CN104998381A - 基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，包括传感反馈装置和数据处理装置；其中，所述传感反馈装置无线连接所述数据处理装置；所述传感反馈装置用于粘附在使用者各个身体部位并将采集到的传感器信息发送给数据处理装置以及执行所述数据处理装置的反馈指令；所述数据处理装置根据所述传感器信息计算出人体步态参数，并将所述人体步态参数与理想步态参数进行对比计算出反馈参数，进而将根据反馈参数生成的反馈指令发送至所述传感反馈装置以矫正使用者的步态。本发明采用可穿戴设计，能够根据需要安装在人体各部位，测量人体各部位的惯性传感器信息，从而准确实时测量现有步态并进行反馈，使用环境不受拘束。

Description

基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统

技术领域

本发明涉及矫正系统，具体地，涉及一种基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统。

背景技术

人体步态对行走时平衡性、关节负载有很大影响。不合理的步态会导致摔跤概率增大，关节软组织损伤，进而对人体健康产生巨大的影响。传统步态矫正通过理疗师眼看嘴说指导患者调整步态，可穿戴步态矫正系统则能代替理疗师帮助患者进行步态矫正。

传统的步态矫正系统主要基于视觉捕捉系统进行步态训练，然而视觉捕捉系统成本很高并且仅限于室内。由于步态矫正周期很长，并且使用者需要到指定的实验室或医院进行训练，费用又十分昂贵，因此普及率很低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统。

根据本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，包括传感反馈装置和数据处理装置；

其中，所述传感反馈装置无线连接所述数据处理装置；

所述传感反馈装置用于粘附在使用者各个部位并将采集到的传感器信息发送给数据处理装置以及接收并执行所述数据处理装置的反馈指令；

所述数据处理装置用于根据所述传感器信息计算出人体步态参数，并将所述人体步态参数和理想步态参数进行对比计算出反馈参数，进而将根据反馈参数生成的反馈指令发送至所述传感反馈装置以矫正使用者的步态。

