組合傳感器識別人體下肢運動姿態(tài)的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器應用領域，具體地說是涉及一種基于兩軸或三軸加速度傳感器與柔性傳感器，用來識別人體下肢運動姿態(tài)的裝置。
【背景技術】
[0002]人體下肢運動姿態(tài)捕捉主要基于兩類方法:基于視頻圖像的捕捉系統(tǒng)與基于穿戴式傳感器的捕捉系統(tǒng)。
[0003]所述基于視頻圖像的捕捉系統(tǒng)是通過一個或幾個視頻攝像頭捕捉人體動作畫面，經過特別設計的圖像處理算法，確定人體動作及人體動作姿態(tài)。但是，基于視頻的捕捉系統(tǒng)通常因為攝像機安裝在固定的地點，只能在安裝了特定攝像機的地點進行視頻捕捉和識另IJ。而人體是一個活動的對象，當被檢測者離開視頻攝像頭可檢測的范圍時，該系統(tǒng)就無法實現數據的采集與動作的捕捉。另外，光線、倒影也會造成數據誤差，并且還可能會對被檢測者造成個人隱私的泄漏。
[0004]基于穿戴式傳感器的捕捉系統(tǒng)是指嵌入了微型傳感器的可穿戴的設備，包括衣月艮、帽子、鞋、腰帶、護膝等，系統(tǒng)可以實時檢測人體下肢運動動作情況，并且與現有的無線通訊技術相結合，捕捉系統(tǒng)不會受到檢測地點的限制，從而能夠達到很好的效果。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:采用穿戴式傳感器，提供一種基于兩軸或三軸加速度傳感器與柔性傳感器信號采集裝置，通過無線發(fā)送信號，在分析機計算機接收端自動計算獲取人體下肢大腿和小腿與重力方向間的運動角以及相應的加速度值。柔性傳感器與加速度傳感器組合方式，檢測人體下肢運動姿態(tài)不僅能得到下肢大腿和小腿與重力方向間的運動角及相應加速度值外，還能得到人體膝蓋曲率的運動變化值。由于使用穿戴式傳感器，使得人體運動姿態(tài)捕捉系統(tǒng)不受檢測地點的限制。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題采用以下的技術方案:
[0007]本發(fā)明提供的組合傳感器識別人體下肢運動姿態(tài)的裝置，其包括:以導線依次相連的用于采集人體下肢運動姿態(tài)信號的數據采集模塊、用于數據信號處理的信號調理模塊、用于控制與協調整個系統(tǒng)的微控制器模塊和用于傳送數據的無線通訊發(fā)送模塊，這些模塊通過導線分別與用于供電使這些模塊正常工作的電源模塊相連，還設有用于接收數據的無線通訊接收模塊以及通過數據線與無線通訊接收模塊相連的姿態(tài)分析機。
[0008]所述的數據采集模塊，由分別放置于人體左、右大腿中部的加速度傳感器，和分別置于左、右腿膝關節(jié)部位的柔性傳感器組成，該數據采集模塊用以獲取人體下肢運動動作時的大腿相對重力方向運動角度變化與加速度變化與膝關節(jié)的彎曲數據；這四個部件分別通過導線與信號調理模塊相連。
[0009]所述的兩個速度傳感器為慣性傳感器，均采用兩軸加速度傳感器、三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀中的一種或多種。
[0010]所述的兩個柔性傳感器為單向傳感器或雙向傳感器，初始阻值為10K，應變片發(fā)生彎曲形變時阻值發(fā)生變化，變化范圍為10K?30K或1K?20K。放置于膝關節(jié)的護膝外側，或者置于柔性服裝的膝關節(jié)部位，不會對人體下肢運動帶來不便與不適。
[0011]所述的兩個柔性傳感器，其通過運算放大電路精準地捕捉膝關節(jié)的彎曲程度，該運算放大電路由集成運放器和電阻網絡組成。
[0012]所述的信號調理模塊采用帶有高共模抑制比運算放大器的數據信號處理模塊。
[0013]所述微控制器模塊通過導線與信號調理模塊相連，微控制器模塊內置A/D轉換器；該微控制器模塊將采集的人體動作信號進行A/D轉換，并對數字信號進行包括濾波、數據整理、標度轉換處理，然后將數據送往無線通訊發(fā)送模塊和無線通訊接收模塊，在整個裝置中起到A/D轉換、運算、控制與協調作用。
[0014]所述無線通訊模塊包括無線通訊發(fā)送模塊和無線通訊接收模塊，均采用Rad1Frequency芯片，它們將采集到的人體動作信號發(fā)送到姿態(tài)分析機，傳輸距離在10m?1000m，無線傳輸速率10kbps、250kbps，供電電壓直流2.1V?3.6V ;該無線通訊模塊工作在433MHz,2.4GHz等通用ISM頻段，與動作分析系統(tǒng)之間通過無線射頻方式進行數據實時傳輸。
