一种人体体表生理微动的精密模拟装置

摘要

本发明公开了一种人体体表生理微动的精密模拟装置，包括控制器、驱动器、运动执行机构、模拟运动负载与光栅尺；控制器用于连接上位机；控制器通过驱动器连接运动执行机构；运动执行机构连接模拟运动负载与光栅尺；光栅尺与控制器相连。本发明采用闭环反馈控制的方式，运动执行机构带动负载对设定目标运动曲线的实现精密跟踪，达到人体体表微动模拟的目的；相比现有产品，负载微动性能有明显提升，提高了目标运动跟踪精确；运动执行机构采用直线电机动子固定，定子带动负载台一起运动的方式进行模拟运动，避免连接在动子线圈上的电线引入额外的干扰运动影响模拟效果。

说明书

技术领域

本发明涉及人体体表微动模拟装置，尤其涉及一种人体体表生理微动的精密模拟装置。

背景技术

近年来，生物雷达作为一种新的非接触式新型传感器得到了广泛的关注和研究。生物雷达通过发射天线向周围坏境发射指定频率的电磁波，并通过接收天线接收被环境中的障碍物反射回来的电磁波，然后对接收信号进行分析处理以实现检测目的。

人体体表微动是指由呼吸或心跳生理活动所引起体表(主要是胸腹腔部位)的微弱起伏或振动。通常，呼吸活动引起的起伏运动频率约0.1Hz～0.7Hz、运动振幅约2mm～12mm，心跳运动产生的振动运动频率约0.7Hz～3Hz、运动振幅约0.1mm～1mm。通过分析雷达接收到的人体体表反射信号，就能从中分离并提取出与生理微动相对应的呼吸或心跳运动信号，进而获得呼吸率与心率，从而实现对生理信号的探测。

人体体表微动模拟装置的主要目的是实现对人体体表由呼吸或心跳所引起的微弱运动的可控精确模拟，以达到对生物雷达检测性能进行定量评估的目的。微动有两个重要参数：一是微动行程，即运动的幅度；二是运动频率，即来回的快慢程度。结合通常情形下人体呼吸与心跳的运动幅度和运动频率，要完整覆盖一般场景，需要微动模拟装置能够实现对运动频率在0.1Hz～3Hz、运动行程在0.1mm～12mm区间内的所有运动方式的精确模拟。

目前有两种典型人体体表微动模拟方案：

方案一原理：如附图1所示，通过音频播放器播放与目标运动曲线对应的音频信号，然后经由功率放大器对音频电流进行放大，接着使用放大后电流驱动喇叭产生振动，并带动负载进行微动。

方案二原理，如附图2所示，将目标运动曲线转换成运动脉冲序列，然后由控制上位机根据脉冲序列的分布依次按时发送脉冲指令给驱动器，驱动器根据指令控制伺服电机旋转指定的角度，然后驱动精密线性模组转换成直线位移，进而带动负载实现指定行程的微动。

前述两种技术方案在一定程度上都实现了对负载的微动控制，但是存在明显的缺陷与不足。

通过音频信号驱动喇叭实现的负载振动存在几点缺陷：

a.即使使用特殊的超低音喇叭，也难以实现呼吸和心跳对应频段的低频振动；

b.对频率的分辨率非常粗糙，基本无法区分差异在0.01Hz(～1bpm)级别的不同信号；

c.无法实现指定行程的振动，一个原因是喇叭的音频非线性特性，另一个原因在于从播放器的输出音频电流和放大器的放大倍数都难以精确控制；

d.喇叭驱动负载的能力非常有限，另外，即使连接再轻的负载，也可能改变喇叭的振动特性。

通过精密线性模组实现的负载微动较喇叭实现的负载振动有明显的改进，但也存在着几点不足：

a.将目标运动曲线转换成运动脉冲序列的过程中存在一定的转换失真，连续的运动曲线离散化为一个个等强度的脉冲后，驱动电机的运动是步进式的转动，只能实现位置上的跟踪，丢失了运动速度等信息；

