[發明專利]基于慣性傳感器可穿戴式偏癱康復設備及捷聯姿態算法

在審

• 申請號: 201410355558.1
• 申請日: 2014-07-24
• 公開（公告）號: CN104147770A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 張立國;趙金閣;張志福;朱文娟
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: A63B71/06
• 分類號: A63B71/06;A61B5/11
• 代理公司: 石家莊一誠知識產權事務所 13116
• 代理人: 李合印

1.一種基于慣性傳感器可穿戴式偏癱康復設備，其特征在于：所述康復設備由上位機系統和慣性測量系統構成；

所述上位機系統由控制器主機、顯示器、打印機、微軟WPF圖形系統和無線通訊模塊組成；上位機系統采用微軟的WPF圖形系統開發設計上位機用戶界面，控制器主機對顯示器和打印機進行控制；

所述慣性測量系統由無線通信模塊和慣性測量單元組成；慣性測量單元以MSP430系列單片機作為核心控制芯片，每個慣性測量單元由一個9自由度的測量傳感器和一個無線通信模塊組成，所述9自由度的測量傳感器分別為三軸加速度計、三軸陀螺儀和三周磁力計，分別用以測量物體的運動加速度、角速度和物體周圍磁場強度；物體運動加速度、角速度和磁場強度的測量信息經卡爾曼濾波后轉化成姿態角度信息，所述卡爾曼濾波過程是在MSP430系列單片機中以硬件描述語言的形式實現的；

所述慣性測量單元分為中心慣性測量單元和至少兩個普通慣性測量單元；普通慣性測量單元是以分布方式安裝在患者各患病上下肢的位置上，采集患者各患病肢體的位置和姿態信息；中心慣性測量單元安裝在患者的軀干部位，采集軀干部位的位置和姿態信息；普通慣性測量單元與中心慣性測量單元之間通過無線通信模塊進行數據傳輸，中心慣性測量單元融合所有普通慣性測量單元的數據，統一坐標數據；中心慣性測量單元與上位機系統之間也通過無線通信模塊進行數據對接。

2.根據權利要求1所述的基于慣性傳感器可穿戴式偏癱康復設備，其特征在于：所述無線通信模塊采用NRF24L01無線通信模塊。

3.一種應用于權利要求1的基于平面約束的捷聯姿態算法，其特征在于：所述算法是根據患者上下肢動作在運動過程中上一時刻的運動姿態，構建約束平面，對加速度信息進行約束；具體算法步驟如下，

a、根據三軸陀螺儀更新的角速度信息，更新慣性測量單元的姿態，然后估計t時刻歐拉角度信息，將估計的歐拉角度信息作為卡爾曼濾波器的狀態向量；

b、由t-1時刻的前臂和后臂的慣性測量單元姿態角度信息構建約束平面，為了防止傳感器噪聲引起的漂移，通過平面約束加速度信號，然后根據約束后的加速度信息以及三軸磁力計輸出的磁場強度信息，解算姿態角度信息，作為卡爾曼濾波器的觀測向量；

c、設定一個參考面用以判斷約束平面存在的有效性，即當約束平面與規定的參考面的夾角γ小于規定閾值m的時候，約束平面有效，可對加速度信號進行約束，則經過約束后的加速度信息為：

A→′=A→,γ>mA→-(A→·Rnb·(X→f×X→p)|Rnb·(X→f×X→p)|)·Rnb·(X→f×X→p)|Rnb·(X→f×X→p)|,γ≤m]]>

式中，A′和A分別為加速度在平面約束修正前后的值；γ為約束平面與規定參考面的夾角；m為規定閾值；X_f、X_p分別為地理坐標系中前臂、后臂的方向向量；為狀態轉移矩陣；

γ=arccos(n→x-y·Rnb·(X→f×X→p)|Rnb·(X→f×X→p)||n→x-y|·|Rnb·(X→f×X→p)|Rnb·(X→f×X→p)||)]]>

式中，X_f、X_p分別為地理坐標系中前臂、后臂的方向向量，為狀態轉移矩陣，為參考平面法向量。