人體三維本體感覺測試設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種人體測試設備，尤其涉及一種人體三維本體感覺測試設備。
【背景技術】
[0002] 在康復治療中，臨床醫生往往將注意力集中到那些顯而易見的問題，如肌力下降、 關節活動受限、肢體痙攣等，主要予以關節運動和肌力訓練，而同樣重要的本體感覺障礙卻 常常被忽略。本體感覺障礙對綜合運動功能恢復有很大的阻礙作用，應及時檢查發現，并積 極進行本體感覺訓練，以促進ADL能力恢復，提高生存質量。無論是在損傷后，還是在康復 進程中，都需要對本體感覺進行客觀的評估，這是正確評判運動功能恢復的基礎。
[0003] 在本體感覺康復設備中，訓練裝置較多，測評裝置很少，如BIODEX多關節肌力測 試系統可以測試大關節的單軸本體感覺。但該設備價格昂貴，且不易移動，不能方便攜帶到 病房或康復大廳進行測試。而且不能對頸椎、腰椎和小關節，如手指關節進行測試，最主要 是等速設備進行的是某一關節的單軸本體感覺測試，而在現實生活和運動中，人體一般進 行的是三維空間里的三軸復合運動。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的：提供一種人體三維本體感覺測試設備，能方便、全面的測試人 體各關節三維本體感覺。
[0005] 為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是：
[0006] -種人體三維本體感覺測試設備，包括單片機、藍牙發射器、藍牙接收器、數據處 理電腦、安裝外殼、彈力綁帶及慣性傳感器；所述的單片機、藍牙發射器及慣性傳感器分別 安裝在所述的安裝外殼內，所述的慣性傳感器包括三個微陀螺儀、三個微加速度計及三個 微磁力計；所述的三個微陀螺儀、三個微加速度計及三個微磁力計的輸出端分別與所述的 單片機的輸入端連接，所述的三個微陀螺儀分別呈正交配置，所述的三個微加速度計分別 呈正交配置，所述的三個微磁力計分別呈正交配置；所述的單片機的輸出端與所述的藍牙 發射器的輸入端連接，所述的藍牙發射器的輸出端通過無線網絡與所述的藍牙接收器的輸 入端無線連接，所述的藍牙接收器的輸出端與所述的數據處理電腦的輸入端連接；所述的 彈力綁帶的兩端分別連接在所述的安裝外殼上，所述的安裝外殼通過所述的彈力綁帶連接 在被測關節的遠端關節上，所述的被測關節的近端關節固定，所述的安裝外殼與所述的被 測關節的遠端關節同步運動。
[0007] 上述的人體三維本體感覺測試設備，其中，所述的安裝外殼上設有信號天線，所述 的信號天線與所述的藍牙發射器連接。
[0008] 上述的人體三維本體感覺測試設備，其中，所述的安裝外殼上嵌入安裝有指示燈， 所述的指示燈與所述的單片機連接。
[0009] 上述的人體三維本體感覺測試設備，其中，所述的安裝外殼的側壁上設有多個散 熱通孔，所述的散熱通孔上設有防塵網。
[0010] 本實用新型的慣性傳感器在受試者測試關節的遠端環節運動過程中與其做相同 的運動，并記錄下實時變化的三維角度值，即關節活動角度值，可方便記錄角度重建法中三 維的目標角度、重建角度等數據。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本實用新型人體三維本體感覺測試設備的連接框圖。
[0012] 圖2是本實用新型人體三維本體感覺測試設備的結構示意圖。
[0013] 圖3是本實用新型人體三維本體感覺測試設備的安裝示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 以下結合附圖進一步說明本實用新型的實施例。
