CN102247151A - 一种肌肉张力传感器及肌肉张力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肌肉张力传感器及肌肉张力检测方法，其特征是由盒体和底部端盖构成一柱状壳体，在柱状壳体内，与盒体的顶板相贴的是一压力传感器，一“T”形探头以其顶部端面与压力传感器的底部端面相抵，“T”形探头上的凸柱自底部端盖的中央通孔中贯穿、凸伸在柱状壳体的外部；在柱状壳体的外部，作为压敏器件的压电薄膜电阻与盒体的顶板相贴；在盒体的上方，另有一“T”形顶盖以其凸柱的底部端面抵于所述压电薄膜电阻，在顶盖的上方，以压板与顶盖形成夹板，绑带夹固在由压板与顶盖构成的夹板中。本发明可稳定地获取肌肉张力参数，用对人体进行康复治疗的肌肉恢复状况进行评价。

Description

一种肌肉张力传感器及肌肉张力检测方法

技术领域

本发明涉及人体运动信息的检测装置和检测方法，更具体地说是一种用于获取肌肉张力参数，判断肌肉紧张程度的检测装置和检测方法。 

背景技术

肌肉张力是指肌肉在松弛状态下的机械紧张度，它描述了肌肉在收缩和舒张之间的恢复状况，可用于生理信息的检测对人体进行康复治疗的肌肉恢复状况进行评价，也可用于康复助力机器人关节控制的输入指标。 

目前获取检测肌肉张力参数的方法、途径有很多种： 

触诊是传统的诊断方法，通过肉眼观察与人手触摸感知但带有很强的主观性，并不能客观地反映肌肉的功能状况。 

生物机械法测量肌肉张力，主要是测扭矩的方法及设备，由电机带动减速器、在减速器的输出轴上安装待测部位固定装置及扭矩检测仪组成，它是通过对扭矩的测量来推测被测部位肌张力的变化总趋势，是一种间接的测量，而对于不同类型的肌张力变化特点不能反应出来。因此对于肌张力定量的分析，仍是一个困难而未解决的问题。 

肌电图测试方法分为针电肌电和表面肌电获取。针电极检测将针电极插入到肌肉中，可能对人体产生损伤。表面肌电信号是从皮肤表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，它与肌肉的活动状态存在关联性，能反映神经肌肉的活动。但由于肌电信号的检测受表面电极放置位置、人体汗液皮、体温变化以及下脂肪厚度等不确定因素的影响，会影响信息获取的准确性。 

肌张力仪-美国迈腾(MYOTON)无创肌肉检测系统能够通过检测生物机械力来提供振动频率、弹性、硬度等生物机械力学特性参数，真实客观地反映肌肉的功能状态，并且可对新陈代谢作用进程做出评估。但是目前价格十分价格昂贵、通用性差。 

中国专利(CN201642051U)介绍了一种将感应部件封装在硅胶套在手部的肌张力传感器，通过形变捕捉动作，并输出相应的电信号，用以医学手术中监测动作，它的特点是结构非常简单、临床易用、不受手术体位影响。但肌张力的定量分析也很困难。 

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种使用简便、结构简单、性能准确、价格低廉、可稳定获取肌肉张力参数的肌肉张力传感器及肌肉张力检测方法。 

本发明为解决技术问题采用如下技术方案： 

本发明肌肉张力传感器的结构特点是由盒体和底部端盖构成一柱状壳体，在所述柱状壳体内，与盒体的顶板相贴的是一压力传感器，一“T”形探头以其顶部端面与所述压力传感器的底部端面相抵，所述“T”形探头上的凸柱自所述底部端盖的中央通孔中贯穿、凸伸在所述柱状壳体的外部；在所述柱状壳体的外部，作为压敏器件的压电薄膜电阻与盒体的顶板相贴；在所述盒体的上方，另有一“T”形顶盖以其凸柱的底部端面抵于所述压电薄膜电阻，压电薄膜电阻与设置在柱状壳体中的电路板以贯穿盒体的导线电连接；在所述顶盖的上方，以压板与所述顶盖形成夹板，绑带夹固在由压板与顶盖构成的夹板中。 

