一种面向可穿戴柔性传感器的人体关节角测量系统的制作方法

本发明属于人体关节角度领域，更具体地，涉及一种面向可穿戴柔性传感器的人体关节角测量系统。

背景技术：

人体关节角的测量在医疗、军事、安防与电影制作等领域中有着重要的应用，使用测量系统准确方便地获取人体运动过程中的关节角相关参数是近几年研究的热点。目前在人体关节角测量领域中，使用最广泛的是以光学跟踪法为基础的被动捕捉式设备，如vicon动作捕捉系统。但该类型的系统对使用环境要求较高，使用复杂，无法达到便携式的效果，且存在自遮挡问题，数据容易丢失，导致后续需要大量的数据丢失；在基于imu的测量系统中测量信号容易漂移，导致累计误差大；基于semg的测量系统通过采集人体皮肤表层电信号，但该测量信号微弱，抗干扰性特别差；机械式的可穿戴装置体积大、质量重，对被试的运动阻碍较大，于是设计一个便携、准确、稳定的可穿戴运动测量系统具有科研与市场价值。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于测量人体关节角度的柔性电容式传感器，其中通过对柔性传感器及与该柔性传感器配套的其它模块的设计，充分利用了柔性传感器中电容变化量与拉伸变化量成正比的特性，通过检测得柔性传感器中电容的变化量快速准确地反映人体关节角度的变化，该测量系统实现了便携、准确、稳定的姿态测量，适应诸如户外、水下等恶劣环境，并在上位机上实时观测人体运动参数变化，且设备成本低，无需昂贵的辅助设备，提高了集成度，降低了部署成本。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种面向可穿戴柔性传感器的人体关节角测量系统，其特征在于，该测量系统包括测量模块、主控电路模块、信号传输模块和上位机，其中，

所述测量模块包括多个并列的子通道，每个子通道中包括柔性传感器和与该柔性传感器连接的测量电路，所述柔性传感器贴附在待检测人体关节上，待检测人体关节运动时带动所述柔性传感器拉伸，使其电容发生改变，所述测量电路用于测量所述电容的改变量；

所述信号传输模块与所述测量模块连接，用于将所述测量模块中每个子通道测得的电容的改变量进行模数转换，并将转换后获得的多个数字信号传递给所述主控电路模块；

所述主控电路模块与所述上位机连接，用于接受来自所述信号传输模块的多个数字信号并将其打包后通过通讯协议传递给所述上位机，所述上位机接受所述多个数字信号后，将给多个数字信号分别计算为待检测人体关节的角度变化，并将计算结果显示，同时该上位机还用于控制所述测量模块的开关。

进一步优选地，所述柔性传感器包括柔性基体和平行极板，所述柔性基体采用柔性的非导电材料制成，所述平行极板呈液态，相对平行设置在所述柔性基体中形成柔性电容，该平行极板的一端与外接测试电路连接，所述传感器贴附于待测关节处时，待测关节的运动时拉伸所述柔性基体，从而拉伸所述平行极板改变该平行极板的长度和宽度，以此改变所述平行极板之间的电容，外接测试电路通过监测该电容变化量计算获得待测关节运动时的角度变化，从而实现人体关节角度的测量。

进一步优选地，所述柔性基体的原材料优选采用铂催化有机硅。

进一步优选地，所述平行极板优选采用液态金属-镓铟共晶成型。

进一步优选地，所述相对平行设置的平行极板之间的距离优选为0.5mm～2.5mm。

进一步优选地，所述上位机优选按照下列表达式计算待检测关节角度的变化：

其中，δc是电容的变化量，δθ是待检测关节的转角，r是关节半径，εr是介电层相对介电常数，d是柔性传感器中平行极板之间的间距，w是柔性传感器中平行极板的宽度，εo是空气的介电常数。

