一种可穿戴设备、人体运动检测方法及装置与流程

1.本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种可穿戴设备、人体运动检测方法及装置。


背景技术：

2.近年来，随着移动互联网和智能终端的快速发展，可穿戴电子设备出现了巨大的市场前景，同时随着医疗设备技术的进步，与可穿戴设备兼容的智能手机医疗保健应用程序越来越多，以及大众对身体健康的重视度日渐增加，可穿戴医疗设备产业迎来爆发式增长。其中，人体运动检测是可穿戴医疗设备中重要的研究方向，主要包括读取和分析人体的姿态。除了在医疗方面，人体运动检测在运动、游戏以及电影制作等领域都有着重要的作用。
3.目前，市场上主流采用的人体运动检测方式为高速摄像系统以及光电动作捕捉系统。虽然这两种方式有较高的测量精度，但是使用条件苛刻，要求使用者在一个固定的空间内运动，且容易受到外界光线等因素的影响，此外一套系统的造价非常高昂。为解决这些问题，市场上已有了各种不同用于检测人体运动的可穿戴设备，包括应用imu惯性传感器或机械传感器来捕获人体运动姿态，但是由于这些传感器本身为刚性且体积较大，与人体表面贴合的较差，导致设备会对人体运动本身会造成一定的影响。
4.因此，现有技术还有待改进和发展。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可穿戴设备、人体运动检测方法及装置，旨在解决现有技术中的可穿戴设备与人体表面贴合较差并且灵敏度低的问题。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
6.一种可穿戴设备，其中，包括柔性光纤传感器，设置在所述柔性光纤传感器底部的传感器底座以及与所述柔性光纤传感器电连接的专用集成模块；所述柔性光纤传感器包括柔性硅胶光纤以及分别位于所述柔性硅胶光纤两端的发光源和信号接收器。
7.所述可穿戴设备，其中，所述柔性硅胶光纤包括柔性硅胶软管以及填充在所述柔性硅胶软管内的光折射溶液。
8.所述可穿戴设备，其中，所述光折射溶液的折射率为1.4
‑
1.8。
9.所述可穿戴设备，其中，所述传感器底座包括柔性固定器和设置在所述柔性固定器底部的粘性装置。
10.所述可穿戴设备，其中，所述柔性固定器采用柔性树脂材料制成。
11.所述可穿戴设备，其中，所述专用集成模块包括：
12.电源，用于为所述柔性光纤传感器供电；
13.稳压模块，用于稳定电源输入电压，所述稳压模块与所述电源电连接；
14.信号处理电路，用于将柔性光纤传感器输出的电流信号转化为电压信号，所述信号处理电路包括升压电路和滤波电容；
15.中央控制板，用于接收并处理电压信号和输出数据，所述中央控制板与所述信号处理电路和稳压模块分别电连接。
16.所述可穿戴设备，其中，所述专用集成模块还包括：
17.与所述中央控制板电连接的蓝牙发射器，用于接收所述中央控制板输出的数据，并向上位机发送数据。
18.一种基于可穿戴设备的人体运动检测方法，其中，包括以下步骤：
19.用户佩戴所述可穿戴设备；
20.当所述可穿戴设备发生形变时，柔性光纤传感器的发光源提供光信号，信号接收器将接收到的光信号转化为电流信号，输出数据；
21.专用集成模块处理所述输出数据，得到可穿戴设备的形变幅度。
22.所述人体运动检测方法，其中，所述专用集成模块处理柔性硅胶传感器输出的电流数据的步骤包括：
23.将所述输出数据转化为电压信号；
24.获取柔性硅胶光纤未发生形变时的电压值为初始电压值v0；
25.获取柔性硅胶光纤发生形变时的电压值v；
26.根据公式计算得到光强损失μ；
27.根据所述光强损失确定用户的形变幅度。
28.一种人体运动检测装置，其中，其包括本发明所述可穿戴设备。
29.有益效果：本发明提供的可穿戴设备可用于人体运动检测，捕捉人体关节的弯曲程度、肌肉的拉伸程度以及按压动作。本发明以柔性硅胶光纤作为传感器，使得可穿戴设备非常柔软，具有极高的柔顺性，能承受大角度的弯曲形变、较大的拉伸形变以及挤压形变，不会受到破坏。并且，本发明采用的柔性硅胶光纤具有内径大、易形变的特点，使得该光纤能传输更强的光，在弯曲形变、拉伸形变以及挤压形变下的光泄露程度增大，提升了该传感器的检测灵敏度。因此，本发明提供的可穿戴设备具有高柔性、尺寸小巧、高灵敏度、高精度、高延展性以及低造价的特点。
