CN104296651B - 基于柔性织物的多支臂多关节角度一体化并行检测系统 - Google Patents
基于柔性织物的多支臂多关节角度一体化并行检测系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于柔性织物的多关节角度一体化并行检测系统，包括：第一聚吡咯织物导电线缆输出总线、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线、弹性电绝缘基底层、微动开关和位于每个关节两侧的第一传感极板、第二传感极板，在传感极板上设有柔性聚酰亚胺绝缘保护层，其中传感极板采用传感单元结构，包括相面对的聚吡咯导电织物电容极板和聚吡咯导电织物地层，这两层之间设有导电硅橡胶屏蔽层，在聚吡咯导电织物电容极板与导电硅橡胶屏蔽层之间充填有第一柔性环氧树脂绝缘层，在导电硅橡胶屏蔽层与聚吡咯导电织物地层之间设有第二柔性环氧树脂绝缘层，在传感极板下设有弹性电绝缘基底层。
Description
技术领域
本发明涉及信号检测、传感技术与传输技术领域，具体涉及一种基于柔性织物的多关节角度一体化并行检测系统，适用于智能机器人、运动监护及医疗监护等领域。
背景技术
角度测量一般是通过传感器获取转角信号，经转换成电路参数量，再通过转换电路转换成电信号输出。现代的角度测量技术种类较多，已在电机、汽车、船舶运输、交通、机械制造、石油、冶金等多方面获得了广泛的应用。
目前，角度检测传感器种类众多，按其传感材料来说可分为非柔性角度检测传感器和柔性角度检测传感器。非柔性角度检测传感器一般是由刚性材料构成，通过机械装置安装在待测角的两边进行角度测量的。典型的非柔性角度检测传感器有：激光干涉测角器、光栅式角度传感器、霍尔角度传感器等。激光干涉测角器，具有准确度高的优点，但是它测量装置复杂，较难使用，使得这种传感器的运用范围受到一定的限制；光栅式角度传感器，准确度高、分辨力高、且稳定可靠，但受外界环境影响较大，且其体积也较大；霍尔角度传感器，霍尔角度传感器是根据霍尔效应来设计的，它测量角度范围大，结构简单，生产成本低，但是其受外界电磁干扰较大。这些角度检测传感器都是非柔性的，有的甚至重量很大，对人体的正常运动造成障碍，在人体运动时容易对人体皮肤造成划伤等伤害。
柔性角度检测传感器是采用柔性材料作为检测单元对角度进行检测的传感器。目前，东南大学的李建清等人发明的一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法中的传感器将PCB传感板缝在织物上，实现了只需穿戴方式即可实现对关节角度的测量，改变了之前笨重、复杂、苛刻的检测条件。但是该方法未实现传感板的完全柔性化，同时也只能实现传统的两块极板测一个关节角度，而采用该方法进行多关节角度检测时，检测单元及其配套测量引线数目相应增加，导致检测系统体积大、重量重，从而导致关节的运动阻碍感显著增加，同时系统的成本高昂，检测系统复杂而降低其可靠性；而且采用传统的接地屏蔽的方式，信号线和地线之间的电容变化显著影响关节角度检测结果的准确性；中国科学院自动化研究所的原魁教授发明的柔性角度传感器利用薄膜式柔性力敏电阻作为传感材料，用于测量物体表面弯曲角度或两个物体之间的夹角，能够实现检测不阻碍人体运动，但是根据力的相互作用原理进行角度检测，仍然会给检测对象带来障碍感。这些角度检测装置都是部分柔性化，且对于多关节角度检测，随着关节角度的增加，所引出的信号传输线也跟着增加，导致越靠近检测装置的关节处的引出导线越多；同时，多个电容检测芯片占用了很大的空间，对人体的正常运动造成障碍。
非柔性角度检测传感器的刚性检测装置，硬度高，无法满足无运动障碍运动检测的要求；柔性角度检测传感器没有实现传感器的全部柔性化，对人体的运动还是存在很大的障碍感。因此，提出一种非接触的柔性多关节角度检测传感器，实现对人体多关节角度的无运动障碍检测。
发明内容
本发明提供一种基于柔性织物的多支臂多关节角度一体化并行检测系统，本发明在以柔性减小关节运动时的障碍感、保证关节运动灵活的同时又能消除由柔性所带来的信号干扰。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种基于柔性织物的多支臂多关节角度一体化并行检测系统，包括：第一聚吡咯织物导电线缆输出总线、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线、弹性电绝缘基底层、与各个支臂一对一对应的微动开关和分别位于每个关节两侧的第一传感极板、第二传感极板，在第一传感极板及第二传感极板上设有柔性聚酰亚胺绝缘保护层，所述第一传感极板和第二传感极板采用传感单元结构，所述传感单元结构包括相面对的聚吡咯导电织物电容极板和聚吡咯导电织物地层，在聚吡咯导电织物电容极板和聚吡咯导电织物地层之间设有导电硅橡胶屏蔽层，在聚吡咯导电织物电容极板与导电硅橡胶屏蔽层之间充填有第一柔性环氧树脂绝缘层，在导电硅橡胶屏蔽层与聚吡咯导电织物地层之间设有第二柔性环氧树脂绝缘层，所述聚吡咯导电织物电容极板设在柔性聚酰亚胺绝缘保护层的下表面上，所述聚吡咯导电织物地层设在弹性电绝缘基底层的上表面上，相邻微动开关中的一个微动开关的一端通过屏蔽导线与相对应的第一传感极板中的聚吡咯导电织物电容极板连接，相邻微动开关中的一个微动开关的另一端通过屏蔽导线与