[0015] 請參見附圖1至附圖3所示，一種人體三維本體感覺測試設備，包括單片機1、藍牙 發射器2、藍牙接收器3、數據處理電腦4、安裝外殼5、彈力綁帶6及慣性傳感器；所述的單 片機1、藍牙發射器2及慣性傳感器分別安裝在所述的安裝外殼5內，所述的慣性傳感器包 括三個微陀螺儀7、三個微加速度計8及三個微磁力計9 ;所述的三個微陀螺儀7、三個微加 速度計8及三個微磁力計9的輸出端分別與所述的單片機1的輸入端連接，所述的三個微 陀螺儀7分別呈正交配置，所述的三個微加速度計8分別呈正交配置，所述的三個微磁力計 9分別呈正交配置；所述的單片機1的輸出端與所述的藍牙發射器2的輸入端連接，所述的 藍牙發射器2的輸出端通過無線網絡與所述的藍牙接收器3的輸入端無線連接，所述的藍 牙接收器3的輸出端與所述的數據處理電腦4的輸入端連接；所述的彈力綁帶6的兩端分 別連接在所述的安裝外殼5上，所述的安裝外殼5通過所述的彈力綁帶6連接在被測關節 的遠端關節上，所述的被測關節的近端關節固定，所述的安裝外殼5與所述的被測關節的 遠端關節同步運動。
[0016] 所述的安裝外殼5上設有信號天線10,所述的信號天線10與所述的藍牙發射器2 連接，可增強藍牙無線信號的穩定性。
[0017] 所述的安裝外殼5上嵌入安裝有指示燈11，所述的指示燈11與所述的單片機1連 接，可用于指示電源的開關等信號。
[0018] 所述的安裝外殼5的側壁上設有多個散熱通孔12,所述的散熱通孔12上設有防塵 網，可在散熱的同時減少灰塵進入安裝外殼5內。
[0019] 三維姿態輸出被定義為慣性傳感器自身坐標系S，與地球固定坐標系G之間的定 位，使用與地球固定坐標系G作為參考坐標系，遵循笛卡兒右手定則。
[0020] 慣性傳感器測得信號是沿運動環節坐標系各軸相對于慣性空間的角速率、線加 速度和磁力數值。微陀螺儀7采用L3G4200D芯片，采用采集頻率100Hz，角速度測量范圍 ±1200° /s，微加速度計8采用ADXL345芯片，線加速度測量范圍±16g，微磁力計8采用 HMC5883L芯片，微磁力計9測量范圍± 1200 μ T。由于需要進行大量數值計算，所用單片機 1采用具有ARM Cortex-M3處理器的32位單片機STM32F103來完成控制、數據采集與處理、 數據通訊等功能。線性加速度數據通過歸一法減少由于各軸量度差異引起的誤差。調整傳 感器姿態變化，使各軸測試到最大值、最小值。測得X軸最大值A" ax，X軸最小值A"in;Y軸 最大值Aymax，Y軸最小值A ymin;Z軸最大值A zmax，Z軸最小值Azmin。歸一法公式如下：
[0022] 其中Ax'、Ay'、AZ'分別為X、Y、Z軸實測數據，A x、Ay、AzS歸一化后數據。陀螺 儀采用三維轉臺全溫標定和最小二乘直線擬合，來修正陀螺儀積分角度誤差，減小陀螺儀 的漂移影響。磁力計通過立體8字校準方法，確定固定磁場干擾矢量的大小及方向。使需 要校準的傳感器在空中做8字晃動，盡量多的讓傳感器法線方向指向空間的所有8個象限， 通過足夠的樣本點求出固定磁場干擾矢量的大小及方向。公式如下：
[0023] (Mx- γ x)2+ (My- γ y)2+ (Mz- γ z)2 = R2 (2)
[0024] 其中Mx、My、Mz分別為X、Y、Z軸實測數據，γ x、γ y、γ z分別為固定磁場干擾矢量 在X、Y、Z軸上的分量，R為常量。
[0025] 通過卡爾曼濾波的方法，對采集的數據進行數據融合，使采集的數據更接近真實 的值。為了避免歐拉角形式產生的萬向軸鎖死，構造的姿態數據采用四元數形式。求解方
[0027] q是四元數矢量，ωχ、ω# ω 2是ω的分量。解上述方程，獲得四元數形式表示 的姿態。由于四元數形式不能直觀表示各軸角度變化，將四元數轉化為歐拉角形式，公式如 下：
