一种模拟人体微运动的摩擦传感测试装置的制作方法

本发明涉及摩擦传感测试技术领域，具体涉及一种模拟人体微运动的摩擦传感测试装置。

背景技术：

目前，摩擦发电式传感器已应用于人体生理信号的监测和采集，但对于摩擦发电式传感器的测试过程，现有的摩擦传感测试装置主要是在两个硬质靠板之间放置摩擦发电式传感器，并利用驱动机构带动一个硬质靠板相对于另一个硬质靠板进行相向和背向的反复运动以模拟人体微运动，迫使摩擦发电式传感器的两个摩擦表面进行硬接触。由于两个硬质靠板无法模拟人体组织弹性以及人体微运动的程度(如呼吸的频率、深度等)，使得这种测试方式与实际人体心跳、呼吸等微运动之间存在极大的差异性，最终导致该摩擦传感测试装置的测试结果与实际人体测试结果之间存在极大的不一致性。

技术实现要素：

为了解决上述全部或部分问题，本发明提供一种模拟人体微运动如呼吸和心跳等的摩擦传感测试装置，其能够促使摩擦发电式传感器的两个摩擦表面进行软接触，以降低该摩擦传感测试装置的测试结果与实际人体测试结果之间存在的不一致性。

本发明提供一种模拟人体微运动的摩擦传感测试装置，其包括：第一机架；设置在所述第一机架上的弹性靠板和执行气囊，所述弹性靠板与执行气囊之间形成有容纳空间，所述容纳空间内可设置摩擦发电式传感器；与所述执行气囊相连的气驱单元。其中，所述气驱单元设置成能够反复改变所述执行气囊内的充气量，使得所述摩擦发电式传感器的两个摩擦表面能够接触和分离。

进一步地，所述气驱单元包括与所述执行气囊相连通的驱动气囊，以及能够承载并反复挤压所述驱动气囊以改变所述执行气囊内的充气量的挤压机构；其中，所述执行气囊与所述驱动气囊通过导气管连通。

进一步地，所述挤压机构包括能够承载所述驱动气囊的第二机架以及可偏心转动地设在所述第二机架上的转动件，所述转动件能够反复地挤压所述驱动气囊，所述驱动气囊被挤压后使其内部的部分气体经导气管进入执行气囊内。

进一步地，所述转动件是凸轮或偏心轮。

进一步地，所述转动件的横截面是椭圆形，所述椭圆形的长半径是20-25mm，短半径是18-22mm，并且长半径大于短半径。

进一步地，在所述转动件的外周上间隔开地设有用于挤压所述驱动气囊的多个凸起。

进一步地，所述凸起是以所述椭圆形的外边缘为圆心且半径是3-5mm的半圆柱体。

进一步地，所述半圆柱体的数量是两个，两个所述半圆柱体间的中心连线穿过所述椭圆形的圆心，并与所述长半径形成20-40度的夹角。

进一步地，所述挤压机构还包括设于所述转动件与驱动气囊之间的缓冲式传动器，使得所述转动件能够通过驱动缓冲式传动器来反复挤压所述驱动气囊。

进一步地，所述缓冲式传动器包括依次远离所述转动件的第一传动板和第二传动板，以及设于所述第一传动板和第二传动板之间的弹性伸缩件。

进一步地，所述缓冲式传动器还包括导向杆，所述导向杆的一端在贯穿所述弹性伸缩件之后固定在所述第二传动板上，而另一端可滑动地贯穿所述第一传动板。

进一步地，所述第二机架包括用于承载所述驱动气囊的载物台和垂直地设于所述载物台上的支撑板，所述转动件通过转轴可偏心转动地设在所述支撑板上，所述转轴与载物台相平行，所述转动源设在所述载物台上且与所述转轴相连。

