CN108261182B - 人体脸部皮肤力学性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种人体脸部皮肤力学性能测试装置包括三维移动台、探针、力传感器、第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器、控制器、外壳、发光板、以及用于测量所述三维移动台位移的位移传感器，所述三维移动台驱动所述探针以对脸部皮肤加载，所述力传感器设置于所述探针与所述三维移动台的连接处以测量加载力，所述三个图像传感器用于观测所述探针是否与人体脸部皮肤垂直，并且，第二和第三图像传感器还用于获取受加载脸部皮肤及其周围皮肤图像以计算脸部皮肤受到加载后的形貌变化，所述发光板用于为脸部皮肤补光以使所述图像传感器可以清楚地获取图像。
Description
技术领域
本发明涉及力学实验装置，特别涉及脸部皮肤力学性能测试的装置。
背景技术
人脸皮肤的力学性能研究以及在此基础上的脸部表情研究在力学、医疗健康、动画、心理学、刑侦等诸多领域具有重要学术价值。从上世纪六十年代至今，关于皮肤的相关研究越来越得到重视。在这项多学科交叉的研究中，人脸皮肤的力学性能研究无疑具有基础和关键地位。高水平的人脸皮肤的力学性能研究能促进和推动典型表情(惊讶、厌恶、愤怒、恐惧、悲伤、愉悦等)肌肉运动和变形传递研究。此外，脸部皮肤的力学性能研究对脸部手术、伤口恢复、整容等工作具有重要指导意义。
早在1980年前后,人们就开始对皮肤的各项力学性能进行实验研究。研究表明：在低应变状态时，真皮层对整体皮肤的力学性能有显著影响。下皮层的作用通常认为是隔热、储能和减震。微尺度皮肤研究表明：皮肤的J形应力-应变曲线与显微组织的分布、取向等因数相关。因强非线性、各向异性和粘弹性响应等，而且因人体部位、年龄、性别、紫外线照射等条件不同，人体皮肤呈现不同的力学性能。
皮肤力学性能的研究从实验方法上可分为离体测量实验与活体测量实验两种实验方式。离体实验的优点是可以将离体皮肤制作成任意所需形状进行实验，还能够将皮肤分层处理，分别研究皮肤各层的力学性质，此外离体皮肤还能研究极限载荷、皮肤的损伤机理等。但是皮肤组织结构异常复杂，除胶原纤维、皮下脂肪、毛孔等结构以外还具有大量的神经组织，当有外界刺激出现时，神经组织会对刺激做出反应，进而影响到皮肤的力学性能，而离体实验并不能表征神经组织对力学性能的影响。
针对活体皮肤组织的应力-应变实验，测试手段依变形模式，可以分为：扭转(torsion)式、抽吸(suction)式、压痕(indentation)式、轴向拉压(extension and/orcompression along one axis)式、剪切波传播(shear wave propagation)式、高应变率式等。
扭转式试验方法是早期学者使用较多的研究手段，其基本原理是用电动马达带动贴在皮肤上的圆盘进行旋转，最终得到转角与扭矩之间的关系曲线。此方法可对皮肤刚度与弹性模量进行评价，但对于其他性质的描述存在欠缺。抽吸式实验方法是研究人员采用较多的方法之一，利用一定手段对皮肤形成负压，导致皮肤被吸起，通过某些测量手段对被吸起的皮肤高度及形貌进行测量。轴向拉压实验一般是用于离体实验，该方法试件形状为标准拉伸试件形状，并且可以根据实验需求对皮肤各层进行试验，实验重复性高、可靠性好，但是由于人类皮肤组织内存在大量神经系统，离体实验不能很好地反应活体状态下人类皮肤的各种性能。剪切波实验是目前较为先进的实验手段，在皮肤某一位置产生一定幅度及频率的剪切波，在特定距离以外测量剪切波到达所用时间及幅值衰减程度，进而得出剪切波在皮肤组织中的传播速度和阻尼效应，并通过所得结果对皮肤的弹性模量、粘弹性以及各向异性进行评价。压痕式实验是近些年来常被采用的实验形式，一般用在活体实验，通过一定形状的探针对皮肤进行加载，结合接触力学理论或是数值模拟技术求得皮肤的各种力学参数。
