本發(fā)明屬于傳感器及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種基于皮/芯結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

在電影中，我們的目光往往會被那些或驚心動魄的殊死爭斗、或壯麗絕倫的奇幻場景所深深吸引，尤其是一些非現(xiàn)實(shí)題材的科幻類影片，這些虛構(gòu)的畫面不僅僅需要在后期使用電腦進(jìn)行特效制作，還必須借助特殊的拍攝工具和器材來完成制作中不可或缺的人或物的動作捕捉。目前，廣泛使用的動作捕捉主要有兩類方式，一是光學(xué)攝像式動作捕捉，另一類是慣性導(dǎo)航式動作捕捉。然而，無論是哪種動作捕捉方式，演員都被要求穿上特制的衣服或佩戴特制的設(shè)備，這類衣服或設(shè)備往往比較笨重，在拍攝過程中演員身體部位間的相互遮擋有時也會阻礙攝像機(jī)的光線，尤其是這類動作捕捉方式無法靈敏地監(jiān)測肘部、腕部、膝蓋等關(guān)節(jié)處的彎曲程度。在軍事、體育、醫(yī)學(xué)、電腦視覺、機(jī)器人技術(shù)等諸多領(lǐng)域，對各種動作捕捉方式也有廣泛的需求。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴式傳感器件在我們的生活中也變得越來越多，比如加速度傳感器、位移傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、紫外傳感器等，然而這些傳感器需要外界提供電能以維持其運(yùn)行。外界提供的電能不僅需持續(xù)給電，而且還會造成傳感器件體積與重量的增加，不方便攜帶。

因此，亟需一種自驅(qū)動的無外電源供給的動作捕捉傳感器去彌補(bǔ)目前動作捕捉方式存在的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于皮/芯結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器及其制備方法，本發(fā)明方法制備的自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器無需外界供能，即可靈敏的監(jiān)測人體關(guān)節(jié)部位的彎曲程度，循環(huán)性能好，力學(xué)性能穩(wěn)定，在柔性電子、可穿戴器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的一種基于皮/芯結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器，所述傳感器中的

皮/芯結(jié)構(gòu)中；包括：“皮”結(jié)構(gòu)與“芯”結(jié)構(gòu)兩部分，其中皮為復(fù)合結(jié)構(gòu)：改性pdms管

/竹纖維-尼龍/銀納米線/pdms；芯為復(fù)合結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電纖維/竹纖維-尼龍。

改性pdms管/竹纖維-尼龍/銀納米線/pdms：內(nèi)層為聚二甲基硅氧烷(pdms)空心管，

pdms管外包覆竹纖維/尼龍層，銀納米線覆蓋在竹纖維/尼龍層上，外層再包覆pdms以

固定纖維。

本發(fā)明的一種基于皮/芯結(jié)構(gòu)摩擦發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器的制備方法，包括：“皮”結(jié)構(gòu)的制備方法：

(1)將二甲基硅氧烷與固化劑通過注射泵注射在聚甲基丙烯酸甲酯pmma模具里，在50～150℃下加熱1～10h，從而通過原位聚合得到固化在pmma模具里的聚二甲基硅氧烷，然后放入乙酸乙酯中溶解掉pmma模具，溶解之后得到聚二甲基硅氧烷pdms管，pdms管的內(nèi)徑與套管模具中里面管子的外徑一致，pdms管外徑與套管模具中外面管子的內(nèi)徑相同，將pdms管取出后超聲清洗，烘干；

(2)將步驟(1)的pdms管用等離子體處理儀進(jìn)行氧氣等離子體預(yù)處理，以提高pdms管內(nèi)壁的親水性，再浸入氟硅烷fas濃縮液(其中氟硅烷的濃度在1wt％～1.5wt％之間)中，獲得接枝了氟硅烷的疏水表層，將pdms管取出清洗，烘干；然后在預(yù)拉伸的狀態(tài)下(進(jìn)行預(yù)拉伸后固定，預(yù)拉伸使得器件可以測試不同拉伸應(yīng)變)將竹纖維/尼龍層包纏在pdms管表面，再用等離子體處理儀進(jìn)行氧氣等離子體處理，以提高竹纖維/尼龍層的親水性，從而更容易吸附銀納米線，將處理后的預(yù)拉伸pdms管浸在銀納米線分散液中浸漬涂布；其中涂布10-15次，每次浸漬時間3-5秒；

