一种下肢外骨骼式步态分析系统
阅读：545发布：2024-02-23
专利汇可以提供一种下肢外骨骼式步态分析系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开是关于一种下肢 外骨骼 式步态分析系统。利用嵌入式微 控制器 创建的 数据采集 模 块 、多种 传感器 模块和 数据处理 模块，其中，所述数据采集模块用于采集多种传感器在通讯总线上的人体运动数据，并且完成数据的 整理 、综合和上传，所述多种传感器模块用于采集多种人体下肢运动数据 传感器数据 ，包括惯性测量仪、 角 度 编码器 和足底压 力 分布传感器，所述数据处理模块用于接收数据收集和综合模块上传的数据，并进行人体步态分析。本 发明 实现了人体下肢运动状态的收集和分析，能够适应不同年龄侧面的体态，在保证系统 稳定性 和安全性的 基础 上，进一步提高系统的测量和分析 精度 ，而且，本发明使用方便，结构简单。，下面是一种下肢外骨骼式步态分析系统专利的具体信息内容。
1.一种下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，包括：
通信连接的数据采集模块、数据处理模块和若干个传感器模块；其中，
所述数据采集模块，用于采集所述若干个传感器模块分别在通讯总线上的人体运动数据，完成数据的整理、综合，并将结果发送至数据处理模块；
所述若干个传感器模块，用于分别采集多种人体下肢运动数据传感器数据并通过通讯总线发送；
所述数据处理模块，用于接收数据采集模块上传的数据，并进行人体步态分析。
2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述若干个传感器模块，包括若干个角度编码器模块、若干个矩阵式压力传感器模块和若干个惯性测量单元；
其中，
所述角度编码器模块，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
所述惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部和足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
所述矩阵式压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息。
3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述系统还包括：
数据显示模块，用于将数据处理模块的数据分析结果进行汇总以及可视化，并通过蓝牙芯片发送给显示终端。
4.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述系统还包括：
电源模块，用于为各个模块提供动力；采用隔离电源设计，具有电压检测、电流检测、大容量滤波、隔离保护功能。
5.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述数据采集模块采用嵌入式微控制器作为主运算芯片，使用LAN芯片与数据分析模块连接。
6.根据权利要求5所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述嵌入式微控制器具体为ARM Cortex-M内核的32位微控制器。
7.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述数据采集模块使用SPI和IIC总线协议与所述传感器模块连接。
8.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述数据分析模块采用X86架构微处理器作为主分析芯片。
9.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述通讯总线具体为IIC总线或SPI总线。
10.根据权利要求1所述的下肢外骨骼式步态分析系统，其特征在于，所述通讯芯片具体为Ethercat芯片或蓝牙芯片。
一种下肢外骨骼式步态分析系统
技术领域
背景技术
[0002] 近年来，老龄化现象使得老年人的四肢灵活性逐渐下降，并使得老年人致残几率快速上升。随着国内老龄化的问题日益加重，我国老年残疾人的人口比率将会大幅度增加。传统的运动康复医疗设备将不能满足老年人康复的需求，一方面的原因是人口数量的剧增，另一方面的原因是传统设备的工作效率和智能化程度较低。
[0003] 因而，具有自适应调节能力的智能外骨骼机器人将会得到巨大的市场需求。在研究智能的外骨骼机器人的控制策略过程中，步态分析结果将作为一项重要的输入源。
