人体三维本体感觉测试设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种人体测试设备，尤其涉及一种人体三维本体感觉测试设备。
【背景技术】
[0002] 在康复治疗中，临床医生往往将注意力集中到那些显而易见的问题，如肌力下降、 关节活动受限、肢体痉挛等，主要予以关节运动和肌力训练，而同样重要的本体感觉障碍却 常常被忽略。本体感觉障碍对综合运动功能恢复有很大的阻碍作用，应及时检查发现，并积 极进行本体感觉训练，以促进ADL能力恢复，提高生存质量。无论是在损伤后，还是在康复 进程中，都需要对本体感觉进行客观的评估，这是正确评判运动功能恢复的基础。
[0003] 在本体感觉康复设备中，训练装置较多，测评装置很少，如BIODEX多关节肌力测 试系统可以测试大关节的单轴本体感觉。但该设备价格昂贵，且不易移动，不能方便携带到 病房或康复大厅进行测试。而且不能对颈椎、腰椎和小关节，如手指关节进行测试，最主要 是等速设备进行的是某一关节的单轴本体感觉测试，而在现实生活和运动中，人体一般进 行的是三维空间里的三轴复合运动。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的：提供一种人体三维本体感觉测试设备，能方便、全面的测试人 体各关节三维本体感觉。
[0005] 为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
[0006] -种人体三维本体感觉测试设备，包括单片机、蓝牙发射器、蓝牙接收器、数据处 理电脑、安装外壳、弹力绑带及惯性传感器；所述的单片机、蓝牙发射器及惯性传感器分别 安装在所述的安装外壳内，所述的惯性传感器包括三个微陀螺仪、三个微加速度计及三个 微磁力计；所述的三个微陀螺仪、三个微加速度计及三个微磁力计的输出端分别与所述的 单片机的输入端连接，所述的三个微陀螺仪分别呈正交配置，所述的三个微加速度计分别 呈正交配置，所述的三个微磁力计分别呈正交配置；所述的单片机的输出端与所述的蓝牙 发射器的输入端连接，所述的蓝牙发射器的输出端通过无线网络与所述的蓝牙接收器的输 入端无线连接，所述的蓝牙接收器的输出端与所述的数据处理电脑的输入端连接；所述的 弹力绑带的两端分别连接在所述的安装外壳上，所述的安装外壳通过所述的弹力绑带连接 在被测关节的远端关节上，所述的被测关节的近端关节固定，所述的安装外壳与所述的被 测关节的远端关节同步运动。
[0007] 上述的人体三维本体感觉测试设备，其中，所述的安装外壳上设有信号天线，所述 的信号天线与所述的蓝牙发射器连接。
[0008] 上述的人体三维本体感觉测试设备，其中，所述的安装外壳上嵌入安装有指示灯， 所述的指示灯与所述的单片机连接。
[0009] 上述的人体三维本体感觉测试设备，其中，所述的安装外壳的侧壁上设有多个散 热通孔，所述的散热通孔上设有防尘网。
[0010] 本实用新型的惯性传感器在受试者测试关节的远端环节运动过程中与其做相同 的运动，并记录下实时变化的三维角度值，即关节活动角度值，可方便记录角度重建法中三 维的目标角度、重建角度等数据。
【附图说明】
[0011] 图1是本实用新型人体三维本体感觉测试设备的连接框图。
[0012] 图2是本实用新型人体三维本体感觉测试设备的结构示意图。
[0013] 图3是本实用新型人体三维本体感觉测试设备的安装示意图。
【具体实施方式】
[0014] 以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。
[0015] 请参见附图1至附图3所示，一种人体三维本体感觉测试设备，包括单片机1、蓝牙 发射器2、蓝牙接收器3、数据处理电脑4、安装外壳5、弹力绑带6及惯性传感器；所述的单 片机1、蓝牙发射器2及惯性传感器分别安装在所述的安装外壳5内，所述的惯性传感器包 括三个微陀螺仪7、三个微加速度计8及三个微磁力计9 ;所述的三个微陀螺仪7、三个微加 速度计8及三个微磁力计9的输出端分别与所述的单片机1的输入端连接，所述的三个微 陀螺仪7分别呈正交配置，所述的三个微加速度计8分别呈正交配置，所述的三个微磁力计 9分别呈正交配置；所述的单片机1的输出端与所述的蓝牙发射器2的输入端连接，所述的 蓝牙发射器2的输出端通过无线网络与所述的蓝牙接收器3的输入端无线连接，所述的蓝 牙接收器3的输出端与所述的数据处理电脑4的输入端连接；所述的弹力绑带6的两端分 别连接在所述的安装外壳5上，所述的安装外壳5通过所述的弹力绑带6连接在被测关节 的远端关节上，所述的被测关节的近端关节固定，所述的安装外壳5与所述的被测关节的 远端关节同步运动。
[0016] 所述的安装外壳5上设有信号天线10,所述的信号天线10与所述的蓝牙发射器2 连接，可增强蓝牙无线信号的稳定性。
[0017] 所述的安装外壳5上嵌入安装有指示灯11，所述的指示灯11与所述的单片机1连 接，可用于指示电源的开关等信号。
[0018] 所述的安装外壳5的侧壁上设有多个散热通孔12,所述的散热通孔12上设有防尘 网，可在散热的同时减少灰尘进入安装外壳5内。
[0019] 三维姿态输出被定义为惯性传感器自身坐标系S，与地球固定坐标系G之间的定 位，使用与地球固定坐标系G作为参考坐标系，遵循笛卡儿右手定则。
