CN108836351A - 穿戴式躯干姿态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿戴式躯干姿态监测系统，包括用于沿着脊椎的延伸方向与脊椎作用的柔性电路板，微处理器、电池和传感器；在对应颈椎下端位置设置有第一传感器，在对应胸椎段位置设置有第二传感器和第三传感器，在对应腰椎段的位置设置有第四传感器；所述传感器用于采集加速度值、磁场强度值和角速度值，并将所述加速度值、磁场强度值和角速度值发送给所述微处理器，利用所述加速度值、磁场强度值和角速度值获取各个传感器所在位置脊椎的姿态角信息，根据所述姿态角信息与阈值信息比较生成躯干姿态提示信息。能够及时获取脊椎姿态角，获取脊椎状态，受环境影响较小。

Description

穿戴式躯干姿态监测系统

技术领域

本发明涉及可穿戴设备领域，具体而言，涉及一种穿戴式躯干姿态监测系统。

背景技术

近年来，随着传感器技术的发展以及微处理器计算性能的提高，新型传感器的层出不穷，智能穿戴设备应运而生。目前大量人体动作捕捉技术是基于光学技术，即通过摄像头等外接设备，基于图像识别技术进行人体动作的采集，但是这种技术容易受到光照、环境的限制，难以在个人穿戴式设备上应用。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题中的至少一个，提供了一种穿戴式躯干姿态监测系统，包括用于沿着脊椎的延伸方向与脊椎作用的柔性电路板，设置在柔性电路板上的微处理器、电池和传感器，所述微处理器与所述传感器连接，所述电池与所述微处理器和所述传感器连接；所述传感器包括从颈椎向腰椎依次分布的第一传感器和/或第二传感器和/或第三传感器和/或第四传感器，所述第一传感器设置在对应颈椎下端位置，所述第二传感器和所述第三传感器设置在对应胸椎段位置，所述第四传感器设置在对应腰椎段的位置；所述传感器用于采集加速度值、磁场强度值和角速度值，并将所述加速度值、磁场强度值和角速度值发送给所述微处理器，所述微处理器被配置为利用所述加速度值、磁场强度值和角速度值获取各个传感器所在位置脊椎的姿态角信息，根据所述姿态角信息与阈值信息比较生成躯干姿态提示信息，其中，脊椎的姿态角信息通过传感器的姿态角信息表征。

进一步地，所述监测系统还包括振动电机和/或无线传输单元，所述振动电机、无线传输单元设置在所述柔性电路板上，所述振动电机、无线传输单元与所述微处理器连接，所述微处理器在根据所述姿态角信息与阈值信息比较生成躯干姿态提示信息时，控制所述振动电机振动和/或将所述躯干姿态提示信息通过所述无线传输单元传输给远程终端。

进一步地，所述姿态角信息包括航向角、俯仰角和横滚角；所述躯干姿态提示信息包括胸椎侧弯信息、腰椎部分侧弯信息、颈椎前倾信息、驼背倾向信息、腰椎后凸信息和坐姿前倾信息；

所述微处理器被配置为判断所述第一传感器的航向角和所述第二传感器的航向角的差值大于第一阈值时，生成胸椎侧弯信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第二传感器的航向角与第三传感器的航向角差值大于第二阈值时，或者所述第三传感器的航向角与第四传感器的航向角的差值大于第二阈值时，生成腰椎部分侧弯信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第一传感器的俯仰角与第二传感器的俯仰角的差值大于第三阈值时，生成颈椎前倾信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第二传感器的俯仰角与所述第三传感器的俯仰角的差值大于第四阈值时，生成驼背倾向信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第四传感器的俯仰角与第三传感器的俯仰角的差值大于第五阈值时，生成腰椎后凸信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第一传感器、所述第二传感器、所述第三传感器和所述第四传感器的俯仰角与地面竖直方向的夹角大于第六阈值时，生成坐姿前倾信息。

进一步地，所述第一阈值在4°和35°之间，所述第二阈值在4°和35°之间，所述第三阈值大于等于5°，所述第四阈值、第五阈值和第六阈值在4°和35°之间。

进一步地，所述柔性电路板固定在躯干姿态矫正带或紧身上衣上，所述躯干姿态矫正带或紧身上衣被穿戴在用户躯干上。

进一步地，所述微处理器还被配置为对所述姿态角信息扩大预设倍数，利用16位有符号数对所述扩大后的姿态角信息进行表示形成姿态角表示信息，并进行存储发送；当所述微处理接收到所述姿态角表示信息后，缩小预设倍数，获取姿态角接近信息；其中所述预设倍数在80与90之间。

