用于确定身体部分或身体区域的相对移位的装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于确定身体部分或身体区域的相对移位的装置和方法，其具有一发送装置(2)和一配属给所述发送装置(2)的传感器(4)，其中，在所述发送装置(2)和所述传感器(4)之间布置有至少一个能相对于所述传感器(4)和/或所述发送装置(2)移位的遮蔽装置(6)，所述遮蔽装置固定在至少一个身体部分或身体区域上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定身体部分或身体区域的相对移位的装置和方 法，其具有一发送装置和一配属给所述发送装置的传感器。本发明尤其适 用于检测运动期间的脊椎扭曲或脊椎旋转。

背景技术

为了检测运动数据和运动流程，除了借助于一个或多个照相机的纯照 相之外公知了这样的方法，其中，将标记施加到人的身体表面上。利用一 个照相机对运动的人拍照，其中，这些标记布置在关节点上。关节点相对 彼此的运动在通过照相机装置的检测之后被转换成电脑中的模型并在显示 器上成像。由该模型可以计算身体部分或身体区域相对彼此的相对运动， 其中，计算基于模型假设。因此，脊椎大多被假设为棒，在该棒上固定骨 盆和肩膀。

最后提到的方法需要高的设备耗费，一般仅能够在特殊的环境状况下 应用并且不能或仅能不准确地推断脊椎内部的实际扭转或各个身体区域或 身体部分的实际移位。

文献10 2009 005 536 A1涉及一种用于无接触地确定转动轴线的转动 角度的转动角度传感器，其具有一光学辐射源和一探测器，其中，在辐射 源和探测器之间的辐射路径中，在一个盘上布置一遮蔽结构，该盘的位置 随着转动轴线改变。遮蔽结构至少部分地与转动轴线的转动角度相关地被 辐射源的辐射照射并成形到探测器上。以该方式可以避免或减少测量错误 并且可以较精确地获知转动轴线的待检测的转动角度。

发明内容

本发明的任务是提供一种装置和方法，利用它们能够成本低廉和可靠 地直接检测测量值。

根据本发明，该任务通过具有独立权利要求的特征的装置以及具有并 列独立权利要求的特征的方法来解决。本发明的有利的设计方案和改进方 案在从属权利要求、说明书以及附图中公开。

用于确定身体部分或身体区域的相对移位的装置具有一发送装置和一 配属给所述发送装置的传感器，该装置设置：在所述发送装置和所述传感 器之间布置有至少一个能相对于所述传感器和/或所述发送装置移位的遮蔽 装置，所述遮蔽装置固定在至少一个身体部分或身体区域上。传感器和/或 发送装置构造得能固定在身体上。通过将遮蔽装置固定在一个身体部分或 身体区域上能够简单地和具有高的精确性和位置分辨率地确定在该身体区 域中或两个身体部分之间的相对运动。因此尤其可以通过遮蔽装置在一个 端部上的固定和传感器在脊椎的另一个端部上的布置来探测脊椎在它的总 长上的扭转。同样可行的是：通过传感器沿着遮蔽装置的任意定位能够实 现测量部位的精确确定，从而使得不再需要构成模型来确定相对移位。遮 蔽装置也被理解为信号例如光线、辐射、电磁波或磁模式沿一个方向的经 指向的辐射，从而使得例如一个仅沿一个方向辐射的光源在背离所述辐射 方向的侧上不发出或仅发出很少的光线，这具有仿佛各向散射光源被区域 地通过一孔口板或类似装置遮蔽光线那样的相同的效果。相应的情况适用 于替换的信号形式，在这些信号形式中不使用光波。

所述遮蔽装置可以布置在所述传感器和指向到所述传感器上的所述发 送装置之间。当发送装置或发送装置的出口部位与传感器对置并且遮蔽装 置布置在发送装置或者说发送装置的出口部位与传感器之间时，尤其是这 种情况。遮蔽装置因此朝传感器方向贯通发送、贯通穿过、贯通照射或入 射，由此而可行的是：高的信号强度朝传感器的方向指向。

本发明的一变型方案设置：所述发送装置构造为光源、磁体、辐射器 或发出电磁波的发送装置。在此，发送装置构造得与传感器对应并发送这 样的多个信号或一个信号，该信号能够由传感器检测。在此，所述信号可 以直接朝传感器方向指向地辐射或通过一个导体或多个导体朝传感器方向 导引并被取向到该传感器上。

