可穿戴自驱动弯曲传感器及手指关节弯曲监测系统

1.本发明涉及关节弯曲监测技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：
7.第一方面，本发明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；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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；
12.所述联动组件与下固定盖7进行固定。
13.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。
14.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。
15.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；
16.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；
17.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；
18.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。
19.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叉指电极宽度与所述转子柔性电路板的电极层的条状导电栅格电极宽度相同。
20.第二方面，本发明提供一种手指关节弯曲监测系统，该系统包括信号处理组件、和上述的可穿戴自驱动弯曲传感器。
21.当关节发生弯曲或伸展时，转子柔性电路板相对与定子柔性电路板发生位移，两者之间产生摩擦现象，输出一个周期性变化的脉冲波信号；所述的信号处理组件，根据所述的脉冲波信号的波峰和波谷计数用于计算所述转子柔性电路板与定子柔性电路板之间发生的位移量；根据电位器输出的电压信号变化情况或薄膜压力传感器的压力信号变化判断关节的弯曲或伸展状态；在手指关节发生弯曲或伸展时，传感器产生传感信号输出，经由信号处理组件的信号放大与滤波电路，信号采集电路和微处理器模块进行处理和计算，转化为关节的弯曲角度信息，得出关节的实时弯曲状态，再通过无线传输模块，将处理好的信息传输到移动终端。
22.第三方面，本发明提供一种上述手指关节弯曲监测系统的应用，用在人机交互领域，机械手通过人手势控制来完成简单的抓取动作，将可穿戴自驱动弯曲传感器固定安装在人手指关节上，实验平台包括数据采集卡、机械手、计算机；在手指弯曲运动时，由数据采集卡采集可穿戴自驱动弯曲传感器数据并传输到计算机上，再由计算机向机械手下达指令，完成抓取动作。
23.本发明的有益效果为：
24.1.本发明采用扭力弹簧回弹结构设计，一方面在传感器工作过程中，可以储存和释放一部分手指弯曲所产生的机械能，由扭力弹簧存储的机械能会在手指弯曲过程中增大，并在手指关节伸展过程中释放减小，由此为转子柔性电路板在手指伸展过程中提供一个回弹的力(或者说收缩的力)，利于传感器的连续稳定工作。另一方面，利用扭力弹簧回弹结构设计，整体呈条状结构，为转子柔性电路板提供了一定的收纳空间，并可以与用于矢量方向判断的电位器或薄膜压力传感器发生联动，提高了整体空间的利用率，集成度高，使传感器可以设计的更加小型化。本技术实施例中传感器样品设计为一个底面圆直径为1cm，高为2cm的圆柱体，有利于可穿戴领域的应用。
25.2.本发明中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(指背所在一侧)，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。本发明充分利用了摩擦纳米发电机的工作原理，作为自驱动型传感器，降低了功
耗，并且可穿戴自驱动弯曲传感器采用摩擦纳米发电机光栅结构，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。
