一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其方法，系統(tǒng)包括機械骨架，所述的機械骨架包括從上至下的腰部支架（1）、大腿連桿（2）、小腿連桿（3）、踝關(guān)節(jié)連桿（4）和智能鞋（5）；所述的腰部支架（1）的背部設(shè)置有主控盒（6），所述的主控盒（6）、大腿連桿（2）、小腿連桿（3）上均設(shè)置有姿態(tài)儀（7）；所述的大腿連桿（2）、小腿連桿（3）上設(shè)置有節(jié)點板（8）；所述的大腿連桿（2）、小腿連桿（3）、踝關(guān)節(jié)連桿（4）分別設(shè)置有編碼器（9）。本發(fā)明用于實時精確測量穿戴者在穿上外骨骼機器人行走過程中下肢各個關(guān)節(jié)角度和腳底壓力分布情況，判定外骨骼是否處于穩(wěn)定行走狀態(tài)以及評測穿戴者當(dāng)前的健康狀況。
【專利說明】
一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種涉及可穿戴康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人體在行走過程中，各個關(guān)節(jié)和肌肉在相應(yīng)控制中樞的協(xié)調(diào)下共同完成相應(yīng)的動作，同時，也會對外界輸出許多的信息，如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，大腿、小腿的機電信號，腳部各個主要位置承受的壓力等。這些信息特征在一定程度上能反映一個人的運動習(xí)慣、身體健康狀況等因素，對這些信息的檢測、分析具有重要的醫(yī)學(xué)價值。例如，在運動康復(fù)領(lǐng)域，利用可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、分析這些數(shù)據(jù)能得知下肢殘疾患者近期運動時的步態(tài)和運動穩(wěn)定性等信息，從而能評估近期運動恢復(fù)情況，同時，在醫(yī)療方面，可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也能有效減少護理人員對患者的長時間陪同守候。在幫助運動能力較弱的老年人方面，此系統(tǒng)能幫助老人承受一定的負(fù)重，使老人運動更加方便，對運動時下肢數(shù)據(jù)的采集分析，預(yù)防某些疾病如糖料病的發(fā)生，提高老年人的生活質(zhì)量。
[0003]現(xiàn)有的人體運動數(shù)據(jù)采集方法有視覺方法或基于慣性器件的方法等，視覺方法往往需要一組攝像頭對貼于人體的標(biāo)定點進行跟蹤測量，采用這種方法的缺點是貼點過程繁瑣，需要對人體肌肉關(guān)鍵部位進行貼點，貼點時間長，其次是視覺設(shè)備一般是在室內(nèi)進行跟蹤測量，可移動性差，而且視覺系統(tǒng)價格昂貴，一般只有醫(yī)院或者康復(fù)機構(gòu)才有此種設(shè)備。公開號為CN 104463108 A的專利介紹了一種單目實時目標(biāo)識別及位姿測量方法，通過將得到的場景的特征點數(shù)據(jù)與目標(biāo)圖像的特征進行匹配完成姿態(tài)測量，確定位置，但此方法計算量很大。公開號為CN 205163082 U的專利介紹了一種用于采集人體運動狀態(tài)數(shù)據(jù)的可穿戴設(shè)備，通過在第一和第二綁帶內(nèi)設(shè)置電容環(huán)，第一綁帶測量大腿的電容信號，第二綁帶測量小腿的電容信號，然后對電容信號進行處理，從而采集人體下肢運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，但是此方法電容環(huán)易受到人體狀況的影響，如人體運動的汗液等。