可穿戴下肢姿态跟踪与步态划分一体化设备

1.本实用新型涉及的是康复器械领域的技术，具体公开了一套可穿戴下肢姿态跟踪与步态划分一体化设备。


背景技术：

2.运动损伤后的下肢康复，是一个动态的复杂过程。康复训练效果好坏将直接影响伤患日后的生活质量。在康复训练过程当中，及时监测获取下肢运动信息，实现姿态跟踪和步态分析，有助于进行下一步诊疗，提升训练效果。下肢姿态跟踪是指对伤患训练过程当中，下肢各个重要关节角度的实时跟踪获取，根据关节活动范围来判断是否存在关节运动障碍。步态划分则是在此基础上对伤患行走过程进行周期划分，通过各周期的步态特征可有效判断伤患步态是否正常。然而，现有的此类监测设备大多基于多相机视觉系统以及压感测力台，体积庞大，设备笨重，难以应用到居家和社区康复训练场景。


技术实现要素：

3.本实用新型针对现有监测设备体积庞大，设备笨重的缺陷，提出一套可穿戴下肢姿态跟踪与步态划分一体化设备，其具有结构轻便，易于使用的优点，适用于居家社区下肢康复训练。本实用新型通过轻量化的传感器壳体结构设计，实现便携可穿戴特性，同时通过多仓位标定盒的结构设计实现多传感器姿态标定对齐功能，提升监测准确度。本设备因其便携易用，准确度高的优势，可在医院外社区或居家场景下执行下肢康复训练监测任务，满足伤患日常康复训练需求，同时有利于推行分级医疗，缓解医院康复医疗资源紧缺的现状。
4.本实用新型通过如下技术方案实现：
5.本实用新型包括：可穿戴设备壳体、用于进行多个惯导传感器之间的姿态标定与对齐的多仓位标定盒以及用于采集伤患康复训练过程当中下肢的实时姿态传感数据进行姿态跟踪与步态划分的惯导数据采集电路，其中：惯导数据采集电路装配在可穿戴设备壳体内部。
6.所述的可穿戴设备壳体包括：外壳顶盖、外壳底座以及设置于其间的双层pcb板，其中：外壳顶盖与外壳底座通过对应位置螺纹孔装配，外壳顶盖上设有顶盖立柱用于固定双层pcb 板，从而限制传感器相对于外壳之间的运动，防止对下肢运动测量造成干扰。
7.所述的外壳底座的侧壁设有底座开关槽、底座调试槽、底座充电口和底座指示灯开口。
8.所述的多仓位标定盒包括：标定盒顶盖、标定盒底座、标定盒仓位以及充电接头，其中：标定盒底座为多个空腔并排结构，每个标定盒仓位分别设置于对应的空腔内，充电接头对应设置于每个标定盒仓位下。
9.所述的惯导数据采集电路包括：双层pcb板和设置于其上的九轴惯导芯片、嵌入式单片机、采集指示灯、电池组件以及wi-fi传输芯片，其中：嵌入式单片机分别与九轴惯导芯片、采集指示灯、电池组件以及wi-fi传输芯片相连。
附图说明
10.图1为可穿戴设备壳体示意图；
11.图中：1外壳顶盖、2顶盖立柱、3外壳底座、4底座开关槽、5底座调试槽、6底座充电口、7底座指示灯开口、8底座绑带开槽、9双层pcb板；
12.图2为多仓位标定盒示意图；
13.图中：10标定盒顶盖、11标定盒底座、12标定盒仓位、13充电接头。
14.图3a为九轴惯导芯片及其周边电路示意图；图3b为采集指示灯及其周边电路示意图；
15.图3c为电池组件及其周边电路示意图；图3d为嵌入式单片机及其周边电路示意图；14九轴惯导芯片、15嵌入式单片机、16采集指示灯、17电池组件、18wi-fi传输芯片。
具体实施方式
16.本实施例涉及一种可穿戴下肢姿态跟踪与步态划分一体化设备，包括：可穿戴设备壳体、用于进行多个惯导传感器之间的姿态标定与对齐的多仓位标定盒以及用于采集伤患康复训练过程当中下肢的实时姿态传感数据进行姿态跟踪与步态划分的惯导数据采集电路，其中：惯导数据采集电路装配在可穿戴设备壳体内部。
17.所述的可穿戴设备壳体包括：外壳顶盖1、外壳底座3以及设置于其间的双层pcb板 9，其中：外壳顶盖1与外壳底座3通过对应位置螺纹孔装配，外壳顶盖1上设有顶盖立柱2 用于固定双层pcb板9，从而限制传感器相对于外壳之间的运动，防止对下肢运动测量造成干扰。
