CN111256887A - 基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统 - Google Patents

基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，属于人机交互领域。该系统包括足底压力测量平台，石墨烯纳米墙触觉传感器，调节气囊，信号采集单元，信号控制和处理单元，显示器单元。信号采集单元通过采集电路对触觉传感器进行行列扫描，采用石墨烯纳米墙柔性触觉传感器，使得传感单元更为灵敏，压力采集密度更高，足底信息更加丰富。采集电路将采集到的足底压力图像传递给信号控制和处理单元，信号控制单元能够对信号进行硬件去噪、放大等稳定信号操作。本发明通过石墨烯纳米墙触觉传感器得到丰富的足底压力数据，通过大量的模型训练恢复用户的正常足底压力分布，实现鞋垫定制的个性化和智能化。

Description

基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统
技术领域
本发明属于人机交互领域，涉及一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统。
背景技术
许多人遭受某种足部问题，一个人每天走大约15000-16000步。足部动作/步态问题反映至脚底、脚踝、膝部、腿部、背部等等；这也是为什么其治疗和预防特别有利于整个人体健康。倘若足部位置是正确的，身体的负荷被均匀分配并且可避免由动作/步态引起的许多问题。
不同的(足弓)支撑鞋垫可用于矫正足部位置。现成的在鞋垫中的支撑通常不提供对任何人足部的完美匹配，因为人们通常不具有相同的足部形状。因此，许多支撑鞋垫由于其糟糕的适合性终究被认为不合适。仅仅少数遭受足部问题的人有机会购买能缓解至少部分问题的鞋垫。传统地，用户定制的鞋和鞋垫由专业的鞋匠、理疗医师或足底医生制作。测量足部和制作鞋垫需要专家或者昂贵的且专门的仪器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，包括足底压力测量平台、石墨烯纳米墙触觉传感、充气气囊、信号采集单元、信号控制和处理单元和显示器单元；
足底压力测量平台包括充排气缓冲层、石墨烯纳米墙传感层和充气气囊调节层；人静止站立在平台上，阵列传感器采集人体对足底压力测量平台的足底压力信息；调用系统模型对压力分布进行评估、图像重建，根据模型结果调节充气气囊的充气量调整人体足底受力分布，使人足底感到站立舒适，从而实现个性化鞋垫定制；
石墨烯纳米墙由二维的石墨烯进行三维堆叠生长形成的具有三维结构的石墨烯材料；石墨烯纳米墙由于其特殊的结构和特殊的力学性能和电学性能，在众多的领域内都有应用；石墨烯纳米墙触觉传感器是将石墨烯纳米墙作为电极材料；
信号采集单元包括石墨烯纳米墙触觉传感器阵列和行列扫描电路；石墨烯纳米墙传感器通过用户对足底压力大小的感知改变其电阻的大小，行列扫描电路通过不断的扫面阵列传感器的每个敏感单元的电阻值采集到初始信息；石墨烯纳米墙传感器包括石墨烯纳米墙和叉指电极，行列扫描电路包括基本的放大电路和数模转换部分；
信号控制与处理单元包括图像恢复重建系统和气囊控制调节系统，采集的用户足底压力信息，在信号处理单元进行图像恢复重建，将恢复重建的正常足底压力图像在显示器中显示，同时在显示器中显示对用户足部的健康评价，用于用户的健康评估；气囊调节系统根据系统的评估信号调节气囊的气量，用户此时感觉到足部压力的变化，调节的实时压力图像在显示器中进行显示；
所述气囊调节系统位于测量平台之中，能够根据系统的重建信号对用户的足底压力分布进行改善，调节充气量直到用户感受到舒适的压力分布；
鞋垫定制系统通过采集人站立在测量区平台上的足底压力图像，系统模型能够对足底压力分布进行再分布，即是调整鞋垫脚形下的气囊，不同的区域充气量不一样，压力分布不一样，实现个性化调节。
可选的，所述触觉传感器的膜层结构至上而下为：PDMS弹性层-共形石墨烯纳米墙薄膜-PDMS介电层-ZnO共形纳米薄膜-PDMS介电层-Ag纳米线底电极；ZnO共性纳米薄膜的引入，表现为压电特性，等效为压力改变电容的介电常数效应。
