一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物為傳感元件的上肢運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于可穿戴智能紡織品技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)試在康復(fù)醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。例如，在一些體育訓(xùn)練中，運(yùn)動(dòng)信號(hào)被用來識(shí)別運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中的不足，從而有目的地指導(dǎo)后期訓(xùn)練；在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)信號(hào)被用來檢測(cè)病人的康復(fù)過程。目前，由加速計(jì)、柔性電測(cè)角計(jì)、攝像機(jī)組成的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)已被用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。研制成功的產(chǎn)品有英國牛津(Oxford)公司自80年代推出的一系列VIC0N運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，在許多發(fā)達(dá)國家得到了廣泛應(yīng)用。這套系統(tǒng)是基于攝像機(jī)的，目前有700多套各種型號(hào)在實(shí)驗(yàn)室里和各種醫(yī)院、康復(fù)中心里運(yùn)作。美國的PeakPerformance Technologies Inc.在過去的近20年也推出了一系列的商用PeakMotus運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣是基于攝像機(jī)的，也取得了廣泛的應(yīng)用。雖然這樣的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測(cè)量人體的動(dòng)作，但它的便攜性和隱蔽性差，不方便使用。同時(shí)，這些組件為剛性或無彈性材料，如被固定在服裝上會(huì)影響人們穿著的舒適性。
[0003]不同傳感原理和傳感材料的傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)已被應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)。國內(nèi)外已有部分專利技術(shù)和學(xué)術(shù)文獻(xiàn)被公開，如發(fā)明專利“一種姿態(tài)識(shí)別方法及姿態(tài)識(shí)別控制系統(tǒng)”(公開號(hào):CN102799263A)，該專利對(duì)攝像裝置采集的肢體動(dòng)作圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取出僅包含肢體動(dòng)作區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)；提取圖像數(shù)據(jù)的肢體動(dòng)作特征，確定肢體擺放姿勢(shì)，判斷肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本發(fā)明免去了紅外感光手套或者傳感器對(duì)用戶的限制，方便了用戶操作；但其只能在特定的地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，不能對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。專利“肢體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”(公開號(hào):CN 101522101A)中采用微型運(yùn)動(dòng)傳感器、光子織物、嵌入織物的微型壓力傳感器以及肌肉活動(dòng)傳感器搭建了一個(gè)肢體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，嵌入織物的傳感器會(huì)影響織物的舒適性進(jìn)而影響測(cè)試結(jié)果。
[0004]除此之外，《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》2008年第7期發(fā)表論文“基于機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)與分析”，作者以導(dǎo)電紗線與絕緣紗線組合的機(jī)織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了并聯(lián)式與串聯(lián)式的應(yīng)變傳感器，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果機(jī)織物中的導(dǎo)電紗線為并聯(lián)式，理論上可用于任意尺寸物體的大應(yīng)變檢測(cè)，若為串聯(lián)式，則僅適用于較小尺寸物體的大應(yīng)變檢測(cè)。文章只是對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)下傳感器的應(yīng)變敏感性進(jìn)行了討論，并沒有應(yīng)用到肢體進(jìn)行實(shí)測(cè)?！禨yntheticMetals》2005 年第 155 卷第 3 期發(fā)表論文“Conducting polymer coated lycra”，文中采用聚吡咯萊卡織物作為一個(gè)動(dòng)態(tài)電路元件組成一個(gè)電路，長(zhǎng)條狀導(dǎo)電織物覆蓋在膝蓋上，隨著膝蓋的彎曲導(dǎo)電織物電阻發(fā)生變化。根據(jù)電阻變化的大小，電路中的發(fā)生器發(fā)出不同的聲音，通過聲音的不同大小來反映膝蓋的彎曲程度。作者對(duì)肢體的運(yùn)動(dòng)測(cè)試只是一個(gè)定性的評(píng)價(jià)，且提出的條狀導(dǎo)電織物僅能反應(yīng)彎曲程度，不能全面反應(yīng)肢體的全方位運(yùn)動(dòng)。