优选地，所述传感反馈装置包括第一无线模块、传感器、第一CPU以及振动器；

其中，所述第一无线模块、所述传感器以及所述振动器均连接所述第一CPU；

所述传感器用于采集传感器信息；

所述第一无线模块用于将传感器信息发送给数据处理装置以及接收数据处理装置发出的反馈指令；

所述第一CPU用于获取所述传感器信息后将传感器信息发送至所述第一无线模块并根据反馈指令控制振动器工作；

所述振动器通用于根据所述反馈指令提供振动反馈提醒使用者进行相应的步态调整。

优选地，所述数据处理装置包括第二无线模块、第二CPU、显示模块、蓝牙模块、存储卡以及USB接口；

其中，所述第二无线模块、所述显示模块、所述蓝牙模块、所述存储卡以及USB接口均连接所述第二CPU；

所述第二CPU用于根据所述传感器信息计算出人体步态参数，并将所述人体步态参数和理想步态参数进行对比计算出反馈参数，进而生成反馈指令；

所述第二无线模块用于接收传感反馈装置的传感器信息并发送反馈指令至传感反馈装置；

所述显示模块用于显示所述人体步态参数和所述反馈参数；

所述蓝牙模块用于发送人体步态参数至手机客户端至并接收手机客户端的控制指令；

所述储存卡用于存储传感器信息和反馈参数；

所述USB接口用于发送传感器信息和反馈参数至电脑客户端并接收电脑客户端的控制指令。

优选地，所述传感器包括加速度传感器、陀螺仪以及磁力计；所述传感器信息包括人体运动加速度信号、人体运动角速度信号和磁场信号；

所述加速度传感器、所述陀螺仪以及所述磁力计均连接所述第一CPU；

所述加速度传感器用于采集人体运动加速度信号；

所述陀螺仪用于采集人体运动角速度信号；

所述磁力计用于采集磁场信号。

优选地，所述传感反馈装置还包括第一电池；所述第一电池连接所述第一无线模块、传感器、第一CPU以及振动器；

所述数据处理装置还包括相连的电源管理模块和第二电池；

所述第二电池连接所述第二无线模块、第二CPU、显示模块以及蓝牙模块；

所述电源管理模块用于第二电池的充电控制，电量检测和稳压功能。

优选地，所述传感反馈装置的数量为多个；

多个所述传感反馈装置均无线连接所述数据处理装置。

优选地，将所述人体步态参数和理想步态参数进行对比计算出反馈参数包括如下步骤：

步骤1：将传感器信息进行拆分，得到传感器原始数据，并进行滤波；

步骤2：基于传感器融合算法，根据传感器原始数据计算传感器在大地坐标系下的角度；

步骤3：根据传感器原始数据计算人体运动轨迹并得到人体运动方向向量；

步骤4：根据传感器在大地坐标下的角度和人体运动方向向量，计算人体步态，并将人体步态和理想步态参数进行对比，进而生成反馈参数。

优选地，数据处理装置根据传感器信息对传感器进行校正的具体过程，包括如下步骤：

步骤1：将传感器信息进行拆分，得到传感器原始数据，并进行滤波；

步骤2：基于传感器融合算法，根据传感器原始数据计算传感器在大地坐标系下的角度；

步骤3：根据指定动作时理想时传感器在大地坐标系下的角度和实际情况下传感器在大地坐标系下的角度，估计传感器的安装误差；

步骤4：对以后收到的传感器信息进行校正，从而达到减小安装误差的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用可穿戴设计，能够根据需要安装在人体各部位，测量人体各部位的惯性传感器信息，从而准确实时测量现有步态，使用环境不受拘束；

2、本发明中数据处理装置能够根据理想步态生成的反馈指令发，实时提供反馈指导使用者调整步态；

3、本发明基于惯性传感器测量人体步态参数，极大降低使用成本，采用实时反馈技术，精确矫正用户步态，用户可选择多种步态矫正模式，适用范围广，数据可进行云同步，便于远程监控。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图。

图中：

1  为传感反馈装置

2  为第一无线模块；

3  为传感器；

4  为第一CPU；

5  为第一电池；

6  为振动器；

7  为第二无线模块；

8  为第二CPU；

9  为显示模块；

10 为蓝牙模块；

11 为存储卡；

12 为USB接口；

13 为电源管理模块；

14 为第二电池；

15 为数据处理装置；

16 为手机客户端；

17 为云存储模块；

18 为电脑客户端。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，如图1所示，本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统包括传感反馈装置1和数据处理装置15。传感反馈装置1根据要求粘附在使用者各个部位的皮肤上，并将采集到的传感器信息通过第一无线模块送给数据处理装置。数据处理装置根据所述传感器信息计算出人体步态参数，并将所述人体步态参数和理想步态参数进行对比计算出反馈参数，进而生成反馈指令，再通过第二无线模块将反馈指令发送给各个传感反馈装置以矫正使用者的步态。数据处理装置将所述传感器信息和反馈指令存储在储存卡内以便使用者进行数据的离线分析。数据处理装置同时也会将人体步态参数和反馈指令通过蓝牙模块传输给手机客户端或通过USB接口传输给电脑客户端。用户可以通过手机客户端或电脑客户端了解本发明提供的于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统的运行状态，也能够发送指令控制本发明提供的于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统的运行或调整参数。手机客户端和电脑客户端均会和云端服务器进行数据同步，以便用户进行远程监控。

传感反馈装置包括第一无线模块、传感器、第一CPU、第一电池以及振动器。所述第一无线模块、所述传感器以及所述振动器均连接所述第一CPU。所述第一无线模块用于与数据处理装置进行无线通信，将传感器信息发送给数据处理装置并接收数据处理装置发出的反馈指令。传感器包括加速度传感器、陀螺仪以及磁力计，分别采集3轴加速度信息，3轴角速度信息和3轴磁场强度信息。第一CPU用于传感器信息的数据处理并根据反馈指令控制振动器工作。第一电池用于为第一无线模块、传感器、第一CPU以及振动器供电。振动器通用于通过偏心轮的转动提供振动反馈提醒使用者进行相应的步态调整。

