下肢矢状面运动的穿戴式软传感测量系统研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:h725bin
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人体下肢关节以矢状面运动为主,穿戴式下肢矢状面运动测量系统在医疗康复、影视动画、运动健身等领域前景广阔。当前主流的下肢运动测量系统存在运动空间受限、穿戴舒适性差等问题,硅橡胶软传感器是电容式柔性应变传感器,具有穿戴舒适、质轻、成本低等优点。因此,本文基于硅橡胶软传感器探索下肢矢状面运动的穿戴式软传感测量技术,具体内容如下。首先,依据下肢矢状面内运动测量要求,并结合硅橡胶软传感器的特点,进行穿戴式测量系统的整体设计。具体包括:分析人体下肢关节运动并建立下肢关节运动模型,论证软传感器用于关节测量的可行性。基于灵敏度最高原则确定软传感器位置;选择系统集成载体,设计集成工艺,实现系统集成;分析集成载体和软传感器自由度对系统测量的影响并设计定位标记点。分析并验证了软传感器系统检测模型作为电气参数优化的理论依据。设计新的滤波算法并通过实验优化相关参数,满足运动测量系统信号采集时间和动态响应时间要求。硅橡胶软传感器是整个测量系统的核心元件,为提高系统性能,本文对软传感器噪声屏蔽和制备工艺进行了深入研究,具体包括:研究了噪声源通过寄生电容影响软传感器输出信号的作用原理,基于电屏蔽原理设计软传感器屏蔽结构,实验验证电屏蔽的有效性。针对下肢运动测量系统柔性和集成性要求,优化柔性电极材料和固化封装工艺。针对软传感器工艺缺陷,优化柔性电极的制备工艺和脱膜工艺,测试软传感器动态测量性能。标定环节是测量系统的关键环节,因此本文面向工程应用,对下肢运动软传感测量系统的标定技术进行研究。基于图像法并通过Open CV图像处理算法实现下肢关节矢状面运动角度识别,完成标定及测量系统硬件和软件搭建,实现肢运动软传感测量系统标定。最后,在上述工作的基础上,本文开展下肢运动测量系统实验研究,测试下肢运动测量系统在髋膝踝关节矢状面内运动检测方面的性能并进行误差分析。与商用Phase Space动捕系统比对分析,在步态和蹲起运动下满足标准差在5°以内,满足外骨骼助力和人机交互等多数场合要求。表明这种下肢运动软传感测量系统技术的可行性。
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