CN112526167A - 基于表面对称电极压电材料杆的人体耳石器官实体模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于表面对称电极压电材料杆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)和连通管(9)，其间充满液体(7)；刚性壳体(8)内设有圆柱状柔性弹性体(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(2)及固定于底座(2)底部的表面对称电极压电材料杆(11、12、13、14)和下部与表面对称电极压电材料杆(11、12、13、14)接触的阶梯结构弹性杆(3)，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。
Description
技术领域
本发明属于人体器官仿生技术领域，特别是一种基于表面对称电极压电材料杆的人 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表面对称电极压电材料杆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：
一种基于表面对称电极压电材料杆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2及固定于所述底座2底部的第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14；
还包括下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆3，所述阶梯结构弹性杆3下端固定在底座2底部，所述第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14周向均匀 环绕于阶梯结构弹性杆3，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；
所述第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14分别与所述弹性杆3的一侧接触；
所述底座2上端与刚性管道9底部固定连接，并使第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14中相间的两两下端连线与对应的连通管9轴线平行；
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是本发明基于表面对称电极压电材料杆的人体耳石器官实体模型的结构示意图。
图2是本发明基于表面对称电极压电材料杆的人体耳石器官实体模型的俯视图。
图3是图1中底座的俯视图。
图4是图1中表面对称电极压电材料杆的横剖面图。
图5是图1中表面对称电极压电材料杆的纵剖面图。
图中，第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14，底座2，阶梯结构弹性 杆3，第二表面对称电极压电材料杆4，柔性弹性膜5，柔性弹性体6，液体7，连接管 8，刚性管道9，
弯曲刚性金属芯101，压电材料102，第一表面金属薄层103，第二表面金属薄层104， 第一压电材料极化部分105，第二压电材料极化部分106，极化方向107。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明基于表面对称电极压电材料杆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2及固定于所述底座2底部的第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14；
还包括下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆3，所述阶梯结构弹性杆3下端固定在底座2底部，所述第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14周向均匀 环绕于阶梯结构弹性杆3，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；
所述第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14分别与所述弹性杆3的一侧接触；如图3所示。
所述底座2上端与刚性管道9底部固定连接，并使第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14中相间的两两下端连线与对应的连通管9轴线平行；
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4、5所示，
所述第一表面对称电极压电材料杆11包括弯曲刚性金属芯101和上端与所述弯曲刚 性金属芯101下端固定连接的圆柱状压电材料102，还包括紧贴于压电材料102一侧的第一表面金属薄层103和相对另一侧的第二表面金属薄层104；
所述弯曲刚性金属芯101的上端与弹性杆3一侧接触。
优选地，所述第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14形状、结构相同， 关于弹性杆3对称设置。
一方面便于制造、加工，另一方面各向一致便于加速度计算。
第一至四表面对称电极压电材料杆(11、12、13、14)，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。
本发明的工作原理详述如下：
第一表面对称电极压电材料杆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；阶梯结构弹性杆3压 迫相应侧的第一至四表面对称电极压电材料杆11、12、13、14中的一个或2个的弯曲 金属芯101，使对应的表面对称电极含金属芯压电材料杆1产生弯曲变形。由于表面对 称电极含金属芯压电材料杆1在结构上完全对称，在产生弯曲变形时，第一压电材料极 化部分105产生伸长变形，在第一表面金属薄层103上产生正电荷。而第二压电材料极 化部分106产生收缩变形，在第二表面金属薄层104上产生同样大小的负电荷。根据第 一表面金属薄层103和第二表面金属薄层104上产生电荷的极性和大小，可以计算出表 面对称电极含金属芯压电材料杆1的弯曲变形方向和大小，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个表面对称电极含金属芯压电材料杆产生电荷的大小——弯曲刚 性杆的受力的大小和方向——弹性杆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。
具体计算过程：4个液体芯有机压电材料球体产生电荷的大小————弹性杆的弯 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——整个装置受到的直线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 (4)
1.一种基于表面对称电极压电材料杆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(2)及固定于所述底座(2)底部的第一至四表面对称电极压电材料杆(11、12、13、14)；
还包括下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆(3)，所述阶梯结构弹性杆(3)下端固定在底座(2)底部，所述第一至四表面对称电极压电材料杆(11、12、13、14)周向均匀环绕于阶梯结构弹性杆(3)，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；
所述第一至四表面对称电极压电材料杆(11、12、13、14)分别与所述弹性杆(3)的一侧接触；
所述底座(2)上端与刚性管道(9)底部固定连接，并使第一至四表面对称电极压电材料杆(11、12、13、14)中相间的两两下端连线与对应的连通管(9)轴线平行；
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：
所述第一表面对称电极压电材料杆(11)包括弯曲刚性金属芯(101)和上端与所述弯曲刚性金属芯(101)下端固定连接的圆柱状压电材料(102)，还包括紧贴于压电材料(102)一侧的第一表面金属薄层(103)和相对另一侧的第二表面金属薄层(104)；
所述弯曲刚性金属芯(101)的上端与弹性杆(3)一侧接触。
4.根据权利要求3所述的人体半规管实体模型，其特征在于：
所述第一至四表面对称电极压电材料杆(11、12、13、14)形状、结构相同，关于弹性杆(3)对称设置。
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