一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法，系统包括机械骨架，所述的机械骨架包括从上至下的腰部支架（1）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）、踝关节连杆（4）和智能鞋（5）；所述的腰部支架（1）的背部设置有主控盒（6），所述的主控盒（6）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上均设置有姿态仪（7）；所述的大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上设置有节点板（8）；所述的大腿连杆（2）、小腿连杆（3）、踝关节连杆（4）分别设置有编码器（9）。本发明专利技术用于实时精确测量穿戴者在穿上外骨骼机器人行走过程中下肢各个关节角度和脚底压力分布情况，判定外骨骼是否处于稳定行走状态以及评测穿戴者当前的健康状况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种涉及可穿戴康复医疗领域，尤其涉及一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法。
技术介绍
人体在行走过程中，各个关节和肌肉在相应控制中枢的协调下共同完成相应的动作，同时，也会对外界输出许多的信息，如髋关节、膝关节、踝关节的转动角度，大腿、小腿的机电信号，脚部各个主要位置承受的压力等。这些信息特征在一定程度上能反映一个人的运动习惯、身体健康状况等因素，对这些信息的检测、分析具有重要的医学价值。例如，在运动康复领域，利用可穿戴数据采集系统采集、分析这些数据能得知下肢残疾患者近期运动时的步态和运动稳定性等信息，从而能评估近期运动恢复情况，同时，在医疗方面，可穿戴数据采集系统也能有效减少护理人员对患者的长时间陪同守候。在帮助运动能力较弱的老年人方面，此系统能帮助老人承受一定的负重，使老人运动更加方便，对运动时下肢数据的采集分析，预防某些疾病如糖料病的发生，提高老年人的生活质量。现有的人体运动数据采集方法有视觉方法或基于惯性器件的方法等，视觉方法往往需要一组摄像头对贴于人体的标定点进行跟踪测量，采用这种方法的缺点是贴点过程繁琐，需要对人体肌肉关键部位进行贴点，贴点时间长，其次是视觉设备一般是在室内进行跟踪测量，可移动性差，而且视觉系统价格昂贵，一般只有医院或者康复机构才有此种设备。公开号为CN104463108A的专利介绍了一种单目实时目标识别及位姿测量方法，通过将得到的场景的特征点数据与目标图像的特征进行匹配完成姿态测量，确定位置，但此方法计算量很大。公开号为CN205163082U的专利介绍了一种用于采集人体运动状态数据的可穿戴设备，通过在第一和第二绑带内设置电容环，第一绑带测量大腿的电容信号，第二绑带测量小腿的电容信号，然后对电容信号进行处理，从而采集人体下肢运动状态数据，但是此方法电容环易受到人体状况的影响，如人体运动的汗液等。公开号为CN104757976A的专利介绍了一种基于多传感融合的人体步态分析方法和系统，该系统通过惯性传感器件测量人体行走过程中的数据，但是该系统不能测量人体行走过程中足底各部分的压力情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法，用于实时精确测量穿戴者在穿上外骨骼机器人行走过程中下肢各个关节角度和脚底压力分布情况，该系统在外骨骼机器人智能鞋足底安装有压力传感器用于采集人体在行走过程中足底的压力分布情况；在背部、大腿、小腿处安装有姿态仪，用于测量在行走过程中人体上身躯干、大腿、小腿的俯仰、横滚和偏航角；在髋关节、膝关节、踝关节处安装有编码器，用于测量人体在行走过程中髋关节、膝关节、踝关节的转动角度。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，它包括机械骨架，所述的机械骨架包括从上至下的腰部支架、大腿连杆、小腿连杆、踝关节连杆和智能鞋；所述的腰部支架的背部设置有主控盒，所述的主控盒、大腿连杆、小腿连杆上均设置有姿态仪，用于测量俯仰、横滚和偏航角；所述的大腿连杆、小腿连杆上设置有节点板；所述的大腿连杆、小腿连杆、踝关节连杆分别对应于人体髋关节、膝关节、踝关节的位置上分别设置有编码器，采集外骨骼在行走过程中髋关节、膝关节和踝关节的转动角度，髋关节和膝关节处的编码器分别由大腿连杆和小腿连杆上节点板控制，踝关节处的编码器由智能鞋控制；所述的主控盒包括主控板、电源和基站，所述的基站用于接收姿态仪、节点板和智能鞋的数据，保存所述数据或将数据上传至PC上位机；所述的智能鞋包括多个压力传感器和压力信息采集电路板，所述的压力信息采集电路板控制每个压力传感器和踝关节处的编码器完成采样工作，并计算出每个压力传感器的压力大小、整个脚部的压力中心以及踝关节转动的角度，通过CAN总线将数据传给基站。