CN114489340B - 基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备。手部姿态数据反馈模块安装在人体手部，肘关节姿态数据反馈模块安装在人体肘关节，膝关节姿态数据反馈模块安装在人体膝关节，手部姿态数据反馈模块的5根手指的数据传感器、肘关节姿态数据反馈模块的肘关节数据传感器、膝关节姿态数据反馈模块的膝关节内侧数据传感器和膝关节外侧数据传感器均为柔性拉伸应变传感器；柔性拉伸应变传感器由柔性基底、导电层和应变传感器封装层构成，柔性基底表面由内到外依次附着有导电层和应变传感器封装层。本发明同时能有效减少外界环境对传感器的干扰，提高传感器工作时的稳定性、延长疲劳寿命，提高传感器输出信号的线性程度。
Description
技术领域
本发明涉及面向机器人遥操作的穿戴式人体姿态检测技术领域的一种人体检测设备，尤其是涉及一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备。
背景技术
遥操作机器人被广泛用于各种危险的、情况复杂的、人类无法到达的环境中工作，它直接由操作者发出指令来控制。基于可穿戴设备的人机位姿映射，是实现机器人人机协同遥操作的方式之一，相比于传统的摇杆操纵，具有便捷性、直观性等优势。可穿戴设备设有拉伸传感器，拉伸传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接，把操作者人体位姿准确实时地传递给遥操作机器人。
柔性传感器是可穿戴数据设备的关键元件，因此，可穿戴数据设备的性能取决于柔性传感器的性能。传统的柔性应变传感器基底材料为表面平整的弹性薄膜，其表面嵌入或覆盖的导电敏感层也为平面结构，在导电敏感层引入裂纹机制，即随着应变传感器的拉伸变形，导电敏感层产生裂纹，使得导电通路数目骤变，可以提升柔性应变传感器对微小应力的检测灵敏度。但受限于平面结构，柔性应变传感器在微小应力状态下的形变能力有限，采用具有三维骨架结构的柔性多孔基底材料，可以显著提升柔性应变传感器在微小应力状态下的形变能力，强化柔性应变传感器对微小应力的检测灵敏度。但柔性多孔基底材料本身的物理性质所限制，拉伸形变量由材料性质决定，基于柔性多孔基底材料的柔性拉伸应变传感器普遍存在拉伸力学性能较差的缺点；并且，柔性多孔材料作为基底材料的孔隙分布并不是完全均匀一致的，在拉伸过程中受到应力作用，存在裂纹形成位置难以控制，可重复制造性低，裂纹扩展程度低，难以覆盖较大的拉伸形变检测范围的问题。
发明内容
为了解决现有的柔性应变传感器导电层易脱落，稳定性低，测量范围较小，传感性能不可控，可重复制造性差，从而导致可穿戴数据设备的性能不稳定，测量范围小等问题，本发明提出了一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备，提升了可穿戴设备的测量范围、性能、灵敏度和稳定性。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：
本发明包括手部姿态数据反馈模块、肘关节姿态数据反馈模块、膝关节姿态数据反馈模块和数据处理模块；
手部姿态数据反馈模块安装在人体手部，肘关节姿态数据反馈模块安装在人体肘关节，膝关节姿态数据反馈模块安装在人体膝关节，手部姿态数据反馈模块包括5根手指的数据传感器，肘关节姿态数据反馈模块包括肘关节数据传感器，膝关节姿态数据反馈模块包括膝关节内侧数据传感器和膝关节外侧数据传感器，5根手指的数据传感器、肘关节数据传感器、膝关节内侧数据传感器和膝关节外侧数据传感器均为柔性拉伸应变传感器；所述柔性拉伸应变传感器由柔性基底、导电层和应变传感器封装层构成，柔性基底表面由内到外依次附着有导电层和应变传感器封装层。
