一种集成关节角度测量与运动姿势测量的柔性可拉伸穿戴设备

摘要

本发明公开了一种集成关节角度测量与运动姿势测量的柔性可拉伸穿戴设备，包括可穿戴设备、设于所述可穿戴设备上的电源模块以及与所述电源模块电连接的可拉伸传感器、惯性传感器、肌电传感器、生物传感器、信号处理模块、数据处理模块、数据接口模块和无线模块，所述无线模块和所述数据接口模块与所述数据处理模块电连接，所述数据处理模块与所述信号处理模块电连接，所述信号处理模块与所述可拉伸传感器、所述惯性传感器、所述肌电传感器和所述生物传感器电连接。本发明设计新颖、结构简单、使用方便，不仅能够便于使用者的穿戴，而且能够便于使用者穿戴后运动，并且能够在运动时监测人体的关节和运动姿态。

说明书

技术领域

本发明涉及可穿戴设备领域，尤其涉及一种集成关节角度测量与运动姿势测量的柔性可拉伸穿戴设备。

背景技术

可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能，可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。

在人体识别领域，人体运动姿态的识别已经成为当前研究的热点。最近几年，伴随人机交互等技术的快速发展，在竞技体育、康复治疗、体感游戏等各个方面，人体运动姿态识别技术得到了普遍应用。虽然最近几年基于传感器的人体运动姿态识别技术发展飞速，已经有很多研究都能够准确地识别人体在日常生活活动过程中所展示的几种最基本的姿态。但是目前对于可穿戴式的人体运动姿态采集器还并不多见。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种集成关节角度测量与运动姿势测量的柔性可拉伸穿戴设备，本发明设计新颖、结构简单、使用方便，不仅能够便于使用者的穿戴，而且能够便于使用者穿戴后运动，并且能够在运动时监测人体的关节和运动姿态。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种集成关节角度测量与运动姿势测量的柔性可拉伸穿戴设备，包括可穿戴设备、设于所述可穿戴设备上的电源模块以及与所述电源模块电连接的可拉伸传感器、惯性传感器、肌电传感器、生物传感器、信号处理模块、数据处理模块、数据接口模块和无线模块，所述无线模块和所述数据接口模块与所述数据处理模块电连接，所述数据处理模块与所述信号处理模块电连接，所述信号处理模块与所述可拉伸传感器、所述惯性传感器、所述肌电传感器和所述生物传感器电连接；其中：

可拉伸传感器，用于监测使用者的步伐和步幅以及步频，并将监测到的步伐和步幅以及步频的信号发送给信号处理模块；

惯性传感器，用于监测使用者的弹跳高度以及位置信息，并将检测到的弹跳高度和位置信息的信号发送给信号处理模块；

肌电传感器，用于监测使用者的肌肉运动生物力学，并将检测到的肌肉运动生物力学信号发送给信号处理模块；

生物传感器，用于监测使用者的汗液，并将检测到的汗液信号发送给信号处理模块；

信号处理模块，用于将接受到的信号处理后发送给数据处理模块；

数据处理模块，用于分析处理后的信号，并将分析后的信号生成相关数据；

无线模块，用于将处数据发送给智能终端；

数据接口模块，用于外接检测电路模块及数据采集器，以实现传感器校正及功能检测；

电源模块，用于给各电子元件进行供电。

作为本申请的一种优选方案，所述可穿戴设备1包括依次设置的外层101、防水封装聚合物层102、导电线路层103、弹性基层104、防水层105和内层106。

采用此技术方案，外层和内层106由弹性透气面料制成；防水封装聚合物层采用绝缘防水材料，用于保护内置传感器不受雨水、汗水等的腐蚀，确保传感器不受外部电磁环境干扰或意外引发的短路等风险；导电线路层包括但不限于丝网印刷、喷墨打印、热转印及导电墨水涂料涂覆制成的导电电路；弹性基层采用可拉伸的布料；绝缘防水材料可采用弹性的硅橡胶或粘结剂；防水层105同样可以采用弹性的硅橡胶或粘结剂以及纳米涂层或防水膜。

