基于mems慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種醫(yī)療器械【技術(shù)領(lǐng)域】的基于MEMS慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，包括：分別放置于人體下肢大小腿處的主處理系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)，其中：主處理系統(tǒng)通過(guò)整合分別來(lái)自主、從MEMS慣性傳感器模塊的大腿加速度和角速度信息和小腿加速度和角速度信息，對(duì)人體下肢大、小腿的傾斜度進(jìn)行計(jì)算，從而獲取人體步行時(shí)膝關(guān)節(jié)角度信息，并將該膝關(guān)節(jié)角度信息通過(guò)藍(lán)牙方式輸出至外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)。本發(fā)明通過(guò)融合陀螺儀和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分別實(shí)時(shí)地檢測(cè)人體膝關(guān)節(jié)部位的角度信息，并能減少佩戴者的不適感。
【專利說(shuō)明】基于MEMS慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)療器械【技術(shù)領(lǐng)域】的裝置及方法，具體是一種基于MEMS慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們健康水平的提高以及社會(huì)老齡化的到來(lái)，人們迫切需要可用于自主輔助肢體殘疾人行走或?yàn)槔夏耆颂峁椭闹悄苎b置。應(yīng)運(yùn)而生的外骨骼機(jī)器人是一種擴(kuò)展四肢運(yùn)動(dòng)能力的助力裝置，通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)行為意識(shí)控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度、速度值，達(dá)到機(jī)器人與人體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)并提供助力，增強(qiáng)人在負(fù)重或長(zhǎng)時(shí)間行走情況下的運(yùn)動(dòng)能力。
[0003]外骨骼機(jī)器人通過(guò)與人肢體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)緊密地物理耦合，可實(shí)現(xiàn)與操作者肢體作為一個(gè)整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化的人機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)需實(shí)時(shí)地識(shí)別使用者的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和運(yùn)動(dòng)。由于受到空間的限制，采用傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)圖像采集或光電運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)難以滿足測(cè)量要求。在外骨骼機(jī)器人控制中常采用肌電信號(hào)，然而肌電信號(hào)檢測(cè)受表面電極放置位置、體溫變化以及人體汗液等不確定因素的影響，會(huì)出現(xiàn)明顯偏差和失誤。因此，采用新的智能傳感器感知人體運(yùn)動(dòng)信息就顯得非常必要。
[0004]人體可以看成是由許多連桿連接組成的關(guān)節(jié)系統(tǒng)，人體的運(yùn)動(dòng)主要是各個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化。對(duì)于人體下肢來(lái)說(shuō)，大腿、小腿的傾角及膝關(guān)節(jié)的角度和角速度是表征下肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的重要信息。其中，膝關(guān)節(jié)的角度可以很好地描述下肢的運(yùn)動(dòng)步態(tài)信息。準(zhǔn)確地獲取該角度信息并研究其在步態(tài)周期內(nèi)的變化規(guī)律，可以為外骨骼機(jī)器人的步態(tài)控制提供非常重要的參考。研究表明人體的任何運(yùn)動(dòng)從開(kāi)始到結(jié)束，其運(yùn)動(dòng)肢體的每一部位的加速度是一直在改變的。
[0005]目前測(cè)量膝關(guān)節(jié)角度`與角速度所用到的傳感器主要有微型加速度傳感器、陀螺儀、光纖角度傳感器等。利用加速度傳感器可以方便地進(jìn)行傾角度測(cè)量，采用兩個(gè)傳感器分別感知大小腿的傾角度，進(jìn)而可以推算出膝關(guān)節(jié)的角度和角速度。進(jìn)行傾斜度測(cè)量是加速度傳感器最常見(jiàn)的應(yīng)用之一。加速度傳感器以檢測(cè)重力矢量來(lái)感知檢測(cè)對(duì)象的傾斜度狀況。但是該方法測(cè)量過(guò)程中，下肢運(yùn)動(dòng)的慣性給加速度的測(cè)量帶來(lái)的誤差一般很難消除。這對(duì)測(cè)量精度會(huì)有很大的影響，尤其在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)會(huì)更加明顯。陀螺儀能夠提供瞬間的動(dòng)態(tài)角度變化，由于其本身的固有特性、溫度及積分過(guò)程的影響，它會(huì)隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)產(chǎn)生漂移誤差。因此對(duì)于姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)而言，單獨(dú)使用陀螺儀或加速度計(jì)，都不能提供系統(tǒng)姿態(tài)的可靠估計(jì)。
[0006]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN200973711
