的同時(shí)，增加了傳感器的舒適性與隱蔽性，使長時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測成為可能。為了滿足多方向的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測，導(dǎo)電織物的尺寸要滿足把整個(gè)肘關(guān)節(jié)包覆，這樣才能捕捉到關(guān)節(jié)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。在膝關(guān)節(jié)正常的運(yùn)動(dòng)過程中，其周圍的織物會(huì)有20%?30%的伸長。而對于肘關(guān)節(jié)來說，其周圍織物的伸長要比膝關(guān)節(jié)小。因此，為保障穿戴舒適和監(jiān)測準(zhǔn)確性，所選擇的導(dǎo)電織物要求滿足的伸長量達(dá)30%。
[0041]本發(fā)明所述肢體功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測原理是:在人體上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，肘關(guān)節(jié)及緊身彈力服帶動(dòng)導(dǎo)電織物產(chǎn)生變形，而導(dǎo)電織物的變形就會(huì)使得其電阻發(fā)生變化，通過電阻的變化反應(yīng)上肢功能運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。導(dǎo)電織物源于服裝用面料，滿足長時(shí)穿戴的舒適性和與其依附體一體化要求。
[0042]本發(fā)明所述肢體多方向性功能運(yùn)動(dòng)同步一體化監(jiān)測原理是:基于所述導(dǎo)電織物的導(dǎo)電各向異性，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運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。這一功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測原理及具體運(yùn)動(dòng)方向和強(qiáng)度可公式化，其構(gòu)成信號(hào)分析系統(tǒng)的核心算法，具體表述如下:
[0043]如圖2所示，假設(shè)人體肘關(guān)節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)的圓形，其半徑為r。那么，其手臂彎曲角度為Θ (弧度)時(shí)，織物沿某一方向的伸長為AL = rX Θ，則織物的方向應(yīng)變?chǔ)?= AL/L=r Θ /L，L是導(dǎo)電織物的初始長度。則導(dǎo)電織物在該方向的電阻變化為Δ R = G ε R。，其中G為導(dǎo)電織物的應(yīng)變敏感系數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)測試計(jì)算得出，文中選用的導(dǎo)電織物其應(yīng)變敏感系數(shù)為2.7左右；ε為織物的應(yīng)變量；R。是導(dǎo)電織物的初始方向電阻。那么，上肢運(yùn)動(dòng)角度和大小就可通過導(dǎo)電織物的方向電阻變化大小推斷，具體計(jì)算公式為Θ = AR.L/G.rR0其中，AR是導(dǎo)電織物電阻的變化值。于是，因?yàn)椴煌倪\(yùn)動(dòng)形式對織物各方向上的拉伸變形不一樣，從而使得各方向上的電阻變化不一樣，如圖3所示，當(dāng)織物方向2上受到拉力F拉伸時(shí)，在方向2與方向1上會(huì)產(chǎn)生不同的變形，且形變?chǔ)う> AL2a+AL2bo本發(fā)明可通過單方向上的電阻變化來反映上肢的彎曲角度，對于不同的運(yùn)動(dòng)形式，可以通過多方向上的電阻變化的差值來反映。
[0044]本發(fā)明所述導(dǎo)電紗信號(hào)傳輸線為彈力鍍銀導(dǎo)電紗，要求彈性比低于導(dǎo)電織物，一般采用構(gòu)成導(dǎo)電織物的紗線，其通過縫編或刺繡方式引入聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物中，作為信號(hào)輸出引線，解決了現(xiàn)有測試中信號(hào)引線固結(jié)和容易松動(dòng)、脫落的難題。
[0045]結(jié)合圖4，本發(fā)明所述上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)除了上述傳感裝置和信號(hào)傳輸線組成的信號(hào)發(fā)生裝置A以外，主要還有信號(hào)采集與傳輸裝置B、信號(hào)接收與顯示裝置C。信號(hào)發(fā)生裝置A是由一塊帶有信號(hào)傳輸線的聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物所構(gòu)成，聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物與紐扣電池連接；信號(hào)采集與傳輸裝置B為一個(gè)藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集模塊，其采集信號(hào)引線傳入的信號(hào)，并通過藍(lán)牙發(fā)送至信號(hào)接收與顯示裝置C。信號(hào)接收與顯示裝置C為帶有信號(hào)分析系統(tǒng)的PC機(jī)，PC機(jī)接收到的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行功能運(yùn)動(dòng)表征，并實(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。
