分布式電磁人體運動檢測裝置的製作方法

2023-06-04 12:07:01 2

專利名稱：分布式電磁人體運動檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明為一種分布式電磁人體運動檢測裝置，屬於電子技術領域。
隨著工程仿生學，運動醫學，機器人控制及大規模網絡虛擬實境技術的發展，迫切需要人體運動檢測裝置的微型化，無源化及精確化。現有的人體運動檢測裝置有如下幾種其一是，固定視場中的多視角合成裝置，一般通過特定空間中分布的CCD鏡頭從不同角度攝取活體運動圖象，再按照一定的空間關係重構運動過程。其二是利用超聲波，紅外光波及無線電磁波在固定發射位置的三點定位方法，確定活體的運動絕對坐標；其三是利用機械與檢測元件特性的物理變化檢測人體運動中，各個運動肢體間的相對運動關係，如應變片式分布角度傳感系統，光纖數據衣，數據手套(這也是目前比較流行的活體運動檢測裝置)；其四是利用加速度傳感器及慣性導航系統結合，構成六自由度空間位置傳感器。前兩者的缺點是運動者必須處於特定的環境中，後兩者的缺點是運動者必須附著或穿戴複雜的檢測設備。另外，光纖數據衣及光纖數據手套等造價昂貴，使系統的應用受到限制。
本發明一種電磁分布式人體運動檢測裝置，其目的是可以彌補現有活體運動檢測裝置的缺陷，滿足工程需要，該裝置操作使用簡單方便，且成本造價較低。
本發明是一種分布式電磁人體運動檢測裝置，該裝置由若干固定在人肢體上的無線發射線圈稱發射器1、無線接收線圈稱接收器2、控制及信號處理硬體電路3、主機算計(PC)4及裝置軟體組成；該發射器1包括尼龍線圈骨架11和漆包線12，漆包線纏12繞在骨架11上，構成空心線圈；該接收線器2包括尼龍骨架21、漆包線22及諧振電容23，漆包線22纏繞在骨架21上，構成空心線圈，它作為諧振電感，諧振電容23與諧振電感並聯，構成接收諧振電路；該控制及信號處理硬體電路3，由單片機31、振蕩器32、發射電子開關33、發射功放34、接收電子開關35、接收信號放大器36、檢波37、接收信號調零38、A/D轉換39、串口及電源40等部分組成；其連接關係是單片機31分別連接串口及電源40、連接A/D轉換39、連接發射電子開關33、連接接收電子開關35，振蕩器32分別連接發射電子開關33、連接檢波37，發射電子開關33連接發射功放34，發射功發34連接發射器1，A/D轉換39連接接收信號調零38，接收信號調零38連接檢波37，檢波37連接接收信號放大器36，接收信號放大器36連接接收電子開關35，接收電子開關連接接收器2，串口及電源40分別連接主計算機4；其中單片機31的主要功能是控制發射器和接收器對的選擇、A/D轉換39控制、接收信號濾波處理及與主計算機4的通訊等，這些功能全部由採樣軟體實現；振蕩器32是方波發生器，振蕩頻率100KHz；發射電子開關33為單刀多擲開關，單路進多路出(路數由檢測角度數量決定)；接收電子開關35為單刀多擲開關，多路進(路數由檢測角度數量決定)單路路出，電子開關33、35導通選擇由單片機31控制；接收信號放大器36為普通運算放大器，放大倍數10倍；檢波37由可控開關及採樣保持電路組成，兩個開關控制端分別由發射方波的振蕩器32的高低電平控制，當方波處於正半周時，開關A導通，開關B截止，採樣保持器A保持，當方波處於負半周時，開關A截止，開關B導通，採樣保持器B保持，得到接收角度信號；接收信號調零38，使接收信號保持在0-5V之間；A/D轉換39，將接收的訊號轉換為數位訊號，要求A/D轉換39採用逐次逼近式轉換器，解析度12bit，轉換速度10μs左右；串口40，將單片機採得的31將採得的信號經濾波處理後通過串口40通過傳送給主計算機(PC)4，同時，硬體板上的電源+12V、-12V、+5V、-5V均通過串口電纜由主計算機(PC)4提供；該主機算計(PC)4，用於提供硬體板電源，並通過RS232異步通訊口與硬體板通訊，將裝置檢測的數據進行圖象重構，實時顯示人體運動過程；該裝置的系統軟體主程序由兩部分組成一．