專利名稱：分布式電磁人體運動檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型為一種分布式電磁人體運動檢測裝置，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。
隨著工程仿生學(xué)，運動醫(yī)學(xué)，機器人控制及大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，迫切需要人體運動檢測裝置的微型化，無源化及精確化?，F(xiàn)有的人體運動檢測裝置有如下幾種其一是，固定視場中的多視角合成裝置，一般通過特定空間中分布的CCD鏡頭從不同角度攝取活體運動圖象，再按照一定的空間關(guān)系重構(gòu)運動過程。其二是利用超聲波，紅外光波及無線電磁波在固定發(fā)射位置的三點定位方法，確定活體的運動絕對坐標；其三是利用機械與檢測元件特性的物理變化檢測人體運動中，各個運動肢體間的相對運動關(guān)系，如應(yīng)變片式分布角度傳感系統(tǒng)，光纖數(shù)據(jù)衣，數(shù)據(jù)手套(這也是目前比較流行的活體運動檢測裝置)；其四是利用加速度傳感器及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)成六自由度空間位置傳感器。前兩者的缺點是運動者必須處于特定的環(huán)境中，后兩者的缺點是運動者必須附著或穿戴復(fù)雜的檢測設(shè)備。另外，光纖數(shù)據(jù)衣及光纖數(shù)據(jù)手套等造價昂貴，使系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。
本實用新型一種電磁分布式人體運動檢測裝置，其目的是可以彌補現(xiàn)有活體運動檢測裝置的缺陷，滿足工程需要，該裝置操作使用簡單方便，且成本造價較低。
本實用新型是一種分布式電磁人體運動檢測裝置，該裝置由若干固定在人肢體上的無線發(fā)射線圈稱發(fā)射器1、無線接收線圈稱接收器2、控制及信號處理硬件電路3、主機算計(PC)4等組成；該發(fā)射器1包括尼龍線圈骨架11和漆包線12，漆包線纏12繞在骨架11上，構(gòu)成空心線圈；該接收線器2包括尼龍骨架21、漆包線22及諧振電容23，漆包線22纏繞在骨架21上，構(gòu)成空心線圈，它作為諧振電感，諧振電容23與諧振電感并聯(lián)，構(gòu)成接收諧振電路；該控制及信號處理硬件電路3，由單片機31、振蕩器32、發(fā)射電子開關(guān)33、發(fā)射功放34、接收電子開關(guān)35、接收信號放大器36、檢波37、接收信號調(diào)零38、A/D轉(zhuǎn)換39、串口及電源40等部分組成制成一盒體；其連接關(guān)系是單片機31分別連接串口及電源40、連接A/D轉(zhuǎn)換39、連接發(fā)射電子開關(guān)33、連接接收電子開關(guān)35，振蕩器32分別連接發(fā)射電子開關(guān)33、連接檢波37，發(fā)射電子開關(guān)33連接發(fā)射功放34，發(fā)射功發(fā)34連接發(fā)射器1，A/D轉(zhuǎn)換39連接接收信號調(diào)零38，接收信號調(diào)零38連接檢波37，檢波37連接接收信號放大器36，接收信號放大器36連接接收電子開關(guān)35，接收電子開關(guān)連接接收器2，串口及電源40分別連接主計算機4；其中單片機31的主要功能是控制發(fā)射器和接收器對的選擇、A/D轉(zhuǎn)換39控制、接收信號濾波處理及與主計算機4的通訊等，這些功能全部由采樣軟件實現(xiàn)；振蕩器32是方波發(fā)生器，振蕩頻率100KHz；發(fā)射電子開關(guān)33為單刀多擲開關(guān)，單路進多路出(路數(shù)由檢測