一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置及用法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置及用法，属于力传感器及信号检测领域。包括大腿护套、小腿护套、膝盖套固定带、柔性材料、信号处理电路板、气垫固定带、橡胶套，所述的大腿护套、小腿护套均由柔软且具有弹性的橡胶材料制成；两块气垫固定带分别固定在大腿护套、小腿护套上且位于腿的内侧，大腿护套、小腿护套之间连接有橡胶套，柔性材料为嵌套在橡胶套内表面的PVDF压电薄膜，且经气垫固定带充气后可以贴合膝关节周围肌肉；信号处理电路板与柔性材料连接，气垫固定带可实现充放气。本发明专利技术穿戴方便，适用于大腿粗度不同的人群，可以实时地以舒适的方式感知用户膝关节运动意识，且具可靠的实用性和良好的推广价。

A Kinematic Intention Recognition Device for Knee Joint Based on Flexible Materials and Its Usage

The invention relates to a knee joint motion intention recognition device based on flexible material and its use, belonging to the field of force sensor and signal detection. The utility model comprises thigh sheath, leg sheath, knee sheath fixing belt, flexible material, signal processing circuit board, air cushion fixing belt and rubber sheath. The thigh sheath and leg sheath are all made of soft and elastic rubber materials; the two air cushion fixing belts are respectively fixed on the thigh sheath, leg sheath and are located on the inner side of the thigh, and rubber is connected between thigh sheath and leg sheath. The flexible material is the PVDF piezoelectric film embedded on the inner surface of the rubber sleeve, and the air cushion fixing belt can be inflated to fit the muscles around the knee joint; the signal processing circuit board is connected with the flexible material, and the air cushion fixing belt can realize the inflation and deflation. The invention is convenient to wear, suitable for people with different thigh thighs, can sense the motion awareness of the knee joint in a comfortable way in real time, and has reliable practicability and good promotion price.

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置及用法
本专利技术涉及一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置及用法，属于力传感器及信号检测领域。
技术介绍
