专利名称：一种用于人体运动模态识别的电容传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电容传感系统，特别是关于一种在智能肢体控制领域中用于人体运动模态识别的电容传感系统。
背景技术：
智能肢体是20世纪末到21世纪初发展起来的新兴技术，主要包括外骨骼和智能假肢两大类。其主要功能特点是能够根据外界条件的变化(即人动作的变化)自动调整肢体系统的参数，使其运动自如，为人提供助力或肢体替代。其在军事、康复医疗以及助残等领域有广阔的应用前景。智能肢体除了肢体结构本身以外还包括感知部分、控制决策部分和驱动部分。 智能肢体的控制策略依赖于不同的运动模态，如上下楼梯、平地走等。最理想的运动状态是假肢随着人运动模态而改变，具有自适应功能。因此需要智能肢体的传感系统能够感知人下肢运动模式的状态和变化。目前市场上绝大部分的智能假肢和外骨骼产品都不能自动识别运动模态，模态的切换需要手动开关完成，实际应用中有很多不便。因此需要能够感知运动模态的传感系统。目前在该领域上应用到的传感系统主要有以下几类(1)以惯导模块(MU)为主的惯性传感器，采集下肢运动的倾角、关节角度以及加速度等信息。(2)足底压力传感器，采集足底压力信息。(3)以肌电信号传感器(EMG)为主的生物信号传感系统，采集人的生物信号。然而，这几类传感系统存在着很多问题，惯导模块和足底压力传感器采集的信息会有滞后，经过信号调理、运算再到控制决策，经过的时间相对较长，实时性受到很大影响。为了得到更多的步态信息，传感器节点的数必须足够多，这样，带来了更多的噪音。肌电信号传感器米集肌肉收缩时皮肤表面的生物电信号，由于信号微弱(为uV级别的电压)，电路系统设计的成本很高。因此，该领域仍然需要性能更优良成本更低廉的传感系统。电容识别技术是基于电容耦合原理，广泛应用于检测接近、湿度、液面等。一些研究人员利用电容识别技术对人体动作进行识别，比如利用人体电容触发的触摸屏和用于检测病人是否在床上的床用人体介质电容传感器。但是，目前还没有具体应用到人体下肢运动模态识别的研究和设备。利用人体电容触发的触摸屏和用于检测病人是否在床上的床用人体介质电容传感器，是将人体和设备中的金属电极耦合为电容，利用电容的变化测量开关量(是否接触触摸屏和病人是否在床上)，与人体属于分立的系统，技术手段不能够直接应用于人体运动模态识别。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种延时小、成本低廉，穿戴式的用于人体运动模态识别的电容传感系统。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于它包括两个分别设置在人体大腿和小腿处的电容环、驱动单元、信号处理单元和上位机，每个所述电容环均由一个发射电极、若干个接收电极和一个热塑环构成，所述发射电极和各接收电极间隔设置在所述热塑环内侧，所述驱动单元和信号处理单元构成主电路；两个所述电容环的发射电极连接所述驱动单元，由所述驱动单元输出的交流正弦波信号作为所述发射电极的激励源；两个所述电容环的各接收电极均连接一分压电阻，构成串联回路，所述分压电阻上的分压信号输入所述信号处理单元内转换为数字量后，输入所述上位机完成对人体不同运动模态的识别。所述发射电极和各接收电极均采用铜片，所述热塑环由热塑材料构成。在所述热塑环上，相邻两个所述电极之间固定一绝缘橡胶。所述主电路包括所述驱动单元和信号处理单元，还包括电源模块，所述驱动单元和信号处理单元均由所述电源模块供电；所述驱动单元包括波形发生电路和驱动电路，所述波形发生电路产生固定频率的正弦波信号，输入所述驱动电路内，由所述驱动电路为正弦波信号提供电流驱动，并放大至合适的电压幅值范围后，输出至两个所述电容环的发射 电极；所述信号处理单元包括RMS转换电路、主控制器和串口电平转换电路，所述RMS转换电路将接收到的所述分压电阻上的交流电压信号转换成交流电压有效值，输入所述主控制器内，由所述主控制器内的AD转换模块转换成数字量，并由所述主控制器进行数字滤波后，将数字量信号经所述串口转换电路将I/O电平转换至RS232电平后输入所述上位机。所述波形发生电路采用MAX038波形发生芯片。所述驱动电路包括四排阻和两个相同的放大器，所述波形发生电路输出的正弦波经所述四排阻后，再经两个所述放大器分别向设置在大腿处的所述电容环发射电极和设置在小腿处的所述电容环发射电极提供正弦波信号；两个所述放大器均采用TL3474运放芯片。