一种膝关节角度测量装置、逆向数据建模装置及建模方法

摘要

本发明属于步态检测技术领域，提供了一种膝关节角度测量装置、逆向数据建模装置及建模方法，装置主体包括定位单元、柔性拉应变传感器以及数据采集单元和处理单元，所述定位单元包括上定位单元和下定位单元，所述上定位单元和下定位单元之间固定柔性拉应变传感器，所述数据采集单元和处理单元固定于上定位单位上，所述数据采集单元和处理单元用于根据实时采集的膝关节拉伸应变数据和膝关节弯曲角度逆向数据模型，预测得到膝关节弯曲角度。能够根据柔性拉应变传感器的拉伸值预测膝关节弯曲角度，摆脱了外置机械式检测设备的困扰，实现了柔性穿戴检测效果。

说明书

技术领域

本发明属于步态检测技术领域，尤其涉及一种膝关节角度测量装置、逆向数据建模装置及建模方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

现有预测膝关节弯曲角度方法多结合外骨骼机器人或通过专用角度测量设备实现，以上方式均需要机械结构配合传感器实现，使得穿戴舒适度大大减弱，且不利于长时间检测关节角度，造成了无法摆脱外置机械式检测设备的困扰。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种膝关节角度测量装置、逆向数据建模装置及建模方法，其基于柔性拉应变膝关节逆向建模方法，能够根据柔性拉应变传感器的拉伸值预测膝关节弯曲角度，基于柔性传感器的膝关节角度测量装置以护膝形式呈现，具备极度舒适的穿戴形式和连续检测能力，摆脱了外置机械式检测设备的困扰，实现了柔性穿戴检测效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种膝关节角度测量装置，包括装置主体，所述装置主体包括定位单元、柔性拉应变传感器以及数据采集单元和处理单元，所述定位单元包括上定位单元和下定位单元，所述上定位单元和下定位单元之间固定柔性拉应变传感器，所述数据采集单元和处理单元固定于上定位单位上，所述数据采集单元和处理单元用于根据实时采集的膝关节拉伸应变数据和膝关节弯曲角度逆向数据模型，预测得到膝关节弯曲角度。

本发明的第二个方面提供一种膝关节逆向数据建模装置，包括装置主体，所述装置主体包括定位单元、柔性拉应变传感器、角度传感器、以及数据采集单元和处理单元，所述定位单元包括上定位单元和下定位单元，所述上定位单元和下定位单元之间固定柔性拉应变传感器和角度传感器，所述数据采集单元和处理单元固定于上定位单位上；

所述数据采集处理单元用于通过柔性拉应变传感器和角度传感器联合动作，基于膝关节拉伸应变数据与膝关节弯曲角度真实数据映射的对应关系，建立膝关节真实角度与柔性拉应变传感器数值映射曲线，实现膝关节弯曲角度逆向数据建模。

本发明的第三个方面提供一种膝关节逆向数据建模方法，包括如下步骤：

协同获取膝关节拉伸应变数据和膝关节弯曲真实角度数据；

基于膝关节拉伸应变数据与膝关节弯曲角度真实数据映射的对应关系，建立膝关节真实角度与柔性拉应变传感器数值映射曲线，实现膝关节弯曲角度逆向数据建模。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明协同获取膝关节真实角度与柔性拉应变传感器数值，同时实现数据处理及转发，为膝关节逆向建模方法提供数据基础，基于逆向建模数据，仅需柔性拉应变传感器就可实现膝关节角度测量，该方法具有较强的可扩展性，可以为其他应用场景提供柔性检测解决方能够根据柔性拉应变传感器的拉伸值预测膝关节弯曲角度，摆脱了外置机械式检测设备的困扰，实现了柔性穿戴检测效果。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的一种膝关节角度测量装置；