((Journal of neuroengineering and rehabilitat1n〉〉2005 年第 2 卷第 1 期發(fā)表了論文“Wearable conductive fiber sensors for mult1-axis human joint anglemeasurements”，介紹了一種能夠連續(xù)長(zhǎng)期地監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，該技術(shù)就是將一根導(dǎo)電紗線貼附在織物上，隨著關(guān)節(jié)的彎曲導(dǎo)電紗線會(huì)伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致其電阻增加，通過電阻的變換來反映關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)?！禨ensors》2014年第14卷第3期發(fā)表了論文“A Textile-BasedWearable Sensing Device Designed for Monitoring the Flex1n Angle of Elbow andKnee Movements”，文中采用彈性紗線制作了彈性導(dǎo)電帶，基于彈性導(dǎo)電帶組裝了一個(gè)用于檢測(cè)人體手肘和膝蓋運(yùn)動(dòng)角度的檢測(cè)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠很好地反映手肘與膝蓋的運(yùn)動(dòng)角度，隨著運(yùn)動(dòng)角度的增加，導(dǎo)電彈性帶的電阻幾乎成線性增加。這些研究所述檢測(cè)方法由于傳感元件的一維化，只能反應(yīng)肢體的彎曲運(yùn)動(dòng)——這種單一運(yùn)動(dòng)。此外，這些研究所述測(cè)試方法中往往采用如粘貼式、筘式等固定導(dǎo)電織物與信號(hào)采集設(shè)備之間的信號(hào)引出線，在肢體的反復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)中都存在容易松動(dòng)甚至脫落的問題。
[0005]綜上所述，從肢體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的現(xiàn)行方法、專利陳述及研究報(bào)告所提方法來看，存在兩方面不足:要么傳感元件及信號(hào)傳輸線的材料剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)服裝用材料，不滿足面向可穿戴醫(yī)療實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式的柔性化、隱蔽性、舒適性；要么所監(jiān)測(cè)的運(yùn)動(dòng)模式單一，不能真實(shí)反應(yīng)肢體運(yùn)動(dòng)過程，諸如彎曲和旋轉(zhuǎn)。鑒于現(xiàn)有肢體功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)時(shí)可穿戴醫(yī)療監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的不足，本發(fā)明將利用導(dǎo)電紡織材料作為傳感元件來監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，并解決傳感元件固定、信號(hào)傳輸線的易脫落、易松動(dòng)等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于導(dǎo)電織機(jī)物作為傳感元件的人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)及方法，適用于肢體功能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該織物傳感器具有與服裝一樣的材質(zhì)特性，能夠完美地與服裝集成從而實(shí)現(xiàn)一體化。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括:
[0008]信號(hào)發(fā)生裝置，包括帶有信號(hào)傳輸線的導(dǎo)電織物，導(dǎo)電織物與紐扣電池連接；導(dǎo)電織物與人體上肢肘關(guān)節(jié)緊貼，上肢運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)電織物進(jìn)行拉伸，使導(dǎo)電織物兩端的電壓信號(hào)發(fā)生變化；
[0009]信號(hào)采集與傳輸裝置，采集所述信號(hào)傳輸線傳入的電壓信號(hào)，并將所述電壓信號(hào)發(fā)送至信號(hào)接收與顯示裝置；
[0010]信號(hào)接收與顯示裝置，接收信號(hào)采集與傳輸裝置發(fā)來的電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行功能運(yùn)動(dòng)表征，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示功能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)并成像。
[0011]優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)生裝置中，導(dǎo)電織物為由聚吡咯單體與棉氨混紡織物經(jīng)原位聚合法制成的聚吡咯導(dǎo)電織物，信號(hào)傳輸線為導(dǎo)電紗。
[0012]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電織物的尺寸滿足把整個(gè)肘關(guān)節(jié)包覆；所述導(dǎo)電織物的伸長(zhǎng)量不小于30%。
[0013]優(yōu)選地，所述信號(hào)傳輸線為構(gòu)成導(dǎo)電織物的紗線，其通過縫編或刺繡方式引入導(dǎo)電織物中。
[0014]優(yōu)選地，所述信號(hào)采集與傳輸裝置通過無線進(jìn)行信號(hào)采集與傳輸。
[0015]本發(fā)明還提供了一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，采用上述的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，步驟為:
[0016]步驟1:把導(dǎo)電織物縫合在緊身衣上，使導(dǎo)電織物以一定張力貼附于人體上肢肘關(guān)節(jié)上面；導(dǎo)電織物與紐扣電池連接；
[0017]步驟2:人體上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，肘關(guān)節(jié)及緊身衣帶動(dòng)導(dǎo)電織物產(chǎn)生變形，導(dǎo)電織物的變形會(huì)使得其電阻發(fā)生變化，因而導(dǎo)電織物兩端的電壓信號(hào)相應(yīng)變化；
