本發(fā)明涉及一種用于電刺激的電極結(jié)構(gòu)，屬于電刺激領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(vr)、增強現(xiàn)實(ar)和機器人仿生技術(shù)的快速發(fā)展，觸覺反饋技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的觸覺反饋設(shè)備大多依賴于振動馬達、壓電裝置等單一的觸覺反饋方式，主要用于模擬物體的硬度、振動和觸碰感。然而，這類技術(shù)在應(yīng)用中仍然存在諸多不足，特別是在細致觸覺和復(fù)雜動作控制場景中表現(xiàn)有限。以下是現(xiàn)有觸覺反饋技術(shù)的主要水平以及存在的問題：

2、現(xiàn)有的觸覺反饋系統(tǒng)大致可以分為以下幾類：

3、1、振動反饋系統(tǒng)：使用振動馬達來模擬觸覺，廣泛用于手機、游戲控制器等設(shè)備。然而，振動反饋只能提供粗略的觸覺信息，如敲擊、震動等，無法精確模擬物體的紋理、形狀或復(fù)雜的力反饋。

4、2、壓電式反饋系統(tǒng)：通過壓電材料的形變提供觸覺反饋，這類系統(tǒng)能夠提供較為精準(zhǔn)的觸覺信號，適用于較小范圍的反饋，如觸摸屏設(shè)備。然而，其物理構(gòu)造限制了反饋的區(qū)域和復(fù)雜度，難以覆蓋較大面積的手部區(qū)域。

5、3、機械式反饋設(shè)備：通過外部機械結(jié)構(gòu)，如力反饋手套或外骨骼系統(tǒng)，提供物理上的力覺反饋。這類設(shè)備雖然能夠模擬較為真實的力覺，但由于機械結(jié)構(gòu)的限制，通常較為笨重，穿戴不便，無法實現(xiàn)靈活、廣泛的日常應(yīng)用，尤其是在復(fù)雜的虛擬環(huán)境交互中難以提供自然的觸覺體驗。

6、現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，盡管現(xiàn)有的觸覺反饋技術(shù)在某些應(yīng)用場景中取得了初步成功，但在以下幾個方面仍存在明顯的局限性，具體為：

7、1、覆蓋范圍有限：大部分觸覺反饋設(shè)備只能集中于手掌或手指的某個小區(qū)域，難以實現(xiàn)全手部的精細觸覺反饋。手部的細膩觸覺體驗依賴于大面積、多點的電極覆蓋，而現(xiàn)有系統(tǒng)通常無法在整個手掌和手指區(qū)域提供一致的反饋效果。

8、2、反饋精度不足：現(xiàn)有的振動或壓電式反饋裝置在模擬精細觸覺(如表面紋理、物體形狀)時，往往缺乏必要的精度和細節(jié)。尤其是在需要模擬復(fù)雜的觸感變化或力覺傳遞時，這些設(shè)備的響應(yīng)能力顯得尤為不足，無法為用戶提供逼真的觸覺感知。

9、3、動態(tài)適應(yīng)性差：許多現(xiàn)有的觸覺反饋系統(tǒng)在手部運動或姿態(tài)變化時，反饋的效果會明顯衰減。特別是手指的關(guān)節(jié)處，由于電極或傳感器的接觸不良，難以保證高質(zhì)量的電刺激效果。這種問題在日常應(yīng)用中極大地影響了用戶體驗，尤其在需要手部靈活運動的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中，無法提供持續(xù)、精確的觸覺反饋。

10、4、設(shè)備笨重且不便攜：雖然機械式力反饋設(shè)備能夠模擬一定的真實感觸覺，但由于體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穿戴不便，不適合長時間使用或高移動性的場景。同時，外部機械力反饋難以模擬細微的觸覺感知，也不能提供基于神經(jīng)肌肉控制的細致反饋。

11、5、反饋的實時性不足：現(xiàn)有的一些觸覺反饋設(shè)備反應(yīng)速度較慢，尤其在復(fù)雜的互動環(huán)境中，難以實現(xiàn)實時觸覺反饋的動態(tài)調(diào)節(jié)。這限制了用戶在快速交互中的沉浸體驗，無法真實感知物體或環(huán)境的微妙變化。

