CN106889991B - 一种用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于可穿戴传感器领域，具体公开了一种新型的用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器及其方法，可以实时地测量并输出用户在行走、运动训练时的膝关节当前的弯曲角度。本发明将普通布料与导电纱线相结合，开发柔性织物传感器的敏感单元，该传感器经本文设计的方法标定后，通过一定的佩戴方式，将膝关节的弯曲运动转换成柔性织物传感器的拉伸运动，有效解决了膝关节转动时转动轴移动的问题，计算并输出用户膝关节的当前弯曲角度。本发明使用方便，不受场地限制，成本低廉，可以实时地以舒适的方式测量用户的膝关节弯曲角度，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。

Description

一种用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器及其方法

技术领域

本发明属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种新型的用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器及其方法。

背景技术

对于人体姿态和肢体运动的监测，在医疗康复、运动训练等领域有着至关重要的作用。在医疗康复领域，对于身体姿态的精确感知、可视化呈现及远程监测，让病人更了解目前自身身体恢复情况的同时，也使得监护人及医护人员对病人的病情有更全面的了解。

研究表明，中风患者相较于其他的疾病患者，有更大的可能性身患严重残疾。中风患者在出院后，康复锻炼应立即开始，持续时间从数天到一年不等，以最大限度地恢复身体运动功能，否则将可能导致终身残疾而丧失独立生活的能力，从而大大影响了生活质量。由于中风后的康复训练必须是一定强度的重复性运动训练(如站立和坐下、用受到疾病影响的下肢走路等)，而且训练持续时间很长，费用昂贵、公共资源有限等因素让病人不得不返回家中做康复训练。然而，家中由于条件受限，训练不到位导致康复机会减小。

越来越多的研究致力于提高中风病人的生活质量，而帮助病人监测其位于家中的康复训练的情况(如训练是否到位、训练量、训练时长、训练时段、当前恢复情况等)，给予病人实时反馈，并将数据反映给监护人或医护人员也成为关键的研究内容。开发一种安全非侵入式的、不对人体运动造成阻碍的、简单易用的、价格合理的监测设备，用于监测接受治疗后的中风病人在家中的康复训练情况，显得尤为必要。而各种各样的恢复机体运动功能的康复训练中，关节弯曲和伸直(肘关节、膝关节等)训练对于恢复人体运动功能的影响巨大。

但是传统的用于分析人体运动的设备，如加速度计、电测角计、电磁传感器、立体摄影系统等，因其原先主要用于机器人的运动分析与实现，在用于人体时会存在侵入、造成人体运动障碍、安全性不足等缺陷。现有市面上可以用于监测关节运动的设备在用于家庭环境下的监测场景时，都存在着明显缺陷。普通的商用电测角计由于其技术成熟，测量准确，在医疗领域被大量实用，然而其也存在着昂贵、耐久性差等缺陷。光学动作捕捉系统如VICON等，其对于人体运动的捕捉精准且非侵入，基本成为了分析人体运动的黄金准则，是极其理想的监测设备。但是其价格动辄数十万以及使用时需要相应的专业知识，让其使用领域限制于大的实验室及医疗研究中心。利用惯性传感器来捕捉人体的运动的解决方案，在近年来被研究得最多，其最大的优点在于成本低且技术较为成熟。然而由于缺乏合适的固定方式，其被用于监测人体运动状态时总是以捆绑、粘贴等方式，给人带来不舒适感。并且，其由于积分漂移等因素的影响，长时间使用时稳定性较差。

近年来，织物作为一种良好的媒介，被引入传感器领域。英国曼彻斯特大学的R.Wijesiriwardana教授对此进行了多年的研究，设计了一些实用的织物传感器模型。在国内，上海东华大学的硕士、博士研究生也进行了大量研究，研究织物传感器结构及制备工艺，及优化织物结构以提高传感器性能。但是这些利用导电纱线制作而成的应变传感器在用于关节运动监测时都存在问题，最主要的问题在于其所用到的导电纱线直接作为敏感元件参与变形，一来传感器耐久性差，二来松弛时间较长，频率响应性能差，即动态特性差。