所述柔性拉伸应变传感器的上表面设置有凸起结构。
所述凸起结构由多个沿当前柔性拉伸应变传感器的拉伸方向平行且间隔布置的凸起块组成，各个凸起块均设置在当前柔性拉伸应变传感器的上表面，各个凸起块的尺寸相同或者不同，相邻凸起块之间的间距相同或者不同。
所述手部姿态数据反馈模块包括固定装置、手套、拇指数据传感器、食指数据传感器、中指数据传感器、无名指数据传感器、小指数据传感器以及手部姿态数据处理模块；
手套套于人体手部，拇指数据传感器、食指数据传感器、中指数据传感器、无名指数据传感器和小指数据传感器通过对应的固定装置依次布置在手套的拇指部位、食指部位、中指部位、无名指部位和小指部位，拇指数据传感器、食指数据传感器、中指数据传感器、无名指数据传感器和小指数据传感器与手部对应的固定装置之间电连接，拇指数据传感器、食指数据传感器、中指数据传感器、无名指数据传感器、小指数据传感器均通过对应的固定装置与手部姿态数据处理模块相连；其中拇指数据传感器、食指数据传感器、中指数据传感器、无名指数据传感器和小指数据传感器构成5根手指的数据传感器，5根手指的数据传感器的拉伸应变方向分别与对应手指的长度方向一致，5根手指的数据传感器采集的数据由手部姿态数据处理模块进行处理分析，实现5根手指的数据传感器分别测量对应手指的弯曲状态。
所述肘关节姿态数据反馈模块还包括肘关节套、肘部姿态数据处理模块和固定装置；
肘关节套套装于人体肘关节处，肘关节数据传感器通过固定装置安装于肘关节套的外侧中部，肘关节数据传感器与肘关节处的固定装置电连接，肘关节数据传感器的延伸应变方向与肘关节处手臂的活动方向一致，肘关节数据传感器通过固定装置与肘部姿态数据处理模块相连。
所述膝关节姿态数据反馈模块还包括固定装置、膝关节套以及膝关节姿态数据处理模块；
膝关节套套装于人体膝关节处，膝关节内侧数据传感器通过对应的固定装置安装于膝关节套上的前侧靠内一侧，膝关节外侧数据传感器通过对应的固定装置安装于膝关节套上的前侧靠外一侧，膝关节内侧数据传感器和膝关节外侧数据传感器与膝关节处对应的固定装置电连接，膝关节内侧数据传感器和膝关节外侧数据传感器的延伸应变方向与膝关节处腿部的活动方向一致，膝关节内侧数据传感器和膝关节外侧数据传感器均通过对应的固定装置与膝关节姿态数据处理模块相连。
所述固定装置包括螺栓、螺母和数据传输导线；
手套、肘关节套和膝关节套均为安装套，安装套中开有安装孔，柔性拉伸应变传感器中也开有安装孔，螺栓依次穿过安装套和柔性拉伸应变传感器的安装孔后与螺母连接，使得柔性拉伸应变传感器安装于对应的安装套中，柔性拉伸应变传感器与螺栓电连接；螺栓或螺母与数据传输导线焊接；
在所述螺栓和螺母安装完成后的外表面喷涂一层绝缘材料。
所述柔性拉伸应变传感器通过以下方法制备获得：
首先对柔性多孔材料进行激光切割后获得柔性基底，再将纳米导电材料溶于分散剂中并搅拌均匀后，获得纳米导电材料混合溶液，接着将柔性基底置于纳米导电材料混合溶液中充分浸泡后烘干，直至分散剂完全挥发，使得柔性基底外表面形成一层导电层，获得导电柔性基底；最后将导电柔性基底放置于模具中，将外部封装材料浇注到模具中并加温固化成型后，形成应变传感器封装层，获得柔性拉伸应变传感器。
本发明的工作原理是：
所述的柔性应变传感器在受到外界拉力作用时，内部发生形变，从而导致性应变传感器内部的微观丝状导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化，进而通过监测性应变传感器电阻值的大小可用于检测外力以及形变量大小。
