CN115179830B - 一种智能座舱用自适应背部调节座椅 - Google Patents
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Abstract
本发明具体是一种智能座舱用自适应背部调节座椅，解决了现有的座舱座椅中人体腰部背部没有得到合理的支撑导致的在长时间驾驶或乘坐汽车时依然会感觉到腰酸背痛的技术问题。一种智能座舱用自适应背部调节座椅，靠背的内腔设置有可调节支撑部分；靠背的右表面设置有压力感应垫，压力感应垫的内腔设置有海绵层与压力监测部分；可调节支撑部分包括纵向隔板、气囊、高弹棉块、气泵、气管、充气阀、排气阀；压力监测部分包括柔性电容式压力传感器，控制部分包括电容数据采集卡、32位微控制器。本发明通过柔性电容式压力传感器对靠背压力分布进行实时监测，以便于监测经过可调节支撑部分调节后，确定压力是否调节到所述的压力。
Description
技术领域
本发明涉及智能座舱技术领域，尤其涉及智能座舱用座椅，具体是一种智能座舱用自适应背部调节座椅。
背景技术
随着汽车行业的快速发展，智能座舱成为了现代汽车产品智能化水平的直观展现。而在智能座舱中，提升驾驶及乘坐的舒适性至关重要，为此越来越多的座舱座椅配备了腰部以及背部支撑调节，但是人们在长时间驾驶或乘坐汽车时依然会感觉到腰酸背痛，究其根本，是因为人体腰背部没有得到合理的支撑。腰部以及背部的支撑需要处于合理的位置和高度以保持脊柱形状，并且需要避免长时间的压力集中。但仅凭驾驶者感觉调节到的腰部与背部支撑位置和高度往往不能提供最符合脊柱生理结构的支撑，同时支撑长时间处于同一状态会对肌肉造成压迫影响血液循环引起肌肉疲劳。考虑到驾驶员身高、体型的差异以及汽车行驶过程中的振动，设定固定的腰背部支撑状态或程序并不能解决上述问题。
为解决现有的座舱座椅中人体腰部背部没有得到合理的支撑导致的在长时间驾驶或乘坐汽车时依然会感觉到腰酸背痛的技术问题。在腰部与背部支撑位置分别加入可以自适应调节的气囊，能够对座椅支撑位置进行智能化的自适应调节，提供合理的支撑。气囊对人体坐姿的监测需要使用压力传感器，而柔性电容式压力传感器是一种将压力转换成电信号的柔性电子设备，由于其功耗低、结构简单、稳定性高、温度不灵敏度高、响应速度快、信号重复性好，在医疗保健监测、人工电子皮肤、医疗诊断、可穿戴电子设备、人机交互、环境监测等领域的广泛应用，能够很好的适应人体背部、腰部形状。
目前，虽然基于液态金属的电容式柔性压力传感器可以有效提高介电常数，已经很好地实现了压力的测量，但液态金属复合多孔材料的孔隙制备，多依赖于直接造孔或使用随机分布的造孔模板（例如糖、盐等），对于特定孔隙结构的制备，目前还存在局限性，并且孔隙率的提升也至关重要。
基于此，有必要发明一种智能座舱用自适应背部调节座椅，拥有特定的结构以及高孔隙率、高灵敏度的柔性电容式压力传感器作为传感元件。利用柔性压力传感器监测腰部以及背部压力的变化，而且该传感器具有较好的可变形能力并对外界的压力变化表现出高度敏感，输出信号具有良好的线性度以及高灵敏度等优异的传感性能。通过数据采集模块将采集到的电容信号转化为压力分布，并通过信号转换计算得出需要调整的压力范围，进而控制可调节支撑部分。可调节支撑部分通过控制分布在人体上背部，中背部以及腰部支撑的气囊大小，进而调整背部、腰部支撑，优化背部、腰部压力分布。
发明内容
本发明提供了一种智能座舱用自适应背部调节座椅，解决了现有的座舱座椅中人体腰部背部没有得到合理的支撑导致的在长时间驾驶或乘坐汽车时依然会感觉到腰酸背痛的技术问题，将其运用在汽车座椅靠背支撑处，实时监测压力状态，并通过监测出的压力大小进而控制气囊，调节腰部背部压力。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种智能座舱用自适应背部调节座椅，包括头枕、靠背和座垫；靠背的内腔设置有可调节支撑部分；靠背的右表面设置有压力感应垫，压力感应垫的内腔设置有海绵层与嵌于海绵层右表面的压力监测部分；还包括控制部分；
所述可调节支撑部分包括设置于靠背内腔的纵向隔板，且纵向隔板将靠背的内腔分隔为左腔室与右腔室；右腔室内设置有三个左表面固定贴合于纵向隔板的气囊和设置于气囊之间的高弹棉块，且三个气囊分布于靠背的上背部、中背部、腰部；左腔室内设置有气泵，每个气囊与气泵之间均设置有与两者连通的气管，每个气管上均设置有充气阀；每个气囊上均设置有与其连通的排气阀；
