一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法，系统包括机械骨架，所述的机械骨架包括从上至下的腰部支架（1）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）、踝关节连杆（4）和智能鞋（5）；所述的腰部支架（1）的背部设置有主控盒（6），所述的主控盒（6）、大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上均设置有姿态仪（7）；所述的大腿连杆（2）、小腿连杆（3）上设置有节点板（8）；所述的大腿连杆（2）、小腿连杆（3）、踝关节连杆（4）分别设置有编码器（9）。本发明用于实时精确测量穿戴者在穿上外骨骼机器人行走过程中下肢各个关节角度和脚底压力分布情况，判定外骨骼是否处于稳定行走状态以及评测穿戴者当前的健康状况。
【专利说明】
一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种涉及可穿戴康复医疗领域，尤其涉及一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法。
【背景技术】
[0002]人体在行走过程中，各个关节和肌肉在相应控制中枢的协调下共同完成相应的动作，同时，也会对外界输出许多的信息，如髋关节、膝关节、踝关节的转动角度，大腿、小腿的机电信号，脚部各个主要位置承受的压力等。这些信息特征在一定程度上能反映一个人的运动习惯、身体健康状况等因素，对这些信息的检测、分析具有重要的医学价值。例如，在运动康复领域，利用可穿戴数据采集系统采集、分析这些数据能得知下肢残疾患者近期运动时的步态和运动稳定性等信息，从而能评估近期运动恢复情况，同时，在医疗方面，可穿戴数据采集系统也能有效减少护理人员对患者的长时间陪同守候。在帮助运动能力较弱的老年人方面，此系统能帮助老人承受一定的负重，使老人运动更加方便，对运动时下肢数据的采集分析，预防某些疾病如糖料病的发生，提高老年人的生活质量。
[0003]现有的人体运动数据采集方法有视觉方法或基于惯性器件的方法等，视觉方法往往需要一组摄像头对贴于人体的标定点进行跟踪测量，采用这种方法的缺点是贴点过程繁琐，需要对人体肌肉关键部位进行贴点，贴点时间长，其次是视觉设备一般是在室内进行跟踪测量，可移动性差，而且视觉系统价格昂贵，一般只有医院或者康复机构才有此种设备。公开号为CN 104463108 A的专利介绍了一种单目实时目标识别及位姿测量方法，通过将得到的场景的特征点数据与目标图像的特征进行匹配完成姿态测量，确定位置，但此方法计算量很大。公开号为CN 205163082 U的专利介绍了一种用于采集人体运动状态数据的可穿戴设备，通过在第一和第二绑带内设置电容环，第一绑带测量大腿的电容信号，第二绑带测量小腿的电容信号，然后对电容信号进行处理，从而采集人体下肢运动状态数据，但是此方法电容环易受到人体状况的影响，如人体运动的汗液等。公开号为CN 104757976 A的专利介绍了一种基于多传感融合的人体步态分析方法和系统，该系统通过惯性传感器件测量人体行走过程中的数据，但是该系统不能测量人体行走过程中足底各部分的压力情况。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统及其方法，用于实时精确测量穿戴者在穿上外骨骼机器人行走过程中下肢各个关节角度和脚底压力分布情况，该系统在外骨骼机器人智能鞋足底安装有压力传感器用于采集人体在行走过程中足底的压力分布情况;在背部、大腿、小腿处安装有姿态仪，用于测量在行走过程中人体上身躯干、大腿、小腿的俯仰、横滚和偏航角；在髋关节、膝关节、踝关节处安装有编码器，用于测量人体在行走过程中髋关节、膝关节、踝关节的转动角度。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，它包括机械骨架，所述的机械骨架包括从上至下的腰部支架、大腿连杆、小腿连杆、踝关节连杆和智能鞋;所述的腰部支架的背部设置有主控盒，所述的主控盒、大腿连杆、小腿连杆上均设置有姿态仪，用于测量俯仰、横滚和偏航角;所述的大腿连杆、小腿连杆上设置有节点板;所述的大腿连杆、小腿连杆、踝关节连杆分别对应于人体髋关节、膝关节、踝关节的位置上分别设置有编码器，采集外骨骼在行走过程中髋关节、膝关节和踝关节的转动角度，髋关节和膝关节处的编码器分别由大腿连杆和小腿连杆上节点板控制，踝关节处的编码器由智能鞋控制;所述的主控盒包括主控板、电源和基站，所述的基站用于接收姿态仪、节点板和智能鞋的数据，保存所述数据或将数据上传至PC上位机;所述的智能鞋包括多个压力传感器和压力信息采集电路板，所述的压力信息采集电路板控制每个压力传感器和踝关节处的编码器完成采样工作，并计算出每个压力传感器的压力大小、整个脚部的压力中心以及踝关节转动的角度，通过CAN总线将数据传给基站。
