一种可穿戴光纤传感袖套及其手腕扭转运动识别方法技术

本发明专利技术涉及一种可穿戴光纤传感袖套及其手腕扭转运动识别方法，可穿戴光纤传感袖套由可穿戴的袖套以及布置在可穿戴的袖套上的复合柔性光纤传感器组成；复合柔性光纤传感器由光纤光栅传感器和弹性绳组成，光纤光栅传感器的一端和弹性绳的一端固定连接；手腕扭转运动识别方法为：将可穿戴光纤传感袖套穿戴在待检测的腕关节处，记录腕关节位置的扭转角度与光纤光栅传感器反射波长值之间的对应关系，采用动态标定方法解算出扭转角度标定函数，根据扭转角度标定函数计算每次手腕扭转后对应的关节扭转角度。本发明专利技术提高了光纤光栅传感器用于大应变的人体关节检测场合的耐用度和可靠性，有效解决了固定的标定系数下检测人穿戴时定位不准确导致的误差。位不准确导致的误差。位不准确导致的误差。

A wearable optical fiber sensing cuff and its wrist torsion motion recognition method

【技术实现步骤摘要】
一种可穿戴光纤传感袖套及其手腕扭转运动识别方法


[0001]本专利技术属于光纤智能感知和人体姿态识别
，涉及一种可穿戴光纤传感袖套及其手腕扭转运动识别方法。

技术介绍

[0002]智能时代近在咫尺，智能机器人日益走进人们的日常生活。人体关节运动姿态检测对深入研发类人机器人、智慧医疗康复等领域有着重要意义。当前的人体姿态识别方法主要是利用机器视觉，在所得的图像中标记特征点，结合识别特征点的空间识别算法来识别人体姿态。在图像处理技术的进步下，使用机器视觉的方法来识别人体姿态具有良好的实时性和较高的准确性，但是该方法也有一定的局限性，如：
[0003](1)在拍摄获取图像时的光线会对结果产生影响，当光线偏暗时会导致图像识别效果下降；
[0004](2)摄像头在采集图像的时候有可能会信息过采集，这样就会造成隐私泄露的风险，此外在某些特殊场合下不能使用该方法进行采集；
[0005](3)图像采集时摄像头需要固定安装在某一位置，受此影响被采集者的活动范围受到限制，不能全方位的识别人体姿态。
[0006]现有技术是基于可见光监测图像和红外监测图像进行被监测人行为分析；基于物理传感器的数据捕捉人体各部位的运动状态，其物理传感器一般是加速度传感器、角度或者磁力传感器；另一种人体监测装置是基于雷达波束的发送与反射获取监测对象的运动。图像监测的技术，受到采集图像的质量的影响，在光线条件不好的情况下，识别效果不佳；物理传感器的技术，由于材质偏硬穿戴不舒适，且不抗电磁场的干扰；基于雷达波的技术，同样也是不抗电磁场的干扰。此外，还有利用肌电信号监测传感器，其传感器需要直接贴附在人的皮肤上，给穿戴的检测人带来了很大的穿戴不适。例如，专利申请CN108852361A提出了一种将光纤传感器用3D打印一次成型嵌入服装内部，但其使用的技术成本相对较高，且传感器放置在对应关节监测位置上，在大应变的情况下有损坏的风险；专利申请CN113566857A提出的方法仅适用于人体关节的弯曲，不能监测扭转的运动，且其使用的方法也是将光纤应变传感模块放在对应关节处也有损坏的风险。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种可穿戴光纤传感袖套及其手腕扭转运动识别方法。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种可穿戴光纤传感袖套，由可穿戴的袖套以及布置在可穿戴的袖套上的复合柔性光纤传感器组成；
[0010]复合柔性光纤传感器由光纤光栅传感器和弹性绳组成，光纤光栅传感器的一端和弹性绳的一端固定连接；弹性绳的另一端以及光纤光栅传感器的光栅栅区远离弹性绳的一
侧均通过胶水固定在可穿戴的袖套上，且弹性绳主体与可穿戴的袖套采用棉线缝纫的方式连接。
[0011]复合柔性光纤传感器要布置在可穿戴的袖套上，达到能感知到外部的变形的目的；同时需要让复合柔性光纤传感器固定起来，当穿戴袖套的关节在做动作时，复合柔性光纤传感器的位置不会改变，以使复合柔性光纤传感器中间的弹性绳部分与可穿戴的袖套一起运动，要一起运动它们之间的位置关系就不能固定死，但也需要一定的约束使弹性绳能够受到拉力并且能将这个力传递到光纤光栅传感器上的传感部分，本专利技术弹性绳主体与可穿戴的袖套之间采用棉线缝纫的方式连接，相当于做了一个槽让弹性绳只能在槽中运动。弹性绳主体与可穿戴的袖套之间的具体连接方式是：将棉线先穿过袖套固定再打个圈套在弹性绳上(弹性绳因为被棉线套住，不能做径向运动只能做轴向运动。且此处的圈套不能打太紧，否则弹性绳被勒死了不利于力的传递)，再将棉线穿过袖套，这样就形成一个使弹性绳相对固定的缝纫点，在距离上一个缝纫点5毫米的位置进行下一个缝纫点，一直这样沿着螺旋布置方向进行缝纫，使得弹性绳整体得到相对固定连接。
[0012]作为优选的技术方案：
