CN110341208B - 应用软传感器载体制作模具的软传感器集成方法及传感服装 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及软传感器载体制作模具、软传感器集成方法及传感服装，其解决了现有穿戴式运动测量方式准确度、精度较低，穿戴舒适性差的技术问题，其包括上基板、下基板、第一上磁铁、第二上磁铁、第一下磁铁和第二下磁铁，上基板的中部设有载体成型孔，上基板的两端设有第一上磁铁容纳槽和第二上磁铁容纳槽，下基板的两端连接有第一下磁铁和第二下磁铁，下基板的中部设有凹槽。其可广泛应用于可穿戴式检测技术领域。

Description

应用软传感器载体制作模具的软传感器集成方法及传感服装
技术领域
本发明涉及可穿戴式检测技术领域，具体而言，是一种应用软传感器载体制作模具的软传感器集成方法及传感服装。
背景技术
目前，运动分析主要是通过监测运动过程中身体上的点的运动来进行的，通常有以下几种具体方式：(1)运动捕捉系统，在运动期间使用一个或多个摄像机跟踪身体上的反光反射光学标记，然而，这种用于分析身体运动和身体负荷的基于视频的方法操作复杂，成本较高，应用起来不够灵活、效率低，因为通常需要使用跑步机和大型专用房间。(2)机械式测量，依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹，在人体关节处多采用刚性传感器，关节运动时刚性传感器随之运动，获得运动测量数据。这种分析方法与人体贴合性不好，还会对人体的运动产生负面影响。(3)惯性式测量，其通过测量人体关节运动加速度或角速率等数据来获得传感器的相对运动，利用收集到的相关参数建立相应模型求解人体姿态角度。惯性式运动测量是较成熟的人体运动测量方式，可实现完全穿戴，不受空间范围限制，但穿戴舒适性低，而且测量时容易产生漂移，准确度、精度较低。
对于竞技训练、医疗康复、外骨骼助力等领域，要求必须实现穿戴式测量，因此，对于该领域技术人员来说，迫切需要研究新的测量装置和方法，提高穿戴舒适性，提高测量准确度、精度。
发明内容
本发明就是为了解决现有穿戴式运动测量方式准确度、精度较低，穿戴舒适性差的技术问题，提供一种确保测量准确度、精度高，提高穿戴舒适性的应用软传感器载体制作模具的软传感器集成方法及传感服装。
本发明提供一种应用软传感器载体制作模具的软传感器集成方法，软传感器载体制作模具包括上基板、下基板、第一上磁铁、第二上磁铁、第一下磁铁和第二下磁铁，上基板的中部设有载体成型孔，上基板的两端设有第一上磁铁容纳槽和第二上磁铁容纳槽，下基板的两端连接有第一下磁铁和第二下磁铁，下基板的中部设有凹槽；软传感器集成方法包括以下步骤：
(1)将织物平整地放在上基板和下基板之间，将第一上磁铁放入第一上磁铁容纳槽中，将第二上磁铁放入第二上磁铁容纳槽中，织物上位于载体成型孔下方的裸露在外的部位形成浇注区；
(2)将硅橡胶原液注入上基板的载体成型孔；
(3)加热固化处理形成用于安装软传感器的硅橡胶载体；
(4)将软传感器粘在硅橡胶载体上；
(5)将第一上磁铁从第一上磁铁容纳槽中取出，将第二上磁铁从第二上磁铁容纳槽中取出，拆除上基板和下基板。
优选地，步骤(3)中，加热固化处理之前，先用真空去泡机对载体成型孔中的硅橡胶原液抽真空处理排出气泡。
优选地，步骤(4)中，先使用等离子处理仪对硅橡胶载体和软传感器进行等离子处理，再将软传感器粘在硅橡胶载体上。
