[发明专利]基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备及捷联姿态算法

权利要求书

1.一种基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备，其特征在于：所述康复设备由上位机系统和惯性测量系统构成；

所述上位机系统由控制器主机、显示器、打印机、微软WPF图形系统和无线通讯模块组成；上位机系统采用微软的WPF图形系统开发设计上位机用户界面，控制器主机对显示器和打印机进行控制；

所述惯性测量系统由无线通信模块和惯性测量单元组成；惯性测量单元以MSP430系列单片机作为核心控制芯片，每个惯性测量单元由一个9自由度的测量传感器和一个无线通信模块组成，所述9自由度的测量传感器分别为三轴加速度计、三轴陀螺仪和三周磁力计，分别用以测量物体的运动加速度、角速度和物体周围磁场强度；物体运动加速度、角速度和磁场强度的测量信息经卡尔曼滤波后转化成姿态角度信息，所述卡尔曼滤波过程是在MSP430系列单片机中以硬件描述语言的形式实现的；

所述惯性测量单元分为中心惯性测量单元和至少两个普通惯性测量单元；普通惯性测量单元是以分布方式安装在患者各患病上下肢的位置上，采集患者各患病肢体的位置和姿态信息；中心惯性测量单元安装在患者的躯干部位，采集躯干部位的位置和姿态信息；普通惯性测量单元与中心惯性测量单元之间通过无线通信模块进行数据传输，中心惯性测量单元融合所有普通惯性测量单元的数据，统一坐标数据；中心惯性测量单元与上位机系统之间也通过无线通信模块进行数据对接。

2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器可穿戴式偏瘫康复设备，其特征在于：所述无线通信模块采用NRF24L01无线通信模块。

3.一种应用于权利要求1的基于平面约束的捷联姿态算法，其特征在于：所述算法是根据患者上下肢动作在运动过程中上一时刻的运动姿态，构建约束平面，对加速度信息进行约束；具体算法步骤如下，

a、根据三轴陀螺仪更新的角速度信息，更新惯性测量单元的姿态，然后估计t时刻欧拉角度信息，将估计的欧拉角度信息作为卡尔曼滤波器的状态向量；

b、由t-1时刻的前臂和后臂的惯性测量单元姿态角度信息构建约束平面，为了防止传感器噪声引起的漂移，通过平面约束加速度信号，然后根据约束后的加速度信息以及三轴磁力计输出的磁场强度信息，解算姿态角度信息，作为卡尔曼滤波器的观测向量；

c、设定一个参考面用以判断约束平面存在的有效性，即当约束平面与规定的参考面的夹角γ小于规定阈值m的时候，约束平面有效，可对加速度信号进行约束，则经过约束后的加速度信息为：

A→′=A→,γ>mA→-(A→·Rnb·(X→f×X→p)|Rnb·(X→f×X→p)|)·Rnb·(X→f×X→p)|Rnb·(X→f×X→p)|,γ≤m]]>

式中，A′和A分别为加速度在平面约束修正前后的值；γ为约束平面与规定参考面的夹角；m为规定阈值；X_f、X_p分别为地理坐标系中前臂、后臂的方向向量；为状态转移矩阵；

γ=arccos(n→x-y·Rnb·(X→f×X→p)|Rnb·(X→f×X→p)||n→x-y|·|Rnb·(X→f×X→p)|Rnb·(X→f×X→p)||)]]>

式中，X_f、X_p分别为地理坐标系中前臂、后臂的方向向量，为状态转移矩阵，为参考平面法向量。