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线连接，相邻微动开关中的另一个微动开关的一端通过屏蔽导线与相对应的第二传感极板中的聚吡咯导电织物电容极板连接，相邻微动开关中的另一个微动开关的另一端通过屏蔽导线与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线连接，在所述传感单元结构内还设有电压跟随器，相邻电压跟随器中的一个电压跟随器的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层及聚吡咯导电织物电容极板连接，所述的一个电压跟随器的反相端与所述的一个电压跟随器的输出端连接且与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层、第一聚吡咯织物导电线缆输出总线聚吡咯导电织物屏蔽层及屏蔽导线的导电硅橡胶屏蔽层连接，相邻电压跟随器中的另一个电压跟随器的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层及聚吡咯导电织物电容极板连接，所述的另一个电压跟随器的反相端与所述的另一个电压跟随器的输出端连接且与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线聚吡咯导电织物屏蔽层及屏蔽导线的导电硅橡胶屏蔽层连接。
本发明所述的一种基于柔性织物的四支臂三关节角度检测传感系统，包括：弹性电绝缘基底层、分别与四支臂中的第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂一对一对应的第一微动开关、第二微动开关、第三微动开关、第四微动开关以及前端传感极板组件、次前端传感极板组件、次后端传感极板组件、后端传感极板组件，前端传感极板组件位于第一关节的前端，次前端传感极板组件位于第一关节与第二关节之间，次后端传感极板组件位于第二关节与第三关节之间，后端传感极板组件位于第三关节的后端，在前端传感极板组件、次前端传感极板组件、次后端传感极板组件及后端传感极板组件上设有柔性聚酰亚胺绝缘保护层，前端传感极板组件、次前端传感极板组件、次后端传感极板组件及后端传感极板组件采用传感单元结构，所述传感单元结构包括相面对的聚吡咯导电织物电容极板和聚吡咯导电织物地层，在聚吡咯导电织物电容极板和聚吡咯导电织物地层之间设有导电硅橡胶屏蔽层，在聚吡咯导电织物电容极板与导电硅橡胶屏蔽层之间充填有第一柔性环氧树脂绝缘层，在导电硅橡胶屏蔽层与聚吡咯导电织物地层之间设有第二柔性环氧树脂绝缘层，所述聚吡咯导电织物电容极板设在柔性聚酰亚胺绝缘保护层的下表面上，所述聚吡咯导电织物地层设在弹性电绝缘基底层的上表面上，所述第一微动开关的一端通过屏蔽导线与前端传感极板组件的聚吡咯导电织物电容极板连接，第一微动开关的另一端与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线连接，第二微动开关的一端通过屏蔽导线与次前端传感极板组件的聚吡咯导电织物电容极板连接，第二微动开关的另一端与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线连接，第三微动开关的一端通过屏蔽导线与次后端传感极板组件的聚吡咯导电织物电容极板连接，第三微动开关的另一端与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线连接，第四微动开关的一端通过屏蔽导线与后端传感极板组件的聚吡咯导电织物电容极板连接，第四微动开关的另一端与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线连接，在所述传感单元结构内还设有电压跟随器，前端传感极板组件及次后端传感极板组件中的电压跟随器的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层及聚吡咯导电织物电容极板连接，前端传感极板组件及次后端传感极板组件中的电压跟随器的反相端与所述电压跟随器的输出端连接，并与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层、第一聚吡咯织物导电线缆输出总线的聚吡咯导电织物屏蔽层及导电硅橡胶屏蔽层连接，次前端传感极板组件及后端传感极板组件中的电压跟随器的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层及聚吡咯导电织物电容极板连接，次前端传感极板组件及后端传感极板组件中的电压跟随器的反相端与所述电压跟随器的输出端连接，并与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线的聚吡咯导电织物屏蔽层及导电硅橡胶屏蔽层连接。
本发明的有益效果在于：
