基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备及捷联姿态算法
【专利摘要】一种基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备及捷联姿态算法，主要由上位机和惯性测量系统两部分组成，布置于患者不同部位的惯性测量单元通过惯性传感器采集患者运动时的姿态角度信息，通过无线传输模块将姿态角度信息传输到上位机中，上位机根据不同位置的姿态角度信息对患者的恢复训练过程进行实时的跟踪。本发明另提出了基于平面约束的捷联算法，根据动作运动过程中上一时刻前臂和后臂的运动姿态，构建约束平面，对加速度信息进行约束，从而实现系统的自约束测量，增强角度测量的稳定性和准确性。本发明能够根据偏瘫患者的病情，提供准确的恢复运动姿势及运动量，记录病人的每组动作完成程度和完成次数，还具有对偏瘫患者运动功能障碍及治疗效果进行简易评定的功能。
【专利说明】基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备及捷联姿态算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种康复设备，尤其是一种利用惯性传感器检测信息并用于偏瘫患者 的康复设备。
【背景技术】
[0002] 偏瘫是一种常见的脑卒中后遗症，偏瘫患者一侧肢体运动功能丧失，轻则行动不 便，重则生活不能自理。众所周知，有效的康复训练不仅能够维持关节活动度、防止关节挛 缩，而且能够明显提高患者运动功能，最终恢复到正常人的运动能力。
[0003] 目前，传统的康复训练主要是以治疗医师对患者进行一对一的训练为主，这种方 式耗费医务工作者大量的时间，效率低下，而且不能精确的控制和记录训练的参数；随着科 技的发展，偏瘫恢复机器人的应用得到了广泛的推广，这种方法提高了效率，节约了人力， 并能行之有效的完成偏瘫患者的训练项目。但以上两种方法仅仅关注医师或机器人的协助 训练过程，却忽略了在协助训练之余偏瘫患者的自主训练环节。偏瘫患者在患有肢体运动 障碍的同时，常常伴有轻微的感觉、语言、认知等方面的障碍。所以偏瘫患者在自主恢复训 练过程中，由于缺乏准确的运动姿势指导及运动评价，往往难以达到预期的动作标准，从而 影响恢复的效果和进度。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种融合传感器信号及人体生物力学约束、提供准确恢复 运动姿势及运动量、记录每组动作完成程度和完成次数、并且可以穿戴使用的基于惯性传 感器可穿戴式偏瘫康复设备及捷联姿态算法。
[0005] 为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述康复设备由上位机系统和惯 性测量系统构成；
[0006] 所述上位机系统由控制器主机、显示器、打印机、微软WPF图形系统和无线通讯模 块组成；上位机系统采用微软的WPF图形系统开发设计上位机用户界面，控制器主机对显 示器和打印机进行控制；上位机系统通过无线通讯模块与惯性测量系统进行对接，完成对 偏瘫患者康复训练过程的实时监控，并对病人的每组动作完整程度和完成次数进行记录； 上位机系统根据病人康复动作的完成度，对偏瘫患者运动功能障碍及治疗效果进行简易评 定；根据偏瘫患者的病情，提供准确的恢复运动姿势演示及恢复作业运动量。
[0007] 所述惯性测量系统由无线通信模块、一个中心惯性测量单元和多个普通惯性测量 单元组成；其中，惯性测量单元以MSP430系列单片机作为核心控制芯片，每个惯性测量单 元由一个9自由度的测量传感器和一个无线通信模块组成，所述9自由度的测量传感器分 别为三轴加速度计、三轴陀螺仪和三周磁力计，分别用以测量物体的运动加速度、角速度和 物体周围磁场强度；物体运动加速度、角速度和磁场强度的测量信息经卡尔曼滤波后转化 成姿态角度信息，所述卡尔曼滤波过程是在MSP430系列单片机中以硬件描述语言的形式 实现的。
[0008] 所述无线通信模块采用NRF24L01无线通信模块，用于实现普通惯性测量单元与 中心惯性测量单元之间、中心惯性测量单元与上位机系统之间的通信。