26.3.本发明能实现人体关节弯曲的定量化监测，定量化的计算方式为，设定子柔性电路板的电极宽度为w1，电极间隔为w2，则所产生的脉冲波形的两个波峰之间的转子柔性电路板相对于定子柔性电路板发生的相对位移量为2*(w1+w2)，本发明的传感器的位移分辨率等于产生半波峰的相对位移量，即w1+w2，由于经实验研究可得位移量与手指关节弯曲角度之间呈线性关系，且相关系数为9(相关系数根据实验获得，安装位置不同会略有差异，位移量的单位为mm，弯曲角度单位为度，相关系数为9非常适合于手指弯曲的监测)，故转换为手指关节弯曲角度分辨率即为(w1+w2)*9。如果波峰或波谷的计数为n时，则可计算出转子柔性电路板相对于定子柔性电路板发生的相对位移量为(n-1)*2*(w1+w2)，转化为手指弯曲角度为(n-1)*2*(w1+w2)*9。
27.4.本技术的核心创新点在于将传感器进行了小型化的设计优化，使其可以应用于手指关节此类小部位关节处的弯曲度监测，可穿戴自驱动弯曲传感器能在尽可能小的尺寸前提下测量大的弯矩，提高测量精度，满足小型化的需求，小尺寸可穿戴性更好，在有限空间尺寸下有效完成功能。本技术测量关节弯曲时的两个角边，位移量增加，提高了测量精度。采用贴片式薄膜压力传感器，根据测得的压力的增大趋势(弯曲)或减小趋势(伸展)来判断弯曲状态，能够进一步减小可穿戴自驱动弯曲传感器体积，同时增大了适用领域，也适用于大部分的弯曲监测。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明实施例中提供的一种关节弯曲监测系统的架构图；
30.图2为本发明一种实施例可穿戴自驱动弯曲传感器的爆炸结构示意图；
31.图3为本发明一种实施例中定子柔性电路板展开示意图；
32.图4为本发明一种实施例中转子柔性电路板展开示意图；
33.图5为本发明实施例1中提供的一种手指关节弯曲监测系统的弯曲和伸展20
°
的实验数据图；
34.图6为本发明实施例1中提供的一种手指关节弯曲监测系统的弯曲和伸展50
°
的实验数据图；
35.图7为本发明实施例1中提供的一种手指关节弯曲监测系统的弯曲和伸展80
°
的实验数据图；
36.图8为本发明另一种实施例可穿戴自驱动弯曲传感器的爆炸结构示意图；
37.图9为实施例2中的外壳的内壁上凸起的分布结构示意图。
38.图10为实施例2的可穿戴自驱动弯曲传感器的半剖结构示意图。
39.其中，1为上固定盖，2为外壳，3为扭力弹簧，4为摩擦纳米发电机传感装置，5为卡扣转盘，6为电位器，7为下固定盖，41为转筒，42为转子柔性电路板，43为夹层，44为定子柔
性电路板，8压缩弹簧、9薄膜压力传感器固定片、10薄膜压力传感器。
具体实施方式
40.下面将结合实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
42.本发明公开了一种手指关节弯曲监测系统，该系统包括：可穿戴自驱动弯曲传感器(简称传感器)和信号处理组件。可穿戴自驱动弯曲传感器安装在人手指关节处，通过采集手指弯曲或伸展过程中产生的机械能，并将机械能转化为电能作为传感器的传感信息进行输出，信号处理组件实时采集所述可穿戴自驱动弯曲传感器输出的电信号并进行分析处理，最后通过无线传输设备传送至移动终端进行下一步处理和展示。该手指关节弯曲监测系统的可穿戴自驱动弯曲传感器基于摩擦纳米发电机的独立层工作模式，当转子结构相对与定子结构发生相对位移时，两者之间摩擦产生周期性的脉冲电信号输出，根据脉冲波峰和波谷的计数来定量分析运动位移量；并根据电位器输出电压大小变化情况或压力传感器的输出大小变化情况来判断手指关节的弯曲或伸展。
43.所述电路板的电介质层采用各类易失电子的聚合物材料制成，如：聚酰亚胺材料(pi)，氟化乙烯丙烯共聚物(fep)，可熔性聚四氟乙烯(pfa)等；所述电极层采用各类导电材料制成，如，铜，铝等金属材料和合金材料等。
44.可穿戴自驱动弯曲传感器的整体结构均是3d打印，即除了定子柔性电路板、转子柔性电路板、扭力弹簧、压缩弹簧、薄膜压力传感器、电位器，其它都是3d打印获得。
45.一个可穿戴自驱动弯曲传感器覆盖一个关节区域，对一个关节进行监测。
46.实施例1
47.本实施例手指关节弯曲监测系统包括：可穿戴自驱动弯曲传感器和信号处理组件。所述可穿戴自驱动弯曲传感器包括四部分：摩擦纳米发电机单元组件、回弹组件、联动组件和其他固定组件。摩擦纳米发电机单元组件、回弹组件、联动组件和其他固定结构同轴组装，所述摩擦纳米发电机单元组件包括：定子柔性电路板44和转子柔性电路板42；所述回弹组件包括：上固定盖1、扭力弹簧3、转筒41、夹层43、卡扣转盘5；所述联动组件包括：电位器6；其他固定组件包括：外壳2、下固定盖7。上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。