现有的压痕测试装置，基本原理是控制力或位移得到皮肤的力与位移曲线，由于难以控制垂直，而且情绪对脸部皮肤力学测量干扰很大，所以大多数只能应用于身体其他部分的皮肤的力学性能的测量。但是脸部皮肤与身体皮肤相比，脸部皮肤含有大量活跃的皮脂腺，其含量约为身体皮肤的7倍，为四肢皮肤的10倍。皮脂腺对皮肤细胞分裂、皮脂的分泌和皮肤性质具有重要影响。此外，脸部皮肤长期暴露，受紫外线照射时间长，表面湿度受外界环境影响大。所以，虽然脸部皮肤与身体皮肤有着相似的结构，但却有着不同的性质，所以研究适用于脸部的压痕装置具有重要意义。
人类关于皮肤的研究正在成为国内外研究热点，对脸部皮肤的认识尚不完善，尤其是实验方法和实验设备开发等方面还存在较多问题。本发明针对现有不足，成功研制开发出适用于脸部皮肤力学性能测试的实验装置，该装置能够精确的控制加载探针的位移，也可以实时测得探针端部在x、y、z三个方向的受力，此外，结合数字图像相关技术能够得到皮肤在加载过程中的形貌变化，实现了脸部加载点位移、力、加载点区域形貌的同步测量。
总之，考虑到人体脸部皮肤的多曲面特点导致难以找到相对大面积的平面，测量脸部皮肤的力学性能与测量人体其他部位皮肤的力学性能相比，技术难点就在于如何在确保测量探针与脸部垂直的情况下进行预加载和加载并在加载后测量皮肤的变形。
发明内容
本发明的人体脸部皮肤力学性能测试装置包括三维移动台、探针、力传感器、第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器、控制器、外壳、发光板、以及用于测量所述三维移动台位移的位移传感器，所述三维移动台驱动所述探针以对脸部皮肤加载，所述力传感器用于测量加载力，所述三个图像传感器用于观测所述探针是否与人体脸部皮肤垂直；
所述三维移动台包括头部和驱动装置，所述驱动装置包括电机、丝杠、滑轨等以使所述头部沿x、y、z三个方向移动，所述探针设置于所述头部前端中部以对脸部皮肤进行加载，所述探针前端呈圆形开口，所述第一图像传感器位于探针前端内部距所述探针的前端开口中以观测脸部皮肤表面；
所述发光板通过双面胶可拆卸地设置于所述外壳四壁前端表面，第二图像传感器和第三图像传感器对称设置于三维移动台外壳前端发光板表面，所述发光板为LED冷光板。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。
图1示出了本发明的脸部皮肤力学性能测试装置中的三维移动台1和探针2；
图2进一步示出了本发明的脸部皮肤力学性能测试装置的构成，包括头部101、驱动装置102、电机103、丝杠104、滑轨105、探针2、力传感器3、第一图像传感器4、第二图像传感器5、第三图像传感器6、控制器7、外壳8、发光板9；
图3示出了探针2的另一种优选结构。
具体实施方式
如图1所示，本发明的人体脸部皮肤力学性能测试装置主要包括三维移动台1和探针2，其中，探针2安装在三维移动台1上部前端用于对待测脸部皮肤进行加载。
进一步地，如图2所示，本发明的人体脸部皮肤力学性能测试装置包括：三维移动台1、探针2、力传感器3、第一图像传感器4、第二图像传感器5、第三图像传感器6、控制器7、外壳8、发光板9、以及多个用于测量所述三维移动台1不同方向位移的位移传感器，所述力传感器3设置于探针1后端与所述三维移动台1的连接处；
所述三维移动台1包括头部101和驱动装置102，所述驱动装置102包括电机103、丝杠104、滑轨105等以使所述头部沿x、y、z三个方向移动，所述探针2设置于所述头部101的前端中部以对脸部皮肤进行加载，所述探针2前端呈圆形开口且开口直径为2mm，所述第一图像传感器位于探针前端内部距所述探针2的前端开口3mm处以观测脸部皮肤表面；第二图像传感器5和第三图像传感器6在相同水平高度对称设置于三维移动台外壳8两侧侧壁前端的发光板9的表面，相距15～30cm，所述发光板9通过双面胶可拆卸地设置于所述外壳8的任意一个或多个壁的前端表面，发光板9为LED冷光发光板，以避免光照影响人体脸部皮肤的变形场进而影响测量结果。
所述三维移动台1的驱动装置102的丝杠104或滑轨105处分别设置有位移传感器以测量所述三维移动台头部101在x、y、z三个方向的位移并将位移信号馈送至外部动态应变仪(未示出)；所述脸部皮肤力学性能测试装置的头部下方设置有控制器7，用于接收外部输入的控制信号以驱动、控制所述驱动装置102的运转或将脸部皮肤力学性能测试装置所获取的信息发送至外部计算机。优选地，所述脸部皮肤力学性能测试装置中的丝杠104采用无间隙滚珠丝杠，以降低回程误差和启动力矩。
