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CN104434124A - 一种人体下肢步态数据采集系统 - Google Patents

一种人体下肢步态数据采集系统 Download PDF

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CN104434124A CN201410735564.XA CN201410735564A CN104434124A CN 104434124 A CN104434124 A CN 104434124A CN 201410735564 A CN201410735564 A CN 201410735564A CN 104434124 A CN104434124 A CN 104434124A
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CN
China
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程洪
黄瑞
张良伟
林西川
潘有缘
邱静
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University of Electronic Science and Technology of China
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University of Electronic Science and Technology of China
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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Abstract

本发明涉及人体外骨骼机器人，具体涉及一种人体下肢步态数据采集系统，包括可穿戴传感器安装结构（1）、数据采集电路（2）、PC终端、姿态传感器（3）、编码器（4）、脚底压力传感器和角速度传感器；所述可穿戴传感器安装结构（1）从上往下由依次连接的背部支架（5）、髋关节连接件（6）、大腿连杆（7）、腿部绑缚机构（8）、膝关节连接件（9）、小腿连杆（10）、踝关节连接件（11）和鞋板（12）构成，其中所述大腿连杆（7）和小腿连杆（10）内侧均安装有用于绑缚使用者腿部的绑缚装置等特征。本发明成本低精度高，穿戴方便，能够使被测者很方便的进行穿戴测试和操作，并且不受环境影响。

Description

一种人体下肢步态数据采集系统
技术领域
本发明涉及人体外骨骼机器人，具体涉及一种人体下肢步态数据采集系统。
背景技术
采集人体运动数据，常见的方法是使用视觉定位设备或者惯性测量元件。视觉定位有Vicon、MOCAP等基于三维立体视觉技术的步态采集系统，这类步态采集系统需要通过六个或者更多的摄像头组，全方位的捕捉人体各个关节节点的姿态。通过在被测者身上放置标记点，以便摄像头标定和获取数据。
基于三维立体视觉技术的步态采集系统主要具有以下几点缺点：
1）这类步态采集系统需要六个或者更多摄像头组，价格昂贵而且摄像头之间的安装位置需要固定，导致该类系统只能在一个固定的场合（如室内）进行使用。
2）这类步态采集系统在进行步态采集和分析时，还需要复杂的穿戴过程，需要被测者穿着尽量深色的衣物，并且需要在被测者的各个关节和需要测量数据的地方放置白色的标记点，通常穿戴和矫正的时间就需要长达15-20分钟。
3）这类步态采集系统由于是使用基于视觉处理的方法，对于环境的要求也相当的高，对干扰的处理能力也相对较弱，而且在数据处理算法方面，需要复杂的标定过程，导致了算法的复杂度和操作者的工作量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人体下肢步态数据采集系统，解决了现有技术中，人体外骨骼机器人中对人体下肢步态数据的采集设备成本高，采集效率低以及容易受到环境影响的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种人体下肢步态数据采集系统，包括可穿戴传感器安装结构、数据采集电路、PC终端、姿态传感器、编码器、脚底压力传感器和角速度传感器；所述可穿戴传感器安装结构从上往下由依次连接的背部支架、髋关节连接件、大腿连杆、腿部绑缚机构、膝关节连接件、小腿连杆、踝关节连接件和鞋板构成，其中所述大腿连杆和小腿连杆内侧均安装有用于绑缚使用者腿部的绑缚装置；所述姿态传感器分别安装在背部支架内侧、大腿连杆和小腿连杆内侧的绑缚装置上，所述编码器分别安装在髋关节连接件和膝关节连接件上，所述脚底压力传感器分别安装在鞋板的前脚掌和后脚掌处，所述角速度传感器也安装在鞋板上，所述数据采集电路分布在大腿连杆和小腿连杆的外侧，接收姿态传感器、编码器、脚底压力传感器和角速度传感器所采集的数据并传输至所述PC终端。
更进一步的技术方案是，所述数据采集电路相互之间是通过CAN总线信号连接，所述数据采集电路和PC终端之间是通过蓝牙信号连接。
更进一步的技术方案是，所述髋关节连接件和膝关节连接件均是由上条形随动件、下条形随动件相互铰接而成，所述编码器设置在铰接处并且编码器上的活动件和上条形随动件同步固定，编码器上的固定件和下条形随动件同步固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）本发明涉及的可穿戴步态采集系统，通过编码器、加速度计、脚底压力传感器以及姿态仪对被测者的运动数据进行采集，这些传感器价格低廉，而且可以安装在可穿戴的机构上，可以在室外以及更广阔的场合进行使用。
2）本发明涉及的可穿戴步态采集系统，通过可穿戴的设计方式，穿戴方便，能够使被测者很方便的进行穿戴测试和操作。
3）由于本发明涉及的可穿戴步态采集系统是基于机械式传感器的数据采集原理，所以对环境的要求并不高，在很多室外环境下仍然可以正常使用。
附图说明
图1为本发明一种人体下肢步态数据采集系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明一种人体下肢步态数据采集系统的一个实施例：一种人体下肢步态数据采集系统，包括可穿戴传感器安装结构1、数据采集电路2、PC终端、姿态传感器3、编码器4、脚底压力传感器和角速度传感器；所述可穿戴传感器安装结构1从上往下由依次连接的背部支架5、髋关节连接件6、大腿连杆7、腿部绑缚机构8、膝关节连接件9、小腿连杆10、踝关节连接件11和鞋板12构成，其中所述大腿连杆7和小腿连杆10内侧均安装有用于绑缚使用者腿部的绑缚装置；所述姿态传感器3分别安装在背部支架5内侧、大腿连杆7和小腿连杆10内侧的绑缚装置上，所述编码器4分别安装在髋关节连接件6和膝关节连接件9上，所述脚底压力传感器分别安装在鞋板12的前脚掌和后脚掌处，所述角速度传感器也安装在鞋板12上，所述数据采集电路2分布在大腿连杆7和小腿连杆10的外侧，接收姿态传感器3、编码器4、脚底压力传感器和角速度传感器所采集的数据并传输至所述PC终端。
根据本发明一种人体下肢步态数据采集系统的一个优选实施例，所述数据采集电路2相互之间是通过CAN总线信号连接，所述数据采集电路2和PC终端之间是通过蓝牙信号连接。
根据本发明一种人体下肢步态数据采集系统的另一个优选实施例，所述髋关节连接件6和膝关节连接件9均是由上条形随动件、下条形随动件相互铰接而成，所述编码器4设置在铰接处并且编码器4上的活动件和上条形随动件同步固定，编码器4上的固定件和下条形随动件同步固定。
本发明在使用时，通过分布式的数据采集电路对各个传感器的数据进行采集。由于该系统采用的是分布式的传输结构，所以该系统中的数据传输网络也是基于分布式的数据采集电路来进行数据传输，通过CAN总线来保证各个节点电路之间的数据传输，最终在背部数据采集节点进行打包，并且通过无线传输的方式来与PC终端进行通信。PC终端接收到背部数据采集节点的打包数据之后，通过数据融合算法对采集到的各种传感器的数据进行融合处理，对被测者的步态进行分析，并且通过可视化的结果在PC终端进行显示。
本发明的结构简单，使用方便。因为编码器与人体捆绑刚性连接，所以测量出的数据更加准确；使用无线数据传输，穿戴者在测试时可在较大范围自由行走不受约束。另外，本发明的技术门槛更低，不涉及复杂的算法实现，只需要常规的电子技术，故更适合常规使用和推广。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (3)