可选的，所述石墨烯纳米墙是由二维的石墨烯进行三维堆叠生长形成的具有三维结构的石墨烯材料。
可选的，所述石墨烯纳米墙触觉传感器的制备过程利用光刻和湿法刻蚀工艺得到倒金字塔结构的硅片模板；利用PE-CVD在硅片模板表面生长GNWs；在生长了GNWs的硅衬底上旋涂一层PDMS后固化揭下，这样就得到了带有金字塔结构的GNWs/PDMS柔性电极。
可选的，所述石墨烯纳米墙触觉传感器在微观结构上存在一个金字塔结构，传感器在受到压力的时候，金字塔塔尖部分被压缩，增大了与电极的接触部分，传感器内部的电阻发生变化。
可选的，所述石墨烯纳米墙触觉传感器制作方法为：首先，采用在刻有金字塔型凹槽的镍片上生长石墨烯纳米墙，然后滴涂PDMS，固化后获得石墨烯纳米墙共形电极层；其次，在石墨烯纳米墙表面旋涂一层约1微米厚的PDMS介电层；然后，通过真空热蒸镀方法在表面蒸镀一层500nm厚的ZnO共形纳米薄膜；最后，与表面旋涂有PDMS介电层的Ag纳米线底电极面对面组装，并固定，实现器件制备。
本发明的有益效果在于：本发明解决了传统足底压力测量系统敏感性能差，测量范围较小，压力信息不丰富，鞋垫个性化定制困难等缺点，能够实现鞋垫定制个性化和智能化。提供了一种测量方便，体感舒适，易于操作，可接受程度高，不易老化的新型石墨烯纳米墙智能鞋垫定制系统。广泛适用于鞋垫生产、制鞋等行业，同时也使用医院结构评估用户足部健康。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的基于石墨烯纳米墙触觉传感器智能鞋垫定制系统的系统框图；
图2为本发明的基于石墨烯纳米墙触觉传感器智能鞋垫定制系统的系统流程图；
图3为本发明的基于石墨烯纳米墙触觉传感器智能鞋垫定制系统的传感器结构示意图；
图4为本发明的基于石墨烯纳米墙触觉传感器的纳米墙示意图；
图5为本发明的基于石墨烯纳米墙触觉传感器的微结构示意图；
图6为器件的膜层结构及其工作原理示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1～6所示，一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，包括足底压力测量平台，石墨烯纳米墙触觉传感，充气气囊，信号采集单元，信号控制和处理单元，显示器单元；所述数据采集单元包括石墨烯纳米墙柔性电极，所述柔性阵列传感器制作时候采用在刻有金字塔型凹槽的镍片上生长石墨烯碳纳米墙，人站立在测量平台上，测量平台测量足底压力，在开启气囊调节的时候，测量平台时平台的具有硬度的平整表面，在系统评估完图像数据后，调节气囊气量，此时测量平台表面将适应人的足底表面，直到调节出正常的足底压力分布。智能鞋垫定制系统能够感知用户异常的足底压力分布，通过图像恢复重建系统帮助用户恢复出正常的压力分布，其中原始足底压力图像、正常恢复图像和气囊调节参数等作为定制鞋垫的参考数据，本系统设计新颖，测量快速，在鞋、鞋垫定制领域有着广泛应用。
数据采集的主要功能：采集足底的压力分布和气囊调节过程中实时压力分布。该部分的硬件电路包括传感器单元、阵列式数据采集电路、硬件数据处理电路等。
控制处理的主要功能：调用系统模型进行足底健康数据评估和足底压力图像恢复。系统模型是经过大量足底压力图像训练过后的深度学习模型，具有图像重建能力，重建的图像是符合用户足部结构的压力图像。数据评估展示的是压力图像等级分布、足部功能评估、身体指标等健康信息，有助于用户了解自己人体状况。
实时调节的主要功能：根据模型系统的重建恢复信号，根据信号调节气囊的充气量，该系统的气囊分布具有密度大的特点，能够保证足底图像恢复的精度要求。
一种基石墨烯纳米墙触觉传感器的智能鞋垫定制系统，包括足底压力测量平台、石墨烯纳米墙触觉传感器、充气气囊、信号采集单元、信号控制和处理单元。
