基于环形液体芯压电材料管道的人体半规管实体模型的制作方法

本发明属于仿生加速度传感器技术领域，特别是一种基于环形液体芯压电材料管道的人体半规管实体模型。

背景技术：

人体前庭系统中的半规管，可以感知人体头部的角加速度，用于保持身体平衡、维持稳定视觉，是人形重要的感觉器官。由于体积小、结构复杂、隐藏在头骨中，很难通过现有的技术手段，直接测量半规管内部的力学响应。而根据真实的人体半规管结构，用人工材料(或器件)代替相应的生物组织，设计制备人体半规管实体模型，可以较真实地观察和测量出人体半规管的工作机制，并进行各种生物体无法开展的物理实验，促进了解相关前庭疾病的病因。

目前，人体半规管实体模型的结构如中国发明专利“人工纤毛的仿耳蜗半规管旋转加速度传感器”(申请号：201510750074.1公开日：2016.03.09)所述，包括一根以上中空的完全管道，该管道两端和一个密封的容器相连通，管道和容器内充满绝缘液，每根管道内部的壶腹嵴上设置一个以上凸起的纤维装置。

上述旋转加速度传感器由于采用含金属芯压电纤维传感元件，其中金属芯的弹性模量较高，与人体半规管中的纤毛感觉细胞中的弹性模量有着很大的不同，也导致其生物力学特性和人体半规管有这很大的区别；且其管道中的塑形材料没有完全分隔管道，旋转时管道内的液体可以流经塑形材料表面，在管道内形成环流，这和人体半规管中壶腹嵴完全分隔开管道的结构有着本质的区别，内部流体流动方式也完全不同，其生物力学特性也有很大的区别，存在角加速度与直线加速度的耦合问题，导致角加速度测量不够准确。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于环形液体芯压电材料管道的人体半规管实体模型，能够有效区分角加速度和直线加速度，准确测量角加速度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于环形液体芯压电材料管道的人体半规管实体模型，包括一个筒状刚性管道9和与所述刚性管道9两端密闭连接的圆环状连接管8，所述刚性管道9水平放置，所述圆环状连接管8从刚性管道4上方越过；

在所述刚性管道9与圆环状连接管8构成的密闭空间内充满液体7；

还包括置于所述刚性管道9中部的柔性弹性体6，所述柔性弹性体6周边与刚性管道9内壁密闭固定连接，将刚性管道9纵向分隔为互不相通的两部分；

所述刚性管道9底部与柔性弹性体6连接处设有缝隙，并以柔性弹性膜5将该缝隙密封；

还包括一底部及周边封闭、上部开口的底座2及固定于所述底座2底部的环形液体芯压电材料管道1；

还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆3，所述阶梯结构弹性杆3下部为所述环形液体芯压电材料管道1密切接触环绕，上部穿过所述柔性弹性膜5密封于柔性弹性体6中。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

能准确测量角加速度：本发明在结构上模仿人体头部前庭系统中用于测量角加速度的半规管结构，具有和人体半规管相似的传感功能，利用与人体半规管完全相同的工作原理，能够有效区分角加速度和直线加速度，避免出现角加速度与直线加速度的耦合，从而可以准确测定角加速度。非常适合于用作人形机器人头部的角加速度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明基于环形液体芯压电材料管道的人体半规管实体模型的结构示意图。

图2是图1中环形液体芯压电材料管道的纵剖面图。

图3是图1中环形液体芯压电材料管道的横剖面图。

图4是图1中环形液体芯压电材料管道隔断处的横剖面图。

图中，环形液体芯压电材料管道1，底座2，阶梯结构弹性杆3，柔性弹性膜5，柔性弹性体6，液体7，连接管8，刚性管道9，

柔性外壳管道101，外层导电液体102，有机压电材料管道103，内层导电液体104，外层弹性隔断105，内层弹性隔断106，第一、二内层电极引线108、109、第一、二外层电极引线107、110，气孔111。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于环形液体芯压电材料管道的人体半规管实体模型，其包括一个筒状刚性管道9和与所述刚性管道9两端密闭连接的圆环状连接管8，所述刚性管道9水平放置，所述圆环状连接管8从刚性管道4上方越过；