附图说明
30.图1是本发明提供的一种可穿戴设备的示意图；
31.图2是本发明所述柔性光纤传感器的结构示意图；
32.图3是本发明所述传感器底座的结构示意图。
33.图4是本发明所述专用集成模块中各元件关系的示意图。
34.图5是本发明用于构建专用集成模块的pcb实物图。
35.图6是本发明提供的具有该可穿戴设备的手套的实物图。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.请参照图1
‑
6，本发明提供一种可穿戴设备，其包括柔性光纤传感器(100)，设置在所述柔性光纤传感器(100)底部的传感器底座(200)以及与所述柔性光纤传感器(100)通讯连接的专用集成模块(300)；所述柔性光纤传感器(100)包括柔性硅胶光纤(120)以及分别位于所述柔性硅胶光纤(120)两侧的发光源(110)和信号接收器(130)。所述柔性光纤传感器(100)用于检测弯曲、拉伸以及按压信号；所述传感器底座(200)用于将所述柔性光纤传感器(100)固定在衣物等可穿戴物品表面；所述专用集成模块(300)用于采集和处理柔性光纤传感器(100)所传输的数据，并将处理后的数据输出。本发明所述可穿戴设备可用于人体运动检测，用于捕捉人体关节的弯曲程度、肌肉的拉伸程度以及按压动作。
38.在一些实施例中，所述柔性硅胶光纤(120)由硅胶软管(121)和光折射溶液组成。在本实施例中，所述光折射溶液的折射率为1.4
‑
1.8。作为举例，所述光折射溶液可以为丙三醇溶液、橄榄油等，但不限于此。
39.具体地，在一些实施例中，所述发光源(110)可选为发光二极管，所述信号接收器(130)可选为光电红外二极管。
40.在一些实施例中，所述柔性硅胶光传感器(100)的具体制作方法为：
41.步骤101、采用eco
‑
flex 0030硅胶材料通过倒模制作出硅胶软管(120)，所述硅胶软管(120)管径2mm、壁厚0.15mm；
42.步骤102、将光电二极管(型号为sfh229)塞进硅胶软管(120)一端；
43.步骤103、从硅胶软管(120)另一端注射丙三醇溶液直至接近填满硅胶软管(120)；
44.步骤104、将发光二极管(源玥3mm圆头led灯珠)塞进硅胶软管(120)另一端；
45.步骤105、用未凝固的硅胶溶液涂抹在硅胶软管(120)两端，将光电二级管和发光二极管被封装在硅胶软管(120)两端。
46.在一些实施中，所述传感器底座(200)包括柔性固定器(210)和设置在所述柔性固定器底部(210)的粘性装置(220)。所述柔性固定器(210)用于固定柔性光纤传感器(100)，其形状可选自但不限于直条形、波浪形、圆形；所述粘性装置(220)用于将所述柔性光纤传感器(100)与衣物等可穿戴设备连接并固定。优选地，所述粘性装置(220)为魔术贴，所述魔术贴厚度为0.8mm。
47.在一些实施例中，所述传感器底座(200)的具体制作方式为：
48.步骤201、将柔性树脂材料利用光固化3d打印机制作成柔性固定器(210)；
49.步骤202、将粘性装置(220)粘贴在柔性固定器(210)下方。
50.在一些实施例中，所述可穿戴设备，其中，所述专用集成模块(300)包括：
51.电源(310)，用于为所述可穿戴设备供电；
52.稳压模块(320)，用于稳定电源(310)输入电压；
53.信号处理电路(330)，用于将柔性光纤传感器(100)输出的电流信号转化为电压信号，所述信号处理电路(330)包括升压电路和滤波电容；
54.中央控制板(340)，用于接收并处理电压信号和输出数据，所述中央控制板(340)与电源(310)和稳压模块(320)连接。
55.优选地，在一些实施例中，所述专用集成模块(300)还包括蓝牙发射器(350)，用于接收所述中央控制板(340)输出的数据，并向上位机发送数据。
56.具体地，在一些实施例中，信号处理电路(330)为基本的升压电路，由lm358双路运