所述拇指数据传感器安装于所述手套上的拇指部位，通过所测得的拉伸应变获得拇指弯曲状态；所述食指数据传感器安装于所述手套上的食指部位，通过所测得的拉伸应变获得食指弯曲状态；所述中指数据传感器安装于所述手套上的中指部位，通过所测得的拉伸应变获得中指弯曲状态；所述无名指数据传感器安装于所述手套上的无名指部位，通过所测得的拉伸应变获得无名指弯曲状态；所述小指数据传感器安装于所述手套上的小指部位，通过所测得的拉伸应变获得小指弯曲状态；所述拇指数据传感器、所述食指数据传感器、所述中指数据传感器、所述无名指数据传感器、所述小指数据传感器采集的数据由所述手部姿态数据处理模块进行处理分析。
所述肘关节数据传感器安装于所述肘关节套上的外侧中央部位，通过所测得的拉伸应变获得肘关节状态；所述肘关节数据传感器采集的数据由所述肘部姿态数据处理模块进行处理分析。
所述膝关节内侧数据传感器安装于所述膝关节套上的前侧内侧部位，所述膝关节外侧数据传感器安装于所述膝关节套上的前侧外侧部位，通过所测得的拉伸应变获得膝关节状态。
所述膝关节内侧数据传感器、所述膝关节外侧数据传感器采集的数据由所述膝部姿态数据处理模块进行处理分析。
所述柔性基底具有骨架结构，在拉伸时可产生若干微裂纹导致基底发生不规则的断裂，有如下几个主要原因：柔性基底在成型过程中存在误差，导致柔性基底外部的几何形状不完全对称；柔性基底的多孔结构在成型过程中存在误差，导致柔性基底内部多孔结构的空隙大小和分布不是均一的；硅胶填充海绵内部孔隙不均匀；柔性基底的位置精度低，不处在封装材料正中心位置；外部封装材料有气泡等瑕疵，导致出现拉应力集中的情况。
为解决柔性基底不规则断裂的问题，本发明设计了若干可控断裂的外部封装材料结构，实现了传感器内部柔性基底断裂可控，提高信号的线性度和拟合准确性。
实现可控断裂的技术方案为：在应变传感器除与人体接触面之外的表面，构造规则的凸起结构，该凸起结构的形状可以为半圆，但不仅限于半圆，且与应变传感器主体的表面通过圆角连接过度；通过凸起结构可以减小该结构所对应的应变传感器主体在拉伸过程中的应力集中现象，抑制柔性基底以及附着在该基底表面的导电材料的断裂，保证电信号的稳定性。
本发明提高可穿戴数据设备的灵敏度体现在：本发明提高了柔性传感器的灵敏度。本发明采用薄柔性多孔材料作为基底材料，其具有骨架结构，在拉伸时可产生若干微裂纹导致电阻增大，发生单位形变时电信号变化明显，提高了基底材料导电的灵敏度。此外，多孔材料的强吸附性也为导电材料提供和合适的载体，其具有的骨架结构使其能发生较大的形变，提高了拉伸性。
本发明提高可穿戴数据设备的信号线性度体现在：本发明应用的传感器采用结构化封装方式，与身体表面相贴合的面需要是平整、无特殊结构的，保证舒适性，另一面的特殊结构起到性能调控作用。由于不同位置所受应力并不均匀，指关节、肘关节、膝关节的凸点处应力最大，处于所述应变传感器主体中间的凸起结构排布较紧密，处于所述应变传感器主体两端的凸起结构排布较稀疏，减少关节处应力抑制断裂，提高了传感器的线性程度，进而提高可穿戴设备的线性度。
本发明提高可穿戴数据设备的稳定性体现在：本发明在柔性基底的外部封装一层材料，覆盖在传统柔性应变传感器基底表面，使柔性基底和导电材料均嵌入在外部封装材料中，外部拉应力作用在所述应变传感器主体的上下两端时，由于外部封装材料具有的拉伸性，即，有较大的弹性形变范围。硅胶具有较大的拉伸性，可以作为外部封装材料，同时隔绝基底材料与导电层与外界直接接触，阻止其发生剐蹭导致导电材料脱落；阻止柔性多孔材料吸收空气中水蒸汽等物质导致性质发生改变，提高了传感器的稳定性，从而提高了可穿戴数据设备的稳定性。
