CN112091938A - 可穿戴人体上肢位姿采集设备 - Google Patents

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郭文昕
刘刚
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刘洁瑜
赵鹏涛
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Abstract

本发明公开了一种可穿戴人体上肢位姿采集设备，包括：穿戴设备和采集设备，穿戴设备固定在人体手臂上；采集设备固装在穿戴设备上，用于采集上肢位姿的运动信息；通过将采集设备固装在穿戴设备上，减少人体运动时皮肤与关节之间相对滑动造成的误差，从而获取更高精度的位姿信息。整个结构穿戴后不影响人体手臂的正常运动，机械结构的各个关节处运动平滑、稳定，无卡顿感。

Description

可穿戴人体上肢位姿采集设备
技术领域
本发明涉及机械设备技术领域,具体涉及一种可穿戴人体上肢位姿采集设备。
背景技术
目前人体姿态采集的主要方式为机械式、电磁式、声学式、光学式和惯性式。但除惯性式外的其余四种采集方式因其传感器限制，大多数都只能停留在实验室环境，无法在情况复杂的非实验室环境中对人体姿态进行的高精度采集。惯性式姿态采集***目前使用了三个微惯性传感器，虽然可以在室外完成高精度的姿态采集，但是因其运动学参数使用的是标准值，不能针对不同使用者进行调整，导致位置测量精度不高。
为了保证传感器的采集精度，目前常规的方法是直接将传感器与人体相固定，对于传感器、关节、骨骼分别建立对应的坐标系，在理想状态下，一般认为这三个坐标系相对位置保持不变，如图1所示。
但实际上，当人体手臂进行运动式，皮肤、骨骼关节之间并不是紧耦合的关系，三者之间会出现一定的相对滑动，如果采用这一方法，传感器穿戴时的松紧程度、不同人穿戴的不同位置都将会这三个坐标系之间出现相对滑动，从而导致误差的出现。
因此,本行业急需一种可穿戴式外骨骼，通过将传感器固连在外骨骼上，解决人体运动时皮肤与关节之间相对滑动，造成的误差的技术方案。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种可穿戴人体上肢位姿采集设备，包括：
穿戴设备，固定在人体手臂上；和
采集设备，固装在穿戴设备上，用于采集上肢位姿的运动信息。
进一步的，所述穿戴设备包括大臂连接构件、肘部连接构件、小臂连接构件、腕部连接构件和手部连接构件；
所述大臂连接构件和小臂连接构件之间通过肘部连接构件在肘部位置转动连接；
所述腕部连接构件为万向节，两端分别与小臂连接构件和手部连接构件固接。
进一步的，所述大臂连接构件包括大臂安装板和大臂连杆，所述大臂安装板位于大臂的中部位置，且开设有大臂安装槽，所述大臂连杆的一端与大臂安装板固接。
进一步的，所述肘部连接构件包括第一连接件、第二连接件和固定结构；
所述第一连接件固接在大臂连杆的另一端，中心位置开设有第一通孔，边缘位置对称开设有弧形的槽口；
所述第二连接件与第一连接件转动连接，第二连接件中心位置开设有半弧形的第二通孔，边缘位置对称开设有第三通孔。
进一步的，所述小臂连接构件包括小臂安装板、第一小臂连杆和第二小臂连杆；
所述第一小臂连杆一端固接有第二连接件，另一端与小臂安装板固接；
所述小臂安装板上分别开设有小臂安装板和导线槽；
所述第二小臂连杆与第一小臂连杆同轴设置，一端固定在小臂安装板上，另一端与腕部连接构件固接。
进一步的，所述腕部连接构件数量大于等于1。
进一步的，所述手部连接构件包括手套、手部安装板和手部连杆；
所述手部安装板上安装有手套；
所述手部连杆一端固定在手部安装板上，另一端与腕部连接构件固接。
进一步的，所述采集设备包括电位器和姿态传感器；
所述姿态传感器分别安装在大臂安装板、小臂安装板和手部安装板上；
所述电位器安装在肘部连接构件上。