进一步优选地，所述通讯协议优选采用rs485、can或者iic。

进一步优选地，所述主控电路模块优选使用stm32嵌入式处理器对多个数字信号进行打包。

进一步优选地，所述上位机和主控电路模块中均设置有蓝牙模块，便于数据传输。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用柔性传感器与测量电路连接在一起，实现了测量与控制的模块化,带来的好处有两方面，一方面输出的是数字信号，能够减少外界噪声干扰，提高测量结果的准确度，另一方面减少寄生电容的产生，从而提高传感器的准确度；

2、本发明测量系统测量关节角，一方面，柔性传感器紧贴人体表面，能够准确反映关节角变化；另一方面，电容信号能够快速稳定的反映运动的变化，柔性传感器的伸长量与电容变化值之间的线性度达到99.9％，能够准确的反映关节角变化；

3、本发明提供的测量系统采用柔性传感器，重量轻，能够减少测量过程中测量系统对人体运动的阻碍，具有可穿戴性和重复使用性，传感器的安装与卸载很方便，结构简单，无需额外辅助设备，并具有防水作用，可以用在如野外、水下等复杂恶劣的环境中；

4、本发明提供的测量系统高达90hz的采样频率使其能够用于剧烈运动的测量，如跑步、打羽毛球、打篮球和游泳，采用总线协议，具有地址辨识功能，能够随时加入或者移除传感器，上位机程序方便调试和控制，具有很好的人机交互特性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的面向可穿戴柔性传感器的人体关节角测量系统结构示意图。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的柔性传感器本体的结构示意图；

图3a是按照本发明的优选实施例所构建的单个和多个并联的测量模块在线串口读取数据后在上位机中的测试结果显示图；

图3b是按照本发明的优选实施例所构建的单个和多个并联的测量模块离线读取存在tf卡中的文件后在上位机中的测试结果显示图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的测量系统测量人体关节角度的示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量膝关节时角度变化示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量原理示意图，

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-导线2-固定端3-柔性基体4-平行基板5-金属片

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的面向可穿戴柔性传感器的人体关节角测量系统结构示意图，如图1所示，一种面向可穿戴柔性传感器的人体关节角测量系统，该系统包括测量模块、信号传输模块、分离的主控电路模块和上位显示控制模块。测量模块包括设置在多个测量关节位置的可穿戴柔性应变传感器及测量电路。应变传感器包含柔性电容传感器本体、电容信号测量电路和总线通讯模块；主控电路模块包括mcu、电源模块、总线通讯与串口通讯模块及可搭配选择的蓝牙模块与tf卡模块；上位机包含显示模块、控制模块和串口通讯模块及可选的蓝牙模块。汇集多传感器的数据打包发送至上位机，从而实现实时处理、展示和保存运动数据的功能。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的柔性传感器本体的结构示意图，如图2所示，柔性传感器本体由非导电的柔性基体3、由液态金属喷制而成的平行极板4、金属片5、细导线1及尼龙固定搭扣等部分组成。从传感器内部极板中引出的导线1，用于接入测量电路；传感器的固定端2，底部贴有尼龙搭扣，用于将传感器固定在下肢关节测量部位；传感器结构上采用平行极板形成电容器结构，内部嵌有两块正对的平行极板4,呈液态，为实现传感器可适应人体下肢运动而产生的皮肤表面大变形工况，传感器的柔性基体使用的材料为一种铂催化有机硅，即ecoflex。为保证传感器在大变形过程中内部传感模块的正常工作，内嵌的两块正对的平行极板4均由液态金属-镓铟共晶成型而成，金属片，本实施例中采用薄铜片，用于增大到导线与平行极板的多接触面积，设置在极板的末端，极板的末端由薄铜片及导线1引出，用于接入测量电路。

由于成型工艺的特点，以及考虑到传感器拉伸过程中极板间距会变小的因素，极板间最小间距优选为0.5mm；考虑到传感器穿戴在身上后，若传感器厚度过大，会影响穿戴的舒适性，且传感器的数值会变小，易受到噪声的干扰，故最大间距优选为2.5mm

