传感器优选基于织物

压力传感器阵列根据用户肌腱、韧带、皮肤、肌肉和骨骼施加的皮下压力生成独特的特定压力分布。在一些实施例中，控制装置由功能传感材料组成，这些材料通常用于连接到用户的衣服或其他磨损物品，例如手表、帽子、珠宝，绷带或其他结构，使得压力传感器阵列与皮肤表面保持紧密一致的啮合，并在用户身体表面保持基本一致的方向，从而用户的绝对或相对运动导致控制器感测的特定压力分布发生变化装置。 示例1-集成到传统带状材料（织物、皮革、硅胶、聚合物、金属或组合）中的基于压力传感器的控制装置 在本例中，压力传感器阵列嵌入表带，表带用作控制装置。由于没有刚性传感器部件，传感器环绕手腕，与典型表带一样与用户皮肤表面保持一致的啮合。柔性单个压力传感器形成阵列，并作为频带材料的一部分集成或嵌入，使得频带区域包括传感器阵列，该传感器阵列覆盖手腕的基本圆周，或者该基本圆周不被控制装置或配套装置占据。因此，当传感阵列覆盖整个频带时，该阵列横跨整个手腕，使得传感器位于附件的整个圆周上，并且该配置使施加在皮肤表面的单个压力的传感输入最大化，并随着传感器数量的增加使数据最大化。如将容易理解的，更多数量的传感器可布置在围绕附件的较小弧周围，并且，取决于基础生理学，所得数据简档将取决于传感器所覆盖的区域以及布置在阵列中的传感器的数量。下面和附图中描述了传感器数量和身体附件周围覆盖范围的优选实施例。 沿着横穿腕部中心的轴查看频带，角度δ（δ）定义了周长的离散部分，其中部署了各个传感器。例如，如果传感器部署在频带的整个圆周上，则角度δ将为360°。类似地，如果频带的一部分被控制装置或配套装置的外壳占据，使得单个传感器布置在频带周长的四分之三左右，则角度δ将为270°。本发明的压力传感器阵列预期的特定角度包括角度δ大于90°、大于120°、大于150°、大于180°、大于210°、大于240°、大于270°和大于330°，以及其中的积分值。 示例2-传感器规格 单个传感器优选地包括如美国专利中所述的离子传感器。第9170166号；9,459,171; 9739679（以及美国2017/0059434 A1的未决申请和5月25日提交的织物传感器申请）。传感器优选基于织物，薄（500μm或通常为1.5 mm），并符合身体弯曲表面的外表面，例如手腕、前臂、脚踝、头盖骨、颈部、胸部或腹部。传感器还可以集成到衣服中，并根据应用定制尺寸、材料和灵敏度。 单个传感器必须具有一个工作压力范围，以检测手势产生的最大压力变化，并考虑带张力产生的基线压力（范围为0-100 mmHg）。偏置结构可以将最小工作压力从0变为0，并保持最大灵敏度范围的大小（例如，对于高基线压力区域，为40-70 mmHg）。0-30毫米汞柱的工作范围（带有偏置结构）是理想的，但可以低至0-10毫米汞柱或高达0-120毫米汞柱。对于基本手势检测，低至4 mmHg的压力变化必须是可检测的，并且与噪声不同，因此灵敏度（压力分辨率）和噪声水平不大于1 mmHg，重复性误差不大于50%。对于高级手势检测，必须检测到低至0.5-1 mmHg的压力变化。因此，灵敏度和噪声水平不大于0.2毫米汞柱，最好在1帕（0.0075毫米汞柱）时，重复性误差低于10%是最好的。在位置检测（而不是过渡/移动检测）的情况下，需对于检测基本手部位置，首选精度为±5 mmHg（满刻度范围的83.3%），对于高级手部位置，首选精度为±1 mmHg（96.7%），精度优于±0.5 mmHg（98.3%）。线性度和重复性精度必须超过总精度的要求。这样，对于基本位置，线性和重复性的准确度为90%，对于高级位置，准确度为98%，而99.5%是最理想的。 首选信噪比大于100:1（相当于0.3 mmHg），最好是1000:1。 传感器阵列优选具有垂直于用户皮肤表面的0 mm（共形接触）的总垂直高度，优选不大于0.5 mm且最优选不大于1.1 mm。控制装置具有FPC型连接器，优选地具有与传感器（Sn）的数量相关的多个位置。在一些实施例中，位置是Sn+1（例如8个传感器的9个位置）和其他，最接近的整数大于或等于Sn平方根的两倍（上限（2*sqrt（Sn））（例如16个传感器的8个位置）。理想的销间距为1 mm，范围为0.25 mm至2.54 mm。 使用上述压力传感器可以在低功耗下获取压力数据。功耗与采样率高度成正比。125 Hz和16 mA是典型的高性能压力传感系统。由于响应时间，这些传感器的理论最大值为240 Hz。在手势监控的情况下，这是过度的。人体运动通常小于1Hz（变化约1秒），很少超过10Hz（变化范围为100ms）。人类将接近/低于100毫秒的变化视为接近瞬时，超过50赫兹（20毫秒）的变化视为瞬时。10 Hz采样频率导致电流为1.6 mA。连同惯性传感器（陀螺仪、加速度计和磁强计），总电流通常为2.6 mA。可穿戴手表的电池容量在100-200毫安时之间，工作时间为42-78小时或5-9天，连续工作8小时。诸如睡眠模式之类的省电功能可以极大地扩展这一功能。 