本发明肌肉张力传感器的结构特点也在于： 

在所述顶盖上设置限位螺栓，所述限位螺栓的栓柱贯穿盒体的顶板上通孔，并在柱状壳体的内部以螺母压套复位簧，使所述限位螺栓在盒体的顶板上通孔中可轴向滑动。 

本发明肌肉张力传感器进行肌肉张力检测的方法的特点是按如下步骤进行： 

将肌肉张力传感器通过绑带绑定在人体上臂肱二头肌或者肱三头肌上，上臂作屈伸运动，根据压力传感器的检测信号Fb与压电薄膜电阻的检测信号Ft，按式(1)计算获得肌肉张力参数S： 

$S=\frac{\mathrm{Fb}*(1-{\left(\frac{\mathrm{Ft}-\mathrm{Fb}}{\mathrm{Ft}}\right)}^2)}{30}+2---\left(1\right).$

压力传感器由差动电桥、检测放大滤波电路构成，全桥差动电路为四个应变片，两个受拉应变，两个受压应变，将应变片接入相对桥臂上，组成惠斯顿电桥。压力传感器标准量程为1.5Lbf(力值750g)，最大负载不能超过10Lbf(4.5kgf)，线性输出1-4V电压信号，经标定后标记为Fb。 

压电薄膜电阻是将压力转化为电压信号的超薄压变电阻，可以选用flexiforce A201，B201等。由于压电薄膜电阻像纸一样薄的结构，可弯曲和测力特性可用来测两表面之间的压力，也便于减小肌肉张力传感器的体积。压电薄膜电阻传感器标准量程为1Lbf，最大负载不能超过10Lbf，经检测放大电路和RC滤波电路后输出线性输出0-5V电压信号，经标定后标记为Ft。 

将绑带压住肌肉张力传感器并绑在上臂上，上臂作屈伸运动，用数据采集卡对肌肉张力传感器输出电压信号进行采集、标定，并将电压值转化为力值。检测过程中，压电薄膜电阻会受到来自绑带的压力，被检测出来的信号标记为Ft，“T”型探头上的凸柱嵌入到皮肤中，压力传感器会受到来自“T”型探头的压力，被检测出来的信号标记为Fb。当肌肉张力变化时，肌肉紧张程度与Fb/Ft有很大的相关性，因此定义S＝Fb/Ft为肌肉张力参数，该参数与 邵氏A硬度计刻度对应。因为动态测量过程中传感器的参数Fb、Ft均发生变化，S呈非线性，因些需要改进测量方法，将Fb、Ft代入非线性补偿方法求得的公式 使S呈线性。 

与已有技术相比，本发明有益效果体现在： 

1、以本发明获取肌肉张力参数，测结果量精度高、重复性好；检测到的肌肉张力参数能准确反映肱二头肌、肱三头肌等肌肉张力信息，能充分反映人体运动意图，不仅可以作为类人机械手、人工假肢、助老助残机器人的控制输入信号，还可以用作生理信息的检测对人体进行康复治疗的肌肉恢复状况进行评价。 

2、本发明体积小、质量轻、方便配戴； 

附图说明

图1是本发明内部结构示意图； 

图2a是本发明使用状态示意图； 

图2b为本发明使用状态下与人体相接触的状况； 

图3是本发明压力传感器检测电路原理图； 

图4是本发明压电薄膜电阻检测电路原理图； 

图中标号：1压板；2螺钉；3为“T”形顶盖；4压力传感器；5压力薄膜电阻；6限位螺栓；7复位簧；8螺母；9盒体；10底部端盖；11为“T”型探头；12电路板；13绑带；14传感器；15“T”型探头；16肌肉。 

具体实施方式

参见图1、图2a和图2b，本实施例是由盒体9和底部端盖10构成一柱状壳体，在柱状壳体内，与盒体9的顶板相贴的是一压力传感器4，一“T”形探头11以其顶部端面与压力传感器4的底部端面相抵，“T”形探头11上的凸柱自底部端盖10的中央通孔中贯穿、凸伸在柱状壳体的外部；在柱状壳体的外部，作为压敏器件的压力薄膜电阻5与盒体9的顶板相贴；在盒体9的上方，另有一“T”形顶盖3以其凸柱的底部端面抵于压力薄膜电阻5，压电薄膜电阻5与设置在柱状壳体中的电路板12以贯穿盒体9的导线电连接；在顶盖3的上方，以压板1与顶盖3形成夹板，绑带13夹固在由压板1与顶盖3构成的夹板中，并以螺钉2紧固，绑带12采用尼龙粘扣带。 

