CN113616210B - 一种分布式手臂力传感信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式手臂力传感信号采集装置，属于可穿戴设备领域。该装置包括传感单元以及连接单元，其中：传感单元包括预设数量的传感器组件，各个传感器组件分别设置在手臂的不同测点上；连接单元包括预设数量的连接绳和拉力传感器，每根连接绳的两端分别与传感器组件连接，以实现传感器组件的连接和固定；同时连接绳上设置有拉力传感器，用于将连接绳上的拉力转化为电信号并进行采集。本发明能够在测量时突破传统测量方案中闭式环形测量的限制，将手臂肌动信号测量由手臂环形二维曲线测量扩展为手臂整体的分布式三维测量，并且引入拉力信号以对手臂运动进行具体的分类与识别，从而有效提高运动意图识别的准确性。

Description

一种分布式手臂力传感信号采集装置

技术领域

本发明属于可穿戴设备领域，更具体地，涉及一种分布式手臂力传感信号采集装置。

背景技术

近年来，随着生物传感及材料制备领域的不断发展，肌电传感器、薄膜压力传感器等可穿戴智能传感设备不断涌现。其通过对人体运动过程中肌肉电信号或肌肉形变信号的实时感知与监控，成为穿戴者运动意图识别评估的有效手段之一。这些传感设备体积小、质量轻，可为穿戴者提供良好的人机交互体验。但是，为了获取更精确的上肢运动状态，往往需要设置相对更多的传感测点单元，导致系统复杂度提升，反而增大了传感设备的体积和成本。虽然目前可穿戴智能传感设备已有长足进步，但其在理论和技术上仍然存在困难和挑战，比如不同粗细手臂运动数据的差异性；传感测点大量布置的冗余性；穿戴者运动意图识别的准确性；设备制备的可穿戴性等等。

目前主流的测量方式为以表面肌电信号(sEMG)为根据的点位测量方法和以肌动信号(FMG)为根据的臂环式测量方法。其中，表面肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法，而肌动信号则是肌肉收缩时横向振动的力学信号，主要是运动神经元通过激活运动单位引发肌纤维收缩所产生的力学振动，可通过人体局部肌肉施力膨胀后与外部束缚臂带之间产生的压力进行测量。可穿戴传感设备可用于手臂运动的感知与监控，精确预测手臂运动模式与意图。表面肌电信号传感器由于采集的是人体的生物电信号，很容易受到皮下脂肪、外部震动等因素影响，导致测量到的信号噪声较大，稳定性较差。进而该信号会对下游运动预测任务产生较大影响。因此，在手臂运动意图识别应用中，表面肌电信号可靠性较差。以肌动信号为测量对象的低成本采集设备便是环形力传感臂环。力传感臂环主要由薄膜压力传感器以及用于连接固定传感器的臂环带组成。传统的力传感臂环中薄膜压力传感器环状均布在一条臂带上。当使用者穿戴力传感臂环时，臂环的穿戴预紧力保证了薄膜压力传感测点与被测肌肉区域内之间存在一定的预接触压力。当使用者进行某些动作时，动作对应的特定肌肉区域的收缩与舒张便会反映为臂带束缚区域的挤压力信号，进而我们便可以建立不同运动模式与对应力信号谱的关系。但是，传统臂环测量局限于肢体局部肌肉区域，采集的肌动信号区域较小且传统臂环的力传感测点连接方式单一，其圆周均布的设计导致了力传感测点在进行某些特定运动的意图识别下会存在冗余性。

CN108042142A提出了一种穿戴式人体姿态检测及肢体肌力测试系统，采用固定人体腿部、胸部的气囊装置监视人体运动时肌肉的收缩情况，通过使用射频技术网络传输数据至数据处理模块，可以检测出人体姿态以及肢体肌力，有效应用于外骨骼、助行机器人等方向。但是该专利在对肌肉收缩测量时只对人体的左小腿、右小腿、躯干胸部、左大腿以及右大腿五个部位测量五个点位，且并未对压力信号采取点位进行精准定位于最优测点分析，导致其信号无法区分精细动作与相似动作。CN208018063U提出一种基于柔性阵列式传感器的上肢主动康复训练系统。该系统采用柔性阵列式压力传感器采集人体皮肤与外骨骼机器之间的压力，较于传统单点式压力传感器和多维传感器，能获取更多的人体运动特征信息，识别人体运动意图准确率高。但该发明中并未考虑测点肌肉测点优化，阵列传感器测量的多个数据中会存在相似度较高等问题，且阵列压力传感器并不具有可拉伸性，这会导致其测量结果对不同体型人群是不具泛用性的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种分布式手臂力传感信号采集装置，旨在解决现有的手臂力传感信号采集装置中测点冗余、识别精度较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种分布式手臂力传感信号采集装置，该装置包括传感单元以及连接单元，其中：

