CN1137661C - 分布式电磁人体运动检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种分布式电磁人体运动检测装置，该装置由发射器(1)、接收器(2)、控制及信号处理硬件电路(3)、主计算机(4)及装置系统软件组成；其中：该控制及信号处理硬件电路(3)，包括有单片机、振荡器、发射电子开关、发射功放、接收电子开关、接收信号放大器、检波、接收信号调零、A/D转换、串口及电源组成；该主计算机(4)，用于提供电源，并通过RS232异步通讯口与控制及信号处理硬件电路(3)通讯，系统软件包括有单片机控制软件和主计算机软件。
Description
(一)技术领域：
本发明为一种分布式电磁人体运动检测装置，属于电子技术领域。
(二)背景技术：
随着工程仿生学，运动医学，机器人控制及大规模网络虚拟现实技术的发展，迫切需要人体运动检测装置的微型化，无源化及精确化。现有的人体运动检测装置有如下几种：其一是，固定视场中的多视角合成装置，一般通过特定空间中分布的CCD镜头从不同角度摄取活体运动图象，再按照一定的空间关系重构运动过程。其二是利用超声波，红外光波及无线电磁波在固定发射位置的三点定位方法，确定活体的运动绝对坐标；其三是利用机械与检测元件特性的物理变化检测人体运动中，各个运动肢体间的相对运动关系，如应变片式分布角度传感系统，光纤数据衣，数据手套(这也是目前比较流行的活体运动检测装置)；其四是利用加速度传感器及惯性导航系统结合，构成六自由度空间位置传感器。前两者的缺点是运动者必须处于特定的环境中，后两者的缺点是运动者必须附着或穿戴复杂的检测设备。另外，光纤数据衣及光纤数据手套等造价昂贵，使系统的应用受到限制。
本发明一种电磁分布式人体运动检测装置，其目的是：可以弥补现有活体运动检测装置的缺陷，满足工程需要，该装置操作使用简单方便，且成本造价较低。
(三)发明内容：
本发明是一种分布式电磁人体运动检测装置，该装置由若干固定在人肢体上的无线发射线圈称发射器1、无线接收线圈称接收器2、控制及信号处理硬件电路3、主计算机(PC)4及装置软件组成；
该发射器1包括尼龙线圈骨架11和漆包线12，漆包线缠12绕在骨架11上，构成空心线圈；
该接收线器2包括尼龙骨架21、漆包线22及谐振电容23，漆包线22缠绕在骨架21上，构成空心线圈，它作为谐振电感，谐振电容23与谐振电感并联，构成接收谐振电路；
该控制及信号处理硬件电路3，由单片机31、振荡器32、发射电子开关33、发射功放34、接收电子开关35、接收信号放大器36、检波37、接收信号调零38、A/D转换39、串口及电源40等部分组成；其连接关系是：
单片机31分别连接串口及电源40、连接A/D转换39、连接发射电子开关33、连接接收电子开关35，振荡器32分别连接发射电子开关33、连接检波37，发射电子开关33连接发射功放34，发射功发34连接发射器1，A/D转换39连接接收信号调零38，接收信号调零38连接检波37，检波37连接接收信号放大器36，接收信号放大器36连接接收电子开关35，接收电子开关连接接收器2，串口及电源40分别连接主计算机4；其中：
单片机31的主要功能是控制发射器和接收器对的选择、A/D转换39控制、接收信号滤波处理及与主计算机4的通讯等，这些功能全部由采样软件实现；
振荡器32是方波发生器，振荡频率100KHz；
发射电子开关33为单刀多掷开关，单路进多路出，该多路出的路数由检测角度数量决定；
接收电子开关35为单刀多掷开关，多路进(该多路进的路数由检测角度数量决定)单路出，电子开关33、35导通选择由单片机31控制；
接收信号放大器36为普通运算放大器，放大倍数10倍；