进一步地，所述挤压机构还包括设在所述第二机架上的转动源，所述转动源为转动件提供动力。

进一步地，所述摩擦传感测试装置还包括与所述执行气囊或驱动气囊相连的总气量调整组件。

进一步地，所述总气量调整组件包括与所述执行气囊或驱动气囊相连的且带释压阀的补气气囊。

进一步地，所述第一机架包括底板和顶板及设于所述底板和底板之间的支撑侧板，所述弹性靠板和执行气囊二者中的一个与所述顶板相连，而二者另一个与所述底板相连。

本发明的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置能够通过气驱单元反复改变执行气囊内的充气量以使执行气囊模拟人体微运动，如人体心跳、呼吸等微运动，本发明的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置能够给摩擦发电式传感器施加呈周期性变化、温和可控的压力，并且由于执行气囊在模拟人体微运动的同时还能够通过自身弹性变形来模拟人体组织弹性，使得摩擦发电式传感器的两个摩擦表面能够进行软接触，以便降低该摩擦传感测试装置的测试结果与实际人体测试结果之间存在的不一致性。

另外，本发明的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置的结构简单，制造方便，使用安全可靠，便于实施推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1显示了根据本发明实施例的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置的结构示意图；以及

图2显示了根据本发明实施例的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置的缓冲式传动器；

图3显示了根据本发明实施例的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置的转动件；

图4显示了根据本发明实施例的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置在模拟人体呼吸和心跳后所检测的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1显示了根据本发明实施例的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置的结构示意图。如图1所示，该摩擦传感测试装置100包括第一机架1、设于第一机架1上的弹性靠板2和设于第一机架1上的执行气囊3，以及与执行气囊3相连的气驱单元5。其中，弹性靠板2与执行气囊3之间形成有容纳空间，摩擦发电式传感器9能够设置在该容纳空间内，以用于检测模拟的人体微运动。其中，摩擦发电式传感器9可以为基于摩擦发电机的生理信号传感带。传感带包括依次层叠设置的第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和第二电极层，其中，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对的两个表面构成摩擦界面，并且在构成摩擦界面的两个表面中的至少一个表面上设有凸起阵列结构，第一电极层和第二电极层构成传感带的两个信号输出端；在不受外力的情况下，凸起阵列结构使两摩擦表面相互分离。弹性靠板2的材料可选为橡胶或硅胶等。

根据本发明，气驱单元5设置成能够反复改变执行气囊3内的充气量，以使执行气囊3模拟人体微运动，使得摩擦发电式传感器9的两个摩擦表面能够接触和分离，其中所模拟的人体微运动包括人体心跳、呼吸等微运动。本发明实施例的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置100能够通过气驱单元5反复改变执行气囊3内的充气量以使执行气囊3模拟人体微运动，如人体心跳、呼吸等微运动，由于执行气囊3和弹性靠板2在模拟人体微运动的同时还能够通过自身弹性变形起到缓冲的作用，以模拟人体组织弹性，使得摩擦发电式传感器9的两个摩擦表面能够进行软接触，以便降低该摩擦传感测试装置100的测试结果与实际人体测试结果之间存在的不一致性。

气驱单元5可选为一个能够执行补气和放气的气泵系统。但在该实施例中，气驱单元5并未选择常规的气泵系统，其主要包括与执行气囊3相连通的驱动气囊51，以及能够反复挤压驱动气囊51的挤压机构。其中，执行气囊3和驱动气囊51通过导气管连通。挤压机构在对驱动气囊51进行反复挤压的过程中，由于驱动气囊51与执行气囊3相连通，使得挤压机构能够通过驱动气囊51来控制执行气囊3，进而反复改变执行气囊3内的充气量以使该执行气囊3模拟人体微运动。也就是说，当驱动气囊51在挤压机构的作用下使其体积减小时，驱动气囊51内被挤出的气体沿着导气管进入执行气囊3内，迫使执行气囊3的体积增大，从而在摩擦发电式传感器9上施加模拟人体微运动的载荷，使摩擦发电式传感器9的两个摩擦表面相互接触；反之，当驱动气囊51在被挤压之后恢复原状时，被挤压而挤出的气体又沿着导气管返回驱动气囊51内，此时，执行气囊3作用在摩擦发电式传感器9上的载荷减小或消失，摩擦发电式传感器9的两个摩擦表面在凸起阵列结构的作用下相互分离。由此，执行气囊3随着驱动气囊51的收缩和膨胀而膨胀和收缩的过程与人体呼吸时胸腔的膨胀和收缩的过程极为接近。此外，通过导气管将执行气囊3与驱动气囊51相连，能够将挤压机构与摩擦发电式传感器9间分开设置，以降低挤压机构对摩擦发电式传感器9产生的电磁干扰，提高检测结果的准确度。

