CN110491514A - 一种外骨骼式下肢健康管理协作系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外骨骼式下肢健康管理协作系统及方法，采用分布式多传感器模块、主从式数据采集模块、数据同步模块和数据分析模块，并采用多种通讯方式实现数据的高速实时传输。实现了人体下肢运动数据的采集、同步和分析，对于不同年龄段的用户进行不对层面的下肢健康评估；在保证数据实时性采集的同时，通过数据同步方法和数据追踪方法进一步杜绝了数据的丢失率，提高了系统的测量和分析精度，而且，本发明使用方便，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种外骨骼式下肢健康管理协作系统及方法。
背景技术
随着时代的发展，运动项目的选择呈现了多样化的趋势。然而，由于部分参与者不熟悉运动的具体规范，同时也不清楚该类运动的禁忌，往往容易造成运动损伤，严重者甚至会需要进行手术。另一方面，由于工作环境的固定化，一些劳动者的身体机理和结构发生了变化，这些变化通常是不易察觉的，但是会影响一个人日常活动和生活。更多地，一些青少年在生长发育的过程中，由于一些不规范的体姿体态，常常会形成一种不正确的行为模式，比如错误的走姿、错误的坐姿等。这些错误的行为模式会造成下肢的一系列风险，包括跌倒风险、肌肉损伤风险、关节损伤风险、自主能力缺失风险、肌腱损伤风险、疼痛风险等。
一些运动者的某些上肢部位发生了一定程度上的疼痛或酸痛，而这些疾病往往是由于不规范的日常活动所造成的，这些疼痛也会导致下肢活动的一些异常，疼痛原因可以通过一系列下肢的活动进行筛查。
现有技术中，健康管理机器人存在功能薄弱，数据分析能力缺失、兼容性和准确性低等一系列的缺陷。
发明内容
为克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种外骨骼式下肢健康管理协作系统及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种外骨骼式下肢健康管理协作系统，包括分布式多传感器模块、主从式数据采集模块、数据同步模块和数据分析模块；其中，
所述分布式多传感器模块，用于采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据，并接受主从式数据采集模块发出的数据同步信号，实现数据的同步通信；
所述的多传感器，包括若干个角度编码器、若干个矩阵式足底压力传感器、若干个惯性测量单元、一个心率传感器和若干个体表温度传感器；
所述的角度编码器，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
所述的惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
所述矩阵式足底压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息；
所述的心率传感器模块，呈表带状，设置于人体手腕处，用于采集人体实时心率变化信息；
所述的体表温度传感器，设置于人体左右大腿、左右小腿处，用于采集人体下肢的体表温度变化信息；
所述的数据同步模块用于向下位机发送数据同步指令，并且完成数据的同步；
所述的数据分析模块用于进行系统性的数据分析，包括下肢的健康评估、风险预测、健康运动规划、健康管理等；
所述系统还包括：
数据显示模块，用于将数据采集的结果和硬件设备(传感器和主从式数据采集模块)的当前状态进行汇总分析并可视化，并通过WIFI芯片发送给主式上位机模块。
所述系统还包括：
电源模块，用于为各个模块提供动力；采用隔离电源设计，具有电压检测、电流检测、大容量滤波、隔离保护功能。
所述系统还包括：
所述的主从式数据采集模块分为主式上位机模块和从式下位机模块，从式下位机模块用于同步所有分布式传感器的数据采集过程，并且整理、压缩、综合各个分布式传感器的原始数据，包括肢体转角，肢体转动角速度，肢体移动速度，肢体转动角加速度和足底压力分布等，主式上位机模块用于接收从式下位机综合的数据，并且分析数据的同步性和完整性；
