一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，包括实验环境模块、压电薄膜数据采集模块、IMU采集模块、数据传输模块和上位机模块；实验环境模块用于提供实验小鼠的活动场所；压电薄膜数据采集模块用于采集小鼠四足的压力信号；IMU采集模块用于采集小鼠的姿态信息；数据传输模块用于将压电薄膜数据采集模块采集的压力信号数据和IMU采集模块采集的姿态角数据进行打包并发送至上位机模块；上位机模块用于接收并处理相关数据，并实时显示和进行存储。本实用新型专利技术的步态行为分析系统，结构简单，成本低廉，使用便捷性好，可实现对小鼠步态进行精确测量，可为神经系统疾病研究提供重要参考依据，极具应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统


[0001]本技术属于动物行为学
，涉及一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统。

技术介绍

[0002]正常的行走过程是神经系统对肌肉进行协调控制的综合结果，而神经损伤会体现在不正常的步态行为上。因此大小鼠的精确步态研究对动物行为学、药物药性实验具有重要的意义。
[0003]目前常用于大小鼠步态的识别研究主要涉及图像处理领域和分析步态行为的装置研究领域。通过获取老鼠步态的视频数据，提取图像数据中，老鼠身体覆盖区域二值图像的轮廓信息进一步计算体转角，以及使用二值化算法提取足底光斑区域获取其足底压力分布。当然也有通过设计的跑台装置，用以分析老鼠步态行为。
[0004]现有技术通过视频获取老鼠步态的图像数据，对图像进行处理得到老鼠的姿态变化，但由于视频拍摄角度局限，无法近距离捕捉老鼠脚步和身体倾斜状态的变化，造成了对于评估老鼠在生理学实验中受药物影响不易察觉的身体抖动状态的识别障碍。同时现有技术存在实验环境采光不好导致视频拍摄清晰度不够，难以采集图像数据的局限。此外，跑台装置安装困难、价格昂贵且不可拆卸。
[0005]因此，开发一种成本低廉、结构简单且使用便捷性好的大小鼠步态行为分析装置极具现实意义。

