CN108403122A - 一种人体关节运动的测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体关节运动的测量系统，包括可拉伸的应力传感器，信号处理电路，无线通信模块与上位机软件；可拉伸的应力传感器包括绝缘的弹性体与导电体，在外力作用下可发生拉伸形变，并且在该形变过程中阻抗发生变化；工作状态时，可拉伸的应力传感器和信号处理电路位于人体关节处，随人体关节的弯曲运动而进行拉伸运动，产生阻抗信号，信号处理电路获取该阻抗信号后通过无线通信模块传输至上位机软件，通过分析获取人体关节运动参数。该测量系统的测量精度高，使用方便，与人体皮肤完美贴合，可以实时舒适地测量用户的关节运动，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴设备领域，尤其是涉及一种人体关节运动的测量系统及其测量方法。
背景技术
对人体关节运动的监测，在运动训练和医疗康复等领域有着至关重要的作用。随着中国老龄化现象的不断加剧，在老年人中存在大量的关节有运动障碍的人群，这些患者需要对其进行恢复肢体运动功能的训练，而准确、实时地获取患者在运动过程中关节的弯曲角度，让患者更了解目前自身身体恢复情况的同时，也使得医护人员对患者的情况有更加全面的了解。
目前，角度测量的传感器种类繁多，包括微型加速度计，光纤角度传感器，立体摄影系统等，但是可用于监测人体关节运动的设备在用于家庭环境监测时，都存在明显的缺陷。例如，在2001年，Williamson等人在人体的大腿和小腿部分安装了加速度传感器和陀螺仪，通过信息融合技术和算法处理，获得了膝关节弯曲的角度信息，但是传感器无法与人体皮肤贴合，多以捆绑的方式固定于关节处，这大大降低了长时间使用的舒适性；利用光学运动捕捉系统可以实现非接触式的关节弯曲角度测量，是理想的监测设备，但其价格十分昂贵，动辄几十万，并且需要具备相关的专业知识，因此不符合家庭使用。
发明内容
本发明针对目前关节测量系统舒适性差、成本高等缺陷，利用柔性可拉伸应力传感器，信号处理电路，上位机软件和非弹性织物，提供一种人体关节运动的测量装置。
本发明的技术方案为：一种测量人体关节运动的测量系统，包括可拉伸的应力传感器，信号处理电路，无线通信模块、上位机软件；
所述可拉伸的应力传感器包括绝缘的弹性体与导电体，在外力作用下可以发生拉伸形变，并且在形变过程中，其阻抗发生变化；
工作状态时，可拉伸的应力传感器和信号处理电路位于人体关节处，随人体关节的弯曲运动而进行拉伸运动，产生阻抗信号，信号处理电路获取该阻抗信号后通过无线通信模块传输至上位机软件，通过分析获取人体关节运动参数。
所述阻抗包括电阻、电感、电容，因此可拉伸的应力传感器可以是电阻型应力传感器、电感型应力传感器或者电容型应力传感器。
构成所述弹性体的材料不限，包括热塑性弹性体或热固性弹性体，例如硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、水凝胶、聚氨酯、SEBS、POE等中的一种或者几种。
作为优选，所述的导电体为液态金属。所述的液态金属材料是在室温下为液态的金属导电材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金等。
作为一种结构形式，所述可拉伸的应力传感器是由弹性体和液态金属构成，分为上中下三层，上层和下层为弹性体，中间层为液态金属。该可拉伸的应力传感器的制备方法不限，作为一种优选的方法，是将弹性体作为弹性基底，然后将液态金属涂覆到该弹性基底表面，再将熔融状态或液态的热塑性弹性体涂覆到液态金属表面，或者将热固性弹性体涂覆到液态金属表面，固化后形成可拉伸的应力传感器。
为了更好地使可拉伸的应力传感器贴合在人体关节位置，作为优选，将可拉伸的应力传感器与和信号处理电路固定在可穿戴在人体关节处的织物上，测量时，将织物穿戴在人体关节上，使可拉伸的应力传感器随人体关节的弯曲而进行拉伸运动。所述织物不限，可以是护膝、护肘等，织物材料不限，包括布、麻、毛等。
所述人体关节包括肘、腕、肩、肘、指、髋、膝关节等。
所述人体关节运动参数包括关节的弯曲角度、弯曲频率以及弯曲数据的波形图等。
