基于倾角传感系统的人体姿态挠度实时监测研究

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挠度是指构件单元受力或非均匀温度变化时,杠杆轴线在垂直于轴线方向的线位移或板壳中面在垂直于中面方向的线位移。挠度反映结构单元的刚度和承载能力,对于分析其负载的冲击系数与结构内力分布状态有重要作用,在建筑、化工、医学等多领域都有相应的应用研究。论文引入挠度监测概念,以普适性人体姿态检测为目标,设计制作软硬件系统,实现人体姿态挠度的实时监测。人体姿态检测是通过传感器或视频图像技术将人体主要关节和骨骼的动态特征提取出来,通过算法将人体姿态情况还原,广泛应用于医疗检测、影视动画、人机交互等领域。论文总结分析各类人体姿态检测方法和原理,鉴于目前姿态检测相关算法过于复杂,创新性的引入挠度测量基于倾角传感器展开人体姿态挠度实时监测研究,并采用射频识别技术实现数据的远程传输。论文首先分析人体挠度姿态监测方法,利用布置在人体肢体部位的倾角传感器采集不同位点的倾角值,通过挠度转换算法计算出人体不同部位的姿态挠度数值,并使用三次样条插值法进行姿态挠度的挠曲线拟合实现人体姿态还原。基于姿态挠度监测原理通过对监测系统软硬件集成优化,结合传感器选型、电路设计、单片机程序、信号传输方式等问题的研究,设计制作挠度监测系统。该系统借助倾角传感器采集监测位点的倾角数据,通过差分放大、软硬件滤波、温度补偿等方式提高数据的精确度,在主芯片处与采集到的体表温湿度数据打包发送至射频芯片。基于印刷偶极子天线原理制作姿态监测系统的射频识别数据通讯模块,通过射频阅读器对芯片内的数据读取至上位机。由上位机人体姿态挠度监测软件进行数据的分析和处理,对人体肢体部位的姿态情况进行实时的监测、显示和预警。搭建挠度模拟测试平台对监测系统中的倾角传感器进行测试和分析,尤其是以人体坐姿监测为例实际测试监测系统传感器的可行性和精确度。通过对比分析倾角传感器的精确度能够优化至0.027°,在坐姿监测下的挠曲线精确度能够达到0.28mm,并验证体表参数采集模块的功能,分析系统功耗得出使用基础纽扣电池能够运行65天。通过分析和总结各项测试数据,本研究成果可将挠度实时监测系统应用于生物医学工程的多种领域,尤其是假肢模型在不同力作用下的挠度响应、穿戴式移动医疗仪器、脊柱矫形设备中构件单元的挠度变化与力学特性等。
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