CN108852361A - 基于fbg传感技术的人体姿态监测方法和服装 - Google Patents

基于fbg传感技术的人体姿态监测方法和服装 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FBG传感技术的人体姿态监测方法，包括：让测试对象穿着服装本体，在待监测人体关节各个点位设置传感器，传感器采用FBG传感器；将所有传感器通过线缆连接至一信号收集终端，该信号收集终端信号连接至一电脑；利用电脑处理各个传感器传来的信息。本发明的优点是：对人体的各种姿态进行实时监测，并将测得数据进行即时传输和数据处理。本发明还公开了一种基于FBG传感技术的人体姿态监测服装。

Description

基于FBG传感技术的人体姿态监测方法和服装
技术领域
本发明涉及人体监测技术领域，尤其是涉及一种基于FBG传感技术的人体姿态监测方法。本发明还涉及一种基于FBG传感技术的人体姿态监测服装。
背景技术
保持良好的人体姿态对于维持人类的机体健康十分重要。现代社会中，因工作的需求导致人们需要长时间保持同一姿势。但诸多姿势，如弯腰、久站、久坐、伏案等均会对健康产生不利的影响。同时，正确的姿态对于发挥人体肌肉纤维及骨骼的运动潜能十分重要。因此对于人体姿态的实时监测在诊断、康复治疗、体育运动、艺术领域都有十分广阔的前景。
目前，对人体姿态的监测主要通过两个方面来进行，(1)通过影像捕捉及跟踪技术，结合背景模式初始化的方法等对运动中人体的不同姿态进行监测，从而得到最终的人体姿态实例。如申请公布号为CN106919806A中国发明专利申请：一种人体监测方法、装置以及系统及计算机可读存储设备公开的基于可见光监测图像和所述红外监测图像进行被监测人行为分析，获取行为监测信息的人体监测系统。(2)基于物理传感器的数据捕捉人体各部位的运动状态。物理传感器可以是加速度传感器、角度或者磁力传感器。如授权公告号为CN205239396U的中国实用新型专利：一种人体监测装置及其系统，公开了基于雷达波束的发送与反射获取监测对象的运动信号；如授权公告号为CN205729355U的中国实用新型专利：一种人体生物电及运动姿态智能监控服装公开了采用四个肌电监测传感器，四个肌电监测传感器分别设置于服装本体对应背部的位置。显然，以上监测系统均存在相对不足之处。即，第一种方案的主要问题在于由于人体动态模型的特殊性，其应用仅仅局限于特定的场所，其余的方案在进行数据采集处理时系统结构复杂，获取数据的误差较大对人体姿态的监测系统及方法大多存在结构复杂，成本高昂、使用不便、传感器易损等问题。
因此，迫切需要简单易行、高精度灵敏度的传感器技术实现人体姿态的实时监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FBG传感技术的人体姿态监测方法，它具有能够较好的对人体姿态进行监测的特点。进一步，本发明还公开了一种基于FBG传感技术的人体姿态监测服装。
本发明所采用的第一个技术方案是：
基于FBG传感技术的人体姿态监测方法，包括以下步骤：
(1)让测试对象穿着服装本体，在待监测人体关节各个点位设置传感器，传感器采用FBG传感器，且调整传感器的位置，保证各个点位和传感器的中点位置恰好对应；
(2)将所有传感器通过线缆连接至一信号收集终端，该信号收集终端信号连接至一电脑；
(3)利用电脑处理各个传感器传来的信息，设定某个传感器为第i个传感器，该第i个传感器监测到的波长度数为λi、角度变化为则电脑对该第i 个传感器传来的信息的处理方式为：其中，线性关系ki通过以下方法得到：通过第i个传感器的标定实验测得第i个传感器与角度间的线性关系ki，标定过程中通过将第i个传感器弯曲不同角度时，对第i个传感器的波长示数进行记录，获得第i个传感器波长与角度之间的标定关系，该标定关系是线性的，从而将获得的直线的斜率作为线性关系ki。
所述传感器为3D打印的柔性传感器。
所述线缆通过3D打印一次成型嵌入服装内部。
本发明所采用的第二个技术方案是：
人体姿态监测服装，包括服装本体，该本体包括腕部、肘部、背部、颈部，所述姿态监测服装还包括电脑、信号连接至该电脑的解调仪信号收集终端、信号通过线缆连接至该解调仪信号收集终端的传感器，传感器采用FBG 传感器，且传感器分别可微调的固定于腕部、肘部、背部、颈部。
