本实用新型涉及一种穿戴式骨骼运动检测装置。尤其是下肢外骨骼人体步态和动力方面的综合监测。
背景技术：
在当今老龄化严重的年代，由于空巢老人较多，并且老年人的身体问题大多都是腿脚不便，老寒腿之类的毛病，体力、精力大不如前，现有的穿戴式骨骼运动检测装置不能实时监控老人的身体特征状态。
骨骼机器人的应用已经很多，cn201811647849外骨骼机器人，包括下肢机构、上肢机构和背包组件，下肢机构包括大腿组件、小腿件和传动关节，大腿组件和小腿件通过传动关节转动连接；上肢机构包括上臂、小臂和传动关节，上臂和小臂通过传动关节转动连接；背包组件背包板和多位控制装置。
cn201811128060下肢康复外骨骼和外骨骼机器人，包括：关节组件，所述关节组件包括第一连接臂和第二连接臂，第一连接臂和第二连接臂转动连接；传动组件，所述传动组件连接所述第一连接臂和第二连接臂；以及动力装置。
cn同步外骨骼机械臂是一种同步外骨骼机械臂，属于仿生机器人技术领域。其包括支撑装置及对称安装在是所述支撑装置两侧的两个手臂，每一个所述手臂包括大臂、小臂及传动装置，所述大臂与所述小臂铰接，所述传动装置包括套接在人体手臂上的大臂套、安装在所述大臂上的传动装置。但下肢外骨骼人体步态监测方法与装置还未有大量公开。
技术实现要素：
本实用新型目的是，通过采集传感器采集的有关下肢骨骼的步速、步态等实时数据，提出一种穿戴式骨骼运动检测装置，用于下肢外骨骼人体步态和动力方面的综合监测，并根据实时数据控制穿戴者中的动力单元来实现制度康复方案以及步行辅助。
本实用新型所采用的技术方案有：一种穿戴式下肢骨骼运动检测装置，包括主控单片机以及与主控单片机对应连接的压力传感模块、加速度传感器、陀螺仪、蓝牙模块、心率监测模块、通讯电路和手机app客户端，所述压力传感模块和加速度传感器分别设于穿戴者腿关节和足底部，压力传感模块用于检测穿戴者脚与地面的接触压力，加速度传感器用于检测所述足部的运动频率；所述陀螺仪设有二个，分别设置在使用者的小腿的上下两个关节，陀螺仪用于检测小腿以及脚踝与地面的倾角；所述蓝牙模块上传用户信息至主控单片机；所述心率监测模块用于检测穿戴者心率；所述主控单片机用于接收压力传感模块的压力信号、加速度传感器的运动频率信号以及陀螺仪的角度信号，并经分析运算后判断出人体的步态信息；所述通讯电路用于将主控单片机判断出人体的步态信息传递至穿戴者和手机app客户端，心率监测模块通过通讯电路将采集到的数据传递至手机app客户端。
进一步地，所述设有摄像头模块，摄像头模块录入行走视频，并上传至手机app客户端。
进一步地，所述通讯电路包括有线电路和无线电路(蓝牙)，主控单片机与各模块之间是通过有线电路相连，心率监测模块与手机app客户端之间以及主控单片机与手机app客户端之间均是通过无线电路相连。
进一步地，所述蓝牙模块采用型号为jdy-08蓝牙4.0ble低功耗cc2541的蓝牙模块。
进一步地，所述心率监测模块为max30102血氧手腕心率脉搏检测心跳传感器。
进一步地，所述压力传感模块包括柔性薄膜压力传感器及ad转换装置的模块。
本实用新型将传统的单一传感器检测控制方式，改进为不同环境模式下的多种传感器检测控制，在对于不同场合的应用上具有较高的适应性，系统简单方便，以便于非专业人士使用。
本实用新型具有如下有益效果：1)本实用新型将传统的单一传感器检测控制方式，改进为不同环境模式下的多种传感器检测控制，并能够检测到多元参数，在对于不同场合的应用上具有较高的适应性，系统简单方便，以便于非专业人士使用。检测的结构简单且成本低，2)本实用新型系统在现有的基础上还可以根据用户的需要对功能进行扩展。基于蓝牙模块可存储上传用户信息的功能，综合运用物联网技术，通过信息的交换与处理，可实现全方位的智能化识别、定位、监控和管理，方便外出子女监测老人的身体状况，及时发现，及时处理，应用前景广阔。3)本实用新型系统的检测装置大多采用非接触式传感器，反应迅速，减少检测、反馈消耗的时间，对于人体在行走、运动的场合下使用效果十分突出。