作为一种优选方式，所述的信号处理电路包括阻抗测量电路与放大电路，阻抗测量电路获取可拉伸的应力传感器两端的电阻、电容或电感，经放大电路放大滤波处理后，通过无线通信模块传输至上位机软件。
作为一种实现方式，上位机软件收到阻抗信息后，根据可拉伸的应力传感器的标定得到人体关节运动参数。为适应关节弯曲时的特征，以及可拉伸的应力传感器非完全线性的特点，所述的应力传感器在标定时，作为一种优选方式，阻抗值通过无线通信模块传输至上位机软件，上位机将可拉伸的应力传感器的阻抗值与关节弯曲角度的对应关系进行拟合并保存，完成系统标定。
所述无线通信模块不限，包括ZigBee模块、蓝牙模块、WIFI模块、无线射频模块等中的一种或者几种。
利用本发明的测量系统测量人体关节运动的一种方法如下：
将可拉伸的应力传感器和信号处理电路佩戴于人体关节处，按下电源键，通过无线通信模块与上位机软件进行通道连接；人体关节进行弯曲运动，可拉伸的应力传感器随之进行拉伸运动，上位机软件自动获取信号处理电路发送的阻抗信息，通过分析上位机软件显示关节弯曲的角度，弯曲的频率以及关节弯曲的数据波形图等；当关节无弯曲运动一定时间后，优选为1分钟-3分钟后信号处理电路停止发送数据，系统进入低功耗状态。
综上所述，本发明集成柔性可拉伸的应力传感器，信号处理电路，无线通信模块、上位机软件的人体关节测量系统，可实现人体关节高精度测量，并可在无操作时系统自动进入低功耗状态。另外，本发明测量精度高，使用方便，与人体皮肤完美贴合，可以实时舒适地测量用户的关节运动，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1人体关节测量系统用于测量膝关节时可拉伸的应力传感器与信号处理电路在膝关节的布置示意图；
图2是图1中可拉伸的应力传感器与信号处理电路的结构示意图；
图3是本发明实施例1中人体关节测量系统的信号传输示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1、2所示，本实施例中用于测量人体关节运动的系统包括可拉伸的应力传感器1，信号处理电路2，无线通信模块6与上位机软件8。
本实施例中，可拉伸的应力传感器1是由超弹性体和液态金属导电体复合而成。其中，超弹性体选自热塑性弹性体PDMS，液态金属是GaInSn或GaIn合金，该液态金属的导电率优于3.8*106s/m。该柔性可拉伸的应力传感器的复合方法是：在室温下，是将热塑性弹性体加热为弹性基底，然后将液态金属涂覆到该弹性基底表面，再将熔融状态或液态的热塑性弹性体涂覆到液态金属表面，固化后形成可拉伸的应力传感器1。该可拉伸的应力传感器不仅具有良好的导电性，而且具有良好的柔韧性，在外力作用下可以发生拉伸、弯曲等形变，并且在形变过程中，其阻抗发生变化。
本实施例中，信号处理电路2包括阻抗测量电路4与单片机5。
本实施例中，单片机型号为STM32F103C8T6。
本实施例中，无线模块采用ZigBee无线通信模块。
本实施例中，电源采用3.7V可充电锂电池。
本实施例中，信号传输示意图如图3所示，阻抗测量电路4与单片机5一端相连接，单片机5通过自带的模数转换器与放大电路将模拟信号放大过滤后转换成数字信号，单片机5另一端与无线模块6相连接，通过无线模块6将数据传输至上位机软件8，根据应力传感器系统的标定，分析得到人体关节运动参数；电源7为阻抗测量电路4、单片机5和无线模块6供电。
本实施例中，应力传感器系统的标定方法为：上位机软件接收到当前信号处理电路传送来的柔性可拉伸的应力传感器的电阻、电容或电感值，上位机软件将电阻、电容或电感值与关节弯曲角度的对应关系进行拟合并保存，用该拟合曲线补充未建立对应关系的关节角度与电阻、电容或电感值，完成标定。
当本实施例中的人体关节运动的测量系统用于测量膝关节运动时，可将可拉伸应力传感器1和信号处理电路2缝合于护膝3后固定于膝盖上，如图2所示。