[0004] 步态分析不仅能够用于辅助医生完成腿部患者的病态评估，而且还在一定程度上评估患者的术后康复训练情况。在智能外骨骼逐渐普及的过程中，步态分析系统在智能外骨骼的研发阶段能够为智能控制提供相应的人体行走考量和下肢活动的参数；在外骨骼设备的调试阶段能够提供一些异常步态行为参数和肢体活动特征，包括跌倒、扭伤和痉挛等。
[0006] 为克服相关技术中存在的问题，本公开实施例提供一种下肢外骨骼式步态分析系统。
[0007] 根据本公开实施例的第一方面，提供一种下肢外骨骼式步态分析系统，包括：
[0008] 通信连接的数据采集模块、数据处理模块和若干个传感器模块；其中，[0009] 所述数据采集模块，用于采集所述若干个传感器模块分别在通讯总线上的人体运动数据，完成数据的整理、综合，并将结果发送至数据处理模块；
[0010] 所述若干个传感器模块，用于分别采集多种人体下肢运动数据传感器数据并通过通讯总线发送；
[0011] 所述数据处理模块，用于接收数据采集模块上传的数据，并进行人体步态分析。
[0013] 所述角度编码器模块，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
[0014] 所述惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部和足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
[0015] 所述矩阵式压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息。
[0016] 所述系统还包括：
[0017] 数据显示模块，用于将数据处理模块的数据分析结果进行汇总以及可视化，并通过蓝牙芯片发送给显示终端。
[0018] 所述系统还包括：
[0020] 所述数据采集模块采用嵌入式微控制器作为主运算芯片，使用LAN芯片与数据分析模块连接。
[0022] 所述数据采集模块使用SPI和IIC总线协议与所述传感器模块连接。
[0023] 所述数据分析模块采用X86架构微处理器作为主分析芯片。
[0024] 所述通讯总线具体为IIC总线或SPI总线。
[0025] 所述通讯芯片具体为Ethercat芯片或蓝牙芯片。
[0026] 本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0027] 利用嵌入式微控制器创建的数据采集模块、多种传感器模块和数据处理模块，其中，所述数据采集模块用于采集多种传感器在通讯总线上的人体运动数据，并且完成数据的整理、综合和上传，所述多种传感器模块用于采集多种人体下肢运动数据传感器数据，包括惯性测量仪、角度编码器和足底压力分布传感器，所述数据处理模块用于接收数据收集和综合模块上传的数据，并进行人体步态分析。
[0029] 本发明利用了Ethercat的高实时性通信特点，克服了数据在每个连接点的复杂校验和处理过程，使得传感器与数据采集模块实现了实时通信。采用多接口的嵌入式微控制器作为数据采集模块克服了传感器类型多、传输量较大的困难，也极大降低了各个模块之间的耦合性和一体化硬件的成本，同时也增加了整个系统的可扩展性；针对人体行走姿态数据所需要的原始数据信息量大的问题，采用基于FPGA的模数转换模块，实现了人体足底压力分布的高帧率采集模式，同时也降低了嵌入式微控制器的引脚使用和计算负担；此外，由于采用的矩阵式足底压力传感器和角度编码传感器均为接触式传感器，其结果精度高，最终使得人体的步态指标分析和步态分析结果更精确和稳定。
[0030] 本发明提供的人体下肢步态分析系统方案为下肢可穿戴助力外骨骼产品的研发提供了大数据支持，特别是在该产品的设计研发阶段，在助力外骨骼产品设计阶段，人体下肢步态分析结果可以用于改善产品的结构设计和用户体验；在助力外骨骼产品的控制研发阶段，人体行走姿态分析可以为智能化的柔顺控制提供原始数据。
[0033] 图1是根据一示例性实施例示出的一种下肢外骨骼式步态分析系统总体结构图；
[0034] 图2是根据另一示例性实施例示出的一种下肢外骨骼式步态分析系统总体结构图；
[0035] 图3是根据一示例性实施例示出的矩阵式压力传感器模块结构示意图。
具体实施方式
[0036] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0037] 为了能够采集老年人、腿部需要康复训练的人或者步态异常者的训练情况，并且能够提供快速便捷的使用体验和各种人群的适应性，外骨骼式步态分析系统应运而生。可穿戴性使得外骨骼式步态分析系统不但能够提供舒适的使用体验，还能够在最大程度上保证传感器定位的正确性和整体工作的可靠性。
[0038] 图1是根据一示例性实施例示出的一种下肢外骨骼式步态分析系统总体结构图，包括：
[0039] 本发明的主要结构由通信连接的数据采集模块1、数据处理模块2和若干个传感器模块3；其中，
[0040] 所述数据采集模块1，用于采集所述若干个传感器模块分别在通讯总线上的人体运动数据，完成数据的整理、综合，并将结果发送至数据处理模块；
