CN208677399U - 智能关节角度测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种智能关节角度测量装置，该智能关节角度测量装置包括惯性测量模块、控制模块、无线通讯模块以及电源模块；其中，所述惯性测量模块设置于待测关节部位，用于采集待测关节部位的角度数据并输出；所述控制模块接收所述惯性测量模块输出的角度数据，进行处理后发送给所述无线通讯模块；所述无线通讯模块接收所述控制模块发送的数据后以无线方式进行输出；所述电源模块用于提供所述智能关节角度测量装置各个模块工作所需用电；本实用新型还提供一种包括上述智能关节角度测量装置的智能关节角度测量系统；本实用新型能够实现对关节在三维空间内的任何姿态下实施静态和动态的活动度检测，使人体关节的活动度测量及评估更加快捷和有效。

Description

智能关节角度测量装置及系统

技术领域

本实用新型涉及角度测量装置，尤其涉及一种人体关节活动度的智能关节角度测量装置及系统。

背景技术

人体关节活动度，又称关节活动范围，是指关节运动时所转动的角度。人体关节活动度测定是评定关节运动功能状态的最基本的、最重要手段之一；也是确定有无关节活动障碍及障碍程度，确定治疗目标和评价治疗效果的重要方法。

目前临床上主要使用关节角度尺或圆盘量角器来测量关节活动度。关节角度尺和圆盘量角器由活动臂、固定臂和活动中心组成。但受到测试人员的影响，准确性和可靠性差。

视频、光学打点标记等方法也被用于关节活动度的测量，但这些方法对环境的要求较高,所需设备价格昂贵，操作复杂，主要应用于科研活动。

随着电子技术的进步，在人体关节活动度测量中，由微型传感器构建的测量系统得到了越来越广泛的应用，如采用单枚六轴传感器，或者采用两枚三轴加速度传感器测量关节活动度。

采用单枚六轴传感器测量关节活动度时，六轴传感器被放置于关节远端肢体，由于无法感知和测量关节近端肢体的运动状态和空间位置，测试期间，关节近端肢体必须保持位置固定，不能移动。测量体位、姿态受限，使用不便。

采用两枚三轴加速度传感器测量关节活动度时，两枚三轴加速度传感器分别放置关节近、远端肢体上，不需要固定近端关节肢体。但三轴加速度传感器对一般的震动和机械噪声很敏感，测量时需要整个身体和关节近、远端肢体都在保持稳定状态，否则无法准确测出角度，对受试者和周围环境要求较高。比较适合静态(被动)角度测量，对关节动态活动度测量的有效性和准确性较差，不能完全满足临床对关节活动度检查时快速、简便、准确的要求。

因此在不限定肢体活动模式的前提下，准确地采集自然姿态下关节的静态、动态活动度信息成为临床上一个亟待解决的问题。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型针对现有的关节活动度测量方法的不足，提供了一种基于两个惯性测量模块的关节活动度的智能关节角度测量装置及系统，该智能关节角度测量装置及系统结构简洁并且易于安装使用。

本实用新型提供的一种智能关节角度测量装置，包括惯性测量模块、控制模块、无线通讯模块以及电源模块；其中，所述惯性测量模块设置于待测关节部位，用于采集待测关节部位的角度数据并输出；所述控制模块接收所述惯性测量模块输出的角度数据，进行处理后发送给所述无线通讯模块；所述无线通讯模块接收所述控制模块发送的数据后以无线方式进行输出；所述电源模块用于提供所述智能关节角度测量装置各个模块工作所需用电。

在一优选实施例中，所述惯性测量模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度传感器。

在一优选实施例中，所述惯性测量模块采集的所述角度数据包括加速度数据和角速度数据。

在一优选实施例中，所述控制模块为单片机或者微处理器(MCU，Micro ControlUnit)，用于将所述惯性测量模块输出的角度数据进行模数转化、数字滤波、向量运算及整合，并将处理后的数据发送至所述无线通讯模块。

在一优选实施例中，所述无线通讯模块为蓝牙模块、Wi-Fi模块或者移动通信网络模块。

在一优选实施例中，所述的电源模块为锂电池模块，用于整个装置的供电，该电源模块包括充、放电电路和充电保护电路。

在一优选实施例中，所述智能关节角度测量装置中的惯性测量模块、控制模块、无线通讯模块以及电源模块全部设置于一壳体中，该壳体上设置有固定装置，形成能够方便固定的便携穿戴设备。

本实用新型还提供一种智能关节角度测量系统，该智能关节角度测量系统包括两个如上文所述的智能关节角度测量装置以及移动终端；其中，第一智能关节角度测量装置设置于第一关节部位，用于采集该第一关节部位的角度数据并输出；第二智能关节角度测量装置设置于第二关节部位，用于采集该第二关节部位的角度数据并输出；所述移动终端接收所述第一智能关节角度测量装置和所述第二智能关节角度测量装置传送的第一关节部位和第二关节部位的角度数据，处理后将测量结果进行显示。

