CN110503933B - 一种柔性可穿戴钢琴及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性可穿戴钢琴及其实现方法，包括可穿戴电子器件、信号获取处理单元和基本音阶播放器单元；所述可穿戴电子器件包括基底层、功能层和绝缘封装层，基底层贴附在皮肤上，功能层由多个压力形变传感器组成，对应于不同的音阶信号，绝缘封装层覆盖于功能层上方。当压力挤压可穿戴电子器件中的压力形变传感器时，压力形变传感器两端的电压发生变化，信号获取处理单元采集电压变化情况，基本音阶播放器单元根据电压变化情况播放对应的音阶。本发明实现了钢琴的可穿戴功能，交互性得到了显著提高；本发明借助于纹身纸和柔性电子技术，可以根据实际使用情况改变尺寸和结构，以贴合不同的身体部位，具有更高的灵活性和通用性。

Description

一种柔性可穿戴钢琴及其实现方法

技术领域

本发明涉及柔性电子，人机交互以及音乐乐器，具体涉及到一种柔性可穿戴钢琴，同时还涉及该柔性可穿戴钢琴的实现方法。

背景技术

随着柔性电子和物联网技术的快速发展，柔性可穿戴设备已经引起了人们极大的关注。作为人机交互新型的扩展方向，柔性可穿戴器件在娱乐，医疗检测，辅助训练等方面发挥着越来越重要的作用，引起了研究者和企业极大的兴趣。

另一方面，在娱乐探索方向，传统的钢琴设备，多为硬质材料制备，且存在体积大的问题，不适合随身携带，而目前手机，平板电脑等移动设备已有厂商开发钢琴类APP，但是钢琴的触感任然存在问题，且受到屏幕大小制约；此外，随着柔性电子技术的发展，一些结合柔性材料的新型柔性钢琴也有出现，比如结合硅胶做成可弯曲钢琴，然而，此类钢琴仍然存在无法可穿戴，精确度低的问题。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种交互性更好，娱乐性更强烈的柔性可穿戴钢琴及其实现方法。

技术方案：一种柔性可穿戴钢琴，包括可穿戴电子器件、信号获取处理单元和基本音阶播放器单元；所述可穿戴电子器件和信号获取处理单元电连接，所述信号获取处理单元和基本音阶播放器单元电连接；所述可穿戴电子器件包括基底层、功能层和绝缘封装层；所述基底层贴附在皮肤上；所述功能层由多个压力形变传感器组成，每个压力形变传感器对应于一个音阶信号；所述绝缘封装层覆盖于功能层上方。

优选的，所述基底层采用纹身纸。

进一步的，所述压力形变传感器为并联结构，各压力形变传感器的负极相互连接并接地。

所述可穿戴电子器件的制备步骤包括如下内容：

步骤1、利用激光雕刻机在PDMS上雕刻特定形状的掩模版，其中,PDMS的厚度为0.5-1mm；

步骤2、将1-3组分的MXene和0.5-2组分的MWCNTs分散在水中，然后磁搅拌2-3小时， 300-500W超声振荡2-3h，制备均匀的MXene/MWCNTs水分散液；

步骤3、将PDMS掩模版放置在纹身纸上，轻轻按压，所述PDMS掩模版为激光雕刻的k个传感器器件排列结构；

步骤4、将MXene/MWCNTs水分散液利用喷涂工艺喷涂在PDMS掩模版，40-80摄氏度恒温干燥炉干燥固化，重复上述操作4-5次，将PDMS掩模版从纹身纸上剥离，制备得由k个压力形变传感器组成的功能层；在压力形变传感器的接口处引出k+1铜导线，作为电连接接口；其中，1个电接口用于可穿戴电子器件的负极信号输出，k个电接口用于可穿戴电子器件的正极信号输出；

步骤5、在功能层上喷涂一层PVP水溶液，待固化后形成一层绝缘封装层。

优选的，所述压力形变传感器为并行排列结构，各个传感器间距1-1.5cm，每个传感器长为1.5-2cm。

所述柔性可穿戴钢琴的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、当手指按压可穿戴电子器件中某个压力形变传感器时，压力形变传感器两端的电压产生变化；