本发明提高可穿戴数据设备的制造可重复性体现在：本发明在封装结构上做特殊结构处理，使应力分散、断裂分布更均匀，裂纹可控，可以承受更大形变，不仅提高了传感器的拉伸性，也提高了裂纹的一致性。通过设计相应的模具使每次成型的封装结构相同，通过模具固定使柔性基底可以在封装材料正中心位置，使传感器可以重复制造。
本发明的有益效果为：
本发明的柔性拉伸应变传感器具有结构化外部封装，在相同外力作用的情况下，其具有比未封装结构形变量大，测量范围大，在大形变量的情况下仍能恢复原状、保持传感功能的优点，显著提高了以多孔材料为基底的柔性应变传感器的拉伸性能，有效克服了传统无封装结构的柔性应变传感器力学性能差，易断裂，测量范围小和灵敏度较低的问题，同时能有效减少外界环境对传感器的干扰，提高传感器工作时的稳定性、延长疲劳寿命。在测量关节角度时，与身体表面相贴合的面平整、无特殊结构，一方面可以保证舒适性，另一方面保证关节运动过程中贴合在人体表面，保证信号准确性；另一面通过对外部封装材料特殊结构的设计，使柔性基底断裂位置可控，可以调控传感器的传感性能，处于所述柔性拉伸应变传感器中间的凸起结构紧密构排布，处于所述柔性拉伸应变传感器两端的凸起结构稀疏排布，减少在关节运动过程中关节处的应力集中现象，抑制断裂，进而提高传感器输出信号的线性程度。
附图说明
图1为本发明基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备主体构成部分；
图2为本发明手部姿态数据反馈模块的结构图；
图3为本发明肘关节姿态数据反馈模块的结构图；
图4为本发明膝关节姿态数据反馈模块的结构图；
图5为本发明固定装置的结构示意图；
图6为本发明固定装置的剖视图；
图7为本发明柔性拉伸应变传感器的微观结构示意图；
图8为传感器制造流程示意图；
图9为传感器模具结构示意图。
图中：手部姿态数据反馈模块1、手套11、拇指数据传感器12、食指数据传感器13、中指数据传感器14、无名指数据传感器15、小指数据传感器16、手部姿态数据处理模块17、肘关节姿态数据反馈模块2、肘关节套21、肘关节数据传感器22、肘关节姿态数据处理模块23、膝关节姿态数据反馈模块3、膝关节套31、膝关节内侧数据传感器32、膝关节外侧数据传感器33、膝关节姿态数据处理模块34、柔性拉伸应变传感器4、柔性基底41、导电层42、应变传感器封装层43、固定装置5、螺栓51、螺母52、数据传输导线53。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明包括手部姿态数据反馈模块1、肘关节姿态数据反馈模块2、膝关节姿态数据反馈模块3和数据处理模块；
手部姿态数据反馈模块1安装在人体手部，肘关节姿态数据反馈模块2安装在人体肘关节，膝关节姿态数据反馈模块3安装在人体膝关节，手部姿态数据反馈模块1包括5根手指的数据传感器，肘关节姿态数据反馈模块2包括肘关节数据传感器22，膝关节姿态数据反馈模块3包括膝关节内侧数据传感器32和膝关节外侧数据传感器33，5根手指的数据传感器、肘关节数据传感器22、膝关节内侧数据传感器32和膝关节外侧数据传感器33均为柔性拉伸应变传感器4；如图7所示，柔性拉伸应变传感器4由基于柔性多孔材料切割成型的柔性基底41、导电层42和应变传感器封装层43构成，柔性基底41表面由内到外依次附着有导电层42和应变传感器封装层43，具体实施中，柔性拉伸应变传感器4的两端开设有安装孔，固定装置5的螺栓51和螺母52通过安装孔将柔性拉伸应变传感器4安装在对应的安装套中。