由于数据的高信噪比，手势采集（通常是简单的算术运算）所需的处理很少，功耗可以忽略不计。肌电信号需要小波分析、强大的模拟放大和CPU密集型去噪，这会消耗额外的功率。作为参考，Myo EMG臂带可在单次充电的情况下运行1天，模块化EMG单元每通道消耗2-4 mA（或8通道16-32 mA）。生物光学系统通过辐射（光）发射和数据处理损失大量功率。这些系统类似于Fitbit®等的心率监测仪，作为参考，一次充电可运行5天。请注意，Fitbit®不能进行真正的连续光学监测。PPG（光学模块）通常消耗2.3 mA，功率使用根据传感器的数量进行缩放。使用8通道光学系统+惯性测量，功耗为19.4 mA，运行时间为5-10小时。 在一个实施例中，控制装置由压力传感器阵列组成，该压力传感器阵列布置在带弧内的连续柔性结构内或其他结构内，用于保持传感器阵列与身体附件紧密配合。压力传感器阵列由基本上缺乏任何玻璃、刚性透明聚合物、不锈钢或发光或检测设备的材料组成。尽管这些组件可以包括在控制装置内，或者控制装置的数据存储、数据处理、逻辑电路、存储或通信组件的任何组件内，但是这些结构不包括在阵列的各个压力传感器中。 示例3——压力传感器数据的定量分析和身体位置的三点分析 在优选实施例中，压力传感器数据是定量的。例如，握紧的拳头（以肌肉张力为特征）在数量上不同于握紧的拳头（以手指弯曲且无肌肉张力为特征），并且仍然不同于其他手部姿势，如手掌张开。同样，随着控制手指运动的肌腱局部压力的增加，手指弯曲的变化和离散程度也可以得到解决。来自压力传感器阵列的数据可以包括三个单独的数据点，包括没有发生运动的用户附件的第一初始位置或静止位置，以及运动发生在远离第一位置的过渡期，例如用户的手腕、手或单个手指的有意运动，然后是第二个位置，与第一个位置在数量上不同，这是要准确的压力读数。考虑到噪声、线性和重复性带来的精度误差，系统必须准确量化钢筋束压力然后是第二个位置，在数量上与第一个位置不同，这是过渡期运动的结果，并导致第二个位置。还可以检测和量化与第一位置和/或第二位置不同且具有后续过渡期的附加运动。 用于手势检测的电气系统（EMG）依赖于肌肉收缩期间的信号检测。这要求电极靠近收缩肌肉，驱动手/手指运动，肌肉必须积极收缩。这意味着只能测量以主动收缩为特征的状态。被动的手部姿势，如尖尖的手指或握紧的拳头，没有明显的电信号。要检测拳头，必须紧握手。这限制了只能检测运动/转换，并且只能在收缩期间检测到延长状态，这会迅速导致肌肉疲劳。肌电信号的特点是高水平的噪声，源于EMF干扰、运动伪影、小（μV）输入信号、生物阻抗变化和生物界面变化。为了达到特定的手势检测，这些信号的信号放大和去噪是功率（通常每个通道2-4 mA）和计算密集型的。 光学系统（如2016/0091980所述，使用与PPG类似的设备和原理运行；光体积图）依靠穿透和反射身体组织的光源以及探测器跟踪的反射光强度。该系统的主要限制是连续辐射发射的功耗（通常每个发射器/探测器对2 mA）和对噪声的敏感性。后者尤其麻烦。虽然可以检测到手部的位置变化（即无需进行主动肌肉收缩），但噪声（在2016/0091980第[0039]段中指出）和光信号基线的移动只能可靠地检测到过渡。图9B中的2016/0091980出版物说明了运动检测，第[0040]段中的描述特别说明了运动检测。对于禁止绝对位置检测的光学系统，手势/位置检测的关键区别在于检测到的光与肌腱位置没有直接关系。也就是说，没有特定的光通量必然指示肌腱收缩/松弛。输入检测器的信号受环境光、皮肤反射、光学系统和皮肤之间的压力以及肌腱/肌肉/骨骼位置的影响。噪声源引起的变化通常超过钢筋束位置变化一个数量级或更多。在实践中，这使得在没有手势变化的情况下进行绝对位置检测（例如，食指指向的延长状态）即使不是不可能也很难确定。 通过压力或光学系统测量的基本生物学参数是由于收缩和松弛引起的肌腱位移。在基于压力的系统中，这种肌腱位移必然会对手腕周围的张力带产生压力。在已知带张力的情况下，压力与钢筋束的位移直接相关。大位移（如拳头）导致约10毫米汞柱的压力，小位移（如小指伸出）导致约1毫米汞柱的压力。在校准良好的系统中，给定位置的量化压力对基础组织具有明确的意义。以这种方式，即使在没有运动的情况下，也可以使用手腕的周向压力图来准确地访问肌腱/肌肉/骨骼状态，并确定手的位置/姿势状态。 示例4-基于压力的手势分析学习模式 控制装置或配套装置优选地包括存储装置，以保留产生独特压力分布的压力传感器数据，该压力分布包括由用户发起的大量运动的各个方面。压力分布特征量化为：1）每个单独压力传感器的值，2）每个或所有单独压力传感器的单独值变化，3）多个单独或组合值，从多个压力传感器的输入产生的一个或多个量度生成的总体定量分数，4）离散时间点的任何前述值，5）任何前述多个时间点，包括前述值的变化率和前述值的变化率，所有这些都取决于用户的位置或运动。 控制设备还可以将由压力阵列生成的唯一压力分布与一个或多个存储值或包含唯一压力分布的分布进行比较，以确定单个用户运动或一组运动是否对应