CN103829929A - 一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：它包括一生理疲劳状态检测单元、一生物力学信号检测单元和一数据采集与分析单元。采用本发明可以开展野外负荷行走试验，获取到真实负荷行走状态下人体的生理和生物力学数据；且实时检测和显示背包的肩、胸、腰带的松紧程度和平衡状态，确保背包被正确使用，避免由于背包使用不当导致的负荷疲劳，排除干扰因素，因此可以真实、客观的监测背包重量、行走时间、背包设计等因素对人体负荷疲劳的影响。本发明可以广泛用于人体测量学、生物力学和工效学等研究领域。

Description

一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置

技术领域

本发明涉及一种生理和生物力学监测装置，特别是关于一种可以在野外或室外试验中实时监测和采集人体负荷生理和生物力学信号的便携式人体负荷生理和生物力学监测装置。

背景技术

在部队训练、野外生存、户外运动、以及劳动搬运等领域人们通常需要进行背部负荷行走。人体背部负荷改变了身体重心的位置，影响人的步态和身体姿势，尤其是负荷过大或长时间负荷行走极易造成身体疲劳和损伤。因此，在运动生物力学领域，国内外学者都广泛开展了人体负荷行走的步态、姿态、疲劳感、能量消耗等生理和生物力学研究。目前，开展该类试验一般采用两类方法：实验室模拟测试法和野外模拟测试法。

实验室模拟测试法一般采用运动平台进行模拟负荷行走，配备系列适合实验室等固定场合使用的生理、生物力学参数检测设备。虽然实验室模拟测试法试验设备齐全且对试验设备体积、通信、存储和供电方式都没有限制，实验条件（温湿度等）也容易控制，但实验室模拟测试法多采用跑台模拟负荷行走，这种模拟方式与实际的行走存在很大差别，尤其是对长时间负荷行走，实际行走要比同样条件的跑台模拟行走的疲劳程度高出许多，因此测试的结果与实际情况相差较大。野外模拟测试法指组织志愿者开展室外环境下模拟负荷行走，每间隔一定时间，需要受试人员停下来，由实验人员采用多种设备完成系列的生理、生化、生物力学参数的检测，试验结束后进行数据汇总与统计。野外模拟测试法可以获取到真实负荷行走状态下人体的生理和生物力学信号，基于这些真实的实验数据开展人机工效评价监测，可以获得最有效的模型或方法以监测人体负荷行走的疲劳感、疲劳极限等。但是野外条件下，标准的实验设备都无法应用，例如：在实验室中采用复杂的运动跟踪技术（如：红外运动跟踪技术、电磁运动跟踪技术和摄像运动跟踪技术）跟踪人体与背包的相对运动。并且对供电、存储和通信方式都提出较高要求。普遍采用的间歇测量方式试验操作繁琐，且数据统计工作量较大，容易引入人为误差。因此，有必要设计一种方便携带的适合野外使用的人体负荷生理和生物力学监测装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以在野外、动态环境下获取到人体负荷行走的生理和生物力学信号的便携式人体负荷生理和生物力学监测装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：它包括一生理疲劳状态检测单元、一生物力学信号检测单元和一数据采集与分析单元；所述生理疲劳状态检测单元包括一心电传感器、一呼吸传感器、一人体运动传感器和一生理疲劳信号检测与处理模块；所述生理疲劳信号检测与处理模块包括一生理信号调理电路和一第一微处理器；所述心电传感器、呼吸传感器和人体运动传感器分别通过有线方式连接所述生理疲劳信号检测与处理模块；所述生物力学信号检测单元包括一背包运动传感器、一左肩带拉力传感器、一右肩带拉力传感器、一胸部束带拉力传感器、一腰部束带拉力传感器和一生物力学信号检测与处理模块；所述生物力学信号检测与处理模块采用一生物力学信号调理电路与一第二微处理器；所述背包运动传感器、左肩带拉力传感器、右肩带拉力传感器、胸部束带拉力传感器和腰部束带拉力传感器分别通过有线方式连接所述生物力学信号检测与处理模块；所述数据采集与分析单元包括一第三微处理器和一显示屏；所述生理疲劳状态检测单元与所述生物力学信号检测单元分别通过无线和有线的方式之一连接所述数据采集与分析单元；所述心电传感器、呼吸传感器和人体运动传感器将采集的心电、呼吸和加速度信号传送给所述生理疲劳信号检测与处理模块；经所述生理疲劳信号检测与处理模块处理后得到心率、心率变异性、呼吸率、人体运动能耗和身体姿态指标，并传送给所述数据采集与分析单元；所述背包运动传感器、左肩带拉力传感器、右肩带拉力传感器、胸部束带拉力传感器和腰部束带拉力传感器将采集的左右背包肩带拉力、胸部束带拉力和腰部束带拉力信号传送给所述生物力学信号检测与处理模块；经所述生物力学信号检测与处理模块处理后得到背包运动状态和拉力指标，并传送给所述数据采集与分析单元；所述数据采集与分析单元的所述第三微处理器将接收的人体运动状态信息与背包运动状态信息后，计算人体和背包的相对运动信息，并通过所述显示屏实时显示人体负荷生理和生物力学信号。

