用于下肢辅助外骨骼的柔性传感器

### 用于下肢辅助外骨骼的柔性传感器 #### 1. 柔性传感器优势 惯性测量单元（IMUs）在校准和初始化方面存在问题，既耗时又容易出错。相比之下，柔性传感器无需校准和初始化，使用和维护更加便捷。而且，柔性传感器对外部因素（如磁干扰）不太敏感，在某些环境中，磁干扰会影响IMUs的准确性。 柔性传感器还能集成到柔软且可穿戴的外骨骼中，支持并增强人体运动。它可以提供关节角度和运动的准确信息，使外骨骼相应地调整辅助策略，有助于减轻佩戴者的疲劳，提高其运动表现。 由于柔性和可拉伸传感器具有灵活性、连续数据输出、易用性和鲁棒性等特点，使其成为测量关节角度时IMUs的有前景的替代方案。因此，本文提出了一种柔性可拉伸电容传感器，并通过不同坡度下的动态测试实验验证了其可靠性。 #### 2. 实验方法 ##### 2.1 实验设备与系统 - **柔性传感器介绍**：从测量原理上，柔性传感器主要分为压电传感器、电阻传感器和电容传感器。电容传感器在仅受拉伸的条件下可靠性优于其他两种，在不同温度和湿度环境下可靠性更高，且加工技术更简单易实现，所以本文介绍的是电容式张力传感器。 - 柔性可拉伸导电材料的力学性能（如杨氏模量和最大拉伸长度）主要受弹性基底影响。可拉伸弹性体能够很好地消除施加的应力，保护金属填料不受损坏。弹性基底是决定传感器性能的关键因素之一。 - 弹性体根据弹性网络中相邻链之间的相互作用可分为化学交联弹性体和物理交联弹性体。化学交联弹性体中，聚合物通过共价键连接形成聚合物网络，化学共价键产生的强相互作用使其具有良好的力学性能和热稳定性。物理交联弹性体则是通过较弱的相互作用连接聚合物链，如聚（苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯）（SBS）和氢化聚（苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯）（SEBS），可通过调整嵌段共聚物中各部分的比例来优化材料性能。由于键相互作用较弱，物理交联弹性体更易于加工，通过加热或加压更容易重塑形状。本文使用的传感器采用物理交联弹性体SEBS，这种新型热塑性弹性体不含不饱和双键，具有良好的稳定性、抗氧化性和抗老化性，还具备可塑性、高弹性等优异力学性能，适用于不同使用场景且不易损坏。 - **传感器制作流程**： 1. 首先准备单层的1H、1H和2H蒸发清洁硅片，制备结束时从该层去除2H全氟辛基三氯硅烷。 2. 将SEBS以15%的重量浓度稀释在甲苯中，手动滴在硅片上。 3. 在25°C下固化24小时，制备出厚度为100μm的SEBS涂层。 4. 使用磁控溅射系统（JS4S - 75G，中国）沉积25nm厚的金膜。 5. 溅射过程结束后剥离掩膜，得到可拉伸金膜电极。 6. 在具有特定形状的模具上制作大面积柔性传感器，然后将可拉伸电极切成合适的切片。 7. 利用SEBS的自粘性，将两个可拉伸电极背靠背连接形成电容传感器。 8. 将铜线连接到传感器两端。 9. 通过SEBS层和封装膜对传感器进行封装，以保持其绝缘性和鲁棒性。 - **数据采集系统**：数据采集系统包括一个555定时器电路板和一个用于连接计算机的USB - A WIFI无线接收器模块。采集系统使用555定时器将变形传感器的电容变化转换为频率变化，通过测量频率可准确获得传感器的电容。数据接收和处理单元接收到的频率数据经过解包、转换、打包等操作后发送到WIFI无线传输模块。人机交互界面实时接收WIFI无线发送的数据，并能实时绘制柔性传感器的电容变化波形图。其流程如下： ```mermaid graph LR A[变形传感器] -- ```