一种用于人体运动测量的柔性传感器及其应用

摘要

本发明属于人体运动测量领域，并具体公开了一种用于人体运动测量的柔性传感器及其应用。该柔性传感器包括传感区域和固定区域，传感区域包括一号极板、二号极板、弹性介电层和铜导线，所述一号极板比二号极板的面积小并且更靠近中性层，弹性介电层填充在一号极板和二号极板之间，铜导线分别与一号极板和二号极板连接并引出；固定区域采用柔性材料，并将所述传感区域进行封装形成密闭结构。本发明构建的柔性传感器的电容信号与变形角度之间具有准确的二次多项式关系，能够通过电容的变化准确计算得到该传感器的变形角度；同时还可将其制成可穿戴的传感装置，用于测量水陆两栖的运动数据。

权利要求

1.一种柔性传感器，其特征在于，该柔性传感器包括传感区域和固定区域(4)，其中：所述传感区域采用平行板电容结构，包括一号极板(1)、二号极板(2)、弹性介电层和铜导线(3)，其中，所述一号极板(1)和二号极板(2)位于所述柔性传感器的中性层的同一侧，所述一号极板(1)的面积小于二号极板(2)的面积并且更靠近所述柔性传感器的中性层；所述弹性介电层由柔性材料制成，并填充在所述一号极板(1)和二号极板(2)之间；所述铜导线(3)分别与所述一号极板(1)和二号极板(2)连接并引出，用于传递电容信息；

所述固定区域(4)采用柔性材料，并将所述传感区域进行封装形成密闭结构；

该柔性传感器的电容与其末端的转角之间的二次关系，具体计算公式为：

式中，ΔC为电容的变化量，C为未发生变形时的电容，ν为弹性体材料泊松比，z1为一号极板与中性层之间的距离，z2为二号极板与中性层之间的距离，L为传感区域中性层的长度，θ为柔性传感器末端的转角。

2.如权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述固定区域(4)两端的宽度呈阶梯式递增，方便进行装夹，所述一号极板(1)和二号极板(2)为矩形。

3.如权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述一号极板(1)与中性层之间的距离为0.9mm～1.1mm，所述一号极板(1)与二号极板(2)之间的距离为0.4mm～0.6mm。

4.如权利要求1～3任一项所述的柔性传感器，其特征在于，所述一号极板(1)和二号极板(2)由液态金属材料制成，所述弹性介电层和固定区域(4)由聚氨酯树脂制成。

5.一种测量人体踝关节转角的装置，其特征在于，该装置包括固定端(10)、滑动端(12)和权利要求1～4任一项所述的柔性传感器(11)，其中：所述柔性传感器(11)的一端与所述固定端(10)连接，其另一端与所述滑动端(12)连接；

所述固定端(10)内部安装有测量电路(14)，该测量电路(14)与所述传感器(11)的两根铜导线(3)连接，用于接收该传感器(11)的电容信息；

所述滑动端(12)纵向穿孔，弹性绳(13)穿过该孔并且预拉伸后两端固定，从而保证滑动端(12)沿该弹性绳(13)滑动，不发生左右偏移；

该柔性传感器的电容与滑动端(12)的转角之间的二次关系，具体计算公式为：式中，ΔC为电容的变化量，C为未发生变形时的电容，ν为弹性体材料泊松比，z1为一号极板与中性层之间的距离，z2为二号极板与中性层之间的距离，L为传感区域中性层的长度，θ为柔性传感器末端的转角。

6.如权利要求5所述的测量人体踝关节转角的装置，其特征在于，所述固定端(10)内部填充防水材料为所述测量电路提供防水保护。

7.如权利要求6所述的测量人体踝关节转角的装置，其特征在于，所述防水材料采用Ecoflex溶液。

8.如权利要求5所述的测量人体踝关节转角的装置，其特征在于，所述测量人体踝关节转角的装置安装在潜水靴上。

9.如权利要求5～8任一项所述的测量人体踝关节转角的装置，其特征在于，所述固定端(10)还包括用于防止其发生微小滑动位移的固定装置，所述固定装置包括左右两侧安装的绑带和背面固定的魔术贴。

说明书

一种用于人体运动测量的柔性传感器及其应用

技术领域

[0001] 本发明属于人体运动测量领域，更具体地，涉及一种用于人体运动测量的柔性传感器及其应用。

背景技术

[0002] 近年来，可穿戴电子产品、柔性机器人和柔性外骨骼等技术领域不断发展。为了准确构建模型、实现人机交互，人们对于能够连续监测人体运动的传感器有了更广泛的需求和更严格的要求。

