一種用於人體運動模態識別的電容傳感系統的製作方法
2023-06-14 22:33:16
專利名稱：一種用於人體運動模態識別的電容傳感系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電容傳感系統，特別是關於一種在智能肢體控制領域中用於人體運動模態識別的電容傳感系統。
背景技術：
智能肢體是20世紀末到21世紀初發展起來的新興技術，主要包括外骨骼和智能假肢兩大類。其主要功能特點是能夠根據外界條件的變化(即人動作的變化)自動調整肢體系統的參數，使其運動自如，為人提供助力或肢體替代。其在軍事、康復醫療以及助殘等領域有廣闊的應用前景。智能肢體除了肢體結構本身以外還包括感知部分、控制決策部分和驅動部分。 智能肢體的控制策略依賴於不同的運動模態，如上下樓梯、平地走等。最理想的運動狀態是假肢隨著人運動模態而改變，具有自適應功能。因此需要智能肢體的傳感系統能夠感知人下肢運動模式的狀態和變化。目前市場上絕大部分的智能假肢和外骨骼產品都不能自動識別運動模態，模態的切換需要手動開關完成，實際應用中有很多不便。因此需要能夠感知運動模態的傳感系統。目前在該領域上應用到的傳感系統主要有以下幾類(1)以慣導模塊(MU)為主的慣性傳感器，採集下肢運動的傾角、關節角度以及加速度等信息。(2)足底壓力傳感器，採集足底壓力信息。(3)以肌電信號傳感器(EMG)為主的生物信號傳感系統，採集人的生物信號。然而，這幾類傳感系統存在著很多問題，慣導模塊和足底壓力傳感器採集的信息會有滯後，經過信號調理、運算再到控制決策，經過的時間相對較長，實時性受到很大影響。為了得到更多的步態信息，傳感器節點的數必須足夠多，這樣，帶來了更多的噪音。肌電信號傳感器米集肌肉收縮時皮膚表面的生物電信號，由於信號微弱(為uV級別的電壓)，電路系統設計的成本很高。因此，該領域仍然需要性能更優良成本更低廉的傳感系統。電容識別技術是基於電容耦合原理，廣泛應用於檢測接近、溼度、液面等。一些研究人員利用電容識別技術對人體動作進行識別，比如利用人體電容觸發的觸控螢幕和用於檢測病人是否在床上的床用人體介質電容傳感器。但是，目前還沒有具體應用到人體下肢運動模態識別的研究和設備。利用人體電容觸發的觸控螢幕和用於檢測病人是否在床上的床用人體介質電容傳感器，是將人體和設備中的金屬電極耦合為電容，利用電容的變化測量開關量(是否接觸觸控螢幕和病人是否在床上)，與人體屬於分立的系統，技術手段不能夠直接應用於人體運動模態識別。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種延時小、成本低廉，穿戴式的用於人體運動模態識別的電容傳感系統。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於它包括兩個分別設置在人體大腿和小腿處的電容環、驅動單元、信號處理單元和上位機，每個所述電容環均由一個發射電極、若干個接收電極和一個熱塑環構成，所述發射電極和各接收電極間隔設置在所述熱塑環內側，所述驅動單元和信號處理單元構成主電路；兩個所述電容環的發射電極連接所述驅動單元，由所述驅動單元輸出的交流正弦波信號作為所述發射電極的激勵源；兩個所述電容環的各接收電極均連接一分壓電阻，構成串聯迴路，所述分壓電阻上的分壓信號輸入所述信號處理單元內轉換為數字量後，輸入所述上位機完成對人體不同運動模態的識別。所述發射電極和各接收電極均採用銅片，所述熱塑環由熱塑材料構成。在所述熱塑環上，相鄰兩個所述電極之間固定一絕緣橡膠。所述主電路包括所述驅動單元和信號處理單元，還包括電源模塊，所述驅動單元和信號處理單元均由所述電源模塊供電；所述驅動單元包括波形發生電路和驅動電路，所述波形發生電路產生固定頻率的正弦波信號，輸入所述驅動電路內，由所述驅動電路為正弦波信號提供電流驅動，並放大至合適的電壓幅值範圍後，輸出至兩個所述電容環的發射 電極；所述信號處理單元包括RMS轉換電路、主控制器和串口電平轉換電路，所述RMS轉換電路將接收到的所述分壓電阻上的交流電壓信號轉換成交流電壓有效值，輸入所述主控制器內，由所述主控制器內的AD轉換模塊轉換成數字量，並由所述主控制器進行數字濾波後，將數字量信號經所述串口轉換電路將I/O電平轉換至RS232電平後輸入所述上位機。所述波形發生電路採用MAX038波形發生晶片。所述驅動電路包括四排阻和兩個相同的放大器，所述波形發生電路輸出的正弦波經所述四排阻後，再經兩個所述放大器分別向設置在大腿處的所述電容環發射電極和設置在小腿處的所述電容環發射電極提供正弦波信號；兩個所述放大器均採用TL3474運放晶片。