CN112472033A - 多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统和方法，它解决了现有柔性应变传感器对于手指关节角度测量灵敏度、线性度不高和测量角度范围受限的问题，具有通过柔性多层离子皮肤电容变化来获取手指关节角度的有益效果，其方案如下：一种多层离子皮肤手指关节角度测量系统，包括由n层介电弹性体与n+1层离子凝胶电极交替堆叠而成的多层离子皮肤即应变传感单元，可穿戴于手指关节；电容测量装置，用于应变传感单元电容值采集；手指关节角度测量装置，与电容测量装置连接，电容测量装置将采集到的电容值传送到手指关节角度测量装置，手指关节角度测量装置根据电容值得到手指关节的角度。

Description

多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统和方法

技术领域

本发明涉及手指关节运动角度测量技术领域，具体涉及一种多层离子皮肤的手指关节运动角度测量系统和方法。

背景技术

在康复工程和人机工程中，手指运动状态可量化评估是非常重要的。为了对日常的康复运动和机械手关节运动进行有效的可量化评估，简单、便携而不影响关节运动的传感系统是非常必要的。

电子皮肤的发展，为手指运动监测提供了有利的条件。柔软的电子皮肤应变传感器主要包括压电式、压阻式、光纤式、电容式等。大部分的电子皮肤只是简单的展示了手指弯曲时会有电信号的突变，没有定量的给出手指关节角度与输出电信号的关系，不能准确的进行手指关节角度的测量。一些柔性应变传感器虽然研究了手指关节角度变化与电信号的关系，但是由于受到传感材料最大拉伸率的影响，限制了关节角度可测量的范围，并且阈值有待降低，例如压电式和压阻式应变传感器就是如此。此外，也存在传感器与关节贴合度较差、制备工艺复杂的问题，例如柔性光纤式应变传感器。

电容式应变传感器在大拉伸率、柔软度和贴合度方面展现出很好的特性，但其灵敏度、线性度不高，并且缺乏输出力电转换模型(电信号与手指关节弯曲角度的理论模型)，不能满足微操纵抓取机械手和康复训练患者手指关节微小弯曲角度测量的要求。

因此，现有技术中，基于可穿戴的柔性应变传感器对于手指关节角度测量的方法存在灵敏度和线性度不高、测量角度范围受限等问题。

发明内容

为了高灵敏度、优良线性度和大范围测量手指关节运动角度，本发明提出一种由多层介电弹性体和高保水性的离子凝胶电极构成的电容式应变传感单元，简称多层离子皮肤，并基于该多层离子皮肤提出手指关节角度测量系统和方法。该多层离子皮肤手指关节角度测量系统具有灵敏度高、最小测量角度(阈值)微小、可以测量手指关节从展平状态到完全弯曲状态的各个角度等优点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统，包括依次连接的柔性多层离子皮肤、电容测量装置和手指关节角度测量装置；

所述柔性多层离子皮肤即应变传感单元，通过具有粘性的丙烯酸弹性体双面胶，被粘贴于伸直状态的手指关节处；

所述电容测量装置，用于采集柔性多层离子皮肤电容值；

所述手指关节角度测量装置，电容测量装置将采集到的电容数据传送到手指关节角度测量装置，手指关节角度测量装置根据电容值得到手指关节运动角度；

所述手指关节角度测量装置包括电源、力电转换模块、滤波模块、显示面板及存储模块；力电转换模块将电容值根据力电转换标定模型转换为手指关节运动角度值，滤波模块用于消除干扰杂讯，确保输出稳定的手指关节运动角度值，显示面板用于实时显示手指关节运动角度数值，存储模块用于存储手指关节运动角度数值。

进一步地，所述柔性多层离子皮肤包括交替堆叠的n层尺寸相同的介电弹性体与n+1层相同尺寸的离子凝胶电极，即每层介电弹性体2i均被上表面离子凝胶电极2i-1和下表面离子凝胶电极2i+1覆盖，其中，i＝1,2,3,…,n，离子凝胶电极2i-1与离子凝胶电极2i+3的接头相连，离子凝胶电极2i+1与离子凝胶电极2i+5的接头相连，形成n个电容器并联的多层结构；所述多层结构用硅橡胶薄膜封装。

