CN113295307A - 一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，所述传感阵列包括构建于基底处的多个柔性传感器电路模块，还包括固定于柔性传感器电路模块处的多个电阻型传感单元模块；各电阻型传感单元模块接触身体不同部位以进行多位置承压检测，其压力敏感范围与所接触身体部位的承压范围对应；本发明通过分离式传感单元与传感电路的组合，能制备适用于身体不同部位压力监测的柔性力触觉传感阵列。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列。
背景技术
柔性传感技术是当今社会技术持续发展的重要推手，随着社会科学的发展，面对越来越多的特殊信号和特殊环境，对各种传感提出更高的要求，同时希望传感器还能够具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势特点的柔性触觉传感器在此基础上应运而生。依照信号检测原理，柔性触觉传感器可分为压阻式、电容式、压电式柔性触觉传感器。压阻式柔性触觉传感器基于压阻效应，传感器在外力作用下活性材料会变形，并间接改变内部导电材料的分布和接触状态，从而导致活性材料的电阻有规律变化。与电容式和压电式压力传感器相比，它们不需要复杂的传感器结构，且功耗较低，制造过程简单，所以应用范围十分广泛。它们可用于医学检查、密封检查、体育锻炼等。市场上已经有一些商业化的产品用于身体压力检测，它可以通过电阻变化来监测足部压力，以检测步态异常行为。
随着现代医疗、工业的急速发展，身体压力信号成为指导医生治疗、器件设计的重要指标。例如现在已提出利用手部压力检测测试脑卒中患者的病情进展、利用足底压力表征脑损伤患者的步态信息及平衡情况等。而在工业上，背部压力分布是汽车座椅设计的重要参数。
基于身体构造的独特性，现有的针对身体压力检测的电阻型柔性触觉传感器还处在模块化的程度。不同部位压力数值及压力分布情况差异明显。现有的电阻型柔性触觉传感器集成度较高，且检测只能针对某一压力范围的压力信号，检测位置固定。综上，市场上还未出现传感单元和传感电路分离式的，可检测不同压力范围、不同压力分布的电阻型柔性触觉传感器，本发明所述方案可用于解决上述问题。
发明内容
本发明提出一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，通过分离式传感单元与传感电路的组合，能制备适用于身体不同部位压力监测的柔性力触觉传感阵列。
本发明采用以下技术方案。
一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，所述传感阵列包括构建于基底处的多个柔性传感器电路模块，还包括固定于柔性传感器电路模块处的多个电阻型传感单元模块；各电阻型传感单元模块接触身体不同部位以进行多位置承压检测，其压力敏感范围与所接触身体部位的承压范围对应。
所述传感阵列以穿戴方式固定于使用者身体处，其制备方法包括以下步骤；
步骤S1、以柔性聚合物薄膜为柔性力触觉传感阵列基底，导电银浆为电极材料，构建柔性传感器电路模块；
步骤S2、利用无机纳米导电材料和有机硅弹性树脂按所需比例混合，调控固化时间，构建出对不同压力敏感范围的电阻型传感单元模块；
步骤S3、选择传感单元模块，并使用导电胶将其布置于对应压力分布位置的传感器电路模块上，构成柔性力触觉传感阵列；
步骤S4、把组装完成的柔性力触觉传感阵列穿戴于使用者身体处采集被检测部位的承压信息。
在步骤S4中，所述传感阵列的使用方法为：使用者身体保持自然放松状态，把组装完成的柔性力触觉传感阵列穿戴并固定于需要检测身体承压信息的部位；单片机通过导线与各电阻型传感单元模块相连并采集其受到的压力信息，并以串口通讯方式把采集的压力信息传输至控制台；控制台分析收到的压力信息，按其包含的压力分布数据对数据进行可视化处理，得到使用者被检测身体部位的承压数值及位置分布信息。
所述步骤S1的方法具体为：选取所需面积的柔性聚合物薄膜材料作为柔性传感电路的基底层，于柔性聚合物薄膜基底之上设计阵列式电路，以银浆作为电极材料，通过喷墨打印的方式，按照设计的电路形式，打印出以柔性聚合物薄膜为基底，导电银浆为电极材料的柔性传感器电路模块。