所述本体的外部设有柔性封装通道，线缆穿设在柔性封装通道内。
所述传感器为3D打印的柔性传感器。
所述线缆通过3D打印一次成型嵌入服装内部。
本发明的基于FBG传感技术的人体姿态监测方法以及人体姿态监测服装所具有的优点是：对人体的各种姿态进行实时监测，并将测得数据进行即时传输和数据处理。通过利用FBG传感器可弯曲特性与服装相结合，能够有效降低监测智能服装的成本，更为便捷地将其向经济市场推广。由于FBG传感器具有相对较高的精准度、轻质便携、柔性可弯曲、数据可无线传输，十分方便对数据进行采集、分析与处理。同时，FBG传感器复用能力强、重量轻、体积小，可无线传输等优点，封装后埋入监测服装中可以方便地实现全自动实时监测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的基于FBG传感技术的人体姿态监测服装的主视示意图；
图2是本发明的基于FBG传感技术的人体姿态监测服装内部嵌设FBG传感器结构的后视示意图；
图3是本发明的3D打印制作的柔性封装通道的截面结构示意图；
图4是本发明的3D打印与FBG结合的传感器的结构平面示意图。
图中：
10、本体，11、腕部，12、肘部，13、背部，14、颈部；
20、电脑；
30、解调仪信号收集终端；
40、传感器，41、线缆；
50、柔性封装通道。
具体实施方式
实施例1
基于FBG传感技术的人体姿态监测方法，包括以下步骤：
(1)让测试对象穿着服装本体，在待监测人体关节各个点位设置传感器，传感器采用FBG传感器(即，布拉格光纤光栅，Fiber Bragg Grating)，且调整传感器的位置，保证各个点位和传感器的中点位置恰好对应。其中，人体关节各个点位主要指的是腕部、肘部、背部、颈部。这些传感器可微调的固定在服装本体上。
(2)将所有传感器通过线缆连接至一信号收集终端，该信号收集终端信号连接至一电脑。显然，传感器可以通过线缆连接至一无线发射模块，而信号收集终端可以包括有和无线发射模块相配的无线接收模块。
(3)利用电脑处理各个传感器传来的信息。设定某个传感器为第i个传感器，该第i个传感器监测到的波长度数为λi、角度变化为则电脑对该第i 个传感器传来的信息的处理方式为：显然，i指的是序号。比如，第1 个传感器固定在服装本体的左腕部，第2个传感器固定在服装本体的右腕部……。其中，线性关系ki是通过过以下方法得到：通过第i个传感器的标定实验测得第i个传感器与角度间的线性关系ki，标定过程中通过将第i个传感器弯曲不同角度时，对第i个传感器的波长示数进行记录，获得第i个传感器波长与角度之间的标定关系。该标定关系是线性的，从而将获得的直线的斜率作为线性关系ki。比如，传感器的初始波长为1540nm，在传感器弯曲角度达到之后，其波长数据漂移到1545nm，则利用公式可以得到相应的传感系数ki为(1545-1540)nm/15°＝0.33nm/°，则利用该系数可用来根据FBG传感器的波长计算传感器所在关节部位的角度值。
本实施例1中，传感器选用3D打印的柔性传感器。亦即，将所有传感器通过3D打印技术，打印到柔性材料当中，使传感器在使用的过程中能够拥有更好地柔性特性，组成3D打印柔性传感器阵列，在弯曲测量的过程中能够更加的精确且保证了传感器的使用寿命；
本实施例1中，线缆通过3D打印一次成型嵌入服装内部。
实施例2
实施例1中的基于FBG传感技术的人体姿态监测方法可以通过本实施例2的人体姿态监测服装予以实现。结合图1至图4所示，该人体姿态监测服装包括服装本体10。该本体10包括腕部11、肘部12、背部13、颈部14。显然，腕部11包括左腕部和右腕部，肘部12包括左肘部和右肘部。
进一步的讲：
该姿态监测服装还包括电脑20、信号连接至该电脑20的解调仪信号收集终端30、信号通过线缆41连接至该解调仪信号收集终端30的传感器40。传感器40采用FBG传感器，且传感器40分别可微调的固定于腕部11、肘部 12、背部13、颈部14。
该本体10的外部设有柔性封装通道50，线缆41穿设在柔性封装通道50 内。显然，为了实现可微调，传感器40可以封装于相应的柔性封装通道50 的内部。