所述电机103优选步进电机，目的主要是考虑到其自锁性能较好，控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。所述脸部皮肤力学性能测试装置还配有电机驱动器(未示出)，所述电机驱动器与步进电机配合，利用其细分功能减小步进角以提高步进精度。步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。
另外，由于不同年龄的测量对象脸部皮肤的弹性模量可能存在较大差别，在使用本发明的测量装置时经常需要更换直径不同的探针2以保证在加载的同时不伤害待测脸部皮肤且获得较高质量的形貌变化图像信息，为了便于更换不同直径的探针可将图1中所示的探针2设置成如图3所示的三段式结构；探针2包括探针后部201、探针中部202、探针前部201、以及孔203，所述探针后部201与力传感器3固定连接设置于所述头部101前部中间位置，所述探针中部与所述探针后部201通过螺纹连接，所述探针前部201与所述探针中部202也采用螺纹连接；为保证探针2的整体刚度，探针后部201的直径≥探针前部201的直径≥探针中部202的直径，并且探针前部201的长度≥探针中部202的长度≥探针后部201的长度；特别地，探针前部201表面开有一个直径不小于1mm的通孔以便与图像传感器4相连的电缆穿过。
进一步地，图像传感器4设置在距离探针2前端开口3mm处，此时前端开口直径为5mm；也就是说在探针2前端由探针2和图像传感器4形成了59mm3的空间以容纳0.059ml的液体；根据探针前部201直径不同则图像传感器4与探针2前端开口的距离需要做出相应的设置以在探针2前端形成能容纳0.05～0.3ml液体的空间，即前端开口直径越大则图像传感器4与探针2前端开口的距离越小。在实际操作本发明的脸部皮肤力学性能测试装置时，优选在探针2前端滴1～3滴水不仅可以有效提高图像传感器4的成像清晰度，还可以起到对目标区域图像放大的作用，并且可以通过判断水滴是否接触到待测脸部皮肤将对三维移动台1的调节转为微调，实现了提高设备操作效率的目的。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (5)
1.一种人体脸部皮肤力学性能测试装置，包括三维移动台、探针、力传感器、第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器、控制器、外壳、发光板、以及用于测量所述三维移动台位移的位移传感器，
所述三维移动台驱动所述探针对人体脸部皮肤加载，所述力传感器设置于所述探针与所述三维移动台的连接处以测量加载力，
所述发光板可拆卸地固定于所述外壳四壁的前端表面以为脸部皮肤补光以使所述图像传感器可以清楚地获取脸部皮肤图像，
三个图像传感器用于观测所述探针是否与脸部皮肤垂直，并且第二图像传感器和第三图像传感器可拆卸地设置于所述发光板表面以获取脸部皮肤形貌；
所述探针的前端与第一图像传感器之间形成有能容纳0.05～0.3ml液体的空间，以在所述探针靠近脸部时借助所述空间中的液体与人脸皮肤接触对所述三维移动台转为微调；
并且，所述发光板为LED冷光板。
2.如权利要求1所述的人体脸部皮肤力学性能测试装置，其特征在于，所述三维移动台包括头部和驱动装置，所述驱动装置包括电机、丝杠、滑轨以使所述头部沿x、y、z三个方向移动，所述探针设置于所述头部前端中部以对脸部皮肤进行加载。
3.如权利要求2所述的人体脸部皮肤力学性能测试装置，其特征在于，所述探针前端呈圆形开口，所述第一图像传感器位于探针前端内部距所述探针的前端开口2～4mm处。
4.如权利要求3所述的人体脸部皮肤力学性能测试装置，其特征在于，所述探针包括探针后部、中部、前部以及孔；所述探针后部固定设置于所述头部前部中间位置，所述前部表面开有通孔以便与第一图像传感器相连的电缆穿过。
5.如权利要求4所述的人体脸部皮肤力学性能测试装置，其特征在于，所述后部的直径≥探针前部的直径≥所述中部的直径。
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