所述的从式下位机模块采用嵌入式微控制器作为主运算芯片。
所述的嵌入式微控制器具体为ARM Cortex-M内核的32位微控制器。
从式下位机模块采用SPI、UART和IIC协议与传感器模块连接。
所述的主式上位机模块采用WIFI芯片与从式下位机模块连接。
根据本发明的另一个方面，提供一种外骨骼式下肢健康管理协作方法，所述方法包括：
多种分布式传感器分别设置于人体下肢关键部位，采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据；
根据所述肢体变化数据，对下肢的健康评估、风险预测、健康运动规划、健康管理进行系统性的数据分析。
所述多个分布式传感器，包括若干个角度编码器、若干个矩阵式足底压力传感器、若干个惯性测量单元、至少一个心率传感器和若干个体表温度传感器；其中，
所述角度编码器，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
所述惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
所述矩阵式足底压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息；
所述心率传感器模块，呈表带状，设置于人体手腕处，用于采集人体实时心率变化信息；
所述体表温度传感器，设置于人体左右大腿、左右小腿处，用于采集人体下肢的体表温度变化信息。
所述下肢的健康评估，包括：
人体的关节灵活度分析，核心功能、力量、耐力评估，动态、静态平衡性评估、爆发力评估，走跑姿态分析或深蹲分析；
所述下肢的风险预测，包括：
跌倒风险、肌肉损伤风险、关节损伤风险、自主能力缺失风险、肌腱损伤风险或疼痛风险；
所述下肢的健康运动规划，包括：
常规运动规划、特色性运动规划和日常运动训练；根据人体的身高、年龄、体重、体脂率、可接受难度，使用场合、运动类型和伤病情况作出个性化推荐；
所述常规运动规划包括减脂、塑形、增肌、有氧训练或减压训练运动；
所述特色型运动规划包括拉伸、拳击、普拉提、TRX、Power Plate、CrossFit、瑜伽或腰腹训练特色运动；
所述日常运动训练包括腕关节稳定性训练、腕伸肌群训练、腕屈肌群训练、小臂外旋肌群、小臂内旋肌群、肘关节稳定性训练、屈肘肌群训练、伸肘肌群训练、肩关节稳定性训练、肩屈肌群训练、肩伸肌群训练、肩外展肌群训练、肩内收肌群训练、肩外旋肌群训练、肩内旋肌群训练、肩带稳定性训练、肩胛骨上提训练、肩胛骨下沉训练、肩胛骨后缩训练、肩胛骨前伸训练、肩胛骨上回旋训练、肩胛骨下回旋训练、核心稳定性训练、躯干前屈训练、躯干后弯训练、躯干侧弯训练、躯干扭转训练、髋关节稳定性训练、屈髋肌群训练、伸髋肌群训练、髋内收肌群训练、髋外展肌群训练、髋内旋肌群训练、髋外旋肌群训练、膝关节稳定性训练、伸膝肌群训练、屈膝肌群训练、踝关节稳定性训练、踝关节伸肌群训练、踝关节屈肌群训练、踝关节内翻肌群训练、踝关节外翻肌群训练、颈稳定性训练、颈前屈肌群训练、颈后伸肌群、颈侧弯肌群训练或颈扭转肌群训练。
本发明的有益效果是：提供了一种外骨骼式下肢健康管理协作方法及系统。采用分布式多传感器模块、主从式数据采集模块、数据同步模块和数据分析模块，并采用多种通讯方式实现数据的高速实时传输。其中，所述的分布式多传感器模块用于采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据，并接受主从式数据采集模块发出的数据同步信号，实现数据的同步通信；所述的主从式数据采集模块分为主式上位机模块和从式下位机模块，从式下位机模块用于同步所有分布式传感器的数据采集过程，并且整理、压缩、综合各个分布式传感器的原始数据，包括肢体转角，肢体转动角速度，肢体移动速度，肢体转动角加速度和足底压力分布等，主式上位机模块用于接收从式下位机综合的数据，并且分析数据的同步性和完整性；所述的数据同步模块用于向下位机发送数据同步指令，并且完成数据的同步；所述的数据分析模块用于进行系统性的数据分析，包括下肢的健康评估、预测、规划、管理等。