传感器的柔性基体通过形状沉积成型法成型而成，通过在模具中注入等比例混合的ecoflex-a,b混合溶液固化成型而成，传感器两端的固定部分黏贴有尼龙搭扣，用于穿戴在下肢各关节处。

柔性应变传感器本体采用平行板电容器结构，即极板—电介质—极板的三明治结构，通过将固定点处的变形转化为柔性传感器的电容变化从而实现运动姿态测量。进一步地，传感器之间可以采用星型、总线结构进行拓扑网络连接，从而实现多位置同时测量。

测量电路采集柔性传感器变形时产生的电容信号，并可通过调节串联的固定电容来调整输入电容的范围；信号传输模块将电容信号进行模数转换，再将产生的数字信号通过通讯协议发回到主控电路模块。进一步地，通讯协议可以采用rs485、can或者iic等，实现预想的网络拓扑结构。

主控电路模块使用stm32嵌入式处理器对多路数据进行打包处理，可通过多种方式存储或者发送至上位控制计算机。进一步地，主控电路模块可通过tf卡离线存储电容数据，以便进一步进行数据分析；或通过有线的形式通过i/o通讯协议与上位计算机通讯；或采用如蓝牙协议等无线方式与手机等便携设备通讯。进一步地，主控电路模块还包括5vusb供电模块与锂电池稳压模块，用于产生稳定的电源供应；所述主控电路模块包含rs485、can和uart通讯协议模块，并可按照需求加载tf卡模块和蓝牙模块。

所述上位机用于控制测量系统的采集开始与暂停，并能实时绘制采集的多通道数据，并具有特定通道显示与x轴、y轴显示范围调节功能。进一步地，上位机还具有初步的滤波与保存截图功能。

测量电路直接嵌入在柔性传感器中，减少模拟电路信号传输的长度并能减低外界噪声干扰。测量电路在保证体积最小化的同时，留出了两个can通讯接口、一个程序下载接口和串口调试接口，方便调试。测量电路中，采用双通道ad7746cdc芯片，采样频率最高90hz，有效位高达21位，测量精度高，并可到通过串联固定电容，可以比较方便的调整测量范围。

图3a是按照本发明的优选实施例所构建的单个和多个并联的测量模块在线串口读取数据后在上位机中的测试结果显示图，图3b是按照本发明的优选实施例所构建的单个和多个并联的测量模块离线读取存在tf卡中的文件后在上位机中的测试结果显示图，如图3a和3b所示，通过在线串口读取数据或者离线读取存在tf卡中的文件，还具有简单的滤波去噪与通道选择展示，实现人体关节角的测量与分析功能。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的测量系统测量人体关节角度的示意图，如图4所示，传感器制备完成并标定好后，可将传感器的两端固定在人体下肢髋关节、膝关节、踝关节合适位置，用于测量各关节的运动转角。

下面将进一步说明传感器的测量原理，图5是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量膝关节时角度变化示意图，图6是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量原理示意图，如图5和6所示，将传感器内的两平行板及平行板间的中间层共同看成一个弹性长方体，对于平行板电容，其电容的大小取决于极板间的正对面积s，即极板的长度l与宽度w，极板间距d，以及介电层相对介电常数εr。传感器的电容可表示为：

假设该弹性材料各向同性，则该弹性体在如图5中所示拉伸过程中，电容的变化量可表示为：

其中c为拉伸后传感器电容，co为拉伸前传感器电容，ε表示传感器拉伸变化的应变。若传感器应用于膝关节，则传感器拉伸的应变可表示为：

其中δθ表示关节转角，r表示假设关节形状为球时的关节半径。则拉伸前后传感器电容的变化量可表示为：

即可建立得到电容的变化量与关节转角的关系式，通过检测到电容的变化量δc，可通过上式计算获得角度的变化量δθ。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。