CN111000565A - 一种运动捕捉传感器装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动捕捉传感器装置及其制造方法，该运动捕捉传感器装置包括依次设置的第一保护层，第一导电层，介电层，第二导电层和第二保护层；所述第一导电层和第二导电层部分重叠设置并形成多个重叠区域，所述多个重叠区域形成多个电容器，并用作拉伸传感器；所述第一保护层贴附或穿戴在被测体上，当被测体发生形变时，所述拉伸传感器的形状一起发生变化；所述第一导电层和第二导电层均包括有机硅和炭黑的混合物。本发明提供的运动捕捉传感器装置无需视线、价格低廉且能够适用于稠密非刚性表面变形的实时动作获取。

Description

一种运动捕捉传感器装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及运动捕捉技术领域，特别涉及一种运动捕捉传感器装置及其制造方法。

背景技术

运动捕捉是许多图形应用程序中必不可少的工具，例如电影和游戏，运动，生物力学，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的角色动画。最常见的是，运动捕捉系统是基于相机的，或者依赖于身体佩戴的标记。基于视觉的方法在无遮挡和照明条件良好的情况下可能非常准确，在多视图或深度成像的情况下，它们可以提供密集的表面重建。然而，此类系统依赖于广泛的基础架构，因此主要限于实验室和工作室使用，此外，基于视觉的方法，通常依赖于安装在环境中的多个校准摄像机，需要视线，在严重遮挡或部分不可观测的情况下，不能够准确的捕捉运动，且不适合户外。其他传感方式，例如人体佩戴的惯性和磁性传感器，或电阻式和电容式距离传感器，以提供更多的移动性，但这些方法通常仅限于捕获骨骼变形，而不能捕捉非骨骼变形，捕捉能力有限，而且也容易收到环境干扰。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种无需视线、能够捕捉非骨骼变形，且能够用于户外的运动捕捉传感器装置及其制造方法，以解决现有的运动捕捉传感器装置需要视线、仅能捕获骨骼变形、不适合户外使用的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种运动捕捉传感器装置，包括：

依次设置的第一保护层，第一导电层，介电层，第二导电层和第二保护层；

所述第一导电层和第二导电层部分重叠设置并形成多个重叠区域，所述多个重叠区域形成多个电容器，并用作拉伸传感器；

所述第一保护层贴附或穿戴在被测体上，当被测体发生形变时，所述拉伸传感器的形状一起发生变化；

所述第一导电层和第二导电层均包括有机硅和炭黑的混合物。

进一步地，所述第一导电层和第二导电层均包括多个非均匀网格排列的电极条，所述第一导电层和第二导电层的电极条部分重叠形成多个电容器。

进一步地，所述多个电极条的一侧连接设有用于测量所述电容器电容的PCB板。

进一步地，所述多个电容器被布局成一个或多个传感器阵列，当布局成多个传感器阵列时，可以并行读取。

进一步地，所述有机硅为肯特RTV 4420有机硅。

进一步地，所述被测体为人体，所述第一保护层穿戴在人体手腕、肘部或手指上。

第二方面，本发明实施例提供一种上述任一项所述的运动捕捉传感器装置的制造方法，所述制造方法包括：

步骤S1，浇铸第一保护层；

步骤S2，使用有机硅和炭黑的混合物浇铸第一导电层；

步骤S3，对浇铸后的第一导电层刻蚀图案；

步骤S4，浇铸介电层；

步骤S5，使用有机硅和炭黑的混合物浇铸第二导电层；

步骤S6，对浇铸后的第二导电层刻蚀图案；

步骤S7，浇铸第二保护层；

步骤S8，对逐层浇铸后的所述运动捕捉传感器装置切割出所需轮廓。

进一步地，在所述步骤S3之前，所述制造方法还包括：

将浇铸第一导电层后的运动捕捉传感器装置在100℃的烘箱中固化20分钟。

有益效果

本发明提供的运动捕捉传感器装置无需视线、价格低廉且能够适用于稠密非刚性表面变形的实时获取。

与基于视觉的方法相比，我们的运动捕捉传感器装置不需要在环境中安装多个校准摄像机，也不需要与视觉杂波(自遮挡)和困难的照明条件作斗争，即使在严重遮挡或部分不可观测的情况下，也能够精确的捕获变形，且能够适用于室外。

与现有的其他传感方式相比，我们的运动捕捉传感器装置能够估计密集表面的变形，且不限于刚性变形，能够用于非骨骼三维变形，比如捕捉衣服下面肌肉的膨胀，并且测量精度高、价格低廉、能够实时捕捉运动变形。

附图说明

图1是根据本发明实施例的一种运动捕捉传感器装置的示意图；

图2是根据本发明实施例的一种运动捕捉传感器装置的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的第二导电层的图案；

