一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號的新型傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號的新型傳感器，包括微控制器、運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、肌電信號模塊、肌動(dòng)信號模塊、藍(lán)牙模塊和主控機(jī)。本實(shí)用新型通過使用基于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)過程中的加速度、角速度等物理量，通過數(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)表面肌電電極對肌肉電信進(jìn)行采集，通過電路設(shè)計(jì)將信號進(jìn)行放大、多級增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過使用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。
【專利說明】
一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號的新型傳感器
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到姿態(tài)信息或肌肉電信息。我國科研工作者在醫(yī)療領(lǐng)域開展了一些關(guān)于肌電和肌動(dòng)信號結(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)的肌肉信號檢測模型，以實(shí)現(xiàn)人體力學(xué)方面參數(shù)的評估，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，并且研究成果沒有進(jìn)一步形成產(chǎn)業(yè)。國外已有將運(yùn)動(dòng)捕捉及肌肉信號分析等技術(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題而提供一種用于采集人體運(yùn)動(dòng)信號的新型傳感器。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(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、肌電信號模塊、肌動(dòng)信號模塊、藍(lán)牙模塊和主控機(jī)，所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、所述肌電信號模塊和所述肌動(dòng)信號模塊的信號輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接，所述微控制器的信號輸出端與所述藍(lán)牙模塊的信號輸入端連接，所述藍(lán)牙模塊的信號輸出端與所述主控機(jī)的信號輸入端無線連接。
[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)的信號輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接。
[0008]本發(fā)明優(yōu)選的，所述肌電信號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輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接。
[0009]本發(fā)明優(yōu)選的，所述肌動(dòng)信號模塊包括數(shù)字麥克風(fēng)，所述數(shù)字麥克風(fēng)的信號輸出端與所述微控制器的信號輸入端連接。
[0010]本發(fā)明優(yōu)選的，所述肌電信號模塊通過對人體肌肉微弱的生物電信號進(jìn)行放大和濾波，以獲取在運(yùn)動(dòng)過程中肌肉被激勵(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)過程中的加速度、角速度等物理量，通過數(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)表面肌電電極對肌肉電信進(jìn)行采集，通過電路設(shè)計(jì)將信號進(jìn)行放大、多級增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過使用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)信號模塊的電路圖；
[0016]圖3是本發(fā)明所述肌電信號模塊的電路圖；
[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)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0022]如圖1所示:本發(fā)明包括微控制器、運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、肌電信號模塊、肌動(dòng)信號模塊、藍(lán)牙模塊和主控機(jī)，所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、所述肌電信號模塊和所述肌動(dòng)信號模塊的信號輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接，所述微控制器的信號輸出端與所述藍(lán)牙模塊的信號輸入端連接，所述藍(lán)牙模塊的信號輸出端與所述主控機(jī)的信號輸入端無線連接。
[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)的信號輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接。
[0024]如圖1和圖3所示，所述肌電信號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輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接，所述肌電信號模塊通過對人體肌肉微弱的生物電信號進(jìn)行放大和濾波，以獲取在運(yùn)動(dòng)過程中肌肉被激勵(lì)的狀態(tài)。
[0025]如圖1和圖2所示，所述肌動(dòng)信號模塊包括數(shù)字麥克風(fēng)，所述數(shù)字麥克風(fēng)的信號輸出端與所述微控制器的信號輸入端連接，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、肌電信號模塊、肌動(dòng)信號模塊、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);肌電信號模塊主要通過對人體肌肉微弱的生物電信號進(jìn)行放大和濾波，以獲取在運(yùn)動(dòng)過程中肌肉被激勵(lì)的狀態(tài);肌動(dòng)信號模塊主要通過使用數(shù)字麥克風(fēng)貼在肌肉皮膚表面，以獲得運(yùn)動(dòng)過程中肌肉橫向振動(dòng)的力學(xué)參數(shù)；微控制器主要對各模塊傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定、校正、融合，然后通過藍(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]在上述過程中，慣性測量單元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Iic接口傳輸?shù)轿⒖刂破鱑18;數(shù)字麥克風(fēng)UlI和U15采集到的肌動(dòng)信號傳輸?shù)轿⒖刂破鱑18。放大器U8和U12采集到的肌電信號通過濾波器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)通過藍(lán)牙模塊U21傳輸給上位機(jī)。
[0030]通過選用基于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)的信號放大電路以及濾波電路進(jìn)行表面肌電信號采集，實(shí)現(xiàn)噪音抑制和信號放大倍數(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，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)行檢測使用。
[0031]綜上所述，本發(fā)明通過使用基于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)過程中的加速度、角速度等物理量，通過數(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)表面肌電電極對肌肉電信進(jìn)行采集，通過電路設(shè)計(jì)將信號進(jìn)行放大、多級增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過使用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)明說明書及附圖內(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、肌電信號模塊、肌動(dòng)信號模塊、藍(lán)牙模塊和主控機(jī)，所述運(yùn)動(dòng)捕捉模塊、所述肌電信號模塊和所述肌動(dòng)信號模塊的信號輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接，所述微控制器的信號輸出端與所述藍(lán)牙模塊的信號輸入端連接，所述藍(lán)牙模塊的信號輸出端與所述主控機(jī)的信號輸入端無線連接。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)的信號輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接。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)信號的新型傳感器，其特征在于:所述肌電信號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輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接。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)信號的新型傳感器，其特征在于:所述肌動(dòng)信號模塊包括數(shù)字麥克風(fēng)，所述數(shù)字麥克風(fēng)的信號輸出端與所述微控制器的信號輸入端連接。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)信號的新型傳感器，其特征在于:所述肌電信號模塊通過對人體肌肉微弱的生物電信號進(jìn)行放大和濾波，以獲取在運(yùn)動(dòng)過程中肌肉被激勵(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)過程中肌肉橫向振動(dòng)的力學(xué)參數(shù)。
【文檔編號】A61B5/0488GK205625934SQ201520872588
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年11月2日
【發(fā)明人】林焯華
【申請人】廣州阿路比電子科技有限公司