一種計(jì)步及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)及康復(fù)領(lǐng)域，尤其涉及一種計(jì)步及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著嵌入式芯片技術(shù)的發(fā)展，穿戴式設(shè)備被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)康復(fù)，健康檢測(cè)等領(lǐng) 域。運(yùn)動(dòng)分析最常見(jiàn)的產(chǎn)品是佩戴式計(jì)步器及類似功能的計(jì)步手環(huán)。常用計(jì)步及分析裝置 主要由傳感器、計(jì)算部分和顯示部分組成。傳感器用于檢測(cè)用戶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)； 計(jì)算部分根據(jù)信號(hào)計(jì)算出步數(shù)和體動(dòng)狀態(tài)信息；顯示部分用于顯示步數(shù)及其他體動(dòng)特征， 以及時(shí)間等一些基本參數(shù)。在康復(fù)領(lǐng)域，由于下肢偏癱等疾病和老年化的影響，很多人喪失 正常的行動(dòng)能力，制作一個(gè)可以采集下肢動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)特定功能評(píng)估的便攜式穿戴設(shè) 備，既可以給正常人提供鍛煉的輔助工具，也可以為及下肢運(yùn)動(dòng)障礙病患提供一種康復(fù)訓(xùn) 練評(píng)估手段。
[0003] 在現(xiàn)有的計(jì)步及分析裝置中，存在多種以加速度計(jì)為傳感器的計(jì)步器，該類計(jì)步 器被推薦佩戴至腰部，來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能。
[0004] 在現(xiàn)有的計(jì)步器中，存在多種以水銀開(kāi)關(guān)為傳感器的計(jì)步器，該類計(jì)步器通過(guò)運(yùn) 動(dòng)中水銀開(kāi)關(guān)的數(shù)值變化來(lái)區(qū)分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與安靜狀態(tài)。
[0005]在現(xiàn)有的步態(tài)分析裝置中，存在一種便攜式步態(tài)信息采集裝置，設(shè)有肌電信號(hào)采 集模塊、陀螺儀模塊、足底壓力傳感器模塊、激光測(cè)距儀、微處理器、SD卡模塊、顯示屏模塊。
[0006] 在上述的現(xiàn)有計(jì)步及步態(tài)分析裝置中，計(jì)步器及類似計(jì)步手環(huán)僅能實(shí)現(xiàn)計(jì)步、卡 路里消耗等簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)分析;步態(tài)分析裝置主要用于輔助行走吃力的下肢病患和老年人完 成康復(fù)訓(xùn)練，針對(duì)的群體較小。因此，需要一種功能全面的，在具有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估功能的同 時(shí)，可以為下肢障礙的病患提供基礎(chǔ)康復(fù)評(píng)估的穿戴式生理及體動(dòng)信號(hào)采集分析裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種計(jì)步及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估裝置，可提供更多的肌肉生理信 息，尤其適用于運(yùn)動(dòng)和康復(fù)評(píng)估。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0009] -種計(jì)步及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)評(píng)估裝置，包括:多通道表面肌電傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器及主控 單元;其中：
[0010] 所述多通道表面肌電傳感器，用于采集肌群表面的肌電信息；
[0011]所述運(yùn)動(dòng)傳感器，用于運(yùn)動(dòng)軌跡信息；
[0012]所述主控單元，用于根據(jù)用戶設(shè)定的模式，并結(jié)合多通道表面肌電傳感器與運(yùn)動(dòng) 傳感器采集到的信息對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析:若設(shè)定的模式為計(jì)步模式，則對(duì)采集到的 信息進(jìn)行特征提取，再通過(guò)特征識(shí)別來(lái)判定當(dāng)前動(dòng)作并對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)和卡路里計(jì) 算;若設(shè)定的模式為鍛煉模式，則對(duì)采集到的信息進(jìn)行特征提取，并根據(jù)提取到的特征對(duì)運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估;若設(shè)定的模式為康復(fù)模式，則對(duì)采集到的信息進(jìn)行特征提取，并將提取到 的特征與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參考模版進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到一定運(yùn)動(dòng)時(shí)間或提取到的多組特征異常 時(shí)，發(fā)出報(bào)警提示。