所述传感单元包括预设数量的传感器组件，使用时，各个所述传感器组件分别设置在手臂的不同测点上，以采集不同位置的肌动信号，用于进行运动意图识别；

所述连接单元包括预设数量的连接绳和拉力传感器，每根所述连接绳的两端分别与所述传感器组件连接，以实现所述传感器组件的连接和固定；同时所述连接绳上设置有拉力传感器，用于将所述连接绳上的拉力转化为电信号并进行采集，以此利用拉力信号辅助运动意图的识别。

作为进一步优选的，每个所述传感器组件均包括基体、压力传感器和连接绳收紧结构，其中所述基体的下方设置有凸台，并与所述压力传感器连接，该基体的上方与所述连接绳收紧结构连接；使用时所述压力传感器贴紧手臂测点，用于采集手臂肌肉的肌动信号；所述连接绳收紧结构与所述连接绳连接，用于收紧所述连接绳。

作为进一步优选的，每个所述传感器组件还包括弹性耦合体，所述弹性耦合体设置在所述压力传感器的下方，用于为所述压力传感器提供支持力。

作为进一步优选的，所述连接绳收紧结构包括无级传动组件、约束组件和顶盖，其中所述无级传动组件包括小直径无级传动锥体、无级传动轴轮、大直径无级传动锥体和螺母，所述小直径无级传动锥体的上方设置有绳圈，用于与所述连接绳连接，其下方设置有小直径转动轴，用于将其固定在基体上；所述小直径无级传动锥体通过所述无级传动轴轮与所述大直径无级传动锥体进行传动，同时所述大直径无级传动锥体与所述约束组件连接，工作时，利用所述约束组件控制所述大直径无级传动锥体的转动，进而通过所述无机传动轴轮的传动实现所述连接绳的收紧和释放；所述顶盖设置在所述基体的上方，并通过螺母对所述无级传动轴轮进行固定。

作为进一步优选的，所述约束组件包括棘轮发条、棘轮、棘轮钩和棘轮钩弹簧，其中：所述棘轮发条与棘轮的底面连接，用于为所述棘轮提供回弹转矩；所述棘轮包括棘轮齿和棘轮轴，所述棘轮齿采用单向齿形设计，并在所述棘轮钩的约束下实现单向转动；所述棘轮轴与大直径无级传动锥体通过键连接，以此实现对所述传动组件的运动控制；所述棘轮钩弹簧与所述棘轮钩连接，用于对所述棘轮钩进行复位，以解除对所述棘轮的约束。

作为进一步优选的，所述约束组件中棘轮钩的数量为2个～5个。

作为进一步优选的，所述传感单元中传感器组件的数量为8组～16组。

作为进一步优选的，所述传感器组件安装位置的确定方法为：利用多条在手臂轴向均匀分布的肌动信号测量臂环，测量不同动作下手臂运动的全局肌动信号并进行分析，确定不同动作下最活跃的肌肉，将其作为分布式手臂力传感信号采集装置的最优测点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明通过将预设数量的传感器组件设置在手臂的最优测点上，并通过连接单元形成相互连接的信号采集装置，能够在测量时突破传统测量方案中闭式环形测量的限制，将手臂肌动信号测量由手臂环形二维曲线测量扩展为手臂整体的分布式三维测量，并且在连接单元中引入拉力传感器，将连接绳上的拉力转化为电信号，进而引入新的变量以对手臂运动进行具体的分类与识别，从而有效提高运动意图识别的准确性；

2.尤其是，本发明通过设置弹性耦合体，能够使压力传感器的受力更加均匀，防止人体皮下脂肪分布、肌肉形状、穿戴织物等不同情况对测量数据产生影响，以此保证压力传感器采集数据的可靠性和稳定性；

3.同时，本发明还对连接绳收紧结构的具体结构进行优化，采用无级传动组件实现对传动比的调节，从而实现对连接绳的固定长度比例的调整，并通过单向齿形的棘轮实现对无级传动组件的单向收紧，进而有效控制传动器组件之间的比例距离，在提供传感器工作压力的同时，保证不同人群穿戴时测量位置因人而异；

4.此外，本发明通过使用多条传统的肌动信号测量臂环对手臂全局肌动信号进行测量，不断排除手臂上低活跃肌肉对应点位，最终确定出一组手臂肌动信号最优测点，在继承传统力传感信号测量准确性的同时，克服了传统臂环中存在冗余点位的缺点。