另外：
信号通过线缆41可以连接至信号发射模块，而该解调仪信号收集终端30 可以包括有无线接收模块，该无线发射模块和该无线接收模块相配，从而传感器40监测的数值信息可以通过无线传输的方式传递至该解调仪信号收集终端30。
这样，传感器40监测人体关键部位的波长、角度变化等信息，然后这些信息传递至该电脑20，该电脑20通过处理后，即可得知人体的实时姿态信息。
由于FBG传感器是一种新型的光纤传感器技术，与传统的电传感器相比诸多优势性能。包括：不受电磁干扰、重量轻、体积小、化学性质稳定、多路复用等。与传统的传感器相比，布拉格光纤光栅所使用的编码方式不同，这使它具有如下优点：精度稳定不受外部光线影响，更高的复用率以及分布式传感的实现等。由于其轻质、可弯曲，FBG传感器能够借助柔性的超薄封装固定在被测物表面，通过解调仪输出以配合进行便捷的数据传输处理。在外接的AD转换的控制器后，非常适合身体躯干的弯曲度、机器人、医疗器械、建筑的弯曲检测等。在进行封装后，传感器几乎不受环境影响。加之其重量轻、体积小、能够无线传输的优势性能，在封装后FBG传感器能够被埋入监测材料中进行自动智能数据捕获处理，属于目前较为先进的传感技术。目前，FBG传感器的应用领域越来越广，在诸多领域已经被尝试应用。结合 FBG传感器易于封装在人体表面织物的特点，其可以用来监测人体不同部位如关节等的弯曲度变化。
优化的：
本实施例2中，传感器40选用3D打印的柔性传感器。亦即，将所有传感器通过3D打印技术，打印到柔性材料当中，使传感器40在使用的过程中能够拥有更好地柔性特性，组成3D打印柔性传感器阵列，在弯曲测量的过程中能够更加的精确且保证了传感器的使用寿命；
本实施例2中，线缆41通过3D打印一次成型嵌入服装内部。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.基于FBG传感技术的人体姿态监测方法，包括以下步骤：
(1)让测试对象穿着服装本体，在待监测人体关节各个点位设置传感器，传感器采用FBG传感器，且调整传感器的位置，保证各个点位和传感器的中点位置恰好对应；
(2)将所有传感器通过线缆连接至一信号收集终端，该信号收集终端信号连接至一电脑；
(3)利用电脑处理各个传感器传来的信息，设定某个传感器为第i个传感器，该第i个传感器监测到的波长度数为λi、角度变化为则电脑对该第i个传感器传来的信息的处理方式为：其中，线性关系ki通过以下方法得到：通过第i个传感器的标定实验测得第i个传感器与角度间的线性关系ki，标定过程中通过将第i个传感器弯曲不同角度时，对第i个传感器的波长示数进行记录，获得第i个传感器波长与角度之间的标定关系，该标定关系是线性的，从而将获得的直线的斜率作为线性关系ki。
2.根据权利要求1所述的基于FBG传感技术的人体姿态监测方法，其特征在于：所述传感器为3D打印的柔性传感器。
3.根据权利要求1所述的基于FBG传感技术的人体姿态监测方法，其特征在于：所述线缆通过3D打印一次成型嵌入服装内部。
4.基于FBG传感技术的人体姿态监测服装，包括服装本体(10)，该本体(10)包括腕部(11)、肘部(12)、背部(13)、颈部(14)，其特征在于：所述姿态监测服装还包括电脑(20)、信号连接至该电脑(20)的解调仪信号收集终端(30)、信号通过线缆(41)连接至该解调仪信号收集终端(30)的传感器(40)，传感器(40)采用FBG传感器，且传感器(40)分别可微调的固定于腕部(11)、肘部(12)、背部(13)、颈部(14)。
5.根据权利要求4所述的基于FBG传感技术的人体姿态监测服装，其特征在于：所述本体(10)的外部设有柔性封装通道(50)，线缆(41)穿设在柔性封装通道(50)内。
6.根据权利要求4所述的基于FBG传感技术的人体姿态监测服装，其特征在于：所述传感器(40)为3D打印的柔性传感器。
7.根据权利要求4所述的基于FBG传感技术的人体姿态监测服装，其特征在于：所述线缆(41)通过3D打印一次成型嵌入服装内部。
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