[發明專利]一種分布式手臂力傳感信號采集裝置

有效

• 申請號: 202110871934.2
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113616210B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 韓斌;洪子晗;杜子豪;張睿超;徐曉豪;張化鑫
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: A61B5/22
• 分類號: A61B5/22;A61B5/11;A61B5/00
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 石夢雅;張彩錦

本發明提供了一種分布式手臂力傳感信號采集裝置，屬于可穿戴設備領域。該裝置包括傳感單元以及連接單元，其中：傳感單元包括預設數量的傳感器組件，各個傳感器組件分別設置在手臂的不同測點上；連接單元包括預設數量的連接繩和拉力傳感器，每根連接繩的兩端分別與傳感器組件連接，以實現傳感器組件的連接和固定；同時連接繩上設置有拉力傳感器，用于將連接繩上的拉力轉化為電信號并進行采集。本發明能夠在測量時突破傳統測量方案中閉式環形測量的限制，將手臂肌動信號測量由手臂環形二維曲線測量擴展為手臂整體的分布式三維測量，并且引入拉力信號以對手臂運動進行具體的分類與識別，從而有效提高運動意圖識別的準確性。

技術領域

本發明屬于可穿戴設備領域，更具體地，涉及一種分布式手臂力傳感信號采集裝置。

背景技術

近年來，隨著生物傳感及材料制備領域的不斷發展，肌電傳感器、薄膜壓力傳感器等可穿戴智能傳感設備不斷涌現。其通過對人體運動過程中肌肉電信號或肌肉形變信號的實時感知與監控，成為穿戴者運動意圖識別評估的有效手段之一。這些傳感設備體積小、質量輕，可為穿戴者提供良好的人機交互體驗。但是，為了獲取更精確的上肢運動狀態，往往需要設置相對更多的傳感測點單元，導致系統復雜度提升，反而增大了傳感設備的體積和成本。雖然目前可穿戴智能傳感設備已有長足進步，但其在理論和技術上仍然存在困難和挑戰，比如不同粗細手臂運動數據的差異性；傳感測點大量布置的冗余性；穿戴者運動意圖識別的準確性；設備制備的可穿戴性等等。

目前主流的測量方式為以表面肌電信號(sEMG)為根據的點位測量方法和以肌動信號(FMG)為根據的臂環式測量方法。其中，表面肌電信號是肌肉收縮時伴隨的電信號，是在體表無創檢測肌肉活動的重要方法，而肌動信號則是肌肉收縮時橫向振動的力學信號，主要是運動神經元通過激活運動單位引發肌纖維收縮所產生的力學振動，可通過人體局部肌肉施力膨脹后與外部束縛臂帶之間產生的壓力進行測量。可穿戴傳感設備可用于手臂運動的感知與監控，精確預測手臂運動模式與意圖。表面肌電信號傳感器由于采集的是人體的生物電信號，很容易受到皮下脂肪、外部震動等因素影響，導致測量到的信號噪聲較大，穩定性較差。進而該信號會對下游運動預測任務產生較大影響。因此，在手臂運動意圖識別應用中，表面肌電信號可靠性較差。以肌動信號為測量對象的低成本采集設備便是環形力傳感臂環。力傳感臂環主要由薄膜壓力傳感器以及用于連接固定傳感器的臂環帶組成。傳統的力傳感臂環中薄膜壓力傳感器環狀均布在一條臂帶上。當使用者穿戴力傳感臂環時，臂環的穿戴預緊力保證了薄膜壓力傳感測點與被測肌肉區域內之間存在一定的預接觸壓力。當使用者進行某些動作時，動作對應的特定肌肉區域的收縮與舒張便會反映為臂帶束縛區域的擠壓力信號，進而我們便可以建立不同運動模式與對應力信號譜的關系。但是，傳統臂環測量局限于肢體局部肌肉區域，采集的肌動信號區域較小且傳統臂環的力傳感測點連接方式單一，其圓周均布的設計導致了力傳感測點在進行某些特定運動的意圖識別下會存在冗余性。

CN108042142A提出了一種穿戴式人體姿態檢測及肢體肌力測試系統，采用固定人體腿部、胸部的氣囊裝置監視人體運動時肌肉的收縮情況，通過使用射頻技術網絡傳輸數據至數據處理模塊，可以檢測出人體姿態以及肢體肌力，有效應用于外骨骼、助行機器人等方向。但是該專利在對肌肉收縮測量時只對人體的左小腿、右小腿、軀干胸部、左大腿以及右大腿五個部位測量五個點位，且并未對壓力信號采取點位進行精準定位于最優測點分析，導致其信號無法區分精細動作與相似動作。CN208018063U提出一種基于柔性陣列式傳感器的上肢主動康復訓練系統。該系統采用柔性陣列式壓力傳感器采集人體皮膚與外骨骼機器之間的壓力，較于傳統單點式壓力傳感器和多維傳感器，能獲取更多的人體運動特征信息，識別人體運動意圖準確率高。但該發明中并未考慮測點肌肉測點優化，陣列傳感器測量的多個數據中會存在相似度較高等問題，且陣列壓力傳感器并不具有可拉伸性，這會導致其測量結果對不同體型人群是不具泛用性的。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種分布式手臂力傳感信號采集裝置，旨在解決現有的手臂力傳感信號采集裝置中測點冗余、識別精度較低的問題。