图4是根据本发明实施例的第一导电层的图案；

图5是根据图3和图4重叠后形成的拉伸传感器的示意图；

图6是根据本发明实施例的一种运动捕捉传感器装置的拉伸传感器的一种布局示意图；

图7是根据图6的运动捕捉传感器装置穿戴在人体二头肌上的示意图；

图8是根据本发明实施例的一种运动捕捉传感器装置穿戴在人体肘部的示意图；

图9是根据本发明实施例的一种运动捕捉传感器装置在运动捕捉系统中进行实时重建的效果图；

图10是根据本发明实施例的一种运动捕捉传感器装置的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明实施中，提供一种运动捕捉传感器装置，如图1-2所示，所述运动捕捉传感器装置包括：

依次设置的第一保护层11，第一导电层12，介电层13，第二导电层14和第二保护层15；

第一导电层12和第二导电层14部分重叠设置并形成多个重叠区域，多个重叠区域形成多个电容器，并用作拉伸传感器16；

第一保护层11贴附或穿戴在被测体上，当被测体发生形变时，拉伸传感器16的形状一起发生变化；

第一导电层12和第二导电层14均包括有机硅和炭黑的混合物。

其中，被测体可以是但不限于人体、物体或动物体，第一保护层11可以穿戴在人体手腕、肘部或手指上。

其中，本发明是基于发明人发现的两个观察结果：(1)最近完全由有机硅生产软的、可拉伸的传感器阵列已经成为可能(2)现代数据驱动技术可用于将产生的传感器读数映射到姿势，而不再与骨骼转变相关。

进一步地，第一导电层12和第二导电层14均包括多个非均匀网格排列的电极条17，第一导电层12和第二导电层14的电极条17部分重叠形成多个电容器。

图1显示了根据本发明实施例的一种运动捕捉传感器装置的示意图，如图2所示，该运动捕捉传感器装置由5层组成，第一导电层12和第二导电层14均嵌入电极条17图案，当它们重叠在一起，就会形成一个电容器，我们称之为拉伸传感器16。

拉伸传感器16由第一导电层12和第二导电层14组成，每层上可以分别有n和k个独立的电极条17，如图3和图4所示。我们称之为单独的电极条17，但它们可以有任何形状。两个电极条17从不同层的重叠部分形成一个局部电容器，我们称之为传感器单元S。我们将电极条17以非均匀网格排列，如图5所示，上下层的每对电极条17最多交叉一次，即s传感器单元(s≤kn)，如图3显示了第二导电层14的各种电极条17图案的图案，图4显示了第一导电层12的各种电极条图案17的图案，图5是根据图3和图4重叠后形成的拉伸传感器16的示意图。这种设计允许将所有电极条17布线到拉伸传感器16的同一侧，通过连接到PCB板18以测量电容，如图5中的虚线区域用于连接PCB板18。

其中，拉伸传感器16柔软且可拉伸，当贴附或穿戴在被测体上时，拉伸传感器16感知自身的变形并估计变形过程中的局部表面积变化，通过对所有的电容读数进行积分，我们可以获得具有足够粒度和精度的面积变化，以便在给定合适的几何先验条件下重建物体的几何结构。因此，这些密集区域测量与基于深度学习的回归器相结合，可以获得表面关键点的三维位置估计和弹性变形优化，从而获得密集变形重建。多个拉伸传感器16形成传感器阵列，传感器阵列包括有机硅和炭黑的混合物，可以用于获得密集的局部区域变化。传感器阵列是通过将电极条17放在两个导电层中，由一个介电层13隔开，一起形成一个不均匀的电容网格而制成的。第一导电层12和第二导电层14可以设计成通过使用标准激光切割机蚀刻来包含自定义电极图案。这种方法避免了模板或模具的生产，使层间对准非常直接和精确。

其中，为了解决现有的电阻式传感器存在滞后的问题，我们采用电容式拉伸传感器16，它们基于形状可变，形状的任何变化：如宽度w、长度l或板间距离d，均导致电容的变化，电容器的电容C(以法拉为单位)表达式如下：

其中，A是两个电极的重叠面积(平方米)，∈_r是介电常数，∈₀是电常数，d是板之间的间距(米)。假设一个矩形板电容器，l是它的长度，w是它的宽度。虽然最初是为静态平板电容器推导的，但这种关系也适用于由硅橡胶制成的电容器。为了最小化与其他物体的电容耦合效应，电容器通常通过作为绝缘层的第一保护层11和第二保护层15屏蔽。利用上述方程(1)，假设传感器的宽度和厚度的泊松比相同(d/d⁰＝w/w⁰)，可以建立拉伸电容器的长度l与静止位姿长度l⁰的比值与拉伸电容器的电容器C与静止位姿电容C⁰的比值之间的线性关系，通过连续测量电容，然后利用如下表达式将其转换为长度测量：