外骨骼第一次被提出是在上世纪六十年代，但因为它应用的技术涵盖广，条件高，持续到近几年才取得了比较重要的技术突破。现如今，研究外骨骼设备在康复训练、身体支撑、及突破体能极限方面的应用，都广泛被关注。可穿戴的外骨骼设备，既能保护操作者相关的活动，同时也可以受到穿戴者的控制，帮助穿戴着进行许多运动。而各种各样的恢复机体运动功能的康复训练中，关节弯曲和伸直(肘关节、膝关节等)训练对于恢复人体运动功能的影响巨大。外骨骼设备的关键技术是对人的运动意图感应，可分为运动意图感应数据的采集与运动意愿的判别，但是传统的用于分析人体运动的设备，如加速度计、电测角计、电磁传感器、立体摄影系统等，因其原先主要用于机器人的运动分析与实现，在用于人体时会存在侵入、造成人体运动障碍、安全性不足等缺陷。现有市面上可以用于监测关节运动的设备在用于家庭环境下的监测场景时，都存在着明显缺陷。普通的商用电测角计由于其技术成熟，测量准确，在医疗领域被大量实用，然而其也存在着昂贵、耐久性差等缺陷。光学动作捕捉系统如VICON等，其对于人体运动的捕捉精准且非侵入，基本成为了分析人体运动的黄金准则，是极其理想的监测设备。但是其价格动辄数十万以及使用时需要相应的专业知识，让其使用领域限制于大的实验室及医疗研究中心。利用惯性传感器来捕捉人体的运动的解决方案，在近年来被研究得最多，其最大的优点在于成本低且技术较为成熟。然而由于缺乏合适的固定方式，其被用于监测人体运动状态时总是以捆绑、粘贴等方式，给人带来不舒适感。并且，其由于积分漂移等因素的影响，长时间使用时稳定性较差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是设计一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置及用法，是针对现有分析人体运动的设备在用于人体时会存在侵入、造成人体运动障碍、安全性不足等缺陷，结合柔性材料的压电特性，而设计的一种可有效检测膝关节运动信息，且具有推广价值的触觉传感装置。与传统的分析人体运动的设备相比，该传感装置穿戴方便，经济实用，适用于大腿粗度不同的人群，可以实时地以舒适的方式感知用户膝关节运动意识，且具可靠的实用性和良好的推广价。本专利技术采用的技术方案是：一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置，包括大腿护套1、小腿护套2、膝盖套固定带3、柔性材料4、信号处理电路板5、气垫固定带6、橡胶套7，所述的大腿护套1、小腿护套2均由柔软且具有弹性的橡胶材料制成；大腿护套1经膝盖套固定带3作用后可固定在膝盖以上大腿处；小腿护套2经膝盖套固定带3作用后可固定在膝盖以下小腿处；两块气垫固定带6分别固定在大腿护套1、小腿护套2上且位于腿的内侧，大腿护套1、小腿护套2之间连接有橡胶套7，柔性材料4为嵌套在橡胶套7内表面的PVDF压电薄膜，且经气垫固定带6充气后可以贴合膝关节周围肌肉；信号处理电路板5与柔性材料4连接，气垫固定带6可实现充放气。具体地，所述的大腿护套1的直径为15cm，小腿护套2的直径为12cm，所述的气垫固定带6中大腿部分的气垫固定带6长13cm,小腿部分的气垫固定带6长10cm。具体地，所述的PVDF压电薄膜，是一种高分子聚合物PVDF聚偏氟乙烯制成并双面均镀有铝的厚度为100-200um的压电薄膜。具体地，所述的信号处理电路板5包含信号放大电路中的前置放大电路和放大滤波电路，用于对柔性材料4检测到的肌肉运动信号进行放大和滤波。有优选地，所述的信号电路处理板5安置在膝关节以下的小腿套外侧。一种根据权利要求1所述的基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置的用法，其检测方式为：当柔性材料4受外力作用时，柔性材料4上下表层会生成极性相反、大小相等的电荷量，可将其看成两极板上聚集了等量异性电荷，中间为绝缘体的电容器，可将受力状态的柔性材料4理想化为电容器，当柔性材料4受到垂直于膜面方向压力，单位面积输出电荷量与所施加垂直于柔性材料4表面外力的关系为：δ＝dσ，Δδ＝dΔσ在柔性材料4上任意位置点(x，y)，假设0时刻的电荷密度为δ(x,y,t0)，t时刻的密度则为δ(x,y,t)，则：式中：d为垂直柔性材料4方向的压电应变常数，单位为C/N；σ为柔性材料4承受的应力，单位为Pa；当面积为S在柔性材料4两极板上因施加压力，而聚集了电荷，电荷量为：式中:Q(t0)表示0时刻电荷量；i(t)＝Q(t)/RC表示偏电流；S代表柔性材料4的面积；C是柔性材料4的等效电容；R表示后续放大电路的输入电阻；则：式中：τ为时间常数；F(t)为施加压力值；柔性材料4由此产生的电压可表示为：由此得出压力和电压的关系。本专利技术的有益效果是：(1)橡胶是具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。采用橡胶材质做贴合材料，橡胶的弹性可增和柔性材料4和膝关节肌肉群的接触面积，同时因为形变较大，可增加传感器的灵敏度。(2)本专利技术在使用时，将所述传感装置套入使用者膝关节处，当传感装置因为宽松而使柔性材料4不能与使用者膝关节肌肉群充分接触时，通过给气垫固定带6充气，压缩传感装置的体积，可实现柔性材料4与使用者膝关节肌肉群的充分接触，提高膝关节运动意图识别的准确性同时可适用于大小腿不同粗度的人群。