检波37由可控开关及采样保持电路组成，两个开关控制端分别由发射方波的振荡器32的高低电平控制，当方波处于正半周时，开关A导通，开关B截止，采样保持器A保持，当方波处于负半周时，开关A截止，开关B导通，采样保持器B保持，得到接收角度信号；
接收信号调零38，使接收信号保持在0-5V之间；
A/D转换39，将接收的讯号转换为数字信号，要求A/D转换39采用逐次逼近式转换器，分辨率12bit，转换速度10μs左右；
串口40，将单片机采得的31将采得的信号经滤波处理后通过串口40通过传送给主计算机(PC)4，同时，硬件板上的电源+12V、-12V、+5V、-5V均通过串口电缆由主计算机(PC)4提供；
该主计算机(PC)4，用于提供硬件板电源，并通过RS232异步通讯口与硬件板通讯，将装置检测的数据进行图象重构，实时显示人体运动过程；
该装置的系统软件主程序由两部分组成：
一.发射、接收硬件电路中的单片机控制软件，它的作用主要是分时控制发射器和接收器对的选择，同时，对所测得的信号进行滤波处理消除干扰，再将信息通过RS232串口40传送给主计算机4；
二、主计算机软件，它的主要功能是将接收的信号进行图象重构，在屏幕上实时显示被测目标的运动状态。
该装置的安装及工作过程如下：1.安装
●相邻肢体间弯曲角度的测量。将发射器1和接收器2分别安装于相邻肢体上，使发射器1与接收器2的轴线夹角与肢体间被测夹角重合，且运动过程中两者的距离应在15cm-30cm之间变化。
●同一肢体的扭转角度的测量。将发射器1和接收器2分别安装于被测肢体的不同位置上，使发射器1与接收器2的轴线的夹角与肢体的扭转角度重合，两者的距离为10cm-20cm。
●弯曲角度和扭转角度的测量可以分时共用发射器1或接收器2，见
实施例。
●控制及信号处理硬件电路3制成一盒体，被测者可随身携带，可悬挂于腰间或放于口袋中，通过串口电缆与主计算机相连。2.工作过程
打开主计算机电源，运行主程序，计算机上便可实时显示被测者的运动状态。本发明一种分布式电磁人体运动检测装置，其优点和独特之处是：
1.利用微型无线发射和接收器检测人体运动肢体间的相对角度，使运动检测过程摆脱周围环境的影响，与常规电磁人体运动检测装置的由固定大功率发射，被测者只安装接收器的思路有着本质的不同。
2.所测数据量小且直观，不需要进行复杂的坐标变换处理，因而，增强了装置检测的实时性，简化了主计算机的后续处理过程。
3.本装置体积小、重量轻、价格便宜，测量速度及精度可满足一般的工业及商业要求。
(四)附图说明：本发明具有如下附图：图1a.发射器结构及参数图图1b.接收器结构及参数图图2.分布式电磁人体运动检测装置原理方框图图3a.发射振荡器电路图3b.发射电子开关电路图3c.接收电子开关电路图3d.发射功放电路图4a.接收信号放大电路图4b.接收信号调零电路图5a.接收信号检波电路图5b.接收信号电路调试波形图6.A/D转换电路图7.串口及电源电路图8.装置主软件流程图图9.装置数据采集软件流程图图10.单臂运动检测发射器及接收器的位置安装图11.单臂运动检测发射器及接收器分时检测时序图图12.单臂运动检测瞬间状态图13a、b、c控制及信号处理硬件电路图。图中标号如下：1.发射器 11.发射器尼龙骨架 12.发射器漆包线2.接收器 21.接收器尼龙骨架 22.接收器漆包线23.接收器谐振电容3.控制及信号处理硬件电路31.单片机(CPU) 32.振荡器 33.发射电子开关34.发射功放 35.接收电子开关36.接收信号放大器37.检波 38.接收信号调零 39.A/D转换40.串口及电源 4.主计算机(PC)
(五)具体实施方式：
兹配合附图详细说明如下：