【公開(kāi)日】2007-11_14，公開(kāi)了一種在線關(guān)節(jié)參數(shù)檢測(cè)裝置，由上連接桿、下連接桿和角度傳感器組成，上連接桿與下連接桿之間通過(guò)角度傳感器軸連接，下連接桿與傳感器軸間隙配合，傳感器的安裝腳與下連桿固定連接；上連接桿在旋轉(zhuǎn)頭中央開(kāi)有長(zhǎng)形方槽，傳感器軸通過(guò)在端部固定的滑塊與長(zhǎng)形方槽配合連接，上連接桿和下連接桿在連接處通過(guò)圓形旋轉(zhuǎn)頭相互配合轉(zhuǎn)動(dòng)。但該技術(shù)需在人體下肢膝關(guān)節(jié)處安裝上下連桿的機(jī)械構(gòu)件，其只有I個(gè)自由度的彎曲，因此會(huì)給佩戴者下肢的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)一定的限制，長(zhǎng)時(shí)間穿戴會(huì)給穿戴者帶來(lái)不適感而且相對(duì)來(lái)說(shuō)不太安全。
[0007]傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量因?yàn)椴捎酶呔韧勇輧x和加速度計(jì)等姿態(tài)傳感器，體積龐大并且價(jià)格昂貴。當(dāng)前MEMS產(chǎn)品因其體積小、價(jià)格低、功耗低，被稱為是傳統(tǒng)的慣性測(cè)量組合的一次重大改革，越來(lái)越多地應(yīng)用于姿態(tài)測(cè)量應(yīng)用中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于MEMS慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)及方法，通過(guò)融合陀螺儀和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分別實(shí)時(shí)地檢測(cè)人體膝關(guān)節(jié)部位的角度信息，并能減少佩戴者的不適感。
[0009]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0010]本發(fā)明涉及一種基于MEMS慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，包括:分別放置于人體下肢大小腿處的主處理系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)，其中:主處理系統(tǒng)通過(guò)整合分別來(lái)自主、從MEMS慣性傳感器模塊的大腿加速度和角速度信息和小腿加速度和角速度信息，對(duì)人體下肢大、小腿的傾斜度進(jìn)行計(jì)算，從而獲取人體步行時(shí)膝關(guān)節(jié)角度信息，并將該膝關(guān)節(jié)角度信息通過(guò)藍(lán)牙方式輸出至外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)。
[0011]所述的節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)由嵌入式微控制器、從MEMS慣性傳感器模塊和從藍(lán)牙通訊電路組成，其中:從MEMS慣性傳感器模塊與嵌入式微控制器相連接并傳輸其采集到的小腿加速度和角速度信息， 嵌入式微控制器通過(guò)從藍(lán)牙通訊電路向主藍(lán)牙通訊電路通過(guò)無(wú)線方式傳輸小腿加速度和角速度信息。
[0012]所述的主處理系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)處理器、主MEMS慣性傳感器模塊和主藍(lán)牙通訊電路組成，其中:主MEMS慣性傳感器模塊與傳感數(shù)字信號(hào)處理器相連接并傳輸其采集到的大腿加速度和角速度信息，傳感數(shù)字信號(hào)處理器與主藍(lán)牙通訊電路相連接并接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)的小腿加速度和角速度信息，與大腿加速度和角速度信息整合后生成膝關(guān)節(jié)角度信息，并通過(guò)主藍(lán)牙通訊電路傳輸至外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)。
[0013]所述的主、從MEMS慣性傳感器模塊均包括:MEMS3軸加速度傳感器、MEMS陀螺儀傳感器、帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口電路，其中:MEMS3軸加速度傳感器用來(lái)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的三維線加速度，陀螺儀用來(lái)測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度或角度，利用3軸加速度傳感器和陀螺儀組成的慣性測(cè)量單元，可以同時(shí)測(cè)得物體運(yùn)動(dòng)的三維加速度和角速度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后就可以得到物體運(yùn)動(dòng)的速度、位移、方向、姿態(tài)等信息，帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口電路依次串聯(lián)，將MEMS3軸加速度傳感器和MEMS陀螺儀采集到的模擬信號(hào)經(jīng)濾波采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)化后通過(guò)串行方式輸出至對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙通訊電路。
