一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统，包含足部振动控制模块、肌电信号采集模块、信号预处理模块、无线收发模块和上位机模块。所述足部振动控制模块包含了足底压力传感器和微型振动器；肌电信号采集模块包含肌电信号前端调理模块、人体运动姿态传感器。无线收发模块包含集群收发模块和无线模组；本发明专利技术通过无线通信实时地传输给上位机，控制微型振动器对足底施加机械的振动刺激，进行足部振动康复。能够实时地显示人体下肢的肌肉电信号、运动的姿势和足底压力的变化，研究足部振动对人体下肢姿态的影响，可根据人体姿态、足底压力和肌肉电信号的变化，实时地调整足底的振动刺激，达到优化的足部康复训练的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统
本专利技术涉及到医学康复工程领域，具体是涉及一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统。
技术介绍
近年来，振动刺激作为一种物理康复治疗手段在康复医学及运动医学中被广泛应用。其具有安全性高、重复性强、舒适性好、非侵入式等优点。在老年人、神经损伤患者的康复中也逐渐得到应用。有助于提高人体的肌肉力量和人体平衡能力。但是足部振动刺激的效果由于受振动特性、频率、振幅以及振动强度、频次、间歇时间等众多因素的影响，其作用的机制比较复杂。大多数临床研究者采用随意的振幅和频率，具有摸索性，尚未形成适宜的振动刺激的条件，并且由于个体吸收振动的差异、个体心理承受的差异也会影响振动刺激的临床应用。因此，对于不同的患者无法形成一套统一标准的振动康复疗程。同样振动刺激在运动员的训练中也得到广泛的应用，能够刺激人体肌肉的本体感受器，增强人体中枢神经系统的协调能力。但是由于个体的差异，不同的个体的最有效的振动刺激条件是不同的。大多数情况都是根据人体主观的感受或者以往的经验去调整振动刺激条件，振动训练的效果无法达到最佳。目前市场上振动康复产品占地面积较大，价格比较昂贵，而且其振动康复训练的强度也是根据人体主观的感受去调整。目前大多数研究者主要以人体平衡指标、振动康复后肌肉力量强度以及人体姿势变化作为足部振动康复效果的指标。而这就需要实时采集振动刺激过程中，人体的肌电信号和人体姿势的变化。而目前市场上产生振动刺激以及采集人体肌电信号和人体姿势变化的设备都比较昂贵，并且功能单一，无法准确调整合适的振动刺激条件，从而更有效的进行康复的训练。
技术实现思路
为了克服上述现有技术，本专利技术提出了一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统。其可以为足部提供振动刺激，并通过2.4～2.5GHz的IMS频段向上位机无线传输足部压力、人体下肢运动姿态、表面肌电信号等数据，通过PC端的上位机处理数据，显示人体下肢姿势，肌肉力、足部压力的变化，实时的检测足部振动康复的效果，及时地调整振动刺激的条件，以达到更有效的康复训练。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统，其特征在于，包含足部振动控制模块、肌电信号采集模块、信号预处理模块、无线收发模块和上位机模块；所述足部振动控制模块，包含了足底压力传感器和微型振动器；所述足底压力传感器，用于检测对足底施加振动刺激时后足、前足和地面之间的压力所述微型振动器，用于在上位机模块的控制下对前、后足局部位置施加振动刺激；所述肌电信号采集模块，包含肌电信号前端调理模块和人体运动姿态传感器；所述肌电信号前端调理模块，用于采集表面的肌电信号，并对电信号进行放大、滤波、工频陷波信号处理；所述人体运动姿态传感器，用于检测振动刺激时人体大腿和小腿位置的姿态信息；所述姿态信息包括姿态角、角速度和加速度；所述信号预处理模块，用于对采集的压力信号和肌电信号进行A/D转化；解析上位机对微型振动器的指令；接收人体运动姿态传感器的姿态数据；为数据添加标识，整