[发明专利]面向下肢软质外骨骼的多源传感信息融合系统

权利要求书

1.一种面向下肢软质外骨骼的多源传感信息融合系统，包括：膝关节角度测量子系统、步态相位划分子系统、基于sEMG的力矩估计子系统、中心基站子系统；

膝关节角度测量子系统包括：多个惯导模块，每个惯导模块包括：第一三轴MEMS加速度计、第一三轴MEMS陀螺仪、第一三轴MEMS磁力计，第一微处理器及第一无线通信模块；所述第一三轴MEMS加速度计用于测量膝关节处的加速度信号，所述的第一三轴MEMS陀螺仪用于测量膝关节处的角速度信号，所述的第一三轴MEMS磁力计用于测量膝关节处的三轴地磁信号，所述的第一微处理器通过SPI总线读取上述第一三轴MEMS加速度计、第一三轴MEMS陀螺仪、第一三轴MEMS磁力计测量到的数据，并通过对角速度进行积分，辅以加速度计和磁力计修正来获得方位信息；所述的第一无线通信模块用于将所述方位信息、三轴加速度数据、三轴角速度数据、三轴地磁数据发送给中心基站子系统；

步态相位划分子系统包括：多个步态模块，每个步态模块包括：第二三轴MEMS加速度计、第二三轴MEMS陀螺仪、第二三轴MEMS磁力计、足底压力测量鞋垫、第二微处理器及第二无线通信模块；足底压力测量鞋垫固定在鞋内，并含有多个FSR压力测量点；所述第二三轴MEMS加速度计用于测量足部的加速度信号，所述的第二三轴MEMS陀螺仪用于测量足部的角速度信号，所述的第二三轴MEMS磁力计用于测量足部的三轴地磁信号，足底压力测量鞋垫将压力转换为电阻变化，并由步态模块上的电路将电阻变化变换为电压信号；所述第二微处理器通过SPI总线读取上述第二三轴MEMS加速度计、第二三轴MEMS陀螺仪、第二三轴MEMS磁力计测量的数据，通过第二微处理器ADC采样电压获得压力数据，并通过提取垂直于矢状面的角速度曲线特征的算法来对步态相位进行划分，获得单腿行走相位，以及综合左右腿相位获得双腿步行相位；所述的第二无线通信模块用于将单腿行走相位或双腿步行相位发送给中心基站子系统；第二微处理器ADC采集鞋垫中8个FSR压力测量点的压力，并根据步行中压力分布的时空特点来判断是否处于稳定的步行，并在稳定步行中采用上述算法来划分步态相位；角速度曲线的特征包括：平整段、过零点、峰值，其中过零点对应关节屈伸角度的极值；平整段判断依靠计算连续7个点的方差和均值并分别与相应阈值进行比较；过零点判断依靠对连续7个点进行临时冒泡排序，并判断最大值和最小值是否异号；峰值的判断依靠计算连续3个点的有限差分值并与阈值比较；

基于sEMG的力矩估计子系统包括多个sEMG测量处理模块，多个sEMG测量处理模块分别绑缚在人体下肢股直肌、股外侧肌、半腱肌的肌腹中线位置，使电极连线方向与相应肌肉伸缩方向相同；每个sEMG测量处理模块包括：sEMG测量电极、信号放大整流滤波电路、第三微处理器及第三无线通信模块；信号放大整流滤波电路负责将sEMG测量电极上的微弱sEMG信号放大、整流、滤波转换成第三微处理器可采集的电压信号；第三微处理器负责采集电压信号并通过第三无线通信模块将sEMG信号强度发送给中心基站子系统；

中心基站子系统包括第四微处理器和无线芯片，用以接收上述膝关节角度测量子系统、步态相位划分子系统、基于sEMG的力矩估计子系统的上传数据，并通过有线与上位机通信。

2.根据权利要求1所述的多源传感信息融合系统，其特征在于：膝关节角度测量子系统中惯导模块的第一微处理器采用扩展卡尔曼滤波对第一三轴MEMS加速度计、第一三轴MEMS陀螺仪、第一三轴MEMS磁力计测量的数据进行融合获得表示该惯导模块的方位信息的四元数，并把四元数和第一三轴MEMS加速度计、第一三轴MEMS陀螺仪、第一三轴MEMS磁力计测量的数据通过第一无线通信模块发送至中心基站子系统；对于单个膝关节，在中心基站子系统的第四微处理器中获得两个惯导模块的四元数和第一三轴MEMS加速度计、第一三轴MEMS陀螺仪、第一三轴MEMS磁力计测量的数据，并采用经典的一维卡尔曼滤波算法对两个惯导模块的垂直于矢状面的角速度的差值和两个惯导模块与水平截面所成角度的差值进行融合，最终获得膝关节角度。

3.根据权利要求1所述的多源传感信息融合系统，其特征在于：基于sEMG的力矩估计子系统中，sEMG测量处理模块的信号放大整流滤波电路输出经放大整流滤波处理后的信号；对于微弱的毫伏级sEMG信号，采用如下四个阶段来获得供第三微处理器采样的信号：（1）、信号获取，使用差分放大器获取电极上的sEMG信号，并反相放大110倍；（2）、信号放大，采用两级放大器，前级放大器对信号反相放大15倍，后级放大器对前级输出进行有源高通滤波来消除直流偏置和低频噪声；（3）、信号调理，使用有源全波整流电路对放大后的信号进行整流，使整个信号处于正电压范围，然后使用低通滤波器来将其变为直流信号以利于第三微处理器采样；（4）、信号光滑和增益可调，此阶段前级放大器使用有源低通滤波器来使信号变得光滑并反相为负电压，后级放大器反相前级放大器的输出信号并且使用滑动变阻器来使增益可调。