数据处理装置包括第二无线模块7、第二CPU、显示模块9、蓝牙模块10、存储卡11、USB接口12、电源管理模块13和第二电池14。第二无线模块用于与传感反馈装置进行通信，接收传感反馈装置的传感器信息并发送反馈指令至传感反馈装置。第二CPU用于根据所述传感器信息计算出人体步态参数，并将所述人体步态参数和理想步态参数进行对比计算出反馈参数，进而生成反馈指令并控制管理第二无线模块7显示模块9、蓝牙模块10和电源管理模块13。显示模块用于显示所述人体步态参数和所述反馈参数。蓝牙模块用于与手机客户端进行通信，发送人体步态参数至手机客户端至并接收手机客户端的控制指令。储存卡用于存储传感器反馈装置的传感器信息和反馈参数。USB接口用于与电脑客户端进行通信，发送传感器信息和反馈参数至电脑客户端并接收电脑客户端的控制指令，主要用于本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统的调试和维修。电源管理模块用于第二电池的充电控制，电量检测和稳压功能。

当使用本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统时，使用者首先根据自身需求通过更改存储卡内的配置文件设置本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统的工作模式和基本参数，数据处理装置将会在开始工作时读取所述配置文件，后根据配置文件内容对进行初始化。用户也可通过手机客户端或电脑客户端更改本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统的工作模式和基本参数，数据处理装置会重新初始化系统。初始化结束后，用户需根据不同工作模式在指定的身体位置贴放传感反馈装置。安装结束后，用户需根据提示，做出如直立10秒钟等指定动作。数据处理装置将根据传感器信息对传感器进行校正，减小安装误差。

数据处理装置将根据传感器信息对传感器进行校正的具体过程，包括如下步骤：

步骤1：将传感器信息进行拆分，得到传感器原始数据，并进行滤波；

步骤2：基于传感器融合算法，根据传感器原始数据计算传感器在大地坐标系下的角度；

步骤3：根据指定动作时理想时传感器在大地坐标系下的角度和实际情况下传感器在大地坐标系下的角度，估计传感器的安装误差；

步骤4：对以后收到的传感器信息进行校正，从而达到减小安装误差的目的。

准备工作完成之后，用户可开始进行步态训练。用户只需正常行走，传感器将会采集人体运动加速度信号、人体运动角速度信号和磁场信号并进行数据预处理，后通过第一无线模块传给数据处理装置。数据处理装置在接收各个传感反馈装置的传感器信息后计算当前人体步态参数，并和理想步态参数进行对比计算反馈参数，进而生成反馈指令。数据处理装置通过第二无线模块将反馈指令传给各个传感反馈装置，传感反馈装置后根据反馈指令控制振动器振动，用户即可并根据振动反馈信息调整相应步态。数据处理装置会将传感器信息和反馈指令储存在存储卡内以便进行数据的离线分析。如果数据处理装置和手机客户端相连，会将人体步态参数和反馈参数发送给手机客户端。手机客户端即会显示本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统的运行状态并和云端服务器进行同步，储存当前传感器信息和反馈参数。如需要进行本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统的在线调试或维修，数据处理装置可通过USB接口连接到电脑客户端，并将传感器信息、反馈参数和本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统运行参数上传给电脑客户端。电脑客户端即会显示本发明提供的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统运行状态并将数据与云端服务器进行同步。

本发明基于惯性传感器测量人体步态参数，极大降低使用成本，采用实时反馈技术，精确矫正用户步态，用户可选择多种步态矫正模式，适用范围广，数据可进行云同步，便于远程监控。多种步态矫正模式包括：矫正脚掌前进线夹角模式，矫正躯干摇摆角度模式，矫正小腿摇晃角模式。有很多人走路会有外八或内八等不正常步态，这样的步态会增大人体关节负担，并增加人摔倒的风险，因此设置矫正脚掌前进线夹角模式。老人或前庭损伤患者难以维持自身平衡，易于摔倒，进行躯干摇摆角度的步态训练后能有效减少重心的偏移，提高走路的稳定性，因此设置矫正躯干摇摆角度模式。人们很少注意小腿摇晃角，但小腿摇晃角过大会增大膝关节负担，患有膝关节炎的患者进行小腿摇晃角的步态训练能有效减轻病情，因此设置矫正小腿摇晃角模式。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，其特征在于，包括传感反馈装置和数据处理装置；