角度數(shù)量決定)；接收電子開關(guān)35為單刀多擲開關(guān)，多路進(路數(shù)由檢測角度數(shù)量決定)單路路出，電子開關(guān)33、35導(dǎo)通選擇由單片機31控制；接收信號放大器36為普通運算放大器，放大倍數(shù)10倍；檢波37由可控開關(guān)及采樣保持電路組成，兩個開關(guān)控制端分別由發(fā)射方波的振蕩器32的高低電平控制，當方波處于正半周時，開關(guān)A導(dǎo)通，開關(guān)B截止，采樣保持器A保持，當方波處于負半周時，開關(guān)A截止，開關(guān)B導(dǎo)通，采樣保持器B保持，得到接收角度信號；接收信號調(diào)零38，使接收信號保持在0-5V之間；A/D轉(zhuǎn)換39，將接收的訊號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，要求A/D轉(zhuǎn)換39采用逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，分辨率12bit，轉(zhuǎn)換速度10μs左右；串口40，將單片機采得的31將采得的信號經(jīng)濾波處理后通過串口40通過傳送給主計算機(PC)4，同時，硬件板上的電源+12V、-12V、+5V、-5V均通過串口電纜由主計算機(PC)4提供；該主機算計(PC)4，用于提供硬件板電源，并通過RS232異步通訊口與硬件板通訊，將裝置檢測的數(shù)據(jù)進行圖象重構(gòu)，實時顯示人體運動過程；該裝置的安裝及工作過程如下1．安裝●相鄰肢體間彎曲角度的測量。將發(fā)射器1和接收器2分別安裝于相鄰肢體上，使發(fā)射器1與接收器2的軸線夾角與肢體間被測夾角重合，且運動過程中兩者的距離應(yīng)在15cm-30cm之間變化。
●同一肢體的扭轉(zhuǎn)角度的測量。將發(fā)射器1和接收器2分別安裝于被測肢體的不同位置上，使發(fā)射器1與接收器2的軸線的夾角與肢體的扭轉(zhuǎn)角度重合，兩者的距離為10cm-20cm。
●彎曲角度和扭轉(zhuǎn)角度的測量可以分時共用發(fā)射器1或接收器2，見
●控制及信號處理硬件電路3制成一盒體，被測者可隨身攜帶，可懸掛于腰間或放于口袋中，通過串口電纜與主計算機相連。2．工作過程打開主計算機電源，運行主程序，計算機上便可實時顯示被測者的運動狀態(tài)。
本實用新型一種分布式電磁人體運動檢測裝置，其優(yōu)點和獨特之處是1．利用微型無線發(fā)射和接收器檢測人體運動肢體間的相對角度，使運動檢測過程擺脫周圍環(huán)境的影響，與常規(guī)電磁人體運動檢測裝置的由固定大功率發(fā)射，被測者只安裝接收器的思路有著本質(zhì)的不同。
2．所測數(shù)據(jù)量小且直觀，不需要進行復(fù)雜的坐標變換處理，因而，增強了裝置檢測的實時性，簡化了主機算計的后續(xù)處理過程。
3．本裝置體積小、重量輕、價格便宜，測量速度及精度可滿足一般的工業(yè)及商業(yè)要求。
本實用新型具有如下附圖


圖1a．發(fā)射器結(jié)構(gòu)及參數(shù)圖
圖1b．接收器結(jié)構(gòu)及參數(shù)圖圖2．分布式電磁人體運動檢測裝置原理方框圖圖3a．發(fā)射振蕩器電路圖3b．發(fā)射電子開關(guān)電路圖3c．接收電子開關(guān)電路圖3d．發(fā)射功放電路圖4a．接收信號放大電路圖4b．接收信號調(diào)零電路圖5a．接收信號檢波電路圖5b．接收信號電路調(diào)試波形圖6．A/D轉(zhuǎn)換電路圖7．串口及電源電路
圖10．單臂運動檢測發(fā)射器及接收器的位置安裝
圖11．單臂運動檢測發(fā)射器及接收器分時檢測時序圖
圖13a、b、c控制及信號處理硬件電路圖。