本发明实现了人体下肢运动数据的采集、同步和分析，对于不同年龄段的用户进行不对层面的下肢健康评估；在保证数据实时性采集的同时，通过数据同步方法和数据追踪方法进一步杜绝了数据的丢失率，提高了系统的测量和分析精度，而且，本发明使用方便，结构简单。
本发明利用了有线通信协议(SPI，UART，IIC)的高实时性通信特点，并结合WIFI通信协议和同步算法，克服了在复杂传感器网络下的通讯节拍混乱的问题，实现了高实时性的同时，也保证了极低的丢包率。采用多种有线通信协议也解决了多种传感器的输出率不协调的问题，克服了传感器类型多，传输量大的困难，也极大降低了各个模块之间的耦合性和一体化硬件的成本，同时也增加了整个系统的可扩展性。由于人体足底分布传感器的原始数据量较大，本发明采用了矩阵式数据采集单元和FPGA模数转换模块，配合从机压缩，主机解压算法，实现了足底压力传感器的高帧率实时传输，同时也降低了主嵌入式微控制器的计算负担。
本发明提供的外骨骼式下肢健康管理协作系统方案为下肢可穿戴助力外骨骼产品的研发提供大数据支持，特别是在该产品的设计研发阶段，在助力外骨骼产品设计阶段，人体下肢步态分析结果可以用于改善产品的结构设计和用户体验；在助力外骨骼产品的控制研发阶段，人体行走姿态分析可以为智能化的柔顺控制提供原始数据。
附图说明
图1为本发明实施例提供的外骨骼式下肢健康管理协作系统逻辑结构示意图。
图2为本发明实施例提供的外骨骼式下肢健康管理协作系统数据分析模块层级示意图。
图3为本发明实施例提供的外骨骼式下肢健康管理协作方法原理流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。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。
人体健康评估、运动规划和健康管理系统不仅能够在现场及时监测到使用者当前的肢体活动特征和异常运动行为参数，还能够在一定程度上推测出使用者疼痛的根源、预测使用者可能发生的运动风险，进而提供一系列健康运动规划，并在整个规划过程中密切观察使用者的变化趋势，进行正向反馈闭环，最终形成一套健康管理机制。
为了能够采集老年人、术后患者、一般腿部疼痛人的下肢健康状况，并且在极短的时间内完成测试，同时能够适应不同年龄、不同性别、不同身高体型的人群，外骨骼式下肢健康管理协作系统应运而生。可穿戴性使得该系统不仅能够在整个测试的过程中提供舒适的使用体验，还能够极大地保证各种传感器的安装位置的精度和正确性。
本实施例提供一种外骨骼式下肢健康管理协作系统，如图1所示，核心部件包括分布式多传感器模块1、主从式数据采集模块(主式上位机模块3和从式下位机模块2)、数据同步模块4和数据分析模块5(图1中，用2+3表示主从式数据采集模块及其中的主式上位机模块3和从式下位机模块2，用4+5表示数据同步模块4和数据分析模块5)；各自功能如下：
所述分布式多传感器模块1，用于采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据，并接受主从式数据采集模块发出的数据同步信号，实现数据的同步通信。
具体的，分布式多传感器模块1，包括若干个角度编码器11、若干个矩阵式足底压力传感器12、若干个惯性测量单元13、至少一个心率传感器14和若干个体表温度传感器15；其中，
所述的角度编码器11，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
所述的惯性测量单元13，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
所述矩阵式足底压力传感器模块12，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息；
所述的心率传感器模块14，呈表带状，设置于人体手腕处，用于采集人体实时心率变化信息；