本发明还提供一种传感服装，包括本体和软传感器，本体上连接有载体，软传感器与载体连接。
优选地，载体为硅橡胶载体。
优选地，软传感器包括髋关节软传感器、踝关节软传感器或膝关节软传感器，髋关节软传感器两端布置在坐骨结节下方，贴合在股二头肌上；膝关节软传感器的下端布置在胫骨外侧髁和胫骨内侧髁之间，膝关节软传感器的下端与胫骨外侧髁、胫骨内侧髁对齐；踝关节软传感器布置在跟骨的后侧，踝关节软传感器下端位于跟骨结节的上方，踝关节软传感器的中点与腓骨外髁在水平方向对齐。
本发明还提供一种传感服装，包括本体和软传感器，本体设有织物，传感服装的制作方法包括以下步骤：
(1)准备软传感器载体制作模具，软传感器载体制作模具包括上基板、下基板、第一上磁铁、第二上磁铁、第一下磁铁和第二下磁铁，所述上基板的中部设有载体成型孔，所述上基板的两端设有第一上磁铁容纳槽和第二上磁铁容纳槽，所述下基板的两端连接有第一下磁铁和第二下磁铁，下基板的中部设有凹槽；
(2)将织物平整地放在上基板和下基板之间，将第一上磁铁放入第一上磁铁容纳槽中，将第二上磁铁放入第二上磁铁容纳槽中，织物上位于载体成型孔下方的裸露在外的部位形成浇注区；
(3)将硅橡胶原液注入上基板的载体成型孔；
(4)加热固化处理形成用于安装软传感器的硅橡胶载体；
(5)将软传感器粘在硅橡胶载体上；
(6)将第一上磁铁从第一上磁铁容纳槽中取出，将第二上磁铁从第二上磁铁容纳槽中取出，拆除上基板和下基板。
本发明的有益效果是，结构简单，成本低，测量灵敏度、准确度、精度高，测量实时性好，穿戴舒性好，能够准确地测量人体运动信息，采集的信号稳定性好。
本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是软传感器载体制作模具的主视图；
图2是软传感器载体制作模具的右视图；
图3是软传感器载体制作模具的仰视图；
图4是软传感器载体制作模具的俯视图；
图5是图4中A-A方向的剖视图；
图6是上基板的主视图；
图7是上基板的仰视图；
图8是上基板的俯视图；
图9是图8中B-B方向的剖视图；
图10是下基板的俯视图；
图11是图10中C-C方向的剖视图；
图12是硅橡胶载体附着在织物上，软传感器与硅橡胶载体连接的示意图；
图13是传感裤上对应髋关节、踝关节的位置设置软传感器的示意图；
图14是传感裤上对应膝关节的位置设置软传感器的示意图；
图15是信号处理系统的原理图；
图16是传感器等效RC电路的电路原理图；
图17是滤波算法流程图；
图18是髋关节软传感器的定位方式示意图；
图19是膝关节软传感器的定位方式示意图；
图20是踝关节软传感器的定位方式示意图。
图中符号说明：
1.上基板，1-1.载体成型孔，1-2.第一上磁铁容纳槽，1-3.第二上磁铁容纳槽；2.下基板，2-1.第一下磁铁容纳槽，2-2.第二下磁铁容纳槽，2-3.凹槽；3.第一上磁铁，4.第二上磁铁，5.第一下磁铁，6.第二下磁铁，7.织物，7-1.浇注区，8.硅橡胶载体，9.软传感器，9-1.信号线；10.左髋关节软传感器，11.右髋关节软传感器，12.左踝关节软传感器，13.右踝关节软传感器，14.左膝关节软传感器，15.右膝关节软传感器；16.坐骨结节下方，17.股二头肌，18.胫骨外侧髁，19.胫骨内侧髁，20.胫骨粗隆，21.跟骨结节，22.腓骨外髁；23.髋骨髂前上棘，24.股骨大转子。