步骤2、信号获取处理单元采集该受按压压力形变传感器两端的电压，处理并输出7位二进制信号；

步骤3、基本音阶播放器单元根据信号获取处理单元输出的二进制信号决定哪一位音阶播放；

进一步的，所述步骤2具体为：

(2-1)信号获取处理单元通过k通道模数转换器按照一定时间间隔采集可穿戴电子器件中所有压力形变传感器两端的电压；

(2-2)信号获取处理单元记录当前电压Um1,前置电压Um0,m＝1,2,……k-1,k，其中k为压力形变传感器个数；

(2-3)若第m个压力形变传感器两端电压先后两次采集的电压满足

，

则该压力形变传感器对应的k位二进制信号的第m位为1，否则为0,其中，所述Uth为阈值电压，用于判断第m个传感器被按压的程度，以激发输出第m个音阶；

(2-4)将k位二进制信号组合输出。

和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：相对于传统的钢琴而言，实现了可穿戴特性；相较于基于移动设备的钢琴软件，交互性更好，娱乐性更强烈；借助于纹身纸和柔性电子技术，可以灵活的该穿柔性可穿戴钢琴的尺寸和结构，以贴合不同的身体部位，具有更高的灵活性。

附图说明

图1为本发明的模块连接示意图；

图2为可穿戴电子器件的结构示意图；

图3为信号获取处理单元的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和7音阶的手臂可穿戴钢琴，对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1-2所示，一种柔性手臂可穿戴钢琴包括：

(1)可穿戴电子器件

可穿戴电子器件通过相应的压力形变传感器的电阻变化，进而使得其两端的电压改变，从而表征相应的压力形变传感器被按下，进而等效于相应的音阶被选择，为实现以上功能，该器件采用纹身纸层-功能层-封装层三层结构。

其中，纹身纸直接贴合在手臂上作为可穿戴电子器件的基底层；功能层为7个相同的压力形变传感器，7个压力形变传感器分别对应于音阶1,2,3,4,5,6,7，进一步地，如图2所示， 7个压力形变传感器形成并联结构，并且7个压力形变传感器的负极连接在一起。其中，功能层的压力形变传感器采用Mxene/MWCNTs复合纳米导电材料通过掩模喷涂制备而成；封装层采用PVP水溶液喷涂在功能层上制备而成，起到电绝缘和保护功能层的作用。

当选择按下音阶1(do)时，功能层中第一个压力形变传感器受挤压产生形变，从而产生裂缝，导致电阻增加，两端电压增大，而其余6个压力形变传感器电阻基本维持不变，两端电压不变，从而实现通过压力形变传感器两端的电压变化来表征某一音阶是否被选择。

可穿戴电子器件的制备包括以下步骤：利用激光雕刻机在PDMS上雕刻特定形状的掩模版，其中，PDMS的厚度为0.5mm；之后，将2组分的MXene和1组分的MWCNTs分散在水中，然后磁搅拌2小时，300W超声振荡2h，制备均匀的MXene/MWCNTs水分散液；之后将PDMS掩模版放置在纹身纸上，轻轻按压；之后将MXene/MWCNTs水分散液利用喷涂工艺喷涂在PDMS 掩模版，40摄氏度恒温干燥炉干燥固化，之后重复上述步骤4-5次，将PDMS掩模版从纹身纸上剥离，制备得功能层；在压力形变传感器的接口处引出8个铜导线，作为电连接接口；最后，在功能层上喷涂一层PVP水溶液，待固化后形成一层电绝缘保护封装层，佩戴时，直接将纹身纸贴合在手臂上，制备成柔性手臂可穿戴钢琴的信号采集器——可穿戴电子器件。

(1)信号获取处理单元

信号获取处理单元包括获取电压信号U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7的电压获取模块和处理电压信号U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7的电压处理模块。

进一步地，电压获取模块通过7通道模数转换器每0.01s采集柔性可穿戴电子器件功能层中7个压力形变传感器两端的电压信号，采集为U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7。

如图3所示，对于每一通道采集的电压Um(m＝1,2,3,…,7),电压处理模块记录当前电压 Um1,前置电压Um0,利用阈值电压决定该通道对应的压力形变传感器是否被压下，对应的音阶是否被选择。具体地，若第m个压力形变传感器两端电压先后两次采集的电压满足

，

则该压力形变传感器对应的7位二进制信号的第m位为1，否则为0。

进一步地，为方便理解，假设音阶1(do)选择，即第一个压力形变传感器被按下，则信号获取处理单元最终输出的7位二进制信号为0000001。

(2)基本音阶播放器单元

基本音阶播放器单元接收来自信号获取处理单元输出的7位二进制信号，找到1所在位置，控制音频播放器播放对应音阶。

进一步地，为方便理解，若信号获取处理单元传递过来的7位二进制信号为0000001，则基本音阶播放器单元会循环检测该7位二进制信号，发现第一位为1，则基本音阶播放器单元控制音频播放器播放音阶1(do)。

下面结合弹出音乐音阶1(do)来具体说明该柔性手臂可穿戴钢琴的实现方法和工作流程：

步骤1、当手指按压可穿戴电子器件功能层的第一个压力形变传感器时，可穿戴电子器件通过功能层中第1个压力形变传感器两端的电压变化，而其余6个压力形变传感器的电压不会发生变化；