本发明是一种分布式电磁人体运动检测装置，由若干个固定在人肢体上的无线发射线圈称发射器1、无线接收线圈称接收器2，控制及信号处理硬件电路3，主计算机(PC)4及装置系统软件组成；
发射器1：本发明中发射器是空心线圈，其结构尺寸如图1a所示，尼龙骨架11的外沿直径为15mm，内孔径为8mm，内孔外径为10mm。线径0.11的漆包线12绕在骨架11上300匝左右，线圈内阻40Ω。
接收器2：本发明中接收器2是LC谐振电路，其线圈的结构尺寸如图1b所示，尼龙骨架21及漆包线22的参数与发射器1相同，线圈匝数为400匝左右，线圈内阻50Ω，谐振电容23约为6300pf，谐振线圈匝数及谐振电容值的选择应根据振荡器32的振荡频率选定，用户可根据实际情况自定。
该控制及信号处理电路3如图13a、b、c所示，该硬件电路包括有单片机31、振荡器32、发射电子开关33、发射功放34、接收电子开关35、接收信号放大器36、检波37、接收信号调零38、A/D转换39、串口及电源40等部分组成；其中：
单片机31：选用现有产品，型号为89C51单片机，带有片上FLASH ROM4K字，它与外设的连接如图2所示。
振荡器32：产生方波信号，占空比为50％，频率100KHZ，由晶振及六反向器CD4069现有产品构成，如图3a所示，产生发射器的发射信号。
发射电子开关33：本发明是分布式检测装置，装置只有一个振荡器产生发射信号，各发射器、接收器分时选通，进行角度测量，所以，通过发射电子开关33分时选通各发射器。发射电子开关33：选用现有产品，型号为max4581，选通时间及顺序由单片机31的三个I/O口控制选通端ABC实现，如图3b所示。
接收电子开关35：发射信号经接收器2选择出来，再经过接收电子开关35，分时选通相应的接收器2，接收电子开关35选用现有产品，型号为max4581，选通时间及顺序由单片机31控制选通端ABC实现，如图3c所示。
发射功放34：发射信号的功率为200mW，选用现有产品，型号为ULN2003作功放，如图3d所示。
接收信号放大器36：将接收信号放大10倍，电路如图4a所示，由现有产品LF347构成。
接收信号调零38：调整接收信号范围，使其处于0-5V，如图4b所示。
检波37：选用现有的可控开关，型号为CD4066及采样保持电路组成，如图5a所示，开关控制端A，B由方波振荡器的电平控制，当方波处于正半周时，开关A导通，开关B截止；当方波处于负半周时，开关A截止，开关B导通，各点波形如图5b所示。
A/D转换39：采用逐次逼近式A/D转换器，分辨率12bit，速度10μs，选用现有产品，型号为max144，如图6所示。
串口及电源40：单片机31通过两个I/O口TXD、RXD，经RS232异步通讯由电平转换芯片max3222实现与主计算机4的通讯，同时，整个电路板的电源全部由PC通过串口电缆提供如图7所示，有两组±12VH和±5V。
主计算机4：选用586，16M以上内存的计算机即可。
装置软件流程如图8、图9所示。图8为主计算机PC的软件，将所采数据进行图象重构，实现屏幕实时显示人体运动过程。图9为单片机31的数据采集软件，实现发射器、接收器对的分时顺序控制，图中CH为通道数。
实施例为单臂运动检测装置，图10为发射器、接收器的安装图，图中各发射器、接收器的检测定义如下：
1——腕部弯曲发射线圈
2——腕部弯曲及小臂扭曲接收线圈
3——小臂弯曲及扭曲发射线圈
4——小臂弯曲及大臂扭曲接收线圈
5——大臂扭曲及大臂组合运动发射线圈
6——大臂垂直运动接收线圈
7——大臂水平运动接收线圈
8——传感器(线圈)固定带
发射、接收分时顺序如图11所示，共需三个发射器，四个接收器，每40ms检测一个动作，循环往复不断检测手臂运动状态。