在所述刚性管道9与圆环状连接管8构成的密闭空间内充满液体7；

还包括置于所述刚性管道9中部的柔性弹性体6，所述柔性弹性体6周边与刚性管道9内壁密闭固定连接，将刚性管道9纵向分隔为互不相通的两部分；

所述刚性管道9底部与柔性弹性体6连接处设有缝隙，并以柔性弹性膜5将该缝隙密封；

还包括一底部及周边封闭、上部开口的底座2及固定于所述底座2底部的环形液体芯压电材料管道1；

还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆3，所述阶梯结构弹性杆3下部为所述环形液体芯压电材料管道1密切接触环绕，上部穿过所述柔性弹性膜5密封于柔性弹性体6中。

如图2、3所示，

所述环形液体芯压电材料管道1包括圆环状有机压电材料管道103和套装在所述有机压电材料管道103外的柔性外壳管道101；

所述有机压电材料管道103内充满内层导电液体104，所述柔性外壳管道101与有机压电材料管道103之间充满外层导电液体102；

所述外层导电液体密切接触环绕于阶梯结构弹性杆3下部。

如图2、4所示，

在所述圆环状有机压电材料管道103内关于圆环中心对称设有二个内层弹性隔断106，将有机压电材料管道103内的内层导电液体104等分为两部分；

在所述柔性外壳管道101与有机压电材料管道103之间与所述二个内层弹性隔断106相应的位置设有二个外层弹性隔断105，将外层导电液体102等分为两部分。

当环形管道一侧受到挤压后，内层和外层液体芯产生变形，导致有机压电材料层也会发生变形，在内外层导电液体芯中产生电荷。由电荷的大小，可以感知弹性性杆的变形情况，即变形方向和大小。

如图2所示，

在所述内层弹性隔断106和外层弹性隔断105内均设有气孔111。

如图2所示，

还包括一端分别与两部分内层导电液体104电连接的第一、二内层电极引线108、109、一端分别与两部分外层导电液体102电连接的第一、二外层电极引线107、110。

优选地，

所述内层导电液体104和外层导电液体102为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。

本发明基于环形液体芯压电材料管道的人体半规管实体模型的工作原理详述如下：

当刚性管道9与圆环状连接管8整体受到角加速度作用时，刚性管道9产生轴向运动。而液体7由于惯性，向与刚性管道运动相反的方向运动，对柔性弹性体6产生压力，使弹性杆3产生弯曲变形。当弹性杆3向左边弯曲时，有机压电材料管道103内的内层导电液体104左边密封部分受到压迫，但是，由于液体具有体积不变的特性，将使有机压电材料管道103左边部分产生变形。由于压电效应，将在内层导电液体104和外层导电液体102左边密封部分产生电荷。同样，当弹性杆3向右边弯曲时，将在内层导电液体104和外层导电液体102右边密封部分产生电荷，并分别由电极引线107、108组成的一路传感电路，以及电极引线109、110组成的另一路传感电路传送至传感系统中。根据2路传感电路信号的大小，可以计算出有机压电材料管道103左右两侧变形大小，进而计算出弹性杆3的弯曲变形方向和大小，进而计算出柔性弹性体6的弯曲变形方向和大小，进而计算出刚性管道9与圆环状连接管8整体受到的角加速度的大小和方向。

具体计算过程：环形液体芯压电材料管道产生的2个传感电荷的大小——弹性杆的弯曲变形的大小和方向——柔性弹性体受到的惯性力的大小和方向——管道所受到的角加速度的大小和方向。

本发明完全模仿人体内耳中半规管的结构和功能，能够计算出角加速度的大小和方向，可以应用于自动驾驶车辆、vr设备、航空航天等领域；也可以用于医学领域，研究人体的半规管功能机制，也可以用于检测人体半规管的功能检查。