基于液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型
阅读说明：本技术 基于液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型 (Human body semicircular canal solid model based on liquid core organic piezoelectric material sphere ) 是由 边义祥 秦永斌 郑再象 郭广明 朱林 吴志学 刘冬稔 王昌龙 陈文家 于 2020-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型,能够准确测量角加速度。本发明的人体半规管实体模型,包括筒状刚性管道(9)和圆环状连接管(8),其间充满液体(7)；还包括周边与刚性管道(9)内壁密闭固定连接的柔性弹性体(6)；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；还包括底座(2)及固定于底座(2)底部的第一、二液体芯有机压电材料球体(1、4)和阶梯结构弹性杆(3),阶梯结构弹性杆(3)下端固定连接在底座(2)底部,两侧分别与第一、二液体芯有机压电材料球体(1、4)接触,其上端穿过所述柔性弹性膜(5)密封于柔性弹性体(6)中。(The invention discloses a human body semicircular canal solid model based on a liquid core organic piezoelectric material sphere, which can accurately measure angular acceleration. The physical model of the human semicircular canal comprises a cylindrical rigid pipeline (9) and a circular connecting pipe (8), wherein liquid (7) is filled between the cylindrical rigid pipeline and the circular connecting pipe; the flexible elastic body (6) is fixedly connected with the inner wall of the rigid pipeline (9) in a sealing way at the periphery; a gap is arranged at the joint of the bottom of the rigid pipeline (9) and the flexible elastic body (6), and the gap is sealed by the flexible elastic membrane (5); the piezoelectric ceramic material ball is characterized by further comprising a base (2), first and second liquid core organic piezoelectric material balls (1 and 4) and a ladder structure elastic rod (3), wherein the first and second liquid core organic piezoelectric material balls (1 and 4) are fixed to the bottom of the base (2), the lower end of the ladder structure elastic rod (3) is fixedly connected to the bottom of the base (2), two sides of the ladder structure elastic rod are respectively in contact with the first and second liquid core organic piezoelectric material balls (1 and 4), and the upper end of the ladder structure elastic rod penetrates through a flexible elastic membrane (5) and is sealed in a flexible elastic.)
技术领域
本发明属于人体器官仿生技术领域，特别是一种基于液体芯有机压电材料球体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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型，能够避免角加速度与直线加速度的耦合，准确测量角加速度。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于液体芯有机压电材料球体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纵向分隔成互不相通的两部分；
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底部的第一液体芯有机压电材料球体1和第二液体芯有机压电材料球体4；
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下端固定连接在底座2底部，位于第一液体芯有机压电材料球体1与第二液体芯有机压电材料球体4之间，其上端穿过所述柔性弹性膜5密封于柔性弹性体6中；
