下肢體訓練輔助及定位系統的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本實用新型屬于電子醫療設備領域。
【背景技術】
[0002] 隨著科技發展，特別是電子技術的發展，在醫用康復訓練領域也趨于電子化。已知 的康復設備或系統均具有相對較大的體積和較為明顯復雜機械結構，且制作成本較高，無 法大范圍便攜應用，導致康復行為較為被動，且無法知道康復訓練人員在相應場地的具體 位置，在康復人員自主性訓練和安全性方面表現欠佳。此外，在人員康復的訓練數據也無法 主動的發送給親屬或醫生來對其進行訓練量的分析，整體訓練及分析效果一般。
【發明內容】
[0003] 本實用新型的目的是提供一種穿戴于人體，用于對人下肢進行輔助訓練的下肢體 訓練輔助及定位系統。
[0004] 本實用新型是由系統程序下載接口電路、ARM單片機外圍電路、ARM單片機復位電 路和插頭電路、系統供電電路、陀螺儀傳感器電路、重力感應傳感器電路、地磁傳感器電路、 數據收發模塊電路和串口 USB互轉電路構成；
[0005] 系統程序下載接口電路：VCC3.3為下載接口電路的供電電壓，HEDDER1的第3、5、 7、9、13、15引腳分別于厶1?1單片機外圍電路的3了]\〇2卩103的第90、77、72、76、89、14引腳連接；
[0006] ARM單片機外圍電路:采用核心處理器STM32F103;
[0007] ARM單片機復位電路和插頭電路：復位電路和插頭電路的VCC3.3與核心處理器 STM32F103的VCC3.3連接;NRST與核心處理器STM32F103的NRST連接；
[0008] 系統供電電路:31是電源開關，￥〇：3.3為核心處理器3了132?103供電431117為穩 壓芯片；
[0009 ]陀螺儀傳感器電路:采用L3⑶20H，陀螺儀傳感器電路的SCL與重力感應傳感器電 路的SCL連接，陀螺儀傳感器電路的SDA引腳與地磁傳感器電路的SDA連接；
[0010] 重力感應傳感器電路:采用ADXL362,其SDA引腳與地磁傳感器電路的SDA連接； [0011] 地磁傳感器電路:采用HMC5983;
[0012]數據收發模塊電路:其引腳RX、TX分別與核心處理器STM32F103和串口 USB互轉電 路的引腳RX、TX連接;3.3V接在系統供電電路上；
[0013] 串口 USB互轉電路：PL2303為串口轉USB芯片，引腳TX、RX分別與核心處理器 STM32F103和數據收發模塊電路的引腳RX、TX連接;3.3V接在系統供電電路上。
[0014] 本實用新型算法是：
[0015] ①在上位機LabVIEW軟件中，對信號進行三層小波包分解，設各種動作信號為S，進 行三層小波包分解;選用小波基函數為db06,以S表示前端探測單元采集到的目標信號，對 信號進行N層小波包分解，:'j:>表示第i層的第I節點，其中，I = 0:具,,2^#，
:為第?層的第I個頻帶的小波包分解系數；
[0016]②選取分解后的2#個終端節點對信號進行重構，若令4為為的重構信號，則目標 信號經過重構后的表達式為：
[0020]
為4的各個分量幅值；
[0021 ]④由步驟③得到2Af - 1個能量值，將其合并為一個特征向量Γ，即：
[0026] Zlt為歸一化后的特征向量；
[0027]⑥把歸一化向量送入BP神經網絡分類訓練，完成BP神經網絡訓練后，上位機軟件 將識別訓練人員的各種動作，從而進行計數。
[0028] 本實用新型便攜方便，無笨重較大體積，屬于可穿戴設備，康復訓練人員的走步、 慢跑、上樓、下樓、轉彎等康復訓練動作均可通過無線傳輸到上位機系統，并且可以實現數 據的在線保存，以便后期對康復人員各項康復數據進行統計分析。此外，可在上位機確定人 員在當前運動場所的位置。基于可穿戴的系統，可讓康復人員家屬和其醫生掌其每天的訓 練量。通過識別康復人員動作計算出康復人員軌跡，進而進行所在康復場所的人員位置定 位。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本實用新型系統總體工作流程圖；
[0030] 圖2是本實用新型系統工作細節圖；
[0031 ]圖3是本實用新型系統程序下載接口電路原理圖；
[0032] 圖4是本實用新型所用ARM單片機外圍電路原理圖；
[0033] 圖5是本實用新型所用ARM單片機復位電路和插頭電路原理圖；
[0034] 圖6是本實用新型系統供電電路原理圖；
[0035] 圖7是本實用新型陀螺儀傳感器電路原理圖；