确保传感器不受外部电磁环境干扰或意外引发的短路等风险

作为本申请的一种优选方案，所述可穿戴设备包括可穿戴的护膝或护肘。

作为本申请的一种优选方案，所述可拉伸传感器采用基于碳基导电材料或液态金属或弹性导电聚合物制成。

采用此技术方案，可拉伸传感器可拉伸至最大200%仍能正常工作，采用织物+图案化成形技术，包括但不限于丝网印刷、喷墨打印、热转印及导电墨水涂料涂覆等工艺手段制成的导电电路，轻薄度和柔软性足够好。此外，传感器元件支持模块化叠加，可分布在可穿戴设备不同层或部位。传感器由硅橡胶或粘结剂封装。

作为本申请的一种优选方案，所述惯性传感器设于所述可穿戴设备的外侧。

采用此技术方案，IMU惯性传感器放置在可穿戴设备外侧，避免在内测时，由于使用者下蹲或其他动作引发的机械损伤。此外，IMU可包括一个或多个运动传感器，例如陀螺仪和加速度计，用于测量IMU可被附接的对象（小腿）的方向、位置、速度和加速度等。

作为本申请的一种优选方案，所述肌电传感器和所述生物传感器设于所述可穿戴设备的内侧。

采用此技术方案，EMG肌电传感器贴于(护膝/护肘)上半部分内测，紧贴腿部肌肉，以利于肌电信号测试的准确性。

作为本申请的一种优选方案，所述生物传感器基于碳基导电材料或液态金属或弹性导电聚合物制成。

采用此技术方案，贴片式生物传感器，可收集汗液并进行多重电化学分析如乳酸，Na +，K +和pH值。该贴片传感器与微型印刷电路板（PCB）集成连通。表皮贴片可以跟踪肌肉的水合水平和氧合作用，这对于健身监测应用至关重要。这些可穿戴生物传感器可以用于临床诊断和个性化即时护理分析。

作为本申请的一种优选方案，所述无线模块包括WIFI模块和/或蓝牙模块。

采用此技术方案，用于无线收发信号传输，实现数据实时、无线传输。可与智能终端，如智能手机、智能手表等实现互联互通。所得数据可传送至Android或apple等手机软件APP等应用程序。应用程序中可以对该可穿戴设备读取的数据进行可视化显示、数据图表分析、人工智能运动健康状态进行预警、提醒并支持接入云端外部医疗专家资源，提供诊断、建议及指定个性化运动健康方案。

作为本申请的一种优选方案，所述电源模块包括薄膜锂电池或太阳能电池板。

作为本申请的一种优选方案，所述数据接口模块采用Type-C接口或Micro USB或Lightning接口中的一种或多种。

本发明的有益效果是：

1.本发明设计新颖、结构简单、使用方便，不仅能够便于使用者的穿戴，而且能够便于使用者穿戴后运动，且能够在运动时监测人体的关节和运动姿态；

2.本发明可以对该可穿戴设备读取的数据进行可视化显示、数据图表分析、人工智能运动健康状态进行预警、提醒并支持接入云端外部医疗专家资源，提供诊断、建议及指定个性化运动健康方案；

3.本发明通过可拉伸传感器和惯性传感器的数据分析结果，识别由身体部位摆出的姿势，以及通过肌电传感器和生物传感器进一步的提高关节和运动姿势识别的准确性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明涉及的结构示意图；

图2为本发明涉及的可穿戴设备局部剖面示意图；

图3为本发明涉及图2中的A-A处的截面示意图；

图4为本发明涉及的电路框架示意图。

图中标号说明：可穿戴设备1，电源模块2，可拉伸传感器3，惯性传感器4，肌电传感器5，生物传感器6，信号处理模块7，数据处理模块8，数据接口模块9，无线模块10，外层101，防水封装聚合物层102，导电线路层103，弹性基层104，防水层105，内层106。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

参照图1至图4所示，一种集成关节角度测量与运动姿势测量的柔性可拉伸穿戴设备，包括可穿戴设备1、设于可穿戴设备1上的电源模块2以及与电源模块2电连接的可拉伸传感器3、惯性传感器4、肌电传感器5、生物传感器6、信号处理模块7、数据处理模块8、数据接口模块9和无线模块10，无线模块10和数据接口模块9与数据处理模块8电连接，数据处理模块8与信号处理模块7电连接，信号处理模块7与可拉伸传感器3、惯性传感器4、肌电传感器5和生物传感器6电连接；其中：