可以将多个遮蔽装置沿遮蔽装置的移位方向前后相继地布置。如果主 要设置所述遮蔽装置的扭转，那么可以将多个遮蔽装置沿旋转方向布置得 围绕例如基体的周边。如果要测量长度改变或随着长度改变而产生的弯曲， 那么在纵长延伸中沿着移位方向前后相继地布置多个遮蔽装置。

该遮蔽装置可以构造为施加在基体上的覆层或构造为所述基体的这样 的区域，该区域具有不同的信号穿过性、例如光线通过性或光线辐射。原 则上也可行的是：遮蔽装置包括对于信号介质不能穿过的、例如光线不能 穿过的元件，该元件具有非旋转对称的结构或具有展平部或结构图案，利 用它们可以探测相对移位。在展平部的情况下获得在扭转时传感器基于变 大的或变小的遮蔽的探测；在移动时，设计为图案的，例如通过外侧面上 的纵长延伸中的突出部的结构部是用于相对移位的可能的指示器。如果所 述遮蔽装置被贯通辐射或贯通照射，那么可以和设置在透辐射或透光基体 上例如覆层，这些覆层有利地被安置在外侧面上。这些覆层可以以沿纵向 方向或沿周向的条形状布置，以便在旋转或纵向移位时改变到传感器上的 入射率。同样可行的是：基体的至少一个区域构造有不同的信号穿过性或 信号辐射，即例如通过粗化部或通过改变折射率来造成入射的或贯通导引 的信号，例如光线的散射或吸收，从而使得与基体的位置相关地出现到所 述传感器上的不同的信号强度。同样可行和被设置的是：遮蔽装置构造为 滤波器，例如偏振滤波器。通过滤波器的相对移位来改变传送度，这导致 传感器上的不同强度。有利地，发送装置给出偏振光，以便加强效果。遮 蔽区域也可以构造为具有不同的磁通量、不同的场线取向或场线密度的区 域，从而使得通过磁敏感传感器能够探测位态的改变。

基体可以具有一基本上圆形的横截面，这尤其在遮蔽装置设计成覆层 或条图案的情况下有利于获知扭转，尤其是脊椎的扭曲。基体可以构造成 能弯曲，从而使得基体能够跟随身体的各种各样的运动可能性并且可以利 用仅一个基体操作多个测量部位。如果基体构造成长形延伸并且信号，例 如光线垂直于基体的纵长延伸朝传感器方向入射，那么基体以贯通穿过的 方式被贯通照射或者光线朝传感器方向出来地被导引到导光的基体上。在 基体的圆形横截面的情况下，具有遮蔽装置的基体被构造为转动轴线，该 转动轴线本身造成光学孔口板或遮蔽，由此能够实现非常小和成本低廉的 结构。相应的情况适用于这样的不透光基体，其具有非旋转对称的横截面 或在该轮廓中的沿纵向方向延伸的图案。

在一遮蔽装置上的多个测量部位可以绕或沿着遮蔽装置的纵向轴线， 该遮蔽装置又可以任意柔性地构造，其中，仅必须保证足够的抗扭曲性， 以便能够探测身体的扭转，所述基体固定在身体上。在测量长度时有利地 不给出长度可变性，这能够在柔性基体的情况下例如通过加入例如高强度 纤维材料的柔性但非弹性的元件实现。为了获知扭转有利的是：所述遮蔽 装置在一个端部上能够抗扭曲地固定在一个身体部分或身体区域上并且在 另一个端部上能够自由转动。除了自由可转动性之外可以在该另一个端部 上也设置相对于传感器装置的可移动性，从而使得也可以检测长度改变。 如果发送装置处于传感器对面，那么：它们有利地相对彼此位置固定地固 定，例如固定在一能粘贴的携带装置或能粘贴在衣物上的携带装置或能以 另外的方式固定的携带装置上；进行了朝传感器方向穿过基体的发出光线， 在该基体上布置或构造所述遮盖装置；取消了传感器相对于一发送装置的 固定不变的配属。所述遮蔽装置可以配属有至少一个用于在一个身体部分 或身体区域上固定的装置，在该装置上固定至少一个传感器并且在该装置 上能相对于所述传感器移位地支承所述遮蔽装置。由此确保了传感器与身 体上的确定部位的配属并且确保了遮蔽装置的引导，从而使得在所述遮蔽 装置移位时除了一或两个自由度之外保留获得所述空间配属。用于在一个 身体部分上固定的装置可以具有引导装置，遮蔽装置在这些引导装置中能 扭转和/或能移位地被引导。这些装置可以构造为接头、套筒或类似装置。 在这些装置上布置传感器或用于将信号引导到传感器上的线路的接收部， 从而使得通过遮蔽装置相对于这些装置的相对移位进而相对于传感器或接 收部的相对移位可以探测扭转或移动。