放、电阻以及滤波电容所构成，中央控制板(340)采用seeeduino xiao微型开发板，蓝牙发射器(350)采用jdy
‑
18蓝牙模块，电源(310)采用3.3v可充电锂电池，稳压模块(320)采用b0305s
‑
1w升压模块，将3.3v电压升为稳定的5v电压。
57.本发明还提供一种人体运动检测方法，采用如上所述的可穿戴设备，包括以下步骤：
58.步骤301、用户佩戴所述可穿戴设备；
59.步骤302、当可穿戴设备发生形变时，柔性硅胶光纤(210)传感器的发光源(110)提供光信号，信号接收器(130)将接收到的光信号转化为电流信号，输出数据；
60.步骤303、专用集成模块(300)处理所述输出数据，得到可穿戴设备的形变幅度。
61.在一些实施例中，所述步骤3包括如下步骤：
62.步骤304、将所述输出数据转化为电压信号；
63.步骤305、获取柔性硅胶光纤(210)未发生形变时的电压为初始电压值v0；
64.步骤306、获取柔性硅胶光纤(210)发生形变时的电压值v；
65.步骤307、根据公式计算得到光强损失μ；
66.步骤308、根据所述光强损失确定用户的形变幅度。
67.具体地，在一些实施例中，发光二极管作为发光源(110)与专用集成模块(300)连接，发光二极管向柔性硅胶光纤(210)内发出光信号，其发出的光信号的光强由中央控制板(340)控制。更具体地，中央控制板(340)输出合适的电压后，发光二极管发出合适光强的光。基于光纤的原理，发光二极管产生的光在丙三醇与硅胶软管(210)交界处发生全反射，最终光通过柔性硅胶光纤(210)抵达作为信号接收器(130)的光电红外二极管。光电红外二极管将光信号转化为电流信号，该电流大小取决于入射光光强。与光电二极管连接的信号处理电路(330)，将电流信号转化为电压信号并将电压信号放大，并将该放大后的电压信号传输到中央控制板(340)。当柔性硅胶光纤(210)发生弯曲形变或按压形变后，部分光线在传播过程中全反射受到了破坏，发生光泄露，导致光电二极管接收到的光强降低；当柔性硅胶光纤(210)发生拉伸形变后，光要通过的路程增大，同样会导致光电二极管接受到的光强降低。所以，柔性硅胶光纤(210)发生弯曲形变、按压形变或拉伸形变之后都会使得中央控制板采集到的电压信号降低，当柔性硅胶光纤(210)未发生形变时,取中央控制板(340)读取到的电压值为初始值v0；当发生形变时，取中央控制板(340)读取到的电压值为v。中央控制板应用公式计算出光强的损失，若光强损失越大，则弯曲形变越大、或拉伸形变越大、或按压形变越大。
68.本发明还提供一种人体运动检测装置，其包括如上所述可穿戴设备。
69.具体地，在一些实施例中，请参阅图6，所述人体运动检测装置可选为一种具有该可穿戴传感器的手套，该手套每根手指上通过传感器底座(12)固定有一条柔性光纤传感器(11)，专用集成模块(13)固定在手套的手背上。当手指弯曲时，专用集成模块(13)采集各个柔性光纤传感器(11)的光强损失，通过蓝牙发射器向上位机发送数据，上位机便可以收集到各个手指的弯曲程度，完成手指的运动检测。
70.综上所述，本发明提供一种可穿戴设备、人体运动检测方法及装置，所述可穿戴设备包括：柔性光纤传感器，设置在所述柔性光纤传感器底部的传感器底座以及与所述柔性
光纤传感器通讯连接的专用集成模块，所述柔性光纤传感器包括发光源、柔性硅胶光纤以及信号接收器。本发明以柔性硅胶光纤作为传感器，使得可穿戴设备非常柔软，具有极高的柔顺性，能承受大角度的弯曲形变、较大的拉伸形变以及挤压形变，不会受到破坏。并且，本发明采用的柔性硅胶光纤具有内径大、易形变的特点，使得该光纤能传输更强的光，在弯曲形变、拉伸形变以及挤压形变下的光泄露程度增大，提升了该传感器的检测灵敏度。本发明提供的可穿戴设备可用于人体运动检测，捕捉人体关节的弯曲程度、肌肉的拉伸程度以及按压动作，该设备具有高柔性、尺寸小巧、高灵敏度、高精度、高延展性以及低造价的特点。
71.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。