一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置製造方法
2023-05-07 17:14:46 1
一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於：它包括一生理疲勞狀態檢測單元、一生物力學信號檢測單元和一數據採集與分析單元。採用本發明可以開展野外負荷行走試驗，獲取到真實負荷行走狀態下人體的生理和生物力學數據；且實時檢測和顯示背包的肩、胸、腰帶的鬆緊程度和平衡狀態，確保背包被正確使用，避免由於背包使用不當導致的負荷疲勞，排除幹擾因素，因此可以真實、客觀的監測背包重量、行走時間、背包設計等因素對人體負荷疲勞的影響。本發明可以廣泛用於人體測量學、生物力學和工效學等研究領域。
【專利說明】一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種生理和生物力學監測裝置，特別是關於一種可以在野外或室外試驗中實時監測和採集人體負荷生理和生物力學信號的可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置。
【背景技術】[0002]在部隊訓練、野外生存、戶外運動、以及勞動搬運等領域人們通常需要進行背部負荷行走。人體背部負荷改變了身體重心的位置，影響人的步態和身體姿勢，尤其是負荷過大或長時間負荷行走極易造成身體疲勞和損傷。因此，在運動生物力學領域，國內外學者都廣泛開展了人體負荷行走的步態、姿態、疲勞感、能量消耗等生理和生物力學研究。目前，開展該類試驗一般採用兩類方法:實驗室模擬測試法和野外模擬測試法。
[0003]實驗室模擬測試法一般採用運動平臺進行模擬負荷行走，配備系列適合實驗室等固定場合使用的生理、生物力學參數檢測設備。雖然實驗室模擬測試法試驗設備齊全且對試驗設備體積、通信、存儲和供電方式都沒有限制，實驗條件(溫溼度等)也容易控制，但實驗室模擬測試法多採用跑臺模擬負荷行走，這種模擬方式與實際的行走存在很大差別，尤其是對長時間負荷行走，實際行走要比同樣條件的跑臺模擬行走的疲勞程度高出許多，因此測試的結果與實際情況相差較大。野外模擬測試法指組織志願者開展室外環境下模擬負荷行走，每間隔一定時間，需要受試人員停下來，由實驗人員採用多種設備完成系列的生理、生化、生物力學參數的檢測，試驗結束後進行數據匯總與統計。野外模擬測試法可以獲取到真實負荷行走狀態下人體的生理和生物力學信號，基於這些真實的實驗數據開展人機工效評價監測，可以獲得最有效的模型或方法以監測人體負荷行走的疲勞感、疲勞極限等。但是野外條件下，標準的實驗設備都無法應用，例如:在實驗室中採用複雜的運動跟蹤技術(如:紅外運動跟蹤技術、電磁運動跟蹤技術和攝像運動跟蹤技術)跟蹤人體與背包的相對運動。並且對供電、存儲和通信方式都提出較高要求。普遍採用的間歇測量方式試驗操作繁瑣，且數據統計工作量較大，容易引入人為誤差。因此，有必要設計一種方便攜帶的適合野外使用的人體負荷生理和生物力學監測裝置。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明的目的是提供一種可以在野外、動態環境下獲取到人體負荷行走的生理和生物力學信號的可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置。
[0005]為實現上述目的，本發明採取以下技術方案:一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:它包括一生理疲勞狀態檢測單元、一生物力學信號檢測單元和一數據採集與分析單元；所述生理疲勞狀態檢測單元包括一心電傳感器、一呼吸傳感器、一人體運動傳感器和一生理疲勞信號檢測與處理模塊；所述生理疲勞信號檢測與處理模塊包括一生理信號調理電路和一第一微處理器；所述心電傳感器、呼吸傳感器和人體運動傳感器分別通過有線方式連接所述生理疲勞信號檢測與處理模塊；所述生物力學信號檢測單元包括一背包運動傳感器、一左肩帶拉力傳感器、一右肩帶拉力傳感器、一胸部束帶拉力傳感器