[发明专利]基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备及捷联姿态算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种康复设备，尤其是一种利用惯性传感器检测信息并用于偏瘫患者的康复设备。 

背景技术

偏瘫是一种常见的脑卒中后遗症，偏瘫患者一侧肢体运动功能丧失，轻则行动不便，重则生活不能自理。众所周知，有效的康复训练不仅能够维持关节活动度、防止关节挛缩，而且能够明显提高患者运动功能，最终恢复到正常人的运动能力。 

目前，传统的康复训练主要是以治疗医师对患者进行一对一的训练为主，这种方式耗费医务工作者大量的时间，效率低下，而且不能精确的控制和记录训练的参数；随着科技的发展，偏瘫恢复机器人的应用得到了广泛的推广，这种方法提高了效率，节约了人力，并能行之有效的完成偏瘫患者的训练项目。但以上两种方法仅仅关注医师或机器人的协助训练过程，却忽略了在协助训练之余偏瘫患者的自主训练环节。偏瘫患者在患有肢体运动障碍的同时，常常伴有轻微的感觉、语言、认知等方面的障碍。所以偏瘫患者在自主恢复训练过程中，由于缺乏准确的运动姿势指导及运动评价，往往难以达到预期的动作标准，从而影响恢复的效果和进度。 

发明内容

本发明目的在于提供一种融合传感器信号及人体生物力学约束、提供准确 恢复运动姿势及运动量、记录每组动作完成程度和完成次数、并且可以穿戴使用的基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备及捷联姿态算法。 

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述康复设备由上位机系统和惯性测量系统构成； 

所述上位机系统由控制器主机、显示器、打印机、微软WPF图形系统和无线通讯模块组成；上位机系统采用微软的WPF图形系统开发设计上位机用户界面，控制器主机对显示器和打印机进行控制；上位机系统通过无线通讯模块与惯性测量系统进行对接，完成对偏瘫患者康复训练过程的实时监控，并对病人的每组动作完整程度和完成次数进行记录；上位机系统根据病人康复动作的完成度，对偏瘫患者运动功能障碍及治疗效果进行简易评定；根据偏瘫患者的病情，提供准确的恢复运动姿势演示及恢复作业运动量。 

所述惯性测量系统由无线通信模块、一个中心惯性测量单元和多个普通惯性测量单元组成；其中，惯性测量单元以MSP430系列单片机作为核心控制芯片，每个惯性测量单元由一个9自由度的测量传感器和一个无线通信模块组成，所述9自由度的测量传感器分别为三轴加速度计、三轴陀螺仪和三周磁力计，分别用以测量物体的运动加速度、角速度和物体周围磁场强度；物体运动加速度、角速度和磁场强度的测量信息经卡尔曼滤波后转化成姿态角度信息，所述卡尔曼滤波过程是在MSP430系列单片机中以硬件描述语言的形式实现的。 

所述无线通信模块采用NRF24L01无线通信模块，用于实现普通惯性测量单元与中心惯性测量单元之间、中心惯性测量单元与上位机系统之间的通信。 

普通惯性测量单元是以分布方式安装在患者各患病上下肢的位置上(上臂、下臂、大腿、小腿等)，采集患者各患病肢体的位置和姿态信息，将数据通过无线通信模块传输给中心惯性测量单元；中心惯性测量单元安装在患者的躯干部位，采集躯干部位的位置和姿态信息；普通惯性测量单元与中心惯性测量单元之间通过无线通信模块进行数据传输，中心惯性测量单元融合所有普通惯性测量单元的数据，统一坐标数据；中心惯性测量单元与上位机系统之间也通过无线通信模块进行数据对接，将姿态信息统一传入上位机系统进行处理。 

本发明另提供了一种应用上述康复设备的基于平面约束的捷联姿态算法，所述算法是根据患者上下肢动作在运动过程中上一时刻的运动姿态，构建约束平面，对加速度信息进行约束；具体算法步骤如下， 

a、根据三轴陀螺仪更新的角速度信息，更新惯性测量单元的姿态，然后估计t时刻欧拉角度信息，将估计的欧拉角度信息作为卡尔曼滤波器的状态向量； 

b、由t-1时刻的前臂和后臂的惯性测量单元姿态角度信息构建约束平面，为了防止传感器噪声引起的漂移，通过平面约束加速度信号，然后根据约束后的加速度信息以及三轴磁力计输出的磁场强度信息，解算姿态角度信息，作为卡尔曼滤波器的观测向量； 

c、设定一个参考面用以判断约束平面存在的有效性，即当约束平面与规定的参考面的夹角γ小于规定阈值m的时候，约束平面有效，可对加速度信号进行约束，则经过约束后的加速度信息为：