[0018]步驟3:信號(hào)采集與傳輸裝置采集信號(hào)傳輸線傳入的電壓信號(hào)，并將所述電壓信號(hào)發(fā)送至信號(hào)接收與顯示裝置；
[0019]步驟4:信號(hào)接收與顯示裝置，接收信號(hào)采集與傳輸裝置發(fā)來的電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過所述信號(hào)的變化趨勢(shì)與變化大小判斷肢體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示在顯示裝置的交互界面上
[0020]優(yōu)選地，所述步驟1中，緊身衣的彈性至少超過導(dǎo)電織物的兩倍。
[0021 ] 優(yōu)選地，不同方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)電織物在不同方向上受到拉伸，從而電阻的方向性變化及大小顯示了人體上肢運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟4中，肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷方法如下:
[0023]當(dāng)導(dǎo)電織物兩端的電壓減小時(shí)，上肢在做彎曲運(yùn)動(dòng)；
[0024]當(dāng)導(dǎo)電織物兩端的電壓增大時(shí)，上肢在做伸直運(yùn)動(dòng)；
[0025]上肢的運(yùn)動(dòng)快慢通過單位時(shí)間內(nèi)電壓信號(hào)變化的波形數(shù)反映出來；
[0026]上肢的彎曲角度大小通過電壓的變化大小計(jì)算得出。
[0027]優(yōu)選地，所述上肢的彎曲角度大小具體計(jì)算方法如下:
[0028]假設(shè)人體肘關(guān)節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)的圓形，其半徑為r;則手臂彎曲角度為Θ弧度時(shí)，導(dǎo)電織物沿某一方向的伸長(zhǎng)為AL = rX Θ，則導(dǎo)電織物的方向應(yīng)變?chǔ)?= Δ L/L = r Θ /L，L是導(dǎo)電織物的初始長(zhǎng)度；則導(dǎo)電織物在該方向的電阻變化為AR = G ε R。，其中G為導(dǎo)電織物的應(yīng)變敏感系數(shù)，ε為織物的應(yīng)變量，R。是導(dǎo)電織物的初始方向電阻；則Θ = AR*L/G*rR。。
[0029]本發(fā)明提供的系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，加強(qiáng)了傳感器的穩(wěn)固性，同時(shí)敏感元件能夠很好地集成到日常穿著的服裝上，從而實(shí)現(xiàn)穿戴舒適性以及隱蔽性。并且，數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)現(xiàn)了無線化，能夠保證測(cè)試者在舒適的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，可為人體上肢運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)分析提供依據(jù)。本發(fā)明利用織物本身的特性，以織物作為傳感器具有高靈敏度、強(qiáng)適應(yīng)能力，可以在人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肢體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，制作成本低廉，實(shí)用而且適合廣大群眾，具有推廣可行性。
【附圖說明】
[0030]圖1為上肢運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)示意圖；
[0031]圖2為肘關(guān)節(jié)彎曲對(duì)表面織物拉伸示意圖；
[0032]圖3為導(dǎo)電織物方向拉伸變化示意圖；
[0033]圖4為上肢運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖；
[0034]圖5為上肢彎曲角度與織物電阻關(guān)系示意圖；
[0035]圖6為上肢彎曲運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試示意圖；
[0036]圖7為上肢間歇彎曲運(yùn)動(dòng)不意圖；
[0037]圖8為上肢扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
[0039]結(jié)合圖1，本發(fā)明采用導(dǎo)電機(jī)織物作為核心傳感裝置，導(dǎo)電紗3為信號(hào)傳輸線，通過把導(dǎo)電織物2縫合在彈性至少超過導(dǎo)電織物兩倍的緊身衣1上，即確保以一定張力貼附于人體上肢肘關(guān)節(jié)上面，組成上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上肢多方向功能運(yùn)動(dòng)一體化監(jiān)測(cè)。
[0040]導(dǎo)電織物2為聚吡咯原位化學(xué)聚合形成。在材料上，本發(fā)明選用無毒的吡咯單體與拉伸性能良好棉氨混紡的織物經(jīng)原位聚合法制成聚吡咯導(dǎo)電織物，作為人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的敏感單元。敏感單元為織物結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單輕便，也使其在監(jiān)測(cè)過程中具有很好的舒適性。此外，棉織物具有良好的穿著舒適性，適于與皮膚直接接觸；氨綸耐用且具有較高回彈性，使得傳感器在不同運(yùn)動(dòng)頻率下都能保持良好的彈性和可重復(fù)性?？傊?，本發(fā)明通過上肢運(yùn)動(dòng)對(duì)聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物進(jìn)行拉伸，產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換進(jìn)而反映出上肢的運(yùn)動(dòng)，在不影響運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)