因此，本发明目标是，用柔性的织物材料开发一款传感性能良好的，非侵入的、简单易用、低成本的监测设备，用于人体膝关节运动的动态监测。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的传统的膝关节运动监测设备的配戴不适、成本高等缺陷，以及新兴的织物传感器耐久性差、频率响应差等缺陷，提供一种用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器的设计方案。

本发明中所涉及的部分名词含义如下：

膝关节角度是指大腿和小腿内侧所呈角度，该角度一般小于180度。

敏感单元指固定于大腿、小腿上的直接用于监测膝关节弯曲的部分，其感受膝关节角度的变化并对应产生电参量的变化。

本发明设计了一种新型的柔性织物传感器，所采用的具体设计方案如下：

该柔性织物传感器的敏感单元设计方案如下：

该敏感单元分为上下两层，均为长条状。每层都分为非弹性织物及弹性织物两部分，上层弹性织物部分的长度与下层弹性织物部分的长度相等，上层非弹性织物部分的长度与下层非弹性织物部分的长度相等。其中，非弹性织物部分用普通的不易变形的布料作为原料，缝制成长条状衬底，并将导电纱线缝制于该衬底上(上下层不同)；弹性织物部分选用普通的松紧带材料，缝制在非弹性织物部分的一端。

在上层的非弹性织物部分的衬底的其中一面，以V字走线的方式缝制导电纱线，并在远离弹性织物部分的一端预留出电极A。

在下层的非弹性织物部分的衬底的其中一面，缝制一小块电极C作为触点，并在衬底另一面远离弹性织物部分的一端设有电极B。

作为一种优选方式，缝制的导电纱线选用日本Mitsufuji公司的AGposs T1镀银导电纱线，耐磨、电阻分布均匀。为使缝制的导电纱线更耐用，将该导电纱线捻合成较粗的多股线缝制在衬底上。

作为一种优选方式，上层衬底V字走线的缝制方式，能有效增加沿长条状衬底长度方向的单位长度阻值，增加传感器灵敏度。控制V字走线在长条状衬底长度方向的密度，可以方便地改变该传感器的灵敏度及分辨力。

接着，将前述的制作完成的敏感单元上下层缝制有导电纱线的面相互贴合，上层非弹性织物部分远离弹性织物部分一端与下层弹性织物部分远离非弹性织物部分一端对齐，上层弹性织物部分远离非弹性织物部分一端与下层非弹性织物部分远离弹性织物部分一端对齐，并将上下层的两端缝合。

当该敏感单元在两端被拉伸时，上下层各自的弹性织物部分伸长，非弹性织物部分发生相对移动。由于下层非弹性织物部分的触点接触到的上层非弹性织物部分的V字走线的位置发生变化，使前述电极A和电极B之间的电阻发生了变化，即该敏感单元在两段被拉伸致使伸长时，其长度的变化可以反映为电极A和电极B之间电阻的变化。

作为一种优选方式，在前述的敏感单元主要部分制作完成后，在其下层非弹性织物部分缝制有触点的位置附近，缝制一块表面光滑的布料裹紧该敏感单元的上下层，使下层非弹性织物部分的电极与上层非弹性部分的V字走线充分接触，且光滑的材质尽可能减少上下层非弹性部分相对移动时的摩擦力。

作为一种优选方式，在前述的该柔性织物传感器系统的敏感单元完成后，继续在敏感单元两段缝制用于固定该敏感单元的固定带。敏感单元两端的固定带分别固定于大腿、小腿上，敏感单元在膝关节弯曲时沿大腿拉伸并紧贴大腿，膝关节的弯曲运动被转换为柔性织物传感器的拉伸运动，如图1所示。

本发明的另一目的是，实现一套完整的用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器系统，包括信号处理电路、上位机和前述的敏感的单元，信号处理电路与上位机相连进行数据传输，系统在人体的布置如图2所示。

作为一种优选方式，所述的信号处理电路采用分压电路，获取当前敏感单元电导线AB之间的电阻值，电阻值经信号处理电路的单片机滤波处理消除噪声后，通过与单片机相连的蓝牙模块传输给上位机。