所述压力监测部分包括分布于压力感应垫的上背部、中背部、腰部的三对柔性电容式压力传感器，且每对柔性电容式压力传感器均对称分布于压力感应垫的脊椎部的前后两侧；所述柔性电容式压力传感器包括两个左右平行分布的柔性极板，两个柔性极板的相对表面均设置有金属涂层；两个柔性极板之间设置有柔性介电体，柔性介电体的左表面、右表面分别与两个金属涂层固定贴合；所述柔性介电体包括若干个体心立方排列的柔性球单元，左右相邻的柔性球单元之间连接有柔性棍单元；所述柔性介电体是由硅胶与镓铟锡液态金属混合而成的复合材料制成的；
所述控制部分包括电容数据采集卡、32位微控制器；每个金属涂层均通过导线与电容数据采集卡电连接，电容数据采集卡、各个充气阀、各个排气阀均与32位微控制器电连接。
本发明中头枕和座垫与传统汽车座椅的头枕和座垫相同；所述靠背的材料、形状与传统汽车座椅靠背相同，纵向隔板设置于靠背的内腔，且底部与座垫、座垫左侧或座垫右侧刚性连接，由此实现纵向隔板的底部支撑。
压力感应垫的左垫层、右垫层能够实现压力监测部分两侧的隔离，防止外界环境影响柔性电容式压力传感器的监测。
柔性介电体中的柔性球单元位于体心立方结构的晶胞处。所述电容数据采集卡可替换为电容数字转换器。
进一步地，所述复合材料中的硅胶为铂金固化硅胶Ecoflex 00-30；所述复合材料中镓铟锡液态金属的体积分数为1%-30%；所述复合材料的相对介电常数为εmix，且εmix的取值范围为2.46-8.1；所述镓铟锡液态金属是由如下质量百分比的原料组成的：镓68.5%，铟21.5%，锡10%。
所述镓铟锡液态金属是一种无毒液态金属。
进一步地，所述柔性球单元排列为左右分布的三层，贴合于金属涂层的各个柔性球单元均呈半椭球形；位于中间层的各个柔性球单元均呈椭球形；所述柔性棍单元呈圆柱形。
进一步地，所述靠背呈矩形，且其沿纵向的长度为L、沿横向的宽度为B、沿竖向的高度为H，L的取值范围为400mm-550mm，B的取值范围为150mm-200mm，H的取值范围为500mm-700mm；纵向隔板沿纵向的长度为l、沿竖向的高度为h，且4/5H≤h≤H，3/5L≤l≤L；位于上侧的第一个气囊的安装高度为2/3h-h，第二个气囊的安装高度为1/3h-2/3h，第三个气囊的安装高度为0-1/3h；柔性电容式压力传感器与压力感应垫的脊椎部的纵向间距为80mm-150mm；所述柔性极板是由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的正方形极板，且其边长为20mm-50mm、厚度为100μm-200μm；所述金属涂层是厚度为100nm的金层；所述柔性球单元的长轴长度为5mm-8mm、短轴长度为3mm-5mm，且其长轴沿竖向布置；所述柔性棍单元的直径为2mm。
左右正对的两个柔性极板的尺寸一致。所述柔性极板可使用市售电极板，与柔性介电体通过粘接剂粘接。
所述柔性球单元的长轴为L，短轴为D，可表示为：L=2a；D=2b；式中，a表示柔性球单元的最大半径，2.5mm≤a≤4mm；b表示柔性球单元的沿横向尺寸的一半，单位为mm，1.5mm≤b≤2.5mm；
所述柔性球单元的截面外轮廓曲线表示为：
x2/a2+ y2/b2=1；
截面外轮廓曲线以z轴为中心轴旋转360°形成封闭曲面。
进一步地，纵向隔板上开设有若干个左右贯通的通孔；气管穿于其中一个通孔。
通孔将靠背的内腔分为相互联通的左腔室与右腔室，增加靠背透气性的同时，方便气管、充气阀、排气阀的安装。
进一步地，所述控制部分还包括上位机，32位微控制器与上位机电连接。
使用中也可将电容数据采集卡与上位机电连接，实现压力数值的实时显示。
进一步地，所述柔性介电体的制备是采用如下步骤实现的：
步骤S1：采用高精度3D打印工艺制备可溶性模具，打印所用材料为PVA线材；所述可溶性模具为柔性介电体的逆结构模具；
步骤S2：将铂金固化硅胶组分A与铂金固化硅胶组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀，由此制得铂金固化硅胶；所述铂金固化硅胶组分A为铂金固化硅胶基体；所述铂金固化硅胶组分B为铂金固化硅胶固化剂；