公開號為CN 104757976 A的專利介紹了一種基于多傳感融合的人體步態(tài)分析方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過慣性傳感器件測量人體行走過程中的數(shù)據(jù)，但是該系統(tǒng)不能測量人體行走過程中足底各部分的壓力情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其方法，用于實時精確測量穿戴者在穿上外骨骼機器人行走過程中下肢各個關(guān)節(jié)角度和腳底壓力分布情況，該系統(tǒng)在外骨骼機器人智能鞋足底安裝有壓力傳感器用于采集人體在行走過程中足底的壓力分布情況;在背部、大腿、小腿處安裝有姿態(tài)儀，用于測量在行走過程中人體上身軀干、大腿、小腿的俯仰、橫滾和偏航角；在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)處安裝有編碼器，用于測量人體在行走過程中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它包括機械骨架，所述的機械骨架包括從上至下的腰部支架、大腿連桿、小腿連桿、踝關(guān)節(jié)連桿和智能鞋;所述的腰部支架的背部設(shè)置有主控盒，所述的主控盒、大腿連桿、小腿連桿上均設(shè)置有姿態(tài)儀，用于測量俯仰、橫滾和偏航角;所述的大腿連桿、小腿連桿上設(shè)置有節(jié)點板;所述的大腿連桿、小腿連桿、踝關(guān)節(jié)連桿分別對應(yīng)于人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的位置上分別設(shè)置有編碼器，采集外骨骼在行走過程中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的編碼器分別由大腿連桿和小腿連桿上節(jié)點板控制，踝關(guān)節(jié)處的編碼器由智能鞋控制;所述的主控盒包括主控板、電源和基站，所述的基站用于接收姿態(tài)儀、節(jié)點板和智能鞋的數(shù)據(jù)，保存所述數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)上傳至PC上位機;所述的智能鞋包括多個壓力傳感器和壓力信息采集電路板，所述的壓力信息采集電路板控制每個壓力傳感器和踝關(guān)節(jié)處的編碼器完成采樣工作，并計算出每個壓力傳感器的壓力大小、整個腳部的壓力中心以及踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳給基站。
[0006]所述的腰部支架、大腿連桿、小腿連桿上均設(shè)置有用于綁縛穿戴者與機械骨架的綁縛安裝件，智能鞋中部靠后位置設(shè)置有用于綁縛穿戴者與智能鞋的能量帶。
[0007]所述的姿態(tài)儀包括多個三軸加速度傳感器、多個三軸陀螺儀多個三軸地磁傳感器、MCU、數(shù)據(jù)顯示模塊、RTC實時時鐘模塊、電源和無線模塊，所述的多個三軸加速度傳感器、多個三軸陀螺儀多個三軸地磁傳感器、數(shù)據(jù)顯示模塊、RTC實時時鐘模塊、電源和無線模塊均與MCU連接;所述的多個三軸加速度傳感器、多個三軸陀螺儀多個三軸地磁傳感器組成傳感器陣列，利用多傳感器多冗余精確測量俯仰、橫滾和偏航角;所述的數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示當(dāng)前姿態(tài)，即顯示姿態(tài)儀的俯仰、橫滾、偏航角;所述的RTC實時時鐘模塊為姿態(tài)儀提供時間基準(zhǔn)，通過將測量的數(shù)據(jù)與時間對應(yīng)，能與視頻圖像相結(jié)合，便于分解分析在各個行走動作下所對應(yīng)的數(shù)據(jù);所述的無線模塊能將姿態(tài)儀所測得的各個數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)接收基站；所述的電源為姿態(tài)儀提供穩(wěn)定電壓，保證各個模塊的功率需求。
[0008]所述的數(shù)據(jù)顯示模塊為OLED模塊。
[0009]所述的傳感器陣列為7*7陣列。
[0010]所述的智能鞋從上至下依次包括金屬板、中間橡膠板和底層橡膠板，各板之間通過鉚釘連接;所述的金屬板上設(shè)置有能量帶，用于綁縛穿戴者與智能鞋;所述的底層橡膠板上層開設(shè)有圓柱形沉孔，用于放置導(dǎo)壓橡膠墊，N個壓力傳感器安裝于中間橡膠板和導(dǎo)壓橡膠墊之間;壓力信息采集電路板放置于金屬盒中，金屬盒與金屬板通過螺釘連接。