所述遮蔽装置可以布置或构造在一构造为信号导体的基体上，其中， 所述发送装置可以布置在信号导体旁边并且入射该信号导体或这样配属给 信号导体，使得发送装置将一个信号或多个信号沿信号导体的纵长延伸馈 入所述信号导体中。通过信号导体之内存在的反射，信号、辐射、电磁波 或光线可以在信号导体例如光导体的总长上从所述信号导体中沿径向向外 透出。通过相应元件，例如光学元件，如反射镜、棱镜或类似光学元件的 装入而可行的是：在确定的区域或方向上设置信号的有目的的转向。如果 点式指向或条形指向的射束朝一向径向外部指向的方向转向，那么信号导 体的其余周边可以看作为遮蔽装置，这是因为在该区域中比信号从信号导 体导出的区域更少地向外透出信号。信号沿信号导体的纵长延伸的馈入具 有这样的优点，即，在信号导体的总长上仅必须设置一个发送装置并且多 个传感器可以沿着信号导体布置，以便探测对应的移位。

所述传感器有利地构造为这样的装置，该装置在信号例如光线的一个 或多个频率范围内测量信号强度。作为传感器同样可以设置像光电二极管 或光电晶体管那样的红外探测器。没有限制为可见光谱。可以将多个传感 器在遮蔽装置的纵长延伸中前后相继地布置。传感器可以配属有一评价装 置，通过该评价装置获知沿哪个方向和在哪个周边上发生了相对移位。在 传感器和必要时发送装置之前可以布置一孔口板，以便避免检测散射信号。

用于测量身体部分或身体区域相对彼此的相对移位的方法设置：在一 个部位上位置固定地在第一身体部分或身体区域上固定一遮蔽装置，朝所 述传感器的方向发送所述一个信号，所述遮蔽装置基于身体部分或身体区 域的相对移位被移位。仅仅基于所述遮蔽装置的移位而发生改变的到所述 传感器上的信号入射被检测并在一评价装置中被评价。根据信号入射的改 变的不同而得到对于传感器的不同的信号，从而使得根据信号相对传感器 的相对运动的可能性的不同而探测到相应的运动。如果仅可以旋转，那么 探测旋转，如果可以纵向移位，那么探测相应的纵向移位。原则上也可行 的是：通过组合多个遮蔽装置或传感器来检测组合的移位。前提条件是： 传感器或接收部尽可能位置固定地布置在该身体部分上，例如粘贴或通过 衣服保持在一预期的位置上，而遮蔽装置能够相对于传感器或接收部移位。

所述遮蔽装置构造为长形延伸的基体，其中，基体的一个端部抗扭曲 地固定并且在所述遮蔽装置旁边布置至少两个相对彼此错开布置的传感 器，从而使得通过评价所述传感器信号的相位移可以确定转动方向。除了 运动范围之外由此也探测了运动方向。替换于转动方向的确定也可以通过 沿移位方向前后相继布置两个传感器确定纵向移位和移位方向。

所述信号可以沿着构造为信号导体的基体的纵长延伸馈入到该基体中 并且朝所述传感器的方向耦出所述信号导体，其中，在所述信号导体上布 置或构造至少一个遮蔽装置。

前述的装置尤其用于实施同样前述的方法。通过要保护的本发明尤其 可行的是：通过施加传感器或将传感器与织物衣服连接来执行脊椎扭曲或 旋转的测量。同样存在这样的可能性，即，例如通过织物的变形来检测长 度改变。本发明的结构能够实现节省空间和成本低廉的解决方案，该解决 方案对大多环境影响不敏感。沿着一轴线的多个测量部位是可行的，其中， 该轴线可以是任意柔性的，但是，弹性就待测量的运动而言是不可以的。