步骤S3：将镓铟锡液态金属与铂金固化硅胶进行混合，使得镓铟锡液态金属的体积分数为1%-30%，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2min-3min，而后用真空搅拌机搅拌10min-15min，搅拌时先将搅拌速度设置为900rpm，再将搅拌速度调整至2000rpm，而后将搅拌速度调整至1000rpm，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70μm-80μm，由此制得复合材料；
步骤S4：将步骤S3制得的复合材料在常压下浇筑于可溶性模具中，而后在常温条件下将可溶性模具与复合材料置于真空干燥箱中进行抽真空，抽真空时间为10min；
步骤S5：将可溶性模具与复合材料置于烘箱中进行常压下固化，固化温度为85℃，直至复合材料完全固化；而后将可溶性模具与复合材料放入50℃水中，直至可溶性模具溶解，溶解时间为24h，由此制得柔性介电体。
本发明在工作状态下，人体倚靠靠背，即柔性电容式压力传感器受到压力时，使柔性介电体发生压缩应变，两个柔性极板之间的距离改变，根据电容值公式C=ε0εrA/d，两个柔性极板间距d减少，由于压缩过程中空气被排出两个柔性极板，相对介电常数εr增加，电容值C增加。在此过程中，电容数据采集卡实时采集柔性电容式压力传感器的电容，并将采集结果实时发送至上位机进行显示，上位机根据采集结果控制充气阀对气囊充气，调节人体背部压力。
本发明所述的柔性电容式压力传感器以及汽车自适应调节座椅系统具有如下有益效果：其一：由于独特的制备方式可以到达70%以上的孔隙率，降低了初始电容值，这将会有效的提高灵敏度，并且在压缩应变较高时，空气基本已排出，柔性介电体中的液体金属颗粒相互挤压会降低介电常数，但本发明中拥有椭球体的体心立方结构可以有效延缓柔性介电体中液体金属的过度挤压，保持介电常数的增长。其二：本发明采用了全柔性设计，能够简单方便地贴附于座椅背部与人体腰部之间，灵敏监测背部压力，进而控制气囊调节，并且通过柔性电容式压力传感器对靠背压力分布进行实时监测，以便于监测经过可调节支撑部分调节后，确定压力是否调节到所述的压力。
为了验证上述有益效果，进行如下对比试验：
对比实验一：
由于靠背平均接触压强集中在2kPa-3kPa，靠背最大压强集中在5kPa-7kPa，并分布在上背部、中背部与腰部处，均未超过10kPa，测量了本发明中柔性电容式压力传感器在0kPa-10kPa的连续应力下的电容响应，得到如附图6所示的应力-电容变化率曲线，由此可得灵敏度S，计算公式如下：
S＝δ(ΔC/C0)/δP；
式中：ΔC表示电容变化量，单位为pF；C0表示初始电容，单位为pF；P表示应力，单位为kPa。
由公式得知灵敏度为附图6曲线的斜率。
结论如下：当复合材料中镓铟锡液态金属的体积分数为30%，应变速率为3.5mm/min时，采用长轴为8mm、短轴为3mm的椭球体晶胞体心立方结构的柔性介电体制备的柔性电容式压力传感器的灵敏度在此区间展现出高灵敏度。
对比试验二：
首先，制备长轴为8mm、短轴为3mm的椭球体晶胞体心立方结构的柔性介电体。该柔性介电体采用所含镓铟锡液态金属的体积分数为30％的复合材料制成。
然后，由于应用于汽车自适应调节座椅系统的压力传感器需要有较高的分辨率，采用柔性椭球体晶胞体心立方结构的柔性介电体制备柔性电容式压力传感器，并将5g砝码（对应的压强为20Pa）放置在柔性电容式压力传感器上，得到附图7的电容响应曲线。静应力P与砝码的质量m满足如下关系：
P＝mg/S；
式中：g表示重力加速度，单位为m/s2；S表示柔性极板的有效面积，单位为m2。
由附图7可知：柔性电容式传感器具有较低的检测极限与较高的分辨率。
对比试验三：
首先，制备长轴为8mm、短轴为3mm的椭球体晶胞体心立方结构的柔性介电体。该柔性介电体采用所含镓铟锡液态金属的体积分数为30％的复合材料制成。
人体倚靠后，柔性电容式压力传感器需及时做出响应，采用质量为200g的砝码对柔性电容式传感器加载应力和卸载应力，得到附图8所示的响应时间曲线。
由附图8可知：在加载周期中，响应时间小于70ms。在卸载周期中，响应时间小于70ms，远小于人体对外界刺激的响应时间（400ms）。
对比试验四：