进一步地，柔性多层离子皮肤为柔性三层离子皮肤，相同尺寸的第一层介电弹性体2、第二层介电弹性体4和第三层介电弹性体6与相同尺寸的第一层离子凝胶电极1、第二层离子凝胶电极3、第三层离子凝胶电极5和第四层离子凝胶电极7交替堆叠，第一层离子凝胶电极1的接头与第三层离子凝胶电极5的接头相连，第二层离子凝胶电极3的接头与第四层离子凝胶电极7的接头相连，形成三个电容并联的多层结构。

进一步地，所述柔性多层离子皮肤的离子凝胶电极采用高保水性的氯化锂离子凝胶，最底层介电弹性体上表面的离子凝胶电极和下表面的离子凝胶电极的连接接头作为输出端与电子导体相连，电子导体通过屏蔽线接入电容测量装置。

进一步地，所述电子导体为镍、钛、银或金薄板，屏蔽线焊接于电子导体。

进一步地，所述显示面板包括关节角度视窗、电容视窗和初始化设置视窗，关节角度视窗用于实时显示手指关节运动角度数值和关节弯曲图像，电容视窗用于实时显示柔性多层离子皮肤电容值，初始化设置视窗包括初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ的初始化设置窗口。

所述的多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统的手指关节运动角度测量方法，包括如下步骤：

1)通过具有粘性的丙烯酸弹性体双面胶将柔性多层离子皮肤粘贴于手指关节处；

2)将最底层介电弹性体上表面的离子凝胶电极和下表面的离子凝胶电极的连接接头与电子导体平铺相连，将屏蔽线焊接于电子导体，屏蔽线另一端接入电容测量装置；

3)电容测量装置与手指关节角度测量装置相连，进行初始化设置操作，目的在于获得储存于力电转换模块中的力电转换理论模型的参数，并将参数赋值于力电转换理论模型，参数包括初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ，赋值后的力电转换理论模型即力电转换标定模型，也储存于力电转换模块；

4)初始化设置后，进入手指关节角度测量流程；手指关节弯曲到被测角度，电容测量装置采集电容值；

5)手指关节角度测量装置根据力电转换模块中的力电转换标定模型运算和处理，获得手指关节运动角度数值。

所述步骤3)中的力电转换理论模型即多层离子皮肤的电容值C与手指关节角度θ理论模型为：

其中，C₀为柔性多层离子皮肤未变形时的初始电容值；L₀是离子凝胶电极的初始长度；ξ是常数，表示手指关节弯曲平均曲率，由初始化设置步骤获取。

所述步骤3)中的初始化设置，具体步骤包括：

(1)在初始化设置视窗输入离子凝胶电极的初始长度L₀；

(2)手指关节展平时，从电容视窗读取电容值，并记录，作为初始电容值C₀；

(3)手指关节从展平状态即关节角度180°连续握紧5个半径不同的圆柱体，紧握5个圆柱体时分别对应的手指关节角度为160°、140°、120°、100°、80°；握紧每个圆柱体保持5秒钟，在电容视窗读取对应的电容值，并记录；上述过程重复3次，将180°到80°和其对应电容值组成的18组数据输入曲率ξ的初始化设置窗口，力电转换模块根据力电转换理论模型自动计算出曲率ξ值，最终将初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ的值反馈于力电转换模块中的力电转换理论模型，得到力电转换标定模型，并储存于力电转换模块中。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明测量系统中的多层离子皮肤与压电式、电阻应变式、光纤式应变传感器相比，最大拉伸率更大，拉伸率可达到100％，甚至500％。

2、本发明测量系统中的多层离子皮肤与压电式、压阻式、光纤式应变传感器相比，应变测量线性度更好。

3、本发明测量系统中的多层离子皮肤相较一般电容式应变传感器，应变测量灵敏度更高。

4、本发明多层离子皮肤手指关节角度测量系统，相较压电式、压阻式和光纤式关节角度传感器，角度测量的线性度、灵敏度和阈值更优。

5、本发明多层离子皮肤手指关节角度测量系统的灵敏度相较单介电层离子皮肤手指关节角度传感器提高了n倍。

6、本发明测量系统中的多层离子皮肤采用的材料为高保水性的离子凝胶电极和硅橡胶价格低廉，原材料均为常见材料，并且制备工艺简单、价格低廉。

附图说明

图1是手指关节角度测量系统图。

图2是多层离子皮肤的俯视图。

图3是多层离子皮肤的A-A剖面图。

图4是多层离子皮肤的B-B剖面图。

图5是多层离子皮肤的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的操作说明。

如图1所示，本发明一种多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统，包括：柔性多层离子皮肤即应变传感单元，可通过具有粘性的丙烯酸弹性体双面胶，被粘贴于伸直状态的手指关节处；电容测量装置，与柔性多层离子皮肤相连接，用于采集柔性多层离子皮肤电容值，内部设置有电源；手指关节角度测量装置，与电容测量装置相连接，电容测量装置将采集到的电容数据传送到手指关节角度测量装置，手指关节角度测量装置根据电容值得到手指关节运动角度。