附图说明

图1是本发明优选实施例提供的分布式手臂力传感信号采集装置与人体的装配概念效果图；

图2是本发明优选实施例中连接单元的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中传感器组件的结构示意图，其中(a)、(b)为不同角度的视图；

图4是本发明优选实施例中基体、压力传感器和弹性耦合体的装配剖视图；

图5是本发明优选实施例中连接绳收紧结构的分解示意图；

图6是本发明优选实施例中约束组件的装配示意图；

图7是本发明优选实施例中连接绳收紧结构的装配示意图；

图8是本发明优选实施例中顶盖的结构示意图；

图9是本发明优选实施例中连接绳的缠绕示意图；

图10是本发明优选实施例中信号采集与分析流程的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-传感单元，11-压力传感器，12-基体，13-弹性耦合体，14-连接绳收紧结构，1401-顶盖，1402-棘轮，1403-大直径无级传动锥体，1404-小直径无级传动锥体，1405-小直径传动轴，1406-无级传动轴轮，1407-棘轮钩，1408-棘轮钩弹簧，1409-棘轮发条，1410-螺母，1411-绳圈，2-连接单元，21-连接绳，22-拉力传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～4所示，本发明提供了一种分布式手臂力传感信号采集装置，该装置包括传感单元1以及连接单元2，其中：

传感单元包括8组～16组的传感器组件，使用时各个传感器组件分别设置在手臂的最优测点上，以采集不同位置的肌动信号，用于进行运动意图识别；每个传感器组件均包括基体12、压力传感器11、连接绳收紧结构14和弹性耦合体13，基体12的下方根据压力传感器11的工作面积与形状设计有对应的凸台结构，压力传感器11的非传感面紧贴凸台结构安装，可配套市场大多数压力传感器，具有较好的通用性，该基体12的上方与连接绳收紧结构14连接；压力传感器11设置在手臂上方，优选采用薄膜压力传感器，以采集手臂肌肉的肌动信号；连接绳收紧结构14与连接绳21连接，用于收紧连接绳21；

连接单元2包括预设数量的连接绳21和拉力传感器22，每根连接绳21的两端分别与传感器组件连接，以实现传感器组件的连接和固定；连接同一传感器组件的多条连接绳21相互作用，提供一个平衡约束力来实现传感器组件相对最优测点的精确定位，同时也为压力传感器11提供工作所需的背向支持力，以保证不同人群穿戴时传感单元1仍可以有较好的人机耦合关系；同时连接绳21上设置有拉力传感器22，用于将连接绳21上的拉力转化为电信号并进行采集，实现了传感器组件之间连接拉力的可控，进而将连接拉力这一变量引入肌动信号的采集量中，实现臂带弹性变形量等结构参量的建模，能够有效提高肌动信号测量的全面性与运动意图识别实验的准确性。

本发明将手臂肌肉最优测点位置离散化，将每一个独立测点看作一个单元体，并通过连接单元将其连接为一个整体，从而形成分布式组合。其中，传感器组件安装位置的确定方法为：利用多条在手臂轴向均匀分布的肌动信号测量臂环，测量不同动作下手臂运动的全局肌动信号并进行分析，确定不同动作下最活跃的肌肉，将其作为分布式手臂力传感信号采集装置的最优测点。相较于传统力传感信号测量臂环，本发明在对肌动信号测量时突破传统测量方案中闭式环形测量的限制，将手臂肌动信号测量由手臂环形二维曲线测量扩展为手臂整体的分布式三维测量，在继承传统力传感信号测量准确性的同时，克服了传统臂环中存在冗余点位的缺点。

进一步，传感器组件还包括弹性耦合体13，该弹性耦合体13设置在压力传感器11下方的传感区域，并通过基体12上的卡槽将其固定。弹性耦合体13自下而上包括两部分，第一部分为弹性耦合体13底面上的啮合结构，用于装配在基体12中部的对应位置凹槽中，第二部分为球弧面结构设计，该设计可以将传感器组件受到的一定程度的径向力转换为轴向力，避免受到外界径向力时传感器组件发生径向偏移。弹性耦合体13与皮肤表面接触并将肌肉形变产生的压力传递给压力传感器11，因弹性耦合体13可以通过轻微弹性变形来减少传感器组件的厚度，以防止在较大压力环境下传感器组件对人体肌肉产生较大的压迫感，提高使用舒适度。同时通过弹性耦合体13以及凸台设计，可以使压力传感器11的受力更加均匀，防止人体皮下脂肪分布、肌肉形状、穿戴织物等不同情况对测量数据产生影响，以保证压力传感器11采集数据的可靠性与稳定性。