如图1-4所示，柔性拉伸应变传感器4的上表面设置有凸起结构。
凸起结构由多个沿当前柔性拉伸应变传感器的拉伸方向平行且间隔布置的凸起块组成，各个凸起块均设置在当前柔性拉伸应变传感器的上表面，每个凸起块的两个侧面与当前柔性拉伸应变传感器的上表面相邻的两个侧面齐平，各个凸起块的尺寸相同或者不同，相邻凸起块之间的间距相同或者不同，具体根据实际情况进行设置。
本实施例中，凸起结构或凹陷结构的形状为半椭圆，与柔性拉伸应变传感器4的表面通过圆角连接过度；通过凸起结构可以减小该结构所对应的柔性拉伸应变传感器4在拉伸过程中的应力集中现象，抑制柔性基底41以及附着在柔性基底41表面的导电材料的断裂；通过设计凹陷结构的位置和尺寸可以控制柔性拉伸应变传感器4在拉伸过程中的应力集中的位置，使得柔性基底41以及附着在柔性基底41表面的导电材料的断裂裂纹位置可控，进而调控传感性能。
拇指数据传感器12、食指数据传感器13、中指数据传感器14、无名指数据传感器15、小指数据传感器16、肘关节数据传感器22、膝关节内侧数据传感器32、膝关节外侧数据传感器33，与身体表面相贴合的面需要是平整、无特殊结构的，一方面可以保证舒适性，另一方面可以更好得贴合在人体表面，保证信号准确性，另一面的特殊结构起到性能调控作用；由于在人体手指、肘关节、膝关节弯曲的过程中，传感器不同位置所受应力并不均匀，指关节、肘关节、膝关节的凸点处应力最大，处于柔性拉伸应变传感器4中间的凸起结构紧密构排布，处于柔性拉伸应变传感器4两端的凸起结构稀疏排布，减少关节处应力，抑制断裂，进而提高传感器输出信号的线性程度。
柔性拉伸应变传感器4通过以下方法制备获得：
首先对柔性多孔材料(如聚氨酯海绵)进行激光切割后获得柔性基底41，柔性基底41的形状为长而窄的薄膜结构，具有较高的长宽比，如果需要设置凸起结构，则将柔性多孔材料切割成带有凸起结构的柔性基底41，保证其易于被封装以及应用于可穿戴式人体姿态数据反馈设备；其内部微观多孔结构使其可以作为导电材料的载体，通过改变其内部微观结构的形变程度使得导电材料的电学性能发生改变。再将纳米导电材料溶于分散剂(如碳纳米材料、纳米金属颗粒、纳米金属线、纳米金属片)中并搅拌均匀后，获得纳米导电材料混合溶液，接着将柔性基底41置于纳米导电材料混合溶液中进行反复挤压浸泡和充分浸泡后放入烘箱中烘干，直至分散剂完全挥发，取出烘干后的柔性基底用分散剂清洗并再次烘干，使得柔性基底41外表面形成一层导电层42，获得导电柔性基底；最后将导电柔性基底放置于模具中，将外部封装材料(即前驱体为液态的类硅胶软材料，如聚二甲基硅氧烷)浇注到模具中利用真空脱泡机抽取外部封装材料中残余的空气，并加温固化成型后，加温使外部封装材料快速固化，形成应变传感器封装层43，获得柔性拉伸应变传感器4。柔性多孔材料具有易形变、密度低、吸附性强的特性，具有骨架结构可以通过吸附导电材料，在柔性多孔材料的骨架上构造导电通路，传递电信号。外部封装材料固化前具有良好的流动性，固态拉伸性强的材料，无毒无害且稳定，通常用于医疗行业、工业产品等与人直接接触的产品中，可以充分填充多孔材料的孔隙；固化后具有良好的拉伸性，即有较大的弹性形变范围，有效抑制多孔材料的不规则拉伸断裂，提高传感器的测量范围。由于硅胶的稳定性和密封性，作为外部封装材料可以保证传感器工作稳定，可用于潮湿工作情况。
由于利用真空脱泡机抽取外部封装材料中残余的空气使外部封装材料完全浸入到柔性基底41的多孔结构内部，使多孔结构内部完全填充了外部封装材料，可提高制备的柔性拉伸应变传感器4的拉伸应变强度，扩大拉伸应变测量范围。