[0006]所述的腰部支架、大腿连杆、小腿连杆上均设置有用于绑缚穿戴者与机械骨架的绑缚安装件，智能鞋中部靠后位置设置有用于绑缚穿戴者与智能鞋的能量带。
[0007]所述的姿态仪包括多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器、MCU、数据显示模块、RTC实时时钟模块、电源和无线模块，所述的多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器、数据显示模块、RTC实时时钟模块、电源和无线模块均与MCU连接;所述的多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器组成传感器阵列，利用多传感器多冗余精确测量俯仰、横滚和偏航角;所述的数据显示模块用于显示当前姿态，即显示姿态仪的俯仰、横滚、偏航角;所述的RTC实时时钟模块为姿态仪提供时间基准，通过将测量的数据与时间对应，能与视频图像相结合，便于分解分析在各个行走动作下所对应的数据;所述的无线模块能将姿态仪所测得的各个数据传给数据接收基站；所述的电源为姿态仪提供稳定电压，保证各个模块的功率需求。
[0008]所述的数据显示模块为OLED模块。
[0009]所述的传感器阵列为7*7阵列。
[0010]所述的智能鞋从上至下依次包括金属板、中间橡胶板和底层橡胶板，各板之间通过铆钉连接;所述的金属板上设置有能量带，用于绑缚穿戴者与智能鞋;所述的底层橡胶板上层开设有圆柱形沉孔，用于放置导压橡胶垫，N个压力传感器安装于中间橡胶板和导压橡胶垫之间;压力信息采集电路板放置于金属盒中，金属盒与金属板通过螺钉连接。
[0011 ]所述的主控盒、大腿连杆、小腿连杆设置有保护外壳。
[0012]如所述的系统的方法，包括以下步骤:
SI:系统上电，等待电压稳定后开始工作；
S2:初始化阶段:对左右脚的压力传感器采样一定次数，求得压力传感器的零偏值，在之后的行走过程中，消去压力传感器的零偏值;编码器采样一定次数，求得编码角度的零偏值，在标定编码器零刻度位置时消去零偏值;姿态仪传感器采样一定次数，求得姿态仪各个数据的零偏，在以后的姿态仪角度计算中消去零偏值；
S3:数据采集:
在一个循环中，左右脚压力传感器在采压电路的控制下采样η次，通过高通和低通滤波处理，然后求η次采样的均值，将均值带入压力传感器标定函数求得一个循环中的压力传感器的数据值，通过N个压力传感器的数据，利用零力矩法进而求得脚部压力在水平面内的压力中心;其中，左右脚压力传感器单独工作，互不影响； 在一个循环中，髋关节、膝关节和踝关节处的编码器分别采样η次，通过高通和低通滤波处理，求得η次采样数据的均值，并以此均值作为髋关节、膝关节和踝关节在行走过程中所转动的角度;其中，当编码器处于零度位置时，以此位置作为基准，消除姿态仪的求俯仰、横滚和偏航角度时积分累计误差；
在一个循环中，姿态仪加速计、陀螺仪和地磁传感器分别采样η次，通过互补滤波分别求得三种传感器的均值，然后通过卡尔曼滤波求得在行走过程中，外骨骼大腿和小腿的俯仰、横滚和偏航角，通过对行走过程中大腿和小腿的俯仰、横滚、偏航角的分析，能够得知外骨骼的步态信息；
S4:数据分析:根据求得的压力中心的位置判定外骨骼是否处于稳定行走状态;同时根据步态信息，反映穿戴者的部分生理特征，通过医学数据对比，评测穿戴者当前的健康状况。
[0013]当外骨骼竖直站立时，将编码器的角度标定为O度，当大腿或小腿向前摆动时编码器角度增加为正，当大腿或小腿向后摆动时，编码器增加角度为负。
[0014]本发明的有益效果是:
1)在外骨骼机器人足底嵌入多个压力传感器，构成传感器阵列，利用传感器阵列测量在行走过程中足底的压力分布情况，并将压力分布情况上传致数据接收基站，基站再将数据传致PC上位机绘制足底压力分布图；
2)在背部、大腿、小腿处安装姿态仪，姿态仪能够测量人体躯干、大腿、小腿在行走过程中的俯仰、横滚、偏航角，通过这些数据分析人体在行走过程中步态情况和各关节的转动情况；
3)在髋关节、膝关节、踝关节处安装有绝对编码器，测量在行走过程中髋关节、膝关节、踝关节的转动角度，此角度能与姿态仪的角度进行对比，对其进行校正和补偿。
