可穿戴自驱动弯曲传感器及手指关节弯曲监测系统技术方案

本发明专利技术为可穿戴自驱动弯曲传感器及手指关节弯曲监测系统，可穿戴自驱动弯曲传感器在工作过程中，通过从豁口引出的转子柔性电路板一端固定在手指关节的一侧面，使得转子柔性电路板能跨过手指关节所在区域即可，可穿戴自驱动弯曲传感器的主要部分固定在手指关节的背面，在转子柔性电路板的拉力和与之作用方向相反的扭力弹簧的扭转力共同作用下，定子柔性电路板与转子柔性电路板之间具有一定的压力，保证了两者的充分接触，传感器的输出信号更加稳定可靠。本发明专利技术功耗低，可以定量化分析手指关节的弯曲角度，并可以将电极单元的宽度设计的更小，进一步提高分辨率。进一步提高分辨率。进一步提高分辨率。

【技术实现步骤摘要】
可穿戴自驱动弯曲传感器及手指关节弯曲监测系统


[0001]本专利技术涉及关节弯曲监测
，具体涉及一种可穿戴自驱动弯曲传感器及应用该传感器的手指关节弯曲监测系统。

技术介绍

[0002]目前，随着科学技术的快速发展，可穿戴技术得到广泛的应用，其中用于人体关节弯曲监测的传感器作为可穿戴器件中不可或缺的一部分，被广泛应用于人体健康监测、运动监测以及人机交互领域。对于关节弯曲监测的技术包括视觉跟踪、生理信号采集、机械信号采集等。其中视觉跟踪技术需要依靠深度摄像机，但其并不适于可穿戴领域，并且在背景复杂的环境中，受干扰影响大，计算算法复杂，识别困难；生理信号采集技术，易受人体自身状态的影响，信息捕捉不稳定；机械信号采集技术相较于其他技术，受环境影响较小，工作状态相对独立，能够实时准确的直接传感人体关节的弯曲状态信息。
[0003]在人体关节弯曲和伸展过程中蕴含着丰富且可持续的生物机械动能，如果能利用摩擦纳米发电机(TENG)的自驱动传感技术将这些生物机械能量转化为电信号对人体关节弯曲状态进行表征，使其成为一种自驱动传感单元应用于人体关节弯曲监测，将会大大扩展可穿戴电子在相关领域的运用。而现有的关节弯曲传感器采用卷簧作为回弹结构，外形为徽章形和绳索传动结构，整体体积大，且小型化困难，只适合于侧贴在关节处进行测量，无法使用在手指关节此类小面积部位。此外采用电位器进行位移监测，体积也较大，也不利于传感器进一步地小型化，高精度生产。
[0004]因此对于开发一种高精度、抗干扰能力强、小型化的可用于手指关节的自驱动可穿戴弯曲传感器及手指关节弯曲监测系统的需求迫切。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，针对目前手指关节弯曲监测中存在的抗干扰能力差，集成程度低，小型化困难，不易穿戴的问题，提出一种体积小精度高的可穿戴自驱动弯曲传感器及手指关节弯曲监测系统。将可穿戴自驱动弯曲传感器进行小型化的设计，以满足手指关节此类小面积部位的使用。系统中可穿戴自驱动弯曲传感器采用扭力弹簧回弹结构，为传感器提供了一个回弹力，使传感器可以循环工作，并且为条状转子柔性电路板提供了一种新的收纳方式，空间利用率高，使传感器的整体设计更加小型化。
[0006]本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种可穿戴自驱动弯曲传感器，包括定子柔性电路板44、转子柔性电路板42、上固定盖1、扭力弹簧3、转筒41、夹层43、卡扣转盘5、外壳2、下固定盖7、联动组件，上述部件均同轴安装，所述的定子柔性电路板44、转子柔性电路板42、转筒41、夹层43构成摩擦纳米发电机传感装置；
[0008]所述外壳为圆柱筒型，沿外壳高度方向设置有豁口，豁口的上下两端设置有卡槽，所述夹层为高度小于外壳的圆柱筒，夹层43沿其高度方向也设置有豁口，外壳套在夹层外
部，且外壳的豁口和夹层的豁口平行相对；所述上固定盖1、下固定盖7的侧面凸起部分与外壳2上的卡槽对齐组装在一起，形成封闭空间，将所有部件封装起来；
