CN117398269A - 一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例提供一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置，包括变刚度绑缚带，用于绑缚佩戴主体的外骨骼部位；光波导肌肉力传感模块，设置于所述变刚度绑缚带；所述光波导肌肉力传感模块用于根据所述变刚度绑缚带绑缚时产生的光强变化信号输出相应的检测电信号；计算模块，基于所述检测电信号和与压力之间的对应关系计算得到所述佩戴主体上的压力值；其中，所述压力值用于表征所述佩戴主体肌肉力变化情况。
Description
技术领域
本公开的实施例属于外骨骼绑缚技术领域，具体涉及一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置。
背景技术
传统的外骨骼绑缚装置通常是通用设计，无法满足不同使用者的个性化需求，对于不同的使用群体不能做出一个及时的调整，无法实时检测人体肌肉力并作出反馈和调整控制机制，传统的绑缚装置无法辅助外骨骼根据使用者的肌肉活动状态进行调整，无法提供准确的力量支持和辅助，限制了康复和运动训练的效果。通过光波导测量肌肉力活动的外骨骼绑缚装置可以实时检测使用者的肌肉力量，辅助外骨骼及时调整支撑力和助力，自动调整姿势和力量输出，以提供恰当的支持和负荷改善运动表现。减少了在使用外骨骼时的受伤风险，提高使用时的安全性。
外骨骼控制中通常有两种方法采集肌肉力数据，一种是通过放置于硬质绑缚内侧的应变片采集，当外部施加力或受到压力时，应变片会发生形变，导致其电阻值发送变化，继而导致电桥电路中的电流发生变化，可以通过测量电压差可以计算出应变片所受力或者压力的大小。但是这种压力采集方式的电阻测量和信号传输过程容易受到无线电设备、电子仪器等电磁干扰源的辐射电磁波所干扰，影响应变片的敏感性和精度。再者是，人体汗液具有电导性和腐蚀性，汗液接触到应变片压力传感器时，汗液中的离子会增加传感器电路的导电性，从而引入额外的电流路径，干扰电阻测量和信号传输过程，而长期暴露于汗液中的应变片压力传感器可能会受到腐蚀，导致材料退化，电阻变化，甚至损坏传感器。由于应变片压力传感器检测压力变化是对点检测的方式，无法对整个肌肉臂的压力情况进行检测，导致在一些高强度运动或者快速变化的情况下无法提供准确的力量测量结果，也缺乏了实时反馈机制，无法即时提供使用者的力量输出状态。另一种方法是用表面电极采集肌电信号。表面电极采集的原理是将电极片放置在皮肤表面，肌肉收缩时，肌肉纤维中的电信号通过皮肤传导到电极上形成电位差，从而采集到肌电信号，表面电极与皮肤之间的接触通过使用导电胶或电极贴片来提高导电性能。但是，由于使用的材料为导电材料银或银氯化物作为电极，且使用方法要与人体皮肤相接触，当肌电信号经过皮肤时，汗液中的水和盐等电解质会增加皮肤的导电性，降低皮肤和电极之间的电阻，导致肌电信号失真或干扰。再者，当汗液渗透到电极和皮肤之间会形成电解质桥，导致电极间接触面积增大，从而增加了电信号的干扰和噪声。
因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置。
本公开的实施例的一个方面，提供一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置，包括：
变刚度绑缚带，用于绑缚佩戴主体的外骨骼部位；
光波导肌肉力传感模块，设置于所述变刚度绑缚带；所述光波导肌肉力传感模块用于根据所述变刚度绑缚带绑缚时产生的光强变化信号输出相应的检测电信号；
计算模块，基于所述检测电信号和与压力之间的对应关系计算得到所述佩戴主体上的压力值；其中，所述压力值用于表征所述佩戴主体肌肉力变化情况。
可选的，所述电信号包括电压；所述检测电信号和压力之间的对应关系满足拟合条件式：