作为一种优选方式，为适应膝关节转动时转动中心轴移动的特征，以及该柔性织物传感器针对传感器输入输出非线性的特点，所述的柔性织物传感器在标定时，将滤波处理得到的敏感单元的电阻值传送给上位机，上位机将该值与当前的膝关节角度建立一一对应的关系并存表，未建立对应关系的电阻值与膝关节角度进行拟合差值得到对应关系，完成标定。

上述各优选方式中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

本发明相对于现有技术而言，其有益效果是：

1)按照本发明设计制作的柔性织物传感器佩戴舒适，性能优良，成本低，使用方便，不受场地限制。易于推广，可以用于背景提到的中风患者术后在家中的康复训练。

2)本发明设计的柔性织物传感器的佩戴方式，将膝关节的弯曲运动的测量转换为柔性织物传感器的长度变化，适应膝关节转动时转动中心轴移动的特征，避免了敏感单元的反复揉折，提高了传感器使用寿命，提升了传感器的使用稳定性。

3)本发明可以将中风患者术后康复训练的数据记录下来，供进行训练的患者及监护人员查看，跟踪患者康复训练情况。

4)本发明提到的柔性织物传感的敏感单元设计方案，作为一种织物结构，后期还可以被集成到传统运动裤中用以运动监测。前述提到的AGposs T1镀银导电纱线耐水洗，有利于该设计方案集成到传统衣物中。

附图说明

图1本发明中柔性织物传感器敏感单元的佩戴示意图，图中(a)为膝关节接近伸直状态，(b)为膝关节弯曲状态，FP1、FP2分别为大腿、小腿固定传感器敏感单元的位置；

图2本发明中整套柔性织物传感器在人体的布置示意图，图中1为柔性织物传感器敏感单元，2为固定带在大腿、小腿的位置，3为同样固定在大腿上的信号处理电路；；

图3本发明中柔性织物传感器敏感单元上层结构示意图，图中4为弹性织物部分，5为非弹性织物部分，6为以V字走线缝制的导电纱线，7为用导电纱线缝制的电极A；

图4本发明中柔性织物传感器敏感单元下层结构示意图，图中(a)为敏感单元下层结构其中一面，该面与上层缝制有导电纱线的面相互贴合，4为弹性织物部分，5为非弹性织物部分，8为用导电纱线缝制的电极C；(b)为敏感单元下层结构另一面，11为用导电纱线缝制的电极B，9为用导电纱线缝制的导线；

图5本发明中柔性织物传感器敏感单元完整结构示意图，图中(a)为敏感单元未被拉伸的状态，4为弹性织物部分，5为非弹性织物部分，10为包裹结构；图中(b)为敏感单元未被拉伸的状态；

图6本发明中柔性织物传感器敏感单元的工作原理示意图，图中(a)为敏感单元的工作原理示意，(b)、(c)为该敏感单元位于不同的拉伸状态示意图；

图7本发明中用于监测敏感单元电阻值的分压电路示意图；

图8本发明中信号处理电路框图示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，因便于更好地理解。本发明中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

本发明为一套完整的用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器系统，包括信号处理电路、上位机和前述的敏感的单元。特别地，着重设计了该传感器系统的敏感单元。该柔性织物传感器系统用于监测用户的膝关节角度。以已完成制作的样机为例，本发明具体实施过程如下：

(1)准备工作：

本实施例中，制作柔性织物传感器的敏感单元所用的主要原材料有：如权利要求1所述的，用于缝制非弹性织物部分的牛仔布、作为弹性织物部分的普通松紧带、用于缝制电极和V字走线的AGposs T1导电纱线(导电纱线是日本Mitsufuji公司于2015年推出的Agposs T1镀银导电纱线)，以及用于缝纫的普通纱线；如权利要求2所述的，用于保证上下层导电部分充分接触的丝绸材料。此外，对于整个柔性织物传感器系统而言，所用的主要材料有：用于固定该传感器敏感单元的弹性绷带；用于处理信号、传输信号的信号处理电路(含单片机、功能电路、蓝牙模块)。