發射、接收硬體電路中的單片機控制軟體，它的作用主要是分時控制發射器和接收器對的選擇，同時，對所測得的信號進行濾波處理消除幹擾，再將信息通過RS232串口40傳送給主機算計4；二、主計算機軟體，它的主要功能是將接收的信號進行圖象重構，在屏幕上實時顯示被測目標的運動狀態。
該裝置的安裝及工作過程如下1．安裝●相鄰肢體間彎曲角度的測量。將發射器1和接收器2分別安裝於相鄰肢體上，使發射器1與接收器2的軸線夾角與肢體間被測夾角重合，且運動過程中兩者的距離應在15cm-30cm之間變化。
●同一肢體的扭轉角度的測量。將發射器1和接收器2分別安裝於被測肢體的不同位置上，使發射器1與接收器2的軸線的夾角與肢體的扭轉角度重合，兩者的距離為10cm-20cm。
●彎曲角度和扭轉角度的測量可以分時共用發射器1或接收器2，見實施例。
●控制及信號處理硬體電路3製成一盒體，被測者可隨身攜帶，可懸掛於腰間或放於口袋中，通過串口電纜與主計算機相連。2．工作過程打開主計算機電源，運行主程序，計算機上便可實時顯示被測者的運動狀態。本發明一種分布式電磁人體運動檢測裝置，其優點和獨特之處是1．利用微型無線發射和接收器檢測人體運動肢體間的相對角度，使運動檢測過程擺脫周圍環境的影響，與常規電磁人體運動檢測裝置的由固定大功率發射，被測者只安裝接收器的思路有著本質的不同。
2．所測數據量小且直觀，不需要進行複雜的坐標變換處理，因而，增強了裝置檢測的實時性，簡化了主機算計的後續處理過程。
3．本裝置體積小、重量輕、價格便宜，測量速度及精度可滿足一般的工業及商業要求。
本發明具有如下附圖

圖1a．發射器結構及參數1b．接收器結構及參數2．分布式電磁人體運動檢測裝置原理方框3a．發射振蕩器電路圖3b．發射電子開關電路圖3c．接收電子開關電路圖3d．發射功放電路圖4a．接收信號放大電路圖4b．接收信號調零電路圖5a．接收信號檢波電路圖5b．接收信號電路調試波形圖6．A/D轉換電路圖7．串口及電源電路圖8．裝置主軟體流程9．裝置數據採集軟體流程10．單臂運動檢測發射器及接收器的位置安裝圖11．單臂運動檢測發射器及接收器分時檢測時序12．單臂運動檢測瞬間狀態圖13a、b、c控制及信號處理硬體電路圖。圖中標號如下1．發射器 11．發射器尼龍骨架 12．發射器漆包線2．接收器 21．接收器尼龍骨架 22．接收器漆包線23．接收器諧振電容3．控制及信號處理硬體電路31．單片機(CPU) 32．振蕩器 33．發射電子開關34．發射功放 35．接收電子開關36．接收信號放大器37．檢波 38．接收信號調零 39．A/D轉換40．串口及電源4．主機算計(PC)茲配合附圖詳細說明如下本發明是一種分布式電磁人體運動檢測裝置，由若干個固定在人肢體上的無線發射線圈稱發射器1、無線接收線圈稱接收器2，控制及信號處理硬體電路3，主機算計(PC)4及裝置系統軟體組成；發射器1本發明中發射器是空心線圈，其結構尺寸如圖1a所示，尼龍骨架11的外沿直徑為15mm，內孔徑為8mm，內孔外徑為10mm。線徑0.11的漆包線12繞在骨架11上300匝左右，線圈內阻40Ω。
接收器2本發明中接收器2是LC皆振電路，其線圈的結構尺寸如圖1b所示，尼龍骨架21及漆包線22的參數與發射器1相同，線圈匝數為400匝左右，線圈內阻50Q，諧振電容23約為6300pf，諧振線圈匝數及諧振電容值的選擇應根據振蕩器32的振蕩頻率選定，用戶可根據實際情況自定。