所述RMS转换电路采用AD637芯片。所述主控制器采用STM32F103系列单片机，其内核是ARM cortex-M3，主频最高72MHz，最多有10路I/O 口复用AD转换通道，转换精度为12bit，最高采样率1MHz。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采用两个分别设置在人体大腿处和小腿处的电容环，通过电容环测量大腿和小腿部位由于运动时的肌肉形变产生的电容值的变化，来间接识别出人体运动的规律。该系统比惯导系统和足底压力传感器延时小，比商用的EMG采集设备成本低廉，而且可以穿戴。2、本发明由于采用电容环由发射电极、若干接收电极和热塑环组成，发射电极和接收电极间隔设置在热塑环上，使得电容环可以根据不同人的腿部形状进行塑形，解决了个体差异，保证了穿戴的稳定性。本发明可以广泛应用于智能肢体控制领域中。
图I是本发明的整体原理示意图；图2是本发明的电容环结构示意图；图3是本发明的主电路结构示意图；图4是本发明的波形发生电路原理示意图；图5是本发明的驱动电路原理不意图；图6是本发明的RMS转换电路原理示意图7是本发明的主控制器功能示意图。
具体实施例方式本发明利用电容识别的原理，在人体两侧加金属电极，以人体为电介质，用电容的变化来反应下肢肌肉形变，从而识别不同的运动模态。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图I、图2所示，本发明包括两个分别设置在人体大腿和小腿处的电容环I、驱动单元2、信号处理单元3和上位机4，每个电容环I均由一个发射电极T、若干个接收电极R和一个热塑环5构成，发射电极T和各接收电极R间隔设置在热塑环5内侧，可同时采集腿部多个部位的电容信息；且驱动单元2和信号处理单元3构成本发明的主电路。 两个电容环I的发射电极T连接驱动单元2，由驱动单元2输出的交流正弦波信号作为发射电极T的激励源；两个电容环I的各接收电极R均连接一分压电阻R。，构成串联回路，分压电阻R。上的分压信号输入信号处理单元3内转换为数字量后，输入上位机4，完成对人体不同运动模态的识别。其工作原理为电容环I的发射电极T、接收电极R和位于发射电极T与接收电极R中间处由人体构成的电介质形成人体电容Cbtjdy，由电容公式C= e (S/d)可知，当电极面积S和电极之间的距离d固定时，电容值C由电介质常数e决定其大小。因此，本发明可以通过测量大腿和小腿部位由于运动时的肌肉形变产生的人体电容Cbtjdy值的变化，来间接识别出人体运动的规律。而根据电容的阻抗Z=UcoC)-1可知，当频率《固定，通过测量电容的阻抗Z可以得到电容值C的大小。由于人体电容Cbtjdy和分压电阻R。构成串联回路，因此人体电容Cbtjdy的变化会造成分压电阻R。上的分压发生变化。两个电容环I在驱动单元2的驱动下，分别检测大腿和小腿部位由于运动时的肌肉形变产生的电容值变化信号，分压电阻R。上的分压信号随着两个电容环I输出电容值的变化而变化，通过分压电阻R。上的分压信号可以表征出大腿和小腿的运动规律。而分压电阻R。上的分压信号由信号处理单元3转换为数字量，输入上位机4进行运动模态识别。上述实施例中，发射电极T和各接收电极R均采用铜片，铜片大小为2. 5 X 5cm,但不局限于此值，铜片尺寸可以根据热塑环5的形状和尺寸确定。热塑环5由热塑材料构成，这种热塑材料在70摄氏度以上可任意塑形，在常温时回复其原有的硬度。因此，电容环I可以根据不同人的腿部形状进行塑形，解决了个体差异，保证了穿戴的稳定性。为了避免穿戴过程中汗液的影响，还可以在热塑环5上相邻两个电极之间固定一绝缘橡胶。如图3所示，本发明的主电路最多可以采集10个通道的电容信号，其中，5个通道作为大腿处电容环I的电容信号，5个通道作为小腿处电容环I的电容信号。主电路除了驱动单元2和信号处理单元3外，还包括电源模块6，驱动单元2和信号处理单元3均由电源模块6供电。驱动单元2包括波形发生电路7和驱动电路8，波形发生电路7产生固定频率的正弦波信号，输入驱动电路8内，由驱动电路8为正弦波信号提供足够的电流驱动，并放大至合适的电压幅值范围后，输出至两个电容环I的发射电极T。信号处理单元3包括RMS (有效值)转换电路9、主控制器10和串口电平转换电路11，RMS转换电路9将接收到的分压电阻Re上的交流电压信号转换成交流电压有效值RMS，输入主控制器10内，由主控制器10内的AD转换模块转换成数字量，并由主控制器10进行数字滤波后，将数字量信号经串口转换电路11将I/O电平转换至RS232电平后输入上位机4。