18.所述的外壳底座3的侧壁设有底座开关槽4、底座调试槽5、底座充电口6和底座指示灯开口7，其中：开关槽4将设备的拨动开关柄暴露在外，用户通过开关可直接操控电池与设备之间电源线路的通断；调试槽5将设备上嵌入式单片机的调试引脚暴露在外；充电口6将电池上的micro usb母头充电口暴露在外，当设备放入标定盒仓位上的公头充电接口，就可以实现锂电池的充电；指示灯开口7将采集指示灯和传输指示灯暴露在外，用户可根据指示灯的亮灭来判断设备传感器以及wi-fi芯片是否正常工作；底座两侧开槽8安装绑带，用户可通过绑带将本设备固定在下肢肢体上进行康复训练数据采集，实现便捷可穿戴特性。
19.如图2所示，所述的多仓位标定盒包括：标定盒顶盖10、标定盒底座11、标定盒仓位 12以及充电接头13，其中：标定盒底座11为多个空腔并排结构，每个标定盒仓位12分别设置于对应的空腔内，充电接头13对应设置于每个标定盒仓位12下。
20.所述的空腔上方预留螺纹孔与仓位上方耳片进行配合，实现仓位的固定。
21.所述的充电接头13通过电路连接到220v市电转dc 3.7v的电源适配器上；充电接头为micro usb公头，和设备上的母头充电口配对进行充电；用户可根据所需要标定的设备数量不同，自行对每个仓位进行安装和拆卸，方便使用。
22.所述的惯导数据采集电路包括：双层pcb板9和设置于其上的九轴惯导芯片14、嵌入式单片机15、采集指示灯16、电池组件17以及wi-fi传输芯片18，其中：嵌入式单片机15 分别与九轴惯导芯片14、采集指示灯16、电池组件17以及wi-fi传输芯片18相连。
23.如图3a所示，所述的九轴惯导芯片14型号为mpu9250，该芯片可获取陀螺仪、加速度计以及磁力计共九轴的传感信号，并通过互补滤波得到准确的姿态四元数信息，并将数
据通过iic总线发送至嵌入式单片机进行进一步处理。
24.如图3b所示，所述的采集指示灯16为红光发光二极管，通过gpio端口和嵌入式单片机连接。当传感器数据采集以及云端连接正常时，指示灯熄灭。当传感器数据采集状态异常，红灯闪烁。当wi-fi芯片与云端连接异常时，红灯常亮。
25.如图3c所示，所述的电池组件17采用型号为pzy-103450的dc 3.7v锂电池为各部件进行供电。
26.如图3d所示，所述的嵌入式单片机15采用stm32f103vet6来实现设备的整体控制逻辑，该单片机拥有最高72mhz的工作频率，可以满足本实施例的需求。
27.所述的wi-fi传输芯片18型号为esp32-d0wd-v3，该芯片通过uart串口与嵌入式单片机连接，获取嵌入式单片机下发的控制指令及处理后的传感器数据，将其传输上云，并接受云端反馈结果。
28.所述的双层pcb板9根据设备的电路连线要求进行设计加工，将惯导数据采集电路内部各组件焊接在上，实现电路连通。
29.与现有技术相比，本实用新型技术效果包括：
30.1、穿戴灵活，设备轻便，受环境影响程度低。对比常用的多相机视觉姿态跟踪系统及压感测力系统，本实用新型通过轻量化的传感器壳体结构设计，实现便携可穿戴特性，具有灵活轻量，便于使用的优势，且所采用的惯导传感器不受自然光源、相机视角、场地尺寸等因素影响，从而摆脱了环境限制，满足不同训练需求。
31.2、实时性强，准确度高，提高康复训练监测效果。本实用新型通过九轴惯导提供的四元数等信息进行下肢姿态和步态的实时采集处理，并通过所设计的标定盒进行多传感器位姿标定，得到更可靠的下肢运动传感数据，提高康复训练监测的准确度。
32.3、多设备灵活扩展，可衍生出新的康复应用场景。本实用新型利用多惯导传感器全面采集下肢运动数据，并可通过wi-fi芯片进行联网上云。患者在不同场景下进行训练后均能将数据上传云端处理，医生即可从云端及时获取训练结果。本实用新型有助于解决伤患人员在医院排队就医康复费时费力，社区或居家康复无法及时与医生沟通的痛点，有利于推行分级医疗策略，缓解医院康复医疗资源紧缺的现状。
33.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。