CN112526164A - 基于环形液体芯有机压电材料管的耳石器官实体模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于环形液体芯有机压电材料管的人体耳石器官实体模型，精确模仿人体耳石器官的结构和工作机制。本发明的人体耳石器官实体模型，包括圆盒状刚性壳体(8)，在刚性壳体(8)内设有与刚性壳体(8)圆心重合的圆柱状柔性弹性体(5)，刚性壳体(8)底部与柔性弹性体(5)连接处设有以柔性弹性膜(4)密封的空隙，还包括底座；还包括下端固定在底座(3)底部的阶梯结构弹性杆(2)，阶梯结构弹性杆(3)的上部穿过所述柔性弹性膜(4)密封于柔性弹性体(5)中；还包括环绕在阶梯结构弹性杆(2)下部的环形液体芯有机压电材料管(1)。
Description
技术领域
本发明属于人体器官仿生技术领域，特别是一种基于环形液体芯有机压电材料管的人体耳石器官实体模型。
背景技术
人体前庭系统中的耳石器官，包括椭圆囊和球囊，可以感知人体头部的直线加速度，用于保持身体平衡、维持稳定视觉，是人形重要的感觉器官。由于体积小、结构复杂、隐藏在头骨中，很难通过现有的技术手段，直接测量耳石器官内部的力学响应。而根据真实的人体耳石器官结构，用人工材料(或器件)代替相应的生物组织，设计制备人体耳石器官实体模型，可以较真实地观察和测量出人体耳石器官的工作机制，并进行各种生物体无法开展的物理实验，促进了解相关前庭疾病的病因。
目前，人体耳石器官实体模型的结构如中国发明专利“仿耳石器官结构的直线加速度传感器”(申请号：201610271820.3公开日：2016.08.24)所述，包括刚性壳体、柔性弹性体，固定在刚性壳体底部的多根并联在一起的含金属芯压电纤维，粘接在柔性弹性体顶端的刚性元件，连接刚性元件和外部刚性壳体的弹性元件，将含金属芯压电纤维的对称电极用两根导线引出，两根导线分别连接在电荷放大器输入端的正负极上，将整个装置固定在激振器上，激振器上下振动时，弹性元件伸缩随之带动刚性元件，这时柔性弹性体会发生弹性形变，含金属芯压电纤维也会发生弹性形变，含金属芯压电纤维也会发生弹性形变，包裹在柔性弹性体里的含金属芯压电纤维会得到一个冲击信号，由于压电效应，压电材料上的表面电极有电荷发生，由于电极位置的不同，电极上产生的电荷或电压是不同的。这样我们通过采集电极上的电荷信号，经数据处理分析，即可得其加速度信息。
上述直线加速度传感器的结构和人体的耳石器官结构有很大不同，柔性弹性体直接暴露在空气中。当有直线加速度作用时，依靠柔性弹性体及其上的固体颗粒的惯性，是柔性弹性体发生弯曲变形。而人体耳石器官中的感受器，即囊斑是浸泡在人体内淋巴液中的。头部受到直线加速度作用时，由于惯性力的作用，内淋巴液体向相反方向运动。依靠液体摩擦力的作用，囊斑产生弯曲变形，进而产生传感信号。因此，中国发明专利“仿耳石器官结构的直线加速度传感器”与人体耳石器官的结构不同，感知直线加速度的工作原理完全不同，其生物力学特性也有很大的区别，不能完全模仿人体耳石器官的工作机制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于环形液体芯有机压电材料管的人体耳石器官实体模型，精确模仿人体耳石器官的结构和工作机制。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于环形液体芯有机压电材料管的人体耳石器官实体模型，包括圆盒状刚性壳体8，其上方设有十字交叉的连通管9，所述连通管9各端向下弯曲，与刚性壳体8侧壁密封固连；
在所述刚性壳体8内设有圆柱状柔性弹性体5，所述柔性弹性体5与刚性壳体8圆心重合，下端与刚性壳体8底部固定连接；
所述刚性壳体8底部与柔性弹性体5连接处设有空隙，并以柔性弹性膜4将该空隙密封；
还包括底部及周边封闭、上部开口的底座；
还包括下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆2下端固定在底座3底部，所述阶梯结构弹性杆3的上部穿过所述柔性弹性膜4密封于柔性弹性体5中；
还包括固设于所述刚性底座3盒内底部的环形液体芯有机压电材料管1；
所述环形液体芯有机压电材料管1环绕在阶梯结构弹性杆2下部，其内侧与阶梯结构弹性杆2下部外侧紧配合接触。
所述环形液体芯有机压电材料管1外侧与刚性底座3内侧壁紧配合接触；
