一种用于采集人体运动信号的新型传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于采集人体运动信号的新型传感器，包括微控制器、运动捕捉模块、肌电信号模块、肌动信号模块、蓝牙模块和主控机。本实用新型通过使用基于MEMS技术的加速度计、陀螺仪及磁力计，以获取人体在运动过程中的加速度、角速度等物理量，通过数据融合算法把这些信息进行处理得到人体运动姿态参数，使用三个表面肌电电极对肌肉电信进行采集，通过电路设计将信号进行放大、多级增益可调及硬件滤波，改善信噪比，通过使用MEMS技术的数字麦克风贴在人体皮肤表面，以采集肌肉在主动收缩时的横向振动力学信息。
【专利说明】
一种用于采集人体运动信号的新型传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种人体运动传感器，尤其涉及一种用于采集人体运动信号的新型传感器。
【背景技术】
[0002]在物联网技术迅猛发展的大环境下，对人体行为或状态进行数字化，特别是人体运动学和力学方面的研究，提出了新的技术要求。要能更好地理解及分析人体运动状态，对其建立正确的数学模型，掌握运动参数和力学参数之间的关系，互为转换、补偿及验证，则首先需要有设备可以量化人体的关节运动以及肌肉腱力状态。
[0003]当前针对运动学或力学分析的仪器，如基于摄像头技术的运动捕捉系统，或基于电极采集的肌电传感器，其本身都只能单一地检测到姿态信息或肌肉电信息。我国科研工作者在医疗领域开展了一些关于肌电和肌动信号结合以实现多自由度假肢控制的研究，这些研究建立了一些基础的肌肉信号检测模型，以实现人体力学方面参数的评估，但由于缺乏运动捕捉功能，不能与运动学研究进行统一，并且研究成果没有进一步形成产业。国外已有将运动捕捉及肌肉信号分析等技术应用到产业中，但产品多为功能单一的运动分析或力学分析系统，缺少两者相融合的功能，需要同时购买两种以上设备才能提供人体运动学和力学所需的检测数据以支持建立数学模型。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于采集人体运动信号的新型传感器。
[0005]本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
[0006]本发明包括微控制器、运动捕捉模块、肌电信号模块、肌动信号模块、蓝牙模块和主控机，所述运动捕捉模块、所述肌电信号模块和所述肌动信号模块的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接，所述微控制器的信号输出端与所述蓝牙模块的信号输入端连接，所述蓝牙模块的信号输出端与所述主控机的信号输入端无线连接。
[0007]本发明优选的，所述运动捕捉模块包括加速度计、陀螺仪和磁力计，所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接。
[0008]本发明优选的，所述肌电信号模块包括电极放大电路、增益可调电路和滤波电路，所述电极放大电路、所述增益可调电路和所述滤波电路的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接。
[0009]本发明优选的，所述肌动信号模块包括数字麦克风，所述数字麦克风的信号输出端与所述微控制器的信号输入端连接。
[0010]本发明优选的，所述肌电信号模块通过对人体肌肉微弱的生物电信号进行放大和滤波，以获取在运动过程中肌肉被激励的状态。
[0011]本发明优选的，所述数字麦克风贴在肌肉皮肤表面，以获得运动过程中肌肉横向振动的力学参数。
[0012]本发明的有益效果在于:
[0013]本发明通过使用基于MEMS技术的加速度计、陀螺仪及磁力计，以获取人体在运动过程中的加速度、角速度等物理量，通过数据融合算法把这些信息进行处理得到人体运动姿态参数，使用三个表面肌电电极对肌肉电信进行采集，通过电路设计将信号进行放大、多级增益可调及硬件滤波，改善信噪比，通过使用MEMS技术的数字麦克风贴在人体皮肤表面，以采集肌肉在主动收缩时的横向振动力学信息。
【附图说明】
[0014]图1是本发明所述一种用于采集人体运动信号的新型传感器的结构框图；
[0015]图2是本发明所述肌动信号模块的电路图；
[0016]图3是本发明所述肌电信号模块的电路图；
[0017]图4是本发明所述运动捕捉模块的电路图；
[0018]图5是本发明所述微控制器的电路图；
[0019]图6是本发明所述蓝牙模块的电路图；
[0020]图7是本发明所述滤波器的电路图。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0022]如图1所示:本发明包括微控制器、运动捕捉模块、肌电信号模块、肌动信号模块、蓝牙模块和主控机，所述运动捕捉模块、所述肌电信号模块和所述肌动信号模块的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接，所述微控制器的信号输出端与所述蓝牙模块的信号输入端连接，所述蓝牙模块的信号输出端与所述主控机的信号输入端无线连接。