Γ=a*γ-b，式中：Γ表示为采集到的电压变化值；γ表示为光波导肌肉力传感模块所受到的压力值，a为斜率和b为截距。
可选的，所述光波导肌肉力传感模块包括光源组件、光波导和光强接收装置；
所述光源组件和所述光强接收装置均设置于所述变刚度绑腹带；所述光波导固接于所述变刚度绑腹带，且所述光波导一端与所述光源组件连接，另一端与所述光强接收装置连接；
其中，所述电信号包括电压；绑缚过程中，所述光强接收装置接收所述光波导内传播的光并测量光强变化信号以获取外骨骼部位的电压值。
可选的，所述光源组件包括固定座和光源；所述光源设于所述固定座内；
其中，所述光波导一端连接于所述固定座，并与所述光源的位置相对应；所述光波导用于传播所述光源的光。
可选的，所述光强接收装置包括安装座和光探测件；所述光探测件设于所述安装座内；
其中，所述光波导另一端连接于所述安装座，并与所述光探测件的位置相对应；所述光探测件用于测量所述光波导内的光强变化信号，以获取外骨骼部位的电压值。
可选的，所述光波导包括套管和设置于所述套管内的弹性体芯；所述套管一端与所述光源组件连接，另一端与所述光强接收装置连接；其中，所述弹性体芯包括高折射率聚氨酯弹性体芯。
可选的，还包括：
导压组件，所述导压组件设置于所述变刚度绑缚带；所述光波导肌肉力传感模块设置于所述导压组件内；其中，所述变刚度绑缚带绑缚时产生的绑缚力通过所述导压组件施加在所述光波导肌肉力传感模块上。
可选的，所述导压组件包括相对设置的两个导压结构；所述光波导肌肉力传感模块设置于两个所述导压结构之间。
可选的，所述导压结构包括导压板和导压凸起；所述光波导肌肉力传感模块设置于相对的两个所述导压结构对应的所述导压凸起之间。
可选的，所述导压板的材质包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶。
本公开的实施例的有益效果，包括：
相比传统的肌肉力传感器而言，本公开的光波导肌肉力传感模块对光信号在光波导中传输并完成测量和检测，通过光的反射、折射以及干涉等原理进行信号传输，光信号的传输几乎不会受到外部磁场的影响。另外，本公开的光波导具有良好的防水性能，不受人体汗液影响，防水防潮，且能够全面检测出人体肌肉臂膨胀时的光信号变化情况并计算出对应的压力值。再进一步，本公开的光波导肌肉力传感模块与肌肉接触面积更广，因此精确度更高，检测效果更好。
附图说明
图1为本公开的一实施例的一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置的结构示意图；
图2为本公开的一实施例的一种变刚度绑缚带的结构示意图；
图3为本公开的另一实施例的一种变刚度绑缚带的结构示意图；
图4为本公开的一实施例的一种导压组件的部分结构示意图；
图5为本公开的另一实施例的一种变刚度绑缚带的结构示意图；其中，示意出导压组件与变刚度绑缚带的连接关系；
图6为本公开的另一实施例的一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置的穿戴示意图；
图7为光波导肌肉力传感模块采集的电压变化与所受压力的拟合曲线与原始值曲线图；
图8为贴附于人体肌肉上端的光波导肌肉力传感模块所测得人体手臂拉力与电压变化值的关系曲线图；
图9为贴附于人体肌肉下端的光波导肌肉力传感模块所测得人体手臂拉力与电压变化值的关系曲线图；
图10为图8和图9采集到的光波导肌肉力传感模块的电压值与拉力值数据拟合后的关系曲线图。
图中，10、变刚度绑缚带；20、光波导肌肉力传感模块；30、导压组件；40、抽气装置；50、连接装置；21、光源组件；22、光波导；23、光强接收装置；211、固定座；212、光源；231、安装座；232、光探测件；31、导压结构；311、导压板；312、导压凸起。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