b.开环式的驱动，无法获取运动执行部件的真实运动位置，即使控制脉冲命令与运动目标曲线精确对应，也无法保证真实的运符合预期；

c.精密线性模组内部运动转换机构的螺杆咬合缝隙，会导致运动状态改变时，尤其是发生运动方向切换时，存在着明显的运动转换失真。

总的来说，通过音频喇叭实现的负载微动仅是实现了运动，但微动参数完全不可控。通过精密线性模组实现的负载微动性能有明显提升，但在目标运动的精确跟踪上仍然存在误差不可控情形，难以达到通过设定微动实现对生物雷达性能定量评估的目的。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种人体体表生理微动的精密模拟装置，包括控制器、驱动器、运动执行机构、模拟运动负载与光栅尺；控制器用于连接上位机；控制器通过驱动器连接运动执行机构；运动执行机构连接模拟运动负载与光栅尺；光栅尺与控制器相连，用于实时检测模拟运动负载的运动位置；模拟运动负载。

优选的，所述运动执行机构包括载物台、限位柱、驱动电机、滑轨、运动机构底座、光电开关与光电开关触发头；

载物台用于固定模拟运动负载；运动机构底座设置于载物台下方；限位柱设置于运动机构底座，用于约束载物台位置；

滑轨设置于载物台两侧，用于引导载物台运动方向；

驱动电机包括定子与动子，动子固定于运动机构底座，定子与载物台固定；定子用于驱动模拟运动负载运动；

光栅尺设置于载物台侧面，且平行于交叉滚珠轴承滑轨运动方向，用于实时检测电机运动行程；

光电开关设置于运动机构底座，用于约束载物台位置；

光电开关触发头设置于载物台。

优选的，所述载物台下方设置有模拟装置箱体；控制器、驱动器设置于模拟装置箱体内；模拟装置箱体底部设置有滚轮；模拟装置箱体底部设置有多个支撑杆，用于调整模拟装置箱体底部水平。

优选的，所述载物台外侧围绕设置有金属电磁屏蔽隔离罩，用于对驱动电机产生的电磁辐射进行隔离；金属电磁屏蔽隔离罩外侧贴有雷达吸波材料。

优选的，所述模拟运动负载为薄反射板负载，用于模拟微动对象的体表反射平面。

优选的，所述滑轨为双交叉滚珠轴承滑轨。

本发明的有益效果在于：本发明采用闭环反馈控制的方式，运动执行机构带动负载对设定目标运动曲线的实现精密跟踪，达到人体体表微动模拟的目的；相比现有产品，负载微动性能有明显提升，提高了目标运动跟踪精确；运动执行机构采用直线电机动子固定，定子带动负载台一起运动的方式进行模拟运动，避免连接在动子线圈上的电线引入额外的干扰运动影响模拟效果。

附图说明

图1是方案一的控制原理框图；

图2是方案二的控制原理框图；

图3是本发明的控制原理框图；

图4是运动执行机构的结构示意图；

图5是运动执行机构的结构示意图；

图6是一种人体体表生理微动的精密模拟装置的立体图；

图7是一种人体体表生理微动的精密模拟装置的主视图；

图8是一种人体体表生理微动的精密模拟装置的俯视图；

图9是一种人体体表生理微动的精密模拟装置的仰视图。

图中：1-载物台；2-限位柱；3-驱动电机；4-滑轨；5-运动机构底座；6-光栅尺；7-光电开关；8-光电开关触发头；9-滚轮；10-支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如附图3所示，本发明一种人体体表生理微动的精密模拟装置，包括控制器、驱动器、运动执行机构、模拟运动负载与光栅尺；控制器用于连接上位机；控制器通过驱动器连接运动执行机构；运动执行机构连接模拟运动负载与光栅尺；光栅尺与控制器相连，用于实时检测模拟运动负载的运动位置；模拟运动负载。

