【摘 要】
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深入了解人类自然运动规律,重塑和提高人体运动能力,是机器人学仿生研究领域的重要内容,也是机器人技术的重要应用。光学运动捕捉系统能准确测量人体运动数据,但受限于实验室固定空间,难以在复杂真实环境下应用。可穿戴技术能够适用于各种运动环境,但要求传感器可顺应肌骨系统运动而变形。目前,柔性传感器在运动测量中通常需要每次安装后进行校准,实际使用中并不方便,这严重制约了柔性传感器在人体运动测量领域的应用。且目
【基金项目】
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用于反演自然生物关节结构及力学性能的柔性机构设计理论与方法,the National Natural Science Foundation of China （NSFC） under Grant No. 51505164； 人-外骨骼耦合系统的肌骨力位在线重构与能耗感知,the National Natural Science Foundation of Ch
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深入了解人类自然运动规律,重塑和提高人体运动能力,是机器人学仿生研究领域的重要内容,也是机器人技术的重要应用。光学运动捕捉系统能准确测量人体运动数据,但受限于实验室固定空间,难以在复杂真实环境下应用。可穿戴技术能够适用于各种运动环境,但要求传感器可顺应肌骨系统运动而变形。目前,柔性传感器在运动测量中通常需要每次安装后进行校准,实际使用中并不方便,这严重制约了柔性传感器在人体运动测量领域的应用。且目前没有可以用于人体水下运动测量和人体肌肉形变的柔性传感器。围绕人体运动测量中柔性传感器存在反复标定、使用场景单一等关键问题,本论文开展如下研究:（1）传感原理:针对人体关节角度测量,基于平行板电容模型和欧拉梁模型设计柔性曲率传感器。传感器电容与末端转角之间存在固定二次函数关系,因此柔性曲率传感器应用于人体关节角度测量时,经过一次标定后可重复使用。采用现有高灵敏度柔性压力传感器测量肌肉形变。传感器介电层设计为微孔结构,既减小其弹性模量,又使其介电常数随形变增大,显著提升压力传感器的灵敏度。（2）制造工艺:曲率传感器以聚氨酯树脂或PDMS为介电层,液态合金（EGaIn）为电极。通过沉积成型工艺（SDM）将液态电极封装于弹性体内,从而使传感器具备防水性能。压力传感器介电层使用糖粒融化工艺加工,形成孔径均匀的微孔结构。（3）人体运动测量:柔性曲率传感器应用于膝、踝关节两栖运动测量,结果准确。陆地测量不同步行模式均方根误差小于5°,水下测量误差小于3.5°。使用两种传感器同步测量关节角度与肌肉形变,发现踝关节角度与腓肠肌形变具有正相关关系。柔性曲率传感器解决了传感器使用前需要反复标定的难题,防水性使其突破水下使用限制。高灵敏度使柔性压力传感器可应用于肌肉形变测量。传感器精确的测量效果和良好的人机结合能为人体运动规律研究提供更丰富的数据,也能为外骨骼机器人提供实时运动信息,提升反馈控制效果,推动外骨骼机器人的发展。
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