如图1-10所示，一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置，包括变刚度绑缚带10、光波导肌肉力传感模块20和计算模块。变刚度绑缚带10用于绑缚佩戴主体的外骨骼部位。光波导肌肉力传感模块20设置于变刚度绑缚带10，光波导肌肉力传感模块20用于根据变刚度绑缚带10绑缚时产生的光强变化信号输出相应的检测电信号。计算模块基于检测电信号和与压力之间的对应关系，计算得到佩戴主体上的压力值，其中，压力值用于表征所述佩戴主体肌肉力变化情况。
变刚度绑缚带10包括密封壳体以及设置在密封壳体内的可调弯曲模量的结构化织物。其中，在绑缚的过程中，变刚度绑缚带10通过抽气装置40改变其内部气压，以使得结构化织物在软状态和硬状态之间进行切换。
具体地，将外骨骼绑缚装置穿戴至使用者，由控制模块监测变刚度绑缚带10所受压力大小，即由控制模块监测变刚度绑缚带10的密封壳体所受的压力大小。当控制模块监测到密封壳体所受压力小于预设压力值时，控制模块控制密封壳体进行转动并逐渐与骨骼相贴合以绑缚骨骼。在密封壳体内设置有可调弯曲模量的结构化织物，结构化织物在密封壳体内的弯曲模量及整体填充率能够进行改变。当密封壳体所受压力超出预设压力值时，控制模块控制密封壳体与骨骼已贴合，此时控制模块对密封壳体的内部气压进行控制直至密封壳体的内部气压符合预设气压值，在此期间结构化织物由软状态逐渐变化为硬状态。需要说明的是，密封壳体可以采用可变刚度的密封袋，也可以采用具有柔性的材料密封制备形成。
可调弯曲模量的结构化织物包括层叠设置且互锁相连的离散颗粒，每个所述离散颗粒均为镂空的三维结构。进一步，作为一个示例，采用层叠设置且互锁相连的镂空八面体三维结构的离散颗粒组成结构化织物，结构织物可以自由弯曲并贴合在弯曲的物体上。由离散颗粒组成的结构化织物在密封壳体内部气压变化的过程中可以发生力学性质的变化，力学性质的变化使互锁的离散颗粒能够在柔性与刚性之间进行可逆切换。可以使外骨骼绑缚装置在保留稳定性的性能、绑缚硬度和强度的同时，还能快速定制适应使用者的外骨骼绑缚装置，且增大与人体之间的接触面积，使接触面受力均匀，提高使用者舒适度及装置稳定性，在实现骨骼绑缚对一机多人或一人多态的快速定制有重要意义。
光波导肌肉力传感模块20的检测原理为：绑缚时，变刚度绑缚带10中的光波导肌肉力传感模块20与人体肌肉部分贴合，人体在肌肉膨胀时挤压光波导肌肉力传感模块20造成光信号损失。具体的，传感模块内部的光波导22受到肌肉膨胀挤压而使其横截面积减小，光源212处通过传递过来的光信号也因而受到阻隔导致光强削弱，使末端光敏传感器接收到的光信号也因而减弱，即造成光信号损失（光损信号），光敏传感器根据光信号损失测量电压变化值。进一步，通过读取光敏传感器的电压值变化，及电压与压力的对应关系来计算压力变化情况，其中，根据压力数值可以直观反映出人体肌肉力的变化情况。
相比传统的肌肉力传感器而言，本公开的光波导肌肉力传感模块20对光信号在光波导22中传输并完成测量和检测，通过光的反射、折射以及干涉等原理进行信号传输，光信号的传输几乎不会受到外部磁场的影响。另外，本公开的光波导22具有良好的防水性能，不受人体汗液影响，防水防潮，且能够全面检测出人体肌肉臂膨胀时的光信号变化情况并计算出对应的压力值。再进一步，本公开的光波导肌肉力传感模块20与肌肉接触面积更广，因此精确度更高，检测效果更好。
参考图7，一些实施例中，电信号包括电压，检测电信号和压力之间的对应关系满足拟合条件式：
Γ=a*γ-b，式中：Γ表示为采集到的电压变化值，γ表示为光波导肌肉力传感模块20所受到的压力值，a为斜率和b为截距。
一些实施例中，拟合条件式为Γ=11.69*γ-12.09，式中：Γ表示为采集到的电压变化值；γ表示为光波导肌肉力传感模块20所受到的压力值，a为11.69，b为-12.09。
