一種三維步態分析儀的製作方法
2023-05-15 02:14:26 4
一種三維步態分析儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種三維步態分析儀，包括第一姿態傳感器、第二姿態傳感器、第三姿態傳感器、第四姿態傳感器、第五姿態傳感器、第六姿態傳感器、第七姿態傳感器和控制器。與現有技術相比，本實用新型提供的三維步態分析儀，能夠提供更加智能和一體化的分析方案，不存人為誤差，時間縮短，準確度高，並提供更加豐富的訓練模式。
【專利說明】一種三維步態分析儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及步態分析領域，確切地說是指一種三維步態分析儀。
【背景技術】
[0002]人體運動是神經系統控制1000多塊肌肉有節律收縮，驅動200多塊骨骼繞100多個關節協同運動的結果。儘管近年來生命科學研究取得了很大進展，但是距離模擬大腦控制肢體運動的過程還非常遠，因此康復醫學、體育學等研究者普遍採用觀察人肢體宏觀運動來診斷人體運動功能疾病，評估人體康復進程，指導體育訓練與選材。
[0003]現有測量分析步態的方法有以下幾種:
[0004]1、足跡法:是使用肉眼觀察，做一些簡單的時間空間記錄。在地上撒上石灰粉，讓待測者在撒有石灰粉的地面上行走同時記錄待測者行走的距離和時間。行走完成後觀察和測量撒有石灰粉地面上的腳印，從而得出步態分析的結果。這種方法存在很多明顯的缺陷，比如:準備時間長；需要耗費大量人力；分析以主觀為主，準確度較低；得到的數據較少；臨床報告手工填寫，費時費力且容易出錯。
[0005]2、視頻法:通過視頻設備((XD攝像頭)將人體行走過程攝取下來，然後逐幀逐點的進行點陣分析，其優點是設備簡單，受試者步態比較自然，但由於其分析定位主要依靠人工，對操作要求比較高，誤差比較大，而且只能進行二維平面分析，三維空間分析的精確度得不到保證。
[0006]3、紅外光型:通過紅外攝像頭接受體表標記點發射或者反射的紅外光線，並根據相應的模型分析發，進行三維重建，從而得出人體各部分的三維運動軌跡。其優點是技術成熟，數據結果精確，操作簡單快捷；缺點是對貼反光點的位置有要求，貼得不準會直接影響測量結果；在測量過程中不能有異物擋在反光點和攝像頭之間，包括被測人員自身，所以被測人員旁邊不能有陪同或者攙扶人員。否則影響數據採集；對環境要求比較高，需要配備好一個面積較大的房間，攝像頭安裝好角度後，不能隨意變動；價格昂貴，操作流程負責，多數在實驗室使用，很少看見在臨床使用，在一定程度上限制了期推廣。
[0007]4、超聲波型:超聲波型的原理與紅外光型相似，由人體體表攜帶的超聲波發射探頭髮出超聲波，經周圍的超聲波接收探頭接受，根據一定的模型設置，進行三維重建，得出人體的三維運動軌跡。其優點是設備價格相對低廉，操作也相對簡單，數據也比較精確；但是超聲波容易反射，必須消除周圍物體的幹擾，對周圍環境要求較高，同時由於標記點體積較大，人體體一次攜帶的標記點數量有一定的限制，僅適宜進行人體節段性分析。
實用新型內容
[0008]針對上述缺陷，本實用新型解決的技術問題在於提供一種三維步態分析儀，能夠提供更加智能和一體化的分析方案，不存人為誤差，時間縮短，準確度高，並提供更加豐富的訓練模式。
[0009]為了解決以上的技術問題，本實用新型提供的三維步態分析儀，包括第一姿態傳感器、第二姿態傳感器、第三姿態傳感器、第四姿態傳感器、第五姿態傳感器、第六姿態傳感器、第七姿態傳感器和控制器，其中:
[0010]所述第一姿態傳感器設置在人體左腳踝關節處，所述第一姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接；
[0011]所述第二姿態傳感器設置在人體左腳膝關節處，所述第二姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接；
[0012]所述第三姿態傳感器設置在人體左腳髖關節處，所述第三姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接；
[0013]所述第四姿態傳感器設置在人體右腳踝關節處，所述第四姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接；
[0014]所述第五姿態傳感器設置在人體右腳膝關節處，所述第五姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接；
