CN102927899A - 一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性肩关节运动传感器，包括两片相同的传感极片，每片传感极片为四层叠合结构，依次为第一绝缘层、电容极板层、第二绝缘层及静电屏蔽层接地，电容极板层包括一块矩形柔性基板，在矩形柔性基板上分别设置一个矩形导电区和一个圆环状导电区以及温湿度传感器，矩形导电区和圆环状导电区均设有引出导线分别与电容-角度转化模块连接，电容-角度转化模块包括微控制器、电容检测电路、电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路及上位机，微控制器与电容检测电路双向连接，微控制器与上位机通过串行通信接口与上位机双向连接，微控制器分别与电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路连接。

Description

一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法，属于传感器技术领域。本传感器可实现人体肩关节的侧向和横向两个运动角度的静态和动态角度检测，适用于康复医疗、运动监测等领域。

背景技术

人体肩关节运动传感是通过可以监测肩关节运动的传感器获取运动时的转角信号，实现实时地检测出肩关节运动角度。目前可应用于肩关节运动的传感器众多，涉及行业如机械加工、航空航天、智能机器人等领域。由于角度测量的多样性以及角度测量的局限性，其在应用领域上需要进一步的进行改善和发展。

目前可应用于肩关节运动的角度传感器可测量肩关节外展运动，从传感原理上大体分为接触式角度测量和非接触式角度测量。接触式角度测量一般通过附带在肩关节上的机械装置，通过角度传感器如电阻式角度传感器、电感式角度传感器、角度编码器，实现机械装置的角度检测。电阻式角度传感器，其机械结构简单，测量范围广，输出信号稳定，抗干扰能力强，由于存在接触摩擦，使得这种传感器使用寿命很短；电感式角度传感器，其测量角度为0°到360°，精度一般为0.02°到0.05°，对环境要求低，使用方便，抗干扰能力强，性能稳定，但其结构相对复杂；编码式的角度传感器可测量0°到360°，分辨率可达到0.001°，其特点是分辨力高，精度高，易数字化，寿命长，功耗低，可靠性高。角度编码器广泛应用在上肢臂康复机器人的肢臂角度检测。由于接触式角度传感器需要附带特定的机械装置，不利于人们正常的手臂活动，因此，不利于市场普及。非接触式角度传感器，传感装置结构简单、体积小，能够与人体肩关节运动传感良好契合，适于动态测量及抗恶劣环境性能好等特点。目前非接触式角度测量采用倾角传感器。它是一种基于MEMS（微机电系统）技术加工，基于物体的惯性原理的传感器，应用范围广，测量角度数据显示直观、简单、可靠，已应用于物体水平角度的检测。但倾角传感器在动态的角度检测上缺乏实时性，需要复杂的计算才能够解出该运动角度。基于倾角传感器的肩关节角度检测其在肩关节运动时角度其检测精度不够，无法满足人们实时控制肩部运动需求。

发明内容

本发明为克服现有技术之不足，提供了一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法，通过柔性电路板将各传感器织物化传感和连接，使得传感器能够与织物良好契合，实现了肩部的外展、内收运动角度θ₁和前屈以及后伸角度θ₂的非侵入式检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种柔性肩关节运动传感器，其特征是：传感器包括两片相同的传感极片，每片传感极片为四层叠合结构，第一层为第一绝缘层，第一绝缘层之下为电容极板层，电容极板层之下为第二绝缘层，第二绝缘层之下为静电屏蔽层接地，其中：电容极板层包括一块矩形柔性基板，在矩形柔性基板的一个表面上分别设置一个矩形导电区和一个圆环状导电区以及温湿度传感器，矩形导电区的中心线与矩形柔性基板的中心线重合，圆环状导电区的圆心位于矩形柔性基板中心线的外延长线上，环面的一端与矩形柔性基板中心线重合，环面夹角0°-45°，矩形导电区和圆环状导电区均设有引出导线分别与电容-角度转化模块连接，电容-角度转化模块包括微控制器、电容检测电路、电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路及上位机，微控制器与电容检测电路双向连接，微控制器与上位机通过串行通信接口与上位机双向连接，微控制器分别与电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路连接。