所述第一液体芯有机压电材料球体1与所述弹性杆3接触，所述第二液体芯有机压电材料球体4与所述弹性杆3接触；
所述底座2上部与刚性管道9底部固定连接，并使第一液体芯有机压电材料球体1与第二液体芯有机压电材料球体4球心连线与刚性管道9轴线平行。
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是本发明基于液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型的结构示意图。
图2是图1中液体芯有机压电材料球体的结构详图。
图中，第一液体芯有机压电材料球体1，底座2，阶梯结构弹性杆3，第二液体芯有机压电材料球体4，柔性弹性膜5，柔性弹性体6，液体7，连接管8，刚性管道9，
底板101，内层导电液体102，柔性有机压电材料壳体103，外层导电液体104，柔性弹性外壳膜105，外层电极引线106，内层电极引线107，弯曲刚性杆108。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于液体芯有机压电材料球体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纵向分隔成互不相通的两部分；
例如，柔性弹性体6为圆饼状，其平面与刚性管道9轴线垂直，从而将刚性管道9纵向分隔成互不相通的两部分，如图1中的左、右两部分。而液体7只能通过圆环状连接管8相通。
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底部的第一液体芯有机压电材料球体1和第二液体芯有机压电材料球体4；
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下端固定连接在底座2底部，位于第一液体芯有机压电材料球体1与第二液体芯有机压电材料球体4之间，其上端穿过所述柔性弹性膜5密封于柔性弹性体6中；
所述第一液体芯有机压电材料球体1与所述弹性杆3接触，所述第二液体芯有机压电材料球体4与所述弹性杆3接触；
所述底座2上部与刚性管道9底部固定连接，并使第一液体芯有机压电材料球体1与第二液体芯有机压电材料球体4球心连线与刚性管道9轴线平行。
当液体7沿刚性管道9轴线移动时，推动柔性弹性体6沿刚性管道9轴线变形，从而带动弹性杆3沿刚性管道9轴线弯曲，挤压弯曲方向所在的其中一个液体芯有机压电材料球体。例如，图1中，弹性杆3向左弯曲，则压迫第二液体芯有机压电材料球体4。
优选地，如图2所示，所述第一液体芯有机压电材料球体1包括圆形底板101、半球壳状柔性有机压电材料壳体103和半球壳状柔性弹性外壳膜105；
所述柔性有机压电材料壳体103开口端与底板101密闭连接，其内充满内层导电液体102，所述柔性弹性外壳膜105套装在所述柔性有机压电材料壳体103外，开口端与底板101密闭连接，在所述柔性弹性外壳膜105与柔性有机压电材料壳体103之间充满外层导电液体104；
还包括弯曲刚性杆108，所述弯曲刚性杆108一端与柔性弹性外壳膜105固定连接，另一端与所述弹性杆3接触。
优选地，如图2所示，
所述弯曲刚性杆108一端与柔性弹性外壳膜105相切并固定连接，其另一端与所述弹性杆3相切并接触。
如图2所示，还包括一端与内层导电液体102电连接的内层电极引线107、一端与外层导电液体104电连接的外层电极引线106。
当液体7沿刚性管道9轴线移动时，推动柔性弹性体6沿刚性管道9轴线变形，从而带动弹性杆3沿刚性管道9轴线弯曲，挤压弯曲方向所在的其中一个液体芯有机压电材料球体上的弯曲刚性杆108。弯曲刚性杆108上端受弹性杆3带动，发生偏转，压迫柔性弹性外壳膜105，使液体芯有机压电材料球体产生变形，由于压电效应，在两层导电液体中将产生电荷；有电荷的大小，可以计算出外力的大小。
优选地，所述外层导电液体104和内层导电液体102为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
为保证良好的电反应一到致性，优选地，
所述第二液体芯有机压电材料球体4与第一液体芯有机压电材料球体1形状、结构相同。
本发明基于液体芯有机压电材料球体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及连接管8整体受到角加速度作用时，刚性管道9产生运动。其中的液体7由于惯性作用，向与刚性管道9运动方向相反的方向运动，对柔性弹性体6产生压力，使弹性杆3产生弯曲变形。弹性杆3通过弯曲刚性杆108或408压迫相应侧的液体芯有机压电材料球体1或4，使液体芯有机压电材料球体产生弯曲变形，由于压电效应，在层导电液体104和内层导电液体102中产生电荷，并由电极引线106和107组成的一路输出信号电路，输出至外部。根据输出电荷的大小，可以计算出弯曲刚性杆108或408所受到的推力的大小和方向，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，进而计算出液体7对于柔性弹性体6的作用力大小和方向，进而计算出刚性管道9及连接管8整体受到的角加速度的大小和方向。
具体计算过程：两个液体芯有机压电材料球体产生电荷的大小——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。
本发明基于液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型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，不能感知直线加速度，不会产生直线加速度与角加速度的耦合问题。从而能够有效区分角加速度和直线加速度，准确测量角加速度。
本发明在结构、工作原理、功能等发明和人体用于测量角加速度的半规管完全类似，非常适用于感知人形机器人头部的角加速度，以感知机器人的空间姿态、维持身体平衡和稳定的视觉。可以广泛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。