在该实施例中，挤压机构包括能够承载驱动气囊51的第二机架52，以及可偏心转动地设在第二机架52上的转动件54，其中转动件54能够挤压驱动气囊51，驱动气囊51被挤压后使其内部的部分气体经导气管进入执行气囊3内。其中，转动件54优选是凸轮或偏心轮。通过与执行气囊3相连通的驱动气囊51已将挤压机构与摩擦发电式传感器9间隔开，在此基础之上又通过相互独立的第一机架1和第二机架52分别承载挤压机构与摩擦发电式传感器9，使得第二机架52因挤压机构的工作而产生的震动基本不影响第一机架1上的摩擦发电式传感器9和执行气囊3的工作，可进一步提高检测结果的准确度。其中，挤压机构还可选成能够进行反复伸缩运动的直线驱动系统，如液压缸系统、气压缸系统或直线电机系统等。

容易理解的是，该转动件54可被非摩擦传感测试装置100的动力机构驱动，但最好是该摩擦传感测试装置100具有能够驱动转动件54的动力机构，如所述挤压机构还包括设于第二机架52上的转动源53，转动源53为转动件54提供动力。其中，该转动源53可选为能够驱动转动件54的电动机、发动机或其他能够输出转动的装置。该转动源53通过偏心转动的转动件54来反复地挤压驱动气囊51，并通过驱动气囊51来控制执行气囊3的充气量，在此过程中，由于对执行气囊3的充气量的调整主要通过转动件54的外形和偏心转动来实现，因此通过调整转动源53的转速能够使执行气囊3进行周期性的膨胀和收缩动作，以模拟人体呼吸的过程。

当需要模拟人体微运动中的周期性特殊变化时，可在转动件54的外周上间隔开地设有用于挤压驱动气囊51的多个凸起55，并通过凸起55来模拟人体微运动中的周期性特殊变化。其中，凸起55的数量、形态和位置根据具体的微运动来定。例如人在呼吸时必然伴有心脏跳动，那么在摩擦发电式传感器9检测人体的呼吸信号时，其测得的信号中必然伴有心脏跳动的信号，即测得的信号是呼吸和心跳的复合信号，同时还可能伴有其他人体微运动的微弱信号。在图3所示的优选实施例中，待模拟的人体微运动同时包含人体的呼吸和心跳，转动件54的横截面是椭圆形，椭圆形的长半径r1是20-25mm，而短半径r2是18-22mm，并且长半径大于短半径，凸起55是以该椭圆形的外边缘为圆心且半径r0是3-5mm的半圆柱体，该半圆柱体的数量是两个，两个半圆柱体间的中心连线穿过椭圆形的圆心，并与长半径r1形成20-40度的夹角。优选地，椭圆形的长半径r1为23mm，短半径r2为20mm，凸起的半径r0为4mm，凸起的中心连线与长半径的夹角为30度。可选地，凸起除了可以为半圆柱体外，还可以为半圆球状等其他类似形状。在本实施例中，该模拟人体微运动的摩擦传感测试装置能够通过转动件54椭圆的外圆周对驱动气囊51的挤压作用模拟人体的呼吸过程，并且通过凸起55对驱动气囊51的脉动式的挤压作用模拟人体的心跳过程，以达到同时模拟呼吸和心跳的目的。图4显示了根据本发明实施例的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置在模拟人体呼吸和心跳后所检测的波形图，该实施例所用的转动件54就是图3所示的转动件54，根据图4可以得知图3所示的转动件54能够良好模拟人体的呼吸和心跳，并保证在模拟人体呼吸和心跳后所检测的波形图能够与实际人体的呼吸和心跳波形图大致吻合。

