下肢体训练辅助及定位系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子医疗设备领域。
【背景技术】
[0002] 随着科技发展，特别是电子技术的发展，在医用康复训练领域也趋于电子化。已知 的康复设备或系统均具有相对较大的体积和较为明显复杂机械结构，且制作成本较高，无 法大范围便携应用，导致康复行为较为被动，且无法知道康复训练人员在相应场地的具体 位置，在康复人员自主性训练和安全性方面表现欠佳。此外，在人员康复的训练数据也无法 主动的发送给亲属或医生来对其进行训练量的分析，整体训练及分析效果一般。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种穿戴于人体，用于对人下肢进行辅助训练的下肢体训练 辅助及定位系统。
[0004] 本发明是由系统程序下载接口电路、ARM单片机外围电路、ARM单片机复位电路和 插头电路、系统供电电路、陀螺仪传感器电路、重力感应传感器电路、地磁传感器电路、数据 收发模块电路和串口 USB互转电路构成； 系统程序下载接口电路：VCC3. 3为下载接口电路的供电电压，HEDDER1的第3、5、7、9、 13、15引脚分别于ARM单片机外围电路的STM32F103的第90、77、72、76、89、14引脚连接； ARM单片机外围电路：采用核心处理器STM32F103 ; ARM单片机复位电路和插头电路：复位电路和插头电路的VCC3. 3与核心处理器 STM32F103的VCC3. 3连接；NRST与核心处理器STM32F103的NRST连接； 系统供电电路：SW是电源开关，VCC3. 3为核心处理器STM32F103供电，ASM117为稳压 芯片； 陀螺仪传感器电路：采用L3GD20H，陀螺仪传感器电路的SCL与重力感应传感器电路的 SCL连接，陀螺仪传感器电路的SDA引脚与地磁传感器电路的SDA连接； 重力感应传感器电路：采用ADXL362,其SDA引脚与地磁传感器电路的SDA连接； 地磁传感器电路：采用HMC5983 ; 数据收发模块电路：其引脚RX、TX分别与核心处理器STM32F103和串口 USB互转电路 的引脚RX、TX连接；3. 3V接在系统供电电路上； 串口 USB互转电路：PL2303为串口转USB芯片，引脚TX、RX分别与核心处理器 STM32F103和数据收发模块电路的引脚RX、TX连接；3. 3V接在系统供电电路上。
[0005] 本发明算法是： ①在上位机LabVIEW软件中，对信号进行三层小波包分解，设各种动作信号为S，进行 三层小波包分解；选用小波基函数为db06，以S表示前端探测单元采集到的目标信号， 对信号进行N层小波包分解，I#表示第层的第J节点，其中，=儀,1 CN 105126311 A 说明书 2/7 页
为第#:层的第i:个频带的小波包分解系数； ② 选取分解后的#个终端节点对信号进行重构，若令4为鳥的重构信号，则目标信 号经过重构后的表达式为：
③ 令I的能量为_;，则可得：
式中
^为:^#的各个分量幅 值； ④ 由步骤③得到个能量值，将其合并为一个特征向量Γ，即：
⑤ 对，进行归一化处理，因此令总能量愈为：
为归一化后的特征向量； ⑥ 把归一化向量送入BP神经网络分类训练，完成BP神经网络训练后，上位机软件将识 别训练人员的各种动作，从而进行计数。
[0006] 本发明便携方便，无笨重较大体积，属于可穿戴设备，康复训练人员的走步、慢 跑、上楼、下楼、转弯等康复训练动作均可通过无线传输到上位机系统，并且可以实现数据 的在线保存，以便后期对康复人员各项康复数据进行统计分析。此外，可在上位机确定人员 在当前运动场所的位置。基于可穿戴的系统，可让康复人员家属和其医生掌其每天的训练 量。通过识别康复人员动作计算出康复人员轨迹，进而进行所在康复场所的人员位置定位。
【附图说明】
[0007] 图1是本发明系统总体工作流程图； 图2是本发明系统工作细节图； 图3是本发明前端可穿戴装置实际佩戴图； 图4是本发明系统程序下载接口电路原理图； 图5是本发明所用ARM单片机外围电路原理图； 图6是本发明所用ARM单片机复位电路和插头电路原理图； 图7是本发明系统供电电路原理图； 图8是本发明陀螺仪传感器电路原理图； 图9是本发明重力感应传感器电路原理图； 图10是本发明地磁传感器电路原理图； 图11是本发明数据收发模块电路原理图； 图12是本发明串口 USB互转电路原理图 图13是陀螺仪原始数据图；图14是重力传感器原始数据图； 图15是地磁传感器原始数据图。
【具体实施方式】
