一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種人體運(yùn)動(dòng)傳感器，尤其涉及一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的大環(huán)境下，對(duì)人體行為或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化，特別是人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)方面的研究，提出了新的技術(shù)要求。要能更好地理解及分析人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其建立正確的數(shù)學(xué)模型，掌握運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，互為轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償及驗(yàn)證，則首先需要有設(shè)備可以量化人體的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)以及肌肉腱力狀態(tài)。
[0003]當(dāng)前針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)或力學(xué)分析的儀器，如基于攝像頭技術(shù)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，或基于電極采集的肌電傳感器，其本身都只能單一地檢測(cè)到姿態(tài)信息或肌肉電信息。我國(guó)科研工作者在醫(yī)療領(lǐng)域開(kāi)展了一些關(guān)于肌電和肌動(dòng)信號(hào)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)多自由度假肢控制的研究，這些研究建立了一些基礎(chǔ)的肌肉信號(hào)檢測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)人體力學(xué)方面參數(shù)的評(píng)估，但由于缺乏運(yùn)動(dòng)捕捉功能，不能與運(yùn)動(dòng)學(xué)研究進(jìn)行統(tǒng)一，并且研究成果沒(méi)有進(jìn)一步形成產(chǎn)業(yè)。國(guó)外已有將運(yùn)動(dòng)捕捉及肌肉信號(hào)分析等技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中，但產(chǎn)品多為功能單一的運(yùn)動(dòng)分析或力學(xué)分析系統(tǒng)，缺少兩者相融合的功能，需要同時(shí)購(gòu)買兩種以上設(shè)備才能提供人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)所需的檢測(cè)數(shù)據(jù)以支持建立數(shù)學(xué)模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器。
[0005]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的:
[0006]本發(fā)明包括微控制器、運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、肌電信號(hào)模塊、肌動(dòng)信號(hào)模塊、藍(lán)牙模塊和主控機(jī)，所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、所述肌電信號(hào)模塊和所述肌動(dòng)信號(hào)模塊的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接，所述微控制器的信號(hào)輸出端與所述藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸入端連接，所述藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸出端與所述主控機(jī)的信號(hào)輸入端無(wú)線連接。
[0007]本發(fā)明優(yōu)選的，所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)，所述加速度計(jì)、所述陀螺儀和所述磁力計(jì)的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接。
[0008]本發(fā)明優(yōu)選的，所述肌電信號(hào)模塊包括電極放大電路、增益可調(diào)電路和濾波電路，所述電極放大電路、所述增益可調(diào)電路和所述濾波電路的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接。
[0009]本發(fā)明優(yōu)選的，所述肌動(dòng)信號(hào)模塊包括數(shù)字麥克風(fēng)，所述數(shù)字麥克風(fēng)的信號(hào)輸出端與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接。
[0010]本發(fā)明優(yōu)選的，所述肌電信號(hào)模塊通過(guò)對(duì)人體肌肉微弱的生物電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，以獲取在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉被激勵(lì)的狀態(tài)。
[0011]本發(fā)明優(yōu)選的，所述數(shù)字麥克風(fēng)貼在肌肉皮膚表面，以獲得運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉橫向振動(dòng)的力學(xué)參數(shù)。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:
[0013]本發(fā)明通過(guò)使用基于MEMS技術(shù)的加速度計(jì)、陀螺儀及磁力計(jì)，以獲取人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度、角速度等物理量，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法把這些信息進(jìn)行處理得到人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)，使用三個(gè)表面肌電電極對(duì)肌肉電信進(jìn)行采集，通過(guò)電路設(shè)計(jì)將信號(hào)進(jìn)行放大、多級(jí)增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過(guò)使用MEMS技術(shù)的數(shù)字麥克風(fēng)貼在人體皮膚表面，以采集肌肉在主動(dòng)收縮時(shí)的橫向振動(dòng)力學(xué)信息。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明所述一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖2是本發(fā)明所述肌動(dòng)信號(hào)模塊的電路圖；
[0016]圖3是本發(fā)明所述肌電信號(hào)模塊的電路圖；
[0017]圖4是本發(fā)明所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊的電路圖；
[0018]圖5是本發(fā)明所述微控制器的電路圖；
[0019]圖6是本發(fā)明所述藍(lán)牙模塊的電路圖；
[0020]圖7是本發(fā)明所述濾波器的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0022]如圖1所示:本發(fā)明包括微控制器、運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、肌電信號(hào)模塊、肌動(dòng)信號(hào)模塊、藍(lán)牙模塊和主控機(jī)，所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、所述肌電信號(hào)模塊和所述肌動(dòng)信號(hào)模塊的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接，所述微控制器的信號(hào)輸出端與所述藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸入端連接，所述藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸出端與所述主控機(jī)的信號(hào)輸入端無(wú)線連接。
[0023]如圖1和圖4所示，所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)，所述加速度計(jì)、所述陀螺儀和所述磁力計(jì)的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接。
[0024]如圖1和圖3所示，所述肌電信號(hào)模塊包括電極放大電路、增益可調(diào)電路和濾波電路，所述電極放大電路、所述增益可調(diào)電路和所述濾波電路的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接，所述肌電信號(hào)模塊通過(guò)對(duì)人體肌肉微弱的生物電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，以獲取在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉被激勵(lì)的狀態(tài)。
[0025]如圖1和圖2所示，所述肌動(dòng)信號(hào)模塊包括數(shù)字麥克風(fēng)，所述數(shù)字麥克風(fēng)的信號(hào)輸出端與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接，所述數(shù)字麥克風(fēng)貼在肌肉皮膚表面，以獲得運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉橫向振動(dòng)的力學(xué)參數(shù)。
