[发明专利]多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统和方法在审

专利信息
申请号: 202011452775.4 申请日: 2020-12-11
公开(公告)号: CN112472033A 公开(公告)日: 2021-03-12
发明(设计)人: 倪娜;刘超;李东波;张陵 申请(专利权)人: 西安建筑科技大学
主分类号: A61B5/00 分类号: A61B5/00;A61B5/11
代理公司: 西安智大知识产权代理事务所 61215 代理人: 何会侠
地址: 710055*** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 多层 离子 皮肤 手指 关节 运动 角度 测量 系统 方法
【说明书】:

发明公开了一种多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统和方法,它解决了现有柔性应变传感器对于手指关节角度测量灵敏度、线性度不高和测量角度范围受限的问题,具有通过柔性多层离子皮肤电容变化来获取手指关节角度的有益效果,其方案如下:一种多层离子皮肤手指关节角度测量系统,包括由n层介电弹性体与n+1层离子凝胶电极交替堆叠而成的多层离子皮肤即应变传感单元,可穿戴于手指关节;电容测量装置,用于应变传感单元电容值采集;手指关节角度测量装置,与电容测量装置连接,电容测量装置将采集到的电容值传送到手指关节角度测量装置,手指关节角度测量装置根据电容值得到手指关节的角度。

技术领域

本发明涉及手指关节运动角度测量技术领域,具体涉及一种多层离子皮肤的手指关节运动角度测量系统和方法。

背景技术

在康复工程和人机工程中,手指运动状态可量化评估是非常重要的。为了对日常的康复运动和机械手关节运动进行有效的可量化评估,简单、便携而不影响关节运动的传感系统是非常必要的。

电子皮肤的发展,为手指运动监测提供了有利的条件。柔软的电子皮肤应变传感器主要包括压电式、压阻式、光纤式、电容式等。大部分的电子皮肤只是简单的展示了手指弯曲时会有电信号的突变,没有定量的给出手指关节角度与输出电信号的关系,不能准确的进行手指关节角度的测量。一些柔性应变传感器虽然研究了手指关节角度变化与电信号的关系,但是由于受到传感材料最大拉伸率的影响,限制了关节角度可测量的范围,并且阈值有待降低,例如压电式和压阻式应变传感器就是如此。此外,也存在传感器与关节贴合度较差、制备工艺复杂的问题,例如柔性光纤式应变传感器。

电容式应变传感器在大拉伸率、柔软度和贴合度方面展现出很好的特性,但其灵敏度、线性度不高,并且缺乏输出力电转换模型(电信号与手指关节弯曲角度的理论模型),不能满足微操纵抓取机械手和康复训练患者手指关节微小弯曲角度测量的要求。

因此,现有技术中,基于可穿戴的柔性应变传感器对于手指关节角度测量的方法存在灵敏度和线性度不高、测量角度范围受限等问题。

发明内容

为了高灵敏度、优良线性度和大范围测量手指关节运动角度,本发明提出一种由多层介电弹性体和高保水性的离子凝胶电极构成的电容式应变传感单元,简称多层离子皮肤,并基于该多层离子皮肤提出手指关节角度测量系统和方法。该多层离子皮肤手指关节角度测量系统具有灵敏度高、最小测量角度(阈值)微小、可以测量手指关节从展平状态到完全弯曲状态的各个角度等优点。

为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:

一种多层离子皮肤手指关节运动角度测量系统,包括依次连接的柔性多层离子皮肤、电容测量装置和手指关节角度测量装置;

所述柔性多层离子皮肤即应变传感单元,通过具有粘性的丙烯酸弹性体双面胶,被粘贴于伸直状态的手指关节处;

所述电容测量装置,用于采集柔性多层离子皮肤电容值;

所述手指关节角度测量装置,电容测量装置将采集到的电容数据传送到手指关节角度测量装置,手指关节角度测量装置根据电容值得到手指关节运动角度;

所述手指关节角度测量装置包括电源、力电转换模块、滤波模块、显示面板及存储模块;力电转换模块将电容值根据力电转换标定模型转换为手指关节运动角度值,滤波模块用于消除干扰杂讯,确保输出稳定的手指关节运动角度值,显示面板用于实时显示手指关节运动角度数值,存储模块用于存储手指关节运动角度数值。

进一步地,所述柔性多层离子皮肤包括交替堆叠的n层尺寸相同的介电弹性体与n+1层相同尺寸的离子凝胶电极,即每层介电弹性体2i均被上表面离子凝胶电极2i-1和下表面离子凝胶电极2i+1覆盖,其中,i=1,2,3,…,n,离子凝胶电极2i-1与离子凝胶电极2i+3的接头相连,离子凝胶电极2i+1与离子凝胶电极2i+5的接头相连,形成n个电容器并联的多层结构;所述多层结构用硅橡胶薄膜封装。

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