技术实现思路

[0006]本技术的目的在于克服现有技术视频拍摄角度局限性强、实验环境采光较差、安装困难、价格昂贵且不可拆卸的缺陷，提供一种成本低廉、结构简单且使用便捷性好的大小鼠步态行为分析装置。本技术为测量老鼠步态，搭建简易实验箱环境，采用一种集三轴陀螺仪和三轴加速度计于一体的低功耗微处理器IMU，其不受环境昏暗和摄像机摆设角度的局限，且因其体型小可灵活固定在老鼠背部，输出经过传感器融合算法计算得到的旋转四元数及欧拉角，实时精确得到老鼠姿态数据，再结合压电薄膜捕捉实验箱中老鼠轨迹变化，可以对老鼠的步态行为进一步精确估计。
[0007]为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
[0008]一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，包括实验环境模块、压电薄膜数据采集模块、IMU采集模块、数据传输模块和上位机模块；
[0009]所述实验环境模块用于提供实验小鼠的活动场所；
[0010]所述压电薄膜数据采集模块用于采集小鼠四足的压力信号，提供小鼠的运动轨迹点变化；
[0011]所述IMU采集模块用于采集小鼠的姿态信息；
[0012]所述数据传输模块用于将所述压电薄膜数据采集模块采集的压力信号数据和IMU
采集模块采集的姿态角数据进行打包并发送至上位机模块；
[0013]所述上位机模块用于接收并处理相关数据，并实时显示和进行存储。
[0014]本技术的融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，分别通过IMU采集模块和压电薄膜数据采集模块采集小鼠的姿态信息和四足的压力信号(反映小鼠的运动轨迹点变化)，其不仅能够克服现有视频技术视频拍摄角度局限性强，受实验环境采光影响较大的缺陷，而且采集到的多种信息能够直观地反映小鼠步态行为，极具应用前景。
[0015]作为优选的技术方案：
[0016]如上所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，所述IMU采集模块包括相互连接的惯性测量单元及IMU单片机；
[0017]所述惯性测量单元用于采集小鼠的姿态信息；
[0018]所述IMU采集模块安装在安全带上通过安全带固定在老鼠背部，这样能够降低测量模块对小鼠的运动状态产生负担，对测量结果产生影响。
[0019]如上所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，所述惯性测量单元的型号为HI219型；所述IMU单片机(通过串口获取惯性测量单元采集的数据)的型号为stc15；
[0020]所述安全带内侧安有柔软护垫，以减少佩戴鼠的不适感，以免其步态与平时不一。本技术的保护范围并不仅限于此，此处仅给出一种可行的技术方案而已，选用的HI219型惯性测量单元具有成本低、性能高、体积小、延时低的特点。
[0021]对于压电薄膜数据采集模块，其具体是通过信号放大电路将压力信号转换为电压信号并进行滤波，而后通过一型号为stc15的低功耗单片机的AD采集口完成压电薄膜信号的采集。
[0022]如上所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，所述压电薄膜数据采集模块包括相互连接的压电薄膜阵列和压电薄膜单片机，所述压电薄膜阵列用于采集小鼠四足的压力信号。
[0023]如上所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，所述数据传输模块包括IMU通讯模块、压力薄膜通讯模块及上位机通讯模块；
[0024]所述IMU通讯模块与IMU单片机连接，用于接收所述惯性测量单元采集到的小鼠姿态角数据，IMU通讯模块与IMU采集模块固定在安全带上；
[0025]所述压力薄膜通讯模块与压电薄膜单片机连接，用于接收所述压电薄膜阵列采集到的压力数据；
[0026]所述上位机通讯模块与上位机模块连接；
[0027]所述上位机通讯模块分别与IMU通讯模块和压力薄膜通讯模块通讯连接，所述上位机通讯模块接收到IMU通讯模块和压力薄膜通讯模块发生的信息后将其发送至上位机模块。
[0028]如上所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，所述IMU通讯模块、压力薄膜通讯模块及上位机通讯模块的型号相同，均为WH
‑
BLE103低功耗蓝牙模块。
[0029]如上所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，所述上位机通讯模块通过USB接入所述上位机模块。在上位机模块中，通过安装在上位机模块上的上位机软件通过USB接口读取所采集到的数据，并可实时显示各姿态角信号，也可实现将数据写入
到csv格式的文件中，进行数据保存。
[0030]如上所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，所述实验环境模块包括一压力检测平面，所述压力检测平面布置有压电薄膜阵列、绝缘层、防水层和柔性材料。在实验环境模块中，为简易化实验环境，将压电薄膜阵列铺满实验箱底层，并在上面铺上绝缘层、防水层和柔性材料，构成压力检测平面，小鼠放置实验箱中即可进行数据采集。本技术的实验环境模块可灵活搭建，安装方便，成本低廉，应用前景好。
[0031]如上所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，所述实验环境模块为方筒状结构，所述方筒状结构的两开口侧设有封闭开口的透明盖(透明盖的存在能够避免小鼠跑出实验环境模块，实验人员通过透明盖可方便地观察实验环境模块内的小鼠)，所述方筒状结构的一内侧壁即为压力检测平面。本技术的保护范围并不仅限于此，其具体形状结构可根据实际情况进行设置。
[0032]使用本技术的融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统进行大小鼠基于压电信号和姿态角数据的步态识别的操作具体包括以下步骤(包括数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，其特征在于，包括实验环境模块、压电薄膜数据采集模块、IMU采集模块、数据传输模块和上位机模块；所述实验环境模块用于提供实验小鼠的活动场所；所述压电薄膜数据采集模块用于采集小鼠四足的压力信号，提供小鼠的运动轨迹点变化；所述IMU采集模块用于采集小鼠的姿态信息；所述数据传输模块用于将所述压电薄膜数据采集模块采集的压力信号数据和IMU采集模块采集的姿态角数据进行打包并发送至上位机模块；所述上位机模块用于接收并处理相关数据，并实时显示和进行存储。2.根据权利要求1所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，其特征在于，所述IMU采集模块包括相互连接的惯性测量单元及IMU单片机；所述惯性测量单元用于采集小鼠的姿态信息；所述IMU采集模块安装在安全带上通过安全带固定在老鼠背部。3.根据权利要求2所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，其特征在于，所述惯性测量单元的型号为HI219型；所述IMU单片机的型号为stc15；所述安全带内侧安有柔软护垫。4.根据权利要求2所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，其特征在于，所述压电薄膜数据采集模块包括相互连接的压电薄膜阵列和压电薄膜单片机，所述压电薄膜阵列用于采集小鼠四足的压力信号。5.根据权利要求4所述的一种融合IMU与压电薄膜的大小鼠步态行为分析系统，其特征在于，所述数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：范艺璇，阚秀，曹乐，王夏霖，金厚鑫，汪新坤，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：新型
国别省市：