[发明专利]一种基于摩擦电式传感器的跑步状态监测系统

说明书

本发明公开了一种基于摩擦电式传感器的跑步状态监测系统，包括用于躯干信息监测的第一摩擦电式传感器和用于步频信息监测的第二摩擦电式传感器；第一摩擦电式传感器依次包括摩擦起电层、电极层和柔性衬底；摩擦起电层用于与皮肤接触产生表面电荷；电极层用于收集电荷，引出一根导线作为电荷流通的路径；柔性衬底用于避免电极层磨损；第二摩擦电式传感器包括上基底层、上电极层、上摩擦起电层、下基底层和下摩擦起电层；上基底层和下基底层表面均设有长方形凸起结构。本发明基于摩擦电式传感器的跑步状态监测系统通过对肘关节、膝关节、腹部和足底的传感器的电信号进行采集，实现了高效、稳定的监测正常跑步、运动能力不足和呼吸困难三种跑步状态。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于摩擦电式传感器的跑步状态监测系统。

背景技术

随着人工智能与物联网时代的来临，人们所处社会的压力越来越大，大众群体需要一种适宜的解压方式。而跑步是一种日常便捷的体育锻炼方法，对释放压力、提高体内新陈代谢、促进荷尔蒙分泌、提升心肺功能等方面有巨大的好处。但与此同时，虽然跑步是全民健身中比较普及、动作简单的运动形式，但其引起的意外伤害事故却频繁发生。究其原因，很大程度上缘于大量健身跑者对跑步风险的认知不足。伤害事故发生往往是瞬间的、不可预测的，跑者可能都不清楚自身实际的健康情况就盲目的进行不适量运动。有资料显示，对于在跑步中出现的头晕、目眩等现象，受访者却只认为是运动疲劳而未及时体检或就医。由此可见，适合于大众日常的、健康化、个性化的跑步状态监测显得尤为必要。

如今深度摄像头、红外探测设备以及雷达设备在一定程度上可应用于监测人体的跑步状态。然而这些方式大多局限于室内环境，当所处环境复杂时，其测量的结果往往与实际值产生较大的偏差，不仅如此，由于信息技术的飞速发展，这类方法可能成为黑客侵犯他人隐私的途径。因此，对于可以实现直接传感，同时具有环境适应性强、精度高、稳定性佳的可穿戴传感器的研究就变得有一定的价值和意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于摩擦电式传感器的跑步状态监测系统，其可通过采集肘关节、膝关节、呼吸和步频信息识别正常跑步、运动能力不足和呼吸困难三种状态。

本发明采用如下技术方案：

一种基于摩擦电式传感器的跑步状态监测系统，包括用于躯干信息监测的第一摩擦电式传感器和用于步频信息监测的第二摩擦电式传感器；

第一摩擦电式传感器依次包括摩擦起电层、电极层以及柔性衬底；摩擦起电层用于与皮肤接触产生表面电荷；电极层用于收集电荷，引出一根导线作为电荷流通的路径；柔性衬底用于避免电极层磨损；

第二摩擦电式传感器从上至下依次包括上基底层、上电极层、上摩擦起电层、下基底层以及下摩擦起电层；上基底层和下基底层表面均设有长方形凸起结构；上电极层用于收集电荷，引出一根导线作为电荷流通的路径；上摩擦起电层用于产生表面电荷；下摩擦起电层用于产生表面电荷和收集电荷，引出一根导线作为电荷流通的路径。

进一步地，柔性衬底采用PI材质。

进一步地，电极层由TPU、炭黑和铁粉混合而成，制备时TPU与其溶剂DMF的质量比为1:6，TPU和DMF的混合溶液与炭黑的质量比为5:1～15:1，TPU、DMF和炭黑的混合溶液与铁粉的质量比为10:1～30:1.

进一步地，摩擦起电层采用PDMS，制备时PDMS中树脂与固化剂的质量比为10:1～20:1。

进一步地，摩擦起电层选择80目的砂纸作为微结构的模具。

进一步地，上基底层采用PLA材质，其下表面设有长方形凸起结构。

进一步地，下基底层采用PLA材质，其上表面设有与上基底对应的长方形凸起结构。

进一步地，上电极层采用Al材质。