一种下肢外骨骼式步态分析系统技术方案

本公开是关于一种下肢外骨骼式步态分析系统。利用嵌入式微控制器创建的数据采集模块、多种传感器模块和数据处理模块，其中，所述数据采集模块用于采集多种传感器在通讯总线上的人体运动数据，并且完成数据的整理、综合和上传，所述多种传感器模块用于采集多种人体下肢运动数据传感器数据，包括惯性测量仪、角度编码器和足底压力分布传感器，所述数据处理模块用于接收数据收集和综合模块上传的数据，并进行人体步态分析。本发明专利技术实现了人体下肢运动状态的收集和分析，能够适应不同年龄侧面的体态，在保证系统稳定性和安全性的基础上，进一步提高系统的测量和分析精度，而且，本发明专利技术使用方便，结构简单。

【技术实现步骤摘要】
一种下肢外骨骼式步态分析系统
本公开涉及康复机器人
，尤其涉及一种下肢外骨骼式步态分析系统。
技术介绍
近年来，老龄化现象使得老年人的四肢灵活性逐渐下降，并使得老年人致残几率快速上升。随着国内老龄化的问题日益加重，我国老年残疾人的人口比率将会大幅度增加。传统的运动康复医疗设备将不能满足老年人康复的需求，一方面的原因是人口数量的剧增，另一方面的原因是传统设备的工作效率和智能化程度较低。因而，具有自适应调节能力的智能外骨骼机器人将会得到巨大的市场需求。在研究智能的外骨骼机器人的控制策略过程中，步态分析结果将作为一项重要的输入源。步态分析不仅能够用于辅助医生完成腿部患者的病态评估，而且还在一定程度上评估患者的术后康复训练情况。在智能外骨骼逐渐普及的过程中，步态分析系统在智能外骨骼的研发阶段能够为智能控制提供相应的人体行走考量和下肢活动的参数；在外骨骼设备的调试阶段能够提供一些异常步态行为参数和肢体活动特征，包括跌倒、扭伤和痉挛等。现有技术中的步态分析在数据处理能力、使用者兼容性和准确性反面存在一定的缺陷。
技术实现思路
为克服相关技术中存在的问题，本公开实施例提供一种下肢外骨骼式步态分析系统。根据本公开实施例的第一方面，提供一种下肢外骨骼式步态分析系统，包括：通信连接的数据采集模块、数据处理模块和若干个传感器模块；其中，所述数据采集模块，用于采集所述若干个传感器模块分别在通讯总线上的人体运动数据，完成数据的整理、综合，并将结果发送至数据处理模块；所述若干个传感器模块，用于分别采集多种人体下肢运动数据传感器数据并通过通讯总线发送；所述数据处理模块，用于接收数据采集模块上传的数据，并进行人体步态分析。所述若干个传感器模块，包括若干个角度编码器模块、若干个矩阵式压力传感器模块和若干个惯性测量单元；其中，所述角度编码器模块，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；所述惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部和足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；所述矩阵式压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息。所述系统还包括：数据显示模块，用于将数据处理模块的数据分析结果进行汇总以及可视化，并通过蓝牙芯片发送给显示终端。所述系统还包括：电源模块，用于为各个模块提供动力；采用隔离电源设计，具有电压检测、电流检测、大容量滤波、隔离保护功能。所述数据采集模块采用嵌入式微控制器作为主运算芯片，使用LAN芯片与数据分析模块连接。所述嵌入式微控制器具体为ARMCortex-M内核的32位微控制器。所述数据采集模块使用SPI和IIC总线协议与所述传感器模块连接。所述数据分析模块采用X86架构微处理器作为主分析芯片。所述通讯总线具体为IIC总线或SPI总线。所述通讯芯片具体为Ethercat芯片或蓝牙芯片。本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：利用嵌入式微控制器创建的数据采集模块、多种传感器模块和数据处理模块，其中，所述数据采集模块用于采集多种传感器在通讯总线上的人体运动数据，并且完成数据的整理、综合和上传，所述多种传感器模块用于采集多种人体下肢运动数据传感器数据，包括惯性测量仪、角度编码器和足底压力分布传感器，所述数据处理模块用于接收数据收集和综合模块上传的数据，并进行人体步态分析。本专利技术实现了人体下肢运动状态的收集和分析，能够适应不同年龄侧面的体态，在保证系统稳定性和安全性的基础上，进一步提高系统的测量和分析精度，而且，本专利技术使用方便，结构简单。本专利技术利用了Ethercat的高实时性通信特点，克服了数据在每个连接点的复杂校验和处理过程，使得传感器与数据采集模块实现了实时通信。采用多接口的嵌入式微控制器作为数据采集模块克服了传感器类型多、传输量较大的困难，也极大降低了各个模块之间的耦合性和一体化硬件的成本，同时也增加了整个系统的可扩展性；针对人体行走姿态数据所需要的原始数据信息量大的问题，采用基于FPGA的模数转换模块，实现了人体足底压力分布的高帧率采集模式，同时也降低了嵌入式微控制器的引脚使用和计算负担；此外，由于采用的矩阵式足底压力传感器和角度编码传感器均为接触式传感器，其结果精度高，最终使得人体的步态指标分析和步态分析结果更精确和稳定。