首先，制备长轴为8mm、短轴为3mm的椭球体晶胞体心立方结构的柔性介电体。该柔性介电体采用所含镓铟锡液态金属的体积分数为30％的复合材料制成。
然后，对柔性电容式压力传感器进行耐久性测试，得到附图9所示的耐久性测试曲线。
由附图9可知：柔性电容式压力传感器在整个循环过程中没有电容变化比的衰减和漂移，表现出良好的疲劳特性。
结论如下：采用柔性椭球体晶胞体心立方结构的柔性介电体制备的柔性电容式压力传感器具有很高的潜力，可以在实际应用中以高精度和极好的长期稳定性监测人体倚靠。
本发明提供了一种可控结构的柔性电容式压力传感器及其柔性介电体的制备方法，并将其运用在了汽车座椅靠背支撑处放置自适应调节气囊后的实时监测压力状态，并通过监测出的压力大小进而控制气囊，调节腰部背部压力。
本发明结构合理，有效解决了人体腰部背部没有得到合理的支撑以及支撑长时间处于同一状态会对腰部背部肌肉造成压迫影响血液循环引起肌肉疲劳的问题，适用于倚靠压力监测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中压力监测部分的结构示意图；
图3是本发明中柔性电容式压力传感器的结构示意图；
图4是本发明的外部结构示意图；
图5是人体背部区间示意图；
图6是对比试验一中得到的应力-电容变化率曲线示意图；
图7是对比试验二中得到的电容响应曲线示意图；
图8是对比试验三中得到的响应时间曲线示意图；
图9是对比试验四中得到的耐久性测试曲线示意图。
图中，1-靠背，2-压力感应垫，3-海绵层，4-纵向隔板，5-左腔室，6-气囊，7-高弹棉块，8-气泵，9-气管，10-充气阀，11-柔性电容式压力传感器，12-柔性极板，13-金属涂层，14-柔性球单元，15-柔性棍单元，16-电容数据采集卡，17-导线，18-上背部，19-中背部，20-腰部，21-头枕。
具体实施方式
实施例1
一种智能座舱用自适应背部调节座椅，如附图1-附图4所示，包括头枕21、靠背1和座垫；靠背1的内腔设置有可调节支撑部分；靠背1的右表面设置有压力感应垫2，压力感应垫2的内腔设置有海绵层3与嵌于海绵层3右表面的压力监测部分；还包括控制部分；
如附图1所示，所述可调节支撑部分包括设置于靠背1内腔的纵向隔板4，且纵向隔板4将靠背1的内腔分隔为左腔室5与右腔室；右腔室内设置有三个左表面固定贴合于纵向隔板4的气囊6和设置于气囊6之间的高弹棉块7，且三个气囊6分布于靠背1的上背部、中背部、腰部；左腔室5内设置有气泵8，每个气囊6与气泵8之间均设置有与两者连通的气管9，每个气管9上均设置有充气阀10；每个气囊6上均设置有与其连通的排气阀；
如附图2、附图3所示，所述压力监测部分包括分布于压力感应垫2的上背部、中背部、腰部的三对柔性电容式压力传感器11，且每对柔性电容式压力传感器11均对称分布于压力感应垫2的脊椎部的前后两侧；所述柔性电容式压力传感器11包括两个左右平行分布的柔性极板12，两个柔性极板12的相对表面均设置有金属涂层13；两个柔性极板12之间设置有柔性介电体，柔性介电体的左表面、右表面分别与两个金属涂层13固定贴合；所述柔性介电体包括若干个体心立方排列的柔性球单元14，左右相邻的柔性球单元14之间连接有柔性棍单元15；所述柔性介电体是由硅胶与镓铟锡液态金属混合而成的复合材料制成的；
如附图3所示，所述控制部分包括电容数据采集卡16、32位微控制器；每个金属涂层13均通过导线17与电容数据采集卡16电连接，电容数据采集卡16、各个充气阀10、各个排气阀均与32位微控制器电连接。
所述复合材料中的硅胶为铂金固化硅胶；所述复合材料中镓铟锡液态金属的体积分数为1%；所述复合材料的相对介电常数为εmix，且εmix为2.46；所述镓铟锡液态金属是由如下质量百分比的原料组成的：镓68.5%，铟21.5%，锡10%。
所述柔性球单元14排列为左右分布的三层，贴合于金属涂层13的各个柔性球单元14均呈半椭球形；位于中间层的各个柔性球单元14均呈椭球形；所述柔性棍单元15呈圆柱形。