在电源供电，柔性可拉伸的应力传感器和信号处理电路通过护膝佩戴于人体关节处，按下电源键，通过无线通信模块与上位机软件进行通道连接；人体关节进行弯曲运动，可拉伸的应力传感器随之进行拉伸运动，上位机软件自动获取信号处理电路发送的阻抗信息数据，根据应力传感器系统的标定，分析得到并显示关节弯曲的角度，弯曲的频率以及关节弯曲的数据波形图；当关节无弯曲动作一分钟后，信号处理电路停止发送数据，系统进入低功耗状态。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种人体关节运动的测量系统，其特征是：包括可拉伸的应力传感器，信号处理电路，无线通信模块与上位机软件；
所述可拉伸的应力传感器包括绝缘的弹性体与导电体，在外力作用下可发生拉伸形变，并且在该形变过程中阻抗发生变化；
工作状态时，可拉伸的应力传感器和信号处理电路位于人体关节处，随人体关节的弯曲运动而进行拉伸运动，产生阻抗信号，信号处理电路获取该阻抗信号后通过无线通信模块传输至上位机软件，通过分析获取人体关节运动参数。
2.如权利要求1所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：所述弹性体包括热塑性弹性体与热固性弹性体；
作为优选，所述弹性体材料是硅胶、聚二甲基硅氧烷、橡胶、水凝胶、聚氨酯、SEBS、POE中的一种或者几种。
3.如权利要求1所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：所述的导电体为液态金属；
作为优选，所述液态金属包括汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金。
4.如权利要求1所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：所述可拉伸的应力传感器是由弹性体和液态金属构成，分为上中下三层，上层和下层为弹性体，中间层为液态金属。
5.如权利要求4所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：所述可拉伸的应力传感器的制备方法是：将弹性体作为弹性基底，然后将液态金属涂覆到该弹性基底表面，再将熔融状态或液态的热塑性弹性体涂覆到液态金属表面，或者将热固性弹性体涂覆到液态金属表面，固化后形成可拉伸的应力传感器。
6.如权利要求1所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：将可拉伸的应力传感器与和信号处理电路固定于可穿戴在人体关节处的织物上。
7.如权利要求1所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：所述人体关节包括肘关节、腕关节、肩关节、肘关节、指关节、髋关节与膝关节。
8.如权利要求1所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：所述人体关节运动参数包括关节的弯曲角度、弯曲频率以及弯曲数据的波形图。
9.如权利要求1所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：所述的信号处理电路包括阻抗测量电路与放大电路，阻抗测量电路获取可拉伸的应力传感器的阻抗信息，经放大电路放大滤波处理后，通过无线通信模块传输至上位机软件。
10.如权利要求1所述的人体关节运动的测量系统，其特征是：上位机软件收到阻抗信息后，根据可拉伸的应力传感器的标定得到人体关节运动参数；
作为优选，可拉伸的应力传感器的标定方法是：阻抗信号通过无线通信模块传输至上位机软件，上位机软件将可拉伸的应力传感器的阻抗信号与关节弯曲运动的对应关系进行拟合并保存，完成系统标定。
11.利用如权利要求1至10中任一权利要求所述的测量系统测量人体关节运动的方法，其特征是：将可拉伸的应力传感器和信号处理电路佩戴于人体关节处，按下电源键，通过无线通信模块与上位机软件进行通道连接；人体关节进行弯曲运动，可拉伸的应力传感器随之进行拉伸运动，上位机软件自动获取信号处理电路发送的阻抗信息，上位机软件显示关节运动参数；当关节无运动一定时间后，信号处理电路停止发送数据，系统进入低功耗状态。
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