优选的，所述运动执行机构包括载物台、限位柱、驱动电机、滑轨、运动机构底座、光电开关与光电开关触发头；

载物台用于固定模拟运动负载；运动机构底座设置于载物台下方；限位柱设置于运动机构底座，用于约束载物台位置；

滑轨设置于载物台两侧，用于引导载物台运动方向；

驱动电机包括定子与动子，动子固定于运动机构底座，定子与载物台固定；定子用于驱动模拟运动负载运动；

光栅尺设置于载物台侧面，且平行于交叉滚珠轴承滑轨运动方向，用于实时检测电机运动行程；

光电开关设置于运动机构底座，用于约束载物台位置；

光电开关触发头设置于载物台。

优选的，所述载物台下方设置有模拟装置箱体；控制器、驱动器设置于模拟装置箱体内；模拟装置箱体底部设置有滚轮；模拟装置箱体底部设置有多个支撑杆，用于调整模拟装置箱体底部水平。

优选的，所述载物台外侧围绕设置有金属电磁屏蔽隔离罩，用于对驱动电机产生的电磁辐射进行隔离；金属电磁屏蔽隔离罩外侧贴有雷达吸波材料。

优选的，所述模拟运动负载为薄反射板负载，用于模拟微动对象的体表反射平面。

优选的，所述滑轨为双交叉滚珠轴承滑轨。

本发明考虑到人体体表生理微动是呼吸活动产生的胸腹腔的上下起伏和心跳活动产生的胸腔上下搏动的叠加，可以看成沿胸腹腔垂直方向的扩张和收缩运动，从而生理微动模拟装置所要实现的是在一维方向上的往复运动。

本模拟装置选用工业驱动电机作为运动执行机构的动力源，能够避免多层机械动力结构在运动转换过程中引入额外的抖动或不连续跳变，同时保证能够平稳驱动所需重量的负载。驱动电机包括定子和动子两部分，定子上等距离贴附着一定数目的强磁铁，动子则内嵌线圈并引出导线供外部通电使用。由于动子运动不可避免地带动通电电缆一起运动，这可能产生附加的干扰运动，所以，在驱动方式上选择驱动电机动子固定、定子运动的模式，运动执行机构采用直线电机动子固定，定子带动负载台一起运动的方式进行模拟运动，避免连接在动子线圈上的电线引入额外的干扰运动影响模拟效果。

运动部分与固定部分的接触使用双交叉滚珠轴承滑轨，具有轴承精度高、运行平稳的优点，而且分别布置在运动部分两侧的轴承能够有效分散所受承重，消除侧向应力力矩，大大增加平台使用寿命。完整的运动执行机构构造视图如附图4、5所示，驱动电机定子通过螺栓与金属载物台固定在一起构成运动部分，驱动电机动子通过螺栓固定在支撑台上构成固定部分，金属载物台下部靠近两侧位置分别使用交叉滚珠轴承与支撑台进行连接，载物台一侧安装有光电开关，用于电机的回零控制以及运动行程的限位，另一侧安装有光栅传感器，用于实时检测电机运动行程。