进一步地，位于所述柔性电路板的芯片焊接区的背面还设置有与所述柔性电路板贴合的加强部分。

进一步地，所述微处理器定时获取所述姿态角信息或者连续实时获取所述姿态角信息。

进一步地，所述传感器、微处理器、振动电机、无线传输单元设置在所述柔性电路的正面，所述电池设置在所述柔性电路背面。

进一步地，所述传感器包括集成在一起的陀螺仪、加速度计和磁强计。

本发明中的穿戴式躯干姿态监测系统通过传感器获取的加速度数据、角速度数据和地磁场强度数据进行融合获取对应穿戴者的脊椎各段的姿态角，综合各段姿态角，判断脊椎角度超过阈值时，生成提示信息，对脊椎的监测及时，能够在复杂环境下使用，避免了采用摄像头采集角度时所带来的遮挡和光强分布不均对角度采集的影响。同时，本发明中的姿态角融合求取的过程，动态跟随性好，实时性高，误差小。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明一些实施例中的姿态角获取方法的流程示意图；

图2为本发明一些实施例中的姿态角获取方法的子步骤的流程示意图；

图3为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的系统结构示意图；

图4为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的穿戴示意图；

图5为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统中传感器位置示意图；

图6为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的系统结构示意图；

图7为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统中定义姿态角的坐标系示意图；

图8为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的监测脊椎状态示意图；

图9为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的监测脊椎状态示意图；

图10为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的监测脊椎状态示意图；

图11为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的监测脊椎状态示意图；

图12为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的监测脊椎状态示意图；

图13为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的监测脊椎状态示意图；

图14为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统的系统结构示意图；

图15为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统中传感器中的芯片坐标系定义示意图；

图16为本发明一些实施例中的穿戴式躯干姿态监测系统中传感器中的芯片坐标系定义示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明实施例公开了一种用于捕获用户躯干运动信息的穿戴系统，包括传感器、微处理器、无线传输单元、振动电机、电池、柔性电路板、塑料外壳、躯干姿态矫正带或紧身上衣、远程终端。并具体给出了各模块的功能以及布置方式。该系统可以完整的获取用户躯干运动信息，监控用户躯干姿态，当出现坐姿或站姿处于不正确的姿态时，通过本设备内部振动电机或是远程终端对穿戴者进行提醒，同时可以获得穿戴者身体姿态的时间分布图。所述远程终端可以为手机或者电脑。所述用户躯干可为人体躯干，也可为其他灵长类动物躯干。

本发明中的传感器用于测量获取加速度数据、角速度数据和地磁场强度数据，所述微处理器根据所述加速度数据、角速度数据和地磁场强度数据利用传感器数据融合算法获取姿态角，进而形成姿态信息，对姿态角获取过程，具体介绍如下。

本发明实施例中涉及到的姿态角获取方法，如图1所示，包括如下步骤：

S110、获取当前时刻角速度数据、加速度数据和地磁场强度数据；

所述角速度数据可以通过陀螺仪或者陀螺仪芯片进行采集，所述加速度数据可以通过加速度计或者加速度计芯片进行测量，所述地磁场强度数据可以通过磁力计或者磁强计芯片进行测量。所述加速度计测量获取的数据在导航坐标系下，始终朝向地球的地，经过反向处理指向地球天；所述磁力计测量获取的数据在导航坐标系下始终朝向地球的南，经过反向处理后，指向地球的北，如图7所示，为导航坐标系的定义，三个直角坐标轴包括指向地球东、地球北和地球天；如图15所示，为与所述陀螺仪陀螺仪芯片和加速度计固定的芯片坐标系，所述角速度数据、加速度数据从图15中的芯片坐标系中进行读取；如图16所示，为与所述磁力计固定的坐标系，所述地磁场强度数据从图16中的坐标系中读出。本发明中的所述姿态角即为图7坐标系中定义的航向角、横滚角和俯仰角。上述获取当前时刻角速度数据、加速度数据和地磁场强度数据的步骤包括：对传感器原始数据预处理，将加速度计采集的数据和磁力计采集的数据进行归一化处理，即，将其测量的三维向量转化为模为1的向量，作为加速度数据以及地磁场强度数据。

