CN105232052A - 组合传感器识别人体下肢运动姿态的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组合传感器识别人体下肢运动姿态的装置，其包括：以导线依次相连的用于采集人体下肢运动姿态信号的数据采集模块、用于数据信号处理的信号调理模块、用于控制与协调整个系统的微控制器模块和用于传送数据的无线通讯发送模块，这些模块通过导线分别与用于供电使这些模块正常工作的电源模块相连，还设有用于接收数据的无线通讯接收模块以及通过数据线与无线通讯接收模块相连的姿态分析机。本发明使用可靠，可以获取人体下肢运动姿态信息，具有简洁、方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器应用领域，具体地说是涉及一种基于两轴或三轴加速度传感器与柔性传感器，用来识别人体下肢运动姿态的装置。
背景技术
人体下肢运动姿态捕捉主要基于两类方法：基于视频图像的捕捉系统与基于穿戴式传感器的捕捉系统。
所述基于视频图像的捕捉系统是通过一个或几个视频摄像头捕捉人体动作画面，经过特别设计的图像处理算法，确定人体动作及人体动作姿态。但是，基于视频的捕捉系统通常因为摄像机安装在固定的地点，只能在安装了特定摄像机的地点进行视频捕捉和识别。而人体是一个活动的对象，当被检测者离开视频摄像头可检测的范围时，该系统就无法实现数据的采集与动作的捕捉。另外，光线、倒影也会造成数据误差，并且还可能会对被检测者造成个人隐私的泄漏。
基于穿戴式传感器的捕捉系统是指嵌入了微型传感器的可穿戴的设备，包括衣服、帽子、鞋、腰带、护膝等，系统可以实时检测人体下肢运动动作情况，并且与现有的无线通讯技术相结合，捕捉系统不会受到检测地点的限制，从而能够达到很好的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：采用穿戴式传感器，提供一种基于两轴或三轴加速度传感器与柔性传感器信号采集装置，通过无线发送信号，在分析机计算机接收端自动计算获取人体下肢大腿和小腿与重力方向间的运动角以及相应的加速度值。柔性传感器与加速度传感器组合方式，检测人体下肢运动姿态不仅能得到下肢大腿和小腿与重力方向间的运动角及相应加速度值外，还能得到人体膝盖曲率的运动变化值。由于使用穿戴式传感器，使得人体运动姿态捕捉系统不受检测地点的限制。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的组合传感器识别人体下肢运动姿态的装置，其包括：以导线依次相连的用于采集人体下肢运动姿态信号的数据采集模块、用于数据信号处理的信号调理模块、用于控制与协调整个系统的微控制器模块和用于传送数据的无线通讯发送模块，这些模块通过导线分别与用于供电使这些模块正常工作的电源模块相连，还设有用于接收数据的无线通讯接收模块以及通过数据线与无线通讯接收模块相连的姿态分析机。
所述的数据采集模块，由分别放置于人体左、右大腿中部的加速度传感器，和分别置于左、右腿膝关节部位的柔性传感器组成，该数据采集模块用以获取人体下肢运动动作时的大腿相对重力方向运动角度变化与加速度变化与膝关节的弯曲数据；这四个部件分别通过导线与信号调理模块相连。
所述的两个速度传感器为惯性传感器，均采用两轴加速度传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪中的一种或多种。
所述的两个柔性传感器为单向传感器或双向传感器，初始阻值为10K，应变片发生弯曲形变时阻值发生变化，变化范围为10K～30K或1K～20K。放置于膝关节的护膝外侧，或者置于柔性服装的膝关节部位，不会对人体下肢运动带来不便与不适。
所述的两个柔性传感器，其通过运算放大电路精准地捕捉膝关节的弯曲程度，该运算放大电路由集成运放器和电阻网络组成。
所述的信号调理模块采用带有高共模抑制比运算放大器的数据信号处理模块。
所述微控制器模块通过导线与信号调理模块相连，微控制器模块内置A/D转换器；该微控制器模块将采集的人体动作信号进行A/D转换，并对数字信号进行包括滤波、数据整理、标度转换处理，然后将数据送往无线通讯发送模块和无线通讯接收模块，在整个装置中起到A/D转换、运算、控制与协调作用。
所述无线通讯模块包括无线通讯发送模块和无线通讯接收模块，均采用RadioFrequency芯片，它们将采集到的人体动作信号发送到姿态分析机，传输距离在10m～1000m，无线传输速率10kbps、250kbps，供电电压直流2.1V～3.6V；该无线通讯模块工作在433MHz、2.4GHz等通用ISM频段，与动作分析系统之间通过无线射频方式进行数据实时传输。
所述的姿态分析机，采用一种具有依据传感器数据计算人体腿部与重力方向的运动角，并模拟再现人体下肢运动过程和分析其运动轨迹的计算机。
本发明提供的上述装置可以用于帮助下肢康复治疗，人体步态研究。
本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：
1.同时采用两种以上类型传感器采集人体下肢运动动作信号，提高了数据的可靠性与多样性，由于采用穿戴式传感器对人体下肢运动动作信息进行采集与分析，且通过无线数据传送方式，避免了基于视频采集信息受到场地和地点的限制。使被测人体可以在无线信号覆盖范围内自由活动。
