CN112526165A - 基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型，能够准确测量角加速度。本发明的人体半规管实体模型，包括一个水平放置的筒状刚性管道(4)和从刚性管道(4)上方越过、与刚性管道(4)两端密闭连接的圆环状连接管(5)，在刚性管道(4)与圆环状连接管(5)构成的密闭空间内充满液体(3)；还包括周边与刚性管道(4)内壁密闭固定连接的柔性弹性体(2)，柔性弹性体(2)将刚性管道(4)纵向分隔成互不相通的两部分；在柔性弹性体(2)内设有与所述刚性管道(4)轴线垂直的至少一柱状液体芯有机压电材料纤维(1)；液体芯有机压电材料纤维(1)两端分别与刚性管道(4)管壁内侧固定连接。
Description
技术领域
本发明属于人体前庭系统实体模型技术领域，特别是一种基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型。
背景技术
人体前庭系统中的半规管，可以感知人体头部的角加速度，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，直接测量半规管内部的力学响应。而根据真实的人体半规管结构，用人工材料(或器件)代替相应的生物组织，设计制备人体半规管实体模型，可以较真实地观察和测量出人体半规管的工作机制，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，人体半规管实体模型的结构如中国发明专利“人工纤毛的仿耳蜗半规管旋转加速度传感器”(申请号：201510750074.1公开日：2016.03.09)所述，包括一根以上中空的完全管道，该管道两端和一个密封的容器相连通，管道和容器内充满绝缘液，每根管道内部的壶腹嵴上设置一个以上凸起的纤维装置。
上述旋转加速度传感器由于采用含金属芯压电纤维传感元件，其中金属芯的弹性模量较高，和人体半规管中的纤毛感觉细胞中的弹性模量有着很大的不同，也导致其生物力学特性和人体半规管有这很大的区别；且其管道中的塑形材料没有完全分隔管道，旋转时管道内的液体可以流经塑形材料表面，在管道内形成环流，这和人体半规管中壶腹嵴完全分隔开管道的结构有着本质的区别，内部流体流动方式也完全不同，其生物力学特性也有很大的区别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型，能够有效区分角加速度和直线加速度，准确测量角加速度
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型，包括一个筒状刚性管道4和与所述刚性管道4两端密闭连接的圆环状连接管5，所述刚性管道4水平放置，所述圆环状连接管5从刚性管道4上方越过；
在所述刚性管道4与圆环状连接管5构成的密闭空间内充满液体3；
还包括置于所述刚性管道4中部的柔性弹性体2，所述柔性弹性体2周边与刚性管道4内壁密闭固定连接，将刚性管道4纵向分隔成互不相通的两部分；
在所述柔性弹性体2内设有与所述刚性管道4轴线垂直的至少一柱状液体芯有机压电材料纤维1；
所述液体芯有机压电材料纤维1两端分别与刚性管道4管壁内侧固定连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
角加速度测量准确：本发明在结构上模仿人体头部前庭系统中用于测量角加速度的半规管结构，具有和人体半规管相似的传感功能，利用与人体半规管完全相同的工作原理，能够有效区分角加速度和直线加速度，避免出现角加速度与直线加速度的耦合，从而可以准确测定角加速度。非常适合于用作人形机器人头部的角加速度。
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是本发明基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型的竖向剖面图。
图2是图1中底部局部放大图。
图3是图1的A-A向剖面图。
图4是图1中液体芯有机压电材料纤维的横截面图。
图5是图1中液体芯有机压电材料纤维的纵剖面图。
图6是本发明基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型的另一种实施例的外形结构示意图。
图中，柱状液体芯有机压电材料纤维1，柔性弹性体2，液体3，刚性管道4，连接管5，
柔性外圆筒101，外层导电液体102，机压电材料内圆筒103，内层导电液体104，纤维顶板105，纤维底板106，内层电极引线107，外层电极引线108。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型，包括一个筒状刚性管道4和与所述刚性管道4两端密闭连接的圆环状连接管5，所述刚性管道4水平放置，所述圆环状连接管5从刚性管道4上方越过；在所述刚性管道4与圆环状连接管5构成的密闭空间内充满液体3；还包括置于所述刚性管道4中部的柔性弹性体2，所述柔性弹性体2周边与刚性管道4内壁密闭固定连接，将刚性管道4纵向分隔成互不相通的两部分；在所述柔性弹性体2内设有与所述刚性管道4轴线垂直的至少一柱状液体芯有机压电材料纤维1；所述液体芯有机压电材料纤维1两端分别与刚性管道4管壁内侧固定连接。
如图2、3所示，优选地，所述液体芯有机压电材料纤维1竖向放置，其上下两端分别与刚性管道4顶部内壁和底部内壁固定连接。