1、足底压力测量平台包括充排气缓冲层、传感层和气囊调节层。冲排气缓冲层通过静音风机进行充气，并通过上层阵列小孔进行排气。阵列传感器采集人体足底压力信息。通过调整可调节气囊充其量达到调整人体足底不同区域受力的目的。
2、石墨烯纳米墙是由二维的石墨烯进行三维堆叠生长形成的具有三维结构的石墨烯材料。石墨烯纳米墙由于其特殊的结构和特殊的力学性能和电学性能，在众多的领域内都有应用。石墨烯纳米墙触觉传感器是将石墨烯纳米墙作为电极材料，具备良好的导电性和柔软性。
触觉传感器的膜层结构至上而下为：PDMS弹性层(具有金字塔微结构)-共形石墨烯纳米墙薄膜-PDMS介电层-ZnO共形纳米薄膜-PDMS介电层-Ag纳米线底电极。ZnO共性纳米薄膜的引入，表现为压电特性，可等效为压力改变电容的介电常数效应，可进一步提升触觉传感器的灵敏度。
石墨烯纳米墙共形电极的制备方法如下：(1)将刻蚀好的带有倒金字塔结构的硅片模板放入PECVD管式炉中，在其表面方法生长一层石墨烯纳米墙(GNWs)薄膜，薄膜厚度2-3微米为宜。(2)。将PMDS硅橡胶与固化剂按照10:1的质量比混合后，加入4倍质量的正己烷进行稀释，随后将稀释的混合溶液滴涂在GNWs/PDMS电极上进行旋涂，旋涂时匀胶机的转速为4000rpm，烘干后的GNWs/PDMS电极上就覆盖了一层约1微米厚的PDMS薄膜，这样作为绝缘层的PDMS薄膜制作完成，并且PDMS薄膜完全与金字塔微结构共形，不会损失电极表面的微结构。(3)通过真空热蒸镀的方法，在其表面蒸镀一层500nm厚的ZnO共形纳米薄膜，可以进一步提升触觉传感器的灵敏度；(4)与表面旋涂有PDMS介电层的Ag纳米线底电极面对面组装，并固定，实现器件制备。
信号采集单元包括石墨烯纳米墙触觉传感器阵列和行列扫描电路。石墨烯纳米墙传感器通过用户对足底压力大小的感知改变其电阻的大小，行列扫描电路通过不断的扫面阵列传感器的每个敏感单元的电阻值采集到初始信息；石墨烯纳米墙传感器包括石墨烯纳米墙和叉指电极，行列扫描电路包括基本的放大电路和数模转换部分。
信号控制与处理单元包括图像恢复重建系统和气囊控制调节系统，采集的用户足底压力信息，在信号处理单元进行图像恢复重建，将恢复重建的正常足底压力图像在显示器中显示，同时在显示器中显示对用户足部的健康评价，用于用户的健康评估。气囊调节系统根据系统的评估信号调节气囊的气量，用户此时感觉到足部压力的变化，调节的实时压力图像在显示器中进行显示。
石墨烯纳米墙触觉传感器制作时候采用在刻有金字塔型凹槽的镍片上生长石墨烯纳米墙。
足底压力图像恢复重建系统经过大量正常足底压力图像训练得到的模型系统，该模型能够实现对输入的足底压力图像重建恢复出适应该足底生理结构的正常足底压力分布图像。
气囊调节系统位于测量平台之中，能够根据系统的重建信号对用户的足底压力分布进行改善，调节到用户感受舒适的压力分布。
石墨烯纳米墙触觉传感器在微观结构上存在一个金字塔结构，传感器在受到压力的时候，金字塔塔尖部分被压缩，增大了与电极的接触部分，传感器内部的电阻发生变化。该结果使得传感器更加灵敏。
鞋垫定制系统通过采集人站立在测量区平台上的足底压力图像，系统模型能够对足底压力分布进行再分布，即是调整鞋垫脚形下的气囊，不同的区域充气量不一样，压力分布不一样，实现个性化调节。
显示器的功能包括显示健康评估信息、足底压力分布图像、气囊调节可视化等。
智能鞋垫系统实现鞋垫定制的数据包括静止站立的初始图像、恢复重建的图像、气囊调节参数等，综合这些参数实现鞋垫定制。
图1为本发明的基于石墨烯纳米墙触觉传感器智能鞋垫定制系统的示意图：当用户站在测量平台上，数据采集电路扫描每个传感器的压力值，经过硬件去噪等处理，形成稳定的足底压力图像信号。将该信息传递到控制处理单元，调用系统模型，模型能够在较短时间内算出该用户的标准正常足底压力分布，同时在显示器上显示健康信息。系统根据重建信号调节用户脚下的气囊，随着气囊的气量改变，用户可以感受到原来平整的表面开始适应自己的足底表面，该调节过程持续到用户心理感受舒适和系统评估标准合理的时候，综合以上数据，该系统实现鞋垫定制。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，其特征在于：包括足底压力测量平台、石墨烯纳米墙触觉传感、充气气囊、信号采集单元、信号控制和处理单元和显示器单元；