S120、获取上一时刻系统状态量，根据当前时刻角速度数据和上一时刻系统状态量求取系统状态矩阵值；

可以通过一阶龙格库塔方法更新四元数的方法求取系统状态矩阵，龙格库塔更新四元数的原理如下：

上式表示，t+Δt时刻的四元数与t时刻的四元数的关系，q₀、q₁、q₂、q₃表示四元数；

用采集到的角速度数据w，更新四元数q_n，下标n表示n时刻的四元数，获得新的四元数q_n+1，下标n+1表示n+1时刻的四元数，ω_x、ω_y、ω_z表示x、y、z轴角速度。

这时有：q_n+1＝f(q_n)；建立系统方程f，表达如下：

将Δw与q_n+1联合成一个向量X，作为状态量，其中，q_n(x)表示n时刻的四元数中第x个量的值，t表示相邻两次陀螺仪采样时间间隔，w_x表示本次陀螺仪采样的角速度值的x轴分量，w_y表示本次陀螺仪采样的角速度值的y轴分量，w_z表示本次陀螺仪采样的角速度值的z轴分量，Δω_x表示系统计算的陀螺仪x轴角速度的误差，Δω_y表示系统计算的陀螺仪y轴角速度的误差，Δω_z表示系统计算的陀螺仪z轴角速度的误差。

对方程f求X的偏导数，得到矩阵方程F，结果如下所示：

X表示系统状态量，所述系统状态量表示为X＝(q₀ q₁ q₂ q₃ Δω_x Δω_y Δω_z)^T，q₀、q₁、q₂、q₃表示四元数，Δω_x、Δω_y、Δω_z表示系统计算的陀螺仪x、y、z轴角速度的误差，Δt表示采样时间间隔；

S130、获取上一时刻系统误差协方差矩阵值，根据上一时刻系统误差协方差矩阵值和所述系统状态矩阵值获取当前时刻系统误差协方差矩阵值P；

具体地，可以通过下式进行求取，P＝F·P·F^-1+Q，等式左面的P表示当前时刻系统误差协方差矩阵值，等式右面的P表示上一时刻系统误差协方差矩阵值，为初始设定值，或者是上一次迭代计算留存的值；Q表示过程激励噪声协方差，可以设定为：

也可设定为其他值；

S140、根据所述当前时刻地磁场强度数据和上一时刻系统状态量，建立系统测量方程h，利用所述上一时刻系统状态量对所述系统测量方程求偏导，即，对系统测量方程求取关于上一时刻系统状态量的偏导数，获取系统测量方程的雅克比矩阵值；

S150、根据所述当前时刻系统误差协方差矩阵值和所述系统测量方程的雅克比矩阵值获取卡尔曼增益矩阵值；

具体可采用下式进行计算，其中K表示卡尔曼增益矩阵，H表示系统测量方程的雅克比矩阵，R表示观测噪声协方差，可以设定：

也可设定为其他值。

S160、根据所述卡尔曼增益矩阵值、上一时刻系统状态量、系统测量量Y和所述系统测量方程获取当前时刻系统状态量，所述系统测量量表示为Y＝(a_x a_y a_z m_x m_y m_z)^T，其中，Y表示系统测量量，a_x、a_y、a_z表示当前时刻加速度数据在芯片坐标系(图15)下x、y、z轴的分量，m_x、m_y、m_z表示当前时刻地磁场强度数据在芯片坐标系(图16)下x、y、z轴的分量；

具体可采用下式进行计算求取，X＝X+K(Y-h)，等式左面的X表示当前时刻系统状态量，等式右面的X表示上一时刻系统状态量；

S170、根据所述当前时刻系统状态量中的四元数获取姿态角。

本发明中的姿态角获取方法通过将上一次执行时记录的中间状态量，迭代到当前的计算中，不需要每次都进行复杂的计算，仅将记录的中间状态量引入到计算过程中，简化了计算，保证了实时性和跟随性。本发明实施例中的系统测量量采用加速度传感器测量到的加速度数据，和地磁传感器测量的地磁场强度数据，由于加速度传感器所测量的方向始终指向地球地，地磁传感器测量的方向始终指向南，经过简单反向处理即可与东北天坐标系一致，这样使得系统测量量的整体方向与东北天导航坐标系一致，仅需简单的变换符号就能实现转换，简化了计算。所述导航坐标系的定义如图7所示。

