一种脊柱和肢体关节传感系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种脊柱和肢体关节传感系统及其控制方法 (Spine and limb joint sensing system and control method thereof ) 是由 唐伟 王中林 黎承煜 于 2021-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种脊柱和肢体关节传感系统及其控制方法,所述系统包括：可穿戴自驱动传感器和信号处理组件,所述可穿戴自驱动传感器穿戴在人体脊柱或肢体关节处,通过采集人体运动产生的机械能,并将机械能转化为电能,为传感系统提供传感信号源,所述信号处理组件实时采集所述可穿戴自驱动传感器输出的电信号,并通过无线传输设备传送至移动终端进行显示。本发明解决了现人体姿态数据难以全天实时准确获取的问题。(The invention discloses a spine and limb joint sensing system and a control method thereof, wherein the system comprises: wearable self-driven sensor and signal processing subassembly, wearable self-driven sensor dress is in human backbone or limbs joint department, through the mechanical energy of gathering human motion production to turn into the electrical energy with mechanical energy, for sensing system provides the sensing signal source, signal processing subassembly gathers in real time the signal of telecommunication of wearable self-driven sensor output to convey to mobile terminal through wireless transmission equipment and show. The invention solves the problem that the existing human body posture data is difficult to accurately acquire all day long.)
技术领域
本发明涉及姿态识别控制领域，具体涉及一种脊柱和肢体关节传感系统及其控制方法。
背景技术
现代科技的发展往往伴随着社会压力的增加，大量的上班族以及学生群体经常以不健康的姿势长时间使用电脑或手机，长期保持这样的不良姿势往往容易导致脊椎疾病和身体疲劳。幸运的是，早期的姿态异常可以通过可穿戴姿态监测传感设备和必要的干预治疗加以纠正，因此，个人健康监测和评估在当今社会变得越来越不可或缺，这在很大程度上推动了传感技术、可穿戴电子、无线通信和纳米科学的发展。另外，人的关节活动，包括行走、弯腰、跑与跳等都蕴含着丰富且可持续的生物机械动能，如果能结合摩擦纳米发电机(TENG)的自驱动传感技术并有效的利用这些生物机械动能，使其成为一种自驱动主动式传感单元应用于人体关节活动监测，势必会大大扩展可穿戴电子在个人健康医疗领域的运用。
深度相机和惯性测量单元(IMUs)等装置，在一定程度上可以应用于监测人体的动作以及姿态的活动。然而，深度摄像机并不是一种可穿戴技术，当受试者从一个位置移动到另一个位置，此时离开了相机的视野，监测传感将会被迫中止。另一方面，基于惯性测量的设备，比如基于单点测量的加速度模块，需要复杂的体参数进行算法优化计算并建立模型来分析人体的实时运动状态，可以看出，这种测量手段是间接而又复杂的。不仅如此，在惯性模块使用过程中，测量误差将会随时间的增加而逐渐变大，这不仅会降低传感系统的精度，而且还需要不间断的进行额外的校正，以使整个传感系统更加稳定。因此，对于可以实现直接传感，同时具有高精度、适应性强、稳定性佳的可穿戴传感器及其系统的需求迫切。