其中，所述传感反馈装置无线连接所述数据处理装置；

所述传感反馈装置用于粘附在使用者各个身体部位并将采集到的传感器信息发送给数据处理装置以及接收并执行所述数据处理装置发送的反馈指令；

所述数据处理装置用于根据所述传感器信息计算出人体步态参数，并将所述人体步态参数和理想步态参数进行对比计算出反馈参数，进而将根据反馈参数生成的反馈指令发送至所述传感反馈装置以矫正使用者的步态。

2.根据权利要求1所述的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，其特征在于，所述传感反馈装置包括第一无线模块、传感器、第一CPU以及振动器；

其中，所述第一无线模块、所述传感器以及所述振动器均连接所述第一CPU；

所述传感器用于采集传感器信息；

所述第一无线模块用于将传感器信息发送给数据处理装置以及接收数据处理装置发出的反馈指令；

所述第一CPU用于获取所述传感器信息后将传感器信息发送至所述第一无线模块并根据反馈指令控制振动器工作；

所述振动器通用于根据所述反馈指令提供振动反馈提醒使用者进行相应的步态调整。

3.根据权利要求2所述的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，其特征在于，所述数据处理装置包括第二无线模块、第二CPU、显示模块、蓝牙模块、存储卡以及USB接口；

其中，所述第二无线模块、所述显示模块、所述蓝牙模块、所述存储卡以及USB接口均连接所述第二CPU；

所述第二CPU用于根据所述传感器信息计算出人体步态参数，并将所述人体步态参数和理想步态参数进行对比计算出反馈参数，进而生成反馈指令；

所述第二无线模块用于接收传感反馈装置的传感器信息并发送反馈指令至传感反馈装置；

所述显示模块用于显示所述人体步态参数和所述反馈参数；

所述蓝牙模块用于发送人体步态参数至手机客户端至并接收手机客户端的控制指令；

所述储存卡用于存储传感器信息和反馈参数；

所述USB接口用于发送传感器信息和反馈参数至电脑客户端并接收电脑客户端的控制指令。

4.根据权利要求2所述的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，其特征在于，所述传感器包括加速度传感器、陀螺仪以及磁力计；所述传感器信息包括人体运动加速度信号、人体运动角速度信号和磁场信号；

所述加速度传感器、所述陀螺仪以及所述磁力计均连接所述第一CPU；

所述加速度传感器用于采集人体运动加速度信号；

所述陀螺仪用于采集人体运动角速度信号；

所述磁力计用于采集磁场信号。

5.根据权利要求3所述的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，其特征在于，所述传感反馈装置还包括第一电池；所述第一电池连接所述第一无线模块、传感器、第一CPU以及振动器；

所述数据处理装置还包括相连的电源管理模块和第二电池；

所述第二电池连接所述第二无线模块、第二CPU、显示模块以及蓝牙模块；

所述电源管理模块用于第二电池的充电控制，电量检测和稳压功能。

6.根据权利要求1所述的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，其特征在于，所述传感反馈装置的数量为多个；

多个所述传感反馈装置均无线连接所述数据处理装置。

7.根据权利要求3所述的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，其特征在于，将所述人体步态参数和理想步态参数进行对比计算出反馈参数包括如下步骤：

步骤1：将传感器信息进行拆分，得到传感器原始数据，并进行滤波；

步骤2：基于传感器融合算法，根据传感器原始数据计算传感器在大地坐标系下的角度；

步骤3：根据传感器原始数据计算人体运动轨迹并得到人体前进方向向量；

步骤4：根据传感器在大地坐标下的角度和人体前进方向向量，计算人体步态，并将人体步态和理想步态参数进行对比，进而生成反馈参数。

8.根据权利要求1所述的基于可穿戴传感和触觉反馈的步态矫正系统，其特征在于，使用者根据要求做指定动作，数据处理装置则根据传感器信息对传感器进行校正，具体过程包括如下步骤：

步骤1：将传感器信息进行拆分，得到传感器原始数据，并进行滤波；

步骤2：基于传感器融合算法，根据传感器原始数据计算传感器在大地坐标系下的角度；

步骤3：根据指定动作时理想时传感器在大地坐标系下的角度和实际情况下传感器在大地坐标系下的角度，估计传感器的安装误差；

步骤4：对以后收到的传感器信息进行校正，从而达到减小安装误差的目的。