艺，成本较低，能有效拓展穿戴式电子产品的应用。
具体实施时，线体可采用腈纶、锦纶、涤纶等化学纤维或其它棉、毛、丝、麻等天然纤维，导电电极线可采用导电金属或导电橡胶制作；织物层可采用现有的纺织工艺制作。
基于前述方案，发明人还提出了一种基于织物摩擦力传感器的人机交互装置，其创新在于：所述人机交互装置包括穿戴式载体、至少一片织物摩擦力传感器、信号处理模块、控制模块和被控终端；所述穿戴式载体为衣服、裤子、手套、指套、护指、护腕、护膝、护肘、袜子或鞋垫；所述织物摩擦力传感器设置在穿戴式载体的表面上、内壁上或夹层内，织物摩擦力传感器在穿戴式载体上的位置与人的关节部位对应；织物摩擦力传感器上的导电电极线与信号处理模块电气连接，信号处理模块与控制模块电气连接，控制模块与被控终端通信连接；所述织物摩擦力传感器的构成如前所述。
此外，发明人还提出了一种基于织物摩擦力传感器的人机交互方法，所涉及的硬件如前所述；具体的人机交互方法包括：
1）使用者将穿戴式载体穿戴在身体的相应部位上；当穿戴式载体随关节运动而发生形变时，织物摩擦力传感器中的纱线会相互摩擦产生电荷信号；导电电极线将电荷信号传输至信号处理模块；
2）信号处理模块先对电荷信号进行滤波放大处理，然后将得到的电压信号传输至控制模块；
3）控制模块通过电压信号识别出使用者的肢体形变状态，然后根据设定的程序向被控终端输出控制指令。控制模块和被控终端的通信方式既可以采用有线方式也可以采用无线方式。
本发明的有益技术效果是：提出了一种织物摩擦力传感器及人机交互装置和人机交互方法，该织物摩擦力传感器能方便地集成在普通衣物上，穿戴舒适性较好，而且传感器制作不需要复杂、昂贵的工艺，成本较低。
附图说明
图1、单根纱线的断面结构示意图（图中所示结构为多根线体将导电电极线包裹在内的情况，对于多根线体和导电电极线编织在一起的情况，由于编织方式多种多样，故本文未作具体示意）；
图2、纱线摩擦原理示意图；
图3、人机交互装置的电气原理示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：纱线1、线体2、导电电极线3、织物摩擦力传感器4、信号处理模块5、控制模块6、被控终端7。
具体实施方式
一种基于摩擦起电效应的织物摩擦力传感器，其创新在于：所述织物摩擦力传感器包括由两种或两种以上材质的纱线混合纺织而成的织物层；不同材质的纱线在织物层内相互接触且多次交织；单根纱线由多根线体和一根导电电极线纺织而成，多根线体将导电电极线包裹在内，或者多根线体和导电电极线编织在一起。
一种基于织物摩擦力传感器的人机交互装置，其创新在于：所述人机交互装置包括穿戴式载体、至少一片织物摩擦力传感器、信号处理模块、控制模块和被控终端；所述穿戴式载体为衣服、裤子、手套、指套、护指、护腕、护膝、护肘、袜子或鞋垫；所述织物摩擦力传感器设置在穿戴式载体的表面上、内壁上或夹层内，织物摩擦力传感器在穿戴式载体上的位置与人的关节部位对应；织物摩擦力传感器上的导电电极线与信号处理模块电气连接，信号处理模块与控制模块电气连接，控制模块与被控终端通信连接；所述织物摩擦力传感器包括由两种或两种以上材质的纱线混合纺织而成的织物层；不同材质的纱线在织物层内相互接触且多次交织；单根纱线由多根线体和一根导电电极线纺织而成，多根线体将导电电极线包裹在内，或者多根线体和导电电极线编织在一起。
一种基于织物摩擦力传感器的人机交互方法，所涉及的硬件包括穿戴式载体、至少一片织物摩擦力传感器、信号处理模块、控制模块和被控终端；所述穿戴式载体为衣服、裤子、手套、指套、护指、护腕、护膝、护肘、袜子或鞋垫；所述织物摩擦力传感器设置在穿戴式载体的表面上、内壁上或夹层内，织物摩擦力传感器在穿戴式载体上的位置与人的关节部位对应；织物摩擦力传感器上的导电电极线与信号处理模块电气连接，信号处理模块与控制模块电气连接，控制模块与被控终端通信连接；所述织物摩擦力传感器包括由两种或两种以上材质的纱线混合纺织而成的织物层；不同材质的纱线在织物层内相互接触且多次交织；单根纱线由多根线体和一根导电电极线纺织而成，多根线体将导电电极线包裹在内，或者多根线体和导电电极线编织在一起；其创新在于：所述人机交互方法包括：
1）使用者将穿戴式载体穿戴在身体的相应部位上；当穿戴式载体随关节运动而发生形变时，织物摩擦力传感器中的纱线会相互摩擦产生电荷信号；导电电极线将电荷信号传输至信号处理模块；
2）信号处理模块先对电荷信号进行滤波放大处理，然后将得到的电压信号传输至控制模块；
3）控制模块通过电压信号识别出使用者的肢体形变状态，然后根据设定的程序向被控终端输出控制指令。
实施例1：
一种智能手套：在手套上与多个指关节对应的部位分别设置织物摩擦力传感器，信号处理模块和控制模块设置在手套上与手背或手心对应的部位；将智能手套与VR眼镜和计算机结合，即可得到一种虚拟现实设备，使用者可通过弯曲不同的手指，或同时弯曲2根或多根手指（所弯曲的手指还可以不同的方式进行组合，比如食指和拇指同时弯曲，中指、无名指和小指同时弯曲，以及所有手指都弯曲等）来区分多种指令，预先将各种手指弯曲情况与相应的指令进行标定，我们就能在虚拟界面上进行多种操作；采用这种智能手套后，无需手持装置就能进行操作，穿戴舒适性较好。
实施例2：
制作多个带织物摩擦力传感器的指套，将信号处理模块和控制模块设置集成在腕带或手环上，使用时，直接将指套和腕带戴在手上的相应部位，即可形成一种智能交互装置。
实施例3：
在指套（或手套）、护腕、护膝、护肘上分别设置织物摩擦力传感器，然后将这些穿戴式载体整合为一套人机交互装置，如此多的穿戴式载体具有十分多样的动作组合方式，使我们可以实现更多的控制指令。