利用本公开提供的拟合条件式，可以根据测量得到的电压值计算出光波导肌肉力传感模块20所受到的压力值，从而可以根据压力数值直观反映出人体肌肉力的变化情况。
一些实施例中，光波导肌肉力传感模块20包括光源组件21、光波导22和光强接收装置23。光源组件21和光强接收装置23均设置于变刚度绑腹带。光波导22固接于变刚度绑腹带，且光波导22一端与光源组件21连接，另一端与光强接收装置23连接。其中，电信号包括电压，绑缚过程中，光强接收装置23接收光波导22内传播的光并测量光强变化信号以获取外骨骼部位的电压值。
进一步，光源组件21包括固定座211和光源212，光源212设于固定座211内，其中，光波导22一端连接于固定座211，并与光源212的位置相对应，光波导22用于传播光源212的光。一些实施例中，光源212为红色LED。
进一步，光强接收装置23包括安装座231和光探测件232，光探测件232设于安装座231内。其中，光波导22另一端连接于安装座231，并与光探测件232的位置相对应。光探测件232用于测量光波导22内的光强变化信号，以获取外骨骼部位的电压值。一些实施例中，光探测件232包括光敏二极管。
进一步，光波导22包括套管和设置于套管内的弹性体芯，套管一端与光源组件21连接，另一端与光强接收装置23连接，其中，弹性体芯包括高折射率聚氨酯弹性体芯。一些实施例中，套管为热缩管，其材质为PET。
一些实施例中，外骨骼绑缚装置还包括导压组件30。导压组件30设置于变刚度绑缚带10，光波导肌肉力传感模块20设置于导压组件30内。其中，变刚度绑缚带10绑缚时产生的绑缚力通过导压组件30施加在光波导肌肉力传感模块20上。
绑缚时，利用导压组件30可以增大光波导22材料受到肌肉膨胀的挤压所造成源点光强在传输过程中的阻塞损失，增大末端光敏二极管（光敏传感器）测量到的光信号损失程度。
一些实施例中，导压组件30包括相对设置的两个导压结构31，光波导肌肉力传感模块20设置于两个导压结构31之间。
进一步的，导压结构31包括导压板311和导压凸起312，光波导肌肉力传感模块20设置于相对的两个导压结构31对应的导压凸起312之间。
本公开中，人体肌肉部分贴合时，人体在肌肉膨胀时挤压光波导肌肉力传感模块20，挤压过程中光波导22在压力作用下截面形变并造成光强损失，其中，利用上下两层导压板311上的导压凸起312可以增大对光波导22的挤压，以增大肌肉膨胀造成的光信号损失。
一些实施例中，导压板311的材质包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶（ThermoplasticUrethane TPU）。
具体参考图1，外骨骼绑缚装置包括两个变刚度绑缚带10和设置于两个变刚度绑缚带10之间的连接装置50组成。其中，相对的两个变刚度绑缚带10上对应设有光波导肌肉力传感模块20，绑缚时，光波导肌肉力传感模块20与人体肌肉部分贴合，人体在肌肉膨胀时挤压光波导肌肉力传感模块20造成光强损失。当受到肌肉挤压时导压板311上的导压凸起312可以增大对内部高折射率聚氨酯弹性体芯的挤压，增大肌肉膨胀造成的光信号损失。
使用变刚度绑缚带10时，可以通过对装有两层互锁的颗粒密封袋进行抽气将柔性材料转化为刚性材料，具有可快速切换状态，高稳定性的特点，使绑缚装置完全贴合人体肌肉臂，刚性材料能够避免因为肌肉膨胀导致的柔性绑缚材料向外舒张，能够将肌肉膨胀时的压力最大程度地施加在光波导肌肉力传感模块20上，能够精确测量出人体肌肉收缩或舒张时光强的变化情况，减少电压值信号的变化误差。