所述步骤S2中构建不同压力敏感范围的电阻型传感单元模块，其方法具体为：选取不同比例的无机纳米导电材料与有机硅弹性树脂均匀混合，并采用不同的固化时间来制备传感单元的单元样本，之后测试不同制备条件下所得的传感单元样本的机械-电学特性，所述机械-电学特性包括弹性模量、导电性、循环稳定性，以确定不同制备条件下传感单元的压力敏感范围，并按此压力敏感范围来制备机械-电学性能不同的电阻型柔性传感单元模块。
所述步骤S3中，使用者在进行承压检测前，先粗测其预采集身体部位的承压范围及分布，确定所检测位置的压力数值和压力分布范围，之后选取对检测位置压力范围敏感的电阻型传感单元模块，用导电胶将其固化于基底处，且与粗测所得压力分布位置的传感器电路模块相连，制备完成检测该位置的柔性力触觉传感阵列。
所述基底以柔性聚合物薄膜成型；所述电阻型传感单元模块的电极以导电银浆为电极材料制备；所述电阻型传感单元模块通过把无机纳米导电材料和有机硅弹性树脂按所需比例混合并固化所需时长来制备；电阻型传感单元模块的压力敏感范围通过调节混合比例或固化时长来调节。
所述柔性聚合物薄膜的材质为PET、PI、TPU、PE、PP或PDMS；所述无机纳米导电材料为CNT、CNF、rGO或 Ag NWs；所述有机硅弹性树脂为PDMS、硅橡胶或ecoflex。
所述电阻型传感单元模块为具有弹性的球状体或类球状体，其一侧固定于柔性传感器电路模块的电极处，另一侧与使用者身体接触。
本发明具有如下优点：
本发明提出的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，利用柔性聚合物薄膜为基底，导电银浆为电极材料构件传感电路模块。利用无机纳米导电材料和有机硅弹性树脂按一定比例混合，改变固化时间得到压力敏感范围不同的传感单元模块。通过分离式传感单元与传感电路的组合，能精准制备适用于身体不同部位压力监测的柔性力触觉传感阵列。
使用本发明提出的柔性力触觉传感阵列，可以实现对身体不同位置压力数值的有效检测。相较于传统的柔性力触觉传感阵列检测位置固定及压力检测范围狭窄的问题，本发明提出传感电路与传感单元的分离式设计，大大提高了检测精度、检测范围和制备成本。
本发明提出的柔性力触觉传感阵列原理简单，使用方便，安全性高，实时性好，精度高，适用范围广。
本发明中，通过控制台实时对压力数据可视化处理，使用方便，原理简单，大大提高了压力检测的精度和效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的柔性传感器电路模块的示意图；
附图2是电阻型传感单元模块的示意图；
附图3是柔性力触觉传感阵列与控制台连接时的示意图；
图中：1-基底；2-电极；3-电阻型传感单元模块；28-导线；29-单片机；30-控制台。
具体实施方式
如图所示，一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，所述传感阵列包括构建于基底1处的多个柔性传感器电路模块，还包括固定于柔性传感器电路模块处的多个电阻型传感单元模块；各电阻型传感单元模块接触身体不同部位以进行多位置承压检测，其压力敏感范围与所接触身体部位的承压范围对应。
所述传感阵列以穿戴方式固定于使用者身体处，其制备方法包括以下步骤；
步骤S1、以柔性聚合物薄膜为柔性力触觉传感阵列基底，导电银浆为电极2材料，构建柔性传感器电路模块；
步骤S2、利用无机纳米导电材料和有机硅弹性树脂按所需比例混合，调控固化时间，构建出对不同压力敏感范围的电阻型传感单元模块；
步骤S3、选择传感单元模块，并使用导电胶将其布置于对应压力分布位置的传感器电路模块上，构成柔性力触觉传感阵列；
步骤S4、把组装完成的柔性力触觉传感阵列穿戴于使用者身体处采集被检测部位的承压信息。
在步骤S4中，所述传感阵列的使用方法为：使用者身体保持自然放松状态，把组装完成的柔性力触觉传感阵列穿戴并固定于需要检测身体承压信息的部位；单片机29通过导线28与各电阻型传感单元模块相连并采集其受到的压力信息，并以串口通讯方式把采集的压力信息传输至控制台30；控制台分析收到的压力信息，按其包含的压力分布数据对数据进行可视化处理，得到使用者被检测身体部位的承压数值及位置分布信息。