整套柔性织物传感器系统在人体的布置如图2所示，包含柔性织物传感器敏感单元、固定带、信号处理电路。图1中柔性织物传感器敏感单元(标号为1)布置在大腿上，两端用固定带(标号为2)分别固定在大腿和小腿上；敏感单元的信号被接入同样固定在大腿上的信号处理电路(标号为3)，信号处理电路将滤波后的传感器信号使用蓝牙模块发送给上位机处理。本发明中各电子元件的具体型号，可以根据实际需要进行选型。本实例中用到的单片机为Arduino Mega 2560，蓝牙模块为HC-06。

(2)敏感单元制作过程：

如前所述，敏感单元分为上下两层，均为长条状。剪裁得到相同大小的牛仔布、松紧带，按照前述方法制作柔性织物传感器的敏感单元(牛仔布作为非弹性织物部分，松紧带作为弹性织物部分)。实例制作示意图如图3、图4、图5所示，其中图3为敏感单元上层，图4为敏感单元下层，图5为完整的敏感单元。其中在图5中，5为敏感单元上层的非弹性织物部分，用牛仔布缝制；4为敏感单元上层的弹性织物部分，所用材料为松紧带，与牛仔布缝合在一起；10为前述的包裹敏感单元上下层使下层电极与上层V字导电纱线充分接触结构，所用材料为丝绸，其被缝制在下层非弹性织物部分的电极C附近，将上层裹紧但不至于太紧，保证上下层充分接触的同时较光滑的丝绸材料基本不影响上下层非弹性部分相对移动。

(3)传感器系统工作原理：

首先解释敏感单元的工作原理。当敏感单元的两端被拉伸时，上下层各自的弹性织物部分伸长，非弹性织物部分发生相对移动，如图6中的(b)、(c)所示。由于下层非弹性织物部分的触点接触到的上层非弹性织物部分的V字走线的位置发生变化，使前述电极A、电极B之间的电阻发生了变化，即该敏感单元在两段被拉伸致使伸长时，其长度的变化可以反映为电极A、电极B之间电阻的变化。其原理类似与滑动变阻器原理，如图6中的(a)所示。

当该敏感单元如图1、图2所示，两端分别固定在大腿、小腿的固定位置，敏感单元在膝关节弯曲时沿大腿拉伸并紧贴大腿，此时膝关节的弯曲运动被转换为柔性织物传感器的拉伸运动。当膝关节弯曲时，该柔性织物传感器敏感单元被单向拉伸，弯曲角度与敏感单元长度变化存在一一对应的关系。即当该柔性织物传感器如图1、图2布置时，其可以用于感知膝关节的弯曲。

(4)传感器系统的信号处理电路：

信号处理电路框图如图8所示。其中，直接探测敏感单元电阻值的分压电路如图7所示。该电路或取经电路滤波后的敏感单元电阻值(即电极A、电极B之间的电阻值)，在经过单片机程序滤波处理相处噪音信号，通过与单片机相连的蓝牙模块传输给上位机。

(5)传感器系统的标定：

上位机用蓝牙接收到当前信号处理电路传送来的敏感单元电阻值，将其与当前膝关节真实弯曲角度进行比对，建立一一对应的关系，并存表。并将表中膝关节真实弯曲角度与敏感单元电阻值的对应关系作图，并拟合曲线，用该拟合曲线补充未建立对应关系的膝关节角度与电阻值。以这种方式完成标定。

具体地，下位机记录一次当前敏感单元的电阻值RT1，同时记录当前起关节真实弯曲角度，再立刻记录一次当前敏感单元的电阻值RT2。当(RT1-RT2)的绝对值处于阈值范围内认为此次数据采集有效，存[当前电阻值，当前膝关节角度真实值]到维度为N*2的原始标定表格中。再按照该原始表格的第一列数据为x轴数据，第二列数据为y轴数据进行曲线拟合，得到拟合曲线，确定当前敏感单元电阻值与膝关节弯曲角度的函数关系，完成标定。在之后的使用中，获取当前敏感单元电阻值后，感觉该标定函数得到当前膝关节的弯曲角度。

