专利名称：一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法，属于传感器技术领域。本传感器可实现人体肩关节的侧向和横向两个运动角度的静态和动态角度检测，适用于康复医疗、运动监测等领域。
背景技术：
人体肩关节运动传感是通过可以监测肩关节运动的传感器获取运动时的转角信号，实现实时地检测出肩关节运动角度。目前可应用于肩关节运动的传感器众多，涉及行业如机械加工、航空航天、智能机器人等领域。由于角度测量的多样性以及角度测量的局限性，其在应用领域上需要进一步的进行改善和发展。
目前可应用于肩关节运动的角度传感器可测量肩关节外展运动，从传感原理上大体分为接触式角度测量和非接触式角度测量。接触式角度测量一般通过附带在肩关节上的机械装置，通过角度传感器如电阻式角度传感器、电感式角度传感器、角度编码器，实现机械装置的角度检测。电阻式角度传感器，其机械结构简单，测量范围广，输出信号稳定，抗干扰能力强，由于存在接触摩擦，使得这种传感器使用寿命很短；电感式角度传感器，其测量角度为0°到360°，精度一般为O. 02°到O. 05°，对环境要求低，使用方便，抗干扰能力强，性能稳定，但其结构相对复杂；编码式的角度传感器可测量0°到360°，分辨率可达到O.001°，其特点是分辨力高，精度高，易数字化，寿命长，功耗低，可靠性高。角度编码器广泛应用在上肢臂康复机器人的肢臂角度检测。由于接触式角度传感器需要附带特定的机械装置，不利于人们正常的手臂活动，因此，不利于市场普及。非接触式角度传感器，传感装置结构简单、体积小，能够与人体肩关节运动传感良好契合，适于动态测量及抗恶劣环境性能好等特点。目前非接触式角度测量采用倾角传感器。它是一种基于MEMS (微机电系统)技术加工，基于物体的惯性原理的传感器，应用范围广，测量角度数据显示直观、简单、可靠， 已应用于物体水平角度的检测。但倾角传感器在动态的角度检测上缺乏实时性，需要复杂的计算才能够解出该运动角度。基于倾角传感器的肩关节角度检测其在肩关节运动时角度其检测精度不够，无法满足人们实时控制肩部运动需求。发明内容
本发明为克服现有技术之不足，提供了一种柔性肩关节运动传感器及其测量方法，通过柔性电路板将各传感器织物化传感和连接，使得传感器能够与织物良好契合，实现了肩部的外展、内收运动角度Q1和前屈以及后伸角度θ2的非侵入式检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种柔性肩关节运动传感器，其特征是传感器包括两片相同的传感极片，每片传感极片为四层叠合结构，第一层为第一绝缘层，第一绝缘层之下为电容极板层，电容极板层之下为第二绝缘层，第二绝缘层之下为静电屏蔽层接地，其中电容极板层包括一块矩形柔性基板，在矩形柔性基板的一个表面上分别设置一个矩形导电区和一个圆环状导电区以及温湿度传感器，矩形导电区的中心线与矩形柔性基板的中心线重合，圆环状导电区的圆心位于矩形柔性基板中心线的外延长线上，环面的一端与矩形柔性基板中心线重合，环面夹角0° -45°，矩形导电区和圆环状导电区均设有引出导线分别与电容_角度转化模块连接，电容_角度转化模块包括微控制器、电容检测电路、电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路及上位机，微控制器与电容检测电路双向连接，微控制器与上位机通过串行通信接口与上位机双向连接，微控制器分别与电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路连接。
所述矩形导电区的面积10mm2-50mm2，矩形导电区的上边缘距矩形柔性基板上边缘；圆环状导电区的圆心距离基板3mm-30mm,环面内径20mm-30mm,环面外径 30mm-50mmo
用上述柔性肩关节运动传感器测量肩关节运动角度的方法，其特征是将两片传感极片对称固定于以腋窝为中心的上下两侧衣服上，静电屏蔽层面对衣服，矩形导电区用于检测肩关节外展和内收运动角度，圆环状导电区用于检测肩关节前屈和后伸运动角度， 电容-角度转化模块用于检测矩形导电区之间及圆环状导电区之间的微弱电容，并利用温湿度传感器检测出电容极板片介质中的温度和湿度，对传感器在不同温、湿度下产生的电容漂移进行实验标定并对电容进行补偿，补偿后的电容通过电容-角度转化计算方法实现角度输出；