2.将两轴或三轴加速度传感器绑定于大腿或小腿，获取人体下肢运动的动作信息，不但可以直接提供腿部与重力方向的运动角，同时还可以提供大、小腿运动的角度变化与大、小腿运动角加速度，获取较现有其他技术更多的运动参数，便于构建完整的下肢运动模型，具有简洁、灵活、方便的特点。
3.引入柔性传感器直接获取人体动作过程中膝关节弯曲程度信息，与两轴或三轴加速度传感器信号结合，提升人体下肢运动姿态的判定。与以往在人体大腿和小腿各放置一个二维重力传感器相比，本发明一方面可以直接获取大、小腿运动夹角，而无需作过多繁杂的计算，测试精度更高，另一方面具有在传感器数量相同的情况下，可获取更多的人体下肢运动参数。除得到运动过程中膝盖弯曲角度动态数据外，还可得到人体大腿和小腿与重力方向的运动角，以使人体下肢运动姿态模拟再现和运动姿态轨迹记录更加逼真。避免了单纯使用加速度传感器时不能直接获取大、小腿夹角的缺点，提高了测试精度。
4.柔性传感器的引入有助于人体下肢运动动作信息采集的同时，不会给人体的下肢运动带来不便与不适感，同时易嵌入到服装中。避免了现有技术对测试场所的特殊要求，适应于更灵活的测试。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明的人体传感器佩戴示意图。
图3为本发明中柔性传感器在人体下肢不同动作时的形态变化。
图4为本发明中柔性传感器运算放大处理电路原理图。
图5为本发明中图4的PCB图
图中：1.第一加速度传感器；2.第二加速度传感器；3.第一柔性传感器；4.第二柔性传感器。
具体实施方式
本发明包含有用于使系统正常工作的电源模块；用于采集人体下肢运动参数的数据采集模块，由置于膝关节部位的柔性传感器和绑定于腿部的两轴或三轴加速度传感器组成；用于数据信号处理的信号调理模块，其通过导线分别与所述加速度传感器、柔性传感器相连；用于控制与协调整个系统的微控制器模块；用于传送数据给姿态分析机的无线通讯模块以及用于下肢运动姿态模拟再现和分析的姿态分析机；所述姿态分析机具有依据传感器数据计算人体腿部与重力方向的运动角，并模拟再现人体下肢运动过程，分析其运动轨迹的计算机。该装置可以再现模拟、分析人体下肢运动姿态，包括大腿与小腿膝盖的弯曲曲率角，下肢大腿和小腿与重力方向间的运动角。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的组合传感器识别人体下肢运动姿态的装置，是一种基于两轴或三轴加速度传感器与柔性传感器组合识别人体下肢运动姿态的装置，其结构如图1所示，包括：以导线依次相连的用于采集人体下肢运动姿态信号的数据采集模块、用于数据信号处理的信号调理模块、用于控制与协调整个系统的微控制器模块和用于传送数据的无线通讯发送模块，这些模块通过导线分别与用于供电使模块正常工作的电源模块相连，还设有用于接收数据的无线通讯接收模块以及通过数据线与无线通讯接收模块相连的姿态分析机。该姿态分析机为用于模拟再现人体下肢运动过程、分析其运动轨迹的计算机。
所述数据采集模块，由分别放置于人体左、右大腿中部的第一加速度传感器1和第二加速度传感器2与置于膝关节部位的第一柔性传感器3和第二柔性传感器4组成(图2)，用以获取人体下肢运动动作时的大腿相对重力方向运动角度变化与加速度变化与膝关节的弯曲数据。所述的四个部件分别通过导线与信号调理模块相连。
所述第一加速度传感器1和第二加速度传感器2为惯性传感器，采用两轴加速度传感器、三轴加速度传感器中的一种，可以由市场上购买。两轴或三轴加速度传感器的量程取±1.5g～6g，供电电压2.2V～3.6V。适当地选取惯性传感器的量程可准确追踪快速与慢速的动作，采样频率为50Hz～100Hz。当人体下肢动作时，人体下肢的加速度与倾角发生变化，相应两轴或三轴加速度传感器(图2)输出与加速度、角速度成正比的电压信号；而放置于膝关节处的柔性传感器(图3)则会根据人体不同动作时，膝关节弯曲程度输出对应的电压模拟信号，该信号值为Vout＝VinR1\(R1+R3)(图4)，式中VCC为供电电压，Vin为参考输入电压信号，R1和R3为分压电阻，Vin信号电压采用供电电压VCC，数据采集模块输出数据经信号调理模块进行调理。
所述第一柔性传感器3和第二柔性传感器4均为单向传感器，长度12cm，宽度1cm，厚度0.09～0.1cm(市场上购买，型号FLX-0)，放置于膝关节的护膝外侧，或者置于柔性服装的膝关节部位，不会对人体下肢运动带来不便与不适，采用图4所示柔性传感器运算放大电路可精准地捕捉膝关节的弯曲程度。该柔性传感器运算放大电路由集成运放器和电阻网络组成，图4中集成运放器IC1和IC2可以采用型号为AD706JRZ集成运放器。电路的PCB图如图5所示，第一柔性传感器3和第二柔性传感器4通过插座J2的插孔接入运算放大电路。
所述电源模块，通过导线分别与数据采集模块、信号调理模块、微控制器模块及无线通讯发送模块相连，提供这些模块以及柔性传感器、加速度传感模块正常工作的3V电源VCC。