进一步，所述两根光波导肌肉力传感模块20贴附在变刚度绑缚带10的内侧，且在绑缚时与人体肌肉臂贴合，用于测量人体肌肉收缩和舒张时传感器的光信号变化以及电压值变化。本公开中，光波导肌肉力传感模块20结构简单，较于传统的肌肉力传感器不受电磁和人体汗液及其他环境因素干扰，具有高精确度的特点。较传统的肌肉力传感器应变片的对点检测方式而言，光波导肌肉力传感模块20呈条带装，贴附于绑缚内侧各个方面的压力都会传导到高折射率聚氨酯弹性体芯进行挤压，全面检测出人体肌肉臂膨胀时的光信号变化情况，且测量面积更大，测量的精确度更高。进一步，光波导肌肉力传感模块20所用材料仅采用高折射率聚氨酯弹性体芯、光敏传感器和LED光源212，因此具有体积小和价格低的特点，且贴附在变刚度绑缚带10内侧不会影响人体活动以及提升用户的使用舒适度。
光波导肌肉力传感模块20由光敏二极管，LED光源212，高折射率聚氨酯弹性体芯和热缩管PET组成。所述LED光源212为红色LED，由于红光较其他光而言在聚酯材料中更易损失，更易看出光信号变化情况，且不会因为损失过大而影响测量结果，所以光波导22的LED光源212选用红光。一些实施例中，光敏二极管为PD550A5F型号的光敏二极管，该型号光敏二极管可以过滤红外光线，阻止不可见光的干扰且敏感度高，提高测量的精确度。
一些实施例中，导压板311的材质包括TPU材料，导压凸起312为三角锥凸起；其中，光波导肌肉力传感模块20设置于导压凸起312。具体的，导压板311厚度为0.5mm且呈长方形，其表面设置有宽度方向的三角锥凸起。一些实施例中，导压凸起312为多个，多个导压凸起312间距设置于导压板311的表面。设置多个导压凸起312可以有效对整条光波导进行挤压，提测量的敏感度和测量的精确度。
由于人体肌肉膨胀程度有限，根据压力与所受横截面的关系设置导压凸起312，使得高折射率聚氨酯弹性体芯和导压凸起312之间的接触面积显著减小，进而使得压力施加到高折射率聚氨酯弹性体芯后，可以增大肌肉膨胀对高折射率聚氨酯弹性体芯造成的挤压，能使光信号的损失情况变化更加明显，能够更加直观地观测出人体施力时的肌肉膨胀程度。
进一步，图8的数据表示为贴附于人体肌肉上端的光波导肌肉力传感模块所测得人体手臂拉力与LED灯电压值的关系，图9表示为贴附于人体肌肉下端的光波导肌肉力传感模块所测得人体手臂拉力与LED灯电压值的关系。
参考图6，通过拉伸拉力传感器上的连接弹簧增加手臂拉力以及增加肌肉膨胀度的效果。由图8图9我们可以观测到光波导肌肉力传感模块20对于手臂拉力有预测效果，人体手臂发力是增加拉力传感器的拉力的前提，所以人体肌肉膨胀所造成的光敏二极管的电压损失会超前于拉力传感器所读取到的目标拉力的值。
从图8图9我们还能观测到光波导肌肉力传感模块20表现出一定的迟滞性，在手部完全松开拉力传感器时，拉力信号已经回到原值，但是光波导肌肉力传感模块20的信号并没有立刻回到原值。这种迟滞性的原因是由于光波导22材料为弹性体，变形后回到原位会有时间的延迟，再者，手部放开拉力传感器时，实际上肌肉还处于一个收缩的过程中，上述两个原因会导致光波导肌肉力传感模块20的迟滞性。
图8图9中的光波导A的电压变化值和光波导B的电压变化值采用将均值与标准差建立误差棒模型，将数据进行拟合的方法，减少偶然误差，能够将更加直观地看出人体拉力与光波导22的电压值的变化关系。
图10的数据表示为采集到的图8和图9两个光波导肌肉力传感模块20的LED灯电压值与拉力值数据拟合后的数据和拉力值数据的关系。由于光敏二极管采集的电压值和感应到的光强有着线性关系，我们可以通过读取光敏二极管的电压值来判断挤压程度的大小。采集到的电压值和光强的关系式如下：
，
上述表达式中：以假设光照强度最大为100为标准。β为光照强度，α为采集到的电压值数据。通过上述表达式我们可以看出两者呈现明显的线性关系，当光照强度越强，电压值越低，光照强度越弱，电压值越高。
有了上述关系表达式，我们可以通过实验得出光波导A和光波导B对应的两个电压值与拉力值的拟合关系式如下：
，