图12为一个检测瞬间的效果，图中前景为人的手臂的实际动作，背景计算机上为根据检测数据重构的手臂动作姿态。显然，装置检测效果良好。
Claims (2)
1、一种分布式电磁人体运动检测装置，其特征在于：该装置由若干固定在人肢体上的无线发射线圈称发射器(1)、无线接收线圈称接收器(2)、控制及信号处理硬件电路(3)、主计算机(4)及装置系统软件组成；
该发射器(1)包括尼龙线圈骨架(11)和漆包线(12)，漆包线缠(12)绕在骨架(11)上，构成空心线圈；
该接收线器(2)包括尼龙骨架(21)、漆包线(22)及谐振电容(23)，漆包线(22)缠绕在骨架(21)上，构成空心线圈，它作为谐振电感，谐振电容(23)与谐振电感并联，构成接收谐振电路；
该控制及信号处理硬件电路(3)，由单片机(31)、振荡器(32)、发射电子开关(33)、发射功放(34)、接收电子开关(35)、接收信号放大器(36)、检波(37)、接收信号调零(38)、A/D转换(39)、串口及电源(40)组成；其连接关系是：单片机(31)分别连接串口及电源(40)、连接A/D转换(39)、连接发射电子开关(33)、连接接收电子开关(35)，振荡器(32)分别连接发射电子开关(33)、连接检波(37)，发射电子开关(33)连接发射功放(34)，发射功发(34)连接发射器(1)，A/D转换(39)连接接收信号调零(38)，接收信号调零(38)连接检波(37)，检波(37)连接接收信号放大器(36)，接收信号放大器(36)连接接收电子开关(35)，接收电子开关(35)连接接收器(2)，串口及电源(40)分别连接主计算机(4)；
该主计算机(4)，用于提供电源，并通过RS232异步通讯口与控制及信号处理硬件电路(3)通讯，将装置检测的数据进行图象重构，实时显示人体运动过程；
该装置的系统软件主程序由两部分组成：
一.发射、接收硬件电路中的单片机控制软件，它的作用主要是分时控制发射器和接收器对的选择，同时，对所测得的信号进行滤波处理消除干扰，再将信息通过RS232串口(40)传送给主计算机(4)；
二.主计算机软件，它的主要功能是将接收的信号进行图象重构，在屏幕上实时显示被测目标的运动状态。
2、根据权利要求1所述的一种分布式电磁人体运动检测装置，其特征在于：该控制及信号处理硬件电路(3)，其中：
单片机(31)的主要功能是控制发射器(1)和接收器(2)对的选择、A/D转换(39)控制、接收信号滤波处理及与主计算机(4)的通讯；
振荡器(32)是方波发生器，振荡频率100KHz；
发射电子开关(33)为单刀多掷开关，单路进多路出，该多路出的路数由检测角度数量决定；
接收电子开关(35)为单刀多掷开关，多路进单路出，该多路进的路数由检测角度数量决定，发射、接收电子开关(33)、(35)导通选择由单片机(31)控制；
接收信号放大器(36)为普通运算放大器，放大倍数10倍；
检波(37)由可控开关及采样保持电路组成，两个开关控制端分别由发射方波的振荡器(32)的高低电平控制，当方波处于正半周时，开关A导通，开关B截止，采样保持器A保持，当方波处于负半周时，开关A截止，开关B导通，采样保持器B保持，得到接收角度信号；
接收信号调零(38)，使接收信号保持在0-5V之间；
A/D转换(39)，将接收的讯号转换为数字信号，要求A/D转换(39)采用逐次逼近式转换器，分辨率12bit，转换速度10μs左右；
串口及电源(40)，将单片机(31)采得的信号经滤波处理后通过串口及电源(40)传送给主计算机(4)，同时，硬件板上的电源+12V、-12V、+5V、-5V均通过串口电缆由主计算机(4)提供。
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