外骨骼体征探测系统的制作方法

1.本技术涉及可穿戴设备技术领域，特别是涉及一种外骨骼体征探测系统。


背景技术：

2.外骨骼机器人是近几年才逐渐被重视的新科技热点方向。外骨骼机器人可用于医疗康复、养老助残、工业助力、军事助行等领域。在人使用外骨骼的过程中，为了得到穿戴者的位置、工作时长、工作效率、助力效果与当前的工作状态等有意义的信息，并监测穿戴者工作过程的安全性，需要使用物联网技术对人体的体征进行探测。
3.在实现过程中，发现传统技术中至少存在如下问题：目前基于外骨骼物联网的人体体征探测平台，存在扩展性差的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高扩展性的外骨骼体征探测系统。
5.为了实现上述目的，一方面，本技术实施例提供了一种外骨骼体征探测系统，包括设于外骨骼上的多个可穿戴传感器节点；可穿戴传感器节点包括用于探测穿戴者相应部位体征、以获取传感器数据的传感器模组，以及用于基于传感器数据获取体征数据的处理模块；
6.其中，多个可穿戴传感器节点包括至少一个中心节点，以及与中心节点通信连接的至少一个传感器节点；传感器节点将体征数据传输给中心节点；中心节点用于连接后台服务器，以将获取到的各体征数据输出给后台服务器。
7.在其中一个实施例中，可穿戴传感器节点还包括无线通信模块；
8.传感器节点与中心节点通过无线连接；中心节点用于通过路由器连接后台服务器。
9.在其中一个实施例中，处理模块为运行linux的cpu；无线通信模块为wifi模块。
10.在其中一个实施例中，可穿戴传感器节点兼容相应接口；接口包括gpio、adc、i2c、spi、uart和usb接口中的任意一种或任意组合。
11.在其中一个实施例中，中心节点为设于外骨骼胸部的胸部节点；
12.胸部节点的传感器模组包括心电图传感器、gps传感器和惯性测量单元；心电图传感器、gps传感器和惯性测量单元均连接胸部节点的处理模块。
13.在其中一个实施例中，惯性测量单元为9自由度惯性测量单元；心电图传感器为3导联心电图模块。
14.在其中一个实施例中，传感器节点为设于外骨骼大腿的大腿节点，和/或设于外骨骼小腿的小腿节点；
15.传感器节点的传感器模组包括惯性测量单元。
16.在其中一个实施例中，惯性测量单元为9自由度惯性测量单元。
17.在其中一个实施例中，传感器节点为设于外骨骼脚踝的脚踝节点；脚踝节点的传感器模组包括脚底压力传感器。
18.在其中一个实施例中，脚底压力传感器为薄膜压力传感器。
19.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
20.本技术的外骨骼体征探测系统，包括设于外骨骼上的多个可穿戴传感器节点，可穿戴传感器节点包括处理模块和用于探测穿戴者相应部位体征的传感器模组；进而本技术通过由低成本、低功耗和非侵入性的传感器节点，将穿戴者体征探测应用到外骨骼工作过程中，获取穿戴者的体征数据，并通过中心节点传输给后台服务器，以进行数据处理与挖掘，提取出位置、工作时长、工作效率、助力效果与当前工作状态等有意义的信息；本技术具有快速开发能力和高可扩展性，能够对穿戴者体征进行全方位的探测识别。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为一个实施例中外骨骼体征探测系统的应用环境图；
23.图2为一个实施例中外骨骼体征探测系统的结构示意图；
24.图3为另一个实施例中外骨骼体征探测系统的结构示意图；
25.图4为一个实施例中外骨骼体征探测系统的具体结构示意图。
具体实施方式
26.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
28.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
29.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
30.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连
接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
31.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
32.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