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-11所示，软传感器载体制作模具包括上基板1、下基板2、第一上磁铁3、第二上磁铁4、第一下磁铁5、第二下磁铁6，上基板1的中部设有载体成型孔1-1，上基板1的两端设有第一上磁铁容纳槽1-2、第二上磁铁容纳槽1-3，下基板2的两端设有第一下磁铁容纳槽2-1、第二下磁铁容纳槽2-2，下基板2的中部设有凹槽2-3；第一下磁铁5固定连接在第一下磁铁容纳槽2-1中，第二下磁铁6固定连接在第二下磁铁容纳槽2-2中。当将上基板1与下基板2叠放在一起时，使可穿戴式传感服装中的织物7放置在上基板1和下基板2之间时，将第一上磁铁3放入第一上磁铁容纳槽1-2(第一上磁铁3和第一下磁铁5上下对应)，将第二上磁铁4放入第二上磁铁容纳槽1-3(第二上磁铁4和第二下磁铁6上下对应)，第一上磁铁3、第一下磁铁5相互吸引，第二上磁铁4、第二下磁铁6相互吸引，从而使上基板1和下基板2夹住织物7，织物7很平整地被定位，织物7上位于载体成型孔1-1下方的部分裸露在外。
下面介绍使用软传感器载体制作模具制作传感裤的过程，(1)首先将传感裤中的一层织物7平整地放在上基板1和下基板2之间，调整好织物位置后将第一上磁铁3放入第一上磁铁容纳槽1-2中，将第二上磁铁4放入第二上磁铁容纳槽1-3中，从而织物7被夹持、定位在上基板1和下基板2之间；织物7上位于载体成型孔1-1下方的裸露在外的部位形成浇注区7-1，该浇注区7-1很平整。下基板2中部的凹槽2-3位于浇注区7-1的下方。(2)其次将准备好的硅橡胶原液注入上基板1的载体成型孔1-1，一部分硅橡胶原液会渗透到下基板2的凹槽2-3中。(3)然后，由于浇注过程中硅橡胶原液中的气泡会导致固化后硅橡胶层的表面平整度差，因此先使用真空去泡机对载体成型孔1-1中的液态硅橡胶进行抽真空处理排出气泡(提高了固化状态的平整度)，再用加热箱加热固化处理，从而形成用于安装软传感器的硅橡胶载体8(如图12所示)。(4)再然后使用等离子处理仪对硅橡胶载体8和软传感器进行等离子处理(有利于软传感器与硅橡胶载体的连接)，用988A接着剂将软传感器9粘在硅橡胶载体8上，如图12所示，实现软传感器与传感裤本体的可靠集成。软传感器9设有信号线9-1。(5)最后，将第一上磁铁3从第一上磁铁容纳槽1-2中取出，将第二上磁铁4从第二上磁铁容纳槽1-3中取出，拆除上基板1和下基板2。
软传感器载体制作模具的尺寸(尤其载体成型孔1-1的尺寸)根据软传感器的具体尺寸进行设计。
需要说明的是，对于用于集成软传感器的载体，其材质不限于硅橡胶，也可以是其他柔性材料。
如图13、14所示，可以通过上述方法在高弹力传感裤上安装多个软传感器，分别是左髋关节软传感器10、右髋关节软传感器11、左踝关节软传感器12、右踝关节软传感器13、左膝关节软传感器14、右膝关节软传感器15，从而实现对左右腿的髋、膝、踝关节的活动度进行测量。左髋关节软传感器10连接于相应的硅橡胶载体上，右髋关节软传感器11连接于相应的硅橡胶载体上，左踝关节软传感器12连接于相应的硅橡胶载体上，右踝关节软传感器13连接于相应的硅橡胶载体上，左膝关节软传感器14连接于相应的硅橡胶载体上，右膝关节软传感器15连接于相应的硅橡胶载体上。每个软传感器负责测量一个关节的活动度，根据软传感器的拉伸量确定相应关节运动角度，在人们穿上传感裤运动过程中，舒适度高，各软传感器将测量电压值返回给信号处理系统，信号处理系统将其转换为各个关节角度值，从而稳定地、准确地测量出下肢运动信息。