[0014]所述的傳感數(shù)字信號(hào)處理器采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器，完成對(duì)采集和無(wú)線接收的大、小腿的加速度及角速度傳感信號(hào)的運(yùn)算處理，該傳感數(shù)字信號(hào)處理器包括=DSP數(shù)字信號(hào)處理器、外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路、電源管理電路和可充電電源，其中:外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路分別與DSP數(shù)字信號(hào)處理器相連，電源管理電路與可充電電源相連，并為所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理器、主MEMS慣性傳感器模塊、主藍(lán)牙通訊電路分別提供相匹配的電源。[0015]所述的嵌入式微控制器采用微處理器完成對(duì)采集的小腿的加速度及角速度傳感信號(hào)的處理，該嵌入式微控制器包括:微處理器、外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路和電源管理電路，其中:外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路分別與微處理器相連，電源管理電路與可充電電源相連，為所述的微處理器、從MEMS慣性傳感器模塊、從藍(lán)牙通訊電路分別提供合適的電源。
[0016]所述的主藍(lán)牙通訊電路和從藍(lán)牙通訊電路均包括:數(shù)字無(wú)線處理電路、數(shù)控振蕩電路、射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)切換電路、藍(lán)牙收發(fā)器和基帶信號(hào)處理器，其中:數(shù)控振蕩電路和射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)切換電路與數(shù)字無(wú)線處理電路相連，藍(lán)牙收發(fā)器與基帶信號(hào)處理器相通訊，基帶信號(hào)處理器與數(shù)字無(wú)線處理電路相連，此外主藍(lán)牙通訊電路和從藍(lán)牙通訊電路中的基帶信號(hào)處理器與各自對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器或嵌入式微控制器相連。
[0017]本發(fā)明涉及上述系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1，從MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀傳感模塊感知人體下肢小腿的三維加速度及旋轉(zhuǎn)角速度信號(hào)，傳感信息通過(guò)SPI接口電路傳輸至嵌入式微處理器，嵌入式微處理器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理后通過(guò)藍(lán)牙電路傳輸至傳感數(shù)字信號(hào)處理器；
[0019]步驟2，主MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀傳感模塊感知人體下肢大腿的運(yùn)動(dòng)加速度及旋轉(zhuǎn)角速度信號(hào)，傳感信息通過(guò)SPI接口電路傳輸至傳感數(shù)字信號(hào)處理器；
[0020]步驟3，傳感數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)分別通過(guò)SPI接口和藍(lán)牙電路接收到的人體下肢大小腿的加速度信號(hào)和旋轉(zhuǎn)角速度信號(hào)進(jìn)行處理，分別計(jì)算大、小腿的傾角信息，并整合成膝關(guān)節(jié)角度信息。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明的下肢大小腿的傾斜度測(cè)量圖。
[0023]圖3為節(jié)點(diǎn)處理器處理流程示意圖。
[0024]圖4為傳感數(shù)字信號(hào)處理器處理流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0026]如圖1所示，為根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的基于MEMS慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)。如圖所示，該裝置包括:包括:分別放置于人體下肢大小腿處的主處理系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)，其中:主處理系統(tǒng)通過(guò)整合分別來(lái)自主、從MEMS慣性傳感器模塊的大腿加速度和角速度信息和小腿加速度和角速度信息，對(duì)人體下肢大、小腿的傾斜度進(jìn)行計(jì)算，從而獲取人體步行時(shí)膝關(guān)節(jié)角度信息，并將該膝關(guān)節(jié)角度信息通過(guò)藍(lán)牙方式輸出至外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)。
[0027]所述的節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)由嵌入式微控制器、從MEMS慣性傳感器模塊和從藍(lán)牙通訊電路組成，其中:從MEMS慣性傳感器模塊與嵌入式微控制器相連接并傳輸其采集到的小腿加速度和角速度信息，嵌入式微控制器通過(guò)從藍(lán)牙通訊電路向主藍(lán)牙通訊電路通過(guò)無(wú)線方式傳輸小腿加速度和角速度信息。
[0028]所述的主處理系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)處理器、主MEMS慣性傳感器模塊和主藍(lán)牙通訊電路組成，其中:主MEMS慣性傳感器模塊與傳感數(shù)字信號(hào)處理器相連接并傳輸其采集到的大腿加速度和角速度信息，傳感數(shù)字信號(hào)處理器與主藍(lán)牙通訊電路相連接并接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)的小腿加速度和角速度信息，與大腿加速度和角速度信息整合后生成膝關(guān)節(jié)角度信息，并通過(guò)主藍(lán)牙通訊電路傳輸至外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)。
[0029]所述的主MEMS慣性傳感器模塊SI采用3軸加速度傳感器和陀螺儀，具體放置于圖2所示的下肢大腿處并與數(shù)字信號(hào)處理器連接。另外從MEMS慣性速度傳感器和陀螺儀S2采用3軸陀螺儀加速度傳感器，具體放置于下肢小腿處與節(jié)點(diǎn)處理器連接。
[0030]所述的主、從MEMS慣性速度傳感器S1、S2分別感應(yīng)出大小腿的傾斜角度pitchl，pitch2，如圖2所示。膝關(guān)節(jié)的角度由得到的下肢大小腿的傾斜度經(jīng)差值計(jì)算得到。