12、綜上，由于現(xiàn)有技術(shù)中存在以上不足，導(dǎo)致觸覺反饋設(shè)備在實際應(yīng)用中難以滿足以下需求：

13、1、手部全覆蓋的精細觸覺反饋：現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)手部全覆蓋、多點的精準(zhǔn)電刺激反饋，尤其是在手指和手掌的復(fù)雜部位，無法提供靈活且連續(xù)的觸覺信息。

14、2、高精度的觸覺感知與力反饋：現(xiàn)有設(shè)備在力覺傳遞和精細觸感模擬方面表現(xiàn)不足，無法滿足需要高精度反饋的應(yīng)用，如仿生手、精細物體操控等場景。

15、3、適應(yīng)動態(tài)手部運動的電極接觸穩(wěn)定性：現(xiàn)有電極系統(tǒng)在手部動態(tài)運動中容易出現(xiàn)接觸不良，反饋信號衰減等問題，無法保證持續(xù)的觸覺反饋效果。

16、4、輕量化、便攜化的設(shè)計：傳統(tǒng)的力反饋手套和機械設(shè)備在設(shè)計上仍然過于笨重，無法滿足便攜性和日常使用的需求，尤其對于長時間佩戴體驗較差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有觸覺反饋系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明提供面向觸覺反饋的手部仿生神經(jīng)高密度陣列式柔性電極。本發(fā)明通過高密度陣列式柔性電極系統(tǒng)，結(jié)合手部神經(jīng)仿生技術(shù)和全覆蓋設(shè)計，能夠提供全手部的動態(tài)觸覺反饋。這種設(shè)計在保持輕量化和便攜性的同時，確保了高精度的觸覺模擬和動態(tài)適應(yīng)性，解決了現(xiàn)有觸覺反饋系統(tǒng)在覆蓋范圍、反饋精度、運動適應(yīng)性和穿戴舒適性方面的缺陷。

2、本發(fā)明所述面向觸覺反饋的手部仿生神經(jīng)高密度陣列式柔性電極，包括柔性底層100和高密度電極矩陣，柔性底層100上制備高密度電極矩陣；

3、所述柔性底層100為仿手部形狀，并分為手掌區(qū)和手指區(qū)；所述高密度電極矩陣包括多個電極網(wǎng)單元，多個電極網(wǎng)單元分布在手掌區(qū)和手指區(qū)，通過對不同區(qū)域進行電流控制，以實現(xiàn)對不同區(qū)域的局部電刺激。

4、優(yōu)選地，手掌區(qū)包括掌根區(qū)域、大魚際區(qū)域和小魚際區(qū)域；手指區(qū)包括指節(jié)區(qū)域和指肚區(qū)域。

5、優(yōu)選地，高密度電極矩陣由n個紐扣式觸點電極構(gòu)建，紐扣式觸點電極由外層電極a和內(nèi)層電極b構(gòu)成，外層電極a為帶缺口的環(huán)形結(jié)構(gòu)，缺口為整環(huán)的1/4～1/3，內(nèi)層電極b為圓片電極，外層電極a同心包圍在內(nèi)層電極b外部；

6、n個外層電極a連接一號n通道控制端子con1，n個內(nèi)層電極b連接二號n通道控制端子con2，一號n通道控制端子con1、二號n通道控制端子con2分別連接直流電源的兩端，使得每個紐扣式觸點的外層電極a和內(nèi)層電極b之間形成電位差以實現(xiàn)對該點位的電刺激。

7、優(yōu)選地，一號n通道控制端子con1和二號n通道控制端子con2分別連接直流電源的正、負(fù)極或負(fù)、正極。

8、優(yōu)選地，一號n通道控制端子con1和二號n通道控制端子con2的每個通道的開關(guān)獨立控制，以實現(xiàn)單獨對任一區(qū)域的電刺激。

9、優(yōu)選地，柔性底層100采用柔性絕緣基材制成的印刷電路板fpc，具體包括水凝膠層101、pi層102、銅箔層103和無紡布層104，無紡布層104上制備pi層102，在pi層102上利用銅箔層103制備紐扣式觸點電極，并通過水凝膠層101粘貼在人體皮膚。

10、優(yōu)選地，還包括多個固定孔，用于將陣列式柔性電極纏繞佩戴在手部上。

11、優(yōu)選地，n＝16～256。

12、優(yōu)選地，每個指關(guān)節(jié)區(qū)域至少包含4對紐扣式觸點電極，每個指肚區(qū)域至少包含9對紐扣式觸點電極。

13、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過提供一種基于高密度柔性電極的觸覺反饋手套系統(tǒng)，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的覆蓋范圍有限、反饋精度不足、動態(tài)適應(yīng)性差及設(shè)備笨重等問題，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和創(chuàng)新點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