[0046]PC端通過信號(hào)分析系統(tǒng)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，顯示在顯示裝置的交互界面上。通過信號(hào)的變化趨勢與變化大小可以來判斷肢體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如當(dāng)織物兩端的電壓減小時(shí)，上肢在做彎曲運(yùn)動(dòng)；反之，當(dāng)織物兩端電壓增大時(shí)，上肢在做伸直運(yùn)動(dòng)；而上肢的彎曲角度大小則可以通過電壓的變化大小以及上述公式來計(jì)算得出；上肢的運(yùn)動(dòng)快慢則可以通過單位時(shí)間內(nèi)電壓信號(hào)變化的波形數(shù)反映出來。如果要判別不同的運(yùn)動(dòng)形式，可以通過不同方向上電阻變化的差值以及電信號(hào)的變化趨勢綜合加以判斷。
[0047]下面結(jié)合幾個(gè)具體的測試實(shí)施例說明本測試系統(tǒng)的性能。
[0048]實(shí)施例1
[0049]肢體在準(zhǔn)靜態(tài)不同彎曲角度下織物電阻的響應(yīng)。
[0050]當(dāng)手臂自然下垂時(shí)彎曲角度為0°，上肢彎曲角度以20°為增量或減量，先從0°增大到120°，測試5個(gè)循環(huán)，計(jì)算在5個(gè)循環(huán)下每個(gè)角度對應(yīng)電阻的平均值。通過線性擬合得出角度一一電阻方程，如圖5所示，其中擬合差值平方和(R2)等于0.95，這說明不同角度下織物電阻響應(yīng)的線性度良好。
[0051]實(shí)施例2
[0052]上肢以不同速度做循環(huán)彎曲運(yùn)動(dòng)，藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)采集導(dǎo)電織物兩端的電壓變化。通過電壓的變化來反映上肢的運(yùn)動(dòng)。如圖6所示，手臂分別以三種不同的速度彎曲運(yùn)動(dòng)，從圖6(a)?圖6(c)彎曲速度依次增加。從圖6中可以看出，隨著手臂彎曲織物兩端電壓減小，手臂伸直電壓增大。同時(shí)，當(dāng)速度增加時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)的波形數(shù)增加。這說明，通過這樣一個(gè)測試系統(tǒng)，不僅能反映上肢彎曲運(yùn)動(dòng)的趨勢，通過單位時(shí)間內(nèi)的波形數(shù)還能反映出運(yùn)動(dòng)的快慢程度。
[0053]實(shí)施例3
[0054]上肢做間歇的彎曲運(yùn)動(dòng)，上肢首先做幾個(gè)循環(huán)的彎曲運(yùn)動(dòng)，然后手臂成自然下垂?fàn)顟B(tài)一段時(shí)間，接著繼續(xù)做循環(huán)彎曲運(yùn)動(dòng)。從圖7中可以看出，當(dāng)手臂做彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)電壓信號(hào)產(chǎn)生波形；圖7中P處表示當(dāng)手臂靜止時(shí)，電壓信號(hào)幾乎成直線不產(chǎn)生任何變化。這說明該測試方法能夠反映出肢體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0055]實(shí)施例4
[0056]之前以柔性織物傳感器來測試肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)，都是用來表征肢體簡單的彎曲運(yùn)動(dòng)。而對于上肢而言，除了彎曲運(yùn)動(dòng)外，日常生活中常見的運(yùn)動(dòng)還有肢體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖8為采用上述測試裝置，監(jiān)測的上肢旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)電織物兩頓的電壓信號(hào)。相對于彎曲運(yùn)動(dòng)，它有不同的變化趨勢以及變化幅度。
[0057]從上述實(shí)施例中可以看出，通過本發(fā)明提供的方法能夠測試出上肢的彎曲以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對于人體上肢來說，還存在這樣兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)有方法都是以導(dǎo)電織物一個(gè)方向上的電信號(hào)來反映肢體的運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)電織物還有一個(gè)方向上的電信號(hào)沒有利用。如果要測試這樣一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可以利用上述測試裝置同時(shí)測試織物兩個(gè)方向上的電信號(hào)，通過兩個(gè)方向上電信號(hào)的變化及其差異性算法能夠反映這樣一個(gè)更為復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括: 信號(hào)發(fā)生裝置(A)，包括帶有信號(hào)傳輸線(3)的導(dǎo)電織物(2)，導(dǎo)電織物(2)與紐扣電池連接；導(dǎo)電織物(2)與人體上肢肘關(guān)節(jié)緊貼，上肢運(yùn)動(dòng)對導(dǎo)電織物(2)進(jìn)行拉伸，使導(dǎo)電織物(2)兩端的電壓信號(hào)發(fā)生變化； 信號(hào)采集與傳輸裝置(B)，采集所述信號(hào)傳輸線(3)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(C); 信號(hào)接收與顯示裝置(C)，接收信號(hào)采集與傳輸裝置(B)發(fā)來的電壓信號(hào)，并對其進(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。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述信號(hào)發(fā)生裝置(A)中，導(dǎo)電織物(2)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(3)為導(dǎo)電紗。