[0015]所述的姿態(tài)分析機，采用一種具有依據傳感器數據計算人體腿部與重力方向的運動角，并模擬再現人體下肢運動過程和分析其運動軌跡的計算機。
[0016]本發(fā)明提供的上述裝置可以用于幫助下肢康復治療，人體步態(tài)研究。
[0017]本發(fā)明與現有技術相比，具有以下主要的優(yōu)點:
[0018]1.同時采用兩種以上類型傳感器采集人體下肢運動動作信號，提高了數據的可靠性與多樣性，由于采用穿戴式傳感器對人體下肢運動動作信息進行采集與分析，且通過無線數據傳送方式，避免了基于視頻采集信息受到場地和地點的限制。使被測人體可以在無線信號覆蓋范圍內自由活動。
[0019]2.將兩軸或三軸加速度傳感器綁定于大腿或小腿，獲取人體下肢運動的動作信息，不但可以直接提供腿部與重力方向的運動角，同時還可以提供大、小腿運動的角度變化與大、小腿運動角加速度，獲取較現有其他技術更多的運動參數，便于構建完整的下肢運動模型，具有簡潔、靈活、方便的特點。
[0020]3.引入柔性傳感器直接獲取人體動作過程中膝關節(jié)彎曲程度信息，與兩軸或三軸加速度傳感器信號結合，提升人體下肢運動姿態(tài)的判定。與以往在人體大腿和小腿各放置一個二維重力傳感器相比，本發(fā)明一方面可以直接獲取大、小腿運動夾角，而無需作過多繁雜的計算，測試精度更高，另一方面具有在傳感器數量相同的情況下，可獲取更多的人體下肢運動參數。除得到運動過程中膝蓋彎曲角度動態(tài)數據外，還可得到人體大腿和小腿與重力方向的運動角，以使人體下肢運動姿態(tài)模擬再現和運動姿態(tài)軌跡記錄更加逼真。避免了單純使用加速度傳感器時不能直接獲取大、小腿夾角的缺點，提高了測試精度。
[0021]4.柔性傳感器的引入有助于人體下肢運動動作信息采集的同時，不會給人體的下肢運動帶來不便與不適感，同時易嵌入到服裝中。避免了現有技術對測試場所的特殊要求，適應于更靈活的測試。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明裝置的結構示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的人體傳感器佩戴示意圖。
[0024]圖3為本發(fā)明中柔性傳感器在人體下肢不同動作時的形態(tài)變化。
[0025]圖4為本發(fā)明中柔性傳感器運算放大處理電路原理圖。
[0026]圖5為本發(fā)明中圖4的PCB圖
[0027]圖中:1.第一加速度傳感器；2.第二加速度傳感器；3.第一柔性傳感器；4.第二柔性傳感器。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明包含有用于使系統(tǒng)正常工作的電源模塊；用于采集人體下肢運動參數的數據采集模塊，由置于膝關節(jié)部位的柔性傳感器和綁定于腿部的兩軸或三軸加速度傳感器組成；用于數據信號處理的信號調理模塊，其通過導線分別與所述加速度傳感器、柔性傳感器相連；用于控制與協調整個系統(tǒng)的微控制器模塊；用于傳送數據給姿態(tài)分析機的無線通訊模塊以及用于下肢運動姿態(tài)模擬再現和分析的姿態(tài)分析機；所述姿態(tài)分析機具有依據傳感器數據計算人體腿部與重力方向的運動角，并模擬再現人體下肢運動過程，分析其運動軌跡的計算機。該裝置可以再現模擬、分析人體下肢運動姿態(tài)，包括大腿與小腿膝蓋的彎曲曲率角，下肢大腿和小腿與重力方向間的運動角。
[0029]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。
[0030]本發(fā)明提供的組合傳感器識別人體下肢運動姿態(tài)的裝置，是一種基于兩軸或三軸加速度傳感器與柔性傳感器組合識別人體下肢運動姿態(tài)的裝置，其結構如圖1所示，包括:以導線依次相連的用于采集人體下肢運動姿態(tài)信號的數據采集模塊、用于數據信號處理的信號調理模塊、用于控制與協調整個系統(tǒng)的微控制器模塊和用于傳送數據的無線通訊發(fā)送模塊，這些模塊通過導線分別與用于供電使模塊正常工作的電源模塊相連，還設有用于接收數據的無線通訊接收模塊以及通過數據線與無線通訊接收模塊相連的姿態(tài)分