所述的腰部支架、大腿连杆、小腿连杆上均设置有用于绑缚穿戴者与机械骨架的绑缚安装件，智能鞋中部靠后位置设置有用于绑缚穿戴者与智能鞋的能量带。所述的姿态仪包括多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器、MCU、数据显示模块、RTC实时时钟模块、电源和无线模块，所述的多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器、数据显示模块、RTC实时时钟模块、电源和无线模块均与MCU连接；所述的多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器组成传感器阵列，利用多传感器多冗余精确测量俯仰、横滚和偏航角；所述的数据显示模块用于显示当前姿态，即显示姿态仪的俯仰、横滚、偏航角；所述的RTC实时时钟模块为姿态仪提供时间基准，通过将测量的数据与时间对应，能与视频图像相结合，便于分解分析在各个行走动作下所对应的数据；所述的无线模块能将姿态仪所测得的各个数据传给数据接收基站；所述的电源为姿态仪提供稳定电压，保证各个模块的功率需求。所述的数据显示模块为OLED模块。所述的传感器阵列为7*7阵列。所述的智能鞋从上至下依次包括金属板、中间橡胶板和底层橡胶板，各板之间通过铆钉连接；所述的金属板上设置有能量带，用于绑缚穿戴者与智能鞋；所述的底层橡胶板上层开设有圆柱形沉孔，用于放置导压橡胶垫，N个压力传感器安装于中间橡胶板和导压橡胶垫之间；压力信息采集电路板放置于金属盒中，金属盒与金属板通过螺钉连接。所述的主控盒、大腿连杆、小腿连杆设置有保护外壳。如所述的系统的方法，包括以下步骤：S1：系统上电，等待电压稳定后开始工作；S2：初始化阶段：对左右脚的压力传感器采样一定次数，求得压力传感器的零偏值，在之后的行走过程中，消去压力传感器的零偏值；编码器采样一定次数，求得编码角度的零偏值，在标定编码器零刻度位置时消去零偏值；姿态仪传感器采样一定次数，求得姿态仪各个数据的零偏，在以后的姿态仪角度计算中消去零偏值；S3：数据采集：在一个循环中，左右脚压力传感器在采压电路的控制下采样n次，通过高通和低通滤波处理，然后求n次采样的均值，将均值带入压力传感器标定函数求得一个循环中的压力传感器的数据值，通过N个压力传感器的数据，利用零力矩法进而求得脚部压力在水平面内的压力中心；其中，左右脚压力传感器单独工作，互不影响；在一个循环中，髋关节、膝关节和踝关节处的编码器分别采样n次，通过高通和低通滤波处理，求得n次采样数据的均值，并以此均值作为髋关节、膝关节和踝关节在行走过程中所转动的角度；其中，当编码器处于零度位置时，以此位置作为基准，消除姿态仪的求俯仰、横滚和偏航角度时积分累计误差；在一个循环中，姿态仪加速计、陀螺仪和地磁传感器分别采样n次，通过互补滤波分别求得三种传感器的均值，然后通过卡尔曼滤波求得在行走过程中，外骨骼大腿和小腿的俯仰、横滚和偏航角，通过对行走过程中大腿和小腿的俯仰、横滚、偏航角的分析，能够得知外骨骼的步态信息；S4：数据分析：根据求得的压力中心的位置判定外骨骼是否处于稳定行走状态；同时根据步态信息，反映穿戴者的部分生理特征，通过医学数据对比，评测穿戴者当前的健康状况。当外骨骼竖直站立时，将编码器的角度标定为0度，当大腿或小腿向前摆动时编码器角度增加为正，当大腿或小腿向后摆动时，编码器增加角度为负。本专利技术的有益效果是：1）在外骨骼机器人足底嵌入多个压力传感器，构成传感器阵列，利用传感器阵列测量在行走过程中足底的压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于：它包括机械骨架，所述的机械骨架包括从上至下的腰部支架（1）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）、踝关节连杆（4）和智能鞋（5）；所述的腰部支架（1）的背部设置有主控盒（6），所述的主控盒（6）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上均设置有姿态仪（7），用于测量俯仰、横滚和偏航角；所述的大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上设置有节点板（8）；所述的大腿连杆（2）、小腿连杆（3）、踝关节连杆（4）分别对应于人体髋关节、膝关节、踝关节的位