所述连通管9与刚性壳体8形成的密闭空间充满液体7。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
能精确模仿人体耳石器官的结构和工作机制：本发明完全模仿人体内耳中耳石器官的结构和功能，能够计算出直线加速度的大小和方向，以用于医学领域，研究人体的耳石器官的功能机制，也可以用于检测人体耳石器官的功能检查。也可以用于机器人领域，感知机器人头部的直线加速度方向和大小，进而保持机器人在运动中的清晰视觉，感知身体的姿态、维持身体平衡。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于环形液体芯有机压电材料管的人体耳石器官实体模型的结构示意图。
图2是图1中底座的俯视图。
图3是图1中环形液体芯有机压电材料管的横剖面图。
图4是图3中环形液体芯有机压电材料管的竖向截面图。
图中，第一至四环形液体芯有机压电材料管11、12、13、14，底座2，阶梯结构弹性杆3，第二环形液体芯有机压电材料管4
图中，11、12、13、14环形液体芯有机压电材料管，2阶梯结构弹性杆，3底座，，柔性弹性膜5，柔性弹性体6，液体7，连接管8，刚性管道9。
底板101，内层导电液体102，柔性有机压电材料壳体103，外层导电液体104，柔性弹性外壳膜105，外层电极引线106，内层电极引线107，弯曲刚性杆108。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明基于环形液体芯有机压电材料管的人体耳石器官实体模型，包括圆盒状刚性壳体8，其上方设有十字交叉的连通管9，所述连通管9各端向下弯曲，与刚性壳体8侧壁密封固连；
在所述刚性壳体8内设有圆柱状柔性弹性体5，所述柔性弹性体5与刚性壳体8圆心重合，下端与刚性壳体8底部固定连接；
所述刚性壳体8底部与柔性弹性体5连接处设有空隙，并以柔性弹性膜4将该空隙密封；
还包括底部及周边封闭、上部开口的底座；
还包括下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆2下端固定在底座3底部，所述阶梯结构弹性杆3的上部穿过所述柔性弹性膜4密封于柔性弹性体5中；
还包括固设于所述刚性底座3盒内底部的环形液体芯有机压电材料管1；
所述环形液体芯有机压电材料管1环绕在阶梯结构弹性杆2下部，其内侧与阶梯结构弹性杆2下部外侧紧配合接触。
所述环形液体芯有机压电材料管1外侧与刚性底座3内侧壁紧配合接触；
所述连通管9与刚性壳体8形成的密闭空间充满液体7。
作为改进，所述柔性弹性体5上表面阵列排布有多个固体颗粒6。
柔性弹性体5表面镶嵌的固体颗粒，由于密度高于柔性弹性体，增加了惯性力的大小，使测量更灵敏。
如图3、4所示，
所述环形液体芯压电材料管1包括环状有机压电材料管102和套装在所述有机压电材料管102外的柔性外壳管101；
所述有机压电材料管102内充满内层导电液体104，所述柔性外壳管101与有机压电材料管102之间充满外层导电液体103；
作为改进，
在所述有机压电材料管102内关于圆环中心对称设有四个内层弹性隔断106，将有机压电材料管102内的内层导电液体104等分为相互电气绝缘的四部分；
在所述柔性外壳管101与有机压电材料管102之间与所述四个内层弹性隔断106相应的位置设有四个外层弹性隔断105，将外层导电液体103等分为相互电气绝缘的四部分。
如图3所示，
还包括一端与内层导电液体104电连接的内层电极引线107、一端与外层导电液体103电连接的外层电极引线108。
优选地，
所述内层导电液体104和外层导电液体102为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
本发明的工作原理详述如下：
第一环形液体芯有机压电材料管1，在制造过程中，经过极化工艺后，在圆柱体压电材料102中，表面覆盖第一表面金属薄层103、横截面为扇形的长条形第一压电材料极化部分105被极化，具有压电效应，极化方向107为沿径向分布。同样，第二压电材料极化部分106也具有压电效应。而在压电材料102中，其余部分没有被极化，不具有压电效应。