可拉伸传感器3，用于监测使用者的步伐和步幅以及步频，并将监测到的步伐和步幅以及步频的信号发送给信号处理模块7；

惯性传感器4，用于监测使用者的弹跳高度以及位置信息，并将检测到的弹跳高度和位置信息的信号发送给信号处理模块7；

肌电传感器5，用于监测使用者的肌肉运动生物力学，并将检测到的肌肉运动生物力学信号发送给信号处理模块7；

生物传感器6，用于监测使用者的汗液，并将检测到的汗液信号发送给信号处理模块7；

信号处理模块7，用于将接受到的信号处理后发送给数据处理模块8；

数据处理模块8，用于分析处理后的信号，并将分析后的信号生成相关数据；

无线模块10，用于将处数据发送给智能终端；

数据接口模块9，用于外接检测电路模块及数据采集器，以实现传感器校正及功能检测；

电源模块2，用于给各电子元件进行供电。

作为本申请的一种优选方案，作为本申请的一种优选方案，所述可穿戴设备1包括依次设置的外层101、防水封装聚合物层102、导电线路层103、弹性基层104、防水层105和内层106。

采用此技术方案，外层101和内层106由弹性透气面料制成；防水封装聚合物层102采用绝缘防水材料，用于保护内置传感器不受雨水、汗水等的腐蚀，确保传感器不受外部电磁环境干扰或意外引发的短路等风险；导电线路层103包括但不限于丝网印刷、喷墨打印、热转印及导电墨水涂料涂覆制成的导电电路；弹性基层104采用可拉伸的布料；绝缘防水材料可采用弹性的硅橡胶或粘结剂；防水层105同样可以采用弹性的硅橡胶或粘结剂以及纳米涂层或防水膜。

作为本申请的一种优选方案，可穿戴设备1包括可穿戴的护膝或护肘。

作为本申请的一种优选方案，可拉伸传感器3采用基于碳基导电材料或液态金属或弹性导电聚合物制成。

采用此技术方案，可拉伸传感器3可拉伸至最大200%仍能正常工作，采用织物+图案化成形技术，包括但不限于丝网印刷、喷墨打印、热转印及导电墨水涂料涂覆等工艺手段制成的导电电路，轻薄度和柔软性足够好。此外，传感器元件支持模块化叠加，可分布在可穿戴设备1不同层或部位。传感器由硅橡胶或粘结剂封装。

作为本申请的一种优选方案，惯性传感器4设于可穿戴设备1的外侧。

采用此技术方案，IMU惯性传感器放置在可穿戴设备1外侧，避免在内测时，由于使用者下蹲或其他动作引发的机械损伤。此外，IMU可包括一个或多个运动传感器，例如陀螺仪和加速度计，用于测量IMU可被附接的对象（小腿）的方向、位置、速度和加速度等。

作为本申请的一种优选方案，肌电传感器5和生物传感器6设于可穿戴设备1的内侧。

采用此技术方案，EMG肌电传感器贴于(护膝/护肘)上半部分内测，紧贴腿部肌肉，以利于肌电信号测试的准确性。

作为本申请的一种优选方案，生物传感器6基于碳基导电材料或液态金属或弹性导电聚合物制成。

采用此技术方案，贴片式生物传感器，可收集汗液并进行多重电化学分析如乳酸，Na +，K +和pH值。该贴片传感器与微型印刷电路板（PCB）集成连通。表皮贴片可以跟踪肌肉的水合水平和氧合作用，这对于健身监测应用至关重要。这些可穿戴生物传感器可以用于临床诊断和个性化即时护理分析。

作为本申请的一种优选方案，无线模块10包括WIFI模块和/或蓝牙模块。

采用此技术方案，用于无线收发信号传输，实现数据实时、无线传输。可与智能终端，如智能手机、智能手表等实现互联互通。所得数据可传送至Android或apple等手机软件APP等应用程序。应用程序中可以对该可穿戴设备读取的数据进行可视化显示、数据图表分析、人工智能运动健康状态进行预警、提醒并支持接入云端外部医疗专家资源，提供诊断、建议及指定个性化运动健康方案。

