CN109646006A - 一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于人体运动测量领域，并公开了一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，该传感器包括柔性基体和平行极板，柔性基体采用柔性的非导电材料制成，平行极板呈液态，相对平行设置在柔性基体中形成柔性电容，该组平行极板的一端与外接测试电路连接，传感器贴附于待测关节处时，待测关节的运动时拉伸柔性基体，从而拉伸平行极板改变该平行极板的长度和宽度，以此改变平行极板之间的电容，外接测试电路通过监测该电容变化量计算获得待测关节运动时的角度变化，从而实现人体关节角度的测量。通过本发明，解决测量人体关节角度过程中适应性差和机械对接不良的问题，结构简单，使用不受空间限制，适用范围广。

Description

一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器

技术领域

本发明属于人体运动测量领域，更具体地，涉及一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器。

背景技术

人体运动姿态的测量在医疗、军事、安防与电影制作等领域中有着重要的应用，使用测量系统准确方便地获取人体运动过程中的运动参数是近几年研究的热点。

目前在人体运动姿态测量领域中，测量方式分为视觉传感测量及非视觉传感测量。视觉传感测量是通过在人体关节上贴上具有反射性的标记点，通过相机记录标记点的位置以获取被试者的运动信息，如Vicon动作捕捉系统；视觉跟踪提供了一种精确的运动信息测量手段，但需要在一个固定的测试区域内进行测量，运动空间及运动模式都受到了限制。非视觉传感测量是将非视觉传感器直接放置在被试者身体上，以消除测试区域与测试模式的限制；非视觉传感器有电测角仪、陀螺仪、光纤传感器等，但由于这些传感器的材料皆为刚性材料，存在对人体适应性相对较差、机械对接不良的问题，因此本领域需要一种可穿戴的对人体适应性较好的柔性传感器用于很好地反馈人体运动信息。

发明内容

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测量人体关节角度的柔性电容式传感器，通过对其关键组件柔性基体和平行极板的结构设置，使得传感器完全贴合待检测的关节，并随待检测关节运动而运动，同时通过设置液态的平行极板，待检测关节运动时将柔性基体拉伸同时将平行极板拉伸，以此改变平行极板之间的电容，通过监测电容的变化实现对待检测关节角度的测量，由此解决传感器在测量人体关节角度过程中适应性差和机械对接不良的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，该传感器包括柔性基体和平行极板，其特征在于：

所述柔性基体采用柔性的非导电材料制成，所述平行极板呈液态，相对平行设置在所述柔性基体中形成柔性电容，该组平行极板的一端与外接测试电路连接，所述传感器贴附于待测关节处时，待测关节运动时会拉伸所述柔性基体，从而拉伸所述平行极板改变该平行极板的长度、宽度和极板间的距离，以此改变所述平行极板之间的电容，外接测试电路通过监测该电容变化量计算获得待测关节运动时的角度变化，从而实现人体关节角度的测量。

进一步优选地，所述柔性基体的原材料优选采用铂催化有机硅。

进一步优选地，所述平行极板优选采用液态金属-镓铟共晶。

进一步优选地，所述相对平行设置的平行极板之间的距离优选为： 0.5mm～2.5mm。

进一步优选地，所述平行极板的一端连接有金属片，该金属片上连接有引线，用于连接所述外界测试电路。

进一步优选地，所述传感器的两端设置有固定端，用于将所述传感器贴附在待测关节处。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的柔性电容式传感器的制备方法，该方法包括下列步骤：

(a)将所述传感器划分为中间部分和两端的固定端，中间部分分为三层：基层，中间层和上层，所述基层中间设置有第一凹槽，所述中间层覆盖在所述基层上，且其中间与所述第一凹槽相对应的位置设置有第二凹槽，所述上层设置在所述中间层上；

(b)选取所述柔性基体的原材料并将其配置成混合溶液，将该混合溶液倒在模具中，固化后获得所述基层；将成形所述基层的模具开模，在所述基层的第一凹槽的一端布置导线，选取用于成形所述平行极板的液态金属，将所述液态金属喷在所述基层的第一凹槽中，固化后获得带有平行极板的基层；

(c)将步骤(b)中获得的带有平行极板的基层保留在模具中，再次合模，将所述混合溶液浇注进该合模后的模具中，固化后获得所述中间层；在该中间层的第二凹槽中布置导线，并将所述液态金属喷在所述第二凹槽中，在所述基层上形成带有另外一块平行极板的中间层；

(d)将步骤(c)获得的包括基层和中间层的结构保留在模具中，再次合模，将所述混合溶液浇注进该合模后的模具中，固化后在所述中间层上形成上层，由此完成所述中间部分的加工；

