下肢體訓(xùn)練輔助及定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技發(fā)展，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)用康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域也趨于電子化。已知 的康復(fù)設(shè)備或系統(tǒng)均具有相對較大的體積和較為明顯復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，且制作成本較高，無 法大范圍便攜應(yīng)用，導(dǎo)致康復(fù)行為較為被動，且無法知道康復(fù)訓(xùn)練人員在相應(yīng)場地的具體 位置，在康復(fù)人員自主性訓(xùn)練和安全性方面表現(xiàn)欠佳。此外，在人員康復(fù)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)也無法 主動的發(fā)送給親屬或醫(yī)生來對其進(jìn)行訓(xùn)練量的分析，整體訓(xùn)練及分析效果一般。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種穿戴于人體，用于對人下肢進(jìn)行輔助訓(xùn)練的下肢體訓(xùn)練 輔助及定位系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明是由系統(tǒng)程序下載接口電路、ARM單片機(jī)外圍電路、ARM單片機(jī)復(fù)位電路和 插頭電路、系統(tǒng)供電電路、陀螺儀傳感器電路、重力感應(yīng)傳感器電路、地磁傳感器電路、數(shù)據(jù) 收發(fā)模塊電路和串口 USB互轉(zhuǎn)電路構(gòu)成； 系統(tǒng)程序下載接口電路：VCC3. 3為下載接口電路的供電電壓，HEDDER1的第3、5、7、9、 13、15引腳分別于ARM單片機(jī)外圍電路的STM32F103的第90、77、72、76、89、14引腳連接； ARM單片機(jī)外圍電路：采用核心處理器STM32F103 ; ARM單片機(jī)復(fù)位電路和插頭電路：復(fù)位電路和插頭電路的VCC3. 3與核心處理器 STM32F103的VCC3. 3連接；NRST與核心處理器STM32F103的NRST連接； 系統(tǒng)供電電路：SW是電源開關(guān)，VCC3. 3為核心處理器STM32F103供電，ASM117為穩(wěn)壓 芯片； 陀螺儀傳感器電路：采用L3GD20H，陀螺儀傳感器電路的SCL與重力感應(yīng)傳感器電路的 SCL連接，陀螺儀傳感器電路的SDA引腳與地磁傳感器電路的SDA連接； 重力感應(yīng)傳感器電路：采用ADXL362,其SDA引腳與地磁傳感器電路的SDA連接； 地磁傳感器電路：采用HMC5983 ; 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路：其引腳RX、TX分別與核心處理器STM32F103和串口 USB互轉(zhuǎn)電路 的引腳RX、TX連接；3. 3V接在系統(tǒng)供電電路上； 串口 USB互轉(zhuǎn)電路：PL2303為串口轉(zhuǎn)USB芯片，引腳TX、RX分別與核心處理器 STM32F103和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路的引腳RX、TX連接；3. 3V接在系統(tǒng)供電電路上。
[0005] 本發(fā)明算法是： ①在上位機(jī)LabVIEW軟件中，對信號進(jìn)行三層小波包分解，設(shè)各種動作信號為S，進(jìn)行 三層小波包分解；選用小波基函數(shù)為db06，以S表示前端探測單元采集到的目標(biāo)信號， 對信號進(jìn)行N層小波包分解，I#表示第層的第J節(jié)點(diǎn)，其中，=儀,1 CN 105126311 A 說明書 2/7 頁
為第#:層的第i:個(gè)頻帶的小波包分解系數(shù)； ② 選取分解后的#個(gè)終端節(jié)點(diǎn)對信號進(jìn)行重構(gòu)，若令4為鳥的重構(gòu)信號，則目標(biāo)信 號經(jīng)過重構(gòu)后的表達(dá)式為：
③ 令I(lǐng)的能量為_;，則可得：
式中
^為:^#的各個(gè)分量幅 值； ④ 由步驟③得到個(gè)能量值，將其合并為一個(gè)特征向量Γ，即：
⑤ 對，進(jìn)行歸一化處理，因此令總能量愈為：