、一腰部束帶拉力傳感器和一生物力學信號檢測與處理模塊；所述生物力學信號檢測與處理模塊採用一生物力學信號調理電路與一第二微處理器；所述背包運動傳感器、左肩帶拉力傳感器、右肩帶拉力傳感器、胸部束帶拉力傳感器和腰部束帶拉力傳感器分別通過有線方式連接所述生物力學信號檢測與處理模塊；所述數據採集與分析單元包括一第三微處理器和一顯示屏；所述生理疲勞狀態檢測單元與所述生物力學信號檢測單元分別通過無線和有線的方式之一連接所述數據採集與分析單元；所述心電傳感器、呼吸傳感器和人體運動傳感器將採集的心電、呼吸和加速度信號傳送給所述生理疲勞信號檢測與處理模塊；經所述生理疲勞信號檢測與處理模塊處理後得到心率、心率變異性、呼吸率、人體運動能耗和身體姿態指標，並傳送給所述數據採集與分析單元；所述背包運動傳感器、左肩帶拉力傳感器、右肩帶拉力傳感器、胸部束帶拉力傳感器和腰部束帶拉力傳感器將採集的左右背包肩帶拉力、胸部束帶拉力和腰部束帶拉力信號傳送給所述生物力學信號檢測與處理模塊；經所述生物力學信號檢測與處理模塊處理後得到背包運動狀態和拉力指標，並傳送給所述數據採集與分析單元；所述數據採集與分析單元的所述第三微處理器將接收的人體運動狀態信息與背包運動狀態信息後，計算人體和背包的相對運動信息，並通過所述顯示屏實時顯示人體負荷生理和生物力學信號。
[0006]所述第一微處理器、所述第二微處理器和所述第三微處理器採用單片機和ARM之
O
[0007]所述人體運動傳感器和所述背包運動傳感器採用三軸加速度傳感器。
[0008]所述左肩帶拉力傳感器、右肩帶拉力傳感器、胸部束帶拉力傳感器和腰部束帶拉力傳感器採用微型拉力傳感器；所述微型拉力傳感器包括一微型拉力傳感器主體、兩設置在所述微型拉力傳感器主體兩端的「7」型固定結構件和一連接所述數據採集與分析單元與所述微型拉力傳感器主體的數據線。
[0009]所述生理疲勞狀態檢測單元與人體直接接觸的一條彈性胸帶配合使用；所述心電傳感器和所述呼吸傳感器設置在所述彈性胸帶內部，所述人體運動傳感器和所述生理疲勞信號檢測與處理模塊設置在所述彈性胸帶外側，且所述人體運動傳感器能夠設置在所述生理疲勞信號檢測與處理模塊內部。
[0010]所述生物力學信號檢測單元與背包配合使用；所述背包運動傳感器設置在所述背包內質心位置，所述左肩帶拉力傳感器固定在所述背包左側肩帶的底部的腰部位置，所述右肩帶拉力傳感器固定在所述背包右側肩帶底部的腰部位置，所述胸部束帶拉力傳感器固定在胸部束帶中間位置，所述腰部束帶拉力傳感器固定在腰部束帶中間位置。
[0011]本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明採用的生理疲勞狀態檢測單元可以得到心率、心率變異性、呼吸率、人體運動能耗和身體姿態等指標，並將其傳送給數據採集與分析單元；而採用的生物力學信號檢測單元可以實時檢測背包運動狀態、背包左肩帶、右肩帶、胸部束帶和腰部束帶的拉力，並將其傳送給數據採集與分析單元；數據採集與分析單元將所獲得的人體負荷生理和生物力學信號進行採集、存儲與分析，一方面可以用於開展野外負荷行走試驗，獲取到真實負荷行走狀態下人體的生理和生物力學數據；另一方面，由於可以實時檢測和顯示背包的肩帶、胸帶、腰帶的長度或鬆緊程度是否合適，從而確保背包以正確的方式被使用，進而有效避免了由於背包使用不當造成的負荷疲勞，排除了幹擾因素，因此可以真實、客觀的監測背包重量、行走時間、背包設計等因素對人體負荷疲勞的影響。本發明將所有部件集成在便攜設備中，在攜帶過程中並不會影響原有活動，相比於實驗室內運動平臺模擬測試，更有助於獲取到真實負荷行走狀態下的生理、生物力學參數，開展人機工效監測。2、本發明採用的生理疲勞狀態檢測單元和生物力學信號檢測單元可以同時檢測背包的運動狀態和人體運動狀態，因此可以計算獲取人體和背包的相對運動，為開展野外負荷試驗奠定了技術基礎，並且獲知人體和背包之間的相對運動對評價人體負荷疲勞程度、背包性能都具有非常重要的意義。本發明可以廣泛用於人體測量學、生物力學和工效學等研究領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的結構示意圖