[0003] 现有的光学跟踪测量需要在人体上布置反射性标志点，通过相机跟踪标志点的空间位置来记录人体的运动状态，但是这种方法只能在特定的实验室环境下使用，并且需要进行大量的后处理和运动模型的开发，难以适应水陆两栖这种复杂环境的测量。非光学的测量方法主要采用测角仪和惯导系统，其中测角仪可用于人体关节角度的测量，但刚性的传感器与人体的适应性较差，使得人体运动在测量中受到阻碍；而惯导系统则受限于零点漂移问题，使得测量精度受到影响。

[0004] 并且上述方法主要用于测量陆地上人体的运动，而对于水下运动中人体运动的测量，目前还没有设备或者传感器可以实现。但随着人类对海洋的不断探索，以及水下机器人和水下外骨骼的不断发展，对于人体水下运动测量的需求也越加迫切。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于人体运动测量的柔性传感器及其应用，其中该柔性传感器采用平行板电容结构和柔性材料，并对其关键组件如一号极板和二号极板的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可实现该柔性传感器对弯曲角度的准确测量，并且通过防水保护，可应用于水下环境，因而尤其适用于水陆两栖的人体运动测量。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性传感器，其特征在于，该柔性传感器包括传感区域和固定区域，其中：

[0007] 所述传感区域采用平行板电容结构，包括一号极板、二号极板、弹性介电层和铜导线，其中，所述一号极板和二号极板位于所述柔性传感器中性层的同一侧，所述一号极板的面积小于二号极板的面积并且更靠近所述柔性传感器中性层；所述弹性介电层由柔性材料制成，并填充在所述一号极板和二号极板之间；所述铜导线分别与所述一号极板和二号极板连接并引出，用于传递电容信息；

[0008] 所述固定区域采用柔性材料，并将所述传感区域进行封装形成密闭结构。

[0009] 作为进一步优选地，所述固定区域两端的宽度呈阶梯式递增，方便进行装夹，所述一号极板和二号极板优选为矩形。

[0010] 作为进一步优选地，所述一号极板与中性层之间的距离优选为 0.9mm～1.1mm，所述一号极板与二号极板之间的距离优选为0.4mm～ 0.6mm。

[0011] 作为进一步优选地，所述一号极板和二号极板由液态金属材料制成，并优选采用镓铟合金，所述弹性介电层和固定区域由聚氨酯树脂制成。

[0012] 按照本发明的另一方面，提供了一种计算上述柔性传感器变形角度的方法，其特征在于，该方法建立了该柔性传感器的电容与其末端的转角之间的二次关系，具体计算公式为：

[0013]

[0014] 式中，ΔC为电容的变化量，C为未发生变形时的电容，ν为弹性体材料泊松比，z1为一号极板与中性层之间的距离，z2为二号极板与中性层之间的距离，L为传感区域中性层的长度，θ为柔性传感器末端的转角。

[0015] 按照本发明的又一方面，提供了一种测量人体踝关节转角的装置，其特征在于，该装置包括固定端、滑动端和上述柔性传感器，其中:

[0016] 所述柔性传感器一端与所述固定端连接，其另一端与所述滑动端连接；

[0017] 所述固定端内部安装有测量电路，该测量电路与所述传感器的两根铜导线连接，用于接收该传感器的电容信息；

[0018] 所述滑动端纵向穿孔，弹性绳穿过该孔并且预拉伸后两端固定，从而保证滑动端沿该弹性绳滑动，不发生左右偏移。

[0019] 作为进一步优选地，所述固定端内部填充防水材料为所述测量电路提供防水保护。

[0020] 作为进一步优选地，所述防水材料优选采用Ecoflex溶液。

[0021] 作为进一步优选地，所述测量人体踝关节转角的装置优选安装在潜水靴上。

[0022] 作为进一步优选地，所述固定端还包括用于防止其发生微小滑动位移的固定装置，所述固定装置包括左右两侧安装的绑带和背面固定的魔术贴。

[0023] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0024] 1.本发明构建的柔性传感器的电容信号与其变形角度之间具有准确的二次多项式关系，因此能够通过电容的变化准确计算得到该传感器的变形角度，并使得该传感器在较小的应变范围内能够测量较大的角度变化；

[0025] 2.同时，本发明将柔性传感器制成可穿戴的传感装置，可以顺应关节变形，具有较好的可穿戴性，并且该传感器只需要进行一次标定，使用时无需再次标定，具有较好的实际应用价值；

