CN2422938Y - 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)、主机算计(4)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、串口及电源组成制成一盒体;该主机算计(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。
Description
本实用新型为一种分布式电磁人体运动检测装置,属于电子技术领域。
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。
本实用新型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。
本实用新型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、主机算计(PC)4等组成;
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等部分组成制成一盒体;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(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(路数由检测角度数量决定)单路路出,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;
该主机算计(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。
本实用新型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,简化了主机算计的后续处理过程。
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。
本实用新型具有如下附图:
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.主机算计(PC)
兹配合附图详细说明如下:
本实用新型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l,无线接收线圈称接收器2,控制及信号处理硬件电路3,主机算计(PC)4及装置系统软件组成;
发射器l:本实用新型中发射器是空心线圈,其结构尺寸如图la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:本实用新型中接收器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:本实用新型是分布式检测装置,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实现与主机算计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。
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。
Claims (1)
1、一种分布式电磁人体运动检测装置,其特征在于:该装置由发射器(1)、接收器(2)、控制及信号处理硬件电路(3)、主机算计(4)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;
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)组成制成一盒体;
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);
该主机算计(4),通过异步通讯口与控制及信号处理硬件电路(3)连接。
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