上述测量系统中，柔性多层离子皮肤，由n层尺寸相同的介电弹性体与n+1层相同尺寸的离子凝胶电极交替堆叠而成，即每层介电弹性体2i(i＝1,2,3,…,n)均被上表面离子凝胶电极2i-1和下表面离子凝胶电极2i+1覆盖，离子凝胶电极2i-1与离子凝胶电极2i+3的接头相连，离子凝胶电极2i+1与离子凝胶电极2i+5的接头相连，形成n个电容器并联的多层结构。上述多层堆叠式结构用硅橡胶薄膜封装。

以n＝3为实施例，三层离子皮肤即应变传感单元结构如图2、图3和图4所示，相同尺寸的第一层介电弹性体2、第二层介电弹性体4和第三层介电弹性体6与相同尺寸的第一层离子凝胶电极1、第二层离子凝胶电极3、第三层离子凝胶电极5和第四层离子凝胶电极7交替堆叠，第一层离子凝胶电极1的接头与第三层离子凝胶电极5的接头相连，第二层离子凝胶电极3的接头与第四层离子凝胶电极7的接头相连，形成三个电容并联的多层结构。

上述测量系统中，多层离子皮肤应变工作原理为：

a)柔性多层离子皮肤进行应变传感时，其离子凝胶电极通过电子导体与电容测量装置相连接，形成混合离子-电子电路。由于低电压施加于两个电子导体之间，所以没有电化学反应发生，没有电子和离子穿过电子导体和离子凝胶电极交界面，在该交界面处形成了双电层C_EDL，双电层类似于平行板电容器。它与n个并联的覆着离子凝胶电极的介电弹性体电容器

形成了串联关系。图5为等效电路图。因此，两个电子导体之间的电容值，即被测电容值可以采用如下表达：

b)由于n个介电弹性体电容器的尺寸和材料相同，各个介电弹性体电容器的电容值也相同，令其为C_ds，得到通过电容测量装置测量的多层离子皮肤电容值可以表达为

c)由于电子导体与离子凝胶电极相连接的缝隙为纳米级别，即双电层离子电荷与电子电荷之间的距离为纳米级别，远远小于被介电弹性体分开的两离子凝胶电极之间的距离(>10μm)。所以，单个介电弹性体电容器的电容值C_ds远远小于双电层的电容值C_EDL，即C_EDL/C_ds≥10⁴。因此，测量的多层离子皮肤电容值为

C≈nC_ds

d)当多层离子皮肤被单轴拉伸时，将介电弹性体看作各向同性不可压缩超弹性材料，假设介电弹性体的体积和相对介电常数不变，各个介电弹性体电容器粘为一体，被同时拉伸，各层名义应变相同。多层离子皮肤电容值与名义应变ε_d关系近似可以表达为

C＝nC_0ds(ε_d+1)＝C₀(ε_d+1)

其中，C_0ds为单个介电弹性体电容器的初始电容值。可以看出多层离子皮肤相对于尺寸相同的单介电层离子皮肤(n＝1)，灵敏度增大了n倍。

上述测量系统中，柔性多层离子皮肤的离子凝胶电极优选高保水性的氯化锂离子凝胶。第一层离子凝胶电极1和第二层离子凝胶电极3的接头作为输出端与电子导体平铺相连，电子导体通过屏蔽线接入电容测量装置。电子导体为镍、钛、银或金薄板，屏蔽线焊接于电子导体。

上述测量系统中，手指关节角度测量装置，内部设置有电源、力电转换模块、滤波模块、显示面板及存储模块。力电转换模块将电容值根据力电转换标定模型转换为手指关节运动角度值，滤波模块用于消除干扰杂讯，确保输出稳定的手指关节运动角度值，显示面板用于实时显示关节角度数值，存储模块用于存储关节角度数值。工作时可将手指关节角度测量装置连接于计算机或手机，也可单独使用。