1.传统检测方案中的电容极板采用刚性材料，使关节运动存在一定的障碍感，而本发明的传感极板采用柔性材料，使得极板能够随着关节的运动而弯曲或拉伸，减少了关节运动的障碍感。但是由柔性材料构成的传感极板的聚吡咯导电织物电容极板层和导电硅橡胶屏蔽层、导电硅橡胶屏蔽层和聚吡咯导电织物地层之间会随着关节角度的弯曲或拉伸而产生微小的位移，从而影响检测结果的准确性，为了解决这一问题，本发明将聚吡咯导电织物电容极板层与电压跟随器的同相端相连，电压跟随器的反相端与电压跟随器的输出端连接，导电硅橡胶屏蔽层与电压跟随器的输出端相连，在电压跟随器的作用下，导电硅橡胶屏蔽层屏蔽了聚吡咯导电织物地层对聚吡咯导电织物电容极板层的影响，实现了对聚吡咯导电织物电容极板层信号的驱动屏蔽，解决了柔性传感极板弯曲时，引起聚吡咯导电织物电容极板层和导电硅橡胶屏蔽层、导电硅橡胶屏蔽层和聚吡咯导电织物地层之间的电容间的电磁场发生变化，从而影响浮动式聚吡咯导电织物电容极板间的电磁场变化，导致检测结果出错的问题，而且用聚吡咯导电织物地层对整个极板进行包裹，避免了导电硅橡胶屏蔽层的电磁信号对其他所有电路的干扰，也避免了人体摩擦产生的静电对聚吡咯导电织物电容极板层信号的干扰。
2.传统检测方案中的导线采用没有屏蔽技术的普通铜线，这种情况下，若导线过长，导线间的耦合电容将使电容检测的结果产生较大误差，而采用接地屏蔽的同轴电缆虽然能够消除导线间的耦合电容的影响，但是同轴电缆线太粗，使得关节的运动有明显的障碍感，所以本发明的屏蔽导线采用柔性材料，使得屏蔽导线能够随意的弯曲或拉伸，减少了关节运动的障碍感。但是由柔性材料构成的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层和聚吡咯导电织物屏蔽层之间会随着关节角度的弯曲或拉伸而产生微小的位移，从而影响检测结果的准确性，所以本发明采用在屏蔽导线中，聚吡咯织物导电线缆信号层与其电压跟随器的同相端相连，电压跟随器的反相端与电压跟随器的输出端连接，聚吡咯导电织物屏蔽层与其电压跟随器的输出端相连，在电压跟随器的作用下，聚吡咯导电织物屏蔽层屏蔽了外界电磁信号对聚吡咯织物导电线缆信号层的干扰，实现了对聚吡咯织物导电线缆信号层信号的驱动屏蔽，使得聚吡咯导电织物屏蔽层信号对聚吡咯织物导电线缆信号层信号在相位和幅值上的精确跟踪，既消除了传统接地屏蔽方式中聚吡咯织物导电线缆信号层与聚吡咯导电织物地层之间的分布电容的影响，又消除了由于导线过长而引起的导线之间产生耦合电容的影响。
3.电容检测芯片的激励端通过第一聚吡咯织物导电线缆输出总线分别与第二微动开关、第四微动开关的一端连接，第二微动开关、第四微动开关的另一端通过屏蔽导线分别与次前端传感极板聚吡咯导电织物电容极板、后端传感极板聚吡咯导电织物电容极板连接，电容检测芯片的信号输入端通过第二聚吡咯织物导电线缆输出总线分别与第一微动开关、第三微动开关的一端连接，第一微动开关、第三微动开关的另一端通过屏蔽导线分别与前端传感极板聚吡咯导电织物电容极板、次后端传感极板聚吡咯导电织物电容极板连接。各传感极板之间通过屏蔽导线和微动开关采用并联结构连接，在每个关节处，只有两根信号传输线经过，不会因检测的关节增加，而使得信号传输线增多，从而影响关节的无障碍运动。
4.检测时，第一微动开关和第二微动开关闭合，第三微动开关和第四微动开关断开时，前端传感极板聚吡咯导电织物电容极板和次前端传感极板聚吡咯导电织物电容极板构成聚吡咯导电织物电容极板对，用于检测第一关节处的运动角度；第二微动开关和第三微动开关闭合，第一微动开关和第四微动开关断开时，次前端传感极板聚吡咯导电织物电容极板和次后端传感极板聚吡咯导电织物电容极板构成聚吡咯导电织物电容极板对，用于检测第二关节处的运动角度；第三微动开关和第四微动开关闭合，第一微动开关和第二微动开关断开时，次后端传感极板聚吡咯导电织物电容极板和后端传感极板聚吡咯导电织物电容极板构成聚吡咯导电织物电容极板对，用于检测第三关节处的运动角度。各传感极板之间通过屏蔽导线和微动开关采用并联结构连接，以及微动开关的不同组合，使得在对任一角度进行检测时，只有两块电容极板接入检测电路，避免了其他电容极板和检测极板之间的耦合电容的影响。
5.在传统的检测方案中，一块检测芯片和两个电容极板只能检测一个关节的运动角度，在多关节角度检测条件下，需要多个检测芯片和电容极板，从而导致整个系统的导线增多，供电模块增多，检测系统整体体积增大，重量增加，导致关节运动的障碍感显著增加；同时由于检测芯片的增加，增加了系统的成本和复杂性，导致系统的可靠性降低。而本发明的整个检测传感系统各传感极板之间通过屏蔽导线和微动开关采用并联结构连接，以及微动开关的不同组合，实现了只用了一块检测芯片即实现对多个独立关节运动角度的检测，只需要一个电源模块就可实现对整个系统的供电，减少了信号引出导线和微弱电容检测芯片的个数，减少了系统的体积和重量，实现了对关节角度的“隐形”检测，采用少量的检测芯片，降低了系统的成本，保证了系统的可靠性。此外，本发明通过对微动开关的开合控制，实现4个微动开关不同的开合组合，进而实现了4块聚吡咯导电织物电容极板对3个独立关节运动角度的无运动障碍运动检测。
附图说明
图 1为本发明的基于柔性织物的多关节角度一体化并行检测系统电路连接示意图。
图 2为本发明的基于柔性织物的三关节角度检测传感系统电路连接示意图。
图 3为本发明的基于柔性织物的多关节角度一体化并行检测系统框图。
图 4为传统检测方案的示意图。
图 5为本发明的检测方案的示意图。
图 6为本发明的传感极板分层示意图。
图 7为本发明的传感极板各层压合层叠示意图。
图 8为本发明的A-A处屏蔽导线剖面示意图。
图 9为本发明的电压跟随器放大示意图。
图 10为本发明的屏蔽导线各层压合层叠示意图。
图 11为传统接地屏蔽的示意图。