[0015]所述第六姿態傳感器設置在人體右腳髖關節處，所述第六姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接；
[0016]所述第七姿態傳感器設置在人體腰部，所述第七姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接；
[0017]所述控制器包括總MCU、通訊模塊和電源管理模塊，其中，所述總MCU與所述通訊模塊連接；所述第一姿態傳感器的MCU、所述第二姿態傳感器的MCU、所述第三姿態傳感器的MCU、所述第四姿態傳感器的MCU、所述第五姿態傳感器的MCU、所述第六姿態傳感器的MCU和所述第七姿態傳感器的MCU與所述控制器的總MCU連接；所述電源管理模塊對所述第一姿態傳感器、第二姿態傳感器、第三姿態傳感器、第四姿態傳感器、第五姿態傳感器、第六姿態傳感器和第七姿態傳感器進行供電；電源管理模塊也對控制器自身供電
[0018]所述控制器的通訊模塊與上位機進行通訊。
[0019]優選地，所述第一姿態傳感器的MCU、所述第二姿態傳感器的MCU、所述第三姿態傳感器的MCU、所述第四姿態傳感器的MCU、所述第五姿態傳感器的MCU、所述第六姿態傳感器的MCU和所述第七姿態傳感器的MCU分別與所述控制器的總MCU連接。
[0020]優選地，所述第一姿態傳感器的MCU、所述第二姿態傳感器的MCU和所述第三姿態傳感器的MCU依次串聯，所述第三姿態傳感器的MCU與所述控制器的總MCU連接；所述第四姿態傳感器的MCU、所述第五姿態傳感器的MCU和所述第六姿態傳感器的MCU依次串聯，所述第六姿態傳感器的MCU與所述控制器的總MCU連接；所述第七姿態傳感器的MCU與所述控制器的總MCU連接。
[0021 ] 優選地，所述陀螺儀為三軸陀螺儀。
[0022]優選地，所述加速度傳感器為三軸加速度傳感器。
[0023]優選地，所述磁阻傳感器為三軸磁阻傳感器。
[0024]優選地，所述通訊模塊為無線或有線通訊模塊，所述通訊模塊與上位機連接。
[0025]優選地，所述通訊模塊為藍牙通訊模塊。
[0026]優選地，所述通訊模塊為wifi通訊模塊。
[0027]與現有技術相比，本實用新型提供的三維步態分析儀，使用陀螺儀、加速度傳感器和磁阻傳感器三個傳感器，測量出被測物體相對地球的姿態(歐拉角，四元素，旋轉矩陣等數據)，通過比較被測物起點的和運動終點的數據，得出被測物體擺動的相對空間角度數據，測量值中包含的誤差相對固定，不存在人為因素，而且測量時候只要把傳感器隨意安裝在被測物體表面上，確保傳感器不會與被測物之間產生相對位移即可，大大減低了安裝難度和由於安裝引起的測量誤差；再將分析儀所有的數據採集後，進行人體三維模型重建，再從模型上分析得出各種步態數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本實用新型實施例中三維步態分析儀的結構框圖；
[0029]圖2為本實用新型實施例三維步態分析儀中第一姿態傳感器、第二姿態傳感器、第三姿態傳感器、第四姿態傳感器、第五姿態傳感器、第六姿態傳感器或第七姿態傳感器的結構框圖。
【具體實施方式】
[0030]為了本領域的技術人員能夠更好地理解本實用新型所提供的技術方案，下面結合具體實施例進行闡述。
[0031]請參見圖1和圖2，圖1為本實用新型實施例中三維步態分析儀的結構框圖；圖2為本實用新型實施例三維步態分析儀中第一姿態傳感器、第二姿態傳感器、第三姿態傳感器、第四姿態傳感器、第五姿態傳感器、第六姿態傳感器或第七姿態傳感器的結構框圖。
[0032]本實用新型實施例提供的三維步態分析儀，包括第一姿態傳感器1、第二姿態傳感器2、第三姿態傳感器3、第四姿態傳感器4、第五姿態傳感器5、第六姿態傳感器6、第七姿態傳感器7和控制器8，其中:
[0033]第一姿態傳感器I設置在人體左腳踝關節處，第一姿態傳感器I包括陀螺儀100、加速度傳感器200、磁阻傳感器300、數據採集模塊400和MCU500，陀螺儀100與數據採集模塊400連接；加速度傳感器100與數據採集模塊400連接；磁阻傳感器300與數據採集模塊400連接；數據採集器400與MCU500連接；[0034]第二姿態傳感器2設置在人體左腳膝關節處，第二姿態傳感器2包括陀螺儀100、加速度傳感器200、磁阻傳感器300、數據採集模塊400和MCU500，陀螺儀100與數據採集模塊400連接；加速度傳感器100與數據採集模塊400連接；磁阻傳感器300與數據採集模塊400連接；數據採集器400與MCU500連接；