[0036]圖8是本實用新型重力感應傳感器電路原理圖；
[0037] 圖9是本實用新型地磁傳感器電路原理圖；
[0038] 圖10是本實用新型數據收發模塊電路原理圖；
[0039] 圖11是本實用新型串口 USB互轉電路原理圖
[0040] 圖12是陀螺儀原始數據圖；
[0041] 圖13是重力傳感器原始數據圖；
[0042] 圖14是地磁傳感器原始數據圖。
【具體實施方式】
[0043]本實用新型本實用新型是由系統程序下載接口電路、ARM單片機外圍電路、ARM單 片機復位電路和插頭電路、系統供電電路、陀螺儀傳感器電路、重力感應傳感器電路、地磁 傳感器電路、數據收發模塊電路和串口 USB互轉電路構成；
[0044]系統程序下載接口電路：VCC3.3為下載接口電路的供電電壓，HEDDER1的第3、5、 7、9、13、15引腳分別于厶1?1單片機外圍電路的3了]\〇2卩103的第90、77、72、76、89、14引腳連接； [0045] ARM單片機外圍電路:采用核心處理器STM32F103;
[0046] ARM單片機復位電路和插頭電路：復位電路和插頭電路的VCC3.3與核心處理器 STM32F103的VCC3.3連接;NRST與核心處理器STM32F103的NRST連接；
[0047] 系統供電電路:31是電源開關，￥〇：3.3為核心處理器3了132?103供電431117為穩 壓芯片；
[0048]陀螺儀傳感器電路:采用L3⑶20H，陀螺儀傳感器電路的SCL與重力感應傳感器電 路的SCL連接，陀螺儀傳感器電路的SDA引腳與地磁傳感器電路的SDA連接；
[0049] 重力感應傳感器電路:采用ADXL362,其SDA引腳與地磁傳感器電路的SDA連接；
[0050] 地磁傳感器電路：采用HMC5983;
[00511數據收發模塊電路:其引腳RX、TX分別與核心處理器STM32F103和串口 USB互轉電 路的引腳RX、TX連接;3.3V接在系統供電電路上；
[0052] 串口 USB互轉電路：PL2303為串口轉USB芯片，引腳TX、RX分別與核心處理器 STM32F103和數據收發模塊電路的引腳RX、TX連接;3.3V接在系統供電電路上。
[0053] 本實用新型算法是：
[0054] ①在上位機LabVIEW軟件中，對信號進行三層小波包分解，設各種動作信號為S，進 行三層小波包分解;選用小波基函數為db06,以S表示前端探測單元采集到的目標信號，對 信號進行N層小波包分解，表示第j層的第/節點，其中，纟= 0,1, 2*'·灰， J =()，丨.2…2_v -〗為第層的第/個頻帶的小波包分解系數；
[0055] ②選取分解后的2:x個終端節點對信號進行重構，若令4為^^的重構信號，則目標 信號經過重構后的表達式為：
[0059] 式中
的各個分量幅值；
[0060] ④由步驟③得到之# 一 1個能量值，將其合并為一個特征向量Γ，即：
[0065] P為歸一化后的特征向量；
[0066]⑥把歸一化向量送入BP神經網絡分類訓練，完成BP神經網絡訓練后，上位機軟件 將識別訓練人員的各種動作，從而進行計數。
[0067] 以下對本實用新型做進一步詳細說明：
[0068] 本實用新型包括前端可穿戴數據采集硬件部分，下位機處理器采集模塊，無線數 據傳輸模塊，上位機PC軟件顯示操作界面。整體上包括實體硬件組成部分和上位機軟件算 法部分。所述前端可穿戴數據采集硬件部分設有用于康復人員實施康復訓練操作感應傳感 裝置元件，用于收集并識別康復訓練人員諸如走步、慢跑、上樓、下樓、轉彎等訓練動作信 號;所述下位機數據處理模塊，與所述前端可穿戴傳感裝置連接，用于直接接收康復訓練人 員初始化動作訓練信號，并進行預處理;所述無線傳輸模塊，包括無線發送模塊和無線接收 模塊，所述無線發送模塊與下位機數據處理模塊直接相連，用于將前端傳感裝置采集的動 作信號通過433MHz無線信號的形式發送到上位機，同時所述無線接收模塊配合所述上位機 用于接收所述無線發送模塊發送的433MHz無線數據信號;所述上位機PC軟件顯示界面基于 LabVIEW可視化上位機PC顯示界面，顯示當前康復訓練人員每次訓練的數據情況，包括走 步、慢跑、上樓、下樓動作的計數情況，實時的顯示給康復人員家屬或其醫生。
[0069]具體的，所述前端可穿戴傳感單元包括陀螺儀傳感器L3⑶20H電路、加速度計傳感 器ADXL326電路、電子羅盤傳感器HMC5983電路、前端穩壓電路、ARM最小系統。所述無線數據 傳輸模塊包括433MHz無線串口發射電路(同接收電路）。所述上