(3)將步驟(2)中得到pdms管放入真空干燥箱中烘干，然后將pdms前驅(qū)體放在烘箱中固化，得到預(yù)聚合的pdms，再將預(yù)聚合的pdms與二氯甲烷混合，得到pdms溶液。最后，將pdms溶液噴涂在竹纖維/尼龍層的表面，噴涂的pdms既可以固定竹纖維/尼龍層，也可以保護(hù)銀納米線不被空氣氧化。

“芯”結(jié)構(gòu)的制備方法：

(4)將導(dǎo)電纖維進(jìn)行預(yù)處理，然后竹纖維/尼龍層通過輪結(jié)編織的方法包覆在導(dǎo)電纖維表面，得到導(dǎo)電纖維/竹纖維-尼龍，其中預(yù)處理后在導(dǎo)電纖維外通過輪結(jié)編織的方法包覆上一層竹纖維/尼龍層，竹纖維/尼龍層在表面呈現(xiàn)出螺旋狀花紋，粗糙的表面結(jié)構(gòu)有助于產(chǎn)生更大的摩擦電荷。

皮/芯結(jié)構(gòu)的組裝：

(5)在皮結(jié)構(gòu)預(yù)拉伸時，將芯結(jié)構(gòu)用ab膠固化在皮結(jié)構(gòu)的中心位置，等ab膠完全固化后，再釋放皮結(jié)構(gòu)使其恢復(fù)原狀，此時芯結(jié)構(gòu)在皮結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成波浪結(jié)構(gòu)，這種內(nèi)置的波浪結(jié)構(gòu)保證了器件的可拉伸性。

所述步驟(1)中二甲基硅氧烷與固化劑的質(zhì)量比為10:1。

所述步驟(1)中pdms管內(nèi)徑0.5～3mm，外徑1～4mm，管壁厚0.5～1mm。

所述步驟(2)中氧氣等離子體處理的工藝參數(shù)包括：功率100～200w，處理時間3～40min。

所述步驟(2)中竹纖維/尼龍層中竹纖維與尼龍的質(zhì)量比為3:1～4:1。

所述步驟(2)中銀納米線分散液的濃度為0.5～10mg/ml，分散液的溶劑為醇或水。

所述步驟(3)中真空干燥箱的溫度為40～60℃，真空度為-0.1～-0.09mpa；加熱臺溫度為

50～60℃。

所述步驟(3)中噴涂的pdms溶液的制備方法包括：將pdms在溫度為50～80℃的烘

箱中預(yù)聚合10～30min，得到預(yù)聚合的pdms，再用二氯甲烷作為溶劑溶解預(yù)聚合pdms，

得到pdms溶液，其中預(yù)聚合pdms與二氯甲烷的質(zhì)量比為1:30～1:100。

所述步驟(4)中導(dǎo)電纖維進(jìn)行預(yù)處理為：先用酒精燈燒導(dǎo)電纖維的毛疵，再用砂紙對纖維表面進(jìn)行打磨，對導(dǎo)電纖維的處理既有利于竹纖維/尼龍層的編織，也有助于摩擦電荷的產(chǎn)生。

有益效果

(1)本發(fā)明的制作成本低廉，制備的傳感器重量輕、柔韌性好；

(2)本發(fā)明通過預(yù)處理引入了氟硅烷疏水層，得到了內(nèi)表面改性的pdms管，有利于摩擦面的快速分離，提升了器件輸出信號的強(qiáng)度及穩(wěn)定性；

(3)本發(fā)明用氧氣等離子體處理包纏后的竹纖維/尼龍層，明顯的增大了竹纖維表面的親水性，有利于竹纖維對銀納米線的吸附，提升了電極的導(dǎo)電性；

(4)本發(fā)明在銀納米線外噴涂上pdms溶液，pdms對傳感器起到保護(hù)作用，使傳感器在進(jìn)行拉伸循環(huán)過程中的輸出信號更穩(wěn)定，同時，使得傳感器可以多次水洗；