[0008] 本发明本发明是由系统程序下载接口电路、ARM单片机外围电路、ARM单片机复位 电路和插头电路、系统供电电路、陀螺仪传感器电路、重力感应传感器电路、地磁传感器电 路、数据收发模块电路和串口 USB互转电路构成； 系统程序下载接口电路：VCC3. 3为下载接口电路的供电电压，HEDDER1的第3、5、7、9、 13、15引脚分别于ARM单片机外围电路的STM32F103的第90、77、72、76、89、14引脚连接； ARM单片机外围电路：采用核心处理器STM32F103 ; ARM单片机复位电路和插头电路：复位电路和插头电路的VCC3. 3与核心处理器 STM32F103的VCC3. 3连接；NRST与核心处理器STM32F103的NRST连接； 系统供电电路：SW是电源开关，VCC3. 3为核心处理器STM32F103供电，ASM117为稳压 芯片； 陀螺仪传感器电路：采用L3GD20H，陀螺仪传感器电路的SCL与重力感应传感器电路的 SCL连接，陀螺仪传感器电路的SDA引脚与地磁传感器电路的SDA连接； 重力感应传感器电路：采用ADXL362,其SDA引脚与地磁传感器电路的SDA连接； 地磁传感器电路：采用HMC5983 ; 数据收发模块电路：其引脚RX、TX分别与核心处理器STM32F103和串口 USB互转电路 的引脚RX、TX连接；3. 3V接在系统供电电路上； 串口 USB互转电路：PL2303为串口转USB芯片，引脚TX、RX分别与核心处理器 STM32F103和数据收发模块电路的引脚RX、TX连接；3. 3V接在系统供电电路上。
[0009] 本发明算法是： ① 在上位机LabVIEW软件中，对信号进行三层小波包分解，设各种动作信号为S，进行 三层小波包分解；选用小波基函数为db06，以S表示前端探测单元采集到的目标信号， 对信号进行N层小波包分解，表示第层的第J:节点，其中，I = if，
为第i:层的第$个频带的小波包分解系数； ② 选取分解后的2〃个终端节点对信号进行重构，若令§为為的重构信号，则目标信 号经过重构后的表达式为： CN 105126311 A 说明书 4/7 页
③ 令I的能量为轉，则可得：
式中
为的各个分量幅 值； ④ 由步骤③得到I: f > :1个能量值，将其合并为一个特征向量，，BP :
⑤ 对，进行归一化处理，因此令总能量为：
Γ'为归一化后的特征向量； ⑥ 把归一化向量送入BP神经网络分类训练，完成BP神经网络训练后，上位机软件将识 别训练人员的各种动作，从而进行计数。
[0010] 以下对本发明做进一步详细说明： 本发明包括前端可穿戴数据采集硬件部分，下位机处理器采集模块，无线数据传输模 块，上位机PC软件显示操作界面。整体上包括实体硬件组成部分和上位机软件算法部分。 所述前端可穿戴数据采集硬件部分设有用于康复人员实施康复训练操作感应传感装置元 件，用于收集并识别康复训练人员诸如走步、慢跑、上楼、下楼、转弯等训练动作信号；所述 下位机数据处理模块，与所述前端可穿戴传感装置连接，用于直接接收康复训练人员初始 化动作训练信号，并进行预处理；所述无线传输模块，包括无线发送模块和无线接收模块， 所述无线发送模块与下位机数据处理模块直接相连，用于将前端传感装置采集的动作信号 通过433MHz无线信号的形式发送到上位机，同时所述无线接收模块配合所述上位机用于 接收所述无线发送模块发送的433MHz无线数据信号；所述上位机PC软件显示界面基于 LabVIEW可视化上位机PC显示界面，显示当前康复训练人员每次训练的数据情况，包括走 步、慢跑、上楼、下楼动作的计数情况，实时的显示给康复人员家属或其医生。
[0011] 具体的，所述前端可穿戴传感单元包括陀螺仪传感器L3⑶20H电路、加速度计传 感器ADXL326电路、电子罗盘传感器HMC5983电路、前端稳压电路、ARM最小系统。所述无 线数据传输模块包括433MHz无线串口发射电路（同接收电路)。所述上位机PC软件显示操 作界面集成训练数据采集指令、数据存储显示、动作分类及计数、步幅和步距与航向、定位 等指令和相关算法。
[0012] 硬件部分： 图4本发明系统程序下载接口电路原理图，用于下载调试处理器程序。图中VCC3. 3为 下载接口供电电压，104为电容容值，如图所示，Rl到R5为电阻，阻值如图中所标。其中3、 5、7、9、13、15引脚分别与图5所示处理器外围电路的90、77、72、76、89、14标号引脚相连。
[0013] 图5是本发明所用ARM单片机外围电路原理图，U4即为核心处理器STM32F103， 为意法半导体生产；C7到C16为电容，相应阻值如图5中所示；其中R16为电阻，阻值如图 5中所