具体实施中，在顶盖3上设置限位螺栓6，限位螺栓6的栓柱贯穿盒体9的顶板上通孔，并在柱状壳体的内部以螺母8压套复位簧7，使限位螺栓6在盒体9的顶板上通孔中可轴向 滑动。 

检测方法： 

将肌肉张力传感通过绑带绑在人体上臂肱二头肌上，上臂作屈伸运动，用数据采集卡获得压力传感器的检测信号Fb与压电薄膜电压的检测信号Ft，按式(1)计算获得肌肉张力参数S 

$S=\frac{\mathrm{Fb}*(1-{\left(\frac{\mathrm{Ft}-\mathrm{Fb}}{\mathrm{Ft}}\right)}^2)}{30}+2---\left(1\right).$

在图3中，由R1、R2、R3和R4四个应变片组成的惠斯顿差动电桥与检测放大滤波电路相连，R1和R4为受拉应变，R2和R3为受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。电阻R5和R6为调整电阻；以运算放大器U2A、U2B和U2C，以及电阻R7、R8、R9和R10构成仪表放大器，电阻R13、R14、电容C1、C2和运算放大器U2D构成低通滤波器，输出压力传感器所受力信号Fb。 

在图4中，Rf为压电薄膜电阻，检测放大电路分成两部分：运算放大器U1A和电R15构成反相放大器，电阻R16和电阻R17构成射极跟随器；电阻R19与电容C1构成RC滤波器17，用于输出压电薄膜电阻所受力信号Ft。 

使用时，将肌肉张力传感器通过绑带绷在上臂上，“T型”探头的凸柱嵌入到肱二头肌内。然后用双诺USB数据采集卡采集传感器的两路输出信号到控制处理器中进行信息处理，由控制处理器向驱动器EPOS 24/5发送控制命令，驱动MAXON永磁无刷直流电机带动电动推杆作直线运动，电动推杆驱动上臂装置连杆机构动作，实现机器人肘关节的伸展与收缩运动。其中的控制处理器可以采用微处理单片机MCU、可编程逻辑控制器PLC、数字信号处理器DSP、工控机或者嵌入式ARM系统，需要保证传感器接口与数据采集之间的相互配合。 

Claims (3)

1.一种肌肉张力传感器，其特征是由盒体(9)和底部端盖(10)构成一柱状壳体，在所述柱状壳体内，与盒体(9)的顶板相贴的是一压力传感器(4)，一“T”形探头(11)以其顶部端面与所述压力传感器(4)的底部端面相抵，所述“T”形探头上的凸柱自所述底部端盖(10)的中央通孔中贯穿、凸伸在所述柱状壳体的外部；在所述柱状壳体的外部，作为压敏器件的压电薄膜电阻(5)与盒体(9)的顶板相贴；在所述盒体(9)的上方，另有一“T”形顶盖(3)以其凸柱的底部端面抵于所述压电薄膜电阻(5)，压电薄膜电阻(5)与设置在柱状壳体中的电路板(12)以贯穿盒体(9)的导线电连接；在所述顶盖(3)的上方，以压板(1)与所述顶盖(3)形成夹板，绑带(13)夹固在由压板(1)与顶盖(3)构成的夹板中。

2.根据权利要求1所述的肌肉张力传感器，其特征是在所述顶盖(3)上设置限位螺栓(6)，所述限位螺栓(6)的栓柱贯穿盒体(9)的顶板上通孔，并在柱状壳体的内部以螺母(8)压套复位簧(7)，使所述限位螺栓(6)在盒体(9)的顶板上通孔中可轴向滑动。

3.一种以权利要求1所述肌肉张力传感器进行肌肉张力检测的方法，其特征是按如下步骤进行：

将肌肉张力传感器通过绑带绑定在人体上臂肱二头肌或者肱三头肌上，上臂作屈伸运动，根据压力传感器的检测信号Fb与压电薄膜电阻的检测信号Ft，按式(1)计算获得肌肉张力参数S：

$S=\frac{\mathrm{Fb}*(1-{\left(\frac{\mathrm{Ft}-\mathrm{Fb}}{\mathrm{Ft}}\right)}^2)}{30}+2---\left(1\right).$

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