[0026] 3.此外，本发明通过采用防水材料为测量电路提供防水保护，使得该装置不仅可以用于测量行走、跑步等陆上运动步态中踝关节的转角，并且可以用于测量游泳、潜水等水下游泳步态中踝关节的转角，防水深度可达到50 米，其中关节角度在陆上步态测量的均方根误差小于3.5°，在水下静态测量均方根误差小于3°。

附图说明

[0027] 图1是本发明提供的柔性传感器的结构示意图；

[0028] 图2是本发明提供的柔性传感器弯曲时的结构示意图；

[0029] 图3是本发明提供的柔性传感器整体透视图；

[0030] 图4(a)～(g)是本发明提供的柔性传感器的制作工艺流程图；

[0031] 图5是本发明提供的柔性传感器中极板的位置示意图；

[0032] 图6是本发明提供的柔性传感器中极板的尺寸示意图；

[0033] 图7是本发明提供的柔性传感器发生变形时的角度示意图；

[0034] 图8是按照本发明构建的测量人体踝关节转角的装置的结构示意图；

[0035] 图9是按照本发明构建的测量人体踝关节转角的装置中测量电路的安装位置示意图；

[0036] 图10是本发明优选实施例中将测量人体踝关节转角的装置安装在潜水靴上的示意图。

具体实施方式

[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0038] 如图1～3所示，本发明提供了一种柔性传感器，其特征在于，该柔性传感器包括传感区域和固定区域，其中：

[0039] 所述传感区域采用平行板电容结构，包括一号极板1、二号极板2、弹性介电层和铜导线3，其中，所述一号极板1和二号极板2位于所述柔性传感器中性层的同一侧，所述一号极板1的面积小于二号极板2的面积并且更靠近所述柔性传感器中性层，从而保证发生弯曲变形时该传感区域的电容大小由所述一号极板1的尺寸决定；所述弹性介电层采用柔性材料形成弹性体，并填充在所述一号极板1和二号极板2之间；所述铜导线3分别与所述一号极板1和二号极板2连接并引出，用于传递电容信息；

[0040] 更具体地，所述柔性传感器中性层为该柔性传感器弯曲过程中既不受拉伸，又不受压缩的过渡层，应变几乎等于零；

[0041] 所述固定区域4采用柔性材料形成弹性体，并将所述传感区域进行封装形成密闭结构。

[0042] 进一步，所述固定区域两端的宽度呈阶梯式递增，方便进行装夹，所述一号极板1和二号极板2优选为矩形。

[0043] 进一步，所述一号极板1与中性层之间的距离优选为0.9mm～1.1mm，所述一号极板1与二号极板2之间的距离优选为0.4mm～0.6mm。

[0044] 进一步，所述一号极板1和二号极板2由液态金属材料制成，并优选采用镓铟合金，所述弹性介电层和固定区域由聚氨酯树脂制成。

[0045] 如图4(a)～(g)所示，所述柔性传感器采用分层形状沉积成型的方法进行制造，该方法包括七个步骤：固化成型基层、预置铜导线、喷印液态金属极板、固化成型介电层、预置另一侧铜导线、喷印另一侧液态金属极板和固化成型封装层，采用的工艺包括弹性体固化成型、预置铜导线和液态金属喷印，其中：

[0046] 所述弹性体固化成型的工艺为：将柔性材料聚氨酯树脂PU8400(相对介电常数7～8)的A、B、C三种溶液按照1:1:1的比例混合搅拌均匀获得溶液6，注入模具5中并在25℃下静置3小时，即可固化成型形成弹性体；成型模具5由基板和盖板两部分组成，为便于脱模，使用工业蓝蜡加工而成，并且模具5上方留有浇筑口，底端留有导气孔，便于气体排出；制造过程中基层、介电层和封装层的成型需要换装3种深度尺寸不同的盖板；

[0047] 所述预置铜导线的工艺为：使用胶水将铜导线3在弹性体的预留空间内进行固定；

[0048] 所述液态金属喷印的工艺为：铜导线3预置后，在上表面盖上掩膜板9 后使用喷印设备进行液态金属喷印制造极板；该喷印设备包括空气压缩机、点胶机、喷笔7和三坐标位移平台，其中三坐标位移平台控制喷笔的喷嘴在三维空间的位置，空气压缩机提供压缩空气，点胶机用于稳定气流气压并控制气流喷出时间，其中气流气压优选为0.2Mpa，喷出时间优选为0.15s，喷笔7利用气压稳定并且时长固定的气流将料仓中的液态金属8打散成微小颗粒喷出，并且喷出的液态金属8在柔性基底上形成相互稳定连通的液态金属极板，并与预置铜导线3导通。