本专利技术提供的人体下肢步态分析系统方案为下肢可穿戴助力外骨骼产品的研发提供了大数据支持，特别是在该产品的设计研发阶段，在助力外骨骼产品设计阶段，人体下肢步态分析结果可以用于改善产品的结构设计和用户体验；在助力外骨骼产品的控制研发阶段，人体行走姿态分析可以为智能化的柔顺控制提供原始数据。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。图1是根据一示例性实施例示出的一种下肢外骨骼式步态分析系统总体结构图；图2是根据另一示例性实施例示出的一种下肢外骨骼式步态分析系统总体结构图；图3是根据一示例性实施例示出的矩阵式压力传感器模块结构示意图。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。为了能够采集老年人、腿部需要康复训练的人或者步态异常者的训练情况，并且能够提供快速便捷的使用体验和各种人群的适应性，外骨骼式步态分析系统应运而生。可穿戴性使得外骨骼式步态分析系统不但能够提供舒适的使用体验，还能够在最大程度上保证传感器定位的正确性和整体工作的可靠性。图1是根据一示例性实施例示出的一种下肢外骨骼式步态分析系统总体结构图，包括：本专利技术的主要结构由通信连接的数据采集模块1、数据处理模块2和若干个传感器模块3；其中，所述数据采集模块1，用于采集所述若干个传感器模块分别在通讯总线上的人体运动数据，完成数据的整理、综合，并将结果发送至数据处理模块；所述若干个传感器模块3，用于分别采集多种人体下肢运动数据传感器数据并通过通讯总线发送；所述数据处理模块2，用于接收数据采集模块上传的数据，并进行人体步态分析。具体的，所述若干个传感器模块3，包括若干个角度编码器模块31、若干个矩阵式压力传感器模块32和若干个惯性测量单元33；其中，所述角度编码器模块31，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；所述惯性测量单元33，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部和足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；所述矩阵式压力传感器模块32，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息。其中，所述数据采集模块1采用嵌入式微控制器作为主运算芯片，使用LAN芯片与数据分析模块连接，用以将融合后的传感器数据上传至数据分析模块2；在嵌入式微控制器内部建立Ethercat从站，与数据分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，包括：通信连接的数据采集模块、数据处理模块和若干个传感器模块；其中，所述数据采集模块，用于采集所述若干个传感器模块分别在通讯总线上的人体运动数据，完成数据的整理、综合，并将结果发送至数据处理模块；所述若干个传感器模块，用于分别采集多种人体下肢运动数据传感器数据并通过通讯总线发送；所述数据处理模块，用于接收数据采集模块上传的数据，并进行人体步态分析。

【技术特征摘要】
1.一种下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，包括：通信连接的数据采集模块、数据处理模块和若干个传感器模块；其中，所述数据采集模块，用于采集所述若干个传感器模块分别在通讯总线上的人体运动数据，完成数据的整理、综合，并将结果发送至数据处理模块；所述若干个传感器模块，用于分别采集多种人体下肢运动数据传感器数据并通过通讯总线发送；所述数据处理模块，用于接收数据采集模块上传的数据，并进行人体步态分析。2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述若干个传感器模块，包括若干个角度编码器模块、若干个矩阵式压力传感器模块和若干个惯性测量单元；其中，所述角度编码器模块，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；所述惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部和足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；所述矩阵式压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息。3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述系统还包括：数据显示模块，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡凯翔，
申请(专利权)人：上海博灵机器人科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海,31