发明内容
为此，本发明提供一种脊柱和肢体关节传感系统及其控制方法，以解决现人体姿态数据难以全天实时准确获取的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据本发明的第一方面，公开了一种脊柱和肢体关节传感系统，所述系统包括：可穿戴自驱动传感器和信号处理组件，所述可穿戴自驱动传感器穿戴在人体脊柱或肢体关节处，通过采集机械能，并将机械能转化为电能，为传感系统提供传感信号源，所述信号处理组件实时采集所述可穿戴自驱动传感器输出的电信号，并通过无线传输设备传送至移动终端进行显示。
进一步地，所述可穿戴自驱动传感器包括：定子部、转子部和盖子部，所述定子部、转子部和盖子部自下往上同轴安装，所述盖子部，用于封装可穿戴自驱动传感器顶部，所述转子部包括：转子粘性薄膜、转子外壁、转子主体、转子柔性电路板、卷簧组件、连接轴、绳索件；所述定子部包括：定子粘性薄膜、支撑底座、摩擦介电层、螺丝、螺帽，定子柔性电路板、电位器；当所述可穿戴自驱动传感器件中所述绳索件受到外界机械应力而被拉伸或收缩时，所述转子部相对定子部发生转动。
进一步地，所述转子粘性薄膜和所述定子粘性薄膜均为双面胶带，所述转子粘性薄膜用于将所述转子柔性电路板贴附于所述转子外壁，所述定子粘性薄膜用于将所述定子柔性电路板贴附于支撑底座内壁。
进一步地，所述转子柔性电路板，用于制作摩擦纳米发电机的摩擦层电极，具有周期性的栅格电极结构，所述定子柔性电路板，用于制作摩擦纳米发电机的感应电极，具有周期性的叉指栅格电极结构，定子柔性电路板的叉指栅格电极总数是所述转子柔性电路板的栅格电极总数的正整数倍，所述转子柔性电路板、所述定子柔性电路板与所述摩擦介电层三者等宽对齐。
进一步地，所述摩擦介电层，用于制作摩擦纳米发电机的摩擦层，包括得电子能力强的各类聚合物摩擦层材料，贴附在所述定子柔性电路板上或所述转子柔性电路板表面。
进一步地，所述电位器与连接轴机械嵌入连接，用于随所述连接轴同步转动，所述连接轴、电位器、所述转子、所述定子及所述盖子同轴垂直排列，所述绳索件，缠绕于所述转子主体，一端固定于所述转子主体，另一端可沿任意方向拉伸或收缩，所述卷簧组件，用于所述绳索件拉伸和收缩时存储或释放机械能。
进一步地，所述支撑底座内壁贴附有定子柔性电路板，支撑底座的外侧壁设置有螺丝和螺帽，所述螺丝和螺帽用于调节所述转子和所述定子的接触紧密程度，以控制输出电信号为最佳。
进一步地，所述信号处理组件包括：信号采集模块、信号处理模块、无线通信模块和移动终端，所述信号采集模块对可穿戴自驱动传感器输出的电信号进行采集与数字化；所述信号处理模块对采集的所述电信号进行处理，得到所述绳索件的拉伸矢量位移信息；所述无线通信模块将所述矢量位移信息通过无线传输并发送至移动终端；所述移动终端，用于对所述矢量位移信息进行再处理、显示和存储。
根据本发明的第二方面，公开了一种脊柱和肢体关节传感系统的控制方法，所述方法为：
可穿戴自驱动传感器件中所述绳索件受到外界机械应力而被拉伸或收缩时，卷簧组件存储或释放机械能，同时摩擦介电层与所述柔性电路板电极组成的摩擦纳米发电机向外输出交流电信号；外机械应力包括：各种人肢体关节活动能、脊柱弯曲动能、外界物理动能和生物动能；摩擦纳米发电机输出的交流电信号包括波峰和波谷以及输出的信号波形图，用于对绳索件的拉伸位移进行计算；电位器两端的电压信号，用于对绳索件的拉伸方向进行计算分析。
进一步地，所述可穿戴自驱动传感器收集脊柱和肢体关节活动的生物机械能，利用所述摩擦纳米发电机原理将机械能转化成传感电信号，通过所述信号调理电路获得所述绳索件的拉伸位移；同时对所述电位器两端的电压信号进行检测，通过信号调理电路计算获得所述绳索件的拉伸位移方向；利用所述可穿戴自驱动传感器可以实现对脊柱弯曲的监测和肢体关节活动的传感。
本发明具有如下优点：
