CN105716752A - 可穿戴设备对人体作用力的检测系统 - Google Patents

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李会军
邵志远
宋爱国
袁祖龙
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/205—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using distributed sensing elements

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴设备对人体作用力的检测系统，包括检测装置和处理装置，检测装置包括压力检测模块和信号发送模块；处理装置包括信号接收模块、信号处理模块和中央控制模块。本发明能够满足可穿戴检测工具的方便灵活以及低功耗的要求，采用薄片式压力传感器和低功耗微小元器件，将整套系统集成于一块PCB板上，体积小巧，功能实用；能够用于康复时外骨骼或假肢对人体压力的检测，也可用于太空舱外活动时太空服对宇航员身体压力的检测；本发明能准确、快速、实时的计算压力值，从而提高可穿戴设备的安全度；对推进一些先进的机械设备的发展具有重要的意义。

Description

可穿戴设备对人体作用力的检测系统
技术领域
本发明涉及压力检测技术领域，尤其涉及一种可穿戴设备对人体作用力的检测系统。
背景技术
对于一些瘫痪、残疾的患者来说，使用一些外骨骼、假肢进行康复训练是十分重要的和关键的医疗手段。然而，使用外骨骼或假肢进行康复训练时，不可避免的存在一些安全问题，外骨骼需固定在人体上，当进行运动时，这些装置对人体所施加的作用力有可能对人体造成伤害。此外，在太空中进行航天探索时，舱外活动是人类太空飞行的一个重要组成部分，但穿着气体加压的太空服工作过久会导致疲劳、过多的能量消耗和肌肉损伤。
因此，急需设计一种可穿戴设备对人体作用力的检测系统对康复训练时人体所受的压力进行实时检测，以保证外骨骼、假肢对人体的安全性；并且通过这种可穿戴式人体压力检测装置实时检测出宇航员进行舱外活动的运动过程中宇航服对人体所施加的压力，来保证宇航服对宇航员所产生压力是始终在一个安全范围内。由此可见，可穿戴设备对人体作用力的检测系统无疑对推进一些康复设备和机械设备的发展具有重要的意义。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明旨在提供一种可穿戴设备对人体作用力的检测系统。
技术方案：一种可穿戴设备对人体作用力的检测系统，包括检测装置和处理装置，所述检测装置包括压力检测模块和信号发送模块，压力检测模块实时检测可穿戴设备对人体的压力，输出压力电压信号并传输至信号发送模块，信号发送模块将压力电压信号发送至处理装置；所述处理装置包括信号接收模块、信号处理模块和中央控制模块，信号接收模块接收压力电压信号并传输至信号处理模块，信号处理模块对压力电压信号进行滤波处理并传输至中央控制模块，中央控制模块对处理后的压力电压信号进行A/D转换并输出。
进一步的，还包括计算机，所述计算机与处理装置相连，中央控制模块对处理后的压力电压信号进行A/D转换并输出至计算机。
进一步的，计算机利用图形化显示软件显示并存储人体所受压力信号和波形的变化。
进一步的，压力检测模块包括分布式薄膜压力传感器。
进一步的，分布式薄膜压力传感器包括压力信号测量电路，压力信号测量电路随着人体表面所受压力变化引起传感器电阻值的变化并转换为压力电压信号，传感器的电导率与压力值为线性关系，压力信号测量电路采用运放同相放大的结构，压力信号测量电路的输出表达式为：
Vout1＝(1+Rf/Rs1)×Vref
其中，Vout1为第一路压力信号的电压值，Rs1为第一路压力传感器的电阻值，Rf为比例电阻值，Vref为基准电压。
进一步的，信号处理模块通过低通滤波器对压力电压信号进行滤波处理。
进一步的，低通滤波器为截止频率25Hz的FIR低通滤波器。
进一步的，中央控制模块利用单片机对处理后的压力电压信号进行A/D转换实现数据采集，所述A/D转换采用多路复用转换模式。
进一步的，信号发送模块将压力电压信号发送至处理装置，并保存在256字节的数据缓存区内。
进一步的，在信号传输不稳定导致数据传输出现丢包时，所述信号接收模块向信号发送模块反馈计算机丢包的状态反馈信号。
有益效果：本发明提出一种可穿戴设备对人体作用力的检测系统，与现有技术相比，本发明能够满足可穿戴检测工具的方便灵活以及低功耗的要求，采用薄片式压力传感器和低功耗微小元器件，将整套系统集成于一块PCB板上，体积小巧，功能实用；能够用于康复时外骨骼或假肢对人体压力的检测，也可用于太空舱外活动时太空服对宇航员身体压力的检测；本发明能准确、快速、实时的计算压力值，从而提高可穿戴设备的安全度；对推进一些先进的机械设备的发展具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为压力检测模块电路图；
图3为本发明的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种可穿戴设备对人体作用力的检测系统，包括检测装置和处理装置和计算机，计算机与处理装置相连，检测装置包括压力检测模块和信号发送模块，压力检测模块实时检测可穿戴设备对人体的压力，输出压力电压信号并传输至信号发送模块，信号发送模块将压力电压信号发送至处理装置并保存在256字节的数据缓存区内。；处理装置包括信号接收模块、信号处理模块和中央控制模块，信号接收模块接收压力电压信号并传输至信号处理模块，在信号传输不稳定导致数据传输出现丢包时，信号接收模块向信号发送模块反馈计算机丢包的状态反馈信号。
由于人体98％的压力信号频率低于15Hz，因此信号处理模块通过截止频率25Hz的FIR低通滤波器对压力电压信号进行滤波处理，滤波处理后传输至中央控制模块，中央控制模块利用单片机对处理后的压力电压信号进行A/D转换实现数据采集并输出至计算机，A/D转换采用多路复用转换模式，中央控制模块通过查询方式依次读取每次通道的数据。
计算机利用图形化显示软件显示并存储人体所受压力信号和波形的变化。
如图2所示，压力检测模块包括分布式薄膜压力传感器，分布式薄膜压力传感器包括压力信号测量电路，压力信号测量电路随着人体表面所受压力变化引起传感器电阻值的变化并转换为压力电压信号，传感器的电导率与压力值为线性关系，压力信号测量电路采用运放同相放大的结构，压力信号测量电路的输出表达式为：
Vout1＝(1+Rf/Rs1)×Vref
其中，Vout1为第一路压力信号的电压值，Rs1为第一路压力传感器的电阻值，Rf为比例电阻值，Vref为基准电压。
如图3所示，本实施例中的压力检测模块中的8路薄片压力传感器分别放在人体8个不同的受力部位，同时采集8个不同部位的压力电压信号，经过信号处理模块的转换和放大后传输至中央控制模块。处理装置通过USB连接计算机，把打包后的压力数据传输至计算机，再由图形化显示软件实时显示和存储手臂压力的波形。

