高线性度离子皮肤手指关节弯曲角度传感器*

倪 娜,薛晓敏,王 垠

(1.西安建筑科技大学 力学系,陕西 西安 710055；2.西安交通大学 土木工程系,陕西 西安710049；3.西安理工大学 工程力学系,陕西 西安 710048)

0 引 言

手指关节运动角度的测量对于康复训练患者和柔性机器人具有重要的意义[1]。为了对日常的关节康复训练和柔性机械手的指关节运动进行实时监测,简单、便携而不影响关节运动的柔性传感器是非常必要的[2,3]。

柔性传感器的发展,为手指运动监测提供了有利的条件。现有研究中用于手指运动监测的柔性传感器有电阻式[4]、压电式[5]和电容式[6]等。在这些技术中,一些柔性应变传感器由于受到传感材料最大拉伸率的影响,限制了关节弯曲角度的可测量范围[7]。

柔软介电弹性体上下表面覆盖离子凝胶电极,构成离子皮肤电容式应变传感器[8],以下简称离子皮肤。离子皮肤具有拉伸率大、柔软度高和贴合度好的特点,尤其拉伸率可高达500 %以上[8],为关节弯曲角度的大范围测量提供了有利条件。大部分的离子皮肤只是简单的展示了手指弯曲时会有电信号的突变,没有定量给出手指关节弯曲角度与输出电信号的关系[9]。一些有关离子皮肤的研究给出了输出电信号与手指关节弯曲角度的对应关系,但缺乏输出电信号与手指关节弯曲角度的理论模型,且线性度不佳[6,10]。

基于高保水性的氯化锂离子凝胶电极和硅橡胶组成的离子皮肤,本文构造了柔软透明的电容式手指关节弯曲角度传感器。推导该传感器电容相对变化量与关节弯曲角度的理论模型,通过试验描述手指关节弯曲角度与输出电容信号的关系。……