[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

技術領域

本發明涉及一種康復設備，尤其是一種利用慣性傳感器檢測信息并用于偏癱患者的康復設備。?

背景技術

偏癱是一種常見的腦卒中后遺癥，偏癱患者一側肢體運動功能喪失，輕則行動不便，重則生活不能自理。眾所周知，有效的康復訓練不僅能夠維持關節活動度、防止關節攣縮，而且能夠明顯提高患者運動功能，最終恢復到正常人的運動能力。?

目前，傳統的康復訓練主要是以治療醫師對患者進行一對一的訓練為主，這種方式耗費醫務工作者大量的時間，效率低下，而且不能精確的控制和記錄訓練的參數；隨著科技的發展，偏癱恢復機器人的應用得到了廣泛的推廣，這種方法提高了效率，節約了人力，并能行之有效的完成偏癱患者的訓練項目。但以上兩種方法僅僅關注醫師或機器人的協助訓練過程，卻忽略了在協助訓練之余偏癱患者的自主訓練環節。偏癱患者在患有肢體運動障礙的同時，常常伴有輕微的感覺、語言、認知等方面的障礙。所以偏癱患者在自主恢復訓練過程中，由于缺乏準確的運動姿勢指導及運動評價，往往難以達到預期的動作標準，從而影響恢復的效果和進度。?

發明內容

本發明目的在于提供一種融合傳感器信號及人體生物力學約束、提供準確?恢復運動姿勢及運動量、記錄每組動作完成程度和完成次數、并且可以穿戴使用的基于慣性傳感器可穿戴式偏癱康復設備及捷聯姿態算法。?

為實現上述目的，采用了以下技術方案：本發明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；上位機系統通過無線通訊模塊與慣性測量系統進行對接，完成對偏癱患者康復訓練過程的實時監控，并對病人的每組動作完整程度和完成次數進行記錄；上位機系統根據病人康復動作的完成度，對偏癱患者運動功能障礙及治療效果進行簡易評定；根據偏癱患者的病情，提供準確的恢復運動姿勢演示及恢復作業運動量。?

所述慣性測量系統由無線通信模塊、一個中心慣性測量單元和多個普通慣性測量單元組成；其中，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。?

所述無線通信模塊采用NRF24L01無線通信模塊，用于實現普通慣性測量單元與中心慣性測量單元之間、中心慣性測量單元與上位機系統之間的通信。?

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(上臂、下臂、大腿、小腿等)，采集患者各患病肢體的位置和姿態信息，將數據通過無線通信模塊傳輸給中心慣性測量單元；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，將姿態信息統一傳入上位機系統進行處理。?

本發明另提供了一種應用上述康復設備的基于平面約束的捷聯姿態算法，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：?