33.本技术提供的外骨骼体征探测系统，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，外骨骼可以包括下肢机构，该下肢机构可以包括大腿组件、小腿组件和传动关节，大腿组件和小腿组件可以通过传动关节转动连接。进一步的，该下肢外骨骼可以包括髋关节电机、膝关节电机和踝关节电机。
34.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种外骨骼体征探测系统，以该系统应用于图1中的外骨骼为例进行说明，包括设于外骨骼上的多个可穿戴传感器节点；可穿戴传感器节点包括用于探测穿戴者相应部位体征、以获取传感器数据的传感器模组，以及用于基于传感器数据获取体征数据的处理模块；
35.其中，多个可穿戴传感器节点包括至少一个中心节点，以及与中心节点通信连接的至少一个传感器节点；传感器节点将体征数据传输给中心节点；中心节点用于连接后台服务器，以将获取到的各体征数据输出给后台服务器。
36.具体而言，本技术的多个可穿戴传感器节点，每个节点都具有同等的数据处理能力。其中，可穿戴传感器节点可以包括处理模块和用于探测穿戴者相应部位体征的传感器模组；由传感器模组将探测到的传感器数据传输给处理模块，进而处理模块处理传感器数据得到体征数据。
37.本技术体征探测系统能够集成并处理传感器数据，每个节点可以将探测到的传感器数据处理为体征数据；在一些实施例中，可穿戴传感器节点的处理模块可以为运行linux的cpu(central processing unit，中央处理器)；即每个节点都有一个运行linux的cpu，其中，每个节点上的linux操作系统都可包含一个安全外壳(ssh，secure shell)服务器，允许远程访问。即本技术中的多个可穿戴传感器节点，能够实现节点到节点的连接，节点之间的通信可以基于linux环境，类似于电话，linux接口代表通信线路中的端点。
38.可穿戴传感器节点的传感器模组，可以包含与穿戴者相应部位对应的传感器，例如，惯性测量单元、压力传感器以及心电图传感器等，以获取穿戴者相应部位的传感器数据。本技术中的体征数据，可以是传感器数据经处理模块处理得到。例如，惯性测量单元输出传感器数据，处理模块基于惯性测量单元传感器数据计算方向，进而得到相应的方向数据。本技术中每个节点都具有同等的数据处理能力，进而具有快速开发能力和高可扩展性。
39.进一步的，如图3所示，多个可穿戴传感器节点包括至少一个中心节点，以及与中心节点通信连接的至少一个传感器节点；传感器节点将体征数据传输给中心节点；中心节点用于连接后台服务器，并将获取到的各体征数据融合后输出给后台服务器。即本技术的多个可穿戴传感器节点，包括至少一个中心节点，同时包括与中心节点通信连接的至少一
个传感器节点。
40.本技术外骨骼体征探测系统集成并处理传感器数据，使用中心节点代替服务器和中央处理器，且每个传感器节点都具有同等的数据处理能力，每个传感器节点可以基于传感器模组输出的传感器数据计算体征数据，并将体征数据发送到中心节点，而不是原始传感器数据。本技术不仅能够对穿戴者体征进行全方位的探测识别，还具有快速开发能力和高可扩展性。
41.进一步的，本技术通过低成本、低功耗和非侵入性的可穿戴式人体活动探测传感器，将人体体征探测应用到外骨骼工作过程中，获取人体的实时生理信息，由传感器节点处理后传输给中心节点，进而可传递给相应的mcu(microcontroller unit，微控制单元)，进行数据处理与挖掘，提取出位置、工作时长、工作效率、助力效果与当前工作状态等有意义的信息，然后可将数据传输到客户端，通过用户界面显示出来。
42.需要说明的是，mcu可以为低功耗mcu，其采用模块采用锂电池供电，且具有电量监测模块，可进行电源管理，当mcu收集数据时，cpu处于睡眠状态。当数据需要cpu处理时，mcu唤醒cpu，通过cpu和mcu之间的uart(universal asynchronous receiver/transmitter，通用异步收发传输器)连接发送数据，数据位于cpu上的存储单元上。即本技术采用低功耗电子元器件，且增加了电源管理模块，使得探测系统的使用时长大幅增加
43.在其中一个实施例中，可穿戴传感器节点还可以包括无线通信模块；
44.传感器节点与中心节点通过无线连接；中心节点用于通过路由器连接后台服务器。
45.具体而言，本技术外骨骼体征探测系统中的可穿戴传感器节点，可以采用无线网络连接；其中，无线网络包括系统内各节点的网络连接和系统外接入互联网的路由器，对于网络中的中心节点，每个传感器节点包括一个无线通信模块，使中心节点和其他节点之间能够进行无线连接。除了节点到节点的连接，中心节点还能够连接到路由器，通过互联网与后台客户端通信。