所述第一微处理器、所述第二微处理器和所述第三微处理器采用单片机和ARM之一。

所述人体运动传感器和所述背包运动传感器采用三轴加速度传感器。

所述左肩带拉力传感器、右肩带拉力传感器、胸部束带拉力传感器和腰部束带拉力传感器采用微型拉力传感器；所述微型拉力传感器包括一微型拉力传感器主体、两设置在所述微型拉力传感器主体两端的“7”型固定结构件和一连接所述数据采集与分析单元与所述微型拉力传感器主体的数据线。

所述生理疲劳状态检测单元与人体直接接触的一条弹性胸带配合使用；所述心电传感器和所述呼吸传感器设置在所述弹性胸带内部，所述人体运动传感器和所述生理疲劳信号检测与处理模块设置在所述弹性胸带外侧，且所述人体运动传感器能够设置在所述生理疲劳信号检测与处理模块内部。

所述生物力学信号检测单元与背包配合使用；所述背包运动传感器设置在所述背包内质心位置，所述左肩带拉力传感器固定在所述背包左侧肩带的底部的腰部位置，所述右肩带拉力传感器固定在所述背包右侧肩带底部的腰部位置，所述胸部束带拉力传感器固定在胸部束带中间位置，所述腰部束带拉力传感器固定在腰部束带中间位置。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用的生理疲劳状态检测单元可以得到心率、心率变异性、呼吸率、人体运动能耗和身体姿态等指标，并将其传送给数据采集与分析单元；而采用的生物力学信号检测单元可以实时检测背包运动状态、背包左肩带、右肩带、胸部束带和腰部束带的拉力，并将其传送给数据采集与分析单元；数据采集与分析单元将所获得的人体负荷生理和生物力学信号进行采集、存储与分析，一方面可以用于开展野外负荷行走试验，获取到真实负荷行走状态下人体的生理和生物力学数据；另一方面，由于可以实时检测和显示背包的肩带、胸带、腰带的长度或松紧程度是否合适，从而确保背包以正确的方式被使用，进而有效避免了由于背包使用不当造成的负荷疲劳，排除了干扰因素，因此可以真实、客观的监测背包重量、行走时间、背包设计等因素对人体负荷疲劳的影响。本发明将所有部件集成在便携设备中，在携带过程中并不会影响原有活动，相比于实验室内运动平台模拟测试，更有助于获取到真实负荷行走状态下的生理、生物力学参数，开展人机工效监测。2、本发明采用的生理疲劳状态检测单元和生物力学信号检测单元可以同时检测背包的运动状态和人体运动状态，因此可以计算获取人体和背包的相对运动，为开展野外负荷试验奠定了技术基础，并且获知人体和背包之间的相对运动对评价人体负荷疲劳程度、背包性能都具有非常重要的意义。本发明可以广泛用于人体测量学、生物力学和工效学等研究领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的应用状态示意图