手部姿态数据反馈模块1包括固定装置5、手套11、拇指数据传感器12、食指数据传感器13、中指数据传感器14、无名指数据传感器15、小指数据传感器16以及手部姿态数据处理模块17；
手套11套于人体手部，拇指数据传感器12、食指数据传感器13、中指数据传感器14、无名指数据传感器15和小指数据传感器16通过对应的固定装置5依次布置在手套11的拇指部位、食指部位、中指部位、无名指部位和小指部位，拇指数据传感器12、食指数据传感器13、中指数据传感器14、无名指数据传感器15和小指数据传感器16与手部对应的固定装置5之间电连接，拇指数据传感器12、食指数据传感器13、中指数据传感器14、无名指数据传感器15、小指数据传感器16均通过对应的固定装置5与手部姿态数据处理模块17相连；其中拇指数据传感器12、食指数据传感器13、中指数据传感器14、无名指数据传感器15和小指数据传感器16构成5根手指的数据传感器，5根手指的数据传感器的拉伸应变方向分别与对应手指的长度方向一致，5根手指的数据传感器采集的数据由手部姿态数据处理模块17进行处理分析，实现5根手指的数据传感器分别测量对应手指的弯曲状态。
肘关节姿态数据反馈模块2还包括肘关节套21、肘部姿态数据处理模块23和固定装置5；
肘关节套21套装于人体肘关节处，肘关节数据传感器22通过固定装置5安装于肘关节套21的外侧中部，肘关节数据传感器22与肘关节处的固定装置5电连接，肘关节数据传感器22的延伸应变方向与肘关节处手臂的活动方向一致，肘关节数据传感器22通过固定装置5与肘部姿态数据处理模块23相连；肘关节数据传感器22采集的数据(即测得拉伸应变数据)由肘部姿态数据处理模块23进行处理分析，获得肘关节状态。
膝关节姿态数据反馈模块3还包括固定装置5、膝关节套31以及膝关节姿态数据处理模块34；
膝关节套31套装于人体膝关节处，膝关节内侧数据传感器32通过对应的固定装置5安装于膝关节套31上的前侧靠内一侧，膝关节外侧数据传感器33通过对应的固定装置5安装于膝关节套31上的前侧靠外一侧，膝关节内侧数据传感器32和膝关节外侧数据传感器33与膝关节处对应的固定装置5电连接，膝关节内侧数据传感器32和膝关节外侧数据传感器33的延伸应变方向与膝关节处腿部的活动方向一致，膝关节内侧数据传感器32和膝关节外侧数据传感器33均通过对应的固定装置5与膝关节姿态数据处理模块34相连；膝关节内侧数据传感器32、膝关节外侧数据传感器33采集的数据由膝部姿态数据处理模块34进行处理分析；通过两个传感器所测得的拉伸应变，由于传感器位于膝关节两侧，不仅仅可以测得膝关节弯曲程度，还可以比较两边形变的差异，例如使用电桥法，得到膝关节在侧向的偏转，从而得到更加完整的膝关节状态。
如图5和图6所示，固定装置5包括螺栓51、螺母52和数据传输导线53；
手套11、肘关节套21和膝关节套31均为安装套，安装套的两端中开有安装孔，柔性拉伸应变传感器4的两端中也开有安装孔，螺栓51依次穿过安装套和柔性拉伸应变传感器4的安装孔后与螺母52通过螺纹进行连接，使得柔性拉伸应变传感器4安装于对应的安装套中，柔性拉伸应变传感器4与螺栓51电连接；螺栓51或螺母52与数据传输导线53焊接，形成稳定的电路，将电信号传输至外部数据处理模块；
在螺栓51和螺母52安装完成后的外表面喷涂一层绝缘材料，避免测量过程中外界因素的干扰。
如图8所示，柔性拉伸应变传感器的制备流程如下：
柔性拉伸应变传感器的制备条件如表1所示。
表1
| 纳米导电材料（碳纳米管） | 3.000g |
| 分散剂（正己烷） | 100ml |