所述矩形导电区的面积10mm²-50mm²，矩形导电区的上边缘距矩形柔性基板上边缘1mm-5mm；圆环状导电区的圆心距离基板3mm-30mm，环面内径20mm-30mm，环面外径30mm-50mm。

用上述柔性肩关节运动传感器测量肩关节运动角度的方法，其特征是：将两片传感极片对称固定于以腋窝为中心的上下两侧衣服上，静电屏蔽层面对衣服，矩形导电区用于检测肩关节外展和内收运动角度，圆环状导电区用于检测肩关节前屈和后伸运动角度，电容-角度转化模块用于检测矩形导电区之间及圆环状导电区之间的微弱电容，并利用温湿度传感器检测出电容极板片介质中的温度和湿度，对传感器在不同温、湿度下产生的电容漂移进行实验标定并对电容进行补偿，补偿后的电容通过电容-角度转化计算方法实现角度输出；

1）肩部外展与内收运动角度的测量

腋窝中心为O₁，两片传感极片围绕O₁张开或闭合，之间夹角为θ₁，O₁与肩关节外展和内收的运动中心重合，利用静电场理论推导得出角度θ₁所对应电容值C；当θ₁为0°时两基板之间距离为d，矩形导电区对与转动中心O₁距离为r₀，而矩形导电区长度为l，宽度为b，当矩形导电区绕中心点O₁旋转时，电场线分布根据转动角度发生不同的变化，空间上的电场分布曲线与基板的角度关系有关，根据带电导体上电场线分布规律可以推得矩形导电区上的电容与角度的关系为：

当θ₁=0时有 $C=\frac{Q}{\mathrm{\ΔU}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{bl}}{d}---\left(1\right)$

当θ₁≠0时有 $C=\frac{Q}{\mathrm{\ΔU}}=\frac{180{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}b}{\mathrm{\π}{\mathrm{\θ}}_1}\ln (1+\frac{\mathrm{\π}(1+r_0){\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\π}{\mathrm{\θ}}_1{r}_0+180d})---\left(2\right)$

其中：ε_r为导体介电常数1F/m，ε₀为真空绝对介电常数8.85×10^-12F/m,△U为矩形导电区电压差，Q为矩形导电区上的电荷总量，r₀为矩形导电区与中心O₁距离；

2）肩部前屈与内屈运动角度的测量

当肩关节进行前伸与后屈运动时，圆环状导电区绕中心O₂做旋转运动,此时该导电区的相对面积发生变化，假设极板重叠部分角度为θ₂时，则此时圆环状导电区电容通过下式进行计算：

夹角θ₂时电容值：

由 $C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}s}{d}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\π}({r_1}^2-{r_0}^2){\mathrm{\θ}}_2}{360d}---\left(3\right)$

得 ${\mathrm{\θ}}_2=\frac{360\mathrm{dC}}{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\π}({r_1}^2-{r_0}^2)}---\left(4\right)$

其中：C为圆环状导电区电容，ε_r为导体介电常数1F/m，ε₀为真空绝对介电常数8.85×10^-12F/m，s为圆环状导电区的相对面积，r₀、r₁分别为圆环状导电区的内径和外径，θ₂为圆环状导电区的重叠部分角度为，d为圆环状导电区之间的间距。

本发明的优点及显着效果：

1、通过柔性电路板技术将传感器柔性化，作为贴近人体的传感器，能够和织物良好契合,具有良好舒适度。

2、传感器检测固定方式简单，只需穿戴方式即可实现肩关节运动检测，无需复杂机械装置以及其它辅助设备。

3、属于非接触式的电容式角度传感原理，检测角度时相互感应的为电场应力，同基于电阻应变片的角度传感器相比，检测肩关节运动时所受电场应力小，不会对人体肩关节运动的产生其他影响。

