CN108607213A - 一种柔性可穿戴动作规范仪 - Google Patents

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吴化平
刘震东
杨建奎
裘烨
梁利华
刘爱萍
张征
王有岩
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Abstract

本发明基于一种柔性可穿戴动作规范仪，将传感器贴在需要锻炼的肌肉上，当肌肉运动产生一系列的动作时，传感器将随着肌肉的运动而产生变形。传感器的变形使得传感器自身电阻发生变化，由于电阻的变化使传感器产生一组电信号。获取电信号之后将其转换为数字信号，然后对比数据库中标准动作的肌肉数据来确定动作是否达标。如果数据对比成功，则动作达标，反之，则动作不达标。本发明不仅重量轻，结构简单，易于携带和操作而且本发明的成本较低，易于大批量，因此拥有较好的市场前景。

Description

一种柔性可穿戴动作规范仪
技术领域
本发明涉及传感器、信号处理技术、动作反馈技术、运动医学领域、无线传感网络、物联网等领域。尤其涉及到了一种基于金字塔式互锁结构的压阻传感器的柔性可穿戴动作规范仪，属于智能控制领域。
背景技术
近年来随着人们生活的进步，人们对身体健康的重视程度日益增长，我国逐渐形成一股全民健身热潮。由于去健身房锻炼不仅耗费时间而且还花费较高，在家健身成了大众选择的一个主要选择。但是由于普通人对健身动作的不了解，在家健身往往让大家费时费力却不能达到健身的效果，甚至可能对身体造成无法挽回的伤害。然而随着科技的进步，各种传感器的制备也快速发展，传感器的灵敏度也日益增强，而金字塔式互锁结构的柔性压阻传感器的出现则完美的解决了这个问题。
众所周知，健身动作是通过一系列的重复性动作而使得肌肉收缩或者伸张，从而达到锻炼身体的效果。但是在家健身由于没有专业人士指导或者因为用户自身身体素质较差等原因，用户做的健身动作通常是不规范的，有些时候这些不规范的动作不仅不能达到健身效果反而可能会对身体造成伤害。金字塔式互锁结构的柔性压阻传感器通过监测肌肉的变形运动而分析动作完成情况，并根据用户的动作完成情况从而反馈给用户的动作指导并且提醒用户如何将动作做标准。因此该仪器的发明相当于提供给用户一个全方位全天候的私人健身教练。
由于本发明所用传感器的特殊结构(金字塔式互锁结构)，本传感器的灵敏性要高于市面上大部分传感器。通过本传感器监测肌肉的运动状况，可以准确的分析出肌肉的运动状态。从而给出合理的健身动作建议。
发明内容
本发明的目的是根据现阶段我国出现的健身热潮，而提供一种健身动作的规范仪器。从而使用户在健身过程中达到应有的健身效果，并且防止用户因健身动作不规范而导致的身体损伤。
为到达到上述功能，本发明是通过以下技术方案实现的：一种柔性可穿戴动作规范仪，包括肌肉状态信号采集单元，信号转换单元，数据处理单元，蓝牙发送模块，手机APP，纽扣电池。
肌肉状态信号采集单元用于采集肌肉状态信号，采用一柔性压阻传感器，所述种柔性压阻传感器包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合；当使用者做健身动作时，传感器由于使用者的动作而发生形变，继而产生一系列的电信号。
信号转换单元，包括一个微型模数转换器，其功能是将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。
数据处理单元是将采集到的信号与存储在数据处理单元中规范动作的信号做对比；
所述蓝牙发送模块主要是将数据处理结果发送到手机APP中。
所述纽扣电池主要是为产品提供稳定持续的电源。
进一步地，传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rGO层，两个铜电极关于膜组件中心对称。
进一步地，两个膜组件封装在PDMS内。
进一步地，所述膜组件通过以下布置制备得到：
(1)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照体积比1000:50:20配置成溶液，将硅模板浸泡在该溶液中两小时，进行疏水处理。所述硅模板正面带有金字塔阵列结构；
(2)将PDMS与交联剂按质量比10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在疏水处理后的硅模板表面。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时。固化后，与硅模板水中剥离。
(3)对表面具有金字塔微结构的PDMS表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性。
(4)将具有金字塔微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后即可进行组装，以获得柔性压阻传感器。
进一步地，所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。
进一步地，所述rGO层的厚度大约在500μm左右。
进一步地，存储在数据处理单元中规范动作的信号通过以下方法获得：采集标准动作的数字信号范围，再将其存储在数据库中。
进一步地，所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。
进一步地，所述电源为纽扣电池，为设备提供稳定持续的电源。
本发明方法的优点在于：通过监测肌肉的运动状况来分析健身动作是否达标的这种监测方法是从动作的根源上(肌肉)去分析动作的完成性。因此，可以最直观、最准确的反映出健身动作的完成程度。基于上述特点，该方法不仅简单而且直观有效，适用于各种年龄段和各种人群，也为日后产品的推广提供了有利条件。