i.向洁净干燥的烧杯中加入一定质量的碳纳米管，按表1所示比例加入正己烷，获得浸泡所需的混合液。向混合液中加入带磁性的搅拌子，用磁力搅拌器搅拌至均匀。将切割好的海绵完全浸入混合液中，浸泡5分钟左右，在这过程中不断用玻璃棒挤压海绵。将经过反复挤压浸泡完的海绵放入烘箱中烘干直至分散剂完全挥发，取出烘干后的海绵用正己烷清洗并再次烘干，纳米导电材料即充分覆盖在多孔材料纤维表面，形成若干导电通路，得到导电柔性基底。
ii.将烘干后的海绵导电层放入如图9所示的模具中，将预留的安装孔套在支柱上。
iii.按1：1的比例配置液体硅胶，将液体硅胶缓慢注入模具直至填满模具。
iv.将装有海绵、硅胶的模具放入真空脱泡机中抽取残余的空气。
v.将其放入恒温箱约60℃加热20分钟左右，至硅胶固化，制得柔性传感器。
Claims (7)
1.一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备，其特征在于，包括手部姿态数据反馈模块（1）、肘关节姿态数据反馈模块（2）、膝关节姿态数据反馈模块（3）和数据处理模块；
手部姿态数据反馈模块（1）安装在人体手部，肘关节姿态数据反馈模块（2）安装在人体肘关节，膝关节姿态数据反馈模块（3）安装在人体膝关节，手部姿态数据反馈模块（1）包括5根手指的数据传感器，肘关节姿态数据反馈模块（2）包括肘关节数据传感器（22），膝关节姿态数据反馈模块（3）包括膝关节内侧数据传感器（32）和膝关节外侧数据传感器（33），5根手指的数据传感器、肘关节数据传感器（22）、膝关节内侧数据传感器（32）和膝关节外侧数据传感器（33）均为柔性拉伸应变传感器（4）；所述柔性拉伸应变传感器（4）由柔性基底（41）、导电层（42）和应变传感器封装层（43）构成，柔性基底（41）表面由内到外依次附着有导电层（42）和应变传感器封装层（43）；
所述柔性拉伸应变传感器（4）的上表面设置有凸起结构；
所述凸起结构由多个沿当前柔性拉伸应变传感器的拉伸方向平行且间隔布置的凸起块组成，各个凸起块均设置在当前柔性拉伸应变传感器的上表面，各个凸起块的尺寸相同或者不同，相邻凸起块之间的间距相同或者不同。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备，其特征在于，所述手部姿态数据反馈模块（1）包括固定装置（5）、手套（11）、拇指数据传感器（12）、食指数据传感器（13）、中指数据传感器（14）、无名指数据传感器（15）、小指数据传感器（16）以及手部姿态数据处理模块（17）；
手套（11）套于人体手部，拇指数据传感器（12）、食指数据传感器（13）、中指数据传感器（14）、无名指数据传感器（15）和小指数据传感器（16）通过对应的固定装置（5）依次布置在手套（11）的拇指部位、食指部位、中指部位、无名指部位和小指部位，拇指数据传感器（12）、食指数据传感器（13）、中指数据传感器（14）、无名指数据传感器（15）和小指数据传感器（16）与手部对应的固定装置（5）之间电连接，拇指数据传感器（12）、食指数据传感器（13）、中指数据传感器（14）、无名指数据传感器（15）、小指数据传感器（16）均通过对应的固定装置（5）与手部姿态数据处理模块（17）相连；其中拇指数据传感器（12）、食指数据传感器（13）、中指数据传感器（14）、无名指数据传感器（15）和小指数据传感器（16）构成5根手指的数据传感器，5根手指的数据传感器的拉伸应变方向分别与对应手指的长度方向一致，5根手指的数据传感器采集的数据由手部姿态数据处理模块（17）进行处理分析，实现5根手指的数据传感器分别测量对应手指的弯曲状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备，其特征在于，所述肘关节姿态数据反馈模块（2）还包括肘关节套（21）、肘部姿态数据处理模块（23）和固定装置（5）；