附图说明
图1为本实用新型原理框图。
图2为穿戴者的穿戴示意图。
图3为系统的控制流程图；
图4为一个行走周期的压力变化以及mpu6050采集数据状态曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，本实用新型穿戴式下肢骨骼运动检测装置，包括主控单片机以及与主控单片机对应连接的压力传感模块、加速度传感器、陀螺仪、蓝牙模块、心率监测模块、通讯电路和手机app客户端，所述压力传感模块和加速度传感器分别设于穿戴者腿关节和足底部，压力传感模块用于检测穿戴者脚与地面的接触压力，加速度传感器用于检测所述足部的运动频率；所述陀螺仪设有二个，分别设置在使用者的小腿的上下两个关节，陀螺仪用于检测小腿以及脚踝与地面的倾角；所述蓝牙模块上传用户信息至主控单片机；所述心率监测模块用于检测穿戴者心率；所述主控单片机用于接收压力传感模块的压力信号、加速度传感器的运动频率信号以及陀螺仪的角度信号，并经分析运算后判断出人体的步态信息；所述通讯电路用于将主控单片机判断出人体的步态信息传递至穿戴者和手机app客户端，心率监测模块通过通讯电路将采集到的数据传递至手机app客户端。
陀螺仪设有二个(左右脚同时测量时则左右脚各为二个陀螺仪)，且与加速度传感器一体化，采用mpu6050陀螺仪(invensense公司)推出的整合性6轴运动处理组件，内带3轴陀螺仪和3轴加速度传感器。分别设置在穿戴者的膝关节部、腿踝关节处，陀螺仪用于检测穿戴者大腿、小腿以及脚掌与地面的倾角、延伸到测量步态。检测数据可以与手机app联通。
压力传感模块和加速度传感器均设于穿戴者的足底部，压力传感模块用于检测所述穿戴者脚与地面的接触压力，加速度传感器用于检测穿戴者中足部的运动频率(挥臂速度)。
压力传感模块为六点式柔性薄膜压力传感器经ad转换的模块。采用rfp薄膜式足底压力传感器。因为此薄膜式传感器读取的是模拟信号所以需要经过ad转换之后才可以被单片机读取使用，下列程序是经过ad转换之后读取的值，可以看出采用了6点式压力计算，更准确得判断压力是否在阈值内，从而减小误差。因为此薄膜式传感器读取的是模拟信号所以需要经过ad转换之后才可以被单片机读取使用，下列程序是经过ad转换之后读取的值，可以看出采用了6点式压力计算，其优点是可以更准确得判断压力是否在阈值内，从而减小误差。
压力传感模块读取程序：
蓝牙模块采用型号为jdy-08蓝牙4.0ble低功耗cc2541的蓝牙模块。蓝牙模块上传用户信息至主控单片机，综合运用物联网技术，通过信息的交换与处理，可实现全方位的智能化识别、定位、监控和管理，甚至可以用于外出子女监测老人的身体状况，及时发现，及时处理，应用前景广阔。
心率监测模块为max30102手腕心率脉搏检测心跳传感器。心率监测模块设置心率监测模块用于检测穿戴者心率，与手机app联通。
主控单片机用于接收压力传感模块的压力信号、加速度传感器的运动频率信号以及陀螺仪的角度信号，并经分析运算后判断出人体的步态信息。
由于本设计涉及的硬件资源，本系统设计以闭环控制检测装置：由stm32控制器、mpu6050陀螺仪传感器检测与反馈模块、手机app客户端等单元组成。该系统可对不同运行模式下的压力、加速度、心率等多种非电参量的检测与处理，手机app图像扫描拟合的步宽以及步速等数据传给stm32，stm32再通过传感器反馈网络对步态及稳定性分析。
