[发明专利]一种人体体表生理微动的精密模拟装置

说明书

本发明公开了一种人体体表生理微动的精密模拟装置，包括控制器、驱动器、运动执行机构、模拟运动负载与光栅尺；控制器用于连接上位机；控制器通过驱动器连接运动执行机构；运动执行机构连接模拟运动负载与光栅尺；光栅尺与控制器相连。本发明采用闭环反馈控制的方式，运动执行机构带动负载对设定目标运动曲线的实现精密跟踪，达到人体体表微动模拟的目的；相比现有产品，负载微动性能有明显提升，提高了目标运动跟踪精确；运动执行机构采用直线电机动子固定，定子带动负载台一起运动的方式进行模拟运动，避免连接在动子线圈上的电线引入额外的干扰运动影响模拟效果。

技术领域

本发明涉及人体体表微动模拟装置，尤其涉及一种人体体表生理微动的精密模拟装置。

背景技术

近年来，生物雷达作为一种新的非接触式新型传感器得到了广泛的关注和研究。生物雷达通过发射天线向周围坏境发射指定频率的电磁波，并通过接收天线接收被环境中的障碍物反射回来的电磁波，然后对接收信号进行分析处理以实现检测目的。

人体体表微动是指由呼吸或心跳生理活动所引起体表(主要是胸腹腔部位)的微弱起伏或振动。通常，呼吸活动引起的起伏运动频率约0.1Hz～0.7Hz、运动振幅约2mm～12mm，心跳运动产生的振动运动频率约0.7Hz～3Hz、运动振幅约0.1mm～1mm。通过分析雷达接收到的人体体表反射信号，就能从中分离并提取出与生理微动相对应的呼吸或心跳运动信号，进而获得呼吸率与心率，从而实现对生理信号的探测。

人体体表微动模拟装置的主要目的是实现对人体体表由呼吸或心跳所引起的微弱运动的可控精确模拟，以达到对生物雷达检测性能进行定量评估的目的。微动有两个重要参数：一是微动行程，即运动的幅度；二是运动频率，即来回的快慢程度。结合通常情形下人体呼吸与心跳的运动幅度和运动频率，要完整覆盖一般场景，需要微动模拟装置能够实现对运动频率在0.1Hz～3Hz、运动行程在0.1mm～12mm区间内的所有运动方式的精确模拟。

目前有两种典型人体体表微动模拟方案：

方案一原理：如附图1所示，通过音频播放器播放与目标运动曲线对应的音频信号，然后经由功率放大器对音频电流进行放大，接着使用放大后电流驱动喇叭产生振动，并带动负载进行微动。

方案二原理，如附图2所示，将目标运动曲线转换成运动脉冲序列，然后由控制上位机根据脉冲序列的分布依次按时发送脉冲指令给驱动器，驱动器根据指令控制伺服电机旋转指定的角度，然后驱动精密线性模组转换成直线位移，进而带动负载实现指定行程的微动。

前述两种技术方案在一定程度上都实现了对负载的微动控制，但是存在明显的缺陷与不足。

通过音频信号驱动喇叭实现的负载振动存在几点缺陷：

a.即使使用特殊的超低音喇叭，也难以实现呼吸和心跳对应频段的低频振动；

b.对频率的分辨率非常粗糙，基本无法区分差异在0.01Hz(～1bpm)级别的不同信号；

c.无法实现指定行程的振动，一个原因是喇叭的音频非线性特性，另一个原因在于从播放器的输出音频电流和放大器的放大倍数都难以精确控制；

d.喇叭驱动负载的能力非常有限，另外，即使连接再轻的负载，也可能改变喇叭的振动特性。

通过精密线性模组实现的负载微动较喇叭实现的负载振动有明显的改进，但也存在着几点不足：

a.将目标运动曲线转换成运动脉冲序列的过程中存在一定的转换失真，连续的运动曲线离散化为一个个等强度的脉冲后，驱动电机的运动是步进式的转动，只能实现位置上的跟踪，丢失了运动速度等信息；

b.开环式的驱动，无法获取运动执行部件的真实运动位置，即使控制脉冲命令与运动目标曲线精确对应，也无法保证真实的运符合预期；