一种用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备及测量方法技术

一种用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备及测量方法，设备由一个微惯性传感器以及多块水凝胶集成，置于膝盖处，能够测量人体运动时的大腿、小腿姿态以及膝关节的角度。首先利用大腿姿态、水凝胶测量数据估计人体运动状态，而后根据运动约束条件，预测小腿姿态；微惯性测量膝关节角度采用互补滤波融合，再与水凝胶的角度测量值利用Kalman滤波器进行融合，获得准确关节角度。本发明专利技术仅采用一个微惯性传感器，有效避免了多传感器的对齐问题，同时水凝胶的辅助测量有助于减少惯性解算的累计误差，提高测量结果的准确性和稳定性。提高测量结果的准确性和稳定性。提高测量结果的准确性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备及测量方法


[0001]本专利技术属于人体运动监测领域，特别涉及一种用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备及测量方法。

技术介绍

[0002]人体下肢承担着人体移动的重要功能，包括走、跑、跳跃等，在复健过程中，监测下肢在运动过程中的姿态变化能为提供个性化理疗方案提供助力。基于光学的姿态跟踪，能够精准评估患者姿态，但使得患者活动空间受限，不仅如此，穿戴多个标记点也增加了评估过程的复杂性。因此，具有便携、可持续监测等特点的可穿戴传感器方案得到了市场青睐。目前主流穿戴方案是双惯性传感器。然而，多传感器的对齐误差、解算的累计误差、传感器位移、以及初始状态识别等诸多因素均会导致不可靠的测量结果。因此，引入其他测量手段进行多源信息融合是必要的。水凝胶材料表现出良好的导电性和机械性能，其弯曲
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伸展的电特性变化利于感知下肢的角度变化。利用水凝胶材料制成的角度感知传感器，利用辅助测量人体下肢运动姿态，能够减少惯性测量的误差，提升测量结果的可靠性与稳定性。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备，包括一个微惯性模块，水凝胶感知模块，无线信号传输模块以及中央信号处理模块；其特征在于，所述微惯性传感器采集腿部运动时的加速度和角速度信息；所述水凝胶感知模块为水凝胶阵列，感知运动时肢体的弯曲变化；所述无线信号传输模块包括信号接收模块和信号发送模块；所述中央信号处理模块用于初步信号处理，解算出欧拉角、四元数以及粗略膝关节角度。2.根据权利要求1所述的一种用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备，其特征在于，所述水凝胶感知模块包括A/D数模转换电路，将水凝胶形变的模拟信号转换为数字信号。3.根据权利要求1所述的一种用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备，其特征在于，所述中央信号处理模块的主控开发板为Arduino Nano 33 BLE，且搭载有微惯性芯片LSM9DS1和蓝牙5.0。4.根据权利要求1所述的一种用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备，其特征在于，所述中央信号处理模块的主控芯片为nRF52840。5.根据权利要求1
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4任意一项所述的用于腿部姿态估计的可穿戴单节点设备的测量方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤1：获取微惯性测量值以及粗略关节角度值；步骤2：估计人体运动模式以及腿部运动姿态；所述估计人体运动模式方法为：（1）水凝胶感知信息和微惯性加速度信息以m长度的滑动窗口截取，形成动作信号，第k时刻的动作信号长度从第（k
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m+1）时刻开始，记为：其中是 三轴加速度， 是三轴角速度，是四元数，是俯仰角，是横滚角， 是粗略的膝关节角度，进一步计算每列的特征信号，最终形成动作的特征集合，用于识别动作类型；（2）利用机器学习方法训练动作模型，进行分类；所述腿部运动姿态的估计方法为：（1）将设备穿戴完毕后，进行腿部关节轴识别，最小化方程：求解出关节轴参数，式中j为关节轴，其表达式为：，为俯仰角，为横滚角；为k时刻角速度值；（2）利用Elman神经网络对另一肢体的姿态进行测量，输入为：
输出为：式中，为小腿的横滚角和俯仰...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳媛，杨浩然，王慧青，朱利丰，王海宁，况余进，伊洋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：