[0035]第三姿態傳感器3設置在人體左腳髖關節處，第三姿態傳感器3包括陀螺儀100、加速度傳感器200、磁阻傳感器300、數據採集模塊400和MCU500，陀螺儀100與數據採集模塊400連接；加速度傳感器100與數據採集模塊400連接；磁阻傳感器300與數據採集模塊400連接；數據採集器400與MCU500連接；
[0036]第四姿態傳感器4設置在人體右腳踝關節處，第四姿態傳感器4包括陀螺儀100、加速度傳感器200、磁阻傳感器300、數據採集模塊400和MCU500，陀螺儀100與數據採集模塊400連接；加速度傳感器100與數據採集模塊400連接；磁阻傳感器300與數據採集模塊400連接；數據採集器400與MCU500連接；
[0037]第五姿態傳感器5設置在人體右腳膝關節處，第五姿態傳感器5包括陀螺儀100、加速度傳感器200、磁阻傳感器300、數據採集模塊400和MCU500，陀螺儀100與數據採集模塊400連接；加速度傳感器100與數據採集模塊400連接；磁阻傳感器300與數據採集模塊400連接；數據採集器400與MCU500連接；
[0038]第六姿態傳感器6設置在人體右腳髖關節處，第六姿態傳感器6包括陀螺儀100、加速度傳感器200、磁阻傳感器300、數據採集模塊400和MCU500，陀螺儀100與數據採集模塊400連接；加速度傳感器100與數據採集模塊400連接；磁阻傳感器300與數據採集模塊400連接；數據採集器400與MCU500連接；
[0039]第七姿態傳感器7設置在人體腰部，第七姿態傳感器7包括陀螺儀100、加速度傳感器200、磁阻傳感器300、數據採集模塊400和MCU500，陀螺儀100與數據採集模塊400連接；加速度傳感器100與數據採集模塊400連接；磁阻傳感器300與數據採集模塊400連接；數據採集器400與MCU500連接；
[0040]控制器8包括總MCU、通訊模塊和電源管理模塊，其中，總MCU與通訊模塊連接；第一姿態傳感器I的MCU500、第二姿態傳感器2的MCU500、第三姿態傳感器3的MCU500、第四姿態傳感器4的MCU500、第五姿態傳感器5的MCU500、第六姿態傳感器6的MCU500和第七姿態傳感器7的MCU500與控制器的總MCU連接；電源管理模塊對第一姿態傳感器1、第二姿態傳感器2、第三姿態傳感器3、第四姿態傳感器4、第五姿態傳感器5、第六姿態傳感器6和第七姿態傳感器7進行供電；電源管理模塊也對控制器自身供電；
[0041 ] 控制器8的通訊模塊與上位機9進行通訊。
[0042]第一姿態傳感器I的MCU500、第二姿態傳感器2的MCU500、第三姿態傳感器3的MCU500依次串聯，第三姿態傳感器3的MCU500與控制器的總MCU連接；第四姿態傳感器4的MCU500、第五姿態傳感器5的MCU500、第六姿態傳感器6的MCU500依次串聯，第六姿態傳感器6的MCU500與控制器的總MCU連接；第七姿態傳感器7的MCU500與控制器8的總MCU連接。
[0043]在第一姿態傳感器1、第二姿態傳感器2、第三姿態傳感器3、第四姿態傳感器4、第五姿態傳感器5、第六姿態傳感器6和第七姿態傳感器7中，陀螺儀100為三軸陀螺儀；力口速度傳感器200為三軸加速度傳感器；磁阻傳感器300為三軸磁阻傳感器。[0044]陀螺儀100與數據採集模塊400連接，用於實時反映當前的轉動角速度；加速度傳感器200與數據採集模塊400連接，用於實時反映當前的加速度狀態；磁阻傳感器300與數據採集模塊400連接，用於反映與當前空間磁場方向的3個正交方向的分量；數據採集器400與MCU5連接，數據採集器4把陀螺儀100、加速度傳感器200和磁阻傳感器300等三個傳感器的數據採集轉換成所需要的物理量數據和對三個傳感器進行數據同步，並將把處理好的數據送往MCU500。
[0045]控制器8的通訊模塊為無線或有線通訊模塊，通訊模塊與上位機連接。通訊模塊為無線通訊模塊時，無線通訊模塊可以選擇藍牙通訊模塊或wifi通訊模塊。在本實施例中，通訊模塊為藍牙通訊模塊，測量時操作和安裝方便。
[0046]與現有技術相比，本實用新型提供的三維步態分析儀，使用陀螺儀、加速度傳感器和磁阻傳感器三個傳感器，測量出被測物體相對地球的姿態(歐拉角，四元素，旋轉矩陣等數據)，通過比較被測物起點的和運動終點的數據，得出被測物體擺動的相對空間角度數據，測量值中包含的誤差相對固定，不存在人為因素，而且測量時候只要把傳感器隨意安裝在被測物體表面上，確保傳感器不會與被測物之間產生相對位移即可，大大減低了安裝難度和由於安裝引起的測量誤差；再將分析儀所有的數據採集後，進行人體三維模型重建，再從模型上分析得出各種步態數據。
