1.本发明涉及可穿戴数据采集设备领域，尤其涉及一种手指关节角度位移数据同步采集系统。
背景技术：
2.随着科技的发展以及医疗康复领域的迫切需求，可穿戴康复辅具日益成为研究的热点。近些年来，脑卒中以及意外事故等因素导致的手部运动功能障碍的案例越来越多。研究表明，人的手部由大量的神经支配，能够完成很多的精细活动，因此手部活动障碍也成为阻碍患者康复进程中的重大因素，如何能够用基于多数据参考的高精度手部康复辅助器具完成对患者手部的高效康复工作越来越受到人们的关注。
3.其中，可穿戴机械手是目前应用较多的手部康复训练器具，其功能是辅助患者手指进行屈伸训练。还有一些辅助器具利用桌面固定设备对手指关节进行屈伸训练。
4.但是，可穿戴机械手没有考虑到患者手指活动度的具体情况，一旦患者手指的某个关节无法做出动作或者手指只能做出幅度较小的动作时就需要实现对手指关节屈伸的角度和位移做出精确的控制。此外，手指的各个关节是具有协同作用的，任何一个关节的屈伸都会带动对应手指另外两个关节运动。所以若单纯的考虑对手指某个关节进行控制以及整体控制手部的屈伸，而忽略每根手指关节在协同作用下屈伸的角度和位移，很可能会对患者已受伤部位的手指关节造成二次伤害。
5.针对以上问题，亟需设计出一种能够准确的同步采集到受伤患者手指关节屈伸过程中角度、位移数据的系统，从而为可穿戴机械手等康复辅具的设计提供准确的人体手部运动数据，防止对手指造成二次伤害。
技术实现要素：
6.本发明针对现有技术中存在的不足，设计了一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统，包括穿戴单元、数据采集单元、数据处理单元。
8.所述穿戴单元包括：手套和固定绑带。所述手套采用天然橡胶材质，该类材质制作的所述手套纤薄，具有弹性、柔韧性和耐磨性。所述固定绑带通过尼龙扣束紧，所述手套与所述固定绑带固连，所述固定绑带固定在所述手套对应各节指骨的位置。
9.所述数据采集单元包括角度传感器组和位移传感器组，所述角度传感器组通过所述固定绑带固定在所述手套对应指关节的侧面位置，所述位移传感器组固定在所述手套对应的各手指掌骨位置。
10.进一步地，所述角度传感器组包括角度传感器、角度传感器托盘和度传感器旋转轴，所述角度传感器采用微型同心圆转动变阻型角度传感，分辨率达0.1
°
，采样频率达
2000hz，所述角度传感器托盘用于固定所述角度传感器，所述角度传感器旋转轴穿过所述角度传感器中心与所述角度传感器形成一个整体，通过固定绑带固定在手套的手指侧面，角度传感器的中心要正对于手指弯曲关节的位置，从而当佩戴所述手套的手指进行弯曲和伸展时所述角度传感器会产生对应的角度数据。
11.进一步地，所述位移传感器组包括位移传感器、位移传感器前端的套头、柔性钢丝绳、固定帽以及钢丝绳过孔。所述位移传感器采用微型直线滑动变阻位移传感，所述套头套在所述位移传感器的移动端上面。
12.进一步地，所述位移传感器组固定在所述手套对应的各手指掌骨位置，柔性钢丝绳的一端通过钢丝绳过孔与位于手套前端的钢丝绳过孔用固定帽进行固定，柔性钢丝绳另一端连接位移传感前端的套头，并用固定帽加以固定，此时当佩戴所述手套的手指进行运动时，所述位移传感器会跟随佩戴所述手套的手指移动对应的距离。
13.进一步地，柔性钢丝绳相比于普通拉绳既具有拉拽时的柔性又具有推的时候的刚性，柔性钢丝绳和所述固定帽配合使用，分别将柔性钢丝绳两端固定在手套对应的手指前端和位移传感器的前端套头上面。
14.所述数据处理单元包括控制盒、a/d转换器、移动电源、稳压电路、stm32单片机、无线传输模块以及上位机，所述a/d转换器、无线传输模块和stm32单片机的端口相连，用以收集数据和发送数据， a/d转换器、移动电源、稳压电路、stm32单片机、无线传输模块一起放置于控制盒中构成数据处理单元的下位机， stm32单片机通过无线传输模块将数据实时传送给所述上位机进行数据的处理和建立相应的数据模型。
15.进一步地，所述控制盒包括控制盒盒体和控制盒盒盖，控制盒表面印有stm32的字样，同时控制盒放置在手套对应的腕部关节末端，不影响手部做出屈伸动作的前提下，通过固定绑带对控制盒进行临时固定，可根据实际情况对所述控制盒的位置做出灵活调整。