图3是本发明的生物力学信号检测单元的应用状态示意图

图4是本发明的微型拉力传感器结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所述，本发明包括生理疲劳状态检测单元1、生物力学信号检测单元2和数据采集与分析单元3。

本发明的生理疲劳状态检测单元1包括心电传感器11、呼吸传感器12、人体运动传感器13和生理疲劳信号检测与处理模块14。其中，心电传感器11和呼吸传感器12可以采用常规的心电、呼吸传感器，故不再详述。人体运动传感器13可以采用三轴加速度传感器，如ADI公司的ADXL345。生理疲劳信号检测与处理模块14包括生理信号调理电路和第一微处理器，生理信号调理电路中包括常规的信号放大电路和滤波电路等。第一微处理器可以采用内置模数转换器的单片机，如MSP430系列16位低功耗单片机MSP430F2274，还可以采用ARM，如EFM32Zero Gecko系列EFM32ZG210。心电传感器11、呼吸传感器12、人体运动传感器13分别通过有线方式连接生理疲劳信号检测与处理模块14。

如图2所示，生理疲劳状态检测单元1与直接接触人体的一条弹性胸带4配合使用，其中：心电传感器11和呼吸传感器12设置在弹性胸带4内部，人体运动传感器13和生理疲劳信号检测与处理模块14设置在弹性胸带4外侧；人体运动传感器13也可以嵌入生理疲劳信号检测与处理模块14内部。在本实施例中，心电传感器11、呼吸传感器12和人体运动传感器13将采集到人体模拟信号的心电、呼吸和为数字信号的加速度信号通过屏蔽导线传送给生理疲劳信号检测与处理模块14。

本发明的生物力学信号检测单元2包括背包运动传感器21、左肩带拉力传感器22、右肩带拉力传感器23、胸部束带拉力传感器24、腰部束带拉力传感器25和生物力学信号检测与处理模块26。背包运动传感器21可以采用三轴加速度传感器，如ADI公司的ADXL345。生物力学信号检测与处理模块26包括生物力学信号调理电路和第二微处理器。生物力学信号调理电路包括常规的信号放大电路和滤波电路等。第二微处理器可以采用内置高精度模数转换器的低功耗单片机或ARM，如C8051F系列8位低功耗单片机C8051F351，其内置24位A/D转换模块，可以满足高精度拉力信号检测需求。背包运动传感器21、左肩带拉力传感器22、右肩带拉力传感器23、胸部束带拉力传感器24和腰部束带拉力传感器25分别通过有线方式连接生物力学信号检测与处理模块26。

如图2、图3所示，生物力学信号检测单元2与背包5配合使用，其中：背包运动传感器21设置在背包5内质心位置，左肩带拉力传感器22固定在背包5左侧肩带的底部靠近腰部稍靠上位置，右肩带拉力传感器23固定在背包5右侧肩带底部靠近腰部稍靠上位置，胸部束带拉力传感器24固定在胸部束带中间位置，腰部束带拉力传感器25固定在腰部束带中间位置。在本实施例中，背包运动传感器21、左肩带拉力传感器22、右肩带拉力传感器23、胸部束带拉力传感器24、腰部束带拉力传感器25将采集的左右背包肩带拉力、胸部束带拉力、腰部束带拉力信号通过屏蔽导线传送给生物力学信号检测与处理模块26。

如图4所示，上述左肩带拉力传感器22、右肩带拉力传感器23、胸部束带拉力传感器24和腰部束带拉力传感器25可以采用微型拉力传感器27。微型拉力传感器27包括微型拉力传感器主体271、设置在微型拉力传感器主体271两端的“7”型固定结构件272和连接数据采集与分析单元3与微型拉力传感器主体271的数据线273。两端的固定结构件272固定在背包带上，以便检测背包肩带或束带拉力。根据实际需要，也可以选用其他结构的微型拉力传感器。