所述RMS轉換電路採用AD637晶片。所述主控制器採用STM32F103系列單片機，其內核是ARM cortex-M3，主頻最高72MHz，最多有10路I/O 口復用AD轉換通道，轉換精度為12bit，最高採樣率1MHz。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由於採用兩個分別設置在人體大腿處和小腿處的電容環，通過電容環測量大腿和小腿部位由於運動時的肌肉形變產生的電容值的變化，來間接識別出人體運動的規律。該系統比慣導系統和足底壓力傳感器延時小，比商用的EMG採集設備成本低廉，而且可以穿戴。2、本發明由於採用電容環由發射電極、若干接收電極和熱塑環組成，發射電極和接收電極間隔設置在熱塑環上，使得電容環可以根據不同人的腿部形狀進行塑形，解決了個體差異，保證了穿戴的穩定性。本發明可以廣泛應用於智能肢體控制領域中。
圖I是本發明的整體原理示意圖；圖2是本發明的電容環結構示意圖；圖3是本發明的主電路結構示意圖；圖4是本發明的波形發生電路原理示意圖；圖5是本發明的驅動電路原理不意圖；圖6是本發明的RMS轉換電路原理示意圖7是本發明的主控制器功能示意圖。
具體實施例方式本發明利用電容識別的原理，在人體兩側加金屬電極，以人體為電介質，用電容的變化來反應下肢肌肉形變，從而識別不同的運動模態。下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖I、圖2所示，本發明包括兩個分別設置在人體大腿和小腿處的電容環I、驅動單元2、信號處理單元3和上位機4，每個電容環I均由一個發射電極T、若干個接收電極R和一個熱塑環5構成，發射電極T和各接收電極R間隔設置在熱塑環5內側，可同時採集腿部多個部位的電容信息；且驅動單元2和信號處理單元3構成本發明的主電路。 兩個電容環I的發射電極T連接驅動單元2，由驅動單元2輸出的交流正弦波信號作為發射電極T的激勵源；兩個電容環I的各接收電極R均連接一分壓電阻R。，構成串聯迴路，分壓電阻R。上的分壓信號輸入信號處理單元3內轉換為數字量後，輸入上位機4，完成對人體不同運動模態的識別。其工作原理為電容環I的發射電極T、接收電極R和位於發射電極T與接收電極R中間處由人體構成的電介質形成人體電容Cbtjdy，由電容公式C= e (S/d)可知，當電極面積S和電極之間的距離d固定時，電容值C由電介質常數e決定其大小。因此，本發明可以通過測量大腿和小腿部位由於運動時的肌肉形變產生的人體電容Cbtjdy值的變化，來間接識別出人體運動的規律。而根據電容的阻抗Z=UcoC)-1可知，當頻率《固定，通過測量電容的阻抗Z可以得到電容值C的大小。由於人體電容Cbtjdy和分壓電阻R。構成串聯迴路，因此人體電容Cbtjdy的變化會造成分壓電阻R。上的分壓發生變化。兩個電容環I在驅動單元2的驅動下，分別檢測大腿和小腿部位由於運動時的肌肉形變產生的電容值變化信號，分壓電阻R。上的分壓信號隨著兩個電容環I輸出電容值的變化而變化，通過分壓電阻R。上的分壓信號可以表徵出大腿和小腿的運動規律。而分壓電阻R。上的分壓信號由信號處理單元3轉換為數字量，輸入上位機4進行運動模態識別。上述實施例中，發射電極T和各接收電極R均採用銅片，銅片大小為2. 5 X 5cm,但不局限於此值，銅片尺寸可以根據熱塑環5的形狀和尺寸確定。熱塑環5由熱塑材料構成，這種熱塑材料在70攝氏度以上可任意塑形，在常溫時回復其原有的硬度。因此，電容環I可以根據不同人的腿部形狀進行塑形，解決了個體差異，保證了穿戴的穩定性。為了避免穿戴過程中汗液的影響，還可以在熱塑環5上相鄰兩個電極之間固定一絕緣橡膠。如圖3所示，本發明的主電路最多可以採集10個通道的電容信號，其中，5個通道作為大腿處電容環I的電容信號，5個通道作為小腿處電容環I的電容信號。主電路除了驅動單元2和信號處理單元3外，還包括電源模塊6，驅動單元2和信號處理單元3均由電源模塊6供電。驅動單元2包括波形發生電路7和驅動電路8，波形發生電路7產生固定頻率的正弦波信號，輸入驅動電路8內，由驅動電路8為正弦波信號提供足夠的電流驅動，並放大至合適的電壓幅值範圍後，輸出至兩個電容環I的發射電極T。信號處理單元3包括RMS (有效值)轉換電路9、主控制器10和串口電平轉換電路11，RMS轉換電路9將接收到的分壓電阻Re上的交流電壓信號轉換成交流電壓有效值RMS，輸入主控制器10內，由主控制器10內的AD轉換模塊轉換成數字量，並由主控制器10進行數字濾波後，將數字量信號經串口轉換電路11將I/O電平轉換至RS232電平後輸入上位機4。