图 12为本发明的屏蔽导线的驱动屏蔽示意图。
图 13为传统极板的接地屏蔽的导线连接示意图。
图 14为本发明的传感极板的驱动屏蔽导线连接示意图。
图 15为传统极板的接地屏蔽的示意图。
图 16为本发明的传感极板的驱动屏蔽示意图。
图 17为本发明的微动开关布置示意图。
图 18为本发明的关节角度检测实体图。
具体实施实例
实施例1
一种基于柔性织物的多支臂多关节角度一体化并行检测系统，如图 1所示，包括：第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2、弹性电绝缘基底层2、与各个支臂一对一对应的微动开关和分别位于每个关节两侧的第一传感极板Ⅰ-Ⅰ、第二传感极板Ⅱ-Ⅱ，在第一传感极板Ⅰ-Ⅰ及第二传感极板Ⅱ-Ⅱ上设有柔性聚酰亚胺绝缘保护层P，所述第一传感极板Ⅰ-Ⅰ和第二传感极板Ⅱ-Ⅱ采用传感单元结构，所述传感单元结构包括相面对的聚吡咯导电织物电容极板C和聚吡咯导电织物地层G，在聚吡咯导电织物电容极板C和聚吡咯导电织物地层G之间设有导电硅橡胶屏蔽层B，在聚吡咯导电织物电容极板C与导电硅橡胶屏蔽层B之间充填有第一柔性环氧树脂绝缘层I1，在导电硅橡胶屏蔽层B与聚吡咯导电织物地层G之间设有第二柔性环氧树脂绝缘层I2，所述聚吡咯导电织物电容极板C设在柔性聚酰亚胺绝缘保护层P的下表面上，所述聚吡咯导电织物地层G设在弹性电绝缘基底层2的上表面上，相邻微动开关中的一个微动开关的一端通过屏蔽导线与相对应的第一传感极板Ⅰ-Ⅰ中的聚吡咯导电织物电容极板C连接，相邻微动开关中的一个微动开关的另一端通过屏蔽导线与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1连接，相邻微动开关中的另一个微动开关的一端通过屏蔽导线与相对应的第二传感极板Ⅱ-Ⅱ中的聚吡咯导电织物电容极板C连接，相邻微动开关中的另一个微动开关的另一端通过屏蔽导线与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2连接，在所述传感单元结构内还设有电压跟随器D，相邻电压跟随器D中的一个电压跟随器D的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层S及聚吡咯导电织物电容极板C连接，所述的一个电压跟随器D的反相端与所述的一个电压跟随器D的输出端连接且与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层M、第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1聚吡咯导电织物屏蔽层M及屏蔽导线的导电硅橡胶屏蔽层B连接，相邻电压跟随器D中的另一个电压跟随器D的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层S及聚吡咯导电织物电容极板C连接，所述的另一个电压跟随器D的反相端与所述的另一个电压跟随器D的输出端连接且与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层M、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2聚吡咯导电织物屏蔽层M及屏蔽导线的导电硅橡胶屏蔽层B连接。
实施例2
一种基于柔性织物的四支臂三关节角度检测传感系统，如图 2所示，包括：弹性电绝缘基底层2、分别与四支臂中的第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂一对一对应的第一微动开关7、第二微动开关8、第三微动开关9、第四微动开关10以及前端传感极板组件3、次前端传感极板组件4、次后端传感极板组件5、后端传感极板组件6，前端传感极板组件3位于第一关节的前端，次前端传感极板组件4位于第一关节与第二关节之间，次后端传感极板组件5位于第二关节与第三关节之间，后端传感极板组件6位于第三关节的后端，在前端传感极板组件3、次前端传感极板组件4、次后端传感极板组件5及后端传感极板组件6上设有柔性聚酰亚胺绝缘保护层P，前端传感极板组件3、次前端传感极板组件4、次后端传感极板组件5及后端传感极板组件6采用传感单元结构，所述传感单元结构包括相面对的聚吡咯导电织物电容极板C和聚吡咯导电织物地层G，在聚吡咯导电织物电容极板C和聚吡咯导电织物地层G之间设有导电硅橡胶屏蔽层B，在聚吡咯导电织物电容极板C与导电硅橡胶屏蔽层B之间充填有第一柔性环氧树脂绝缘层I1，在导电硅橡胶屏蔽层B与聚吡咯导电织物地层G之间设有第二柔性环氧树脂绝缘层I2，所述聚吡咯导电织物电容极板C设在柔性聚酰亚胺绝缘保护层P的下表面上，所述聚吡咯导电织物地层G设在弹性电绝缘基底层2的上表面上，所述第一微动开关7的一端通过屏蔽导线与前端传感极板组件3的聚吡咯导电织物电容极板C连接，第一微动开关7的另一端与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1连接，第二微动开关8的一端通过屏蔽导线与次前端传感极板组件4的聚吡咯导电织物电容极板C连接，第二微动开关8的另一端与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2连接，第三微动开关9的一端通过屏蔽导线与次后端