合数据，并通过nRF24L01模块与无线收发模块进行连接通信；所述无线收发模块，包含nRF24L01无线模组和集群收发模块；所述nRF24L01无线模组，用于和多个nRF24L01模块进行连接通信，传输数据；所述集群收发模块，用于处理高并发的数据接收和发送；所述上位机模块，包含串口通信模块、数据处理模块和数据显示存储模块所述串口通信，用于和无线收发模块进行连接通信，接收数据和发送控制微型振动控制器的指令；所述数据处理模块，用于处理所述人体姿态传感器采集的姿态数据，获取人体下肢膝关节角度和下肢姿态特征的信息，处理足部压力传感器和肌电信号前端调理模块采集的经A/D转换后的数据，获取肌肉力和足部压力的特征信息；所述数据显示存储模块，用于对人体下肢姿态信息实现三维图形显示，对于肌肉力和足部压力信息进行二维图形显示，并对人体下肢姿态、肌肉力和足部压力信息进行导出存储，便于后续的研究；作为优选，所述无线收发模块包括nRF24L01无线模组和集群收发模块，可同时进行多通道的数据采集和指令发送；所述上位机模块为PC机、超算、云平台或这移动终端；作为优选，所述肌电信号采集模块与第一块信号处理模块安装于可佩戴式的壳体内，能佩戴在人体下肢的大腿和小腿处，所述信号处理模块通过耳机插座与电极导线相连，电极导线通过按扣与电极片相连，电极片可根据需要贴在相应的肌肉上，同时壳体外部带有参考电极，能够以绑定位置的皮肤电势作为参考电极。同时所述肌电信号采集模块包含人体姿态传感器，可以采集佩戴位置的姿态信息；作为优选，所述足部振动控制模块与第二块信号处理模块安装于可佩戴式的壳体内，能固定于在鞋子表面。压力传感器和微型振动器位于前、后足，通过导线与所述信号处理模块相连；作为优选，所述可佩戴式的壳体内装有可拆卸式的5V1800mAh的锂电池能通过miroUSB公头给所述第一、二信号预处理模块、肌电信号采集模块和足部振动控制模块提供电源，并带有miroUSB母头的充电口；作为优选，所述无线收发模块移植有FreeROST操作系统，通过所述nRF24L01无线模组，能与多路nRF24L01模块进行连接通信，将采集的数据通过URAST串口传输给上位机模块；接收上位机模块发送的微型振动控制器的控制指令并通过所述RF24L01无线模组发送给信号预处理模块；作为优选，所述上位机模块可根据相应的标识，分割数据，对不同类型的数据采用不同处理方法。同时根据人体下肢的姿势、足部压力和肌电信号的变化，及时向所述足部振动控制模块下达指令，调整足部振动的位置和振动频率。以达到更好的振动康复效果。和现有技术相比，本专利技术的优点在于：基于单传感器的信息可以提供一定的人体下肢姿态信息，但是不能完整地表征足部振动刺激过程中，人体下肢的振动康复训练的状态。而在本专利技术中表面肌电信号能够反映对应肌肉的激活情况，可以反映足部振动刺激过程中，人体下肢肌肉力的变化，实时显示那一部分的肌肉得到训练；足底的压力信号可以检测足底和地面的受力情况，可以通过足部的受力分布，分析人体COP(压力中心)的变化。固定在大小腿处的人体姿态传感器，可以动态显示人体膝关节的关节角度及其运动状态。因此本专利技术中通过多传感器可以检测人体足部振动刺激的过程中康复训练情况。另外，本专利技术可以通过获取足部振动刺激过程人体下肢姿势、肌肉力和足部的压力参数，研究足部振动刺激对人体平衡的作用机理，同时微型振动器分布于足部的前、后足，可以对老年人，下肢运动障碍的患者进行一定的康复振动训练，对于运动员也可以提供振动训练，提高一定的运动技能。本专利技术中，信号基于无线模组进行传输，可以简化掉上位机和传感器之间的信号线，摆脱了线材的束缚，减少了振动康复训练过程中对训练效果的影响，使得数据的检测更加的便捷。