[发明专利]一种基于光纤光栅的肢体关节角度测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于光纤光栅的肢体关节角度测量装置，其特征在于，包括：

可拆卸的穿戴部件，穿戴部件能被穿戴于人体；光纤光栅应变传感单元，包括多光栅串联的光纤光栅串，设于穿戴部件；光纤光栅应变传感单元在肢体关节背侧，且关节两侧各有两个完整的光栅；光纤光栅解调仪，用于采集光纤光栅应变传感单元中光栅的波长；控制器，控制器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪将采集到的波长数据传送至控制器，控制器根据波长数据得到肢体的关节角度；基于装置的测量方法，包括：

1）将光纤光栅应变传感单元固定于穿戴部件；

2）将穿戴部件套设于人的肢体，使得光纤光栅应变传感单元在肢体关节背侧；且关节两侧各有两个完整的光栅；

3）将光纤光栅应变传感单元连通光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接控制器；

4）肢体均匀伸展收缩或固定在设定的角度，由光纤光栅解调仪进行波长数据采集；

5）控制器进行运算和处理，并获得肢体关节角度和/或肢体姿态；

步骤5）包括如下内容：

5-1）用 l_i表示第 i 段中心线的弧长，仅考虑单个关节的运动时，在设定的间距内，中心线的形状为二维曲线，近似看作是一圆弧，则其参数方程为：

其中，表示光纤光栅每段中心线弧长对应的圆心角；

则布置在关节背侧的光纤段曲率半径，用波长变化量表示为：

其中λ为每个光栅中心波长，h为肢体中心线距光纤光栅串距离；

且局部坐标到坐标系的变换可分为1个旋转变换和1个平移变换，旋转变换为：

坐标到坐标平移可以表示为：

则节点即光纤光栅应变传感单元中光栅中心o_i的全局位置可以表示为：

节点o_i的全局位置向量P_i的集合{P₁、P₂、P₃、……P_n}表示栅点所处位置，并解算关节转角；（x_i,0,z_i）分别表示第n个栅点对应的中心的坐标；

当关节弯曲角度小于90°时，关节转角γ有：

其中，；当关节弯曲角度大于等于90°时，。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的肢体关节角度测量装置，其特征在于，所述穿戴部件包括穿戴本体，穿戴本体的两侧设置可拆卸的连接件。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的肢体关节角度测量装置，其特征在于，所述光纤光栅串包括沿着所述穿戴部件长度方向设置的多个所述的光栅，光栅通过光纤连接。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的肢体关节角度测量装置，其特征在于，所述控制器包括关节结算模块和滤波模块，关节结算模块通过解析方法将光栅波长的变化量进行解算，得到肢体关节角度和/或肢体姿态。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的肢体关节角度测量装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感单元通过胶水黏贴于所述穿戴部件的内侧。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的肢体关节角度测量装置，其特征在于，步骤3）还包括如下内容：

3-1）设置光纤光栅解调仪的参数；

3-2）对光纤光栅应变传感单元中的光栅进行栅点编号：

3-3）在控制器中标定波长向量，向量中的每个元素对应光纤光栅应变传感单元中每个光栅的标准中心波长。