4、电容检测采用的检测器件可实现功耗低、体积小、易穿戴，检测无需特殊机械装置，可直接通过穿戴的方式可实现对肩关节运动时无阻碍角度检测。

5、通过柔性电路板技术将各传感器组成部分柔性化，本身具有角度传感、信号调理以及信号传输功能，改变了之前笨重、复杂、苛刻的检测条件。

6、传感器可通过金属丝以编织方式实现矩形和圆环状的导电区，使得矩形导电区更具有柔性以及满足舒适化，实现隐形智能穿戴感知。

7、该运动传感器能够通过识别被检测的电容值的变化频率变化，实现对运动肩关节外展、内收运动频率的识别，亦可根据公式(1)、(2)和(4)对肩关节的外展、内收的静态角度进行检测。

8、检测角度与电容量呈正比，能够实现较为准确的检测肩关节的前屈以及后伸运动角度。

9、具有肩关节温、湿度角度自补偿功能，可在由于传感器在不同的温度、湿度情况下产生的电容漂移进行电容补偿，具有较高可靠性角度检测功能。

10、微弱电容检测信号线利用双屏蔽层驱动电缆技术，传输电缆上形成的电容通过电路实现最小化处理，电容检测值具有较高可靠性。

附图说明

图1是传感器中的一片传感极片；

图2是传感器的分层结构；

图3是传感器与织物固定方式；

图4、5分别是肩关节两种运动角度测量的原理图；

图6是电容-角度转化模块方框图；

图7是电容检测电路连接图；

图8、9分别是肩关节两种运动角度测量的实体图。

具体实施方式

如图1、2，传感器包括两片相同的传感极片，每片传感极片为四层叠合结构，第一层为第一绝缘层S₀，构成了第一层电容介质，第一绝缘层S₀之下为电容极板层S₁，电容极板层S₁之下为第二绝缘层S₂，第二绝缘层S₂之下为静电屏蔽层S₃。第二绝缘层S₂构成导电区与屏蔽层S₃的电容介质,静电屏蔽层S₃通过接地实现对人体身上静电的有效屏蔽。电容极板层包括一块矩形柔性基板1，在矩形柔性基板1的一个表面上分别设置一个矩形导电区2和一个不完全圆环导电区3（可通过微电子工艺技术加工而成）以及温湿度传感器T1。两导电区位于矩形柔性基板的表面积之内，与矩形柔性基板的周边设有间隙，两导电区之间绝缘。矩形导电区2的中心线Z₂与矩形柔性基板1的中心线Z₁重合，圆环状导电区的圆心O₁位于矩形柔性基板中心线的外延长线上，环面的一端与矩形柔性基板中心线重合，环面夹角θ₀为0°-45°，矩形导电区2和圆环状导电区3均设有引出导线C₁、C₂分别通过电容检测屏蔽线L与电容-角度转化模块D₁连接（见图4、7）。

如图3，传感器的柔性基板可通过针线4以织物方式固定于布料5上，布料5为穿戴的衣服材料，故该传感器能够随布料弯曲及拉伸,具有良好的柔性。

温湿度传感器T1通过基板上的小孔K1、K2和细线固定在左侧，使得传感器能够检测矩形导电区及圆环状导电区附近的温度和湿度功能，对传感器在不同温、湿度下产生的电容漂移进行实验标定并对电容进行补偿，补偿后的电容通过电容-角度转化计算方法实现角度输出。