[0020] 惯性传感器测得信号是沿运动环节坐标系各轴相对于惯性空间的角速率、线加 速度和磁力数值。微陀螺仪7采用L3G4200D芯片，采用采集频率100Hz，角速度测量范围 ±1200° /s，微加速度计8采用ADXL345芯片，线加速度测量范围±16g，微磁力计8采用 HMC5883L芯片，微磁力计9测量范围± 1200 μ T。由于需要进行大量数值计算，所用单片机 1采用具有ARM Cortex-M3处理器的32位单片机STM32F103来完成控制、数据采集与处理、 数据通讯等功能。线性加速度数据通过归一法减少由于各轴量度差异引起的误差。调整传 感器姿态变化，使各轴测试到最大值、最小值。测得X轴最大值A" ax，X轴最小值A"in;Y轴 最大值Aymax，Y轴最小值A ymin;Z轴最大值A zmax，Z轴最小值Azmin。归一法公式如下：
[0022] 其中Ax'、Ay'、AZ'分别为X、Y、Z轴实测数据，A x、Ay、AzS归一化后数据。陀螺 仪采用三维转台全温标定和最小二乘直线拟合，来修正陀螺仪积分角度误差，减小陀螺仪 的漂移影响。磁力计通过立体8字校准方法，确定固定磁场干扰矢量的大小及方向。使需 要校准的传感器在空中做8字晃动，尽量多的让传感器法线方向指向空间的所有8个象限， 通过足够的样本点求出固定磁场干扰矢量的大小及方向。公式如下：
[0023] (Mx- γ x)2+ (My- γ y)2+ (Mz- γ z)2 = R2 (2)
[0024] 其中Mx、My、Mz分别为X、Y、Z轴实测数据，γ x、γ y、γ z分别为固定磁场干扰矢量 在X、Y、Z轴上的分量，R为常量。
[0025] 通过卡尔曼滤波的方法，对采集的数据进行数据融合，使采集的数据更接近真实 的值。为了避免欧拉角形式产生的万向轴锁死，构造的姿态数据采用四元数形式。求解方
[0027] q是四元数矢量，ωχ、ω# ω 2是ω的分量。解上述方程，获得四元数形式表示 的姿态。由于四元数形式不能直观表示各轴角度变化，将四元数转化为欧拉角形式，公式如 下：
[0028]
[0029] 其中，q^q的分量。Ρ、θ、φ分别表示欧拉角的自转角、俯仰角和 航向角。
[0030] 最后将参数处理成所需的数据格式。为数据添加数据头和校验位，以减少蓝牙无 线传输时可能出现的误读操作。蓝牙采用CSR BC417蓝牙收发一体芯片，通过蓝牙发射器 2发射，无线传输给连接在数据处理电脑4的蓝牙接收器3,数据进入运行于数据处理电脑 4上的软件。
[0031] 本申请的创新点在于该产品各个部分硬件的组合，每个硬件实现自身功能所需要 的软件属于现有技术。
[0032] 综上所述，本实用新型的惯性传感器在受试者测试关节的远端环节运动过程中与 其做相同的运动，并记录下实时变化的三维角度值，即关节活动角度值，可方便记录角度重 建法中三维的目标角度、重建角度等数据。
[0033] 以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围， 凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关 产品的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种人体三维本体感觉测试设备，其特征在于：包括单片机、蓝牙发射器、蓝牙接收 器、数据处理电脑、安装外壳、弹力绑带及惯性传感器；所述的单片机、蓝牙发射器及惯性 传感器分别安装在所述的安装外壳内，所述的惯性传感器包括三个微陀螺仪、三个微加速 度计及三个微磁力计；所述的三个微陀螺仪、三个微加速度计及三个微磁力计的输出端分 别与所述的单片机的输入端连接，所述的三个微陀螺仪分别呈正交配置，所述的三个微加 速度计分别呈正交配置，所述的三个微磁力计分别呈正交配置；所述的单片机的输出端与 所述的蓝牙发射器的输入端连接，所述的蓝牙发射器的输出端通过无线网络与所述的蓝牙 接收器的输入端无线连接，所述的蓝牙接收器的输出端与所述的数据处理电脑的输入端连 接；所述的弹力绑带的两端分别连接在所述的安装外壳上，所述的安装外壳通过所述的弹 力绑带连接在被测关节的远端关节上，所述的被测关节的近端关节固定，所述的安装外壳 与所述的被测关节的远端关节同步运动。2. 根据权利要求1所述的人体三维本体感觉测试设备，其特征在于：所述的安装外壳 上设有信号天线，所述的信号天线与所述的蓝牙发射器连接。3. 根据权利要求1所述的人体三维本体感觉测试设备，其特征在于：所述的安装外壳 上嵌入安装有指示灯，所述的指示灯与所述的单片机连接。4. 根据权利要求1所述的人体三维本体感觉测试设备，其特征在于：所述的安装外壳 的侧壁上设有多个散热通孔，所述的散热通孔上设有防尘网。
【专利摘要】本实用新型公开了一种人体三维本体感觉测试设备，包括单片机、蓝牙发射器、蓝牙接收器、数据处理电脑、安装外壳、弹力绑带及惯性传感器；惯性传感器包括三个微陀螺仪、三个微加速度计及三个微磁力计，并分别与单片机的输入端连接，单片机通过蓝牙发射器与蓝牙接收器无线连接，蓝牙接收器与数据处理电脑连接；弹力绑带连接在安装外壳上，安装外壳通过弹力绑带连接在被测关节的远端关节上，被测关节的近端关节固定。本实用新型的惯性传感器在受试者测试关节的远端环节运动过程中与其做相同的运动，并记录下实时变化的三维角度值，即关节活动角度值，可方便记录角度重建法中三维的目标角度、重建角度等数据。
【IPC分类】A61B5/11
【公开号】CN204636378
【申请号】CN201520219369
【发明人】李林, 纪仲秋
【申请人】北京师范大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年4月10日