足底压力测量平台包括充排气缓冲层、石墨烯纳米墙传感层和充气气囊调节层；人静止站立在平台上，阵列传感器采集人体对足底压力测量平台的足底压力信息；调用系统模型对压力分布进行评估、图像重建，根据模型结果调节充气气囊的充气量调整人体足底受力分布，使人足底感到站立舒适，从而实现个性化鞋垫定制；
石墨烯纳米墙由二维的石墨烯进行三维堆叠生长形成的具有三维结构的石墨烯材料；石墨烯纳米墙由于其特殊的结构和特殊的力学性能和电学性能，在众多的领域内都有应用；石墨烯纳米墙触觉传感器是将石墨烯纳米墙作为电极材料；
信号采集单元包括石墨烯纳米墙触觉传感器阵列和行列扫描电路；石墨烯纳米墙传感器通过用户对足底压力大小的感知改变其电阻的大小，行列扫描电路通过不断的扫面阵列传感器的每个敏感单元的电阻值采集到初始信息；石墨烯纳米墙传感器包括石墨烯纳米墙和叉指电极，行列扫描电路包括基本的放大电路和数模转换部分；
信号控制与处理单元包括图像恢复重建系统和气囊控制调节系统，采集的用户足底压力信息，在信号处理单元进行图像恢复重建，将恢复重建的正常足底压力图像在显示器中显示，同时在显示器中显示对用户足部的健康评价，用于用户的健康评估；气囊调节系统根据系统的评估信号调节气囊的气量，用户此时感觉到足部压力的变化，调节的实时压力图像在显示器中进行显示；
所述气囊调节系统位于测量平台之中，能够根据系统的重建信号对用户的足底压力分布进行改善，调节充气量直到用户感受到舒适的压力分布；
鞋垫定制系统通过采集人站立在测量区平台上的足底压力图像，系统模型能够对足底压力分布进行再分布，即是调整鞋垫脚形下的气囊，不同的区域充气量不一样，压力分布不一样，实现个性化调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，其特征在于：所述触觉传感器的膜层结构至上而下为：PDMS弹性层-共形石墨烯纳米墙薄膜-PDMS介电层-ZnO共形纳米薄膜-PDMS介电层-Ag纳米线底电极；ZnO共性纳米薄膜的引入，表现为压电特性，等效为压力改变电容的介电常数效应。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，其特征在于：所述石墨烯纳米墙是由二维的石墨烯进行三维堆叠生长形成的具有三维结构的石墨烯材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，其特征在于：所述石墨烯纳米墙触觉传感器的制备过程利用光刻和湿法刻蚀工艺得到倒金字塔结构的硅片模板；利用PE-CVD在硅片模板表面生长GNWs；在生长了GNWs的硅衬底上旋涂一层PDMS后固化揭下，这样就得到了带有金字塔结构的GNWs/PDMS柔性电极。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，其特征在于：所述石墨烯纳米墙触觉传感器在微观结构上存在一个金字塔结构，传感器在受到压力的时候，金字塔塔尖部分被压缩，增大了与电极的接触部分，传感器内部的电阻发生变化。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯纳米墙触觉传感器的足底压力监测系统，其特征在于：所述石墨烯纳米墙触觉传感器制作方法为：首先，采用在刻有金字塔型凹槽的镍片上生长石墨烯纳米墙，然后滴涂PDMS，固化后获得石墨烯纳米墙共形电极层；其次，在石墨烯纳米墙表面旋涂一层约1微米厚的PDMS介电层；然后，通过真空热蒸镀方法在表面蒸镀一层500nm厚的ZnO共形纳米薄膜；最后，与表面旋涂有PDMS介电层的Ag纳米线底电极面对面组装，并固定，实现器件制备。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200609

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