[0049] 如图5～7所示，按照本发明的另一方面，提供了一种计算上述柔性传感器变形角度的方法，该方法的计算过程为将该柔性传感器中的传感区域视为一个二维梁模型，并忽略极板的厚度，假设弹性体材料各向同性，并且其弯曲变形为二维梁纯弯曲，由于传感区域长度较短，发生纯弯曲变形后可视为等曲率，该柔性传感器未发生弯曲时，其电容大小取决于极板间正对面积，极板间距和介电层的介电常数，未发生变形时电容的具体公式为：

[0050]

[0051] 式中，C为未发生变形时的电容，εr为介电层材料相对介电常数；ε0为真空介电常数，S为变形前一号极板1与二号极板2间正对面积，d为变形前一号极板1与二号极板2的间距，l1为变形前一号极板1的长度， w1为变形前一号极板1的宽度；

[0052] 当柔性传感器发生弯曲变形后，由梁的纯弯曲变形性质和平截面假设可得：

[0053]

[0054]

[0055]

[0056]

[0057]

[0058]

[0059] 式中，κ为传感器弯曲中性层曲率，l′1为变形后一号极板1的长度， 为一号极板1长度方向的应变，z1为一号极板1与中性层之间的距离， w′1为变形后一号极板1的宽度，为一号极板1宽度方向的应变，ν为弹性体材料泊松比， 为一号极板1厚度方向的应变，l′2为变形后二号极板 2的长度，l2为变形前二号极板2的长度， 为二号极板2长度方向的应变，w′2为变形后二号极板2的宽度，w2为变形前二号极板2的宽度； 为二号极板2宽度方向的应变， 为二号极板2厚度方向的应变，z2为二号极板与中性层之间的距离；

[0060] 由设计尺寸可确定，在最大变形即90°的情况下，l′1＜l′2，w′1＜w′2，所以极板间正对面积由一号极板1变形后的面积S′＝l′1·w′1决定，而厚度方向应变线性分布，所以弯曲变形后介电层的厚度为：

[0061]

[0062] 式中，S′为变形后一号极板1和二号极板2的正对面积；d′为变形后一号极板1和二号极板2之间的距离， 为传感区域厚度方向的平均应变；

[0063] 综上，可得到柔性传感器发生弯曲变形后电容为：

[0064]

[0065] 将式(10)在κ＝0处展开为泰勒多项式，忽略3次及以上的高阶项得到：

[0066]

[0067] 由图7所表示的几何关系可得柔性传感器末端的转角，即该柔性传感器一端固定，其另一端的转角 代入式(10)中得到：

[0068]

[0069] 式中，C′为变形后的电容，ΔC为电容的变化量，L为传感区域中性层的长度，θ为柔性传感器末端的转角，ρ为传感区域中心层弯曲圆弧的曲率半径。

[0070] 如图8～10所示，按照本发明的又一方面，提供了一种测量人体踝关节转角的装置，其特征在于，该装置包括固定端、滑动端和上述柔性传感器 11，其中:

[0071] 所述柔性传感器11的一端与所述固定端10连接，另一端与所述滑动端12连接，该柔性传感器11进行标定后可用于踝关节转角的测量；

[0072] 所述固定端10内部安装有测量电路14，该测量电路14与所述传感器的两根铜导线3连接，用于接收该传感器的电容信息，所述固定端用于将该测量人体踝关节转角的装置进行固定；

[0073] 所述滑动端12纵向穿孔，弹性绳13穿过该孔并且预拉伸后两端固定在脚面上，从而保证滑动端12沿弹性绳13即矢状面滑动，不发生左右偏移，并且使得该滑动端12始终与脚面接触；

[0074] 更具体地，所述固定端10安装在踝关节上方，所述柔性传感器位于踝关节位置，所述滑动端12位于踝关节下方，并且弹性绳13固定在脚面上。

[0075] 进一步，所述固定端10内部采用防水材料为所述测量电路提供防水保护。

[0076] 进一步，所述防水材料优选采用Ecoflex溶液。

[0077] 进一步，所述测量人体踝关节转角的装置安装在潜水靴上。

[0078] 进一步，所述固定端10还包括用于防止其发生微小滑动位移的固定装置，所述固定装置包括左右两侧安装的绑带和背面固定的魔术贴。

[0079] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。