所述步骤S1的方法具体为：选取所需面积的柔性聚合物薄膜材料作为柔性传感电路的基底层，于柔性聚合物薄膜基底之上设计阵列式电路，以银浆作为电极材料，通过喷墨打印的方式，按照设计的电路形式，打印出以柔性聚合物薄膜为基底，导电银浆为电极材料的柔性传感器电路模块。
所述步骤S2中构建不同压力敏感范围的电阻型传感单元模块，其方法具体为：选取不同比例的无机纳米导电材料与有机硅弹性树脂均匀混合，并采用不同的固化时间来制备传感单元的单元样本，之后测试不同制备条件下所得的传感单元样本的机械-电学特性，所述机械-电学特性包括弹性模量、导电性、循环稳定性，以确定不同制备条件下传感单元的压力敏感范围，并按此压力敏感范围来制备机械-电学性能不同的电阻型柔性传感单元模块。
所述步骤S3中，使用者在进行承压检测前，先粗测其预采集身体部位的承压范围及分布，确定所检测位置的压力数值和压力分布范围，之后选取对检测位置压力范围敏感的电阻型传感单元模块，用导电胶将其固化于基底处，且与粗测所得压力分布位置的传感器电路模块相连，制备完成检测该位置的柔性力触觉传感阵列。
所述基底以柔性聚合物薄膜成型；所述电阻型传感单元模块的电极以导电银浆为电极材料制备；所述电阻型传感单元模块通过把无机纳米导电材料和有机硅弹性树脂按所需比例混合并固化所需时长来制备；电阻型传感单元模块的压力敏感范围通过调节混合比例或固化时长来调节。
所述柔性聚合物薄膜的材质为PET、PI、TPU、PE、PP或PDMS；所述无机纳米导电材料为CNT、CNF、rGO或 Ag NWs；所述有机硅弹性树脂为PDMS、硅橡胶或ecoflex。
所述电阻型传感单元模块为具有弹性的球状体或类球状体，其一侧固定于柔性传感器电路模块的电极处，另一侧与使用者身体接触。
实施例：
参考图1至图3：
S1、如图1，一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列包括传感电路模块，该模块主要功能是实现将压力信号以电信号输出，该模块由PET基底1，导电银浆作为电极2。首先在绘图软件中绘制电路图形，之后采用喷墨打印的方式，将导电银浆作为墨水材料打印成电路图形于柔性聚合物薄膜基底1之上形成电极2，也可直接打印电路图形中的导线。
S2、如图2，一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列包括传感单元模块，所述的传感单元模块用于采集不同压力范围的压力信息，主要包括传感单元3，利用不同比例的CNT材料与PDMS材料混合，控制不同的固化时间，得到电学性能不同电阻型传感单元。
S3、如图3，以手部压力采集为例：使用前首先对手部压力数值及压力分布范围进行粗测，得到压力信息。之后选择对该压力范围敏感的传感单元3，利用导电胶按照所测压力分布范围布置于传感电路模块之上。至此，针对手部压力检测的柔性力触觉传感阵列构建完成。
S4、测试者保持手部放松。进行压力检测，在检测过程中，压力数据通过导线5-28传递至单片机29。单片机通过串口通讯的形式，将压力数据传递至控制台30。之后控制台对压力进行可视化处理。至此完成了手部压力信息的检测。此外，针对不同的压力检测部位，只需选择对应压力敏感的传感单元，改变传感单元在传感电路上的位置分布，就能实现不同位置的压力信号检测。
本例中所述方案，若用于足部，则选用与足部日常受力范围对应的电阻型传感单元模块。
Claims (9)
1.一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：所述传感阵列包括构建于基底处的多个柔性传感器电路模块，还包括固定于柔性传感器电路模块处的多个电阻型传感单元模块；各电阻型传感单元模块接触身体不同部位以进行多位置承压检测，其压力敏感范围与所接触身体部位的承压范围对应。
2.根据权利要求1所述的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：所述传感阵列以穿戴方式固定于使用者身体处，其制备方法包括以下步骤；
步骤S1、以柔性聚合物薄膜为柔性力触觉传感阵列基底，导电银浆为电极材料，构建柔性传感器电路模块；