[0023]如图1和图4所示，所述运动捕捉模块包括加速度计、陀螺仪和磁力计，所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接。
[0024]如图1和图3所示，所述肌电信号模块包括电极放大电路、增益可调电路和滤波电路，所述电极放大电路、所述增益可调电路和所述滤波电路的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接，所述肌电信号模块通过对人体肌肉微弱的生物电信号进行放大和滤波，以获取在运动过程中肌肉被激励的状态。
[0025]如图1和图2所示，所述肌动信号模块包括数字麦克风，所述数字麦克风的信号输出端与所述微控制器的信号输入端连接，所述数字麦克风贴在肌肉皮肤表面，以获得运动过程中肌肉横向振动的力学参数。
[0026]本发明的工作原理如下:
[0027]如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明的工作原理如下:
[0028]本发明主要包括了运动捕捉模块、肌电信号模块、肌动信号模块、微控制器以及蓝牙模块五大硬件部分，运动捕捉模块主要集成了加速度计、陀螺仪以及磁力计等传感部分，通过适当的算法把数据融合，以获得运动学参数;肌电信号模块主要通过对人体肌肉微弱的生物电信号进行放大和滤波，以获取在运动过程中肌肉被激励的状态;肌动信号模块主要通过使用数字麦克风贴在肌肉皮肤表面，以获得运动过程中肌肉横向振动的力学参数；微控制器主要对各模块传输来的数据进行标定、校正、融合，然后通过蓝牙模块把处理完的数据发送到上位主控机进行实时显示、分析及保存。
[0029]在上述过程中，惯性测量单元U14和磁性传感器U13分别采集到加速度，角速度和地磁方向，通过Iic接口传输到微控制器U18;数字麦克风UlI和U15采集到的肌动信号传输到微控制器U18。放大器U8和U12采集到的肌电信号通过滤波器U20滤波后传输到微控制器U18。微控制器U18把采集到的数据进行数据融合，最后把处理后的数据通过蓝牙模块U21传输给上位机。
[0030]通过选用基于MEMS技术的三轴加速度计，三轴陀螺仪及三轴磁力计并使用32位Cortex-A4高速微控制器对数据进行算法融合以实现人体运动捕捉及分析功能，选用基于MEMS技术的信号放大电路以及滤波电路进行表面肌电信号采集，实现噪音抑制和信号放大倍数可调的功能，选用基于MEMS技术的数字麦克风采集肌动信号，比传统单一的加速度计方式具有更高的分辨率和灵敏度，传感器比传统设备体积要小重量要轻，可方便穿戴于人体肢体上在室内或室外进行检测使用。
[0031]综上所述，本发明通过使用基于MEMS技术的加速度计、陀螺仪及磁力计，以获取人体在运动过程中的加速度、角速度等物理量，通过数据融合算法把这些信息进行处理得到人体运动姿态参数，使用三个表面肌电电极对肌肉电信进行采集，通过电路设计将信号进行放大、多级增益可调及硬件滤波，改善信噪比，通过使用MEMS技术的数字麦克风贴在人体皮肤表面，以采集肌肉在主动收缩时的横向振动力学信息。
[0032]本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。
【主权项】
1.一种用于采集人体运动信号的新型传感器，其特征在于:包括微控制器、运动捕捉模块、肌电信号模块、肌动信号模块、蓝牙模块和主控机，所述运动捕捉模块、所述肌电信号模块和所述肌动信号模块的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接，所述微控制器的信号输出端与所述蓝牙模块的信号输入端连接，所述蓝牙模块的信号输出端与所述主控机的信号输入端无线连接。2.根据权利要求1所述的一种用于采集人体运动信号的新型传感器，其特征在于:所述运动捕捉模块包括加速度计、陀螺仪和磁力计，所述加速度计、所述陀螺仪和所述磁力计的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接。3.根据权利要求1所述的一种用于采集人体运动信号的新型传感器，其特征在于:所述肌电信号模块包括电极放大电路、增益可调电路和滤波电路，所述电极放大电路、所述增益可调电路和所述滤波电路的信号输出端均与所述微控制器的信号输入端连接。4.根据权利要求1所述的一种用于采集人体运动信号的新型传感器，其特征在于:所述肌动信号模块包括数字麦克风，所述数字麦克风的信号输出端与所述微控制器的信号输入端连接。5.根据权利要求3所述的一种用于采集人体运动信号的新型传感器，其特征在于:所述肌电信号模块通过对人体肌肉微弱的生物电信号进行放大和滤波，以获取在运动过程中肌肉被激励的状态。6.根据权利要求4所述的一种用于采集人体运动信号的新型传感器，其特征在于:所述数字麦克风贴在肌肉皮肤表面，以获得运动过程中肌肉横向振动的力学参数。
【文档编号】A61B5/0488GK205625934SQ201520872588
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年11月2日
【发明人】林焯华
【申请人】广州阿路比电子科技有限公司