上述實施例中，如圖4所示，波形發生電路7採用MAX038波形發生晶片，其產生IOOkHz的正弦波。MAX038是一款精準信號發生晶片，加上合適的外圍電路能夠產生0. IHz到20MHz的多種信號。在MAX038輸入端連接可變電阻R2，可以改變輸出波形的頻率。MAX038供電電源為5V和-5V，輸出信號Vtjut的幅值是2VPP。上述實施例中，由于波形發生電路7的輸出信號Vtjut幅值範圍是-IV IV，電流驅動能力小，直接加載到電容環I的發射電極T上會造成波形失真，影響信號質量，因此需要足夠的電流驅動。如圖5所示，驅動電路8包括四排阻RPl和兩個相同 的放大器81，波形發生電路7輸出的正弦波經四排阻RPl後，再經兩個放大器81分別向設置在大腿處的電容環I發射電極T和設置在小腿處的電容環I發射電極T提供正弦波信號。兩個放大器81均採用TL3474運放晶片，TL3474是一款四運放晶片，每個運放最大輸出電流是27mA，帶寬為4MHz，完全滿足信號頻率範圍。TL3474壓擺率為13V/us，保證了前一級波形發生電路7輸出的正弦波信號不失真。驅動電路8放大倍數是4倍，因此最終向大腿處電容環I發射電極T的輸出信號Cltjse和向小腿處電容環I發射電極T的輸出信號〔2。％的幅值範圍是_4V 4V。上述實施例中，如圖6所示，RMS轉換電路9採用AD637晶片，AD637是一款模擬運算晶片，計算輸入交流信號的有效值並輸出相應的直流電壓。其中，AD637的輸入端連接電容環I的接收電極R，CH為輸入的正弦波信號，AD為經AD637轉換後的輸出信號，直接輸入後級的主控制器10，Cl為濾波電容。由於人體電容Cbtjdy和分壓電阻R。構成串聯迴路，通過分壓電阻Rc上的分壓來反映人體電容的變化。本發明的主電路提取各接收電極R上的交流信號來測量分壓信號。當接收電極R上的原始信號為IOOkHz的正弦波信號時，其幅值隨人體電容Ctody的變化相應變化。根據有效值公式Ur=0. 707Usin2 ft，頻率f為IOOkHz保持固定，有效值Ur和電壓幅值U是線性關係。因此信號中的有用信息就是幅值信息，RMS轉換電路9就是將信號轉換為有效值電壓。上述實施例中，如圖7所示，主控制器10採用STM32F103系列單片機，其內核是ARM cortex-M3，主頻最高72MHz，最多有10路I/O 口復用AD轉換通道，轉換精度為12bit，最高採樣率1MHz，完全滿足本發明中信號提取和數據處理的需要。由於主電路最多可採集10個通道的電容信號，當主控制器10採用STM32F103系列單片機時，用於AD採樣的I/O 口是PAO PA7、PB0和PBl。STM32的AD轉換模塊可以分為規則通道組和注入轉換組，本實施例中，採用AD轉換模塊的規則通道組，連續轉換模式。為了節省CPU資源，AD轉換的結果通過DMA方式傳輸至單片機片SRAM。系統可以按照控制時序調用轉換結果。由於人正常行走時一個步態周期大概在I 2s，信號頻率範圍很低，大概在IOOHz以內。為得到更多的信息，用於信號特徵值計算和識別，AD採樣率為1kHz。為了濾去信號中的噪音，在STM32F103系列單片機中採用了一階滯後濾波。由於電容信號本身頻率很低，噪聲信號相對有用信號頻率較高，因此適合採用一階滯後濾波，濾波器公式為
NewValue= (l~a) X AD_Converted+aX OldValue, a G (0,1),其中，AD_Converted為本次AD採樣值,OldValue為上次濾波結果,NewValue為本次結果，滯後程度取決於滯後係數a。最終濾波得到的數據傳輸至上位機4，主控制器10控制著數據發送的時序，本實施例中，採用單片機內部的SysTick中斷來控制時序，SysTick中斷每Ims觸發一次,中斷函數中執行濾波程序，同時通過標誌位來控制主函數何時發送數據。每Ims發送一個數據包，包含著10個通道的電容信號數據。其數據格式為
權利要求
1.一種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於它包括兩個分別設置在人體大腿和小腿處的電容環、驅動単元、信號處理單元和上位機，每個所述電容環均由ー個發射電極、若干個接收電極和ー個熱塑環構成，所述發射電極和各接收電極間隔設置在所述熱塑環內側，所述驅動単元和信號處理單元構成主電路；兩個所述電容環的發射電極連接所述驅動単元，由所述驅動單元輸出的交流正弦波信號作為所述發射電極的激勵源；兩個所述電容環的各接收電極均連接一分壓電阻，構成串聯迴路，所述分壓電阻上的分壓信號輸入所述信號處理單元內轉換為數字量後，輸入所述上位機完成對人體不同運動模態的識別。
