CN116173485A - 面向足球运动员的智能护腿板及其制备方法 - Google Patents

面向足球运动员的智能护腿板及其制备方法 Download PDF

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卢文孝
曹宇杰
陈涛
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Abstract

本发明公开了一种面向足球运动员的智能护腿板及其制备方法，其包括护腿板外壳以及连接所述护腿板外壳的绑带，所述护腿板外壳的内侧设置一施压气囊，所述施压气囊的内侧设置一用以监控心率的阵列式压力传感器和一用以监控血氧的血氧感知单元，还包括一电连接所述阵列式压力传感器和血氧感知单元的电路板、给所述电路板和阵列式压力传感器供电的供电模块，所述电路板包括处理所述阵列式压力传感器和血氧感知单元的数据的处理单元和向外传输数据的传输单元。本发明的护腿板包括心率、血压、血氧等多个感知单元，实现多参数的同时检测，解决了目前护腿板集成度低，测量参数单一等问题。

Description

面向足球运动员的智能护腿板及其制备方法
技术领域
本发明涉及护腿板领域，尤其涉及一种面向足球运动员的智能护腿板及其制备方法。
背景技术
柔性压阻传感器的工作原理是将一系列力学信号(如外加压力等)转换为依据传感器电阻变化而变化的电信号，通过施加外力，改变感测材料的导电路径而产生电阻效应，从而改变电阻值，通过预先建立的检测电路，可根据电信号的变化直接检测电阻，从而检测力学信号的变化。作为一种常见的压力传感器，柔性压阻传感器具有检测范围广、信号易获取以及实验测试设备简单等优点。
随着足球运动职业化水平越来越高，足球运动员的运动状态数据成为了训练规划的重要依据，足球运动员由于运动的特殊性往往不允许佩戴手环手表等设备，因此足球运动员的心率、血氧数据很难被监测到，因而不能对足球运动员心率、血氧等进行的进行监测与并未来身体素质的预测判断提供数据支持，这也进一步导致目前足球人才选拔中存在“没有客观选拔标准”的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决或部分解决上述问题的面向足球运动员的智能护腿板及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种面向足球运动员的智能护腿板，其包括护腿板外壳以及连接所述护腿板外壳的绑带，其特征在于：所述护腿板外壳的内侧设置一施压气囊，所述施压气囊的内侧设置一用以监控心率的阵列式压力传感器和一用以监控血氧的血氧感知单元，还包括一电连接所述阵列式压力传感器和血氧感知单元的电路板、给所述电路板和阵列式压力传感器供电的供电模块，所述电路板包括处理所述阵列式压力传感器和血氧感知单元的数据的处理单元和向外传输数据的传输单元。
优选的，所述阵列式压力传感器为薄膜型柔性压力传感器或离子凝胶型柔性压力传感器。
优选的，所述阵列式压力传感器为薄膜型柔性压力传感器，所述薄膜型柔性压力传感器包括：
压力感应层，用以将压力转为电信号；
电极层，包括若干个用以电连接所述压力感应层的电极，还包括连接所述电极以向外传输所述电信号的传输线；
柔性封装层，由柔性绝缘材料制成，用以封闭所述压力感应层和电极层；
所述压力感应层包括对应所述电极设置的多个感应单元；
所述感应单元均包括由聚合物基体和碳系导电填料混合制成，所述聚合物基体由柔性材料制成，所述碳系导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑中的一种或多种；
所述电极层包括由柔性绝缘材料制成的柔性基底，所述电极和传输线由设置在所述柔性基底上的导电油墨制成。
优选的，所述聚合物基体是PDMS、聚酚氧树脂中的一种或多种混合而成；
所述导电油墨通过印刷、喷涂或旋涂工艺中的一种或多种工艺设置到所述柔性基底上；
所述电极层包括4个呈2×2阵列设置的所述电极，所述电极由所述导电油墨通过丝网印刷至所述柔性基底上制成；
所述导电油墨为金系导电油墨、银系导电油墨、铜系导电油墨、碳系导电油墨中的一种或多种；
所述柔性基底是PET、P I、PE和热塑性聚氨酯中的一种或多种材料制成；
所述柔性封装层通过不干胶或热压工艺封装所述压力感应层和电极层。
优选的，所述血氧感知单元包括两个发光二极管、以及由4个光电探测器呈2×2阵列排列组成的光学传感器。