[0013]圖2是本發明的應用狀態示意圖
[0014]圖3是本發明的生物力學信號檢測單元的應用狀態示意圖
[0015]圖4是本發明的微型拉力傳感器結構示意圖
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0017]如圖1所述，本發明包括生理疲勞狀態檢測單元1、生物力學信號檢測單元2和數據米集與分析單兀3。 [0018]本發明的生理疲勞狀態檢測單元I包括心電傳感器11、呼吸傳感器12、人體運動傳感器13和生理疲勞信號檢測與處理模塊14。其中，心電傳感器11和呼吸傳感器12可以採用常規的心電、呼吸傳感器，故不再詳述。人體運動傳感器13可以採用三軸加速度傳感器，如ADI公司的ADXL345。生理疲勞信號檢測與處理模塊14包括生理信號調理電路和第一微處理器，生理信號調理電路中包括常規的信號放大電路和濾波電路等。第一微處理器可以採用內置模數轉換器的單片機，如MSP430系列16位低功耗單片機MSP430F2274，還可以採用ARM，如EFM32Zero Gecko系列EFM32ZG210。心電傳感器11、呼吸傳感器12、人體運動傳感器13分別通過有線方式連接生理疲勞信號檢測與處理模塊14。
[0019]如圖2所示，生理疲勞狀態檢測單元I與直接接觸人體的一條彈性胸帶4配合使用，其中:心電傳感器11和呼吸傳感器12設置在彈性胸帶4內部，人體運動傳感器13和生理疲勞信號檢測與處理模塊14設置在彈性胸帶4外側；人體運動傳感器13也可以嵌入生理疲勞信號檢測與處理模塊14內部。在本實施例中，心電傳感器11、呼吸傳感器12和人體運動傳感器13將採集到人體模擬信號的心電、呼吸和為數位訊號的加速度信號通過屏蔽導線傳送給生理疲勞信號檢測與處理模塊14。
[0020]本發明的生物力學信號檢測單元2包括背包運動傳感器21、左肩帶拉力傳感器22、右肩帶拉力傳感器23、胸部束帶拉力傳感器24、腰部束帶拉力傳感器25和生物力學信號檢測與處理模塊26。背包運動傳感器21可以採用三軸加速度傳感器，如ADI公司的ADXL345。生物力學信號檢測與處理模塊26包括生物力學信號調理電路和第二微處理器。生物力學信號調理電路包括常規的信號放大電路和濾波電路等。第二微處理器可以採用內置高精度模數轉換器的低功耗單片機或ARM，如C8051F系列8位低功耗單片機C8051F351，其內置24位A/D轉換模塊，可以滿足高精度拉力信號檢測需求。背包運動傳感器21、左肩帶拉力傳感器22、右肩帶拉力傳感器23、胸部束帶拉力傳感器24和腰部束帶拉力傳感器25分別通過有線方式連接生物力學信號檢測與處理模塊26。
[0021]如圖2、圖3所示，生物力學信號檢測單元2與背包5配合使用，其中:背包運動傳感器21設置在背包5內質心位置，左肩帶拉力傳感器22固定在背包5左側肩帶的底部靠近腰部稍靠上位置，右肩帶拉力傳感器23固定在背包5右側肩帶底部靠近腰部稍靠上位置，胸部束帶拉力傳感器24固定在胸部束帶中間位置，腰部束帶拉力傳感器25固定在腰部束帶中間位置。在本實施例中，背包運動傳感器21、左肩帶拉力傳感器22、右肩帶拉力傳感器23、胸部束帶拉力傳感器24、腰部束帶拉力傳感器25將採集的左右背包肩帶拉力、胸部束帶拉力、腰部束帶拉力信號通過屏蔽導線傳送給生物力學信號檢測與處理模塊26。
[0022]如圖4所示，上述左肩帶拉力傳感器22、右肩帶拉力傳感器23、胸部束帶拉力傳感器24和腰部束帶拉力傳感器25可以採用微型拉力傳感器27。微型拉力傳感器27包括微型拉力傳感器主體271、設置在微型拉力傳感器主體271兩端的「7」型固定結構件272和連接數據採集與分析單元3與微型拉力傳感器主體271的數據線273。兩端的固定結構件272固定在背包帶上，以便檢測背包肩帶或束帶拉力。根據實際需要，也可以選用其他結構的微型拉力傳感器。