本发明公开了一种脊柱和肢体关节传感系统及其控制方法，通过可穿戴自驱动传感器采集人体脊柱和肢体关节处的生物机械能，通过转子部与定子部之间组成的摩擦纳米发电机向外输出交流信号，摩擦纳米发电机输出的交流电信号包括波峰和波谷以及输出的信号波形图，用于对绳索件的拉伸位移进行计算；电位器两端的电压信号，用于对绳索件的拉伸方向进行计算分析。信号处理组件对电信号进行处理，并通过移动终端进行显示，利用可穿戴自驱动传感器可以实现对脊柱弯曲的监测和肢体关节活动的传感，能够随时随地获取人体姿态信息，高精度、适应性强、稳定性佳，满足研究需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的一种脊柱和肢体关节传感系统架构图；
图2为本发明实施例提供的一种脊柱和肢体关节传感系统的穿戴自驱动传感器爆炸结构图；
图3为本发明实施例提供的一种脊柱和肢体关节传感系统的实验数据图；
图4为本发明实施例提供的一种脊柱和肢体关节传感系统的实验数据图；
图5为本发明实施例提供的一种脊柱和肢体关节传感系统的控制方法流程图；
图中：1-盖子部、2-转子部、3-定子部、20-信号处理组件、21-连接轴、22-绳索件、23-转子主体、24-卷簧组件、25-转子外壁、26-转子柔性电路板、31-电位器、32-螺丝及螺帽、33-摩擦介电层、34-定子柔性电路板、35-支撑底座。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参考图1，本实施例公开了一种脊柱和肢体关节传感系统，所述系统包括：可穿戴自驱动传感器和信号处理组件20，所述可穿戴自驱动传感器穿戴在人体脊柱或肢体关节处，通过采集机械能，并将机械能转化为电能，为传感系统提供传感信号源，所述信号处理组件20实时采集所述可穿戴自驱动传感器输出的电信号，并通过无线传输设备传送至移动终端进行显示。
参考图2，可穿戴自驱动传感器包括：定子部3、转子部2和盖子部1，所述定子部3、转子部2和盖子部1自下往上同轴安装，所述盖子部1，用于封装可穿戴自驱动传感器顶部，所述转子部2包括：转子粘性薄膜、转子外壁25、转子主体23、转子柔性电路板26、卷簧组件24、连接轴21、绳索件22；所述定子部3包括：定子粘性薄膜、支撑底座35、摩擦介电层33、螺丝螺帽32，定子柔性电路板34、电位器31；当所述可穿戴自驱动传感器件中所述绳索件22受到外界机械应力而被拉伸或收缩时，所述转子部2相对定子部3发生转动。
转子粘性薄膜和所述定子粘性薄膜均为双面胶带，所述转子粘性薄膜用于将所述转子柔性电路板26贴附于所述转子外壁25，所述定子粘性薄膜用于将所述定子柔性电路板34贴附于支撑底座35内壁。转子柔性电路板26，用于制作摩擦纳米发电机的摩擦层电极，具有周期性的栅格电极结构，所述定子柔性电路板34，用于制作摩擦纳米发电机的感应电极，具有周期性的叉指栅格电极结构，定子柔性电路板34的叉指栅格电极总数是所述转子柔性电路板26的栅格电极总数的正整数倍，在本实施例中设置为两倍，转子柔性电路板26、所述定子柔性电路板34与所述摩擦介电层33三者等宽对齐。
摩擦介电层33，用于制作摩擦纳米发电机的摩擦层，包括各类得电子能力强的聚合物摩擦层材料，例如聚酰亚胺(Kapton)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)等，贴附在所述定子柔性电路板34上或所述转子柔性电路板26表面。
电位器31与连接轴21机械嵌入连接，用于随所述连接轴21同步转动，所述连接轴21、电位器31、所述转子、所述定子及所述盖子同轴垂直排列，所述绳索件22，缠绕于所述转子主体23，一端固定于所述转子主体23，另一端可沿任意方向拉伸或收缩，所述卷簧组件24，用于所述绳索件22拉伸和收缩时存储或释放机械能。
支撑底座35内壁贴附有定子柔性电路板34，支撑底座35的外侧壁设置有螺丝螺帽32，所述螺丝螺帽32用于调节所述转子和所述定子的接触紧密程度，以控制输出电信号为最佳。
信号处理组件20包括：信号采集模块、信号处理模块、无线通信模块和移动终端，所述信号采集模块对可穿戴自驱动传感器输出的电信号进行采集与数字化；所述信号处理模块对采集的所述电信号进行处理，得到所述绳索件22的拉伸矢量位移信息；所述无线通信模块将所述矢量位移信息通过无线传输并发送至移动终端；所述移动终端，用于对所述矢量位移信息进行再处理、显示和存储。
