一种预防运动损伤的智能护膝控制系统及其工作方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202310667142.2 | 申请日 | 2023-06-07 | 公开(公告)号 | CN116661351A | 公开(公告)日 | 2023-08-29 |
| 申请人 | 宁波大学; | 发明人 | 胡泽榆; 黄逸飞; 喻林; 蒋瀚慧; 梅齐昌; 王渊; 顾耀东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 预防 运动损伤的智能 护膝 控制系统及其工作方法，系统包括护膝本体和设置在护膝本体上的控制 电路 ，所述控制电路包括 单片机 处理器、电源模 块 、肌电 传感器 、 角 度传感器、 电磁感应 式直线位移传感器、 开关 模块、无线通讯模块、提醒模块，所述单片机处理器与电源模块、肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器、开关模块、无线通讯模块、提醒模块电连接，所述无线通讯模块与 服务器 无线通讯。本发明的智能护膝能够精确测量人在运动时 膝关节 与步宽的变化，从而及时做出语音或者震动提示跑步者进行步态纠偏，减少运动者因不正确跑步步宽而造成的运动损伤。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种预防运动损伤的智能护膝控制系统，包括护膝本体和设置在护膝本体上的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括单片机处理器、电源模块、肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器、开关模块、无线通讯模块、提醒模块，所述单片机处理器与电源模块、肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器、开关模块、无线通讯模块、提醒模块电连接，所述无线通讯模块与服务器无线通讯，其中： |
||||||
| 说明书全文 | 一种预防运动损伤的智能护膝控制系统及其工作方法技术领域[0001] 本发明涉及智能护膝技术领域，尤其涉及一种预防运动损伤的智能护膝控制系统及其工作方法。 背景技术[0002] 随着《“十四五“体育发展规划》的发布，大众健身的热潮开始兴起，经常参加体育锻炼的人达到40％以上。身体健康是大众健身的首要目的,所以潜在运动损伤的有效预防显得尤为重要。由于错误的跑步姿势，跑步过程中步宽过窄导致膝关节内侧关节软骨缺损比外侧关节软骨缺损严重，通过核磁共振及生物力学检测可以及时发现损伤问题给予矫正[0003] 在大众运动健身跑中因为不正确的跑步步宽而造成运动损伤的问题刻不容缓。大多数跑步损伤是下肢损伤，主要是膝关节损伤。30分钟持续的跑步会导致业余跑者的膝关节软骨体积显著变形。在体育生人数增加的大背景下，运动训练过程中的训练监控对于运动员和教练员有着十分重要的参考意义，并且也是体育科研工作者的主要职责。但在长期的训练过程中，运动员训练管理依赖于教练的观察，教练员的经验与判断能力也成为调节运动员训练负荷的主要依据 [0004] 目前通过生物力学检测主要应用于膝关节骨关节炎领域，而很少通过监测跑步过程中的步宽来防止运动损伤。尽管近些年来训练监控取得了一些进展，便携式可穿戴电子设备的发展越来越快，人机交互功能也越来越多样有效，但由于运动过程中具有随机性，造成现有监控系统设计跟踪模型会存在大量数据失真，导致监控效果较差。 发明内容[0005] 本发明提供一种预防运动损伤的智能护膝控制系统及其工作方法，能够感应监测人在跑步过程中不正确的跑步步宽和对膝关节骨关节的损伤并作出感应与纠正的护膝，减少社会群体在大众运动健身中的运动损伤。 [0006] 本发明实施例提供一种预防运动损伤的智能护膝控制系统，包括护膝本体和设置在护膝本体上的控制电路，所述控制电路包括单片机处理器、电源模块、肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器、开关模块、无线通讯模块、提醒模块，所述单片机处理器与电源模块、肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器、开关模块、无线通讯模块、提醒模块电连接，所述无线通讯模块与服务器无线通讯，其中： [0008] 角度传感器，用于采集膝关节与大腿、小腿的夹角信号； [0009] 电磁感应式直线位移传感器，用于测量出跑者实时步宽的变化； [0010] 开关模块，用于控制所述控制电路的工作开关； [0012] 无线通讯模块，用于将所述单片机处理器处理后的信号无线发送到服务器； [0014] 提醒模块，用于将服务器发出的纠偏提醒信号转换为现场提示信号。 [0016] 进一步的，所述服务器还安装DELSYS表面肌电测试系统检测出跑者的肌电数据。 [0019] 本发明还提供一种预防运动损伤的智能护膝控制系统的工作方法，包括以下步骤： [0020] 用于佩戴所述智能护膝进行跑步运动，肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器对运行状态进行传感检测，分别采集肌电信号，膝关节与大腿、小腿的夹角信号，用户实时步宽的变化； [0022] 服务器通过运动监测软件对跑步运行进行监测，并向用户发出运动姿势纠偏提醒信号； [0023] 用户根据所述运动姿势纠偏提醒信号改变运动姿势后，循环上述步骤，直到系统提醒姿势正确。 [0024] 进一步的，所述服务器采用Vicon三维动作捕捉系统与Kistler测力台采集跑者运动时步宽、关节角度信号。 [0025] 进一步的，所述服务器采用DELSYS表面肌电测试系统检测出跑者的肌电数据。 [0026] 进一步的，所述服务器通过内置数据库与CDA软件相链接，通过大数据的将所述肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器采集的传感信号与服务器内置数据库的正确步态数据进行对比。 [0027] 进一步的，所述服务器通过Ansoft Maxwell电磁场仿真软件，对LC谐振器与收发线圈电磁场效应进行仿真分析，并优化LC谐振器与收发线圈之间的距离。 [0028] 本发明实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果： [0030] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： [0031] 图1为本发明的控制系统原理框图； [0032] 图2为本发明的结构示意图； [0033] 图3为本发明的传感信号采集流程图； [0034] 图4为本发明的实施例中跑步过程中步宽小于直立状态步宽的结构示意图； [0035] 图5为本发明的实施例中跑步过程中步宽大于直立状态步宽的结构示意图。 具体实施方式[0036] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0037] 以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。 [0038] 如图1所示，一种预防运动损伤的智能护膝控制系统，包括护膝本体和设置在护膝本体上的控制电路，控制电路包括单片机处理器1、电源模块2、肌电传感器3、角度传感器4、电磁感应式直线位移传感器5、开关模块6、无线通讯模块7、提醒模块9，单片机处理器1与电源模块2、肌电传感器3、角度传感器4、电磁感应式直线位移传感器5、开关模块6、无线通讯模块7、提醒模块9电连接，无线通讯模块7与服务器8无线通讯，其中： [0039] 肌电传感器3，用于采集股外侧肌、股内侧肌、股二头肌、胖肠肌内外侧的肌电信号； [0040] 角度传感器4，用于采集膝关节与大腿、小腿的夹角信号； [0041] 电磁感应式直线位移传感器5，用于通过直线距离准确的测量出跑者实时步宽的变化； [0042] 开关模块6，用于控制控制电路的工作开关； [0043] 单片机处理器1，用于对肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器的传感器信号进行A/D转换、数据处理； [0044] 无线通讯模块7，用于将单片机处理器处理后的信号无线发送到服务器； [0045] 多个服务器8，用于通过运动监测软件对跑步运行进行监测，并向用户发出运动姿势纠偏提醒信号；所述多个服务器通过交换机相互通讯连接； [0046] 提醒模块9，用于将服务器发出的纠偏提醒信号转换为现场提示信号，比如可以是震动提示、语音纠偏提示。 [0047] 本实施例中，服务器8安装Vicon三维动作捕捉系统、Kistler测力台，采集跑者运动时步宽、关节角度的数据。服务器8还安装DELSYS表面肌电测试系统检测出跑者的肌电数据，大大减少误差。