示。图5中引脚旁边所标注的字母标号+5V、GND、VCC3. 3V、JTMS、JTCK、JTDI、JTD0、 JTRST、NRST、RX、TX、PA6、PA7均与其他电路原理图和本图中相同的标号相互连接。
[0014] 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6所示引脚与图5 单片机VCC3. 3、NRST、GND相应标号引脚相互连接。
[0015] 图7是本发明系统供电电路原理图，其中SW是电源开关，图中标号3. 3V为图5所 示ARM单片机进行供电，标号相同的引脚互联。图中ASM117为稳压芯片，提供3. 3伏电压 源。图中所示Cl到C4为电容，相应的电容值已在图中标出。
[0016] 图8是本发明陀螺仪传感器电路原理图，所用陀螺仪型号为L3⑶20H，在本发明中 用于测量康复训练人员动作时角速度信号。如图8所示，标号SCUSDA引脚分别与图9、图 10中相应标号引脚相互连接。
[0017] 图9是本发明重力感应传感器电路原理图，所用重力传感器型号为ADXL362,在本 发明中用于测量康复训练人员动作时的加速度信号。如图9所示，MOSI、SCLK引脚所对应 的标号SDA、SCL分别与图8、图10中相应标号引脚相互连接。
[0018] 图10是本发明地磁传感器电路原理图，所用地磁传感器型号为HMC5983,在本发 明中用于测量康复训练人员动作时的与正北方向的偏角度。如图10所示，引脚SCL/SPI_ SCK和引脚SDA/SPI_SDI所在的标号均与图8、图9中相应标号引脚相互连接。
[0019] 图11是本发明数据收发模块电路原理图，用于接收和发送所述前端的可穿戴设 备采集到的康复训练人员动作信号，如图11所示引脚标号RX与图5、图12所示电路图中标 号引脚RX相连，所示引脚标号TX与图5、图12所示电路图中TX标号引脚相连，标号引脚 3. 3V接图7所示标号引脚VCC3. 3V、GND引脚接地。
[0020] 图12是本发明串口 USB互转电路原理图，用于在线调试接收康复训练人员动作信 号测试，其中PL2303为串口转USB芯片，CU C2为电容，容值如图12所示，Rl为电阻，阻值 如图12所示。所示标号引脚TX与图5、图11所示电路图中标号引脚TX相连，所示标号引 脚RX与图5、图11所示电路图中标号引脚RX相连，引脚GND接地，标号引脚3. 3V接图7所 示标号引脚VCC3. 3V。图中所示Jl为USB插座。
[0021] 在整体工作时，需要将上述各部件引脚按说明相互连接，正常供电，前端可穿戴装 置正确佩戴，即可正常工作。
[0022] 算法部分： 上位机软件算法部分： 康复人员的动作信号，通过所述硬件采集并通过所述433MHz无线串口发送到上位机 PC端。利用小波包分解对采集信号进行特征提取。
[0023] 步骤如下： 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， 如图10所示，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
其中，
^为第J层的第i:个频带的小波包分解系数。
[0024] 2)选取分解后的p个终端节点对信号进行重构，若令冬为$的重构信号，则目标 信号经过重构后的表达式为：
3)令*^的能量为:f|，则可得：
式中：
为潔￥的各个分量幅值。
[0025] (4)由上式可得到11 个能量值，将其合并为一个特征向量p，即：
对1?行归一化处理，因此令总能量忍为：
Ft为归一化后的特征向量。
[0026] 此后，我们得到归一化向量，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，上位机软件将可以识别训练人员的各种动作，从而进行计数。
[0027] 在识别康复训练人员的动作之后，上位机PC软件通过既得信息，来确定人员转 弯、方向以及角度等信息。上位机PC软件事先输入康复训练人员所在地点平面图，通过事 先在上位机PC软件输入康复人员的资料，包括步幅、楼梯距离、年龄、性别等信息，得到人 员的轨迹位置。
[0028] 当下肢体康复人员训练完毕，或者达到当天的训练量时候，如图2所示，在上位机 PC软件界面点击数据保存，可将当次人员的训练数据进行上位机电脑的保存，便于以后统 计查看。
[0029] 至此，完成了整套训练过程。
[0030] 工作时康复训练人员动作信号处理方式： 将硬件设备按上述连接完毕，所述前端可穿戴装置正确佩戴，串口打开正常工作。接 着，可以模拟康复训练人员进行慢走、慢跑、上楼梯、下楼梯、拐弯等模拟下肢康复训练动作 进行测试。结合上位机PC用上述算法进行编写的LabVIEW软件进行测试处理，所用测试处 理的程序按钮如图2所示上位机PC软件界面显示处理端。我们可以用上述小波包算法采 集到相应的动作信号，如下图所示，均有各前端传感器采集到的信号波形，现取出20秒到 80秒时间段内的原始波形（图13、图14、图15)。
[0031 ] 对上述信号进行小波包分解，得到不同动作对应信号的特征向量。把得到的特征 向量送入上述设计好的算法中，即所述BP神经网络中进行训练，在BP神经网络训练结束 后，就可以在上位机PC对康复人员动作信号进行小波包分析，得到所述归一化特征向量， 进而在上位机对各项训练动作进行直观分类。如图2所示，点击保存数据，即可将目标康复 训练人员的当次训练数据进行目标位置保存，便于日后分析处理。
[0032] 在识别康复训练人员的动作之后，上位机PC软件通过既得信息，来确定人员转 弯、方向以及角度等信息。上位机PC软件事先输入康复训练人员所在地点平面图，通过事 先在上位机PC软件输入康复人员的资料，包括步幅、楼梯距离、年龄、性别等信息，得到人 员的轨迹位置，确保康复训练人员在训练时候的位置，保证安全。
【主权项】
1. 一种下肢体训练辅助及定位系统，其特征在于：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。2. 权利要求1所述下肢体训练辅助及定位系统，其特征在于：其步骤算法是： 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，:g，j:|表示第密层的第課节点，其中，:；!:=儀，派， ，巍-:?，，纟为第i层的第f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4为夂的重构信号，则目标信 号经过重构后的表达式为：⑤对:T进行归一化处理，因此令总能量丑为：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。
【专利摘要】一种下肢体训练辅助及定位系统，属于电子医疗设备领域。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。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。本发明便携方便，无笨重较大体积，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，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。
【IPC分类】A61B5/11, A63B23/04
【公开号】CN105126311
【申请号】CN201510654775
【发明人】周求湛, 薛勇超, 雷纵横, 王刚, 司玉娟
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年10月12日