48.所述外壳2在整个可穿戴自驱动弯曲传感器的外围，将其它所有部件封装起来，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。
49.定子柔性电路板44贴附在夹层43外壁上进行固定，转子柔性电路板42一端固定在转筒41的外壁上，并在转筒上缠绕若干圈，后由夹层的豁口处引出，再绕夹层外壁一圈，此
时在夹层外壁上定子柔性电路板44位于转子柔性电路板的内侧，最后由外壳的豁口处引出转子柔性电路板42的另一端；所述转筒嵌套在夹层内。
50.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。
51.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。
52.所述扭力弹簧3一端嵌入到上固定盖1上的圆环形凹槽里进行固定，转筒扣套住扭力弹簧，并使用卡扣转盘5圆柱形的一端扣在扭力弹簧的另一端里边，将扭力弹簧的这一端固定在卡扣转盘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。电位器的三个引脚穿过下固定盖7上的三个孔进行组装固定。
53.当手指弯曲过程中，转子柔性电路板从可穿戴自驱动弯曲传感器中不断拉伸出来，带动转筒逆时针转动，同时弹簧发生扭转，储存一部分机械能；当手指伸展过程中，弹簧释放存储的机械能，提供一个回弹力，转筒沿顺时针转动，同时转子柔性电路板重新缠绕在回弹组件上。
54.定子柔性电路板44的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外壁的底面圆周周长相同，二者贴合在一起，定子柔性电路板的宽度略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。转子柔性电路板42一端电极层朝内粘贴在转筒外壁表面，并绕转筒41缠绕若干圈，后通过夹层43的豁口处引出，再绕夹层的外壁表面所粘贴的定子柔性电路板44一圈，后通过外壳2的豁口处引出，夹层的豁口宽度为3mm，长度为12.5mm，外壳的豁口宽度为3mm，长度为17mm，两个豁口是对齐的，转子柔性电路板的宽度比定子柔性电路板的宽度小1mm，转子柔性电路板和定子柔性电路板在安装时，相对于传感器整体轴向的一边为宽度，小1mm是因为扭力弹簧在发生扭转时，会收紧，导致扭力弹簧的外径变小，长度拉长，带动转筒有一个轴向的位移，此位移很小，但也是存在不可忽略的，故留有1mm的活动量，由于转筒是与转子柔性电路板的一端固定在一起的，所以转筒在发生轴向位移过程中，转子柔性电路板也会产生一个轴向的位移，需要转子柔性电路板在运动过程中保持完全与定子柔性电路板相接触，所以转子柔性电路板的宽度设置的比定子柔性电路板的小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也是为转筒保留的轴向活动量。
55.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，制作材料为聚酰亚胺薄膜材料；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，制作材料为铜材料。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，制作材料为聚酰亚胺薄膜材料；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，制作材料为铜材料。定子柔性电路板的电极层的叉指电极间隙为0.1mm；定子柔性电路板的电极层的叉指电
极宽度与转子柔性电路板的电极层的条状导电栅格电极宽度相同，均为0.3mm；转子柔性电路板的电极层的栅格电极间距为0.5mm；转子柔性电路板的长度为10cm。
56.具体设计，可以根据图3所展示的，定子柔性电路板整体宽11mm，长27mm，其电极层是叉指电极分布，电极之间的宽度为0.3mm，电极长度为10mm，电极间距为0.1mm；可以根据图4所展示的，转子柔性电路板整体宽10mm，长100mm，其电极层是条状导电栅格电极阵列，电极宽度为0.3mm，长度为9mm，电极间距为0.5mm。
