基于云检测的可穿戴下肢运动矫正系统技术方案

一种基于云检测的可穿戴下肢运动矫正系统，包括下肢运动状态采集模块、数据传输模块、设置于移动终端的运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块和包含云平台的数据处理模块，其中：下肢运动状态采集模块通过总线与数据传输模块相连并传输传感器信号，数据传输模块接收传感器信号后排序整合格式并打包后通过无线方式与运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块相连并传输运动位姿以及肌肉力状态数据，运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块通过网络将数据实时传输至云平台进行大数据训练以及基于数据库的存储，数据处理模块将训练、处理后的人体三维姿态、步态分析数据通过无线网络的方式回传至移动终端以显示动作矫正信息。

Wearable lower limb motion correction system based on cloud detection

A wearable lower extremity motion correction system based on cloud detection includes lower extremity motion state acquisition module, data transmission module, motion state information visualization and three-dimensional human posture reproduction module installed in mobile terminal and data processing module including cloud platform. The lower extremity motion state acquisition module passes through bus. The data transmission module connects with the data transmission module and transmits the sensor signal. After receiving the sensor signal, the data transmission module arranges and integrates the format and packages it. After receiving the sensor signal, it connects with the motion state information visualization module and the three-dimensional reproducing module of human posture and transmits the motion position and muscle force data. The motion state information is visualized with human beings. The three-dimensional reproducing module transmits the data to the cloud platform for large data training and database-based storage in real time through the network. The data processing module transmits the training and processed three-dimensional posture and gait analysis data back to the mobile terminal through wireless network to display the action correction information.