附图说明

下面，本发明的实施例根据附图详细阐释。其中：

图1-示出了测量装置的基本结构；

图2-示出了测量信号的示意性强度曲线图；

图3-示出了图1的一变型方案；

图4-示出了图1的另一变型方案；

图5-示出了用于测量相对移动的装置；

图6-示出了在贴靠好的状态下的本发明的一实施例；

图7-示出了在扭曲状态下的根据图6的装置；以及

图8-示出了具有用于光源的光导体和传感器的根据图3的装置。

具体实施方式

在图1中在示意图中示出了用于确定身体部分和身体区域的相对移位 的装置，该装置具有作为发送装置2的光源，该光源通过两个孔口板朝传 感器4的方向发送光线。所述发送装置2构造为发送光线的二极管(LED)。 所述传感器4构造为光电二极管。在发送装置2和传感器4之间布置有遮 蔽装置6，所述遮蔽装置固定在长形延伸的基体8上。该示出的实施例中的 遮蔽装置6被施加为外侧上的不透光的覆层，替换方式的遮蔽装置是可行 的。例如可以布置由一种不透光材料制成的、具有在周边的一侧上的展平 部的基体8，从而使得通过使基体8绕它的纵向轴线转动，传感器4被不同 的辐射强度加载。基体8绕该纵向轴线的转动通过箭头示出。交替式转动 运动可以是可行的。在所示的实施例中，基体8原则上是透光的，从而使 得除了设有遮蔽装置6的区域之外，光线可以从发送装置2基本上不受干 扰地穿过孔口板10射到传感器4上。从所述传感器4，被接收的信号被导 向一评价装置16，在那里进行光线强度信号的评价。

在图2中示意性地关于转动角度α示出光线入射的强度。在0°的初始 位置中给出最大的光线强度。在扭转所述基体8进而还有遮蔽装置6时越 来越多地减少强度，直到该强度在扭转90°时是0，这意味着：孔口板10 完全被遮蔽装置6遮盖，从而使得没有光线从发送装置2到达传感器4。如 果遮蔽装置6进一步转动，那么光线强度I又增加，直到在扭转180°的情 况下，当孔口板10又完全被释放时，光线强度又来到强度最大值。根据孔 口板10的大小以及遮蔽装置6的大小的不同，完全遮蔽的区域可以通过一 另外的转动区域来实现，同样可以的是：所述遮蔽不完全地进行，从而使 得在达到强度最小值时，传感器4继续探测光线。也可以是可行的是：孔 口板10的完全遮蔽的区域在小于90°的摆动之后实现，从而使得光线到传 感器4上的入射的完全遮蔽较早地实现。

本发明的一变型方案在图3中示出，其中，替代透明的基体8朝传感 器4方向的贯通照射，发送装置2的光线沿基体的纵向方向馈入到该基体 中。基体8因此作为光导体起作用，光线沿纵长延伸在该光导体中向前运 动。通过在基体8内侧上的反射，光线的一部分沿径向向外转向，从而使 得光辐射穿过孔口板10入射到传感器4上。沿径向向外穿过的辐射通过遮 蔽装置6例如一反射式覆层被挡住，从而使得在图2中示出的强度图形在 基体8相对于传感器4转动时出现。原则上也可行的是：替代相对窄的遮 蔽装置6仅存在在遮蔽装置6中的相对窄的光线窗口，以便光线条被射到 传感器4上。相应的强度分布于是也被实现，但是是在一较小的水平上。

该装置的另一变型方案在图4中示出，其中，多个遮蔽装置6以不透 光条的形式围绕基体8的周边布置。光线耦入在基体8的端侧的一个端部 上进行，光线朝传感器4方向的耦出可以通过基体8之内的光学装入件， 例如通过棱镜或反射装置被加强或起作用。通过多个遮蔽装置6沿周向的 布置，在绕基体8的纵向轴线转动的情况下，即沿移位方向前后相继的布 置可以容易地获知转动方向和扭转，尤其是如果遮蔽装置6没有相对彼此 等距地布置在所述基体8上的话。