在一优选实施例中，所述第一关节部位和所述第二关节部位分别位于待测关节两侧。

在一优选实施例中，所述移动终端为手机或者PAD(平板电脑Pad,portableandroid device)，该移动终端对所述第一智能关节角度测量装置和所述第二智能关节角度测量装置传送的角度数据进行分析处理，计算关节活动度，显示关节运动过程中的角度变化，并将关节活动值自动上传到数据库。

本实用新型的智能关节角度测量装置及系统依据组成人体关节的远、近端肢体的相对空间位置，计算出相应关节的角度变化，提供静态和动态的人体关节角度检测，能够实现对关节在三维空间内的任何姿态下实施静态和动态的活动度检测，使人体关节的活动度测量及评估更加快捷和有效。

附图说明

图1是本实用新型智能关节角度测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型智能关节角度测量系统的组成结构示意图。

图3是本实用新型智能关节角度测量系统设置位置示意图。

具体实施方式

为让本实用新型的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本实用新型的较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

请参阅图1，图1是本实用新型智能关节角度测量装置的结构示意图，如图所示，本实用新型智能关节角度测量装置100包括惯性测量模块110、控制模块120、无线通讯模块130以及电源模块140；其中，惯性测量模块110设置于待测关节部位，用于采集待测关节部位的角度数据并输出给控制模块120，在本实施例中，惯性测量模块110包括三轴陀螺仪1101和三轴加速度传感器1102，所采集的角度数据包括加速度数据和角速度数据。控制模块120为单片机或者微处理器(MCU，Micro Control Unit)，接收数据后将数据进行模数转化、数字滤波、向量运算及整合，再发送给无线通讯模块130，无线通讯模块130再将数据以无线方式进行输出，该无线通讯模块130可以为蓝牙模块、Wi-Fi模块或者移动通信网络模块，包括支持目前正在使用的GSM、CDMA、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、TD_LTE、FDD-LET等能够实现网络通信的3G、4G甚至5G等各种模块；电源模块140与上述各个模块相连，该电源模块140包括充、放电电路和充电保护电路用于提供各个模块工作所需用电。

另外，在实际工作中，本实用新型的智能关节角度测量装置可以将上文所述的惯性测量模块110、控制模块120、无线通讯模块130以及电源模块140全部设置于一壳体中，再在壳体上设置有固定装置，形成能够方便固定的便携穿戴设备，并且在壳体外表面嵌入电源开关和指示灯，可以方便控制电源模块供电以及及时通过指示灯了解传感器工作状态。这样，在测量的时候，本实用新型的智能关节角度测量装置可以方便设置并且固定在待测的关节部位。

本实用新型还提供了一种智能关节角度测量系统，请参阅图2和图3，图2是本实用新型智能关节角度测量系统的组成结构示意图，图3是本实用新型智能关节角度测量系统设置位置示意图，如图所示，本实用新型的智能关节角度测量系统包括两个如上文所述的智能关节角度测量装置以及移动终端230；其中，第一智能关节角度测量210装置设置于第一关节部位310，用于采集该第一关节部位310的角度数据并输出；第二智能关节角度测量220装置设置于第二关节部位320，用于采集该第二关节部位320的角度数据并输出；由图3可以看出，第一关节部位310和第二关节部位320分别位于待测关节的两侧，移动终端230接收第一智能关节角度测量装置210和第二智能关节角度测量装置220传送的第一关节部位310和第二关节部位320的角度数据，进行分析处理，计算关节活动度，关节运动过程中的角度变化，处理后将测量结果进行显示，并将关节活动值自动上传到数据库。其中的移动终端230可以是手机或者PAD等能够进行无线通讯的移动电子处理设备。

另外需要说明的是，本实用新型的智能关节角度测量装置及系统不仅仅只适用于人体的关节，其他动物的关节如果需要也可以进行关节角度测量，更特殊的情况，本实用新型还可以测量各种机械设备连接处的角度，原理和测量人体或动物关节角度相同，并且可以通过使用移动网络通信模块实现远程监控的功能。

下面介绍本实用新型的智能关节角度测量装置及系统的工作过程：

本实用新型的智能关节角度测量装置开始工作时,选择需要测量的关节，找到被测人感觉舒适的角度，将两个测量装置分别固定于关节远、近端肢体的的轴线垂直线上；关节活动度测量装置开机，打开移动终端，接收三轴陀螺仪传感器信号，获取初始角度；被测人关节开始屈、伸活动，移动终端对采集到的两个智能关节角度测量装置的加速度和陀螺仪信号做积分运算和数据融合，控制模块采集惯性测量模块输出的数据,再将数据进行低通滤波除去噪声，然后将预处理后的数据由无线通讯模块实时发送到移动终端，移动终端先对三轴陀螺仪输出的各轴上的角速度数据进行积分,并计算出当前初始角度,再通过旋转矢量算法解算得到陀螺仪的估计姿态四元数，同时利用获得的三轴加速度数据,通过高斯牛顿迭代法进行迭代找到最合适的四元数修正系数，最后利用惯性测量模块输出加速度传感器数据作为观测变量,采用卡尔曼滤波算法将三轴陀螺仪计算的当前初始角度与三轴加速度传感器数据得到修正系数进行融合计算,解算出修正后的关节活动度并在移动终端显示屏显示。