[0011 ]所述的主控盒、大腿連桿、小腿連桿設(shè)置有保護外殼。
[0012]如所述的系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:
SI:系統(tǒng)上電，等待電壓穩(wěn)定后開始工作；
S2:初始化階段:對左右腳的壓力傳感器采樣一定次數(shù)，求得壓力傳感器的零偏值，在之后的行走過程中，消去壓力傳感器的零偏值;編碼器采樣一定次數(shù)，求得編碼角度的零偏值，在標(biāo)定編碼器零刻度位置時消去零偏值;姿態(tài)儀傳感器采樣一定次數(shù)，求得姿態(tài)儀各個數(shù)據(jù)的零偏，在以后的姿態(tài)儀角度計算中消去零偏值；
S3:數(shù)據(jù)采集:
在一個循環(huán)中，左右腳壓力傳感器在采壓電路的控制下采樣η次，通過高通和低通濾波處理，然后求η次采樣的均值，將均值帶入壓力傳感器標(biāo)定函數(shù)求得一個循環(huán)中的壓力傳感器的數(shù)據(jù)值，通過N個壓力傳感器的數(shù)據(jù)，利用零力矩法進而求得腳部壓力在水平面內(nèi)的壓力中心;其中，左右腳壓力傳感器單獨工作，互不影響； 在一個循環(huán)中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處的編碼器分別采樣η次，通過高通和低通濾波處理，求得η次采樣數(shù)據(jù)的均值，并以此均值作為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在行走過程中所轉(zhuǎn)動的角度;其中，當(dāng)編碼器處于零度位置時，以此位置作為基準(zhǔn)，消除姿態(tài)儀的求俯仰、橫滾和偏航角度時積分累計誤差；
在一個循環(huán)中，姿態(tài)儀加速計、陀螺儀和地磁傳感器分別采樣η次，通過互補濾波分別求得三種傳感器的均值，然后通過卡爾曼濾波求得在行走過程中，外骨骼大腿和小腿的俯仰、橫滾和偏航角，通過對行走過程中大腿和小腿的俯仰、橫滾、偏航角的分析，能夠得知外骨骼的步態(tài)信息；
S4:數(shù)據(jù)分析:根據(jù)求得的壓力中心的位置判定外骨骼是否處于穩(wěn)定行走狀態(tài);同時根據(jù)步態(tài)信息，反映穿戴者的部分生理特征，通過醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)對比，評測穿戴者當(dāng)前的健康狀況。
[0013]當(dāng)外骨骼豎直站立時，將編碼器的角度標(biāo)定為O度，當(dāng)大腿或小腿向前擺動時編碼器角度增加為正，當(dāng)大腿或小腿向后擺動時，編碼器增加角度為負(fù)。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
1)在外骨骼機器人足底嵌入多個壓力傳感器，構(gòu)成傳感器陣列，利用傳感器陣列測量在行走過程中足底的壓力分布情況，并將壓力分布情況上傳致數(shù)據(jù)接收基站，基站再將數(shù)據(jù)傳致PC上位機繪制足底壓力分布圖；
2)在背部、大腿、小腿處安裝姿態(tài)儀，姿態(tài)儀能夠測量人體軀干、大腿、小腿在行走過程中的俯仰、橫滾、偏航角，通過這些數(shù)據(jù)分析人體在行走過程中步態(tài)情況和各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動情況；
3)在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)處安裝有絕對編碼器，測量在行走過程中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，此角度能與姿態(tài)儀的角度進行對比，對其進行校正和補償。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2為傳感器陣列示意圖；
圖3為姿態(tài)儀電路板結(jié)構(gòu)框圖；
圖4為智能鞋結(jié)構(gòu)圖；
圖5為本發(fā)明方法流程圖；
