CN102440782A - 基于加速度传感器的手臂复健参数提取装置 - Google Patents

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CN102440782A CN2011102847555A CN201110284755A CN102440782A CN 102440782 A CN102440782 A CN 102440782A CN 2011102847555 A CN2011102847555 A CN 2011102847555A CN 201110284755 A CN201110284755 A CN 201110284755A CN 102440782 A CN102440782 A CN 102440782A
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蒋慧娴
陆小锋
陆晓成
贺晶
陆亨立
范天翔
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SHANGHAI PANHONG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种基于三维加速度传感器的手臂复健参数提取装置。它由一个三维加速度传感模块经一个蓝牙收发模块连接上位机构成。三维加速度传感模块安装在手持设备上，复健病人将上述手持设备佩戴在手腕内侧，随着病人复健运动时的手臂运动，三维加速度传感芯片将采集到的X、Y、Z轴的加速度模拟电压值传给单片机，由单片机进行A/D采样，再经蓝牙收发模块将变换后的数字电压值无线传输到上位机进行一系列的后续数据处理，从而对复健过程中手臂运动参数进行有效地提取。本发明以单片机为核心处理芯片，与现代压力传感技术相结合，利用三位加速度传感技术的准确性、可靠性以及数据传输时的抗干扰性。实现复健训练时人体手臂动作的准确提取，以达到良好的复健效果，结构简单，可靠性强，性价比高。

Description

基于加速度传感器的手臂复健参数提取装置
技术领域
本发明涉及一种基于加速度传感器的手臂复健参数提取装置，用于采集病人在康复训练时手臂动作的瞬时加速度、瞬时速度等运动参数，从而为医生提供更客观的诊断依据，帮助病人更有效地进行康复训练。属于康复领域。
背景技术
随着生活水平的提高，现代医学的发展，人们对术后或运动损伤后的复健也日趋重视起来。而作为复健治疗不可避免的重要环节之一，即复健水平诊断就更值得引起人们的关注了。目前，国内肢体复健水平诊断方面，主要还是依靠超声检测、B超、放射性骨扫描、核磁共振成像等方式，对于这些诊断方式的安全性，医学上有较大的争论。众所周知，长期的放射性检查对人体的健康存在着威胁，因此通过物理手段对病人的复健水平进行检测有着极其重要而深远的意义。
目前国内已有的物理诊断方式主要是依靠人工进行检测，比如医生通过目测、绘图或用仪器进行测量。这样的检测方法效率较低，主观性较强。国外主要有表面肌电图（美国）、多关节等速评估训练系统（美国）、静态平衡训练评估系统（日本），动态控制姿势能力评价训练系统（美国）等设备，但是检测对象单一，没有一个全面完整的智能检测系统来对病人的肢体复健水平进行诊断。因此设计一种基于三维加速度传感器的手臂复健参数提取装置有着很大的市场空间。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于三维加速度传感器的手臂复健参数提取装置。本装置以单片机为核心处理芯片，与现代三维加速度传感技术相结合，利用现代三维加速度传感技术的准确性、可靠性以及数据传输时的抗干扰性，实现手臂运动参数的准确提取，以达到良好的复健水平诊断效果。本装置体积小，便携式，可靠性强，性价比高。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
基于三维加速度传感器的手臂动作提取装置，由一个三维加速度传感模块经一个蓝牙收发模块连接上位机构成；其特征在于：所述三维加速度传感模块安装在手持设备上，复健病人将手持模块佩戴在手腕内侧；随着病人复健训练时手臂的运动，所述三维加速度传感模块中的三维加速度传感芯片将采集到的X、Y、Z轴的加速度模拟电压值传给所述三维加速度传感模块中的单片机，由该单片机进行A/D采样后，再经所述蓝牙收发模块将变换后的数字电压值无线传输到所述上位机，该上位机进行如下的后续数据处理：
（1）    加速度计算公式：
Figure 2011102847555100002DEST_PATH_IMAGE001
          
