[发明专利]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

说明书

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。

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。