当整个装置受到直线加速度作用时，连通管9与刚性壳体8产生直线运动。而液体7具有惯性，向相反方向运动，和柔性弹性体5之间产生摩擦力作用；柔性弹性体5由于自身的惯性，也会向相反方向运动，但速度会慢于液体7的速度。柔性弹性体5表面的固体颗粒6，由于密度较高，增加了柔性弹性体5惯性力的大小；在液体7产生的摩擦力、柔性弹性体5及表面的固体颗粒6自身惯性力共同作用下，柔性弹性体5产生弯曲变形，压迫内部包裹的阶梯结构弹性杆3，使之产生弯曲变形；由于压电效应，受到压迫的所述环形液体芯有机压电材料管将在所述内层导电液体102和外层导电液体104内产生传感电荷，并经过所述外层电极引线106和内层电极引线107传入传感电路中。根据传感电荷的大小可以计算出所述弹性触角2的弯曲变形方向和幅值，进而计算出阶梯结构弹性杆3弯曲变形的方向和大小，进而计算出柔性弹性体5所受到的压力方向和大小，进而可以计算出液体7的惯性力的方向和大小，最后，可以计算出刚性管道9与圆环状连接管8所组成的整体结构受到的角加速度的大小和方向。
具体计算过程：2组环形液体芯有机压电材料管的电极产生电荷——弯曲刚性杆的受力的大小和方向——弹性杆3的弯曲变形的大小和方向——柔性弹性体受到的惯性力的大小和方向——管道所受到的角加速度的大小和方向。
本发明完全模仿人体内耳中耳石器官的结构和功能，能够计算出直线加速度的大小和方向，可以用于医学领域，研究人体耳石器官的功能机制，也可以用于人体耳石器官的功能检查。也可以用于机器人领域，感知机器人头部的直线加速度方向和大小，进而保持机器人在运动中的清晰视觉，感知身体的姿态、维持身体平衡。
Claims (6)
1.一种基于环形液体芯有机压电材料管的人体耳石器官实体模型，其特征在于：
包括圆盒状刚性壳体(8)，其上方设有十字交叉的连通管(9)，所述连通管(9)各端向下弯曲，与刚性壳体(8)侧壁密封固连；
在所述刚性壳体(8)内设有圆柱状柔性弹性体(5)，所述柔性弹性体(5)与刚性壳体(8)圆心重合，下端与刚性壳体(8)底部固定连接；
所述刚性壳体(8)底部与柔性弹性体(5)连接处设有空隙，并以柔性弹性膜(4)将该空隙密封；
还包括底部及周边封闭、上部开口的底座；
还包括下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆(2)，所述阶梯结构弹性杆(2)下端固定在底座(3)底部，所述阶梯结构弹性杆(3)的上部穿过所述柔性弹性膜(4)密封于柔性弹性体(5)中；
还包括固设于所述刚性底座(3)盒内底部的环形液体芯有机压电材料管(1)；
所述环形液体芯有机压电材料管(1)环绕在阶梯结构弹性杆(2)下部，其内侧与阶梯结构弹性杆(2)下部外侧紧配合接触。
所述环形液体芯有机压电材料管(1)外侧与刚性底座(3)内侧壁紧配合接触；
所述连通管(9)与刚性壳体(8)形成的密闭空间充满液体(7)。
2.根据权利要求1所述的人体耳石器官实体模型，其特征在于：
所述柔性弹性体(5)上表面阵列排布有多个固体颗粒(6)。
3.根据权利要求1所述的人体耳石器官实体模型，其特征在于：
所述环形液体芯压电材料管(1)包括环状有机压电材料管(102)和套装在所述有机压电材料管(102)外的柔性外壳管(101)；
所述有机压电材料管(102)内充满内层导电液体(104)，所述柔性外壳管(101)与有机压电材料管(102)之间充满外层导电液体(103)；
4.根据权利要求3所述的人体耳石器官实体模型，其特征在于：
在所述有机压电材料管(102)内关于圆环中心对称设有四个内层弹性隔断(106)，将有机压电材料管(102)内的内层导电液体(104)等分为相互电气绝缘的四部分；
在所述柔性外壳管(101)与有机压电材料管(102)之间与所述四个内层弹性隔断(106)相应的位置设有四个外层弹性隔断(105)，将外层导电液体(103)等分为相互电气绝缘的四部分。
5.根据权利要求3所述的人体耳石器官实体模型，其特征在于：
还包括一端与内层导电液体(104)电连接的内层电极引线(107)、一端与外层导电液体(103)电连接的外层电极引线(108)。
6.根据权利要求3所述的人体耳石器官实体模型，其特征在于：
所述内层导电液体(104)和外层导电液体(102)为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
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