置上分别设置有编码器（9），采集外骨骼在行走过程中髋关节、膝关节和踝关节的转动角度，髋关节和膝关节处的编码器（9）分别由大腿连杆（2）和小腿连杆（3）上节点板（8）控制，踝关节处的编码器（9）由智能鞋（5）控制；所述的主控盒（6）包括主控板、电源和基站，所述的基站用于接收姿态仪（7）、节点板（8）和智能鞋（5）的数据，保存所述数据或将数据上传至PC上位机；所述的智能鞋（5）包括多个压力传感器（13）和压力信息采集电路板，所述的压力信息采集电路板控制每个压力传感器（13）和踝关节处的编码器（9）完成采样工作，并计算出每个压力传感器（13）的压力大小、整个脚部的压力中心以及踝关节转动的角度，通过CAN总线将数据传给基站。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于：它包括机械骨架，所述的机械骨架包括从上至下的腰部支架（1）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）、踝关节连杆（4）和智能鞋（5）；所述的腰部支架（1）的背部设置有主控盒（6），所述的主控盒（6）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上均设置有姿态仪（7），用于测量俯仰、横滚和偏航角；所述的大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上设置有节点板（8）；所述的大腿连杆（2）、小腿连杆（3）、踝关节连杆（4）分别对应于人体髋关节、膝关节、踝关节的位置上分别设置有编码器（9），采集外骨骼在行走过程中髋关节、膝关节和踝关节的转动角度，髋关节和膝关节处的编码器（9）分别由大腿连杆（2）和小腿连杆（3）上节点板（8）控制，踝关节处的编码器（9）由智能鞋（5）控制；所述的主控盒（6）包括主控板、电源和基站，所述的基站用于接收姿态仪（7）、节点板（8）和智能鞋（5）的数据，保存所述数据或将数据上传至PC上位机；所述的智能鞋（5）包括多个压力传感器（13）和压力信息采集电路板，所述的压力信息采集电路板控制每个压力传感器（13）和踝关节处的编码器（9）完成采样工作，并计算出每个压力传感器（13）的压力大小、整个脚部的压力中心以及踝关节转动的角度，通过CAN总线将数据传给基站。2.根据权利要求1所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于：所述的腰部支架（1）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上均设置有用于绑缚穿戴者与机械骨架的绑缚安装件（10），智能鞋（5）中部靠后位置设置有用于绑缚穿戴者与智能鞋（5）的能量带（11）。3.根据权利要求1所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于：所述的姿态仪（7）包括多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器、MCU、数据显示模块、RTC实时时钟模块、电源和无线模块，所述的多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器、数据显示模块、RTC实时时钟模块、电源和无线模块均与MCU连接；所述的多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器组成传感器阵列，利用多传感器多冗余精确测量俯仰、横滚和偏航角；所述的数据显示模块用于显示当前姿态，即显示姿态仪（7）的俯仰、横滚、偏航角；所述的RTC实时时钟模块为姿态仪（7）提供时间基准，通过将测量的数据与时间对应，能与视频图像相结合，便于分解分析在各个行走动作下所对应的数据；所述的无线模块能将姿态仪（7）所测得的各个数据传给数据接收基站；所述的电源为姿态仪（7）提供稳定电压，保证各个模块的功率需求。4.根据权利要求3所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于：所述的数据显示模块为OLED模块。5.根据权利要求3所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于：所述的传感器阵列为7*7阵列。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓清龙，邱静，林西川，郑晓娟，陈晔，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51