所述靠背1呈矩形，且其沿纵向的长度为L、沿横向的宽度为B、沿竖向的高度为H，L为400mm，B为150mm，H为500mm；纵向隔板4沿纵向的长度为l、沿竖向的高度为h，且h=4/5H，l=3/5L；位于上侧的第一个气囊6的安装高度为2/3h-h，第二个气囊6的安装高度为1/3h-2/3h，第三个气囊6的安装高度为0-1/3h；柔性电容式压力传感器11与压力感应垫2的脊椎部的纵向间距为80mm；所述柔性极板12是由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的正方形极板，且其边长为20mm、厚度为100μm；所述金属涂层13是厚度为100nm的金层；所述柔性球单元14的长轴长度为5mm、短轴长度为3mm，且其长轴沿竖向布置；所述柔性棍单元15的直径为2mm。
纵向隔板4上开设有若干个左右贯通的通孔；气管9穿于其中一个通孔。
所述控制部分还包括上位机，32位微控制器与上位机电连接。
所述柔性介电体的制备是采用如下步骤实现的：
步骤S1：采用高精度3D打印工艺制备可溶性模具，打印所用材料为PVA线材；所述可溶性模具为柔性介电体的逆结构模具；
步骤S2：将铂金固化硅胶组分A与铂金固化硅胶组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀，由此制得铂金固化硅胶；所述铂金固化硅胶组分A为铂金固化硅胶基体；所述铂金固化硅胶组分B为铂金固化硅胶固化剂；
步骤S3：将镓铟锡液态金属与铂金固化硅胶进行混合，使得镓铟锡液态金属的体积分数为1%，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2min，而后用真空搅拌机搅拌10min，搅拌时先将搅拌速度设置为900rpm，再将搅拌速度调整至2000rpm，而后将搅拌速度调整至1000rpm，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70μm，由此制得复合材料；
步骤S4：将步骤S3制得的复合材料在常压下浇筑于可溶性模具中，而后在常温条件下将可溶性模具与复合材料置于真空干燥箱中进行抽真空，抽真空时间为10min；
步骤S5：将可溶性模具与复合材料置于烘箱中进行常压下固化，固化温度为85℃，直至复合材料完全固化；而后将可溶性模具与复合材料放入50℃水中，直至可溶性模具溶解，溶解时间为24h，由此制得柔性介电体。
实施例2
一种智能座舱用自适应背部调节座椅，包括头枕21、靠背1和座垫；靠背1的内腔设置有可调节支撑部分；靠背1的右表面设置有压力感应垫2，压力感应垫2的内腔设置有海绵层3与嵌于海绵层3右表面的压力监测部分；还包括控制部分；
所述可调节支撑部分包括设置于靠背1内腔的纵向隔板4，且纵向隔板4将靠背1的内腔分隔为左腔室5与右腔室；右腔室内设置有三个左表面固定贴合于纵向隔板4的气囊6和设置于气囊6之间的高弹棉块7，且三个气囊6分布于靠背1的上背部、中背部、腰部；左腔室5内设置有气泵8，每个气囊6与气泵8之间均设置有与两者连通的气管9，每个气管9上均设置有充气阀10；每个气囊6上均设置有与其连通的排气阀；
所述压力监测部分包括分布于压力感应垫2的上背部、中背部、腰部的三对柔性电容式压力传感器11，且每对柔性电容式压力传感器11均对称分布于压力感应垫2的脊椎部的前后两侧；所述柔性电容式压力传感器11包括两个左右平行分布的柔性极板12，两个柔性极板12的相对表面均设置有金属涂层13；两个柔性极板12之间设置有柔性介电体，柔性介电体的左表面、右表面分别与两个金属涂层13固定贴合；所述柔性介电体包括若干个体心立方排列的柔性球单元14，左右相邻的柔性球单元14之间连接有柔性棍单元15；所述柔性介电体是由硅胶与镓铟锡液态金属混合而成的复合材料制成的；
所述控制部分包括电容数据采集卡16、32位微控制器；每个金属涂层13均通过导线17与电容数据采集卡16电连接，电容数据采集卡16、各个充气阀10、各个排气阀均与32位微控制器电连接。
所述复合材料中的硅胶为铂金固化硅胶；所述复合材料中镓铟锡液态金属的体积分数为30%；所述复合材料的相对介电常数为εmix，且εmix为8.1；所述镓铟锡液态金属是由如下质量百分比的原料组成的：镓68.5%，铟21.5%，锡10%。
所述柔性球单元14排列为左右分布的三层，贴合于金属涂层13的各个柔性球单元14均呈半椭球形；位于中间层的各个柔性球单元14均呈椭球形；所述柔性棍单元15呈圆柱形。