上述表达式中：p为拉力值数据；m为贴附于人体肌肉上端的光波导肌肉力传感模块20的电压变化值数据；n为贴附于人体肌肉下端的光波导肌肉力传感模块20的电压变化值数据。通过上述公式以及图8图9我们可以观测到随着拉力值的增大，电压数值也逐渐增大，两者呈现正相关的关系。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于肌肉力检测的光波导外骨骼绑缚装置，其特征在于，包括：
变刚度绑缚带，用于绑缚佩戴主体的外骨骼部位；
光波导肌肉力传感模块，设置于所述变刚度绑缚带；所述光波导肌肉力传感模块用于根据所述变刚度绑缚带绑缚时产生的光强变化信号输出相应的检测电信号；
计算模块，基于所述检测电信号和与压力之间的对应关系计算得到所述佩戴主体上的压力值；其中，所述压力值用于表征所述佩戴主体肌肉力变化情况。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述电信号包括电压；所述检测电信号和压力之间的对应关系满足拟合条件式：
Γ=a*γ-b，式中：Γ表示为采集到的电压变化值；γ表示为光波导肌肉力传感模块所受到的压力值，a为斜率和b为截距。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述光波导肌肉力传感模块包括光源组件、光波导和光强接收装置；
所述光源组件和所述光强接收装置均设置于所述变刚度绑腹带；所述光波导固接于所述变刚度绑腹带，且所述光波导一端与所述光源组件连接，另一端与所述光强接收装置连接；
其中，所述电信号包括电压；绑缚过程中，所述光强接收装置接收所述光波导内传播的光并测量光强变化信号以获取外骨骼部位的电压值。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述光源组件包括固定座和光源；所述光源设于所述固定座内；
其中，所述光波导一端连接于所述固定座，并与所述光源的位置相对应；所述光波导用于传播所述光源的光。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述光强接收装置包括安装座和光探测件；所述光探测件设于所述安装座内；
其中，所述光波导另一端连接于所述安装座，并与所述光探测件的位置相对应；所述光探测件用于测量所述光波导内的光强变化信号，以获取外骨骼部位的电压值。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述光波导包括套管和设置于所述套管内的弹性体芯；所述套管一端与所述光源组件连接，另一端与所述光强接收装置连接；其中，所述弹性体芯包括高折射率聚氨酯弹性体芯。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
导压组件，所述导压组件设置于所述变刚度绑缚带；所述光波导肌肉力传感模块设置于所述导压组件内；其中，所述变刚度绑缚带绑缚时产生的绑缚力通过所述导压组件施加在所述光波导肌肉力传感模块上。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述导压组件包括相对设置的两个导压结构；所述光波导肌肉力传感模块设置于两个所述导压结构之间。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述导压结构包括导压板和导压凸起；所述光波导肌肉力传感模块设置于相对的两个所述导压结构对应的所述导压凸起之间。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述导压板的材质包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶。
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