圖中，1-腰部支架，2-大腿連桿，3-小腿連桿，4-踝關(guān)節(jié)連桿，5-智能鞋，6-主控盒，7-姿態(tài)儀，8-節(jié)點板，9-編碼器，10-綁縛安裝件，11-能量帶，12-保護外殼，13-壓力傳感器，14-金屬板，15_中間橡膠板，16-底層橡膠板，17-鉚釘，18-沉孔，19-導(dǎo)壓橡膠墊，20-金屬盒。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖進一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
如圖1所示，一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它包括機械骨架，所述的機械骨架包括從上至下的腰部支架1、大腿連桿2、小腿連桿3、踝關(guān)節(jié)連桿4和智能鞋5;所述的腰部支架I的背部設(shè)置有主控盒6，所述的主控盒6、大腿連桿2、小腿連桿3上均設(shè)置有姿態(tài)儀7，用于測量俯仰、橫滾和偏航角;所述的大腿連桿2、小腿連桿3上設(shè)置有節(jié)點板8;所述的大腿連桿2、小腿連桿3、踝關(guān)節(jié)連桿4分別對應(yīng)于人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的位置上分別設(shè)置有編碼器9，采集外骨骼在行走過程中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的編碼器9分別由大腿連桿2和小腿連桿3上節(jié)點板8控制，踝關(guān)節(jié)處的編碼器9由智能鞋5控制;所述的主控盒6包括主控板、電源和基站，所述的基站用于接收姿態(tài)儀7、節(jié)點板8和智能鞋5的數(shù)據(jù)，保存所述數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)上傳至PC上位機;所述的智能鞋5包括多個壓力傳感器13和壓力信息采集電路板，所述的壓力信息采集電路板控制每個壓力傳感器13和踝關(guān)節(jié)處的編碼器9完成采樣工作，并計算出每個壓力傳感器13的壓力大小、整個腳部的壓力中心以及踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳給基站。
[0017]所述的腰部支架1、大腿連桿2、小腿連桿3上均設(shè)置有用于綁縛穿戴者與機械骨架的綁縛安裝件10，智能鞋5中部靠后位置設(shè)置有用于綁縛穿戴者與智能鞋5的能量帶11。
[0018]如圖3所示，所述的姿態(tài)儀7的電路板主要由微控制器、電源、無線模塊、串口、CAN口、OLED模塊、RTC模塊、傳感器陣列構(gòu)成。整個電路板在MCU的控制下實現(xiàn)各個功能；電源部分為電路板提供穩(wěn)定的5.0V和3.3V電壓，保證各個模塊的功率需求;無線模塊將姿態(tài)儀所測量得出的俯仰、橫滾、偏航角及其他數(shù)據(jù)發(fā)送出去，采用無線的方式能避免牽線帶來的不方便，使得姿態(tài)儀可以作為一個相對獨立的模塊用在其他方面；串口用于給姿態(tài)儀下載程序和在線調(diào)試，便于姿態(tài)儀的初期研發(fā)工作;CAN 口能保證姿態(tài)儀用在其他方面時與其他的外掛模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信;OLED模塊能顯示姿態(tài)儀的俯仰、橫滾、偏航角及電量等信息，能通過OLED顯示屏直接讀出姿態(tài)儀的信息，有效避免顯示信息時對PC上位機的過渡依賴;RTC時鐘模塊能為姿態(tài)儀提供時間參考，通過設(shè)置時間，使姿態(tài)儀的運行時間與日常生活用北京時間同步，這樣可以與攝像機結(jié)合，拍攝外骨骼行走時的圖像，將圖像信息與姿態(tài)儀數(shù)據(jù)在時間上相匹配，便于圖像與數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析。
[0019]其中加速度傳感器、陀螺儀、地磁傳感器選用封裝體積小的MEMS器件。
[0020]所述的數(shù)據(jù)顯示模塊為OLED模塊。