57.扭力弹簧的一端固定在所述的上固定盖1的圆环形凹槽里后，穿过所述的转筒41内部，再由所述的卡扣转盘5的细的圆柱部分将扭力弹簧的另一端与所述的转筒固定在一起。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。夹层43的一端固定在所述上固定盖的扇形凹槽里，夹层43的厚度为0.8mm，外壁半径为4.9mm(外壁的周长(刨除豁口部分)与定子柔性电路板的长度相同，两者其实是相等的，定子柔性电路板的长度是根据夹层外壁的尺寸计算得来得)，高度为12.5mm，豁口宽度为3mm，长度为12.5mm。圆环形凹槽的外壁与扇形凹槽的内壁之间的间距为1.6mm。圆环形凹糟的深度为1.5mm，圆环形凹糟的直径与弹簧的横切面相同；扇形凹槽的深度为1.5mm，扇形凹槽的直径与夹层的横切面相同。
58.卡扣转盘的粗的圆柱部分半径为5.5mm，细的圆柱部分半径为2.1mm，长方体部分的长为4mm，宽为0.8mm，高为2mm，为了给转筒与卡扣转盘在轴向位移的方向上留有空间，电位器的凹槽与卡扣转盘的长方体部分安装时不完全插接，留有活动空间，当卡扣转盘与电位器凹槽完全伸入时，可穿戴自驱动弯曲传感器达到监测极限，松开后，在扭力弹簧作用下带动卡扣转盘回转，电位器的高度为4mm，下固定盖的半径为5.7mm，厚度为1mm。
59.将可穿戴自驱动弯曲传感器安装固定在手指背面，转子柔性电路板通过外壳豁口处引出的一端与传感器的3d打印外壳横跨手指关节部位，于手指背部进行固定，当手指关节发生弯曲时，转子柔性电路板一端由于在手指背部固定着，会跟随手指发生联动，进而将转子柔性电路板从外壳豁口处拽出来，由于定子柔性电路板是固定着的，如此转子柔性电路板和定子柔性电路板之间就发生了相对位移，就会产生电压脉冲信号，输出一个周期性变化的脉冲波信号。当手指关节发生弯曲或伸展时，转子柔性电路板相对与定子柔性电路板发生位移，两者之间产生摩擦现象，由于定子柔性电路板上的摩擦层与转子柔性电路板上的摩擦层材料的不同得失电子的能力不同，一种相对易失电子，另一种相对易得电子，导致定子柔性电路板上的摩擦层带正电荷，转子柔性电路板上的摩擦层带负电荷，由于静电感应现象，定子柔性电路板上的感应电极之间会产生一个周期性变化的脉冲电压信号。电位器受到联动影响而输出一个线性变化的电压信号。
60.信号处理组件根据传感器输出的脉冲波信号的波峰和波谷计数用于计算所述转子柔性电路板与定子柔性电路板之间发生的位移量；根据电位器输出的电压信号变化情况判断手指关节的弯曲或伸展状态。在手指发生弯曲的过程中，转子柔性电路板带动转筒发生转动，同时与转筒一体的卡扣转盘将带动电位器的调节转子进行转动，由此电位器的电阻就发生了变化，加之在电位器上施加了一个3v固定的电压，电阻的变化就可以通过电压的变化表现出来，在手指弯曲的过程中电位器的电阻是不断增大的，所以输出电压信号也是增大的。在手指发生伸展的过程中，由于弹簧在之前的弯曲过程中存储了部分机械能，所以在伸展过程中，就会通过给转筒一个扭转力的方式进行能量的释放，同时对于转子柔性
电路板来说也是一个回弹力或者说收缩力，在此过程中转筒发生与手指弯曲时相反方向的转动，同时与转筒一体的卡扣转盘将带动电位器的调节转子进行转动，由此电位器的电阻就发生了变化，加之在电位器上施加了一个3v固定的电压，电阻的变化就可以通过电压的变化表现出来，在手指伸展的过程中电位器的电阻是不断减小的，所以输出电压信号也是减小的。由此可以根据电位器的输出电压大小是增大或者减小来判断手指是弯曲或者伸展。将位移量与弯曲或伸展状态综合分析，得出手指的实时弯曲状态，并通过无线传输设备将分析结果传送至移动终端进行下一步处理和利用。分析过程是首先记录在运动过程中摩擦纳米发电机传感装置4的脉冲电压输出信号的波峰波谷数量，再通过计算得到位移量，同时通过记录每个时间段中电位器输出电压的变化情况，根据电位器的矢量方向判断以判断每个时间段中手指的运动状态为弯曲还是伸展，如果判断为弯曲则将位移量进行相加处理，如果判断为伸展则将位移量进行相减处理。由此得到每个时刻的真实位移量，最后通过公式换算为手指的弯曲角度，从而完成对手指关节弯曲的实时监测。
61.手指关节从完全伸展，即0
°
的初始状态下弯曲20
°
，50
°