如图4、图5，将两片传感极片对称固定于以腋窝O₁为中心的上下两侧衣服上，静电屏蔽层面对衣服，矩形导电区用于检测肩关节外展和内收运动角度，圆环状导电区用于检测肩关节前屈和后伸运动角度，电容-角度转化模块D₁用于检测矩形导电区之间及圆环状导电区之间微弱电容，并利用温湿度传感器T1检测出电容极板片介质中的温度和湿度，对传感器在不同温、湿度下产生的电容漂移进行实验标定并对电容进行补偿，补偿后的电容通过电容-角度转化计算方法实现角度输出。一对矩形导电区用于检测肩关节绕中心点O₁做外展及内收运动时角度θ₁，一对圆环状导电区用于检测肩关节绕中心点O₂做前伸及后屈运动时角度θ₂。矩形导电区上的电容与角度的关系可通过公式（1）、（2）计算，当检测出圆环状导电区对的电容值后，可通过（式4）计算最终得到θ₂的角度值。

如图6、图7，电容-角度检测单元D₁包括16位微控制器MSP430G2452、电容检测电路、电源单元、无线模块、LCD显示电路、LED指示灯电路、按键电路、串行通信电路，其中MSP430微控制器是电容-角度检测单元D₁的核心器件，其利用内部资源控制整个系统的工作和测试数据的运算处理。电容检测电路包括微弱电容检测芯片、检测电路信号调理、驱动电缆电路。电源单元利用体积小、质量轻的纽扣电池作为系统电源供给。无线射频模块利用NRF24L01射频芯片，实现节点角度无线传输。LCD显示电路、LED指示电路和按键电路组成系统的人机交互接口，用于显示测试数据、电源指示和调试复位。串行通信接口（UART）电路是系统调试以及与上位机通信的接口，可直接利用上位机程序对测试的角度进行监测。

电容检测电路包括微弱电容检测芯片AD7150、双层屏蔽电缆线、仪用放大器以及接口器件。传感器导电极C₁和C₂通过接口分别与双层屏蔽电缆线连接，内部的仪用放大器将信号线1:1放大实现双层屏蔽。检测电缆线另一端连接电容检测芯片AD7150，内部集成的电容检测模块可将微弱电容转化为数字信号以IIC总线方式传送至微控制器MSP430。利用双层屏蔽电缆线进行电容检测，减少由于信号线与外屏蔽接地层之间存在的分布电容以及检测导线之间分布的电容，提高了被检测电容可靠性。

测试仪器角度值数据传输方式分为有线数据传输和无线数据传输，在测试前需将电容极板两侧的安装定位孔固定在被检测的手臂上，通过电容极板上的接口连接测试仪器的电容检测接口。有线方式的数据传输是直接通过串行通信电路将D₁采集的数据发送至上位机，同时测试仪器上的LCD显示也可实现角度数据显示；无线方式的数据传输是实现了人体运动状态下“无障碍”的运动检测。

参看图8、图9，将传感器安装在人体肩关节腋下部位，并保证矩形导电区对的旋转中心与肩关节外展和内收的运动中心重合，并且圆环状导电区的旋转中心与肩关节前屈以及后伸的运动中心重合，其中柔性基板60mm×60mm，矩形导电区大小为30mm×30mm，矩形导电区2顶边与基板顶边间距为2mm、圆环状导电区3的圆心距基板顶边5mm，内径40mm，外径50mm，圆环状导电区3夹角θ₀取30°。

当检测外展及内收运动角度θ₁时，此时保持前屈及后伸运动角度θ₂为0°，按下电容-角度转换单元D₁上的功能键6，进行肩关节外展与内收运动角度检测；当检测肩关节前屈及后伸运动角度θ₂时，此时保持外展及内收运动角度θ₁为0°，按下功能键7，此时同样通过电容-角度转化模块D₁检测出圆环状电容导电区的电容值，经过电容检测得到相应的电容值；电容-角度转化模块D₁可选择为无线数据发送模式，可将角度数据发送至无线接收处以进行测试。

Claims (3)