本发明的数据采集与分析单元3包括第三微处理器31和显示屏32。第三微处理器31可以采用低功耗、高性能的单片机或ARM（如EFM32ZG210、C8051F930）。在第三微处理器31中可以设置检测背包肩带、胸带、腰带的长度或松紧的阈值和左右肩部负荷的阈值，并通过同步获取的背包的运动状态和人体运动状态信息，计算人体和背包的相对运动信息。显示屏32可以实时显示左肩带拉力传感器22、右肩带拉力传感器23、胸部束带拉力传感器24和腰部束带拉力传感器25检测的拉力情况，提示背包肩带、胸带、腰带的长度或松紧是否合适，左右肩部负荷是否平衡，而且当超过人体生理极限或承受能力时，显示屏32上还可以显示预警。

如图2所示，数据采集与分析单元3采用便携式封装设置在腰带上，也可以放入衣袋内。

上述生理疲劳状态检测单元1和数据采集与分析单元3之间，生物力学信号检测单元2和数据采集与分析单元3之间的通信方式可以是有线通信，如采用通过屏蔽导线的SPI、IIC或RS-232的串行通信方式（如本实施例）等；也可以是低功耗短距离的无线通信，如蓝牙、Zigbee等。

上述数据采集与分析单元3还可以包括连接外部终端的无线通信模块，无线通信模块可以采用WIFI、Zigbee或3G等中远距离的无线通信，无线通信模块将数据采集与分析单元3收集到的数据传送到外部终端，以实现多人集中监测，尤其在部队模拟作战或训练中，指挥员可以通过本发明掌握每个战士的生理疲劳状态和负荷行军能力，有助于提高训练效果，减少训练损伤。

本发明使用时，生理疲劳状态检测单元1的生理信号调理电路将得到的心电、呼吸信号进行放大、滤波等处理后传送给第一微处理器，第一微处理器对心电、呼吸信号进行模数转换，并结合加速度信号计算出心率、心率变异性、呼吸率、人体运动能耗、身体姿态等指标，将这些指标传送给数据采集与分析单元3。生物力学信号检测单元2的生物力学信号调理电路将所采集的信号进行放大、滤波等处理后传送给第二微处理器，第二微处理器进行模数转换并计算出背包运动状态和拉力指标传送给数据采集与分析单元3。数据采集与分析单元3的第三微处理器31将接收到的生理疲劳信息、生物力学信息，通过多源数据融合分析来监测人体疲劳程度，即根据实时采集的生理和生物力学信息和预设疲劳程度阈值进行比较，进而监测人体的疲劳状态，并对其发展趋势进行预测，如可以预测连续负荷行走的最长时间、最远距离等。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：它包括一生理疲劳状态检测单元、一生物力学信号检测单元和一数据采集与分析单元；

所述生理疲劳状态检测单元包括一心电传感器、一呼吸传感器、一人体运动传感器和一生理疲劳信号检测与处理模块；所述生理疲劳信号检测与处理模块包括一生理信号调理电路和一第一微处理器；所述心电传感器、呼吸传感器和人体运动传感器分别通过有线方式连接所述生理疲劳信号检测与处理模块；

所述生物力学信号检测单元包括一背包运动传感器、一左肩带拉力传感器、一右肩带拉力传感器、一胸部束带拉力传感器、一腰部束带拉力传感器和一生物力学信号检测与处理模块；所述生物力学信号检测与处理模块采用一生物力学信号调理电路与一第二微处理器；所述背包运动传感器、左肩带拉力传感器、右肩带拉力传感器、胸部束带拉力传感器和腰部束带拉力传感器分别通过有线方式连接所述生物力学信号检测与处理模块；