啮合结构的具体实施方式如下：弹性耦合体13具有一定弹性，在装配过程中，可以对三个啮合结构施加相应的变形力，将其放置在基体12中部对应位置凹槽后卸去变形力，弹性耦合体13的回弹特性会使啮合结构固定在对应凹槽中，从而固定基体12与弹性耦合体13，三个啮合结构在圆周上的均匀分布也限制了压力传感器11在径向方向的窜动，使压力传感器11与基体12的凸台有良好的同轴度。

进一步，如图5～9所示，连接绳收紧结构14包括无级传动组件、约束组件和顶盖1401，其中无级传动组件包括小直径无级传动锥体1404、无级传动轴轮1406、大直径无级传动锥体1403和螺母1410，小直径无级传动锥体1404的上方设置有绳圈1411，用于与连接绳21连接，其下方设置有小直径转动轴1405，用于将其固定在基体12上；小直径无级传动锥体1404通过无级传动轴轮1406与大直径无级传动锥体1403进行传动，同时大直径无级传动锥体1403与约束组件连接，工作时，利用约束组件控制大直径无级传动锥体1403的转动，进而通过无机传动轴轮1406的传动实现连接绳21的收紧和释放；顶盖1401设置在基体12的上方，用于为无级传动组件的各个零件提供部分支撑以及保护作用，并通过螺母1410对无级传动轴轮1406进行固定。通过对无级传动轴轮1406的手动调整转动，可以调节无级传动轴轮1406与两传动锥体的相对啮合位置，进而无级调节对应的大直径无级传动锥体1403和小直径无级传动锥体1404的传动比，从而实现对连接绳21的固定长度比例的调整，进而保证传感器组件之间自由连接的同时保持固定比例距离，同时也为压力传感器11工作提供所需压力，面对不同穿戴人群时仍有足够的预紧力并保持在固定测点位置不发生滑移。

约束组件包括棘轮发条1409、棘轮1402、棘轮钩1407和棘轮钩弹簧1408，其中：棘轮发条1409与棘轮1402的底面连接，用于为棘轮1402提供回弹转矩；棘轮1402包括棘轮齿和棘轮轴，棘轮齿采用单向齿形设计，并在棘轮钩1407的约束下实现单向转动；棘轮轴与大直径无级传动锥体1403通过键连接，以此实现对传动组件的运动控制；棘轮钩弹簧1408与棘轮钩1407连接，用于对棘轮钩1407进行复位，以解除对棘轮1402的约束。将连接绳21收入绳圈1411时，转动棘轮1402从而带动大直径无级传动锥体1403转动，棘轮1402的单向齿形设计会推动棘轮钩弹簧1408压缩，在连接绳21达到对应长度之后，停止转动棘轮1402。

在采集肌动信号时，棘轮发条1409的回弹力与手臂肌肉会间接对连接绳21产生拉力，使其带动绳圈1411产生逆向转矩，从而达到对连接绳21的固定与收紧作用。此时，由于逆向转矩的作用，棘轮钩弹簧1408处于正常状态，由基体12的凹槽对棘轮钩1407进行约束，从而对棘轮1402逆向转动进行约束。当需要卸载传感器组件时，通过扳动棘轮钩1407尾部长柄结构，可以手动压缩棘轮钩弹簧1408，解除棘轮钩1407对棘轮的约束，使棘轮1402在棘轮发条1409的逆向转矩下回到初始状态，放松连接绳21。考虑到测量肌动信号时手臂运动的不确定性与震动，本发明中设置了沿圆周均匀分布的2-5个棘轮钩1407与棘轮钩弹簧1408同时对棘轮1402进行约束，即需同时扳动所有棘轮钩1407的尾部长柄结构才能解除约束，卸载传感器组件，极大降低外界因素对棘轮钩1407尾部长柄结构的误触导致传感器组件脱落的可能性。

在传统肌动信号测量实验中，传统力传感信号测量臂环通过可拉伸织物制作，以实现传统测量臂环在手臂上的相对位置的固定以及传感器工作时的背向支持力的提供。但是，传统力传感信号测量臂环未对弹性织物连接产生的压力进行量化，未考虑不同长度与刚度的弹性织物会对最终数据测量结果产生影响。同时，因手臂肌群在拉伸舒张时的形成的局部突起会导致部分传感器基础压力减小，进而无法正常测量肌动信号。且弹性织物与传感器并未一体化，在穿戴传统力传感信号测量臂环时需要先将多个传感器分别固定在传统测量臂环的弹性织物上，再将其安装在手臂上，穿戴过程较为繁琐且使用者较难准确对准测点。本发明中，通过将传统力传感信号测量臂环中用于连接与固定的弹性织物替换为连接绳及拉力传感器。连接绳21收紧收入无级传动组件中，并对各方向的传动比进行无级调整，通过约束组件的单向收紧作用可以进一步控制传感器组件之间的比例距离，在提供压力传感器11工作压力的同时，也能保证不同人群穿戴本发明提供的装置时测点位置能实现因人而异。