所述的体表温度传感器15，设置于人体左右大腿、左右小腿处，用于采集人体下肢的体表温度变化信息。
所述的主从式数据采集模块分为主式上位机模块3和从式下位机模块2，从式下位机模块2用于同步所有分布式传感器的数据采集过程，并且整理、压缩、综合各个分布式传感器的原始数据，包括肢体转角，肢体转动角速度，肢体移动速度，肢体转动角加速度和足底压力分布等，主式上位机模块用于接收从式下位机综合的数据，并且分析数据的同步性和完整性；
其中，所述的从式下位机模块2采用嵌入式微控制器作为主运算芯片，采用SPI、UART和IIC协议与传感器模块连接，用来传输传感器信号，同时也将主式上位机模块3所传递的同步指令发送给各个传感器模块；由于每种传感器的输出频率不同，佩戴位置也有区别，因此系统采用不同的的通信协议来尽可能的保证数据的输出频率一致性；为了让所有传感器模块能够同时输出实时性数据，从式下位机采用了一颗嵌入式微控制器，同时接收主式上位机发出的数据同步指令；在所有从式下位机都获得数据同步指令后，同时发送所有传感器的数据，既保证了数据的同步性，也保证了数据的实时性。
其中，所述的主式上位机模块3使用了一颗多核心的X86架构的微处理器作为主分析芯片，运行高实时性操作系统，通过WIFI芯片与多个从式下位机连接，从而实现实时同步指令发送和数据的实时接收。
所述的数据同步模块4运行在主式上位机的实时操作系统上，采用硬件计时器，确保发出的同步指令的实时性，用于向下位机发送数据同步指令，并且完成数据的同步。
所述的数据分析模块5用于进行系统性的数据分析，包括下肢的健康评估、风险预测、健康运动规划、健康管理等。
图2为本发明一个优选实施例的数据分析模块层级示意图。所述的下肢健康评估包括人体的关节灵活度分析，核心功能、力量、耐力评估，动态、静态平衡性评估、爆发力评估，走跑姿态分析，深蹲分析等。
所述的下肢风险预测包括跌倒风险、肌肉损伤风险、关节损伤风险、自主能力缺失风险、肌腱损伤风险、疼痛风险。
所述的健康运动规划包括常规运动规划，特色性运动规划，日常运动训练，该部分能够根据被试者的身高、年龄、体重、体脂率、可接受难度，使用场合、运动类型、伤病情况作出个性化推荐。其中，
所述的常规运动规划包括减脂、塑形、增肌、有氧训练、减压训练等运动。
所述的特色型运动规划包括拉伸、拳击、普拉提、TRX、Power Plate、CrossFit、瑜伽、腰腹训练等特色运动。
所述的日常运动训练包括腕关节稳定性训练、腕伸肌群训练、腕屈肌群训练、小臂外旋肌群、小臂内旋肌群、肘关节稳定性训练、屈肘肌群训练、伸肘肌群训练、肩关节稳定性训练、肩屈肌群训练、肩伸肌群训练、肩外展肌群训练、肩内收肌群训练、肩外旋肌群训练、肩内旋肌群训练、肩带稳定性训练、肩胛骨上提训练、肩胛骨下沉训练、肩胛骨后缩训练、肩胛骨前伸训练、肩胛骨上回旋训练、肩胛骨下回旋训练、核心稳定性训练、躯干前屈训练、躯干后弯训练、躯干侧弯训练、躯干扭转训练、髋关节稳定性训练、屈髋肌群训练、伸髋肌群训练、髋内收肌群训练、髋外展肌群训练、髋内旋肌群训练、髋外旋肌群训练、膝关节稳定性训练、伸膝肌群训练、屈膝肌群训练、踝关节稳定性训练、踝关节伸肌群训练、踝关节屈肌群训练、踝关节内翻肌群训练、踝关节外翻肌群训练、颈稳定性训练、颈前屈肌群训练、颈后伸肌群、颈侧弯肌群训练、颈扭转肌群训练等。
所述的包括电源模块(含电池)，采用隔离电源设计，具有电压检测、电流检测、大容量滤波、隔离保护等功能；其中电源模块拥有一块24V输出电池，采用隔离电源转换为5V提供数据采集模块1和数据处理模块2使用；采用5V转3.3V的电压降压模块为传感器模块3提供驱动输入。
其中还包括数据显示模块，用于将数据采集的结果和硬件设备(传感器和主从式数据采集模块)的当前状态进行汇总分析并可视化，显示在一个300*200分辨率的LCD显示屏上，并通过WIFI芯片将信息发送给主式上位机模块。
其中，所述的数据采集结果包括人体运动过程中的原始数据采集结果反馈，包括了数据采集成功结果提示、数据同步失败结果、传感器连接成功结果提示、传感器连接失败结果提示、传感器不稳定结果提示。