其中，
Figure 715283DEST_PATH_IMAGE002
到
Figure 2011102847555100002DEST_PATH_IMAGE003
为连续采样的Z轴方向的
Figure 903556DEST_PATH_IMAGE004
个实测加速度，
Figure 2011102847555100002DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 726019DEST_PATH_IMAGE006
分别为个数据中的最大值和最小值，
Figure 868418DEST_PATH_IMAGE008
为个加速度值的算术平均值。
由于加速度计本身所具有的漂移都会使载体运动的加速度在一个值附近振荡，因此对加速度变化设定一个阈值。当实际变化值小于阈值时，则认为载体做匀加速运动或运动的加速度接近于0，此时不进行后续计算；当实际变化值大于阈值时，则继续进行后续计算。为了消除由于偶然出现的脉冲干扰而引起的采样值偏差，采取中位值平均滤波法，即连续采样n个加速度数据，去掉一个最大值
Figure 420712DEST_PATH_IMAGE005
和一个最小值
Figure 89591DEST_PATH_IMAGE006
，然后计算
Figure 82955DEST_PATH_IMAGE009
个加速度值的算术平均。       
（2）速度计算公式：   
Figure 712650DEST_PATH_IMAGE010
  
其中，（设定系统工作前期，手臂未开始摆动） ，，单片机对加速度采样频率为,  相邻2个平均加速度之间的时间间隔为
Figure 346949DEST_PATH_IMAGE014
。
上述三维加速度传感模块由电源、单片机、有源晶体振荡器、复位电路、三维加速度传感芯片和蓝牙发送模块组成，其相互连接关系为：电源分别与单片机、有源晶体振荡器、三维加速度传感芯片和蓝牙发送模块相连，单片机分别与有源晶体振荡器、复位电路、三维加速度传感芯片和蓝牙发送模块相连接。
上述三维加速度传感芯片包括电源输入5V和3位并行数据输出信号V1、V2、V3。电源输入5V提供三维加速度传感芯片的工作电压，并行输出信号V1、V2、V3由三维加速度传感芯片输出至单片机的3个I/O口。
上述单片机包括电源输入5V、晶振输入、复位电路、3位并行数据输入信号V1、V2、V3、串口输出Tx。电源输入5V提供单片机工作电压，3位并行数据输入信号V1、V2、V3接收来自三维加速度传感芯片的输出数据，晶振输入提供时钟脉冲，复位电路使得单片机正常工作，串口输出Tx与蓝牙发送模块的输入端连接。
上述单片机采用PIC16F876A单片机。
上述三维加速度传感芯片采用MMA7260QT三维加速度传感芯片。
上述蓝牙收发模块采用HC-04蓝牙收发模块。
上述有源晶体振荡器频率为8MHz。
上述电源为5V直流电。
本发明与现有相关技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
1、本发明硬件结构简单，检测精度高，可靠性强，性价比高。
2、本发明设备精简，体积小，重量轻，佩戴方便，采用了无线蓝牙收发模块，在移动和便携方面有很强的优势。
3、本发明利用单片机，使本发明具有很好的系统可扩展性、可剪裁性以及可移植性，遇到要求变化时无需改变硬件设计。
4、本发明利用串口输出数据，抗干扰性强，使用方便。
附图说明
图1 本发明的流程图。
图2本发明的结构框图。
图3本发明的三维加速度传感模块结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个优选实施例作详细描述。
参见图2，本基于三维加速度传感器的手臂复健参数提取装置，由一个三维加速度传感模块（1）经一个蓝牙收发模块（2）连接上位机（3）构成，其特征在于：所述三维加速度传感模块（1）和蓝牙收发模块（2）安装在手持设备上，复健病人在手腕内侧佩戴好该手持装置。
本实施例的流程图如图1所示。复健病人将手持装置佩戴在手腕内侧，当病人在进行复健运动时，三维加速度传感模块（1）中的三维加速度传感芯片（4）将采集到的X、Y、Z轴的加速度模拟电压值传给三维加速度传感模块（1）中的单片机（5），由单片机（5）进行A/D采样，再经蓝牙收发模块（2）将变换后的数字电压值无线传输到上位机（3），在上位机（3）上进行数据处理。由于加速度计本身所具有的漂移都会使手臂运动的加速度在一个值附近来回的振荡，因此对加速度变化设定一个阈值。当实际变化值小于阈值时，则认为手臂做匀加速运动或运动的加速度接近于0，此时不进行后续计算；当实际变化值大于阈值时，则继续进行后续计算。为了消除由于偶然出现的脉冲干扰而引起的采样值偏差，采取中位值平均滤波法，即连续采样n个加速度数据，去掉一个最大值amax和一个最小值amin，然后计算n-2个加速度值的算术平均，即，其中 a1至an为连续采样的Z轴方向的n个实测加速度，根据求得的加速度值进行积分，即
Figure DEST_PATH_IMAGE017
求得Z轴方向的瞬时速度值。        
Figure 893785DEST_PATH_IMAGE018
  