46.在其中一个实施例中，处理模块可以为运行linux的cpu；无线通信模块可以为wifi模块；可穿戴传感器节点兼容相应接口；接口包括gpio(general-purpose input/output，通用输入/输出口)、adc(analog-to-digital converter，模数转换器)、i2c(inter－integrated circuit，i2c总线)、spi(serial peripheral interface，串行外设接口)、uart和usb(universal serial bus，通用串行总线)接口中的任意一种或任意组合。
47.具体而言，每个节点可兼容gpio、adc、i2c、spi、uart和usb接口，由于接口的多样性，很容易向系统添加更多的传感器。
48.无线通信模块可以采用集成的低能耗wifi模块，凭借无线通信模块，使得各传感器节点可以相互连接。本技术中的各节点具有机载数据处理功能，并且是相互独立的。选取选择wifi(例如，mcu的wifi接口)作为传感器节点网络，低能耗且接口鲁棒性更高。即本技术采用wifi无线连接，信号连接强度高，鲁棒性强。
49.传感器节点之间的通信基于linux环境，类似于电话，linux接口代表通信线路中的端点。进一步的，传输层采用传输控制协议，通信由tls(transport layer security，安全传输层协议)保护，tls是应用层使用的加密协议。每个传感器节点采集的人体体征数据可与其他传感器节点收集的数据融合，为了实现精确的传感器融合，可以采用时间同步的
方法，将数据用相同的时间时钟来标记，时间同步采用网络时间协议ntp(network time protocol)执行。本技术通信采用tls加密，数据安全性高。
50.以上，本技术的外骨骼体征探测系统，包括设于外骨骼上的多个可穿戴传感器节点，可穿戴传感器节点包括处理模块和用于探测穿戴者相应部位体征的传感器模组；进而本技术通过由低成本、低功耗和非侵入性的传感器节点，将穿戴者体征探测应用到外骨骼工作过程中，获取穿戴者的体征数据，并通过中心节点传输给后台服务器，以进行数据处理与挖掘，提取出位置、工作时长、工作效率、助力效果与当前工作状态等有意义的信息；本技术具有快速开发能力和高可扩展性，能够对穿戴者体征进行全方位的探测识别。
51.在一个实施例中，如图4所示，提供了一种外骨骼体征探测系统，以该系统应用于图1中的外骨骼为例进行说明，包括设于外骨骼上的多个可穿戴传感器节点；可穿戴传感器节点包括用于探测穿戴者相应部位体征、以获取传感器数据的传感器模组，以及用于基于传感器数据获取体征数据的处理模块；
52.其中，多个可穿戴传感器节点包括至少一个中心节点，以及与中心节点通信连接的至少一个传感器节点；传感器节点将体征数据传输给中心节点；中心节点用于连接后台服务器，以将获取到的各体征数据输出给后台服务器。
53.进一步的，如图4所示，体征探测系统可以包括置于外骨骼胸部、大腿、小腿和脚踝上的七个可穿戴传感器节点。具体地，系统可以采用无线网络连接，无线网络包括系统内各节点的网络连接和系统外接入互联网的路由器，胸部节点可以是网络中的中心节点，每个传感器节点包括一个无线通信模块，使胸部节点和其他节点之间能够进行无线连接。除了节点到节点的连接，胸部节点还能够连接到路由器，通过互联网与后台客户端通信。
54.在其中一个实施例中，中心节点为设于外骨骼胸部的胸部节点；
55.胸部节点的传感器模组包括心电图传感器、gps(global positioning system，全球定位系统)传感器和惯性测量单元；心电图传感器、gps传感器和惯性测量单元均连接胸部节点的处理模块；
56.胸部节点的处理模块基于惯性测量单元输出的传感器数据，获取穿戴者躯干运动的方向数据。
57.具体而言，胸部传感器节点(即中心节点)的传感器模组可以包含心电图传感器、gps传感器与惯性测量单元。即作为传感器总节点，胸部节点可以包括监测心脏活动的心电图传感器、精准定位的gps传感器与跟踪躯干运动的惯性测量单元。
58.本技术外骨骼体征探测系统集成并处理传感器数据，使用胸部节点代替服务器和中央处理器，且每个传感器节点都具有同等的数据处理能力。每个节点可以基于惯性测量单元传感器数据计算方向，并将方向数据发送到胸部节点，而不是原始传感器数据。
59.在其中一个实施例中，惯性测量单元为9自由度惯性测量单元；心电图传感器为3导联心电图模块。