16.进一步地，所述移动电源用来给stm32单片机供电，可提升手指关节角度位移数据实时同步采集系统在局域空间内的便携性，稳压电路通过和移动电源、stm32单片机的端口进行连接为stm32单片机提供稳定的电压，使stm32单片机实现正常的工作。
17.进一步地，角度传感器和位移传感器的输出端与a/d转换器输入端连在一起， a/d传感器的输出端和stm32单片机的端口连在一起，将角度传感器和位移传感器采集到的模拟信号转换为数字信号。
18.进一步地，所述stm32单片机的端口通过所述无线传输模块将实时采集到的数据进行滤波后发送到所述上位机进行数据的处理并根据采集到的角度和位移数据建立相应的数据模型。
19.本发明提供了一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统，用固定绑带将包含角度传感器托盘、角度传感器、角度旋转器转轴组成的角度传感器组固定在佩戴手套手指的各个关节处，实时采集手指屈伸时各个关节的角度数据。
20.进一步地，将位移传感器组固定在所述手套对应的各手指掌骨位置，柔性钢丝绳、钢丝绳过孔和固定帽配合使用，将柔性钢丝绳两端分别与所述手套的手指末端和位移传感器的前段套头进行连接。当佩戴所述手套的手指发生弯曲或者伸展时，位移传感器会跟随移动对应的距离，位移传感器将会成功的采集到对应的位移数据。
21.进一步地，将位移传感器和角度传感器的输出端与a/d转换器的输入端相连，同时
将a/d转换器的输出端与stm32单片机的输入端口相连，将数据实时传输至所述stm32单片机。
22.进一步地，由stm32单片机将a/d转换器传进的数据进行滤波操作后， stm32单片机将数据通过所述无线传输模块传输到上位机，然后上位机对数据进一步处理并根据处理后的数据建立相应的数据模型，从而为手部的康复辅助器具的针对性研发提供数据支持，进而帮助患者进行患者高效的康复，避免对患者运动障碍部位造成二次伤害。
23.由于采用了上述技术方案，本发明提供一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统，与现有技术相比具有以下有益效果：一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统，能够对单根手指三个关节角度同步采集，建立三个关节角度的之间的数学模型，同时在手指进行屈伸过程中同步采集单根手指的角度数据和位移数据，同步采集的角度与位移数据可以用于患者手部运动分析并建立手指运动过程中角度和位移相关的数据模型，优化可穿戴康复机械手的构型设计，从而提高可穿戴康复机械手的控制精度，避免对有运动障碍的手指造成二次伤害。
24.一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统，由于系统具有可穿戴性，患者穿戴的同时即可使各传感器对应各处手指关节，极大的减少了对患者手指关节角度和位移数据的采集难度，便于进行角度、位移数据的同步采集。
25.一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统，具有数据处理单元，能够实时处理和上传数据采集单元所采集的角度数据、位移数据，并且数据处理单元中的stm32单片机采用移动电源供电和无线传输模块传送数据，保证了系统的便携性和可穿戴性，减少在数据采集时对患者的运动限制，使得患者动作更加自然，数据采集更加准确。
附图说明
26.图1为本发明一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统整体结构示意图；图2为本发明穿戴单元结构示意图；图3为本发明带有角度传感器组和位移传感器组对应手套手指的结构示意图；图4为本发明位移传感器示意图；图5为本发明位移传感器安装有固定帽和套头后结构示意图；图6为本发明钢丝绳过孔的示意图；图7为本发明固定帽的示意图；图8为本发明带有角度传感器对应手套手指的结构示意图；图9为本发明角度传感器组结构示意图；图10为本发明角度传感器结构示意图；图11为本发明角度传感器托盘结构示意图；图12为本发明角度传感器旋转轴结构示意图；图13为本发明控制盒结构示意图；图14为本发明控制盒的盒盖打开后结构示意图；图15为本发明数据处理和采集单元整体流程图；其中，1、穿戴单元，2、位移传感器组，3、角度传感器组，4、控制盒，11、手套，12、固