进一步的，所述电位器包括壳体和主轴，所述壳体和主轴转动连接，壳体端部与第一连接件的第一通孔螺纹连接，所述主轴插接在第二连接件的第二通孔中。
有益效果：
1.通过将采集设备固装在穿戴设备上，减少人体运动时皮肤与关节之间相对滑动造成的误差，从而获取更高精度的位姿信息。
2.整个结构穿戴后不影响人体手臂的正常运动，机械结构的各个关节处运动平滑、稳定，无卡顿感。
附图说明
图1为现有技术骨骼关节坐标系和传感器坐标系关系的结构示意图；
图2为本发明可穿戴人体上肢位姿采集设备的大臂连接构件的结构示意图；
图3为本发明可穿戴人体上肢位姿采集设备的肘部连接构件的结构示意图；
图4为本发明可穿戴人体上肢位姿采集设备的小臂连接构件的结构示意图；
图5为本发明可穿戴人体上肢位姿采集设备的电位器的结构示意图；
图6为本发明可穿戴人体上肢位姿采集设备的腕部连接构件的结构示意图；
图7为本发明可穿戴人体上肢位姿采集设备的手套的结构示意图；
图8为本发明可穿戴人体上肢位姿采集设备的手部连接构件的结构示意图；
图9为本发明可穿戴人体上肢位姿采集设备的结构示意图。
图例：1.穿戴设备；11.大臂连接构件；111.大臂安装板；1111.大臂安装槽；112.大臂连杆；12.肘部连接构件；121.第一连接件；1211.第一通孔；1212.槽口；122.第二连接件；1221.第二通孔；1222.第三通孔；13.小臂连接构件；131.小臂安装板；1311.小臂安装板；1312.导线槽；132.第一小臂连杆；133.第二小臂连杆；14.腕部连接构件；15.手部连接构件；151.手套；152.手部安装板；153.手部连杆；2.采集设备；21.电位器；211.壳体；212.主轴；22.姿态传感器；3.采集结构；31.关节；32.骨骼；33.传感器；A.关节坐标系；B.传感器坐标系；C.骨骼坐标系。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”、“正面”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种可穿戴人体上肢位姿采集设备，如图9所示，包括穿戴设备1和采集设备2。穿戴设备1固定在人体手臂上。采集设备2固装在穿戴设备1上，用于采集上肢位姿的运动信息。通过将采集设备2固装在穿戴设备1上，减少人体运动时皮肤与关节之间相对滑动造成的误差，从而获取更高精度的位姿信息。
穿戴设备1包括大臂连接构件11、肘部连接构件12、小臂连接构件13、腕部连接构件14和手部连接构件15。大臂连接构件11和小臂连接构件13之间通过肘部连接构件12在肘部位置转动连接，随着肘部的运动而进行同步转动。腕部连接构件14为万向节，两端分别与小臂连接构件13和手部连接构件15固接。穿戴设备1的设计提高了上肢位姿运动信息采集的精度。
腕部的机械结构既可以跟随小臂加腕部做旋转运动，还可以跟随腕部做展收及屈伸运动。因此该机械结构实际上可以在空间自由地作三轴运动。目前现有的大部分穿戴外骨骼都没有在满足便携性的要求上实现这一功能，部分穿戴设备设计了一种通过在小臂前部加装回转轴承来实现这一功能，这一做法导致其前臂的穿戴设备非常庞大，大大降低了运动的灵活性，因此，如图6所示，本发明腕部连接构件14采用工业中常用的万向节作为腕部的机械结构。
腕部连接构件14数量大于等于1。优选的，腕部连接构件14数量为2，双节万向节，中间部分由十字滚针轴承进行连接，其材料为高强度7075航空铝材，重量轻，强度大，两端的相对位置可以在整个空间中自由变化，两端使用夹紧设计，开口为10mm。将腕部、小臂的圆形连杆安装进入后，可以通过调节夹紧螺丝松紧进行加固，使得万向节恰好处于腕部及小臂前部上端，当腕部运动时，通过带动万向节的运动从而实现整个机械结构在连接上的一体化。这一设计不仅可以跟随人体手臂的运动而运动，同时大大降低了穿戴设备的重量，提高了便携性与运动的灵活性。