本发明中的方法，通过迭代对姿态角进行更新，具体地，还包括如下步骤：

S180、根据所述当前时刻系统状态量更新当前时刻系统误差协方差矩阵值；

具体地，采用如下的计算方式进行更新，P＝(I-K·H)·P·(I-K·H)^T+K·R·K^T，其中，式中，I表示单位矩阵，等式左面的P表示更新后的当前时刻系统误差协方差矩阵，等式右面的P表示当前时刻系统误差协方差矩阵。

当前计算时，当当前时刻为初始时刻时，所述上一时刻系统误差协方差矩阵值为初始设定值；当当前时刻不为初始时刻时，所述上一时刻系统误差协方差矩阵值为上一时刻执行所述姿态角获取方法中步骤S180所获取的当前时刻系统误差协方差矩阵值；

所述系统误差协方差矩阵的初始设定值，可以人为设定，例如可以设置为：

P₀表示所述初始设定值，可以设定为其他值。

所述系统状态量表示为X＝(q₀ q₁ q₂ q₃ Δω_x Δω_y Δω_z)^T，X表示系统状态量，q₀、q₁、q₂、q₃表示四元数，Δω_x、Δω_y、Δω_z表示系统计算的陀螺仪x、y、z轴角速度的误差；当当前时刻为初始时刻时，所述上一时刻系统状态量中的四元数为根据初始时刻获取的加速度数据和地磁场强度数据所获取的四元数，所述上一时刻系统状态量中的角速度误差为初始设定值，可以设定为0即，通过初始时刻的过加速度数据和地磁场强度数据建立姿态余弦矩阵，通过姿态余弦矩阵获取四元数；当当前时刻不为初始时刻时，所述上一时刻系统状态量为上一时刻执行所述姿态角获取方法中步骤S160所获取的当前时刻系统状态量；通过迭代计算当前时刻的姿态角，将每次迭代计算的姿态角都进行反馈利用，单次计算的计算量减小。

所述步骤S140包括，根据上一时刻系统状态量中的四元数、当前时刻地磁场强度数据，建立系统测量方程，利用所述上一时刻系统状态量对所述系统测量方程求偏导获取系统测量方程的雅克比矩阵值。所述系统测量方程表示为其中， 表示加速度估计值，表示地磁场强度数据处理后值，所述建立系统测量方程的步骤如下：

根据上一时刻系统状态量中四元数获取姿态余弦矩阵

根据所述姿态余弦矩阵通过如下公式获取所述加速度估计值，

其中，q₀、q₁、q₂、q₃表示上一时刻系统状态量中四元数；

将所述当前时刻地磁场强度数据通过如下公式转化到导航坐标系中，其中，所述导航坐标系的三个坐标轴分别指向东、北和地的反向(即天)， 表示地磁场强度数据在导航坐标系下的表示；

去除当前时刻地磁场强度数据在导航坐标系下的x轴分量，通过如下公式将地磁场强度数据转化到芯片坐标系中(所述芯片坐标系的定义如图15、16所示，图15为加速度测量芯片和角速度测量芯片的坐标系定义，图16为电磁传感器芯片的坐标系定义)

其中

为导航坐标系下去除x轴分量后的当前时刻地磁场强度数据；

根据所述第一向量h_(1～3)和第二向量h_(4-6)组合形成系统测量方程如下：

测量方程的建立，使得上一迭代获取的四元数与加速度数据和地磁场强度数据建立联系。

所述系统测量方程的雅克比矩阵表示为

本发明实施例的姿态角获取方法可以直接通过四元数计算姿态角，即将四元数转换成姿态余弦矩阵，然后通过姿态余弦矩阵获取姿态角，另一方面，本发明中实施例在最后通过四元数获取姿态角的同时，考虑到具体运用场景中的误差，例如引入穿戴误差矩阵，将从四元数获取到的姿态余弦矩阵与穿戴误差矩阵做运算，获得更新后的姿态余弦矩阵，进而获取姿态角，具体地，如图2所示，所述步骤S170包括：