本实用新型智能关节角度测量装置的信号处理算法流程如下：

首先设定一个关于加速度与角速度的阈值，利用加速度传感器和陀螺仪的输出数据来判断物体运动状态。

当关节处于静止状态时，利用陀螺测得的角速度得到一个初始角度。然后控制模块根据阈值判断被测物体是否处于静态，若是，则继续使用加速度传感器计算关节角度；否则将该时刻作为传感器使用切换的时刻，利用陀螺测得的角速度来更新前一步的姿态角；利用加速度传感器对重力向量的观测来修正陀螺给出的关节角度值，采用卡尔曼滤波算法对其状态进行估计，通过数据融合修正其关节角度，并在移动终端上显示计算结果。

膝关节屈曲活动度测量按以下步骤进行：

(1)受测者坐/仰卧在床上，膝关节放置于舒适角度位置，将按图3所示封装好的智能关节角度测量装置沿大腿和小腿轴线固定在同侧；

(2)保持膝关节稳定，接通智能关节角度测量装置电源，显示初始角度；

(3)受测者按图3所示，开始屈、伸膝关节直至最大活动度；

(4)移动终端通过接收来自两个智能关节角度测量装置传出的数据，计算出关节活动度，于移动终端屏幕上实时显示膝关节角度变化。

本实用新型的智能关节角度测量装置及系统依据组成人体关节的远、近端肢体的相对空间位置，计算出相应关节的角度变化，提供静态和动态的人体关节角度检测，能够实现对关节在三维空间内的任何姿态下实施静态和动态的活动度检测，使人体关节的活动度测量及评估更加快捷和有效，在人体测量、智能假肢、人机系统的设计和评价、临床康复训练及评价、运动科学等领域具有广泛的应用。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能关节角度测量装置，其特征在于：

该智能关节角度测量装置包括惯性测量模块、控制模块、无线通讯模块以及电源模块；

其中，所述惯性测量模块设置于待测关节部位，用于采集待测关节部位的角度数据并输出；

所述控制模块接收所述惯性测量模块输出的角度数据，进行处理后发送给所述无线通讯模块；

所述无线通讯模块接收所述控制模块发送的数据后以无线方式进行输出；

所述电源模块用于提供所述智能关节角度测量装置各个模块工作所需用电。

2.如权利要求1所述的智能关节角度测量装置，其特征在于：

所述惯性测量模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度传感器。

3.如权利要求2所述的智能关节角度测量装置，其特征在于：

所述惯性测量模块采集的所述角度数据包括加速度数据和角速度数据。

4.如权利要求1所述的智能关节角度测量装置，其特征在于：

所述控制模块为单片机或者微处理器，用于将所述惯性测量模块输出的角度数据进行模数转化、数字滤波、向量运算及整合，并将处理后的数据发送至所述无线通讯模块。

5.如权利要求1所述的智能关节角度测量装置，其特征在于：

所述无线通讯模块为蓝牙模块、Wi-Fi模块或者移动通信网络模块。

6.如权利要求1所述的智能关节角度测量装置，其特征在于：

所述的电源模块为锂电池模块，用于整个装置的供电，该电源模块包括充、放电电路和充电保护电路。

7.如权利要求1所述的智能关节角度测量装置，其特征在于：

所述智能关节角度测量装置中的惯性测量模块、控制模块、无线通讯模块以及电源模块全部设置于一壳体中，该壳体上设置有固定装置，形成能够方便固定的便携穿戴设备。

8.一种智能关节角度测量系统，其特征在于：

该智能关节角度测量系统包括两个如权利要求1-7任一项所述的智能关节角度测量装置以及移动终端；

其中，第一智能关节角度测量装置设置于第一关节部位，用于采集该第一关节部位的角度数据并输出；

第二智能关节角度测量装置设置于第二关节部位，用于采集该第二关节部位的角度数据并输出；

所述移动终端接收所述第一智能关节角度测量装置和所述第二智能关节角度测量装置传送的第一关节部位和第二关节部位的角度数据，处理后将测量结果进行显示。

9.如权利要求8所述的智能关节角度测量系统，其特征在于：

所述第一关节部位和所述第二关节部位分别位于待测关节两侧。

10.如权利要求8所述的智能关节角度测量系统，其特征在于：

所述移动终端为手机或者PAD，该移动终端对所述第一智能关节角度测量装置和所述第二智能关节角度测量装置传送的角度数据进行分析处理，计算关节活动度，显示关节运动过程中的角度变化，并将关节活动值自动上传到数据库。