采集设备2包括电位器21和姿态传感器22。电位器21安装在肘部连接构件12上，用于采集肘部关节弯曲的角度，如图5所示，电位器21包括壳体211和主轴212，壳体211和主轴212转动连接。姿态传感器22分别位于大臂连接构件11、小臂连接构件13和手部连接构件15，分别用于采集大臂、小臂及腕部的运动信息。
如图2所示，大臂连接构件11包括大臂安装板111和大臂连杆112。由于肩部在运动时，会带动整个大臂进行相应的运动，因此将大臂安装板111固定在大臂的中部位置，将位姿传感器21安装大臂安装板111上，大臂安装板111开设有大臂安装槽1111，本发明采用魔术贴通过大臂安装槽1111将大臂连接构件11固定在大臂上，大臂连杆112的一端与大臂安装板111固接。大臂连接构件11的设计提高了对采集大臂的运动信息。
如图3所示，肘部连接构件12包括第一连接件121、第二连接件122和固定结构。第一连接件121固接在大臂连杆112的另一端，中心位置开设有第一通孔1211，边缘位置对称开设有弧形的槽口1212；第二连接件122与第一连接件121转动连接，第二连接件122中心位置开设有半弧形的第二通孔1221，边缘位置对称开设有第三通孔1222；固定结构包括六角螺母和螺丝，螺丝与槽口1212中并间隙配合，且与第三通孔1222螺纹连接，六角螺母螺纹连接在螺丝上，使第一连接件121和第二连接件122抵接。肘部机械结构的设计需要满足肘部的弯曲，并且安装电位器测量肘部角度的变化量，因此要求肘部在满足弯曲要求的基础上，还需要使得电位器轴与壳体发生相对运动。壳体211端部与第一连接件121的第一通孔1211螺纹连接，主轴212插接在第二连接件122的第二通孔1221中。
当肘部弯曲时，小臂与大臂发生相对旋转，螺丝在槽口1212中运动，既可以实现大臂与小臂的固连也可以实现大臂与小臂的相对旋转，同时小臂连接构件上的第二通孔1221带动电位器的主轴进行转动，壳体连接螺丝固连于大臂，不随小臂的运动而运动，实现了肘部弯曲带动电位器的旋转，电位器的阻值变化与肘部的角度变化相对应。
如图4所示，小臂连接构件13包括小臂安装板131、第一小臂连杆132和第二小臂连杆133。小臂可以进行旋转运动，当小臂进行旋转运动时，由于肘关节不属于旋转关节，因此并不会带动肘关节的旋转运动，而是桡骨绕尺骨作锥形的旋转，此时，桡骨头与尺骨并无相对运动，而是通过在末端通过尺切迹与尺骨发生相对运动。因此前臂上部的旋转幅度较小，理想化的认为其不旋转，仅有小臂前端旋转。故而将小臂的小臂安装板131安装在小臂的上部，同样通过魔术贴进行固定。小臂安装板131上安装有姿态传感器22，姿态传感器22用于采集小臂的运动信息。第一小臂连杆132一端固接有第二连接件122，另一端与小臂安装板131固接；小臂安装板131上分别开设有小臂安装板1311和导线槽1312，导线槽1312用于限定放置硬件连接时的导线的位置，防止其晃动影响机械结构的运动。第二小臂连杆133与第一小臂连杆132同轴设置，一端固定在小臂安装板131上，另一端与腕部连接构件14固接。
手部连接构件15包括手套151、手部安装板152和手部连杆153；手部安装板152上安装有手套151；手部连杆153一端固定在手部安装板152上，另一端与腕部连接构件14固接。
如图7、8所示，本发明中手套通过机械机构将手指在纵向的弯曲转换为电位器在横向的旋转，在拆除其电路板，保留其机械结构并安装电位器后，可以直接实现电位器对手指弯曲度的采集。手套上部安装可以用于放置硬件电路的手部安装板152，并在手部安装板152后端设计了与腕部万向节相连接的手部连杆153。其中，本发明第二小臂连杆133与手部连杆153均为圆柱形结构，便于与腕部连接构件14进行连接。手部安装板152上设置有姿态传感器22，用于采集腕部的运动信息。
机械结构采用数控机床进行加工，整体为铝合金制成，质量轻、强度高，组装完成后，如图9所示。穿戴后，通过部分力就可以带动外骨骼机械臂跟随手臂运动，整个结构穿戴后不影响人体手臂的正常运动，机械结构的各个关节处运动平滑、稳定，无卡顿感。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，包括：