[0009]所述上固定盖1的下表面中心设置有用于扭力弹簧3固定的圆环形凹槽，在环形凹槽的外围的上固定盖1的下表面设置有用于夹层43固定的扇形凹槽，在上固定盖1的侧面设置有凸起部分，用于与外壳固定限位；
[0010]所述定子柔性电路板电极层朝内粘贴在夹层的外壁表面，定子柔性电路板的长度与夹层的外壁表面周长相等；所述转子柔性电路板一端电极层朝内粘贴在转筒外壁表面，并绕转筒缠绕若干圈，后通过夹层的豁口出引出，再绕夹层的外壁表面所粘贴的定子柔性电路一圈，后通过外壳的豁口处引出；所述转筒嵌套在夹层内；
[0011]所述扭力弹簧3上端嵌入到上固定盖1上的圆环形凹槽里进行固定，转筒扣套住扭力弹簧，扭力弹簧的下端与卡扣转盘固定在一起，扭力弹簧的下部固定在卡扣转盘5和转筒41内壁之间；夹层43嵌入在上固定盖1的扇形凹槽里进行固定；
[0012]所述联动组件与下固定盖7进行固定。
[0013]所述联动组件为电位器，此时所述卡扣转盘5包括粗细不同的两个圆柱部分和一个长方体部分，粗的圆柱部分的上下两个端面分别固定细的圆柱部分和长方体部分，所述长方体部分为扁平型，沿高度方向能够插进所述的电位器6的调节转子里，长方体部分的尺寸与电位器的调节转子上的凹槽一致，由于长方体部分的连接，使得卡扣转盘5与电位器6在转筒41发生转动时发生联动；所述电位器的三个引脚穿过下固定盖7并固定在下固定盖上。
[0014]所述定子柔性电路板的宽度小于夹层外壁的高度，定子柔性电路板的长度为27mm，宽度为11mm，夹层的高度为12.5mm，夹层的豁口宽度为3mm，长度为12.5mm，夹层43的厚度为0.8mm，外壁半径为4.9mm；外壳的豁口宽度为3mm，长度为17mm，转子柔性电路板的宽度比定子柔性电路板的宽度小1mm，同时卡扣转盘的长方体部分嵌入在电位器调节转子的凹槽里1mm，而电位器的调节转子的凹槽深度为2mm，这相差的1mm能为转筒保留的轴向活动量；扭力弹簧的线材直径为0.5mm，平均螺旋直径为4.5mm，长度为12.5mm；电位器的高度为4mm，下固定盖的半径为5.7mm，厚度为1mm。
[0015]所述联动组件为薄膜压力传感器，所述卡扣转盘5包括粗细不同的两个圆柱部分，细圆柱部分固定于粗圆柱部分上表面，二者一体成型，卡扣转盘下表面不具有长方体部分，为光滑的圆面；使用卡扣转盘5细圆柱部分扣在扭力弹簧的下端里边，夹层嵌入到上固定盖1的圆环形凹槽里进行固定；
[0016]所述外壳的内壁下部圆周方向上还设置有若干凸起，凸起沿外壳高度方向设置，凸起位于转筒的下部；所述薄膜压力传感器固定片9的直径小于外壳内径，薄膜压力传感器固定片9的外圈有若干数量的固定凹槽，固定凹槽的数量与外壳内壁上凸起数量相同，固定凹槽与外壳内壁上的凸起相配合，限制水平方向的移动，以保证其只发生轴向位移；
[0017]所述薄膜压力传感器10粘贴在薄膜压力传感器固定片9的上表面上，且位于卡扣转盘粗圆柱部分的下表面；
[0018]所述薄膜压力传感器固定片9的下表面和下固定盖7的上表面均设置有用于固定压缩弹簧8的凹槽，压缩弹簧8一端固定在薄膜压力传感器固定片的凹槽里，另一端固定在下固定盖的凹糟里，当卡扣转盘5发生轴向位移时，带动薄膜压力传感器和薄膜压力传感器
固定片同时发生轴向位移。