肘关节套（21）套装于人体肘关节处，肘关节数据传感器（22）通过固定装置（5）安装于肘关节套（21）的外侧中部，肘关节数据传感器（22）与肘关节处的固定装置（5）电连接，肘关节数据传感器（22）的延伸应变方向与肘关节处手臂的活动方向一致，肘关节数据传感器（22）通过固定装置（5）与肘部姿态数据处理模块（23）相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备，其特征在于，所述膝关节姿态数据反馈模块（3）还包括固定装置（5）、膝关节套（31）以及膝关节姿态数据处理模块（34）；
膝关节套（31）套装于人体膝关节处，膝关节内侧数据传感器（32）通过对应的固定装置（5）安装于膝关节套（31）上的前侧靠内一侧，膝关节外侧数据传感器（33）通过对应的固定装置（5）安装于膝关节套（31）上的前侧靠外一侧，膝关节内侧数据传感器（32）和膝关节外侧数据传感器（33）与膝关节处对应的固定装置（5）电连接，膝关节内侧数据传感器（32）和膝关节外侧数据传感器（33）的延伸应变方向与膝关节处腿部的活动方向一致，膝关节内侧数据传感器（32）和膝关节外侧数据传感器（33）均通过对应的固定装置（5）与膝关节姿态数据处理模块（34）相连。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备，其特征在于，所述固定装置（5）包括螺栓（51）、螺母（52）和数据传输导线（53）；
手套（11）、肘关节套（21）和膝关节套（31）均为安装套，安装套中开有安装孔，柔性拉伸应变传感器（4）中也开有安装孔，螺栓（51）依次穿过安装套和柔性拉伸应变传感器（4）的安装孔后与螺母（52）连接，使得柔性拉伸应变传感器（4）安装于对应的安装套中，柔性拉伸应变传感器（4）与螺栓（51）电连接；螺栓（51）或螺母（52）与数据传输导线（53）焊接。
6.根据权利要求5所述的一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备，其特征在于，在所述螺栓（51）和螺母（52）安装完成后的外表面喷涂一层绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备，其特征在于，所述柔性拉伸应变传感器（4）通过以下方法制备获得：
首先对柔性多孔材料进行激光切割后获得柔性基底（41），再将纳米导电材料溶于分散剂中并搅拌均匀后，获得纳米导电材料混合溶液，接着将柔性基底（41）置于纳米导电材料混合溶液中充分浸泡后烘干，直至分散剂完全挥发，使得柔性基底（41）外表面形成一层导电层（42），获得导电柔性基底；最后将导电柔性基底放置于模具中，将外部封装材料浇注到模具中并加温固化成型后，形成应变传感器封装层（43），获得柔性拉伸应变传感器（4）。
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| 可印刷柔性应变传感器的制作及其对人体运动行为监测研究;胡友根;朱朋莉;张愿;张馨予;韩乐为;赵涛;李光林;孙蓉;;集成技术(第01期);全文 * |
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