1.一种柔性肩关节运动传感器，其特征是：传感器包括两片相同的传感极片，每片传感极片为四层叠合结构，第一层为第一绝缘层，第一绝缘层之下为电容极板层，电容极板层之下为第二绝缘层，第二绝缘层之下为静电屏蔽层接地，其中：电容极板层包括一块矩形柔性基板，在矩形柔性基板的一个表面上分别设置一个矩形导电区和一个圆环状导电区以及温湿度传感器，矩形导电区的中心线与矩形柔性基板的中心线重合，圆环状导电区的圆心位于矩形柔性基板中心线的外延长线上，环面的一端与矩形柔性基板中心线重合，环面夹角0°-45°，矩形导电区和圆环状导电区均设有引出导线分别与电容-角度转化模块连接，电容-角度转化模块包括微控制器、电容检测电路、电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路及上位机，微控制器与电容检测电路双向连接，微控制器与上位机通过串行通信接口与上位机双向连接，微控制器分别与电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路连接。

2.根据权利要求1所述的柔性肩关节运动传感器，其特征是：矩形导电区的面积10mm²-50mm²，矩形导电区的上边缘距矩形柔性基板上边缘1mm-5mm；圆环状导电区的圆心距离基板3mm-30mm，环面内径20mm-30mm，环面外径30mm-50mm。

3.根据权利要求1所述的柔性肩关节运动传感器的测量方法，其特征是：将两片传感极片对称固定于以腋窝为中心的上下两侧衣服上，静电屏蔽层面对衣服，矩形导电区用于检测肩关节外展和内收运动角度，圆环状导电区用于检测肩关节前屈和后伸运动角度，电容-角度转化模块用于检测矩形导电区之间及圆环状导电区之间的微弱电容，并利用温湿度传感器检测出电容极板片介质中的温度和湿度，对传感器在不同温、湿度下产生的电容漂移进行实验标定并对电容进行补偿，补偿后的电容通过电容-角度转化计算方法实现角度输出；

1）肩部外展与内收运动角度的测量

腋窝中心为O₁，两片传感极片围绕O₁张开或闭合，之间夹角为θ₁，O₁与肩关节外展和内收的运动中心重合，利用静电场理论推导得出角度θ₁所对应电容值C；当θ₁为0°时两基板之间距离为d，矩形导电区对与转动中心O₁距离为r₀，而矩形导电区长度为l，宽度为b，当矩形导电区绕中心点O₁旋转时，电场线分布根据转动角度发生不同的变化，空间上的电场分布曲线与基板的角度关系有关，根据带电导体上电场线分布规律可以推得矩形导电区上的电容与角度的关系为：

当θ₁=0时有 $C=\frac{Q}{\mathrm{\ΔU}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{bl}}{d}---\left(1\right)$

当θ₁≠0时有 $C=\frac{Q}{\mathrm{\ΔU}}=\frac{180{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}b}{\mathrm{\π}{\mathrm{\θ}}_1}\ln (1+\frac{\mathrm{\π}(l+r_0){\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\π}{\mathrm{\θ}}_1{r}_0+180d})---\left(2\right)$

其中：ε_r为导体介电常数1F/m，ε₀为真空绝对介电常数8.85×10^-12F/m,△U为矩形导电区电压差，Q为矩形导电区上的电荷总量，r₀为矩形导电区与中心O₁距离；

2）肩部前屈与内屈运动角度的测量

当肩关节进行前伸与后屈运动时，圆环状导电区绕中心O₂做旋转运动,此时该导电区的相对面积发生变化，假设极板重叠部分角度为θ₂时，则此时圆环状导电区电容通过下式进行计算：

夹角θ₂时电容值：

由 $C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}s}{d}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\π}({r_1}^2-{r_0}^2){\mathrm{\θ}}_2}{360d}---\left(3\right)$

得 ${\mathrm{\θ}}_2=\frac{360\mathrm{dC}}{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\π}({r_1}^2-{r_0}^2)}---\left(4\right)$

其中：C为圆环状导电区电容，ε_r为导体介电常数1F/m，ε₀为真空绝对介电常数8.85×10^-12F/m，s为圆环状导电区的相对面积，r₀、r₁分别为圆环状导电区的内径和外径，θ₂为圆环状导电区的重叠部分角度为，d为圆环状导电区之间的间距。

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