假设体积守恒

和整个传感器单元的恒定拉伸，变形前后的电容比可以表示为：

因此，如果我们知道传感器单元的电流电容C，并记录了其静止位置区域A⁰和静止位姿电容C⁰，我们可以计算静止状态和电流配置之间的面积变化，如下所示：

进一步地，多个电容器被布局成一个或多个传感器阵列，当布局成多个传感器阵列时，可以并行读取。

其中，图5和图6显示了两种传感器布局，图6的拉伸传感器16是一个更大的传感器(300×250毫米)，两侧有144个传感器单元，传感器布局由四个相同的子传感器组成，可以并行读取，布局是手工设计的，非均匀的网格，所有电极条17都路由到传感器的同一侧，在那里它们连接到连接器PCB板。布局既可以是平面形式，也可以是圆柱体，图7是根据图6的运动捕捉传感器装置穿戴在人体二头肌上的示意图，图8是根据本发明实施例的一种运动捕捉传感器装置穿戴在人体肘部的示意图。

进一步地，有机硅为肯特RTV 4420有机硅。

其中，第一保护层11、第二保护层15和介电层13可以将肯特RTV 4420组分A(重量比＝1.0)和甲苯(1.0)混合，加入肯特RTV 4420(1.0)组分B制成；第一导电层12和第二导电层14可以将肯特RTV 4420组分A(1.0)和甲苯(2.0)混合，然后加入肯特RTV 4420(1.0)组分B。在单独的容器中，通过在搅拌下缓慢添加异丙醇，将益瑞石石墨Ensaco250 P导电炭黑(0.2)与异丙醇(2.0)混合。然后将两种组合物合并并混合约3分钟制成。因为有机硅肯特RTV 4420的撕裂性能强，能够用于捕捉较大的形变。

本发明实施例提供的运动捕捉传感器装置可以制成可穿戴式，比如制成柔性可穿戴手套，或可佩戴的手腕、肘和肱二头肌传感器的原型，通过来自第一导电层12与第二导电层14的重叠导电区域形成测量密集区域变化的电容器，能够用来捕获没有视线的变形，可以用于数据驱动的重建，根据本发明实施例提供的运动捕捉传感器装置获得的数据集可以用于训练基于深度神经网络的回归器，从而用于姿势的估计。

为了证明我们装置的实时能力，我们设计了一种实时系统，图9显示了我们的运动捕捉传感器装置在运动捕捉系统中进行实时重建的效果图,重建精度高。

本发明实施例提供的运动捕捉传感器装置无需视线、价格低廉且能够适用于稠密非刚性表面变形的实时获取。

与基于视觉的方法相比，我们的运动捕捉传感器装置不需要在环境中安装多个校准摄像机，也不需要与视觉杂波(自遮挡)和困难的照明条件作斗争，即使在严重遮挡或部分不可观测的情况下，也能够精确的捕获变形，且能够适用于室外。

与现有的其他传感方式相比，我们的运动捕捉传感器装置能够估计密集表面的变形，且不限于刚性变形，能够用于非骨骼三维变形，比如捕捉衣服下面肌肉的膨胀，并且测量精度高、价格低廉、能够实时捕捉运动变形。

在本发明实施中，还提供一种上述任意一种运动捕捉传感器装置的制造方法，如图10所示，该制造方法包括如下步骤：

步骤S1，浇铸第一保护层11；

步骤S2，使用有机硅和炭黑的混合物浇铸第一导电层12；

步骤S3，对浇铸后的第一导电层12刻蚀图案；

步骤S4，浇铸介电层13；

步骤S5，使用有机硅和炭黑的混合物浇铸第二导电层14；

步骤S6，对浇铸后的第二导电层14刻蚀图案；

步骤S7，浇铸第二保护层15；

步骤S8，对逐层浇铸后的运动捕捉传感器装置切割出所需轮廓。

具体的，如图10所示，运动捕捉传感器装置由两个导电层组成,即第一导电层12和第二导电层14，中间有一个介电层13，并由第一保护层11和第二保护层15包裹。在制造过程中，运动捕捉传感器装置放置在一个平板玻璃板上，有机硅弹性体很好地粘附在该平板上，但最终的运动捕捉传感器装置很容易分离。通过使用刀片将有机硅分散，逐层浇铸；通过玻璃板边缘的卡普顿胶带(65μm厚)。每层浇铸完成后，运动捕捉传感器装置在100℃的烘箱中固化20分钟。第一层导电层(有机硅与炭黑混合)直接浇铸到第一保护层11上，固化后，用激光切割机蚀刻所需图案。蚀刻是用100W的卓泰克快速360激光切割机完成的。使用以下设置执行两轮蚀刻：20功率、60速度和500脉冲/英寸。这将使炭黑蒸发，在痕迹之间形成非导电区域，而底层的有机硅层保持完整。所产生的灰尘可以用异丙醇小心清除，而不会损坏电极。通过添加介电层13、第二导电层14(也被蚀刻和清洁)以及最后添加第二保护层15来完成运动捕捉传感器装置。整个过程大约需要30秒(混合和铸造1h，固化时间为1小时，激光蚀刻1h)，产生的运动捕捉传感器装置大小为200mm×200mm。