【附图说明】
[0015]图1为本发明结构方框图；
图2为传感器阵列示意图；
图3为姿态仪电路板结构框图；
图4为智能鞋结构图；
图5为本发明方法流程图；
图中，1-腰部支架，2-大腿连杆，3-小腿连杆，4-踝关节连杆，5-智能鞋，6-主控盒，7-姿态仪，8-节点板，9-编码器，10-绑缚安装件，11-能量带，12-保护外壳，13-压力传感器，14-金属板，15_中间橡胶板，16-底层橡胶板，17-铆钉，18-沉孔，19-导压橡胶垫，20-金属盒。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案:
如图1所示，一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，它包括机械骨架，所述的机械骨架包括从上至下的腰部支架1、大腿连杆2、小腿连杆3、踝关节连杆4和智能鞋5;所述的腰部支架I的背部设置有主控盒6，所述的主控盒6、大腿连杆2、小腿连杆3上均设置有姿态仪7，用于测量俯仰、横滚和偏航角;所述的大腿连杆2、小腿连杆3上设置有节点板8;所述的大腿连杆2、小腿连杆3、踝关节连杆4分别对应于人体髋关节、膝关节、踝关节的位置上分别设置有编码器9，采集外骨骼在行走过程中髋关节、膝关节和踝关节的转动角度，髋关节和膝关节处的编码器9分别由大腿连杆2和小腿连杆3上节点板8控制，踝关节处的编码器9由智能鞋5控制;所述的主控盒6包括主控板、电源和基站，所述的基站用于接收姿态仪7、节点板8和智能鞋5的数据，保存所述数据或将数据上传至PC上位机;所述的智能鞋5包括多个压力传感器13和压力信息采集电路板，所述的压力信息采集电路板控制每个压力传感器13和踝关节处的编码器9完成采样工作，并计算出每个压力传感器13的压力大小、整个脚部的压力中心以及踝关节转动的角度，通过CAN总线将数据传给基站。
[0017]所述的腰部支架1、大腿连杆2、小腿连杆3上均设置有用于绑缚穿戴者与机械骨架的绑缚安装件10，智能鞋5中部靠后位置设置有用于绑缚穿戴者与智能鞋5的能量带11。
[0018]如图3所示，所述的姿态仪7的电路板主要由微控制器、电源、无线模块、串口、CAN口、OLED模块、RTC模块、传感器阵列构成。整个电路板在MCU的控制下实现各个功能；电源部分为电路板提供稳定的5.0V和3.3V电压，保证各个模块的功率需求;无线模块将姿态仪所测量得出的俯仰、横滚、偏航角及其他数据发送出去，采用无线的方式能避免牵线带来的不方便，使得姿态仪可以作为一个相对独立的模块用在其他方面；串口用于给姿态仪下载程序和在线调试，便于姿态仪的初期研发工作;CAN 口能保证姿态仪用在其他方面时与其他的外挂模块实现远距离通信;OLED模块能显示姿态仪的俯仰、横滚、偏航角及电量等信息，能通过OLED显示屏直接读出姿态仪的信息，有效避免显示信息时对PC上位机的过渡依赖;RTC时钟模块能为姿态仪提供时间参考，通过设置时间，使姿态仪的运行时间与日常生活用北京时间同步，这样可以与摄像机结合，拍摄外骨骼行走时的图像，将图像信息与姿态仪数据在时间上相匹配，便于图像与数据的联合分析。
[0019]其中加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器选用封装体积小的MEMS器件。
[0020]所述的数据显示模块为OLED模块。
[0021]如图2所示，所述的传感器阵列为7*7阵列。图中黑色小方块代表传感器，本系统采用多个传感器组成传感器阵列，具体的传感器数量由微处理器的执行能力和系统所需要的采样频率及精度决定，如果传感器的数量太大，姿态仪的响应频率就会降低，本发明中采用7x7阵列，但是因注意的是，本发明的涉及范围不仅仅是7x7阵列范围，本系统由于采用了传感器阵列，所测量的俯仰、横滚、偏航角具有很高的精度。
[0022]如图4所示，所述的智能鞋5从上至下依次包括金属板14、中间橡胶板15和底层橡胶板16，各板之间通过铆钉17连接;所述的金属板14上设置有能量带11，用于绑缚穿戴者与智能鞋5;所述的底层橡胶板16上层开设有圆柱形沉孔18，用于放置导压橡胶垫19，N个压力传感器13安装于中间橡胶板15和导压橡胶垫19之间;压力信息采集电路板放置于金属盒20中，金属盒20与金属板14通过螺钉连接。