所述靠背1呈矩形，且其沿纵向的长度为L、沿横向的宽度为B、沿竖向的高度为H，L为550mm，B为200mm，H为700mm；纵向隔板4沿纵向的长度为l、沿竖向的高度为h，且h=H， l=L；位于上侧的第一个气囊6的安装高度为2/3h-h，第二个气囊6的安装高度为1/3h-2/3h，第三个气囊6的安装高度为0-1/3h；柔性电容式压力传感器11与压力感应垫2的脊椎部的纵向间距为150mm；所述柔性极板12是由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的正方形极板，且其边长为50mm、厚度为200μm；所述金属涂层13是厚度为100nm的金层；所述柔性球单元14的长轴长度为8mm、短轴长度为5mm，且其长轴沿竖向布置；所述柔性棍单元15的直径为2mm。
纵向隔板4上开设有若干个左右贯通的通孔；气管9穿于其中一个通孔。
所述控制部分还包括上位机，32位微控制器与上位机电连接。
所述柔性介电体的制备是采用如下步骤实现的：
步骤S1：采用高精度3D打印工艺制备可溶性模具，打印所用材料为PVA线材；所述可溶性模具为柔性介电体的逆结构模具；
步骤S2：将铂金固化硅胶组分A与铂金固化硅胶组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀，由此制得铂金固化硅胶；所述铂金固化硅胶组分A为铂金固化硅胶基体；所述铂金固化硅胶组分B为铂金固化硅胶固化剂；
步骤S3：将镓铟锡液态金属与铂金固化硅胶进行混合，使得镓铟锡液态金属的体积分数为30%，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌3min，而后用真空搅拌机搅拌15min，搅拌时先将搅拌速度设置为900rpm，再将搅拌速度调整至2000rpm，而后将搅拌速度调整至1000rpm，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为80μm，由此制得复合材料；
步骤S4：将步骤S3制得的复合材料在常压下浇筑于可溶性模具中，而后在常温条件下将可溶性模具与复合材料置于真空干燥箱中进行抽真空，抽真空时间为10min；
步骤S5：将可溶性模具与复合材料置于烘箱中进行常压下固化，固化温度为85℃，直至复合材料完全固化；而后将可溶性模具与复合材料放入50℃水中，直至可溶性模具溶解，溶解时间为24h，由此制得柔性介电体。
实施例3
一种智能座舱用自适应背部调节座椅，包括头枕21、靠背1和座垫；靠背1的内腔设置有可调节支撑部分；靠背1的右表面设置有压力感应垫2，压力感应垫2的内腔设置有海绵层3与嵌于海绵层3右表面的压力监测部分；还包括控制部分；
所述可调节支撑部分包括设置于靠背1内腔的纵向隔板4，且纵向隔板4将靠背1的内腔分隔为左腔室5与右腔室；右腔室内设置有三个左表面固定贴合于纵向隔板4的气囊6和设置于气囊6之间的高弹棉块7，且三个气囊6分布于靠背1的上背部、中背部、腰部；左腔室5内设置有气泵8，每个气囊6与气泵8之间均设置有与两者连通的气管9，每个气管9上均设置有充气阀10；每个气囊6上均设置有与其连通的排气阀；
所述压力监测部分包括分布于压力感应垫2的上背部、中背部、腰部的三对柔性电容式压力传感器11，且每对柔性电容式压力传感器11均对称分布于压力感应垫2的脊椎部的前后两侧；所述柔性电容式压力传感器11包括两个左右平行分布的柔性极板12，两个柔性极板12的相对表面均设置有金属涂层13；两个柔性极板12之间设置有柔性介电体，柔性介电体的左表面、右表面分别与两个金属涂层13固定贴合；所述柔性介电体包括若干个体心立方排列的柔性球单元14，左右相邻的柔性球单元14之间连接有柔性棍单元15；所述柔性介电体是由硅胶与镓铟锡液态金属混合而成的复合材料制成的；
所述控制部分包括电容数据采集卡16、32位微控制器；每个金属涂层13均通过导线17与电容数据采集卡16电连接，电容数据采集卡16、各个充气阀10、各个排气阀均与32位微控制器电连接。
所述复合材料中的硅胶为铂金固化硅胶；所述复合材料中镓铟锡液态金属的体积分数为11%；所述复合材料的相对介电常数为εmix，且εmix为4.50；所述镓铟锡液态金属是由如下质量百分比的原料组成的：镓68.5%，铟21.5%，锡10%。
所述柔性球单元14排列为左右分布的三层，贴合于金属涂层13的各个柔性球单元14均呈半椭球形；位于中间层的各个柔性球单元14均呈椭球形；所述柔性棍单元15呈圆柱形。