步骤2、信号获取处理单元采集7个压力形变传感器两端的电压，并处理输出7位二进制0信号0000001；具体为：

(2-1)信号获取处理单元中的电压获取模块通过7通道模数转换器每0.01s采集可穿戴电子器件中7个压力形变传感器两端的电压；

(2-2)信号获取处理单元记录当前电压Um1,前置电压Um0,其中，所述m＝1,2,3,4,5，6,7 分别代表7个压力形变传感器两端的电压；

(2-3)此时第1个压力形变传感器两端电压先后两次采集的电压满足

则7 位二进制信号的第1位为1，而其余6位两端的电压不满足

因而7位二进制信号的第2-6位为0，其中，激发输出每个音阶的需要判断该音阶所对应的传感器被按压的程度，Uth为阈值电压，其取值范围受传感器灵敏度影响，Uth取值越大，表示该音阶的激发输出需要更大的压力形变作用。本实施例中，考虑到制备的柔性传感器的灵敏度，Uth选择为5，即按压产生的形变使得该压力形变传感器的阻值变大为原来的6倍。

(2-4)将7位二进制信号组合输出，输出为0000001。

步骤3、基本音阶播放器单元根据信号获取处理单元输出的二进制信号0000001，找到 1所在的位置为1，驱动音频播放器播放播放音阶1(do)。

Claims (4)

1.一种柔性可穿戴钢琴，其特征在于：包括可穿戴电子器件、信号获取处理单元和基本音阶播放器单元；所述可穿戴电子器件和信号获取处理单元电连接，所述信号获取处理单元和基本音阶播放器单元电连接；

所述可穿戴电子器件包括基底层、功能层和绝缘封装层；所述基底层贴附在皮肤上，所述基底层采用纹身纸，所述功能层由多个压力形变传感器组成，每个压力形变传感器对应于一个音阶信号，所述压力形变传感器为并联结构，各压力形变传感器的负极相互连接并接地；所述绝缘封装层覆盖于功能层上方；

所述可穿戴电子器件的制备步骤包括如下内容：

步骤1、利用激光雕刻机在PDMS上雕刻特定形状的掩模版，其中,PDMS的厚度为0.5-1mm；

步骤2、将1-3组分的MXene和0.5-2组分的MWCNTs分散在水中，然后磁搅拌2-3小时，300-500W超声振荡2-3h，制备均匀的MXene/MWCNTs水分散液；

步骤3、将PDMS掩模版放置在纹身纸上，轻轻按压，所述PDMS掩模版为激光雕刻的k个传感器器件排列结构；

步骤4、将MXene/MWCNTs水分散液利用喷涂工艺喷涂在PDMS掩模版，40-80摄氏度恒温干燥炉干燥固化，重复上述操作4-5次，将PDMS掩模版从纹身纸上剥离，制备得由k个压力形变传感器组成的功能层；在压力形变传感器的接口处引出k+1铜导线，作为电连接接口；其中，1个电接口用于可穿戴电子器件的负极信号输出，k个电接口用于可穿戴电子器件的正极信号输出；

步骤5、在功能层上喷涂一层PVP水溶液，待固化后形成一层绝缘封装层。

2.根据权利要求1所述的柔性可穿戴钢琴，其特征在于：所述压力形变传感器为并行排列结构，各个传感器间距1-1.5cm，每个传感器长为1.5-2cm。

3.一种如权利要求1-2任一项所述柔性可穿戴钢琴的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、当手指按压可穿戴电子器件中某个压力形变传感器时，压力形变传感器两端的电压产生变化；

步骤2、信号获取处理单元采集该受按压压力形变传感器两端的电压，处理并输出k位二进制信号；

步骤3、基本音阶播放器单元根据信号获取处理单元输出的二进制信号决定哪一位音阶播放。

4.根据权利要求3所述的柔性可穿戴钢琴实现方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

(2-1)信号获取处理单元通过k通道模数转换器按照一定时间间隔采集可穿戴电子器件中所有压力形变传感器两端的电压；

(2-2)信号获取处理单元记录当前电压Um1,前置电压Um0,m＝1,2,……k-1,k，其中k为压力形变传感器个数；

(2-3)若第m个压力形变传感器两端电压先后两次采集的电压满足

，

则该压力形变传感器对应的k位二进制信号的第m位为1，否则为0,其中，所述Uth为阈值电压，用于判断第m个传感器被按压的程度，以激发输出第m个音阶；

(2-4)将k位二进制信号组合输出。

Images