為歸一化后的特征向量； ⑥ 把歸一化向量送入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類訓(xùn)練，完成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，上位機(jī)軟件將識 別訓(xùn)練人員的各種動作，從而進(jìn)行計(jì)數(shù)。
[0006] 本發(fā)明便攜方便，無笨重較大體積，屬于可穿戴設(shè)備，康復(fù)訓(xùn)練人員的走步、慢 跑、上樓、下樓、轉(zhuǎn)彎等康復(fù)訓(xùn)練動作均可通過無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的在線保存，以便后期對康復(fù)人員各項(xiàng)康復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。此外，可在上位機(jī)確定人員 在當(dāng)前運(yùn)動場所的位置?；诳纱┐鞯南到y(tǒng)，可讓康復(fù)人員家屬和其醫(yī)生掌其每天的訓(xùn)練 量。通過識別康復(fù)人員動作計(jì)算出康復(fù)人員軌跡，進(jìn)而進(jìn)行所在康復(fù)場所的人員位置定位。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)總體工作流程圖； 圖2是本發(fā)明系統(tǒng)工作細(xì)節(jié)圖； 圖3是本發(fā)明前端可穿戴裝置實(shí)際佩戴圖； 圖4是本發(fā)明系統(tǒng)程序下載接口電路原理圖； 圖5是本發(fā)明所用ARM單片機(jī)外圍電路原理圖； 圖6是本發(fā)明所用ARM單片機(jī)復(fù)位電路和插頭電路原理圖； 圖7是本發(fā)明系統(tǒng)供電電路原理圖； 圖8是本發(fā)明陀螺儀傳感器電路原理圖； 圖9是本發(fā)明重力感應(yīng)傳感器電路原理圖； 圖10是本發(fā)明地磁傳感器電路原理圖； 圖11是本發(fā)明數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路原理圖； 圖12是本發(fā)明串口 USB互轉(zhuǎn)電路原理圖 圖13是陀螺儀原始數(shù)據(jù)圖；圖14是重力傳感器原始數(shù)據(jù)圖； 圖15是地磁傳感器原始數(shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 本發(fā)明本發(fā)明是由系統(tǒng)程序下載接口電路、ARM單片機(jī)外圍電路、ARM單片機(jī)復(fù)位 電路和插頭電路、系統(tǒng)供電電路、陀螺儀傳感器電路、重力感應(yīng)傳感器電路、地磁傳感器電 路、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路和串口 USB互轉(zhuǎn)電路構(gòu)成； 系統(tǒng)程序下載接口電路：VCC3. 3為下載接口電路的供電電壓，HEDDER1的第3、5、7、9、 13、15引腳分別于ARM單片機(jī)外圍電路的STM32F103的第90、77、72、76、89、14引腳連接； ARM單片機(jī)外圍電路：采用核心處理器STM32F103 ; ARM單片機(jī)復(fù)位電路和插頭電路：復(fù)位電路和插頭電路的VCC3. 3與核心處理器 STM32F103的VCC3. 3連接；NRST與核心處理器STM32F103的NRST連接； 系統(tǒng)供電電路：SW是電源開關(guān)，VCC3. 3為核心處理器STM32F103供電，ASM117為穩(wěn)壓 芯片； 陀螺儀傳感器電路：采用L3GD20H，陀螺儀傳感器電路的SCL與重力感應(yīng)傳感器電路的 SCL連接，陀螺儀傳感器電路的SDA引腳與地磁傳感器電路的SDA連接； 重力感應(yīng)傳感器電路：采用ADXL362,其SDA引腳與地磁傳感器電路的SDA連接； 地磁傳感器電路：采用HMC5983 ; 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路：其引腳RX、TX分別與核心處理器STM32F103和串口 USB互轉(zhuǎn)電路 的引腳RX、TX連接；3. 3V接在系統(tǒng)供電電路上； 串口 USB互轉(zhuǎn)電路：PL2303為串口轉(zhuǎn)USB芯片，引腳TX、RX分別與核心處理器 STM32F103和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路的引腳RX、TX連接；3. 3V接在系統(tǒng)供電電路上。