[0019]所述定子柔性电路板包括电介质层和电极层，其中电介质层作为该摩擦纳米发电机单元的一个摩擦层，制作材料包括各类易得电子的聚合物材料；其中电极层作为感应电荷流动的感应电极，具有周期性均匀分布的叉指电极，制作材料包括各类导电材料；所述转子柔性电路板包括基底层和电极层，其中基底层作为电极层的衬底，制作材料为绝缘材料；电极层为摩擦纳米发电机单元的一个摩擦层，具有周期性均匀分布的条状导电栅格电极阵列，制作材料包括各类易失电子的材料；所述定子柔性电路板的电极层的叉指电极间隙小于叉指电极的宽度；所述定子柔性电路板的电极层的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴自驱动弯曲传感器，其特征在于，包括定子柔性电路板、转子柔性电路板、上固定盖、扭力弹簧、转筒、夹层、卡扣转盘、外壳、下固定盖、联动组件，上述部件均同轴安装，所述的定子柔性电路板、转子柔性电路板、转筒、夹层构成摩擦纳米发电机传感装置；所述外壳为圆柱筒型，沿外壳高度方向设置有豁口，豁口的上下两端设置有卡槽，所述夹层为高度小于外壳的圆柱筒，夹层沿其高度方向也设置有豁口，外壳套在夹层外部，且外壳的豁口和夹层的豁口平行相对；所述上固定盖、下固定盖的侧面凸起部分与外壳上的卡槽对齐组装在一起，形成封闭空间，将所有部件封装起来；所述上固定盖的下表面中心设置有用于扭力弹簧固定的圆环形凹槽，在环形凹槽的外围的上固定盖的下表面设置有用于夹层固定的扇形凹槽，在上固定盖的侧面设置有凸起部分，用于与外壳固定限位；所述定子柔性电路板电极层朝内粘贴在夹层的外壁表面，定子柔性电路板的长度与夹层的外壁表面周长相等；所述转子柔性电路板一端电极层朝内粘贴在转筒外壁表面，并绕转筒缠绕若干圈，后通过夹层的豁口出引出，再绕夹层的外壁表面所粘贴的定子柔性电路一圈，后通过外壳的豁口处引出；所述转筒嵌套在夹层内；所述扭力弹簧上端嵌入到上固定盖上的圆环形凹槽里进行固定，转筒扣套住扭力弹簧，扭力弹簧的下端与卡扣转盘固定在一起，扭力弹簧的下部固定在卡扣转盘和转筒内壁之间；夹层嵌入在上固定盖的扇形凹槽里进行固定；所述联动组件与下固定盖进行固定。2.根据权利要求1所述的可穿戴自驱动弯曲传感器，其特征在于，所述联动组件为电位器，此时所述卡扣转盘包括粗细不同的两个圆柱部分和一个长方体部分，粗的圆柱部分的上下两个端面分别固定细的圆柱部分和长方体部分，所述长方体部分为扁平型，沿高度方向能够插进所述的电位器的调节转子里，长方体部分的尺寸与电位器的调节转子上的凹槽一致，由于长方体部分的连接，使得卡扣转盘与电位器在转筒发生转动时发生联动；所述电位器的三个引脚穿过下固定盖并固定在下固定盖上。3.根据权利要求1所述的可穿戴自驱动弯曲传感器，其特征在于，所述定子柔性电路板的宽度小于夹层外壁的高度，定子柔性电路板的长度为27mm，宽度为11mm，夹层的高度为12.5mm，夹层的豁口宽度为3mm，长度为12.5mm，夹层的厚度为0.8mm，外壁半径为4.9mm；外壳的豁口宽度为3mm，长度为17mm，转子柔性电路板的宽度比定子柔性电路板的宽度小1mm，同时卡扣转盘的长方体部分嵌入在电位器调节转子的凹槽里1mm，而电位器的调节转子的凹槽深度为2mm，这相差的1mm能为转筒保留的轴向活动量；扭力弹簧的线材直径为0.5mm，平均螺旋直径为4.5mm，长度为12.5mm；电位器的高度为4mm，下固定盖的半径为5.7mm，厚度为1mm。4.根据权利要求3所述的可穿戴自驱动弯曲传感器，其特征在于，所述可穿戴自驱动弯曲传感器用于监测手指弯曲。5.根据权利要求1所述的可穿戴自驱动弯曲传感器，其特征在于，所述联动组件为薄膜压力传感器，所述卡扣转盘包括粗细不同的两个圆柱部分，细圆柱部分固定于粗圆柱部分上表面，二者一体成型，卡扣转盘下表面不具有长方体部分，为光滑的圆面；使用卡扣转盘细圆柱部分扣在扭力弹簧的下端里边，夹层嵌入到上固定盖的圆环形凹槽里进行固定；所述外壳的内壁下部圆周方向上还设置有若干凸起，凸起沿外壳高度方向设置，凸起
位于转筒的下部；所述薄膜压力传感器固定片的直径小于外...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙英，杜泽坤，郭腾蛟，翁玲，徐桂芝，刘卫朋，李明明，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：