服务器8还内置数据库与CDA软件相链接，通过大数据的将肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器采集的传感信号与服务器内置数据库的正确步态数据进行对比。服务器8还安装Ansoft Maxwell电磁场仿真软件，对LC谐振器与收发线圈电磁场效应进行仿真分析，并优化LC谐振器与收发线圈之间的距离。 [0048] 本发明还提供一种预防运动损伤的智能护膝控制系统的工作方法，包括以下步骤： [0049] 用于佩戴智能护膝进行跑步运动，肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器对运行状态进行传感检测，分别采集肌电信号，膝关节与大腿、小腿的夹角信号，用户实时步宽的变化； [0050] 单片机处理器通过A/D转换将传感模拟信号转换为数字信号，并进行处理，通过无线通讯模块发送到服务器； [0051] 服务器通过运动监测软件对跑步运行进行监测，并向用户发出运动姿势纠偏提醒信号；在对跑者的步宽数据进行分析后，由内置的控制系统进行判定，通过电话、短信等多种手段与跑者进行充分的人机交互； [0052] 用户根据所述运动姿势纠偏提醒信号改变运动姿势后，循环上述步骤，直到系统提醒姿势正确。 [0053] 本实施例中，服务器采用Vicon三维动作捕捉系统与Kistler测力台采集跑者运动时步宽、关节角度信号。服务器采用DELSYS表面肌电测试系统检测出跑者的肌电数据。服务器通过内置数据库与CDA软件相链接，通过大数据的将肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器采集的传感信号与服务器内置数据库的正确步态数据进行对比。服务器通过Ansoft Maxwell电磁场仿真软件，对LC谐振器与收发线圈电磁场效应进行仿真分析，并优化LC谐振器与收发线圈之间的距离。 [0054] 上述肌电传感器、角度传感器、电磁感应式直线位移传感器均匀分布于护膝内壁，能够充分感受跑者膝关节各部位肌肉激活程度。传感器内的集成芯片采用CMC技术，用于估计运动期间的肌肉激活程度和肌肉肌张力。并且传感器模块配合Vicon三维动作捕捉系统，同时使用Delsys肌电测试系统同步采集股外侧肌、股内侧肌、股二头肌、胖肠肌内外侧的肌电信号。使用Delsys表面肌电测试系统软件对原始肌电信号在100～500Hz频率范围内进行带通四阶巴特沃斯滤波器滤波，通过均方根(RMS)计算进行幅度分析，通过深蹲过程中均方根振幅/MVC均方根值计算标准化肌电活动值，范围为0(完全不激活)到1(完全激活)。 [0055] 其中，电磁式直线位移传感器模块，用于测量跑者跑步时步宽的实时数据，取其平均值并反应其最终结果。在经过传感器模块与服务器内置的CDA软件分析后反馈到通讯模块。基于LC谐振器和收发线圈技术测量位移的敏感元件模型，参考毕奥－萨法尔定律推导出发送线圈附近空间点磁场分布表达式，同时根据法拉第电磁感应电律计算出接收线圈中感应电信号的表达式。在此基础之上使用Ansoft Maxwell电磁场仿真软件对LC谐振器与收发线圈电磁场效应进行仿真分析，并优化LC谐振器与收发线圈之间的距离。其计算公式如下： [0056] εsin＝ΔΦsinZVt＝ΔBsinZ SVt [0057] ＝K3dIsindt sin(2πY/L) [0058] 无线通讯模块实现智能护膝与服务器的无线数据通讯，智能护膝接收服务器内置CDA软件的反馈来对跑步者发送提醒信号，该模块可以采用wifi模块、4G/5G模块，实现上位机与下位机通过无线通信。 [0059] 如图4、5所示，给出了本发明对步宽和腿部运动角度检测的状态示意图。 [0060] 其中： [0061] 图4为跑步过程中步宽D2小于直立状态步宽D1的结构示意图，假设左右腿外侧在直立的膝关节角度分别为θ1、θ2，对应在跑步状态下的膝关节角度分别为θ3、θ4，如果定义跑步时膝关节角度偏离直立状态±3°为正常范围，则当满足θ1‑θ3＜‑3°和/或θ2‑θ4＜‑3°，提醒模块进行提醒。 [0062] 图5为跑步过程中步宽D4大于直立状态步宽D3的结构示意图，假设左右腿外侧在直立的膝关节角度分别为θ5、θ6，对应在跑步状态下的膝关节角度分别为θ7、θ8，如果定义跑步时膝关节角度偏离直立状态±3°为正常范围，则当满足θ5‑θ7＞3°和/或θ6‑θ8＞3°，提醒模块进行提醒。 |
||||||