[0013] 進(jìn)一步的，所述主控單元，用于根據(jù)用戶設(shè)定的模式，并結(jié)合多通道表面肌電傳感 器與運(yùn)動(dòng)傳感器采集到的信息對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析具體包括：
[0014] 若設(shè)定的模式為計(jì)步模式，則對(duì)采集到的信息進(jìn)行特征提取，將提取到的特征與 設(shè)定的年齡、體重及身高下的參考模版進(jìn)行模式識(shí)別，從而判定當(dāng)前動(dòng)作步行、跑步、騎行、 跳躍或上樓梯，并對(duì)不同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)和卡路里計(jì)算；
[0015] 若設(shè)定的模式為鍛煉模式，則根據(jù)鍛煉模式下開(kāi)始的前S組動(dòng)作的信息進(jìn)行特征 提取，并生成參考特征，在后續(xù)動(dòng)作過(guò)程中，對(duì)采集到的信息進(jìn)行特征提取，并將提取到的 特征與所述參考特征進(jìn)行比較，對(duì)后續(xù)動(dòng)作的完成質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估；
[0016] 若設(shè)定的模式為康復(fù)模式，則對(duì)采集到的信息進(jìn)行特征提取，將提取到的特征與 預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參考模版進(jìn)行比較，當(dāng)提取到的多組特征異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警提示。
[0017] 進(jìn)一步的，所述主控單元對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，處理步驟包括：
[0018] 當(dāng)采集到新信息后，依次進(jìn)行活動(dòng)段分割與特征提取;具體如下：
[0019] 活動(dòng)段分割:主控單元初始化各類索引變量，其中Active表示當(dāng)前采集到新信息 是否在活動(dòng)段內(nèi)，Last表示上一次處理完信息所在的采樣時(shí)間，Cur表示當(dāng)前處理信息所在 的米樣時(shí)間；
[0020] 如果CUr-Last>W表示超過(guò)W個(gè)采樣時(shí)間采集到的新信息尚未處理，則開(kāi)始判斷新 信息是否在活動(dòng)段內(nèi)；如果Active為1表示前一次處理的信息已經(jīng)在活動(dòng)段內(nèi)，只要滿足當(dāng) 前信息的樣本熵大于規(guī)定的閾值，則判定當(dāng)前信息同樣為活動(dòng)段內(nèi)，并根據(jù)分幀處理的方 式以64點(diǎn)為步長(zhǎng)，128點(diǎn)為窗長(zhǎng)執(zhí)行特征提取的操作；如果在Active為1的情況下當(dāng)前信息 樣本熵小于規(guī)定閾值，則非活動(dòng)段計(jì)數(shù)器加1;如果非活動(dòng)段計(jì)數(shù)器連續(xù)疊加此處達(dá)到P則 判定此時(shí)活動(dòng)段已完全退出；
[0021]特征提?。?br>[0022] 對(duì)于肌電信息，提取時(shí)域特征絕對(duì)值均值MAV，提取頻域特征自回歸AR模型系數(shù)；
[0023] 肌電信號(hào)的絕對(duì)值均值MAV計(jì)算公式為：
[0024]
[0025] 式中，MAV指絕對(duì)值均值，c表示肌電信號(hào)所對(duì)應(yīng)的表面肌電傳感器通道，Nf為幀 長(zhǎng)，SEMGdi)表示采集到的第dl道肌電信號(hào)第i個(gè)點(diǎn)的數(shù)值；
[0026]肌電信號(hào)的AR模型系數(shù)采用Burg算法計(jì)算；
[0027] 采用分幀技術(shù)提取肌電信息的特征:將一個(gè)活動(dòng)段內(nèi)的肌電信息分成多個(gè)片段， 每個(gè)片段提取出一組特征，使用長(zhǎng)度為Nf，步長(zhǎng)為&的移動(dòng)平均窗從活動(dòng)段的起始點(diǎn)開(kāi)始移 動(dòng)，每次移動(dòng)時(shí)窗內(nèi)所包含的信息均作為當(dāng)前幀內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，直至后面的數(shù)據(jù)不足時(shí)結(jié) 束，丟棄不足的部分；
[0028] 分幀完畢后，每通道肌電信息的每幀數(shù)據(jù)包含5個(gè)特征值:1個(gè)MAV和4個(gè)AR系數(shù)，并 使用長(zhǎng)度為Nf的Hamming窗對(duì)每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，Hamming窗計(jì)算公式為：