S171、根据所述当前时刻系统状态量中的四元数获取第一姿态余弦矩阵C；

S172、根据所述第一姿态余弦矩阵C和穿戴误差矩阵C_T获取第二姿态余弦矩阵C·C_T；

S173、根据所述第二姿态余弦矩阵C·C_T求解欧拉角，所述欧拉角为所述姿态角。

穿戴误差矩阵C_T通过传感器穿戴的初始化中进行求取，当传感器穿戴在身体上后，保持身体标准站姿(可以背贴墙站立)，传感器数据计算获得的姿态矩阵为T₀，而身体处的当前实际姿态矩阵为T_a，计算矩阵作为该传感器的穿戴误差矩阵。

所述步骤S120中采用一阶龙格库塔方法建立系统状态方程，利用上一时刻系统状态量对所述系统状态方程求偏导获取所述系统状态矩阵值。

本发明中的姿态角获取方法动态响应快，可以捕捉高于5Hz的人体动作，静态误差在±0.1°，对人体动作跟随效果好，用加速度与磁强数据校准姿态，实时计算陀螺仪的误差，可以在短时间(30s内)的姿态提取中只使用陀螺仪数据，从而摆脱复杂的姿态融合算法，适合磁场异常的环境使用。

需要说明的是，本发明中的当前时刻，即为当前姿态角计算时刻；上一时刻为，迭代计算中的上一次姿态角计算时刻；初始时刻为迭代计算中第一次姿态角计算时刻。

如图3所示，本发明实施例提供了一种穿戴式躯干姿态监测系统100，包含若干个传感器1、微处理器2、无线传输单元3、振动电机4、电池5、柔性电路板6、塑料外壳7、躯干姿态矫正带或紧身上衣8、远程终端9。其中传感器1设置在柔性电路板6上，如图4所示，柔性电路板6置于躯干姿态矫正带或紧身上衣8上，如图5所示，位于用户躯干背部，沿脊柱方向布置，传感器1用于采集人体脊柱不同部位的姿态信息；微处理器2设置在靠近人体颈部的控制电路板上，用于采集传感器1的运动信息，并进行姿态融合算法，判断当前使用者的坐姿站姿是否有害，对于有害的姿态信息，会触发振动电机4的振动，以提醒使用者；无线传输单元3负责微处理器2与远程终端9通讯，发送微处理器2计算得到的姿态角度值，设置内部参数的工作；远程终端9可以记录人体的姿态数据，并且可以提醒穿戴使用者；塑料外壳7用于保护柔性电路板6上焊接芯片的部分，防止发生物理损伤；电池5为穿戴式躯干姿态监测系统供电。所述运动信息包括人体背部脊柱多个点的实时角速度、加速度、和磁场值。其中若干个传感器的布置方式为：颈椎下端一个传感器、胸椎段两个传感器、腰椎段一个或两个传感器。

使用若干传感器1通过传感器采集到的加速度值，磁场强度值，以及陀螺仪采集到的角速度值，通过上述姿态角获取方法，获取用户躯干该点的实时姿态角度，使用欧拉角描述，包含航向角，俯仰角，横滚角。所述多个传感器1通过总线将数据传输给所述微处理器2。

所述若干个传感器1设置在柔性电路板6上，柔性电路板6固定在躯干姿态矫正带或紧身上衣8上，躯干姿态矫正带或紧身上衣8穿在用户躯干上。

各传感器1、微处理器2、无线传输单元3都安装在柔性电路板6上，柔性电路板6为整体式设计，各传感器1之间无机械接插件。减少了插接连接带来的信号不良问题，减少了整体占用体积。

供电电池5设置于柔性电路板6位于微处理器2背面，用于为微处理器2、传感器1、振动电机4、无线传输单元3供电。

微处理器2有两种工作模式：第一种是低功耗模式，使用定时启动检测功能，可以短时间间隔条件下获得穿戴者的运动姿态，通过无线传输单元3传输给远程终端9，第二种是正常功耗模式，连续实时获得各传感器1的姿态数据，发送给远程终端9。