[0021]如圖2所示，所述的傳感器陣列為7*7陣列。圖中黑色小方塊代表傳感器，本系統(tǒng)采用多個傳感器組成傳感器陣列，具體的傳感器數(shù)量由微處理器的執(zhí)行能力和系統(tǒng)所需要的采樣頻率及精度決定，如果傳感器的數(shù)量太大，姿態(tài)儀的響應(yīng)頻率就會降低，本發(fā)明中采用7x7陣列，但是因注意的是，本發(fā)明的涉及范圍不僅僅是7x7陣列范圍，本系統(tǒng)由于采用了傳感器陣列，所測量的俯仰、橫滾、偏航角具有很高的精度。
[0022]如圖4所示，所述的智能鞋5從上至下依次包括金屬板14、中間橡膠板15和底層橡膠板16，各板之間通過鉚釘17連接;所述的金屬板14上設(shè)置有能量帶11，用于綁縛穿戴者與智能鞋5;所述的底層橡膠板16上層開設(shè)有圓柱形沉孔18，用于放置導(dǎo)壓橡膠墊19，N個壓力傳感器13安裝于中間橡膠板15和導(dǎo)壓橡膠墊19之間;壓力信息采集電路板放置于金屬盒20中，金屬盒20與金屬板14通過螺釘連接。
[0023]多個壓力傳感器陣列式分布在足底主要受力部位，壓力信息采集電路對每個壓力傳感器13輸出的電信號進行放大和解算，計算出各個區(qū)域的壓力大小和壓力中心，并將數(shù)據(jù)傳給基站，再將數(shù)據(jù)傳給PC上位機，便于上位機直觀顯示外骨骼足底受力及重心變化情況，壓力信息采集電路板由金屬盒20固定，安裝在足底中部區(qū)域，避免在行走過程中，電路板因擠壓而損壞。
[0024]所述的主控盒6、大腿連桿2、小腿連桿3設(shè)置有保護外殼12。
[0025]如圖5所示，所述的系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:
SI:系統(tǒng)上電，等待電壓穩(wěn)定后開始工作；
S2:初始化階段:對左右腳的壓力傳感器13采樣一定次數(shù)，求得壓力傳感器13的零偏值，在之后的行走過程中，消去壓力傳感器13的零偏值;編碼器9采樣一定次數(shù)，求得編碼角度的零偏值，在標(biāo)定編碼器9零刻度位置時消去零偏值;姿態(tài)儀7傳感器采樣一定次數(shù)，求得姿態(tài)儀7各個數(shù)據(jù)的零偏，在以后的姿態(tài)儀7角度計算中消去零偏值；
S3:數(shù)據(jù)采集:
I在一個循環(huán)中，左右腳壓力傳感器13在采壓電路的控制下采樣η次，通過高通和低通濾波處理，然后求η次采樣的均值，將均值帶入壓力傳感器13標(biāo)定函數(shù)求得一個循環(huán)中的壓力傳感器13的數(shù)據(jù)值，通過N個壓力傳感器13的數(shù)據(jù)，利用零力矩法進而求得腳部壓力在水平面內(nèi)的壓力中心;其中，左右腳壓力傳感器13單獨工作，互不影響；
2在一個循環(huán)中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處的編碼器9分別采樣η次，通過高通和低通濾波處理，求得η次采樣數(shù)據(jù)的均值，并以此均值作為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在行走過程中所轉(zhuǎn)動的角度;其中，當(dāng)編碼器9處于零度位置時，以此位置作為基準(zhǔn)，消除姿態(tài)儀7的求俯仰、橫滾和偏航角度時積分累計誤差；
3在一個循環(huán)中，姿態(tài)儀7加速計、陀螺儀和地磁傳感器分別采樣η次，通過互補濾波分別求得三種傳感器的均值，然后通過卡爾曼濾波求得在行走過程中，外骨骼大腿和小腿的俯仰、橫滾和偏航角，通過對行走過程中大腿和小腿的俯仰、橫滾、偏航角的分析，能夠得知外骨骼的步態(tài)信息；
S4:數(shù)據(jù)分析:根據(jù)求得的壓力中心的位置判定外骨骼是否處于穩(wěn)定行走狀態(tài);同時根據(jù)步態(tài)信息，反映穿戴者的部分生理特征，通過醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)對比，評測穿戴者當(dāng)前的健康狀況。對于運動康復(fù)患者來說，能得知患者當(dāng)前一段時間的恢復(fù)狀況，能為醫(yī)生給患者制定運動康復(fù)方案是提供一定的依據(jù)。同時，通過背部、大腿、小腿處姿態(tài)儀的俯仰、橫滾和偏航角能求得在行走過程中外骨骼髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度。