，80
°
时，可穿戴自驱动弯曲传感器输出的脉冲电压波形与电位器输出电压大小变化曲线，用于研究传感器在手指关节弯曲中传感器上电位器输出电压信号的变化情况、输出情况，并输出脉冲电压信号波峰波谷计数与弯曲角度之间的关系。指关节分别从20
°
，50
°
，80
°
的初始状态下伸展到0
°
时，可穿戴自驱动弯曲传感器输出的脉冲电压波形与电位器输出电压大小变化曲线，用于研究传感器在手指伸展过程中传感器上电位器输出电压信号的变化情况、输出情况，并输出脉冲电压信号波峰波谷计数与弯曲角度之间的关系。
62.实验平台搭建：将所述的传感器固定安装在人手指关节上，通过外壳豁口处引出来的转子柔性电路板的一端和组装成的传感器整体横跨手指关节，固定在手指背面的关节两端，在手指弯曲或伸展过程中，关节运动带动转子柔性电路板的运动，从而将转子柔性电路板由外壳豁口处拉伸出来或收缩回去，实验平台包括数据采集卡、角测量器、计算机。角测量器用于给手指弯曲一个参考，在手指弯曲运动时，由数据采集卡采集可穿戴自驱动弯曲传感器输出信号并传输到计算机上。
63.实验过程与结果：将本发明的可穿戴自驱动弯曲传感器的输出端连到数据采集卡上，采集卡与计算机连接，计算机可以实现读取传感器的输出电压。手指分别弯曲20
°
，50
°
，80
°
时，转子柔性电路板从传感器外壳的豁口处拉伸出来，在手指弯曲过程中，手指关节运动带动转子柔性电路板的运动，从而将转子柔性电路板由外壳豁口处拉伸出来，与定子柔性电路板产生相对位移，并带动转筒发生转动，弹簧发生扭转，收集一部分机械能，以备手指在伸展时提供一个回弹力。在电位器上施加3v电压，电位器在卡扣转盘的联动下，电位器的调节转子发生转动，电阻变化，输出电压信号发生变化。当手指弯曲20
°
，50
°
，80
°
时，输出脉冲电压信号的波峰数分别为4、8、12，分辨率为3.6
°
电位器电压分别从0v线性增大到0.556v、1.115v、1.671v。
64.手指分别从20
°
，50
°
，80
°
的初始状态下伸展到0
°
时，转子柔性电路板在弹簧提供的回弹力下由传感器外壳的豁口处重新缠绕到转筒上，与定子柔性电路板产生相对位移。在电位器上施加3v电压，电位器在卡扣转盘的联动下，其调节转子发生转动，电阻变化，输出电压信号发生变化。当手指分别从20
°
，50
°
，80
°
的初始状态下伸展到0
°
时，输出脉冲电压信号的波峰数分别为4、8、12，分辨率为3.6
°
电位器电压分别从0.556v、1.115v、1.671v线性
减小到0v。
65.实施例2
66.本实施例关节弯曲监测系统包括：可穿戴自驱动弯曲传感器和信号处理组件。所述可穿戴自驱动弯曲传感器包括上固定盖1、外壳2、扭力弹簧3、摩擦纳米发电机传感装置4、卡扣转盘5、薄膜压力传感器10、薄膜压力传感器固定片9、压缩弹簧8和下固定盖7。传感器各组件整体上为同轴安装。
67.摩擦纳米发电机传感装置的结构组成及安装关系同实施例1。定子柔性电路板贴附在夹层外壁上进行固定，转子柔性电路板一端固定在转筒上，并在转筒上缠绕若干圈，后由夹层的豁口处引出，再绕夹层外壁一圈，最后由外壳的豁口处引出转子柔性电路板的另一端。扭力弹簧一端嵌入到上固定盖上的凹槽里进行固定，转筒套住扭力弹簧。
68.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，本实施例中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另一端里边，将扭力弹簧的这一端固定在卡扣转盘5和转筒41内壁之间。夹层嵌入到上固定盖1的圆环形凹槽里进行固定。
69.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，凸起+卡扣转盘大圆柱厚度+转筒的高度不大于外壳高度，所述薄膜压力传感器固定片9的直径略小于外壳内径，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，且固定凹槽大小略大于凸起，起到水平方向固定作用，以保证其只发生轴向位移，设计凹槽和凸起的目的是尽量减少卡扣转盘5转动时带动薄膜压力传感器部分一起水平转动，提高传感器的输出稳定性，本发明采用的薄膜压力传感器属于一维单点压力传感器，只能测轴向的力，对于水平方向的力并不敏感，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。本实施例中固定凹槽的数量设置为3个。