該控制及信號處理電路3如圖13a、b、c所示，該硬體電路包括有單片機31、振蕩器32、發射電子開關33、發射功放34、接收電子開關35、接收信號放大器36、檢波37、接收信號調零38、A/D轉換39、串口及電源40等部分組成；其中單片機31選用現有產品，型號為89C51單片機，帶有片上FLASH ROM4K字，它與外設的連接如圖2所示。
振蕩器32產生方波信號，佔空比為50％，頻率100KHZ，由晶振及六反向器CD4069現有產品構成，如圖3a所示，產生發射器的發射信號。
發射電子開關33本發明是分布式檢測裝置，裝置只有一個振蕩器產生發射信號，各發射器、接收器分時選通，進行角度測量，所以，通過發射電子開關33分時選通各發射器。發射電子開關33選用現有產品，型號為max4581，選通時間及順序由單片機31的三個I/O口控制選通端ABC實現，如圖3b所示。
接收電子開關35發射信號經接收器2選擇出來，再經過接收電子開關35，分時選通相應的接收器2，接收電子開關35選用現有產品，型號為max4581，選通時間及順序由單片機31控制選通端ABC實現，如圖3c所示。
發射功放34發射信號的功率為200mW，選用現有產品，型號為ULN2003作功放，如圖3d所示。
接收信號放大器36將接收信號放大10倍，電路如圖4a所示，由現有產品LF347構成。
接收信號調零38調整接收信號範圍，使其處於0-5V，如圖4b所示。
檢波37選用現有的可控開關，型號為CD4066及採樣保持電路組成，如圖5a所示，開關控制端A,B由方波振蕩器的電平控制，當方波處於正半周時，開關A導通，開關B截止；當方波處於負半周時，開關A截止，開關B導通，各點波形如圖5b所示。
A/D轉換39採用逐次逼近式A/D轉換器，解析度12bit，速度10μs，選用現有產品，型號為max144，如圖6所示。
串口及電源40單片機31通過兩個I/O口TXD、RXD，經RS232異步通訊由電平轉換晶片max3222實現與主機算計4的通訊，同時，整個電路板的電源全部由PC通過串口電纜提供如圖7所示，有兩組±12VH和±5V。
主計算機4選用586,16M以上內存的計算機即可。
裝置軟體流程如圖8、圖9所示。圖8為主機算計PC的軟體，將所採數據進行圖象重構，實現屏幕實時顯示人體運動過程。圖9為單片機31的數據採集軟體，實現發射器、接收器對的分時順序控制，圖中CH為通道數。
實施例為單臂運動檢測裝置，圖10為發射器、接收器的安裝圖，圖中各發射器、接收器的檢測定義如下1——腕部彎曲發射線圈2——腕部彎曲及小臂扭曲接收線圈3——小臂彎曲及扭曲發射線圈4——小臂彎曲及大臂扭曲接收線圈5——大臂扭曲及大臂組合運動發射線圈6——大臂垂直運動接收線圈7——大臂水平運動接收線圈8——傳感器(線圈)固定帶發射、接收分時順序如圖11所示，共需三個發射器，四個接收器，每40ms檢測一個動作，循環往復不斷檢測手臂運動狀態。
圖12為一個檢測瞬間的效果，圖中前景為人的手臂的實際動作，背景計算機上為根據檢測數據重構的手臂動作姿態。顯然，裝置檢測效果良好。
權利要求