[0031]為更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的基于MEMS慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理如下:
[0032]本實(shí)施例中的主、從MEMS慣性傳感器模塊均包括:MEMS3軸加速度傳感器、MEMS陀螺儀傳感器、帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口電路，，其中:MEMS3軸加速度傳感器用來(lái)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的三維線加速度，陀螺儀用來(lái)測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度或角度，利用3軸加速度傳感器和陀螺儀組成的慣性測(cè)量單元，可以同時(shí)測(cè)得物體運(yùn)動(dòng)的三維加速度和角速度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后就可以得到物體運(yùn)動(dòng)的速度、位移、方向、姿態(tài)等信息，帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口電路依次 串聯(lián)，將MEMS3軸加速度傳感器和MEMS陀螺儀采集到的模擬信號(hào)經(jīng)濾波采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)化后通過(guò)串行方式輸出至對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙通訊電路。
[0033]所述的傳感數(shù)字信號(hào)處理器采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器，完成對(duì)采集和無(wú)線接收的大、小腿的加速度及角速度傳感信號(hào)的運(yùn)算處理，該傳感數(shù)字信號(hào)處理器包括:DSP數(shù)字信號(hào)處理器、外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路、電源管理電路和可充電電源，其中:外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路分別與DSP數(shù)字信號(hào)處理器相連，電源管理電路與可充電電源相連，并為所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理器、主MEMS慣性傳感器模塊、主藍(lán)牙通訊電路分別提供相匹配的電源。
[0034]所述的嵌入式微控制器采用微處理器完成對(duì)采集的小腿的加速度及角速度傳感信號(hào)的處理，該嵌入式微控制器包括:微處理器、外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路和電源管理電路，其中:外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路分別與微處理器相連，電源管理電路與可充電電源相連，為所述的微處理器、從MEMS慣性傳感器模塊、從藍(lán)牙通訊電路分別提供合適的電源。
[0035]如圖2所示，藍(lán)牙電路包括:主藍(lán)牙通訊電路、從藍(lán)牙通訊電路，其中:主藍(lán)牙通訊電路包括主數(shù)字無(wú)線處理電路、主數(shù)控振蕩電路、主射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)切換電路、主藍(lán)牙收發(fā)器和主基帶信號(hào)處理器，其中:主數(shù)控振蕩電路和主射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)切換電路與主數(shù)字無(wú)線處理電路相連，主藍(lán)牙收發(fā)器與主基帶信號(hào)處理器相通訊，主基帶信號(hào)處理器與主數(shù)字無(wú)線處理電路和數(shù)字信號(hào)處理器相連；從藍(lán)牙通訊電路包括:從數(shù)字無(wú)線處理電路、從數(shù)控振蕩電路、從射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)切換電路、從藍(lán)牙收發(fā)器和從基帶信號(hào)處理器，其中:從數(shù)控振蕩電路和從射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)切換電路分別與從數(shù)字無(wú)線處理電路相連，從藍(lán)牙收發(fā)器與從基帶信號(hào)處理器相通訊，從基帶信號(hào)處理器分別與從數(shù)字無(wú)線處理電路和嵌入式微控制器相連。
[0036]本實(shí)施例涉及上述系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0037]步驟I，進(jìn)行子處理系統(tǒng)初始化，設(shè)置SPI主從設(shè)備，設(shè)嵌入式微控制器為主設(shè)備、從MEMS慣性傳感器模塊為從設(shè)備。設(shè)置嵌入式微控制器和從藍(lán)牙通訊電路的串口通訊波特率等。然后，通過(guò)SPI總線讀取小腿MEMS慣性傳感器模塊的傳感數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)格式轉(zhuǎn)換后發(fā)送至藍(lán)牙通訊電路進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。節(jié)點(diǎn)處理器的處理流程如圖3所示。
[0038]步驟2，傳感數(shù)字信號(hào)處理器軟件處理:進(jìn)行主處理系統(tǒng)初始化，設(shè)置SPI主從設(shè)備，設(shè)DSP數(shù)字信號(hào)處理器為主設(shè)備、主MEMS慣性傳感器模塊為從設(shè)備。設(shè)置DSP數(shù)字信號(hào)處理器和主藍(lán)牙通訊電路的串口通訊波特率等。查詢主藍(lán)牙通訊電路有否數(shù)據(jù)到來(lái)，若接收到數(shù)據(jù)則保存在系統(tǒng)寄存器中，然后通過(guò)SPI接口讀取大腿MEMS慣性傳感器模塊的傳感數(shù)據(jù)。對(duì)分別接收讀取到的2路數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得到膝關(guān)節(jié)的角度信息。最后通過(guò)主藍(lán)牙通訊電路將關(guān)節(jié)角度發(fā)送至外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理器的處理流程如圖4所示。