1.一种人体下肢步态数据采集系统，其特征在于：包括可穿戴传感器安装结构（1）、数据采集电路（2）、PC终端、姿态传感器（3）、编码器（4）、脚底压力传感器和角速度传感器；
所述可穿戴传感器安装结构（1）从上往下由依次连接的背部支架（5）、髋关节连接件（6）、大腿连杆（7）、腿部绑缚机构（8）、膝关节连接件（9）、小腿连杆（10）、踝关节连接件（11）和鞋板（12）构成，其中所述大腿连杆（7）和小腿连杆（10）内侧均安装有用于绑缚使用者腿部的绑缚装置；
所述姿态传感器（3）分别安装在背部支架（5）内侧、大腿连杆（7）和小腿连杆（10）内侧的绑缚装置上，
所述编码器（4）分别安装在髋关节连接件（6）和膝关节连接件（9）上，
所述脚底压力传感器分别安装在鞋板（12）的前脚掌和后脚掌处，所述角速度传感器也安装在鞋板（12）上，
所述数据采集电路（2）分布在大腿连杆（7）和小腿连杆（10）的外侧，接收姿态传感器（3）、编码器（4）、脚底压力传感器和角速度传感器所采集的数据并传输至所述PC终端。
2.根据权利要求1所述的一种人体下肢步态数据采集系统，其特征在于：所述数据采集电路（2）相互之间是通过CAN总线信号连接，所述数据采集电路（2）和PC终端之间是通过蓝牙信号连接。
3.根据权利要求1所述的一种人体下肢步态数据采集系统，其特征在于：所述髋关节连接件（6）和膝关节连接件（9）均是由上条形随动件、下条形随动件相互铰接而成，所述编码器（4）设置在铰接处并且编码器（4）上的活动件和上条形随动件同步固定，编码器（4）上的固定件和下条形随动件同步固定。
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