Claims (10)

1.一种可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，包括检测装置和处理装置，所述检测装置包括压力检测模块和信号发送模块，压力检测模块实时检测可穿戴设备对人体的压力，输出压力电压信号并传输至信号发送模块，信号发送模块将压力电压信号发送至处理装置；所述处理装置包括信号接收模块、信号处理模块和中央控制模块，信号接收模块接收压力电压信号并传输至信号处理模块，信号处理模块对压力电压信号进行滤波处理并传输至中央控制模块，中央控制模块对处理后的压力电压信号进行A/D转换并输出。
2.根据权利要求1所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，还包括计算机，所述计算机与处理装置相连，中央控制模块对处理后的压力电压信号进行A/D转换并输出至计算机。
3.根据权利要求1所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，所述计算机利用图形化显示软件显示并存储人体所受压力信号和波形的变化。
4.根据权利要求1所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，所述压力检测模块包括分布式薄膜压力传感器。
5.根据权利要求4所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，所述分布式薄膜压力传感器包括压力信号测量电路，压力信号测量电路随着人体表面所受压力变化引起传感器电阻值的变化并转换为压力电压信号，传感器的电导率与压力值为线性关系，压力信号测量电路采用运放同相放大的结构，压力信号测量电路的输出表达式为：
Vout1＝(1+Rf/Rs1)×Vref
其中，Vout1为第一路压力信号的电压值，Rs1为第一路压力传感器的电阻值，Rf为比例电阻值，Vref为基准电压。
6.根据权利要求1所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，所述信号处理模块通过低通滤波器对压力电压信号进行滤波处理。
7.根据权利要求1所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，所述低通滤波器为截止频率25Hz的FIR低通滤波器。
8.根据权利要求1所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，所述中央控制模块利用单片机对处理后的压力电压信号进行A/D转换实现数据采集，所述A/D转换采用多路复用转换模式。
9.根据权利要求1所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，所述信号发送模块将压力电压信号发送至处理装置，并保存在256字节的数据缓存区内。
10.根据权利要求1所述的可穿戴设备对人体作用力的检测系统，其特征在于，在信号传输不稳定导致数据传输出现丢包时，所述信号接收模块向信号发送模块反馈计算机丢包的状态反馈信号。
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