圆柱形液体芯有机压电材料纤维两端固定粘接在管道膨胀部分内壁上，上下管壁，外面包裹有柔性弹性体。柔性弹性体四周固定在管道内壁的凹槽中，将管道完全分隔开来。
另一种优选方案，所述液体芯有机压电材料纤维1水平放置，其左右两端分别与刚性管道4左右两侧内壁固定连接。
刚性管道4例如可以是圆筒形，如图6所示也可以是内径局部扩大的筒形，如图1所示。
连接管5管径可以远小于刚性管道4的管径，只需要保证位于柔性弹性体2两侧的液体3顺畅连通即可。连接管5最好也是刚性管。
如图4所示，所述液体芯有机压电材料纤维1包括有机压电材料内圆筒103、柔性外圆筒101；
所述有机压电材料内圆筒103与柔性外圆筒101之间充满外层导电液体102，所述有机压电材料内圆筒103内充满内层导电液体104。
如图5所示，所述有机压电材料内圆筒103与柔性外圆筒101上端与纤维顶板105密闭固定连接，有机压电材料内圆筒103与柔性外圆筒101下端与纤维底板106密闭固定连接。
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102电连接的外层电极引线108。
优选地，所述外层导电液体102和内层导电液体104为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
本发明基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型的工作原理如下：
当液体芯有机压电材料纤维1两端固定时，纤维产生弯曲变形时，有机压电材料层受到拉伸作用，由于压电效应，在内外导电液体中产生电荷。由电荷的大小，可以感知纤维的变形情况，即纤维表面压力的大小。
如图1所示，刚性管道4和圆环状连接管5内充满液体。当整个管道受到角加速度作用时，管道产生运动。液体由于惯性，向与管道运动相反的方向运动，对柔性弹性体产生压力，使柔性弹性体产生变形，带动液体芯纤维产生伸长变形，从而在纤维内外导电液体中产生电荷。根据液体芯有机压电材料纤维1内外导电液体中电荷的大小，就可以计算出管道所受到的角加速度大小。
本发明在结构上模仿人体头部前庭系统中测量角加速度的半规管的结构，采用3D打印技术打印传感器外壳，并用液体芯有机压电材料纤维代替人体半规管中的纤毛感受器，用液体材料代替人体半规管中的内淋巴液，具有仿生结构；在工作原理上，当传感器产生旋转运动时，内部液体压迫液体芯有机压电材料纤维，产生传感信号，和人体半规管的感知原理完全相同；在功能上，这种传感器不能感知直线加速度，不会产生直线加速度与角加速度的耦合问题。从而能够有效区分角加速度和直线加速度，准确测量角加速度。
因此，本发明在结构、工作原理、功能等发明和人体用于测量角加速度的半规管完全类似，非常适用于感知人形机器人头部的角加速度，以感知机器人的空间姿态、维持身体平衡和稳定的视觉。
Claims (7)
1.一种基于液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型，其特征在于：
包括一个筒状刚性管道(4)和与所述刚性管道(4)两端密闭连接的圆环状连接管(5)，所述刚性管道(4)水平放置，所述圆环状连接管(5)从刚性管道(4)上方越过；
在所述刚性管道(4)与圆环状连接管(5)构成的密闭空间内充满液体(3)；
还包括置于所述刚性管道(4)中部的柔性弹性体(2)，所述柔性弹性体(2)周边与刚性管道(4)内壁密闭固定连接，将刚性管道(4)纵向分隔成互不相通的两部分；
在所述柔性弹性体(2)内设有与所述刚性管道(4)轴线垂直的至少一柱状液体芯有机压电材料纤维(1)；
所述液体芯有机压电材料纤维(1)两端分别与刚性管道(4)管壁内侧固定连接。
2.根据权利要求1所述的人体半规管实体模型，其特征在于：
所述液体芯有机压电材料纤维(1)竖向放置，其上下两端分别与刚性管道(4)顶部内壁和底部内壁固定连接。
3.根据权利要求1所述的人体半规管实体模型，其特征在于：
所述液体芯有机压电材料纤维(1)水平放置，其左右两端分别与刚性管道(4)左右两侧内壁固定连接。
4.根据权利要求1至3之一所述的人体半规管实体模型，其特征在于：
所述液体芯有机压电材料纤维(1)包括有机压电材料内圆筒(103)、柔性外圆筒(101)；
所述有机压电材料内圆筒(103)与柔性外圆筒(101)之间充满外层导电液体(102)，所述有机压电材料内圆筒(103)内充满内层导电液体(104)。
5.根据权利要求4所述的人体半规管实体模型，其特征在于：
所述有机压电材料内圆筒(103)与柔性外圆筒(101)上端与纤维顶板(105)密闭固定连接，有机压电材料内圆筒(103)与柔性外圆筒(101)下端与纤维底板(106)密闭固定连接。
6.根据权利要求4所述的人体半规管实体模型，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(102)电连接的外层电极引线(108)。
7.根据权利要求4所述的人体半规管实体模型，其特征在于：
所述外层导电液体(102)和内层导电液体(104)为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
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