所述信号调理模块(图1)为带有高共模抑制比运算放大器的数据信号处理模块，该模块将柔性传感器运算放大电路(图4)输出直流电压1.5V～2.25V和两个加速度传感器(图2)输出电压0V～1.2V的动作信号进行滤波、放大，将信号变为0V～5V直流电压信号，然后传输到微处理器模块(图1)中的A/D转换器进行模数转换。
所述微控制器模块(图1)通过导线与信号调理模块相连，微控制器模块内置A/D转换器。该微控制器模块将采集的人体动作信号进行A/D转换，应用程序对数字信号进行滤波、数据整理、标度转换等处理，然后将数据送往无线通讯发送模块和无线通讯接收模块，在整个本发明系统中起到A/D转换、运算、控制与协调作用。
所述无线通讯模块(图1)包括无线通讯发送模块和无线通讯接收模块，采用RadioFrequency(RF)芯片。它们将采集到的人体动作信号发送到姿态分析机，传输距离在10m～1000m，无线传输速率10kbps、250kbps，供电电压直流2.1V～3.6V。该无线通讯模块工作在433MHz、2.4GHz等通用ISM频段，与动作分析系统之间通过无线射频方式进行数据实时传输。
所述姿态分析机(图1)为具有依据传感器数据计算人体腿部与重力方向的运动角，并模拟再现人体下肢运动过程，分析其运动轨迹的计算机。
本发明提供的上述基于柔性传感器与两轴或三轴加速度传感器的人体下肢运动姿态检测装置(图1)，其工作过程是：数据采集模块中的柔性传感器和加速度传感器采集人体下肢运动动作信号，将采集的模拟信号送往信号调理模块，信号调理后送到微控制器模块中，再通过无线通讯发送模块将数据送往姿态分析机，姿态分析机依据传感器数据计算人体腿部与重力方向的运动角，并模拟再现人体下肢运动过程，分析其运动轨迹。信号调理模块对采集到的信号进行滤波及信号的标准化处理，将两种传感器采集到的模拟量数值转换为微控制器模块的A/D转换可接受的范围。微控制器模块负责把调理后的数据信号A/D转换，数字滤波，标度变换等处理之后传输到无线通讯发送模块。无线通讯接收模块接收到这些信号后，再将人体下肢动作数据送往姿态分析机。
Claims (10)
1.一种组合传感器识别人体下肢运动姿态的装置，其特征在于该装置包括：以导线依次相连的用于采集人体下肢运动姿态信号的数据采集模块、用于数据信号处理的信号调理模块、用于控制与协调整个系统的微控制器模块和用于传送数据的无线通讯发送模块，这些模块通过导线分别与用于供电使这些模块正常工作的电源模块相连，还设有用于接收数据的无线通讯接收模块以及通过数据线与无线通讯接收模块相连的姿态分析机。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的数据采集模块，由分别放置于人体左、右大腿中部的加速度传感器，和分别置于左、右腿膝关节部位的柔性传感器组成，用以获取人体下肢运动动作时的大腿相对重力方向运动角度变化与加速度变化与膝关节的弯曲数据；这四个部件分别通过导线与信号调理模块相连。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的两个速度传感器为惯性传感器，均采用两轴加速度传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的两个柔性传感器为单向传感器或双向传感器，放置于膝关节的护膝外侧，或者置于柔性服装的膝关节部位，不会对人体下肢运动带来不便与不适。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于两个柔性传感器，通过运算放大电路精准地捕捉膝关节的弯曲程度，该运算放大电路由集成运放器和电阻网络组成。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的信号调理模块采用带有高共模抑制比运算放大器的数据信号处理模块。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述微控制器模块通过导线与信号调理模块相连，微控制器模块内置A/D转换器；该微控制器模块将采集的人体动作信号进行A/D转换，并对数字信号进行包括滤波、数据整理、标度转换处理，然后将数据送往无线通讯发送模块和无线通讯接收模块，在整个装置中起到A/D转换、运算、控制与协调作用。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述无线通讯模块包括无线通讯发送模块和无线通讯接收模块，均采用RadioFrequency芯片，它们将采集到的人体动作信号发送到姿态分析机，传输距离在10m～1000m，无线传输速率10kbps、250kbps，供电电压直流2.1V～3.6V；该无线通讯模块工作在433MHz、2.4GHz等通用ISM频段，与动作分析系统之间通过无线射频方式进行数据实时传输。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的姿态分析机，采用一种具有依据传感器数据计算人体腿部与重力方向的运动角，并模拟再现人体下肢运动过程和分析其运动轨迹的计算机。
10.权利要求1至9中任一权利要求所述装置的用途，其特征在于该装置在帮助人体下肢康复治疗或人体步态研究中的应用。
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