在现有技术中，多层传感器的不同层必须手动对齐。高精度、无褶皱的分层校准是一项困难的任务，对于我们运动捕捉传感器装置这样的大型传感器，通过直接将层彼此浇铸，并在蚀刻前将玻璃基板放置在激光切割机中，与物理塞子对准，能够实现高对准质量。

最终运动捕捉传感器装置的厚度约为500μm，第一导电层12和第二导电层14的厚度为45μm，对于第一保护层11和第二保护层15，我们使用四层胶布，对于介电层13，使用两层胶布。

我们可以使用连接器将电极条17连接到PCB板上进行测量。在制造过程中，可以用胶带覆盖连接器，然后再浇铸剩余的层。在固化相应层之前，去除胶带，重新露出连接器。

最后，用激光切割机将运动捕捉传感器装置切割成所需的轮廓形状。然后将得到的运动捕捉传感器装置从玻璃板上拔下，有机硅粘合剂可选择性地用于关闭运动捕捉传感器装置，以形成圆柱体来包裹手腕或肘部，效果如图7或8所示。

生产电容式弹性体拉伸传感器16具有挑战性，其机械、电气和热性能都取决于所用材料的类型以及导电痕迹或电极的形状。另一个挑战是有机硅是疏水性的，因此非有机硅的粘附是非常困难的。现有技术提出了一系列制备导电轨迹图形的方法。大多数方法依赖于潜在的昂贵的中间工具制造，如丝网印刷掩模，模具或模板。为了避免粘连问题，通常需要专门的等离子体室对基底层进行选择性预处理，然而，我们的工艺利用标准激光切割机蚀刻掉负传感器图案，为数字化设计电极图案和以低误差公差生产电极图案开辟了可能性。然而，与现有技术相比，我们的制造方法不需要等离子室或手动对准和粘合不同的层。因此，它允许生产具有高对准质量的较大传感器，即运动捕捉传感器装置。本发明的制造方法几乎不需要专门的硬件，而且能够制造出大型高分辨率多层传感器阵列。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种运动捕捉传感器装置，其特征在于，所述装置包括：

依次设置的第一保护层，第一导电层，介电层，第二导电层和第二保护层；

所述第一导电层和第二导电层部分重叠设置并形成多个重叠区域，所述多个重叠区域形成多个电容器，并用作拉伸传感器；

所述第一保护层贴附或穿戴在被测体上，当被测体发生形变时，所述拉伸传感器的形状一起发生变化；

所述第一导电层和第二导电层均包括有机硅和炭黑的混合物。

2.根据权利要求1所述的运动捕捉传感器装置，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层均包括多个非均匀网格排列的电极条，所述第一导电层和第二导电层的电极条部分重叠形成多个电容器。

3.根据权利要求2所述的运动捕捉传感器装置，其特征在于，所述多个电极条的一侧连接设有用于测量所述电容器电容的PCB板。

4.根据权利要求1所述的运动捕捉传感器装置，其特征在于，所述多个电容器被布局成一个或多个传感器阵列，当布局成多个传感器阵列时，可以并行读取。

5.根据权利要求1所述的运动捕捉传感器装置，其特征在于，所述有机硅为肯特RTV4420有机硅。

6.根据权利要求1所述的运动捕捉传感器装置，其特征在于，所述被测体为人体，所述第一保护层穿戴在人体手腕、肘部或手指上。

7.一种运动捕捉传感器装置的制造方法，其特征在于，所述运动捕捉传感器装置为权利要求1至6中任一项所述的运动捕捉传感器装置，所述制造方法包括：

步骤S1，浇铸第一保护层；

步骤S2，使用有机硅和炭黑的混合物浇铸第一导电层；

步骤S3，对浇铸后的第一导电层刻蚀图案；

步骤S4，浇铸介电层；

步骤S5，使用有机硅和炭黑的混合物浇铸第二导电层；

步骤S6，对浇铸后的第二导电层刻蚀图案；

步骤S7，浇铸第二保护层；

步骤S8，对逐层浇铸后的所述运动捕捉传感器装置切割出所需轮廓。

8.一种运动捕捉传感器装置的制造方法，其特征在于，在所述步骤S3之前，所述制造方法还包括：

将浇铸第一导电层后的运动捕捉传感器装置在100℃的烘箱中固化20分钟。

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