图2是本发明实施例二的膝关节逆向数据建模装置；

图3是本发明实施例三的膝关节逆向数据建模方法。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种膝关节角度测量装置，包括装置主体，所述装置主体包括定位单元1、柔性拉应变传感器2以及数据采集单元和处理单元4，所述定位单元1包括上定位单元101和下定位单元102，所述上定位单元101和下定位单元102之间固定柔性拉应变传感器2，所述数据采集单元和处理单元4固定于上定位单位101上，所述数据采集单元和处理单元4用于根据实时采集的膝关节拉伸应变数据和膝关节弯曲角度逆向数据模型，预测得到膝关节弯曲角度。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种膝关节逆向数据建模装置，包括：装置主体，所述装置主体包括定位单元1、柔性拉应变传感器2、角度传感器3、以及数据采集处理单元4；

所述定位单元1包括上定位单元101和下定位单元102，所述上定位单元101和下定位单元102之间固定柔性拉应变传感器2和角度传感器3，所述数据采集处理单元4固定于上定位单位101上；

所述数据采集处理单元4用于通过柔性拉应变传感器2和角度传感器3联合动作，基于膝关节拉伸应变数据与膝关节弯曲角度真实数据映射的对应关系，建立膝关节真实角度与柔性拉应变传感器数值映射曲线，实现膝关节弯曲角度逆向数据建模。

作为一种或多种实施例，所述上定位单元101包括上固定绷带1011和上固定板1012，所述下定位单元102包括下固定绷带1021和下固定板1022，所述上定位单元和下定位单元均包括固定绷带和固定板，上定位单元佩戴于大腿上，下定位单元佩戴于小腿上，所述绷带穿过固定板内部用于将固定板固定在腿部，绷带为魔术贴材质且长度可灵活调节以适应腿部不同的粗细。

作为一种或多种实施例，所述柔性拉应变传感器2的上端固定在上固定板1012上，下端固定在下固定板1022上，柔性拉应变传感器2紧贴在膝关节表面并且随着关节的弯曲被拉伸，所述柔性拉应变传感器2用于检测膝关节弯曲过程中的拉伸应变，为保证膝关节弯曲任意角度柔性拉应变传感器2能紧贴在膝关节表面，佩戴过程中柔性拉应变传感器应2终保持被拉伸的状态。

作为一种或多种实施例，所述角度传感器3包括编码器301、上安装板302以及下安装板303，所述上安装板302固定于上固定绷带1011上，下安装板303固定于下固定绷带1021上，所述下安装板303与编码器301的转轴相连，上安装板302与编码器301的底座相连，编码器301的转轴的轴线保持与膝关节弯曲时轴线重合。所述角度传感器3用于检测膝关节的弯曲角度。

作为一种或多种实施例，所述数据采集处理单元4外壳设置卡扣，通过卡扣固定于上固定绷带1011的一侧，包括数据采集处理单元4包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元由采集电路组成，所述数据采集单元用于采集膝关节拉伸应变数据和膝关节弯曲角度数据，所述数据处理单元用于基于膝关节拉伸应变数据和膝关节弯曲角度数据构建膝关节弯曲角度逆向数据模型，根据膝关节拉伸应变数据预测膝关节弯曲角度；

作为一种或多种实施例，本发明采用角度传感器和柔性拉应变传感器联合动作，映射柔性拉应变传感器采集数值与膝关节角度真实对应关系，建立膝关节真实角度与柔性拉应变传感器数值映射曲线，实现膝关节弯曲角度逆向数据建模。

所述联合动作的方案为膝关节弯曲过程中，由角度传感器检测关节弯曲的真实角度并反馈给数据采集单元，由据采集处理单元检测柔性拉应变传感器拉伸数值。这种联合动作的结果获取膝关节真实弯曲角度与柔性拉应变传感器采集数值的对应关系。

所述逆向数据建模是指分析上述协同动作所得到的数据，建立膝关节弯曲角度与柔性拉应变传感器拉伸值之间的数学模型。

本发明最终的效果是在脱离角度传感器的情况下，根据柔性拉应变传感器拉伸值逆推膝关节弯曲角度，仅需柔性拉应变传感器就可实现膝关节角度测量。该方法具有较强的可扩展性，可以为其他应用场景提供柔性检测解决方案。