所述数据采集与分析单元包括一第三微处理器和一显示屏；

所述生理疲劳状态检测单元与所述生物力学信号检测单元分别通过无线和有线的方式之一连接所述数据采集与分析单元；

所述心电传感器、呼吸传感器和人体运动传感器将采集的心电、呼吸和加速度信号传送给所述生理疲劳信号检测与处理模块；经所述生理疲劳信号检测与处理模块处理后得到心率、心率变异性、呼吸率、人体运动能耗和身体姿态指标，并传送给所述数据采集与分析单元；所述背包运动传感器、左肩带拉力传感器、右肩带拉力传感器、胸部束带拉力传感器和腰部束带拉力传感器将采集的左右背包肩带拉力、胸部束带拉力和腰部束带拉力信号传送给所述生物力学信号检测与处理模块；经所述生物力学信号检测与处理模块处理后得到背包运动状态和拉力指标，并传送给所述数据采集与分析单元；所述数据采集与分析单元的所述第三微处理器将接收的人体运动状态信息与背包运动状态信息后，计算人体和背包的相对运动信息，并通过所述显示屏实时显示人体负荷生理和生物力学信号。

2.如权利要求1所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述第一微处理器、所述第二微处理器和所述第三微处理器采用单片机和ARM之一。

3.如权利要求1所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述人体运动传感器和所述背包运动传感器采用三轴加速度传感器。

4.如权利要求2所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述人体运动传感器和所述背包运动传感器采用三轴加速度传感器。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述左肩带拉力传感器、右肩带拉力传感器、胸部束带拉力传感器和腰部束带拉力传感器采用微型拉力传感器；所述微型拉力传感器包括一微型拉力传感器主体、两设置在所述微型拉力传感器主体两端的“7”型固定结构件和一连接所述数据采集与分析单元与所述微型拉力传感器主体的数据线。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述生理疲劳状态检测单元与人体直接接触的一条弹性胸带配合使用；所述心电传感器和所述呼吸传感器设置在所述弹性胸带内部，所述人体运动传感器和所述生理疲劳信号检测与处理模块设置在所述弹性胸带外侧，且所述人体运动传感器能够设置在所述生理疲劳信号检测与处理模块内部。

7.如权利要求5所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述生理疲劳状态检测单元与人体直接接触的一条弹性胸带配合使用；所述心电传感器和所述呼吸传感器设置在所述弹性胸带内部，所述人体运动传感器和所述生理疲劳信号检测与处理模块设置在所述弹性胸带外侧，且所述人体运动传感器能够设置在所述生理疲劳信号检测与处理模块内部。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述生物力学信号检测单元与背包配合使用；所述背包运动传感器设置在所述背包内质心位置，所述左肩带拉力传感器固定在所述背包左侧肩带的底部的腰部位置，所述右肩带拉力传感器固定在所述背包右侧肩带底部的腰部位置，所述胸部束带拉力传感器固定在胸部束带中间位置，所述腰部束带拉力传感器固定在腰部束带中间位置。

9.如权利要求5所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述生物力学信号检测单元与背包配合使用；所述背包运动传感器设置在所述背包内质心位置，所述左肩带拉力传感器固定在所述背包左侧肩带的底部的腰部位置，所述右肩带拉力传感器固定在所述背包右侧肩带底部的腰部位置，所述胸部束带拉力传感器固定在胸部束带中间位置，所述腰部束带拉力传感器固定在腰部束带中间位置。

10.如权利要求6所述的一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：所述生物力学信号检测单元与背包配合使用；所述背包运动传感器设置在所述背包内质心位置，所述左肩带拉力传感器固定在所述背包左侧肩带的底部的腰部位置，所述右肩带拉力传感器固定在所述背包右侧肩带底部的腰部位置，所述胸部束带拉力传感器固定在胸部束带中间位置，所述腰部束带拉力传感器固定在腰部束带中间位置。

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