70.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，压缩弹簧8的存在就是为轴向位移提供位移空间。
71.由于力的作用是相互的，卡扣转盘对薄膜压力传感器的压力等于薄膜压力传感器固定片对薄膜压力传感器的压力,所以薄膜压力传感器上的压力，也可以理解为卡扣转盘和薄膜压力传感器一起发生轴向位移后，挤压薄膜压力传感器固定片与压缩弹簧，薄膜压力传感器固定片与压缩弹簧对薄膜压力传感器产生了一个压力。
72.当关节弯曲时，转子柔性电路板从豁口处拉伸出来，扭力弹簧发生扭转，扭力弹簧储存一部分机械能，同时弹簧收紧，导致弹簧的外径变小，长度变长，并带动卡扣转盘产生一个轴向的位移，从而增大施加到薄膜压力传感器上的力，导致薄膜压力传感器的电压信号输出减小；
73.当关节伸展时，转子柔性电路板通过豁口重新缠绕在传感器内部，扭力弹簧释放之前扭转过程中储存的能量，弹簧会向其初始状态恢复，弹簧外径变大，长度变小，带动卡扣转盘产生一个相反方向的轴向位移，从而减小施加到薄膜压力传感器上的力，导致薄膜压力传感器的电压信号输出增大。
74.由此，根据薄膜压力传感器的输出大小变化即可判断手指弯曲还是伸展的矢量信息。
75.本发明具有以下特点：
76.1)采用了扭力弹簧结构，可以将转子柔性电路板缠绕在转筒上，以提高传感器的空间利用率，极大的减小了传感器的体积，并使传感器设计为细圆筒形，以适用于手指的小关节处的弯曲监测；
77.2)采用薄膜压力传感器用于矢量方向的判断，一方面薄膜压力传感器体积小可以提高空间利用率，减小传感器的整体体积；另一方面显著增大了传感器的机械旋转角度，转筒可以多圈旋转，增大了转子柔性电路板相对于定子柔性电路板之间的相对位移，使其可以适用于监测更多的关节部位。
78.本实施例中薄膜压力传感器的尺寸：半径为5mm，厚度为0.2mm，固定片的半径为5.5mm，厚度为1mm，下固定盖7的尺寸：半径为5.7mm，厚度为1mm，压缩弹簧8的外径为9mm，线径为0.5mm，长度为4.35mm。本实施例在进行手指这种小关节部位监测时，压缩弹簧的长度可进一步减小，小于4.35mm，进一步减小传感器外壳的高度，从而减小传感器的大小。例如将压缩弹簧得长度减小为2mm，用于手指关节的弯曲监测。本实施例不再局限在手指关节部位的使用，其适用范围变宽，也可用于膝关节和脊柱关节等大关节的弯曲监测，从而达到小体积高精度传感器对关节弯曲的监测，适用范围广。相较于采用电位器的结构来说，在传感器体积差不多小的情况下，可以应用于不同关节大小的弯曲监测。
79.关节弯曲监测是通过摩擦纳米发电机两个摩擦层之间的相对位移产生脉冲信号波，再通过脉冲波的波峰波谷数量来转化为弯曲角度量，所以两个摩擦层之间的相对位移量就决定了所能监测到的弯曲角度量大小，而以电位器进行监测的可穿戴自驱动弯曲传感器受限于电位器的最大机械旋转角度，一般小于360度，两个摩擦层之间的相对位移量受到限制，进而导致在大关节弯曲监测时，传感器所能监测的弯曲角度范围受限。虽然可以通过扩大传感器的外径以扩大在电位器最大机械旋转角度能所能产生的相对位移量，但会极大的增大传感器的体积，降低穿戴的舒适度。因此，本发明实施例2这种结构形式能够在尽可能小的体积下，实现关节大位移量的监测。
80.实施例3：
81.机械手通过人手势控制来完成简单的抓取动作。本实施例的主要目的是研究传感器在人机交互领域的实际应用。
82.实验平台搭建：将实施例1的可穿戴自驱动弯曲传感器固定安装在人手指关节上，实验平台由数据采集卡、机械手、计算机组成。在手指弯曲运动时，由数据采集卡采集并传输到计算机上，再由计算机向机械手下达指令，完成抓取动作。
83.实验过程与结果：在手指每个关节处安装一个本发明可穿戴自驱动弯曲传感器，共14个，将可穿戴自驱动弯曲传感器安装到五个手指背面，并将传感器的输出端连到数据采集卡上，采集卡与计算机连接，计算机可以实现读取传感器的输出电压。在电位器上施加3v电压，电位器在卡扣转盘的联动下，其调节转子发生转动，电阻变化，输出电压信号发生变化，可以据此判断手指是弯曲或伸展。当人手指在做出抓取动作时，数据采集卡采集到14个传感器的输出信号，传输给计算机进行分析，再由计算机向机械手发出指令，从而同步完成抓取动作。
84.本发明未述及之处适用于现有技术。