所述靠背1呈矩形，且其沿纵向的长度为L、沿横向的宽度为B、沿竖向的高度为H，L为480mm，B为165mm，H为570mm；纵向隔板4沿纵向的长度为l、沿竖向的高度为h，且h=9/10H，l=4/5L；位于上侧的第一个气囊6的安装高度为2/3h-h，第二个气囊6的安装高度为1/3h-2/3h，第三个气囊6的安装高度为0-1/3h；柔性电容式压力传感器11与压力感应垫2的脊椎部的纵向间距为100mm；所述柔性极板12是由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的正方形极板，且其边长为35mm、厚度为180μm；所述金属涂层13是厚度为100nm的金层；所述柔性球单元14的长轴长度为7mm、短轴长度为4mm，且其长轴沿竖向布置；所述柔性棍单元15的直径为2mm。
纵向隔板4上开设有若干个左右贯通的通孔；气管9穿于其中一个通孔。
所述控制部分还包括上位机，32位微控制器与上位机电连接。
所述柔性介电体的制备是采用如下步骤实现的：
步骤S1：采用高精度3D打印工艺制备可溶性模具，打印所用材料为PVA线材；所述可溶性模具为柔性介电体的逆结构模具；
步骤S2：将铂金固化硅胶组分A与铂金固化硅胶组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀，由此制得铂金固化硅胶；所述铂金固化硅胶组分A为铂金固化硅胶基体；所述铂金固化硅胶组分B为铂金固化硅胶固化剂；
步骤S3：将镓铟锡液态金属与铂金固化硅胶进行混合，使得镓铟锡液态金属的体积分数为11%，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2.5min，而后用真空搅拌机搅拌13min，搅拌时先将搅拌速度设置为900rpm，再将搅拌速度调整至2000rpm，而后将搅拌速度调整至1000rpm，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为76μm，由此制得复合材料；
步骤S4：将步骤S3制得的复合材料在常压下浇筑于可溶性模具中，而后在常温条件下将可溶性模具与复合材料置于真空干燥箱中进行抽真空，抽真空时间为10min；
步骤S5：将可溶性模具与复合材料置于烘箱中进行常压下固化，固化温度为85℃，直至复合材料完全固化；而后将可溶性模具与复合材料放入50℃水中，直至可溶性模具溶解，溶解时间为24h，由此制得柔性介电体。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人 员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种智能座舱用自适应背部调节座椅，包括头枕（21）、靠背（1）和座垫；其特征在于：靠背（1）的内腔设置有可调节支撑部分；靠背（1）的右表面设置有压力感应垫（2），压力感应垫（2）的内腔设置有海绵层（3）与嵌于海绵层（3）右表面的压力监测部分；还包括控制部分；
所述可调节支撑部分包括设置于靠背（1）内腔的纵向隔板（4），且纵向隔板（4）将靠背（1）的内腔分隔为左腔室（5）与右腔室；右腔室内设置有三个左表面固定贴合于纵向隔板（4）的气囊（6）和设置于气囊（6）之间的高弹棉块（7），且三个气囊（6）分布于靠背（1）的上背部、中背部、腰部；左腔室（5）内设置有气泵（8），每个气囊（6）与气泵（8）之间均设置有与两者连通的气管（9），每个气管（9）上均设置有充气阀（10）；每个气囊（6）上均设置有与其连通的排气阀；
所述压力监测部分包括分布于压力感应垫（2）的上背部、中背部、腰部的三对柔性电容式压力传感器（11），且每对柔性电容式压力传感器（11）均对称分布于压力感应垫（2）的脊椎部的前后两侧；所述柔性电容式压力传感器（11）包括两个左右平行分布的柔性极板（12），两个柔性极板（12）的相对表面均设置有金属涂层（13）；两个柔性极板（12）之间设置有柔性介电体，柔性介电体的左表面、右表面分别与两个金属涂层（13）固定贴合；所述柔性介电体包括若干个体心立方排列的柔性球单元（14），左右相邻的柔性球单元（14）之间连接有柔性棍单元（15）；所述柔性介电体是由硅胶与镓铟锡液态金属混合而成的复合材料制成的；