[0009] 普通惯性测量单元是以分布方式安装在患者各患病上下肢的位置上（上臂、下 臂、大腿、小腿等），采集患者各患病肢体的位置和姿态信息，将数据通过无线通信模块传输 给中心惯性测量单元；中心惯性测量单元安装在患者的躯干部位，采集躯干部位的位置和 姿态信息；普通惯性测量单元与中心惯性测量单元之间通过无线通信模块进行数据传输， 中心惯性测量单元融合所有普通惯性测量单元的数据，统一坐标数据；中心惯性测量单元 与上位机系统之间也通过无线通信模块进行数据对接，将姿态信息统一传入上位机系统进 行处理。
[0010] 本发明另提供了一种应用上述康复设备的基于平面约束的捷联姿态算法，所述算 法是根据患者上下肢动作在运动过程中上一时刻的运动姿态，构建约束平面，对加速度信 息进行约束；具体算法步骤如下，
[0011] a、根据三轴陀螺仪更新的角速度信息，更新惯性测量单元的姿态，然后估计t时 刻欧拉角度信息，将估计的欧拉角度信息作为卡尔曼滤波器的状态向量；
[0012] b、由t-ι时刻的前臂和后臂的惯性测量单元姿态角度信息构建约束平面，为了防 止传感器噪声引起的漂移，通过平面约束加速度信号，然后根据约束后的加速度信息以及 三轴磁力计输出的磁场强度信息，解算姿态角度信息，作为卡尔曼滤波器的观测向量；
[0013] c、设定一个参考面用以判断约束平面存在的有效性，即当约束平面与规定的参考 面的夹角Y小于规定阈值m的时候，约束平面有效，可对加速度信号进行约束，则经过约束 后的加速度信息为：
[0014]
【权利要求】
1. 一种基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备，其特征在于：所述康复设备由上位机 系统和惯性测量系统构成； 所述上位机系统由控制器主机、显示器、打印机、微软WPF图形系统和无线通讯模块组 成；上位机系统采用微软的WPF图形系统开发设计上位机用户界面，控制器主机对显示器 和打印机进行控制； 所述惯性测量系统由无线通信模块和惯性测量单元组成；惯性测量单元以MSP430系 列单片机作为核心控制芯片，每个惯性测量单元由一个9自由度的测量传感器和一个无线 通信模块组成，所述9自由度的测量传感器分别为三轴加速度计、三轴陀螺仪和三周磁力 计，分别用以测量物体的运动加速度、角速度和物体周围磁场强度；物体运动加速度、角速 度和磁场强度的测量信息经卡尔曼滤波后转化成姿态角度信息，所述卡尔曼滤波过程是在 MSP430系列单片机中以硬件描述语言的形式实现的； 所述惯性测量单元分为中心惯性测量单元和至少两个普通惯性测量单元；普通惯性测 量单元是以分布方式安装在患者各患病上下肢的位置上，采集患者各患病肢体的位置和姿 态信息；中心惯性测量单元安装在患者的躯干部位，采集躯干部位的位置和姿态信息；普 通惯性测量单元与中心惯性测量单元之间通过无线通信模块进行数据传输，中心惯性测量 单元融合所有普通惯性测量单元的数据，统一坐标数据；中心惯性测量单元与上位机系统 之间也通过无线通信模块进行数据对接。
2. 根据权利要求1所述的基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备，其特征在于：所述 无线通信模块采用NRF24L01无线通信模块。
3. -种应用于权利要求1的基于平面约束的捷联姿态算法，其特征在于：所述算法是 根据患者上下肢动作在运动过程中上一时刻的运动姿态，构建约束平面，对加速度信息进 行约束；具体算法步骤如下， a、 根据三轴陀螺仪更新的角速度信息，更新惯性测量单元的姿态，然后估计t时刻欧 拉角度信息，将估计的欧拉角度信息作为卡尔曼滤波器的状态向量； b、 由t-Ι时刻的前臂和后臂的惯性测量单元姿态角度信息构建约束平面，为了防止传 感器噪声引起的漂移，通过平面约束加速度信号，然后根据约束后的加速度信息以及三轴 磁力计输出的磁场强度信息，解算姿态角度信息，作为卡尔曼滤波器的观测向量； c、 设定一个参考面用以判断约束平面存在的有效性，即当约束平面与规定的参考面的 夹角Y小于规定阈值m的时候，约束平面有效，可对加速度信号进行约束，则经过约束后的 加速度信息为：
式中，A'和A分别为加速度在平面约束修正前后的值；γ为约束平面与规定参考面的 夹角；m为规定阈值；Xf、Xp分别为地理坐标系中前臂、后臂的方向向量；< 为状态转移矩 阵；
式中，xf、xP分别为地理坐标系中前臂、后臂的方向向量，< 为状态转移矩阵，为参 考平面法向量。
【文档编号】A63B71/06GK104147770SQ201410355558
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】张立国, 赵金阁, 张志福, 朱文娟 申请人:燕山大学