14、1.全手部覆蓋的高密度觸覺反饋

15、本發(fā)明的電極系統(tǒng)包含193個電極，分布在手掌、手指及關(guān)節(jié)區(qū)域，形成了全手部高密度覆蓋的觸覺反饋網(wǎng)絡(luò)。與現(xiàn)有技術(shù)中僅能覆蓋局部區(qū)域的設(shè)計相比，本發(fā)明能夠在整個手部提供精細、均勻的電刺激，從而實現(xiàn)手部的全覆蓋觸覺反饋體驗。通過多點電極的精準(zhǔn)控制，用戶可以感知到不同部位的微小觸覺變化，如紋理、壓力和力反饋，尤其在虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中表現(xiàn)突出。

16、2.高精度、可調(diào)的電刺激參數(shù)

17、本發(fā)明通過精準(zhǔn)的電刺激控制，實現(xiàn)了多種觸覺反饋的精細調(diào)節(jié)，顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的觸覺反饋設(shè)備。電刺激系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下：

18、·電流范圍：0～65.536ma，最小分辨率為0.256ma，能夠根據(jù)不同的觸覺需求提供高度可調(diào)的電流強度。較小的分辨率允許更加精細化的電刺激控制，確保不同觸覺模擬場景中的舒適性和反饋準(zhǔn)確性。

19、·頻率范圍：1～255hz，能夠靈活調(diào)整電刺激的頻率以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。例如，在高頻情況下，系統(tǒng)可以模擬振動和表面粗糙度；在低頻情況下，可以提供更為逼真的力覺和壓力反饋。

20、·脈寬范圍：0～510μs，允許電極在不同的脈寬下進行電流傳導(dǎo)，模擬不同類型的神經(jīng)刺激或觸覺反饋。該范圍可以精確控制每個電極的激活時間，從而提供精細的觸覺感知。

21、3.動態(tài)適應(yīng)性與電極接觸穩(wěn)定性

22、本發(fā)明采用柔性電極材料與高密度陣列設(shè)計，確保電極在手部動態(tài)運動中仍能保持良好的接觸，避免現(xiàn)有技術(shù)中電極接觸不良導(dǎo)致的信號衰減問題。柔性基板能夠貼合手部曲線，即使在復(fù)雜的手部運動中(如抓握、指關(guān)節(jié)彎曲)，也能保持電極的穩(wěn)定性，確保持續(xù)的電刺激效果。通過與控制模塊配合，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)整電刺激參數(shù)，實現(xiàn)對手部不同區(qū)域的動態(tài)適應(yīng)與反饋調(diào)節(jié)。

23、4.閉環(huán)控制與個性化調(diào)節(jié)

24、本發(fā)明具有閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)傳感器反饋的手部動作或肌肉信號，動態(tài)調(diào)整電刺激參數(shù)，確保觸覺反饋的實時性與有效性。與現(xiàn)有技術(shù)中無法實時調(diào)整電刺激強度和頻率的情況相比，本系統(tǒng)能夠在虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實及康復(fù)訓(xùn)練中提供個性化的觸覺體驗。例如，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的抓握力度自動調(diào)整觸覺反饋的強度，使用戶感受到不同物體的硬度和表面特性。

25、5.輕量化設(shè)計與便攜性

26、與現(xiàn)有的機械式力反饋設(shè)備相比，本發(fā)明的柔性電極系統(tǒng)采用輕質(zhì)材料，具有良好的穿戴舒適性。由于該系統(tǒng)摒棄了復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，顯著減輕了設(shè)備重量，使得用戶可以長時間穿戴，適用于便攜式應(yīng)用，尤其是對移動性要求較高的場景，如虛擬現(xiàn)實游戲、遠程操控和仿生手部操作。

27、6.精細化觸覺模擬

28、本發(fā)明可以根據(jù)不同應(yīng)用需求實現(xiàn)精細化的觸覺反饋，涵蓋從微弱的表面振動感知到強烈的力覺反饋。尤其是在仿生手、虛擬現(xiàn)實觸覺交互及康復(fù)訓(xùn)練中，本系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的實時操作感知環(huán)境中的各種微妙觸覺變化，包括表面紋理、物體的硬度和形狀等，使用戶獲得更真實的交互體驗。