[0026]本發(fā)明的工作原理如下:
[0027]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7所示，本發(fā)明的工作原理如下:
[0028]本發(fā)明主要包括了運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、肌電信號(hào)模塊、肌動(dòng)信號(hào)模塊、微控制器以及藍(lán)牙模塊五大硬件部分，運(yùn)動(dòng)捕捉模塊主要集成了加速度計(jì)、陀螺儀以及磁力計(jì)等傳感部分，通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ò褦?shù)據(jù)融合，以獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)；肌電信號(hào)模塊主要通過(guò)對(duì)人體肌肉微弱的生物電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，以獲取在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉被激勵(lì)的狀態(tài)；肌動(dòng)信號(hào)模塊主要通過(guò)使用數(shù)字麥克風(fēng)貼在肌肉皮膚表面，以獲得運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉橫向振動(dòng)的力學(xué)參數(shù)；微控制器主要對(duì)各模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定、校正、融合，然后通過(guò)藍(lán)牙模塊把處理完的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位主控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析及保存。
[0029]在上述過(guò)程中，慣性測(cè)量單元U14和磁性傳感器U13分別采集到加速度，角速度和地磁方向，通過(guò)lie接口傳輸?shù)轿⒖刂破鱑18 ;數(shù)字麥克風(fēng)U11和U15采集到的肌動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)轿⒖刂破鱑18。放大器U8和U12采集到的肌電信號(hào)通過(guò)濾波器U20濾波后傳輸?shù)轿⒖刂破鱑18。微控制器U18把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后把處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊U21傳輸給上位機(jī)。
[0030]通過(guò)選用基于MEMS技術(shù)的三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀及三軸磁力計(jì)并使用32位Cortex-A4高速微控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法融合以實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)捕捉及分析功能，選用基于MEMS技術(shù)的信號(hào)放大電路以及濾波電路進(jìn)行表面肌電信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)噪音抑制和信號(hào)放大倍數(shù)可調(diào)的功能，選用基于MEMS技術(shù)的數(shù)字麥克風(fēng)采集肌動(dòng)信號(hào)，比傳統(tǒng)單一的加速度計(jì)方式具有更高的分辨率和靈敏度，傳感器比傳統(tǒng)設(shè)備體積要小重量要輕，可方便穿戴于人體肢體上在室內(nèi)或室外進(jìn)行檢測(cè)使用。
[0031]綜上所述，本發(fā)明通過(guò)使用基于MEMS技術(shù)的加速度計(jì)、陀螺儀及磁力計(jì)，以獲取人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度、角速度等物理量，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法把這些信息進(jìn)行處理得到人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)，使用三個(gè)表面肌電電極對(duì)肌肉電信進(jìn)行采集，通過(guò)電路設(shè)計(jì)將信號(hào)進(jìn)行放大、多級(jí)增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過(guò)使用MEMS技術(shù)的數(shù)字麥克風(fēng)貼在人體皮膚表面，以采集肌肉在主動(dòng)收縮時(shí)的橫向振動(dòng)力學(xué)信息。
[0032]本領(lǐng)域技術(shù)人員不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和精神，可以有多種變形方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，以上所述僅為本發(fā)明較佳可行的實(shí)施例而已，并非因此局限本發(fā)明的權(quán)利范圍，凡運(yùn)用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變化，均包含于本發(fā)明的權(quán)利范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器，其特征在于:包括微控制器、運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、肌電信號(hào)模塊、肌動(dòng)信號(hào)模塊、藍(lán)牙模塊和主控機(jī)，所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、所述肌電信號(hào)模塊和所述肌動(dòng)信號(hào)模塊的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接，所述微控制器的信號(hào)輸出端與所述藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸入端連接，所述藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸出端與所述主控機(jī)的信號(hào)輸入端無(wú)線連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器，其特征在于:所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)，所述加速度計(jì)、所述陀螺儀和所述磁力計(jì)的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器，其特征在于:所述肌電信號(hào)模塊包括電極放大電路、增益可調(diào)電路和濾波電路，所述電極放大電路、所述增益可調(diào)電路和所述濾波電路的信號(hào)輸出端均與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器，其特征在于:所述肌動(dòng)信號(hào)模塊包括數(shù)字麥克風(fēng)，所述數(shù)字麥克風(fēng)的信號(hào)輸出端與所述微控制器的信號(hào)輸入端連接。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器，其特征在于:所述肌電信號(hào)模塊通過(guò)對(duì)人體肌肉微弱的生物電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，以獲取在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉被激勵(lì)的狀態(tài)。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器，其特征在于:所述數(shù)字麥克風(fēng)貼在肌肉皮膚表面，以獲得運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉橫向振動(dòng)的力學(xué)參數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的新型傳感器，包括微控制器、運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、肌電信號(hào)模塊、肌動(dòng)信號(hào)模塊、藍(lán)牙模塊和主控機(jī)。本發(fā)明通過(guò)使用基于MEMS技術(shù)的加速度計(jì)、陀螺儀及磁力計(jì)，以獲取人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度、角速度等物理量，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法把這些信息進(jìn)行處理得到人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)，使用三個(gè)表面肌電電極對(duì)肌肉電信進(jìn)行采集，通過(guò)電路設(shè)計(jì)將信號(hào)進(jìn)行放大、多級(jí)增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過(guò)使用MEMS技術(shù)的數(shù)字麥克風(fēng)貼在人體皮膚表面，以采集肌肉在主動(dòng)收縮時(shí)的橫向振動(dòng)力學(xué)信息。
【IPC分類】A61B5/11, A61B5/0488
【公開(kāi)號(hào)】CN105411594
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510742056
【發(fā)明人】林焯華
【申請(qǐng)人】廣州阿路比電子科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年11月2日