微处理器2如果检测到穿戴者姿态不健康，可以驱动振动电机4振动，或者通过无线传输单元3告知远程终端9进行声音提醒或者手机振动提醒。

如图6所示，本发明实施例提供了一种穿戴式躯干姿态监测系统100，包括用于沿着脊椎的延伸方向与脊椎作用的柔性电路板6，设置在柔性电路板6上的微处理器2、电池5和传感器1，所述微处理器2与所述传感器1连接，所述电池5与所述微处理器2和所述传感器1连接；所述传感器1包括从颈椎向腰椎依次分布的第一传感器11、第二传感器12、第三传感器13和第四传感器14，在对应颈椎下端位置设置有所述第一传感器11，在对应胸椎段位置设置有所述第二传感器12和所述第三传感器13，在对应腰椎段的位置设置有所述第四传感器14；所述传感器1用于采集加速度值、磁场强度值和角速度值，并将所述加速度值、磁场强度值和角速度值发送给所述微处理器2，所述微处理器2被配置为利用所述加速度值、磁场强度值和角速度值获取各个传感器1所在位置脊椎的姿态角信息，根据所述姿态角信息与阈值信息比较生成躯干姿态提示信息，其中，脊椎的姿态角信息通过传感器1的姿态角信息表征。姿态角的定义参考图7中的导航坐标系定义下的航向角、横滚角和俯仰角。上述第一传感器11、第二传感器12、第三传感器13和第四传感器14的数量可以是一个也可以是多个，当为多个时，可以进行均值化处理，获取各个位置的姿态角。所述微处理器2通过加速度值、磁场强度值和角速度值获取姿态角的算法可以采用上述的姿态角获取方法中步骤。需要说明的是，在本发明的一些实施例中，所述传感器1可从所述第一传感器11、第二传感器12、第三传感器13、第四传感器14中选择一种或多种进行实施。

本发明中的躯干姿态监测系统，通过测量脊椎各段的姿态角，与阈值进行比较可以获取脊椎的状态，当超过一定范围时，生成提示信息，提醒穿戴者及时进行矫正。为了更加较为明显提示穿戴者，本发明实施例中微处理器2将提示信息发送给提示装置或者远程终端。具体地，所述监测系统100还包括振动电机4和/或无线传输单元3，所述振动电机4、无线传输单元3设置在所述柔性电路板6上，所述振动电机4、无线传输单元3与所述微处理器2连接，所述微处理器2在根据所述姿态角信息与阈值信息比较生成躯干姿态提示信息时，控制所述振动电机4振动和/或将所述躯干姿态提示信息通过所述无线传输单元3传输给远程终端9。

本发明分析各个脊椎位置的姿态角信息进行总体处理判断，获取姿态提示信息，如图7所述，姿态角信息包括航向角、俯仰角和横滚角，地面的竖直方向与坐标系中z轴一致；所述躯干姿态提示信息包括胸椎侧弯信息、腰椎部分侧弯信息、颈椎前倾信息、驼背倾向信息、腰椎后凸信息和坐姿前倾信息；

如图8所示，所述微处理器2被配置为判断所述第一传感器11的航向角和所述第二传感器12的航向角的差值大于第一阈值时，生成胸椎侧弯信息；例如所述第一阈值可为15°，当所述第一传感器11的航向角与第二传感器12的航向角的差值为25°＞15°时，生成胸椎侧弯信息。

如图9所示，所述微处理器2被配置为判断所述第二传感器12的航向角与第三传感器13的航向角差值大于第二阈值时，或者所述第三传感器13的航向角与第四传感器14的航向角的差值大于第二阈值时，生成腰椎部分侧弯信息；例如所述第二阈值可为10°，当所述第二传感器12的航向角与第三传感器13的航向角差值为20°＞10°时，或者，所述第三传感器13的航向角与第四传感器14的航向角差值为15°＞10°时，生成腰椎部分侧弯信息。

如图10所示，所述微处理器2被配置为判断所述第一传感器11的俯仰角与第二传感器12的俯仰角的差值大于第三阈值时，生成颈椎前倾信息；例如所述第三阈值可为10°，当所述第一传感器11的俯仰角与所述第二传感器12的俯仰角的差值为20°＞10°时，生成颈椎前倾信息。

如图11所示，所述微处理器2被配置为判断所述第二传感器12的俯仰角与所述第三传感器13的俯仰角的差值大于第四阈值时，生成驼背倾向信息；例如所述第四阈值可为10°，当所述第二传感器12的俯仰角与第三传感器的俯仰角的差值为15°＞10°时，生成驼背倾向信息。