所述的人体运动过程中的原始数据包括人体的关节和躯干在空间中的位置和姿态变化情况、人体在运动过程中的体表温度分布情况以及相对应的变化情况、人体在佩戴过程中的心率实时变化情况、人体肢体在空间中的角速度，角加速度，速度变化情况。
所述的硬件设备的当前状态包括电量不稳定状态、传感器初始化状态、传感器休眠状态、电池充电状态等。
实际上，所述外骨骼式下肢健康管理协作系统可以包括：
在人体髋关节左右侧、膝关节左右侧放置角度编码器，用于测量人体髋关节的转动状态；所述角度编码器所检测的是人体左右大腿与腰部之间的转动角度和人体大腿与小腿之间的转动角度；角度编码器将所述信息通过数据通信模块传输至数据采集模块；所述数据通信模块采用SSIS协议，用于传输17位角度数字信号。
在人体背部髋关节处固定惯性测量单元，用于记录人体的背部的位姿，作为人体的基准姿态；在此基础上，在人体左右大腿外侧和小腿外侧分别放置惯性测量单元，分别用于检测大腿部分和小腿部分与人体腰部在步态行走过程中所发生的转动位移。在鞋面处放置惯性测量单元，与人体脚部固定连接，用于测量足部与小腿之间的位姿转换；惯性测量单元所检测的是与之固连的刚体的瞬时加速度和角速度信息；惯性测量单元将所述信息通过数据通信模块上传至数据采集模块；所述主从式数据通信模块包括IIC芯片，用于在IIC总线上高速地传输数据。
在人体足底处固定矩阵式压力传感单元，用于采集人体足底的压力分布信息；所述矩阵式压力传感单元采用矩阵式压变电阻原理，能够输出压力模拟信号。在此基础上采用基于FPGA的模数转换模块，采集矩阵式压力传感器的压力信号。所述矩阵式压力传感器将足底压力分布信息通过主从式数据通信模块上传至数据采集模块；所述主从式数据采集模块包括SPI芯片，用于在SPI总线上传输足底压力分布数据。
在人体手腕处设置心率传感器，用于采集人体实时心率变化信息；所述的心率传感器所检测的瞬时的心率值，与从式下位机连接，并且能够输出数字信号；所述的数据传输包括UART协议芯片，用于在UART线上传输心率瞬时值。
在人体左右大腿、左右小腿处设置体表温度传感器，用于采集人体下肢的体表温度变化信息；所述体表温度传感器与从式下位机连接；所述的数据传输采用IIC芯片，用于在IIC总线上高速地传输数据。
具体来说，上述系统包括分布式多传感器模块、主从式数据采集模块、数据同步模块和数据分析模块；
所述分布式多传感器模块，用于采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据，并接受主从式数据采集模块发出的数据同步信号，实现数据的同步通信；
所述的主从式数据采集模块分为主式上位机模块和从式下位机模块，从式下位机模块用于同步所有分布式传感器的数据采集过程，并且整理、压缩、综合各个分布式传感器的原始数据，主式上位机模块用于接收从式下位机综合的数据，并且分析数据的同步性和完整性；
所述的数据同步模块用于向下位机发送数据同步指令，并且完成数据的同步；
所述的数据分析模块用于进行系统性的数据分析，包括下肢的健康评估、风险预测、健康运动规划、健康管理等；
所述的从式下位机模块采用嵌入式微控制器作为主运算芯片。
所述的嵌入式微控制器具体为ARM Cortex-M内核的32位微控制器。
传感器具体可以为惯性测量仪。
传感器具体可以为角度编码器。
传感器具体可以为足底压力分布传感器。
传感器具体可以为体表温度传感器。
传感器具体可以为心率传感器。
足底压力分布传感器的采集芯片具体为AD芯片。
通讯总线具体可以为SPI总线。
通讯总线具体可以为IIC总线。
通讯纵向具体可以为UART总线。
还包括分别与分布式多传感器模块、主从式数据采集模块、数据分析模块和数据同步模块相互连接的电源模块。
如图3所示，本实施例还提供一种外骨骼式下肢健康管理协作方法，所述方法包括：
步骤31，多种分布式传感器分别设置于人体下肢关键部位，采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据；
步骤32，根据所述肢体变化数据，对下肢的健康评估、风险预测、健康运动规划、健康管理进行系统性的数据分析。
