[发明专利]一种人体关节运动的测量系统及其测量方法

说明书

本发明公开了一种人体关节运动的测量系统，包括可拉伸的应力传感器，信号处理电路，无线通信模块与上位机软件；可拉伸的应力传感器包括绝缘的弹性体与导电体，在外力作用下可发生拉伸形变，并且在该形变过程中阻抗发生变化；工作状态时，可拉伸的应力传感器和信号处理电路位于人体关节处，随人体关节的弯曲运动而进行拉伸运动，产生阻抗信号，信号处理电路获取该阻抗信号后通过无线通信模块传输至上位机软件，通过分析获取人体关节运动参数。该测量系统的测量精度高，使用方便，与人体皮肤完美贴合，可以实时舒适地测量用户的关节运动，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及可穿戴设备领域，尤其是涉及一种人体关节运动的测量系统及其测量方法。

背景技术

对人体关节运动的监测，在运动训练和医疗康复等领域有着至关重要的作用。随着中国老龄化现象的不断加剧，在老年人中存在大量的关节有运动障碍的人群，这些患者需要对其进行恢复肢体运动功能的训练，而准确、实时地获取患者在运动过程中关节的弯曲角度，让患者更了解目前自身身体恢复情况的同时，也使得医护人员对患者的情况有更加全面的了解。

目前，角度测量的传感器种类繁多，包括微型加速度计，光纤角度传感器，立体摄影系统等，但是可用于监测人体关节运动的设备在用于家庭环境监测时，都存在明显的缺陷。例如，在2001年，Williamson等人在人体的大腿和小腿部分安装了加速度传感器和陀螺仪，通过信息融合技术和算法处理，获得了膝关节弯曲的角度信息，但是传感器无法与人体皮肤贴合，多以捆绑的方式固定于关节处，这大大降低了长时间使用的舒适性；利用光学运动捕捉系统可以实现非接触式的关节弯曲角度测量，是理想的监测设备，但其价格十分昂贵，动辄几十万，并且需要具备相关的专业知识，因此不符合家庭使用。

发明内容

本发明针对目前关节测量系统舒适性差、成本高等缺陷，利用柔性可拉伸应力传感器，信号处理电路，上位机软件和非弹性织物，提供一种人体关节运动的测量装置。

本发明的技术方案为：一种测量人体关节运动的测量系统，包括可拉伸的应力传感器，信号处理电路，无线通信模块、上位机软件；

所述可拉伸的应力传感器包括绝缘的弹性体与导电体，在外力作用下可以发生拉伸形变，并且在形变过程中，其阻抗发生变化；

工作状态时，可拉伸的应力传感器和信号处理电路位于人体关节处，随人体关节的弯曲运动而进行拉伸运动，产生阻抗信号，信号处理电路获取该阻抗信号后通过无线通信模块传输至上位机软件，通过分析获取人体关节运动参数。

所述阻抗包括电阻、电感、电容，因此可拉伸的应力传感器可以是电阻型应力传感器、电感型应力传感器或者电容型应力传感器。

构成所述弹性体的材料不限，包括热塑性弹性体或热固性弹性体，例如硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、水凝胶、聚氨酯、SEBS、POE等中的一种或者几种。

作为优选，所述的导电体为液态金属。所述的液态金属材料是在室温下为液态的金属导电材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金等。

作为一种结构形式，所述可拉伸的应力传感器是由弹性体和液态金属构成，分为上中下三层，上层和下层为弹性体，中间层为液态金属。该可拉伸的应力传感器的制备方法不限，作为一种优选的方法，是将弹性体作为弹性基底，然后将液态金属涂覆到该弹性基底表面，再将熔融状态或液态的热塑性弹性体涂覆到液态金属表面，或者将热固性弹性体涂覆到液态金属表面，固化后形成可拉伸的应力传感器。

为了更好地使可拉伸的应力传感器贴合在人体关节位置，作为优选，将可拉伸的应力传感器与和信号处理电路固定在可穿戴在人体关节处的织物上，测量时，将织物穿戴在人体关节上，使可拉伸的应力传感器随人体关节的弯曲而进行拉伸运动。所述织物不限，可以是护膝、护肘等，织物材料不限，包括布、麻、毛等。