上述实施例中，如图4所示，波形发生电路7采用MAX038波形发生芯片，其产生IOOkHz的正弦波。MAX038是一款精准信号发生芯片，加上合适的外围电路能够产生0. IHz到20MHz的多种信号。在MAX038输入端连接可变电阻R2，可以改变输出波形的频率。MAX038供电电源为5V和-5V，输出信号Vtjut的幅值是2VPP。上述实施例中，由于波形发生电路7的输出信号Vtjut幅值范围是-IV IV，电流驱动能力小，直接加载到电容环I的发射电极T上会造成波形失真，影响信号质量，因此需要足够的电流驱动。如图5所示，驱动电路8包括四排阻RPl和两个相同 的放大器81，波形发生电路7输出的正弦波经四排阻RPl后，再经两个放大器81分别向设置在大腿处的电容环I发射电极T和设置在小腿处的电容环I发射电极T提供正弦波信号。两个放大器81均采用TL3474运放芯片，TL3474是一款四运放芯片，每个运放最大输出电流是27mA，带宽为4MHz，完全满足信号频率范围。TL3474压摆率为13V/us，保证了前一级波形发生电路7输出的正弦波信号不失真。驱动电路8放大倍数是4倍，因此最终向大腿处电容环I发射电极T的输出信号Cltjse和向小腿处电容环I发射电极T的输出信号〔2。％的幅值范围是_4V 4V。上述实施例中，如图6所示，RMS转换电路9采用AD637芯片，AD637是一款模拟运算芯片，计算输入交流信号的有效值并输出相应的直流电压。其中，AD637的输入端连接电容环I的接收电极R，CH为输入的正弦波信号，AD为经AD637转换后的输出信号，直接输入后级的主控制器10，Cl为滤波电容。由于人体电容Cbtjdy和分压电阻R。构成串联回路，通过分压电阻Rc上的分压来反映人体电容的变化。本发明的主电路提取各接收电极R上的交流信号来测量分压信号。当接收电极R上的原始信号为IOOkHz的正弦波信号时，其幅值随人体电容Ctody的变化相应变化。根据有效值公式Ur=0. 707Usin2 ft，频率f为IOOkHz保持固定，有效值Ur和电压幅值U是线性关系。因此信号中的有用信息就是幅值信息，RMS转换电路9就是将信号转换为有效值电压。上述实施例中，如图7所示，主控制器10采用STM32F103系列单片机，其内核是ARM cortex-M3，主频最高72MHz，最多有10路I/O 口复用AD转换通道，转换精度为12bit，最高采样率1MHz，完全满足本发明中信号提取和数据处理的需要。由于主电路最多可采集10个通道的电容信号，当主控制器10采用STM32F103系列单片机时，用于AD采样的I/O 口是PAO PA7、PB0和PBl。STM32的AD转换模块可以分为规则通道组和注入转换组，本实施例中，采用AD转换模块的规则通道组，连续转换模式。为了节省CPU资源，AD转换的结果通过DMA方式传输至单片机片SRAM。系统可以按照控制时序调用转换结果。由于人正常行走时一个步态周期大概在I 2s，信号频率范围很低，大概在IOOHz以内。为得到更多的信息，用于信号特征值计算和识别，AD采样率为1kHz。为了滤去信号中的噪音，在STM32F103系列单片机中采用了一阶滞后滤波。由于电容信号本身频率很低，噪声信号相对有用信号频率较高，因此适合采用一阶滞后滤波，滤波器公式为
NewValue= (l~a) X AD_Converted+aX OldValue, a G (0,1),其中，AD_Converted为本次AD采样值,OldValue为上次滤波结果,NewValue为本次结果，滞后程度取决于滞后系数a。最终滤波得到的数据传输至上位机4，主控制器10控制着数据发送的时序，本实施例中，采用单片机内部的SysTick中断来控制时序，SysTick中断每Ims触发一次,中断函数中执行滤波程序，同时通过标志位来控制主函数何时发送数据。每Ims发送一个数据包，包含着10个通道的电容信号数据。其数据格式为
权利要求
1.一种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于它包括两个分别设置在人体大腿和小腿处的电容环、驱动単元、信号处理单元和上位机，每个所述电容环均由ー个发射电极、若干个接收电极和ー个热塑环构成，所述发射电极和各接收电极间隔设置在所述热塑环内侧，所述驱动単元和信号处理单元构成主电路；两个所述电容环的发射电极连接所述驱动単元，由所述驱动单元输出的交流正弦波信号作为所述发射电极的激励源；两个所述电容环的各接收电极均连接一分压电阻，构成串联回路，所述分压电阻上的分压信号输入所述信号处理单元内转换为数字量后，输入所述上位机完成对人体不同运动模态的识别。