本实施例的结构示意框图如图2所示，包括三维加速度传感模块（1）、蓝牙收发模块（2）和上位机（3）。 
本发明中的三维加速度传感模块（1）结构框图如图3所示，由三维加速度传感芯片（4）、单片机（5）、电源（6）、复位电路（7）、晶振（8）和蓝牙发送模块（9）组成。在本实例中，电源（6）为5V，晶体振荡器（8）采用频率为8MHz，单片机（5）采用PIC16F876A芯片，三维加速度传感芯片（4）采用MMA7260QT三维加速度传感芯片，蓝牙发送模块（3）采用HC-04蓝牙发送模块。MMA7260QT三维加速度传感芯片（4）采集病人复健训练时手臂的运动参数，即X、Y、Z轴的加速度数据，并将这三位并行数据V1、V2、V3输出至单片机（5）的三个I/O口进行A/D转换成数字电压值，然后经HC-04蓝牙发送模块（9）将变换后的数字电压值无线传输上位机进行数据处理。

Claims (3)

1.一种基于三维加速度传感器的手臂复健参数提取装置，由一个三维加速度传感模块（1）经一个蓝牙收发模块（2）连接上位机（3）构成，其特征在于：所述三维加速度传感模块（1）和蓝牙收发模块（2）安装在手持设备上，复健病人在手腕内侧佩戴好该手持装置；当病人在进行复健运动时，所述三维加速度传感模块（1）中的三维加速度传感芯片（4）将采集到的X、Y、Z轴的加速度模拟电压值传给所述三维加速度传感模块（1）中的单片机（5），由该单片机（5）进行A/D采样，再经所述蓝牙收发模块（2）将变换后的数字电压值无线传输到所述上位机（3）再进行一系列的后续数据处理；对加速度变化设定一个阈值，当实际变化值小于阈值时，则认为载体做匀加速运动或运动的加速度接近于0，此时不进行后续计算；当实际变化值大于阈值时，则继续进行后续计算；为了消除由于偶然出现的脉冲干扰而引起的采样值偏差，采取中位值平均滤波法，即连续采样n个加速度数据，去掉一个最大值amax和一个最小值amin，然后计算n-2个加速度值的算术平均，即                                                ，其中 a1至an为连续采样的Z轴方向的n个实测加速度，根据求得的加速度值进行积分，即求得Z轴方向的瞬时速度值。
2.根据权利要求1所述的基于三维加速度传感器的手臂复健参数提取装置，其特征在于所述三维加速度传感模块（1）由电源（6）、有源晶体振荡器（8）、单片机（5）、复位电路（7）、三维加速度传感芯片（4）和蓝牙发送模块（9）组成；其相互连接关系为：电源（6）分别与单片机（5）、三维加速度传感传感芯片（4）、有源晶体振荡（8）和蓝牙发送模块（9）相连，三维加速度传感芯片（4）与单片机（5）相连，单片机（5）分别与有源晶体振荡器（8）、复位电路（7）、三维加速度传感芯片（4）和蓝牙发送模块（9）相连。
3.根据权利要求2所述的基于三维加速度传感器的手臂复健参数提取装置，其特征在于所述单片机（5）采用PIC16F876A单片机，所述三维加速度传感芯片（4）采用MMA7260QT三维加速度传感芯片，所述蓝牙收发模块（2）采用HC-04蓝牙收发模块，所述有源晶体振荡器（8）频率为8MHz，所述电源（6）为5V直流电。
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