[0023]多个压力传感器阵列式分布在足底主要受力部位，压力信息采集电路对每个压力传感器13输出的电信号进行放大和解算，计算出各个区域的压力大小和压力中心，并将数据传给基站，再将数据传给PC上位机，便于上位机直观显示外骨骼足底受力及重心变化情况，压力信息采集电路板由金属盒20固定，安装在足底中部区域，避免在行走过程中，电路板因挤压而损坏。
[0024]所述的主控盒6、大腿连杆2、小腿连杆3设置有保护外壳12。
[0025]如图5所示，所述的系统的方法，包括以下步骤:
SI:系统上电，等待电压稳定后开始工作；
S2:初始化阶段:对左右脚的压力传感器13采样一定次数，求得压力传感器13的零偏值，在之后的行走过程中，消去压力传感器13的零偏值;编码器9采样一定次数，求得编码角度的零偏值，在标定编码器9零刻度位置时消去零偏值;姿态仪7传感器采样一定次数，求得姿态仪7各个数据的零偏，在以后的姿态仪7角度计算中消去零偏值；
S3:数据采集:
I在一个循环中，左右脚压力传感器13在采压电路的控制下采样η次，通过高通和低通滤波处理，然后求η次采样的均值，将均值带入压力传感器13标定函数求得一个循环中的压力传感器13的数据值，通过N个压力传感器13的数据，利用零力矩法进而求得脚部压力在水平面内的压力中心;其中，左右脚压力传感器13单独工作，互不影响；
2在一个循环中，髋关节、膝关节和踝关节处的编码器9分别采样η次，通过高通和低通滤波处理，求得η次采样数据的均值，并以此均值作为髋关节、膝关节和踝关节在行走过程中所转动的角度;其中，当编码器9处于零度位置时，以此位置作为基准，消除姿态仪7的求俯仰、横滚和偏航角度时积分累计误差；
3在一个循环中，姿态仪7加速计、陀螺仪和地磁传感器分别采样η次，通过互补滤波分别求得三种传感器的均值，然后通过卡尔曼滤波求得在行走过程中，外骨骼大腿和小腿的俯仰、横滚和偏航角，通过对行走过程中大腿和小腿的俯仰、横滚、偏航角的分析，能够得知外骨骼的步态信息；
S4:数据分析:根据求得的压力中心的位置判定外骨骼是否处于稳定行走状态;同时根据步态信息，反映穿戴者的部分生理特征，通过医学数据对比，评测穿戴者当前的健康状况。对于运动康复患者来说，能得知患者当前一段时间的恢复状况，能为医生给患者制定运动康复方案是提供一定的依据。同时，通过背部、大腿、小腿处姿态仪的俯仰、横滚和偏航角能求得在行走过程中外骨骼髋关节、膝关节转动的角度。
[0026]当外骨骼竖直站立时，将编码器9的角度标定为O度，当大腿或小腿向前摆动时编码器9角度增加为正，当大腿或小腿向后摆动时，编码器9增加角度为负。
【主权项】
1.一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于:它包括机械骨架，所述的机械骨架包括从上至下的腰部支架(I)、大腿连杆(2)、小腿连杆(3)、踝关节连杆(4)和智能鞋(5);所述的腰部支架(I)的背部设置有主控盒(6)，所述的主控盒(6)、大腿连杆(2)、小腿连杆(3)上均设置有姿态仪(7)，用于测量俯仰、横滚和偏航角;所述的大腿连杆(2)、小腿连杆(3)上设置有节点板(8);所述的大腿连杆(2)、小腿连杆(3)、踝关节连杆(4)分别对应于人体髋关节、膝关节、踝关节的位置上分别设置有编码器(9)，采集外骨骼在行走过程中髋关节、膝关节和踝关节的转动角度，髋关节和膝关节处的编码器(9)分别由大腿连杆(2)和小腿连杆(3)上节点板(8)控制，踝关节处的编码器(9)由智能鞋(5)控制;所述的主控盒(6)包括主控板、电源和基站，所述的基站用于接收姿态仪(7)、节点板(8)和智能鞋(5)的数据，保存所述数据或将数据上传至PC上位机;所述的智能鞋(5)包括多个压力传感器(13)和压力信息采集电路板，所述的压力信息采集电路板控制每个压力传感器(13)和踝关节处的编码器(9)完成采样工作，并计算出每个压力传感器(13)的压力大小、整个脚部的压力中心以及踝关节转动的角度，通过CAN总线将数据传给基站。2.根据权利要求1所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于:所述的腰部支架(I)、大腿连杆(2)、小腿连杆(3)上均设置有用于绑缚穿戴者与机械骨架的绑缚安装件(10)，智能鞋(5)中部靠后位置设置有用于绑缚穿戴者与智能鞋(5)的能量带(Il)03.