所述多个分布式传感器，包括若干个角度编码器、若干个矩阵式足底压力传感器、若干个惯性测量单元、至少一个心率传感器和若干个体表温度传感器；其中，
所述角度编码器，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
所述惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
所述矩阵式足底压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息；
所述心率传感器模块，呈表带状，设置于人体手腕处，用于采集人体实时心率变化信息；
所述体表温度传感器，设置于人体左右大腿、左右小腿处，用于采集人体下肢的体表温度变化信息。
所述下肢的健康评估，包括：
人体的关节灵活度分析，核心功能、力量、耐力评估，动态、静态平衡性评估、爆发力评估，走跑姿态分析或深蹲分析；
所述下肢的风险预测，包括：
跌倒风险、肌肉损伤风险、关节损伤风险、自主能力缺失风险、肌腱损伤风险或疼痛风险；
所述下肢的健康运动规划，包括：
常规运动规划、特色性运动规划和日常运动训练；根据人体的身高、年龄、体重、体脂率、可接受难度，使用场合、运动类型和伤病情况作出个性化推荐；
所述常规运动规划包括减脂、塑形、增肌、有氧训练或减压训练运动；
所述特色型运动规划包括拉伸、拳击、普拉提、TRX、Power Plate、CrossFit、瑜伽或腰腹训练特色运动；
所述日常运动训练包括腕关节稳定性训练、腕伸肌群训练、腕屈肌群训练、小臂外旋肌群、小臂内旋肌群、肘关节稳定性训练、屈肘肌群训练、伸肘肌群训练、肩关节稳定性训练、肩屈肌群训练、肩伸肌群训练、肩外展肌群训练、肩内收肌群训练、肩外旋肌群训练、肩内旋肌群训练、肩带稳定性训练、肩胛骨上提训练、肩胛骨下沉训练、肩胛骨后缩训练、肩胛骨前伸训练、肩胛骨上回旋训练、肩胛骨下回旋训练、核心稳定性训练、躯干前屈训练、躯干后弯训练、躯干侧弯训练、躯干扭转训练、髋关节稳定性训练、屈髋肌群训练、伸髋肌群训练、髋内收肌群训练、髋外展肌群训练、髋内旋肌群训练、髋外旋肌群训练、膝关节稳定性训练、伸膝肌群训练、屈膝肌群训练、踝关节稳定性训练、踝关节伸肌群训练、踝关节屈肌群训练、踝关节内翻肌群训练、踝关节外翻肌群训练、颈稳定性训练、颈前屈肌群训练、颈后伸肌群、颈侧弯肌群训练或颈扭转肌群训练。
本发明是关于一种外骨骼式下肢健康管理协作系统及具体应用方法。采用分布式多传感器模块、主从式数据采集模块、数据同步模块和数据分析模块，并采用多种通讯方式实现数据的高速实时传输。其中，所述的分布式多传感器模块用于采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据，并接受主从式数据采集模块发出的数据同步信号，实现数据的同步通信；所述的主从式数据采集模块分为主式上位机模块和从式下位机模块，从式下位机模块用于同步所有分布式传感器的数据采集过程，并且整理、压缩、综合各个分布式传感器的原始数据，包括肢体转角，肢体转动角速度，肢体移动速度，肢体转动角加速度和足底压力分布等，主式上位机模块用于接收从式下位机综合的数据，并且分析数据的同步性和完整性；所述的数据同步模块用于向下位机发送数据同步指令，并且完成数据的同步；所述的数据分析模块用于进行系统性的数据分析，包括下肢的健康评估、预测、规划、管理等。本发明实现了人体下肢运动数据的采集、同步和分析，对于不同年龄段的用户进行不对层面的下肢健康评估；在保证数据实时性采集的同时，通过数据同步方法和数据追踪方法进一步杜绝了数据的丢失率，提高了系统的测量和分析精度，而且，本发明使用方便，结构简单。
本发明利用了有线通信协议(SPI，UART，IIC)的高实时性通信特点，并结合WIFI通信协议和同步算法，克服了在复杂传感器网络下的通讯节拍混乱的问题，实现了高实时性的同时，也保证了极低的丢包率。采用多种有线通信协议也解决了多种传感器的输出率不协调的问题，克服了传感器类型多，传输量大的困难，也极大降低了各个模块之间的耦合性和一体化硬件的成本，同时也增加了整个系统的可扩展性。由于人体足底分布传感器的原始数据量较大，本发明采用了矩阵式数据采集单元和FPGA模数转换模块，配合从机压缩，主机解压算法，实现了足底压力传感器的高帧率实时传输，同时也降低了主嵌入式微控制器的计算负担。
