CN103308024B - 一种柔性关节角度传感器 - Google Patents

Abstract

一种柔性关节角度传感器，它涉及一种关节角度传感器，以解决现有人体姿态测量手段采用惯性传感器检测及视频检测的方法，这两种方法均存在检测误差大的问题。柔性波纹管上端与固定环连接、下端与下固定块连接，柔性波纹管上的每个波峰处沿圆周均布设有三个钢线滑动轨道，柔性波纹管沿长度方向的波峰上的钢线滑动轨道为上下一一正对设置，固定环为中空结构，固定环上端面中心处设有中心孔，固定环的下端面设有三个上通孔，下固定块上设有三个下通孔，三根钢线组成的钢线束设置在中心孔中，钢线束的上端穿过上固定块，三根钢线的下端分别从三个上通孔穿出、分别经三条钢线滑动轨道、再分别从三个下通孔穿出后与位移传感器连接。本发明用于生体姿态测量。

Description

一种柔性关节角度传感器

技术领域

本发明涉及一种姿态检测传感器，具体涉及一种柔性关节角度传感器。

背景技术

现有人体姿态测量手段通常采用惯性传感器检测及视频检测的方法，惯性器件皆利用数个加速度传感器及陀螺仪测量关节角，其用测量系统及数据处理都比较复杂。其长时间检测会造成较大累积误差，降低测量精确度；在其不适用于动态环境(如行驶中汽车，飞机)中进行姿态检测，任何外界环境的动态变化会导致明显参数失真且不适用于静止姿态测量。此方法主要针对静态环境中短时间连续运动测量，现阶段研究人体测量精度约为2-3度。视频检测捕获的3D运动数据需要采用计算机三维重建等技术进行后期处理，视频检测对于光照，背景要求较高，人体有些部位和环节不是很明显，并且相互之间遮挡会造成结果出现误差。由于视频捕捉空间有限，该方法主要应用于实验室测量，适用于测试走、跑、跳等活动范围较小的运动。不适于真实环境、长时间、长距离的姿态测量。相比于视频检测与惯性器件检测方法，利用电子量角器则是一种比较传统的测量方式，主要用于静态造型及关键帧的捕获。基于此原理开发的测量系统易于操作并能及时提供资料，但是受试者的关节姿态受到安装于身体上的器件束缚，影响测量结果的准确度。

发明内容

本发明的目的是为解决现有人体姿态测量手段通常采用惯性传感器检测及视频检测的方法，这两种方法均存在系统复杂、检测误差大、应用环境受限的问题，提供一种柔性关节角度传感器。

