[发明专利]一种基于织物传感器的上肢功能运动监测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于聚吡咯导电机织物为传感元件的上肢运动监测系统及方法，属于可穿戴智能纺织品技术领域。

背景技术

肢体运动状态测试在康复医学、体育运动等领域都有着重要的应用。例如，在一些体育训练中，运动信号被用来识别运动员在训练中的不足，从而有目的地指导后期训练；在康复医学领域，运动信号被用来检测病人的康复过程。目前，由加速计、柔性电测角计、摄像机组成的运动捕捉系统已被用于监测人体运动。研制成功的产品有英国牛津(Oxford)公司自80年代推出的一系列VICON运动分析系统，在许多发达国家得到了广泛应用。这套系统是基于摄像机的，目前有700多套各种型号在实验室里和各种医院、康复中心里运作。美国的PeakPerformanceTechnologiesInc.在过去的近20年也推出了一系列的商用PeakMotus运动测量系统，该系统同样是基于摄像机的，也取得了广泛的应用。虽然这样的系统能够准确的测量人体的动作，但它的便携性和隐蔽性差，不方便使用。同时，这些组件为刚性或无弹性材料，如被固定在服装上会影响人们穿着的舒适性。

不同传感原理和传感材料的传感监测技术已被应用于人体运动姿态系统的开发。国内外已有部分专利技术和学术文献被公开，如发明专利“一种姿态识别方法及姿态识别控制系统”(公开号：CN102799263A)，该专利对摄像装置采集的肢体动作图像进行预处理，提取出仅包含肢体动作区域的图像数据；提取图像数据的肢体动作特征，确定肢体摆放姿势，判断肢体运动状态。本发明免去了红外感光手套或者传感器对用户的限制，方便了用户操作；但其只能在特定的地点进行测试，不能对人体运动进行实时监测。专利“肢体运动监测系统”(公开号：CN101522101A)中采用微型运动传感器、光子织物、嵌入织物的微型压力传感器以及肌肉活动传感器搭建了一个肢体运动监测系统。该系统结构复杂，嵌入织物的传感器会影响织物的舒适性进而影响测试结果。

除此之外，《传感技术学报》2008年第7期发表论文“基于机织结构的柔性应变传感器的设计与分析”，作者以导电纱线与绝缘纱线组合的机织结构设计了并联式与串联式的应变传感器，通过实验发现，如果机织物中的导电纱线为并联式，理论上可用于任意尺寸物体的大应变检测，若为串联式，则仅适用于较小尺寸物体的大应变检测。文章只是对两种不同结构下传感器的应变敏感性进行了讨论，并没有应用到肢体进行实测。《SyntheticMetals》2005年第155卷第3期发表论文“Conductingpolymercoatedlycra”，文中采用聚吡咯莱卡织物作为一个动态电路元件组成一个电路，长条状导电织物覆盖在膝盖上，随着膝盖的弯曲导电织物电阻发生变化。根据电阻变化的大小，电路中的发生器发出不同的声音，通过声音的不同大小来反映膝盖的弯曲程度。作者对肢体的运动测试只是一个定性的评价，且提出的条状导电织物仅能反应弯曲程度，不能全面反应肢体的全方位运动。《Journalofneuroengineeringandrehabilitation》2005年第2卷第1期发表了论文“Wearableconductivefibersensorsformulti-axishumanjointanglemeasurements”，介绍了一种能够连续长期地监测人体关节运动的技术，该技术就是将一根导电纱线贴附在织物上，随着关节的弯曲导电纱线会伸长，从而导致其电阻增加，通过电阻的变换来反映关节的运动。《Sensors》2014年第14卷第3期发表了论文“ATextile-BasedWearableSensingDeviceDesignedforMonitoringtheFlexionAngleofElbowandKneeMovements”，文中采用弹性纱线制作了弹性导电带，基于弹性导电带组装了一个用于检测人体手肘和膝盖运动角度的检测系统。通过实验发现该系统能够很好地反映手肘与膝盖的运动角度，随着运动角度的增加，导电弹性带的电阻几乎成线性增加。这些研究所述检测方法由于传感元件的一维化，只能反应肢体的弯曲运动——这种单一运动。此外，这些研究所述测试方法中往往采用如粘贴式、筘式等固定导电织物与信号采集设备之间的信号引出线，在肢体的反复弯曲运动中都存在容易松动甚至脱落的问题。