本发明提供的外骨骼式下肢健康管理协作系统方案不仅能够在现场及时监测到使用者当前的肢体活动特征和异常运动行为参数，还能够在一定程度上推测出使用者疼痛的根源、预测使用者可能发生的运动风险，进而提供一系列健康运动规划，并在整个规划过程中密切观察使用者的变化趋势，进行正向反馈闭环，最终形成一套健康管理机制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底””、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)
1.一种外骨骼式下肢健康管理协作系统，其特征在于，包括分布式多传感器模块、主从式数据采集模块、数据同步模块和数据分析模块；其中，
所述分布式多传感器模块，用于采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据，并接受所述主从式数据采集模块发出的数据同步信号，实现数据的同步通信；
所述主从式数据采集模块，包括主式上位机模块和从式下位机模块；所述从式下位机模块用于同步所有分布式传感器的数据采集过程，整理、压缩、综合各个所述分布式传感器发送的肢体变化数据；所述主式上位机模块用于接收所述从式下位机综合的肢体变化数据，分析所述肢体变化数据的同步性和完整性；
所述数据同步模块，用于发送数据同步指令，并且完成数据同步；
所述数据分析模块，用于对下肢的健康评估、风险预测、健康运动规划、健康管理进行系统性的数据分析。
2.根据权利要求1所述的外骨骼式下肢健康管理协作系统，其特征在于，所述下肢的健康评估，包括：
人体的关节灵活度分析，核心功能、力量、耐力评估，动态、静态平衡性评估、爆发力评估，走跑姿态分析或深蹲分析；
所述下肢的风险预测，包括：
跌倒风险、肌肉损伤风险、关节损伤风险、自主能力缺失风险、肌腱损伤风险或疼痛风险；
所述下肢的健康运动规划，包括：
常规运动规划、特色性运动规划和日常运动训练；根据人体的身高、年龄、体重、体脂率、可接受难度，使用场合、运动类型和伤病情况作出个性化推荐。
3.根据权利要求2所述的外骨骼式下肢健康管理协作系统，其特征在于，包括：
所述常规运动规划包括减脂、塑形、增肌、有氧训练或减压训练运动；
所述特色型运动规划包括拉伸、拳击、普拉提、TRX、Power Plate、CrossFit、瑜伽或腰腹训练特色运动；
所述日常运动训练包括腕关节稳定性训练、腕伸肌群训练、腕屈肌群训练、小臂外旋肌群、小臂内旋肌群、肘关节稳定性训练、屈肘肌群训练、伸肘肌群训练、肩关节稳定性训练、肩屈肌群训练、肩伸肌群训练、肩外展肌群训练、肩内收肌群训练、肩外旋肌群训练、肩内旋肌群训练、肩带稳定性训练、肩胛骨上提训练、肩胛骨下沉训练、肩胛骨后缩训练、肩胛骨前伸训练、肩胛骨上回旋训练、肩胛骨下回旋训练、核心稳定性训练、躯干前屈训练、躯干后弯训练、躯干侧弯训练、躯干扭转训练、髋关节稳定性训练、屈髋肌群训练、伸髋肌群训练、髋内收肌群训练、髋外展肌群训练、髋内旋肌群训练、髋外旋肌群训练、膝关节稳定性训练、伸膝肌群训练、屈膝肌群训练、踝关节稳定性训练、踝关节伸肌群训练、踝关节屈肌群训练、踝关节内翻肌群训练、踝关节外翻肌群训练、颈稳定性训练、颈前屈肌群训练、颈后伸肌群、颈侧弯肌群训练或颈扭转肌群训练。
4.根据权利要求1所述的外骨骼式下肢健康管理协作系统，其特征在于，所述分布式多传感器模块，包括若干个角度编码器、若干个矩阵式足底压力传感器、若干个惯性测量单元、至少一个心率传感器和若干个体表温度传感器；其中，
所述角度编码器，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
所述惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