[0039]其中，所述膝關(guān)節(jié)的角度信息的生成包括以下步驟:
[0040]步驟SI，基于主、從MEMS加速度傳感器獲取的3軸加速度信息計(jì)算下肢大、小腿的傾斜度信息。
[0041]步驟S2，基于MEMS陀螺儀獲取的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度信號(hào)積分計(jì)算得到下肢大、小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息。
[0042]步驟S3，將傾斜度信息與轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息經(jīng)加權(quán)平均法得到平均傾斜角。
`[0043]步驟S4，將大、小腿的平均傾斜角經(jīng)差值計(jì)算可得到膝關(guān)節(jié)的角度值。
[0044]所述的計(jì)算下肢大、小腿的傾斜度信息的計(jì)算方法是:加速度傳感器水平放置時(shí)，即其X軸和Y軸均平行于水平方向，這樣可以用來(lái)測(cè)量下肢的雙軸傾斜度。因而，通過(guò)傳感器測(cè)得的X、Y軸的加速度Ax，Ay可以推測(cè)出X、Y軸的傾斜角度俯仰角(pitch)和傾斜角
(roll), Pitch = arcsin(^)，roll = arcsin(J) i考慮到人體下肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主要是下肢的
前后傾斜度，即俯仰角(pitch)變化，而左右傾斜度，即傾斜角(roll)的重要性要低很多，因此，在下肢運(yùn)動(dòng)信息中將傾斜角(roll)僅作為參考信息。
[0045]所述的從陀螺儀得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度值的計(jì)算方法是:系統(tǒng)從陀螺儀獲得下肢大、小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度1，Wy，令采樣間隔為T(mén)，則可得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度值ΘΧ，0y，其中，0x=WxXT，Θ Y=WyXTo
【權(quán)利要求】
1.一種基于MEMS慣性傳感器的人體膝關(guān)節(jié)角度無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括:分別放置于人體下肢大小腿處的主處理系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)，其中:主處理系統(tǒng)通過(guò)整合分別來(lái)自主、從MEMS慣性傳感器模塊的大腿加速度和角速度信息和小腿加速度和角速度信息，對(duì)人體下肢大、小腿的傾斜度進(jìn)行計(jì)算，從而獲取人體步行時(shí)膝關(guān)節(jié)角度信息，并將該膝關(guān)節(jié)角度信息通過(guò)藍(lán)牙方式輸出至外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)； 所述的節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)由嵌入式微控制器、從MEMS慣性傳感器模塊和從藍(lán)牙通訊電路組成，其中:從MEMS慣性傳感器模塊與嵌入式微控制器相連接并傳輸其采集到的小腿加速度和角速度信息，嵌入式微控制器通過(guò)從藍(lán)牙通訊電路向主藍(lán)牙通訊電路通過(guò)無(wú)線方式傳輸小腿加速度和角速度信息； 所述的主處理系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)處理器、主MEMS慣性傳感器模塊和主藍(lán)牙通訊電路組成，其中:主MEMS慣性傳感器模塊與傳感數(shù)字信號(hào)處理器相連接并傳輸其采集到的大腿加速度和角速度信息 ，傳感數(shù)字信號(hào)處理器與主藍(lán)牙通訊電路相連接并接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)處理子系統(tǒng)的小腿加速度和角速度信息，與大腿加速度和角速度信息整合后生成膝關(guān)節(jié)角度信息，并通過(guò)主藍(lán)牙通訊電路傳輸至外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的主、從MEMS慣性傳感器模塊均包括:MEMS3軸加速度傳感器、MEMS陀螺儀傳感器、帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口電路，，其中:MEMS3軸加速度傳感器用來(lái)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的三維線加速度，陀螺儀用來(lái)測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度或角度，利用3軸加速度傳感器和陀螺儀組成的慣性測(cè)量單元，可以同時(shí)測(cè)得物體運(yùn)動(dòng)的三維加速度和角速度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后就可以得到物體運(yùn)動(dòng)的速度、位移、方向、姿態(tài)等信息，帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和SPI接口電路依次串聯(lián)，將MEMS3軸加速度傳感器和MEMS陀螺儀采集到的模擬信號(hào)經(jīng)濾波采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)化后通過(guò)串行方式輸出至對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙通訊電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