对于左右腿的髋、膝、踝关节的活动度的测量，进一步优化，如图18所示，可以将髋关节软传感器SH两端布置在坐骨结节16下方，贴合在股二头肌17上，这样在关节转动时就能够提高髋关节软传感器的拉伸量，提高测量精度(左髋关节软传感器10和右髋关节软传感器11的定位按照图18中的髋关节软传感器SH的布置方式进行)。如图19所示，可以将膝关节软传感器SK的下端布置在胫骨外侧髁18和胫骨内侧髁19之间，膝关节软传感器SK的下端与胫骨外侧髁18、胫骨内侧髁19对齐，这样就能够提高膝关节软传感器的拉伸量，提高测量精度(左膝关节软传感器14和右膝关节软传感器15的定位按照图19中膝关节软传感器SK的布置方式进行)。如图20所示，可以将踝关节软传感器SA布置在跟骨的后侧，其下端位于跟骨结节21的上方，踝关节软传感器SA的中点与腓骨外髁22在水平方向对齐，这样就能够提高踝关节软传感器的拉伸量，提高测量精度(左踝关节软传感器12和右踝关节软传感器13的定位按照图20中踝关节软传感器SA的布置方式进行)。
参考图15所示的信号处理系统，软传感器在关节运动下发生形变，其电容值的大小随之改变，信号处理电路输入600Hz正弦波激励信号给软传感器，通过AD模块采集响应信号得到电压峰峰值；通过滤波算法剔除电压信号中的粗大误差和噪声干扰；将滤波之后的电压信号带入建立好的拉伸值-电压函数，得到对应的拉伸值并算出相关物理量(关节旋转角度值)；通过采集软传感器的拉伸值信息得到连续变化的运动曲线，用于人体运动等测量。
如图16所示，信号处理电路采用STM32芯片的DA模块输出600Hz正弦波激励信号Ui给软传感器，通过AD模块采集响应信号得到传感器电压峰峰值Uc。如图所示，其中R为R-C电路电阻，C为传感器电容，A为输入信号幅值，w为输入信号频率。
如图17所示，通过滤波算法剔除传感器电压信号中的粗大误差和噪声干扰。软件滤波算法由三部分组成，分别是阈值判断，递推平均和输出并重新装载。系统对软传感器响应信号进行采样，得到正弦激励下的响应电压峰峰值数据DoN，为减小噪声信号对下肢运动测量系统的影响，对DoN进行阈值判断，通过设定阈值M排除系统粗大误差，当DN-1与DoN差值的绝对值超过阈值时则认为该数值无效，直接向上位输出上次的有效输出电压值DN-1；当DoN满足阈值判断后，将DoN写入存储前N个输出给上位机有效值的堆栈，并将最早的数据D0剔除堆栈序列，最后对堆栈的所有数据求平均得到系统测量有效值DN。
将滤波之后的电压信号带入建立好的拉伸值-电压函数，得到对应的拉伸值并算出相关物理量(关节旋转角度值)。
本发明中软传感器跟随关节运动输出电压信号，因此需要一个标定系统来建立下肢矢状面内髋关节、膝关节和踝关节的关节角度与各关节对应的软传感器输出电压值之间的人体步态下的动态函数关系。
标定系统的总体方案设计通过摄像头捕捉人体运动的图像，同时上位机将传感服装上对应软传感器的电压值记录下来。根据人体运动测量的需要，较高的采样频率能够使得拟合曲线更接近真实值，提高拟合曲线的拟合精度。
二维图像法在相对关节运动的肢体上粘贴圆形标记点，使用两个标记点的连线等效为肢体所在的直线，利用相机捕捉关节运动前后的肢体相对转角；之后通过图像处理软件，识别图像中标记点的相对位置和编号，再将圆心标记在图像中，利用数学计算方法计算矢状面内各关节的相对转角。