步骤S2、利用无机纳米导电材料和有机硅弹性树脂按所需比例混合，调控固化时间，构建出对不同压力敏感范围的电阻型传感单元模块；
步骤S3、选择传感单元模块，并使用导电胶将其布置于对应压力分布位置的传感器电路模块上，构成柔性力触觉传感阵列；
步骤S4、把组装完成的柔性力触觉传感阵列穿戴于使用者身体处采集被检测部位的承压信息。
3.根据权利要求2所述的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：在步骤S4中，所述传感阵列的使用方法为：使用者身体保持自然放松状态，把组装完成的柔性力触觉传感阵列穿戴并固定于需要检测身体承压信息的部位；单片机通过导线与各电阻型传感单元模块相连并采集其受到的压力信息，并以串口通讯方式把采集的压力信息传输至控制台；控制台分析收到的压力信息，按其包含的压力分布数据对数据进行可视化处理，得到使用者被检测身体部位的承压数值及位置分布信息。
4.根据权利要求2所述的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：所述步骤S1的方法具体为：选取所需面积的柔性聚合物薄膜材料作为柔性传感电路的基底层，于柔性聚合物薄膜基底之上设计阵列式电路，以银浆作为电极材料，通过喷墨打印的方式，按照设计的电路形式，打印出以柔性聚合物薄膜为基底，导电银浆为电极材料的柔性传感器电路模块。
5.根据权利要求2所述的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：所述步骤S2中构建不同压力敏感范围的电阻型传感单元模块，其方法具体为：选取不同比例的无机纳米导电材料与有机硅弹性树脂均匀混合，并采用不同的固化时间来制备传感单元的单元样本，之后测试不同制备条件下所得的传感单元样本的机械-电学特性，所述机械-电学特性包括弹性模量、导电性、循环稳定性，以确定不同制备条件下传感单元的压力敏感范围，并按此压力敏感范围来制备机械-电学性能不同的电阻型柔性传感单元模块。
6.根据权利要求2所述的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：所述步骤S3中，使用者在进行承压检测前，先粗测其预采集身体部位的承压范围及分布，确定所检测位置的压力数值和压力分布范围，之后选取对检测位置压力范围敏感的电阻型传感单元模块，用导电胶将其固化于基底处，且与粗测所得压力分布位置的传感器电路模块相连，制备完成检测该位置的柔性力触觉传感阵列。
7.根据权利要求2所述的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：所述基底以柔性聚合物薄膜成型；所述电阻型传感单元模块的电极以导电银浆为电极材料制备；所述电阻型传感单元模块通过把无机纳米导电材料和有机硅弹性树脂按所需比例混合并固化所需时长来制备；电阻型传感单元模块的压力敏感范围通过调节混合比例或固化时长来调节。
8. 根据权利要求7所述的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：所述柔性聚合物薄膜的材质为PET、PI、TPU、PE、PP或PDMS；所述无机纳米导电材料为CNT、CNF、rGO或 Ag NWs；所述有机硅弹性树脂为PDMS、硅橡胶或ecoflex。
9.根据权利要求7所述的一种可实现身体多位置承压检测的柔性力触觉传感阵列，其特征在于：所述电阻型传感单元模块为具有弹性的球状体或类球状体，其一侧固定于柔性传感器电路模块的电极处，另一侧与使用者身体接触。
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| PB01 | Publication | ||
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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 | ||
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