上述测量系统中，显示面板除了关节角度视窗，还包括电容视窗和初始化设置视窗。电容视窗可实时显示多层离子皮肤电容值。关节角度视窗用于实时显示手指关节运动角度数值和关节弯曲图像，电容视窗用于实时显示柔性多层离子皮肤电容值，初始化设置视窗包括初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ的初始化设置窗口，用于相应参数的输入。

基于多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统的手指关节运动角度测量方法，包括如下步骤：

1)通过具有粘性的丙烯酸弹性体双面胶将柔性多层离子皮肤粘贴于手指关节处，柔性多层离子皮肤长度方向完全覆盖手指关节；

2)多层离子皮肤的离子凝胶电极具有粘性，将第一层离子凝胶电极1和第二层离子凝胶电极3的接头与电子导体(金属薄板)平铺相连，将屏蔽线焊接于电子导体，屏蔽线另一端接入电容测量装置；

3)电容测量装置与手指关节角度测量装置相连，进行初始化设置操作，目的在于获得储存于力电转换模块中的力电转换理论模型的参数，并将参数赋值于力电转换理论模型，参数包括初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ，赋值后的力电转换理论模型即力电转换标定模型，也储存于力电转换模块；

4)初始化设置后，进入手指关节角度测量流程；手指关节弯曲到被测角度，电容测量装置采集电容值，电容值采集频率不大于3Hz；

5)手指关节角度测量装置根据力电转换模块中的力电转换标定模型运算和处理，获得手指关节角度数值，显示于显示面板，并储存于储存器。

步骤3)中的力电转换理论模型，包括：

(1)手指关节弯曲时，多层离子皮肤的名义应变ε_d与手指关节角度θ几何模型为

θ＝π-ξL₀ε_d

其中，L₀是离子凝胶电极的初始长度；ξ是常数，表示手指关节弯曲平均曲率，由初始化设置步骤获取。

(2)多层离子皮肤的电容C与手指关节角度θ理论模型(力电转换理论模型)为

(3)多层离子皮肤的输出C与输入θ的关系为

该多层离子皮肤的电容值与手指关节角度具有良好的线性关系，并且其灵敏度为-nC_0ds/(ξL₀)。多层离子皮肤的灵敏度相较单介电层离子皮肤对于手指关节角度测量灵敏度提高了n倍。

步骤3)中的初始化设置如下：

(1)在初始化设置视窗的离子凝胶电极初始长度L₀窗口输入对应型号离子凝胶电极的长度；

(2)手指关节展平时，从电容视窗读取电容值，并记录，作为初始电容值C₀；

(3)手指关节从展平状态(关节角度180°)连续握紧5个半径不同的圆柱体，5个圆柱体的半径尺寸设计合理，紧握5个圆柱体时分别对应的手指关节角度为160°、140°、120°、100°、80°。握紧每个圆柱体保持5秒钟，在电容视窗读取对应的电容值，并记录。上述过程重复3次，将180°到80°和其对应电容值组成的18组数据(6组*3次)输入曲率ξ的初始化设置窗口，力电转换模块根据力电转换理论模型自动计算出曲率ξ的值，最终将初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ的值反馈于力电转换模块中的力电转换理论模型，得到力电转换标定模型，并储存于力电转换模块中。

(4)以n＝3为实施例，多层离子皮肤粘贴于成年男子食指近端指间关节处。离子凝胶电极的长度为2cm，宽度为0.5cm，介电层的厚度为0.032mm，初始电容值C₀＝249.89pF。多层离子皮肤电容值(输出)与手指关节角度(输入)的关系，通过初始化设置步骤，得出

ξ值为99.6。最终力电转换标定模型为

以上实施例(n＝3)仅对本发明的优选实施例，并不用于限制本发明,本发明的n值(介电弹性体层数)可以为各种自然数(n≠0)。

Claims (8)

1.一种多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统，其特征在于，包括依次连接的柔性多层离子皮肤、电容测量装置和手指关节角度测量装置；

所述柔性多层离子皮肤即应变传感单元，通过具有粘性的丙烯酸弹性体双面胶，被粘贴于伸直状态的手指关节处；

所述电容测量装置，用于采集柔性多层离子皮肤电容值；

所述手指关节角度测量装置，电容测量装置将采集到的电容数据传送到手指关节角度测量装置，手指关节角度测量装置根据电容值得到手指关节运动角度；

所述手指关节角度测量装置包括电源、力电转换模块、滤波模块、显示面板及存储模块；力电转换模块将电容值根据力电转换标定模型转换为手指关节运动角度值，滤波模块用于消除干扰杂讯，确保输出稳定的手指关节运动角度值，显示面板用于实时显示手指关节运动角度数值，存储模块用于存储手指关节运动角度数值。