[0041] 所述若干个传感器模块3，用于分别采集多种人体下肢运动数据传感器数据并通过通讯总线发送；
[0042] 所述数据处理模块2，用于接收数据采集模块上传的数据，并进行人体步态分析。
[0043] 具体的，所述若干个传感器模块3，包括若干个角度编码器模块31、若干个矩阵式压力传感器模块32和若干个惯性测量单元33；其中，
[0044] 所述角度编码器模块31，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
[0045] 所述惯性测量单元33，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部和足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
[0046] 所述矩阵式压力传感器模块32，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息。
[0047] 其中，所述数据采集模块1采用嵌入式微控制器作为主运算芯片，使用LAN芯片与数据分析模块连接，用以将融合后的传感器数据上传至数据分析模块2；在嵌入式微控制器内部建立Ethercat从站，与数据分析模块2所建立的Ethercat主站连接，实现实时高速数据传输；使用SPI和IIC总线协议与传感器模块3连接，用以接收传感器原始数据。
[0049] 其中，还包括电源模块(含电池)，采用隔离电源设计，具有电压检测、电流检测、大容量滤波、隔离保护等功能；其中电源模块拥有一块24V输出电池，采用隔离电源转换为5V提供数据采集模块1和数据处理模块2使用；采用5V转3.3V的电压降压模块为传感器模块3提供驱动输入。
[0050] 图2为本发明一个优选实施例的下肢外骨骼式步态分析系统结构示意图。所述的数据采集模块采用ARM Cortex-M内核的可编程微控制器，处理频率可以达到180Mhz，满足9路IIC通信协议设备和多路SPI协议设备的数据传输。该模块向下与电源模块连接，拥有DC-DC(5V-3.3V)降压功能；在LAN芯片基础上，通过编程建立ethercat协议从站，通过两个RJ45网口与数据处理模块连接；该模块还包含一个惯性测量单元，用于记录人体腰部的初始姿态，为其他的传感器模块提供基础数据。所述的数据分析模块包含X86架构的处理器系统模块，用于运行多任务实时操作系统，该模块采用DC-DC(24V-5V)与电源模块连接并拥有整套大电容滤波、电流检测、电压检测和过流保护隔离功能。所述的传感器模块包括4个编码器模块、7个惯性测量单元和2个足底压力传感器模块，通过DC-DC(5V-3.3V)与数据采集模块连接，其中编码器模块，采用SISS串口线与数据采集模块连接，惯性测量单元采用IIC总线与数据采集模块连接，矩阵式足底压力传感器采用SPI总线与数据采集模块连接。
[0051] 图3为本发明一个优选实施例的矩阵式压力传感器模块结构示意图，所述的矩阵式足底压力传感器采用32*32点阵式压变电阻作为压力传感单元，采用使用FPGA编程实现了分段式扫描，采用多个8路AD放大和采集芯片完成压力数据的模数转换，将所有阵点上的压力数据通过SPI高速总线上传至数据采集模块。
[0052] 实际上，所述下肢外骨骼采集系统可以包括：
[0053] 在人体后部髋关节部分设置数据处理模块和数据采集模块，其中所述的数据处理模块用于分析人体的步态指标，所述的数据采集模块用于分别采集多种传感器模块数据并且将数据进行整合通过数据上传通信模块与数据处理模块连接，所述的数据显示模块用于将数据处理模块的数据分析结果进行汇总以及可视化，并通过蓝牙芯片发送给显示终端。
[0054] 在人体左右髋关节处放置角度编码器模块，用于测量人体髋关节的转动状态；在人体左右膝关节处放置角度编码器模块，用于测量人体膝关节的转动状态。所述角度编码器所检测的是人体左右大腿与腰部之间的转动角度和人体大腿与小腿之间的转动角度；角度编码器将所述信息通过数据通信模块传输至数据采集模块；所述数据通信模块采用SSIS协议，用于传输17位角度数字信号。
[0055] 在人体背部髋关节处固定惯性测量单元，用于记录人体的背部的位姿，作为人体的基准姿态；在此基础上，在人体左右大腿外侧和小腿外侧分别放置惯性测量单元，分别用于检测大腿部分和小腿部分与人体腰部在步态行走过程中所发生的转动位移。在鞋面处放置惯性测量单元，与人体脚部固定连接，用于测量足部与小腿之间的位姿转换；惯性测量单元所检测的是与之固连的刚体的瞬时加速度和角速度信息；惯性测量单元将所述信息通过数据通信模块上传至数据采集模块；所述数据通信模块包括IIC芯片，用于在IIC总线上高速地传输数据。
