面向人机交互的可拉伸肌电传感阵列系统设计与集成

Electrophysiological recording provides an effective approach for Human-machine interface (HMI) through collection of physiological data and interpretation of human motives. Existing single-channel electromyogram (EMG) data collection system fails to capture the EMG characteristics on 2D human skin surface, while the traditional bulk-electrode-based sensor and cumbersome data processing system with large number of components and wiring cannot be attached conformally onto human skin, limiting actual applications of EMG HMI systems. Herein, we propose the design and integration of stretchable EMG array system to enrich the data collection capability and enhance the wearability of the overall system. The stretchable EMG array provides opportunities for mapping EMG signals in 2D skin surface and capturing more comprehensive information of motion gesture and force level, as well as conformal contact with human skin for more reliable data collection under large strain. Meanwhile, we will develop a stretchable hybrid electronic integration scheme for the integration of stretchable data processing system in order to achieve the stretchability of both the EMG array and the data processing system. With the applications of hard-and-brittle silicon based integrated circuit chips for data processing, we are proposing new approach for wafer level singulation, chip attach, substrate and interconnect fabrication based on materials selection, structure design and mechanics analysis to achieve stretchability.

通过采集和解码人体生物电信号以识别人体行为，赋予机器人理解人意图的能力，成为人机自然交互领域的前沿。针对目前单通道肌电传感器不能准确全面地采集二维皮肤表面肌电信号及传感器单元和信号处理系统结构复杂，且不能与人体皮肤紧密贴合，从而限制了系统的实际应用的现状，本项目依托于可拉伸电子技术，旨在开发出可拉伸肌电传感阵列及其信号处理系统以方便、准确地获取人体肌电生理信息。通过生物电极阵列化的排布可以实现在二维空间对肌肉电信号的大面积捕捉，为提取肌肉动作特征提供了更丰富的信息和更多的自由度。本项目提出可拉伸混合电子系统的集成方案，通过材料选择、结构设计和基于力学的系统优化设计，实现肌电传感阵列信号处理系统的可拉伸性，从而可以将整个肌电传感阵列系统（包含传感阵列和信号处理系统）紧凑共形地帖附在人体皮肤上，同时实现信息采集能力的扩展和人体可穿戴性的提高。

针对传统的肌电信号传感器及其信号处理系统结构复杂、体积大，难以与人体皮肤紧密贴合等问题，本项目开发了具备可穿戴功能的可拉伸肌电传感阵列系统。该系统可以方便、准确地采集到多通道人体肌电信号，并利用智能算法将肌电信号转化为对机械手等外部设备的控制信号。该系统可以作为下一代人机接口，为实现人-机互动协作提供底层支持，在机器人假肢手、康复机器人和机器人遥操作中有重要的应用前景。3年来依托本项目共发表9篇论文，其中8篇发表在中科院一区TOP类期刊，5篇发表在影响因子>10的国际权威期刊上，2篇封面文章；已申请12项发明专利。本项目的主要研究成果包括： 1.可拉伸表皮肌电电极阵列的制备方法及应用。开发了一种基于银微纳米颗粒的导电复合材料，具备良好的导电性与可拉伸性能，能够丝网印刷工艺实现图案化器件制备。经测试该电极的接触阻抗与商用电极近似，具有良好的信号采集性能，特别当皮肤发生拉伸或压缩变形时其测得的信号更为稳定，验证了其在可穿戴性方面更具优势。利用电极阵列采集了六路幅值稳定、信噪比可达到15dB以上的肌电信号，结合智能算法，实现了对轮式机器人运动方向的控制、5种抓握手势的离线识别（识别率80%），在五指运动的实时估计中机械手的运动与人手运动的相关系数达到0.8以上。同时研究了眼电信号、脑电信号的采集方法和分析手段，拓宽了生理电信号的应用。 2.可穿戴信号处理电路。硬件上由滤波模块、ADC模数转换芯片、MCU微控制单元、无线通信模块和电源模块构成，实现对16通道2000Hz采样率数据的采集和保存，结构上利用柔性电路技术使得系统可以呈环状穿戴在人体手臂或腿部。 3. 拓展项目研究内容，开展机器人电子皮肤等柔性电子器件的研究工作，开发了传感灵敏度高、测量范围大，兼具触觉感知和接近觉感知的电子皮肤，同时实现了对接触材料硬度的区分，为机器人的灵巧操作提供技术支持。除此之外也在利用柔性电子器件实现驾驶状态监测、静电吸附和驱动方面做了相关拓展研究。