运动执行机构包括：

载物台：用于固定模拟运动负载对象，通过螺栓与驱动电机定子紧固在一起，并且通过两侧滑轨连接在金属底座上；

限位柱：用于约束运动部分的位置，防止脱离滑轨导致设备损坏，另外，其橡胶材质还可以在高速运动到极限位置时对碰撞进行减震；

驱动电机：主驱动装置，采用定子运动，动子固定的方式进行，定子与载物台固定在一起，动子则固定在不动的底座上；

双交叉滚珠轴承滑轨：用于引导运动方向，双交叉滚珠轴承能够在多个方向上受力，提高了滑轨承重运动时的稳定性；

运动机构底座：固定驱动电机定子和滑轨，以及光栅尺读头和光电开关，模拟运动时为固定不动的支撑和承重结构；

光栅尺：光栅尺读头固定在载物台上，读头固定在底座上，方向平行于滑轨运动方向，用于实时检测载物台(对应于负载)运动位置；

光电开关：用于约束运动位置区间，当运动到达约束边界时触发光电开关关闭电源，防止继续驱动从而脱离滑轨导致损坏；另外，光电开关还用于协助运动部分的位置回零；

光电开关触发头：固定在负载台上，用于在到达指定位置时触发光电完成相应的操作。

该装置主体外观如附图6、7、8、9所示，从上至下的结构分布依次为模拟运动负载、负载固定台、运动执行机构、承重台、主箱体机柜、支撑脚。

模拟运动负载采用薄反射板负载，用于模拟微动对象的体表反射平面，可根据实际需要更换不同类型或外观的反射体，反射体总重不超过1kg。

负载固定台采用金属负载台，用于固定模拟微动的负载，模拟时负载台带动负载进行运动；光栅尺尺带固定在负载台的侧面，保持与负载台的同步运动，运动时通过固定在底座上的读头读取实时位置信息。

金属电磁屏蔽隔离罩围绕设置在运动执行机构的四周，高度高于金属负载台，通过接地对运动中的驱动电机产生的电磁辐射进行隔离，另外，在隔离罩外面可贴上雷达吸波材料，阻止外部雷达波照射在其内部驱动电机和负载台上，保证模拟装置的有效反射截面只发生在负载上，增加模拟截面面积的可控性。

承重台采用大理石承重板，模拟装置的整个运动执行机构均固定在该承重板上，承重板的作用是极大提高底座的重量，减小因运动时的加减速惯性导致的模拟装置晃动，保证模拟的平稳性。

模拟装置金属箱体金属箱内部中空，四周用金属架加固。箱体内部用于安装控制器、驱动器、供电电源、总供电开关等模块，通过箱体侧面开关8可打开进行操作。

负重把手设置于主箱体机柜侧面，用于移动时抬起或推动模拟装置。

箱体开关设置于主箱体机柜侧面，用于打开模拟装置金属箱体进行内部操作。

模拟装置底部滚轮用于模拟装置在平整路面上的移动。

模拟装置底部支撑杆，进行模拟操作时，支起支撑杆并调整保持模拟装置水平，增加模拟过程的稳定性，搬运时，收起支撑杆使滚轮着地，方便运输移动。

运动执行机构的驱动电机除采用直线电机外，还可选用陶瓷电机、音圈电机等无需运动转换机构直接实现直线运动驱动。

本发明指针为闭环控制装置，具体工作原理为为：

首先，在上位机平台上依据运动目标数据处理生成所需的目标运动曲线并存储备用；执行模拟控制时，将目标运动曲线导入至上位机平台，由上位机将运动目标曲线数据传输至控制器，并发送运动命令启动控制器执行；控制器实时对目标曲线数据进行插值生成更密集的平滑运动数据，并结合光栅尺同步测量反馈的运动机构实时位置，运算得到运动机构实际位置与期望目标位置的实时偏差，并将偏差信号传输至驱动器，驱动器根据偏差值生成驱动电流控制运动机构运动以补偿减小偏差，从而达到控制运动机构跟踪目标运动曲线的目的。

模拟过程的结束分两种情况：一是控制器控制驱动器带动运动执行机构执行完所有的运动目标曲线数据，二是由上位机发送停止命令至控制器，通知其强制停止整个模拟运动过程，此时运动机构将会停止在最后运动位置并锁定。

本发明采用闭环反馈控制的方式，运动执行机构带动负载对设定目标运动曲线的实现精密跟踪，达到人体体表微动模拟的目的；相比现有产品，负载微动性能有明显提升，提高了目标运动跟踪精确；运动执行机构采用直线电机动子固定，定子带动负载台一起运动的方式进行模拟运动，避免连接在动子线圈上的电线引入额外的干扰运动影响模拟效果。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。