传感极板组件5的聚吡咯导电织物电容极板C连接，第三微动开关9的另一端与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1连接，第四微动开关10的一端通过屏蔽导线与后端传感极板组件6的聚吡咯导电织物电容极板C连接，第四微动开关10的另一端与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2连接，在所述传感单元结构内还设有电压跟随器D，前端传感极板组件3及次后端传感极板组件5中的电压跟随器D的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层S及聚吡咯导电织物电容极板C连接，前端传感极板组件3及次后端传感极板组件5中的电压跟随器D的反相端与所述电压跟随器D的输出端连接，并与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层M、第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1的聚吡咯导电织物屏蔽层M及导电硅橡胶屏蔽层B连接，次前端传感极板组件4及后端传感极板组件6中的电压跟随器D的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层S及聚吡咯导电织物电容极板C连接，次前端传感极板组件4及后端传感极板组件6中的电压跟随器D的反相端与所述电压跟随器D的输出端连接，并与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层M、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2的聚吡咯导电织物屏蔽层M及导电硅橡胶屏蔽层B连接。
所述弹性电绝缘基底层由一层具有弹性的电绝缘材料构成，测量时将其铺在待测对象表面，上面放置传感极板。所述四个传感极板，每块传感极板由柔性聚酰亚胺绝缘保护层P、聚吡咯导电织物电容极板层C、第一柔性环氧树脂绝缘层I1、导电硅橡胶屏蔽层B、第二柔性环氧树脂绝缘层I2、聚吡咯导电织物地层G构成，其中，聚吡咯导电织物电容极板层C为一层导电织物材料，形成聚吡咯导电织物电容极板C1-C4。每块传感极板包含一块聚吡咯导电织物电容极板，传感极板放置在弹性电绝缘基底层表面，相邻传感极板中的聚吡咯导电织物电容极板构成一个聚吡咯导电织物电容极板对，其电容值可由电容角度检测装置1中的微弱电容检测芯片测出，被测关节的角度变化引起聚吡咯导电织物电容极板对之间电场间距发生变化，从而改变聚吡咯导电织物电容极板间的电容大小。
如图 2，弹性电绝缘基底层2由一层具有弹性的电绝缘材料聚四氟乙烯薄膜构成，该层厚度为0.1-0.5mm。弹性电绝缘基底层铺在待测对象表面，上面放置传感极板。微动开关7-9采用导通电阻为8Ω，外形尺寸小于3mm×3mm以及分布电容（6.5pF）远小于被测电容的模拟开关TS5A4597。
如图 3，电容角度检测装置1由电源单元、电容检测单元、按键电路、16位微控制器MSP430F1611、无线模块、串行通信电路、LCD显示电路、LED指示电路8部分组成。其中16位微控制器MSP430F1611是整个检测系统的核心，它利用内部资源，控制整个系统的运行，进行数据的采集、运算处理、显示及通信；电容检测单元由电缆屏蔽电路、信号调理电路、微弱电容检测芯片AD7746构成，其中微弱电容检测芯片AD7746通过IIC方式与微控制器MSP430F1611进行数据通信；电源单元用体积小、重量轻的纽扣电池作为系统电源；无线模块使用蓝牙芯片HM-11作为节点角度信号的无线传输芯片；LCD显示电路、LED指示电路和按键电路组成系统的人机交互接口，用于显示测试数据、电源指示和调试复位。
关节处的角度电容较小，所以本专利采用了Analog Devices半导体公司的AD7746微弱电容检测芯片对该电容进行检测，AD7746能够实现对浮动式电容极板间的微弱电容信号进行高精度的检测，并将检测的结果直接转换为数字信号，然后通过IIC总线将电容数据发送到微控制器。本专利采用TI公司的低功耗微处理器MSP430F1611作为本系统的微控制器，它用电容-角度转换算法对AD7746发送过来的电容数据进行转换，并将转换结果显示在LCD上。MSP430微控制器选择通过无线模块将角度数据发送到上位机，供上位机分析处理及存储
如图 4，在传统的检测方案中，一块检测芯片和两个电容极板只能检测一个关节的运动角度，在多关节角度检测条件下，需要多个检测芯片和电容极板，从而导致整个系统的导线增多，供电模块增多，检测系统整体体积增大，重量增加，导致关节运动的障碍感显著增加；同时由于检测芯片的增加，增加了系统的成本和复杂性，导致系统的可靠性降低。而图 5中，本发明的整个检测传感系统只用了一块检测芯片即实现对多个独立关节运动角度的检测，只需要一个电源模块就可实现对整个系统的供电，并且减少了导线的数目，减少了系统的体积和重量，实现了对关节角度的“隐形”检测，采用少量的检测芯片，降低了系统的成本，保证了系统的可靠性。