优选的，所述发光二极管为无机发光二极管或有机发光二极管，所述光电探测器为无机光电探测器或有机光电探测器。
优选的，所述施压气囊是由TPU或乳胶等材质热压合成的一层或多层气囊结构。
本发明还提供一种用以制备所述的面向足球运动员的智能护腿板的制备方法，其包括以下步骤：
S1)利用3D打印光固化技术，以树脂或塑料为材料制作贴合人体胫骨的护腿板外壳；
S2)通过热压技术，以TPU或乳胶材料，在所述护腿板外壳内侧热压形成施压气囊；
S3)将阵列式压力传感器与血氧感知单元固定在所述施压气囊上；
S4)将电路板设置在所述护腿板外壳的内侧；
S5)将阵列式压力传感器、血氧感知单元与电路板的引脚连接；
S6)将供电模块与护腿板外壳固定并与电路板的引脚连接；
S7)将带魔术贴的绑带与护腿板外壳固定。
本发明的有益效果是：本发明提供的智能护腿板包括心率、血氧检测感知单元、施压气囊、信号处理与传输模块、供电模块、护腿板外壳以及固定魔术贴。其中，采用柔性材料作为基底的柔性高、集成度高、抗干扰能力高的柔性压阻式传感器，作为心率检测感知单元；并采用柔性感知模块与柔性电路模块，使得感知单元与护腿板的贴合度高，有效解决了感知单元与护腿板曲面结合度差的问题；并提高了检测的准确性及佩戴的舒适性。另一方面，本发明的护腿板还包括心率、血压、血氧等多个感知单元，实现多参数的同时检测，解决了目前护腿板集成度低，测量参数单一等问题。本发明为足球远动员生理状态的实时检测提供一种新方法。
附图说明
图1是本发明的面向足球运动员的智能护腿板的分解结构示意图；
图2是本发明的电路板的模块框图；
图3为本发明的阵列式压力传感器的分解结构示意图；
图4是电极层的结构示意图；
图5为本发明某一实施例的阵列式压力传感器的电学性能图；
图6为本发明某一实施例的阵列式压力传感器采集到的腿部脉搏。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“水平”等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。
如图1至图6所示，本发明面向足球运动员的智能护腿板包括护腿板外壳1以及连接护腿板外壳1的绑带2。护腿板外壳1的内侧设置一施压气囊3，施压气囊3的内侧设置一用以监控心率的阵列式压力传感器4和一用以监控血氧的血氧感知单元5。还包括一电连接阵列式压力传感器4和血氧感知单元5的电路板6、给电路板6和阵列式压力传感器4供电的供电单元7(例如锂电池)。电路板6包括接收阵列式压力传感器4和血氧感知单元5的数据的信号处理单元，处理阵列式压力传感器4和血氧感知单元5的数据的处理单元和向外传输数据的传输单元(可通过蓝牙模块进行数据传输)；并提供数据下载的接口(即下载模块，如USB接口、M I CROUSB接口)。
其中，阵列式压力传感器4为薄膜型柔性压力传感器或离子凝胶型柔性压力传感器。血氧感知单元5包括两个发光二极管、以及由4个光电探测器呈2×2阵列排列组成的光学传感器；发光二极管为无机发光二极管或有机发光二极管，光电探测器为无机光电探测器或有机光电探测器。施压气囊3是由TPU或乳胶等材质热压合成的一层或多层气囊3结构。
其工作原理是，预先在施压气囊3内充气，使得其内侧的阵列式压力传感器4和血氧感知单元5紧贴使用者的胫骨，从而方便阵列式压力传感器4监控心率、血氧感知单元5监控血氧。阵列式压力传感器4和血氧感知单元5通过信号处理单元传输给处理单元，并通过蓝牙模块实时向外输出或通过下载模块非实时地向外输出。
进一步地，本发明的阵列式压力传感器包括：
压力感应层10，用以将压力转为电信号；
电极层12，包括若干个用以电连接压力感应层10的电极20，还包括连接电极20以向外传输电信号的传输线22；
柔性封装层14，由柔性绝缘材料制成，用以封闭压力感应层10和电极层12。
其中，压力感应层10包括对应电极20设置的多个感应单元16，感应单元16均包括由聚合物基体和碳系导电填料按质量比8：1混合制成。聚合物基体由柔性材料制成，碳系导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑中的一种或多种；
电极层12包括由柔性绝缘材料制成的柔性基底18，电极20和传输线22由设置在柔性基底18上的导电油墨制成。
聚合物基体是PDMS(聚二甲基硅氧烷)、聚酚氧树脂中的一种或多种混合而成。