[0047]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本實用新型將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
【權利要求】
1.一種三維步態分析儀，其特徵在於，包括第一姿態傳感器、第二姿態傳感器、第三姿態傳感器、第四姿態傳感器、第五姿態傳感器、第六姿態傳感器、第七姿態傳感器和控制器，其中: 所述第一姿態傳感器設置在人體左腳踝關節處，所述第一姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接； 所述第二姿態傳感器設置在人體左腳膝關節處，所述第二姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接； 所述第三姿態傳感器設置在人體左腳髖關節處，所述第三姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接； 所述第四姿態傳感器設置在人體右腳踝關節處，所述第四姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接； 所述第五姿態傳感器設置在人體右腳膝關節處，所述第五姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接； 所述第六姿態傳感器設置在人體右腳髖關節處，所述第六姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接； 所述第七姿態傳感器設置在人體腰部，所述第七姿態傳感器包括陀螺儀、加速度傳感器、磁阻傳感器、數據採集模塊和MCU，所述陀螺儀與所述數據採集模塊連接；所述加速度傳感器與所述數據採集模塊連接；所述磁阻傳感器與所述數據採集模塊連接；所述數據採集器與所述MCU連接； 所述控制器包括總MCU、通訊模塊和電源管理模塊，其中，所述總MCU與所述通訊模塊連接；所述第一姿態傳感器的MCU、所述第二姿態傳感器的MCU、所述第三姿態傳感器的MCU、所述第四姿態傳感器的MCU、所述第五姿態傳感器的MCU、所述第六姿態傳感器的MCU和所述第七姿態傳感器的MCU與所述控制器的總MCU連接；所述電源管理模塊對所述第一姿態傳感器、第二姿態傳感器、第三姿態傳感器、第四姿態傳感器、第五姿態傳感器、第六姿態傳感器和第七姿態傳感器進行供電；電源管理模塊也對控制器自身供電； 所述控制器的通訊模塊與上位機進行通訊。
2.根據權利要求1所述的三維步態分析儀，其特徵在於，所述第一姿態傳感器的MCU、所述第二姿態傳感器的MCU、所述第三姿態傳感器的MCU、所述第四姿態傳感器的MCU、所述第五姿態傳感器的MCU、所述第六姿態傳感器的MCU和所述第七姿態傳感器的MCU分別與所述控制器的總MCU連接。
3.根據權利要求1所述的三維步態分析儀，其特徵在於，所述第一姿態傳感器的MCU、所述第二姿態傳感器的MCU和所述第三姿態傳感器的MCU依次串聯，所述第三姿態傳感器的MCU與所述控制器的總MCU連接；所述第四姿態傳感器的MCU、所述第五姿態傳感器的MCU和所述第六姿態傳感器的MCU依次串聯，所述第六姿態傳感器的MCU與所述控制器的總MCU連接；所述第七姿態傳感器的MCU與所述控制器的總MCU連接。
4.根據權利要求1所述的三維步態分析儀，其特徵在於，所述陀螺儀為三軸陀螺儀。
5.根據權利要求4所述的三維步態分析儀，其特徵在於，所述加速度傳感器為三軸加速度傳感器。
6.根據權利要求5所述的三維步態分析儀，其特徵在於，所述磁阻傳感器為三軸磁阻傳感器。
7.根據權利要求1所述的三維步態分析儀，其特徵在於，所述通訊模塊為無線或有線通訊模塊，所述通訊模塊與上位機連接。
8.根據權利要求7所述的三維步態分析儀，其特徵在於，所述通訊模塊為藍牙通訊模塊。
9.根據權利要求7所述的三維步態分析儀，其特徵在於，所述通訊模塊為wifi通訊模塊。
【文檔編號】A61B5/11GK203483427SQ201320636545
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】顧捷 申請人:顧捷, 廣州章和電氣設備有限公司