2.根据权利要求1所述的多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统，其特征在于，所述柔性多层离子皮肤包括交替堆叠的n层尺寸相同的介电弹性体与n+1层相同尺寸的离子凝胶电极，即每层介电弹性体2i均被上表面离子凝胶电极2i-1和下表面离子凝胶电极2i+1覆盖，其中，i＝1,2,3,…,n，离子凝胶电极2i-1与离子凝胶电极2i+3的接头相连，离子凝胶电极2i+1与离子凝胶电极2i+5的接头相连，形成n个电容器并联的多层结构；所述多层结构用硅橡胶薄膜封装。

3.根据权利要求2所述的多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统，其特征在于，柔性多层离子皮肤为柔性三层离子皮肤，相同尺寸的第一层介电弹性体2、第二层介电弹性体4和第三层介电弹性体6与相同尺寸的第一层离子凝胶电极1、第二层离子凝胶电极3、第三层离子凝胶电极5和第四层离子凝胶电极7交替堆叠，第一层离子凝胶电极1的接头与第三层离子凝胶电极5的接头相连，第二层离子凝胶电极3的接头与第四层离子凝胶电极7的接头相连，形成三个电容并联的多层结构。

4.根据权利要求2所述的多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统，其特征在于，所述柔性多层离子皮肤的离子凝胶电极采用高保水性的氯化锂离子凝胶，最底层介电弹性体上表面的离子凝胶电极和下表面的离子凝胶电极的连接接头作为输出端与电子导体相连，电子导体通过屏蔽线接入电容测量装置。

5.根据权利要求4所述的多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统，其特征在于，所述电子导体为镍、钛、银或金薄板，屏蔽线焊接于电子导体。

6.根据权利要求1所述的多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统，其特征在于，所述显示面板包括关节角度视窗、电容视窗和初始化设置视窗，关节角度视窗用于实时显示手指关节运动角度数值和关节弯曲图像，电容视窗用于实时显示柔性多层离子皮肤电容值，初始化设置视窗包括初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ的初始化设置窗口。

7.根据权利要求1-7任一项所述的多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统的手指关节运动角度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过具有粘性的丙烯酸弹性体双面胶将柔性多层离子皮肤粘贴于手指关节处；

2)将最底层介电弹性体上表面的离子凝胶电极和下表面的离子凝胶电极的连接接头与电子导体平铺相连，将屏蔽线焊接于电子导体，屏蔽线另一端接入电容测量装置；

3)电容测量装置与手指关节角度测量装置相连，进行初始化设置操作，目的在于获得储存于力电转换模块中的力电转换理论模型的参数，并将参数赋值于力电转换理论模型，参数包括初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ，赋值后的力电转换理论模型即力电转换标定模型，也储存于力电转换模块；

4)初始化设置后，进入手指关节角度测量流程；手指关节弯曲到被测角度，电容测量装置采集电容值；

5)手指关节角度测量装置根据力电转换模块中的力电转换标定模型运算和处理，获得手指关节运动角度数值。

所述步骤3)中的力电转换理论模型即多层离子皮肤的电容值C与手指关节角度θ理论模型为：

其中，C₀为柔性多层离子皮肤未变形时的初始电容值；L₀是离子凝胶电极的初始长度；ξ是常数，表示手指关节弯曲平均曲率，由初始化设置步骤获取。

8.根据权利要求7所述的手指关节运动角度测量方法，其特征在于，所述步骤3)中的初始化设置，具体步骤包括：

(1)在初始化设置视窗输入离子凝胶电极的初始长度L₀；

(2)手指关节展平时，从电容视窗读取电容值，并记录，作为初始电容值C₀；

(3)手指关节从展平状态即关节角度180°连续握紧5个半径不同的圆柱体，紧握5个圆柱体时分别对应的手指关节角度为160°、140°、120°、100°、80°；握紧每个圆柱体保持5秒钟，在电容视窗读取对应的电容值，并记录；上述过程重复3次，将180°到80°和其对应电容值组成的18组数据输入曲率ξ的初始化设置窗口，力电转换模块根据力电转换理论模型自动计算出曲率ξ值，最终将初始电容值C₀、离子凝胶电极初始长度L₀和曲率ξ的值反馈于力电转换模块中的力电转换理论模型，得到力电转换标定模型，并储存于力电转换模块中。

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