定绑带，21、位移传感器，22、柔性钢丝绳，23、钢丝绳过孔，24、固定帽，25、套头，31、角度传感器，32、角度传感器旋转轴，33、角度传感器托盘，41、控制盒盒体，42、控制盒盒盖。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实时例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所述的实施例是本发明一份实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
28.本发明提供了一种可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统，包括穿戴单元1、数据采集单元2，3、数据处理单元；穿戴单元包括手套11和固定绑带12；所述数据采集单元包括位移传感器组2和角度传感器组3，角度传感器组3通过固定绑带12固定在手套11对应的各指关节侧面位置，所述位移传感器组2固定在手套11对应的各手指掌骨位置，角度传感器组3和位移传感器组2采集手指屈伸过程中的位移数据；所述数据处理单元包括控制盒4和上位机，控制盒4内设置有a/d转换器、移动电源、稳压电路、stm32单片机、无线传输模块。具体结构如图1所示， 具体地，下文将结合附图对可穿戴的手指关节角度位移数据同步采集系统的结构及原理进行描述。
29.图2所示的是穿戴单元1，包括手套11和固定绑带12，固定绑带12通过尼龙扣束紧，所述固定绑带12固定在手套11对应的各节指骨的位置，固定绑带12用来固定角度传感器组3。
30.图3至图7所示的是位移传感器组2，包括位移传感器21、柔性钢丝绳22、钢丝绳过孔23、固定帽24和位移传感器前端的套头25。将位移传感器前端的套头25套在位移传感器21的移动端上方。位移传感器前端的套头25有两个长方形槽口，其中一个槽口正套在位移传感器21的移动端，另一个槽口通过固定槽24与柔性钢丝绳22连接。钢丝绳过孔23粘贴在手套11的每一节手指上面，钢丝绳22的一端通过钢丝绳过孔23在第一节手指处通过固定帽24与钢丝绳过孔23进行固定，柔性钢丝（这里和下一段别分开啊）绳22的另一端利用固定帽24将其和位移传感器前端的套头25进行固定。当手指发生移动时，手指的最前端会通过柔性钢丝绳22 同步带动位移传感器21移动，从而产生对应的位移数据。
31.图8至图12所示的角度传感器组3，包括角度传感器31、角度传感器旋转轴32以及角度传感器托盘33。角度传感器托盘33针对于角度传感器31的外形而制作，用于固定角度传感器31，角度传感器旋转轴32的头部嵌入到角度传感器31的中心圆孔处构成角度传感器组。将传感器组3放置于手套11手指的侧面且正对于手指弯曲关节处，传感器组3中的角度传感器旋转轴32和角度传感器的托盘33的延长端通过固定绑带12固定在手套11上。当穿戴手套11的手指进行屈伸动作时，角度传感器31就会采集到每个关节对应的角度数据，再通过数据线将角度传感器31采集到的数据传送到a/d转换器进行模拟信号和数字信号的转换。
32.图13和图14所示的是控制盒4，包括控制盒盒体41和控制盒盒盖42，控制盒盒体41的侧面制作了相应的开孔，便于stm32单片机和角度、位移传感器之间进行数据线连接，以及便于移动电源进行充电操作等。控制盒4是利用控制盒盒盖42进行开合的，便于器件的更换及数据线和端口连接的调整。另外控制盒4将a/d转换器、stm32单片机、稳压电路、移动电
源、无线传输模块集中在一起，提升了数据处理单元中控制盒的便携性。
33.图15是数据采集和处理单元工作过程的流程图。其中位移传感器组和角度传感器组构成了数据采集单元。移动电源、稳压电路、a/d转换器、stm32单片机、无线传输模块、上位机构成系统的数据处理单元，数据采集单元将采集到的数据传输至a/d转换器，将模拟信号转为数字信号后传输至单片机，而后单片机通过无线传输模块将数据传送到上位机，完成对数据的进一步处理和建立对应的数据模型。
34.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。