[0056] 在人体足底处固定矩阵式压力传感单元，用于采集人体足底的压力分布信息；所述矩阵式压力传感单元采用矩阵式压变电阻原理，能够输出压力模拟信号。在此基础上采用基于FPGA的模数转换模块，采集矩阵式压力传感器的压力信号。所述矩阵式压力传感器将足底压力分布信息通过数据通信模块上传至数据采集模块；所述数据采集模块包括SPI芯片，用于在SPI总线上传输足底压力分布数据。
[0057] 特别地，所述数据采集模块将通过多种数据通信模块获得多种传感器信号，数据采集模块负责将所述传感器新高进行信息融合，包括人体关节角度信息、腿部与足底摆动加速度和角速度和足底压力分布信息，并将融合后的信息上传至数据处理单元。所述的上传过程采用了Ethercat协议，通过LAN芯片实现实时的数据共享。所述数据处理单元用于存储融合后的信息，并且完成人体的步态指标分析。所述数据存储为采用DRAM(dynamic random access memory)将融合后的传感器数据进行序列化，应用数据处理模块的进一步分析和结果显示。所述人体的步态指标分析包括人体行走姿态数据和步态分析数据；所述人体行走姿态数据包括由惯性测量单元和角度编码传感器所得到的信息，包含步长、跨步长、步速、步频以及步数；由惯性测量单元和矩阵式压力传感器所得到的信息，包含单步时间、跨步时间、站立时间、摆动时间、站立相、双脚支撑初期、单脚支撑相、双脚支撑末期、摆动相、首次触地期、承重反应期、支撑相中期、支撑相末期、摆动前期、摆动相早期、摆动相中期、摆动相末期以及周期；由惯性测量单元、角度编码传感器和矩阵式压力传感器所得到的信息，包含大腿抽动加速度、大腿摆动功和地面冲击力。
[0059] 具体来说，上述系统包括在嵌入式微控制器上创建的数据采集模块、多种传感器模块和数据处理模块；
[0060] 其中，所述数据采集模块用于采集多种传感器在通讯总线上的人体运动数据，并且完成数据的整理、综合，并将结果上传至数据处理模块；
[0061] 所述多种传感器模块与数据采集模块连接，用于采集多种人体下肢运动数据传感器数据；
[0062] 所述数据处理模块用于接收数据采集模块上传的数据，并进行人体步态分析。
[0063] 所述数据显示模块用于将数据处理模块的数据分析结果进行汇总以及可视化，并通过蓝牙芯片发送给显示终端。
[0064] 嵌入式微控制器具体为ARM Cortex-M内核的32位微控制器。
[0065] 传感器具体可以为惯性测量仪。
[0066] 传感器具体可以为角度编码器。
[0067] 传感器具体可以为足底压力分布传感器。
[0068] 足底压力分布传感器的采集芯片具体为AD芯片。
[0069] 通讯总线具体可以为SPI总线。
[0070] 通讯总线具体可以为IIC总线。
[0071] 上传通讯芯片具体可以为Ethercat芯片。
[0072] 通讯芯片具体可以为蓝牙芯片。
[0073] 还包括分别与数据处理模块、数据采集模块和多种传感器模块相互连接的电源模块。
[0074] 本发明提出一种下肢外骨骼式步态分析系统，包括：利用嵌入式微控制器创建的数据采集模块、多种传感器模块和数据处理模块，其中，所述数据采集模块用于采集多种传感器在通讯总线上的人体运动数据，并且完成数据的整理、综合和上传，所述多种传感器模块用于采集多种人体下肢运动数据传感器数据，包括惯性测量仪、角度编码器和足底压力分布传感器，所述数据处理模块用于接收数据收集和综合模块上传的数据，并进行人体步态分析。本发明实现了人体下肢运动状态的收集和分析，能够适应不同年龄侧面的体态，在保证系统稳定性和安全性的基础上，进一步提高系统的测量和分析精度，而且，本发明使用方便，结构简单。
[0075] 本发明利用了Ethercat的高实时性通信特点，克服了数据在每个连接点的复杂校验和处理过程，使得传感器与数据采集模块实现了实时通信。采用多接口的嵌入式微控制器作为数据采集模块克服了传感器类型多、传输量较大的困难，也极大降低了各个模块之间的耦合性和一体化硬件的成本，同时也增加了整个系统的可扩展性；针对人体行走姿态数据所需要的原始数据信息量大的问题，采用基于FPGA的模数转换模块，实现了人体足底压力分布的高帧率采集模式，同时也降低了嵌入式微控制器的引脚使用和计算负担；此外，由于采用的矩阵式足底压力传感器和角度编码传感器均为接触式传感器，其结果精度高，最终使得人体的步态指标分析和步态分析结果更精确和稳定。
[0076] 本发明提供的人体下肢步态分析系统方案为下肢可穿戴助力外骨骼产品的研发提供了大数据支持，特别是在该产品的设计研发阶段，在助力外骨骼产品设计阶段，人体下肢步态分析结果可以用于改善产品的结构设计和用户体验；在助力外骨骼产品的控制研发阶段，人体行走姿态分析可以为智能化的柔顺控制提供原始数据。
[0077] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
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