[0023]本發明的數據採集與分析單元3包括第三微處理器31和顯示屏32。第三微處理器31可以採用低功耗、高性能的單片機或ARM (如EFM32ZG210、C8051F930)。在第三微處理器31中可以設置檢測背包肩帶、胸帶、腰帶的長度或鬆緊的閾值和左右肩部負荷的閾值，並通過同步獲取的背包的運動狀態和人體運動狀態信息，計算人體和背包的相對運動信息。顯示屏32可以實時顯示左肩帶拉力傳感器22、右肩帶拉力傳感器23、胸部束帶拉力傳感器24和腰部束帶拉力傳感器25檢測的拉力情況，提示背包肩帶、胸帶、腰帶的長度或鬆緊是否合適，左右肩部負荷是否平衡，而且當超過人體生理極限或承受能力時，顯示屏32上還可以顯示預警。
[0024]如圖2所示，數據採集與分析單元3採用可攜式封裝設置在腰帶上，也可以放入衣袋內。
[0025]上述生理疲勞狀態檢測單元I和數據採集與分析單元3之間，生物力學信號檢測單元2和數據採集與分析單元3之間的通信方式可以是有線通信，如採用通過屏蔽導線的SP1、IIC或RS-232的串行通信方式(如本實施例)等；也可以是低功耗短距離的無線通信，如藍牙、Zigbee等。
[0026]上述數據採集與分析單元3還可以包括連接外部終端的無線通信模塊，無線通信模塊可以採用WIF1、Zigbee或3G等中遠距離的無線通信，無線通信模塊將數據採集與分析單元3收集到的數據傳送到外部終端，以實現多人集中監測，尤其在部隊模擬作戰或訓練中，指揮員可以通過本發明掌握每個戰士的生理疲勞狀態和負荷行軍能力，有助於提高訓練效果，減少訓練損傷。 [0027]本發明使用時，生理疲勞狀態檢測單元I的生理信號調理電路將得到的心電、呼吸信號進行放大、濾波等處理後傳送給第一微處理器，第一微處理器對心電、呼吸信號進行模數轉換，並結合加速度信號計算出心率、心率變異性、呼吸率、人體運動能耗、身體姿態等指標，將這些指標傳送給數據採集與分析單元3。生物力學信號檢測單元2的生物力學信號調理電路將所採集的信號進行放大、濾波等處理後傳送給第二微處理器，第二微處理器進行模數轉換並計算出背包運動狀態和拉力指標傳送給數據採集與分析單元3。數據採集與分析單元3的第三微處理器31將接收到的生理疲勞信息、生物力學信息，通過多源數據融合分析來監測人體疲勞程度，即根據實時採集的生理和生物力學信息和預設疲勞程度閾值進行比較，進而監測人體的疲勞狀態，並對其發展趨勢進行預測，如可以預測連續負荷行走的最長時間、最遠距離等。
[0028]上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和製作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。
【權利要求】
1.一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:它包括一生理疲勞狀態檢測單元、一生物力學信號檢測單元和一數據採集與分析單元； 所述生理疲勞狀態檢測單元包括一心電傳感器、一呼吸傳感器、一人體運動傳感器和一生理疲勞信號檢測與處理模塊；所述生理疲勞信號檢測與處理模塊包括一生理信號調理電路和一第一微處理器；所述心電傳感器、呼吸傳感器和人體運動傳感器分別通過有線方式連接所述生理疲勞信號檢測與處理模塊； 所述生物力學信號檢測單元包括一背包運動傳感器、一左肩帶拉力傳感器、一右肩帶拉力傳感器、一胸部束帶拉力傳感器、一腰部束帶拉力傳感器和一生物力學信號檢測與處理模塊；所述生物力學信號檢測與處理模塊採用一生物力學信號調理電路與一第二微處理器；所述背包運動傳感器、左肩帶拉力傳感器、右肩帶拉力傳感器、胸部束帶拉力傳感器和腰部束帶拉力傳感器分別通過有線方式連接所述生物力學信號檢測與處理模塊； 所述數據採集與分析單元包括一第三微處理器和一顯示屏； 所述生理疲勞狀態檢測單元與所述生物力學信號檢測單元分別通過無線和有線的方式之一連接所述數據採集與分析單元； 所述心電傳感器、呼吸傳感器和人體運動傳感器將採集的心電、呼吸和加速度信號傳送給所述生理疲勞信號檢測與處理模塊；經所述生理疲勞信號檢測與處理模塊處理後得到心率、心率變異性、呼吸率、人體運動能耗和身體姿態指標，並傳送給所述數據採集與分析單元；所述背包運動傳感器、左肩帶拉力傳感器、右肩帶拉力傳感器、胸部束帶拉力傳感器和腰部束帶拉力傳感器將採集的左右背包肩帶拉力、胸部束帶拉力和腰部束帶拉力信號傳送給所述生物力學信號檢測與處理模塊；經所述生物力學信號檢測與處理模塊處理後得到背包運動狀態和拉力指標，並傳送給所述數據採集與分析單元；所述數據採集與分析單元的所述第三微處理器將接收的人體運動狀態信息與背包運動狀態信息後，計算人體和背包的相對運動信息，並通過所述顯示屏實時顯示人體負荷生理和生物力學信號。