的傳感數(shù)字信號(hào)處理器采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器，完成對(duì)采集和無(wú)線接收的大、小腿的加速度及角速度傳感信號(hào)的運(yùn)算處理，該傳感數(shù)字信號(hào)處理器包括=DSP數(shù)字信號(hào)處理器、外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路、電源管理電路和可充電電源，其中:外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路分別與DSP數(shù)字信號(hào)處理器相連，電源管理電路與可充電電源相連，并為所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理器、主MEMS慣性傳感器模塊、主藍(lán)牙通訊電路分別提供相匹配的電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的嵌入式微控制器采用微處理器完成對(duì)采集的小腿的加速度及角速度傳感信號(hào)的處理，該嵌入式微控制器包括:微處理器、外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路和電源管理電路，其中:外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門(mén)狗電路分別與微處理器相連，電源管理電路與可充電電源相連，為所述的微處理器、從MEMS慣性傳感器模塊、從藍(lán)牙通訊電路分別提供合適的電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的主藍(lán)牙通訊電路和從藍(lán)牙通訊電路均包括:數(shù)字無(wú)線處理電路、數(shù)控振蕩電路、射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)切換電路、藍(lán)牙收發(fā)器和基帶信號(hào)處理器，其中:數(shù)控振蕩電路和射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)切換電路與數(shù)字無(wú)線處理電路相連，藍(lán)牙收發(fā)器與基帶信號(hào)處理器相通訊，基帶信號(hào)處理器與數(shù)字無(wú)線處理電路相連，此外主藍(lán)牙通訊電路和從藍(lán)牙通訊電路中的基帶信號(hào)處理器與各自對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器或嵌入式微控制器相連。
6.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述系統(tǒng)的檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，從MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀傳感模塊感知人體下肢小腿的三維加速度及旋轉(zhuǎn)角速度信號(hào)，傳感信息通過(guò)SPI接口電路傳輸至嵌入式微處理器，嵌入式微處理器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理后通過(guò)藍(lán)牙電路傳輸至傳感數(shù)字信號(hào)處理器； 步驟2，主MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀傳感模塊感知人體下肢大腿的運(yùn)動(dòng)加速度及旋轉(zhuǎn)角速度信號(hào)，傳感信息通過(guò)SPI接口電路傳輸至傳感數(shù)字信號(hào)處理器； 步驟3，傳感數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)分別通過(guò)SPI接口和藍(lán)牙電路接收到的人體下肢大小腿的加速度信號(hào)和旋轉(zhuǎn)角速度信號(hào)進(jìn)行處理，分別計(jì)算大、小腿的傾角信息，并整合成膝關(guān)節(jié)角度信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的膝關(guān)節(jié)角度信息通過(guò)以下方式得到:基于加速度傳感器分別得到的下肢大、小腿的傾斜度信息，基于陀螺儀獲取的下肢大小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度信號(hào)積分計(jì)算得到下肢大小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息，再將傾斜度信息與轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息經(jīng)加權(quán)平均法得到平均傾斜角，將大、小腿的平均傾斜角經(jīng)差值計(jì)算可得到膝關(guān)節(jié)的角度值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的大、小腿的傾角信息通過(guò)以下方式得到:加速度傳感器水平放置時(shí)，即其X軸和Y軸均平行于水平方向，即用來(lái)測(cè)量下肢的雙軸傾斜度，當(dāng)通過(guò)傳感器測(cè)得的X、Y軸的加速度Ax，Ay則X、Y軸的傾斜角度俯仰角pitch和傾斜角 roll 分別為:
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的從陀螺儀得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度值的計(jì)算方法是:從陀螺儀獲得下肢大、小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度Wx，Wy，令采樣間隔為T(mén)，則轉(zhuǎn)動(dòng)角度值θχ、Gy 分別為:9x=WxXT，0Y=ffYXTo
【文檔編號(hào)】A61B5/107GK103750841SQ201410023775
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】劉大生, 顏國(guó)正, 王志武 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)