如图12所示，所述微处理器2被配置为判断所述第四传感器14的俯仰角与第三传感器13的俯仰角的差值大于第五阈值时，生成腰椎后凸信息。例如所述第五阈值可为10°，当所述第四传感器14的俯仰角与第三传感器13的俯仰角的差值为15°＞10。时，生成腰椎后凸信息。

如图13所示，所述微处理器2被配置为判断所述第一传感器11的俯仰角、所述第二传感器12的俯仰角、所述第三传感器13的俯仰角和所述第四传感器14的俯仰角与地面竖直方向的夹角大于第六阈值时，生成坐姿前倾信息。例如所述第五阈值可为10°，当所述第一传感器11的俯仰角与地面竖直方向的夹角15°＞10°，所述第二传感器12俯仰角与地面竖直方向的夹角15°＞10°，所述第三传感器13的俯仰角与地面竖直方向的夹角15°＞10°，所述第四传感器14的俯仰角与地面竖直方向的夹角15°＞10°，生成坐姿前倾信息。

需要说明的是，当上述判断条件同时满足两条以上时，可以生成多条上述躯干姿态提示信息，也可根据预设的优先级进行提示，例如，当用户关注腰椎后凸信息时，如有腰椎后凸信息和其他提示信息生成，则优先提示所述腰椎后凸信息或者只提示所述腰椎后凸信息。

上述第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值、第五阈值和第六阈值可以通过人为设定，也可以通过查询人体知识手册获取。

一般地，所述第一阈值可设置在在4°和35°之间，所述第二阈值可设置在4°和35°之间，所述第三阈值可设置大于等于5°；所述第四阈值、第五阈值和第六阈值可设置在4°和35°之间。

如图4所示，本发明实施例中的所述柔性电路板6固定在躯干姿态矫正带或紧身上衣上，所述躯干姿态矫正带或紧身上衣被穿戴在用户躯干上。

为了便于传输数据，例如，向远程终端9传输姿态角信息，所述微处理器2还被配置为对所述姿态角信息扩大预设倍数，利用16位有符号数对所述扩大后的姿态角信息进行表示形成姿态角表示信息，并进行存储发送；当所述远程终端9和/或所述微处理器2接收到所述姿态角表示信息后，缩小所述预设倍数，获取姿态角接近信息；其中所述预设倍数在80与90之间。

由于传回数据长度较大，每个传感器1计算产生的单轴数据为4字节浮点数据，将数据扩大一定倍数A后，使用16位有符号数据存储传输数据。

例如，单独传感器1传回的航向角，俯仰角，横滚角为

(10.11111° 20.22222° 30.33333°)

先将数据放大85倍，得到

(859.44435 1718.8887 2578.33305)

舍弃小数部分，得到(859,1718,2578)，即可使用16位有符号数据表示，节省了一半的传输数据长度，接收端在收到数据后，将数据除以系数85，即可得到接近原值的数据。增加了传输效率，同时，保证了数据精度。

由于所述监测系统100位整体柔性结构，而微处理器2、传感器1等芯片为刚性结构，为了防止微处理2、传感器1等芯片与柔性电路板6的焊接区61连接牢靠，加强柔性电路板6在焊接区61的刚度，如图14所示，在位于所述柔性电路板6的芯片焊接区61的背面还设置有与所述柔性电路板6贴合的加强部分10，所述柔性电路板6的材质采用fr4玻璃纤维环氧树脂覆铜板，其中设置有电路层，用于在微处理2、传感器1等芯片器件之间传递信号和电源，所述柔性电路板6的厚度较薄，厚度一般为0.1～0.2mm，表面设置有聚酰亚胺或聚酯薄膜。所述加强部分也可采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板，但是厚度相对所述柔性电路板6的厚度厚一些，如，可采用0.5～1mm。

为了适应不同的能耗场景，所述微处理器2定时获取所述姿态角信息或者连续实时获取所述姿态角信息。

所述传感器1、微处理器2、振动电机4、无线传输单元3设置在所述柔性电路板6的正面，所述电池5可设置在所述柔性电路板6背面，保证了质量分布均匀。

为了减少所述传感器1的体积和重量，所述传感器1包括集成在一起的陀螺仪、加速度计和磁强计或者为集成在一起的陀螺仪芯片、加速度计芯片和磁强计芯片。

本发明实施例中监测系统100能够利用穿戴式传感器测量获取姿态角信息，对脊椎的状态进行监测，当监测到脊椎的角度不满足正常值时，生成提示信息。受环境影响较小，稳定。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