如果多个传感器6沿移位方向前后相继地布置，那么可以通过评价相 位移，在转动角度之外也获知转动方向。

在图5中示出了本发明的一变型方案，其中，替代扭转进行基体8的 纵向移动进而还有牢固布置在该基体上的遮蔽装置6的纵向移动。在这里， 发送装置2和传感器4也相对彼此对置，其中，两个孔口板10布置在光源 2和传感器4之间，在这两个孔口板之间布置具有遮蔽装置6的基体8。纵 向可移动性通过双箭头简示。这些遮蔽装置6作为环相对彼此间隔开地布 置，从而使得不透光区域与透光区域交替。在所示的例子中，布置在孔口 板10之间的遮蔽装置6这样地确定尺寸，使得孔口板10不被完全关闭， 从而使得光线射束的一部分从发送装置2射到传感器4上。如果基体8与 遮蔽装置6向上或向下运动，那么光线强度以这样的分量提高，孔口板10 的未被遮蔽的面积以该分量被扩大。如果多个传感器4沿移位方向前后相 继地布置，那么可以由相位移，在移位路径之外也确定移位方向。

一个应用实施例在图6和图7中示出，图6示出了穿着紧密贴靠的衣 服的人，在该衣服的表面上固定有用于确定脊椎移位的装置。基体8在腰 椎区域中通过用于在衣服上固定的装置14来固定。该固定例如通过胶带来 进行，从而使得在腰椎区域中进行了抗扭曲的固定。在上胸椎区域中设置 用于在一个身体部分上固定的第二装置14。图6的上视图中在一位置中示 出了基体8的取向和用于在身体部分上固定的装置14的取向，在该位置中， 肩膀基本上平行于骨盆。该取向通过垂直的线条在基体8的上端部处明示。 所述固定也可以直接在身体上，在皮肤上进行。

图7中示出了人的脊椎的扭曲姿态。在此，上身从上面看沿顺时针相 对于骨盆转动，从而使得脊椎沿顺时针扭转。在图7的下视图中能够看出： 从用于固定的下部装置14出发，基体8保留刚性，因此没有相对于骨盆和 下部的装置14扭转，但是用于固定在身体部分上的上部的装置14以像人 上身扭转那样的程度相对于基体8扭转。如果现在将一传感器4布置在用 于固定在身体部分或身体区域上的上部的装置4上并且必要时也将光源2 布置在对置的侧上，那么可以通过上部的装置14的相对扭转进而还有传感 器的相对扭转来进行沿着脊椎的扭转角度的确定。如果多个传感器和遮蔽 装置沿着基体8的纵长延伸布置并且进行了例如在基体8的下端侧上的光 线馈入，那么可以利用一光源进行各个扭转角度沿着脊椎的、利用多个传 感器的高分辨率的测量。基体8与遮蔽装置6一起能相对于上部的装置14 移位地布置，在所示的实施例中能扭转和能纵向移动地布置，从而使得即 使在向前和向后的弯曲运动中可以进行相对于用于固定的装置14的相对移 位。在下部的装置14上尤其抗扭曲地并且不能移动地固定所述基体8。本 发明的一个变型方案在图8中示出，其中，通过光导体12将光线在一侧上 从发送装置2馈入到基体8中并且从基体朝孔口板10的方向射出。根据一 个遮蔽装置6或多个遮蔽装置的姿态的不同，或多或少的光线强度穿过所 述孔口板10入射，所述光线强度又通过光导体12被接收并导向传感器4。 由此而可行的是：发送装置2和传感器4可以布置得远离这样的部位，在 所述部位上进行了身体区域相对彼此的相对移位。基体8于是仅必须在一 个引导装置、例如套筒中被引导，在该套筒中或该套筒上也布置向光电二 极管的返回引导的光导体12。由此可以非常小地保持所述装置，发送装置 2、传感器4以及评价装置16于是可以安置在身体上的另一位置上，该另 一位置必要时是较少暴露的，从而使得整个装置能够容易地和不显眼地携 带。评价装置16例如可以布置在一个兜中，该兜可以固定在一件衣服上。

前面根据设计为光源的发送装置2描述了本发明。但是，工作方式在 使用另外的信号形式，即电磁波、感应式能量传递、磁场和类似形式的情 况下不发生改变。仅仅使传感器和传递介质适配所述信号形式。