[0026]當(dāng)外骨骼豎直站立時，將編碼器9的角度標(biāo)定為O度，當(dāng)大腿或小腿向前擺動時編碼器9角度增加為正，當(dāng)大腿或小腿向后擺動時，編碼器9增加角度為負(fù)。
【主權(quán)項】
1.一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:它包括機械骨架，所述的機械骨架包括從上至下的腰部支架(I)、大腿連桿(2)、小腿連桿(3)、踝關(guān)節(jié)連桿(4)和智能鞋(5);所述的腰部支架(I)的背部設(shè)置有主控盒(6)，所述的主控盒(6)、大腿連桿(2)、小腿連桿(3)上均設(shè)置有姿態(tài)儀(7)，用于測量俯仰、橫滾和偏航角;所述的大腿連桿(2)、小腿連桿(3)上設(shè)置有節(jié)點板(8);所述的大腿連桿(2)、小腿連桿(3)、踝關(guān)節(jié)連桿(4)分別對應(yīng)于人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的位置上分別設(shè)置有編碼器(9)，采集外骨骼在行走過程中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的編碼器(9)分別由大腿連桿(2)和小腿連桿(3)上節(jié)點板(8)控制，踝關(guān)節(jié)處的編碼器(9)由智能鞋(5)控制;所述的主控盒(6)包括主控板、電源和基站，所述的基站用于接收姿態(tài)儀(7)、節(jié)點板(8)和智能鞋(5)的數(shù)據(jù)，保存所述數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)上傳至PC上位機;所述的智能鞋(5)包括多個壓力傳感器(13)和壓力信息采集電路板，所述的壓力信息采集電路板控制每個壓力傳感器(13)和踝關(guān)節(jié)處的編碼器(9)完成采樣工作，并計算出每個壓力傳感器(13)的壓力大小、整個腳部的壓力中心以及踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳給基站。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的腰部支架(I)、大腿連桿(2)、小腿連桿(3)上均設(shè)置有用于綁縛穿戴者與機械骨架的綁縛安裝件(10)，智能鞋(5)中部靠后位置設(shè)置有用于綁縛穿戴者與智能鞋(5)的能量帶(Il)03.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的姿態(tài)儀(7)包括多個三軸加速度傳感器、多個三軸陀螺儀多個三軸地磁傳感器、MCUJi據(jù)顯示模塊、RTC實時時鐘模塊、電源和無線模塊，所述的多個三軸加速度傳感器、多個三軸陀螺儀多個三軸地磁傳感器、數(shù)據(jù)顯示模塊、RTC實時時鐘模塊、電源和無線模塊均與MCU連接;所述的多個三軸加速度傳感器、多個三軸陀螺儀多個三軸地磁傳感器組成傳感器陣列，利用多傳感器多冗余精確測量俯仰、橫滾和偏航角;所述的數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示當(dāng)前姿態(tài)，即顯示姿態(tài)儀(7)的俯仰、橫滾、偏航角;所述的RTC實時時鐘模塊為姿態(tài)儀(7)提供時間基準(zhǔn)，通過將測量的數(shù)據(jù)與時間對應(yīng)，能與視頻圖像相結(jié)合，便于分解分析在各個行走動作下所對應(yīng)的數(shù)據(jù);所述的無線模塊能將姿態(tài)儀(7)所測得的各個數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)接收基站;所述的電源為姿態(tài)儀(7)提供穩(wěn)定電壓，保證各個模塊的功率需求。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)顯示模塊為OLED模塊。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的傳感器陣列為7*7陣列。