穿戴设备(1)，固定在人体手臂上；和
采集设备(2)，固装在穿戴设备(1)上，用于采集上肢位姿的运动信息。
2.根据权利要求1所述的可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，所述穿戴设备(1)包括大臂连接构件(11)、肘部连接构件(12)、小臂连接构件(13)、腕部连接构件(14)和手部连接构件(15)；
所述大臂连接构件(11)和小臂连接构件(13)之间通过肘部连接构件(12)在肘部位置转动连接；
所述腕部连接构件(14)为万向节，两端分别与小臂连接构件(13)和手部连接构件(15)固接。
3.根据权利要求2所述的可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，所述大臂连接构件(11)包括大臂安装板(111)和大臂连杆(112)，所述大臂安装板(111)位于大臂的中部位置，且开设有大臂安装槽(1111)，所述大臂连杆(112)的一端与大臂安装板(111)固接。
4.根据权利要求2所述的可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，所述肘部连接构件(12)包括第一连接件(121)和第二连接件(122)；
所述第一连接件(121)固接在大臂连杆(112)的另一端，中心位置开设有第一通孔(1211)，边缘位置对称开设有弧形的槽口(1212)；
所述第二连接件(122)与第一连接件(121)转动连接，第二连接件(122)中心位置开设有半弧形的第二通孔(1221)，边缘位置对称开设有第三通孔(1222)。
5.根据权利要求2所述的可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，所述小臂连接构件(13)包括小臂安装板(131)、第一小臂连杆(132)和第二小臂连杆(133)；
所述第一小臂连杆(132)一端固接有第二连接件(122)，另一端与小臂安装板(131)固接；
所述小臂安装板(131)上分别开设有小臂安装板(1311)和导线槽(1312)；
所述第二小臂连杆(133)与第一小臂连杆(132)同轴设置，一端固定在小臂安装板(131)上，另一端与腕部连接构件(14)固接。
6.根据权利要求2所述的可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，所述腕部连接构件(14)数量大于等于1。
7.根据权利要求2所述的可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，所述手部连接构件(15)包括手套(151)、手部安装板(152)和手部连杆(153)；
所述手部安装板(152)上安装有手套(151)；
所述手部连杆(153)一端固定在手部安装板(152)上，另一端与腕部连接构件(14)固接。
8.根据权利要求1所述的可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，所述采集设备(2)包括电位器(21)和姿态传感器(22)；
所述姿态传感器(22)分别安装在大臂安装板(111)、小臂安装板(1311)和手部安装板(152)上；
所述电位器(21)安装在肘部连接构件(12)上。
9.根据权利要求8所述的可穿戴人体上肢位姿采集设备，其特征在于，所述电位器(21)包括壳体(211)和主轴(212)，所述壳体(211)和主轴(212)转动连接，壳体(211)端部与第一连接件(121)的第一通孔(1211)螺纹连接，所述主轴(212)插接在第二连接件(122)的第二通孔(1221)中。
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