2.如權利要求1所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述第一微處理器、所述第二微處理器和所述第三微處理器採用單片機和ARM之一。
3.如權利要求1所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述人體運動傳感器和所述背包運動傳感器採用三軸加速度傳感器。
4.如權利要求2所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述人體運動傳感器和所述背包運動傳感器採用三軸加速度傳感器。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述左肩帶拉力傳感器、右肩帶拉力傳感器、胸部束帶拉力傳感器和腰部束帶拉力傳感器採用微型拉力傳感器；所述微型拉力傳感器包括一微型拉力傳感器主體、兩設置在所述微型拉力傳感器主體兩端的「7」型固定結構件和一連接所述數據採集與分析單元與所述微型拉力傳感器主體的數據線。
6.如權利要求1或2或3或4所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述生理疲勞狀態檢測單元與人體直接接觸的一條彈性胸帶配合使用；所述心電傳感器和所述呼吸傳感器設置在所述彈性胸帶內部，所述人體運動傳感器和所述生理疲勞信號檢測與處理模塊設置在所述彈性胸帶外側，且所述人體運動傳感器能夠設置在所述生理疲勞信號檢測與處理模塊內部。
7.如權利要求5所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述生理疲勞狀態檢測單元與人體直接接觸的一條彈性胸帶配合使用；所述心電傳感器和所述呼吸傳感器設置在所述彈性胸帶內部，所述人體運動傳感器和所述生理疲勞信號檢測與處理模塊設置在所述彈性胸帶外側，且所述人體運動傳感器能夠設置在所述生理疲勞信號檢測與處理模塊內部。
8.如權利要求1或2或3或4或7所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述生物力學信號檢測單元與背包配合使用；所述背包運動傳感器設置在所述背包內質心位置，所述左肩帶拉力傳感器固定在所述背包左側肩帶的底部的腰部位置，所述右肩帶拉力傳感器固定在所述背包右側肩帶底部的腰部位置，所述胸部束帶拉力傳感器固定在胸部束帶中間位置，所述腰部束帶拉力傳感器固定在腰部束帶中間位置。
9.如權利要求5所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述生物力學信號檢測單元與背包配合使用；所述背包運動傳感器設置在所述背包內質心位置，所述左肩帶拉力傳感器固定在所述背包左側肩帶的底部的腰部位置，所述右肩帶拉力傳感器固定在所述背包 右側肩帶底部的腰部位置，所述胸部束帶拉力傳感器固定在胸部束帶中間位置，所述腰部束帶拉力傳感器固定在腰部束帶中間位置。
10.如權利要求6所述的一種可攜式人體負荷生理和生物力學監測裝置，其特徵在於:所述生物力學信號檢測單元與背包配合使用；所述背包運動傳感器設置在所述背包內質心位置，所述左肩帶拉力傳感器固定在所述背包左側肩帶的底部的腰部位置，所述右肩帶拉力傳感器固定在所述背包右側肩帶底部的腰部位置，所述胸部束帶拉力傳感器固定在胸部束帶中間位置，所述腰部束帶拉力傳感器固定在腰部束帶中間位置。
【文檔編號】A61B5/00GK103829929SQ201410066544
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】諶玉紅, 鄭捷文, 李晨明, 任鵬飛, 郭亞飛 申請人:中國人民解放軍總後勤部軍需裝備研究所