圖中標號如下1．發(fā)射器 11．發(fā)射器尼龍骨架 12．發(fā)射器漆包線2．接收器 21．接收器尼龍骨架 22．接收器漆包線23．接收器諧振電容3．控制及信號處理硬件電路31．單片機(CPU) 32．振蕩器 33．發(fā)射電子開關(guān)34．發(fā)射功放 35．接收電子開關(guān)36．接收信號放大器37．檢波38．接收信號調(diào)零 39．A/D轉(zhuǎn)換40．串口及電源4．主機算計(PC)茲配合附圖詳細說明如下本實用新型是一種分布式電磁人體運動檢測裝置，由若干個固定在人肢體上的無線發(fā)射線圈稱發(fā)射器l，無線接收線圈稱接收器2，控制及信號處理硬件電路3，主機算計(PC)4及裝置系統(tǒng)軟件組成；發(fā)射器l本實用新型中發(fā)射器是空心線圈，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖la所示，尼龍骨架11的外沿直徑為15mm，內(nèi)孔徑為8mm，內(nèi)孔外徑為10mm。線徑0.11的漆包線12繞在骨架11上300匝左右，線圈內(nèi)阻40Ω。
接收器2本實用新型中接收器2是LC諧振電路，其線圈的結(jié)構(gòu)尺寸如
圖1b所示，尼龍骨架21及漆包線22的參數(shù)與發(fā)射器1相同，線圈匝數(shù)為400匝左右，線圈內(nèi)阻50Ω，諧振電容23約為6300pf，諧振線圈匝數(shù)及諧振電容值的選擇應(yīng)根據(jù)振蕩器32的振蕩頻率選定，用戶可根據(jù)實際情況自定。
該控制及信號處理電路3如
圖13a、b、c所示，該硬件電路包括有單片機31、振蕩器32、發(fā)射電子開關(guān)33、發(fā)射功放34、接收電子開關(guān)35、接收信號放大器36、檢波37、接收信號調(diào)零38、A/D轉(zhuǎn)換39、串口及電源40等部分組成；其中單片機31選用現(xiàn)有產(chǎn)品，型號為89C51單片機，帶有片上FLASH ROM4K字，它與外設(shè)的連接如圖2所示。
振蕩器32產(chǎn)生方波信號，占空比為50％，頻率100KHZ，由晶振及六反向器CD4069現(xiàn)有產(chǎn)品構(gòu)成，如圖3a所示，產(chǎn)生發(fā)射器的發(fā)射信號。
發(fā)射電子開關(guān)33本實用新型是分布式檢測裝置，裝置只有一個振蕩器產(chǎn)生發(fā)射信號，各發(fā)射器、接收器分時選通，進行角度測量，所以，通過發(fā)射電子開關(guān)33分時選通各發(fā)射器。發(fā)射電子開關(guān)33選用現(xiàn)有產(chǎn)品，型號為max4581，選通時間及順序由單片機31的三個I/O口控制選通端ABC實現(xiàn)，如圖3b所示。
接收電子開關(guān)35發(fā)射信號經(jīng)接收器2選擇出來，再經(jīng)過接收電子開關(guān)35，分時選通相應(yīng)的接收器2，接收電子開關(guān)35選用現(xiàn)有產(chǎn)品，型號為max4581，選通時間及順序由單片機31控制選通端ABC實現(xiàn)，如圖3c所示。
發(fā)射功放34發(fā)射信號的功率為200mW，選用現(xiàn)有產(chǎn)品，型號為ULN2003作功放，如圖3d所示。
接收信號放大器36將接收信號放大10倍，電路如圖4a所示，由現(xiàn)有產(chǎn)品LF347構(gòu)成。
接收信號調(diào)零38調(diào)整接收信號范圍，使其處于0-5V，如圖4b所示。
檢波37選用現(xiàn)有的可控開關(guān)，型號為CD4066及采樣保持電路組成，如圖5a所示，開關(guān)控制端A，B由方波振蕩器的電平控制，當方波處于正半周時，開關(guān)A導(dǎo)通，開關(guān)B截止；當方波處于負半周時，開關(guān)A截止，開關(guān)B導(dǎo)通，各點波形如圖5b所示。