如图 6，共有四个传感极板3-6，每块传感极板由6层柔性材料构成：保护层P、电容极板层C、绝缘层I1、屏蔽层B、绝缘层I2、地层G。传感极板最外层为保护层P，该层由柔性绝缘材料聚酰亚胺构成，厚度约为26μm，用于避免相邻极板间的碰触而导致检测电路出现短路的现象。保护层P下一层为电容极板层C，该层采用聚吡咯构成的导电织物材料，形成电容极板C1-C4，作为浮地电容的正极板，该层厚度约为0.3mm。电容极板层C下一层为绝缘层I1，该层由柔性绝缘材料环氧树脂构成，厚度约为26μm，用于避免电容极板层C和屏蔽层B之间的直接碰触。绝缘层I1下一层为屏蔽层B，该层由导电硅橡胶构成，厚度约为0.3mm，用于避免电容极板弯曲时而引起的浮地电容极板间的电磁场变化。屏蔽层B下一层为绝缘层I2，该层由柔性绝缘材料环氧树脂构成，厚度约为26μm，用于避免屏蔽层B和地层G之间的直接碰触。传感极板最里层为地层G，该层采用聚吡咯构成的导电织物材料，厚度约为0.3mm，作为浮地电容的负极板。如图 7，传感极板的各层层叠并对齐，然后通过热压的方式压合在一起，总厚度小于1mm。传感极板可以随人体的运动而弯曲或拉伸，实现了与衣物的完美契合，达到了对关节运动角度的无运动障碍检测。
如图 8、图 10，屏蔽导线包括聚吡咯织物导电线缆信号层S，在聚吡咯织物导电线缆信号层S的外部设有柔性环氧树脂绝缘层I3，在柔性环氧树脂绝缘层I3的外部设有聚吡咯导电织物屏蔽层M，在聚吡咯导电织物屏蔽层M的外部设有柔性聚酰亚胺绝缘层I4，其中，聚吡咯织物导电线缆信号层S与其电压跟随器的输入端相连，聚吡咯导电织物屏蔽层M与其电压跟随器的输出端相连，在其电压跟随器（如图 9）的作用下，聚吡咯导电织物屏蔽层M屏蔽了外界电磁信号对聚吡咯织物导电线缆信号层S的干扰，实现了对聚吡咯织物导电线缆信号层S信号的驱动屏蔽，使得聚吡咯导电织物屏蔽层M信号对聚吡咯织物导电线缆信号层S信号在相位和幅值上的精确跟踪。聚吡咯织物导电线缆信号层S和聚吡咯导电织物屏蔽层M是聚吡咯构成的导电织物材料，柔性环氧树脂绝缘层I3是环氧树脂构成的柔性绝缘材料，柔性聚酰亚胺绝缘层I4是聚酰亚胺构成的柔性绝缘材料，其中聚吡咯织物导电线缆信号层S为长条形柔性导电织物，作为屏蔽导线的芯线；聚吡咯织物导电线缆信号层S上下面各有一层由环氧树脂构成的柔性环氧树脂绝缘层I3，柔性环氧树脂绝缘层I3将聚吡咯织物导电线缆信号层S完全包裹；聚吡咯导电织物屏蔽层M为长条形柔性导电织物，包在柔性环氧树脂绝缘层I3外；聚吡咯导电织物屏蔽层M上下面各有一层由聚酰亚胺构成的柔性聚酰亚胺绝缘层I4，柔性聚酰亚胺绝缘层I4将织物导电线缆屏蔽层完全包裹。如图 10，屏蔽导线各层层叠并对齐，然后通过热压的方式压合在一起，总厚度约为1mm。
如图 11，传统检测方案中的导线采用普通铜线或同轴电缆线，普通铜线没有采用屏蔽技术，若导线过长，导线间的耦合电容将使电容检测的结果产生较大误差；而同轴电缆线太粗，使得关节的运动有明显的障碍感，而且同轴电缆的屏蔽一般都采用接地屏蔽，电缆线信号和屏蔽地层之间的分布电容影响检测结果的准确性。而图 12中，本发明的屏蔽导线采用柔性材料，使得屏蔽导线能够随意的弯曲或拉伸，减少了关节运动的障碍感，同时采用驱动屏蔽，既消除了传统接地屏蔽方式中聚吡咯织物导电线缆信号层S与聚吡咯导电织物屏蔽层M之间的分布电容的影响，又消除了由于导线过长而引起的导线之间产生耦合电容的影响。
如图 13，聚吡咯导电织物电容极板层C和聚吡咯导电织物地层G之间构成一对聚吡咯导电织物电容极板对，聚吡咯导电织物电容极板层C与上述电压跟随器（如图 9）的输入端相连，导电硅橡胶屏蔽层B与上述电压跟随器的输出端相连，在电压跟随器的作用下，导电硅橡胶屏蔽层B屏蔽了聚吡咯导电织物地层G对聚吡咯导电织物电容极板层C的影响，实现了对聚吡咯导电织物电容极板层C信号的驱动屏蔽，解决了图 14中，柔性传感极板弯曲时，引起聚吡咯导电织物电容极板层C和聚吡咯导电织物地层G构成的电容间的电磁场发生变化，从而影响浮动式聚吡咯导电织物电容极板C间的电磁场变化，导致检测结果出错的问题，保证或提高了影响测量结果准确性。
如图 15，传统检测方案中的电容极板采用刚性材料，使关节运动存在一定的障碍感，而且采用接地屏蔽，信号线与屏蔽地层之间的分布电容影响检测结果的准确性。而图16中，本发明的传感极板采用柔性材料，使得极板能够随着关节的运动而弯曲或拉伸，减少了关节运动的障碍感，同时采用驱动屏蔽，消除了柔性传感极板弯曲或拉伸时，因聚吡咯导电织物电容极板层C和导电硅橡胶屏蔽层B、导电硅橡胶屏蔽层B和聚吡咯导电织物地层G之间产生的微小位移而对检测结果的影响，且用聚吡咯导电织物地层G对整个极板进行包裹，避免了导电硅橡胶屏蔽层B的电磁信号对其他所有电路的干扰。
传感极板之间通过屏蔽导线与微动开关连接。电容检测芯片的激励端（EXC）通过第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1分别与第二微动开关8、第四微动开关10的一端连接，第二微动开关8、第四微动开关10的另一端通过屏蔽导线分别与次前端传感极板4聚吡咯导电织物电容极板C2、后端传感极板6聚吡咯导电织物电容极板C4连接，电容检测芯片的信号输入端(CIN)通过第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2分别与第一微动开关7、第三微动开关9的一端连接，第一微动开关7、第三微动开关9的另一端通过屏蔽导线分别与前端传感极板3聚吡咯导电织物电容极板C1、次后端传感极板5聚吡咯导电织物电容极板C3连接。