(e)将步骤(d)中获得的中间部分置于成形所述固定端的模具中，选取端部的原材料进行浇注，固化后获得所需的传感器。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过建立传感器电容值与人体关节运动角度的关系后，很好地反馈下肢关节的转角信息，将人体关节角度的测量转换为传感器电容变化值的测量，简化测量过程，提高测量精度；

2、本发明提供的感器本身具有很好的可穿戴性和复用性，安装与拆卸方便，轻便易于携带，其穿戴式的结构，使其使用不受到空间的限制，同时本发明亦适用于水下人体关节运动角度的测量。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的传感器的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的制备传感器用到的模具结构示意图；

图3A-F是按照本发明的优选实施例所构建的制备传感器的工作流程图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量人体关节的示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量膝关节时角度变化示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量原理示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-导线，2-固定端，3-柔性基体，4-平行极板，5-金属片，6-基层模具，6a-定位柱，7-一层模具，7a-定位孔，7b-极板槽，8-二层模具，9-三层模具，10-首端固定模具，11-尾端固定模具，12-喷笔，12a-控制开关， 12b-储存仓，12c-喷口，12d-进气口,13-髋关节传感器，14-踝关节传感器， 15-膝关节传感器。

具体实施方式

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。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的传感器的结构示意图，如图1 所示，一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，传感器整体由非导电的柔性基体3、由液态金属喷制而成的平行极板4、金属片5、细导线 1及带有尼龙固定搭扣的固定端2等部分组成。从传感器内部极板中引出的导线1，用于接入测量电路；传感器的固定端2，底部贴有尼龙搭扣，用于将传感器固定在下肢关节测量部位；传感器结构上采用平行极板形成电容器结构，内部嵌有两块正对的平行极板4,呈液态，为实现传感器可适应人体下肢运动而产生的皮肤表面大变形工况，传感器的柔性基体使用的材料为一种铂催化有机硅，即Ecoflex。为保证传感器在大变形过程中内部传感模块的正常工作，内嵌的两块正对的平行极板4均由液态金属-镓铟共晶喷印而成，金属片，本实施例中采用薄铜片，用于增大导线与平行极板的接触面积，设置在极板的末端，极板的末端由薄铜片及导线1引出，用于接入测量电路。

相对平行设置的平行极板之间的距离优选为：0.5mm～2.5mm。由于成型工艺的特点，以及考虑到传感器拉伸过程中极板间距会变小的因素，极板间最小间距优选为0.5mm；考虑到传感器穿戴在身上后，若传感器厚度过大，会影响穿戴的舒适性，且传感器的数值会变小，易受到噪声的干扰，故最大间距优选为2.5mm。

传感器的柔性基体通过形状沉积成型法成型而成，通过在模具中注入等比例混合的Ecoflex-A,B混合溶液固化成型而成，传感器两端的固定部分黏贴有尼龙搭扣，用于穿戴在下肢各关节处。

将传感器划分为中间部分和两端的固定端，中间部分由三层组成：基层、中间层和上层，基层中间设置有第一凹槽，中间层覆盖在所述基层上，且其中间与第一凹槽相对应地位置设置有第二凹槽，上层设置在中间层上；图2是按照本发明的优选实施例所构建的制备传感器用到的模具结构示意图，如图2所示，分别为基层模具6、一层模具7、二层模具8、三层模具 9、首端固定模具10及尾端固定模具11，基层模具6与三层模具9的结构相仿，一层模具7和二层模具8结构相仿，上面设置有凹槽，首端固定模具10及尾端固定模具11用于成形首尾两端的固定端。