A/D轉(zhuǎn)換39采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率12bit，速度10μs，選用現(xiàn)有產(chǎn)品，型號為max144，如圖6所示。
串口及電源40單片機31通過兩個I/O口TXD、RXD，經(jīng)RS232異步通訊由電平轉(zhuǎn)換芯片max3222實現(xiàn)與主機算計4的通訊，同時，整個電路板的電源全部由PC通過串口電纜提供如圖7所示，有兩組±12VH和±5V。
主計算機4選用586，16M以上內(nèi)存的計算機即可。
實施例為單臂運動檢測裝置，
圖10為發(fā)射器、接收器的安裝圖，圖中各發(fā)射器、接收器的檢測定義如下
1--腕部彎曲發(fā)射線圈2--腕部彎曲及小臂扭曲接收線圈3--小臂彎曲及扭曲發(fā)射線圈4--小臂彎曲及大臂扭曲接收線圈5--大臂扭曲及大臂組合運動發(fā)射線圈6--大臂垂直運動接收線圈7--大臂水平運動接收線圈8--傳感器(線圈)固定帶發(fā)射、接收分時順序如
圖11所示，共需三個發(fā)射器，四個接收器，每40ms檢測一個動作，循環(huán)往復(fù)不斷檢測手臂運動狀態(tài)。
權(quán)利要求1.一種分布式電磁人體運動檢測裝置，其特征在于該裝置由發(fā)射器(1)、接收器(2)、控制及信號處理硬件電路(3)、主機算計(4)組成；該發(fā)射器(1)包括尼龍線圈骨架(11)和漆包線(12)，漆包線纏(12)繞在骨架(11)上，構(gòu)成空心線圈；該接收線器(2)包括尼龍骨架(21)、漆包線(22)及諧振電容(23)，漆包線(22)纏繞在骨架(21)上，構(gòu)成空心線圈；該控制及信號處理硬件電路(3)，由單片機(31)、振蕩器(32)、發(fā)射電子開關(guān)(33)、發(fā)射功放(34)、接收電子開關(guān)(35)、接收信號放大器(36)、檢波(37)、接收信號調(diào)零(38)、A/D轉(zhuǎn)換(39)、串口及電源(40)組成制成一盒體；其連接關(guān)系是單片機(31)分別連接串口及電源(40)、連接A/D轉(zhuǎn)換(39)、連接發(fā)射電子開關(guān)(33)、連接接收電子開關(guān)(35)，振蕩器(32)分別連接發(fā)射電子開關(guān)(33)、連接檢波(37)，發(fā)射電子開關(guān)(33)連接發(fā)射功放(34)，發(fā)射功發(fā)(34)連接發(fā)射器(1)，A/D轉(zhuǎn)換(39)連接接收信號調(diào)零(38)，接收信號調(diào)零(38)連接檢波(37)，檢波(37)連接接收信號放大器(36)，接收信號放大器(36)連接接收電子開關(guān)(35)，接收電子開關(guān)(35)連接接收器(2)，串口及電源(40)分別連接主計算機(4)；該主機算計(4)，通過異步通訊口與控制及信號處理硬件電路(3)連接。
專利摘要一種分布式電磁人體運動檢測裝置,該裝置由發(fā)射器(1)、接收器(2)、控制及信號處理硬件電路(3)、主機算計(4)組成;其中:該控制及信號處理硬件電路(3),包括有單片機、振蕩器、發(fā)射電子開關(guān)、發(fā)射功放、接收電子開關(guān)、接收信號放大器、檢波、接收信號調(diào)零、A/D轉(zhuǎn)換、串口及電源組成制成一盒體;該主機算計(4),用于提供電源,并通過RS232異步通訊口與控制及信號處理硬件電路(3)通訊。
文檔編號A61B5/11GK2422938SQ0020495
公開日2001年3月14日 申請日期2000年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月6日
發(fā)明者鄭紅 申請人:鄭紅