本发明的关节角度检测的传感极板布置位置如图 17、图 18所示，其中传感极板3-6大小范围为20mm×20mm到50mm×250mm。
手指根关节J1处的运动角度θ1的大小范围约为90°-180°，腕关节J2处的单侧运动角度θ2的大小范围约为90°-180°，肘关节J3处的运动角度θ3的大小范围约为30°-180°。检测时将每块传感极板用弹力带束缚在每一个关节支臂外表面上，第一微动开关7放置在手指根关节J1靠近手指一侧，利用屏蔽导线分别与前端传感极板3中的聚吡咯导电织物电容极板C1、第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1连接；第二微动开关8放置在腕关节J2靠近手掌一侧，利用屏蔽导线分别与次前端传感极板4中的聚吡咯导电织物电容极板C2、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2连接；第三微动开关9放置在肘关节J3靠近小臂一侧，利用屏蔽导线分别与次后端传感极板5中的聚吡咯导电织物电容极板C3、第一聚吡咯织物导电线缆输出总线H1连接；第四微动开关10放置在大臂根部附近利用屏蔽导线分别与后端传感极板6中的聚吡咯导电织物电容极板C4、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线H2连接。电容检测装置1用一个口袋状布袋固定在人体后背靠近肩膀的部位。
当检测手指根关节J1的单侧运动角度θ1时，微控制器MSP430F1611控制第一微动开关7和第二微动8开关闭合，第三微动开关9和第四微动开关10断开，这时AD7746检测到的是前端传感极板3聚吡咯导电织物电容极板C1和次前端传感极板4聚吡咯导电织物电容极板C2构成聚吡咯导电织物电容极板对间的电容；当检测腕关节J2的单侧运动角度θ2时，微控制器MSP430F1611控制第二微动开关8和第三微动开关9闭合，第一微动开关7和第四微动开关10断开，这时AD7746检测到的是次前端传感极板4聚吡咯导电织物电容极板C2和次后端传感极板5聚吡咯导电织物电容极板C3构成聚吡咯导电织物电容极板对间的电容；当检测肘关节J3的单侧运动角度θ3时，微控制器MSP430F1611控制第三微动开关9和第四微动开关10闭合，第一微动开关7和第二微动开关8断开，这时AD7746检测到的是次后端传感极板5聚吡咯导电织物电容极板C3和后端传感极板6聚吡咯导电织物电容极板C4构成聚吡咯导电织物电容极板对间的电容。AD7746将检测到的电容量转化为数字量，并通过IIC总线发送给微控制器MSP430F1611，微控制器通过电容-角度转化算法，将电容值转化为相应的角度，并通过LCD模块显示，同时通过蓝牙芯片HM-11发送给上位机进行数据存储及分析。
Claims (2)
1.一种基于柔性织物的多支臂多关节角度一体化并行检测系统，其特征在于，包括：第一聚吡咯织物导电线缆输出总线（H1）、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线（H2）、弹性电绝缘基底层(2)、与各个支臂一对一对应的微动开关和分别位于每个关节两侧的第一传感极板（Ⅰ-Ⅰ）、第二传感极板（Ⅱ-Ⅱ），在第一传感极板（Ⅰ-Ⅰ）及第二传感极板（Ⅱ-Ⅱ）上设有柔性聚酰亚胺绝缘保护层（P），所述第一传感极板（Ⅰ-Ⅰ）和第二传感极板（Ⅱ-Ⅱ）采用传感单元结构，所述传感单元结构包括相面对的聚吡咯导电织物电容极板（C）和聚吡咯导电织物地层（G），在聚吡咯导电织物电容极板（C）和聚吡咯导电织物地层（G）之间设有导电硅橡胶屏蔽层（B），在聚吡咯导电织物电容极板（C）与导电硅橡胶屏蔽层（B）之间充填有第一柔性环氧树脂绝缘层（I1），在导电硅橡胶屏蔽层（B）与聚吡咯导电织物地层（G）之间设有第二柔性环氧树脂绝缘层（I2），所述聚吡咯导电织物电容极板（C）设在柔性聚酰亚胺绝缘保护层（P）的下表面上，所述聚吡咯导电织物地层（G）设在弹性电绝缘基底层(2)的上表面上，相邻微动开关中的第一微动开关的一端通过屏蔽导线与相对应的第一传感极板（Ⅰ-Ⅰ）中的聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，相邻微动开关中的第一微动开关的另一端通过屏蔽导线与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线（H1）连接，相邻微动开关中的第二微动开关的一端通过屏蔽导线与相对应的第二传感极板（Ⅱ-Ⅱ）中的聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，相邻微动开关中的第二微动开关的另一端通过屏蔽导线与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线（H2）连接，在所述传感单元结构内还设有电压跟随器（D），相邻电压跟随器（D）中的第一电压跟随器（D）的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层（S）及聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，所述的第一电压跟随器（D）的反相端与所述的第一电压跟随器（D）的输出端连接且与