作为本申请的一种优选方案，电源模块2包括薄膜锂电池或太阳能电池板。

作为本申请的一种优选方案，数据接口模块9采用Type-C接口或Micro USB或Lightning接口中的一种或多种。

作为本申请的一种优选方案，可拉伸传感器3和生物传感器6均可采用碳基导电材料、液态金属、弹性导电聚合物等但不限于以上的导电新材料通过丝网印刷、喷墨打印、微流道铸造及大规模卷对卷(R2R)等制造工艺生产。

作为本申请的一种优选方案，各传感器通过焊接、粘结剂等工艺牢固附着在弹性基层上。

作为本申请的一种优选方案，外层101布料层与弹性布料基底层通过缝制工艺实现一体化结构封装。

作为本申请的一种优选方案，外层101布料可单独拆卸清洗。

作为本申请的一种优选方案，各传感器电气接口通过弹性布料基底层上丝网印刷或电子沉积等方式打印的电路实现统一连接。

作为本申请的一种优选方案，数据处理模块8采用人工智能边缘计算处理器实现实时数据采集和分析。

作为本申请的一种优选方案，电源模块2也可由摩擦纳米发电机技术通过运动能量收集实现自供电，从而减轻设备重量，提供整体传感器导电层的柔性和灵活性。

本发明基于智能纺织品(导电织物、可印刷可拉伸的导电材料及其传感器)电子功能系统，随着材料技术的飞速发展，使可穿戴智能设备能 够与纺织服装进行更好的结合，实现纺织品的智能化应用。可穿戴智能纺织品通过植入导电纤维、传感器，并与信息和计算机技术互相结合，在应用过程中实时监视、跟踪和记录人体的生命体征，对于疾病或不正确的运动姿势进行辅助治疗与矫正，交互可控的纺织品的穿着温度可为用户带来舒适的体验感，这些都是本发明可穿戴智能设备为用户带来的便利、灵活性和舒适性。

本发明通过基于智能纺织品的智能服装系统实现的全身界面，创造了一种全新的方式来全面了解人体并与人体进行交流。通过使人体上不同的纺织形状因子功能化，赋予它们捕获不同生物特征数据类型并通过热，电和触觉刺激做出反应的能力，基于纺织品的全身接口的应用包括由远程或AI护理人员进行的整体诊断和治疗，为训练和娱乐目的而更深入地浸入扩展的现实环境，为治疗和人类增强目的而进行的感觉增强/替代等。

当前全球对移动健康医疗与个体个性化健康与医疗服务的兴起，使得基于柔性电子技术的智能服装及可穿戴类感知与测量技术相关产品，因其与人体的亲肤性、可拉伸性更直观准确。对人的肢体动作、生理信息采集，并结合中国在人工智能基础平台上的优势，将在健身健康新消费、养老康复及虚拟现实和增强现实等领域产生巨大市场价值和社会价值。

本发明柔性电子技术在人工智能可穿戴健康监测物联网与医疗网领域的产品创新。本项目研发用于跑步，健身和慢性病，亚健康人群的柔性可穿戴电子纺织品类产品，实现人体生理参数、运动数据的集成监控和人工智能健康与科学运动指导，使得个性化运动与健康监测具有实时性、移动便携性和人体舒适度。

本发明相对于其他可穿戴体系，电子织物类柔性可穿戴系统大多轻盈、柔软，使用稳定性高，对使用对象日常行为的干扰小，并且可以结合服装设计，获得更好的美感与舒适度。纤维基可穿戴系统在人机交互、医疗保健、物联网、交通运输以及智能城市等领域有着广泛的应用。

本发明基于传感器网络技术，以可穿戴计算为基础通过有线(或无线)网络对人体的生理、活动、位置及环境等上下文信息进行实时采集、多层融合，并对这些信息进行本地或者远程处理，以对用户当前或以后的身体状况做出诊断或预测的网络系统。它是一种集通信技术、计算机技术应用到医疗领域的一种技术手段，能够为病人提供低负荷、非入侵式、长期连续的生理监测，实现病人、医院、家属之间的及时沟通、实时联系，以及医院与医院间的信息交流、方便会诊，使医疗健康监护实现信息通达共享，大幅提升医疗服务。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。