60.具体而言，本技术中的惯性测量单元的相关功能可以采用9自由度惯性测量单元予以实现；其中，9自由度惯性测量单元可以是一种测量三轴加速度、三轴角旋转和三轴磁场的电子设备。每个测量类型都有三个自由度，进而包括三个方向轴上的数据，因此，总共有九个自由度。9自由度惯性测量单元有加速度计、陀螺仪和磁力计。
61.本技术中的9自由度惯性测量单元可以包括一个hirose连接器，可实现与intel的
mcu模块的简单无焊连接。该设备内置一个lsm9ds0芯片，通过i2c总线与mcu通信。其中，lsm9ds0芯片上的每个传感器都可以配置为宽范围的灵敏度值和采样速率。灵敏度描述了传感器的增益，加速度计的灵敏度值可以设置为
±
2、
±
4、
±
6、
±
8或
±
16g。加速度计支持的采样速率范围可以为3.125hz至1600hz，陀螺仪的灵敏度值可以设置为每秒245、500或2000度，能够支持95hz到760hz的采样速率。磁力计的灵敏度值可以设置为2、4、8或12高斯，能够支持从3.125hz到100hz的采样速率。
62.胸部节点能够监控外骨骼穿戴者的心脏活动，其中，心电图传感器可以采用紧凑的3导联心电图模块实现相关功能。心电图是用放置在皮肤表面用电极收集心脏的活动数据，可以提供了许多关于心跳、心室大小、心率、肌肉组织损伤等信息。
63.本技术gps传感器可以选用移远l76-lb紧凑型gps模块实现相关功能；该gps模块可以为集成gps、北斗和qzss(quasi-zenith satellite system，准天顶卫星系统)多卫星定位系统的并发接收型模块，尺寸小，支持gps和北斗l1频段同步接收功能，并拥有33个追踪信道，99个捕获信道和高达210个prn信道，能够追踪和捕获任何gps和北斗混合信号。与单一的gps系统相比，基于l76-lb的gps和北斗多定位系统，使得本技术可见和可用卫星数目大幅度增加，同时大大缩减首次定位时间，即使是在复杂的城市环境中也能实现稳定的高精度定位。
64.在其中一个实施例中，传感器节点为设于外骨骼大腿的大腿节点，和/或设于外骨骼小腿的小腿节点；
65.传感器节点的传感器模组包括惯性测量单元；
66.传感器节点的处理模块基于惯性测量单元输出的传感器数据，获取穿戴者腿部运动的方向数据。
67.具体而言，大腿节点和小腿节点可以通过惯性测量单元监控腿部的运动；该惯性测量单元可以采用9自由度惯性测量单元予以实现。
68.在其中一个实施例中，传感器节点为设于外骨骼脚踝的脚踝节点；脚踝节点的传感器模组包括脚底压力传感器。
69.具体而言，脚踝节点通过置于脚底的薄膜压力传感器监控脚底压力情况。
70.在其中一个实施例中，脚底压力传感器为薄膜压力传感器。
71.具体地，本技术脚底压力传感器可以选用薄膜压力传感器实现相关功能；薄膜压力传感器可以是一种力敏电阻式薄膜型传感器，当改变传感器表面压力时，即可改变传感器的电阻值，在传感器初始状态时阻值趋于无穷大，随着表面压力越大，电阻值逐渐减小。在电路设计中，利用分压器来测量电阻的变化，从而得到作用力与电压的关系。
72.在一些实施例中，可以选用fsr408型薄膜压力传感器，其力灵敏度范围为0.2～20n，宽度为20mm，激活时间小于3微秒，驱动外电阻大于10mω，可进行连续作用力分析。该传感器可以包含两层聚酯薄膜，在兼顾轻薄柔软的特性下，还具有较好的线性度、时滞性与重复特性。传感器层设定的采样频率可以为100hz。
73.以上，本技术的外骨骼体征探测系统，包括置于外骨骼胸部、大腿、小腿和脚踝上的七个可穿戴传感器节点，可穿戴传感器节点都具有同等的数据处理能力；进而本技术通过由低成本、低功耗和非侵入性的传感器节点，将穿戴者体征探测应用到外骨骼工作过程中，获取穿戴者的体征数据，并通过中心节点传输给后台服务器，以进行数据处理与挖掘，
提取出位置、工作时长、工作效率、助力效果与当前工作状态等有意义的信息；本技术具有快速开发能力和高可扩展性，能够对穿戴者体征进行全方位的探测识别。
74.本领域技术人员可以理解，图1-图4中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的器件设备的限定，具体的器件设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
75.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
76.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
77.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。