导电油墨为金系导电油墨、银系导电油墨、铜系导电油墨、碳系导电油墨中的一种或多种。导电油墨通过印刷、喷涂或旋涂工艺中的一种或多种工艺设置到柔性基底18上。
电极层12包括4个呈2×2阵列设置的电极20，电极20由导电油墨通过丝网印刷至柔性基底18上制成。
柔性基底18是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、P I(聚酰亚胺)、PE(聚乙烯)和热塑性聚氨酯中的一种或多种材料制成。
柔性封装层14通过不干胶或热压工艺封装压力感应层10和电极层12。
本发明的阵列式压力传感器4采用以下方法来制备：
S1)在具有设定形状的模具上通过热塑成型的方式制备柔性基底18；
S2)在柔性基底18上，通过丝网印刷技术，以导电油墨为印刷材料，印刷连接压力感应层10的电极20以及传输线22；
S3)将聚合物基体和碳系导电填料混合制成混合均匀的混合物，在柔性基底18上旋涂混合物，以作为感应单元16；
S4)通过柔性绝缘材料将压力感应层10和电极层12利用热压工艺封装在一起。
本发明在柔性基底18上，通过丝网印刷技术，以导电油墨为印刷材料，印刷连接压力感应层10的电极20以及传输线22；聚合物基体和碳系导电填料混合制成混合均匀的混合物，在柔性基底18上旋涂混合物，以作为感应单元16，加工方便，且可以使得整体厚度尽可能降低，从而更适应穿戴式设备。如图3所示，本发明的电学性能符合设计要求，并可以如图4所示，很好地采集到腿部脉搏，说明其结构可以经得起实践的考验。
具体的，本发明的阵列式压力传感器4可以通过下述几个实施例的方式来制备。
实施例1
将PDMS预聚体作为聚合物基体与正己烷混合稀释，然后将石墨烯导电填料与正己烷混合搅拌，之后将二者混合超声至溶液粘稠，加入与PDMS预聚体质量0.2份的固化剂混合均匀，以1000r/mi n的转速旋涂30s到PET薄膜上，100℃下加热3小时，得到压力感应层10。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在PET印刷一层电极20和传输线22；放入烘箱中，在120℃下加热3小时，制作得到电极层12。使用热压机将压力感应层10和电极层12热压在一起，形成完整的阵列式压力传感器4。
实施例2
将PDMS预聚体与正己烷混合稀释，然后将石墨烯导电填料与正己烷混合搅拌，之后将二者混合超声至溶液粘稠，加入与预聚体质量0.2份的固化剂混合均匀，以1000r/mi n的转速旋涂30s到PET薄膜上，100℃下加热3小时，得到压力感应层10。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在PET印刷一层电极20和传输线22，放入烘箱中，120℃加热3小时，制作成电极层12。使用热压机将二者热压在一起，形成完整的阵列式压力传感器4。
实施例3
将PDMS预聚体与正己烷混合稀释，然后将碳纳米管导电填料与正己烷混合搅拌，之后将二者混合超声至溶液粘稠，加入与预聚体质量0.1份的固化剂混合均匀，以1000r/min的转速旋涂30s到PET薄膜上，100℃下加热3小时，得到压力感应层10。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在PET印刷一层电极20，放入烘箱中，120℃加热3小时，制作成电极层12。使用热压机将二者热压在一起，形成完整的阵列式压力传感器4。
实施例4
将PDMS预聚体与正己烷混合稀释，然后将碳纳米管导电填料与正己烷混合搅拌，之后将二者混合超声至溶液粘稠，加入与预聚体质量0.2份的固化剂混合均匀，以1000r/min的转速旋涂30s到PET薄膜上，100℃下加热3小时，得到压力感应层10。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在PET印刷一层电极20，放入烘箱中，120℃加热3小时，制作成导电电极20。使用热压机将二者热压在一起，形成完整的阵列式压力传感器4。
实施例5
将PDMS预聚体与正己烷混合稀释，然后将炭黑导电填料与正己烷混合搅拌，之后将二者混合超声至溶液粘稠，加入与预聚体质量0.1份的固化剂混合均匀，以1000r/mi n的转速旋涂30s到PET薄膜上，100℃下加热3小时，得到压力感应层10。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在PET印刷一层电极20，放入烘箱中，120℃加热3小时，制作成导电电极20。使用热压机将二者热压在一起，形成完整的阵列式压力传感器4。