在一个具体例子中，采用VHB纳米双面胶带为粘性薄膜；利用3D打印技术，使用光固化材料或树脂材料等来打印所需的盖子部1、转子部2中的连接轴21、转子主体23、转子外壁25，以及定子部3的支撑底座35；摩擦介电层33采用得电子能力强的聚酰亚胺材料，定制卷簧、柔性电路板，其中柔性电路板采用裸铜沉金工艺，以增强其导电率和耐腐蚀性。为了测试可穿戴自驱动传感器对肢体关节的传感能力，在不使用电位器31的情况下，以膝关节的弯曲活动为例，将封装好的可穿戴自驱动传感器固定在膝关节一端，绳索件22拉伸至另一端固定。当膝关节分别以低速、中速和快递的弯曲速度活动时，得到如图3中的实验数据图，从图中可以看出，具有不同频率的输出电压信号表示不同的膝关节弯曲速度，其中电压的峰值数量反应了绳索件22拉伸的位移量大小。
为了验证器件对脊柱的动态传感能力，采用高精度、高线性度的SV01A103A电位器31与连接轴21机械嵌入连接，封装设计了脊柱监测传感系统。为了进行脊柱弯曲传感实验，将该传感器贴附于受试者脊柱的胸椎段体表，其中一端固定在腰椎棘突L1，绳索件22的另一端固定在颈椎棘突C7。测试数据结果如图4所示，图中的类似正弦周期波信号为摩擦纳米发电机(TENG)的输出电压信号，线条状信号为电位器31两端输出电压信号。另外，图中的数字“1”代表受试者从正常姿态往前弯腰，而“e”代表回到正常姿态，而“&”和“a”重复了“1”和“e”的动作，“2”代表受试者从正常姿态向后弯曲，“e”代表回到正常的姿态，而“&”和“a”重复了“2”和“e”的动作。通过对图中的TENG输出电压信号进行处理可获得绳索件22的拉伸位移量，对图中的电位器31的输出电压信号进行处理可获得绳索件22的拉伸位移方向，基于对以上两组电信号的处理，便可实现对脊柱弯曲而导致的拉伸位移量的定量分析，从而实现对脊柱的动态传感或姿态监测。
实施例2
本实施例公开了一种脊柱和肢体关节传感系统的控制方法，所述方法为：
可穿戴自驱动传感器件中所述绳索件受到外界机械应力而被拉伸或收缩时，卷簧组件24存储或释放机械能，同时摩擦介电层33与所述柔性电路板电极组成的摩擦纳米发电机向外输出交流电信号；外机械应力包括：各种人肢体关节活动能、脊柱弯曲动能、外界物理动能和生物动能；摩擦纳米发电机输出的交流电信号包括波峰和波谷以及输出的信号波形图，用于对绳索件22的拉伸位移进行计算；电位器31两端的电压信号，用于对绳索件22的拉伸方向进行计算分析。
可穿戴自驱动传感器收集脊柱和肢体关节活动的生物机械能，利用所述摩擦纳米发电机原理将机械能转化成传感电信号，通过所述信号调理电路获得所述绳索件22的拉伸位移；同时对所述电位器31两端的电压信号进行检测，通过信号调理电路计算获得所述绳索件22的拉伸位移方向；利用所述可穿戴自驱动传感器可以实现对脊柱弯曲的监测和肢体关节活动的传感。
参考图5，具体的流程为：
S11、实时采集所述可穿戴自驱动传感器输出的电信号；
S12、处理所述电信号得到绳索件22拉伸的矢量位移信息；
S13、将所述矢量位移信息传输至移动终端；
S14、移动终端显示并保存数据。
具体而言，当可穿戴自驱动传感器件中的绳索件受到外界机械应力而被拉伸或收缩时，卷簧组件24将会存储或释放机械能，转子相对定子发生转动。传感器件中摩擦介电层33与柔性电路板电极所组成的摩擦纳米发电机，在摩擦起电和静电感应的耦合作用下，将会向外输出电信号。由于连接轴21与电位器31机械嵌入连接，连接轴21的运动将带动电位器31两端的阻值发生变化，因此转子相对运动时，电位器31两端也将同步产生变化的电压信号。通过采集并分析处理TENG和电位器31这两组电信号，将会得到绳索件22拉伸的矢量位移信息，将这些矢量位移信息传输至移动终端，移动终端显示并记录数据，便可实现对脊柱或肢体关节活动的传感或监测。能够随时获取人体姿态数据，高精度、适应性强、稳定性佳，满足研究需求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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