图片简介:一种可穿戴式运动传感器、传感电路及运动检测方法，涉及人机交互用传感器,设有硅橡胶介电薄膜层，硅橡胶介电薄膜层上侧和下侧分别设有上柔性电极层和下柔性电极层，上柔性电极层的上侧和下柔性电极层的下侧分别设有上绝缘保护层和下绝缘保护层，上柔性电极层和下柔性电极层上分别设有上电极引脚和下电极引脚，上绝缘保护层和下绝缘保护层为硅橡胶绝缘保护层。
传感电路包括用传感器本体、电流积分模块、滤波模块、信号处理模块、解耦处理模块、稳压电源模块、开关模块和显示模块；检测方法包括信号检测、处理，信号解耦实时输出。
本技术具有结构简单，灵敏度、精度高成本低，实时性好，穿戴舒适，能够准确测量人体动作等优点。
技术要求1.一种可穿戴式运动传感器，其特征在于：设有硅橡胶介电薄膜层，硅橡胶介电薄膜层上侧和下侧分别设有上柔性电极层和下柔性电极层，上柔性电极层的上侧和下柔性电极层的下侧分别设有上绝缘保护层和下绝缘保护层，上柔性电极层和下柔性电极层上分别设有上电极引脚和下电极引脚，上绝缘保护层和下绝缘保护层为硅橡胶绝缘保护层；其由下述材质及方法制备而成：第一步、制备硅橡胶介电薄膜板：配制牺牲层，按聚丙烯酸和挥发性溶剂按质量比1:3~1:5称取试剂、放置于小盒中，再将其放入搅拌机，混匀脱泡搅拌、得牺牲层浆液；配置硅橡胶液，硅橡胶原液与稀释剂按质量比1:1~3:2放置于小盒中，再将其放入搅拌机，混匀脱泡搅拌、得硅橡胶液；涂牺牲层，将牺牲层浆液使用涂布器涂覆在热塑性聚酯基板上，涂完后，等牺牲层变干，变干后热塑性聚酯基板呈现七彩色；涂硅橡胶层，将硅橡胶液使用涂布器涂覆在已覆盖牺牲层的热塑性聚酯基板上，用钢板托起涂膜后基板，盖上亚克力罩；加热固化，送至加热箱加热固化、得硅橡胶介电薄膜板待用；第二步、制备硅橡胶绝缘保护层板：配制牺牲层浆液，按聚丙烯酸和挥发性溶剂按质量比1:3~1:5称取试剂放置于小盒中，再加入占总质量2%~6%的水，将其放入搅拌机，混匀脱泡搅拌、得牺牲层浆液；配置硅橡胶液，在小盒上缠绕生料带，硅橡胶原液与稀释剂按质量比1:1~3:2放置于小盒中，再将其放入搅拌机，混匀脱泡搅拌、得硅橡胶液；涂牺牲层，将牺牲层浆液使用涂布器涂覆在热塑性聚酯基板上，涂完后，等牺牲层变干，变干后塑性聚酯基板呈现七彩色；涂硅橡胶层，将硅橡胶液使用涂布器涂覆在已覆盖牺牲层的热塑性聚酯基板上，用钢板托起涂膜后基板，盖上亚克力罩；加热固化，送至加热箱加热，得硅橡胶绝缘保护层板待用；第三步、制备柔性电极：碳材料和挥发性溶剂质量比1:17~1:22混合后，再加入钢珠分散碳粉，在搅拌机中混匀搅拌脱泡，得电极浆液；搅拌完成后，取出小盒，在电极浆液中加入与碳材料质量比为1:9~1:11的硅橡胶原液，再加入与硅橡胶原液质量比为1:1~3:2的稀释剂后，在搅拌机中混匀搅拌脱泡，得柔性电极待用；第四步、将制备的硅橡胶介电薄膜板和硅橡胶绝缘保护层板切割成硅橡胶介电薄膜板单元和硅橡胶绝缘保护层板单元，在硅橡胶绝缘保护层板单元上切割一个电极引脚槽，在热塑性聚酯板中部切出电极涂抹槽口；第五步、硅橡胶介电薄膜板单元的硅橡胶层侧正对电极涂抹槽口地贴覆在热塑性聚酯板上，在电极涂抹槽口内的硅橡胶介电薄膜板单元的硅橡胶层侧涂抹柔性电极，柔性电极涂覆完成后将硅橡胶介电薄膜板单元与热塑性聚酯板分离，加热固化，得硅橡胶介电薄膜电极板；第六步、等离子处理，将硅橡胶介电薄膜电极板、硅橡胶绝缘保护层板单元放进等离子机进行等离子处理；第七步、将等离子处理后的硅橡胶绝缘保护层板单元的硅橡胶层与硅橡胶介电薄膜电极板的柔性电极相对的贴合并粘接固定，得传感器主体基板；第八步、将传感器主体基板的硅橡胶介电薄膜电极板一侧置于沸水中、使牺牲层溶解，将热塑性聚酯基板去除；第九步、重复上述第五步、第六步、第七步的操作，制得传感器主体板；第十步、将传感器主体板的两侧分别置于沸水中、使牺牲层溶解，将热塑性聚酯基板去除，得传感器主体；第十一步、将电极引脚放置于的电极引脚槽内，取适量柔性电极涂抹在电极引脚槽内，放入加热箱加热固化，最后将导线焊接在电极引脚上，完成制作。