【技术实现步骤摘要】
基于云检测的可穿戴下肢运动矫正系统
本专利技术涉及的是一种康复器械领域的技术，具体是一种基于云检测的可穿戴下肢运动矫正系统。
技术介绍
人体康复过程是一个动态的、不断变化的过程。无论是理疗师还是康复机器人，治疗过程的本质都是纠正患者在运动过程中的异常行为姿态以达到预期的效果。因此，康复过程中对患者生理状况的实时跟踪以及科学分析非常必要。现有装置大多基于视觉系统，设备庞大，不够便携，而且费用高昂。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，提出一种基于云检测的可穿戴下肢运动矫正系统，能够实时监测下肢运动情况与机能监测并根据传感器数据分析运算实现对不正常运动状况的检测与矫正，适用于下肢运动功能有障碍的患者、需要动作矫正的运动员与军人。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术包括：下肢运动状态采集模块、数据传输模块、设置于移动终端的运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块和包含云平台的数据处理模块，其中：下肢运动状态采集模块通过总线与数据传输模块相连并传输传感器信号，数据传输模块接收传感器信号后排序整合格式并打包后通过无线方式与运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块相连并传输运动位姿以及肌肉力状态数据，运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块通过网络将数据实时传输至云平台进行大数据训练以及基于数据库的存储，数据处理模块将训练、处理后的人体三维姿态、步态分析数据通过无线网络的方式回传至移动终端以显示动作矫正信息。所述的传感器信号包括但不限于：传感器编号、三轴加速度信息、四元数信息、采样周期，如所示：表1协议包含数据信息内容编号axayazQ0Q1Q2Q3T示例10.12-0.97-0.160.51-0.55-0.53-0.4031所述的数据传输模块包括：嵌入式系统和与之相连的无线传输单元，其中：嵌入式系统通过IIC总线的方式接收来自下肢运动状态采集模块采集的传感器信号，预处理后的运动位姿以及肌肉力状态数据通过无线传输单元以蓝牙方式输出至移动终端。所述的预处理是指：考虑传输协议对数据大小的限制，对传感器信号原始数据进行分包传输与接收，每包数据大小为20B，同时将寄存器数据转换为标准单位数据。所述的运动位姿以及肌肉力状态数据的包括：下肢关节编号、测得髋关节、膝关节、踝关节三维空间转角、正常状态髋关节、膝关节、踝关节三维空间转角、根关节空间位置、肌肉群编号和肌肉群激活值。所述的运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块包括：显示界面单元、用户管理单元和连接接口单元，其中：显示界面单元通过连接接口单元分别与无线传输单元和云平台相连并传输用户运动姿态重现、肌肉激活等级和运动矫正信息，用户管理单元通过连接接口单元与无线传输单元相连并传输用户个人联系信息及对应设备编号信息。所述的数据处理模块包括：云平台、数据库单元、神经网络单元和运动重现单元，其中：云平台与用户管理单元相连并传输用户个人信息和历史运动数据信息，数据库单元与云平台相连并传输用户个人和历史运动数据信息，神经网络单元与云平台相连并返回传输动作分类和运动准确度信息，运动重现单元与云平台相连并传输运动数据驱动的三维人体模型姿态信息。技术效果与现有技术相比，本专利技术技术效果包括：1)集成陀螺仪、加速度计、磁强计等九轴运动信息感知，可测量不同关节在运动过程中的运动轨迹、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度等时空参数和信号；能够实现反复多次的可穿戴、轻量化，不受环境影响、可以实现全天候测量，同时应具有较好的实时性和测量准确性。本专利技术将感知系统与执行系统整合，具有较高的智能程度，可以通过云平台对测量数据进行预处理、比对和评价，测量结果的展示要可视化。2)本专利技术在移动终端实现了原本必须在电脑端进行的人体三维姿态还原与动作捕捉，提升了系统的便携性，随时随地可以进行运动机能评价与动作矫正功能；3)本专利技术在三维空间对人体姿态进行解算，可以得到髋关节处屈伸、收展、旋转角，膝关节处屈伸角，踝关节处屈伸、翻转、旋转角，具有更加详细的分析指标；本专利技术设计的基于广义互补滤波的人体运动捕捉优化方法输出的位置重现误差较小，很好地重现了受试者直线行走的轨迹，能够满足人体运动捕捉中空间位置重现的需求。附图说明图1为本专利技术系统示意图；图2为根节点位置求解器结构体图；图3为最小测量单元示意图；图4为实施例架构示意图；图5为实施例下肢运动状态采集模块模块示意图；图6为实施例IIC总线连接示意图；图7a和b分别为人体参考坐标系图和人体下肢树形结构示意图；图8为实施例Matlab中人体位姿重现示意图；图9为步行过程角度示意图；图中：a步行过程中膝关节屈伸角，b步行过程中髋关节夹角，c步行过程中踝关节屈伸角；图10为左膝关节不能屈伸示意图；图中：a为右膝正常，b为矫正后的膝关节步态；图11a和b为实施例运动显示界面及历史记录界面示意图；图12为实施例肌肉显示界面示意图；图中：1纵向限位槽、2定位柱、3横向限位槽、4IMU定位柱、5开槽U型孔、6弹性卡扣、7IMU芯片、8调试窗口。具体实施方式如图1和图4所示，为本实施例涉及的一种基于云检测的可穿戴下肢运动矫正系统，其中包含：下肢运动状态采集模块、数据传输模块、设置于移动终端的运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块和包含云平台的数据处理模块，其中：下肢运动状态采集模块通过总线与数据传输模块相连并传输传感器信号，数据传输模块接收传感器信号后排序整合格式并打包后通过无线方式与运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块相连并传输运动位姿以及肌肉力状态数据，运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块通过网络将数据实时传输至云平台进行大数据训练以及基于数据库的存储，数据处理模块将训练、处理后的人体三维姿态、步态分析数据通过无线网络的方式回传至移动终端以显示动作矫正信息。本实施例中数据传输模块的嵌入式系统采用stm32F103VET6单片机，该单片机的ARM为32位的Cortex-M3，拥有最高72MHz的工作频率，从而可以满足本实施例的运算需求。该单片机采用DC5V供电，运用IIC总线和惯性测量单元通讯，运用USART进行蓝牙串口通讯，并运用IO引脚获取表面肌电传感器的模拟信号。本实施例中，所述的数据传输模块采用蓝牙进行数据传递，在30Hz的采样频率下需要无线带宽约为40Kbps，而低功耗蓝牙的带宽实测只有3～10Kbps，难以满足要求。故我们最终采用传统蓝牙，该模式蓝牙虽然功耗与低功耗蓝牙相比较大，但是传输速率实测能达到100Kbps，从而能够满足本实施例的无线传输需求。所述的IIC总线的通信方式，将八个传感器编号为0x50～0x51，以嵌入式系统stm32为主机，下肢运动状态采集模块中的各个最小测量单元为从机。主机以轮询的方式逐个呼叫从机，从各个从机获得数据。总线如图6所示，其中串行时钟线(SCL)和串行数据线(SDA)需要通过4.7K电阻上拉到3.3V，以弥补总线电流。本实施例中所述的下肢运动状态采集模块由7个最小测量单元组成，如图5所示，分别对应检测腹部以及左右侧的足部、小腿、大腿的运动状态，各个最小测量单元之间通过弹簧线连接，每个最小测量单元包括：外壳固定模块以及设置于其内部的包含加速度计、陀螺仪、磁力计的九轴传感器以及肌肉电传感器。本实施例中每个九轴传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于云检测的可穿戴下肢运动矫正系统，其特征在于，包括：下肢运动状态采集模块、数据传输模块、设置于移动终端的运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块和包含云平台的数据处理模块，其中：下肢运动状态采集模块通过总线与数据传输模块相连并传输传感器信号，数据传输模块接收传感器信号后排序整合格式并打包后通过无线方式与运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块相连并传输运动位姿以及肌肉力状态数据，运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块通过网络将数据实时传输至云平台进行大数据训练以及基于数据库的存储，数据处理模块将训练、处理后的人体三维姿态、步态分析数据通过无线网络的方式回传至移动终端以显示动作矫正信息；所述的传感器信号包括：传感器编号、三轴加速度信息、四元数信息、采样周期；所述的运动位姿以及肌肉力状态数据的包括：下肢关节编号、测得髋关节、膝关节、踝关节三维空间转角、正常状态髋关节、膝关节、踝关节三维空间转角、根关节空间位置、肌肉群编号和肌肉群激活值。