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。

Claims (10)

1.一种穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，包括用于沿着脊椎的延伸方向与脊椎作用的柔性电路板，设置在柔性电路板上的微处理器、电池和传感器，所述微处理器与所述传感器连接，所述电池与所述微处理器和所述传感器连接；所述传感器包括从颈椎向腰椎依次分布的第一传感器和/或第二传感器和/或第三传感器和/或第四传感器，所述第一传感器设置在对应颈椎下端位置，所述第二传感器和所述第三传感器设置在对应胸椎段位置，所述第四传感器设置在对应腰椎段的位置；所述传感器用于采集加速度值、磁场强度值和角速度值，并将所述加速度值、磁场强度值和角速度值发送给所述微处理器，所述微处理器被配置为利用所述加速度值、磁场强度值和角速度值获取各个传感器所在位置脊椎的姿态角信息，根据所述姿态角信息与阈值信息比较生成躯干姿态提示信息，其中，脊椎的姿态角信息通过传感器的姿态角信息表征。

2.根据权利要求1所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括振动电机和/或无线传输单元，所述振动电机、无线传输单元设置在所述柔性电路板上，所述振动电机、无线传输单元与所述微处理器连接，所述微处理器在根据所述姿态角信息与阈值信息比较生成躯干姿态提示信息时，控制所述振动电机振动和/或将所述躯干姿态提示信息通过所述无线传输单元传输给远程终端。

3.根据权利要求1或2所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，所述姿态角信息包括航向角、俯仰角和横滚角；所述躯干姿态提示信息包括胸椎侧弯信息、腰椎部分侧弯信息、颈椎前倾信息、驼背倾向信息、腰椎后凸信息和坐姿前倾信息；

所述微处理器被配置为判断所述第一传感器的航向角和所述第二传感器的航向角的差值大于第一阈值时，生成胸椎侧弯信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第二传感器的航向角与第三传感器的航向角差值大于第二阈值时，或者所述第三传感器的航向角与第四传感器的航向角的差值大于第二阈值时，生成腰椎部分侧弯信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第一传感器的俯仰角与第二传感器的俯仰角的差值大于第三阈值时，生成颈椎前倾信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第二传感器的俯仰角与所述第三传感器的俯仰角的差值大于第四阈值时，生成驼背倾向信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第四传感器的俯仰角与第三传感器的俯仰角的差值大于第五阈值时，生成腰椎后凸信息；

和/或所述微处理器被配置为判断所述第一传感器、所述第二传感器、所述第三传感器和所述第四传感器的俯仰角与地面竖直方向的夹角大于第六阈值时，生成坐姿前倾信息。

4.根据权利要求1或2所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，所述第一阈值在4°和35°之间，所述第二阈值在4°和35°之间，所述第三阈值大于等于5°。

5.根据权利要求1或2所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，所述柔性电路板固定在躯干姿态矫正带或紧身上衣上，所述躯干姿态矫正带或紧身上衣被穿戴在用户躯干上。

6.根据权利要求2所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，所述微处理器还被配置为对所述姿态角信息扩大预设倍数，利用16位有符号数对所述扩大后的姿态角信息进行表示形成姿态角表示信息，并进行存储发送；当所述远程终端和/或所述微处理器接收到所述姿态角表示信息后，缩小预设倍数，获取姿态角接近信息；其中所述预设倍数在80与90之间。

7.根据权利要求1或2所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，位于所述柔性电路板的芯片焊接区的背面还设置有与所述柔性电路板贴合的加强部分。

8.根据权利要求1或2所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，所述微处理器定时获取所述姿态角信息或者连续实时获取所述姿态角信息。

9.根据权利要求2所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，所述传感器、微处理器、振动电机、无线传输单元设置在所述柔性电路板的正面，所述电池设置在所述柔性电路板背面。

10.根据权利要求1或2所述的穿戴式躯干姿态监测系统，其特征在于，所述传感器包括集成在一起的陀螺仪、加速度计和磁强计。