2.如权利要求I所述的ー种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于所述发射电极和各接收电极均采用铜片，所述热塑环由热塑材料构成。
3.如权利要求2所述的ー种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于在所述热塑环上，相邻两个所述电极之间固定ー绝缘橡胶。
4.如权利要求I或2或3所述的ー种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于所述主电路包括所述驱动単元和信号处理单元，还包括电源模块，所述驱动単元和信号处理单元均由所述电源模块供电； 所述驱动単元包括波形发生电路和驱动电路，所述波形发生电路产生固定频率的正弦波信号，输入所述驱动电路内，由所述驱动电路为正弦波信号提供电流驱动，并放大至合适的电压幅值范围后，输出至两个所述电容环的发射电极； 所述信号处理单元包括RMS转换电路、主控制器和串ロ电平转换电路，所述RMS转换电路将接收到的所述分压电阻上的交流电压信号转换成交流电压有效值，输入所述主控制器内，由所述主控制器内的AD转换模块转换成数字量，并由所述主控制器进行数字滤波后，将数字量信号经所述串ロ转换电路将I/O电平转换至RS232电平后输入所述上位机。
5.如权利要求4所述的ー种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于所述波形发生电路采用MAX038波形发生芯片。
6.如权利要求4所述的ー种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于所述驱动电路包括四排阻和两个相同的放大器，所述波形发生电路输出的正弦波经所述四排阻后，再经两个所述放大器分别向设置在大腿处的所述电容环发射电极和设置在小腿处的所述电容环发射电极提供正弦波信号；两个所述放大器均采用TL3474运放芯片。
7.如权利要求5所述的ー种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于所述驱动电路包括四排阻和两个相同的放大器，所述波形发生电路输出的正弦波经所述四排阻后，再经两个所述放大器分别向设置在大腿处的所述电容环发射电极和设置在小腿处的所述电容环发射电极提供正弦波信号；两个所述放大器均采用TL3474运放芯片。
8.如权利要求4所述的ー种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于所述RMS转换电路采用AD637芯片。
9.如权利要求5或6或7所述的ー种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于所述RMS转换电路采用AD637芯片。
10.如权利要求4 9任意一项所述的一种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于所述主控制器采用STM32F103系列单片机，其内核是ARMcortex-M3，主频最高72MHz，最多有10路I/O ロ复用AD转换通道，转换精度为12bit，最高采样率1MHz。
全文摘要
本发明涉及一种用于人体运动模态识别的电容传感系统，其特征在于它包括两个分别设置在人体大腿和小腿处的电容环、驱动单元、信号处理单元和上位机，每个电容环均由一个发射电极、若干个接收电极和一个热塑环构成，发射电极和各接收电极间隔设置在热塑环内侧，驱动单元和信号处理单元构成主电路；两个电容环的发射电极连接驱动单元，由驱动单元输出的交流正弦波信号作为发射电极的激励源；两个电容环的各接收电极均连接一分压电阻，构成串联回路，分压电阻上的分压信号输入信号处理单元内转换为数字量后，输入上位机完成对人体不同运动模态的识别。本发明延时小、成本低廉，而且可以穿戴。本发明可以广泛应用于智能肢体控制领域中。
文档编号A61B5/11GK102670208SQ201210151050
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者王启宁, 王龙, 郑恩昊, 魏坤琳 申请人:北京大学