[0029]
[0030] 式中，n= [0，Nf-l ];
[0031 ]對(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡信息，抽樣并計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差;所述運(yùn)動(dòng)傳感器集成了 3軸加速度 計(jì)、3軸角速度計(jì)和3軸磁力計(jì)，運(yùn)動(dòng)軌跡信息的特征為每通道64個(gè)抽樣點(diǎn)，共9個(gè)通道;則將 9個(gè)通道的第i個(gè)抽樣點(diǎn)放在第i行，形成64行9列的特征矩陣，其中，i = [ 1，64]。
[0032] 進(jìn)一步的，所述根據(jù)鍛煉模式下開(kāi)始的前S組動(dòng)作的信息進(jìn)行特征提取，并生成參 考特征，在后續(xù)動(dòng)作過(guò)程中，對(duì)采集到的信息進(jìn)行特征提取，并將提取到的特征與所述參考 特征進(jìn)行比較，對(duì)后續(xù)動(dòng)作的完成質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估包括：
[0033] 對(duì)鍛煉模式下開(kāi)始的前S組動(dòng)作的信息進(jìn)行特征提取，并計(jì)算特征集合的質(zhì)心，將 質(zhì)心作為參考特征；
[0034] 對(duì)第S組之后的信息進(jìn)行特征提取，并計(jì)算提取到的特征與所述參考特征的歐氏 距離，將該歐氏距離在預(yù)設(shè)的評(píng)分表中索引，從而獲得相應(yīng)的評(píng)分。
[0035] 進(jìn)一步的，對(duì)采集到的信息進(jìn)行特征提取，將提取到的特征與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參考模 版進(jìn)行比較，當(dāng)提取到的多組特征異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警提示包括：
[0036] 所述預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參考模版為根據(jù)用戶的性別、年齡、身高與體重所設(shè)定；
[0037]當(dāng)完成特征提取后，將提取出的特征與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參考模版進(jìn)行比較，來(lái)判斷該 動(dòng)作是否有效并統(tǒng)計(jì)有效動(dòng)作;若連續(xù)提取出的多組特征與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參考模版的差異均 大于閾值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警提示用戶休息，并記錄本次康復(fù)訓(xùn)練的持續(xù)時(shí)間。
[0038] 進(jìn)一步的，所述主控單元定時(shí)讀取多通道表面肌電傳感器與運(yùn)動(dòng)傳感器采集到的 信息;其中：
[0039] 多通道表面肌電傳感器采集到的信息通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)定時(shí) 器中斷程序中以1kHz更新ADC采樣標(biāo)志位時(shí)，主控單元通過(guò)通信接口讀取一組ADC轉(zhuǎn)換后的 信息，待轉(zhuǎn)換后的所有通道的信息均讀取完畢后清除ADC采樣標(biāo)志，并將信息存入數(shù)據(jù)緩 存；
[0040] 當(dāng)定時(shí)器中斷程序中以100Hz更新運(yùn)動(dòng)傳感器采樣標(biāo)志位時(shí)，主控單元通過(guò)通信 接口讀取一組運(yùn)動(dòng)傳感器采集到的信息，待讀取完后清除運(yùn)動(dòng)傳感器采樣標(biāo)志，并將信息 存入數(shù)據(jù)緩存。
[0041]進(jìn)一步的，該裝置還包括：
[0042] 通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)主控單元與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸；
[0043] 當(dāng)主控單元在讀取多通道表面肌電傳感器與運(yùn)動(dòng)傳感器采集到的信息時(shí)，若用戶 配置了的實(shí)時(shí)顯示采集信號(hào)，則主控單元通過(guò)通信模塊，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至外部設(shè)備。
[0044] 進(jìn)一步的，該裝置還包括:程序存儲(chǔ)單元與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡；
[0045] 所述程序存儲(chǔ)單元，用于供系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中存取數(shù)據(jù)；
[0046] 所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