[0013]如上所述的一种可穿戴光纤传感袖套，复合柔性光纤传感器在可穿戴的袖套上的布置方式为：从可穿戴的袖套的手腕关节位置下方开始，以螺旋的方式在可穿戴的袖套上布置复合柔性光纤传感器中的弹性绳，同时使弹性绳与光纤光栅传感器固定连接的一端位于可穿戴的袖套的手腕关节位置上方，从而确保弹性绳的螺旋区域能缠绕整个手腕关节。
[0014]螺旋布置的方式的作用是用来监测手腕扭转运动，其优点是和扭转运动有很好的配合，能够充分地监测到扭转带来的应变，在手腕扭转的过程中会产生手腕的旋转角度，使用螺旋布置的方法能很好地监测到手腕旋转角度的改变，再结合光纤光栅传感器高灵敏度的特点，能够达到较高的分辨率。
[0015]如上所述的一种可穿戴光纤传感袖套，光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器，光纤布拉格光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器，该类光纤传感器在生物、医学和环境科学领域中有着重要的应用，其传感探头结构简单，能适应多数应用场合，且光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产，因此光纤布拉格光栅传感器的技术和配套的设备相对完善，在相同性能下成本相较于其他类型光纤传感器低。
[0016]如上所述的一种可穿戴光纤传感袖套，弹性绳绕可穿戴的袖套布置一周半，弹性绳向上的螺旋升角为10
°
～16
°
。实验中测得升角太大，会使得弹性绳在手腕上的跨度太大，使误差加大，升角太小会使得弹性绳在手腕的跨度太小，不能很好传递手腕的扭转形变。设计时弹性绳在手腕轴向上的跨度在5～6cm，根据国标《中国成年人人体尺寸(GB/T 10000
‑
1988)》，大多数人手腕周长为14～18cm，弹性绳要布置一周半其需要的长度为21～27cm，根据此计算得出螺旋升角为10～16
°
。
[0017]如上所述的一种可穿戴光纤传感袖套，弹性绳的材质为氨纶，除了氨纶还可以使用其他的弹性材料，例如橡胶丝之类的弹性材料，本专利技术选选择氨纶是因为氨纶的弹性性能好，回弹性能优良，氨纶材质的弹性绳能够被拉伸很长，因此可以很好地使用在可穿戴织物袖套材料内且适用于应变大的场景。
[0018]如上所述的一种可穿戴光纤传感袖套，光纤光栅传感器的一端和弹性绳的一端同时套在一个透明橡胶管中，并通过向透明橡胶管中注入胶水将光纤光栅传感器的一端和弹
性绳的一端进行粘接。如果不套在橡胶管内会使得两者的粘结不充分易脱落，因为光纤光栅传感器和弹性绳都很细，如果直接粘结的话，粘结面积小且不易控制受粘结长度。
[0019]如上所述的一种可穿戴光纤传感袖套，胶水为UV光固化胶，这种胶水易操作，可以灵活地控制粘结的时间。
[0020]本专利技术还提供一种手腕扭转运动的识别方法，包括如下步骤：
[0021](1)将如上任一项所述的可穿戴光纤传感袖套穿戴在待检测的腕关节处；
[0022](2)将可穿戴光纤传感袖套上的光纤光栅传感器与LabVIEW上位机解调处理系统连接；LabVIEW上位机解调处理系统包括光纤光栅解调仪和LabVIEW上位机软件，光纤光栅解调仪得出传感数据，通过串口将数据传输给电脑，电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴光纤传感袖套，其特征在于：由可穿戴的袖套以及布置在可穿戴的袖套上的复合柔性光纤传感器组成；复合柔性光纤传感器由光纤光栅传感器和弹性绳组成，光纤光栅传感器的一端和弹性绳的一端固定连接；弹性绳的另一端以及光纤光栅传感器的光栅栅区远离弹性绳的一侧均通过胶水固定在可穿戴的袖套上，且弹性绳主体与可穿戴的袖套采用棉线缝纫的方式连接。2.根据权利要求1所述的一种可穿戴光纤传感袖套，其特征在于，复合柔性光纤传感器在可穿戴的袖套上的布置方式为：从可穿戴的袖套的手腕关节位置下方开始，以螺旋的方式在可穿戴的袖套上布置复合柔性光纤传感器中的弹性绳，同时使弹性绳与光纤光栅传感器固定连接的一端位于可穿戴的袖套的手腕关节位置上方。3.根据权利要求2所述的一种可穿戴光纤传感袖套，其特征在于，弹性绳绕可穿戴的袖套布置一周半，弹性绳向上的螺旋升角为10
°
～16
°
。4.根据权利要求1所述的一种可穿戴光纤传感袖套，其特征在于，光纤光栅传感器为光纤布拉格光栅传感器。5.根据权利要求1所述的一种可穿戴光纤传感袖套，其特征在于，弹性绳的材质为氨纶。6.根据权利要求1所述的一种可穿戴光纤传感袖套，其特征在于，光纤光栅传感器的一端和弹性绳的一端同时套在一个透明橡胶管中，并通过向透明橡胶管中注入胶水将光纤光栅传...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯艳，刘朋滨，刘贺祥，张华，刘彪，
申请(专利权)人：上海辰釜信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：