3.如權(quán)利要求1所述的一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述導(dǎo)電織物(2)的尺寸滿足把整個(gè)肘關(guān)節(jié)包覆；所述導(dǎo)電織物(2)的伸長量不小于30%。4.如權(quán)利要求1或3所述的一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述信號(hào)傳輸線(3)為構(gòu)成導(dǎo)電織物(2)的紗線，其通過縫編或刺繡方式引入導(dǎo)電織物(2)中。5.如權(quán)利要求2所述的一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述信號(hào)采集與傳輸裝置(B)通過無線進(jìn)行信號(hào)采集與傳輸。6.一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方法，其特征在于:采用如權(quán)利要求1所述的基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，步驟為: 步驟1:把導(dǎo)電織物(2)縫合在緊身衣(1)上，使導(dǎo)電織物(2)以一定張力貼附于人體上肢肘關(guān)節(jié)上面；導(dǎo)電織物(2)與紐扣電池連接； 步驟2:人體上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，肘關(guān)節(jié)及緊身衣(1)帶動(dòng)導(dǎo)電織物(2)產(chǎn)生變形，導(dǎo)電織物(2)的變形會(huì)使得其電阻發(fā)生變化，因而導(dǎo)電織物(2)兩端的電壓信號(hào)相應(yīng)變化； 步驟3:信號(hào)采集與傳輸裝置(B)采集信號(hào)傳輸線(3)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(C); 步驟4:信號(hào)接收與顯示裝置(C)，接收信號(hào)采集與傳輸裝置(B)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。7.如權(quán)利要求5所述的一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方法，其特征在于:所述步驟1中，緊身衣(1)的彈性至少超過導(dǎo)電織物(2)兩倍。8.如權(quán)利要求5所述的一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方法，其特征在于:不同方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)電織物⑵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。9.如權(quán)利要求5所述的一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方法，其特征在于:步驟4中，肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷方法如下: 當(dāng)導(dǎo)電織物(2)兩端的電壓減小時(shí)，上肢在做彎曲運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)導(dǎo)電織物(2)兩端的電壓增大時(shí)，上肢在做伸直運(yùn)動(dòng)； 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； 上肢的彎曲角度大小通過電壓的變化大小計(jì)算得出。10.如權(quán)利要求9所述的一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方法，其特征在于:所述上肢的彎曲角度大小具體計(jì)算方法如下: 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(2)沿某一方向的伸長為AL = rX Θ，則導(dǎo)電織物(2)的方向應(yīng)變?chǔ)?= Δ L/L = r Θ /L，L是導(dǎo)電織物的初始長度；則導(dǎo)電織物(2)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 =Δ R.L/F.rR0O
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于織物傳感器的上肢功能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，包括：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；信號(hào)采集與傳輸裝置，采集所述電壓信號(hào)，并發(fā)送至信號(hào)接收與顯示裝置；信號(hào)接收與顯示裝置，接收所述電壓信號(hào)，并對其進(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。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)測方法。本發(fā)明成本低廉，穩(wěn)固性好，具有高靈敏度、強(qiáng)適應(yīng)能力，同時(shí)敏感元件能夠很好地集成到日常穿著的服裝上，可為人體上肢運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)分析提供依據(jù)。
【IPC分類】A61B5/11
【公開號(hào)】CN105266817
【申請?zhí)枴緾N201510740511
【發(fā)明人】胡吉永, 張曉峰, 周淑雯, 史俊輝, 楊旭東, 丁辛
【申請人】東華大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年11月4日