2.如權利要求I所述的ー種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於所述發射電極和各接收電極均採用銅片，所述熱塑環由熱塑材料構成。
3.如權利要求2所述的ー種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於在所述熱塑環上，相鄰兩個所述電極之間固定ー絕緣橡膠。
4.如權利要求I或2或3所述的ー種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於所述主電路包括所述驅動単元和信號處理單元，還包括電源模塊，所述驅動単元和信號處理單元均由所述電源模塊供電； 所述驅動単元包括波形發生電路和驅動電路，所述波形發生電路產生固定頻率的正弦波信號，輸入所述驅動電路內，由所述驅動電路為正弦波信號提供電流驅動，並放大至合適的電壓幅值範圍後，輸出至兩個所述電容環的發射電極； 所述信號處理單元包括RMS轉換電路、主控制器和串ロ電平轉換電路，所述RMS轉換電路將接收到的所述分壓電阻上的交流電壓信號轉換成交流電壓有效值，輸入所述主控制器內，由所述主控制器內的AD轉換模塊轉換成數字量，並由所述主控制器進行數字濾波後，將數字量信號經所述串ロ轉換電路將I/O電平轉換至RS232電平後輸入所述上位機。
5.如權利要求4所述的ー種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於所述波形發生電路採用MAX038波形發生晶片。
6.如權利要求4所述的ー種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於所述驅動電路包括四排阻和兩個相同的放大器，所述波形發生電路輸出的正弦波經所述四排阻後，再經兩個所述放大器分別向設置在大腿處的所述電容環發射電極和設置在小腿處的所述電容環發射電極提供正弦波信號；兩個所述放大器均採用TL3474運放晶片。
7.如權利要求5所述的ー種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於所述驅動電路包括四排阻和兩個相同的放大器，所述波形發生電路輸出的正弦波經所述四排阻後，再經兩個所述放大器分別向設置在大腿處的所述電容環發射電極和設置在小腿處的所述電容環發射電極提供正弦波信號；兩個所述放大器均採用TL3474運放晶片。
8.如權利要求4所述的ー種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於所述RMS轉換電路採用AD637晶片。
9.如權利要求5或6或7所述的ー種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於所述RMS轉換電路採用AD637晶片。
10.如權利要求4 9任意一項所述的一種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於所述主控制器採用STM32F103系列單片機，其內核是ARMcortex-M3，主頻最高72MHz，最多有10路I/O ロ復用AD轉換通道，轉換精度為12bit，最高採樣率1MHz。
全文摘要
本發明涉及一種用於人體運動模態識別的電容傳感系統，其特徵在於它包括兩個分別設置在人體大腿和小腿處的電容環、驅動單元、信號處理單元和上位機，每個電容環均由一個發射電極、若干個接收電極和一個熱塑環構成，發射電極和各接收電極間隔設置在熱塑環內側，驅動單元和信號處理單元構成主電路；兩個電容環的發射電極連接驅動單元，由驅動單元輸出的交流正弦波信號作為發射電極的激勵源；兩個電容環的各接收電極均連接一分壓電阻，構成串聯迴路，分壓電阻上的分壓信號輸入信號處理單元內轉換為數字量後，輸入上位機完成對人體不同運動模態的識別。本發明延時小、成本低廉，而且可以穿戴。本發明可以廣泛應用於智能肢體控制領域中。
文檔編號A61B5/11GK102670208SQ201210151050
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者王啟寧, 王龍, 鄭恩昊, 魏坤琳 申請人:北京大學