此外除了传统的PC上位机外，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统，其特征在于，包含足部振动控制模块、肌电信号采集模块、信号预处理模块、无线收发模块和上位机模块；/n所述足部振动控制模块，包含足底压力传感器和微型振动器；/n所述足底压力传感器，用于检测对足底施加振动刺激时后足、前足和地面之间的压力所述微型振动器，用于在上位机模块的控制下对前、后足局部位置施加振动刺激；/n所述肌电信号采集模块，包含肌电信号前端调理模块和人体运动姿态传感器；/n所述肌电信号前端调理模块，用于采集表面的肌电信号，并对电信号进行放大、滤波、工频陷波的信号处理；/n所述人体运动姿态传感器，用于检测振动刺激时人体大腿和小腿位置的姿态信息；所述姿态信息包括姿态角、角速度和加速度；/n所述信号预处理模块，用于对采集的压力信号和肌电信号进行A/D转化；解析上位机对微型振动器的指令；接收人体运动姿态传感器的姿态数据；为数据添加标识，整合数据，并通过nRF24L01模块与无线收发模块进行连接通信；/n所述无线收发模块，包含nRF24L01无线模组和集群收发模块；/n所述nRF24L01无线模组，用于和多个nRF24L01模块进行连接通信，传输数据；/n所述集群收发模块，用于处理高并发的数据接收和发送；/n所述上位机模块，包含串口通信模块、数据处理模块和数据显示存储模块；/n所述串口通信模块，用于和无线收发模块进行连接通信，接收数据和发送控制微型振动控制器的指令；/n所述数据处理模块，用于处理所述人体姿态传感器采集的姿态数据，获取人体下肢膝关节角度和下肢姿态特征的信息，处理足部压力传感器和肌电信号前端调理模块采集的经A/D转换后的数据，获取肌肉力和足部压力的特征信息；/n所述数据显示存储模块，用于对人体下肢姿态信息实现三维图形显示，对于肌肉力和足部压力信息进行二维图形显示，并对人体下肢姿态、肌肉力和足部压力信息进行导出存储。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统，其特征在于，包含足部振动控制模块、肌电信号采集模块、信号预处理模块、无线收发模块和上位机模块；
所述足部振动控制模块，包含足底压力传感器和微型振动器；
所述足底压力传感器，用于检测对足底施加振动刺激时后足、前足和地面之间的压力所述微型振动器，用于在上位机模块的控制下对前、后足局部位置施加振动刺激；
所述肌电信号采集模块，包含肌电信号前端调理模块和人体运动姿态传感器；
所述肌电信号前端调理模块，用于采集表面的肌电信号，并对电信号进行放大、滤波、工频陷波的信号处理；
所述人体运动姿态传感器，用于检测振动刺激时人体大腿和小腿位置的姿态信息；所述姿态信息包括姿态角、角速度和加速度；
所述信号预处理模块，用于对采集的压力信号和肌电信号进行A/D转化；解析上位机对微型振动器的指令；接收人体运动姿态传感器的姿态数据；为数据添加标识，整合数据，并通过nRF24L01模块与无线收发模块进行连接通信；
所述无线收发模块，包含nRF24L01无线模组和集群收发模块；
所述nRF24L01无线模组，用于和多个nRF24L01模块进行连接通信，传输数据；
所述集群收发模块，用于处理高并发的数据接收和发送；
所述上位机模块，包含串口通信模块、数据处理模块和数据显示存储模块；
所述串口通信模块，用于和无线收发模块进行连接通信，接收数据和发送控制微型振动控制器的指令；
所述数据处理模块，用于处理所述人体姿态传感器采集的姿态数据，获取人体下肢膝关节角度和下肢姿态特征的信息，处理足部压力传感器和肌电信号前端调理模块采集的经A/D转换后的数据，获取肌肉力和足部压力的特征信息；
所述数据显示存储模块，用于对人体下肢姿态信息实现三维图形显示，对于肌肉力和足部压力信息进行二维图形显示，并对人体下肢姿态、肌肉力和足部压力信息进行导出存储。


2.如权利要求1所述的一种基于多传感器的人体下肢姿态采集及足底振动康复系统，其特征在于，无线收发模块包括nRF2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小军，梅剑峰，苗扬，杨小平，周顺业，申杰，刘佳迅，金一丹，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11