以上所述的实施例只是本发明的一些较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，上述实例也可以使用其他材料来制作传感器的敏感单元，如非弹性织物部分及弹性织物部分的布料可以使用其他材料，导电纱线也不局限于使用AGposs T1，凡是具有类似特性的材料，都可以用如本实例中敏感单元制作过程所述制作传感器的敏感单元。再例如，所用的单片机以及通讯模块均可以采用其他可替换的方式，传感器系统的信号处理电路也可以进行适当的设备改动。另外，传感器敏感单元的固定位置、传感器的标定方法等，均可以按照本发明所述原理进行更新与改进。

由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器的敏感单元，其特征在于，该敏感单元分为上下两层，每层都分为非弹性织物及弹性织物两部分，上下两层的非弹性织物部分长度相同，上下两层的弹性织物部分长度相同；非弹性织物部分包括衬底和导电纱线，衬底以不易变形布料缝制，导电纱线捻合成较粗的多股线后缝制在衬底上；弹性织物部分为松紧带，缝制在非弹性织物部分的一端；

上层非弹性织物部分以V字走线缝制导电纱线并在远离弹性织物部分设有电极A，下层在非弹性织物部分靠近弹性织物部分处用导电纱线缝制一块电极C，并在衬底另一面远离弹性织物部分的一端设有电极B；

上下层缝制有导电纱线的面相互贴合，上层非弹性织物一端与下层弹性织物一端对齐，上层弹性织物一端与下层非弹性织物一端对齐，并将上下层的两端缝合；该敏感单元在两端被拉伸时，上下层各自的弹性织物部分伸长，非弹性织物部分发生相对移动，由于下层非弹性织物部分的电极C接触到的上层非弹性织物部分的V字走线的位置发生变化，使前述电极A和电极B之间的电阻发生变化，即该敏感单元在拉伸时长度的变化可以反映为电极A和电极B之间电阻的变化。

2.根据权利要求1所述的用于测量人体膝关节运动的柔性织物传感器的敏感单元，其特征在于，在所述敏感单元下层非弹性织物部分电极C附近缝制一块表面光滑的布料裹紧该敏感单元的上下层，使下层非弹性织物部分的电极C与上层非弹性织物部分的V字走线充分接触。

3.一种基于权利要求1所述敏感单元的测量人体膝关节运动的柔性织物的传感器，其特征在于，包括所述敏感单元、信号处理电路和上位机，信号处理电路与上位机相连进行数据传输，所述的敏感单元与信号处理电路相连进行数据传输。

4.如权利要求3所述的测量人体膝关节运动的柔性织物的传感器，其特征在于，所述的信号处理电路采用分压电路，获取当前敏感单元电极A和电极B之间的电阻值，电阻值经信号处理电路滤波处理后，通过蓝牙模块传输给上位机。

5.如权利要求3所述的测量人体膝关节运动的柔性织物的传感器，其特征在于，还包括在该敏感单元两端缝制的用于固定该敏感单元的固定带。

6.如权利要求5所述的测量人体膝关节运动的柔性织物的传感器，其特征在于，敏感单元两端的固定带分别固定于大腿、小腿上，敏感单元在膝关节弯曲时沿大腿拉伸并紧贴大腿，膝关节的弯曲运动被转换为柔性织物传感器的拉伸运动。

7.一种如权利要求6所述的测量人体膝关节运动的柔性织物的传感器的标定方法，其特征在于，敏感单元两端的固定带分别固定于大腿、小腿上，膝关节弯曲时，敏感单元沿大腿拉伸并紧贴大腿，膝关节的弯曲运动被转换为柔性织物传感器的拉伸运动；敏感单元两端被拉伸，上下层各自的弹性织物部分伸长，非弹性织物部分发生相对移动，由于下层非弹性织物部分的电极C接触到的上层非弹性织物部分的V字走线的位置发生变化，使前述电极A和电极B之间的电阻发生变化，即该敏感单元在拉伸时长度的变化可以反映为电极A和电极B之间电阻的变化；

电阻值经信号处理电路滤波处理后，通过蓝牙模块传输给上位机，上位机将电阻值与当前的膝关节弯曲角度建立一一对应的关系并存表，未建立对应关系的电阻值与膝关节角度进行拟合差值得到对应关系，完成标定。