本实用新型的核心处理器是采用arm内核的stm32单片机，为实用新型的算法的高可靠性提供硬件保障。设计引入闭环控制，选用闭环传感器网络，采用stm32加上传感器网络闭环检测控制，来实现一种轻型检测装置，用于采集传感器采集的有关骨骼的步速、步态、步幅等实时数据(弯曲程度)，脚掌的压力受力点，并根据实时数据提出康复健保方案，必要时此数据能够控制穿戴者中的动力单元来实现步行辅助。进一步制造辅助行走的骨骼机器人。
当足底压力传感器检测双脚各处均有压力存在时，保持站立状态；当其中一只脚的后脚掌压力检测趋近于0时，另一只脚的压力最大；mpu6050模块连续检测到腿的弯曲程度达到最大角度阈值时，此角度说明脚行走的状况，此角度的变化说明脚行走能力的变化；均可以在手机app上显示，心率模块检测心率数据通过蓝牙传输只手机app端，可在手机端实时查看。薄膜式压力传感器电阻-压力呈简单的幂函数关系，电阻倒数-压力呈近似线性关系，电阻一压力特性曲线重复性良好。耐用性良好，功能材料升级，耐湿热摩擦良好，选用pu优质基材，面积大于50平方厘米，可以垫在脚底，合理布局与设计。封装工艺稳定，良好的保护作用；足底压力传感器采用薄膜压力传感器：rfp薄膜式压力传感器可对任何接触面的压力进行静态和动态测量，薄膜压力传感器将施加在传感器感应区域的压力转换成电阻信号，然后根据力～电阻的标定关系曲线获得外界所施压力的变化信息，压力越大，传感器输出的电阻越小。
mpu6050陀螺仪(invensense公司)推出的整合性6轴运动处理组件，内带3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个iic接口，可用于连接外部磁力传感器，利用自带数字运动处理器(dmp：digitalmotionprocessor)硬件加速引擎，通过主iic接口，可以向应用端输出完整的9轴姿态融合演算数据。有了dmp，使用invensense公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解。本实用新型采用的mpu6050模块，通过4个mpu6050模块的联合调用，采集相应关节处的倾角，以准确地计算出下肢的最大角度位置。mpu6050模块安放小腿的两个关节的位置。与加速度传感器一道对步频、抬腿高度以及联系图像检测步宽、步幅等。
mpu6050带数字运动处理(dmp：digitalmotionprocessing)，可以输出6轴或9轴(需外接磁传感器)姿态解算数据；mpu6050分布在膝关节与脚腕(踝)处，检测时通过压力传感器的配合，在检测到脚离地时，相应的脚腕处不产生倾角信号。不会产生信号的混乱。集成可程序控制，测量范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)；集成可程序控制，范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速度传感器；自带数字温度传感器，可输出中断(interrupt)，支持姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、high-g中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能，自带1024字节fifo，有助于降低系统功耗；高达400khz的iic通信接口，超小封装尺寸：4x4x0.9mm(qfn)。
app使用手机端软件fusionapp进行开发，使用语言为lua语言，lua语言为轻量级可拓展的脚本语言，由标准的c语言编写而成。使用lua语言进行开发的优势为：易嵌入，轻量化，开发环境基本不受限制，体积小，启动快等优势。