本发明包括柔性波纹管、上固定块、固定环、下固定块、位移传感器、三根钢线和三条钢线滑动轨道，柔性波纹管的上端与固定环连接，柔性波纹管的下端与下固定块连接，柔性波纹管外表面上的每个波峰处沿圆周均布设有三个钢线滑动轨道，柔性波纹管沿长度方向的波峰上的钢线滑动轨道为上下一一正对设置，固定环为中空结构，固定环的上端面中心处设有中心孔，固定环的下端面设有三个上通孔，下固定块上设有三个下通孔，三根钢线组成的钢线束设置在中心孔中，钢线束的上端穿过上固定块，三根钢线的下端分别从三个上通孔穿出、分别经三条钢线滑动轨道、再分别从三个下通孔穿出后与位移传感器连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明以柔性波纹管作为结构主体，两端固定于待检测物体两侧，对待测关节不产生运动拘束，不影响关节活动范围及运动灵活性。本发明利用单一传感器结构实现对不同特点且相互耦合的多个关节自由度进行同时测量，具有结构简单紧凑、多功能化特点。本发明与惯性传感器及视频检测方法相比，更适合于静态及动态模块环境的关节角度检测，适于长时间、长距离的姿态检测，测量精度高(达到1度)。二、具有无拘束性、结构紧凑的特点，能够实现对具有不同特性且相互耦合的多个自由度分离，转化为易于测量的直线位移。三、本发明结构可以适应多个自由度很宽的运动范围，应用领域广泛。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的A-A剖视图，图3是三根钢线3与上固定块4和固定环5的连接关系示意图，图4是图3的B-B剖视图，图5是下固定块6的结构剖视图，图6是图5的俯视图，图7是本发明的安装于待测关节的位置示意图(图中标记10为关节，标记12为皮肤)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式包括柔性波纹管1、上固定块4、固定环5、下固定块6、位移传感器7、三根钢线3和三条钢线滑动轨道，柔性波纹管1的上端与固定环5连接，柔性波纹管1的下端与下固定块6连接，柔性波纹管1外表面上的每个波峰处沿圆周均布设有三个钢线滑动轨道2，柔性波纹管1沿长度方向的波峰上的钢线滑动轨道2为上下一一正对设置，固定环5为中空结构，固定环5的上端面中心处设有中心孔11，固定环5的下端面设有三个上通孔8，下固定块6上设有三个下通孔9，三根钢线3组成的钢线束13设置在中心孔11中，钢线束13的上端穿过上固定块4，三根钢线3的下端分别从三个上通孔8穿出、分别经三条钢线滑动轨道、再分别从三个下通孔9穿出后与位移传感器7连接。柔性波纹管1为模仿人类皮肤皱褶，具有弯曲时外截面半径不变、软管易弯曲不易扭转的特点。钢线3在钢线滑动轨道2中可自由滑动，钢线滑动轨道2起到了约束钢线3运行轨迹的作用。下固定块6上的三个下通孔9用来约束钢线3运行。固定块4可牵引线束进行移动。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的固定环5上的三个上通孔8沿圆周均布设置。这样设计为使三根钢线3受力均匀。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3、图4、图5、图6说明本实施方式，本实施方式的三个下通孔9与三个上通孔8一一正对设置。这样设计方便钢线3通过，使得三根钢线3受力均匀。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式的三个上通孔8与同截面上的三个钢线滑动轨道2一一正对设置。这样设计方便钢线3通过，使得三根钢线3受力均匀。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1、图3、图4说明本实施方式，本实施方式的固定环5的材质为硬质塑料。这种材质可以保证柔性波纹管1在末端仍保持外截面半径不变。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1、图5、图6说明本实施方式，本实施方式的下固定块6的材质为硬质塑料。这种材质可以保证柔性波纹管1在末端仍保持外截面半径不变。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上固定块4通过螺栓与固定环5连接。上固定块4与固定环5连接时，将固定环5和下固定块6安装于待测关节的两端，实现方向角与弯曲角两个自由度的分离与检测。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1和图7说明本实施方式，本实施方式的上固定块4与固定环5分离设置。上固定块4与固定环5分离时，将固定环5和下固定块6安装于待测关节两端，上固定块4牵引钢线束13安装于检测体特定位置，第三自由度变化会导致上固定块4索引钢线束13，导致三根钢线3产生相同大小直线位移。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式的同一截面上的三个钢线滑动轨道2之间呈120°夹角。这样设计为使三根钢线3受力均匀。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、五或七相同。

具体实施方式十：结合图2说明本实施方式，本实施方式的三个上通孔8之间呈120°夹角。这样设计为使三根钢线3受力均匀。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

Claims (10)

1.一种柔性关节角度传感器，其特征在于：所述传感器包括柔性波纹管(1)、上固定块(4)、固定环(5)、下固定块(6)、位移传感器(7)、三根钢线(3)和三条钢线滑动轨道，柔性波纹管(1)的上端与固定环(5)连接，柔性波纹管(1)的下端与下固定块(6)连接，柔性波纹管(1)外表面上的每个波峰处沿圆周均布设有三个钢线滑动轨道(2)，柔性波纹管(1)沿长度方向的波峰上的钢线滑动轨道(2)为上下一一正对设置，固定环(5)为中空结构，固定环(5)的上端面中心处设有中心孔(11)，固定环(5)的下端面设有三个上通孔(8)，下固定块(6)上设有三个下通孔(9)，三根钢线(3)组成的钢线束(13)设置在中心孔(11)中，钢线束(13)的上端穿过上固定块(4)，三根钢线(3)的下端分别从三个上通孔(8)穿出、分别经三条钢线滑动轨道、再分别从三个下通孔(9)穿出后与位移传感器(7)连接。

2.根据权利要求1所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：固定环(5)上的三个上通孔(8)沿圆周均布设置。

3.根据权利要求2所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：所述三个下通孔(9)与三个上通孔(8)一一正对设置。

4.根据权利要求1、2或3所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：三个上通孔(8)与同截面上的三个钢线滑动轨道(2)一一正对设置。

5.根据权利要求4所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：所述固定环(5)的材质为硬质塑料。

6.根据权利要求1、2、3或5所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：所述下固定块(6)的材质为硬质塑料。

7.根据权利要求6所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：所述上固定块(4)通过螺栓与固定环(5)连接。

8.根据权利要求1所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：所述上固定块(4)与固定环(5)分离设置。

9.根据权利要求1、2、3、5或7所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：同一截面上的三个钢线滑动轨道(2)之间呈120°夹角。

10.根据权利要求9所述一种柔性关节角度传感器，其特征在于：三个上通孔(8)之间呈120°夹角。