1.一種分布式電磁人體運動檢測裝置，其特徵在於該裝置由若干固定在人肢體上的無線發射線圈稱發射器(1)、無線接收線圈稱接收器(2)、控制及信號處理硬體電路(3)、主機算計(4)及裝置系統軟體組成；該發射器(1)包括尼龍線圈骨架(11)和漆包線(12)，漆包線纏(12)繞在骨架(11)上，構成空心線圈；該接收線器(2)包括尼龍骨架(21)、漆包線(22)及諧振電容(23)，漆包線(22)纏繞在骨架(21)上，構成空心線圈，它作為諧振電感，諧振電容(23)與諧振電感並聯，構成接收諧振電路；該控制及信號處理硬體電路(3)，由單片機(31)、振蕩器(32)、發射電子開關(33)、發射功放(34)、接收電子開關(35)、接收信號放大器(36)、檢波(37)、接收信號調零(38)、A/D轉換(39)、串口及電源(40)組成；其連接關係是單片機(31)分別連接串口及電源(40)、連接A/D轉換(39)、連接發射電子開關(33)、連接接收電子開關(35)，振蕩器(32)分別連接發射電子開關(33)、連接檢波(37)，發射電子開關(33)連接發射功放(34)，發射功發(34)連接發射器(1)，A/D轉換(39)連接接收信號調零(38)，接收信號調零(38)連接檢波(37)，檢波(37)連接接收信號放大器(36)，接收信號放大器(36)連接接收電子開關(35)，接收電子開關(35)連接接收器(2)，串口及電源(40)分別連接主計算機(4)；該主機算計(4)，用於提供電源，並通過RS232異步通訊口與控制及信號處理硬體電路(3)通訊，將裝置檢測的數據進行圖象重構，實時顯示人體運動過程；該裝置的系統軟體主程序由兩部分組成一．發射、接收硬體電路中的單片機控制軟體，它的作用主要是分時控制發射器和接收器對的選擇，同時，對所測得的信號進行濾波處理消除幹擾，再將信息通過RS232串口(40)傳送給主機算計(4)；二．主計算機軟體，它的主要功能是將接收的信號進行圖象重構，在屏幕上實時顯示被測目標的運動狀態。
2.根據權利要求1所述的一種分布式電磁人體運動檢測裝置，其特徵在於該控制及信號處理硬體電路(3)，其中單片機(31)的主要功能是控制發射器(1)和接收器(2)對的選擇、A/D轉換39控制、接收信號濾波處理及與主計算機(4)的通訊；振蕩器(32)是方波發生器，振蕩頻率100KHz；發射電子開關(33)為單刀多擲開關，單路進多路出(路數由檢測角度數量決定)；接收電子開關(35)為單刀多擲開關，多路進(路數由檢測角度數量決定)單路路出，發射、接收電子開關(33)、(35)導通選擇由單片機(31)控制；接收信號放大器(36)為普通運算放大器，放大倍數10倍；檢波(37)由可控開關及採樣保持電路組成，兩個開關控制端分別由發射方波的振蕩器(32)的高低電平控制，當方波處於正半周時，開關A導通，開關B截止，採樣保持器A保持，當方波處於負半周時，開關A截止，開關B導通，採樣保持器B保持，得到接收角度信號；接收信號調零(38)，使接收信號保持在0-5V之間；A/D轉換(39)，將接收的訊號轉換為數位訊號，要求A/D轉換(39)採用逐次逼近式轉換器，解析度12bit，轉換速度10μs左右；串口及電源(40)，將單片機(31)採得的信號經濾波處理後通過串口及電源(40)傳送給主計算機(4)，同時，硬體板上的電源+12V、-12V、+5V、-5V均通過串口電纜由主計算機(4)提供。
全文摘要
一種分布式電磁人體運動檢測裝置,該裝置由發射器(1)、接收器(2)、控制及信號處理硬體電路(3)、主機算計(4)及裝置系統軟體組成;其中:該控制及信號處理硬體電路(3),包括有單片機、振蕩器、發射電子開關、發射功放、接收電子開關、接收信號放大器、檢波、接收信號調零、A/D轉換、串口及電源組成;該主機算計(4),用於提供電源,並通過RS232異步通訊口與控制及信號處理硬體電路(3)通訊,系統軟體包括有單片機控制軟體和主計算機軟體。
文檔編號G06F17/00GK1312050SQ0010280
公開日2001年9月12日 申請日期2000年3月6日 優先權日2000年3月6日
發明者鄭紅 申請人:鄭紅