[0009] 本發(fā)明算法是： ① 在上位機(jī)LabVIEW軟件中，對信號進(jìn)行三層小波包分解，設(shè)各種動作信號為S，進(jìn)行 三層小波包分解；選用小波基函數(shù)為db06，以S表示前端探測單元采集到的目標(biāo)信號， 對信號進(jìn)行N層小波包分解，表示第層的第J:節(jié)點(diǎn)，其中，I = if，
為第i:層的第$個(gè)頻帶的小波包分解系數(shù)； ② 選取分解后的2〃個(gè)終端節(jié)點(diǎn)對信號進(jìn)行重構(gòu)，若令§為為的重構(gòu)信號，則目標(biāo)信 號經(jīng)過重構(gòu)后的表達(dá)式為： CN 105126311 A 說明書 4/7 頁
③ 令I(lǐng)的能量為轉(zhuǎn)，則可得：
式中
為的各個(gè)分量幅 值； ④ 由步驟③得到I: f > :1個(gè)能量值，將其合并為一個(gè)特征向量，，BP :
⑤ 對，進(jìn)行歸一化處理，因此令總能量為：

Γ'為歸一化后的特征向量； ⑥ 把歸一化向量送入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類訓(xùn)練，完成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，上位機(jī)軟件將識 別訓(xùn)練人員的各種動作，從而進(jìn)行計(jì)數(shù)。
[0010] 以下對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明： 本發(fā)明包括前端可穿戴數(shù)據(jù)采集硬件部分，下位機(jī)處理器采集模塊，無線數(shù)據(jù)傳輸模 塊，上位機(jī)PC軟件顯示操作界面。整體上包括實(shí)體硬件組成部分和上位機(jī)軟件算法部分。 所述前端可穿戴數(shù)據(jù)采集硬件部分設(shè)有用于康復(fù)人員實(shí)施康復(fù)訓(xùn)練操作感應(yīng)傳感裝置元 件，用于收集并識別康復(fù)訓(xùn)練人員諸如走步、慢跑、上樓、下樓、轉(zhuǎn)彎等訓(xùn)練動作信號；所述 下位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊，與所述前端可穿戴傳感裝置連接，用于直接接收康復(fù)訓(xùn)練人員初始 化動作訓(xùn)練信號，并進(jìn)行預(yù)處理；所述無線傳輸模塊，包括無線發(fā)送模塊和無線接收模塊， 所述無線發(fā)送模塊與下位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊直接相連，用于將前端傳感裝置采集的動作信號 通過433MHz無線信號的形式發(fā)送到上位機(jī)，同時(shí)所述無線接收模塊配合所述上位機(jī)用于 接收所述無線發(fā)送模塊發(fā)送的433MHz無線數(shù)據(jù)信號；所述上位機(jī)PC軟件顯示界面基于 LabVIEW可視化上位機(jī)PC顯示界面，顯示當(dāng)前康復(fù)訓(xùn)練人員每次訓(xùn)練的數(shù)據(jù)情況，包括走 步、慢跑、上樓、下樓動作的計(jì)數(shù)情況，實(shí)時(shí)的顯示給康復(fù)人員家屬或其醫(yī)生。
[0011] 具體的，所述前端可穿戴傳感單元包括陀螺儀傳感器L3⑶20H電路、加速度計(jì)傳 感器ADXL326電路、電子羅盤傳感器HMC5983電路、前端穩(wěn)壓電路、ARM最小系統(tǒng)。所述無 線數(shù)據(jù)傳輸模塊包括433MHz無線串口發(fā)射電路（同接收電路)。所述上位機(jī)PC軟件顯示操 作界面集成訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集指令、數(shù)據(jù)存儲顯示、動作分類及計(jì)數(shù)、步幅和步距與航向、定位 等指令和相關(guān)算法。
[0012] 硬件部分： 圖4本發(fā)明系統(tǒng)程序下載接口電路原理圖，用于下載調(diào)試處理器程序。圖中VCC3. 3為 下載接口供電電壓，104為電容容值，如圖所示，Rl到R5為電阻，阻值如圖中所標(biāo)。其中3、 5、7、9、13、15引腳分別與圖5所示處理器外圍電路的90、77、72、76、89、14標(biāo)號引腳相連。
[0013] 圖5是本發(fā)明所用ARM單片機(jī)外圍電路原理圖，U4即為核心處理器STM32F103， 為意法半導(dǎo)體生產(chǎn)；C7到C16為電容，相應(yīng)阻值如圖5中所示；其中R16為電阻，阻值如圖 5中所