在具体佩戴该装置时，受试者佩戴顺序是佩戴上定位单元和下定位单元、调整角度传感器以及固定柔性拉应变传感器。

首先，佩戴上固定单元，将上固定单元的固定绷带穿过数据采集处理单元的外壳卡扣将其固定，并将柔性拉应变传感器的上端固定在上固定单元固定板上。然后，佩戴下固定单元，选取合适位置将角度传感器上安装板和下安装板以魔术贴的形式分别与上定位单元绷带和下定位单元绷带连接。最后，将柔性拉应变传感器下端固定到下固定单元固定板上。

在进行逆向建模时，本发明的实施过程如下：

首先，招募不同身材的人群作为志愿者，按照佩戴过程分别让不同的志愿者在站立状态下进行佩戴，并将数据采集处理单元通过USB数据线连接至电脑，用于收集志愿者测试数据。随后志愿者由站立状态缓慢过度至坐立状态，使得膝关节的角度由180度转变为90度，此过程数据采集处理单元以2度为单位发送应角度数值以及柔性拉应变传感器当前数值至电脑端，整个过程电脑端便可以2度为单位接受到不同角度下柔性拉应变传感器的拉伸数值。

然后，基于Matlab软件绘制曲线，将收集得到的数据以角度传感器测得的膝关节弯曲角度真实值为横坐标，以柔性拉应变传感器(9)测得的拉伸值为纵坐标绘制数据曲线。为降低操作失误带来的误差，将曲线图中与其他曲线趋势严重不同的异常数据剔除，对剔除后的数据进行平均化处理及平滑处理，得到膝关节角度-柔性拉应变传感器采集数值曲线。最后，通过三次方程拟合的手段建立膝关节弯曲角度与柔性拉应变传感器的数据方程，建立数学模型，即完成了逆向建模任务。

本发明提出的基于柔性拉应变传感器的膝关节逆向数据建模设备是可穿戴检测设备，该设备的优点在于可协同获取膝关节真实角度与柔性拉应变传感器数值，同时实现数据处理及转发，为膝关节逆向建模方法提供数据基础。

本发明提出的基于柔性拉应变传感器的膝关节逆向数据建模方法，能够实现从柔性拉应变传感器采集数值到膝关节弯曲角度的逆推过程。因此，本发明专利的另一个有益效果在于基于逆向建模数据，仅需柔性拉应变传感器就可实现膝关节角度测量，该方法具有较强的可扩展性，可以为其他应用场景提供柔性检测解决方案。

实施例二的角度传感器及配到的结构主要为了获取传感器的性能数据，也就是对传感器进行标定，标定完成后便可以去掉角度传感器等硬件结构，仅仅一条柔性拉应变传感器便可实现角度测量。

实施例三

如图3所示，本实施例提供一种膝关节逆向数据建模方法，包括如下步骤：

协同获取膝关节拉伸应变数据和膝关节弯曲真实角度数据；

基于膝关节拉伸应变数据与膝关节弯曲角度真实数据映射的对应关系，建立膝关节真实角度与柔性拉应变传感器数值映射曲线，实现膝关节弯曲角度逆向数据建模。

所述膝关节弯曲角度逆向数据建模的过程为：以角度传感器测得的膝关节弯曲角度真实值为横坐标，以柔性拉应变传感器测得的拉伸值为纵坐标绘制数据曲线，对曲线进行平均化处理及平滑处理，通过三次方程拟合的手段建立膝关节弯曲角度与柔性拉应变传感器的数据方程。

实现的最终效果是：在脱离角度传感器的情况下，根据柔性拉应变传感器的拉伸值逆推膝关节弯曲角度。因此完成膝关节弯曲角度逆向建模之后，可以脱离角度传感器，把柔性拉应变传感器拉伸值输入数学模型便可以得到膝关节弯曲度的预测值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。