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层（M）、第一聚吡咯织物导电线缆输出总线（H1）、聚吡咯导电织物屏蔽层（M）及屏蔽导线的导电硅橡胶屏蔽层（B）连接，相邻电压跟随器（D）中的第二电压跟随器（D）的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层（S）及聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，所述的第二电压跟随器（D）的反相端与所述的第二电压跟随器（D）的输出端连接且与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层（M）、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线（H2）、聚吡咯导电织物屏蔽层（M）及屏蔽导线的导电硅橡胶屏蔽层（B）连接。
2.一种基于柔性织物的四支臂三关节角度检测传感系统，其特征在于，包括：弹性电绝缘基底层(2)、分别与四支臂中的第一支臂、第二支臂、第三支臂和第四支臂一对一对应的第一微动开关（7）、第二微动开关（8）、第三微动开关（9）、第四微动开关（10）以及前端传感极板组件（3）、次前端传感极板组件（4）、次后端传感极板组件（5）、后端传感极板组件（6），前端传感极板组件（3）位于第一关节的前端，次前端传感极板组件（4）位于第一关节与第二关节之间，次后端传感极板组件（5）位于第二关节与第三关节之间，后端传感极板组件（6）位于第三关节的后端，在前端传感极板组件（3）、次前端传感极板组件（4）、次后端传感极板组件（5）及后端传感极板组件（6）上设有柔性聚酰亚胺绝缘保护层（P），前端传感极板组件（3）、次前端传感极板组件（4）、次后端传感极板组件（5）及后端传感极板组件（6）采用传感单元结构，所述传感单元结构包括相面对的聚吡咯导电织物电容极板（C）和聚吡咯导电织物地层（G），在聚吡咯导电织物电容极板（C）和聚吡咯导电织物地层（G）之间设有导电硅橡胶屏蔽层（B），在聚吡咯导电织物电容极板（C）与导电硅橡胶屏蔽层（B）之间充填有第一柔性环氧树脂绝缘层（I1），在导电硅橡胶屏蔽层（B）与聚吡咯导电织物地层（G）之间设有第二柔性环氧树脂绝缘层（I2），所述聚吡咯导电织物电容极板（C）设在柔性聚酰亚胺绝缘保护层（P）的下表面上，所述聚吡咯导电织物地层（G）设在弹性电绝缘基底层(2)的上表面上，所述第一微动开关（7）的一端通过屏蔽导线与前端传感极板组件（3）的聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，第一微动开关（7）的另一端与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线（H1）连接，第二微动开关（8）的一端通过屏蔽导线与次前端传感极板组件（4）的聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，第二微动开关（8）的另一端与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线（H2）连接，第三微动开关（9）的一端通过屏蔽导线与次后端传感极板组件（5）的聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，第三微动开关（9）的另一端与第一聚吡咯织物导电线缆输出总线（H1）连接，第四微动开关（10）的一端通过屏蔽导线与后端传感极板组件（6）的聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，第四微动开关（10）的另一端与第二聚吡咯织物导电线缆输出总线（H2）连接，在所述传感单元结构内还设有电压跟随器（D），前端传感极板组件（3）及次后端传感极板组件（5）中的电压跟随器（D）的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层（S）及聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，前端传感极板组件（3）及次后端传感极板组件（5）中的电压跟随器（D）的反相端与所述前端传感极板组件（3）及次后端传感极板组件（5）中的电压跟随器（D）的输出端连接，并与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层（M）、第一聚吡咯织物导电线缆输出总线（H1）的聚吡咯导电织物屏蔽层（M）及导电硅橡胶屏蔽层（B）连接，次前端传感极板组件（4）及后端传感极板组件（6）中的电压跟随器（D）的同相端分别与相应的屏蔽导线的聚吡咯织物导电线缆信号层（S）及聚吡咯导电织物电容极板（C）连接，次前端传感极板组件（4）及后端传感极板组件（6）中的电压跟随器（D）的反相端与所述次前端传感极板组件（4）及后端传感极板组件（6）中的电压跟随器（D）的输出端连接，并与相应的屏蔽导线的聚吡咯导电织物屏蔽层（M）、第二聚吡咯织物导电线缆输出总线（H2）的聚吡咯导电织物屏蔽层（M）及导电硅橡胶屏蔽层（B）连接。
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