(5)本發(fā)明使用輪結(jié)編織的方法，在導(dǎo)電纖維外包覆上竹纖維/尼龍層，竹纖維/尼龍層呈現(xiàn)的螺旋狀花紋有利于提升摩擦表面的粗糙度和摩擦面的分離，從而有效提高器件的輸出功率，增大器件輸出信號的穩(wěn)定性；

(6)本發(fā)明所制備的摩擦發(fā)電自驅(qū)動傳感器在工作時不需要外加電源，通過人體關(guān)節(jié)的“彎曲伸直”動作，使得“皮”結(jié)構(gòu)與“芯”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生接觸分離的摩擦發(fā)電效應(yīng)，從而使得傳感器可以根據(jù)關(guān)節(jié)的彎曲程度自動產(chǎn)生不同的電信號，使傳感器擺脫了對外加電源的依賴。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中自驅(qū)動傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)例1-3中所使用的竹纖維/尼龍層的表面sem圖；其中a為竹纖維/尼龍層的低倍表面sem圖，b為竹纖維/尼龍層的高倍表面sem圖；

圖3為實(shí)例1制備的自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器在被拉伸100％時它的時間-應(yīng)變-應(yīng)力曲線；

圖4為實(shí)例1制備的自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器在無外加電源時不同拉伸應(yīng)變下的時間-電壓曲線；

圖5為實(shí)例1中竹纖維/尼龍層浸漬銀納米線后的表面sem圖；其中a為浸漬后的低倍表面sem圖，b為浸漬后的高倍表面sem圖；

圖6為實(shí)例2中竹纖維/尼龍層浸漬銀納米線后的表面sem圖；其中a為浸漬后的低倍表面sem圖，b為浸漬后的高倍表面sem圖；

圖7為實(shí)例3中竹纖維/尼龍層浸漬銀納米線后的表面sem圖；其中a為浸漬后的低倍表面sem圖，b為浸漬后的高倍表面sem圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

實(shí)施例1

將二甲基硅氧烷和固化劑用注射泵注射在pmma模具里，將模具放入60℃烘箱中固化2小時，再將固化后的模具放入乙酸乙酯中溶解3小時除去pmma，得到pdms管，再用乙醇超聲清洗pdms管，烘干后將其放入氧氣等離子體處理儀中，在200w的功率下處理10min，再將pdms管浸入fas中2小時，取出后將其清洗、烘干。然后，在預(yù)拉伸的狀態(tài)下將竹纖維/尼龍層包纏在pdms管表面，再將其放入氧氣等離子體處理儀中，在200w的功率下處理5min，之后在濃度為2mg/ml的銀納米線乙醇分散液中浸漬涂布12次，每次浸漬時間5秒，將其在40℃烘干后接上導(dǎo)電纖維。將pdms前驅(qū)體放在溫度為60℃的烘箱中固化20min，得到預(yù)聚合pdms，再將預(yù)聚合pdms與二氯甲烷按質(zhì)量比1:70的比例混合，得到pdms溶液。最后，將pdms溶液噴涂在竹纖維/尼龍層的表面。

先用酒精燈燒導(dǎo)電纖維的毛疵，再用500目的砂紙對纖維表面進(jìn)行打磨，然后將竹纖維/尼龍層通過輪結(jié)編織的方法包覆在導(dǎo)電纖維表面。

在皮結(jié)構(gòu)預(yù)拉伸時，將芯結(jié)構(gòu)用ab膠固化在皮結(jié)構(gòu)的中心位置，等ab膠完全固化后，再釋放皮結(jié)構(gòu)使其恢復(fù)原狀，此時芯結(jié)構(gòu)在皮結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成波浪結(jié)構(gòu)。

圖1為自驅(qū)動傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，傳感器分為“皮/芯”結(jié)構(gòu)。圖2為竹纖維/尼龍層的表面sem圖，從圖中可以看出單根纖維的直徑大概在10um左右。圖3為自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器在被拉伸100％時它的時間-應(yīng)變-應(yīng)力曲線，從圖中可以看出傳感器經(jīng)過多次拉伸幾乎沒有形變，力學(xué)性能穩(wěn)定，拉伸循環(huán)性能好。通過捕捉電壓信號，能精確記錄動作，圖4為自驅(qū)動人體動作捕捉傳感器在無外加電源時不同拉伸應(yīng)變下的時間-電壓曲線，從圖中可以看出傳感器信號穩(wěn)定。圖5為竹纖維/尼龍層浸漬銀納米線后的表面sem圖，從圖中可以看出竹纖維/尼龍層表面包覆有均勻的銀納米線。