所述控制部分包括电容数据采集卡（16）、32位微控制器；每个金属涂层（13）均通过导线（17）与电容数据采集卡（16）电连接，电容数据采集卡（16）、各个充气阀（10）、各个排气阀均与32位微控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能座舱用自适应背部调节座椅，其特征在于：所述复合材料中的硅胶为铂金固化硅胶；所述复合材料中镓铟锡液态金属的体积分数为1%-30%；所述复合材料的相对介电常数为εmix，且εmix的取值范围为2.46-8.1；所述镓铟锡液态金属是由如下质量百分比的原料组成的：镓68.5%，铟21.5%，锡10%。
3.根据权利要求1所述的一种智能座舱用自适应背部调节座椅，其特征在于：所述柔性球单元（14）排列为左右分布的三层，贴合于金属涂层（13）的各个柔性球单元（14）均呈半椭球形；位于中间层的各个柔性球单元（14）均呈椭球形；所述柔性棍单元（15）呈圆柱形。
4.根据权利要求3所述的一种智能座舱用自适应背部调节座椅，其特征在于：所述靠背（1）呈矩形，且其沿纵向的长度为L、沿横向的宽度为B、沿竖向的高度为H，L的取值范围为400mm-550mm，B的取值范围为150mm-200mm，H的取值范围为500mm-700mm；纵向隔板（4）沿纵向的长度为l、沿竖向的高度为h，且4/5H≤h≤H，3/5L≤l≤L；位于上侧的第一个气囊（6）的安装高度为2/3h-h，第二个气囊（6）的安装高度为1/3h-2/3h，第三个气囊（6）的安装高度为0-1/3h；柔性电容式压力传感器（11）与压力感应垫（2）的脊椎部的纵向间距为80mm-150mm；所述柔性极板（12）是由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的正方形极板，且其边长为20mm-50mm、厚度为100μm-200μm；所述金属涂层（13）是厚度为100nm的金层；所述柔性球单元（14）的长轴长度为5mm-8mm、短轴长度为3mm-5mm，且其长轴沿竖向布置；所述柔性棍单元（15）的直径为2mm。
5.根据权利要求1所述的一种智能座舱用自适应背部调节座椅，其特征在于：纵向隔板（4）上开设有若干个左右贯通的通孔；气管（9）穿于其中一个通孔。
6.根据权利要求1所述的一种智能座舱用自适应背部调节座椅，其特征在于：所述控制部分还包括上位机，32位微控制器与上位机电连接。
7.根据权利要求2所述的一种智能座舱用自适应背部调节座椅，其特征在于：所述柔性介电体的制备是采用如下步骤实现的：
步骤S1：采用高精度3D打印工艺制备可溶性模具，打印所用材料为PVA线材；所述可溶性模具为柔性介电体的逆结构模具；
步骤S2：将铂金固化硅胶组分A与铂金固化硅胶组分B按质量比1：1混合并搅拌均匀，由此制得铂金固化硅胶；所述铂金固化硅胶组分A为铂金固化硅胶基体；所述铂金固化硅胶组分B为铂金固化硅胶固化剂；
步骤S3：将镓铟锡液态金属与铂金固化硅胶进行混合，使得镓铟锡液态金属的体积分数为1%-30%，并加入少量无水乙醇以破坏镓铟锡液态金属表面的氧化膜，然后用玻璃棒手动搅拌2min-3min，而后用真空搅拌机搅拌10min-15min，搅拌时先将搅拌速度设置为900rpm，再将搅拌速度调整至2000rpm，而后将搅拌速度调整至1000rpm，使得镓铟锡液态金属的液滴直径为70μm-80μm，由此制得复合材料；
步骤S4：将步骤S3制得的复合材料在常压下浇筑于可溶性模具中，而后在常温条件下将可溶性模具与复合材料置于真空干燥箱中进行抽真空，抽真空时间为10min；
步骤S5：将可溶性模具与复合材料置于烘箱中进行常压下固化，固化温度为85℃，直至复合材料完全固化；而后将可溶性模具与复合材料放入50℃水中，直至可溶性模具溶解，溶解时间为24h，由此制得柔性介电体。
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- 2022-09-03 CN CN202211074638.0A patent/CN115179830B/zh active Active
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