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的智能鞋(5)從上至下依次包括金屬板(14)、中間橡膠板(15)和底層橡膠板(16)，各板之間通過鉚釘(17)連接;所述的金屬板(14)上設(shè)置有能量帶(11)，用于綁縛穿戴者與智能鞋(5);所述的底層橡膠板(16)上層開設(shè)有圓柱形沉孔(18)，用于放置導(dǎo)壓橡膠墊(19)，N個壓力傳感器(13)安裝于中間橡膠板(15)和導(dǎo)壓橡膠墊(19)之間;壓力信息采集電路板放置于金屬盒(20)中，金屬盒(20)與金屬板(14)通過螺釘連接。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的主控盒(6 )、大腿連桿(2 )、小腿連桿(3 )設(shè)置有保護外殼(12 )。8.如權(quán)利要求1?7中任意一項所述的一種基于多傳感融合的可穿戴數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法，其特征在于:包括以下步驟: SI:系統(tǒng)上電，等待電壓穩(wěn)定后開始工作； S2:初始化階段:對左右腳的壓力傳感器(13)采樣一定次數(shù)，求得壓力傳感器(13)的零偏值，在之后的行走過程中，消去壓力傳感器(13)的零偏值;編碼器(9)采樣一定次數(shù)，求得編碼角度的零偏值，在標(biāo)定編碼器(9)零刻度位置時消去零偏值;姿態(tài)儀(7)傳感器采樣一定次數(shù)，求得姿態(tài)儀(7)各個數(shù)據(jù)的零偏，在以后的姿態(tài)儀(7)角度計算中消去零偏值； S3:數(shù)據(jù)采集: (1)在一個循環(huán)中，左右腳壓力傳感器(13)在采壓電路的控制下采樣η次，通過高通和低通濾波處理，然后求η次采樣的均值，將均值帶入壓力傳感器(13)標(biāo)定函數(shù)求得一個循環(huán)中的壓力傳感器(13)的數(shù)據(jù)值，通過N個壓力傳感器(13)的數(shù)據(jù)，利用零力矩法進而求得腳部壓力在水平面內(nèi)的壓力中心;其中，左右腳壓力傳感器(13)單獨工作，互不影響； (2)在一個循環(huán)中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處的編碼器(9)分別采樣η次，通過高通和低通濾波處理，求得η次采樣數(shù)據(jù)的均值，并以此均值作為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在行走過程中所轉(zhuǎn)動的角度;其中，當(dāng)編碼器(9)處于零度位置時，以此位置作為基準(zhǔn)，消除姿態(tài)儀(7)的求俯仰、橫滾和偏航角度時積分累計誤差； (3)在一個循環(huán)中，姿態(tài)儀(7)加速計、陀螺儀和地磁傳感器分別采樣η次，通過互補濾波分別求得三種傳感器的均值，然后通過卡爾曼濾波求得在行走過程中，外骨骼大腿和小腿的俯仰、橫滾和偏航角，通過對行走過程中大腿和小腿的俯仰、橫滾、偏航角的分析，能夠得知外骨骼.的步態(tài)ig息； S4:數(shù)據(jù)分析:根據(jù)求得的壓力中心的位置判定外骨骼是否處于穩(wěn)定行走狀態(tài)；同時根據(jù)步態(tài)信息，反映穿戴者的部分生理特征，通過醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)對比，評測穿戴者當(dāng)前的健康狀況。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于:當(dāng)外骨骼豎直站立時，將編碼器(9)的角度標(biāo)定為O度，當(dāng)大腿或小腿向前擺動時編碼器(9)角度增加為正，當(dāng)大腿或小腿向后擺動時，編碼器(9)增加角度為負(fù)。
【文檔編號】A61B5/00GK106037753SQ201610526747
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】鄧清龍, 邱靜, 林西川, 鄭曉娟, 陳曄
【申請人】電子科技大學(xué)