app界面设计要求，录像按钮，负责调用系统相机进行录像，图片显示组件，显示上一次拍摄的画面；心率显示组件，可用于实时观察心率
图3为系统的控制流程：本实用新型检测系统的控制流程如图4所示：首先进行系统的初始化，对io口、串口系统时钟进行配置，然后进入压力检测函数，系统检测到有压力存在时，去判断是否双脚都存在压力，若仅有一只脚存在压力时处于脚状态，如果均有压力存在或无压力存在则判断为站立模式或者串口未初始化成功，继续向下检测mpu6050是否有倾角存在，若无倾角则为站立或者未初始化成功，返回串口初始化，若检测有倾角存在则判断为行走动作。
以上实施例不以任何方式限定本实用新型，凡是对以上实施例以等效变换方式做出的其它改进与应用，都属于本实用新型的保护范围。
通讯电路用于将主控单片机判断出人体的步态信息传递至穿戴者和手机app客户端，心率监测模块通过通讯电路将采集到的数据传递至手机app客户端。
本实用新型中的通讯电路包括有线电路和无线电路，主控单片机与穿戴者之间是通过有线电路相连，心率监测模块与手机app客户端之间以及主控单片机与手机app客户端之间均是通过无线电路相连。
手机设有摄像头模块，摄像头模块录入行走视频，并上传至手机app客户端。本实用新型分多个感器实时反馈调节模式总体架构设计、传感器的信息处理和产生不同的控制信号程序设计。同时，还通过手机app调用摄像头录入行走视频，对采集的图像进行扫描分析，便可以对步态信息录入、运算、传感器检测的范围等参数进行设定与调整，实现了简易化、智能化的步态模拟系统，同时对整个系统的调整也更加完善具体。
结合图3，在用户首次使用或者擦除数据后执行图像扫描识别系统，对行走的步宽、步速经过一系列的算法分析，控制穿戴者中的云台无刷电机以调整穿戴者应对不同场合的需要。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。
1.一种穿戴式下肢骨骼运动检测装置，其特征在于：包括主控单片机以及与主控单片机对应连接的压力传感模块、加速度传感器、陀螺仪、蓝牙模块、心率监测模块、和手机app客户端，所述压力传感模块和加速度传感器分别设于穿戴者腿关节和足底部，压力传感模块用于检测穿戴者脚与地面的接触压力，加速度传感器用于检测所述足部的运动频率；所述陀螺仪设有二个，分别设置在使用者的小腿的上下两个关节，陀螺仪用于检测小腿以及脚踝与地面的倾角；所述蓝牙模块上传用户信息至主控单片机；所述心率监测模块用于检测穿戴者心率；所述主控单片机用于接收压力传感模块的压力信号、加速度传感器的运动频率信号以及陀螺仪的角度信号；陀螺仪设有二个，且与加速度传感器一体化，采用mpu6050陀螺仪，内带3轴陀螺仪和3轴加速度传感器；分别设置在穿戴者的膝关节部、腿踝关节处；主控单片机与穿戴者之间是通过有线电路相连，心率监测模块与手机app客户端之间以及主控单片机与手机app客户端之间均是通过无线电路相连。
2.如权利要求1所述的穿戴式下肢骨骼运动检测装置，其特征在于：所述穿戴者上还设有摄像头模块，摄像头模块录入行走视频，并上传至手机app客户端。
3.如权利要求1所述的穿戴式下肢骨骼运动检测装置，其特征在于：所述蓝牙模块采用型号为jdy-08蓝牙4.0ble低功耗cc2541的蓝牙模块。
4.如权利要求1所述的穿戴式下肢骨骼运动检测装置，其特征在于：所述心率监测模块为max30102血氧手腕心率脉搏检测心跳传感器。
5.如权利要求1所述的穿戴式下肢骨骼运动检测装置，其特征在于：所述压力传感模块为六点式柔性薄膜压力传感器经ad转换的模块；压力传感模块设于穿戴者的足底部，压力传感模块用于检测所述穿戴者脚与地面的接触压力。
技术总结