所述矩阵式足底压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息；
所述心率传感器模块，呈表带状，设置于人体手腕处，用于采集人体实时心率变化信息；
所述体表温度传感器，设置于人体左右大腿、左右小腿处，用于采集人体下肢的体表温度变化信息。
5.根据权利要求1所述的外骨骼式下肢健康管理协作系统，其特征在于，所述系统还包括：
数据显示模块，用于将数据采集的结果和传感器、主从式数据采集模块的当前状态进行汇总分析并可视化，并通过WIFI芯片发送给所述主式上位机模块。
6.根据权利要求1所述的外骨骼式下肢健康管理协作系统，其特征在于，所述系统还包括：
电源模块，用于提供动力，采用隔离电源设计，能够提供电压检测、电流检测、大容量滤波、隔离保护。
7.根据权利要求1所述的外骨骼式下肢健康管理协作系统，其特征在于，包括：
所述从式下位机模块采用SPI、UART或IIC协议与所述分布式多传感器模块连接；
所述主式上位机模块采用WIFI芯片与从式下位机模块连接。
8.一种外骨骼式下肢健康管理协作方法，其特征在于，所述方法包括：
多种分布式传感器分别设置于人体下肢关键部位，采集人体运动过程中产生的不同形式的肢体变化数据；
根据所述肢体变化数据，对下肢的健康评估、风险预测、健康运动规划、健康管理进行系统性的数据分析。
9.根据权利要求8所述的外骨骼式下肢健康管理协作方法，其特征在于，所述多个分布式传感器，包括若干个角度编码器、若干个矩阵式足底压力传感器、若干个惯性测量单元、至少一个心率传感器和若干个体表温度传感器；其中，
所述角度编码器，分别设置于人体髋关节和膝盖关节外侧，与关节转轴平行，用于测量人体下肢关节的转动位移信息；
所述惯性测量单元，分别设置于人体左右大腿、小腿和足面外侧，用于测量腿部足部相对人体腰部的转动变化信息；其中与足面外侧连接的惯性测量单元通过捆绑带的方式连接；
所述矩阵式足底压力传感器模块，呈鞋垫状，置于足底处，用于采集足底压力分布信息；
所述心率传感器模块，呈表带状，设置于人体手腕处，用于采集人体实时心率变化信息；
所述体表温度传感器，设置于人体左右大腿、左右小腿处，用于采集人体下肢的体表温度变化信息。
10.根据权利要求8或9所述的外骨骼式下肢健康管理协作方法，其特征在于，
所述下肢的健康评估，包括：
人体的关节灵活度分析，核心功能、力量、耐力评估，动态、静态平衡性评估、爆发力评估，走跑姿态分析或深蹲分析；
所述下肢的风险预测，包括：
跌倒风险、肌肉损伤风险、关节损伤风险、自主能力缺失风险、肌腱损伤风险或疼痛风险；
所述下肢的健康运动规划，包括：
常规运动规划、特色性运动规划和日常运动训练；根据人体的身高、年龄、体重、体脂率、可接受难度，使用场合、运动类型和伤病情况作出个性化推荐；
所述常规运动规划包括减脂、塑形、增肌、有氧训练或减压训练运动；
所述特色型运动规划包括拉伸、拳击、普拉提、TRX、Power Plate、CrossFit、瑜伽或腰腹训练特色运动；
所述日常运动训练包括腕关节稳定性训练、腕伸肌群训练、腕屈肌群训练、小臂外旋肌群、小臂内旋肌群、肘关节稳定性训练、屈肘肌群训练、伸肘肌群训练、肩关节稳定性训练、肩屈肌群训练、肩伸肌群训练、肩外展肌群训练、肩内收肌群训练、肩外旋肌群训练、肩内旋肌群训练、肩带稳定性训练、肩胛骨上提训练、肩胛骨下沉训练、肩胛骨后缩训练、肩胛骨前伸训练、肩胛骨上回旋训练、肩胛骨下回旋训练、核心稳定性训练、躯干前屈训练、躯干后弯训练、躯干侧弯训练、躯干扭转训练、髋关节稳定性训练、屈髋肌群训练、伸髋肌群训练、髋内收肌群训练、髋外展肌群训练、髋内旋肌群训练、髋外旋肌群训练、膝关节稳定性训练、伸膝肌群训练、屈膝肌群训练、踝关节稳定性训练、踝关节伸肌群训练、踝关节屈肌群训练、踝关节内翻肌群训练、踝关节外翻肌群训练、颈稳定性训练、颈前屈肌群训练、颈后伸肌群、颈侧弯肌群训练或颈扭转肌群训练。
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