(3)本专利技术设计的基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置，将膝关节肌肉群运动的力学信息转化为柔性材料4的压电值变化，其中信号电路处理板5安置在膝关节以下的小腿套外侧，适应膝关节转动时转动中心轴移动的特征，避免了信号电路处理板5反复揉折，提高了信号电路处理板5使用寿命，提升了整个装置的使用稳定性。(4)与现有技术相比，当使用者长时间使用本专利技术时，采用的柔性橡胶亲肤，其橡胶抗酸碱腐蚀的特性，能有效避免人体汗液对传感器的损伤，提高其传感器的防护性能；其橡胶抗疲劳的特性有效的提高了传感器使用寿命。附图说明图1为本专利技术一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置结构图；图2为本专利技术大腿护套和小腿护套的截面图；图3为本专利技术放大电路中前置放大电路的电路图；图4为本专利技术放大电路中放大滤波电路的电路图；图5为与本专利技术有关的膝关节运动坐标系示意图；图6为与本专利技术有关的股二头肌位置关系图；图中各标号为：大腿护套—1、小腿护套—2、膝盖套固定带—3、柔性材料—4、信号处理电路板—5、气垫固定带—6、橡胶套—7。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1：如图1-6所示，一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置，包括大腿护套1、小腿护套2、膝盖套固定带3、柔性材料4、信号处理电路板5、气垫固定带6、橡胶套7，所述的大腿护套1、小腿护套2均由柔软且具有弹性的橡胶材料制成，可以直接套在膝关节位置；大腿护套1经膝盖套固定带3作用后可固定在膝盖以上大腿处；小腿护套2经膝盖套固定带3作用后可固定在膝盖以下小腿处；两块气垫固定带6分别固定在大腿护套1、小腿护套2上且位于腿的内侧，大腿护套1、小腿护套2之间连接有橡胶套7，柔性材料4为嵌套在橡胶套7内表面的PVDF压电薄膜，且经气垫固定带6充气后可以贴合膝关节周围肌肉；信号处理电路板5与柔性材料4连接，气垫本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置，其特征在于：包括大腿护套(1)、小腿护套(2)、膝盖套固定带(3)、柔性材料(4)、信号处理电路板(5)、气垫固定带(6)、橡胶套(7)，所述的大腿护套(1)、小腿护套(2)均由柔软且具有弹性的橡胶材料制成；大腿护套(1)经膝盖套固定带(3)作用后可固定在膝盖以上大腿处；小腿护套(2)经膝盖套固定带(3)作用后可固定在膝盖以下小腿处；两块气垫固定带(6)分别固定在大腿护套(1)、小腿护套(2)上且位于腿的内侧，大腿护套(1)、小腿护套(2)之间连接有橡胶套(7)，柔性材料(4)为嵌套在橡胶套(7)内表面的PVDF压电薄膜，且经气垫固定带(6)充气后可以贴合膝关节周围肌肉；信号处理电路板(5)与柔性材料(4)连接，气垫固定带(6)可实现充放气。

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置，其特征在于：包括大腿护套(1)、小腿护套(2)、膝盖套固定带(3)、柔性材料(4)、信号处理电路板(5)、气垫固定带(6)、橡胶套(7)，所述的大腿护套(1)、小腿护套(2)均由柔软且具有弹性的橡胶材料制成；大腿护套(1)经膝盖套固定带(3)作用后可固定在膝盖以上大腿处；小腿护套(2)经膝盖套固定带(3)作用后可固定在膝盖以下小腿处；两块气垫固定带(6)分别固定在大腿护套(1)、小腿护套(2)上且位于腿的内侧，大腿护套(1)、小腿护套(2)之间连接有橡胶套(7)，柔性材料(4)为嵌套在橡胶套(7)内表面的PVDF压电薄膜，且经气垫固定带(6)充气后可以贴合膝关节周围肌肉；信号处理电路板(5)与柔性材料(4)连接，气垫固定带(6)可实现充放气。2.根据权利要求1所述的一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置，其特征在于：所述的大腿护套(1)的直径为15cm，小腿护套(2)的直径为12cm，所述的气垫固定带(6)中大腿部分的气垫固定带(6)长13cm,小腿部分的气垫固定带(6)长10cm。3.根据权利要求1所述的一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置，其特征在于：所述的PVDF压电薄膜，是一种高分子聚合物PVDF聚偏氟乙烯制成并双面均镀有铝的厚度为100-200um的压电薄膜。4.根据权利要求1所述的一种基于柔性材料的膝关节运动意图识别装置，其特征在于：所述的信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：万舟，祝奔奔，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53