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式运动传感器，其特征在于：所述的硅橡胶介电薄膜层中使用的硅橡胶原液为LSR4305或MED4901；硅橡胶绝缘保护层中使用的硅橡胶原液为LSR4305或Sylgard186；柔性电极层中使用的硅橡胶原液为MED4901。
3.根据权利要求1或2所述的可穿戴式运动传感器，其特征在于：所述的挥发性溶剂为异丙醇；稀释剂为异辛烷或OS-20；硅橡胶介电薄膜层厚度优选范围：70-200μm；绝缘保护层厚度优选范围：200-400μm。
4.一种包含上述可穿戴式运动传感器的传感电路，其特征在于：包括用传感器本体、电流积分模块、滤波模块、信号处理模块、解耦处理模块、稳压电源模块、开关模块和显示模块；传感器本体的一根导线与开关模块的输出端相连、另一根导线与运算放大器的同相输入端相连；电流积分模块输出端与滤波模块输入端相连，滤波模块输出端与信号处理模块输入端相连，信号处理模块输出端与解耦处理模块输入端相连，解耦处理模块输出端与显示模块输入端相连，稳压电源模块分别与电流积分模块、开关模块、解耦处理模块和信号处理模块相连，开关模块的输入端与信号处理模块的脉冲信号输出端相连，开关模块的输出端与电流积分模块的脉冲信号输入端、传感器本体的一根导线相连。
5.根据权利要求4所述的传感电路，其特征在于：电流积分模块包括运算放大器和参考电容，运算放大器的输出端和同相输入端之间、输出端与反相输入端分别连接有测量电阻R2和测量电阻R4，参考电容Cref加在同相输入端与地之间，参考电容Cref的两端并联一个测量电阻R1，在反相输入端与地之间连接有测量电阻R3。
6.一种使用上述传感电路对运动的检测方法，其特征在于包括如下步骤：a、在待检测关节的每一个运动发生时关节外的皮肤伸展变化最大处贴附并固定一个传感器；b、传感器检测关节角度变化的运动模拟信号输出给滤波模块，滤波模块对运动电信号进行低通滤波，低通滤波后的运动电信号经信号处理模块A/D转换后将前后两个周期的信号叠加取平均值，得运动数字信号；c、将运动数字信号输入解耦处理模块，解耦处理模块将运动数字信号代入公式：计算出待检测关节运动的一个运动方向的角度；规定：检测关节j个运动方向的运动角度，检测关节在第j号运动方向上的运动角度为，表示运动时第号i传感器电压示数的变化，符号表示第j号运动方向上的运动角度与第i号传感器对应的传感器电压示数的变化之间的斜率；其写成矩阵的形式有：简写为通过传感器的示数来推算腕关节运动角度，即d、数字信号通过显示模块实时输出。
技术说明书一种可穿戴式运动传感器、传感电路及运动检测方法技术领域本技术涉及人机交互用传感器领域，详细讲是一种结构简单，灵敏度、精度高成本低，实时性好，穿戴舒适，能够准确测量人体动作的基于硅橡胶的可穿戴式运动传感器、传感电路及运动检测方法。
背景技术虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术近几年已广泛用于电子产品，成为全球范围内的火爆话题。
仅2016年六月份中国VR产品销量就接近55万台，较一月份增长27.8倍，VR产品市场规模的年增长预计将高达500%。