在本实施例中，挤压机构还包括设于转动件54与驱动气囊51之间的缓冲式传动器56，其中转动件54能够通过缓冲式传动器56来反复挤压驱动气囊51，详见图1和图2。转动件54在通过缓冲式传动器56反复挤压驱动气囊51时，能够有效地避免转动件54直接硬性地挤压驱动气囊51，一方面可以提高驱动气囊51的使用寿命，另一方面还可促使转动件54对驱动气囊51施加压力的过程更加舒缓，从而使执行气囊3对摩擦发电式传感器9的作用过程更接近实际人体的呼吸和心跳作用过程，使摩擦发电式传感器9的两个摩擦表面能够进行更软的接触，以进一步降低该摩擦传感测试装置100的测试结果与实际人体测试结果之间存在的不一致性。

缓冲式传动器56可直接选为能够执行弹性伸缩的构件或组件，如橡胶块、硅胶块或两者组合。在该实施例中，缓冲式传动器56包括依次远离转动件54的第一传动板561和第二传动板562，以及设于第一传动板561和第二传动板562之间的弹性伸缩件563，详见图2，通过弹性伸缩件563的缓冲作用可使转动件54对驱动气囊51施加压力的过程更加舒缓。其中，弹性伸缩件563可以是一个比较大的橡胶块、硅胶块或弹簧，也可是以阵列形式排布在设于第一传动板561和第二传动板562之间的橡胶块、硅胶块或弹簧。

为了防止弹性伸缩件563相对第一传动板561和第二传动板562串动而脱离第一传动板561和第二传动板562，缓冲式传动器56还包括导向杆564，导向杆564的一端在贯穿弹性伸缩件563之后固定在第二传动板562上，而另一端可滑动地贯穿第一传动板561。除此之外，弹性伸缩件563的两端可分别与第一传动板561和第二传动板562相连，如焊接、卡接或粘接等。

在一个优选的实施例中，转动源53选为调速电机，而摩擦传感测试装置100还包括与调速电机相连的电机控制器。由于不同个体的人体微运动存在细微差异，因此为了能够模拟不同个体的人体微运动，可通过调整调速电机的转速方式来精准地控制执行气囊3的伸缩，以达到模拟不同个体的人体微运动的目的。

在一个实施例中，该摩擦传感测试装置100还包括与执行气囊3或驱动气囊51相连的总气量调整组件6。其中，总气量调整组件6可包括与执行气囊3或驱动气囊51相连的且带释压阀的补气气囊。鉴于个体间的体型和体质差异，如胖瘦、体重或由于体脂含量导致的组织弹性不同，为了让执行气囊3能够模拟不同个体的情况，可通过总气量调整组件6来调整执行气囊3和驱动气囊51内的总气量，以使执行气囊3能够模拟不同个体的人体情况。为了总气量调整组件6精准地调整执行气囊3和驱动气囊51内的总气量，该摩擦传感测试装置100可包括与执行气囊3或驱动气囊51相连的压力测试仪7。其中，压力测试仪7优选是可显示读数的机械式气压表或电子式气压表。

在一个优选的实施例中，第二机架52包括用于承载驱动气囊51的载物台521和垂直地设于载物台521上的支撑板522，转动件54通过转轴54a可偏心转动地设在支撑板522上，转轴54a与载物台521相平行，转动源53设在载物台521上且与转轴54a相连。本实施例的第二机架52不仅不干扰气驱单元5内各部部件之间的运动，而且还具有结构简单紧凑、强度高和制造方便等优点。

在一个优选的实施例中，第一机架1包括底板11和顶板12及设于底板11和顶板12之间的支撑侧板13，其中，弹性靠板2和执行气囊3二者中的一个与顶板12相连，而二者另一个与底板11相连。本实施例的第二机架52不仅不干扰执行气囊3和摩擦发电式传感器9的工作，而且具有结构简单紧凑、强度高和制造方便等优点。

综上可知，本发明实施例的模拟人体微运动的摩擦传感测试装置100能够给摩擦发电式传感器9施加呈周期性变化、温和可控的压力，使摩擦发电式传感器9的两个摩擦表面进行软接触，以便降低该摩擦传感测试装置100的测试结果与实际人体测试结果之间存在的不一致性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。