根据权利要求1所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于:所述的姿态仪(7)包括多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器、MCUJi据显示模块、RTC实时时钟模块、电源和无线模块，所述的多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器、数据显示模块、RTC实时时钟模块、电源和无线模块均与MCU连接;所述的多个三轴加速度传感器、多个三轴陀螺仪多个三轴地磁传感器组成传感器阵列，利用多传感器多冗余精确测量俯仰、横滚和偏航角;所述的数据显示模块用于显示当前姿态，即显示姿态仪(7)的俯仰、横滚、偏航角;所述的RTC实时时钟模块为姿态仪(7)提供时间基准，通过将测量的数据与时间对应，能与视频图像相结合，便于分解分析在各个行走动作下所对应的数据;所述的无线模块能将姿态仪(7)所测得的各个数据传给数据接收基站;所述的电源为姿态仪(7)提供稳定电压，保证各个模块的功率需求。4.根据权利要求3所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于:所述的数据显示模块为OLED模块。5.根据权利要求3所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于:所述的传感器阵列为7*7阵列。6.根据权利要求1所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于:所述的智能鞋(5)从上至下依次包括金属板(14)、中间橡胶板(15)和底层橡胶板(16)，各板之间通过铆钉(17)连接;所述的金属板(14)上设置有能量带(11)，用于绑缚穿戴者与智能鞋(5);所述的底层橡胶板(16)上层开设有圆柱形沉孔(18)，用于放置导压橡胶垫(19)，N个压力传感器(13)安装于中间橡胶板(15)和导压橡胶垫(19)之间;压力信息采集电路板放置于金属盒(20)中，金属盒(20)与金属板(14)通过螺钉连接。7.根据权利要求1所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统，其特征在于:所述的主控盒(6 )、大腿连杆(2 )、小腿连杆(3 )设置有保护外壳(12 )。8.如权利要求1?7中任意一项所述的一种基于多传感融合的可穿戴数据采集系统的方法，其特征在于:包括以下步骤: SI:系统上电，等待电压稳定后开始工作； S2:初始化阶段:对左右脚的压力传感器(13)采样一定次数，求得压力传感器(13)的零偏值，在之后的行走过程中，消去压力传感器(13)的零偏值;编码器(9)采样一定次数，求得编码角度的零偏值，在标定编码器(9)零刻度位置时消去零偏值;姿态仪(7)传感器采样一定次数，求得姿态仪(7)各个数据的零偏，在以后的姿态仪(7)角度计算中消去零偏值； S3:数据采集: (1)在一个循环中，左右脚压力传感器(13)在采压电路的控制下采样η次，通过高通和低通滤波处理，然后求η次采样的均值，将均值带入压力传感器(13)标定函数求得一个循环中的压力传感器(13)的数据值，通过N个压力传感器(13)的数据，利用零力矩法进而求得脚部压力在水平面内的压力中心;其中，左右脚压力传感器(13)单独工作，互不影响； (2)在一个循环中，髋关节、膝关节和踝关节处的编码器(9)分别采样η次，通过高通和低通滤波处理，求得η次采样数据的均值，并以此均值作为髋关节、膝关节和踝关节在行走过程中所转动的角度;其中，当编码器(9)处于零度位置时，以此位置作为基准，消除姿态仪(7)的求俯仰、横滚和偏航角度时积分累计误差； (3)在一个循环中，姿态仪(7)加速计、陀螺仪和地磁传感器分别采样η次，通过互补滤波分别求得三种传感器的均值，然后通过卡尔曼滤波求得在行走过程中，外骨骼大腿和小腿的俯仰、横滚和偏航角，通过对行走过程中大腿和小腿的俯仰、横滚、偏航角的分析，能够得知外骨骼.的步态ig息； S4:数据分析:根据求得的压力中心的位置判定外骨骼是否处于稳定行走状态；同时根据步态信息，反映穿戴者的部分生理特征，通过医学数据对比，评测穿戴者当前的健康状况。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:当外骨骼竖直站立时，将编码器(9)的角度标定为O度，当大腿或小腿向前摆动时编码器(9)角度增加为正，当大腿或小腿向后摆动时，编码器(9)增加角度为负。
【文档编号】A61B5/00GK106037753SQ201610526747
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】邓清龙, 邱静, 林西川, 郑晓娟, 陈晔
【申请人】电子科技大学