图3A-F是按照本发明的优选实施例所构建的制备传感器的工作流程图，如图3A-F所示，传感器的成型工艺流程，共分为六步，按从A到F的顺序依次进行。图中，A是先将基层模具6与一层模具7两模具合模压紧，将Ecoflex-A、Ecoflex-B溶液等比例混合在烧杯中，搅拌均匀后，倒入合模中，等待4h固化完全后，脱模得到传感器基层；B是在成型好的基层上布置好薄铜片5和导线，其中基层放置在基层模具6上不脱离，利用液态金属喷制系统在基层表面的凹槽内喷上液态金属层，制作电极板，该喷制系统包括空气压缩机、点胶机、喷笔12以及三维位移平台。喷笔12固定在三维位移平台上，可进行XYZ三个方向的移动，喷笔中12d为进气口，由点胶机及空压机提供定压强定时间的气流，12a为控制喷笔工作的开关， 12b为储存液态金属的储存仓，12c为喷笔的喷出口。液态金属受到高压气流作用后，由喷口喷出附着在基层表面，制备好液态金属电极板后；C是合上基层模具6和二层模具8，其中基层一直安置在基层模具内，在合模内倒入配置好的Ecoflex混合溶液，等待4h固化完全后，脱模得到中间层；接着进行与图D所示的操作，与上述图B中操作一致，喷制第二层液态金属平行极板。制备好液态金属电极板后，图中E步骤，将三层模具9与基层模具6合模压紧，其中传感器二层安置在基层模具内，在合模内倒入配置好的Ecoflex混合溶液，等待4h固化完全后，脱模得到传感器的中间部分。将得到的模型放置在模具10和模具11上，成型两端的固定端，如图中F 所示，倒入混合好的Ecoflex混合溶液，等待4h固化完全后，脱模，得到最终的柔性传感器。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量人体关节的示意图，如图4所示，传感器制备完成并标定好后，可将传感器的两端固定在人体下肢髋关节、膝关节、踝关节合适位置，用于测量各关节的运动转角。

下面将进一步说明传感器的测量原理，图5是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量膝关节时角度变化示意图，图6是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量原理示意图，如图5和6所示，将传感器内的两平行板及平行板间的中间层共同看成一个弹性长方体，对于平行板电容，其电容的大小取决于极板间的正对面积S，即极板的长度L与宽度w，极板间距d，以及介电层相对介电常数ε_r。传感器的电容可表示为：

假设该弹性材料各向同性，则该弹性体在如图5中所示拉伸过程中，电容的变化量可表示为：

其中C为拉伸后传感器电容，C_o为拉伸前传感器电容，ε表示传感器拉伸变化的应变。若传感器应用于膝关节，则传感器拉伸的应变可表示为：

其中Δθ表示关节转角，r表示假设关节形状为球时的关节半径。则拉伸前后传感器电容的变化量可表示为：

即可建立得到电容的变化量与关节转角的关系式，通过检测到电容的变化量ΔC，可通过上式计算获得角度的变化量Δθ。

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。

Claims (7)

1.一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，该传感器包括柔性基体(3)和平行极板(4)，其特征在于，

所述柔性基体(3)采用柔性的非导电材料制成，所述平行极板(4)呈液态，相对平行设置在所述柔性基体中形成柔性电容，该平行极板的一端与外接测试电路连接，所述传感器贴附于待测关节处时，待测关节运动时拉伸所述柔性基体，从而拉伸所述平行极板改变该平行极板的长度、宽度及极板间的间距，以此改变所述平行极板之间的电容，外接测试电路通过监测该电容变化量计算获得待测关节运动时的角度变化，从而实现人体关节角度的测量。

2.如权利要求1所述的一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，其特征在于，所述柔性基体(3)的原材料优选采用铂催化有机硅。

3.如权利要求1或2所述的一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，其特征在于，所述平行极板(4)优选采用液态金属-镓铟共晶。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，其特征在于，所述相对平行设置的平行极板(4)之间的距离优选为：0.5mm～2.5mm。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，其特征在于，所述平行极板(4)的一端连接有金属片(5)，该金属片上连接有引线，用于连接所述外界测试电路。

6.如权利要求1-5任一项所述的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器的两端设置有固定端(2)，用于将所述传感器贴附在待测关节处。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将所述传感器划分为中间部分和两端的固定端，中间部分分为三层：基层，中间层和上层，所述基层中间设置有第一凹槽，所述中间层覆盖在所述基层上，且其中间与所述第一凹槽相对应的位置设置有第二凹槽，所述上层设置在所述中间层上；

(b)选取所述柔性基体的原材料并将其配置成混合溶液，将该混合溶液倒在模具中，固化后获得所述基层；将成形所述基层的模具开模，在所述基层的第一凹槽的一端布置导线，选取用于成形所述平行极板的液态金属，将所述液态金属喷在所述基层的第一凹槽中，固化后获得带有平行极板的基层；

(c)将步骤(b)中获得的带有平行极板的基层保留在模具中，再次合模，将所述混合溶液浇注进该合模后的模具中，固化后获得所述中间层；在该中间层的第二凹槽中布置导线，并将所述液态金属喷在所述第二凹槽中，在所述基层上形成带有另外一块平行极板的中间层；

(d)将步骤(c)获得的包括基层和中间层的结构保留在模具中，再次合模，将所述混合溶液浇注进该合模后的模具中，固化后在所述中间层上形成上层，由此完成所述中间部分的加工；

(e)将步骤(d)中获得的中间部分置于成形所述固定端的模具中，选取端部的原材料进行浇注，固化后获得所需的传感器。