本发明仪器的优点在于：仪器所用传感器为原创发明的传感器，由于其结构的特殊性(金字塔式互锁结构)具有非常高的灵敏性。因此保证了仪器纠正动作的准确度和灵敏度。基于仪器的高灵敏度和高准确度，该仪器可以有效的保证用户的健身效果并且防止不规范的健身动作对用户身体造成损伤。由于最终的分析结果是通过手机APP展示，因此可以将结果和建议等信息清晰明了的传递给用户。本仪器不仅体积小方便携带，而且操作简单，可以给不同年龄段的不同人群在不同的环境下提供相应的健身动作规范建议。本发明仪器生产制造简单成本较低，易形成产业化，而且潜在用户基数大前景非常广阔。
附图说明
图1是传感器微结构图。
图2是将本发明仪器贴在肌肉上的模拟效果图。
图3是本发明系统的流程框图。
图4是金字塔微结构电阻分析示意图；
图5是金字塔微结构电阻分析示意图。
图6为本发明灵敏度测试图。
具体实施方式
本发明提供一种柔性可穿戴动作规范仪，包括肌肉状态信号采集单元，信号转换单元，数据处理单元，蓝牙发送模块，手机APP，纽扣电池。
肌肉状态信号采集单元用于采集肌肉状态信号，采用一柔性压阻传感器，如图1所示，所述种柔性压阻传感器包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合；当使用者做健身动作时，传感器由于使用者的动作而发生形变，继而产生一系列的电信号。该柔性压阻传感器中，上层rGo层电阻为R1,，下层rGO电阻层为R2，两者之间由金字塔微结构相互接触而导通的电路电阻为R3。由于中间导电通路是由金字塔塔尖接触而导通的，因此即使受到非常微小的力，也会改变金字塔塔尖所形成的导电通路。其具体过程如下，由于传感器受力而导致塔尖与相对rGO层相互接触的形状改变，塔尖形状改变导致导电通路的面积改变，继而改变R3电阻。这就是传感器高灵敏度的具体原理。而不同弯曲角度，不同按压力度都会形成不同的电阻变化，且具有较高的灵敏度，这就给传感器具体应用提供了可行性。具体如下：
传感器的总电阻为：
R＝R1+R2+R3 (1)
式中R为传感器的总电阻，其中R1为上层rGO电阻，R2为接触面的电阻，R3为金字塔微结构电阻。详细示意如图4所示。
根据电阻定律将公式(1)改写为：
其中ρ2是接触面的电阻率，L2为接触面的长度，A2为接触面面积，ρ3为金字塔微结构表面电阻率，L3为金字塔微结构长度，D3为金字塔微结构表面涂层厚度，W3为金字塔微结构周长。详细示意如图5所示。
将公式(2)改写成：
传感器的电阻改变公式为：
R-R0＝ΔR (4)
其中R0为初始电阻，R为变形后电阻，ΔR为改变的电阻值。
因为
所以将公式(4)改写成：
将公式(5)化简得：
由公式(5)可见电阻值改变的量与接触面积，涂层厚度和金字塔微结构周长的改变量有关，而金字塔微结构的接触面积，涂层厚度和金字塔微结构周长可以成倍的改变，这也就解释了该传感器灵敏高的根本原因。
信号转换单元，包括一个微型模数转换器，其功能是将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。
数据处理单元是将采集到的信号与存储在数据处理单元中规范动作的信号做对比；
所述蓝牙发送模块主要是将数据处理结果发送到手机APP中。
所述纽扣电池主要是为产品提供稳定持续的电源。
传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rGO层，两个铜电极关于膜组件中心对称，有利于提高电信号的准确性
根据权利要求1所述的柔性压阻传感器，其特征在于，两个膜组件封装在PDMS内，保证两个膜组件紧密贴合，且避免rGO长期暴露空气中。
所述动作规范监测方法，包括以下步骤：
(1)将所述肌肉状态信号采集单元贴在主要锻炼部位，根据不同肌肉的不同形状，将传感器布置成不同阵列，然后采集肌肉运动时产生的信号。
(2)将信号传输到所述信号转换单元，将电信号转换为数字信号。
(3)将数字信号传输到数据处理单元中，对数据进行处理，分析和配对。
(4)将分析和配对结果通过蓝牙模块发送到手机APP中。
所述膜组件通过以下步骤制备得到：
(1)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照体积比1000:50:20配置成溶液，将硅模板浸泡在该溶液中两小时，进行疏水处理。所述硅模板正面带有金字塔阵列结构；
(2)将PDMS与交联剂按质量比10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在疏水处理后的硅模板表面。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时。固化后，与硅模板水中剥离。
(3)对表面具有金字塔微结构的PDMS表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性。
(4)将具有金字塔微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后即可进行组装，以获得柔性压阻传感器。
作为优选的技术方案，所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。所述rGO层的厚度大约500μm，有利于提高传感器的精度和灵敏度。
存储在数据处理单元中规范动作的信号通过以下方法获得：采集标准动作的数字信号范围，再将其存储在数据库中。所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。所述电源可采用纽扣电池，为设备提供稳定持续的电源。