【技术特征摘要】
1.一种基于云检测的可穿戴下肢运动矫正系统，其特征在于，包括：下肢运动状态采集模块、数据传输模块、设置于移动终端的运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块和包含云平台的数据处理模块，其中：下肢运动状态采集模块通过总线与数据传输模块相连并传输传感器信号，数据传输模块接收传感器信号后排序整合格式并打包后通过无线方式与运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块相连并传输运动位姿以及肌肉力状态数据，运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块通过网络将数据实时传输至云平台进行大数据训练以及基于数据库的存储，数据处理模块将训练、处理后的人体三维姿态、步态分析数据通过无线网络的方式回传至移动终端以显示动作矫正信息；所述的传感器信号包括：传感器编号、三轴加速度信息、四元数信息、采样周期；所述的运动位姿以及肌肉力状态数据的包括：下肢关节编号、测得髋关节、膝关节、踝关节三维空间转角、正常状态髋关节、膝关节、踝关节三维空间转角、根关节空间位置、肌肉群编号和肌肉群激活值。2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的数据传输模块包括：嵌入式系统和与之相连的无线传输单元，其中：嵌入式系统通过IIC总线的方式接收来自下肢运动状态采集模块采集的传感器信号，预处理后的运动位姿以及肌肉力状态数据通过无线传输单元以蓝牙方式输出至移动终端。3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的IIC总线的通信方式，将八个传感器编号为0x50～0x51，以嵌入式系统为主机，下肢运动状态采集模块中的各个最小测量单元为从机，主机以轮询的方式逐个呼叫从机，从各个从机获得数据，其中串行时钟线和串行数据线通过4.7K电阻上拉到3.3V以弥补总线电流。4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的运动状态信息可视化与人体姿态三维重现模块包括：显示界面单元、用户管理单元和连接接口单元，其中：显示界面单...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹其新，李全宸，蒋宇捷，胡益恺，何国晗，褚健，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31