人体关节运动检测传感器是互动式VR系统所需的关键元件，它可以捕捉人体的动作与姿态信息，将信息传递给虚拟现实系统，实现人机交互。
借助数据手套，用户可自然高效的完成人机互动。
此外，人体动作捕捉在游戏娱乐、动画设计、手术教学、手语识别、可视化科学研究、机器人控制、军事情报、体育训练等领域也具有巨大的应用前景。
目前的人体动作监测手段，主要是利用视觉图像跟踪处理系统和惯性测量系统，前者价格昂贵且光照限制运动范围限制；后者穿戴不舒适且检测精度低。
如现有的手腕运动捕捉设备中，摄像捕捉系统仅限于室内，惯性测量单元存在漂移的缺点，刚性的测角器穿戴不舒适。
技术内容本技术的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单，灵敏度、精度高，成本低，实时性好，穿戴舒适，能够准确测量人体动作的可穿戴式运动传感器及其使用方法。
不受光照限制等要求，本技术解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：一种可穿戴式运动传感器，其特征在于：设有硅橡胶介电薄膜层，硅橡胶介电薄膜层上侧和下侧分别设有上柔性电极层和下柔性电极层，上柔性电极层的上侧和下柔性电极层的下侧分别设有上绝缘保护层和下绝缘保护层，上柔性电极层和下柔性电极层上分别设有上电极引脚和下电极引脚，上绝缘保护层和下绝缘保护层为硅橡胶绝缘保护层；其由下述材质及方法制备而成：第一步、制备硅橡胶介电薄膜板：配制牺牲层，按聚丙烯酸和挥发性溶剂按质量比1:3~1:5称取试剂、放置于小盒中，再将其放入搅拌机，混匀脱泡搅拌、得牺牲层浆液；配置硅橡胶液，硅橡胶原液与稀释剂按质量比1:1~3:2放置于小盒中，再将其放入搅拌机，混匀脱泡搅拌、得硅橡胶液；涂牺牲层，将牺牲层浆液使用涂布器涂覆在热塑性聚酯基板上，涂完后，等牺牲层变干，变干后热塑性聚酯基板呈现七彩色；涂硅橡胶层，将硅橡胶液使用涂布器涂覆在已覆盖牺牲层的热塑性聚酯基板上，用钢板托起涂膜后基板，盖上亚克力罩；加热固化，送至加热箱加热固化、得硅橡胶介电薄膜板待用；第二步、制备硅橡胶绝缘保护层板：配制牺牲层浆液，按聚丙烯酸和挥发性溶剂按质量比1:3~1:5称取试剂放置于小盒中，再加入占总质量2%~6%的水，将其放入搅拌机，混匀脱泡搅拌、得牺牲层浆液；配置硅橡胶液，在小盒上缠绕生料带，硅橡胶原液与稀释剂按质量比1:1~3:2放置于小盒中，再将其放入搅拌机，混匀脱泡搅拌、得硅橡胶液；涂牺牲层，将牺牲层浆液使用涂布器涂覆在热塑性聚酯基板上，涂完后，等牺牲层变干，变干后塑性聚酯基板呈现七彩色；涂硅橡胶层，将硅橡胶液使用涂布器涂覆在已覆盖牺牲层的热塑性聚酯基板上，用钢板托起涂膜后基板，盖上亚克力罩；加热固化，送至加热箱加热，得硅橡胶绝缘保护层板待用；第三步、制备柔性电极：碳材料和挥发性溶剂质量比1:17~1:22混合后，再加入钢珠分散碳粉，在搅拌机中混匀搅拌脱泡，得电极浆液；搅拌完成后，取出小盒，在电极浆液中加入与碳材料质量比为1:9~1:11的硅橡胶原液，再加入与硅橡胶原液质量比为1:1~3:2的稀释剂后，在搅拌机中混匀搅拌脱泡，得柔性电极待用；第四步、将制备的硅橡胶介电薄膜板和硅橡胶绝缘保护层板切割成硅橡胶介电薄膜板单元和硅橡胶绝缘保护层板单元，在硅橡胶绝缘保护层板单元上切割一个电极引脚槽，在热塑性聚酯板中部切出电极涂抹槽口；电极涂抹槽口的尺寸略小于硅橡胶介电薄膜板单元的尺寸，其形状与硅橡胶介电薄膜板单元形状相同，电极涂抹槽口与硅橡胶介电薄膜板单元正对时，电极涂抹槽口的四周距硅橡胶介电薄膜板单元的四周为2~10毫米。