Claims (8)

1.一种柔性可穿戴动作规范仪，其特征在于：包括肌肉状态信号采集单元，信号转换单元，数据处理单元，蓝牙发送模块，手机APP，纽扣电池。
肌肉状态信号采集单元用于采集肌肉状态信号，采用一柔性压阻传感器，所述种柔性压阻传感器包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合；当使用者做健身动作时，传感器由于使用者的动作而发生形变，继而产生一系列的电信号。
信号转换单元，包括一个微型模数转换器，其功能是将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。
数据处理单元是将采集到的信号与存储在数据处理单元中规范动作的信号做对比；
所述蓝牙发送模块主要是将数据处理结果发送到手机APP中。
所述纽扣电池主要是为产品提供稳定持续的电源。
2.根据权利要求1所述的规范仪，其特征在于，传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rGO层，两个铜电极关于膜组件中心对称。
3.根据权利要求1所述的规范仪，其特征在于，两个膜组件封装在PDMS内。
4.根据权利要求1所述的规范仪，其特征在于，所述膜组件通过以下步骤制备得到：
(1)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照体积比1000:50:20配置成溶液，将硅模板浸泡在该溶液中两小时，进行疏水处理。所述硅模板正面带有金字塔阵列结构；
(2)将PDMS与交联剂按质量比10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在疏水处理后的硅模板表面。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时。固化后，与硅模板水中剥离。
(3)对表面具有金字塔微结构的PDMS表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性。
(4)将具有金字塔微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后即可进行组装，以获得柔性压阻传感器。
5.根据权利要求4所述的规范仪，其特征在于，所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。
6.根据权利要求1所述的规范仪，其特征在于，所述rGO层的厚度大约在500μm左右。
7.根据权利要求1所述的规范仪，其特征在于，存储在数据处理单元中规范动作的信号通过以下方法获得：采集标准动作的数字信号范围，再将其存储在数据库中。
8.根据权利要求1所述的规范仪，其特征在于，所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。
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