[0028]
[0029] 其中，q^q的分量。Ρ、θ、φ分別表示歐拉角的自轉角、俯仰角和 航向角。
[0030] 最后將參數處理成所需的數據格式。為數據添加數據頭和校驗位，以減少藍牙無 線傳輸時可能出現的誤讀操作。藍牙采用CSR BC417藍牙收發一體芯片，通過藍牙發射器 2發射，無線傳輸給連接在數據處理電腦4的藍牙接收器3,數據進入運行于數據處理電腦 4上的軟件。
[0031] 本申請的創新點在于該產品各個部分硬件的組合，每個硬件實現自身功能所需要 的軟件屬于現有技術。
[0032] 綜上所述，本實用新型的慣性傳感器在受試者測試關節的遠端環節運動過程中與 其做相同的運動，并記錄下實時變化的三維角度值，即關節活動角度值，可方便記錄角度重 建法中三維的目標角度、重建角度等數據。
[0033] 以上所述僅為本實用新型的優選實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍， 凡是利用本實用新型說明書內容所作的等效結構變換，或直接或間接運用附屬在其他相關 產品的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 一種人體三維本體感覺測試設備，其特征在于：包括單片機、藍牙發射器、藍牙接收 器、數據處理電腦、安裝外殼、彈力綁帶及慣性傳感器；所述的單片機、藍牙發射器及慣性 傳感器分別安裝在所述的安裝外殼內，所述的慣性傳感器包括三個微陀螺儀、三個微加速 度計及三個微磁力計；所述的三個微陀螺儀、三個微加速度計及三個微磁力計的輸出端分 別與所述的單片機的輸入端連接，所述的三個微陀螺儀分別呈正交配置，所述的三個微加 速度計分別呈正交配置，所述的三個微磁力計分別呈正交配置；所述的單片機的輸出端與 所述的藍牙發射器的輸入端連接，所述的藍牙發射器的輸出端通過無線網絡與所述的藍牙 接收器的輸入端無線連接，所述的藍牙接收器的輸出端與所述的數據處理電腦的輸入端連 接；所述的彈力綁帶的兩端分別連接在所述的安裝外殼上，所述的安裝外殼通過所述的彈 力綁帶連接在被測關節的遠端關節上，所述的被測關節的近端關節固定，所述的安裝外殼 與所述的被測關節的遠端關節同步運動。2. 根據權利要求1所述的人體三維本體感覺測試設備，其特征在于：所述的安裝外殼 上設有信號天線，所述的信號天線與所述的藍牙發射器連接。3. 根據權利要求1所述的人體三維本體感覺測試設備，其特征在于：所述的安裝外殼 上嵌入安裝有指示燈，所述的指示燈與所述的單片機連接。4. 根據權利要求1所述的人體三維本體感覺測試設備，其特征在于：所述的安裝外殼 的側壁上設有多個散熱通孔，所述的散熱通孔上設有防塵網。
【專利摘要】本實用新型公開了一種人體三維本體感覺測試設備，包括單片機、藍牙發射器、藍牙接收器、數據處理電腦、安裝外殼、彈力綁帶及慣性傳感器；慣性傳感器包括三個微陀螺儀、三個微加速度計及三個微磁力計，并分別與單片機的輸入端連接，單片機通過藍牙發射器與藍牙接收器無線連接，藍牙接收器與數據處理電腦連接；彈力綁帶連接在安裝外殼上，安裝外殼通過彈力綁帶連接在被測關節的遠端關節上，被測關節的近端關節固定。本實用新型的慣性傳感器在受試者測試關節的遠端環節運動過程中與其做相同的運動，并記錄下實時變化的三維角度值，即關節活動角度值，可方便記錄角度重建法中三維的目標角度、重建角度等數據。
【IPC分類】A61B5/11
【公開號】CN204636378
【申請號】CN201520219369
【發明人】李林, 紀仲秋
【申請人】北京師范大學
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年4月10日