I)肩部外展与内收运动角度的测量
腋窝中心为O1，两片传感极片围绕O1张开或闭合，之间夹角为Θ 17 O1与肩关节外展和内收的运动中心重合，利用静电场理论推导得出角度Q1所对应电容值c;当Q1Scr 时两基板之间距离为山矩形导电区对与转动中心O1距离为A，而矩形导电区长度为1，宽度为b，当矩形导电区绕中心点O1旋转时，电场线分布根据转动角度发生不同的变化，空间上的电场分布曲线与基板的角度关系有关，根据带电导体上电场线分布规律可以推得矩形导电区上的电容与角度的关系为
当Θ 1=0 时有(7 = 1 = ^^·(I)
权利要求
1.一种柔性肩关节运动传感器，其特征是传感器包括两片相同的传感极片，每片传感极片为四层叠合结构，第一层为第一绝缘层，第一绝缘层之下为电容极板层，电容极板层之下为第二绝缘层，第二绝缘层之下为静电屏蔽层接地，其中电容极板层包括一块矩形柔性基板，在矩形柔性基板的一个表面上分别设置一个矩形导电区和一个圆环状导电区以及温湿度传感器，矩形导电区的中心线与矩形柔性基板的中心线重合，圆环状导电区的圆心位于矩形柔性基板中心线的外延长线上，环面的一端与矩形柔性基板中心线重合，环面夹角0° -45°，矩形导电区和圆环状导电区均设有引出导线分别与电容-角度转化模块连接，电容-角度转化模块包括微控制器、电容检测电路、电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路及上位机，微控制器与电容检测电路双向连接，微控制器与上位机通过串行通信接口与上位机双向连接，微控制器分别与电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路连接。
2.根据权利要求I所述的柔性肩关节运动传感器，其特征是矩形导电区的面积10mm2-50mm2，矩形导电区的上边缘距矩形柔性基板上边缘;圆环状导电区的圆心距离基板3mm-30mm,环面内径20mm-30mm,环面外径30mm-50mm。
3.根据权利要求I所述的柔性肩关节运动传感器的测量方法，其特征是将两片传感极片对称固定于以腋窝为中心的上下两侧衣服上，静电屏蔽层面对衣服，矩形导电区用于检测肩关节外展和内收运动角度，圆环状导电区用于检测肩关节前屈和后伸运动角度，电容-角度转化模块用于检测矩形导电区之间及圆环状导电区之间的微弱电容，并利用温湿度传感器检测出电容极板片介质中的温度和湿度，对传感器在不同温、湿度下产生的电容漂移进行实验标定并对电容进行补偿，补偿后的电容通过电容-角度转化计算方法实现角度输出；1)肩部外展与内收运动角度的测量腋窝中心为O1，两片传感极片围绕O1张开或闭合，之间夹角为Θ17 O1与肩关节外展和内收的运动中心重合，利用静电场理论推导得出角度Q1所对应电容值c;当Q1Scr时两基板之间距离为山矩形导电区对与转动中心O1距离为Γ(ι，而矩形导电区长度为1，宽度为b，当矩形导电区绕中心点O1旋转时，电场线分布根据转动角度发生不同的变化，空间上的电场分布曲线与基板的角度关系有关，根据带电导体上电场线分布规律可以推得矩形导电区上的电容与角度的关系为当 θ1=ο 时有
全文摘要
一种柔性肩关节运动传感器，包括两片相同的传感极片，每片传感极片为四层叠合结构，依次为第一绝缘层、电容极板层、第二绝缘层及静电屏蔽层接地，电容极板层包括一块矩形柔性基板，在矩形柔性基板上分别设置一个矩形导电区和一个圆环状导电区以及温湿度传感器，矩形导电区和圆环状导电区均设有引出导线分别与电容-角度转化模块连接，电容-角度转化模块包括微控制器、电容检测电路、电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路及上位机，微控制器与电容检测电路双向连接，微控制器与上位机通过串行通信接口与上位机双向连接，微控制器分别与电源电路、无线模块、LCD显示电路、按键电路连接。
文档编号G01B7/30GK102927899SQ20121037801
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者李建清, 吴剑锋, 杨华, 罗堪, 徐高志 申请人:东南大学