实施例6
将PDMS预聚体与正己烷混合稀释，然后将炭黑导电填料与正己烷混合搅拌，之后将二者混合超声至溶液粘稠，加入与预聚体质量0.2份的固化剂混合均匀，以1000r/mi n的转速旋涂30s到PET薄膜上，100度加热3小时，得到压力感应层10。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在PET印刷一层电极20，放入烘箱中，120℃加热3小时，制作成导电电极20。使用热压机将二者热压在一起，形成完整的阵列式压力传感器4。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种面向足球运动员的智能护腿板，其包括护腿板外壳以及连接所述护腿板外壳的绑带，其特征在于：所述护腿板外壳的内侧设置一施压气囊，所述施压气囊的内侧设置一用以监控心率的阵列式压力传感器和一用以监控血氧的血氧感知单元，还包括一电连接所述阵列式压力传感器和血氧感知单元的电路板、给所述电路板和阵列式压力传感器供电的供电模块，所述电路板包括处理所述阵列式压力传感器和血氧感知单元的数据的处理单元和向外传输数据的传输单元。
2.根据权利要求1所述的面向足球运动员的智能护腿板，其特征在于：所述阵列式压力传感器为薄膜型柔性压力传感器或离子凝胶型柔性压力传感器。
3.根据权利要求2所述的面向足球运动员的智能护腿板，其特征在于：所述阵列式压力传感器为薄膜型柔性压力传感器，所述薄膜型柔性压力传感器包括：
压力感应层，用以将压力转为电信号；
电极层，包括若干个用以电连接所述压力感应层的电极，还包括连接所述电极以向外传输所述电信号的传输线；
柔性封装层，由柔性绝缘材料制成，用以封闭所述压力感应层和电极层；
所述压力感应层包括对应所述电极设置的多个感应单元；
所述感应单元均包括由聚合物基体和碳系导电填料混合制成，所述聚合物基体由柔性材料制成，所述碳系导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑中的一种或多种；
所述电极层包括由柔性绝缘材料制成的柔性基底，所述电极和传输线由设置在所述柔性基底上的导电油墨制成。
4.根据权利要求3所述的面向足球运动员的智能护腿板，其特征在于：所述聚合物基体是PDMS、聚酚氧树脂中的一种或多种混合而成；
所述导电油墨通过印刷、喷涂或旋涂工艺中的一种或多种工艺设置到所述柔性基底上；
所述电极层包括4个呈2×2阵列设置的所述电极，所述电极由所述导电油墨通过丝网印刷至所述柔性基底上制成；
所述导电油墨为金系导电油墨、银系导电油墨、铜系导电油墨、碳系导电油墨中的一种或多种；
所述柔性基底是PET、PI、PE和热塑性聚氨酯中的一种或多种材料制成；
所述柔性封装层通过不干胶或热压工艺封装所述压力感应层和电极层。
5.根据权利要求1所述的面向足球运动员的智能护腿板，其特征在于：所述血氧感知单元包括两个发光二极管、以及由4个光电探测器呈2×2阵列排列组成的光学传感器。
6.根据权利要求5所述的面向足球运动员的智能护腿板，其特征在于：所述发光二极管为无机发光二极管或有机发光二极管，所述光电探测器为无机光电探测器或有机光电探测器。
7.根据权利要求1所述的面向足球运动员的智能护腿板，其特征在于：所述施压气囊是由TPU或乳胶等材质热压合成的一层或多层气囊结构。
8.一种用以制备权利要求1至7其中之一所述的面向足球运动员的智能护腿板的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1)利用3D打印光固化技术，以树脂或塑料为材料制作贴合人体胫骨的护腿板外壳；
S2)通过热压技术，以TPU或乳胶材料，在所述护腿板外壳内侧热压形成施压气囊；
S3)将阵列式压力传感器与血氧感知单元固定在所述施压气囊上；
S4)将电路板设置在所述护腿板外壳的内侧；
S5)将阵列式压力传感器、血氧感知单元与电路板的引脚连接；
S6)将供电模块与护腿板外壳固定并与电路板的引脚连接；
S7)将带魔术贴的绑带与护腿板外壳固定。
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