人体下肢矢状面运动图像采集后，需要利用图像处理软件实现标记点轮廓的识别，进而得到标记点圆心，通过图像中标记点的相对位置得出下肢关节在矢状面内的运动角度。OpenCV(Open Source Computer Vision)是目前主流的以C++开发的开源可跨平台的计算机视觉库和图像及视频分析库，图像处理算法全面，功能强大，支持Windows、Linux等操作系统运行，利于标定及测量系统软件的移植。
标定系统的总体方案设计通过摄像头捕捉人体运动的图像，同时上位机将传感服装上对应传感器的电压值记录下来。
本发明中图像处理程序用于人体下肢运动图像中标记点轮廓识别和标记点形心的获取，识别出图像关于标记点形心的数据进而求解下肢矢状面关节角度，图像处理其中主要包括图像平滑处理、二值化处理、轮廓识别、轮廓筛选和标记点筛选。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用软传感器载体制作模具的软传感器集成方法，其特征是，所述软传感器载体制作模具包括上基板、下基板、第一上磁铁、第二上磁铁、第一下磁铁和第二下磁铁，所述上基板的中部设有载体成型孔，所述上基板的两端设有第一上磁铁容纳槽和第二上磁铁容纳槽，所述下基板的两端连接有第一下磁铁和第二下磁铁，下基板的中部设有凹槽；
所述软传感器集成方法包括以下步骤：
(1)将织物平整地放在上基板和下基板之间，将第一上磁铁放入第一上磁铁容纳槽中，将第二上磁铁放入第二上磁铁容纳槽中，织物上位于载体成型孔下方的裸露在外的部位形成浇注区；
(2)将硅橡胶原液注入上基板的载体成型孔；
(3)加热固化处理形成用于安装软传感器的硅橡胶载体；
(4)将软传感器粘在硅橡胶载体上；
(5)将第一上磁铁从第一上磁铁容纳槽中取出，将第二上磁铁从第二上磁铁容纳槽中取出，拆除上基板和下基板。
2.根据权利要求1所述的软传感器集成方法，其特征在于，所述步骤(3)中，加热固化处理之前，先用真空去泡机对载体成型孔中的硅橡胶原液抽真空处理排出气泡。
3.根据权利要求1所述的软传感器集成方法，其特征在于，所述步骤(4)中，先使用等离子处理仪对硅橡胶载体和软传感器进行等离子处理，再将软传感器粘在硅橡胶载体上。
4.根据权利要求1所述的软传感器集成方法，其特征在于，所述下基板的两端设有第一下磁铁容纳槽和第二下磁铁容纳槽，所述第一下磁铁固定连接在第一下磁铁容纳槽中，第二下磁铁固定连接在第二下磁铁容纳槽中。
5.一种传感服装，包括本体和软传感器，所述本体设有织物，其特征是，所述传感服装的制作方法包括以下步骤：
(1)准备软传感器载体制作模具，所述软传感器载体制作模具包括上基板、下基板、第一上磁铁、第二上磁铁、第一下磁铁和第二下磁铁，所述上基板的中部设有载体成型孔，所述上基板的两端设有第一上磁铁容纳槽和第二上磁铁容纳槽，所述下基板的两端连接有第一下磁铁和第二下磁铁，下基板的中部设有凹槽；
(2)将织物平整地放在上基板和下基板之间，将第一上磁铁放入第一上磁铁容纳槽中，将第二上磁铁放入第二上磁铁容纳槽中，织物上位于载体成型孔下方的裸露在外的部位形成浇注区；
(3)将硅橡胶原液注入上基板的载体成型孔；
(4)加热固化处理形成用于安装软传感器的硅橡胶载体；
(5)将软传感器粘在硅橡胶载体上；
(6)将第一上磁铁从第一上磁铁容纳槽中取出，将第二上磁铁从第二上磁铁容纳槽中取出，拆除上基板和下基板。
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