實(shí)施例2

將二甲基硅氧烷和固化劑用注射泵注射在pmma模具里，將模具放入80℃烘箱中固化1小時，再將固化后的模具放入乙酸乙酯中溶解3小時除去pmma，得到pdms管，再用乙醇超聲清洗pdms管，烘干后將其放入氧氣等離子體處理儀中，在200w的功率下處理5min，再將pdms管浸入fas中2小時，取出后將其清洗、烘干。然后，在預(yù)拉伸的狀態(tài)下將竹纖維/尼龍層包纏在pdms管表面，再將其放入氧氣等離子體處理儀中，在200w的功率下處理5min，之后在濃度為5mg/ml的銀納米線乙醇分散液中浸漬涂布12次，每次浸漬時間5秒，將其在40℃烘干后接上導(dǎo)電纖維。將pdms前驅(qū)體放在溫度為60℃的烘箱中固化20min，得到預(yù)聚合pdms，再將預(yù)聚合pdms與二氯甲烷按質(zhì)量比1:70的比例混合，得到pdms溶液。最后，將pdms溶液噴涂在竹纖維/尼龍層的表面。

先用酒精燈燒導(dǎo)電纖維的毛疵，再用500目的砂紙對纖維表面進(jìn)行打磨，然后將竹纖維/尼龍層通過輪結(jié)編織的方法包覆在導(dǎo)電纖維表面。

在皮結(jié)構(gòu)預(yù)拉伸時，將芯結(jié)構(gòu)用ab膠固化在皮結(jié)構(gòu)的中心位置，等ab膠完全固化后，再釋放皮結(jié)構(gòu)使其恢復(fù)原狀，此時芯結(jié)構(gòu)在皮結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成波浪結(jié)構(gòu)。

圖6為竹纖維/尼龍層浸漬銀納米線后的表面sem圖，從圖中可以看出竹纖維/尼龍層表面包覆有大量的銀納米線。

實(shí)施例3

將二甲基硅氧烷和固化劑用注射泵注射在pmma模具里，將模具放入60℃烘箱中固化2小時，再將固化后的模具放入乙酸乙酯中溶解3小時除去pmma，得到pdms管，再用乙醇超聲清洗pdms管，烘干后將其放入氧氣等離子體處理儀中，在200w的功率下處理10min，再將pdms管浸入fas中2小時，取出后將其清洗、烘干。然后，在預(yù)拉伸的狀態(tài)下將竹纖維/尼龍層包纏在pdms管表面，再將其放入氧氣等離子體處理儀中，在200w的功率下處理5min，之后在濃度為0.5mg/ml的銀納米線乙醇分散液中浸漬涂布12次，每次浸漬時間5秒，將其在40℃烘干后接上導(dǎo)電纖維。將pdms前驅(qū)體放在溫度為60℃的烘箱中固化20min，得到預(yù)聚合pdms，再將預(yù)聚合pdms與二氯甲烷按質(zhì)量比1:60的比例混合，得到pdms溶液。最后，將pdms溶液噴涂在竹纖維/尼龍層的表面。

先用酒精燈燒導(dǎo)電纖維的毛疵，再用500目的砂紙對纖維表面進(jìn)行打磨，然后將竹纖維/尼龍層通過輪結(jié)編織的方法包覆在導(dǎo)電纖維表面。

在皮結(jié)構(gòu)預(yù)拉伸時，將芯結(jié)構(gòu)用ab膠固化在皮結(jié)構(gòu)的中心位置，等ab膠完全固化后，再釋放皮結(jié)構(gòu)使其恢復(fù)原狀，此時芯結(jié)構(gòu)在皮結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成波浪結(jié)構(gòu)。

圖7為竹纖維/尼龍層浸漬銀納米線后的表面sem圖，從圖中可以看出竹纖維/尼龍層表面包覆有少量的銀納米線。