如图10所示，手臂肌肉运动产生的压力值会作用于传感器组件上，使压力传感器11产生相应的电压值，并由信号放大器进行放大，通过上位机将信号输入计算机中进行处理。可根据不同动作产生的点位肌动信号变换组合可以对肌动信号变换进行相关性分析，通过记录不同动作对应的肌动信号变化组合下的意图识别准确率可为测点的选取提供依据。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分布式手臂力传感信号采集装置，其特征在于，该装置包括传感单元（1）以及连接单元（2），其中：

所述传感单元包括预设数量的传感器组件，使用时各个所述传感器组件分别设置在手臂的不同测点上，以采集不同位置的肌动信号，用于进行运动意图识别；

所述连接单元（2）包括预设数量的连接绳（21）和拉力传感器（22），每根所述连接绳（21）的两端分别与所述传感器组件连接，以实现所述传感器组件的连接和固定，所述传感器组件包括连接绳收紧结构（14），该连接绳收紧结构（14）包括无级传动组件、约束组件和顶盖（1401），所述无级传动组件包括小直径无级传动锥体（1404）、无级传动轴轮（1406）、大直径无级传动锥体（1403）和螺母（1410），所述小直径无级传动锥体（1404）的上方设置有绳圈（1411），用于与所述连接绳（21）连接，其下方设置有小直径转动轴（1405），用于将其固定在基体（12）上；所述小直径无级传动锥体（1404）通过所述无级传动轴轮（1406）与所述大直径无级传动锥体（1403）进行传动，同时所述大直径无级传动锥体（1403）与所述约束组件连接，工作时，利用所述约束组件控制所述大直径无级传动锥体（1403）的转动，进而通过所述无级传动轴轮（1406）的传动实现所述连接绳（21）的收紧和释放；所述顶盖（1401）设置在所述基体（12）的上方，并通过螺母（1410）对所述无级传动轴轮（1406）进行固定；所述约束组件包括棘轮发条（1409）、棘轮（1402）、棘轮钩（1407）和棘轮钩弹簧（1408），其中：所述棘轮发条（1409）与棘轮（1402）的底面连接，用于为所述棘轮（1402）提供回弹转矩；所述棘轮（1402）包括棘轮齿和棘轮轴，所述棘轮齿采用单向齿形设计，并在所述棘轮钩（1407）的约束下实现单向转动；所述棘轮轴与大直径无级传动锥体（1403）通过键连接，以此实现对所述传动组件的运动控制；所述棘轮钩弹簧（1408）与所述棘轮钩（1407）连接，用于对所述棘轮钩（1407）进行复位，以解除对所述棘轮（1402）的约束；同时所述连接绳（21）上设置有拉力传感器（22），用于将所述连接绳（21）上的拉力转化为电信号并进行采集，以此利用拉力信号辅助运动意图的识别。

2.如权利要求1所述的分布式手臂力传感信号采集装置，其特征在于，每个所述传感器组件还包括压力传感器（11），所述基体（12）的下方设置有凸台，并与所述压力传感器（11）连接，该基体（12）的上方与所述连接绳收紧结构（14）连接；使用时所述压力传感器（11）贴紧手臂测点，用于采集手臂肌肉的肌动信号；所述连接绳收紧结构（14）与所述连接绳（21）连接，用于收紧所述连接绳（21）。

3.如权利要求2所述的分布式手臂力传感信号采集装置，其特征在于，每个所述传感器组件还包括弹性耦合体（13），所述弹性耦合体（13）设置在所述压力传感器（11）的下方，用于为所述压力传感器（11）提供支持力。

4.如权利要求1所述的分布式手臂力传感信号采集装置，其特征在于，所述约束组件中棘轮钩（1407）的数量为2个～5个。

5.如权利要求1所述的分布式手臂力传感信号采集装置，其特征在于，所述传感单元中传感器组件的数量为8组～16组。

6.如权利要求1～5任一项所述的分布式手臂力传感信号采集装置，其特征在于，所述传感器组件安装位置的确定方法为：利用多条在手臂轴向均匀分布的肌动信号测量臂环，测量不同动作下手臂运动的全局肌动信号并进行分析，确定不同动作下最活跃的肌肉，将其作为分布式手臂力传感信号采集装置的最优测点。

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